材料力學教案

第一篇力學基礎

§2.2 材料的力學效能

教學目標：通過學習材料力學效能使學生能夠從各種機械零件或構件最常見的服役條件和失效現象出發，了解時效現象的微觀機制，提出衡量材料時效抗力的力學效能指標；掌握各種指標的物理概念、實用意義和測試方法；明確它們之間的相互關係；分析各種因素對力學效能指標的影響，為機械設計與製造過程中正確選擇和合理使用材料提供依據，

重點：單向靜拉伸力學效能；衝擊載荷下的力學效能；應力腐蝕和氫脆。

難點：單向靜拉伸力學效能；金屬的斷裂韌度；複合材料的力學效能。

教學課時：4

教學內容：

材料的效能包括：物理效能，力學效能，化學效能，和加工工藝效能。

材料的力學效能：指材料在外力作用下在強度和變形方面所表現出的效能。材料的力學效能是通過力學實驗得到的。

四種力學實驗：拉伸（壓縮）實驗；金屬的缺口衝擊實驗；硬度實驗；彎曲實驗；

1. 低碳鋼拉伸時的力學效能

含碳量從0.10％至0.30%低碳鋼易於接受各種加工如鍛造, 焊接和切削, 常用於製造鏈條, 鉚釘, 螺栓, 軸等。

碳含量低於0.25％的碳素鋼，因其強度低、硬度低而軟，故又稱軟鋼。

gb/t228.1-2010：

《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》

代替了gb/t228-2002

電子拉伸試驗機適用標準：gb/t228

測量物件：金屬、非金屬、高分子材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪下等

曲線：力-位移、力-時間、位移-時間、應力-應變曲線

低碳鋼是指含碳量在0.3%以下的碳素鋼。

兩端粗—便於裝夾、防止在裝夾部分破壞。

試驗段—中間較細等截面部分。

標準試件

圓截面試件: 標距l與直徑d的比例為，

l＝10d，l=5d； d=10mm

矩形截面: 標距l與橫截面面積a的比例為，

實驗過程：

將試件裝到試驗機上，開動機器，使之受到從零開始逐漸增加的拉力p，自動繪圖儀便繪出p—δl曲線：拉伸曲線或拉伸圖。

1）拉伸圖（p－δl）

由於p—δl曲線與試樣的尺寸有關，為了消除試件尺寸的影響，採用應力應變曲線，即σ－ε曲線來代替p—δl曲線。

2）應力-應變曲線（ σ－ε ）

彈性階段（ob）

屈服階段（bc）

強化階段（cd）

頸縮階段（df）

彈性變形階段

（ob段）：應力與應變為直線關係，a點所對應的應力值稱為比例極限σp 。它是應力與應變成正比例的最大極限。此段寫成等式為：

即胡克定律，它表示當工作應力小於σp時，應力與應變成正比。

當應力增加到b點時，再將其降為零，應變隨之消失；

一旦應力超過b點，解除安裝後，有一部分應變不能消除；

b點的應力定義為彈性極限σe。

e值的大小反應材料抵抗彈性變形能力的高低。不同材料的e值不同

虎克定律的又一形式。可用於計算縱向變形量。 ea0——抗拉抗壓剛度。

e值的大小反應材料抵抗彈性變形能力的高低。不同材料的e值不同。

鋼的e值為2×105mpa，

銅的e值為1×105mpa，

哪個抵抗變形能力強？

e值大抵抗材料彈性變形能力就大。

設d1—桿件拉（壓）後的直徑；d—原來的直徑。則

橫向變形量：

橫向應變

橫向變形係數（泊松比）

屈服階段（bc段）：繼續對材料載入，會出現一種現象，即在應力增加很少或不增加時，應變會很快增加，這種現象叫屈服。

開始發生屈服的點對應的應力叫屈服極限σs 。

在屈服階段應變不斷增加，而應力不變；當屈服時，材料產生顯著的塑性變形，是衡量材料強度的重要指標。

強化階段（cd段）：經過屈服階段以後，材料又具有了較弱的抵抗變形的能力，要使材料繼續變形必須增加拉力，這種現象稱為材料的強化。

q235鋼：

頸縮階段（df段）：

● 變形特點：大比例的塑性變形伴有少量的彈性變形。

● σb －強度極限。強化階段最高點d點所對應的應力。為材料所能承受的最大應力。為塑性材料重要強度指標。

● 此階段試件橫向尺寸有明顯縮小。

● 頸縮階段（df段）：過d點後，區域性截面急劇縮小，出現」頸縮」現象，因此試件繼續伸長所需拉力也相應減小，降至f點試件被拉斷。斷後彈性變形消失，塑性變形依然保留，標距由原長l0變為l1，橫截面積由原始值a0 變為a1（斷口處）。

延伸率（相對伸長率）

截面收縮率

δ， ψ表示材料直到被拉斷時塑性變形所能達到的最大程度。數值越大，說明塑性越好。

δ＞5%—塑性材料。

低碳鋼（δ=20~30%，ψ ＝60 ~ 70%），cu，al等。

δ＜5%—脆性材料。鑄鐵、玻璃等。

解除安裝定律：拉伸實驗過程中，如果應力尚未達到材料的彈性極限，就將載荷去掉，那麼試件將恢復原來的形狀，材料效能不會發生任何變化。

冷加工硬化：在常溫下將材料預先載入

到強化階段（e點），然後解除安裝，再次載入時

（o1e1為載入線），比例極限提高，

但塑性（o1g）降低的現象。

其他材料的拉伸實驗

1、無明顯屈服階段的塑性材料

特點：只有彈性和強化階段，但塑性良好。

如：錳鋼，鎳鋼，青銅

國標規定以產生0.2%的塑性變形所對應的應力作為材料的名義屈服極限，用σ0.2表示。

2. 脆性材料：

無明顯塑性變形；無頸縮現象；突然拉斷，變形小；應力應變不存在嚴格的正比關係；

拉斷時之應力稱為抗拉強度極限σb 。

如：鑄鐵、玻璃鋼、陶瓷等。

σb是衡量脆性材料強度的唯一指標。

σb很低，脆性材料不宜作承拉件。

2. 壓縮實驗

金屬材料壓縮試件做成圓柱形，為避免壓彎，取h=(1.5-3)d.

對於塑性材料，屈服前表現的性質曲線與拉伸時重合，比例極限與彈性模量與拉伸時大致相同，所以塑性材料一般不作壓縮試驗。

對於脆性材料，如鑄鐵：無明顯直線部分，無屈服階段，在很小的塑性變形下即被突然壓壞。破斷面與軸線約成 45°斜截面上。

抗壓強度比抗拉強度高3-4倍，宜做承壓件。如工具機床身、機座、軸承座等。

3. 溫度對材料的力學效能的影響

短時靜載實驗。短時間，逐漸載入完成。

高溫或低溫情況下，強度指標（ σs ， σb ）和塑性指標（δ，ψ）有什麼變化？

高溫對短期靜載試驗的影響：

低碳鋼：

溫度↑→e↓， σs ↓，抵抗彈性變形的能力下降；

溫度↑→ σb 先↑後急劇↓；

溫度↑→ μ↑ 抵抗橫向變形能力下降。

低碳鋼在350°以後，屈服階段消失。

高溫對長期載入的影響：

①高溫蠕變—在高溫下承載的構件(碳鋼超過300-350℃，合金鋼超過350-400℃)，雖然載荷大小不變，變形(塑性)卻隨時間不斷增加的現象。

危害：引起外觀尺寸改變。如：汽輪機葉片與輪殼相碰而打碎。

②應力鬆弛—由於蠕變使彈性變形逐漸轉化為塑性變形，從而引起構件內應力減小的現象。

現象：高溫容器法蘭聯結螺栓鬆弛後使法蘭與墊片間壓緊力減小而發生洩漏（密封失效）；汽輪機轉子與軸之間的緊配合鬆脫。

蠕變速度與溫度和應力成正比。在允許的最大變形量一定時，蠕變速度越高，工作壽命越短。

③材料的高溫強度指標

蠕變極限σn ：在一定高溫下，為使蠕變速度不超過一定值時所允許的最大應力，稱為該溫度、該蠕變速度下材料的蠕變極限。

發生蠕變的試件，經過一段時間將發生斷裂。

持久強度限σd ：在一定高溫下，在規定時間t內不發生斷裂所允許的最高應力，稱為材料在該溫度下經歷時間為t的持久強度限。

低溫對短期靜載試驗的影響：

低碳鋼：

低碳鋼、低合金鋼→強度↑塑性↓→具有低溫脆性（冷脆現象）

不鏽鋼、銅、鋁等無此現象。

低溫脆斷需要引起高度重視。

在－20℃操作的容器，且器壁應力達到材料常溫屈服限的1/6時，專門定為低溫壓力容器。低溫容器在選材，設計，製造，檢驗方面有特殊要求和規定

4. 金屬的缺口衝擊實驗

衝擊—極短的時間內速度發生極大的變化。如汽錘鍛造、落錘打樁、高速飛輪突然剎車等均屬衝擊問題。

金屬缺口衝擊試驗：將帶有缺口並具有標準尺寸的長方形試件放在擺錘式衝擊實驗機上，利用擺錘下落時的衝擊力，將試件從缺口處沖斷。

衝擊功ak：擺錘沖斷試件消耗的功（焦耳）。

試件上的缺口是為了造成應力集中，使斷裂從這裡開始。根據測得的衝擊功值判斷材料對缺口的敏感程度。

衝擊功：

衝擊韌性：單位斷口截面的衝擊功。

衝擊韌性說明的問題：

（1）材料抵抗衝擊載荷而不破壞的能力。

（2）材料對微觀缺陷的敏感性—防止材料在低溫下工作時出現低應力脆性斷裂。

5. 硬度實驗

硬度—材料抵抗其它物體壓入其表面的能力。與耐磨性（精度保持性）及強度都有一定關係。對鋼材： σb =3.6hb

常用的有布氏硬度和洛氏硬度。

布氏硬度（hbs）

在布氏硬度試驗機上，將一直徑為d的標準硬鋼球，以規定載荷（如3000kgf 1牛頓(n)=0.225磅力(lbf)=0.102千克力(kgf)）壓入試樣表面，保持一定時間（如10s），測出壓痕直徑d，則單位壓痕面積上的平均壓力即布氏硬度值：

材料越硬，壓痕越小，hb值越高。

洛氏硬度（hrc,hrb,hra）

（1）hrc（在洛氏硬度試驗機上）

以120°金剛石圓錐為壓印頭，先加10kgf的初載荷，同時將機上刻度盤指標對準零點，然後再加140 kgf的主載荷，停留一定時間後解除安裝。以不計初載的壓痕深度按下式計算：

hrc=100-h（mm）/0.002

許用範圍：hrc20～67

適用：一般淬火鋼、調質鋼等。最常用。

6. 彎曲實驗

目的：檢查試件承受塑性變形的能力。

在試件背面不出現裂紋的條件下,彎心直徑d越小、試件彎曲角α越大，則試件承受塑性變形的能力越強。

化工裝置上主要做鋼板或鋼板對接焊縫接頭的冷彎試驗。

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