《金属材料的力学特性》课件

金属材料的力学特性本课程探讨金属材料力学特性基础知识分析各类测试方法与应用实例掌握金属材料选择与设计要点讲授内容总览基础理论力学特性概念、术语定义测试方法拉伸、硬度、冲击、疲劳、蠕变材料种类钢铁、轻质合金、特种金属工程应用设计选材、失效分析、性能改进金属材料简介黑色金属有色金属工程地位以铁为基础的合金铝、铜、钛、镁等现代工业基础碳钢、不锈钢、铸铁轻质、导电、耐蚀结构承载、能量传递力学特性基础概念定义范围与物理性能区别材料在外力作用下的响应行为密度、导电、导热等内在属性变形与破坏过程特征非外力作用下表现与化学性能区别耐腐蚀、氧化还原反应环境介质中的稳定性常见力学性能用术语强度材料承受载荷能力，不破坏上限韧性吸收能量能力，抗冲击特性塑性永久变形能力，成形加工性硬度抵抗局部变形，耐磨损特性力学性能测试方法综述静力学测试动力学测试拉伸、压缩、弯曲、扭转冲击、疲劳、动态加载特殊测试时效测试硬度、断裂韧性、摩擦磨损蠕变、松弛、持久强度拉伸性能基础测试流程标准试样匀速加载至断裂实验目的圆形或扁平截面全程记录力位移关系-确定弹性模量、屈服强度标距段设计规范测定极限强度、断裂延伸率拉伸阶段解析弹性阶段屈服阶段强化阶段颈缩阶段线性关系，可逆变形应力平台，滑移开始应力上升，位错增殖局部变形，截面减小弹性模量与泊松比弹性模量定义泊松比定义典型值范围应力与应变比值横向与纵向应变比钢铁:210GPa,μ≈

0.3铝E=σ/εμ=-εt/εl:70GPa,μ≈

0.33反映材料刚度体积变化表征铜:130GPa,μ≈

0.34屈服强度与极限强度235MPa普通结构钢屈服强度大型建筑、桥梁常用355MPa高强度钢屈服强度压力容器、起重设备400MPa不锈钢极限强度化工、食品设备500MPa合金钢极限强度汽车、机械零部件塑性参数金属的脆性与塑性对比温度影响晶体结构变形行为低温增加脆性最塑性塑性大量滑移FCC:高温增加塑性低温脆化脆性裂纹扩展BCC:典型实例塑性纯铜、铝:脆性铸铁、钨:硬度定义与意义耐磨损性表面摩擦使用寿命抗压入性抵抗局部永久变形抗刮擦性表面质量保持能力加工难易度切削、钻孔工艺指标硬度测试方法布氏硬度洛氏硬度维氏硬度钢球压入，大压痕金刚石锥或钢球金刚石四棱锥适合粗晶、非均质材料测量压入深度微区精确测量不同硬度试验比较测试方法适用范围优势局限性布氏硬度大型铸件、锻件结果稳定不适薄材洛氏硬度热处理钢、工具操作简便精度较低维氏硬度涂层、薄片高精度需表面处理显微硬度相组织、微区分辨率高测试费时硬度与其他性能的关联硬度强度关系-为系数σb≈k·HB k硬度耐磨关系-磨损率与硬度成反比硬度韧性关系-硬度增高韧性通常降低冲击韧性基础概念定义本质材料吸收冲击能量能力物理表征单位面积吸收功，J/cm²工程意义预防脆性灾难性失效应用关键低温设备、压力容器安全冲击试验及指标夏比试验标准试样断口特征悬臂梁缺口××韧性灰色纤维状,V/U101055mm:摆锤打击能量测定缺口深度角度脆性明亮晶面状,2mm,45°:韧脆转变温度冲击韧性与工程安全低温环境、应力集中、材料脆化共同导致灾难性事故设计必须考虑最低服役温度安全裕度疲劳现象总述疲劳定义工程危害疲劳特征周期性载荷下材料渐进损伤机械、航空结构主要失效模式无明显宏观变形低于静载极限下失效占设备失效原因以上贝壳状断口、疲劳条带80%疲劳寿命与极限疲劳裂纹萌生与扩展滑移带形成周期塑性变形累积微裂纹萌生表面凸起与凹陷稳定扩展期形成疲劳条带快速断裂期剩余截面瞬间失效影响疲劳性能的因素表面质量材料强度光洁度、表面硬化处理强度提高疲劳极限增加应力集中缺口、相变、异质夹杂载荷特性环境因素频率、幅值、平均应力温度、腐蚀介质蠕变基本概念蠕变定义应用场景恒定载荷下随时间变形汽轮机叶片高温特有现象高温管道石化反应器燃气轮机蠕变阶段与时效蠕变性能的影响因素温度影响应力影响微观结构温度上升蠕变加速应力增大速率提高晶界强化每升高℃速率呈指数关系析出相稳定性10增倍合金成分碳化物稳定性固溶强化元素蠕变测试与分析试验装置1恒载荷杠杆系统高温炉与测量仪表标准规范2GB/T2039,ASTM E139恒温恒载荷长期试验数据处理3拉森米勒参数法-蠕变速率与断裂时间寿命预测4外推法估算使用寿命安全系数与监测计划断裂力学基础能量释放率G克服表面能扩展裂纹所需能量应力强度因子K2表征裂尖应力场强度断裂韧性KIC3材料抵抗裂纹扩展能力断裂准则时发生失稳扩展K≥KIC金属断裂类型延性断裂脆性断裂疲劳断裂塑性变形明显几乎无塑性变形贝壳纹杯锥状断口亮晶解理断口疲劳条带韧窝结构河流花样特征源区、扩展区金属损伤演化与结构完整性缺陷形成制造工艺、服役损伤损伤监测无损检测、定期评估剩余寿命评估断裂力学计算、安全裕度维护决策修复、更换或继续使用失效分析实例事故调查结合力学测试、微观分析断口特征提供失效机制关键信息奥氏体钢的力学特性210-280MPa屈服强度较低屈服点520-720MPa抗拉强度高强度屈强比/40-50%延伸率优异塑性变形能力≥200J冲击功低温环境优越韧性铁素体珠光体钢性能/铁素体钢珠光体钢应用领域屈服强度屈服强度铁素体家电外壳•:220-260MPa•:350-550MPa•:抗拉强度抗拉强度铁素体汽车车身•:380-460MPa•:600-900MPa•:延伸率延伸率珠光体铁路钢轨•:25-30%•:10-20%•:特点可成形性好特点强度高韧性好珠光体高强度紧固件•:•:,•:有色金属（如铝、铜合金）铝合金特性铜合金特性应用领域密度密度航空结构件:

2.7g/cm³:

8.9g/cm³弹性模量弹性模量电力传输导线:70GPa:130GPa强度强度热交换器:200-550MPa:220-450MPa导热系数高导电性优异电子设备钛合金与镁合金铸造金属与锻造金属对比铸造金属特点锻造金属特点形状复杂自由度高组织细密均匀均匀性较差纤维状流线结构气孔、缩孔缺陷强度高韧性好,强度较低韧性差形状限制大,热处理与金属力学性能淬火退火奥氏体化后快速冷却缓慢冷却12形成马氏体硬度高减少内应力提高塑性,,正火回火4空冷细化晶粒淬火后中低温加热,组织均匀化兼顾强度与韧性晶粒度、组织与性能关系粗晶粒结构细晶粒结构纳米晶结构塑性好蠕变抗力低强度高韧性好超高强度,,低温脆性明显疲劳性能优异变形机制特殊合金元素添加的效应碳C提高硬度强度锰Mn增加淬透性铬Cr提高硬度耐磨性镍Ni增加韧性钒V细化晶粒表面处理与残余应力渗碳处理表面硬度可达HRC58-62深度

0.5-

2.0mm氮化处理表面硬度HV900-1100温度低变形小,喷丸强化表面压应力疲劳寿命提高30-50%感应淬火局部硬化精确控制变形小,力学性能在结构设计中的作用最佳性能综合各项指标最优设计1性能平衡强度韧性经济性权衡--安全裕度基于可靠性分析的设计系数数据基础选材依据与设计标准典型测试设备与产业标准万能试验机硬度测试仪冲击试验机拉伸、压缩、弯曲布氏、洛氏、维氏夏比、悬臂梁GB/T228,ASTM E8GB/T231,ASTM E10GB/T229,ASTM E23力学性能数据的工程应用结构用途关键性能指标建议安全系数推荐材料示例桥梁结构屈服强度韧性,

1.5-

2.0Q345qD压力容器蠕变疲劳,

2.5-

4.016MnR航空零件比强度疲劳钛合金,

1.2-

1.5TC4汽车零件屈服冲击韧性,

1.5-

2.042CrMo力学性能未来发展趋势纳米结构金属超高强度与韧性界面设计与调控先进高强钢多相组织协同强化效应TRIP,TWIP金属基复合材料定向性能设计功能结构一体化-增材制造金属梯度性能分布异质结构集成智能制造与性能检测新技术相控阵超声工业声发射技术CT高精度缺陷成像无损内部检测实时监测损伤三维可视化微米级分辨率早期预警数字图像相关全场应变测量变形过程跟踪力学性能实验与课程实践建议基础实验进阶实验标准拉伸试验疲劳曲线测定••硬度测量对比冲击韧性转变••热处理效果验证断口形貌分析••显微组织观察焊接接头性能••综合实践工程案例分析•失效原因推断•材料选型方案•性能优化设计•复习思维导图基础概念测试方法力学特性定义与分类静态与动态试验体系1发展前沿性能指标新材料、新技术、新方法强度、塑性、韧性、硬度工程应用机理分析设计选材与失效分析变形与断裂微观过程习题与案例分析基础概念题弹性模量物理意义屈服强度判定标准计算分析题应力应变曲线计算-断裂力学参数评估工程案例题桥梁钢材选型依据压力容器失效分析综合设计题给定条件下最优材料性能改进方案设计总结与课程展望金属材料力学性能研究与工程应用紧密结合新型金属材料与智能制造技术加速发展跨学科融合带来更广阔应用前景。