工程材料與成型工藝基礎(chǔ)第一章

1、工程材料與成型工藝基礎(chǔ)第一章第1頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三第一章 材料的力學(xué)行為和性能 本章重點： 材料的強度、硬度、塑性、韌性等力學(xué)性能的基本概念及應(yīng)用。 本章難點： 低應(yīng)力脆斷和材料的斷裂韌性。 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 熟悉常用力學(xué)性能指標(biāo)的測試方法，掌握材料力學(xué)性能的表示方法及其應(yīng)用。第2頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三主要內(nèi)容第一節(jié) 在載荷作用下的力學(xué)行為第二節(jié) 材料的靜態(tài)力學(xué)性能第三節(jié) 材料的動態(tài)力學(xué)性能第四節(jié) 斷裂韌性第3頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三第一節(jié) 材料在載荷作用下的力學(xué)行為 一、彈性變形、塑性變形和斷裂 材料

2、在載荷作用下的行為，稱之為力學(xué)行為。當(dāng)外力作用在固體物質(zhì)上時，隨外力增加，物體會逐漸改變其原始形狀和尺寸而發(fā)生變形，外力增加到一定數(shù)值后，物體將發(fā)生斷裂，所以變形和斷裂是固體物質(zhì)受載時，隨外力的增加而產(chǎn)生的普遍現(xiàn)象。第4頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三二、應(yīng)力和應(yīng)變應(yīng)力：單位面積上所受的力。應(yīng)變：單位長度的伸長量。第5頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三第二節(jié) 材料的靜態(tài)力學(xué)性能一、拉伸試驗及材料的強度與塑性左圖為拉伸試驗機下圖為拉伸試驗過程中試樣的變形及斷裂。第6頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三第7頁，共23頁，2022年，5月2

3、0日，4點7分，星期三由上圖可知：在拉伸載荷作用下，試樣的變形分為三個階段：彈性變形階段；塑性變形階段；斷裂階段。在拉伸試驗過程中，可測定的主要力學(xué)性能指標(biāo)有：屈服強度s，抗拉強度b ，彈性模量E，斷后伸長率和斷面收縮率。 Fs s = ( M pa ) S0試樣屈服時的載荷( N )試樣原始橫截面積( mm2)第8頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三 F0.2 0.2 = ( M pa ) S 0 試樣原始橫截面( mm2)試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變 形時的載荷(N) F b 試樣斷裂前的最大載荷(N) b = ( M pa ) S 0 試樣原始橫截面積( mm2) S0

4、- S k = 100% S0第9頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三 L k L 0 = 100% L 0 10% 屬塑性材料其斷口特征如圖所示。第10頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三二、硬 度 硬度是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。1. 布什硬度（HBW）第11頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三表示方法：120HBW10/1000/30；后面的數(shù)字依次表示：（1）球體直徑；（2）試驗力；（3）試驗力保持時間（1015s不標(biāo)注）。主要用于測定組織粗大且不均勻的金屬材料的硬度，如鑄鋼、鑄鐵、供應(yīng)態(tài)鋼材等。第12頁，共23頁，20

5、22年，5月20日，4點7分，星期三硬度標(biāo)尺：HRA、HRB、HRC。其中 C標(biāo)尺最常用 。 在批量的成品或半成品質(zhì)量檢驗中廣泛使用. 2.洛氏硬度第13頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三3.維氏硬度表示方法： 如：640HV30/20 測量精度高、范圍廣，但比較麻煩，主要用于研究工作。注：各硬度值之間大致有以下關(guān)系：布氏硬度值在200-600范圍內(nèi)，HBW10HRC；布氏硬度值小于450HBS，HBWHV第14頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三第三節(jié) 材料的動態(tài)力學(xué)性能一、沖擊韌性材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。第15頁，共23頁，2022年，5月

6、20日，4點7分，星期三試樣沖斷時所消耗的沖擊吸收功A k為: A k = m g H m g h (J)沖擊韌性值a k 就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。 AK a k = (J/cm) S0第16頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三二、疲勞強度表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力值。材料所受循環(huán)應(yīng)力和其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，即疲勞曲線如下圖所示鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 10 7有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 10 8鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 10 7有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 10 8第17頁，共23頁，2022年，5月20

7、日，4點7分，星期三第四節(jié) 斷裂韌性 一、低應(yīng)力脆斷 材料抵抗裂紋擴展斷裂的能力叫斷裂韌性。機械零件的傳統(tǒng)強度設(shè)計為=0.2/n(n為安全系數(shù)),一般認(rèn)為用此式設(shè)計的零件是安全的,不會產(chǎn)生塑性變形，更不會斷裂。但是，有些高強鋼制造的零件或大型焊接構(gòu)件如橋梁、船舶等，有時會在工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服強度甚至低于許用應(yīng)力的條件下突然發(fā)生脆性斷裂，這種工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服強度的斷裂叫低應(yīng)力脆斷。第18頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三裂紋擴展的基本形式a) 張開型b) 滑開型c) 撕開型二、斷裂韌度第19頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三應(yīng)力場強度因子1裂紋尖

8、端產(chǎn)生應(yīng)力集中形成應(yīng)力場，衡量裂紋尖端附近應(yīng)力場強弱程度的力學(xué)參量稱為應(yīng)力場強度因子，用K表示。其表達(dá)式為：式中：a為裂紋尺寸。斷裂韌度KC裂紋擴展時的臨界應(yīng)力場強度因子值稱為材料的斷裂韌度，用KC表示，單位為MPam1/2。其為材料抵抗裂紋擴展斷裂的能力大小的表現(xiàn)，為材料的固有屬性，與材料的成分、組織、熱處理以及加工工藝有關(guān)，與裂紋的大小、形狀、外加應(yīng)力等無關(guān)。 第20頁，共23頁，2022年，5月20日，4點7分，星期三三、斷裂韌度的應(yīng)用當(dāng)KKc時，裂紋就會擴展而導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷。根據(jù)這個條件：（1)確定對材料所要求的斷裂韌度K1c，作為選材的依據(jù)。（2)估算斷裂時的臨界裂紋長度ac ,作為裂紋探傷的依據(jù)。（3)確定構(gòu)件斷