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工程材料之机械性能


机械性能
前言: 前言: 机械性能的研究对于工程师来说是义不容辞的责任, 他们需要了解各种机械 性能的测量并且知道这些属性代表什么,在设计结构或组件使用材料时,工程师 应该保证不发生预定不可接受的水平变形或失败。 目标: 目标: 1、明确工程应力和工程应变。 2、掌握胡克定律及有效条件。 3、明确泊松比。 4、鉴于一个工程应力的应变图,会确定弹性模量、屈服强度、拉伸强度

、估计 百分比伸长。 5、对于一个圆柱形拉伸变形韧性标本,标本变化的一个侧面描述到断裂点。 6、会进行延性计算。 7、计算陶瓷棒的弯曲强度。 8、利用示意图观察聚合物材料。 9、掌握两种最常见的名称硬度测试技术。 10、记住名称并简要描述两种不同的显微硬度测试技术以及使用。 11、计算材料的韧性,工作压力。 7.1 简介:许多材料在使用时,受到压力或负载,机械是一种材料的行为,反映 简介: 了其反应或变形的关系与施加负荷或力量。重要的机械性能有强度、硬度、延性 和刚度,通过材料的机械性能进行仔细实验,使实验室设计的实验尽可能接近服 务条件,要考虑的因素包括载荷的性质及其持续时间,以及环境条件。这是相关 的负载要拉伸,压缩,它的大小可能会随时间不变,或可能持续波动。一方面, 工程师需要确定压力和应力分布, 这可能是通过实验测试技术或通过理论和数学 分析压力来实现的; 另一方面, 工程师需要关心生产和制造材料以满足服务需求, 进行预测应力分析。这必然涉及材料的微观结构之间(即内部特征)及其机械属 性,材料是经常选择结构的应用,因为他们有理想的机械性能组合。 7.2 应力应变概念:机械行为通过简单的应力应变测试确定,通常是在室温。主 应力应变概念 概念: 要方法有三种:即拉伸,压缩,剪切,在工程实际上,许多扭转载荷,而不是纯 剪。 三个公式: 三个公式:应力的定义关系:工程应变的定义:剪应力的计算依据: 应力应变行为: 7.3 应力应变行为:在一定程度上结构变形取决于施加压力,对于大多数金属, 都强调在相对水平低,应力和应变成正比关系,这就是所谓的胡克定律。模数是 一个重要的设计参数计算弹性变形时使用,弹性变形意味着应用负载被释放时, 物体返回到其原来的形状。 7.4 滞弹性:到目前为止,它已被认为是弹性变形与时间无关,也就是说,外加 滞弹性: 应力产生的瞬时弹性应变,剩下恒定的一段时间内的压力得以维持。大多数工程 材料,还存在一个时间相关的弹性应变分量,也就是说,弹性变形后应力会继续 增加, 并在负载释放一些有限的时间需要完全恢复, 这一段弹性行为称为滞弹性, 这是由于随时间变化的微观过程和原子的变形。 对于金属的非弹性元件通常是小 而往往被忽视。然而,对于一些高分子材料方面的幅度很大,在这种情况下,它 被称为粘弹性行为。

7.5 材料弹性性能:对于大多数金属材料,弹性变形坚持只在 0.005 左右。由于 材料弹性性能: 材料已经超出了这一点变形,应力不再成正比胡克定律不再有效,并永久的不可 恢复或发生塑性变形,从弹性过渡到塑性是大多数金属的一种渐进过程。 拉伸性能屈服强度: 7.6 拉伸性能屈服强度: 大部分结构设计,需要计算施加的压力以确保只有弹性变形。因此,需要知道在 哪一级的压力塑性变形开始,或变形的现象发生。对于金属这种渐进的弹塑性过 渡,屈服点可能因为从应力应变曲线线性初始出发确定,这是有时被称为比例极 限。 真应力应变: 7.7 真应力应变:是在原有的基础上横断面积变形之前,并没有考虑到这一点的 减少在在颈部。有时它是更有意义的使用真正的应力真应变计划。真实应力和应 变应当从实际负荷计算,截面积,长度测量和评估。 7.8 弹性恢复过程中 塑性变形当负载释放过程中的应力应变测试过程中, 一些分数总变形恢复为弹性 应变。如果负载重新应用,曲线会遍历基本上是相同的线性部分在相反的方向卸 载;高产将再次出现在卸荷应力水平,开始卸货。也将有弹性应变恢复与骨折。 7.9 压缩,剪切和扭转变形(图 7,17 剪切和扭转变形( 当然,金属可能会遇到应用的影响下,塑性变形压缩,剪切和扭转载荷。由 此产生的应力应变进入塑性区的行为将类似于拉伸对应。然而,对于压缩,将不 会有最大值,由于缩颈不会发生;此外,断裂模式会有所不同来自该紧张。 力学行为的陶瓷 陶瓷材料是比较有限的力学性能中的适用性,它在许多方面不如金属的。主 要缺点是一个很少的能量倾向,在脆性断裂方式灾难性吸收。在本节中,我们探 讨这些突出的力学特性如何将这些材料和性能测试。 7.10 弯曲强度 陶瓷的脆性应力应变行为通常不是通过拉伸确定测试 7.2 节中所述,有三个 原因。首先,它是很难准备和试样具有所需几何。二是难以把握他们没有压裂材 料;第三,陶瓷失败后,只有约 0.1%应变,因此必须是完全的拉伸试样,以便对 齐避免弯曲应力的存在,这是不容易计算出来。因此,更合适的横向弯曲试验是 最常用的,其中无论是棒标本有圆形或矩形截面弯曲,直到骨折采用三或四点加 载技术, 7.11 力学行为 弹性应力应变行为,利用这些陶瓷材料弯曲测试是类似金属拉伸试验的结 果:一之间存在线性关系应力和应变。同样,在弹性区的斜率为弹性模量;此外, 陶瓷材料的弹性模量略有比金属更高。 7.12 影响孔隙对力学 影响孔隙对力学 性能的陶瓷(光盘) 性能的陶瓷(光盘) 力学性能的聚合物氮化铝 7.13 应力应变行为 聚合物的力学性能与相同指定许多参数所使用的金属,那就是,弹性模量,产量 和拉伸优势。对于许多高分子材料,简单的应力应变测试是采用对于这些机械的 刻画聚合物的特性,在大多数情况下,是高度敏感的速率变形(应变率) ,温度 和环境的化学性质(水,氧的存在,有机溶剂等) 。

7.14 宏观变形 结晶聚合物的宏观变形的某些方面值得我们的注意。 拉伸应力应变曲线的半结晶 材料,最初是无向,上,下屈服点是很明显的曲线,这是其次附近地区的水平。 在上屈服点,在小脖子形式试件计一节。 7.15 粘弹性 一种无定形聚合物可以像在低温下玻璃,橡胶在高于玻璃化转变温度[中间温度 固体(组 11.15)],并随着温度的粘稠液体,进一步的提高。对于相对小变形, 在低温下的力学性能,可弹性;即在符合胡克鈥檚法,电子商务。在最高温度下, 粘性或液体的行为普遍存在。对于中间温度是发现了一个橡胶。 7.16 硬度 另一种机械性能,可能是重要的考虑是硬度,这是一个重大的措施,以抵抗局部 塑性变形。 早期的硬度测试是根据天然矿物质与规模仅仅在一个物质的能力建设 从无到有另一个是软。硬度测试均多于其它任何机械测试有几个原因: 1。它们简单,便宜,一般没有特殊需要的标本 有准备,而且测试仪器是相对便宜。 2。该测试无损,该标本既不过分,也没有骨折 变形,一个小的缺口是唯一的变形。 3。其他机械性能往往从硬度可估算的数据,如拉伸强度。 洛氏硬度 罗克韦尔测试构成最常用的方法来测量硬度,因为他们是如此简单,无需进行特 殊的技能。几种不同秤可以利用从各种可能的组合和不同压头负载,允许几乎所 有的金属合金(以及一些聚合物)测试。 陶瓷材料硬度 7.17 一个有益的陶瓷机械性能的硬度,也就是常利用研磨或研磨时需要采取行 动,事实上,已知最硬的材料一个不同的陶瓷材料的数量,根据努氏硬度以表 7.6 中。努氏硬度只有陶瓷有约 1000 或更高都用于他们的研磨特性(组 13.8) 。 7.18 撕裂强度和硬度的聚合物 力学性能, 有时在一个有影响力的聚合物适合由于一些特殊的应用包括撕裂强度 和硬度。的能力抵制是一种撕裂,尤其是那些用于某些塑料,重要的性质在包装 薄膜。撕裂强度,机械参数的测量,必须撕开一切标本,有一个标准的几何形状 的能量。的拉伸强度和撕裂强度是相关的。聚合物比金属和陶瓷,硬度测试,最 柔和的对金属进行中描述的类似的渗透技术上一节。罗克韦尔测试经常用于 polymers.19 其他缩进采用的技术是硬度计和 Barcol.20 7.19 材料性能 许多因素导致在测量数据的不确定性。这些措施包括测试方法,变异标本制作程 序,操作者的偏见,和仪器校准。此外, 不均匀性可能存在于同一地段的材料,和/或轻微从成分和很多其他方面的差异 很大关系。当然,适当的措施应采取以减少测量误差的可能性,同时也减轻这些 因素导致数据变化。 还应提及的是分散存在的其他被测材料如密度, 导电性能好, 导热系数扩张。 重要的是设计工程师认识到, 分散和变异材料性能是不可避免的, 必须适当处理。有时,数据必须经过统计处理和概率决定。 7.20 设计 安全系数 设计/安全系数 总是会有不确定性的特征载荷的大小在和他们的相关服务应用的压力水平;通常 负荷计算只是近似的。此外,正如前一节,几乎所有工程材料表现出他们的测量

机械性能的变化。因此,必须设计津贴,以防止意外失败。 设计压力利用通常 是首选,因为它是根据最大的预期外加应力,而不是屈服强度材料,通常有一个 估计这样的压力水平比较大的不确定性在屈服强度规范。然而,在本文的讨论, 我们所关注的影响因素,屈服强度,而不是在测定施加压力,因此,后续处理工 作讨论会应力和安全系数。一个适当的 N 值的选择是必要的。 概要: 概要 一个重要的材料力学性能的一些讨论在本章中。应力和应变的概念首次引 入。压力是一个应用机械负荷或武力规范化,措施要考虑到截面积。两种不同的 应力参数的定义工程应力和真实应力。应变代表变形量 A 诱导应力;工程和真应 变的使用。对材料的机械特性有一些可以通过简单的确定应力应变测试。测试类 型有四种:拉伸,压缩,扭转,并剪。拉伸是最常见的。一个是首先强调经历材 料弹性,或非常任理事国,变形,其中应力和应变成正比。该比例常数是为拉压 弹性模量, 剪切模量,是当应力剪切。泊松比的代表横向和纵向的菌株负比率。对于金属, 变形的现象发生在发病塑料或永久变形;屈服强度是由应变偏移方法从应力应变 行为,这是在它的应力塑性变形指示开始。拉伸强度对应于最大拉伸应力可 而持续的百分比由一标本伸长和面积减少,是延性,塑性变形的发生量,在措施 骨折。弹性是指一种材料的能力,在弹性能量吸收变形的弹性模量是下面的工程 应力应变区曲线上的屈服点。此外,静态韧性代表吸收的能量在对材料的断裂并 且被认为是在整个地区采取工程应力应变曲线。韧性材料通常比脆的强硬。 对于脆性陶瓷材料,抗弯强度是由表演横向弯曲试验断裂。许多陶瓷体含有残余 孔隙率,这是他们两个有害的弹性和弯曲模量优势。对应力应变行为的基础,聚 合物属于三个基本分类:脆,塑料,具有很强的弹性。这些材料既不强也不是僵 硬的金属,其机械性能的变化很敏感,温度和应变率。粘弹性力学行为,是完全 弹性的中间物而且完全粘性,显示由高分子材料。它的特点由松弛模量,弹性时 间依赖性模量。的幅度的松弛模量对温度非常敏感,关键的在职弹性体的温度范 围内是这样的温度依赖性。硬度是指对局部塑性变形抗力的措施。在几种流行的 硬度测试技术(洛氏,布氏,努氏,维氏)一个小的压头被迫材料的表面,索引 号是确定的大小或由此产生的压痕深度的基础。对于许多金属,硬度和拉伸强度 约为每成正比其他。除了其固有的脆性,陶瓷材料有明显的努力。和聚合物相对 其他材料相比,各类软。测量机械性能(以及其他材料特性)不准确和精确的数 量,因为总是会有一些散射测量数据。典型材料属性值通常指定条件平均数,而 分散程度可以表示为标准差。 由于不确定因素造成的测量机械性能和在职强调应 用,安全或工作压力通常利用设计目的。对于韧性材料,安全的压力是屈服强度 比和安全系数。


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