第一讲工程材料的力学性能

第一讲:工程材料的力学性能主讲：曹光明工程材料的力学性能一、σ-ε曲线及相应的力性指标1、弹性强度σe2、屈服强度σs3、抗拉强度σb4、弹性模量E5、延伸率δ6、断面收缩率ψ二、疲劳强度三、硬度1、布氏硬度HB2、洛氏硬度HR3、维氏硬度HV四、韧性1、冲击韧性2、断裂韧性工程材料的力学性能一、σ-ε曲线及相应的力性指标低碳钢拉伸曲线为F-△L曲线或σ-ε曲线如图1F（σ）弹性阶段es屈服阶段均匀塑变阶段bk颈缩阶段△L（ε）设备：拉伸试验机。试样：标准试样，按照《金属材料室温拉伸试验方法》GB/T228-2002。标准拉伸试样如图2所示。有圆形截面和方形截面两种，长度有l0=10d0和l0=5d0两种。工程材料的力学性能图2几个力性指标：1、σe：材料不产生永久变形的最大应力。2、σs：具有上下屈服点时以下屈服点为σs3、σb：强度极限或抗拉强度。工程材料的力学性能F（σ）△L（ε）esbkσs=Fs/A0N/mm2(Mpa)名义屈服极限：σ0.2，即产生0.2%的残余变形时的应力值作为σs。表征材料产生最大均匀变形的抗力，或材料断裂前能承受的最大应力值。σb=Fb/A0N/mm2(Mpa)σe=Fe/A0N/mm2(Mpa)规定弹性极限：σ0.01或σ0.05—微塑变抗力指标。4、E：弹性模量，又称材料刚度。E=σ/εMpa——材料产生单位弹性变形所需的应力5、塑性：表征材料断裂前发生塑性变形的能力。用δ、ψ表示。工程材料的力学性能F（σ）△L（ε）esbkδ=(L1-L0)/L0×100%，同一材料的δ5、δ10不同，须标明。ψ=(A0-A1)/A0×100%，与试样长度无关，表征更准确。δ、ψ↑，材料塑性↑。表明弹性变形的难易程度，它只与材料本性有关，与合金化、热处理、冷变形等无关。二、疲劳强度1、什么是疲劳强度？材料在交变载荷作用下的破坏称为疲劳破坏，其衡量指标即为疲劳强度。工程材料的力学性能3、产生疲劳的原因：①材料内部微裂纹；②表面缺陷。材料的疲劳破坏抗力与应力循环次数和循环特性有关。一般情况下用对称交变循环特性下的破坏抗力表示。即：材料在对称交变载荷作用下不发生破坏时所能承受的最大应力。一般用σ-1表示。4、提高措施：精炼，减少材料内部夹杂物；减少材料表面尺寸的急剧变化；提高表面质量，在材料表面造成一层残余压应力。工程材料的力学性能三、硬度表明材料表面抗其它物体压入的能力。是局部塑变抗力指标。1、布氏硬度HB测定：布氏硬度计。原理：一定载荷F作用于淬火钢球（硬质合金圆球）压入材料表面一定时间，卸载后测出压痕直径，计算出压痕面积A，则HB=F/A，单位：kg/mm2，但一般不注出单位。国标规定：HB在450以下用HBS表示；在450以上用HBW表示。测量对象：软材料，不能测量薄试样。布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV。工程材料的力学性能2、洛氏硬度HR原理：用锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的钢球压头在规定载荷作用下压入试样表面，用压痕深度表示。如图30123洛氏硬度实验示意图图3洛氏硬度测试图载荷=初载荷+主载荷初载荷——10kg主载荷——60kg（HRA）、100kg（HRB）、150kg（HRC）h1h3h2工程材料的力学性能3、维氏硬度HV由主载荷的压入深度h=h3-h1作为硬度值。显然，h↑，HR↓为习惯方便起见，HR=（k-h）/0.002，金刚石压头，k=0.2mm；钢球压头，k=0.26mm。注意：①HRA、HRB、HRC的测量范围；②优点是操作简便，压痕小，可用于成品检验；③表示方法。原理：和HB相同，只是压头不同。HV=F/A=1.8544F/d2，kg/mm2压头：锥面夹角为136°的金刚石四棱锥体压头。工程材料的力学性能表示：640HV、800HV。适用范围：表面硬度（硬化层）。优点：载荷小，压痕浅，但测定麻烦。四、韧性1、冲击韧性αk表征抗冲击载荷的能力。αk=Ak/S，单位：J/cm2通过冲击试验测定。试样有U、V型缺口试样。冲击韧性的测试按照《夏比缺口冲击试验方法》GB/T229-1994。新标准直接用冲击功表示。标准夏比U型缺口冲击试样如图4所示。工程材料的力学性能图4标准夏比U型缺口冲击试样工程材料的力学性能αk主要与温度有关，还与试样的尺寸、形状、表面质量及内部组织有关，是组织结构的敏感参量。低冲击值部分高冲击值部分韧脆转变温度范围温度/℃冲击值αk图5冲击韧性与温度的关系工程材料的力学性能2、断裂韧性K1c由低应力脆断引出。与材料内部存在裂纹和裂纹扩展有关。实际材料中存在缺陷：夹杂物、气孔等→裂纹→在应力作用下扩展→达到临界尺寸发生失稳扩展→断裂裂纹扩展有三种方式，如图6所示。滑开型张开型撕开型图6裂纹扩展有三种方式K1c——在裂纹扩展的临界状态下，裂纹尖端应力场强度因子值。它表明裂纹失稳扩展的抗力大小。K1c只与材料成分、组织结构有关。1cKYaY——裂纹形状尺寸系数，无量纲。