《工程材料及焊接基礎(chǔ) 材料的力學(xué)性能》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《工程材料及焊接基礎(chǔ) 材料的力學(xué)性能（40頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),薛教授,工程材料及焊接基礎(chǔ),時(shí)間：,工程材料參考資料,：,工程材料與制造工藝教程，沈紉秋；,工程材料，李遇昌,王本德；,船舶與海洋工程材料，姜錫瑞；,金屬熔焊原理，周振豐，張文鉞。,工程材料及焊接基礎(chǔ),課程的主要內(nèi)容,：,（1）金屬的基礎(chǔ)理論,材料的力學(xué)性能、純金屬結(jié)構(gòu)與結(jié)晶、相結(jié)構(gòu)與相圖、鐵碳合金、鋼的熱處理、塑性變形與再結(jié)晶。,（2）工程材料,鋼、有色金屬及其合金、非金屬材料、復(fù)合材料。,（3）材料加工工藝,鑄造、鍛壓、焊接、熱處理。,工程材料及焊接基礎(chǔ),課程的目的,：,獲得常用工程材料的種類(lèi)、成分、組

2、織、性能和改性方法的基本知識(shí)。通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和知識(shí)的綜合和運(yùn)用，初步具備根據(jù)零件的服役條件合理選擇和使用材料，正確制定熱處理工藝方法和妥善安排工藝路線的能力。,工程材料及焊接基礎(chǔ),課程的特點(diǎn),：,內(nèi)容龐雜，原理規(guī)律多，概念定義多。,許多內(nèi)容 看不見(jiàn)，摸不著，枯燥、乏味。,老師難教，學(xué)生難學(xué)。,工程材料及焊接基礎(chǔ),材料的分類(lèi),：,按結(jié)合鍵,分為金屬鍵（金屬材料）、離子鍵（陶瓷材料）及共價(jià)鍵（高分子材料）；,按性能,劃分為結(jié)構(gòu)材料（力學(xué)性能為主）和功能材料（物理性能為主）。,本課程以,工程結(jié)構(gòu)材料,為主。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,金屬材料的性能,：,物理性能：,熔點(diǎn)、密度、熱膨脹性、導(dǎo)熱

3、性、導(dǎo)電性和磁性。,根據(jù)服役條件和用途的不同，選擇不同物理性能的材料，成為選擇材料的依據(jù)。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,化學(xué)性能,：,常溫或高溫下抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力，也稱(chēng)為化學(xué)穩(wěn)定性,（抗氧化性和耐腐蝕性，mm/y）,。,耐蝕性：抗大氣、海水、酸、堿等腐蝕介質(zhì)。,抗氧化性：抵抗高溫、強(qiáng)腐蝕燃?xì)饣蛄黧w介質(zhì)對(duì)材料性能的影響。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,材料的力學(xué)性能,除物理、化學(xué)性能外，一般設(shè)計(jì)與選材時(shí)以材料的,力學(xué)性能,做為主要依據(jù)。,材料的力學(xué)性能,一般包括：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等。,力學(xué)性能數(shù)據(jù)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)測(cè)定或者查閱相關(guān)手冊(cè)。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)

4、理論,（1）強(qiáng)度,金屬在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。根據(jù)外力的不同強(qiáng)度可以分為：抗拉、抗壓、抗彎、抗剪和抗扭強(qiáng)度等。,分別以應(yīng)力,（單位面積上的內(nèi)力，P/A）和應(yīng)變（單位長(zhǎng)度上的伸長(zhǎng)量L/L,0,）代替P和L繪出的應(yīng)力-應(yīng)變可得到比例極限、彈性極限、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度指標(biāo)等。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,低碳鋼拉伸圖,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,比例極限（Mpa）：,金屬材料的伸長(zhǎng)量與載荷成正比的最大應(yīng)力。應(yīng)力小于比例極限時(shí)，符合虎克定律。,實(shí)際很難測(cè)定，,國(guó)標(biāo)規(guī)定：拉伸曲線上稍微偏離彈性直線的某點(diǎn)，該點(diǎn)的切線與載荷軸夾角的正切值較彈性直線與載

5、荷軸間的夾角正切值增加50%時(shí)，該點(diǎn)處的應(yīng)力作為“規(guī)定比例極限”。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,彈性極限(MPa)：,材料能夠承受，不產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力。,小于該點(diǎn)時(shí)載荷與伸長(zhǎng)量呈非線性，但仍是彈性變形，大于該點(diǎn)為彈-塑性變形階段。,國(guó)標(biāo)規(guī)定：殘余伸長(zhǎng)量為標(biāo)距程度L,0,的0.01%時(shí)的應(yīng)力作為“規(guī)定的彈性極限”。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,屈服強(qiáng)度(MPa)：,金屬材料開(kāi)始屈服時(shí)的最小應(yīng)力（外力不增加塑性變形繼續(xù)顯著增加）。但是合金鋼、銅合金、鋁合金等沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，因此,國(guó)標(biāo)規(guī)定：殘余應(yīng)變量達(dá)到0.2%時(shí)的應(yīng)力稱(chēng)為屈服極限，用,0.2,表示。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基

6、礎(chǔ)理論,抗拉強(qiáng)度(MPa)：,由于變形引起強(qiáng)化作用使得變形抗力增加，金屬材料能承受的最大應(yīng)力稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度。,工程材料及焊接基礎(chǔ),工程上不僅希望有高的,s,，而且有一定的屈強(qiáng)比（,s,/,b,），,屈強(qiáng)比越小，結(jié)構(gòu)的安全性越高，,萬(wàn)一突然超載，結(jié)構(gòu)不會(huì)立即破斷。否則材料強(qiáng)度的利用率很低，不能發(fā)揮材料的性能潛力。,金屬基礎(chǔ)理論,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,幾種典型材料的拉伸圖,鑄鐵、碳鋼、純鋁,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,剛度：,抵抗彈性變形的能力，用彈性模量表征。彈性模量主要取決于材料本身特性，表示金屬原子間結(jié)合力大小的參數(shù)，,冷變形、熱處理、合金化等手段對(duì)彈性模量的提高作用不大。,

7、工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,塑性,斷裂前金屬產(chǎn)生塑性變形的能力。通常用延伸率,（%）和斷面收縮率（%）表示，,表示塑性更能體現(xiàn)材料的真實(shí)應(yīng)變。,試樣拉斷后標(biāo)距增加的長(zhǎng)度與原標(biāo)距長(zhǎng)度百分比。,試樣拉斷后斷裂處截面積最大縮減量與原試樣截面積百分比。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,硬度：,表示材料軟硬程度，表征材料對(duì)局部塑性變形抗力的指標(biāo)。,一般來(lái)說(shuō)硬度高，耐磨性好；硬度與強(qiáng)度之間有一定的聯(lián)系，可由硬度估算強(qiáng)度；測(cè)量簡(jiǎn)便，不必破壞零件。,測(cè)量硬度的方法主要有布氏法、洛氏法與維氏法。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,在布氏硬度機(jī)上測(cè)定。將直徑為D的淬火鋼球在一定的載荷P作用下壓入所測(cè)材料，

8、經(jīng)過(guò)規(guī)定加載時(shí)間然后卸載，得到直徑為d的壓坑，載荷除以壓坑面積得到布氏硬度值。,布氏硬度值在450以下的材料選用普通淬火鋼球，以HBS表示；硬度值達(dá)到650以下，選用硬質(zhì)合金球。太硬可能引起鋼球變形時(shí)不能用布氏硬度值表示。,布氏硬度（HBS/W）：,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,布氏硬度與,b,之間的換算關(guān)系：,軋制鋼、鍛鋼：,b,(0.340.36)HBS；,冷變形黃銅、青銅：,b,0.4HBS,；,鑄鋼：,b,(0.30.4)HBS；,灰鑄鐵：,b,0.1HBS；,鑄鋁：,b,0.26HBS。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,洛氏硬度（HR）：,以壓頭的壓坑深度計(jì)量硬度大小,。加載過(guò)

9、程如下：,(1)加10kg初載，壓坑深度h,1,，目的消除表面粗糙度的影響；,（2）加主載50/90/140kg，壓坑深度為h,2,；,（3）卸主載保留初載，由于彈性恢復(fù)壓坑深度為h,3,。h,3,-h,1,=,h計(jì)算深度。,HR=K-,h,/0.002表示硬度值。,K常數(shù)，金剛石圓錐體100，淬硬鋼球130,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,常用洛氏硬度的三種標(biāo)度,標(biāo)尺符號(hào),壓頭類(lèi)型,載荷/kg,K,測(cè)量范圍,測(cè)試?yán)?HRA,金剛石圓錐,60,100,7085,表面硬化層，硬質(zhì)合金等。,HRB,淬火鋼球,1.588,100,130,25100,鋁合金、鎂合金、退火鋼等,HRC,金剛石圓錐,1

10、50,100,2067,淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等硬零件。,壓坑小，多用于成品檢驗(yàn)，但也因此對(duì)組織粗大成分不均勻的材料測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,維氏硬度（HV）：,單位壓痕表面積所承受的抗力。,與布氏硬度法相似，不同點(diǎn)在于所加載荷較小，并且用頂角為136,的金剛石棱錐體做壓頭,。在載荷作用下測(cè)量對(duì)角線長(zhǎng)度為d的壓痕。,廣泛用于測(cè)定工件表面硬化層或金屬鍍層以及薄片金屬的硬度。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,沖擊韌性：,試樣抵抗沖擊載荷的能力。,結(jié)構(gòu)服役時(shí)要承受沖擊載荷，比如飛機(jī)起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸、鍛錘錘頭、火車(chē)掛鉤、沖床的連桿和曲軸等。,采用擺錘沖擊試驗(yàn)法測(cè)定。有兩種表示方

11、法：,A,k,擺錘沖斷試樣所做的功（J）；,a,k,打斷試件在其缺口處單位面積上消耗的能量（J/cm,2,）。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,影響a,k,的因素：,金屬材料缺陷、淬火過(guò)熱、夾雜、裂紋、,溫度,等都非常敏感。,需要注意的問(wèn)題：,大能量一次沖擊抗力主要取決于材料的塑性，而小能量多次沖擊抗力則取決于材料的強(qiáng)度。片面追求過(guò)高的,a,k,，而使強(qiáng)度受到損害，導(dǎo)致零件早期失效。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,疲勞強(qiáng)度：,疲勞,：,金屬材料在交變載荷作用下，其工作應(yīng)力小于抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度，零件發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象。,疲勞易發(fā)構(gòu)件,：旋轉(zhuǎn)或做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的,轉(zhuǎn)軸、齒輪、彈簧、連桿等零件上，

12、80%的零件失效與疲勞有關(guān)。,交變載荷形成兩類(lèi)應(yīng)力,：方向不變，大小變化（重復(fù)應(yīng)力）；方向和大小都發(fā)生變化（交變應(yīng)力）,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,疲勞斷裂原因,：,在交變載荷作用下，在零件表面 的應(yīng)力集中部位（晶界、孿晶、非金屬夾雜、裂紋、軟點(diǎn)、劃痕等）或材料本身強(qiáng)度較低的部位（脫碳層）產(chǎn)生不均勻劃移，造成駐留劃移帶，形成疲勞微裂紋，隨著應(yīng)力循環(huán)周次的進(jìn)行，微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，使零件有效截面積減少。減少到不能承受外加載荷作用時(shí)發(fā)生失效破壞。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,疲勞斷口特征,：,以疲勞源為中心逐漸向零件內(nèi)部擴(kuò)展的若干弧線光亮區(qū)和最后斷裂的粗糙區(qū)（結(jié)晶狀或纖維狀）組成。,工程

13、材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,疲勞強(qiáng)度,是試樣經(jīng)過(guò)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)仍不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，是評(píng)定疲勞抗力的指標(biāo)，以應(yīng)力做縱坐標(biāo)，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)做橫坐標(biāo)，可以繪制一幅,SN,曲線。,R=下限應(yīng)力/上限應(yīng)力,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,改善疲勞強(qiáng)度的措施,：,設(shè)計(jì)方面：,避免尖角，保證零件的粗糙度；,材料方面：,保證冶金質(zhì)量，減少夾雜疏松缺陷；,工藝方面：,強(qiáng)化零件表面，比如表面淬火、滲碳、氮化、噴丸、滾壓等。表面硬度提高可減少劃傷，在表層形成壓應(yīng)力。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,斷裂韌性：,低應(yīng)力脆斷,：,（1）斷裂應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度；,（2）即使是塑

14、性材料，斷裂前也沒(méi)有任何征兆，呈脆性斷裂。,傳統(tǒng)力學(xué)不能解釋該現(xiàn)象。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,傳統(tǒng)力學(xué),：,無(wú)缺陷均勻體；,斷裂力學(xué),：,有許多宏觀裂紋的連續(xù)體。,實(shí)踐也證明了材料破斷總是從一些缺陷或裂紋處開(kāi)始的，低應(yīng)力脆斷為該裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。,構(gòu)件中裂紋的長(zhǎng)度越長(zhǎng)或深度越深，裂紋尖端的應(yīng)力越集中，發(fā)生失穩(wěn)破斷的臨界應(yīng)力越小。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,裂紋在外力作用下擴(kuò)展的方式,：,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,斷裂力學(xué)運(yùn)用彈性力學(xué)的分析方法，對(duì)裂紋尖端彈性應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，提出了一個(gè)描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)程度強(qiáng)弱的力學(xué)參數(shù)應(yīng)力強(qiáng)度因子K,1,。當(dāng),K1,增大到某一臨界值時(shí)。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，試樣迅速斷裂，稱(chēng)為臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子,K,1C,，臨界應(yīng)力以,C,表示，裂紋長(zhǎng)度a,C,為臨界裂紋長(zhǎng)度。,工程材料及焊接基礎(chǔ),成分、熱處理工藝、顯微組織相同材料的,K,1C,為常數(shù)。,K,1C,可作為材料防止脆性斷裂的強(qiáng)度與韌性綜合性指標(biāo)。,K,1C,越高表示材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力越大。,金屬基礎(chǔ)理論,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,思考題：,（1）各種力學(xué)性能指標(biāo)的含義及測(cè)試方法。,（2）沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力強(qiáng)度影響因子的影響因素。,（3）碳鋼件的剛性不足，有人采用熱處理方法，有人改用合金鋼，還有人建議改變截面形狀，那種措施合理？為什么？,工程材料及焊接基礎(chǔ),