机械基础-材料的力学性能

,*,*,复习：,1.,轴向拉伸和压缩的受力特点。,2.,截面法的步骤。,3.,应力的定义及计算公式。,4.,线应变的定义及计算公式。,5.,胡克定律。,1,了解材料的力学性能及其应用。,23,材料的力学性能,2,在万能试验机上观察：在静载荷作用下，对低碳钢拉伸、铸铁进行拉伸、压缩试验时的现象，记录试验过程和结果，解释力学性能。,机械零件或工具在使用过程中往往要受到各种形式外力的作用，这就要求制成零件或工具的金属材料必须具有,承受机械载荷而不超过许可变形或不被破坏的能力,，这种能力就是,材料的力学性能,。,一、材料的力学性能及其应用,金属材料在外力作用下表现出来的力学性能指标：,强 度,塑 性,硬 度,冲击韧性,疲劳强度,1,强度及其应用,强度,金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。,强度的大小用应力表示。,根据载荷的作用方式分类,抗拉强度,抗压强度,抗剪强度,抗扭强度,抗弯强度,在工程上常用来表示金属材料强度的指标,:,屈服强度和抗拉强度,是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。,(1),.,屈服强度（屈服极限、屈服点）：用,Rel,表示,(2).抗拉强度（强度极限）,:,是指试样断裂前所能承受的最大的应力。,用,Rm,表示,Rel=Fl/So,Fl：试样屈服时的载荷,So：试样的原始截面面积,Rm=Fm/So,Fm:试样断裂前的最大载荷,So：试样的原始截面面积,抗拉强度,是通过拉伸试验测定的。它利用拉伸试验机产生的静拉力，对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量变化的载荷和试样的伸长量，直至断裂，并根据测得的数据，计算得出有关的力学性能指标。,拉伸试验机,塑性,材料受力后断裂前产生塑性变形的能力。,2,塑性及其应用,断后伸长率,A,：试样拉断后，标距的伸长量与原始标距,之比的百分率。,断面收缩率,Z,:试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横,截面面积之比的百分率,塑性衡量,指标,l,1,-,l,0,l,0,100%,A,=,l,1,试样拉断后的标距,mm,l,0,试样的原始标距,mm,S,0,-,S,1,S,0,Z,=,100%,S,0,试样原始横截面积,mm2,S,1,试样断裂处的最小横截面积,mm2,A,、,Z,越大，材料塑性越好；A5%时，材料为脆性材料。（）,3.强度的指标有抗拉强度和屈服强度。（）,三、计算题,1.对称直径为10mm的钢制短板试样，载荷加至18800N时保持，试样仍产生明显变形。当载荷加至34500N时试样被拉断。拉断后试样长度为70mm，断裂处最小直径为6mm，试求Rm、Rel、A、Z。,硬度,材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。它是衡量材料软硬程度的指标。硬度越高，材料的耐磨性越好。,3,硬度及其应用,硬度表示,布氏硬度,（,HBW,）,洛氏硬度,（,HRA,、,HRB,、,HRC,）,维氏硬度,（,HV,）,(1),布氏硬度,用直径为,D,的球体,（硬质合金球或钢球）,，在规定试验力,F,的作用下压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除载荷，测量试样表面压痕的直径,d，,由此计算压痕的球缺面积,S,，,用压痕单位面积的平均压力（,F/S）,作为测试金属的布氏硬度值。,测定条件：,压头为淬火钢球时,以,HBS,表示,可测 450的材料；,压头为硬质合金时,:以,HBW,表示,可测650的材料。,布氏硬度计,表示法：,数字在前、字母在后。如200HBS,、,I50HBS175HBS；,标注时不要写成HBS=200，或HBS=150175，或500HBS，不要出现单位；数值差不要超过30。,(2),洛氏,硬度,用一个顶角,1200,的金刚石圆锥体或一定直径的钢球或硬质合金球为压头，在规定试验力作用下压入被测试金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定其硬度值。,洛氏硬度计,洛氏硬度的分类及应用,标尺,硬度符号,压头,总载荷（,kg,）,(N),应用范围,适用材料,A,HRA,120,金刚石圆锥,60,（,588.4N,）,7085,硬质合金、,表面淬火的钢,B,HRB,1.588mm,钢球,100,(980.7N),25100,软钢、退火钢、,铜合金,C,HRC,120,金刚石圆锥,150,(1471N),2067,淬火钢、调质钢等,洛氏硬度符号为,HR,，其中,HRC,应用最广，测量范围是,20,70,。例如某零件硬度,50HRC,，表示用,C,标尺测定该零件表面的洛氏硬度值为,50,。,(3)维氏硬度,用一个金刚石正四棱锥体压头，在规定试验力,F,作用下压入被测试金属表面，保持一定时间后卸除试验力，然后再测量压痕投影的两对角线的平均长度,d,，进而计算出压痕的表面积,S,，用,F/S,作为被测试金属的硬度值，符号,HV,。,维氏硬度符号,HV,之前的数值为硬度值，,HV,后面的数值依次表示试验力值（单位为,kgf,）和试验力保持时间（保持时间为,10-15s,时不标注）,例如：,640HV30,表示在试验力,294.2N,下，保持,10-15s,测得的维氏,硬度值为,640,。,640HV30/20,表示在试验力为,294.2N,下，保持,20S,测得的维氏硬度值为,640,。,冲击载荷：以很大速度作用于工件上的载荷。,受冲击载荷作用的零件：冲床的冲头、锻锤的锤杆、内燃机的活塞销与连杆、风动工具。,对于承受冲击载荷的零件来说，仅具有足够的静载强度指标是不够的，还必须具有足够抵抗冲击载荷的能力,4,冲击韧性及其应用,冲击韧性,金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。,作业：,一、填空题,1.测定金属硬度常用的方法有_硬度、洛氏硬度、_硬度3种。分别用_、_和_表示。,2.硬度是金属材料抵抗其他更硬物体_的能力。,3.金属材料抵抗_载荷作用而_的能力称为韧性，用符号_表示。,二、判断题,1.做布氏硬度试验时，在相同的条件下，压痕直径越小说明材料的硬度越硬硬度值越大。（）,2.HRC测量方便，能直接从刻度盘上读数，无单位，常用于测量退火钢、有色金属等。(),3.金属在外力作用下产生的变形都不能恢复。（）,三、名词解释,1.硬度,2.强度,3.塑性,4.韧性,复习：,1.强度的定义及其指标。,2.塑性的定义及其指标。,3.硬度的分类。,二、静载拉压力学试验,常用拉伸试样形状,光滑圆柱试样：,长试样,L0,10d0,，,短试样,L0=5d0,其中：,L0,为试样标距，,d0,为试样直径,板状试样,低碳钢和铸铁件,拉伸,时的应力,应变曲线,低碳钢,铸铁,注意：,并非所有金属材料或同一材料在不同条件下都具有相同类型的拉伸力,-,伸长曲线,低碳钢和铸铁件,压缩,时的应力,应变曲线,低碳钢,铸铁,万能试验机上对低碳钢进行拉伸试验,1,拉伸时的应力,应变曲线,（,1,）低碳钢,根据等截面直杆的低碳钢材料拉伸试验所得应力,应变曲线图，拉伸过程可分为,弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段。,低碳钢拉伸时的应力,应变曲线,实际上在,图中，,a,和,a,两点非常接近，所以工程上对弹性极限和比例极限并不作严格区分。,1,）比例极限,a,点是应力与应变成正比的最高点，与,a,点相对应的应力值称为,比例极限,。,a,点所对应的应力是材料只出现弹性变形的极限值，称为,弹性极限,。,低碳钢拉伸时的应力,应变曲线,2,）屈服强度,屈服,应力几乎不变，应变却不断增加，从而产生明显的塑性变形的现象。,屈服阶段,材料出现屈服现象的过程。,屈服强度,当金属材料呈现屈服现象时，金属材料发生塑性变形而力不增加的应力点。,上屈服强度（,R,eH,）,试样发生屈服而力首次下降前的最高应力,下屈服强度（,R,eL,）,在屈服期间，不计初期瞬时效应时的最低应力,通常把材料的下屈服强度作为材料的屈服强度。,3,）抗拉强度,抗拉强度（,R,m,）,应力,应变曲线中强化阶段的最高点,d,所对应的应力值，是试件断裂前能承受的最大应力值。,冷 作 硬 化,材料在常温下预拉到强化阶段，使其发生塑性变形，然后卸载，当再次加载时，其比例极限和屈服强度有所提高而塑性降低的现象称为,冷作硬化,。,冷作硬化现象可经退火消除。,工程中常利用该性质来提高材料在弹性阶段的承载能力。,（,2,）铸铁,铸铁拉伸时的应力,应变曲线,没有明显的直线阶段和屈服阶段，在应力不大的情况下就突然断裂。抗拉强度,R,m,是衡量脆性材料的唯一指标。,2,压缩时的应力,应变曲线,（,1,）低碳钢,低碳钢压缩时的应力,应变曲线,低碳钢在压缩时的比例极限、屈服强度和弹性模量均与拉伸时大致相同。但在达到屈服强度以后，不存在抗拉强度。,（,2,）铸铁,铸铁压缩时的应力,应变曲线,铸铁压缩时的,曲线无明显的直线部分，因此只能认为近似符合胡克定律。此外，也不存在屈服强度。,铸铁的抗压强度远高于其拉伸时的抗拉强度，宜作承受压力构件的材料。,构架,现有低碳钢和铸铁两种材料组成的构架，如图所示，若杆件,2,选用低碳钢，杆件,1,选用铸铁，你认为合理吗？为什么？,3.,塑性材料和脆性材料力学性能的主要区别,（,1,）塑性材料断裂前有显著的塑性变形，还有明显的屈服现象，而脆性材料在变形很小时突然断裂，无屈服现象。,（,2,）塑性材料拉伸和压缩时的比例极限、屈服强度和弹性模量均相同，又因为塑性材料一般不允许达到屈服强度，所以其抵抗拉伸和压缩的能力相同。脆性材料抵抗拉伸的能力远低于抵抗压缩的能力。,常,用,的,力,学,性,能,指标及其含义,作业：,一、填空题,1.低碳钢拉伸时拉伸曲线为,_,、,_,、,_,和,_4,步骤。,2.金属拉伸试样在屈服时会表现出明显的_变形。,3.金属材料圆截面试样上中间等直部分试验段的长度,L,称为,_,，按它与直径,d,的关系,l=5d,者称短度样，而,l=_d,者称长试样。,4.,使材料试样受拉达到强化阶段，然后卸载，在重新加载时，其在弹性范围内所能随的最大荷载将,_,，而且断裂后的延伸率会降低，此即材料的,_,现象。,5.,混凝土，石料等脆性材料的抗压强度远高于它的,_,强度。,6.,正方形截面的低碳钢直拉杆，其轴向向拉力,3600N,，若许用应力为,100Mpa,，由此拉杆横截面边长至少应为,_mm,。,二、判断题,1,.,低碳钢屈服极限肯定对应的是屈服阶段中最小的应力,.,（）,2,.,不同尺寸的拉伸试样,只要是同一种材料,那么拉伸试验时的屈服载就是相同的。（）,3,.,低碳钢试样拉伸至超出弹性阶段之后，就不会再产生弹性变形。（）,4,.,铸铁拉伸时的应力一应变图没有明显的直线部分，故不服从胡克定律。（）,5.低碳钢试样拉伸或压缩时产生的屈服，实际上就是试样在变形过程中，由完全弹性变形转变为完全塑性变形的分界线。（）,同种材料制成的、但尺寸不同的试样，试验所得到的应力,-,应变曲线运动形状与试样 的尺寸是无关的。（）,三、简答题,1.,画出低碳钢拉伸应力,应变曲线。,