1、第1章 材料的力学性能,材料的性能是评价和选择材料的依据。学习材料课，应当熟悉各种常用材料的性能。 1.1材料性能的分类,材料的力学性能1.1材料的性能的分类,材料的力学性能1.1材料的性能的分类,材料的力学性能1.2基本概念和术语,1.2基本概念和术语 力学性能材料受载荷作用时表现出的与变形、断裂相关的一系列性能。 载荷材料（或零件、构件）所受的力（N）或应力。 应力材料（或零件、构件）的单位横截面积上所受的力（N/m2)。应力的单位：Pa， 1Pa = 1N/m2MP， 1MPa =106 Pa = 1N/mm2,材料的力学性能1.2基本概念和术语,静载荷大小和方向都不随时间改变或缓慢变化
2、的载荷。 动载荷大小或方向随时间改变的载荷。载荷 载荷冲击载荷交变载荷时间 时间静载荷 动载荷,材料的力学性能1.2基本概念和术语,材料受载荷作用时可能发生的现象：,材料的力学性能1.3拉伸试验,1.3.拉伸试验通过拉伸试验可以测定材料的强度、刚度和塑性。,材料的力学性能1.3拉伸试验,oe段：弹性变形，伸长量与L与拉力F成正比。 S平台：屈服现象，开始塑性变形。 Sb段：均匀塑性变形。 bk段：颈缩（局部塑性变形） K点：断裂,低碳钢拉伸曲线F拉力 L伸长量,材料的力学性能1.4强度,1.4 强度强度材料受静载荷作用时，抵抗塑性变形和断裂的能力。 1. 屈服强度s 材料受静载荷作用时，抵抗塑
3、性变形的能力。MPa,材料的力学性能1.4强度,如果材料所受的载荷达到或超过其屈服强度，材料就会发生塑性变形。 在设计和使用机器零件时，必须保证零件的工作载荷低于零件材料的屈服强度（工作s），否则零件就会发生塑性变形而失效。练习（见下页）,材料的力学性能1.4强度,练习：要制造一根受拉力的圆杆，已知圆杆直径为20 mm，拉力为93 kN 。现有两种钢，其中Q235钢的s为235 MPa；45钢的s 为355 MPa。用这两种钢来制造此圆杆，是否都能保证不发生塑性变形？ 解：圆杆所受应力为：若选用Q235钢制造制造此圆杆，其s，会发生塑性变形；选用45钢制造制造此圆杆，其s，能保证不发生塑性变形
4、。,材料的力学性能1.4强度,2. 抗拉强度（强度极限）b 材料受静载荷作用时，抵抗断裂的能力。MPa,材料的力学性能1.4强度,如果材料所受的载荷达到其抗拉强度，材料就会发生断裂。 在设计和使用机器零件时，必须保证零件的工作载荷低于零件材料的抗拉强度（工作b），否则零件就会发生断裂而失效。,材料的力学性能1.5刚度,1.5 刚度 刚度材料受静载荷作用时，抵抗弹性变形的能力。衡量刚度大小的指标是弹性模量E。在拉伸曲线上，E体现为oe 段的斜率。,材料的力学性能1.5刚度,常用材料的弹性模量E/MPa在一定的载荷作用下，弹性模量（E）大的材料发生的弹性变形比较小。材料的弹性模量是一个常数，不会因
5、热处理、合金化等外部条件而改变。,材料的力学性能1.6塑性,1.6 塑性塑性材料在受载荷作用时，在断裂之前发生永久性变形的能力。,材料的力学性能1.6塑性,衡量材料塑性好坏的指标： 1.延伸率 延伸率又称伸长率，是试样被拉断后，塑性伸长量与试样原始标距长度的百分比：,材料的力学性能1.6塑性,2. 断面收缩率 断面收缩率是试样被拉断后，颈缩处的横截面积收缩量（S0-S1）与原始横截面积S0之百分比：,材料的力学性能1.6塑性,材料的、值越大，表明其塑性越好。 材料的塑性在工程上的实用意义： 1）塑性是变形加工（锻压）的条件。塑性较好的材料才可以进行变形加工。 2）塑性好的材料，不易脆断，应用时
6、安全性比较好。,材料的力学性能1.7硬度,1.7 硬度 硬度用来衡量材料软硬程度的性能指标。测试硬度的方法有多种，相应的也有多种硬度指标。,材料的力学性能1.7硬度,1.布氏硬度 HB 1）试验原理以压力F 将直径为D的球形压头压入材料表面，形成直径为d的压痕，以压痕单位面积上承受的压力大小来衡量材料的硬度。,F,材料的力学性能1.7硬度,kgf/mm2式中 F 试验压力，kgf ；S 压痕面积， mm2 ；D 压头直径，mm ；d 压痕直径，mm 。,材料的力学性能1.7硬度,2）标注示例120HBS 10/1000/30500HBW 5/750 3）特点和应用范围 （1）试验结果较准确，数
7、据的重复性较好； （2）操作较繁琐； （3）试验压力较大，压痕大，可能损坏薄壁零件; （4）适合于测试厚度较大的、较软的原材料、毛坯。,材料的力学性能1.7硬度,2. 洛氏硬度 HR 1）试验原理 用一定的压力将压头压入材料表面，以压痕深度来衡量材料的硬度。洛氏硬度计的指示表直接显示出硬度值。压痕越浅，硬度值越大，表明材料硬度越高。,试验原理示意图,洛氏硬度计,材料的力学性能1.7硬度,2）几种常用的洛氏硬度标尺,材料的力学性能1.7硬度,3）洛氏硬度的特点 （1）测试操作简便，效率高； （2）适应的材料种类较多； （3）压痕小，对零件损伤小； （4）测试准确度和数据重复性稍差； （5）HRA
8、、HRB、HRC测试值不能直接对比。例如:不能认为60HRB代表的硬度高于40HRC。,材料的力学性能1.7硬度,3.其它硬度维氏硬度、肖氏硬度，等等。,材料的力学性能1.7硬度,4.硬度试验的应用 1）对于有耐磨性要求的零件，其硬度是主要的质量指标。 2）多数金属材料的硬度与强度有一定正比关系。在实际工作中，常常通过测试零件的硬度来换算出强度，既简便，成本又低。,材料的力学性能1.7硬度,黑色金属硬度及强度换算表,钢的HBS与b的换算关系：b 0.36 HBS,材料的力学性能1.8 冲击韧性,1.8 冲击韧性 ak有些零件在工作时会受冲击载荷。如冲压模、錾子、飞机起落架等。材料的强度、塑性等
9、在静载荷下测定的力学性能指标，不能体现材料的抗冲击性能。冲击韧性 ak材料受冲击载荷时，抵抗断裂的能力。,材料的力学性能1.8 冲击韧性,冲击韧性试样,冲击试验示意图,冲击试验机,材料的力学性能1.8 冲击韧性,材料的力学性能1.8 冲击韧性,冲击韧性ak在数值上等于冲断试样消耗的能量AK 与试样缺口处横截面积S之比：J/cm2冲击韧性高的材料，使用安全性好。,材料的力学性能1.8 冲击韧性,材料脆断引发的事故,材料的力学性能1.9 疲劳强度,1.9 疲劳强度 1.9.1 材料的疲劳现象演示 自行车。提问疲劳零件（材料）在交变载荷长时间作用下，产生裂纹并逐渐扩展，最终导致突然断裂的现象。 实例
10、在裂纹萌生和扩展的较长一段时间中，是不易被发现的，而最终的断裂是在瞬间发生的。因此，疲劳现象对于运行中的机器，尤其对飞行中的飞机，是危害性极大的事故隐患。据统计，机器零件的断裂有80%是疲劳引起的。,材料的力学性能1.9 疲劳强度,1.9.2 疲劳强度疲劳强度-1材料在受交变载荷时，抵抗疲劳破坏的能力。钢的疲劳强度与抗拉强度有一定的比例关系： -1 0.4b,材料的力学性能1.9 疲劳强度,1.9.3 提高零件抗疲劳性的措施疲劳裂纹通常在零件薄弱部位的表面萌生。下列方法能提高零件抗疲劳性：1.提高零件表面光洁度（降低表面粗糙度）。2.零件截面和形状变化之处，设计为圆弧过渡，以减小应力集中。3.采用表面热处理、喷丸等方法对零件表面进行强化。4.防止零件表面被划伤、腐蚀。此外，采用无损检测技术定期对重要零件进行检测，争取在早期发现零件上的疲劳裂纹，也是预防疲劳断裂恶性事故的有效手段。,
