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1、第1章材料的性能机械第1页，本讲稿共22页l材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形变形。l外力去处后能够恢复的变形称为外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。l外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。五万吨水压机五万吨水压机第2页，本讲稿共22页低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉拉伸伸试试验验机机应力应力 =P/F0应变应变 =(l-l0)/l0第3页，本讲稿共22页一、弹性和刚度一、弹性和刚度l弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即即材料承受最大弹性变形时的材
2、料承受最大弹性变形时的应力。应力。l刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性变材料受力时抵抗弹性变形的能力。形的能力。指标为弹性模量指标为弹性模量E E。e弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。第4页，本讲稿共22页二、强度与塑性二、强度与塑性二、强度与塑性二、强度与塑性l强度：强度
3、：材料在外力作用下抵材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。抗变形和破坏的能力。屈服强度屈服强度 s：材料发生微量塑材料发生微量塑性变形时的应力值。性变形时的应力值。条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变形残余变形量为量为0.2%时的应力值。时的应力值。抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所承材料断裂前所承受的最大应力值。受的最大应力值。s0.2第5页，本讲稿共22页塑性：塑性：塑性：塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：指标为：指标为：指标为：伸长率：伸长率：断
4、面收缩率：断面收缩率：断裂后拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象第6页，本讲稿共22页l说明：说明：l 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。形。l 直径直径d0 相同时，相同时，l0，。只有当。只有当l0/d0 为常为常数时，塑性值才有可比性。数时，塑性值才有可比性。l当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；l当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 l 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征第7页，本讲稿共22页三、硬度三、硬度三、硬度
5、三、硬度l材料抵抗表面局部塑性变形的材料抵抗表面局部塑性变形的能力。能力。l布氏硬度布氏硬度HBHB布布氏氏硬硬度度计计第8页，本讲稿共22页 l压压头头为为钢钢球球时时，布布氏氏硬硬度度用用符符号号HBS表表示示，适适用用于于布布氏氏硬度值在硬度值在450以下的材料。以下的材料。l压压头头为为硬硬质质合合金金球球时时，用用符符号号HBW表表示示，适适用用于于布布氏氏硬硬度在度在650以下的材料。以下的材料。l符符号号HBS或或HBW之之前前的的数数字字表表示示硬硬度度值值,符符号号后后面面的的数数字字按按顺顺序序分分别别表表示示球球体体直直径径、载载荷荷及及载载荷荷保保持持时时间间。如如 1
6、20HBS10/1000/30 表表 示示直直径径为为10mm的的钢钢球球在在1000kgf（9.807kN）载载荷荷作作用用下保持下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布布氏氏硬硬度度压压痕痕第9页，本讲稿共22页l布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。l缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。材料。l适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。l材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系：对于低碳钢对于低
7、碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)1HB或或 b(MPa)0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁第10页，本讲稿共22页h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计l洛氏硬度洛氏硬度用符号用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002l根根据据压压头头类类型型和和主主载载荷荷不不同同，分分为为九九个个标标尺尺，常常用的标尺为用的标尺为A、B、C。第11页，本讲稿共22页l符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量
8、高硬度材料用于测量高硬度材料,如硬如硬质合金、表淬层和渗碳层质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如有色如有色金属和退火金属和退火、正火钢等。正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压操作简便，压痕小，适用范围广。痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕第12页，本讲稿共22页维氏硬度维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕
9、第13页，本讲稿共22页l维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示表示，符号前的数字为硬度值，后面的符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。l根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试维氏硬度试验验、小负荷维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验显微维氏硬度试验。l维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点。小小负负荷荷维维氏氏硬硬度度计计显微维氏硬度计显微维氏硬度计第14页，本讲稿共22页四、冲击韧性四、冲击韧性四、冲击韧性四、冲击韧性l是指材料
10、抵抗冲击载荷作是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。用而不破坏的能力。l指标为冲击指标为冲击韧性值韧性值ak(通通过冲击实验测过冲击实验测得得)。第15页，本讲稿共22页韧脆转变温度韧脆转变温度韧脆转变温度韧脆转变温度l材料的冲击韧性随温度下材料的冲击韧性随温度下降而下降。降而下降。在某一温度范在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降围内冲击韧性值急剧下降的现象称的现象称韧脆转变韧脆转变。发发生韧脆转变的温度范围生韧脆转变的温度范围称称韧脆转变韧脆转变温度温度。材料材料的使用温度应高于韧脆的使用温度应高于韧脆转变温度。转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立变
11、温度，而大多数面心立方金属没有。方金属没有。第16页，本讲稿共22页TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没与的沉没与船体材料的质量直船体材料的质量直接有关接有关第17页，本讲稿共22页五、断裂韧性五、断裂韧性五、断裂韧性五、断裂韧性油轮断裂和北极星导弹发油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关在缺陷有关 1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北北极极星星导导弹弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式第18页，本讲稿共22页l应力强度因子：应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。指标
12、。断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内部材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。裂纹失稳扩展的能力。C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界为临界裂纹半长，单位为裂纹半长，单位为 第19页，本讲稿共22页Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和和近代船用钢板近代船用钢板（右图）（右图）（右图）（右图）的冲的冲击试验结果击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板第20页，本讲稿共22页六、疲劳六、疲劳l材料在低于材料在低于 s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。l材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限疲劳极限。用。用-1表示。表示。l钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图第21页，本讲稿共22页疲劳断口疲劳断口通过通过改善材料的形状结构改善材料的形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面光洁提高表面光洁度度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）第22页，本讲稿共22页