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1、关于材料力学性能第一页，本课件共有43页金属材料的性能金属材料的性能 工艺性能工艺性能使用性能使用性能物理性能物理性能化学性能化学性能力学性能力学性能铸造性能铸造性能锻造性能锻造性能切削加工性能切削加工性能焊接性能焊接性能热处理性能热处理性能弹性弹性塑性塑性强度强度硬度硬度韧性韧性疲劳疲劳断裂断裂 第二页，本课件共有43页静态拉伸实验静态拉伸实验第三页，本课件共有43页42013-2014学年第1学期材料力学性能1.试样制备中华人民共和国国标GB/T228-2002金属材料室温拉伸实验方法1.1 实验方法第四页，本课件共有43页5工作部分过渡部分夹持部分试样表面光洁2014-2015学年第1学
2、期材料力学性能第五页，本课件共有43页62014-2015学年第1学期材料力学性能第六页，本课件共有43页72014-2015学年第1学期材料力学性能第七页，本课件共有43页8第八页，本课件共有43页2.试验设备2014-2015学年第1学期材料力学性能第九页，本课件共有43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 =F/A0应变应变 =(l-l0)/l0第十页，本课件共有43页 s e s bbO 塑性变形弹性变形e第十一页，本课件共有43页1.1.弹性与刚度弹性与刚度 e e点点对对应应的的应应力力e e。应应力力低低于于e e点时，产生弹性
3、变形，超过点时，产生弹性变形，超过e e点时，产生塑性变形。点时，产生塑性变形。弹性极限弹性极限比例极限比例极限 p p点点对对应应的的应应力力p p。OeOe线线上上OpOp部分为一条斜直线，应力与应变始终成比例。部分为一条斜直线，应力与应变始终成比例。材材料料在在弹弹性性范范围围内内，应应力力与与应应变变的的比比值值/（MpMp）称称为为弹弹性性模模数数E E，表表示示材材料料抵抵抗抗弹弹性性变变形形的的能能力力，用用来来表表示示材材料料的的刚刚度度。E E值值主主要要取取决决于于各种材料的本性，而工艺参数对它的影响很小。各种材料的本性，而工艺参数对它的影响很小。弹性模数弹性模数 e第十二
4、页，本课件共有43页2.2.强度与塑性强度与塑性强度强度指指材材料料在在外外力力作作用用下下抵抵抗抗永永久久变变形形和和破破坏坏的的能能力力，最最常常用的是拉伸实验测得的抗拉强度用的是拉伸实验测得的抗拉强度b bF Fb b/A/A 0.2塑性变形O0.2sesep bbpOb屈服强度屈服强度 s：材料发材料发生微量塑性变形时的生微量塑性变形时的应力值。应力值。条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变形量为残余变形量为0.2%0.2%时的时的应力值。应力值。抗拉强度抗拉强度 b：材料断材料断裂前所承受的最大应力裂前所承受的最大应力值值.第十三页，本课件共有43页指材料在外力作用下产生塑性变形而
5、不破坏的能力指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力 塑性塑性断后伸长率断后伸长率 断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十四页，本课件共有43页说明：说明：用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。变形。直径直径d0 相同时，相同时，l0，。只有当。只有当l0/d0 为为常数时，塑性值才有可比性。常数时，塑性值才有可比性。当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 10 表示；表示；当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 10 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，
6、为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征第十五页，本课件共有43页3.3.硬度硬度 材材料料对对局局部部塑塑性性变变形形、压压痕痕或或划划痕痕的的抗抗力力。是是表表现现材材料料软软硬硬程程度度的的一一种种性性能能。金金属属硬硬度度试试验验也也是是应应用用最最广广泛泛的的力力学学性性能试验方法。能试验方法。仅在金属表面产生很小压痕，可在成品上试验不需专门加工试样仅在金属表面产生很小压痕，可在成品上试验不需专门加工试样易于检查金属表面层的质量（如脱碳、表面淬火和化学热处理后的表面性能）易于检查金属表面层的质量（如脱碳、表面淬火和化学热处理后的表面性能）设备简单，操作方便迅速设备简单，操作方便迅速。
7、测量方法测量方法布氏硬度布氏硬度HBHB洛氏硬度洛氏硬度HRHR维氏硬度维氏硬度HVHV弹性回跳法弹性回跳法肖氏硬度肖氏硬度压入法压入法划痕法划痕法莫氏硬度莫氏硬度第十六页，本课件共有43页（1 1）布氏硬度（）布氏硬度（HBHB）D=10、5、2.5的淬火钢球或硬质合金球的淬火钢球或硬质合金球压入试样表面压入试样表面 保持一定时间后卸除试验力保持一定时间后卸除试验力 测量压痕平均直径，求出球形面积测量压痕平均直径，求出球形面积 用试验力除以球冠面积用试验力除以球冠面积 第十七页，本课件共有43页布布氏氏硬硬度度计计第十八页，本课件共有43页符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬之前的数字表
8、示硬度值度值,符号后面的数字按顺序分别表符号后面的数字按顺序分别表示球体直径示球体直径、载荷及载荷保持时载荷及载荷保持时间。如间。如 120HBS10/1000/30 表表示直径为示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作）载荷作用下保持用下保持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压头为钢球时压头为钢球时，布氏硬度用符号，布氏硬度用符号HBS表示，适用于表示，适用于布氏硬度值在布氏硬度值在450450以下的材料。以下的材料。压头为硬质合金球时压头为硬质合金球时，用符号，用符号HBW表示，适用于布表示，适用于布氏硬度在氏硬度在65
9、0650以下的材料。以下的材料。第十九页，本课件共有43页布氏硬度的特点：布氏硬度的特点：压压痕痕面面积积大大，其其硬硬度度值值能能反反映映金金属属在在较较大大范范围围内内各各组组成成相相的的平平均均性性能能，而而不不受受个个别别组组成成相相及及微微小小不不均均匀匀性性的的影影响响，测测量量误误差差小小，试试验验数数据据稳稳定定，重重复复性性强强；压压痕大，不能用于小件、成品件及比压头还硬的材料。痕大，不能用于小件、成品件及比压头还硬的材料。布氏硬度的应用：布氏硬度的应用：适适于于测测量量退退火火、正正火火、调调质质钢钢、有有色色金金属属、铸铸铁铁和和轴轴承承合合金金等等具具有有粗粗大大晶粒或
10、组成相的金属材料的硬度。晶粒或组成相的金属材料的硬度。第二十页，本课件共有43页（2 2）洛氏硬度（）洛氏硬度（HRHR）F1F0h0表盘表盘主试验力主试验力预试验力预试验力压头压头试样试样F1F0h1F1F0h1200洛氏硬度（常数洛氏硬度（常数h）/S=N-h/S第二十一页，本课件共有43页符号符号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。最常用的标尺有最常用的标尺有A,B,CHRA用于测量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。HRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如有如有色金属和退火色金属和退火、正
11、火钢等。正火钢等。HRC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。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二十二页，本课件共有43页洛氏硬度的特点：洛氏硬度的特点：洛氏硬度的应用：洛氏硬度的应用：操作简便迅速，硬度值可直接读出，压痕较小，可在工件上进行试验；操作简便迅速，硬度值可直接读出，压痕较小，可在工件上进行试验；缺点是压痕小，代表性差，所测硬度值重复性差，分散度大。缺点是压痕小，代表性差，所测硬度值重复性差，分散度大。广泛用于热处理质量的检验广泛用于热处理质量的检验 洛氏硬度计的压头有两种，当测定硬度较高的材料时，选洛氏
12、硬度计的压头有两种，当测定硬度较高的材料时，选用用120120的金刚石圆锥压头；测定硬度较低的材料时，选用淬的金刚石圆锥压头；测定硬度较低的材料时，选用淬火钢压头火钢压头。第二十三页，本课件共有43页（3 3）维氏硬度（）维氏硬度（HVHV）测测试试原原理理与与布布氏氏相相同同，根根据据压压痕痕面面积积计计算算硬硬度度值值。压压头头为为两两对对面面夹夹角角为为136136o o的的金金刚刚石石四四棱棱锥锥体，测定压痕对角线长度进行查表。体，测定压痕对角线长度进行查表。第二十四页，本课件共有43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第二十五
13、页，本课件共有43页 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。但是，要测量对角线，工作效率低。维维氏氏硬硬度度用用符符号号HV表表示示，符符号号前前的的数数字字为为硬硬度度值值，后后面面的的数数字字按按顺顺序序分分别别表表示示载载荷荷值值及及载载荷保持时间。荷保持时间。d1d2TEM of Al85Ni10Ce5HVHV的特点及应用：的特点及应用：第二十六页，本课件共有43页4.4.韧性韧性（1 1）冲击韧性）冲击韧性（2 2）断裂韧性）断裂韧性第二十七页，本课件共有43页（1
14、1）冲击韧性）冲击韧性材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力（材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力（a ak k）。a a摆锤式一次冲击实验摆锤式一次冲击实验b.b.小能量多次冲击实验小能量多次冲击实验第二十八页，本课件共有43页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)。第二十九页，本课件共有43页韧脆转变温度韧脆转变温度材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温度下降而下降。度下降而下降。在某在某一温度范围内冲击韧一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象性值急剧下降的现象称称韧脆转变韧脆转变。发生韧脆发生韧脆转变的温度范围称转变的温度范围称韧韧脆转变脆转变温度。温度。材料的材料的使用
15、温度应高于韧脆转使用温度应高于韧脆转变温度。变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金温度，而大多数面心立方金属没有。属没有。第三十页，本课件共有43页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TITANIC第三十一页，本课件共有43页Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板第三十二页，本课件共有43页（2 2）断裂韧性）断裂韧性材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。裂裂纹纹尖尖端端形
16、形成成应应力力分分布布特特殊殊的的应应力力场场。其其强强度度可可以以用用应应力力场场强强度度因因子子K K1 1来来描描述述。K K1 1值值的的大大小小与与裂裂纹纹尺尺寸寸（2a2a）和和外外加加应力（应力（）有下式关系：）有下式关系：由由上上式式可可见见，随随着着应应力力的的增增大大，K K1 1不不断断增增大大，当当K K1 1增增大大到到某某一一定定值值时时，可可使使裂裂纹纹前前沿沿某某一一区区域域内内的的应应力力大大到到足足以以使使材材料料分分离离，从从而而导导致致裂裂纹纹突突然然失失稳稳扩扩展展而而发发生生断断裂裂。这这个个K K1 1的的临临界界值，称为材料的断裂韧度，用值，称为
17、材料的断裂韧度，用K K1c1c表示。表示。第三十三页，本课件共有43页练习练习第三十四页，本课件共有43页 在在交交变变载载荷荷作作用用下下，材材料料常常常常在在远远低低于于其其屈屈服服强强度度的的应应力力下下发发生断裂，这种现象称为材料的疲劳。生断裂，这种现象称为材料的疲劳。材材料料之之所所以以产产生生疲疲劳劳断断裂裂，是是由由于于材材料料表表面面或或内内部部有有缺缺陷陷。这这些些地地方方应应力力大大于于屈屈服服强强度度，从从而而产产生生局局部部塑塑性性变变形形而而开开裂裂。这这些些微微裂裂纹纹随随着着应应力力循循环环次次数数的的增增加加而而逐逐渐渐扩扩展展，使使承承受受载载荷荷的的截截面
18、面积减少，最终断裂。面面积减少，最终断裂。5.5.疲劳疲劳第三十五页，本课件共有43页36测试方法采用升降法进行测试疲劳极限 从略高于材料的疲劳极限开始测试，如果在该应力下，不到规定的循环周次（107）就发生断裂，则降低应力水平，相反就升高一个应力水平。在断裂的测试结果图中，用表示，而未发生断裂的测试结果用表示。按照上述方法，测得的有效数据为13个以上，并在3-5个应力水平，实验才结束。第三十六页，本课件共有43页37 出现第一对相反数据前的数据为无效数据；实验前无法知道其疲劳极限，第一测试数据如果为一般材料取(0.45-0.5)b，高强度钢为(0.3-0.4)b。每一个应力水平相差预计的疲劳
19、极限的3-5%。在有效数据中，断裂和未断裂分别大约占50%左右。第三十七页，本课件共有43页38有效实验次数（包括断裂和未断试样）实验的应力水平数该应力水平的实验次数应力水平数值第三十八页，本课件共有43页39（3）S-N曲线测定方法通常在4-5级的应力水平下测试，每个应力水平测试3-5个试样的实验数据，然后进行数据处理，数据处理时，计算出中值疲劳寿命（存活率50%），最后对测试结果进行拟合，获得S-N曲线。每一级应力水平下的疲劳寿命采用如下公式计算：第三十九页，本课件共有43页40 如果在某一应力水平下的疲劳寿命大于规定的数值，例如107，则这一组疲劳寿命取排列后的中值（测量次数为奇数），或
20、两个中间数值的平均值（偶数）。第四十页，本课件共有43页41获得的数据进行绘制时，有两种方法：1）逐点描述；2）直线拟合。第四十一页，本课件共有43页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。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。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。用用-1表示。钢铁材料规定次数为表示。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通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表 面强化等方法可提高材料疲劳抗力。面强化等方法可提高材料疲劳抗力。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总结总结第四十二页，本课件共有43页感感谢谢大大家家观观看看第四十三页，本课件共有43页