1、化工设备机械基础化工设备机械基础第二章第二章金属材料的机械性能 机械工程系过程装备与控制工程教研室2-12-1弹性体的变形与内力弹性体的变形与内力材料的机械性能材料的机械性能(或力学性能)材料在外力作用下表现出来的性能。如：弹性、 强度、韧性、硬度和塑性等。弹性变形弹性变形卸载后可完全恢复（消失）的变形。随外力而增加。一切金属在外力 （不超过一定限度）作用下都能产生一定的弹性变形。塑性（残余）变形塑性（残余）变形卸载后不能消失的变形。内力内力物体因受外力而变形（弹性），其内部各质点（原子）之间因相对位置改 变而引起的相互作用力 内力由外力所引起，随外力引起的弹性变形而增大，达到一定程度就会引起
2、构件破坏，因此分析内力是解决强、刚度问题的基础。 材料的机械性能多由拉压试验获得，所以本章首先讨论拉压变形及其内力。材料的机械性能多由拉压试验获得，所以本章首先讨论拉压变形及其内力。 直杆直杆轴线（截面形心连线）为直线的杆件。 轴向拉压的受力特点轴向拉压的受力特点外力作用线与杆轴重合；变形特点沿轴向伸长或缩短。 承受拉（压）的杆件称为拉（压）杆拉（压）杆。 拉（压）杆实例拉（压）杆实例：连杆、活塞杆、压力容器联结法兰的螺栓等。 2-22-2直杆在轴向拉伸和压缩时的变形和内力直杆在轴向拉伸和压缩时的变形和内力一、线应变一、线应变纵向变形量：纵向变形量： lll1（原长） 拉： 1dPPdl1l0
3、l ；压： 0l （纵向）线应变：（纵向）线应变： / l l 拉：0；压：0 2-22-2直杆在轴向拉伸和压缩时的变形和内力直杆在轴向拉伸和压缩时的变形和内力二、轴力二、轴力截面法求内力：截面法求内力：（1）假想截开 在需求内力截面处将构件假想截开，以任一部分为研究对象，舍弃另一部分。（2）画受力图 包括舍弃部分对研究对象的内力（3）列平衡方程求未知内力由X=0得 S-P=0S=PPPPPmmSSS截面mm上分布内力的合力，轴向拉压时S沿轴向，故称轴力轴力。 轴力轴力S的符号规定：的符号规定：拉杆轴力为拉力，为正值：S0（离开截面）； 压杆轴力为压力，为负值：S0（指向截面） 对多力杆，各截
4、面轴力将各不相同，可用轴力图表示对多力杆，各截面轴力将各不相同，可用轴力图表示。轴力图轴力图表示轴力沿截面位置（杆长）变化的图。例例 画图示杆件轴力图。设 解解：a） AB段轴力：X=0 -S1-Q+P=0 S1=P-Q=100-200= -100N BC段轴力：X=0 -S2-Q=0 S2= -Q=-200N 轴力图如右。NQQNPP200,100 b）AB段： NPS1001BC段： NQPS1002001002CD段： NPS1003（拉） （拉） （压） 结论：结论：任一截面上的轴力，等于该截面一侧所有轴向外力的代数和，其中背离该截面的外力为正，反之为负。三、应力三、应力 构件的强度不
5、仅与内力的大小有关，且与截面的大小有关，即构件的强度取决于内力集度内力集度单位面积上内力的大小，称之为应力。 内力在截面上未必均布，也未必与截面垂直。 在k点取一微小面积 ， AA上作用有内力 Q，则/QAA 上的平均应力。 dAdQAQp limk点的应力。 正应力正应力或法向应力。P之法向分量，与截面垂直。剪应力剪应力或切向应力。P之切向分量，与截面相切。应力的单位：应力的单位：Pa（N/m2）、Mpa（兆帕）、kMPa（千兆帕）四、简单拉伸和压缩时横截面上的应力四、简单拉伸和压缩时横截面上的应力拉压变形满足平面假设平面假设：变形前的横截面变形后仍然保持为平面。 变形后的横向线 、 mmn
6、n 仍然为直线，且垂直于杆轴。 根据平面假设可以断定拉杆所有纵向纤维的伸长量均相等。由于材料是均匀的，各纵向纤维性质相同，其所受力也一样，所以横截面上内力均布，横截面上内力均布，各点应力均相等：各点应力均相等： =S/A 拉应力为正，压应力为负。（A为横截面积） 例：例：受力情况如图，截面积A=5cm2。求：1、画轴力图；2、求最大正应力max。 解：解：1、画轴力图AB段： kNSX6001BC段： kNSSX2006080022CD段： kNS3032、求最大正应力4maxmax/60 1000/5 10120SAMPamax五、拉压杆斜截面上的应力五、拉压杆斜截面上的应力斜截面mk的外法
7、线与杆轴x间夹角。逆时针为正。p 由于各纵向纤维伸长量相等，所以斜截面斜截面应力应力 为均布为均布。由 可得 0XcosApFA横截面积；F杆所受拉力。 cos/cosxxpFA横截面上应力 2coscosxp恒0斜截面上的正应力 最大正应力发生在横截面上最大正应力发生在横截面上。 2sinsincossin21xxp斜截面上的剪应力。 五、拉压杆斜截面上的应力五、拉压杆斜截面上的应力两平行截面mk和 切下的薄片的受力情况如图： km mkkmmmk kmkmkp将两相邻截面拉开使两截面产生相对错动 规定：规定：作用在一个薄片两个截面上的剪应力组成的力偶如果是顺时针的，则剪应力为正值，反之为负
8、值。)(2sin,2sin2121xx（ ）0正，0负， 剪应力互等定理剪应力互等定理 剪应力互等定理：剪应力互等定理：在（过某一点）相互垂直的两个截面上，剪应力必然成对存在且数值相等，方向则共同指向或背离两平面的交线。 在在k k处取一单元体，其受力情况如下：处取一单元体，其受力情况如下：2sin)2sin()2/(2sin2121212/xxxPP2-32-3材料的机械性能材料的机械性能一、低碳钢（含一、低碳钢（含C C0.25%0.25%）1 1、性能试验与分析、性能试验与分析 静拉伸试验中将材料制成圆（或矩）圆（或矩）形截面形截面试件：两端粗两端粗便于装夹、防止在装夹部分破坏。试验段试
9、验段中间较细等截面部分。其长度 0l称为标距。标距。 GB228：金属拉力试验法金属拉力试验法规定规定：圆截面试件： 0l=10d或5d，规定d=10mm；矩形截面试件： 0l=11.3F 或5.65 F 将试件装到试验机上，开动机器，使之受到从零开始逐渐增加的拉力P，自动绘图仪便绘出P l曲线：拉伸曲线或拉伸图。拉伸曲线或拉伸图。 2-32-3材料的机械性能材料的机械性能为消除试件尺寸影响，反映材料本身的性质，可取0/ APP拉力； 0A试件原始横截面积。 正应力：正应力：线线应变：应变：0/ll0lll纵向变形量； 0l标距原长。 绘成曲线。曲线大致分为四个阶段大致分为四个阶段： 2-32
10、-3材料的机械性能材料的机械性能（1 1）弹性阶段）弹性阶段:ob:ob段段 变形为弹性卸载后完全消失。 e弹性极限弹性极限。弹性阶段所能承受的最大应力。Q235A（A3）钢 200MPaeoa段为斜直线比例阶段。比例阶段。在此阶段应力与应变成正比：EtgE 直线oa之斜率。拉压弹性模量。拉压弹性模量。 E值的大小反应材料抵抗弹性变形能力的高低。不同材料的E值不同。对各对各种钢：种钢： 112 10EPa虎克定律：虎克定律：当应力不超过材料的比例极限时，应力与应变成正比。p比例极限比例极限。比例阶段所能承受的最大应力。将 0/ AP0/ll、 代入 E可得： 00/llEAP，即 00EAPl
11、l 虎克定律的又一形式。虎克定律的又一形式。可用于计算纵向变形量。 0EA抗拉抗压刚度。 2-32-3材料的机械性能材料的机械性能设： 1d杆件拉（压）后的直径；d原来的直径。则横向变形量：横向变形量： ddd1拉： 0d ；压： 0d 横向应变：横向应变： dd /拉： 0；压： 0与 总是异号。试验证明：试验证明： ./const横向变形系数（泊松比）横向变形系数（泊松比） 常用材料的常用材料的 E、 值见值见P41表表2-1。 2-32-3材料的机械性能材料的机械性能（2 2）屈服阶段：）屈服阶段：bcbc段段e 应力超过 后出现应变增加很快而应力在很小范围内波动， 曲线出现一段接近水平
12、的小锯齿线段。这种应力变化不大应变却显著增加（材料好像失去了对变形的抵抗能力）的现象，称为屈服或流动。屈服或流动。 此阶段变形大部分为塑性或残余变形卸载后不能消失。s屈服（流动）极限屈服（流动）极限。屈服阶段的最低应力。Q235钢 。 235MPas 达到屈服极限后材料将出现显著的塑性变形，致使构件不能正常工作，所以 是衡量塑性材料强度的重要指标。是衡量塑性材料强度的重要指标。 s2-32-3材料的机械性能材料的机械性能 经过屈服阶段以后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使材料继续变形必须增加拉力，这种现象称为材料的强化。材料的强化。b 强度极限强度极限。强化阶段最高点所对应的应力。为材料所能承
13、受的最大应 力。为塑性材料重要强度指标为塑性材料重要强度指标。 Q235钢： 400MPab此阶段试件横向尺寸有明显缩小。此阶段试件横向尺寸有明显缩小。（3）强化阶段）强化阶段 cd段段2-32-3材料的机械性能材料的机械性能（4 4）局部变形（颈缩）阶段：）局部变形（颈缩）阶段：dfdf段段 过d点后，局部截面急剧缩小，出现“颈缩”现象，因此试件继续伸长所需拉力也相应减小，用原始截面 算出的应力 也随之减小，降至f点试件被拉断。断后弹性变形消失，塑性变形依然保留，标具由原长 变为 ，横截面积由原始值 变为 （断口处）。定义：定义： 0A0/ AP0l1l0A1A%100001lll延伸率延伸
14、率（相对伸长率）%100010AAA截面收缩率截面收缩率 、 表示材料直到被拉断时塑性变形所能达到的最大程度。表示材料直到被拉断时塑性变形所能达到的最大程度。 5%塑性材料。 低碳钢（ =2030%， =6070%）、Cu、Al等。 5%脆性材料。 铸铁、玻璃等。 2 2、冷作硬化、冷作硬化 冷作硬化冷作硬化在常温下将材料预先加载到强化阶段（e点， eo1为卸载线）然后卸载，当再次加载时（ 为加载线）比例极限提高但塑性（ 为 11eogo1）降低的现象。 工程上利用冷作硬化提高构件在弹性阶段的承载能力，如起重用的钢索、建筑用的钢筋采用冷拔工艺提高强度；喷丸、滚压等表面强化处理。 零件在加工中产
15、生的冷作硬化称为加工硬化，加工硬化，给下一步加工带来困难。 冷作硬化可经退火予以消除。冷作硬化可经退火予以消除。二、其它材料的拉伸曲线二、其它材料的拉伸曲线1 1、无屈服阶段塑性材、无屈服阶段塑性材只有弹性和强化阶段，又能产生很大塑性变形。只有弹性和强化阶段，又能产生很大塑性变形。 国标规定以产生0.2%的塑性变形所对应的应力作为材料的名义屈服极限名义屈服极限，用 2 . 0表示。其确定方法如右图所示。 二、其它材料的拉伸曲线二、其它材料的拉伸曲线2 2、脆性材料、脆性材料 铸铁、玻璃钢、陶瓷等。 直到被拉断无明显塑性变形，无屈服无颈缩，拉到一定程度即突然断裂。拉断时之应力称为抗拉强度极限抗拉
16、强度极限 。 b是衡量脆性材料强度的唯一指标。是衡量脆性材料强度的唯一指标。 b脆性材料脆性材料 b很低，所以不宜作承拉件。很低，所以不宜作承拉件。 铸铁 曲线无明显直线部分，弹性模量E随应力大小改变，通常以割线代替曲线开始部分，称为割线弹性模量割线弹性模量。如右图所示。 三、材料在压缩时的机械性质三、材料在压缩时的机械性质金属材料压缩试件做成圆柱形，为避免压弯，取金属材料压缩试件做成圆柱形，为避免压弯，取 dh)35 . 1 (混凝土、石料、木材等非金属材做成立方体。1、塑性材、塑性材 b 屈服前 曲线与拉伸时重合（但越压越扁，并不会压溃，所以测不到强度极 ）。所以塑性材料一般不作压缩试验塑
17、性材料一般不作压缩试验。 三、材料在压缩时的机械性质三、材料在压缩时的机械性质2 2、脆性材料、脆性材料45压缩压缩时的 曲线与拉伸相似。 如铸铁：无明显直线部分，也无屈服阶段，在很小的塑性变形下即被突然压坏。破断面与轴线约成 45角（说明最大剪应力出现在45斜截面上，铸铁正是在这一面上被剪断的：2sin21x）。 脆性材料的抗压强度比抗拉强度高脆性材料的抗压强度比抗拉强度高3-4倍，所以铸铁等宜做承压件。倍，所以铸铁等宜做承压件。如机床床身、机座、轴承座等。四、温度对材料机械性能的影响四、温度对材料机械性能的影响 P102P102 以上讨论的是材料在常温下的机械性能。在高温或低温下材料性质与
18、常温下将有所不同。1.高温影响高温影响（1）高温对短期静载试验的影响）高温对短期静载试验的影响P102图7-3低碳钢：低碳钢：温度E 抵抗弹性变形的能力下降； p、 s 高于 400400测不出；400400以上不能使用。以上不能使用。先上升然后急剧下降；b 抵抗横向变形能力下降。 (2)高温对长期加载的影响高温对长期加载的影响C400C450高温蠕变高温蠕变在高温下承载的构件(碳钢超过,合金钢超过 ),虽然载荷 大小不变,变形(塑性)却随时间不断增加的现象。引起外观尺寸改变引起外观尺寸改变。如：汽轮机叶片与轮壳相碰而打碎。四、温度对材料机械性能的影响四、温度对材料机械性能的影响 P102P1
19、02 应力松弛应力松弛由于蠕变使弹性变形逐渐转化为塑性变形，从而引起构件内 应力减小的现象。是一种特殊的蠕变现象是一种特殊的蠕变现象。 高温容器法兰联结螺栓松弛后使法兰与垫片间压紧力减小而发生泄漏（密封失效）；汽轮机转子与轴之间的紧配合松脱。 蠕变速度与温度和应力成正比。在允许的最大变形量一定时，蠕变速度越高，工作寿命越短。材料的高温强度指标材料的高温强度指标A A、蠕变极限、蠕变极限 n在一定高温下，为使蠕变速度不超过一定值时所允许的 最大应力，称为该温度、该蠕变速度下材料的蠕变极限。 B、持久强度限、持久强度限 D在一定高温下，在规定时间内t不发生断裂所允许的最高应力，称为材料在该温度下经
20、历时间为t的持久强度限。 发生蠕变的试件，经过一段时间将发生断裂。 四、温度对材料机械性能的影响四、温度对材料机械性能的影响 P102P102 2、低温影响、低温影响低碳钢、低合金钢 ）塑性（延伸率）强度（弹性、屈服极限具有低温脆性（冷脆现象）不锈钢、铜、铝等无此现象。2-42-4金属的缺口冲击、弯曲和硬度试验金属的缺口冲击、弯曲和硬度试验一、冲击试验一、冲击试验1 1、应力集中的概念、应力集中的概念 P32P32、P100P100 工程中的构件不都是等截面杆。如机械零件上常有沟槽、螺纹、圆孔、键槽和台阶等，使构件截面发生突变。应力集中应力集中由于截面突然变化而引起的应力局部增大的现象。应力集
21、中系数：应力集中系数： max0/Kmax发生应力集中截面上的最大应力； 0被削弱截面上的平均应力。2 2、应力集中的影响、应力集中的影响 （1 1）塑性材料承受静载荷时可以不考虑应力集中的影响）塑性材料承受静载荷时可以不考虑应力集中的影响（有缓和应力集中的作用。或对应力集中有自限性）。（2）应力集中会使组织均匀的脆性材料的承载能力大为降低）应力集中会使组织均匀的脆性材料的承载能力大为降低 无屈服阶段，在最大应力处首先产生裂纹（达到强度极限时），在裂纹尖端又形成新的应力集中（角越尖越严重），最终导致整个构件破坏。 2 2、应力集中的影响、应力集中的影响 （3 3）组织不均匀的脆性材料可不考虑应
22、力集中影响）组织不均匀的脆性材料可不考虑应力集中影响 如铸铁。因其组织内部存在着导致应力集中的片状石墨，所以构件尺寸变化引起的应力集中对承载能力的影响就不大明显了。 （4 4）不管是塑性还是脆性材料，承受交变载荷时必须考虑应力集中的影响）不管是塑性还是脆性材料，承受交变载荷时必须考虑应力集中的影响。 应力集中促使疲劳裂缝的形成，导致疲劳破坏。3 3、缺口冲击试验、缺口冲击试验冲击冲击极短的时间内速度发生极大的变化。如汽锤锻造、落锤打桩、高速飞轮突然刹车等均属冲击问题。 冲击物在极短的时间内速度发生很大变化，有时甚至降低为零，表示获得很大的负值加速度。因而在冲击物和受冲构件之间必然作用有很大的作
23、用和反作用力冲击载荷。冲击载荷。冲击试验冲击试验：NmHHGAKV)(21冲击功冲击功。 2GH为剩余能量。 2/cmJFAKVKV 冲击韧性冲击韧性。即冲断试件缺口处单位横截面积所消耗的功。F为试件缺口处的横截面积 3 3、缺口冲击试验、缺口冲击试验 试件上的缺口是为了造成应力集中，使断裂从这里开始。 试件发生断裂使一个裂纹发生和扩展的过程，在裂纹向前发展的道路上如果塑性变形发生在它的前面，就可以阻止裂纹的长驱直入。它要继续发展，就要消耗更多的能量。因此冲击韧性值的高低，决定于材料有无迅速塑性变形的能力。冲击韧性值的高低，决定于材料有无迅速塑性变形的能力。韧性高的材料一般都有较高的塑性指标，
24、但塑性较高的材料却不一定都有高的韧韧性高的材料一般都有较高的塑性指标，但塑性较高的材料却不一定都有高的韧性。性。其所以如此，就是因为在静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，在动载荷下不一定能迅速塑性变形。 4、冲击韧性能说明的问题、冲击韧性能说明的问题（1）材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。（2）材料对微观缺陷的敏感性防止材料在低温下工作时出现低应力脆性断裂。冷脆现象冷脆现象低温下冲击韧性降低的现象。低碳钢和低合金钢有此现象，不 锈钢、 铜、铝无此现象。 二、弯曲试验（冷弯试验。冷不是指低温）二、弯曲试验（冷弯试验。冷不是指低温） 目的目的：检查试件承受塑性变形的能力。 Pd 在试件背面不出现裂纹的条
25、件下,弯心直径d越小、试件弯曲角 越大，则试件承受塑性变形的能力越强。化工设备上主要做钢板或钢板对接焊缝接头的冷弯试验。化工设备上主要做钢板或钢板对接焊缝接头的冷弯试验。 三、硬度试验三、硬度试验 硬度硬度材料抵抗其它物体刻划或压入其表面的能力。对耐磨性（精度保持性）及强度都有一定关系。对钢材： HBb6 . 3。常用的有布氏硬度和洛氏硬度。1 1、布氏硬度（、布氏硬度（HBHB） 在布氏硬度试验机上，将一直径为D的标准硬钢球，以规定载荷（如3000Kgf）压入试样表面，保持一定时间（如10s），测出压痕直径d，则单位压痕面积上的平均压力即布氏硬度值： )/()(5 . 0/222mmKgfd
26、DDDPFPHBPDd（或Mpa，一般不注单位）材料越硬，压痕越小，HB值越高。 HB450的较硬材料不能用布氏法测硬度，因作为压印头的钢球在测量时会变形，影响试验结果。 适用适用：未淬火钢、HT及有色金属。但不宜于较薄零件或成品的硬度检验（压力大）。 三、硬度试验三、硬度试验2 2、洛氏硬度、洛氏硬度 有三种有三种（1 1）HRCHRC（在洛氏硬度试验机上）（在洛氏硬度试验机上）以 金刚石圆锥为压印头，先加10Kgf的初载荷，同时将机上刻度盘指针对准零点，然后再加140 Kgf的主载荷，停留一定时间后卸载。以不计初载的压痕深度按下式计算：120hP HRC=100-h（mm）/0.002许用范围许用范围：HRC2067适用适用：一般淬火钢、调质钢等。最常用。 三、硬度试验三、硬度试验（2 2）HRA HRA 压印头同上，总压力P=60Kgf 许用范围：许用范围：HRA7085 适用：适用：更硬材料或薄层硬度。如：硬质合金，淬火工具钢等。（3 3）HRBHRB 以d=1.5875mm淬硬钢球为压印头，总压力P=100Kgf，可测较软材料。 许用范围：许用范围：HRB25100 适用：适用：软钢、有色金属合金（铜、铝合金等）。
