化工设计课件-2金属的力学性能.ppt

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1、CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能这一章主要讨论外力对构件所产生的内效应问题，包括：这一章主要讨论外力对构件所产生的内效应问题，包括：a.金属材料在外力作用下的金属材料在外力作用下的“表现表现”;b.外力作用下构件产生的变形和内力（下一章讨论）外力作用下构件产生的变形和内力（下一章讨论）要使构件设计得既能满足强度、刚度、稳定等要求，又使它尺寸小，要使构件设计得既能满足强度、刚度、稳定等要求，又使它尺寸小，重量轻，结构合理，就必须既能分析变形内力，又能了解构件力学性能。重量轻，结构合理，就必须既能分析变形内力，又能了解构件力学性能。在本章开始，首先讨论试件（直杆）在拉力作用下产生的二类应

2、力在本章开始，首先讨论试件（直杆）在拉力作用下产生的二类应力（正应力、剪应力）及其效应，然后在力学试验机上观察试件在整个受力（正应力、剪应力）及其效应，然后在力学试验机上观察试件在整个受力过程中（中途卸载、反复加载）所表现出来的种种特性，引入了一系列材过程中（中途卸载、反复加载）所表现出来的种种特性，引入了一系列材料的性能指标，以便工程度量。料的性能指标，以便工程度量。第一章解决二个问题：一是分析复杂构件受力问题；二是列平衡方程，第一章解决二个问题：一是分析复杂构件受力问题；二是列平衡方程，求得各未知外力值。求得各未知外力值。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能 1.弹性体的变形与内力弹

3、性体的变形与内力1）弹性变形与塑性变形弹性变形与塑性变形 取一等直径的橡皮杆，在杆二端沿轴线方向作用一对拉力取一等直径的橡皮杆，在杆二端沿轴线方向作用一对拉力P，杆被拉长，拉，杆被拉长，拉长的程度与外力长的程度与外力P大小成正比大小成正比(前提前提)。只要外力。只要外力P不超过一极限值这一范围不超过一极限值这一范围内，去掉外力内，去掉外力P，杆件即恢复。这种可完全恢复的变形，杆件即恢复。这种可完全恢复的变形弹性变形。当外力弹性变形。当外力超过极限值，在外力作用下产生的变形不能恢复，也即试件产生永久变形超过极限值，在外力作用下产生的变形不能恢复，也即试件产生永久变形塑性变形。塑性变形。金属材料在

4、外力作用下，均能产生一定程度的弹性变形。金属材料在外力作用下，均能产生一定程度的弹性变形。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能2）内力内力 金属产生弹性变形时，其内部质点间的相互位置发生改变，与此同时各质点金属产生弹性变形时，其内部质点间的相互位置发生改变，与此同时各质点间相互作用力发生变化。这种质点间相互作用力所发生的变化称为内力。内力间相互作用力发生变化。这种质点间相互作用力所发生的变化称为内力。内力是由外力所引起的，其作用是力图使各质点恢复其原来位置。从平衡角度讲，是由外力所引起的，其作用是力图使各质点恢复其原来位置。从平衡角度讲，内力伴随着外力增加而增加以以抵抗外力对构件的破坏。

5、但是内力的施加有一内力伴随着外力增加而增加以以抵抗外力对构件的破坏。但是内力的施加有一定限度，超过此极限，构件发生破坏。定限度，超过此极限，构件发生破坏。本章讨论材料的机械性能，机械性能主要是在试件的拉（压）过程中体现出本章讨论材料的机械性能，机械性能主要是在试件的拉（压）过程中体现出来的主要性能指标，也是通过试件的拉伸试件测得的，所以本章开始首先讨论来的主要性能指标，也是通过试件的拉伸试件测得的，所以本章开始首先讨论拉（压）时讨论试件变形与内力，然后再介绍几种机械性能指标。拉（压）时讨论试件变形与内力，然后再介绍几种机械性能指标。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能2.直杆受拉（压）时

6、的变形与内力度量直杆受拉（压）时的变形与内力度量1）变形的度量变形的度量取一长度取一长度l，直径，直径d的圆截面直杆，当它受到轴向力的圆截面直杆，当它受到轴向力P时时 ll1，dd1a.杆的绝对伸长量杆的绝对伸长量 只反映杆件总体变形量，不能反映杆件的变形程度只反映杆件总体变形量，不能反映杆件的变形程度;b.线应变线应变 用用单单位位长长度杆的伸度杆的伸长长（缩缩短）短）值值来度量杆的来度量杆的线变线变形程度形程度 前提：杆件前提：杆件产产生均匀生均匀变变形。形。对对于非均匀于非均匀变变形情况，尚需了解杆件在不同点形情况，尚需了解杆件在不同点处处的的线应变线应变程度，引入了程度，引入了一点一点

7、处处的的线应变线应变概念：概念：称作称作A点点处处的的线应变线应变为线应变为线应变CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能2）内力的度量内力的度量a.轴力轴力 假想用一个与杆轴线垂直的平面假想用一个与杆轴线垂直的平面mm将杆截成二部分，这样杆截面二边相互作将杆截成二部分，这样杆截面二边相互作用于对方的内力就用于对方的内力就“暴露暴露”出来，二者大小相等，方向相反，出来，二者大小相等，方向相反，S，S代表着同一代表着同一个内力，如图所示是拉伸内力；如果个内力，如图所示是拉伸内力；如果P是压缩力，那么是压缩力，那么S，S方向就正好相反方向就正好相反（）压缩内力。压缩内力。通常规定：伴随拉伸变形产

8、生的内力取正值，其方向是离开截面向外指；伴随压通常规定：伴随拉伸变形产生的内力取正值，其方向是离开截面向外指；伴随压缩变形产生的内力取负值，其方向是指向截面。缩变形产生的内力取负值，其方向是指向截面。为了区分各种平面变形时产生的内力，将拉（压）变形时横截面上的内力称为轴为了区分各种平面变形时产生的内力，将拉（压）变形时横截面上的内力称为轴力，用力，用S表示。表示。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能下面讨论下面讨论S大小的确定大小的确定下图所示受到下图所示受到P,Q1,Q2,Q3作用而处于平衡的直杆，现求作用而处于平衡的直杆，现求m-m截面上的内力。截面上的内力。方法方法 a.假想用一平

9、面将杆从假想用一平面将杆从m-m处截开，然而取右半部分作为研究对象。处截开，然而取右半部分作为研究对象。b.列平衡方程：列平衡方程：S=Q2+Q3（若取左侧，可得相同结果）（若取左侧，可得相同结果）以上这种假想用一平面，将杆截成二段，取其中一段作为研究对象建以上这种假想用一平面，将杆截成二段，取其中一段作为研究对象建立平衡方程，以求解内力的方法，称为立平衡方程，以求解内力的方法，称为截面法截面法。用截面法求解内力的依据用截面法求解内力的依据直杆某一截面上的轴力等于该截面一直杆某一截面上的轴力等于该截面一侧作用于直杆上所有外力的代数和。外力中拉力取正，压力取负。侧作用于直杆上所有外力的代数和。外

10、力中拉力取正，压力取负。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能 例题例题21，求图示（，求图示（a），（），（b）11，22，33截面上的轴力。截面上的轴力。P=P=100N,Q=Q=200N.先看（先看（a）图）图，11截面，截面，S1-1=PQ=100200=100N（压）（压）（S1-1是压缩轴力是压缩轴力,指向与假设相反）指向与假设相反）22截面，截面，S2-2=Q=200N（压）（压）11 再看（再看（b）图）图 S1-1=P=100N(拉拉)（此时取左半部分作为对象方便）（此时取左半部分作为对象方便）S2-2=PQ=100200=100N(压压)S3-3=P=100N(拉拉)（

11、取右半部分）（取右半部分）CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能 轴力图轴力图将轴力大小沿杆件长度方向表示出来的图，拉为将轴力大小沿杆件长度方向表示出来的图，拉为“”，压为，压为“”(P=P=100,Q=Q=200)CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能 b.应力应力 同样的外力作用在不同大小截面上，其效果肯定不同，而其轴力相等，同样的外力作用在不同大小截面上，其效果肯定不同，而其轴力相等，必须分析内力沿截面如何分布的问题，并定量表示内力在该截面某一点处的必须分析内力沿截面如何分布的问题，并定量表示内力在该截面某一点处的密集程度，因此必须引入密集程度，因此必须引入“应力应力”概念。概念

12、。如如图图所示，截面任意点所示，截面任意点K处处取一微小面取一微小面积积 ,上作用有内力上作用有内力P称称为该为该截面在截面在K点点处处的的总应总应力，力，P的方向就是的方向就是 的方向的方向CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能 1）杆件在发生拉伸变形时，其横截面原来与轴线垂直的平面，变形后仍为）杆件在发生拉伸变形时，其横截面原来与轴线垂直的平面，变形后仍为平面（平面假设）（其外廓线仍为圆周线）平面（平面假设）（其外廓线仍为圆周线）2）二个相邻横截面之间只发生沿轴线方向相对移动，而不发生相对转动）二个相邻横截面之间只发生沿轴线方向相对移动，而不发生相对转动如果把杆看作是由无数根纵向纤维组

13、成的话，那么实验结果表明每一根纵向如果把杆看作是由无数根纵向纤维组成的话，那么实验结果表明每一根纵向纤维的伸长值都相同。因而可以断定，受轴向力作用的杆件，其横截面上的纤维的伸长值都相同。因而可以断定，受轴向力作用的杆件，其横截面上的内力沿截面均匀分布，截面上各点的应力相等。内力沿截面均匀分布，截面上各点的应力相等。c.简单拉伸时截面上的应力简单拉伸时截面上的应力 为了分析直杆在简单拉伸时内力在截面上的分布情况，取一等直杆，为了分析直杆在简单拉伸时内力在截面上的分布情况，取一等直杆，圆截面直杆在杆中间任意二个横截面圆截面直杆在杆中间任意二个横截面nn，mm处画上数条于轴线平行处画上数条于轴线平行

14、的直线的直线11，22，33.在杆的两端作用一对轴向拉力在杆的两端作用一对轴向拉力P，得出以下结论，得出以下结论:CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能拉（压）时直杆截面上正应力大小计算公式拉（压）时直杆截面上正应力大小计算公式S：该截面的轴力，：该截面的轴力，A：截面面积。：截面面积。“+”拉伸拉伸应应力，力，“”压缩应压缩应力力由此可以解释不同粗细杆件受到同样大小外力时，其破坏效果不同的现象。由此可以解释不同粗细杆件受到同样大小外力时，其破坏效果不同的现象。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能 3.金属在拉伸和压缩时的机械性能金属在拉伸和压缩时的机械性能 材料机械性能只有在力的作

15、用下才能显示出来，所以它们都是通过各种力学材料机械性能只有在力的作用下才能显示出来，所以它们都是通过各种力学试验测定的，而常用的几项力学性能指标是通过拉伸（压缩）试验测定的，试验测定的，而常用的几项力学性能指标是通过拉伸（压缩）试验测定的，所以本节主要讨论金属材料在拉（压）过程种的种种现象及其性能。所以本节主要讨论金属材料在拉（压）过程种的种种现象及其性能。1）低碳钢的拉伸试验及其机械性能低碳钢的拉伸试验及其机械性能（1）试件的准备与试验的进行试件的准备与试验的进行 标准试样标准试样 l010d，（，（d10mm）二端装在试验机的夹头内，开动试验机，加压，二端装在试验机的夹头内，开动试验机，加

16、压，P由由0逐渐增大，记下逐渐增大，记下曲线，直至试件拉断。曲线，直至试件拉断。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能 oabcdf曲线拉伸曲线拉伸曲线反映了材料拉伸过程中总的外载拉伸曲线反映了材料拉伸过程中总的外载P和试件长度伸长量间的关系，但和试件长度伸长量间的关系，但是这条曲线对相同材料不同的尺寸所作的结果不同，也就是说曲线与试件尺是这条曲线对相同材料不同的尺寸所作的结果不同，也就是说曲线与试件尺寸有关，为了消除尺寸影响，将寸有关，为了消除尺寸影响，将P，改用无量纲因子。改用无量纲因子。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能（2）曲曲线线 为了消除试件尺寸影响，将为了消除试件尺寸

17、影响，将 曲线改成曲线改成 曲线，即材料的应力应变曲线。曲线，即材料的应力应变曲线。（3）试验结果分析）试验结果分析 把整个拉伸过程分成四个阶段。把整个拉伸过程分成四个阶段。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能a.弹性变形阶段（弹性变形阶段（ob段），段），a点是比例极限值，严格上只有点是比例极限值，严格上只有oa段应力应段应力应变成正比，变成正比，材料的比例极限，由于材料的比例极限，由于a，b点很接近，不严格区分，如果点很接近，不严格区分，如果在试件上加载，使其应力不超过在试件上加载，使其应力不超过b点对应的应力时，那么卸载后试件将完点对应的应力时，那么卸载后试件将完全恢复原来形状，把

18、全恢复原来形状，把b点所对应的应力值称为材料的弹性极限点所对应的应力值称为材料的弹性极限 。ob段，应力、应变近似成正比，段，应力、应变近似成正比，E材料的弹性模量材料的弹性模量虎克定律虎克定律可以写成可以写成虎克定律的又一形式虎克定律的又一形式CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能设想由二种材料（钢，铜）做成的试件，尺寸完全相同，施加相同外载设想由二种材料（钢，铜）做成的试件，尺寸完全相同，施加相同外载P，由此得到的由此得到的 不一样。因为不一样。因为E钢钢 E铜，铜，E大，大，下降，反之则下降，反之则 增大增大 E的大小反映材料抵抗弹性变形能力的高低，的大小反映材料抵抗弹性变形能力的高

19、低，EA称为杆的抗拉刚度称为杆的抗拉刚度虎克定律同虎克定律同样样适用于受适用于受压压直杆直杆 E拉拉E压压我们已经知道当直杆受到轴向拉伸（压缩）时，其横向尺寸将缩小（增我们已经知道当直杆受到轴向拉伸（压缩）时，其横向尺寸将缩小（增大），设杆的原直径为大），设杆的原直径为d，受拉伸后直径缩小为，受拉伸后直径缩小为d1，则其横向收缩应为，则其横向收缩应为 ，令，令 横向线应变横向线应变拉伸时拉伸时 为正，而为正，而 为负为负压缩时压缩时 为负，而为负，而 为正为正试验已经证明：试验已经证明：泊松比，是无因次量，也是材料的弹性泊松比，是无因次量，也是材料的弹性常数，约为。常数，约为。CHAP.2 金

20、属的力学性能金属的力学性能b.屈服阶段屈服阶段bc段段 应力超过弹性极限后，曲线上升坡度变缓，在应力超过弹性极限后，曲线上升坡度变缓，在C点附近，应变不断增加而应点附近，应变不断增加而应力不变，说明此时材料抵抗变形的能力消失了，材料这时对外力力不变，说明此时材料抵抗变形的能力消失了，材料这时对外力“屈服屈服”了，了，并把出现这种现象的最低应力值成为材料的屈服极限。当并把出现这种现象的最低应力值成为材料的屈服极限。当 后出现的变形后出现的变形是不可恢复的变形是不可恢复的变形塑性变形。塑性变形的产生要基于产生一定量的弹性变形塑性变形。塑性变形的产生要基于产生一定量的弹性变形为前提。为前提。反映材料

21、抵抗塑性变形能力的高低，称为屈服极限。反映材料抵抗塑性变形能力的高低，称为屈服极限。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能c.强化阶段强化阶段cd段段 过了屈服阶段，曲线又继续上升，材料又恢复了抵抗变形的能力过了屈服阶段，曲线又继续上升，材料又恢复了抵抗变形的能力材料的强材料的强化。在强化阶段，上升的曲线很平缓，产生大比例的塑性变形伴随小比例的弹性化。在强化阶段，上升的曲线很平缓，产生大比例的塑性变形伴随小比例的弹性变形。至变形。至d点，点，P，均达到最大值，此阶段的伸长仍然是均匀的。均达到最大值，此阶段的伸长仍然是均匀的。把即将出把即将出现颈缩现颈缩的最高点的最高点处应处应力（也即力（也

22、即d点点处应处应力）力）规规定定为为材料材料抵抗断裂能力的大小，称抵抗断裂能力的大小，称为为强强度极限，度极限，反映材料反映材料强强度的指度的指标标。d.颈缩阶段颈缩阶段df段段 当载荷达到最大后，试件某个部位处直径突然变细，称之为当载荷达到最大后，试件某个部位处直径突然变细，称之为“颈缩（颈缩（bottle neck）”现象，这时继续变形，所需现象，这时继续变形，所需P变小，（原始载荷）也变小，因此曲线下变小，（原始载荷）也变小，因此曲线下降，至降，至f点，试件断裂。点，试件断裂。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能 试件拉断后，应力不再存在，同时弹性应变消失，试件拉断后，应力不再存在

23、，同时弹性应变消失，fg/oa，被拉断以后试件由于存在塑性，被拉断以后试件由于存在塑性变形而不能恢复原来长度。测出长度变形而不能恢复原来长度。测出长度l1(拉断试件对接起来拉断试件对接起来)，引入，引入 材料的相对延伸率。材料的相对延伸率。值反映材料在断裂前所能经受的最大塑性变形量。是判断塑性好坏的指标，其值较大的值反映材料在断裂前所能经受的最大塑性变形量。是判断塑性好坏的指标，其值较大的材料称为塑性材料，反之则是脆性材料。但是二种材料在一定条件下也会转化，上述值的材料称为塑性材料，反之则是脆性材料。但是二种材料在一定条件下也会转化，上述值的测定是依据常温、静载经简单拉伸试验测得，依据这样值区

24、分塑性好坏不是绝对的影响材测定是依据常温、静载经简单拉伸试验测得，依据这样值区分塑性好坏不是绝对的影响材料塑性好坏还取决于温度、受力状况等诸多因素。料塑性好坏还取决于温度、受力状况等诸多因素。衡量塑性好坏的另一指标，截面收缩率衡量塑性好坏的另一指标，截面收缩率Ao原始截面面积，原始截面面积，A1拉断后颈缩处测得的截面面积。拉断后颈缩处测得的截面面积。材料的塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。材料的塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。塑性指标塑性指标，CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能（4）试件的中途卸载与重复加载）试件的中途卸载与重复加载 在拉伸

25、试件中，如果在应力小于弹性极限范围内，卸载，那么试件恢复原状，材在拉伸试件中，如果在应力小于弹性极限范围内，卸载，那么试件恢复原状，材料性能也不会变化。料性能也不会变化。但如果在但如果在e点处卸载（已超过屈服阶段），将沿点处卸载（已超过屈服阶段），将沿eo1直线降落（直线降落（eo1/oa），试件），试件保留保留oo1塑性变形量，此时再重新进行拉伸试验，将沿塑性变形量，此时再重新进行拉伸试验，将沿o1e1上升，上升，说明经过塑性说明经过塑性变形的材料，其屈服极限提高了，同时延伸率也减小了（变形的材料，其屈服极限提高了，同时延伸率也减小了（o1g段），这种经过塑性变段），这种经过塑性变形的材料出

26、现的屈服强度提高，延伸率减小的现象称为冷加工硬化。可以通过热处理形的材料出现的屈服强度提高，延伸率减小的现象称为冷加工硬化。可以通过热处理工艺工艺再结晶退火，消除此现象。再结晶退火，消除此现象。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能 2）其它材料的拉伸曲线）其它材料的拉伸曲线 前面讨论的是低前面讨论的是低C钢（压力容器常用钢），下图画出了部分锰钢、镍钢、钢（压力容器常用钢），下图画出了部分锰钢、镍钢、青铜得曲线。可以看出，无明显屈服平台，规定产生青铜得曲线。可以看出，无明显屈服平台，规定产生塑性应变塑性应变相对应的应相对应的应力值作为材料的屈服极限，用力值作为材料的屈服极限，用 表示。表示

27、。而对于铸铁，陶瓷等脆性材料，只有弹性变形阶段，断裂是而对于铸铁，陶瓷等脆性材料，只有弹性变形阶段，断裂是突然发生的突然发生的。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能3）压缩时材料的机械性质压缩时材料的机械性质 试件形状与拉伸时有些不同，对于金属试件，要用圆柱形，非金属，用试件形状与拉伸时有些不同，对于金属试件，要用圆柱形，非金属，用立方体。立方体。（1）塑性材料的）塑性材料的压缩试验压缩试验 屈服屈服阶阶段前，与拉伸完全相同，由于塑性良好材料在段前，与拉伸完全相同，由于塑性良好材料在压缩时压缩时不会不会发发生断裂，生断裂，故无断裂故无断裂阶阶段，段，测测量不出量不出强强度极限。其它指度极

28、限。其它指标标压缩时与拉伸时相同。一般可不压缩时与拉伸时相同。一般可不做塑性材料的压缩试验。做塑性材料的压缩试验。，CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能（1）脆性材料的）脆性材料的压缩试验压缩试验特点：特点：a.无明显直线部分和屈服阶段，很小的应变就出现断裂无明显直线部分和屈服阶段，很小的应变就出现断裂;b.其抗压性能远好于抗拉性能，常利用其承压性能做机座、支座、压垫等其抗压性能远好于抗拉性能，常利用其承压性能做机座、支座、压垫等;c.与拉伸不同，断口与轴线成与拉伸不同，断口与轴线成45o。说明受压时与轴线成。说明受压时与轴线成45o的各斜截面上的各斜截面上 作用着最大剪应力，导致断裂。

29、可以通过复杂应力状态受力分析讨论而得。作用着最大剪应力，导致断裂。可以通过复杂应力状态受力分析讨论而得。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能，4）温度对材料机械性能的影响）温度对材料机械性能的影响（1）高温对材料机械性能得影响高温对材料机械性能得影响 a.对短期静载试验影响对短期静载试验影响 见图。了解趋势，见图。了解趋势，E随着随着t增大而减小，增大而减小，t400oC，不能使用，不能使用 CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能，b.对长期加载影响对长期加载影响蠕变（蠕变（creep）现象）现象碳钢在超过碳钢在超过400oC的高温下承受外力时，虽然外力大小不变，但是构件的的高温下承

30、受外力时，虽然外力大小不变，但是构件的变形却随着时间的延续而不断增长，而且这种变形是塑性变形。变形却随着时间的延续而不断增长，而且这种变形是塑性变形。发生蠕变条件：发生蠕变条件：1高温；高温；2应力。温度由工艺条件决定，因此须控制应力。应力。温度由工艺条件决定，因此须控制应力。CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能（2）低温对材料机械性能的影响低温对材料机械性能的影响使材料使材料 提高而提高而 降低，说明其强度提高而塑性下降，倾向于变脆。降低，说明其强度提高而塑性下降，倾向于变脆。蠕变极限蠕变极限 材料在一定高温下，为了使蠕变速度材料在一定高温下，为了使蠕变速度 CHAP.2 金属的力学性能金属的力学性能4.金属的缺口冲击、弯曲和硬度试验金属的缺口冲击、弯曲和硬度试验不作教学要求。不作教学要求。布氏硬度布氏硬度习题习题24并画出轴力图并画出轴力图25，27，210