机械制造基础第二章材料力学特性课件

机械制造基础第二章 材料的力学特性主讲：仝勖峰西安电子科技大学机械制造基础第二章 材料的力学特性主讲：仝勖峰1 1本章内容n n材料各种力学性能的物理意义n n金属材料力学性能指标的表示和测定n n金属材料力学性能的实际应用本章内容材料各种力学性能的物理意义2 22.1 工程材料概述 研究材料的成分、组织、性能以及三研究材料的成分、组织、性能以及三者的关系；同时研究加工方法对材料组织者的关系；同时研究加工方法对材料组织性能的影响和作用机理。性能的影响和作用机理。2.1 工程材料概述 研究材料的成分、组织3 32.1 工程材料概述工程材料的种类1.1.金属材料2.2.工程陶瓷3.3.有机高分子材料4.4.复合材料2.1 工程材料概述工程材料的种类4 42.1 工程材料概述使用性能工艺性能：对加工工艺的适应性力学性能物理性能化学性能工程材料性能2.1 工程材料概述使用性能工艺性能：对加工工艺的适应性力学5 52.2 工程材料的力学性能力学性能：外力作用下表现出的性能。2.2 工程材料的力学性能力学性能：外力作用下表现出的性能。6 62.2.1 强度和塑性 当载荷的大小不变或变动很慢时，称为静载荷。强度和塑性指标都是在静载荷条件下，通过拉伸实验来测定的。2.2.1 强度和塑性 当载荷的大小不变或变动7 71.拉伸实验实验用试件实验用试件标点标点L0d0（1）材料类型材料类型：低碳钢低碳钢：灰铸铁灰铸铁：塑性材料的典型代表；塑性材料的典型代表；脆性材料的典型代表；脆性材料的典型代表；（2）标准试件标准试件：标距标距：用于测试的等截面部分长度；用于测试的等截面部分长度；尺寸符合国标的试件尺寸符合国标的试件；圆截面试件标距：圆截面试件标距：L0=10d0或或5d01.拉伸实验实验用试件标点L0d0（1）材料类型：塑性材料8 8机械制造基础第二章材料力学特性课件9 9#低碳钢拉伸实验曲线低碳钢拉伸实验曲线OPD D LPePpPsPb线弹性阶段线弹性阶段屈服阶段屈服阶段强化阶段强化阶段颈缩阶段颈缩阶段屈服极限屈服极限：强度极限强度极限：冷作硬化冷作硬化延伸率延伸率：断面断面收缩率收缩率：比例极限和弹性极限比例极限和弹性极限PP,Pe#低碳钢拉伸实验曲线OPD LPePpPsPb线弹性阶段1010a aE=tga a低碳钢拉伸低碳钢拉伸应力应变曲线应力应变曲线D(s ss下下)(s se)BC(s ss上上)A(s sp)E(s sb)ga as s(MPa)200400e e0.10.2O低碳钢压缩低碳钢压缩应力应变曲线应力应变曲线aE=tga低碳钢拉伸D(ss下)(se)BC(ss上)A1111s se eOs s bL灰铸铁的灰铸铁的拉伸曲线拉伸曲线s s by灰铸铁的灰铸铁的压缩曲线压缩曲线a aa a=45o55o剪应力引起断裂剪应力引起断裂seOs bL灰铸铁的s by灰铸铁的aa=45o5512122.强度 材料在外力作用下，抵抗破坏的能力称之为强度。材料在外力作用下，抵抗变形的能力称之为刚度。2.2.1 强度和塑性2.强度2.2.1 强度和塑性1313OPD D LPePpPsPb线弹性阶段线弹性阶段屈服阶段屈服阶段强化阶段强化阶段颈缩阶段颈缩阶段屈服极限屈服极限：强度极限强度极限：冷作硬化冷作硬化弹性极限和比例极限弹性极限和比例极限Pe PPOPD LPePpPsPb线弹性阶段屈服阶段强化阶段颈缩阶段1414延伸率延伸率：断面收缩率断面收缩率：3.塑性 材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。用延伸率和断面收缩率表示。2.2.1 强度和塑性延伸率：断面收缩率：3.塑性2.2.1 强度和塑性15152.2.2.硬度硬度n n硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力n n硬度也反映材料抵抗其它物体压入的能力n n通常材料的强度越高，硬度也越高n n工程上常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等 2.2.2.硬度硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力16161.布氏硬度布氏硬度HBS（W）n n布氏硬度的测量方法如图所示。布氏硬度的测量方法如图所示。用一定载荷用一定载荷P P，将直径为，将直径为DD的球体的球体（淬火钢球或硬质合金球），压（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，测量被测试表面间后卸去载荷，测量被测试表面上所形成的压痕直径上所形成的压痕直径d d，由此计，由此计算压痕的球缺面积算压痕的球缺面积F F，其单位面，其单位面积所受载荷称为布氏硬度。布氏积所受载荷称为布氏硬度。布氏硬度值硬度值HB=HB=P P/F Fn n布氏硬度的单位为布氏硬度的单位为kgf/mmkgf/mm2 2 1.布氏硬度HBS（W）布氏硬度的测量方法如图所示。用一定1717n n当测试压头为淬火钢球时，只能测试布氏硬度小于450的材料，以HBS表示n n当测试压头为硬质合金时，可测试布氏硬度为450650的材料，以HBW表示 n n在测定材料的布氏硬度时，应根据材料的种类和试样的厚度，选择球体材质、球体直径D、施加栽荷P和载荷保持时间等n n布氏硬度试验是由瑞典的布利涅尔（J.B.Brinell）于1900年提出来的 当测试压头为淬火钢球时，只能测试布氏硬度小于450的材料，以18182.洛氏硬度洛氏硬度HRn n洛氏硬度的测量方法如图所示n n将标准压头用规定压力压入被测材料的表面，根据压痕深度来确定硬度值n n根据压头的材料及所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种 2.洛氏硬度HR洛氏硬度的测量方法如图所示1919n n洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬度值可直接从表盘上读出，所以得到更为广泛的应用n n其缺点是：由于压痕小，测量误差稍大，因此常在工件不同部位测量数次取平均值n n洛氏硬度是由美国的洛克威尔（S.P.Rockwell 和H.M.Rockwell）于1919年提出来的 洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬度值可直接从表20203.维氏硬度维氏硬度HVn n维氏硬度的测量原理与布氏硬度相同，不同点是压头为一相对面夹角为136金刚石正四方棱锥体，所加负荷为5120kgf（49.031176.80N）n n它所测定的硬度值比布氏、洛氏硬度精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦3.维氏硬度HV维氏硬度的测量原理与布氏硬度相同，不同点是2121n n图1.1-为维氏硬度测试示意图n n在用规定的压力P将金刚石压头压入被测试件表面并保持一定时间后卸去载荷，测量压痕投影的两对角线的平均长度d，据此计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力（P/S），以此作为被测材料的维氏硬度值图1.1-为维氏硬度测试示意图2222n n其计算公式如下：n n维氏硬度试验是由英国的史密斯（R.L.Smith）和桑德兰德（G.E.Sandland）于1925年提出来的。其计算公式如下：23232.2.3.冲击韧性冲击韧性 a kn n冲击韧性是在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，通常用冲击吸收功Ak和冲击韧性a k指标来度量 2.2.3.冲击韧性 a k冲击韧性是在冲击载荷作用下，材2424n n有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等n n瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲2525n n为了讨论材料的冲击韧性a k值，常采用一次冲击弯曲试验法n n由于在冲击载荷作用下材料的塑性变形得不到充分发展，为了能灵敏地反映出材料的冲击韧性，通常采用带缺口的试样进行试验n n标准冲击试样有两种，一种是夏比形缺口试样，另一种是夏比形缺口试样n n同一条件下同一材料制作的两种试样，其形试样的a k值明显大于形试样的a k，所以这两种试样的值a k不能相互比较为了讨论材料的冲击韧性a k值，常采用一次冲击弯曲试验法2626机械制造基础第二章材料力学特性课件2727n n试验时，将试样放在试验机两支座上，如图所示。将一定重量G的摆锤升至一定高度H1，使它获得位能为GH1；再将摆锤释放，使其刀口冲向图中箭头所指试样缺口的背面；冲断试样后摆锤在另一边的高度为H2，相应位能为GH2，冲断试样前后的能量差即为摆锤冲断试样所消耗的功，或是试样变形和断裂所吸收的能量，称为冲击吸收功Ak，即Ak=GH1GH2，单位为J。试验时，将试样放在试验机两支座上，如图所示。将一定重量G的摆2828n n试验时，冲击功的数值可从冲击试验机的刻度标盘上直接读出n n冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面积F获得冲击韧性值ak，即a k=Ak/F，单位为J/cm2。有些国家（如美、英、日等国）直接用冲击吸收功 Ak作为冲击韧性指标试验时，冲击功的数值可从冲击试验机的刻度标盘上直接读出2929n n材料的a k 值愈大，韧性就愈好；材料的a k 值愈小，材料的脆性愈大n n通常把a k 值小的材料称为脆性材料n n研究表明，材料的a k 值随试验温度的降低而降低。当温度降至某一数值或范围时，a k 值会急剧下降，材料则由韧性状态转变为脆性状态，这种转变称为冷脆转变，相应温度称为冷脆转变温度。材料的冷脆转变温度越低，说明其低温冲击性能越好，允许使用的温度范围越大。因此对于寒冷地区的桥梁、车辆等机件用材料，必须作低温（一般为40）冲击弯曲试验，以防止低温脆性断裂材料的a k 值愈大，韧性就愈好；材料的a k 值愈小，30302.2.4 疲劳强度疲劳强度n n工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳 n n零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段 2.2.4 疲劳强度工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力31312.2.4 疲劳强度疲劳强度n n当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，称此应力值为疲劳强度或疲劳极限 2.2.4 疲劳强度当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周3232n n材料的疲劳强度通过实验得到n n随着应力的减小，循环次数在增加，当应力降到一定值后，曲线趋于水平，这就意味着材料在此应力作用下无限次循环也不会产生断裂，用-l-l表示，单位为Ma 材料的疲劳强度通过实验得到3333n n在疲劳强度的实验中，不可能把循环次数作到无穷大，而是规定一定的循环次数作为基数，超过这个基数就认为不再发生疲劳破坏n n常用钢材的循环基数为107，有色金属和某些超高强度钢的循环基数为108n n影响疲劳强度的因素甚多,其中主要有循环应力特性、温度、材料的成分和组织、表面状态、残留应力等n n钢的疲劳强度约为抗拉强度的40一50，有色金属约为抗拉强度2550 在疲劳强度的实验中，不可能把循环次数作到无穷大，而是规定一定3434 2.2.5 耐磨性 材料在一定工作条件下抵抗磨损的能力，通常与体积磨损量、质量磨损量和长度磨损量来评定。耐磨性与材料的硬度、摩擦系数、光洁度、速度、载荷和润滑条件等因素相关。2.2.5 耐磨性 材料在一定工作条件下抵3535 本章思考题1、工程材料学的主要任务是什么？2、低碳钢在拉伸过程中，各个阶段有什么特点？3、疲劳强度有什么特点？本章结束 本章思考题1、工程材料学的主要任务是什么？本章结束3636