材料力学教案

第一篇 力学基础

§2.2 材料的力学性能

教学目标：通过学习材料力学性能使学生能够从各种机械零件或构件最常见的服役条件和失效现象出发，了解时效现象的微观机制，提出衡量材料时效抗力的力学性能指标；掌握各种指标的物理概念、实用意义和测试方法；明确它们之间的相互关系；分析各种因素对力学性能指标的影响，为机械设计与制造过程中正确选择和合理使用材料提供依据，

重点：单向静拉伸力学性能；冲击载荷下的力学性能；应力腐蚀和氢脆。

难点：单向静拉伸力学性能；金属的断裂韧度；复合材料的力学性能。

教学课时：4

教学内容：

材料的性能包括：物理性能，力学性能，化学性能，和加工工艺性能。

材料的力学性能：指材料在外力作用下在强度和变形方面所表现出的性能。材料的力学性能是通过力学实验得到的。

四种力学实验：拉伸（压缩）实验；金属的缺口冲击实验；硬度实验；弯曲实验；

1. 低碳钢拉伸时的力学性能

含碳量从0.10％至0.30%低碳钢易于接受各种加工如锻造, 焊接和切削, 常用於制造链条, 铆钉, 螺栓, 轴等。 碳含量低于0.25％的碳素钢，因其强度低、硬度低而软，故又称软钢。

GB/T228.1-2010：

《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》

代替了GB/T228-2002

电子拉伸试验机适用标准：GB/T228

测量对象：金属、非金属、高分子材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等

曲线：力-位移、力-时间、位移-时间、应力-应变曲线

低碳钢是指含碳量在0.3%以下的碳素钢。

两端粗—便于装夹、防止在装夹部分破坏。

试验段—中间较细等截面部分。

标准试件

圆截面试件: 标距l与直径d的比例为，

L＝10d，L=5d； d=10mm

矩形截面: 标距l与横截面面积A的比例为，

实验过程：

将试件装到试验机上，开动机器，使之受到从零开始逐渐增加的拉力P，自动绘图仪便绘出P—ΔL曲线：拉伸曲线或拉伸图。

1）拉伸图（P－ΔL）

由于P—ΔL曲线与试样的尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，采用应力应变曲线，即σ－ε曲线来代替P—ΔL曲线。

2）应力-应变曲线（ σ－ε ）

弹性阶段（ob）

屈服阶段（bc）

强化阶段（cd） l11.3A,颈缩阶段（df）

弹性变形阶段

（ob段）：应力与应变为直线关系，a点所对应的应力值称为比例极限σp 。它是应力与应变成正比例的最大极限。此段写成等式为：

即胡克定律，它表示当工作应力小于σp时，应力与应变成正比。

当应力增加到b点时，再将其降为零，应变随之消失；

一旦应力超过b点，卸载后，有一部分应变不能消除；

b点的应力定义为弹性极限σe。

E值的大小反应材料抵抗弹性变形能力的高低。不同材料的E值不同

虎克定律的又一形式。可用于计算纵向变形量。 EA0——抗拉抗压刚度。

E值的大小反应材料抵抗弹性变形能力的高低。不同材料的E值不同。

钢的E值为2×105MPa，

铜的E值为1×105MPa，

哪个抵抗变形能力强？

E值大抵抗材料弹性变形能力就大。

设d1—杆件拉（压）后的直径；d—原来的直径。则

横向变形量：

横向应变：

——横向变形系数（泊松比）

屈服阶段（bc段）：继续对材料加载，会出现一种现象，即在应力增加很少或不增加时，应变会很快增加，这种现象叫屈服。

• 开始发生屈服的点对应的应力叫屈服极限σs 。

• 在屈服阶段应变不断增加，而应力不变；当屈服时，材料产生显著的塑性变形，是衡量材料强度的重要指标。

强化阶段（cd段）：经过屈服阶段以后，材料又具有了较弱的抵抗变形的能力，要使材料继续变形必须增加拉力，这种现象称为材料的强化。

Q235钢：

颈缩阶段（df段）：

 变形特点：大比例的塑性变形伴有少量的弹性变形。

 σb －强度极限。强化阶段最高点d点所对应的应力。为材料所能承受的最大应力。为塑性材料重要强度指标。

 此阶段试件横向尺寸有明显缩小。 E0/AP00EAPll0/llE00PElAlddd10d拉：0d压：dd/0拉：0压：./const400MPab 颈缩阶段（df段）：过d点后，局部截面急剧缩小，出现”颈缩”现象，因此试件继续伸长所需拉力也相应减小，降至f点试件被拉断。断后弹性变形消失，塑性变形依然保留，标距由原长l0变为l1，横截面积由原始值A0 变为A1（断口处）。

—延伸率（相对伸长率）

—截面收缩率

δ， ψ表示材料直到被拉断时塑性变形所能达到的最大程度。数值越大，说明塑性越好。

• δ＞5%—塑性材料。

低碳钢（δ=20~30%，ψ ＝60 ~ 70%），Cu，Al等。

• δ＜5%—脆性材料。 铸铁、玻璃等。

卸载定律：拉伸实验过程中，如果应力尚未达到材料的弹性极限，就将载荷去掉，那么试件将恢复原来的形状，材料性能不会发生任何变化。

冷加工硬化：在常温下将材料预先加载

到强化阶段（e点），然后卸载，再次加载时

（O1e1为加载线），比例极限提高，

但塑性（O1g）降低的现象。

其他材料的拉伸实验

1、无明显屈服阶段的塑性材料

特点：只有弹性和强化阶段，但塑性良好。

如：锰钢，镍钢，青铜

• 国标规定以产生0.2%的塑性变形所对应的应力作为材料的名义屈服极限，用σ0.2表示。

2. 脆性材料：

无明显塑性变形；无颈缩现象；突然拉断，变形小；应力应变不存在严格的正比关系；

拉断时之应力称为抗拉强度极限σb 。

如：铸铁、玻璃钢、陶瓷等。

σb是衡量脆性材料强度的唯一指标。

σb很低，脆性材料不宜作承拉件。

2. 压缩实验

• 金属材料压缩试件做成圆柱形，为避免压弯，取h=(1.5-3)d.

• 对于塑性材料，屈服前表现的性质曲线与拉伸时重合，比例极限与弹性模量与拉伸时大致相同，所以塑性材料一般不作压缩试验。

对于脆性材料，如铸铁：无明显直线部分，无屈服阶段，在很小的塑性变形下即被突然压坏。破断面与轴线约成 45°斜截面上。

抗压强度比抗拉强度高3-4倍，宜做承压件。如机床床身、机座、轴承座等。

3. 温度对材料的力学性能的影响

• 短时静载实验。短时间，逐渐加载完成。

• 高温或低温情况下，强度指标（ σs ， σb ）和塑性指标（δ，ψ）有100100%lll%100010AAA什么变化？

高温对短期静载试验的影响：

低碳钢：

温度↑→E↓， σs ↓，抵抗弹性变形的能力下降；

温度↑→ σb 先↑后急剧↓；

温度↑→ μ↑ 抵抗横向变形能力下降。

低碳钢在350°以后，屈服阶段消失。

高温对长期加载的影响：

①高温蠕变—在高温下承载的构件(碳钢超过300-350℃，合金钢超过350-400℃)，虽然载荷大小不变，变形(塑性)却随时间不断增加的现象。

危害：引起外观尺寸改变。如：汽轮机叶片与轮壳相碰而打碎。

②应力松弛—由于蠕变使弹性变形逐渐转化为塑性变形，从而引起构件内应力减小的现象。

现象：高温容器法兰联结螺栓松弛后使法兰与垫片间压紧力减小而发生泄漏（密封失效）；汽轮机转子与轴之间的紧配合松脱。

蠕变速度与温度和应力成正比。在允许的最大变形量一定时，蠕变速度越高，工作寿命越短。

③材料的高温强度指标

• 蠕变极限σn ：在一定高温下，为使蠕变速度不超过一定值时所允许的最大应力，称为该温度、该蠕变速度下材料的蠕变极限。

• 发生蠕变的试件，经过一段时间将发生断裂。

• 持久强度限σD ：在一定高温下，在规定时间t内不发生断裂所允许的最高应力，称为材料在该温度下经历时间为t的持久强度限。

低温对短期静载试验的影响：

低碳钢：

低碳钢、低合金钢→强度↑塑性↓→具有低温脆性（冷脆现象）

不锈钢、铜、铝等无此现象。

低温脆断需要引起高度重视。

在－20℃操作的容器，且器壁应力达到材料常温屈服限的1/6时，专门定为低温压力容器。低温容器在选材，设计，制造，检验方面有特殊要求和规定

4. 金属的缺口冲击实验

冲击—极短的时间内速度发生极大的变化。如汽锤锻造、落锤打桩、高速飞轮突然刹车等均属冲击问题。

金属缺口冲击试验：将带有缺口并具有标准尺寸的长方形试件放在摆锤式冲击实验机上，利用摆锤下落时的冲击力，将试件从缺口处冲断。

冲击功AK：摆锤冲断试件消耗的功（焦耳）。

试件上的缺口是为了造成应力集中，使断裂从这里开始。根据测得的冲击功值判断材料对缺口的敏感程度。

冲击功：

冲击韧性：单位断口截面的冲击功。

冲击韧性说明的问题：

• （1）材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。

• （2）材料对微观缺陷的敏感性—防止材料在低温下工作时出现低应力脆NmHHGAKV)(212//KVKVASJcm性断裂。

5. 硬度实验

硬度—材料抵抗其它物体压入其表面的能力。与耐磨性（精度保持性）及强度都有一定关系。对钢材： σb =3.6HB

常用的有布氏硬度和洛氏硬度。

• 布氏硬度（HBS）

在布氏硬度试验机上，将一直径为D的标准硬钢球，以规定载荷（如3000Kgf 1牛顿(N)=0.225磅力(lbf)=0.102千克力(kgf)）压入试样表面，保持一定时间（如10s），测出压痕直径d，则单位压痕面积上的平均压力即布氏硬度值：

材料越硬，压痕越小，HB值越高。

• 洛氏硬度（HRC,HRB,HRA）

（1）HRC（在洛氏硬度试验机上）

以120°金刚石圆锥为压印头，先加10Kgf的初载荷，同时将机上刻度盘指针对准零点，然后再加140 Kgf的主载荷，停留一定时间后卸载。以不计初载的压痕深度按下式计算：

HRC=100-h（mm）/0.002

许用范围：HRC20～67

适用：一般淬火钢、调质钢等。最常用。

6. 弯曲实验

目的：检查试件承受塑性变形的能力。

在试件背面不出现裂纹的条件下,弯心直径d越小、试件弯曲角α越大，则试件承受塑性变形的能力越强。

化工设备上主要做钢板或钢板对接焊缝接头的冷弯试验。

220.5()PPHBSDDDd