材料力学10

b 先上升后下降 1）温度升高，
先下降后上升 b 最高 在250－350度之间，
兰脆：强度最高，塑性最低。 2）温度不断升高， s 不断下降 到400度时，屈服现象消失。
3）弹性模量E随温度升高而下降
§10–1 高温下材料的力学性能 二、温度对材料力学性能的影响 2、蠕变 1）蠕变现象 蠕变：在一定温度和不变应力下，材料随时间 增加而缓慢地发生塑性变形的现象称为蠕变。 沥青在自重作用 下会渐渐流动。
交变应力： 正应力、切应力
§10-3 交变应力下材料的疲劳极限 一、交变应力、循环特性、应力幅和平均应力 1、交变应力 交变应力： 随时间作周期性改变的应力称为交变应力。 活塞杆 连杆
y
A
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实际结构疲劳试验装置
§10-3 交变应力下材料的疲劳极限 二、材料在交变应力作用下的破坏特点，疲劳极限 4、疲劳试验 1）疲劳试验装置 2）疲劳试件 一组光滑小试件
特点：
裂纹源、光滑区、粗糙区
颗粒状区域
光滑区域
§10-3 交变应力下材料的疲劳极限 二、材料在交变应力作用下的破坏特点，疲劳极限 3、疲劳破坏和特点 疲劳破坏过程 －累积损伤的形成
初始缺陷
滑
移
滑移带
初始裂纹(微裂纹)
脆性断裂
宏观裂纹扩展
宏观裂纹
§10-3 交变应力下材料的疲劳极限 二、材料在交变应力作用下的破坏特点，疲劳极限 4、疲劳试验
A—名义持久限。
N0—循环基数。
r—材料持久限。
§10-3 交变应力下材料的疲劳极限 二、材料在交变应力作用下的破坏特点，疲劳极限 3、疲劳破坏和特点 弹簧的疲劳失效
疲劳源
§10-3 交变应力下材料的疲劳极限 二、材料在交变应力作用下的破坏特点，疲劳极限 3、疲劳破坏和特点 1）抵抗断裂的极限应力低于强度极限，甚至屈服极限。 2）破坏有一个过程，构件需经过若干次应力循环才 突然破坏。 3）材料的破坏呈脆性断裂。
强度高：强度极限应力 b
n 材料的屈服强度 0.2
塑性好：延伸率
铸铁拉伸
§10–1 高温下材料的力学性能 一、常温、静载下的材料力学实验 低碳钢和铸铁材料的压缩实验
s 低碳钢：
铸铁： b
铸铁材料 b b
§10–1 高温下材料的力学性能 二、温度对材料力学性能的影响 1、短时高温下材料的力学性能
工程力学
工程力学
第十章 材料的力学性能
第十章 材料的力学性能
§10-1 高温下材料的力学性能 §10-2 冲击吸收功 §10-3 交变应力下材料的疲劳极限 §10-4 断裂韧度 §10-5 硬度
§10-6 提高和改善材料力学性能的途经
第十章 材料的力学性能 【本章重点内容】
1. 蠕变、应力松弛、疲劳极限、断裂韧度概念 2. 对称循环下的疲劳强度计算
tT
－在工作温度T下，经历t小时不发生断裂的持 久强度极限。
对在高温下长期承受静载的构件进行安全计算时， 考虑设备对蠕变变形限制量的具体要求，一般应使工作 应力小于相应的蠕变极限。
§10–1 高温下材料的力学性能 二、温度对材料力学性能的影响 3、应力松弛 应力松弛：在规定温度及初始变形或位移恒定的条下， 材料中的应力随时间而逐渐减小的现象称为应力松弛。 连接高温蒸汽管道的螺栓，拧紧后产生伸长变形， 因螺栓蠕变，其弹性变形量减小，塑性变形增加，螺 栓的应力降低，因此出现应力松弛。
伸长率随时间变化曲线
蠕变速度逐渐减小
第二阶段：
蠕变速度恒定
第三阶段：
蠕变速度不断增加， 直至断裂。
第一阶段
第二阶段 第三阶段
§10–1 高温下材料的力学性能 二、温度对材料力学性能的影响 2、蠕变 2）蠕变规律 蠕变曲线：试样在一定的拉力和温度下，蠕 变伸长率随时间变化的曲线。 各种金属的蠕变曲 线决定于材质，但 温度和应力的大小 也影响蠕变。 对给定材料，当应 力较小或温度较低 时，蠕变匀速阶段 长，蠕变速度也低 当应力大或温度高 时，蠕变只有第一 阶段和第三阶段。
用第一种方法表示蠕变：
用第二种方法表示蠕变：
T
t

700 0.2 100
T v
1600 105
700 C 100h 0.2% 600oC 1×10－5% / h
§10–1 高温下材料的力学性能 二、温度对材料力学性能的影响 2、蠕变 3）蠕变极限和持久极限强度
持久强度极限：在指定温度T和规定时间t内，使材料 因蠕变而不发生断裂的最大应力称为持久极限应力。
冲击力功 W k 断口面积 A
②“V”型口试件的冲击韧性：
k 冲击力功W
③ 冷脆：温度降低，冲击韧性下降的现象称为冷脆。
当温度降低到某一温度下时，材料在发生塑性变形之 前就因拉断而破坏，这就是材料的的冷脆。而上述温度则
称为脆性转变温度或简称转变温度。
§10–2 冲击吸收功 三、冲击吸收功的应用 由于冲击吸收功值不仅与材料有关，而且随试样的 形状、尺寸不同而显著改变。所以，由标准试样测得的 冲击吸收功值不能直接换算到实际构件上。 冲击吸收功值只适用于评定承 受一次冲击、或较大能量多次 冲击材料的抗断能力。
a max
m 0
§10-3 交变应力下材料的疲劳极限 一、交变应力、循环特性、应力幅和平均应力 3、几种特殊的交变应力
max m min

2）脉动循环 r min 0 max
a m max
2
a
t
m max min
3）静循环 min r 1 max
§10–2 冲击吸收功 二、冲击吸收功 为了评定材料在冲击载荷下脆性破坏的倾向，在工 程中广泛采用一次摆锤冲击试验，测定标准试样在一次 冲击载荷作用下折断时试样所吸收的冲击功。 冲击试验器
2 1
l
国家标准： 《金属夏比缺口冲击试验方法》 （GB/T 229－1994）
mg
试件
§10–2 冲击吸收功 二、冲击吸收功 ① “U”型口试件的冲击韧性：
min r max
max min
2
2）平均应力 m
3）应力幅 交变应力
a
max min
2
稳定交变应力：循环特征及循环周期都不变。
不稳定交变应力：循环特征及循环周期变化。
§10-3 交变应力下材料的疲劳极限 例10-1 发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Pmax =58.3kN， 最小拉力Pmin =55.8kN ，螺纹内径为 d=11.5mm，试求 a 、m 和 r。 解： max Pmax 458300 2 561MPa A 0.0115
伸长率随时间变化曲线
低熔点金属（铅、 锌等）在室温下有 蠕变。 高熔点金属钢等在 高温下有蠕变。
低碳钢300－350度
第一阶段
第二阶段 第三阶段
合金钢350－400度
§10–1 高温下材料的力学性能 二、温度对材料力学性能的影响 2、蠕变 2）蠕变规律 蠕变曲线：试样在一定的拉力和温度下，蠕 变伸长率随时间变化的曲线。 第一阶段：
§10–2 冲击吸收功 一、速度对材料力学性能的影响 当加载速度很慢时，金属材料的力学性能是稳定的， 因此可以按静载处理。当加载速度较快时，随着加载速 ）升高，塑性指标（ 度的增加，强度指标（ ） s , b , 下降，材料脆性增加。 工程中的设备中，采掘机、锻压机等承受加速度很快 的冲击载荷；一般设备也会受到启动、急刹车或超载等引 起的冲击载荷作用，这时材料的脆性破坏倾向增加。 材料处于低温时，受到冲击载荷作用，脆性破坏的危 险性更大。
0
th
O
a c b
l
l
§10–1 高温下材料的力学性能 二、温度对材料力学性能的影响 3、应力松弛
温度不变 3 2 1
初始弹性应变不变
T1T2 T3
3 2 1
T3 T2 T1
初应力越大，松弛的初速率越大
温度越高，松弛的初速率越大
第十章 材料的力学性能
§10-2 冲击吸收功
第十章 材料的力学性能
§10–1 高温下材料的力学性能
§10–1 高温下材料的力学性能 一、常温、静载下的材料力学实验 拉伸实验：低碳钢 强度指标： s b
§10–1 高温下材料的力学性能 一、常温、静载下的材料力学实验 其它材料的拉伸实验
1－锰钢 2－硬铝 3－退火球墨铸铁 4－青铜
应力－应变曲线：
2）平均应力
a
t
m
T
max min
2
3）应力幅
4）循环周期
T
a
max min
2
§10-3 交变应力下材料的疲劳极限 一、交变应力、循环特性、应力幅和平均应力 3、几种特殊的交变应力 1) 对称循环
max m min a
T
t
r
min 1 max
2 1lFra bibliotek mg
试件
冲击试验对材料品质、内部 缺陷、脆性转化趋势和工艺 质量等方面较其它试验方法 敏感，能显示材料内部组织 结构的微小差异，所以广泛 应用于材料的品质和控制热 处理工艺质量等方面。
第十章 材料的力学性能
§10-3 交变应力下材料的疲劳极限
§10-3 交变应力下材料的疲劳极限 一、交变应力、循环特性、应力幅和平均应力 1、交变应力 交变应力： 随时间作周期性改变的应力称为交变应力。 传动轴 齿轮的齿
§10-3 交变应力下材料的疲劳极限 二、材料在交变应力作用下的破坏特点，疲劳极限 1、材料持久限(疲劳极限) 循环应力只要不超过某个“最大限度”,构件就可 以经历无数次循环而不发生疲劳破坏，这个限度值称 为“疲劳极限”，用r 表示。 2、 —N 曲线（应力—寿命曲线）