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材料的性能 一,、力學性能 材料受力后就會產(chǎn)生變形,，材料力學性能是指材料在受力時的行為。描述材料變形行為的指標是應力σ和應變ε,，σ是單位面積上的作用力,，ε是單位長度的變形。描述材料力學性能的主要指標是強度,、延性和韌性,。其中，強度是使材料破壞的應力大小的度量,；延性是材料在破壞前永久應變的數(shù)值,；而韌性卻是材料在破壞時所吸收的能量的數(shù)值。 設計師們對這些力學性能制訂了各種各樣的規(guī)范,。例如,，對一種鋼管，人們要求它有較高的強度,，但也希望它有較高的延性,，以增加韌性,，由于在強度和延性二者之間往往是矛盾的,，工程師們要做出最佳設計常常需要在二者中權衡比較。同時,，還有各種各樣的方法確定材料的強度和延性。當鋼棒彎曲時就算破壞，還是必須發(fā)生斷裂才算破壞？答案當然取決于工程設計的需要,。但是這種差別表明至少應有兩種強度判據(jù)：一種是開始屈服，另一種是材料所能承受的最大載荷,，這說明僅僅描述材料強度的指標至少就有兩個以上,。一般來說，描述材料力學性能的指標有以下幾項： 1． 彈性和剛度 圖1-6是材料的應力—應變圖（σ—ε圖）,。 （a） 無塑性變形的脆性材料（例如鑄鐵）；（b） 有明顯屈服點的延性材料（例如低碳鋼）,；（c） 沒有明顯屈服點的延性材料（例如純鋁）,。在圖中的σ—ε曲線上，OA段為彈性階段,，在此階段,，如卸去載荷，試樣伸長量消失,，試樣恢復原狀,。材料的這種不產(chǎn)生永久殘余變形的能力稱為彈性。A點對應的應力值稱為彈性極限,，記為σe,。材料在彈性范圍內(nèi)，應力與應變成正比,，其比值E=σ/ε（MN/m2）稱為彈性模量,。E標志著材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度,。E值主要取決于各種材料的本性,，一些處理方法（如熱處理、冷熱加工,、合金化等）對它影響很小,。零件提高剛度的方法是增加橫截面積或改變截面形狀。金屬的E值隨溫度的升高而逐漸降低,。 2．強度在外力作用下,，材料抵抗變形和破壞的能力稱為強度。根據(jù)外力的作用方式,，有多種強度指標,，如抗拉強度、抗彎強度,、抗剪強度等,。當材料承受拉力時,，強度性能指標主要是屈服強度和抗拉強度。（1）屈服強度σs 在圖1-6（b）上,，當曲線超過A點后,，若卸去外加載荷，則試樣會留下不能恢復的殘余變形,，這種不能隨載荷去除而消失的殘余變形稱為塑性變形,。當曲線達到A點時，曲線出現(xiàn)水平線段,，表示外加載荷雖然沒有增加,，但試樣的變形量仍自動增大，這種現(xiàn)象稱為屈服,。屈服時的應力值稱為屈服強度,，記為σS。有的塑性材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象發(fā)生,，如圖1-6（c）所示,。對于這種情況，用試樣標距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應力值作為該材料的屈服強度,，以σ0.2表示,。機械零件在使用時，一般不允許發(fā)生塑性變形,，所以屈服強度是大多數(shù)機械零件設計時選材的主要依據(jù)也是評定金屬材料承載能力的重要機械性能指標,。材料的屈服強度越高，允許的工作應力越高,，零件所需的截面尺寸和自身重量就可以較小,。（2）抗拉強度σb 材料發(fā)生屈服后，其應力與應變的變化如圖1-1所示,，到最高點應力達最大值σb,。在這以后，試樣產(chǎn)生“縮頸”,，迅速伸長,，應力明顯下降，最后斷裂,。最大應力值σb稱為抗拉強度或強度極限,。它也是零件設計和評定材料時的重要強度指標。σb測量方便,，如果單從保證零件不產(chǎn)生斷裂的安全角度考慮,，可用作為設計依據(jù)，但所取的安全系數(shù)應該大一些。屈服強度與抗拉強度的比值σS/σb稱為屈強比,。屈強比小,，工程構件的可靠性高，說明即使外載或某些意外因素使金屬變形,，也不至于立即斷裂,。但屈強比過小，則材料強度的有效利用率太低,。 3．塑性材料在外力作用下,，產(chǎn)生永久殘余變形而不被斷裂的能力，稱為塑性,。塑性指標也主要是通過拉伸實驗測得的（圖1-6）,。工程上常用延伸率和斷面收縮率作為材料的塑性指標。（1） 延伸率δ 試樣在拉斷后的相對伸長量稱為延伸率,，用符號δ表示,，即式中：L0 試樣原始標距長度； L1 試樣拉斷后的標距長度,。（2） 斷面收縮率ψ 試樣被拉斷后橫截面積的相對收縮量稱為斷面收縮率，用符號ψ表示,，即式中：F0 試樣原始的橫截面積,； F1 試樣拉斷處的橫截面積。延伸率和斷面收縮率的值越大,，表示材料的塑性越好,。塑性對材料進行冷塑性變形有重要意義。此外,，工件的偶然過載,，可因塑性變形而防止突然斷裂；工件的應力集中處,，也可因塑性變形使應力松弛,，從而使工件不至于過早斷裂。這就是大多數(shù)機械零件除要求一定強度指標外,，還要求一定塑性指標的道理,。材料的δ和ψ值越大，塑性越好,。兩者相比,，用ψ表示塑性更接近材料的真實應變。 第三節(jié) 材料的性能 一,、力學性能 材料受力后就會產(chǎn)生變形,，材料力學性能是指材料在受力時的行為。描述材料變形行為的指標是應力σ和應變ε，σ是單位面積上的作用力,，ε是單位長度的變形,。描述材料力學性能的主要指標是強度、延性和韌性,。其中,，強度是使材料破壞的應力大小的度量；延性是材料在破壞前永久應變的數(shù)值,；而韌性卻是材料在破壞時所吸收的能量的數(shù)值,。 重慶大學精品課程－工程材料 圖1-5 材料力學性能的指標圖 設計師們對這些力學性能制訂了各種各樣的規(guī)范。例如,，對一種鋼管,，人們要求它有較高的強度，但也希望它有較高的延性,，以增加韌性,，由于在強度和延性二者之間往往是矛盾的，工程師們要做出最佳設計常常需要在二者中權衡比較,。同時,，還有各種各樣的方法確定材料的強度和延性。當鋼棒彎曲時就算破壞,，還是必須發(fā)生斷裂才算破壞,？答案當然取決于工程設計的需要。但是這種差別表明至少應有兩種強度判據(jù)：一種是開始屈服,，另一種是材料所能承受的最大載荷,，這說明僅僅描述材料強度的指標至少就有兩個以上。一般來說,，描述材料力學性能的指標有以下幾項： 1． 彈性和剛度 重慶大學精品課程－工程材料 圖1-6 應力-應變圖 圖1-6是材料的應力—應變圖（σ—ε圖）,。 （a） 無塑性變形的脆性材料（例如鑄鐵）；（b） 有明顯屈服點的延性材料（例如低碳鋼）,；（c） 沒有明顯屈服點的延性材料（例如純鋁）,。在圖中的σ—ε曲線上，OA段為彈性階段,，在此階段,，如卸去載荷，試樣伸長量消失,，試樣恢復原狀,。材料的這種不產(chǎn)生永久殘余變形的能力稱為彈性。A點對應的應力值稱為彈性極限,，記為σe,。材料在彈性范圍內(nèi),，應力與應變成正比，其比值E=σ/ε（MN/m2）稱為彈性模量,。E標志著材料抵抗彈性變形的能力,，用以表示材料的剛度。E值主要取決于各種材料的本性,，一些處理方法（如熱處理,、冷熱加工、合金化等）對它影響很小,。零件提高剛度的方法是增加橫截面積或改變截面形狀,。金屬的E值隨溫度的升高而逐漸降低。 2．強度在外力作用下,，材料抵抗變形和破壞的能力稱為強度,。根據(jù)外力的作用方式，有多種強度指標,，如抗拉強度,、抗彎強度、抗剪強度等,。當材料承受拉力時,，強度性能指標主要是屈服強度和抗拉強度。（1）屈服強度σs 在圖1-6（b）上,，當曲線超過A點后,，若卸去外加載荷，則試樣會留下不能恢復的殘余變形,，這種不能隨載荷去除而消失的殘余變形稱為塑性變形,。當曲線達到A點時,，曲線出現(xiàn)水平線段,，表示外加載荷雖然沒有增加，但試樣的變形量仍自動增大,，這種現(xiàn)象稱為屈服,。屈服時的應力值稱為屈服強度，記為σS,。有的塑性材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象發(fā)生,，如圖1-6（c）所示。對于這種情況,，用試樣標距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應力值作為該材料的屈服強度,，以σ0.2表示。機械零件在使用時,，一般不允許發(fā)生塑性變形,，所以屈服強度是大多數(shù)機械零件設計時選材的主要依據(jù)也是評定金屬材料承載能力的重要機械性能指標,。材料的屈服強度越高，允許的工作應力越高,，零件所需的截面尺寸和自身重量就可以較小,。（2）抗拉強度σb 材料發(fā)生屈服后，其應力與應變的變化如圖1-1所示,，到最高點應力達最大值σb,。在這以后，試樣產(chǎn)生“縮頸”,，迅速伸長,，應力明顯下降，最后斷裂,。最大應力值σb稱為抗拉強度或強度極限,。它也是零件設計和評定材料時的重要強度指標。σb測量方便,，如果單從保證零件不產(chǎn)生斷裂的安全角度考慮,，可用作為設計依據(jù)，但所取的安全系數(shù)應該大一些,。屈服強度與抗拉強度的比值σS/σb稱為屈強比,。屈強比小，工程構件的可靠性高,，說明即使外載或某些意外因素使金屬變形,，也不至于立即斷裂。但屈強比過小,，則材料強度的有效利用率太低,。 3．塑性材料在外力作用下，產(chǎn)生永久殘余變形而不被斷裂的能力,，稱為塑性,。塑性指標也主要是通過拉伸實驗測得的（圖1-6）。工程上常用延伸率和斷面收縮率作為材料的塑性指標,。（1） 延伸率δ 試樣在拉斷后的相對伸長量稱為延伸率,，用符號δ表示，即 b 式中：L0 試樣原始標距長度,； L1 試樣拉斷后的標距長度,。（2） 斷面收縮率ψ 試樣被拉斷后橫截面積的相對收縮量稱為斷面收縮率，用符號ψ表示,，即 式中：F0 試樣原始的橫截面積,； F1 試樣拉斷處的橫截面積。延伸率和斷面收縮率的值越大,，表示材料的塑性越好,。塑性對材料進行冷塑性變形有重要意義,。此外，工件的偶然過載,，可因塑性變形而防止突然斷裂,；工件的應力集中處，也可因塑性變形使應力松弛,，從而使工件不至于過早斷裂,。這就是大多數(shù)機械零件除要求一定強度指標外，還要求一定塑性指標的道理,。材料的δ和ψ值越大,，塑性越好。兩者相比,，用ψ表示塑性更接近材料的真實應變,。
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圖1-7 應力-應變圖 |
發(fā)表于 2006-11-9 15:38:34
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