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机械工程材料手册pdf 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,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。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,因此规定拉伸时产生%残余延伸率所对应的应力为规定残余延伸强度,记为(?),如图1-3所示。(注:括弧内为旧标准符号,下同) ⑵抗拉强度Rm 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算。 1、布氏硬度布氏硬度的试验原理如图1-4所示。将直径为D的钢球或硬质合金球,在一定载荷P的作用下压入试样表面,保持一定时间后卸除载荷,所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。布氏硬度值可通过测量压痕平均直径d查表得到。当压头为钢球时,布氏硬度用符号HBS表示,适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合