材料的力学行为和性能

第一章材料的力学行为与性能第一章材料的力学行为和性能本章重点：材料的强度、硬度、塑性、韧性等力学性能的基本概念及应用。本章难点：低应力脆断和材料的断裂韧性。学习目标：熟悉常用力学性能指标的测试方法，掌握材料力学性能的表示方法及其应用。主要内容第一节在载荷作用下的力学行为第二节材料的静态力学性能第三节材料的动态力学性能第四节断裂韧性第一节材料在载荷作用下的力学行为一、弹性变形、塑性变形和断裂材料在载荷作用下的行为，称之为力学行为。当外力作用在固体物质上时，随外力增加，物体会逐渐改变其原始形状和尺寸而发生变形，外力增加到一定数值后，物体将发生断裂，所以变形和断裂是固体物质受载时，随外力的增加而产生的普遍现象。二、应力和应变应力：单位面积上所受的力。应变：单位长度的伸长量。第二节材料的静态力学性能一、拉伸试验及材料的强度与塑性左图为拉伸试验机下图为拉伸试验过程中试样的变形及断裂。由上图可知：在拉伸载荷作用下，试样的变形分为三个阶段：弹性变形阶段；塑性变形阶段；断裂阶段。在拉伸试验过程中，可测定的主要力学性能指标有：屈服强度σs，抗拉强度σb，弹性模量E，断后伸长率δ和断面收缩率Ψ。Fsσs=(Mpa)S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)F0.2σ0.2=(Mpa)S0试样原始横截面(mm2)试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷(N)Fb试样断裂前的最大载荷(N)σb=(Mpa)S0试样原始横截面积(mm2)S0-Skψ=×100%S0Lk–L0δ=×100%L0δ2~5%属脆性材料，δ≈5~10%属韧性材料，δ10%属塑性材料其断口特征如图所示。二、硬度硬度是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。1.布什硬度（HBW））（222dDDDFSFHBW表示方法：120HBW10/1000/30；后面的数字依次表示：（1）球体直径；（2）试验力；（3）试验力保持时间（10~15s不标注）。主要用于测定组织粗大且不均匀的金属材料的硬度，如铸钢、铸铁、供应态钢材等。硬度标尺：HRA、HRB、HRC。其中C标尺最常用。在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用.2.洛氏硬度3.维氏硬度表示方法：如：640HV30/20测量精度高、范围广，但比较麻烦，主要用于研究工作。注：各硬度值之间大致有以下关系：布氏硬度值在200-600范围内，HBW≈10HRC；布氏硬度值小于450HBS，HBW≈HV第三节材料的动态力学性能一、冲击韧性材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。试样冲断时所消耗的冲击吸收功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。AKak=(J/cm²)S0二、疲劳强度表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。材料所受循环应力和其断裂前的应力循环次数的关系，即疲劳曲线如下图所示钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取N=108钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取N=108第四节断裂韧性一、低应力脆断材料抵抗裂纹扩展断裂的能力叫断裂韧性。机械零件的传统强度设计为σ[σ]=σ0.2/n(n为安全系数),一般认为用此式设计的零件是安全的,不会产生塑性变形，更不会断裂。但是，有些高强钢制造的零件或大型焊接构件如桥梁、船舶等，有时会在工作应力远低于材料屈服强度甚至低于许用应力的条件下突然发生脆性断裂，这种工作应力远低于材料屈服强度的断裂叫低应力脆断。裂纹扩展的基本形式a)张开型b)滑开型c)撕开型二、断裂韧度应力场强度因子Ｋ1裂纹尖端产生应力集中形成应力场，衡量裂纹尖端附近应力场强弱程度的力学参量称为应力场强度因子，用KⅠ表示。其表达式为：aYK1式中：a为裂纹尺寸。断裂韧度KⅠC裂纹扩展时的临界应力场强度因子值称为材料的断裂韧度，用KⅠC表示，单位为MPa·m1/2。其为材料抵抗裂纹扩展断裂的能力大小的表现，为材料的固有属性，与材料的成分、组织、热处理以及加工工艺有关，与裂纹的大小、形状、外加应力等无关。三、断裂韧度的应用当KⅠ≥KⅠc时，裂纹就会扩展而导致低应力脆断。根据这个条件：（1)确定对材料所要求的断裂韧度K1c，作为选材的依据。（2)估算断裂时的临界裂纹长度ac,作为裂纹探伤的依据。（3)确定构件断裂时的临界应力σc。（4）判断构件的安全性。21）（YKaCcaYKCc1欢迎进入下一章的学习加油！