工程材料的力学性能课件

03:09:30力学性能力学性能是指材料在外力作用时表现出来的性能。力是指材料在外力作用时表现出来的性能。力学性能包括学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。硬等。硬度值可以间接地反映材料的强度、塑性和韧性以及材料度值可以间接地反映材料的强度、塑性和韧性以及材料在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬度试验在工程上应用十分广泛。生产中常用的硬度试验度试验在工程上应用十分广泛。生产中常用的硬度试验是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。工程工程材料力学性能的材料力学性能的重要性重要性：在机械设备及工具的设计、制造中选用工程材料时，大在机械设备及工具的设计、制造中选用工程材料时，大多以力学性能为主要依据。多以力学性能为主要依据。工程材料的力学性能工程材料的力学性能01:10:49力学性能是指材料在外力作用时表现出来的性能。103:09:31一、载荷的概念：一、载荷的概念：材料在加工及使用过程中所受的外力。材料在加工及使用过程中所受的外力。载荷分类：载荷分类：静静 载载 荷荷：冲击载荷冲击载荷：疲劳载荷疲劳载荷：静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷；静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷；冲击载荷是指突然增加的载荷；冲击载荷是指突然增加的载荷；疲劳载荷是指所经受的周期性或非周期疲劳载荷是指所经受的周期性或非周期性的动载荷性的动载荷(也称循环载荷也称循环载荷)。1.根据作用性质不同分根据作用性质不同分 2.根据载荷作用方式不同根据载荷作用方式不同 分为分为拉伸载荷拉伸载荷、压缩载荷压缩载荷、弯曲载荷弯曲载荷、剪切剪切载荷载荷和和扭转载荷扭转载荷等，如图等，如图1-1所示。所示。01:10:49一、载荷的概念：载荷分类：静 载 荷：静203:09:31内力内力为材料受外力作用后，为保持其不变形，在材料为材料受外力作用后，为保持其不变形，在材料 内部作用着与外力相对抗的力。内部作用着与外力相对抗的力。应力应力为单位截面积上的内力。为单位截面积上的内力。二、变形的概念：二、变形的概念：材料受不同载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化。材料受不同载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化。变形的分类：变形的分类：弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形材材料料受受拉拉伸伸载载荷荷或或压压缩缩载载荷荷作作用用时时，其其横横截截面面积积上上的应力（的应力（)按下式计算：按下式计算：式中式中 ,F外力外力(N)；S横截面积横截面积(m2)；应力应力(Pa)，应力单位是，应力单位是Pa，1Pa1Nm2。当面积用。当面积用mm2时，则应力可用时，则应力可用MPa为单位。为单位。1MPa=1Nmm2106Pa01:10:49内力为材料受外力作用后，为保持其不变形，在材303:09:31一、强度一、强度 材材料料抵抵抗抗塑塑性性变变形形或或断断裂裂的的能能力力称称为为强强度度，强强度度大大小通常用应力来表示。小通常用应力来表示。1.1 1.1 静载荷条件下材料的力学性能静载荷条件下材料的力学性能 抗拉强度是通过拉伸试验测定的。抗拉强度是通过拉伸试验测定的。拉伸试验拉伸试验的方法的方法是用静拉力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力是用静拉力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。根据测得的数据，即可求出和相应的伸长，直至断裂。根据测得的数据，即可求出有关的力学性能。有关的力学性能。下面把试验作一简单介绍：下面把试验作一简单介绍：根据根据载荷作用方式载荷作用方式不同，强度可分为不同，强度可分为抗拉强度抗拉强度(b b)、抗压抗压强度强度(bcbc)、抗弯抗弯强度强度(bbbb)、抗剪抗剪强度强度(b b)和和抗扭抗扭强度强度(t t)等五种。等五种。一般情况下多以一般情况下多以抗拉强度抗拉强度作为判别材料强度高低的作为判别材料强度高低的指标。指标。01:10:49一、强度1.1 静载荷条件下材料的力学性能403:09:31(1)(1)拉伸试样拉伸试样 拉伸试样的形状一般有拉伸试样的形状一般有圆形圆形和和矩形矩形两类。在国家标准两类。在国家标准(GB397(GB39786)86)中，对试样的形状、中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。尺寸及加工要求均有明确的规定。(2)(2)力一伸长曲线力一伸长曲线 拉伸试验中记录的拉伸力对伸长的拉伸试验中记录的拉伸力对伸长的关系曲线叫做力一伸长曲线，也称拉伸图。关系曲线叫做力一伸长曲线，也称拉伸图。bzbz缩缩颈颈阶阶段段(局局部部塑塑性性变变形形阶阶段段)当当载载荷荷达达到到最最大大值值几几时时，试试样样的的直直径径发发生生局局部部收收缩缩，称称为为“缩缩颈颈”。试试样样变变形形所所需需的的载载荷荷也也随随之之降降低低，这这时时伸伸长长主主要要集集中中于于缩缩颈颈部部位位，直直至至断裂。断裂。oe弹性变形阶段弹性变形阶段 试样变形完全是弹性的，卸载后试样变形完全是弹性的，卸载后试样即恢复原状。这种随载荷的作用而产生、随载荷试样即恢复原状。这种随载荷的作用而产生、随载荷的去除而消失的变形称为的去除而消失的变形称为弹性变形弹性变形。es屈服阶段屈服阶段 当载荷超过当载荷超过Fe时，若卸载的话，试时，若卸载的话，试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形。样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形。这种不能随载荷的去除而消失的变形称为这种不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形塑性变形。这种在载荷不增加或略有减少的情况下，试样继续发这种在载荷不增加或略有减少的情况下，试样继续发生变形的现象叫做屈服。生变形的现象叫做屈服。Fs称为称为屈服载荷屈服载荷。屈服后，。屈服后，材料将残留较大的塑性变形。材料将残留较大的塑性变形。sb强化阶段强化阶段 在屈服阶段以后，欲使试样继续伸在屈服阶段以后，欲使试样继续伸长，必须不断加载。随着塑性变形增大，试样变形抗长，必须不断加载。随着塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化力也逐渐增加，这种现象称为形变强化(或称加工硬或称加工硬化化)。Fb为试样拉伸试验时的为试样拉伸试验时的最大载荷最大载荷。01:10:49(1)拉伸试样 拉伸试样的形状一般有圆形503:09:32工程上使用的材料，多数没有明显的屈服现工程上使用的材料，多数没有明显的屈服现象。象。对对于低塑性材料，不仅没有屈服现象，于低塑性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生而且也不产生“缩颈缩颈”，如球墨铸铁等。，如球墨铸铁等。(3)(3)强度指标强度指标屈服点屈服点 试样在试验过程中，力不增加试样在试验过程中，力不增加(保持恒定保持恒定)仍能继续伸长仍能继续伸长(变形变形)时的应力称时的应力称为屈服点，用符号为屈服点，用符号s表示表示 。对于无明显屈服现象的材料，多测定其规定对于无明显屈服现象的材料，多测定其规定残余伸长残余伸长应力值应力值。r r表示试样卸除拉伸载荷后，其标距部分的表示试样卸除拉伸载荷后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。例如残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。例如 r r0.20.2表示规定残余伸长率达到表示规定残余伸长率达到0.20.2时的应力，按下时的应力，按下列公式计算：列公式计算：01:10:49工程上使用的材料，多数没有明显的屈服现象。对603:09:32机械零件在工作时如受力过大，则因过量的塑性变机械零件在工作时如受力过大，则因过量的塑性变形而形而失效失效。当零件工作时所受的力，低于材料的屈。当零件工作时所受的力，低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，则不会产生过量的塑性服点或规定残余伸长应力，则不会产生过量的塑性变形。材料的屈服点或规定残余伸长应力越高，允变形。材料的屈服点或规定残余伸长应力越高，允许的工作应力也越高，则零件的截面尺寸及自身质许的工作应力也越高，则零件的截面尺寸及自身质量就可以减少。因此，量就可以减少。因此，材料的材料的屈服点屈服点或或规定残余伸规定残余伸长应力长应力是机械设计的主要依据，也是评定材料优劣是机械设计的主要依据，也是评定材料优劣的重要指标。的重要指标。抗抗拉拉强强度度 材材料料在在拉拉断断前前所所能能承承受受的的最最大大应应力力称为抗拉强度。用符号称为抗拉强度。用符号b b表示，按下列公式计算：表示，按下列公式计算：抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的最大均匀抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的最大均匀变形的抗力。也是机械零件设计和选材的主要依变形的抗力。也是机械零件设计和选材的主要依据之一据之一 01:10:49机械零件在工作时如受力过大，则因过量的塑性变703:09:32二、塑性二、塑性 断断裂裂前前材材料料产产生生永永久久变变形形的的能能力力称称为为塑塑性性。塑塑性性指指标标也也是是由由拉拉伸伸试试验验测测得得的的。常常用用材材料料拉拉伸伸时时最最大大的的相相对对塑塑性性变形变形(伸长率和断面收缩率伸长率和断面收缩率)来表示。来表示。(1)(1)伸伸长长率率 试试样样拉拉断断后后，标标距距的的伸伸长长与与原原始始标标距距的的百分比称为伸长率。用符号百分比称为伸长率。用符号表示。表示。其计算方法如下：其计算方法如下：(2)(2)断断面面收收缩缩率率 试试样样拉拉断断后后，缩缩颈颈处处截截面面积积的的最最大大缩缩减减量量与与原原始始横横截截面面积积的的百百分分比比为为断断面面收收缩缩率率，用用符符号号表示。其计算方法如下：表示。其计算方法如下：材料的伸长率材料的伸长率()和断面收缩率和断面收缩率()数值越大，表示材数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的材料可以发生大量塑性变形而料的塑性越好。塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不破坏，便于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。不破坏，便于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。01:10:49二、塑性 (2)断面收缩率 试样拉断后803:09:32三、硬度三、硬度 材材料料抵抵抗抗局局部部变变形形(特特别别是是塑塑性性变变形形)、压压痕痕或或划划痕痕的的能能力力称称为为硬硬度度。硬硬度度是是各各种种零零件件和和工工具具必必须须具具备备的的性性能能指指标标。机机械械制制造造业业所所用用的的刀刀具具、量量具具、模模具具等等，都都应应具具备备足足够够的的硬硬度度，才才能能保保证证使使用用性性能能和和寿寿命命。有有些些机机械械零零件件如如齿齿轮轮等等，也也要要求求有有一一定定的的硬硬度度，以以保保证证足足够够的的耐耐磨磨性性和和使使用用寿寿命命。因此因此硬度是材料重要的力学性能之一硬度是材料重要的力学性能之一。与拉伸试验相比，硬度试验简便易行，硬度值又可以与拉伸试验相比，硬度试验简便易行，硬度值又可以间间接地反映接地反映材料的强度以及材料在化学成分、金相组织和热材料的强度以及材料在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬度试验应用十分广泛。处理工艺上的差异，因而硬度试验应用十分广泛。硬度试验的方法很多：硬度试验的方法很多：压入压入硬度试验法硬度试验法(如布氏硬度、洛氏硬度等如布氏硬度、洛氏硬度等)；划痕划痕硬度试验法硬度试验法(如莫氏硬度如莫氏硬度)；回跳回跳硬度试验法硬度试验法(如肖氏硬度如肖氏硬度)，生产中生产中常用的是压入硬度试验法常用的是压入硬度试验法。01:10:49三、硬度硬度试验的方法很多：903:09:32(1)(1)布氏硬度布氏硬度 布布氏氏硬硬度度的的测测试试原原理理 它它是是用用一一定定直直径径的的球球体体(钢钢球球或或硬硬质质合合金金球球)，以以相相应应的的试试验验力力压压入入试试样样表表面面，经经规规定定保保持持时时间间后后卸卸除除试试验验力力，用用测测量量表表面面压压痕痕直直径径来来计计算算硬硬度度的的一一种种压痕硬度试验。压痕硬度试验。布布氏氏硬硬度度值值是是用用球球面面压压痕痕单单位位表表面面积积上上所所承承受受的的平平均均压压力力来来表表示示。用用符符号号HBS(W)来来表表示示。布布氏氏硬硬度度值值按按下下式式计计算：算：从上式中可以看出从上式中可以看出，当外载荷，当外载荷(F)，压头球体直径，压头球体直径(D)一一定时，布氏硬度值仅与压痕直径定时，布氏硬度值仅与压痕直径(d)的大小有关。在实际应的大小有关。在实际应用中，布氏硬度一般不用计算，而是用专用的刻度放大镜量用中，布氏硬度一般不用计算，而是用专用的刻度放大镜量出压痕直径出压痕直径(d)，根据压痕直径的大小，再从专门的硬度表，根据压痕直径的大小，再从专门的硬度表中查出相应的布氏硬度值。中查出相应的布氏硬度值。01:10:49(1)布氏硬度 布氏硬度值是用球面压痕1003:09:32布布氏氏硬硬度度的的符符号号及及表表示示方方法法 当当试试验验的的压压头头为为淬淬硬硬钢钢球球时时，其其硬硬度度符符号号用用HBSHBS表表示示。当当试试验验压压头头为为硬硬质质合合金金球球时时，其硬度符号用其硬度符号用HBWHBW表示。表示。布氏硬度的表示方法规定为：布氏硬度的表示方法规定为：符符号号HBSHBS或或HBWHBW之之前前的的数数字字为为硬硬度度值值，符符号号后后面面按按以以下下顺顺序序用用数数字字表表示示试试验验条条件件：球球体体直直径径/试试验验力力/试试验验力力保保持持的时间的时间(1015s(1015s不标注不标注)。例如例如170HBS l0100030表示用直径表示用直径10mm的的钢钢球，球，在在9807N(1000kgf)的试验力作用下，保持的试验力作用下，保持30s时测得的布氏时测得的布氏硬度值为硬度值为170。530HBW 5750表示用直径表示用直径5mm的的硬质合金球硬质合金球，在，在7355N(750kgf)的试验力作用下，保持的试验力作用下，保持1015s时测得的布时测得的布氏硬度值为氏硬度值为530。01:10:49布氏硬度的符号及表示方法 当试验的压头为1103:09:32试试验验条条件件的的选选择择 布布氏氏硬硬度度试试验验时时，压压头头球球体体的的直直径径(D)(D)，试试验验力力(F)(F)及及试试验验力力保保持持的的时时间间(t)(t)，应应根根据据被被测测材材料料材材料料的种类、硬度值的范围及材料的厚度进行选择。的种类、硬度值的范围及材料的厚度进行选择。常用的压头球体直径常用的压头球体直径(D)有有1、2、2.5、5和和10mm五种。试验五种。试验力力(F)可从可从9.807N(1kgf)29.42kN(3000kgf)范围内，二者之范围内，二者之间的关系详见表间的关系详见表12。试验力保持时间，一般黑色材料为。试验力保持时间，一般黑色材料为1015s；有色材料为；有色材料为30s；布氏硬度值小于；布氏硬度值小于35时为时为60s。材料材料布氏硬度布氏硬度F/DF/D2 2钢及铸铁钢及铸铁14014014014010103030铜及其合金铜及其合金351301305 510103030轻材料及其合金轻材料及其合金3580802.5(1.25)2.5(1.25)10(510(5或或15)15)10(15)10(15)铅、锡铅、锡1.25(1)1.25(1)01:10:49试验条件的选择 布氏硬度试验时，压头球体1203:09:32应用范围及优缺点应用范围及优缺点 布布氏氏硬硬度度适适用用于于铸铸铁铁、有有色色材材料料及及其其合合金金、各各种种退退火火及及调调质质的的钢钢材材，特特别别对对于于软软材材料料，如如铝铝、铅铅、锡锡等等更更为为适适宜。宜。布布氏氏硬硬度度的的优优点点是是具具有有很很高高的的测测量量精精度度，它它采采用用的的试试验验力力大大，球球体体直直径径也也大大，因因而而压压痕痕直直径径也也大大，它它能能较较真真实实地地反反映映出出材材料料材材料料的的平平均均性性能能。另另外外，由由于于布布氏氏硬硬度度与与其其它它力力学学性性能能 (例例抗抗拉拉强强度度)之之间间存存在在着着一一定定的的近近似似关关系系，因而在工程上得到广泛应用。因而在工程上得到广泛应用。缺点缺点是是操作时间较长，对不同材料需要更换压头和操作时间较长，对不同材料需要更换压头和试验力，压痕测量也较费时间。在进行高硬度材料试验时，试验力，压痕测量也较费时间。在进行高硬度材料试验时，由于球体本身的变形会使测量结果不准确由于球体本身的变形会使测量结果不准确。因此，。因此，用用钢球钢球压头测量时，硬度值必须小于压头测量时，硬度值必须小于450；用；用硬质合金球硬质合金球压头时，压头时，硬度值必须小于硬度值必须小于650，又因压痕较大，不宜于测量成品及，又因压痕较大，不宜于测量成品及薄件薄件。01:10:49应用范围及优缺点 1303:09:32(2)(2)洛氏硬度洛氏硬度洛洛氏氏硬硬度度测测试试原原理理 在在初初始始试试验验力力(F(F0 0)及及总总试试验验力力(F(F0 0+F+F1 1)先先后后作作用用下下，将将压压头头(金金刚刚石石圆圆锥锥体体或或钢钢球球)压压入入试试样样表表面面，经经规规定定保保持持时时间间后后卸卸除除生生试试验验力力(F(F1 1)，用用保保持持初初始始试试验验力力的的条条件件下下，测测量量的的残残余余压压痕痕深深度度增增量量来来计计算算硬硬度度。图图1-71-7为为用用金金刚刚石石圆圆锥锥体体压压头头进进行行洛洛氏氏硬硬度度试试验验的的示示意意图图。从从图图中中看看出出，洛洛氏氏硬硬度度值值(HR)(HR)是是用用洛洛氏氏硬硬度度相相应应标标尺尺刻刻度度满满量量程程(100)(100)与与残残余余压压痕痕深深度度增增量量（e)e)之之差计算硬度值。计算公式如下差计算硬度值。计算公式如下 HRHR=k-e=k-e式中式中 HR-洛氏硬度值；洛氏硬度值；K常数，用金刚石圆锥体常数，用金刚石圆锥体压头进行试验时压头进行试验时K为为100；用钢球压头进行试验时，；用钢球压头进行试验时，K为为130；e残余压痕深度增量，单位为残余压痕深度增量，单位为0.002mm。01:10:49(2)洛氏硬度1403:09:32常用洛氏常用洛氏硬度标尺及其适用范围硬度标尺及其适用范围 为了用一台硬度计测定为了用一台硬度计测定从软到硬不同材料材料的硬度，可采用不同的压头和总试验从软到硬不同材料材料的硬度，可采用不同的压头和总试验力，组成力，组成15种洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏种洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号硬度符号HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是HRA、HRB、HRC三三种。其中种。其中HRC应用最为广泛。三种洛氏硬度应用最为广泛。三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围见表标尺的试验条件和适用范围见表13。硬度硬度标尺标尺压头类型压头类型总试验力总试验力(N)(N)硬度值有效硬度值有效范围范围 应用举例应用举例 HRC HRC120120金刚石金刚石圆锥体圆锥体 1471.0 1471.0 20 2067HRC67HRC 一般淬火钢件一般淬火钢件 HRB HRB1/161/16钢球钢球 980.7 980.725-1OOHRB25-1OOHRB软钢、退火钢、铜软钢、退火钢、铜合金等合金等 HRA HRA120120金刚石圆金刚石圆锥体锥体 588.4 588.4 60 6085HRA85HRA硬质合金、表面淬硬质合金、表面淬火钢等火钢等01:10:49常用洛氏硬度标尺及其适用范围 为了用一台1503:09:32 优缺点优缺点 优优点点是是操操作作简简单单迅迅速速，能能直直接接从从刻刻度度盘盘上上读读出出硬硬度度值值；压压痕痕较较小小，可可以以测测定定成成品品及及薄薄的的工工件件；测测试试的的硬硬度度值值范范围围大，可测从很软到很硬的材料材料。大，可测从很软到很硬的材料材料。缺缺点点是是压压痕痕较较小小，当当材材料料的的内内部部组组织织不不均均匀匀时时，硬硬度度数数据据波波动动较较大大，使使测测量量值值的的代代表表性性不不足足，通通常常需需要要在在不不同同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。(3)(3)维氏硬度维氏硬度 维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理基本上和布氏硬度试验基本上和布氏硬度试验相同，其试验原理如图所示。将相对面夹角为相同，其试验原理如图所示。将相对面夹角为136的正四的正四棱锥体金刚石压头，以选定的试验力压入试样表面，经规棱锥体金刚石压头，以选定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量压痕对角线的长度来计定保持时间后卸除试验力，用测量压痕对角线的长度来计算硬度。即用正四棱锥形压痕单位表面积上承受的算硬度。即用正四棱锥形压痕单位表面积上承受的平均压平均压力力代表维氏硬度值。代表维氏硬度值。01:10:49 优缺点 (3)维氏硬度 维氏硬度试1603:09:32 维维氏氏硬硬度度用用符符号号HVHV表表示示，HVHV前前面面为为硬硬度度值值，HVHV后后面面的的数数字字按按顺顺序序表表示示试试验验条条件件。例例如如640HV30640HV30表表示示 用用 294.2N(30kgf)294.2N(30kgf)试试 验验力力，保保持持1015s(1015s(可可省省略略不不标标)测测定定的的维维氏氏硬硬度度值值为为640640。维维氏硬度因试验时所加的试验力小，压入深度较浅，氏硬度因试验时所加的试验力小，压入深度较浅，故可测量较薄的材料，故可测量较薄的材料，也可测量表面渗碳、氮化层的硬度。也可测量表面渗碳、氮化层的硬度。而维氏硬度值具有连续性而维氏硬度值具有连续性(HVl01000)，故可测定很软到，故可测定很软到很硬的各种材料的硬度，且很硬的各种材料的硬度，且准确性高准确性高。维氏硬度试验的。维氏硬度试验的缺缺点点是试验时需要测量压痕对角线的长度是试验时需要测量压痕对角线的长度，测试手续较繁；，测试手续较繁；压痕小，对试件表面质量要求较高。压痕小，对试件表面质量要求较高。01:10:49 维氏硬度用符号HV表示，HV前面为硬1703:09:33一、一、冲击韧性冲击韧性 许多机械零件在工作中，往往要受到冲击载荷的作许多机械零件在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，制造这类零件所用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，制造这类零件所用的材料，其性能指标不能单纯用静载荷作用下的指标用的材料，其性能指标不能单纯用静载荷作用下的指标来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为韧性韧性。目前，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料的韧性。目前，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料的韧性。1.2 1.2 动载荷下力学性能动载荷下力学性能(1)冲击试样冲击试样 为了使试验结果可以互相比较，试样必须为了使试验结果可以互相比较，试样必须采用标准试样，冲击试样的类型很多，需根据国家标准采用标准试样，冲击试样的类型很多，需根据国家标准GB22984和和GB210680有关标准的要求来选择。常用有关标准的要求来选择。常用的试样有的试样有(10105)mm3的的V形缺口和形缺口和U形缺口试样。形缺口试样。01:10:49一、冲击韧性1.2 动载荷下力学性能(1)1803:09:33（2）冲击试验的原理及方法）冲击试验的原理及方法 冲击试验是利用能冲击试验是利用能量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。锤冲击试样前后的势能差。冲击吸收功冲击吸收功(Ak)除以试样缺口处截面除以试样缺口处截面积积(S0)，即可得到材料的，即可得到材料的冲击韧度冲击韧度，用符号用符号ak表示，其计算公式为表示，其计算公式为:01:10:49（2）冲击试验的原理及方法 冲击试验是利用1903:09:33（3）小能量多次冲击试验）小能量多次冲击试验 实践表明实践表明，承受冲击载荷的机械零件，很少因一，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的。它们的破坏零件破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的。它们的破坏是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹的产生与扩展的结是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹的产生与扩展的结果，根本不同于一次冲击的破坏过程。对于这样的零件，果，根本不同于一次冲击的破坏过程。对于这样的零件，用冲击韧度来设计显然是不符合实际的。用冲击韧度来设计显然是不符合实际的。实践表明实践表明，一次冲击，一次冲击韧度高的材料，小能量多韧度高的材料，小能量多次冲击抗力不一定高。因次冲击抗力不一定高。因此，需要采用小能量多次此，需要采用小能量多次冲击试验来检验这类材料冲击试验来检验这类材料的抗冲击性能。的抗冲击性能。实践证明实践证明，在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力，在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。主要取决于材料的强度和塑性。01:10:49（3）小能量多次冲击试验 2003:09:33(1)(1)疲劳概念疲劳概念 随随时时间间作作周周期期性性变变化化的的应应力力称称为为交交变变应应力力(也也称循环应力称循环应力)。在在交交变变应应力力作作用用下下，虽虽然然零零件件所所承承受受的的应应力力低低于于材材料料的的屈屈服服点点，但但经经过过较较长长时时间间的的工工作作而而产产生生裂裂纹或突然发生完全断裂的过程称为纹或突然发生完全断裂的过程称为材料的材料的疲劳疲劳。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据。据统计，在机械零件失效中大约有统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳以上属于疲劳破坏。而且疲劳破坏前没有明显的变形而突然破断。破坏。而且疲劳破坏前没有明显的变形而突然破断。所以，疲劳破坏经常造成重大事故。所以，疲劳破坏经常造成重大事故。二、疲劳强度二、疲劳强度01:10:49(1)疲劳概念 二、疲劳强度2103:09:33(2)(2)疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征 尽管疲劳载荷有各种不同的类型，但尽管疲劳载荷有各种不同的类型，但疲劳破坏有共同的特点疲劳破坏有共同的特点；疲疲劳劳断断裂裂时时并并没没有有明明显显的的宏宏观观塑塑性性变变形形，断断裂裂前前没没有有预预兆兆，而而是是突突然地破坏；然地破坏；引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；疲疲劳劳破破坏坏的的宏宏观观断断口口由由两两部部分分组组成成，即即疲疲劳劳裂裂纹纹的的策策源源地地及及扩扩展展区区(光滑部分光滑部分)和和最后断裂区最后断裂区(毛糙部分毛糙部分)。机机械械零零件件之之所所以以产产生生疲疲劳劳断断裂裂，是是由由于于材材料料表表面面或或内内部部有有缺缺陷陷(夹夹杂杂、划划痕痕、尖尖角角等等)。这这些些地地方方的的局局部部应应力力大大于于屈屈服服点点，从从而而产产生生局局部部塑塑性性变变形形而而导导致致开开裂裂。这这些些微微裂裂缝缝随随应应力力循循环环次次数数的的增增加加而而逐逐渐渐扩扩展展，直直至至最最后后载的截面大大减小，以致不能承受所加载荷而突然断裂。载的截面大大减小，以致不能承受所加载荷而突然断裂。01:10:49(2)疲劳破坏的特征 2203:09:33 前面讨论的力学性能，都是假定材料是前面讨论的力学性能，都是假定材料是均气、连续、均气、连续、各向同性各向同性的。以这些假设为依据的设计方法称为常规设计的。以这些假设为依据的设计方法称为常规设计方法。根据常规方法分析认为是安全的设计，有时会发生方法。根据常规方法分析认为是安全的设计，有时会发生意外断裂事故。研究这种在高强度金属材料中发生的低应意外断裂事故。研究这种在高强度金属材料中发生的低应力脆性断裂，发现前述假设是不成立的。力脆性断裂，发现前述假设是不成立的。实际上实际上，材料的组织远非是均匀、各向同性的，组织，材料的组织远非是均匀、各向同性的，组织中有微裂纹，还会有夹杂、气孔等宏观缺陷，这些缺陷可中有微裂纹，还会有夹杂、气孔等宏观缺陷，这些缺陷可看成是材料中的裂纹。当材料受外力作用时，这些裂纹的看成是材料中的裂纹。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附近便出现应力集中，形成一个裂纹尖端的应力场。尖端附近便出现应力集中，形成一个裂纹尖端的应力场。断裂韧度断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂能力的性能指标。当脆性断裂能力的性能指标。当KIKIC时，裂纹扩展很慢或不时，裂纹扩展很慢或不扩展；当扩展；当KI KIC时，则材料发生失稳脆断。这是一项重要的时，则材料发生失稳脆断。这是一项重要的判据，可用来分析和计算一些实际问题。判据，可用来分析和计算一些实际问题。三、断裂韧度三、断裂韧度01:10:49 前面讨论的力学性能，都是假定材料是均2303:09:33 断裂韧度测定断裂韧度测定是把试验材料制成一定形是把试验材料制成一定形状和尺寸的试样，在试样上预制出能反映材料状和尺寸的试样，在试样上预制出能反映材料实际情况的疲劳裂纹，然后施加载荷。试验中实际情况的疲劳裂纹，然后施加载荷。试验中用仪器自动记录并绘出外力和裂纹扩展的关系用仪器自动记录并绘出外力和裂纹扩展的关系曲线，经过计算和分析，确定断裂韧度。曲线，经过计算和分析，确定断裂韧度。断裂韧度是材料断裂韧度是材料固有的固有的力学性能指标，是力学性能指标，是强度和韧性强度和韧性的综合体现。它与裂纹的大小、形的综合体现。它与裂纹的大小、形状、外加应力等无关，主要状、外加应力等无关，主要取决取决于材料的成分、于材料的成分、内部组织和结构。内部组织和结构。01:10:49 断裂韧度测定是把试验材料制成2403:09:33 高压蒸气锅炉、汽轮机、内燃机、航空航天发动机、高压蒸气锅炉、汽轮机、内燃机、航空航天发动机、炼油设备等机器设备中的一些构件是长期在较高温度炼油设备等机器设备中的一些构件是长期在较高温度下运行的。对这类构件仅考虑常温下的力学性能是不下运行的。对这类构件仅考虑常温下的力学性能是不行的。行的。一方面一方面是因为温度对材料力学性能指标影响较是因为温度对材料力学性能指标影响较大。随着温度升高，强度、刚度、硬度要下降，塑性大。随着温度升高，强度、刚度、硬度要下降，塑性要增加。要增加。另一方面另一方面是在较高温度下，载荷的持续时间是在较高温度下，载荷的持续时间对力学性能也有影响，会产生明显的蠕变。对力学性能也有影响，会产生明显的蠕变。金属的蠕变金属的蠕变是指在长时间的恒温、恒应力作是指在长时间的恒温、恒应力作用下即使应力小于该温度下的屈服点也会缓慢地产生用下即使应力小于该温度下的屈服点也会缓慢地产生塑性变形的现象。塑性变形的现象。因此，对材料在高温下的力学性能的评定还需因此，对材料在高温下的力学性能的评定还需要建立另外的一些力学性能指标。主要有要建立另外的一些力学性能指标。主要有蠕变极限蠕变极限和和持久强度持久强度。四、高温下材料的力学性能四、高温下材料的力学性能01:10:49 高压蒸气锅炉、汽轮机、内燃机、2503:09:33蠕变极限蠕变极限是指在高温下载荷长期作用时，材料对蠕变的是指在高温下载荷长期作用时，材料对蠕变的抵抗能力。抵抗能力。持久强度持久强度是指在高温下载荷长期作用时材料对断裂的是指在高温下载荷长期作用时材料对断裂的抵抗能力。抵抗能力。对于在对于在高温下运转高温下运转，只考虑在给定载荷下使用寿命，只考虑在给定载荷下使用寿命长短的构件来说，材料的持久强度这个力学性能指标是长短的构件来说，材料的持久强度这个力学性能指标是很重要的。很重要的。一般说，对于金属材料只有当温度高于一般说，对于金属材料只有当温度高于0.3倍倍材料熔点（材料熔点（Tm）时，蠕变现象才明显。如：碳素钢工）时，蠕变现象才明显。如：碳素钢工作温度高于作温度高于300；合金钢工作温度高于；合金钢工作温度高于400时必须考时必须考虑蠕变现象的影响。虑蠕变现象的影响。对于某些有机高分子材料在室温下亦会发生明对于某些有机高分子材料在室温下亦会发生明显的蠕变现象。这是使用高分子材料制作构件时要加以显的蠕变现象。这是使用高分子材料制作构件时要加以注意的。注意的。01:10:49蠕变极限是指在高温下载荷长期作用时，材料对蠕2603:09:3301:10:4927