第二章 材料的力学性质

第三节 材料的性能
一、机械性能——B 塑性 在外力作用下，材料产生塑性变形而不被破坏的特性。
1、延伸率：
l1 l 100% l
A A1 100% A
2、断面收缩率：
第三节 材料的性能
一、机械性能——B 塑性 3、冷弯试验（冷弯角，焊缝指标） 在冷弯试验机上，以一定 的内半径R进行弯曲，试样受拉 面出现第一道裂纹止，弯曲角 度大则塑性好，这样的试验具 有破坏性。通常以弯曲120°或 180°不出现裂纹为合格。所以 又叫冷弯角试验。
第一节 应力与应变
例 图a表示一等截面直杆，其受力情况如图所示。试 作其轴力图。
解：（1）作杆的受力图(图b)，求约束反力FA； 根据 Fx =0，即：－FA－F1+F2－F3+F4=0 得FA=－40kN＋55kN－25kN＋20kN=10kN
第一节 应力与应变
例 图a表示一等截面直杆，其受力情况如图所示。试 作其轴力图。 （2）求各段横截面上的轴力并作轴力图。
第二节 材料试验
一、低碳钢拉伸试验 第Ⅰ来自百度文库段：弹性变形阶段 应力与应变成正比，
E
比例系数E为材料弹
;
性模量，对同种材料E值
比较稳定。
在弹性阶段撤掉外力， 变形消失。
第二节 材料试验
一、低碳钢拉伸试验 第Ⅱ阶段：屈服流动阶段 材料对变形的抵抗能力 消失，外力不再增加，变形
;
继续。
第二节 材料试验
AB段：FN1=FA=10kN CD段：FN3=20kN－25kN =-5kN BC段：FN2=10kN＋40kN=50kN DE段：FN4=20kN 规定：轴力拉为正、压为负。
第一节 应力与应变
一、应力 3、应力：内力分布集度 （1）1根筷子容易弄断，10根筷子不容易弄断； （2）粗细相同的铁杆与筷子比较，铁杆结实； 可见控制材料不遭到破坏的一是材质、二是材料横 截面积。 为进行材料选择，评定材料的力学性能，要消除面 积的影响，引入应力的概念。 应力：单位面积上的内力，即内力分布集度。
1MPa = 106 N/m2 1GPa = 109N/m2
第一节 应力与应变
二、应变
1．变形——物体受力 后形状和尺寸的改变
2．线应变（简称应变） 即单位长度的变形量，无量纲。
l l
3. 切应变（角应变）原来相互正交的 棱边的直角夹角的改变量称为切应变（角应变）
1.
第二节 材料试验
一、低碳钢拉伸试验 为了测定不同材料的承受载荷的能力（即强度）， 要对材料做拉伸试验即以测定。为了消除试件尺寸的对 测定结果的影响，规定拉伸试验试件按国家标准规定做 成标准试件（几何尺寸、加工精度、试验条件）。
第三节 材料的性能
一、机械性能——A 强度 总结：强度标准的选择 1、弹性极限σp ：精密传动需要，但难控制，属保守设计。 2、屈服极限σs；化工容器材料达到屈服不会损坏，趋于保 守。（ σ0.2 ） 3、抗拉强度σb ：化工容器的破坏是应力值超过抗拉强度 σb强撕裂容器形成的爆炸。但可以通过检测材料屈服时 发出的超声。因此在容器设计中更看中（σs/σb）屈强比， 要求大点，但不要超过0.7 4、蠕变强度σn 5、持久强度 σD （ σ105 ） 6、疲劳强度 σ-1 ：交变应力作用下。
第三节 材料的性能
一、机械性能——D冲击韧性 1 冲击实验消耗功的大小取决于金属塑性变形
的体积，因缺口应力分布不均匀故用单位面 积的冲击功代替。夏比缺口应力集中更大， 低温容器用钢要提供夏比试样试验数据。
H1
梅氏
2
夏比
Ak N m k ( 2) cm F
H2
第三节 材料的性能
一、机械性能——E缺口敏感性 材料在有应力集中情况下抵抗裂纹扩展的能力
第二节 材料的性能
一、机械性能——C 硬度 1、布氏硬度（HB）测定
p D d p
测试方法用HBd,p,t表示， 如HB10，30000，10表示钢球直径 10mm，作用力为30000N,保压 10秒钟。
0.25D < d < 0.6D, 否则不准。
HB≤450MPa
采用钢球，记为HBS
HB
P P 2P AS Dh D( D D2 d 2 )
第一节 应力与应变
3、应力 在截面任一点周围有微小面积 A， 设其上内力F，则应力定义为
F p A
;
总应力的法相分量称为正应力，切向应力称为剪应力
N A
T A
规定：正应力拉为正，压为负
第一节 应力与应变
3、应力
单位：应力的国际单位为 N/m2
1N/m2
;
= 1Pa（帕斯卡）
一、低碳钢拉伸试验 第Ⅲ阶段：强化阶段 抵抗变形的能力增强。 如果在K点撤除外力，将沿着 KO1变化，OO1为单位长度的 残余变形。重新施加外力， 将沿着KO1变化，承载能力增 强，称为冷作硬化。
;
第二节 材料试验
一、低碳钢拉伸试验 第 Ⅳ 阶段：
颈缩阶段。
试件局部范 围横向尺寸
;
急剧缩小， 称为颈缩。
;
试件：规定圆截面标准 试件的工作长度 l （也称标 距）与其截面直径d。
第二节 材料试验
一、低碳钢拉伸试验 试件：长试件：l =10d 5d 短试件：l 试验条件：常温(20℃)；静载。
;
第二节 材料试验
一、低碳钢拉伸试验
（1）夹持试件 （2）油压缓慢加载使试件受
拉 （3）记录 F L 测试数值 （4）直至拉断，观察力与变 ; 形的全过程 （5）绘制 F L 拉伸曲线 （自动绘图） （6）清除尺寸影响作 曲线，根据曲线特征大 致分为四个阶段研究材料力学性 能。
第三节 材料的性能
一、机械性能——A 强度 4、蠕变强度（极限）σn （1）蠕变的危害
①不利于常规手段的检测。高温蒸汽管道；隧道炉传动链条。 ②材料发生蠕变有大致的极限温度 碳钢：420℃； 合金钢：450℃； 轻合金族（铝、镁）；50℃-150℃
第三节 材料的性能
一、机械性能——A 强度 4、蠕变强度（极限）σn （2）应力标准的确定 材料的使用温度超过极限温度就会发生蠕变，且残余塑性变 形与应力大小、作用时间长短成正比。 ①1万（10万）小时残余变形达1%时的应力。 ② v=10-5/h (v=10-4/h)时的应力值。
第一节 应力与应变
一、应力 *1、内力的概念


外力：其它物体施加的力。包括构件所承受的载荷及约束 反力。 （1）载荷：外力（主动力） （2）约束反力：外力（被动力） 内力：由外力引起的构件内部的相互作用力。 内力的大小以及在构件内部的分布方式随外力和变形的改 变而变化，并与构件的强度、刚度和稳定性密切相关，内 力分析是材料力学的基础。
铸铁 <5%，突然断裂；
<5%，为脆性材料。 >5%，为塑性材料。
第三节 材料的性能
一、机械性能 又叫力学性能，指在外力作用下表现出来的性能。 强度：材料抵抗外力作用而不失效的特性。 塑性：在外力作用下，材料产生塑性变形而不被破坏的特性。 硬度：金属材料不大的体积内抵抗硬物压入的特性。 韧性：材料快速变形吸收能量而不被破坏的特性。 缺口敏感性：在有应力集中的条件下，抵抗裂纹扩展的特性。
d
第二节 材料的性能
一、机械性能——C 硬度
洛氏硬度与其他硬度指标换算表 HRC 65 HRA 83.6 HB -HV 798
60
55 50 45 40 35
81
78.4 75.8 73.2 70.6 68
-538 480 422 369 322
687
587 504 435 378 329
第三节 材料的性能
第三节 材料的性能
一、机械性能——A 强度
强度：材料抵抗外 力作用而不失效的特性。 不同的生产环境、不同 的失效的标准不同，衍 生出不同的的强度指标。
1、弹性极限σp ：很难控制。
第三节 材料的性能
一、机械性能——A 强度 2、屈服极限σs ：对退火 或热轧处理的中低碳钢屈服较明 显。 对其它没有明显屈服段的属 材料规定产生0.2%残余变形时承 受的应力值，记为条件屈服极限 σ0.2
第二节 材料试验
一、低碳钢拉伸试验 1、延伸率
l1 l 100% l
A A1 2、断面收缩率 100% A
;
第二节 材料试验
二、其它试验
为了测定不同材料的承受载荷 的能力，对锰钢、硬铝、退火球 墨铸铁、铸铁进行拉伸试验。
锰钢没有屈服和颈缩阶段；
; 硬铝、退火球墨铸铁没有明显 屈服阶段；
p
第三节 材料的性能
总结：韧性\缺口敏感性\塑性的区别

韧性:在冲击载荷的作用下，存在应力集中，反映 材料快速变形抵抗破坏的能力。 缺口敏感性：在静载荷的作用下较高的应力集中条 件下，材料缓慢变形抵抗破坏的能力
适用范围 硬质合金 有色金属 淬火钢
第二节 材料的性能
一、机械性能——C 硬度 3、维氏硬度（HV）测定 (负荷可以任选) 维氏硬度测试原理与布氏硬度测试原理相同，求单位 压痕面积上的应力，只是维氏硬度测试使用顶角为136◦金 刚石方锥。
e
P 1.8544 P HV AV d2 P (50N～1000N )
第三节 材料的性能
一、机械性能——A 强度 5、持久强度（极限）σD 一定应力、温度条件下，材料长久抵抗断裂的能力。 σD应力标准的确定：给定温度下，10万小时不断裂承 受的最大的应力值，记为：σ105。
第三节 材料的性能
一、机械性能——A 强度 6、疲劳强度σ-1（一般≤0.5σb） （1）金属在交变应力作用下，会产生疲劳现象。 （二战时坦克履带轴断裂） （2）交变应力：大小和方向随时间而变化的应力 （铁丝拉断、崴断比较） （3）交变应力作用下在规定次数不发生断裂的所能 承受的最大应力值。一般化工设备用材料规定的 循环次数为5×106（刺刀5×105）
第三节 材料的性能
一、机械性能——A 强度
3、抗拉强度（极限）σb ： 拉断时所承受的最大应力值。
第三节 材料的性能
一、机械性能——A 强度 4、蠕变强度（极限）σn 高温条件下，材料的屈服 点、抗拉强度、弹性模量、 塑性都会发生变化。 我们把在高温条件下，较 小的应力（<σp）作用使材料 发生持续塑性变形的现象叫 蠕变。
第一节 应力与应变
一、应力 *2、内力的求法——截面法
第一节 应力与应变
一、应力 *2、内力的求法——截面法 1．截：在需要求内力的截面处，用一假想的垂直于轴 线的截面把构件分成两个部分； 2、取：保留其中任一部分作为研究对象，而弃去另一 部分，称之为分离体； 3、代：将弃去的另一部分对保留部分的作用力用截面 上的内力代替； 4、平：对保留部分(分离体)建立平衡方程式，由已知 外力求出截面上内力的大小和方向。 在使用截面法求内力时，构件在被截开前，静力学中的 力系等效代换及力的可传性是不适用的。
450MPa≤HB≤650MPa
采用硬质合金球，记为HBW
第二节 材料的性能
一、机械性能——C 硬度 2、洛氏硬度（HR）测定 (压痕小)
P
R=0.2
符号 HRA HRB HRC
压头 金刚石圆锥 1.588mm钢球 金刚石圆锥 （120◦）
负荷 600N 1000N 1500N
硬度值有效范围 ＞70 25～100 （HB60～HB230 ） 20～67 （HB230～HB700 ）
一、机械性能——D冲击韧性 材料快速变形吸收能量而不被破坏的特性。 1、汽车材料冲击韧性好，撞击时吸收撞击能量可以有效保 护成员安全。出口汽车须过撞击实验。 2、设备材料韧性好，防止疲劳裂纹快速发展，防止爆炸。 （吉林市发生2000立油罐爆炸） 韧性和塑性的区别：韧性是抵抗冲击的快速变形吸收能 量的能力；而塑性是抵抗缓慢增长的应力，有好塑性不一定 有好韧性，有好韧性一定有好塑性。
F
F
第三节 材料的性能
一、机械性能——B 塑性 4、弯曲试验 6mm以下钢板，以一定的内 半径R一定的角度进行反复弯曲， 其频率小于60次/分钟,当弯曲 规定的次数而无分层、脱片、 裂纹则认定为合格。
nO次
F
90 或 180
F
第三节 材料的性能
一、机械性能——C 硬度 金属材料不大的体积内抵抗硬物压入的特性，反映材料的 综合指标。 测定标准有三种：布氏硬度（HB）、洛氏硬度 （HRC）、维氏硬度（HV）。 布氏硬度（HB）洛氏硬度（HRC）常用，其中尤以 布氏硬度（HB）测量最为准确，但布氏硬度（HB）测量 范围较窄，HB45 MPa以上便无法测量，对薄的物体测量 时形成的压痕大，破坏表面。