21工程材料的力学性能

化工学院高分子第二章工程材料的基本性能化工学院高分子2本章内容§1材料的力学性能弹性、塑性、硬度、蠕变、冲击、断裂、摩擦§2材料的物理化学性能电学、磁学、热学、抗腐蚀§3不同材料的主要性能的比较弹性模量、屈服强度、热力学指标化工学院高分子3服役27年、在太空累计飞行2.38亿公里的美国“发现号”航天飞机佛罗里达州肯尼迪航天中心启程，完成其最后1千公里航程，目的地是它的新家位于华盛顿的美国国家航空航天博物馆。化工学院高分子42003年2月1日，美国“哥伦比亚”号航天飞机在即将返回地面前夕解体，机上7名宇航员全部遇难化工学院高分子5？化工学院高分子6沉睡在深蓝海底的悲哀化工学院高分子7化工学院高分子8化工学院高分子9设计图纸化工学院高分子10内部装潢化工学院高分子11阅览室化工学院高分子12银器化工学院高分子13沉睡在深蓝色海底的悲哀化工学院高分子14摆放整齐的盘子化工学院高分子15盘子化工学院高分子16“永不沉没的”TITANIC长883英尺（270米）宽92英尺（28米）重46,328吨从龙骨到船桥高104英尺（31.7米）泰坦尼克号是当时由人类建造的最大的移动物体化工学院高分子17失事的原因在距离冰山400M时，“泰坦尼克”号径直以高速向冰山撞过去。坚硬的冰山在船体上砸出六个大洞，冰凉的海水汹涌而入，随后船体突然分解成两半，便沉入海底了。建造“泰坦尼克”号所用的钢板材料质量非常低劣，这就是船体为什么一撞即碎的原因。化工学院高分子18思考题“泰坦尼克”号所用的钢板材料质量非常低劣——到底是什么性能比较差？化工学院高分子19性能工艺性能金属——铸造、锻造、焊接、切削、热处理高分子——成型、模制使用性能力学性能——强度、塑性、韧性、硬度物理性能——密度、熔点、导电、导热、膨胀系数化学性能——耐蚀性、抗氧化性化工学院高分子20第一节材料的力学性能弹性、塑性及强度硬度疲劳极限蠕变冲击韧性断裂韧性摩擦与磨损定义：材料在承受各种载荷时的行为。静载荷动载荷变载荷化工学院高分子21变形与弹性变形、塑性变形材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。（请用手边的材料试一试）外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。受力与变形的关系？化工学院高分子22应力的定义应力定义为“单位面积上所承受的力”。公式记为σ=ΔFj/ΔAiσ表示应力；ΔFj表示在j方向的施力；ΔAi表示在i方向的受力面积面积与力都是矢量，如果受力面积与施力同方向则称正应力，如图所示的σx与σy；如果受力面积与施力方向互相正交则称剪应力，如图所示的τxy与τyx。化工学院高分子23应变当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变。物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。化工学院高分子24应力的分类“内应力”指组成单一构造的不同材质之间，因材质差异而导致变形方式的不同，继而产生的各种应力。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力．把分布内力在一点的集度称为应力。化工学院高分子25应力的分类按载荷作用的形式拉伸压缩应力弯曲应力扭转应力极限应力材料被破坏的极限。许用应力将测定的极限应力作适当降低，规定出材料能安全工作的应力最大值化工学院高分子26低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力=F/A0应变=(l-l0)/l0化工学院高分子27弹性和刚度弹性：材料在外力去除后变形能够恢复的特性。其指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力，指标为弹性模量）（MPatgE化工学院高分子28塑性与强度塑性：断裂前材料发生不可逆永久变形的能力，其指标为：断裂伸长率：断面收缩率：拉伸试样的颈缩现象拉伸试样化工学院高分子29塑性的表征用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。时，无颈缩，为脆性材料表征。时，有颈缩，为塑性材料表征。化工学院高分子30强度材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度（屈服应力）：材料发生微量塑性变形时的应力值。Fs为材料屈服时的拉伸力。条件屈服强度：残余变形量为0.2%时的应力值。抗拉强度：材料断裂前所承受的最大应力值。Fb为试样断裂前所承受的最大载荷。0.2化工学院高分子31硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力，衡量材料软硬程度的指标。压痕法对变形的抗力刻痕硬度法对破裂的抗力回跳硬度法弹性变形功的大小布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度、超声波硬度、邵氏硬度莫氏硬度、锉刀硬度肖氏硬度化工学院高分子32莫氏硬度(Mohs’scaleofhardness)表示矿物硬度的一种标准。1824年由德国矿物学家莫斯(FrederichMohs)首先提出。用棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕,习惯上矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度，它也用于表示其他固体物料的硬度。用测得的划痕的深度分十级来表示硬度。化工学院高分子33几种矿物的莫氏硬度对比石膏石英金刚石黄玉方解石237810化工学院高分子34莫氏硬度标准滑石(talc)石膏(gypsum)方解石(calcite)萤石(fluorite)磷灰石(apatite)正长石(feldspar;orthoclase)石英(quartz)黄玉(topaz)刚玉(corundum)金刚石(diamond)12345678910化工学院高分子35莫氏硬度用两种不同的矿物互相刻划来比较矿物的相对硬度如有一种未知硬度的矿物，用它能刻划正长石，但不能刻划石英，则此矿物的硬度可定为度。在野外考查或没有上表中的矿物时，还可以用指甲或一些常见的工具来鉴定矿物的硬度。6.5化工学院高分子36锉刀硬度标准锉刀（7个等级）标准试样钳工根据试样与锉刀的锉削阻力，从高级到低级选用锉刀，通过与标准试样的对比，确定相应的硬度等级。适用于生产现场检验钢铁硬度39~67HRC(55HRC时需增加对比次数）标注格式：锉刀硬-65化工学院高分子37肖氏硬度将规定形状的金刚石冲头从固定的高度落在试样的表面上,冲弹起一定高度,通过两高度的比值计算出肖氏硬度值。主要用于金属材料特点肖氏硬度测量仪器小巧，使用方便适用于现场精度不高。化工学院高分子38邵氏硬度具有一定形状的钢制压针，在试验力作用下垂直压入试样表面，当压足表面与试样表面完全贴合时，压针尖端面相对压足平面有一定的伸出长度L，以L值的大小来表征邵氏硬度的大小化工学院高分子39邵氏硬度计算公式为：HA=100-L/0.025HD=100-L/0.025HC=100-L/0.025式中HA为邵氏A硬度，HD为邵氏D硬度，HC为邵氏C硬度A型的针尖直径为7.9mm，用来测量软塑料、橡胶、合成橡胶、毡、皮革、打印胶辊的硬度；D型的针尖直径为0.2mm.即半径为R0.1。用来测量包括硬塑料和硬橡胶的硬度，特别适合于现场对橡胶和塑料成品的硬度测量。C型的测针是一个圆球。用来测量泡沫材料和海绵等软性材料。化工学院高分子40各类材料的硬度陶瓷金属高分子塑料的硬度可以用布氏硬度或洛氏硬度法测定。橡胶硬度常用邵式硬度计测量。橡胶制品的硬度范围一般为A40-90。高硬度原子结构、成分硬度变化大低硬度化工学院高分子41布氏硬度（HB）)()(2102.0222mmNdDDDPHB布氏硬度计压痕球缺表面积S所承受的平均应力值化工学院高分子42布氏硬度的表示方法压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间（载荷时间10~15s不标注）。120HBS10/1000/30化工学院高分子43布氏硬度的特点优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢：b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB对于铸铁：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)化工学院高分子44洛氏硬度用压痕的深度来确定硬度值。洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h3-h1)/0.002，k＝100,130h3-h1洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计HR(B)HR(A,C,D)化工学院高分子45适用范围根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺（A~H,K），常用的标尺为A、B、C、D。HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。HRD用于测量薄板件、表面处理的硬度，如薄钢板、中等厚度表面硬化零件化工学院高分子46表示方法在符号HR之前的数字表示硬度值,符号后面的为标尺类型。90HRA？？90HRB化工学院高分子47洛氏硬度的特点优点：操作简便，压痕小，适用范围广,可在工件表面或较薄金属上试验。缺点：测量结果分散度大，不够准确，不同标尺无简单换算关系。洛氏硬度法是目前工厂中应用最广泛的测试方法化工学院高分子48维氏硬度维氏硬度计维氏硬度压痕化工学院高分子49维氏硬度试验原理用相对面间夹角为136°的金刚石正棱锥压头，在规定载荷下保持一定时间后，测量压痕对角线长度d,最后计算出压痕表面积上的平均压力，即维氏硬度值。查表得到所测硬度值维氏硬度试验原理化工学院高分子50维氏硬度表示方法维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间（载荷时间10~15s不标注）。540HV30540HV40/25化工学院高分子51维氏硬度的特点维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点加载小，压入深度浅适用于表面硬化层连续一致的标尺缺点：测定方法较麻烦，工作效率较洛氏法低化工学院高分子52其他维氏硬度仪根据载荷范围的不同，维氏硬度还有两种测试方法显微维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计化工学院高分子53疲劳与疲劳极限材料在低于s的重复交变应力作用下产生裂纹或发生断裂的现象称为疲劳。材料在规定次数对称应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。D钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。化工学院高分子54各种材料的疲劳极限陶瓷低脆，表面缺陷或裂纹金属好，-1=40%~50%拉高分子较好，-1=20%~30%拉复合材料高-1=70%~80%拉思考哪种材料的耐疲劳性好？化工学院高分子55改善疲劳强度的方法（表面处理）机械处理，如喷丸（合金）、冷滚压、研磨和抛光；热处理，如火焰和感应加热淬火；渗、镀处理，如氮化和电镀等。化工学院高分子56蠕变在高温或较大静负荷的作用下产生缓慢塑性变形的现象称为蠕变。金属材料高温蠕变300~400℃陶瓷高温高载荷压缩蠕变高分子材料粘弹性蠕变化工学院高分子57蠕变变形、蠕变极限和持久强度蠕变变形——由蠕变产生的塑性变形蠕变极限——在给定温度下和规定的试验时间内，是试样产生一定蠕变伸长量的应力，用符号（MPa）表示。持久强度——在给定温度经规定时间发生断裂的应力，用符号（MPa）表示。表征材料在高温载荷长期作用下抵抗断裂的能力。TtTt化工学院高分子58蠕变与应力和温度的关系化工学院高分子59冲击韧性冲击韧性——材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。冲击韧性的指标为冲击韧性值Ak（又名，冲击吸收功）。Ak一般通过摆锤式一次性冲击实验测得。化工学院