機(jī)械工程材料 第3版 王運(yùn)炎課件 第一章 金屬材料的力學(xué)性能新

第一章金屬材料的力學(xué)性能第一節(jié)強(qiáng)度、剛度、彈性及塑性第二節(jié)硬度第三節(jié)沖擊韌性第四節(jié)斷裂韌度第五節(jié)疲勞第一節(jié)強(qiáng)度、剛度、彈性及塑性

金屬的強(qiáng)度、剛度、彈性及塑性一般可以通過金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)來測定。它是按GB/T228-2002規(guī)定，把一定尺寸和形狀的金屬試樣（如上圖所示）裝夾在試驗(yàn)機(jī)上，然后對試樣逐漸施加拉伸載荷，直至把試樣拉斷為止。根據(jù)試樣在拉伸過程中承受的載荷和產(chǎn)生的變形量之間的關(guān)系，可測出該金屬的拉伸曲線，并由此測定該金屬的強(qiáng)度、剛度、彈性及塑性。圖1-1圓形拉伸試樣（一）拉伸曲線一、拉伸曲線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線

低碳鋼試樣在拉伸過程中，可分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)階段。圖1-2低碳鋼的拉伸曲線

當(dāng)力不超過Fp時(shí)，拉伸曲線Op為一直線，即試樣的伸長量與力成正比地增加，完全符合胡克定律，試樣處于彈性變形階段。力在Fp-Fe間，試樣的伸長量與力已不再成正比關(guān)系，拉伸曲線不呈直線，但試樣仍處于彈性變形階段。力超過Fe后，試樣開始有塑性變形產(chǎn)生。當(dāng)力達(dá)到Fs時(shí)，試樣開始產(chǎn)生明顯的塑性變形，在拉伸曲線上出現(xiàn)了水平的或鋸齒形的線段，這種現(xiàn)象稱為“屈服”。

當(dāng)力繼續(xù)增加到某一最大值Fb時(shí)，試樣的局部截面縮小，產(chǎn)生所謂“縮頸”現(xiàn)象。由于試樣局部截面的逐漸減小，故力也逐漸降低，當(dāng)達(dá)到拉伸曲線上k點(diǎn)時(shí)，試樣隨即斷裂。（二）應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力：把試樣承受的力除以試樣的原始橫截面積A0，則得到試樣所受的應(yīng)力σ，即應(yīng)變：把試樣的伸長量Δl除以試樣的原始標(biāo)距l(xiāng)0，則得到試樣的相對伸長，即應(yīng)變（或δ），即應(yīng)力-應(yīng)變曲線：

以σ和ε為坐標(biāo)，繪出應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系曲線，叫做應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖1-3低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線二、剛度和彈性

在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，彈性模量就是試樣在彈性變形階段應(yīng)力-應(yīng)變線段的斜率，即引起單位彈性變形所需的應(yīng)力。因此，它表示金屬材料抵抗彈性變形的能力。工程上將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。（一）彈性模量彈性模量Ε是指金屬材料在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力與應(yīng)變的比值，即（二）彈性極限彈性極限σe是材料在不產(chǎn)生塑性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力值，即式中Fe----試樣在不產(chǎn)生塑性變形時(shí)的最大力；

σe----試樣的原始橫截面積。（三）彈性比功

圖1-4彈性比功的圖解計(jì)算法彈性比功αe又稱彈性比能或應(yīng)變能，它表示材料發(fā)生彈性形變時(shí)可吸收能量的能力，在外力去除時(shí)，又能完全釋放能量而使材料恢復(fù)原狀。因此，金屬拉伸時(shí)的彈性比功可用圖1-4應(yīng)力-應(yīng)變曲線下影線面積表示，其值為三、強(qiáng)度

強(qiáng)度：指金屬材料在靜力作用下，抵抗永久變形和斷裂的性能。由于力的作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切等形式，所以強(qiáng)度也分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。（一）屈服強(qiáng)度與條件屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度σs是材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值，即式中Fs----試樣發(fā)生屈服時(shí)的載荷，即屈服力；

A0----試樣的原始橫截面積。（二）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度σb是材料在破斷前所承受的最大應(yīng)力值，即式中Fb----試樣在破斷前所承受的最大力；A0----試樣的原始橫截面積。四、塑性塑性：指金屬材料在靜力作用下，產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。伸長率δ和斷面收縮率ψ是表示材料塑性好壞的指標(biāo)。

（一）伸長率（斷后伸長率）伸長率是指試樣拉斷后標(biāo)距增長量與原始標(biāo)距之比，即式中l(wèi)k----試樣斷裂后的標(biāo)距；

l0----試樣原始標(biāo)距。（二）斷面收縮率斷面收縮率是指試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比，即式中AK----試樣斷裂處的最小橫截面積；A0----試樣的原始橫截面積。第二節(jié)硬度一、布氏硬度圖1-5布氏硬度試驗(yàn)原理示意圖

試驗(yàn)方法：用一定直徑D的硬質(zhì)合金球，在規(guī)定試驗(yàn)力F的作用下壓入被測試金屬的表面，停留一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測量被測試金屬表面壓痕直徑d，由此計(jì)算壓痕的球缺面積S，然后再求出壓痕的單位面積所承受的平均壓力（F/S）。布氏硬度用符號(hào)HBW表示當(dāng)試驗(yàn)力F的單位為牛頓（N）時(shí)，二、洛氏硬度試驗(yàn)方法：用一個(gè)壓頭（錐頂角120°角的金剛石圓錐體、一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球），在規(guī)定試驗(yàn)力作用下壓入被測試金屬表面，由壓頭在金屬表面所形成的壓痕深度來確定其硬度值。式中N、S為常數(shù)，用金剛石圓錐體作壓頭時(shí)，N為100；用鋼球作壓頭時(shí)，N通常為130；S為。圖1-6洛氏硬度試驗(yàn)原理示意圖洛氏硬度用符號(hào)HR表示，根據(jù)h值及常數(shù)N和S，用下式計(jì)算洛氏硬度值：三、維氏硬度試驗(yàn)方法：用一個(gè)相對面夾角為136°的金剛石正四棱錐體壓頭，在規(guī)定試驗(yàn)力F作用下壓入被測試金屬表面，保持一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力。然后再測量壓痕投影的兩對角線的平均長度d，進(jìn)而計(jì)算出壓痕的表面積S，最后求出壓痕表面積上平均壓力（F/S）。圖1-7維氏硬度試驗(yàn)原理示意圖維氏硬度用符號(hào)HV表示當(dāng)試驗(yàn)力F的單位為牛頓（N）時(shí)，第三節(jié)沖擊韌性

沖擊韌性：金屬材料在沖擊力作用下，抵抗破壞的能力。一、沖擊試驗(yàn)方法與原理圖1-10試樣安放位置

擺錘沖斷試樣失去的位能為GHg-Ghg，這就是試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收功AK

，即

AK=Gg(H-h)

圖1-11沖擊試驗(yàn)原理圖二、沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用沖擊彎曲試驗(yàn)主要用途是揭示材料的變脆傾向，其具體用途有：1.評定材料的低溫變脆傾向2.反映原材料的冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品質(zhì)量圖1-12沖擊吸收功-溫度曲線示意圖

斷裂韌度：在斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上建立起來的材料抵抗裂紋擴(kuò)展的性能。第四節(jié)斷裂韌度式中σ----工作應(yīng)力；

[σ]----許用應(yīng)力；

n----安全系數(shù)。機(jī)械零件（或構(gòu)件）的傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)都是用材料的屈服強(qiáng)度σ確定其許用應(yīng)力，即一、裂紋擴(kuò)展的基本形式

當(dāng)外力作用于含有裂紋的材料時(shí)，根據(jù)應(yīng)力與裂紋擴(kuò)展面的取向不同，裂紋擴(kuò)展可分為張開型（I型）、滑開型（II型）和撕開型（III型）三種基本形式。圖1-13裂紋擴(kuò)展的基本形式二、應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI

衡量裂紋尖端附近應(yīng)力場強(qiáng)弱程度的力學(xué)參量稱為應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI。

I型裂紋應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI的值與裂紋尺寸a和外加應(yīng)力σ呈如下關(guān)系式中Y----與裂紋形狀、試樣類型及加載方式有關(guān)的系數(shù)

（一般Y=1～

2）；

KI----單位為Mpa.m?。三、斷裂韌度KIc及其應(yīng)用

裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)力場強(qiáng)度因子，稱為材料的斷裂韌度，用KIc表示。根據(jù)應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI和斷裂韌度KIc的相對大小，可判斷含裂紋的材料在受力時(shí)，裂紋是否會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂，即式中σc----裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的工作應(yīng)力，稱為斷裂應(yīng)力；

αc----裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的裂紋尺寸，稱為臨界裂紋尺寸。第五節(jié)疲勞一、疲勞現(xiàn)象疲勞斷裂：

承受交變應(yīng)力或重復(fù)應(yīng)力的零件，在工作過程中，往往在工作應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。疲勞斷裂的特點(diǎn)：不管是脆性材料還是韌性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，無明顯的塑性變形的預(yù)兆，屬低應(yīng)力脆斷，具有很大的危險(xiǎn)性。疲勞失效過程：

疲勞裂紋產(chǎn)生、疲勞裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段。二、疲勞曲線與疲勞極限交變應(yīng)力σmax與疲勞壽命N的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線，或S-N曲線。

根據(jù)零件的工作條件和使用壽命，規(guī)定一個(gè)疲勞極限循環(huán)基數(shù)N0，并以循環(huán)基數(shù)N0所對應(yīng)的應(yīng)力作為“條件疲勞極限”以σr(N0)表示。

疲勞曲線(S-N曲線)示意圖1—一般鋼鐵材料2—有色金屬、高強(qiáng)度鋼等圖1-15曲軸的疲勞宏觀斷口形貌三、提高疲勞極限的途徑疲勞極限除與選用材料的本性有關(guān)外，還可通過以下途徑來提高：1.合理的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免尖角、缺口和截面突變。2.降低零件表面粗糙度，提高表面加工質(zhì)量。3.采用各種表面強(qiáng)化處理，如化學(xué)熱處理、表面淬火和噴丸、滾壓等表面冷塑性變形加工。四、其他疲勞1.低周疲勞在機(jī)件承受的交變應(yīng)力（或重復(fù)應(yīng)力）較低，加載的頻率較高，而在斷裂前所經(jīng)受循環(huán)周次也較高情況下發(fā)生的，故也成為高周疲勞。2.沖擊疲勞承受小能量沖擊載荷的零件，在經(jīng)過千百萬次沖擊后發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。沖擊疲勞抗力是一個(gè)取決于強(qiáng)度和塑性、韌性的綜合力學(xué)性能。3.熱疲勞由于溫度循環(huán)發(fā)生變化而產(chǎn)生熱應(yīng)力循環(huán)變化引起的疲