吉林大学《机械工程材料》期末考试备考资料( 二)

吉大《机械工程材料》（二）

定义：材料在承受外力作用时所表现出来的性能称为材料的力学性能。

一、材料变形的过程

三个阶段：弹性变形、弹塑性变形、断裂。

二、刚度

定义：工程上，指构件或零件在受力时抵抗弹性变形的能力。

计算：等于材料弹性模量E与零构件截面积A的乘积。

弹性模量E：材料在弹性变形范围内，应力与应变成正比，其比值为弹性模量E=σ/ε（MPa）。它表示的是材料抵抗弹性变形的能力，反映了材料发生弹性变形的难易程度。

二、强度、塑性、硬度——材料在静载荷下的性能指标

1．强度

定义：在外力作用下，材料抵抗变形或断裂的能力。

物理意义：材料在每个变形阶段的应力极限值。

（1）弹性极限σ

e

材料在外力作用下发生纯弹性变形的最大应力值为弹性极限σe，即A点对应的应力值，表征材料发生微量塑性变形的抗力。

（2）屈服强度σ

s

试样发生屈服现象时的应力值，屈服点S的应力值称为屈服强度σ

，表征材料开始发生

S

明显的塑性变形。

没有明显的屈服现象发生的材料，用试样标距长度产生%塑性变形时的应力值作为该材料

。

的屈服强度，用σ表示，称为条件屈服强度。意义同σ

S

（3）抗拉强度σ

b

称为抗拉强度或强度极限，表征材料的材料在拉伸载荷作用下所能承受的最大应力值σ

b

断裂抗力。

强度是零件设计和选材的主要依据。

2．塑性

定义：材料在外力作用下，产生塑性变形而不破断的能力称为塑性。

指标：工程上常用延伸率δ和断面收缩率ψ作为材料的塑性指标。

材料的δ和ψ值越大，塑性越好。

3．硬度

定义：指材料表面抵抗局部塑性变形的能力，是表征材料软硬程度的一种性能。通常材料的强度越高，硬度也越高，耐磨性也越好。

硬度指标：与试验方法有关。生产上，常用静载压入法，常用方法有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

布氏硬度HBS：淬火钢球压头，压痕大，不能测太硬度的材料，适用于测量退火和正火钢、铸铁、有色金属等材料的硬度。

洛氏硬度HRC：锥角为120°的金刚石圆锥体压头，适用于调质钢、淬火钢、渗碳钢等硬度的测量。

洛氏硬度HRB：Φ1.59mm淬火钢球压头，适用于测量有色金属、铸铁、退火态和正火态钢等。

洛氏硬度与布氏硬度相比压痕小，软硬材料都可以测量，但同样不同标尺之间不可相互比较硬度值的大小。

维氏硬度HV：锥面角为136 °的金刚石四棱锥体为压头，适于测定薄件和经表面处理零件的表面层的硬度，如渗碳层、表面淬硬层、电镀层等，以及微观组织的硬度。

维氏硬度测定的硬度值比布氏、洛氏精确，压痕小，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度，并统一比较。

刚度：刚度设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。主要力学性能是材料的弹性模量。如精密机床主轴等零构件。

弹性指标：在设计弹性零件时，需考虑弹性极限和弹性模量是的性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等。

屈服强度和塑性：一般零件的抗断裂设计。

硬度：在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚动轴承等。

三、冲击韧性

定义：指在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，是材料强度和塑性的综合表现。

衡量指标：冲击韧度a k (a k＝ A k/F k )

a

K

值测定方法：一次弯曲冲击实验法，

物理意义：试样在冲断时单位横截面积上所消耗的冲击功A

K

，单位为J/cm2。a K值越大，表示材料的冲击韧性越好。

应用：

（1）评价材料冶金质量和锻造及热处理的缺陷（因其对材料中的缺陷比较敏感），与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计。

（2）低温冲击试验，测量材料的韧脆转变温度T

K 。T 〉T

K

为韧性断裂，不希望材料在

T

K

温度以下工作。

四、疲劳强度—交变载荷

交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。

疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生低应力断裂的现象成为疲劳断裂。

疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。

疲劳抗力指标：疲劳极限，又称疲劳强度，用σ

－1

表示。材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力，即疲劳曲线上水平部分对应的应力值。

疲劳断裂的原因：一般认为是，由于材料表面与内部的缺陷（夹杂、划痕、尖角等），造成局部应力集中，形成微裂纹。随应力循环次数的增加，微裂纹逐渐扩展，使零件的有效承载面积逐渐减小，以致于最后承受不起所加载荷而突然断裂。

提高材料疲劳抗力的措施：通过合理选材，改善材料的结构形状，避免应力集中，减小材料和零件的缺陷；提高零件表面光洁度；对表面进行强化，喷丸处理等，可以提高材料的疲劳抗力。