工程材料力學(xué)性能第一章

材料力學(xué)性能主講教師：張晨課程成績(jī)構(gòu)成本課程為必修考試課程，考試采取筆試。該課程總評(píng)成績(jī)由三部分組成：平時(shí)成績(jī) 占總成績(jī) 10；實(shí)驗(yàn) 占總成績(jī) 20；卷面成績(jī) 占總成績(jī) 70。參考書(shū)目l 材料的力學(xué)性能 鄭修麟主編 西北工業(yè)大學(xué)出版社 1991;l 工程材料的力學(xué)性能 姜偉之等編 北京航空航天大學(xué)出版社 1991;l 材料性能學(xué) 王從曾主編 北京工業(yè)大學(xué)出版社 2001;l 工程材料的失效分析 美國(guó)：查理R.布魯克斯 機(jī)械工業(yè)出版社 2003.lWhat will you break once you say it? lWhy are girls afraid of the letter C ? Silence. Because it makes fat fact!第一章金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 第一節(jié) 力伸長(zhǎng) 曲線和 應(yīng)力應(yīng)變 曲線第二節(jié) 真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變 曲線第三節(jié) 彈性變形第四節(jié) 彈性不完整性第五節(jié) 塑性變形第六節(jié) 金屬的斷裂第一節(jié) 力伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線1.1 拉伸試樣一、 單向靜拉伸試驗(yàn)特點(diǎn) :1.最廣泛使用的力學(xué)性能檢測(cè)手段 ;2.實(shí)驗(yàn)的 應(yīng)力狀態(tài) 、 加載速率 、 試樣尺寸 、 溫度 等都有規(guī)定；3.揭示金屬材料常見(jiàn)的力學(xué)行為 （彈性變形、塑性變 形、斷裂） ；4.可測(cè)最 基本 力學(xué)性能指標(biāo)： 強(qiáng)度 （ ） 、 塑性 （ 、 ） 、 應(yīng)變硬化 、 韌性 等。二、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 金屬拉伸試驗(yàn)方法 老標(biāo)準(zhǔn) GB228-76 、 GB228-87 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法 新標(biāo)準(zhǔn) GB/T228-2002；試驗(yàn)是用拉力拉伸試樣，一般拉至 斷裂 ，測(cè)定相應(yīng)的力學(xué)性能。除非另有規(guī)定，試驗(yàn)一般在 室溫 10 35 范圍內(nèi)進(jìn)行，對(duì)溫度要求嚴(yán)格的試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度應(yīng)為235 。三、 拉伸試樣1、金屬拉伸試驗(yàn)試樣標(biāo)準(zhǔn)： GB6397-862、 與拉伸試樣相關(guān)的幾個(gè)概念：標(biāo) 距 ： 測(cè)量伸長(zhǎng)用的試樣圓柱和棱柱部分的長(zhǎng)度 ；原始標(biāo)距 l0： 施力前的試樣標(biāo)距 ； 斷后標(biāo)距 ： 試樣斷裂后的標(biāo)距 。平行長(zhǎng)度 l： 試樣兩頭部或兩夾持部分之間平行部分的長(zhǎng)度；伸 長(zhǎng) ： 試驗(yàn)期間任一時(shí)刻原始標(biāo)距的增量 。拉伸試樣一般為經(jīng)機(jī)加工的試樣和不經(jīng)機(jī)加工的全截面試樣,其橫截面通常為圓形、矩形、異形以及不經(jīng)加工的全截面形狀。拉伸試樣1) 圓形試樣l0d02) 矩形試樣l0tb3）異型試樣 3、拉伸試樣的尺寸以光滑圓柱試樣為例，可分為：1）比例標(biāo)距試樣短試樣： K=5.65 或 L0=5d0長(zhǎng)試樣： K=11.3 或 L0=10d0延伸率分別用 5、 10來(lái)表示，一般建議采用 短試樣 。2）定標(biāo)距試樣：試樣的原始標(biāo)距 L0與原始截面積 A0或直徑 d0之間 不存在比例關(guān)系。例如 L0=100mm或 200mm，則延伸率表示為 100mm或200mm。拉伸試樣的形狀尺寸,一般隨金屬產(chǎn)品的品種、規(guī)格及試驗(yàn)?zāi)康闹煌譃閳A形，矩形及異型三類。如無(wú)特殊要求 ,應(yīng)按該表規(guī)定選用。4、試樣的加工和測(cè)量l應(yīng)按照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或 GB/T2975的要求切取樣坯和制備試樣；l試樣原始截面積測(cè)定的方法和準(zhǔn)確度應(yīng)符合 標(biāo)準(zhǔn)附錄 A-D的規(guī)定。選用合適的量具或測(cè)量裝置，應(yīng)根據(jù)測(cè)量的試樣原始尺寸計(jì)算原始橫截面積，并至少保留四位有效數(shù)字。 四、拉伸試驗(yàn)設(shè)備1.2 力伸長(zhǎng)曲線和工程應(yīng)力應(yīng)變曲線彈性變形不均勻屈服塑性變形均勻塑性變形不均勻集中塑性變形斷裂應(yīng)力應(yīng)變 曲線 1.3 強(qiáng)度指標(biāo)及其測(cè)定1、比例極限 p應(yīng)力 -應(yīng)變 成正比關(guān)系的最大應(yīng)力p Fp/A02、 彈性極限 e彈性極限 e是材料由 彈性變形 過(guò)渡到 彈 塑性變形 時(shí)的應(yīng)力e=Fe/A03、屈服極限試驗(yàn)過(guò)程中，外力不增加試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)；或外力增加到一定數(shù)值突然下降，隨后在外力不增加或上下波動(dòng)情況下，試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象。屈服現(xiàn)象是金屬材料開(kāi)始產(chǎn)生宏觀塑性變形的標(biāo)志。材料屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值也就是材料 抵抗起始塑性變形 或 產(chǎn)生微量塑性變形 的能力。屈服點(diǎn) s：材料在拉伸過(guò)程中試驗(yàn)力不增加（保持恒定）仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力。s Fs/ A0上屈服點(diǎn) su：試樣發(fā)生屈服而試驗(yàn)力首次下降前的最大應(yīng)力。下屈服點(diǎn) sl：su Fsu/A0當(dāng)不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)（指在屈服過(guò)程中試驗(yàn)力第一次發(fā)生下降）時(shí)的屈服階段的最小應(yīng)力。sl FsL/ A0表征金屬材料對(duì)微量塑性變形的抗力屈服強(qiáng)度就是用應(yīng)力表示的屈服點(diǎn)或下屈服點(diǎn)。運(yùn)用下屈服點(diǎn)的理由：上屈服點(diǎn) su波動(dòng)性很大，對(duì)試驗(yàn)條件下變化很敏感而下屈服點(diǎn) sl再現(xiàn)性較好。4、 規(guī)定微量塑性伸長(zhǎng)應(yīng)力指標(biāo)對(duì)于多晶體金屬材料晶粒具有各向異性各晶粒在外力作用下開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形的不同時(shí)性用工程方法很難測(cè)出準(zhǔn)確而唯一的比例極限和彈性極限數(shù)值許多金屬材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)看不到明顯的屈服現(xiàn)象因此上述指標(biāo)一般用試樣產(chǎn)生規(guī)定的微量塑性伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力來(lái)表征。根據(jù)測(cè)定方法分為：規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力，規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力。從這個(gè)定義來(lái)說(shuō)，這三個(gè)指標(biāo)都表示材料對(duì)微量塑性變形的抗力。規(guī)定微量塑性伸長(zhǎng)應(yīng)力指標(biāo)規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力 p試樣標(biāo)距部分的非比例伸長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力這種應(yīng)力是在試樣受力的條件下測(cè)定的規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力 r試樣卸力后，其標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力。常用 r0.2,表示規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為 0.2時(shí)的應(yīng)力。0.01稱為條件比例極限0.2稱為屈服強(qiáng)度規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力 t試樣標(biāo)距部分的總伸長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力。常用 t0.5， 表示規(guī)定總伸長(zhǎng)率為 0.5%時(shí)的應(yīng)力。5、 抗拉強(qiáng)度 b 韌性金屬試樣拉斷過(guò)程中最大力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力b的實(shí)際意義：1）標(biāo)志塑性金屬材料的實(shí)際承載能力，但僅限于光滑試樣單向拉伸的受載條件；2） b是脆性材料的斷裂強(qiáng)度，可作為設(shè)計(jì)依據(jù)；3） b的高低取決于屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù)；4） b與布氏硬度、疲勞極限之間有一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。 b Fb/A01.4 塑性指標(biāo)1、 斷后伸長(zhǎng)率 試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)矩的百分比2、 斷面收縮率 縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比 形成縮頸，差值越大縮頸越嚴(yán)重； 不形成縮頸 。3、最大力下的總伸長(zhǎng)率 gt指試樣拉至最大力時(shí)標(biāo)距的總伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。金屬材料拉伸時(shí)產(chǎn)生的最大均勻塑性變形量。gt與真是應(yīng)變 eB 的關(guān)系：eB ln(1+gt)單一拉伸條件下工作的長(zhǎng)形零件，縮頸與否均用 或 gt評(píng)定材料塑性；非長(zhǎng)形件，拉伸形成縮頸則用 做為塑性指標(biāo)。4、屈服點(diǎn)伸長(zhǎng) 率 s試樣從開(kāi)始屈服至屈服階段結(jié)束（加工硬化開(kāi)始）之間標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。5、最大力下的非比例伸長(zhǎng)率 g試樣拉至最大試驗(yàn)力時(shí)，標(biāo)距的非比例伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。第二節(jié) 真實(shí)應(yīng)力 應(yīng)變曲線 一、條件應(yīng)力與真實(shí)應(yīng)力條件應(yīng)力 (工程應(yīng)力 ) 試樣的原始截面積 A0除載荷 F=F/A0真實(shí)應(yīng)力 S 試樣的瞬時(shí)截面積 A除載荷 FS=F/A A0 A S 同樣可推得在均勻塑性變形階段二、條件應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)變 1、條件相對(duì)伸長(zhǎng) （工程應(yīng)變） 和條件相對(duì)截面收縮 根據(jù)均勻塑性變形前后金屬體積不變的近似假定，可以推導(dǎo)均勻塑性變形階段時(shí)相對(duì)伸長(zhǎng)與相對(duì)斷面收縮間的關(guān)系。 產(chǎn)生頸縮后， =L/L0只能代表試樣全長(zhǎng)的平均條件相對(duì)伸長(zhǎng)， 而不能代表縮頸處實(shí)際的條件相對(duì)伸長(zhǎng)。 后者比前者大得多。根據(jù) = /(1 )計(jì)算出縮頸處實(shí)際的條件相對(duì)伸長(zhǎng)，這個(gè)條件相對(duì)伸長(zhǎng)叫做全伸長(zhǎng)， 相當(dāng)于整個(gè)試樣都拉伸到縮頸處那樣細(xì)時(shí)的條件相對(duì)伸長(zhǎng)。2、真實(shí)相對(duì)伸長(zhǎng)和真實(shí)相對(duì)斷面收縮 條件相對(duì)伸長(zhǎng)不能代表實(shí)際的相對(duì)伸長(zhǎng)，實(shí)際相對(duì)伸長(zhǎng)應(yīng)該是瞬時(shí)伸長(zhǎng) dl與瞬時(shí)長(zhǎng)度 L之比的積分值。即：在均勻塑性變形階段， e與 e之間的關(guān)系由體積不變的假定求得e 真實(shí)相對(duì)伸長(zhǎng) (真實(shí)應(yīng)變 )，斷裂時(shí)的真實(shí)相對(duì)伸長(zhǎng) ek叫真實(shí)伸長(zhǎng)率。同理：真實(shí)的相對(duì)斷面收縮 e為：課堂習(xí)題：一直徑為 2.5mm， 長(zhǎng)為 200mm的桿，在載荷2000N作用下，直徑縮小為 2.2mm。試計(jì)算：(1)桿的最終長(zhǎng)度；(2)在該載荷作用下的真應(yīng)力 S與真應(yīng)變 e；(3)在該載荷作用下的條件應(yīng)力