力学性能 概念.docx

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1、一，强度定义:金属材料在外力作下对抗永久变形和断裂的力量称为强度。按外力作用的性质不同， 主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗用弯强度等，工程常用的是屈服强度和抗拉强度， 这两个强度指标可通过拉伸试验测出。机械上是指零件承受载荷后对抗发生断裂或超过容许限度的剩余变形的力量。也就是 说，强度是衡量零件本身承载力量（即对抗失效力量）的重要指标。强度是机械零部件首先 应满意的基本要求。机械零件的强度一般可以分为静强度、疲惫强度（弯曲疲惫和接触疲惫 等）、断裂强度、冲击强度、高温柔低温强度、在腐蚀条件下的强度和蠕变、胶合强度等项 目。强度的试验讨论是综合性的讨论，主要是通过其应力状态来讨论零部件的受

2、力状况以及 猜想破坏失效的条件和时机。【材粒学上是指材料承受外力而不被破坏（不行恢复的变形也属被破坏）的力量.依据受 力种类的不同分为以下儿种：抗压强度-材料承受压力的力量.抗拉强度-材料承受拉力的力量.抗弯强度-材料对致弯外力的承受力量.抗剪强度-材料承受剪切力的力量.】材料、机械零件和构件对抗外力而不失效的力量。强度包括材料强度和结构强度两方 面。强度问题有狭义和广义两种涵义。狭义的强度问题指各种断裂和塑性变形过大的问题。 广义的强度问题包括强度、刚度和稳定性问题，有时还包括机械振动问题。强度要求是机械 设计的一个基本要求。材料强度:指材料在不同影响因素下的各种力学性能指标。影响因素包括材

3、料的化学成分、加工 工艺、热处理制度、应力状态，载荷性质、加载速率、温度和介质等。1、依据材料的性质，材料强度分为脆性材料强度、塑性材料强度和带裂纹材料的强度。 脆性材料强度：铸：钦钢等塑性材料断裂前有较大的塑性变形，它在卸载后不能消逝，也称 剩余变形。塑性材料以其屈服极限为计算强度的标准。材料的屈服极限是拉伸试件发生屈服 现象（应力不变的状况下应变不断增大的现象）时铁等脆性材料受载后断裂比拟突然，几乎 没有塑性变形。脆性材料以其强度极限为计算强度的标准。强度极限有两种：拉伸试件断裂 前承受过的最大名义应力称为材料的抗拉强度极限，压缩试件的最大名义应力称为抗压强度 极限。塑性材料强度的应力。对

4、于没有屈服现象的塑性材料，取与0.2%的塑性变形相对应的应 力为名义屈服极限。2表示。带裂纹材料的强度：常低于材料的强度极限，计算强度时要考虑材料的断裂韧性（见断裂 力学分析）。对于同一种材料，采纳不同的热处理制度，那么强度越高的断裂韧性越低。2、依据载荷的性质，材料强度有静强度、冲击强度和疲惫强度。材料在静载荷下的强度，依据材料的性质，分别用屈服极限或强度极限作为计算强度的标 准。材料受冲击载荷时，屈服极限和强度极限都有所提高（见冲击强度）。材料受循环应力 作用时的强度，通常以材料的疲惫极限为计算强度的标准（见疲惫强度设计）。此外还有接 触强度（见接触应力）。3、依据环境条件，材料强度有高温

5、强度和腐蚀强度等。高温强度包括蠕变强度和长久强度。当金属承受外载荷时的温度高于再结晶温度（已滑 移晶体能够回复到未变形晶体所需要的最低温度）时，塑性变形后的应变硬化由于高温退火 而快速消退，因此在载荷不变的状况下，变形不断增长，称为蠕变现象，以材料的蠕变极限为 其计算强度的标准。高温持续载荷下的断裂强度可能低于同一温度下的材料拉伸强度，以材 料的长久极限为其计算强度的标准（见长久强度）。此外，还有受环境介质影响的应力腐蚀 断裂和腐蚀疲惫等材料强度问题。结构强度:结构强度指机械零件和构件的强度。它涉及力学模型简化、应力分析方法、材料强度、 强度准那么和平安系数。依据结构的外形，机械零件和构件的强

6、度问题可简化为杆、杆系、板、壳、块和无限大体等 力学模型来讨论。不同力学模型的强度问题有不同的力学计算方法。材料力学一般讨论杆的 强度计算。结构力学分析杆系（桁架、刚架等）的内力和变形。其他外形物体属于弹塑性力 学的讨论对象。杆是指截面的两个方向尺寸远小于长度尺寸的物体，包括受拉的杆、受压的 柱、受弯曲的梁和受扭转的轴。板和壳的特点是厚度远小于此外两个方向的尺寸，平的称为 板，曲的称为壳。 要解决结构强度问题，除应力分析之外，还要考虑材料强度和强度 准那么，并讨论它们之间的关系。如循环应力作用下的零件和构件的疲惫强度，既与材料的疲 惫强度有关，又与零件和构件的尺寸大小、应力集中系数和外表状态等

7、因素有关。当循环载 荷不规章变化时，还要考虑载荷谱包括载荷挨次的影响。复合应力情形要用强度理论。有宏 观裂纹情形要用断裂力学分析。某些零件往往需要同时考虑几种强度准那么，加以比拟，才能 确定最可能消失的失效方式。 大局部的结构强度问题，通常是先确定结构形式，然后依据 外载荷进行应力分析和强度校核。应用电子计算机方法以后，优化设计成为现实的问题，可 以先提出一些详细的设计目标（例如要求结构重量最小），然后寻求最正确的结构形式。二，弹性弹性是指物体在外力作用下发生形变，当外力撤消后能恢复原来大小和外形的性质。 物体所受的外力在肯定的限度以内，外力撤消后物体能够恢复原来的大小和外形；在限度以 外，外

8、力撤销后不能恢复原状，这个限度叫弹性限度。同一物体的弹性限度不是固定不变的， 它随温度上升而减小。三，塑性塑性是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料特性，对大多的工程材料来说, 当其应力低于比例极限时,应力一应变关系是线性的。此外，大多数材料在其应力低于屈服点 时，表现为弹性行为，也就是说，当移走载荷时，其应变也完全消逝。塑性好坏可用伸长率 6和断面收缩率。表示。由于屈服点和比例极限相差很小，因此在ANSYS程序中，假定它们相同。在应力一应 变的曲线中，低于屈服点的叫作弹性局部，超过屈服点的叫作塑性局部，也叫作应变强化部 分。塑性分析中考虑了塑性区域的材料特性。路径相关性:既然塑性是不

9、行恢复的，那么这种问题的就与加载历史有关，这类非线性问题叫作与路 径相关的或非保守的非线性。路径相关性是指对一种给定的边界条件，可能有多个正确的解一内部的应力，应变分布 存在，为了得到真正正确的结果，我们必需依据系统真正经受的加载过程加载。率相关性:塑性应变的大小可能是加载速度快慢的函数，假如塑性应变的大小与时间有关，这种塑 性叫作率无关性塑性，相反，与应变率有关的性叫作率相关的塑性。大多的材料都有某种程度上的率相关性，但在大多数静力分析所经受的应变率范围，两 者的应力一应变曲线差异不大，所以在一般的分析中，我们认为应变是与率无关的。工程应力,应变与真实的应力、应变:塑性材料的数据一般以拉伸的

10、应力一应变曲线形式给出。材料数据可能是工程应力 (p/AO)与工程应变(dl/IO),也可能是真实应力(P/A)与真实应变(Ln(l/IO)。大应变的塑性分析一般采纳真实的应力，应变数据而小应变分析一般采纳工程的应力、 应变数据。什么时候激活塑性:当材料中的应力超过屈服点时，塑性被激活(也就是说，有塑性应变发生)。而屈服应 力本身可能是以下某个参数的函数：温度，应变率，以前的应变历史，侧限压力，其它参数。 在物理中，塑性即范性，与弹性相对。钢筋的塑性指标：冷弯性能、延长率四，韧性材料的断裂前汲取能量和进行塑性变形的力量。与脆性相反，材料在断裂前有较大形 变、断裂时断面常呈现外延形变，此形变不能

11、马上恢复，其应力-形变关系成非线性、消耗 的断裂能很大的材料。通常以冲击强度的大小、晶状断面率来衡量。韧性越好，那么发生脆性 断裂的可能性越小。五，硬度固体材料对外界物体压陷、刻划等作用的局部对抗力量，是衡量材料软硬程度的一个 指标。硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料反 抗弹性变形、塑性变形或破坏的力量，也可表述为材料对抗剩余变形和反破坏的力量。 硬度不是一个简洁的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合 指标。硬度分为：划痕硬度。主要用于比拟不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软 的棒，将被测材料沿棒划过，依据消失划痕的位置确定被测材料的

12、软硬。定性地说， 硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。压入硬度。主要用于金属材料，方法是用肯定的载荷将规定的压头压入被测 材料，以材料外表局部塑性变形的大小比拟被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载 荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微 硬度等几种。回跳硬度。主要用于金属材料，方法是使一特制的小锤从肯定高度自由下落 冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存(继而释放)应变能的多少(通过 小锤的回跳高度测定)确定材料的硬度。六，疲惫定义:材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在肯定循 环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直

13、到完全断裂的现象。疲惫特征:零件、构件的疲惫破坏可分为3个阶段：微观裂纹阶段。在循环加载下，由于物体的最高应力通常产生于外表或近外表区，该 区存在的驻留滑移带、晶界和夹杂，进展成为严峻的应力集中点并首先形成微观裂纹。此后， 裂纹沿着与主应力约成45。角的最大剪应力方向扩展，裂纹长度大致在0.05毫米以内，进展 成为宏观裂纹。宏观裂纹扩展阶段。裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。瞬时断裂阶段。当裂纹扩大到使物体残存截面缺乏以对抗外载荷时，物体就会在某一 次加载下突然断裂。对应于疲惫破坏的3个阶段，在疲惫宏观断口上消失有疲惫源、疲惫 裂纹扩展和瞬时断裂3个区。疲惫源区通常面积很小，色泽光亮,是两

14、个断裂面对磨造成的； 疲惫裂纹扩展区通常比拟平整，具有表征间隙加载、应力较大转变或裂纹扩展受阻等使裂纹 扩展前沿相继位置的休止线或海滩花样；瞬断区那么具有静载断口的形貌，外表呈现较粗糙的 颗粒状。扫描和透射电子显微术揭示了疲惫断口的微观特征，可观看到扩展区中每一应力循 环所遗留的疲惫辉纹。疲惫寿命:在循环加载下，产生疲惫破坏所需应力或应变的循环次数。对零件、构件消失工程裂 纹以前的疲惫寿命称为裂纹形成寿命。工程裂纹指宏观可见的或可检的裂纹，其长度无统 一规定，一般在0.2L0毫米范围内。自工程裂纹扩展至完全断裂的疲惫寿命称为裂纹扩 展寿命。总寿命为两者之和。因工程裂纹长度远大于金属晶粒尺寸，故

15、可将裂纹作为物体边 界，并将其四周材料视作匀称连续介质，应用断裂力学方法讨论裂纹扩展规律。由于S-N 曲线是依据疲惫试验直到试样断裂得出的，所以对应于S-N曲线上某一应力水平的疲惫寿 命N是总寿命。在疲惫的整个过程中，塑性应变与弹性应变同时存在。当循环加载的应 力水平较低时，弹性应变起主导作用；当应力水平渐渐提高，塑性应变到达肯定数值时， 塑性应变成为疲惫破坏的主导因素。为便于分析讨论，常按破坏循环次数的凹凸将疲惫分为 两类：高循环疲惫（高周疲惫）。作用于零件、构件的应力水平较低，破坏循环次数一般 高于104105的疲惫，弹簧、传动轴等的疲惫属此类。低循环疲惫（低周疲惫）。作用 于零件、构件的

16、应力水平较高，破坏循环次数一般低于104105的疲惫，如压力容器、燃 气轮机零件等的疲惫。实践说明，疲惫寿命分散性较大，因此必需进行统计分析，考虑存活 率（即牢靠度）的问题。具有存活率p（如95%、99%、99.9%）的疲惫寿命即的含义是： 母体（总体）中有p的个体的疲惫寿命大于Np。而破坏概率等于（1 p ） o常规疲惫 试验得到的S-N曲线是p = 50%的曲线。对应于各存活率的p的S-N曲线称为p-S-N曲线。 环境影响:某些零件、构件是在高于或低于室温下工作，或在腐蚀介质中工作，或受载方式不是 拉压和弯曲而是接触滚动等，这些不同的环境因素可使零件、构件产生不同的疲惫破坏。最 常见的有接

17、触疲惫、高温疲惫、热疲惫和腐蚀疲惫。此外，还有微动磨损疲惫和声疲惫等。 接触疲惫。零件在高接触压应力反复作用下产生的疲惫。经屡次应力循环后，零件的工作 外表局部区域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑。接触疲惫使零件工作时噪声增加、 振幅增大、温度上升、磨损加剧，最终导致零件不能正常工作而失效。在滚动轴承、齿轮 等零件中常发生这种现象。高温疲惫。在高温环境下承受循环应力时所产生的疲惫。高 温是指大于熔点1/2以上的温度，此时晶界弱化，有时晶界上产生蠕变空位，因此在考虑 疲惫的同时必需考虑高温蠕变的影响。高温下金属的S-N曲线没有水平局部，一般用107- 108次循环下不消失断裂的最大应力作为

18、高温疲惫极限；载荷频率对高温疲惫极限有明显影 响，当频率降低时，高温疲惫极限明显下降。热疲惫。由温度变化引起的热应力循环作用 而产生的疲惫。如涡轮机转子、热轧轧辐和热锻模等，常由于热应力的循环变化而产生热疲惫。腐蚀疲惫。在腐蚀介质中承受循环应力时所产生的疲惫。如船用螺旋桨、涡轮机叶片、 水轮机转轮等，常产生腐蚀疲惫。腐蚀介质在疲惫过程中能促进裂纹的形成和加快裂纹的扩 展。其特点有：S-N曲线无水平段；加载频率对腐蚀疲惫的影响很大；金属的腐蚀疲惫强 度主要是由腐蚀环境的特性而定；断口外表变色等。进展趋势:飞机、船舶、汽车、动力机械、工程机械、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的主要零 件和构件，大多

19、在循环变化的载荷下工作，疲惫是其主要的失效形式。因此，疲惫理论和疲 惫试验对于设计各类承受循环载荷的机械和结构，成为重要的讨论内容。疲惫有限寿命设计 中进行寿命估算，必需了解材料的疲惫性能，以此作为理论计算的依据。由于疲惫寿命的 长短取决于所承受的循环载荷大小，为此还必需编制出供理论分析和全尺寸疲惫试验用的载 荷谱，再依据与各种疲惫相适应的损伤模型估算出疲惫寿命。疲惫理论的工程应用，经受了 从无限寿命设计到有限寿命设计，有限寿命设计尚处于完善阶段。进展趋势是：宏观与微 观结合，研讨从位错、滑移、微裂纹、短裂纹、长裂纹到断裂的疲惫全过程，寻求寿命估 算各阶段统一的物理-力学模型。讨论不同环境下的

20、疲惫及其寿命估算方法。概率统计 方法在疲惫中的应用，如随机载荷下的牢靠性分析方法，以及耐久性设计等。七，蠕变定义:固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同,塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才消失, 而蠕变只耍应力的作用时间相当长，它在应力 小于弹性极限时也能消失。岩石在地质条件下的蠕变可以产生相当大 的变形而所需要的应力却不肯定很大。蠕变随 时间的连续大致分3个阶段：初始蠕变或过 渡蠕变，应变随时间连续而增加，但增加的速度 渐渐减慢；稳态蠕变或定常蠕变，应变随时 间连续而匀速增加，这个阶段较长；加速蠕 变，应变随时间连续而加速增加，直达裂开点。应力越大，蠕

21、变的总时间越短；应力越小， 蠕变的总时间越长。但是每种材料都有一个最小应力值，应力低于该值时不管经受多长时间 也不裂开，或者说蠕变时间无限长，这个应力值称为该材料的长期强度。岩石的长期强度约 为其极限强度的2/3。蠕变条件:蠕变机制有集中和滑移两种。在外力作用下，质点穿过晶体内部空穴集中而产生的蠕变 称为纳巴罗赫林蠕变；质点沿晶体边界集中而产生的蠕变称为柯勃尔蠕变。由晶内滑移或 者由位错促进滑移引起的蠕变称为滑移蠕变，也称魏特曼蠕变。蠕变作用解释了岩石大变形 在低应力下可以实现的缘由。蠕变在低温下也会发生，但只有到达肯定的温度才能变得显著,称温度为蠕变温度。对 各种金属材料的蠕变温度约为0.3

22、Tm, Tm为熔化温度，以热力学温度表示。通常碳素钢超 过300-350,合金钢在400.450以上时才有蠕变行为，对于一些低熔点金属如铅、锡等， 在温室下就会发生蠕变。改善蠕变方法:改善蠕变可实行的措施有：1 .高温工作的零件要采纳蠕变小的材料制造，如耐热钢等；.对有蠕变的零件进行冷却或隔热；2 .防止零件向可能损害设施功能或造成拆卸困难的方向蠕变。铸造砂型（砂芯）起模后的变形叫蠕变。如：酯固化水玻璃自硬砂砂型（芯）起模后常发生 蠕变。改善蠕变可实行的措施有：尽可能缩短可使用时间；用复合固化剂；砂型强度允许条 件下少加水玻璃；适当增加固化剂加入量；鼓热风强制硬化。蠕变种类:蠕变机制有集中和滑

23、移两种。在外力作用下，质点穿过晶体内部空穴集中而产生的蠕变 称为纳巴罗赫林蠕变；质点沿晶体边界集中而产生的蠕变称为柯勃尔蠕变。由晶内滑移或 者由位错促进滑移引起的蠕变称为滑移蠕变，也称魏特曼蠕变。蠕变作用解释了岩石大变形 在低应力下可以实现的缘由。蠕变在低温下也会发生，但只有到达肯定的温度才能变得显著，称温度为蠕变温度。对 各种金属材料的蠕变温度约为0.3Tm, Tm为熔化温度，以热力学温度表示。通常碳素钢超 过300350摄氏度，合金钢在400-450摄氏度以上时才有蠕变行为，对于一些低熔点金属如 铅、锡等，在温室下就会发生蠕变八，冲击韧性是反映金属材料对外来冲击负荷的对抗力量，一般由冲击韧

24、性值（ak）和冲击功（Ak） 表示，其单位分别为J/cm2和J （焦耳）。冲击韧性或冲击功试验（简称“冲击试验”），因试 验温度不同而分为常温、低温柔高温冲击试验三种；假设按试样缺口外形又可分为“V”形缺口 和形缺口冲击试验两种。国切粕齿变温度冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾 向。工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料对抗 冲击载荷的力量，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的 冲击功Ak,单位为焦耳（J）o而用试样缺口处的截面积 F去除Ak,可得到材料的冲击韧度（冲击值）指标，即 ak=Ak/F,其单位为kJ/m2或J/cm2o因此，冲击韧度 ak表示材料在冲击载荷作用下对抗变形和断裂

25、的力量。 ak值的大小表示材料的韧性好坏。一般把ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。ak值取决于材料及其状态，同时与试样的外形、尺寸有很大关系。ak值对材料的内部 结构缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶 粒粗化等都会使ak值明显降低；同种材料的试样，缺口越深、越尖锐，缺口处应力集中程 度越大，越简洁变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高。因此不同类型和尺寸 的试样，其ak或Ak值不能直接比拟。材料的ak值随温度的降低而减小，且在某一温度范围内，ak值发生急剧降低，这种现 象称为冷脆，此温度范围称为韧脆转变温度（Tk） 。九，

26、断裂韧性表征材料阻挡裂纹扩展的力量，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。在加载速度和 温度肯定的条件下，对某种材料而言它是一个常数。当裂纹尺寸肯定时，材料的断裂韧性值 愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；当给定外力时，假设材料的断裂韧性值愈高, 其裂纹到达失稳扩展时的临界尺寸就愈大。指材料阻挡宏观裂纹失稳扩展力量的度量，也是材料对抗脆性破坏的韧性参数。它和裂 纹本身的大小、外形及外加应力大小无关。是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加 工工艺有关。是应力强度因子的临界值。常用断裂前物体汲取的能量或外界对物体所作的功 表示。例如应力应变曲线下的面积。韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂 韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。如何在应力应变图中表达（或表达大小）