第一章工程材料力學(xué)性能概念

1、工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能 教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo): : 掌握材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)：掌握材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、硬度伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、斷、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性等力學(xué)性能及其測(cè)試原理；裂韌性等力學(xué)性能及其測(cè)試原理；工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能定義定義 : : 金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在不同金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在

2、不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。 指標(biāo)指標(biāo) : :彈性、剛度、彈性、剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性性、斷裂韌度和、斷裂韌度和疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度等。等。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能材料的其他性能材料的其他性能 物理性能：物理性能：密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性、磁密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性、磁性等；性等； 化學(xué)性能：化學(xué)性能：耐腐

3、蝕性、抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性等；耐腐蝕性、抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性等； 工藝性能：工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性、鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性、熱處理工藝性等。熱處理工藝性等。 工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能希臘字母發(fā)音 1 alpha a:lf 阿爾法 2 beta bet 貝塔 3 gamma ga:m 伽馬 4 delta delt 德爾塔 5 epsilon epsilon 伊普西龍 6 zeta zat 截塔 7 eta eit 艾塔 8 thet it 西塔 9 iot aiot 約塔 10 kappa ka

4、p 卡帕 11 lambda lambd 蘭布達(dá) 12 mu mju 繆 13 nu nju 紐 14 xi ksi 克西 15 omicron omikron 奧密克戎 16 pi pai 派 17 rho rou 肉 18 sigma sigma 西格馬 19 tau tau 套 20 upsilon jupsilon 宇普西龍 21 phi fai 佛愛 22 chi phai 西 23 psi psai 普西 24 omega omiga 歐米伽 工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能1. 1. 強(qiáng)度、剛度、塑性強(qiáng)度、剛度、塑性 拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)

5、1.1.拉伸試樣拉伸試樣GB6397-86GB6397-86規(guī)定規(guī)定金屬拉伸試樣金屬拉伸試樣有：有：圓形、矩形、異型及全截面圓形、矩形、異型及全截面常用標(biāo)準(zhǔn)圓截面試樣。常用標(biāo)準(zhǔn)圓截面試樣。長(zhǎng)試樣：長(zhǎng)試樣：L L0 0=10d=10d0 0; ;短試樣：短試樣：L L0 0=5d=5d0 0拉伸試樣拉伸試樣0lkl0dFFLkd 1.1 1.1 金屬材料力學(xué)性能的主要指標(biāo)金屬材料力學(xué)性能的主要指標(biāo)工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能 2.2.拉伸過程拉伸過程工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉

6、伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試?yán)煸囼?yàn)機(jī)驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)（視頻）（視頻）工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能opop段：比例彈性變形階段；段：比例彈性變形階段；pepe段：非比例彈性變形階段；段：非比例彈性變形階段；平臺(tái)或鋸齒（平臺(tái)或鋸齒（s s段段）：屈服階段；）：屈服階段；sbsb段：均勻塑性變形階段，是強(qiáng)化階段：均勻塑性變形階段，是強(qiáng)化階段。段。b b點(diǎn)點(diǎn)：形成了：形成了“縮頸縮頸”。bkbk段：非均勻變形階段，承載下降，段：非均勻變形階段，承載下降，到到k k點(diǎn)斷裂。點(diǎn)斷裂。斷裂總伸長(zhǎng)為斷裂總伸長(zhǎng)為OfOf，其中塑形變形其中塑形變形O Og(g(試

7、樣斷后測(cè)得的伸長(zhǎng)試樣斷后測(cè)得的伸長(zhǎng)) )，彈性伸長(zhǎng)，彈性伸長(zhǎng)gfgf。 l Fl bl ul Fbbk Fss o g fe Fep Fp3.3.拉伸曲線拉伸曲線工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能退火低碳鋼退火低碳鋼低、中回火鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵淬火鋼及鑄鐵中碳調(diào)質(zhì)鋼中碳調(diào)質(zhì)鋼4.4.不同材料的拉伸曲線不同材料的拉伸曲線工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能1彈性模量（剛度） 在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值（OP的斜率）稱為材料的彈性模量，工程上稱為剛度，即為： 式中： （MPa）（單位截面上的拉力）

8、； （單位長(zhǎng)度上的伸長(zhǎng)量）。 彈性模量E是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)。E愈大，則使其產(chǎn)生一定量彈性變形的應(yīng)力也應(yīng)愈大。金屬材料彈性模量E主要決定于金屬材料本身的性質(zhì)，是金屬材料最穩(wěn)定的性能之一。各種加工工藝對(duì)其影響甚小，在室溫下，鋼的彈性模量大都是在1910422104MPa之間，但彈性模量隨溫度的升高逐漸降低。20FFAr工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能 2 2屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度是靜拉伸過程中開始產(chǎn)生塑性變形時(shí)的應(yīng)力，即為拉伸曲屈服強(qiáng)度是靜拉伸過程中開始產(chǎn)生塑性變形時(shí)的應(yīng)力，即為拉伸曲線上線上S S點(diǎn)的載荷大小與試棒原始截面積之比

9、，用點(diǎn)的載荷大小與試棒原始截面積之比，用S S表示：表示： S S= =F Fs s /A/A0 0(Mpa)(Mpa) 但有些材料沒有明顯的屈服點(diǎn)但有些材料沒有明顯的屈服點(diǎn)S S，因此，規(guī)定以試樣產(chǎn)生，因此，規(guī)定以試樣產(chǎn)生0.2%0.2%殘余變形時(shí)的應(yīng)力值作為該材料的條件屈服強(qiáng)度，以殘余變形時(shí)的應(yīng)力值作為該材料的條件屈服強(qiáng)度，以0.20.2表示。表示。 對(duì)于有些零件在工作中不允許發(fā)生塑性變形，對(duì)于有些零件在工作中不允許發(fā)生塑性變形，所以所以S S 是設(shè)是設(shè)計(jì)中材料強(qiáng)度的主要參數(shù)，是材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)之一計(jì)中材料強(qiáng)度的主要參數(shù)，是材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)之一。 強(qiáng)度強(qiáng)度: : 材料在載荷作用

10、下抵抗永久變形和破壞的能力。材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能 3 3抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度是靜拉伸過程中試樣被拉斷前的最大應(yīng)力，抗拉強(qiáng)度是靜拉伸過程中試樣被拉斷前的最大應(yīng)力，即材料拉伸曲線上即材料拉伸曲線上B B點(diǎn)時(shí)的載荷大小與原始截面之比，用點(diǎn)時(shí)的載荷大小與原始截面之比，用b b表示：表示： 抗拉強(qiáng)度表示材料在拉力作用下抵抗斷裂的能力，是抗拉強(qiáng)度表示材料在拉力作用下抵抗斷裂的能力，是設(shè)計(jì)和選材的重要力學(xué)性能指標(biāo)之一。設(shè)計(jì)和選材的重要力學(xué)性能指標(biāo)之一。合金化、熱處理、冷熱加工對(duì)材料的合金化、熱處理、冷熱

11、加工對(duì)材料的S S、b b數(shù)值會(huì)數(shù)值會(huì)發(fā)生很大的影響。發(fā)生很大的影響。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能 4 4. .塑性塑性: : 是指材料在載荷作用下產(chǎn)生變形而不被破壞的能力。是指材料在載荷作用下產(chǎn)生變形而不被破壞的能力。 (1)(1)斷面收縮率斷面收縮率: : 是指試樣拉斷處橫截面積的收是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量與原始橫截面積之比?？s量與原始橫截面積之比。 (2)(2)伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率: :是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量 L L 與原始標(biāo)距與原始標(biāo)距L L 0 0之比。之比。 (伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、斷面收縮率) 伸長(zhǎng)

12、率和斷面收縮率只是材料塑性的標(biāo)志，一般不作為設(shè)計(jì)零件的直接依據(jù)。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能練習(xí)題一練習(xí)題一 拉力試樣的原標(biāo)距長(zhǎng)度為拉力試樣的原標(biāo)距長(zhǎng)度為50mm50mm，直徑為，直徑為10mm10mm，經(jīng)拉力試驗(yàn)，經(jīng)拉力試驗(yàn)后，將已斷裂的試樣對(duì)接起來測(cè)量，若最后的標(biāo)距長(zhǎng)度為后，將已斷裂的試樣對(duì)接起來測(cè)量，若最后的標(biāo)距長(zhǎng)度為71mm71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為，頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm4.9mm，試求該材料的伸長(zhǎng)率，試求該材料的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率的值？和斷面收縮率的值？解：解：=（71-5071-50）/50 x100%=42%/50 x1

13、00%=42%S S0 0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)S S1 1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=(S=(S0 0-S-S1 1)/S)/S0 0 x100%=24%x100%=24%工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能練習(xí)題二練習(xí)題二 某工廠買回一批材料（要求：某工廠買回一批材料（要求：s s230MPa230MPa；b b410MPa410MPa；5 523%23%；50%50%）做短試樣（）做短試樣（0 0=5=5

14、0 0；0 0=10mm=10mm）拉）拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如下：伸試驗(yàn)，結(jié)果如下：F Fs s=19KN=19KN，F(xiàn) Fb b=34.5KN=34.5KN；l l1 1=63.1mm=63.1mm；d d1 1=6.3mm;=6.3mm;問買回的材料合格嗎？問買回的材料合格嗎？解：解： 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算如下：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算如下：s sFsFss s(19x1000)/(3.14x52 )=242(19x1000)/(3.14x52 )=242 230MPa 230MPa b b FbFb s s(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 (34.5x1000)/(3.14x52

15、)=439.5 410MPa 410MPa 5 5 l l l l 0 0 x100% x100% (63.1-50)/50 x100%=26.2% (63.1-50)/50 x100%=26.2% 23%23% S S S S 0 0 x100% x100% 60.31% 60.31% 50%50%材料的各項(xiàng)指標(biāo)均合格，因此買回的材料合格。材料的各項(xiàng)指標(biāo)均合格，因此買回的材料合格。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能二、疲勞強(qiáng)度二、疲勞強(qiáng)度( fatigue strength ):( fatigue strength ): 表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作

16、用而不致表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致 引起斷裂的最大應(yīng)力值。引起斷裂的最大應(yīng)力值。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 10N = 107 7有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 10N = 108 8鋼材的鋼材的疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度與與抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系之間的關(guān)系: : -1-1 = (0.45 = (0.450.55) 0.55) b b工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能1943年美國(guó)年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂工程材料

17、及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能布氏硬度布氏硬度HB HB 洛氏硬度洛氏硬度HR HR 維氏硬度維氏硬度HVHV* *銼刀法銼刀法硬度硬度( hardness ):( hardness ):是指材料抵抗其他硬物是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力體壓入其表面的能力常用測(cè)量硬度的方法常用測(cè)量硬度的方法三、硬度三、硬度DdDF工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能1.1.布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )HB ( Brinell-hardness )布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) 硬度值硬度值+ +

18、符號(hào)符號(hào)HBSHBS或或HBWHBW +( +(球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間) )。如如: :120HBS10/1000/30120HBS10/1000/30表示直徑為表示直徑為10mm10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf1000kgf（9.807kN9.807kN）載荷）載荷作用下作用下保持保持30s30s測(cè)得的測(cè)得的布氏硬度值為布氏硬度值為120120。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能適用范圍適用范圍:v 450HBS（淬火鋼球）（淬火鋼球）v 650HBW(硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金)應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍： 測(cè)定結(jié)果較穩(wěn)定、

19、準(zhǔn)測(cè)定結(jié)果較穩(wěn)定、準(zhǔn)確；但不宜測(cè)太薄、太硬或成品確；但不宜測(cè)太薄、太硬或成品件。件。 HBS用于測(cè)小于用于測(cè)小于450的材料；的材料；HBW用測(cè)小于用測(cè)小于650的材料。的材料。主要用來測(cè)灰鑄鐵、有色金屬及主要用來測(cè)灰鑄鐵、有色金屬及經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材。經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能2.2.洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )HR ( Rockwll hardness )1 1）試驗(yàn)原理：用頂角為）試驗(yàn)原理：用頂角為120120的金剛石圓錐的金剛石圓錐或直徑為或直徑為1.588m

20、m1.588mm的淬火鋼球作壓頭，在初始試驗(yàn)的淬火鋼球作壓頭，在初始試驗(yàn)力力F F1 1（98N98N）及總試驗(yàn)力）及總試驗(yàn)力F F作用下，將壓頭壓入試樣作用下，將壓頭壓入試樣表面，按規(guī)定保持時(shí)間后卸除主試驗(yàn)力，用測(cè)量的表面，按規(guī)定保持時(shí)間后卸除主試驗(yàn)力，用測(cè)量的殘余壓痕深度增量計(jì)算硬度。殘余壓痕深度增量計(jì)算硬度。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能洛氏硬度實(shí)驗(yàn)原理示意圖洛氏硬度實(shí)驗(yàn)原理示意圖工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能(2)洛氏硬度表示方法洛氏硬度表示方法如如4045HRC 常見洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)

21、用范圍常見洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能3.3.維氏硬度維氏硬度 HVHV ( diamond penetrator ( diamond penetrator hardness )hardness )適用范圍適用范圍: 測(cè)量薄板類測(cè)量薄板類 ; HVHBS ;工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能銼刀法（了解）銼刀法（了解）: : 一組硬度差為一組硬度差為5HRC5HRC的銼刀。的銼刀。例如例如: :10HRC10HRC、15HRC15HRC、20HRC20HRC等。等。工程材料

22、及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能四、沖擊韌性四、沖擊韌性( notch toughness ):( notch toughness ): 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能沖擊韌性沖擊韌性a akuku為（即以試樣沖斷時(shí)消耗的功表示材料的沖擊值）：為（即以試樣沖斷時(shí)消耗的功表示材料的沖擊值）： 式中：式中：GG為擺錘的質(zhì)量（為擺錘的質(zhì)量（kgkg）；）；H1H1、H2H2分別為沖擊前、后擺錘的高度（分別為沖擊前、后擺錘的高度（m m）；）；A

23、A為試樣斷口處的截面積（為試樣斷口處的截面積（cm2cm2）。）。 對(duì)于脆性材料（如鑄鐵、工、模具鋼等），做沖擊彎曲試驗(yàn)時(shí)，試樣不開缺口，因?qū)τ诖嘈圆牧希ㄈ玷T鐵、工、模具鋼等），做沖擊彎曲試驗(yàn)時(shí)，試樣不開缺口，因?yàn)殚_缺口的材料沖擊值太低，難以比較不同材料沖擊韌性的差異。為開缺口的材料沖擊值太低，難以比較不同材料沖擊韌性的差異。 材料的沖擊值一般不作為設(shè)計(jì)零件的直接依據(jù)，只是作為材料的韌性指標(biāo)。材料的沖擊值一般不作為設(shè)計(jì)零件的直接依據(jù)，只是作為材料的韌性指標(biāo)。（沖擊試驗(yàn)）工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學(xué)性能工程材料力學(xué)性能五. 斷裂韌性 斷裂韌性是指帶微裂紋的材料或零件阻止裂紋擴(kuò)展的能力。金屬材斷裂韌性是指帶微裂紋的材料或零件阻止裂紋擴(kuò)展的能力。金屬材料從冶煉到各種加工過程，都有可能在材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，這種裂料從冶煉到各種加工過程，都有可能在材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，這