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【工程材料B】一:材料力学性能概述

一些课程介绍啥的咱就不说了,本文是学渣学习笔记,就图个印象深刻,大佬勿喷,希望对你们也有所帮助。

先看一下第一节课的目录:

我们可以看到,材料的性能分为材料的使用性能和材料的工艺性能。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、化学性能。工艺性能是指材料在加工过程中所表现的性能,包括锻造、锻压、焊接、热处理和切削加工性能等。

其中材料的力学性能是内容最多,难点最多的重点。

材料的力学性能:

材料力学性能是指材料在外加在和作用时所表现出来的性能,包括强度硬度塑性韧性及疲劳强度。评价材料力学性能最简单有效的方法就是进行静态拉伸试验,以此来测定材料的拉伸曲线(就是用下图这种机械,拉伸下图的标准式样):

进行实验之后我们将得到一个曲线图(材料的应力-应变曲线),x轴为应变 ε ,y轴为应力 σ

上图左边为塑形材料,右边为脆性材料。

但在工程材料课上并没介绍应变与应力的概念,我们引用材料力学的概念来说明一下这两者:

  • 应力:我们取一直杆,外加若干外力使其平衡,然后在取它的一个横截面,我们便可以求出这个横截面的内力总和,但仅知道内力总和有时是不够的,我们要知道内力在截面上各点的分布情况。这可以采用每单位截面上作用的内力来衡量,这个物理量称为该点的应力(更多应力介绍看材料力学)。
  • 应变:伸缩变形的大小和杆件的长度有关,也和材料的性质有关。我们可以理解应变为单位长度内的变形

那我们如何从σ-ε 曲线上看出该材料的各种力学性能呢?

1:弹性与刚度

Oe 段为弹性变形阶段。此时卸掉载荷,试样可以恢复到原来尺寸, 这种变形成称为弹性变形。e 点的应力 σe称为弹性极限。Oe 线上 Op 部分为一条斜直线,因为应力与应变始终成比例,所以 p 点的应力 σp 称为比例极限。

多数材料的 e 点和 p 点几乎重合在一起,一般不做区分。

材料在弹性变形范围内,应力与应变的比值 E=tanα=σ/ε(Mp)称为弹性模量(也就是Op段的斜率), 物理意义是产生单位弹性变形时所需应力的大小。表示材料抵抗弹性变形的能力, 称为材料的刚度,就用弹性模量E来衡量。

弹性模量E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,而工艺参数(如热处理、冷热加工、合金化等)对它的影响很小。一般可以通过增加横截面积或改变截面形状的方法来提高零件的刚度。

2:强度与塑性

强度是材料抵抗塑性变形和破坏的能力。按外力的不同,可以将强度分为抗拉强度,抗压强度,抗弯强度和抗剪强度等。当受啦历史,强度指标为屈服强度σs和抗拉强度σb。

屈服强度:

当实验力超过e点(弹性极限)时,便会产生弹性变形外的塑性变形。然后转看下图:

上图中a点即为弹性极限,之后开始塑性变形。其从a开始到d点,尤其是cd段,材料应力几乎不增加但应变(伸长率)增加的现象,称为屈服。网课上称b点应力称为屈服强度,但我们以书上为准:屈服强度区分为上屈服强度和下屈服强度。上屈服强度ReH是指实验时在拉伸曲线图上读取的曲线首次下降前的最大力(b点),下屈服强度是指试样屈服时,不计初始瞬时效应时的最小力(e点)。

对于脆性材料,没有明显的屈服现象,规定用试件标距长度产生 0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度,以 σ0.2表示。(也就是条件屈服强度)

对于上图中的斜线我好一段时间没能理解过来,后来想明白了,如图横坐标为伸长率(也就是应变),我们当塑性变形为0.2%时的应力值认为是脆性材料的屈服强度,而b点向下投影的伸长率为弹性形变加塑性形变的和,所有应做平行于弹性形变的斜线向x轴投影的到的,才是补偿掉弹性形变之后的塑性形变。

抗拉强度:

cb段不均匀塑性变形阶段。在在这一阶段,应力随应变增加而增加,产生应变强化。应力到 b 点时达到最大值 σb。b 点之后,试件开始发生局部塑性变形, 产生“颈缩”, 随应变增加,应力明显下降直至断裂。

抗拉强度是指式样被拉断前的最大承载能力除以式样原始横截面积得到的应力值,也就是下图中的 σb。

塑性:

材料在受力破坏前产生最大塑性变形的能力称为塑性。一般用断后伸长率A和断面收缩率Z来衡量其大小。

式中,L0表示试样拉断后的标距长度,Su表示试样拉断后的最小横截面积。

A和Z的值越大,材料塑形越好。见下图:

3:硬度

材料抵抗局部塑性变形的能力称为硬度, 是表现材料软硬程度的一个指标。硬度参加过金工实习的小伙伴应该很清楚啦。课程主要介绍了压入法的三种测量测度的方式。

布氏硬度(HB):用不同直径的硬质合金球压入试样测量压痕球形面积

优点:实验数据稳定,重复性强

缺点:压痕大,不能用于太薄件,成品件以及过硬的材料

应用:灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度。

洛氏硬度(HR):以测量压痕深度来表示材料的硬度。压头有两种:一种是圆锥角 α=120°的金刚石锥体;另一种是一定直径的小淬火钢球。

优点:操作简便迅速,硬度值可直接读出,压痕较小,可在工件上进行试验;

缺点:压痕小,代表性差,所测硬度值重复性差,分散度大。

应用:广泛用于热处理质量的检验。可以测量小的薄的成品器件。

维氏硬度(HV):与布氏相同,根据压痕面积计算硬度值。压头为两对面夹角 α 为 136o的金刚石四棱锥体

优点:保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点,即可测量由极软到极硬材料的硬度,即可测量大块材料、表面硬化层的硬度,又可测量金相组织中不同相的硬度, 测量精度高

缺点:工作效率低

4:韧性

许多机械零件、构件或工具在服役时,会受到冲击载荷的作用,如活塞销、冲模和锻模等。材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。为了评定材料的冲击韧性,需要进行冲击试验。

上图是摆锤式一次冲击实验,但大多数零件是小能量下多次冲击作用下破坏的,小能量多次冲击试验是在落锤试验机上进行的。多次冲击抗力指标, 一般是以某种冲击吸收功 A 作用下开始出现裂纹和最后断裂的冲击次数来表示的。

5:疲劳

实际应用中,构件常常是在交变载荷的作用下工作。所谓交变载荷是指大小或方向随时间而变化的载荷。在这种载荷的作用下, 零件所承受的应力虽然低于其屈服强度,但经过较长时间的工作会产生裂纹或突然断裂,这种现象称为材料的疲劳。实际服役的金属材料有90%是因为疲劳而破坏。

疲劳断裂的特点: ① 疲劳是低应力循环延时断裂,即有寿命的断裂。这种寿命随应力不同而变化的关系,可用疲劳曲线来说明:应力高寿命短,应力低则寿命长,当应力低于疲劳极限时,寿命可无限长。对于钢铁材料,一般规定疲劳极限对应的应力循环次数为 107;有色金属为 108。 ② 疲劳是脆性断裂。由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低,不管是韧性还是脆性材料,都是脆断, 是一个长期累积损伤过程。 ③ 疲劳对缺陷(缺口、裂纹及组织缺陷) 十分敏感。 ④ 疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程,断口上有明显的疲劳源和疲劳扩展区。



到此呢,我就介绍完材料的力学性能了,我们再来看一下目录:

所以我们书上还有很多其他的东西,但都不是重点,也就不再介绍了,都是看一眼就明白的东西。

习题:最后给总结一下慕课上的课后习题,以此强化记忆

考察各种硬度测量方法,布氏硬度常用来测量灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度。维氏应为压痕小,所以用来测量微区的硬度。

材料开始产生塑性变形的应力值,也就是上屈服强度b点ReH啦。 条件屈服强度是指金属材料的屈服点极不明显(脆性材料)时,为了衡量材料的屈服特性,规定产生永久残余塑性变形等于一定值(一般为原长度的0.2%)时的应力,称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2 。 抗拉强度指材料断裂前承受的最大应力,也就是B点。 弹性极限就是a点啦。

背过好了,没啥好说的。

应为维氏硬度,洛氏硬度有两种压头,一种是金刚石的,一种是钢球或硬质合金球

判断题:

课后讨论:

1:弹性极限和屈服强度有什么区别?为什么我们用屈服强度而不用弹性极限来表征材料的强度?

弹性极限和屈服强度就不是一个点,弹性极限是e点,屈服强度是s点,关于两者定义我就不重复了。那材料强度是什么呢?强度是材料抵抗塑性变形和破坏的能力。而弹性形变在去除载荷后可以恢复原状,根本没有发生塑性变形,更别提破坏了,所以又如何能代表材料强度呢?反观屈服强度,sc段为屈服过程,应变增加而应力不增加,cb段则为不均匀塑性变形阶段,过了b点就将要被破坏。所以理解上用屈服强度来表征材料的强度更为合理。

2:为什么通常较硬的材料的硬度通常用洛氏硬度来测量,而较软的材料的硬度通常用布氏应读来测量?

先看上图,书上说的。具体为啥,我觉得布氏硬度的压头是硬质合金求,本身硬度就有限。而洛氏硬度的压头如下图:

其压头金刚石本身就有很高的硬度,所以可以测量较硬的物体硬度。

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本文分享自微信公众号 - Opencv视觉实践(gh_31e12b1be0e0),作者:周旋

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原始发表时间:2020-02-29

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