材料的力学性能全册配套最完整精品课件.ppt
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1、材料的力学性能全册配套最材料的力学性能全册配套最 完整精品课件完整精品课件 材料的力学性能材料的力学性能 RALRAL 0 0、绪论、绪论 1 1、材料在静载荷下的力学性能、材料在静载荷下的力学性能 2 2、材料的变形、材料的变形 3 3、材料的强化和韧化、材料的强化和韧化 4 4、材料的断裂、材料的断裂 5 5、材料的断裂韧性、材料的断裂韧性 6 6、材料的疲劳、材料的疲劳 7 7、高温及环境下材料的力学性能、高温及环境下材料的力学性能 8 8、材料的磨损和接触疲劳、材料的磨损和接触疲劳 RALRAL q什么是材料的力学性能?什么是材料的力学性能? q材料力学性能课程的研究内容有哪些?材料力
2、学性能课程的研究内容有哪些? RALRAL 0 0 绪论绪论 q 什么是材料的力学性能?什么是材料的力学性能? (金属)材料(金属)材料 具有各种使用性能具有各种使用性能 用途广泛用途广泛 使用性能使用性能 物理性能物理性能(导电、导热、电磁等)(导电、导热、电磁等) 力学性能力学性能(强度、硬度、塑性等)(强度、硬度、塑性等) 工艺性能工艺性能(焊接、成形等)(焊接、成形等) 化学性能(耐腐蚀、抗氧化等) RALRAL 0 0 绪论绪论 材料的力学性能材料的力学性能是指材料在外加载荷(外力或能量)作用下,或载是指材料在外加载荷(外力或能量)作用下,或载 荷与环境因素(温度、介质和加载速率)联
3、合作用下所表现出荷与环境因素(温度、介质和加载速率)联合作用下所表现出 的行为。这种行为又称为力学行为,通常表现为金属的变形和的行为。这种行为又称为力学行为,通常表现为金属的变形和 断裂。断裂。 材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。 mechanical properties; mechanical behavior mechanical properties; mechanical behavior 材料的失效材料的失效( (failurefailure) ): 如果材料抵抗变形与断裂的能力与服役条件不适应,则机件失去如果材料抵抗变形与断裂的能力与服
4、役条件不适应,则机件失去 预定效能(过量弹性变形、过量塑性变形、断裂、磨损等),预定效能(过量弹性变形、过量塑性变形、断裂、磨损等), 材料的力学性能又可以称为失效抗力。材料的力学性能又可以称为失效抗力。 RALRAL 0 0 绪论绪论 影响力学性能的因素影响力学性能的因素 载荷性质载荷性质 应力状态应力状态 环环 境境 温温 度度 化学成分化学成分 显微组织显微组织 残余应力残余应力 冶金质量冶金质量 内在因素内在因素外在因素外在因素 RALRAL 0 0 绪论绪论 不同服役条件对材料的性能要求不同不同服役条件对材料的性能要求不同 RALRAL 0 0 绪论绪论 q 材料力学性能课程主要内容
5、?材料力学性能课程主要内容? 材料在各种服役条件下的失效现象及微观机理;材料在各种服役条件下的失效现象及微观机理; 材料力学性能指标的本质、概念、实用意义,以及各种力学性能材料力学性能指标的本质、概念、实用意义,以及各种力学性能 指标之间的相互联系;指标之间的相互联系; 影响材料力学性能的因素,提高力学性能的方向和途径;影响材料力学性能的因素,提高力学性能的方向和途径; 材料力学性能的测试技术。材料力学性能的测试技术。 目的:目的: 1 1)合理使用材料)合理使用材料掌握不同服役条件下力学性能变化规律,有助于正确选择材料;掌握不同服役条件下力学性能变化规律,有助于正确选择材料; 2 2)研究开
6、发新材料)研究开发新材料明确提高力学性能的方向和途径,是研发新材料的关键;明确提高力学性能的方向和途径,是研发新材料的关键; 3 3)改进和开发冷热加工工艺。)改进和开发冷热加工工艺。 RALRAL 1 1、材料在静载荷下的、材料在静载荷下的 力学性能力学性能 RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 材料力学性能指标是结构设计、材料选择、工艺评价以及材料检验的主要依 据。测定材料力学性能最常用的方法是静载荷方法,即在温度、应力状态和 加载速率都固定不变的状态下测定力学性能指标的一种方法。 1.1 材料的拉伸性能材料的拉伸性能 静拉伸试验:常温、单向静拉伸载荷,光
7、滑试样。(应用最为广泛的方法)静拉伸试验:常温、单向静拉伸载荷,光滑试样。(应用最为广泛的方法) 通过拉伸试验,可以获得材料的弹性、塑性、强度等指标,还可以测量形变强化指数、通过拉伸试验,可以获得材料的弹性、塑性、强度等指标,还可以测量形变强化指数、 塑性应变比等反映板材成型性的指标,这些指标特性统称为材料的拉伸性能。塑性应变比等反映板材成型性的指标,这些指标特性统称为材料的拉伸性能。 RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 1.1.1 拉伸曲线和应力应变曲线拉伸曲线和应力应变曲线 应力:单位截面上所受到的力称为应力应力:单位截面上所受到的力称为应力 应变:单位
8、长度上的变形量应变:单位长度上的变形量 0 P A 0 0 l l l 工程应力:拉伸载荷除以原始截面积工程应力:拉伸载荷除以原始截面积 工程应变:试样断裂后伸长量与原始长度的比值工程应变:试样断裂后伸长量与原始长度的比值 真应力:实际上,在拉伸过程中,试样的横截面积是逐渐减小的,外加载真应力:实际上,在拉伸过程中,试样的横截面积是逐渐减小的,外加载 荷除以试样某一变形瞬间的截面积称为真应力。荷除以试样某一变形瞬间的截面积称为真应力。 i S P A RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 根据在塑性变形前后材料体积不变的近似假定,即根据在塑性变形前后材料体积不
9、变的近似假定,即 00iillAA 0 0000 (1) i i l l S llPP lllAA 则得到则得到 所以所以 (1)S RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 真应变:瞬时应变真应变:瞬时应变 拉伸曲线:载荷伸长曲线拉伸曲线:载荷伸长曲线(P- l) 弹性变形弹性变形 塑性变形塑性变形 屈屈 服服 颈颈 缩缩 0 1 0 lnln(1) f n l f f dl ed l l l l l 0 RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 比例极限比例极限 弹性极限弹性极限 屈服极限屈服极限 强度极限强度极限 断裂强度断裂强
10、度 应力应变应力应变(stress-strain)曲线曲线 RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 强度指标及其测定方法强度指标及其测定方法 (1)比例极限)比例极限 p Pp/A0 (MPa) 当应力比较小时,试样的伸长随应力成正比当应力比较小时,试样的伸长随应力成正比 地增加,保持直线关系。当应力超过地增加,保持直线关系。当应力超过p p时,时, 曲线开始偏离直线,因此称曲线开始偏离直线,因此称pp为比例极限,为比例极限, 是应力与应变成直线关系的最大应力值。是应力与应变成直线关系的最大应力值。 规定比例极限规定比例极限 一般规定曲线上某点切线和纵坐标夹角的
11、正一般规定曲线上某点切线和纵坐标夹角的正 切值切值tantan比直线部分和纵坐标夹角的正切比直线部分和纵坐标夹角的正切 值值tantan增加增加50%50%时,则该点对应的应力即为时,则该点对应的应力即为 规定比例极限。规定比例极限。 RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 强度指标及其测定方法强度指标及其测定方法 (2)弹性极限)弹性极限 e Pe/A0 (MPa) 应力应变曲线中,应力在应力应变曲线中,应力在e e时称为弹性强时称为弹性强 度极限,该阶段为弹性变形阶段。当应力继续度极限,该阶段为弹性变形阶段。当应力继续 增加,超过增加,超过e e以后,试样在
12、继续产生弹性变以后,试样在继续产生弹性变 形的同时,也伴随有微量的塑性变形,因此形的同时,也伴随有微量的塑性变形,因此 e e是材料由弹性变形过渡到弹塑性变形的是材料由弹性变形过渡到弹塑性变形的 应力。应力超过弹性极限以后,便开始发生塑应力。应力超过弹性极限以后,便开始发生塑 性变形。性变形。 规定弹性极限规定弹性极限 规定以残余伸长为 0.01%的应力作为规定残余伸长应力,并 以0.01表示。 RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 强度指标及其测定方法强度指标及其测定方法 (3)屈服极限(屈服强度)屈服极限(屈服强度) s(Rel) Ps/A0 (MPa)
13、在拉伸过程中,当应力达到一定值时,拉伸曲线上出现了平台或锯齿形流变,在拉伸过程中,当应力达到一定值时,拉伸曲线上出现了平台或锯齿形流变, 在应力不增加或减小的情况下,试样还继续伸长而进入屈服阶段。屈服阶段在应力不增加或减小的情况下,试样还继续伸长而进入屈服阶段。屈服阶段 恒定载荷恒定载荷Ps所对应的应力为材料的屈服点。所对应的应力为材料的屈服点。 条件屈服极限条件屈服极限 ( 0.2) RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 强度指标及其测定方法强度指标及其测定方法 (4)强度极限(抗拉强度)强度极限(抗拉强度) b(Rm) Pb/A0 (MPa) 屈服阶段以后
14、,材料开始产生明显的塑性变形,屈服阶段以后,材料开始产生明显的塑性变形, 进入弹塑性变形阶段,伴有形变强化现象。进入弹塑性变形阶段,伴有形变强化现象。 随着塑性变形的增大,变形抗力不断增加,当应随着塑性变形的增大,变形抗力不断增加,当应 力达到最大值力达到最大值b以后,材料的形变强化效应已经以后,材料的形变强化效应已经 不能补偿横截面积的减小而引起的承载能力的降不能补偿横截面积的减小而引起的承载能力的降 低,试样的某一部位截面开始急剧缩小,因而在低,试样的某一部位截面开始急剧缩小,因而在 工程应力应变曲线上,出现了应力随应变的增工程应力应变曲线上,出现了应力随应变的增 大而降低的现象。大而降低
15、的现象。 曲线上的最大应力曲线上的最大应力b为抗拉强度极限,它是由试为抗拉强度极限,它是由试 样拉断前最大载荷所决定的条件临界应力,即试样拉断前最大载荷所决定的条件临界应力,即试 样所能承受的最大载荷除以原始截面积。样所能承受的最大载荷除以原始截面积。 RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 强度指标及其测定方法强度指标及其测定方法 (5)断裂强度)断裂强度 k Pk/Ak (MPa) 断裂强度断裂强度k k是试样拉断时的真实应力,是试样拉断时的真实应力, 它等于拉断时的载荷它等于拉断时的载荷P Pk k除以断裂后颈除以断裂后颈 缩处截面积缩处截面积A Ak k
16、。 断裂强度表征材料对断裂的抗力。但断裂强度表征材料对断裂的抗力。但 是,对塑性材料来说,它在工程上意是,对塑性材料来说,它在工程上意 义不大,因为产生颈缩后,试样所能义不大,因为产生颈缩后,试样所能 承受的外力不但不增加,反而减少,承受的外力不但不增加,反而减少, 故国家标准中没有规定断裂强度。故国家标准中没有规定断裂强度。 RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 塑性指标:材料断裂前发生永久塑性变形的能力叫做塑性。塑性指塑性指标:材料断裂前发生永久塑性变形的能力叫做塑性。塑性指 标常用材料断裂时的最大相对塑性变形来表示,如拉伸时的延标常用材料断裂时的最大相对
17、塑性变形来表示,如拉伸时的延 伸率伸率和断面收缩率和断面收缩率。 (1) 延伸率延伸率:断裂后试样标距长度的相对伸长值:断裂后试样标距长度的相对伸长值 均匀延伸率b:发生颈缩前的延伸率 总延伸率k:断裂后总的延伸率 0 0 1 0 0 % k k ll l 延伸率测量值与试样尺寸有关延伸率测量值与试样尺寸有关 RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 0 0 A l 000 000 bu kbu mn mn lAAll lll 必须取常数,(1/11.3或1/5.65) 0 0 100% kAA A (2) 断面收缩率 RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性
18、能材料在静载荷下的力学性能 1.1.2 脆性材料的拉伸性能脆性材料的拉伸性能 脆性材料(玻璃、岩石、陶瓷、淬火高碳钢及铸铁等材料 )在拉伸变形时只 产生弹性变形(a),一般不产生或产生很微量的塑性变形。 表征脆性材料力学特征的主要参量有两个:弹性模量弹性模量E E;断裂强度;断裂强度k k。 在工程上使用的脆性材料并非都属于完全的脆性,尤其是金属材料,在工程上使用的脆性材料并非都属于完全的脆性,尤其是金属材料, 绝大多数都有些塑性,在拉伸变形后,即便是脆性材料,也或多或少绝大多数都有些塑性,在拉伸变形后,即便是脆性材料,也或多或少 会产生一些塑性变形会产生一些塑性变形.(c) .(c) RAL
19、RAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 脆性材料的断裂强度等于甚至低于弹性极限,因此断裂前不发生塑性脆性材料的断裂强度等于甚至低于弹性极限,因此断裂前不发生塑性 变形,其抗拉强度比较低,但是这种材料的抗压强度比较高,一般情变形,其抗拉强度比较低,但是这种材料的抗压强度比较高,一般情 况下,脆性材料的抗压强度比抗拉强度大几倍,理论上可以达到抗拉况下,脆性材料的抗压强度比抗拉强度大几倍,理论上可以达到抗拉 强度的强度的8 8倍。倍。 因此,在工程上,脆性材料被大量地应用于受压载荷的构件上,如车因此,在工程上,脆性材料被大量地应用于受压载荷的构件上,如车 床的床身一般由铸铁
20、制造,建筑上用的混凝土被广泛地用于受压状态床的床身一般由铸铁制造,建筑上用的混凝土被广泛地用于受压状态 下,如果需要承受拉伸载荷,则用钢筋来加固。下,如果需要承受拉伸载荷,则用钢筋来加固。 RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 1.1.3 塑性材料的拉伸性能塑性材料的拉伸性能 塑性较好的工程材料曲线大致可分为塑性较好的工程材料曲线大致可分为弹性变形弹性变形、塑性变形塑性变形和和断裂断裂 三个阶段。三个阶段。 弹性变形阶段,真应力应变曲弹性变形阶段,真应力应变曲 线与工程应力应变曲线基本重合;线与工程应力应变曲线基本重合; 从塑性变形开始到应力最大的从塑性变形开
21、始到应力最大的b b点,即点,即 均匀塑性变形阶段,真应力高于工程应均匀塑性变形阶段,真应力高于工程应 力,随应变的增大,两者之差增大,但力,随应变的增大,两者之差增大,但 真实应变小于工程应变。真实应变小于工程应变。 颈缩开始后,塑性变形集中在颈缩区,颈缩开始后,塑性变形集中在颈缩区, 试样的横截面面积急剧减小,虽然工程试样的横截面面积急剧减小,虽然工程 应力随应变增加而减少,但真应力仍然应力随应变增加而减少,但真应力仍然 增大,真应力应变曲线显示出与工程增大,真应力应变曲线显示出与工程 应力应变曲线不同的变化趋势。应力应变曲线不同的变化趋势。 RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能
22、材料在静载荷下的力学性能 1.1.3 塑性材料的拉伸性能塑性材料的拉伸性能 几种塑性不连续型应力应变曲线:几种塑性不连续型应力应变曲线: (a)有明显的屈服现象,而且有一段锯齿形屈服平台,之后发生均匀有明显的屈服现象,而且有一段锯齿形屈服平台,之后发生均匀 塑性变形。塑性变形。(退火低碳钢等)(退火低碳钢等) (b)均匀屈服型应力应变曲线,试样受力产生弹性变形后,出现了均匀屈服型应力应变曲线,试样受力产生弹性变形后,出现了 明显上、下屈服点。明显上、下屈服点。(Fe单晶中常见,多晶纯铁、半导体材料硅、金属锗也有单晶中常见,多晶纯铁、半导体材料硅、金属锗也有。)。) (c)弹性变形之后,有一系列
23、的锯齿叠加于抛物线型的塑性流变曲线弹性变形之后,有一系列的锯齿叠加于抛物线型的塑性流变曲线 上。这种现象是由于材料内部不均匀变形造成的。上。这种现象是由于材料内部不均匀变形造成的。(多是由于孪生或者溶质原子(多是由于孪生或者溶质原子 与位错的交互作用)与位错的交互作用) RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 切应力和正应力对材料的变形和断裂起着不同的作用:切应力和正应力对材料的变形和断裂起着不同的作用: 切应力是位错运动的推动力,只有切应力,才能引起塑性变形,而正应力切应力是位错运动的推动力,只有切应力,才能引起塑性变形,而正应力 主要决定断裂的发展过程,因为
24、只有拉应力,才能促使裂纹的扩展。主要决定断裂的发展过程,因为只有拉应力,才能促使裂纹的扩展。 对于同一种材料,尽管其塑性变形抗力、切断抗力和正断抗力的大小是固对于同一种材料,尽管其塑性变形抗力、切断抗力和正断抗力的大小是固 有的,但在施加承载的条件下,以何种方式产生失效,还与加载方式和应有的,但在施加承载的条件下,以何种方式产生失效,还与加载方式和应 力状态有关。力状态有关。 不同的加载方式决定了不同的应力状态,不同的应力状态对材料的变形和不同的加载方式决定了不同的应力状态,不同的应力状态对材料的变形和 断裂性质产生不同的影响。为此,需要了解不同的静加载方式下试样所承断裂性质产生不同的影响。为
25、此,需要了解不同的静加载方式下试样所承 受的最大切应力和最大正应力。受的最大切应力和最大正应力。 弗里德曼统一考虑了不同应力状态下的强度极限与失效形式,用图解的方弗里德曼统一考虑了不同应力状态下的强度极限与失效形式,用图解的方 法把它们的关系作了概括力学状态图法把它们的关系作了概括力学状态图 。 1.2 材料在其它静载荷下的力学性能材料在其它静载荷下的力学性能 1.2.1 加载方式与力学状态图加载方式与力学状态图 RALRAL 1 1 材料在静载荷下的力学性能材料在静载荷下的力学性能 应力状态软性系数:应力状态软性系数: 某一应力状态下的最大切某一应力状态下的最大切 应力和最大正应力之比:应力
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