002工程材料第1章工程材料的力学性能(同济-王国华)

第一章补充：根据材料的性能分类根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可分为结构材料和功能材料。结构材料是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。5工程材料碳钢合金钢钢铸铁有色金属及合金工程塑料合成纤维合成橡胶胶粘剂普通陶瓷特种陶瓷金属材料高分子材料陶瓷材料复合材料非金属基复合材料金属基复合材料工程材料的分类——按结合键的性质第一章工程材料的力学性能机械性能(力学性能)：指工程材料在外力作用时表现出来的性能。包括强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度及断裂韧性等。载荷(外力)形式1.强度工程材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。根据载荷的不同可分为：抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗扭强度等。抗拉强度通过拉伸试验测定。图低碳钢的σ-ε曲线第一阶段oe：弹性阶段。弹性极限：σe第二阶段es：屈服阶段。屈服极限：σs第三阶段sb：强化阶段。强度极限：σb第四阶段bz：缩颈阶段。z：试样断裂。图低碳钢的σ-ε曲线图铸铁的σ-ε曲线材料的强度与其化学成分和工艺过程，尤其是热处理工艺有密切的关系。如:(1)纯金属的抗拉强度低纯铁为200MPa，铜为60MPa,铝为40MPa(2)铁碳合金：退火状态下碳质量分数分别为0.2%、0.4%、0.6%抗拉强度为350MPa、500MPa和700MPa(3)碳质量分数同为0.4%经过淬火+高温回火后抗拉强度为700MPa～800MPa(4)合金钢的抗拉强度可达1000MPa～1800MPa2．塑性塑性：断裂前金属材料产生永久变形的能力。(1)延伸率延伸率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。式中：l1—试样拉断后的标距(mm)；l0—试样的原始标距(mm)；Δl—最大伸长(mm)。(2)断面收缩率断面收缩率：试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比。式中：S1—试样拉断后缩颈处最小横截面积(mm2)；S0—试样的原始横截面积(mm2)；ΔS—试样缩颈处截面积的最大缩减量(mm2)。延伸率和断面收缩率数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏，便于各种压力加工获得复杂形状的零件。纯铁的塑性很好，工业纯铁的延伸率δ可达50%，断面收缩率ψ可达80%，可以拉成细丝、轧成薄板。铸铁塑性很差延伸率δ断面收缩率ψ几乎为零，不能进行塑性变形加工。3.硬度硬度：材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。硬度的表示方法布氏硬度洛氏硬度各种不同方法测得的硬度值可以进行转换。维氏硬度①用载荷P把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷;②测量钢球在试样表面上所压出的压痕直径d，从而计算出压痕的面积;③计算出单位面积所受的力用此数字表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号HB表示。(1)布氏硬度P(2)洛氏硬度各种不同方法测得的硬度值之间可以通过查表的方法进行转换。61HRC=82HRA=627HBW=803HV30根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表达方式有三种HRA、HRB和HRCHRAHRBHRC70～8525～10020～674.韧性韧性：材料抵抗冲击载荷作用的能力。0SAkkαk：冲击韧度(J/m2)Ak：冲击吸收功(J)S0：试样缺口处截面积(m2)一次摆锤冲击弯曲试验来测定韧性。步骤：(1)准备试样，开口(2)放置试样到载物台(3)使处于一定高度的摆锤落下(4)测得试样冲击吸收的功(5)用公式计算图(a)试验机图(b)试样韧性与材料的组织有密切关系:如:碳质量分数为0.45%的铁碳合金,正火后的组织为索氏体+铁素体,αk值为500kJ/m2～800kJ/m2,而调质处理后αk值为800kJ/m2～1200kJ/m2。αk或Ak值越大，则材料的韧性越好。冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧度值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。5.疲劳强度疲劳：在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然断裂的过程称为金属的疲劳。交变应力：随时间作周期性变化的应力。材料承受的交变应力σ与材料在断裂前承受交变应力的循环次数N之间的关系可用疲劳曲线来表示。疲劳强度：当应力低于一定值时，试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度。图疲劳曲线和对称循环交变应力图材料承受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数N越小。对于黑色金属，一般规定应力循环107周次而不断裂的最大应力称为疲劳极限。有色金属取108周次。金属的疲劳极限受很多因素的影响。主要有工作条件、表面状态、材质、残余内应力等。改善零件的结构形状、降低零件表面粗造度以及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的疲劳极限。6.断裂韧性断裂韧性：材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力。断裂韧性，用应力场强度因子的临界值KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。KI≤KICY：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有关的系数――几何形状因子桥梁、船、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。原因：构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的，裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破坏。1.2.3金属材料的理化性能(1)物理性能密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性(2)化学性能耐腐蚀性和抗氧化性耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗氧、水蒸汽及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力。抗氧化性：金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称为化学稳定性。