第一章 材料的力學(xué)性能

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第一章 材料的力學(xué)性能,了解材料的性能是正確使用和加工材料的基礎(chǔ),概述,互動(dòng)討論題1,以同學(xué)們現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，在選擇某種材料來(lái)制造某個(gè)機(jī)械零件時(shí)，應(yīng)該考慮哪些因素？,性能：,能否滿足使用要求,制成零件的難易程度,經(jīng)濟(jì)：,材料是否容易獲得,材料價(jià)格及運(yùn)輸?shù)瘸杀?資源環(huán)境：,材料是否可以再生產(chǎn),材料生產(chǎn)及使用對(duì)環(huán)境的影響,互動(dòng)討論題2,在上述必須考慮的因素中，首先要考慮的關(guān)鍵因素是什么？,A、材料的性能,B、材料的成本,C、材料對(duì)資源與環(huán)境的影響,材 料 的 性 能,,使用性能：,工藝性能：,,,力學(xué)性能,物理性能,化學(xué)性能,冷加工性能,熱加工性能,熱處理性能,力 學(xué) 性 能,,強(qiáng)度、塑性,硬度,沖擊吸收功,疲勞強(qiáng)度,斷裂韌度,第一節(jié) 強(qiáng)度與塑性,材料在外力作用下的表現(xiàn)行為：,變形 斷裂,材料在外力作用下的行為過(guò)程：,彈性變形—塑性變形—斷裂 （永久變形）,一、拉伸試驗(yàn)與力—伸長(zhǎng)曲線,1、拉伸試驗(yàn)簡(jiǎn)介,* 拉伸試樣：,長(zhǎng)試樣：l0=10d0; 短試樣：l0=5d0,,,液壓式萬(wàn)能電子材料試驗(yàn)機(jī),拉伸試驗(yàn)機(jī),2、力—伸長(zhǎng)曲線,F,,二、強(qiáng)度指標(biāo),強(qiáng)度的定義：材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。,強(qiáng)度的大小：用應(yīng)力表示。,什么叫應(yīng)力？材料單位截面積上的內(nèi)力，用?表示，單位為MPb。,1MPb=1MN/m2 =1N/mm2,常用強(qiáng)度指標(biāo)：屈服點(diǎn)、規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度。,1、屈服點(diǎn)與規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力,屈服點(diǎn)： ?s = Fs/S 0,問(wèn)題：有些材料在拉伸過(guò)程中 沒有屈服現(xiàn)象。怎么辦？,規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力： ?r0.2 =Fr0.2/S 0,,物理意義： 材料抵抗微量塑性變形的能力。,工程意義： 機(jī)械設(shè)計(jì)和選材的重要論據(jù)。,為什么？ 機(jī)械零件在工作中不允許產(chǎn)生明顯的塑性變形。,2、抗拉強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度： ?b = Fb/S 0,物理意義： 材料在拉伸條件下斷裂前能夠隨的最大應(yīng)力。,工程意義： 也是機(jī)械設(shè)計(jì)和選材的重要論據(jù)。,討論1： ?s 、?r0.2、 ?b都是機(jī)械設(shè)計(jì)和 選材的重要論據(jù)。實(shí)際使用時(shí)怎辦？,塑性材料： ?s 、?r0.2,脆性材料： ?b,屈強(qiáng)比： ?s / ?b,討論2： 屈強(qiáng)比 ?s / ?b有何意義？,屈強(qiáng)比 ?s / ?b值越大，材料強(qiáng)度的有效利用率越高，但零件的安全可靠性降低。,所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要根據(jù)具體情況考慮。,三、塑性指標(biāo),塑性的定義：材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形的能力。,常用指標(biāo)： 斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率,1、斷后伸長(zhǎng)率,問(wèn)題： ?的大小與試樣標(biāo)距長(zhǎng)度有關(guān)。同種材料?5> ?10,2、斷面收縮率,?的大小不受尺寸影響，比較確切地反映了材料的塑性。但測(cè)量精度相對(duì)較差。,物理意義： 反映了材料在拉伸條件下塑性變形的能力。,工程意義： 塑性好的材料不僅便于加工（軋、鍛、沖等），而且零件的安全性較高。,討論： 強(qiáng)度與塑性是一對(duì)矛盾。在實(shí)際選用時(shí)怎樣考慮？,自行車三角架 起重機(jī)吊鉤 齒輪、軸 工具（扳手、旋具）,上堂課復(fù)習(xí),拉伸過(guò)程、屈服、頸縮現(xiàn)象,拉伸試驗(yàn)：,強(qiáng)度指標(biāo)：,?s 、?r0.2、 ?b,方法、試樣,力-伸長(zhǎng)曲線：,塑性指標(biāo)：,? 、 ? 、,拉伸試驗(yàn)是否適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)零件進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)？,思考題：,不適應(yīng)，多用于原材料質(zhì)量檢驗(yàn)和科研、試制過(guò)程中。,？,因?yàn)樗瞧茐男栽囼?yàn)。,？,生產(chǎn)中需要其他力學(xué)性能試驗(yàn)方法。,第二節(jié) 硬 度,衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。,定義：,物理意義：,與試驗(yàn)方法有關(guān)。,常用硬度試驗(yàn)法：,刻劃法：里氏,回跳法：肖氏,壓入法：布氏、洛氏、維氏,工業(yè)上應(yīng)用廣泛的是靜載荷壓入法硬度試驗(yàn)。,一、布氏硬度,1、試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介,試驗(yàn)原理概述：,方法：,用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以此計(jì)算出硬度值。,布氏硬度值：,計(jì)算：,用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示。,符號(hào)：,HBS（HBW）,計(jì)算公式：,討論2：布氏硬度值的物理意義？,討論1：布氏硬度的計(jì)算很麻煩， 實(shí)際應(yīng)用時(shí)怎么解決？,布氏硬度值越高，材料抵抗硬物壓入的能力越強(qiáng)，材料的硬度越高。,查表，見實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范：,壓 頭：,材料與直徑D,試驗(yàn)力：,F的大小N (kgf),試驗(yàn)力保持時(shí)間：t (s),詳見表1-1 （P11）,1、首先根據(jù)被測(cè)材料的硬度范圍選擇壓頭的材料：,對(duì)布氏硬度值?450的材料：,選用淬火鋼球壓頭,對(duì)布氏硬度值?450的材料：,選用硬質(zhì)合金球壓頭,討論3：試驗(yàn)前怎樣估計(jì)材料的 硬度范圍？,2、然后根據(jù)被測(cè)材料種類和厚度，按表1-1選定D、F和t。,例：測(cè)量厚度為30mm的低碳鋼試樣的布氏硬度。,試驗(yàn)規(guī)范為：淬火鋼球壓頭、D=10mm、F=29420N、t=10s,布氏硬度值的表示：,常用試驗(yàn)規(guī)范（ D=10mm、F=29420N、t=10~15s）條件下測(cè)得的布氏硬度值：,275HBS 525HBW,其他條件下測(cè)得的布氏硬度值：,120HBS10/1000/30 550HBW5/75,布氏硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：,,測(cè)量誤差?。ㄒ驂汉鄞螅瑪?shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。,缺點(diǎn)：,,壓痕面積較大，測(cè)量費(fèi)時(shí)。,應(yīng)用：,,常用于測(cè)量灰鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、非鐵金屬及非金屬材料的硬度。,不適于測(cè)量成品零件或薄件的硬度。,二、洛氏硬度,1、試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介,試驗(yàn)原理概述：,方法：,用錐頂角為120°的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后卸除主試驗(yàn)力，以測(cè)量的殘余壓痕深度增量來(lái)計(jì)算出硬度值。,試驗(yàn)過(guò)程：,初試驗(yàn)力F1：1-1 壓痕深度h0,主試驗(yàn)力F1：2-2 壓痕深度h1,卸除主試驗(yàn)力，保留初試驗(yàn)力： 3-3 殘余壓痕深度增量h,洛氏硬度值：,計(jì)算：,用殘余壓痕深度增量來(lái)計(jì)算。,符號(hào)：,H R,計(jì)算公式：,H R=K-（ h/0.002),式中K=100（金剛石）或130（ 鋼球),問(wèn)題：殘余壓痕深度增量的測(cè)量是 非常困難的，實(shí)際應(yīng)用時(shí)怎 么解決？,實(shí)際測(cè)量時(shí)是從表盤上直 接讀出洛氏硬度值的。,洛氏硬度值的試驗(yàn)規(guī)范(標(biāo)尺)：,見表1-2（ P12）,HRC 20~67 150kgf 金剛石,HRB 20~100 100kgf 淬火鋼球,HRA 20~88 60kgf 金剛石,洛氏硬度值的表示：,45HRC、65HRB、80HRA,洛氏硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：,,測(cè)量操作簡(jiǎn)單，方便快捷，壓痕?。粶y(cè)量范圍大，能測(cè)較薄工件。,缺點(diǎn)：,,測(cè)量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。,應(yīng)用：,,是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的硬度試驗(yàn)方法，并可用于成品檢驗(yàn)和薄件、表面硬度檢驗(yàn)。,不適于測(cè)量組織不均勻材料。,三、維氏硬度,1、試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介,與布氏硬度試驗(yàn)原理基本相同。只是壓頭改用了金剛石四棱錐體，試驗(yàn)力小但范圍大（49.03N~980.7N)，測(cè)量精度高，適用范圍廣。,試驗(yàn)方法概述：,以一定的試驗(yàn)力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，在試樣表面留下一個(gè)四方錐形的壓痕，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度，以此計(jì)算出硬度值。,維氏硬度值：,計(jì)算：,用壓痕兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算。,符號(hào)：,H V,計(jì)算公式：,H V=0 . 1891?F/d2,維氏硬度值的表示：,與布氏硬度基本相同，在后面要標(biāo)注試驗(yàn)條件—試驗(yàn)力和保持時(shí)間（10~15S不標(biāo)）。,例：580HV30表示用30kgf (294.2N)試驗(yàn)力保持10~15S測(cè)定的維氏硬度值為580。,維氏硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：,,適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測(cè)量;測(cè)量精度高，可比性強(qiáng)；能測(cè)較薄工件。,缺點(diǎn)：,,測(cè)量操作較麻煩，測(cè)量效率低，對(duì)試樣表面質(zhì)量要求高。,應(yīng)用：,,廣泛用于科研單位和高校，以及薄件、表面硬度檢驗(yàn)。,不適于大批生產(chǎn)和測(cè)量組織不均勻材料。,討論1：三種常用硬度試驗(yàn)方法的 比較,討論2：三種常用硬度值的比較,下堂課內(nèi)容：,第三節(jié) 沖擊吸收功 第四節(jié) 疲勞強(qiáng)度,請(qǐng)同學(xué)們認(rèn)真預(yù)習(xí)！,上堂課復(fù)習(xí),HRC、HRB、HRA,布氏硬度：,維氏硬度：,洛氏硬度：,HBS、HBW,HV,前述強(qiáng)度、塑性、硬度等力學(xué)性能均系材料在靜載荷作用下表現(xiàn)的力學(xué)行為。,思考題：,零件在實(shí)際工作中是否只 承受靜載荷作用？,？,否！零件在實(shí)際工作中更多承受動(dòng)載荷作用。,？,材料在動(dòng)載荷作用下表現(xiàn)的力學(xué)行為是否相同？,大小與方向隨時(shí)間發(fā)生變明顯化的載荷。,？,什么是動(dòng)載荷？,如：沖擊載荷、交變載荷,沖擊載荷對(duì)零件的破壞性比靜載荷要大得多。,第三節(jié) 沖擊吸收功,材料抵抗沖擊力作用的能力。,沖擊韌性定義：,沖擊韌性的表示：,一般用沖擊吸收功來(lái)表示。,沖擊吸收功的定義：,材料在沖擊力作用下折斷時(shí)所吸收的功。,沖擊吸收功的測(cè)量：,沖擊試驗(yàn),一、夏比沖擊試驗(yàn),1、試驗(yàn)原理簡(jiǎn)介,夏比沖擊試驗(yàn)是將帶有缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣安放在試驗(yàn)機(jī)上的機(jī)架上，使試樣的缺口位于兩支座中間并背向擺錘的沖擊方向，如下圖：,將一定質(zhì)量m的擺錘提升到h1高度，此時(shí)擺錘具有位能mg h1；讓擺錘自由落下沖斷試樣后升到h2高度，此時(shí)擺錘具有位能為mg h2。,顯然，擺錘在沖斷試樣后損失的能量為：,AKV（AKU）= mg h1- mg h2 （J）,AKV（AKU）就是試樣在一次沖擊試驗(yàn)作用下折斷時(shí)所吸收的功，稱為沖擊吸收功。,實(shí)際測(cè)量時(shí)，沖擊試樣必須按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制造，有夏比V型和U型缺口試樣兩種。,AKV（AKU）可從沖擊試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上直接讀出。,2、沖擊吸收功,討論2：為什么AKV只是設(shè)計(jì)的參考指標(biāo)？,討論1：沖擊吸收功的工程意義,因測(cè)量結(jié)果受試樣形狀、表面形態(tài)、內(nèi)部組織的影響大，測(cè)量數(shù)據(jù)重復(fù)性差。,反映了材料抵抗沖擊力而不破壞的能力。是評(píng)定材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)。是機(jī)械設(shè)計(jì)的參考指標(biāo)。,3、韌脆轉(zhuǎn)變溫度,實(shí)踐表明，同種材料的沖擊吸收功與試驗(yàn)溫度有關(guān)。,用同種材料在一系列不同的溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，可得到?jīng)_擊吸收功與試驗(yàn)溫度的關(guān)系曲線，稱為沖擊吸收功-溫度關(guān)系曲線。,討論3：韌脆轉(zhuǎn)變溫度的工程意義,反映了有些材料在室溫時(shí)并不顯示脆性，但低溫時(shí)可能發(fā)生脆斷。韌脆轉(zhuǎn)變溫度是衡量材料冷脆傾向的重要指標(biāo)。,討論4：韌脆轉(zhuǎn)變溫度高好、低好？,韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫抗沖擊性越好，不容易發(fā)生低溫脆斷。,討論4：韌脆轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)用舉例,A、氣溫是變化的；,B、機(jī)械產(chǎn)品的地域性。,車輛、橋梁、 輸油管道、船舶,二、多次沖擊試驗(yàn),實(shí)際生產(chǎn)中，零件經(jīng)一次沖擊即斷裂的情況是極少的。多數(shù)零件是在小能量沖擊條件下經(jīng)受許多次(>103)沖擊后才斷裂。這種沖擊稱為小能量多次沖擊。,要測(cè)量材料在小能量多次沖擊作用下的抗力，可采用小能量多次沖擊試驗(yàn)。,試驗(yàn)時(shí)將多沖試樣安放在試驗(yàn)機(jī)支座上，用小能量進(jìn)行多次沖擊，直到試樣斷裂，得出材料在一定沖擊能量下，開始出現(xiàn)裂紋和最后斷裂的沖擊次數(shù)，以此作為多沖抗力。,多沖試驗(yàn)方法：,研究表明：材料的沖擊抗力是取決于強(qiáng)度和塑性的綜合性能指標(biāo)。,討論5：沖擊抗力與強(qiáng)度、塑性的關(guān)系,大能量一次沖擊時(shí)，沖擊抗力主要取決于塑性。,小能量多次沖擊時(shí)，沖擊抗力主要取決于強(qiáng)度。,第四節(jié) 疲勞極限,1、什么叫疲勞現(xiàn)象？,一、疲勞現(xiàn)象,零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時(shí)承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)或規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力，在經(jīng)受一定的應(yīng)力循環(huán)后也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。,什么叫循環(huán)應(yīng)力（載荷）？,大小或方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化應(yīng)力（載荷），也稱交變應(yīng)力 。,2、疲勞斷裂的破壞性,疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，斷裂前沒有明顯的塑性變形，具有極大的危險(xiǎn)性 。,機(jī)械零件的斷裂中，80%因疲勞引起，每年造成巨大損失。,3、疲勞斷裂的過(guò)程,裂紋源—擴(kuò)散（截面逐步減小）—最后突然脆斷,討論：設(shè)計(jì)選材時(shí)怎樣防止疲勞？,需要一個(gè)能反映材料抵抗循環(huán)應(yīng)力的力學(xué)性能指標(biāo)。,1、定義,二、疲勞極限,材料在循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)受無(wú)限次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力值稱為疲勞極限。,疲勞極限用疲勞試驗(yàn)測(cè)量，通常在放置對(duì)稱彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。通過(guò)試驗(yàn)得出疲勞曲線。,用一批試樣在不同的循環(huán)應(yīng)力下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，直到試樣斷裂。記錄下每個(gè)試樣循環(huán)應(yīng)力?與試樣斷裂前循環(huán)次數(shù)N，最后繪出?- N關(guān)系曲線，稱為疲勞曲線。,2、疲勞曲線,,,,,,,,N,?-1,0,?,107,疲勞曲線,由疲勞曲線可見，循環(huán)應(yīng)力?越低，則材料在斷裂前循環(huán)次數(shù)N越大。,3、疲勞極限,當(dāng)?降低到某一定值? -1后 ，疲勞曲線與橫坐標(biāo)平行。表明當(dāng)?< ? -1時(shí)，材料經(jīng)受無(wú)限有次循環(huán)也不會(huì)斷裂。,? -1就稱為 疲勞極限。,不可能！因此，我們工程上定義：對(duì)鋼鐵材料，取N=107作為無(wú)限次；對(duì)非鐵金屬材料，取N=108作為無(wú)限次。,討論1：實(shí)際疲勞試驗(yàn)時(shí)是否可能進(jìn)行 無(wú)限次重復(fù)試驗(yàn)？,零件的疲勞極限受諸多因素影響：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面粗糙度、表面應(yīng)力狀態(tài)等。,討論2：實(shí)際生產(chǎn)中怎樣提高零件的 抗疲勞性能？,因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)正確選材并避免容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)中降低零件表面粗糙度并進(jìn)行表面熱處理。,本章小結(jié),一、材料在靜載作用下的力學(xué)性能,強(qiáng)度：,?s 、?r0.2、 ?b,? 、 ?,塑性：,硬度：,HRC、HRB、HRA,布氏：,維氏：,洛氏：,HBS、HBW,HV,二、材料在動(dòng)載作用下的力學(xué)性能,沖擊吸收功：,AKV,?-1,疲勞極限：,討論：上述力學(xué)性能的實(shí)際應(yīng)用？,強(qiáng)度與塑性是設(shè)計(jì)與選材的主要依據(jù)；硬度是生產(chǎn)中檢驗(yàn)力學(xué)性能的主要方法；沖擊吸收功和疲勞極限對(duì)于承受動(dòng)載的零件必須兼顧的力學(xué)性能。,本章作業(yè),P19 習(xí)題：1~4,下堂課教學(xué)內(nèi)容,第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,下堂課教學(xué)內(nèi)容：,第二節(jié) 硬度 請(qǐng)同學(xué)們先預(yù)習(xí),