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1、工程材料力学性能工程材料力学性能商洛学院：常亮亮商洛学院：常亮亮哥哥伦伦比比亚亚号号航航天天飞飞机机材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。材料材料材料是人类生产和生活所必材料是人类生产和生活所必须的物质基础。须的物质基础。手锤锉刀“神舟神舟”四号飞船成功返四号飞船成功返回回国产涡喷-7涡轮喷气发动机石器铁器 象形尊(西周)石器时代石器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代材料是人类进化的里程碑。材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展与人类
2、社会简图龙芯联想计算机没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。技术。没有高温高强度的结构材料，没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业就不可能有今天的航空工业和宇航工业。和宇航工业。在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片波音客机没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱。前苏联在前苏联在19571957年把第一颗人造卫星送入太空，年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术令美
3、国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，上落后了。因此在其后的十年里，在十多所在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约约2/32/3大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。料科学系或材料科学与工程系。其涉及的材其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，可见，高技术需要先进材料的支持。高技术需要先进材料的支持。前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭工程材料是工程材料是用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天
4、等工程领域的材料。用来制造工程构件和机械零件，也包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能的材料。按组成与结合键分：按组成与结合键分：1 1、金属材料、金属材料 2 2、高分子材料、高分子材料 3 3、陶瓷材料、陶瓷材料 4 4、复合材料、复合材料工程材料的分类工程材料的分类金属材料金属材料以金属键结合为主以金属键结合为主 良好的导电性、导热良好的导电性、导热性、延展性和金属光性、延展性和金属光泽泽 用量最大、应用最广用量最大、应用最广泛泛黑色金属有色金属轻金属,重金属,贵金属,稀有金属 铁铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达10
5、10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%60%以上。以上。金属材料制品金属材料制品工程材料的应用和发展工程材料的应用和发展随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。抗辐照和多功能的方向发展。国产东风4D-0088内燃机车美国F-117隐身飞机新材料在不断地涌现。新材料在不断地涌现。机械工业是材料应用的重要领域机械工业是材料应用的重要领域。金属材料力
6、学性能的定义 金属在外加载荷（外力）作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速度）联合作用下所表现的行为。国标GB10623-89中定义：金属在力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能。简单理解：金属抵抗外加载荷（外力）引起变形和断裂的能力或金属材料的失效抗力。工程材料力学性能研究内容主要介绍工程材料在各种载荷作用及服役条件下的力学性能。工程材料力学性能研究的意义1986年1月28号，美国挑战者号航天飞机升空，仅仅1分12秒就爆炸了1940年美国华盛顿州塔库马大桥当时世界上的第三大桥，可抗60m/s 的大风；建成个月后在19m/s的小风吹拂下倒塌谁是使大桥坍塌的罪魁？涡旋
7、+共振19981998年年6 6月月3 3号号让让德德国国人人非非常常骄骄傲傲的的德德国国的的快快速速列列车车突突然然出出轨，造成102102人的死亡，人的死亡，8888人的重伤惨剧。人的重伤惨剧。事后的调查表明，是一个在车轮上面的一个卡箍，就是防止车轮跑出来的一个非常小的部件，因为长期的运作当中，产生了疲劳断裂。二战期间，美国250艘全焊接战时标准船的断裂事故，其中10艘在平静港湾突然一断为二。50年代末，60年代初，美国在发射北极星导弹试验中多次发生发动机壳体爆炸事故，发射火箭时曾发生助推器在半空爆炸。调查表明：壳体材料，常规强度没有问题，但在爆炸碎片中发现残留的宏观裂纹。金属材料随温度的
8、升高，弹性模量E、屈服强度S、硬度等值降低，而塑性增加的现象称高温蠕变。纽约世界贸易中心大楼曾是世界第一高楼，它高411米，单个塔楼的重量约5万吨；撞击大楼的波音757飞机起飞重量104吨，波音767飞机起飞重量156吨，它们的飞行速度大约是每小时1000公里。这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35吨燃油，波音767飞机可载51吨燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油。第一波飞机撞击世贸大楼的北部塔楼接近顶部的位置。大火燃烧了1小时43分钟后世贸大楼北部塔楼才倒塌。第二波飞机于撞击世贸大楼的南部塔楼。撞击位置较低，上层压力很大，大火燃烧了1小时零2分钟后，后
9、被撞击的南部塔楼反而率先倒塌。第一章第一章 静态拉伸试验静态拉伸试验商洛学院商洛学院 常亮亮常亮亮1.1应力应力-应变曲线应变曲线1.拉伸试样拉伸试样GB6397-86规定规定金属拉伸试样金属拉伸试样有：有：圆形、矩形、异型及全截面圆形、矩形、异型及全截面常用标准圆截面试样。常用标准圆截面试样。长试样：长试样：L0=10d0;短试样：短试样：L0=5d0拉伸试样拉伸试样1.1.1拉伸试验拉伸试验2.拉伸过程动画演示拉伸过程动画演示拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象拉伸试验机拉伸试验机oh段：比例弹性变形阶段；he段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（es段）：屈服阶段；sb段：均匀塑性变形阶段
10、，是强化阶段。b点：形成了“缩颈”。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。l Pl bl ul Pbbk Fss o g fe Peh Fp3.拉伸曲线拉伸曲线1.1.21.1.2拉伸应力拉伸应力与应变曲线与应变曲线(1)应力应力 ：单位面积上试样承受的载荷。用试样承受的载荷P除以试样的原始横截面积A0表示:PP 载荷(N)=(M pa)A0 0 原始横截面积(mm2)(2)(2)应变应变 ：单位长度的伸长量。用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:l伸长量(mm)=-l0原始长度(mm)(3)(3)应力应变曲线（应
11、力应变曲线（-曲线）曲线）:形状和拉伸曲线相同，单位不同bse 注意：注意：新、旧标准断后伸长率符号表示的差异为避免混乱，建议加注旧标准符号：1 1、拉伸脆性应力、拉伸脆性应力-应变曲线应变曲线 对于脆性材料（铸铁），拉伸时的应力应变曲线为微弯的曲线，没有屈服和径缩现象，试件突然拉断。断后伸长率约为0.5%。为典型的脆性材料。bt拉伸强度极限（约为140MPa）。它是衡量脆性材料（铸铁）拉伸的唯一强度指标。明显的四个阶段明显的四个阶段1、弹性阶段ob比例极限弹性极限2、屈服阶段bc（失去抵抗变形的能力）屈服极限3、强化阶段ce（恢复抵抗变形的能力）强度极限4、局部径缩阶段ef目目 录录胡克定律
12、胡克定律E弹性模量（GN/m2）2、塑性材料应力-应变曲线低碳钢拉伸曲线退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢不同材料的拉伸曲线不同材料的拉伸曲线1.2拉伸性能指标 材料拉伸性能指标，又称力学性能指标，用应力-应变曲线反映变形过程性质发生变化的临界值表示。力学 性能指标分为二类，反映材料对塑性变形和断裂的抗力的指标，称为材料的强度指标；反映材料塑性变形能力的指标，称为材料的塑性指标。1.2.1屈服强度 屈服强度可以理解为开始塑性变形时的应力值。工程上采用规定一定的残余变形量的方法，确定屈服强度。工程上常用的屈服标准有三种：（1）比例极限 p（2）弹性极限 el（3）屈服强度0.2 u 屈
13、服强度(塑性变形量为0.2%，微量塑性变形)P0.2 0.2 =(M Pa)A 0 试样原始横截面试样原始横截面(mm2)试样产生试样产生0.2%残余塑性变残余塑性变 形时的载荷形时的载荷(N)0.2：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力试样产生0.2%残余塑性变形屈服点 s、屈服强度0.2是零件设计的主要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。1、规定非比例伸长应力（p）：试样标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距百分比时的应力2、规定残余伸长应力（r）：试样卸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。常用r0.2,表示规定残余伸长率为0.2时的应力。现行国家标准将屈服强度规
14、范为三种情况。3、规定总伸长应力（t）试样标距部分的总伸长达到规定原始标距百分比时的应力。常用t0.5，表示规定总伸长率为0.5%时的应力。几种应力的比较P是加载时测定的；r是卸载时测定的，两者大小有区别。r测试方法比较复杂，一般选用P或t。0.2为条件屈服强度，看成是不要求区别测试方法或P与r视为等同时的一种标记。它们都是材料的初始塑性变形即屈服抗力S的具体表征值，无本质区别。一些特殊的高压容器为保持严格的气密性，其紧固螺栓要求不能有微残余伸长，这时取0.1甚至0.01，炮钢亦是如此。而桥梁、建筑物等大型结构允许有更大的残余变形量，取0.5。1.2.2抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力
15、。它表示材料抵抗断裂的能力。是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。P b 试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N)b=(M Pa)A 0 试样原始横截面积试样原始横截面积(mm2)bseb的实际意义：1）标志塑性金属材料的实际承载能力，但仅限于光滑试样单向拉伸的受载条件；2）b是脆性材料的断裂强度，可作为设计依据；3）b的高低取决于屈服强度和应变硬化指数；4）b与布氏硬度、疲劳极限之间有一定的经验关系。1.2.3实际断裂强度拉伸断裂时的载荷Pk除以端口处的真实截面积Ak所得的应力值称为实际断裂强度，实际断裂强度用Sk表示：Sk=Pk/Ak1.3 1.3 1.3 1.3 塑
16、性指标及其意义塑性指标及其意义1、断后伸长率k试样拉断后，标距的伸长与原始标矩的百分比2、断面收缩率K缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 kk 形成缩颈，差值越大缩颈越严重；k k不形成缩颈。3、最大力下的总伸长率gt指试样拉至最大力时标距的总伸长与原始标距的百分比。金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量。gt与真是应变 的关系：ln(1+gt)单一拉伸条件下工作的长形零件，缩颈与否均用k或gt评定材料塑性；非长形件，拉伸形成缩颈则用k做为塑性指标。4、屈服点伸长率s试样从开始屈服至屈服阶段结束（加工硬化开始）之间标距的伸长与原始标距的百分比。5、最大力下的非比例伸长率g试样拉至最大试验力时，标距的非比例伸长与原始标距的百分比。u塑性材料和脆性材料力学性能比较塑性材料和脆性材料力学性能比较:塑性材料塑性材料断裂前有很大塑性变形断裂前有很大塑性变形抗压能力与抗拉能力相近抗压能力与抗拉能力相近延伸率延伸率 5%5%可承受冲击载荷，适合于可承受冲击载荷，适合于锻压和冷加工锻压和冷加工脆性材料脆性材料断裂前变形很小断裂前变形很小抗压能力远大于抗拉能力抗压能力远大于抗拉能力延伸率延伸率 5%5%适合于做基础构件或外壳适合于做基础构件或外壳谢 谢