工程材料学1材料的力学性能

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,工 程 材 料 学,1,材料的静载力学性能,拉伸试验,硬度,材料的动载载力学性能,冲击试验,疲劳试验,断裂韧性,第一章 材料的力学性能,2,学习目的和要求,理解材料常用力学性能指标的,物理意义,。,了解,强度,、,塑性,、,硬度,及,冲击韧性,指标的,测试方法,以及使用这些指标时应注意的,局限性,，重点掌握,布氏硬度,和,洛氏硬度,的,优缺点,、,相互关系,以及,应用场合,。,3,材料的性能：,材料在外界因素作用下所表现出来的行为。,力学性能,物理性能,化学性能,工艺性能,11 材料的力学性能,1.1.1 概念与定义,4,材料的力学性能：,材料在一定环境因素下承受外加载荷所表现出来的行为，通常表现为变形（几何形状和尺寸的变化）与断裂。,1.1.1 概念与定义,5,材料的力学性能：,1.1.1 概念与定义,材料用于结构零件时，其力学性能是工程设计的基本依据；以其它性能如物理、化学性能作为主要使用要求时，其力学性能同样也是设计的重要参考依据。,不同的工作条件和环境下，对力学性能的要求与侧重各有不同。,6,1.1.2 材料力学性能指标,7,12 材料的静载力学性能,静载荷：,是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。,材料的静载力学性能指标：,主要有,强度、塑性、硬度,等。,8,1.2.1 拉伸试验,9,1.2.1 拉伸试验,标 准 拉 伸 试 样,GB/T228-2002,10,拉伸曲线,应力-应变曲线,应力,F,/,S,0,应变,l,/,l,0,1.2.1 拉伸试验,11,1.2.1 拉伸试验,试样在拉伸时的伸长和断裂过程,a）试样 b）伸长 c）产生缩颈 d）断裂,12,拉伸曲线,分成,弹性变形,、,屈服,、,均匀塑性变形,和,局部塑性变形,等四个阶段。,1.2.1 拉伸试验,45号钢的外力-伸长曲线,13,1.2.1 拉伸试验,1弹性变形阶段（曲线,ob,段）,在这个阶段中试样的变形是弹性的。如果在试验过程中卸除拉力,F,，则试样的伸长便消失，试样标距恢复到原长,L,0,，不产生残余伸长。超过,b,点它就会产生塑性变形。,b,点所对应的外力为试样产生,弹性变形的极限外力,，以,Fe,表示。,14,1.2.1 拉伸试验,1弹性变形阶段（曲线,ob,段）,在弹性变形阶段内的,oa,段，试样的伸长与外力成正比例直线关系，即每增加一定外力，就对应一定的伸长量，因此，,oa,段也称为线弹性变形阶段。一旦外力超过曲线上的,a,点时，正比例关系就破坏了。而该点对应的外力,Fp,称为,比例变形的极限外力,。,ab,段为弹性变形的非线性阶段，此阶段很短，一般不容易观察到。,15,2屈服阶段（曲线,cd,段）,1.2.1 拉伸试验,当拉力超过,Fe,后继续增加，达到,Fs,（即曲线上,c,点）时，试样的伸长突然增加。在拉伸曲线上表现为一横平线段,cd,。它说明此时拉力虽然没有增加，但试样好象屈服于外力而自行伸长，这种现象称为屈服现象。,cd,段称为,屈服阶段,，它所对应的外力称为屈服力，以,Fs,表示。,16,2屈服阶段（曲线,cd,段）,1.2.1 拉伸试验,其实，试样在超过弹性极限的外力作用下，即在,bc,段就已开始产生塑性变形。不过，此时所产生的塑性变形量甚微，不易觉察罢了。而当达到屈服阶段时，则塑性变形突然增加。因此，可以把这种,拉力不增加而变形仍能继续增加的现象,，表观上看作是金属从弹性变形阶段到塑性变形阶段的个明显标志。,17,3均匀塑形变形阶段（曲线,de,段）,1.2.1 拉伸试验,试样在屈服力,Fs,作用下，屈服变形直至,d,点，至此，屈服阶段已告结束。此后必须进一步增加拉力才能使试样进一步伸长。在,de,这一阶段中，金属变形具有另一种特点即,随着变形量的增加金属不断强化,，这种现象称为,加工硬化,（或变形强化）。表现在拉伸曲线上就是,de,段不断上升。,18,3均匀塑形变形阶段（曲线,de,段）,1.2.1 拉伸试验,在此阶段中，试样的一部分产生塑性变形，虽然这一部分截面减小，使此处承受负荷能力下降。但由于变形强化的作用而阻止塑性变形在此处继续发展，使变形推移到试样的其它部位。这样、变形和强化交替进行，就使试样各部位产生了宏观上均匀的塑性变形。曲线上的,d,点是屈服阶段结束点也是,加工硬化开始点,。,19,4局部塑形变形阶段（曲线,ef,段）,1.2.1 拉伸试验,在,de,里，随着变形量的增加，变形强化能力逐渐减小，终于发生变形强化跟不上变形的发展，从而塑性变形集中在试样的某一部位进行，致使该处截面不断减小，而形成“,缩颈,”现象。这样，试样从产生缩颈开始就结束了均匀塑性变形阶段而进入局部塑性变形阶段，其分界处就是拉伸曲线上最高的,e,点。,20,4局部塑形变形阶段（曲线,ef,段）,1.2.1 拉伸试验,在这一阶段，变形将全部局限于试样的缩颈处使缩颈部位的横截面积急剧减小。因此外力,F,不断降低，缩颈部位仍继续伸长，最后就在缩颈处产生断裂。拉伸曲线上与,e,点相对应的外力,F,b,为试样,断裂前所能承受的最大拉力,。,21,1.2.1 拉伸试验,应力-应变曲线,低碳钢的应力-应变曲线,22,1.2.1 拉伸试验,应力-应变曲线,将拉伸力伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的原始截面积,S,0,和原始标距长度,L,0,去除，则得到应力-应变曲线。因均系以一常数相除，故曲线形状不变。这样的曲线称为工程应力-应变曲线。,应力,F,/,S,0,应变,L,/,L,0,23,1. 弹性指标：,弹性变形:,随完全卸载而消失的变形。,弹性:,金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。,刚性:,材料抵抗弹性变形的能力。,24,比例极限,p,：,金属拉伸曲线的初始阶段，力与变形成直线比例关系，而这个阶段的最大应力称为比例极限。,弹性极限,e,：,完全卸载后不出现任何明显残余应变的最大应力,即:,1. 弹性指标：,25,弹性模量,E,（,在工程上也称材料的刚度,） ：,应力-应变曲线上完全弹性变形阶段,应力与应变的比值,即:,E,主要取决于金属的本身性质，难以通过合金化、热处理和加工的办法使之改变。,1. 弹性指标：,26,弹性模量,E,（,在工程上也称材料的刚度,） ：,它表示材料在外载荷,F,作用下,抵抗弹性变形的能力,。材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个,对组织不敏感的性能指标,，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度（如屈服强度、抗拉强度）有显著影响，但对材料的刚度影响不大。,1. 弹性指标：,27,2. 强度指标：,强度：,表征材料对变形和断裂的抗力的指标，单位为,MPa,或,N/mm,2,。,屈服强度,s,：,试样屈服时承受的最小应力 。表征材料对明显塑性变形的抗力。,屈服是指拉伸过程中，应力不增加或有所下降而试样能继续变形的状态。,28,2. 强度指标：,条件屈服强度,0.2,：,某些材料在拉伸试验中没有明显的屈服现象，规定产生,0.2%,的残余变形时材料所承受的应力。,强度极限（抗拉强度）,b,：,试样能承受的最大应力。表征材料对最大均匀变形的抗力。,29,2. 强度指标：,比强度 ：,材料的强度值与密度值之比,名称,密度(g / cm,3,),强度( MPa ),比强度,纯铝,2.7,80100,3037,纯铁,7.87,180280,2336,纯钛,4.5,405500,90111,30,塑性变形：,不可恢复的永久变形。塑性是表征材料断裂前具有塑性变形的能力。,3. 塑性指标：,断后伸长率,（,5,、,10,）,：,断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，,即：, 10%,属塑性材料,31,3. 塑性指标：,断面收缩率,：,断后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率，即：,32,材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算。,零件遭受意外过载或冲击时，通过塑性变形可以避免突然断裂。,材料具有一定塑性可保证某些成型工艺（如冷冲压、轧制、冷弯等）顺利进行。,对于金属材料，塑性指标还反映了其冶金质量的好坏。,3. 塑性指标：,33,力学性能,性能指标,说 明,符号,名称,强度,b,抗拉强度,试样在拉断前承受的最大应力值,s,屈服强度,材料开始产生屈服现象时的应力,0.2,条件屈服强度,对于无明显屈服的材料，规定残余应变为0.2时所对应的应力值,塑性,（ ,5,、,10,）,断后伸长率,试样断后标距与原始标距之比的百分率，试样的长度/直径比为5、10时记为,5,、,10,断面收缩率,试样拉断处横截面积减缩量与原始横截面积的百分比,弹性,e,弹性极限,产生完全弹性变形时所能承受的最大应力,p,比例极限,产生弹性变形并完全符合虎克定律时所能承受的最大应力,刚性,E,弹性模量,完全弹性变形时应力与应变的比值，表征材料对弹性变形的抗力,拉伸试验的主要力学性能指标小结,34,1.2.2 硬度,硬度是材料表面抵抗局部压入变形或刻划破裂等的能力。,工程中常用的硬度指标有：,布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度,35,硬度的种类及测试方法,硬度试验方法,压入法,划痕法,加载速率,静载,试验法,动载,试验法,布氏硬度,洛氏硬度,维氏硬度,显微硬度,肖氏硬度,锤击布氏硬度,莫氏硬度,材料抵抗破断的能力,材料变形功的大小,材料表明局部地区抵抗变形的能力,HB=F/S,压痕深度,36,布氏硬度计,1. 布氏硬度( Brinell-hardness ),用于测定硬度不高的金属材料。主要有铸铁、有色金属、低合金结构钢、结构调质钢等。,37,测定原理：,用一定大小的载荷P，把直径为D的淬火钢球压入被测金属的表面，保持一定的时间后卸除载荷，用金属压痕的表面积，除载荷所得的商值即为布氏硬度值。,1. 布氏硬度( Brinell-hardness ),38,布氏硬度测量示意图,适用范围:,450HBS,650HBW,39,布氏硬度测试规范：,根据材料的软硬和试样的不同选择合适的载荷,P,与钢球直径,D,。,d,/,D,应在,0.240.6,之间。,40,布氏硬度值的表示方法,符号,HBS,或,HBW,之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径,（mm）,、载荷及,（N）,载荷保持时间,（s）,。,如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,41,布氏硬度的特点,为了使同一材料用不同的P和D值测得的HB值相同，应使P/D,2,=常数。,压坑面积大，误差小，,但不宜检验成品、小件、薄件；,HB650 不适；,多用于毛坯及原材料。,42,h,1,-,h,0,洛氏硬度测试示意图,2.洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness ),43,测试原理：,用一定规格的压头，在一定载荷作用下压入试样表面，然后测定压痕的深度来计算并表示其硬度的大小，用符号HR来表示。,主要有HRA、HRB、HRC、HRF等。,2.洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness ),44,洛氏硬度值的表示方法,硬度值可从洛氏硬度计的百分度盘上直接读,出，标记时将硬度值置于HR前。,例：60HRC、75HRA,45,洛氏硬度的特点,迅速方便，可直接读数；,压坑小，适于薄材或成品的检测；,误差稍大，宜不同部位多点测量取平均值。,46,2.洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness ),47,3. 维氏硬度 HV (Vikers hardness),48,测试原理：,维氏硬度测试原理与布氏硬度相同，不同点是压头为金刚石四方角锥体，所加负荷较小。所测硬度值精确。改变负荷可测定从极软到极硬材料的硬度。,3. 维氏硬度 HV (Vikers hardness),49,维氏硬度值的表示方法,硬度值+HV+试验力（kgf）数字+载荷保持时间,例：640HV30/20,适用范围:,测量薄板类,HVHBS,50,维氏硬度的特点,HV值不随载荷变化，即不同载荷下的HV可相互比较；,测量精度高，测量范围广；,特别适用于测定工件表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度。,51,4. 显微硬度,测试原理：,与维氏硬度完全相同，只是所用载荷要小得多。常用于测定材料中某个相的硬度。,52,测试原理：,里氏硬度试验也是动载荷试验法，它是用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头(碳化钨球)的回弹速度表征金属的硬度值。里氏硬度的符号为,HL,。,里氏硬度计均为手提式，使用方便，可在现场测量大型工件的硬度。,5. 里氏硬度（Leebs hardness）:,53,5. 里氏硬度（Leebs hardness）:,54,几种硬度指标小结,硬度种类,硬度符号,压头类型,载荷/kgf,硬度值有效范围,典型应用,布氏,HBS,10mm淬火钢球,1000,450,退火、正火或调质钢件,HBW,10mm硬质合金球,1000,650,淬火钢等较硬材料,洛氏,HRA,120,。,金刚石圆锥,60,70-85,硬质合金、表面淬火钢,HRB,1.588mm淬火钢球,100,25-100,退火钢、有色合金,HRC,120,。,金刚石圆锥,150,20-67,一般淬火钢件,维氏,HV,136,金刚石四棱锥,5120,0-1000,经表面处理后的材料表面层,55,13,动载力学性能,动载荷是指由于运动而产生的作用在构件上的力。,根据作用的性质不同分为交变载荷与冲击载荷。,动载力学性能指标主要有冲击韧性和疲劳强度。,56,1.3.1 冲击韧性,韧性：,材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。,冲击韧性：,是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。常用一次弯曲冲击韧性试验,a,k,值来表示。,a,k,值,是带缺口标准试样快速冲断时，单位横截面积吸收的功。冲击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果。,57,一次弯曲冲击韧性试验,58,冲击韧性试样,试样：夏比U型缺口试样（梅氏试样）,夏比V型缺口试样（夏氏试样）,59,60,试样冲断时所消耗的冲击功,A,k,为:,A,k,= m g H m g h (J),冲击韧性值,a,k,：,（J/cm,2）,H,h,61,a,k,的意义：,材料的韧性，表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力；,对材料内部缺陷、显微组织变化敏感，可检验材料冶金质量与热加工质量;,受大能量冲击的机件，需一定,k,以保证安全，但,k,值无法用于零件设计计算，只能根据经验提出,k,值要求。,62,评定材料低温变脆倾向，测定材料的冷脆转变温度,T,K,；,63,1.3.2 疲劳强度,交变载荷：,方向、大小随时间呈周期循环性变化的载荷。,循环应力：,周期性变动载荷作用下产生,循环周次,循环应力特征参数：,最大应力,max,、最小应力 ,min,、,应力半幅,a,、平均应力,m,应力循环对称系数r= ,min,/,max,64,疲劳断裂：,定义,：机件在交变载荷作用下，在长时间工作后发生突然断裂的现象。,特点,：,断裂时的应力远低于静载下的抗拉强度甚至屈服强度；,无明显塑性变形；,无预兆、突然发生。,机理,:在交变载荷作用下，材料表面应力集中处和材料内部缺陷处首先产生疲劳裂纹，并随应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，甚至零件的有效横截面面积不能承受外载荷时突然断裂。,65,测定：,旋转弯曲疲劳试验,疲劳强度,：,材料经无限次循环而不发生断裂的最小应力。表征了材料抵抗疲劳断裂的能力。,66,疲劳曲线,67,-1,：,材料承受对称循环交变应力时的疲劳强度。,有色金属的循环次数一般取,N = 10,8,钢材的循环次数一般取,N = 10,7,疲劳断裂的危害性：,机件断裂80%是疲劳断裂；,突发性，难以防范；,低应力脆断。,68,影响疲劳强度的因素,常用的工程材料中，金属的疲劳抗力最高（,钢的,-1,/,b,约为4050%，有色金属约为2550%,），所以抗疲劳机件几乎都选用金属材料；陶瓷与聚合物的疲劳抗力很低，不能用于制造承受交变载荷的零件；纤维增强复合材料也有比较好的抗疲劳性能，处于交变载荷下工作的应用正逐渐增多。,69,影响疲劳强度的因素,提高零件的疲劳强度可通过如下途径：,合理选材；,改善零件的形状与结构；,减少材料的缺陷；,降低零件表面的粗糙度；,对零件表面进行强化等。,70,14,材料的断裂韧性,低应力脆断：,一些大型零件在远低于材料的屈服强度的应力值作用下发生的脆性断裂。,低应力脆断是由于材料本身固有微裂纹，在应力的作用下失稳扩展的结果。,断裂韧性：,材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标。,71,裂纹尖端的应力集中现象和应力场强度因子：,应力强度因子,K,是表达裂纹运动规律的函数，是裂纹体所受各种外力在裂纹顶端产生效果的综合体现，这种效果通过,f,(,Y，a,),表现出来。因此，对于一定形状和尺寸的裂纹，在一定的应力环境中，其应力强度因子是惟一确定的，也因此而有确定的运动规律。,72,断裂韧性（,K,I c,)：,一个有裂纹的试样，在所加拉力逐渐增加，或裂纹逐渐扩展时，裂纹尖端的应力场强度因子,K,I,也随之逐渐增大，当,K,I,达到临界值时，裂纹将产生突然的失稳扩展，这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性。如果裂纹尖端处于平面应变状态，则断裂韧性的值最低，称为平面应变断裂韧性，用,K,I c,表示。,73,K,I,和,K,IC,是两个不同的概念。两者的区别,类似于,与,s,的区别。,K,I,和,对应，都,是,力学参量，只和载荷及,试样尺寸有关，而和材料无关；,K,IC,和,s,对应，都是力学性能指标，只和,材料成分、组织结构有关，而和载荷及试样,尺寸无关。,74,金属材料的,K,I,c,值最高，复合材料次之，高分子材料和陶瓷最低。,断裂韧性（ K,I c,),反映了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。它与裂纹本身的大小、形状以及外加应力的大小均无关。只与材料的成分、热处理及加工工艺有关。,断裂K判据,当,K,I,K,IC,裂纹失稳扩展而断裂,75,15,其他力学性能,磨损,黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、接触疲劳,材料的高温性能,1.蠕变,材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会发生缓慢塑性变形的现象。,76,2.应力松弛,承受弹性变形的零件在工作中总变形量保持不变，但随时间的延长工作应力自行衰减的现象。,3.蠕变强度,材料在一定温度下、一定时间内产生一定永久变形量所能承受的最大应力。,4.持久强度,材料在一定温度下、一定时间内所能承受的最大应力。,77,