文档介绍：机械工程材料_于永泗_材料的性能
第一章材料的性能
我们在选用材料时,首先必须考虑的就是材料的有关性能,使之与构件的使用要求相匹配。材料的性能一般分为使用性能和工艺性能两大类。使用性能是指材料在使用过程中所表现的性能,包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能是指材料在加工过程中所表现的性能,包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。
由于力学性能是结构件选材的主要依据,因此本章主要介绍材料的力学性能。
第一节材料的力学性能
材料在加工和使用过程中,总要受到外力作用。材料受外力作用时所表现的性能称为力学性能(又称机械性能),如强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化,称为变形。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形,外力去处后不能够恢复的变形称为塑性变形。
一、弹性与刚度
评价材料力学性能最简单和最有效的办法就是测定材料的拉伸曲线。将标准试样(见图1-1)施加一单轴拉伸载荷,使之发生变形直至断裂,便可得到试样伸长率(试样原始标距的伸长与原始标距之比的百分率)随应力(试验期间任一时刻的力除以试样原始横截面积之商)变化的关系曲线,称为应力-应变曲线,图1-2为低碳钢的应力-应变曲线。
图1-1 圆形标准拉伸试样
图1-2 低碳钢的应力-应变曲线
在应力-应变曲线中,OA段为弹性变形阶段,此时卸掉载荷,试样恢复到原来尺寸。A点所对应的应力为材料承受最大弹性变形时的应力,称为弹性极限。其中OA’部分为一斜直线,应力与应变呈比例关系,A’点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力,称为比例极限。由于大多数材料的A点和A’点几乎重合在一起,一般不作区分。
在弹性变形范围内,应力与伸长率的比值称为弹性模量E。E实际上是OA线段的斜率: (MPa), 其物理意义是产生单位弹性变形时所需应力的大小。
弹性模量是材料最稳定的性质之一,它的大小主要取决于材料的本性,除随温度升高而逐渐降低外,其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度,其指标即为弹性模量。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。
二、强度与塑性
1、强度
材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力称为强度。根据加载方式不同,强度指标有许多种,如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。其中以拉伸试验测得的屈服强度和抗拉强度两个指标应用最多。
⑴屈服强度
在图1-2中, 应力超过B点后, 材料将发生塑性变形。在BC段,塑性变形发生而力不增加,这种现象称为屈服。B点所对应的应力称为屈服强度(? S)。屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力,是最重要的零件设计指标之一。实际上多数材料的屈服强度不是很明显的, % 残余延伸率所对应的应力为规定残余延伸强度,(? ),如图1-3所示。(注:括弧内为旧标准符号,下同)
⑵抗拉强度Rm(?b)
图1-3 条件屈服强度的确定
图1-2中的CD段为均匀塑性变形阶段。在这一阶段,应力随应变增加而增加,产生应变强化。变形超过D点后,试样开始发生局部塑性变形,即出现颈缩,随应变增加,应力明显下降,并迅速在E点断裂。D点所对应的应力为材料断裂前所承受的最大应力,称为抗拉强度Rm。抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力,也是零件设计和评价材料的重要指标。
2、塑性
塑性是指材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力,指标为断后伸长率和断面收缩率。试样被拉断后,标距部分的残余伸长与原始标距之比的百分率称为断后伸长率A(?)。
(
)。式中,
为原始标距,
为断后标
距。
试样断裂后,断口处横截面积的减少值与原始横截面积的比值称为断面收缩率Z(?)。
(
断后最小横截面积。)。式中, 为原始横截面积, 为
显然,A与Z值越大,材料的塑性越好。两者相比,用Z 表示塑性比A 更接近于真实应变。当A>Z时,试样无颈缩,是脆性材料的表征,反之,A<Z时,试样有颈缩,是塑性材料的表征。试样d(
)不变时,随
增加,A下降,只有当
时,断后伸长率用
)表示,很明显,A>
。为常数时,不同材料(?10) 表示,当的伸长率才有可比性。当
时,断后伸长率用A(
从拉伸曲线我们还可以得到材料韧性的信息,所谓材料的韧性是指材料从变形到断裂整个过程所吸收的能量,具体地说就是拉伸曲线与横坐标所包围的面积。
三、硬度
硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力,现在多用压入法测定。根据测量方法不同,常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。用各种方法所测得的硬度值不能直接
比较,可通过硬度对照表换