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1、第二章材料的力学性质第1页，共48页，编辑于2022年，星期二第一节 应力与应变*1、内力的概念n外力：其它物体施加的力。包括构件所承受的载荷及约束反力。n（1）载荷：外力（主动力）n（2）约束反力：外力（被动力）n内力：由外力引起的构件内部的相互作用力。n内力的大小以及在构件内部的分布方式随外力和变形的改变而变化，并与构件的强度、刚度和稳定性密切相关，内力分析是材料力学的基础。一、应力第2页，共48页，编辑于2022年，星期二第一节 应力与应变*2、内力的求法截面法一、应力第3页，共48页，编辑于2022年，星期二第一节 应力与应变*2、内力的求法截面法一、应力 1截：截：在需要求内力的截面
2、处，用一假想的垂直于轴线的截面把构件分成两个部分；2、取：保留其中任一部分作为研究对象，而弃去另一部分，称之为分离体；3、代：将弃去的另一部分对保留部分的作用力用截面上的内力代替；4、平：对保留部分(分离体)建立平衡方程式，由已知外力求出截面上内力的大小和方向。在使用截面法求内力时，构件在被截开前，静力学中的力系等效代换及力的可传性是不适用的。第4页，共48页，编辑于2022年，星期二第一节 应力与应变 例例 图a表示一等截面直杆，其受力情况如图所示。试作其轴力图。解：解：（1）作杆的受力图(图b)，求约束反力FA；根据 Fx=0，即：FAF1+F2F3+F4=0 得FA=40kN55kN25
3、kN20kN=10kN 第5页，共48页，编辑于2022年，星期二第一节 应力与应变 例例 图a表示一等截面直杆，其受力情况如图所示。试作其轴力图。（2）求各段横截面上的轴力并作轴力图。规定：轴力拉为正、压为负。规定：轴力拉为正、压为负。AB段：FN1=FA=10kNBC段：FN2=10kN40kN=50kNCD段：FN3=20kN25kN=-5kNDE段：FN4=20kN第6页，共48页，编辑于2022年，星期二第一节 应力与应变3、应力：内力分布集度 一、应力 （1）1根筷子容易弄断，10根筷子不容易弄断；（2）粗细相同的铁杆与筷子比较，铁杆结实；可见控制材料不遭到破坏的一是材质、二是材料
4、横截面积。为进行材料选择，评定材料的力学性能，要消除面积的影响，引入应力的概念。应力：单位面积上的内力，即内力分布集度。第7页，共48页，编辑于2022年，星期二第一节 应力与应变3、应力 在截面任一点周围有微小面积A，设其上内力F，则应力定义为;总应力的法相分量称为正应力，切向应力称为剪应力 规定：规定：正正应力应力拉拉为正，为正，压压为负为负第8页，共48页，编辑于2022年，星期二第一节 应力与应变3、应力;单位：应力的国际单位为N/m2 1N/m2 =1Pa（帕斯卡）1MPa=106 N/m2 1GPa=109N/m2 第9页，共48页，编辑于2022年，星期二第一节 应力与应变二、应
5、变 1变形物体受力后形状和尺寸的改变1.3.切应变（角应变）原来相互正交的棱边的直角夹角的改变量称为切应变（角应变）2线应变（简称应变）即单位长度的变形量，无量纲。第10页，共48页，编辑于2022年，星期二第二节 材料试验一、低碳钢拉伸试验;为了测定不同材料的承受载荷的能力（即强度），要对材料做拉伸试验即以测定。为了消除试件尺寸的对测定结果的影响，规定拉伸试验试件按国家标准规定做成标准试件（几何尺寸、加工精度、试验条件）。试件：规定圆截面标准试件的工作长度（也称标距）与其截面直径d。第11页，共48页，编辑于2022年，星期二第二节 材料试验一、低碳钢拉伸试验;试件：长试件：短试件：试验条件
6、：常温(20)；静载。第12页，共48页，编辑于2022年，星期二第二节 材料试验一、低碳钢拉伸试验;（1）夹持试件（2）油压缓慢加载使试件受拉（3）记录 测试数值（4）直至拉断，观察力与变形的全过程（5）绘制 拉伸曲线（自动绘图）（6）清除尺寸影响作 曲线，根据曲线特征大致分为四个阶段研究材料力学性能。第13页，共48页，编辑于2022年，星期二第二节 材料试验一、低碳钢拉伸试验;第阶段：弹性变形阶段 应力与应变成正比，比例系数E为材料弹性模量，对同种材料E值比较稳定。在弹性阶段撤掉外力，变形消失。第14页，共48页，编辑于2022年，星期二第二节 材料试验一、低碳钢拉伸试验;第阶段：屈服流
7、动阶段 材料对变形的抵抗能力消失，外力不再增加，变形继续。第15页，共48页，编辑于2022年，星期二第二节 材料试验一、低碳钢拉伸试验;第第阶段阶段：强化阶段 抵抗变形的能力增强。如果在K点撤除外力，将沿着KO1变化，OO1为单位长度的残余变形。重新施加外力，将沿着KO1变化，承载能力增强，称为冷作硬化。第16页，共48页，编辑于2022年，星期二第二节 材料试验一、低碳钢拉伸试验;第阶段：颈缩阶段。试件局部范围横向尺寸急剧缩小，称为颈缩。第17页，共48页，编辑于2022年，星期二第二节 材料试验一、低碳钢拉伸试验;1、延伸率2、断面收缩率第18页，共48页，编辑于2022年，星期二第二节
8、 材料试验二、其它试验;为了测定不同材料的承受载荷的能力，对锰钢、硬铝、退火球墨铸铁、铸铁进行拉伸试验。锰钢没有屈服和颈缩阶段；硬铝、退火球墨铸铁没有明显屈服阶段；铸铁d 5%，突然断裂；d 5%，为塑性材料。第19页，共48页，编辑于2022年，星期二一、机械性能又叫力学性能，指在外力作用下表现出来的性能。强度强度：材料抵抗外力作用而不失效的特性。塑性塑性：在外力作用下，材料产生塑性变形而不被破坏的特性。硬度硬度：金属材料不大的体积内抵抗硬物压入的特性。韧性韧性：材料快速变形吸收能量而不被破坏的特性。缺口敏感性缺口敏感性：在有应力集中的条件下，抵抗裂纹扩展的特性。第三节 材料的性能第20页，
9、共48页，编辑于2022年，星期二一、机械性能A 强度1、弹性极限p：很难控制。第三节 材料的性能 强度：材料抵抗外力作用而不失效的特性。不同的生产环境、不同的失效的标准不同，衍生出不同的的强度指标。第21页，共48页，编辑于2022年，星期二一、机械性能A 强度 2、屈服极限s：对退火或热轧处理的中低碳钢屈服较明显。对其它没有明显屈服段的属材料规定产生0.2%残余变形时承受的应力值，记为条件屈服极限0.2第三节 材料的性能第22页，共48页，编辑于2022年，星期二一、机械性能A 强度 3、抗拉强度（极限）b：拉断时所承受的最大应力值。第三节 材料的性能第23页，共48页，编辑于2022年，
10、星期二 高温条件下，材料的屈服点、抗拉强度、弹性模量、塑性都会发生变化。我们把在高温条件下，较小的应力（p）作用使材料发生持续塑性变形的现象叫蠕变。4、蠕变强度（极限）n 一、机械性能A 强度第三节 材料的性能第24页，共48页，编辑于2022年，星期二 （1）蠕变的危害不利于常规手段的检测。高温蒸汽管道；隧道炉传动链条。材料发生蠕变有大致的极限温度碳钢：420；合金钢：450；轻合金族（铝、镁）；50-150 4、蠕变强度（极限）n 一、机械性能A 强度第三节 材料的性能第25页，共48页，编辑于2022年，星期二（2）应力标准的确定材料的使用温度超过极限温度就会发生蠕变，且残余塑性变形与应
11、力大小、作用时间长短成正比。1万（10万）小时残余变形达1%时的应力。v=10-5/h(v=10-4/h)时的应力值。4、蠕变强度（极限）n 一、机械性能A 强度第三节 材料的性能第26页，共48页，编辑于2022年，星期二 一定应力、温度条件下，材料长久抵抗断裂的能力。D D应力标准的确定：给定温度下，10万小时不断裂承受的最大的应力值，记为：105。5、持久强度（极限）D 一、机械性能A 强度第三节 材料的性能第27页，共48页，编辑于2022年，星期二（1）金属在交变应力作用下，会产生疲劳现象。（二战时坦克履带轴断裂）（2）交变应力：大小和方向随时间而变化的应力 （铁丝拉断、崴断比较）（
12、3）交变应力作用下在规定次数不发生断裂的所能承受的最大应力值。一般化工设备用材料规定的循环次数为5106（刺刀5105）6、疲劳强度-1-1（一般（一般0.50.5b b）一、机械性能A 强度第三节 材料的性能第28页，共48页，编辑于2022年，星期二1、弹性极限p：精密传动需要，但难控制，属保守设计。2、屈服极限s；化工容器材料达到屈服不会损坏，趋于保守。（0.2）3、抗拉强度b：化工容器的破坏是应力值超过抗拉强度b强撕裂容器形成的爆炸。但可以通过检测材料屈服时发出的超声。因此在容器设计中更看中（s/b）屈强比，要求大点，但不要超过0.74、蠕变强度n5、持久强度 D（105）6、疲劳强度
13、-1：交变应力作用下。总结：强度标准的选择一、机械性能A 强度第三节 材料的性能第29页，共48页，编辑于2022年，星期二在外力作用下，材料产生塑性变形而不被破坏的特性。一、机械性能B 塑性第三节 材料的性能1、延伸率：2、断面收缩率：第30页，共48页，编辑于2022年，星期二3、冷弯试验（冷弯角，焊缝指标）一、机械性能B 塑性 在冷弯试验机上，以一定的内半径R进行弯曲，试样受拉面出现第一道裂纹止，弯曲角度大则塑性好，这样的试验具有破坏性。通常以弯曲120或180不出现裂纹为合格。所以又叫冷弯角试验。第三节 材料的性能第31页，共48页，编辑于2022年，星期二4、弯曲试验一、机械性能B
14、塑性 6mm以下钢板，以一定的内半径R一定的角度进行反复弯曲，其频率小于60次/分钟,当弯曲规定的次数而无分层、脱片、裂纹则认定为合格。第三节 材料的性能第32页，共48页，编辑于2022年，星期二 金属材料不大的体积内抵抗硬物压入的特性，反映材料的综合指标。一、机械性能C 硬度 测定标准有三种：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）、维氏硬度（HV）。布氏硬度（HB）洛氏硬度（HRC）常用，其中尤以布氏硬度（HB）测量最为准确，但布氏硬度（HB）测量范围较窄，HB45 MPa以上便无法测量，对薄的物体测量时形成的压痕大，破坏表面。第三节 材料的性能第33页，共48页，编辑于2022年，星期二第
15、二节 材料的性能一、机械性能C 硬度1、布氏硬度（HB）测定采用钢球，记为HBS采用硬质合金球，记为HBW 测试方法用HBd,p,t表示，如HB10，30000，10表示钢球直径10mm，作用力为30000N,保压10秒钟。第34页，共48页，编辑于2022年，星期二第二节 材料的性能一、机械性能C 硬度2、洛氏硬度（HR）测定 (压痕小)符号压头负荷硬度值有效范围适用范围HRA金刚石圆锥600N70硬质合金HRB1.588mm钢球1000N25100（HB60HB230）有色金属HRC金刚石圆锥（120）1500N2067（HB230HB700）淬火钢第35页，共48页，编辑于2022年，星
16、期二第二节 材料的性能一、机械性能C 硬度3、维氏硬度（HV）测定(负荷可以任选)维氏硬度测试原理与布氏硬度测试原理相同，求单位压痕面积上的应力，只是维氏硬度测试使用顶角为136金刚石方锥。第36页，共48页，编辑于2022年，星期二第二节 材料的性能一、机械性能C 硬度洛氏硬度与其他硬度指标换算表HRCHRAHBHV6583.6-7986081-6875578.45385875075.84805044573.24224354070.63693783568322329第37页，共48页，编辑于2022年，星期二一、机械性能D冲击韧性1、汽车材料冲击韧性好，撞击时吸收撞击能量可以有效保护成员安全
17、。出口汽车须过撞击实验。2、设备材料韧性好，防止疲劳裂纹快速发展，防止爆炸。（吉林市发生2000立油罐爆炸）材料快速变形吸收能量而不被破坏的特性。韧性和塑性的区别韧性和塑性的区别：韧性是抵抗冲击的快速变形吸收能量的能力；而塑性是抵抗缓慢增长的应力，有好塑性不一定有好韧性，有好韧性一定有好塑性。第三节 材料的性能第38页，共48页，编辑于2022年，星期二一、机械性能D冲击韧性 冲击实验消耗功的大小取决于金属塑性变形的体积，因缺口应力分布不均匀故用单位面积的冲击功代替。夏比缺口应力集中更大，低温容器用钢要提供夏比试样试验数据。第三节 材料的性能第39页，共48页，编辑于2022年，星期二一、机械
18、性能E缺口敏感性材料在有应力集中情况下抵抗裂纹扩展的能力第三节 材料的性能第40页，共48页，编辑于2022年，星期二总结：韧性缺口敏感性塑性的区别n韧性:在冲击载荷的作用下，存在应力集中，反映材料快速变形抵抗破坏的能力。n缺口敏感性：在静载荷的作用下较高的应力集中条件下，材料缓慢变形抵抗破坏的能力n塑性：在静载荷的作用下无应力集中条件下，材料缓慢变形抵抗破坏的能力。第三节 材料的性能第41页，共48页，编辑于2022年，星期二二、物理性能化工设备在选择材料时考虑其物理性能指标主要有：热膨胀性、弹性模量、泊桑比、密度、熔点、导热性、导电性。第三节 材料的性能第42页，共48页，编辑于2022年
19、，星期二二、物理性能1、热膨胀性金属材料温度升高时体积要胀大。在没有外来约束的情况下,各向变化率相等线性尺寸的变化与原长和温差成正比。线胀系数第三节 材料的性能第43页，共48页，编辑于2022年，星期二二、物理性能讨论：热膨胀性1、金属材料温度升高时各个方向都要胀大，在长度方向上形变最大，更容易引起我们注意。2、线胀系数只与材料种类有关。3、不同种类的材料焊接在一起引起温差应力。第三节 材料的性能第44页，共48页，编辑于2022年，星期二二、物理性能2、弹性模量n弹性模量是虎克定律的比例常数。n弹性模量是材料弹性抗力的重要指标，其值越大，刚性越大。n弹性模量取决于金属原子结构、结晶点阵、温
20、度等因素。n弹性模量是金属材料最稳定的指标。第三节 材料的性能第45页，共48页，编辑于2022年，星期二二、物理性能3、泊桑比n拉伸实验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。n对各种钢材来说，泊桑比为0.3。第三节 材料的性能第46页，共48页，编辑于2022年，星期二三、化学性能要求：保持设备材料在工作环境介质中的化学稳定性。耐腐蚀性：对侵蚀性介质的抵抗能力。1、糊精生产中加入盐酸；淀粉生产加入亚硫酸。腐蚀造成金属流失，产品灰分增加，食用对人体有害。2、高温设备：FeC+O2=Fe+CO2 CO2+C=CO ,造成脱碳，影响钢材的性能。第三节 材料的性能第47页，共48页，编辑于2022年，星期二四、工艺性能铸造性：铸造性：导热性不好，表面冷却，形成缩孔。可锻性：可锻性：一两黄金打造1.5亩金箔（塑性、韧性）；其次为铝、铜。黄铜、铸铁可锻性差。切削加工性：切削加工性：铁、铝、木材热处理性：热处理性：工具钢_锯条，45钢。可焊性：可焊性：铸铁、高Cr钢组织不稳定。第三节 材料的性能第48页，共48页，编辑于2022年，星期二