第一節材料的特性與參數一、靜力學基礎知識一）、平衡狀態：是指物體相對于地面處于靜止或勻速直線運動狀態。各種固定設備、機械零件運動速度很低或加速度很小時，都可視為處于平衡狀態。二）、力、力的作用效應和力的三要素：力：是物體間相互的機械作用。力的效應力：外效應使物體的運動狀態發生變化；內效應使物體發生變形。力的三要素：力的大小，力的方向，力的作用點。力是矢量，作用在剛體上的力是移動矢量，作用在物體上的力是定位矢量。兩力等效的條件是：力的三要素均相同。力的大小反映了物體間相互作用的強弱程度。國際單位牛頓N。力的方向指的是靜止質點在該力的作用下開始運動的方向。力的作用點是物體相互作用位置的抽象化。

三）、剛體：是在力的作用下不變形的物體.即力的作用下內部任意兩點之間的距離始終保持不變的物體。剛體和力的可傳性：剛體上的力可以沿其作用線移到剛體上任意一點，而不會改變該力對剛體的運動效應。→███→四）、力系：是指作用于物體上的一群力，有平面力系、匯交力系、平行力系、平衡力系、等效力系。五）、靜力學公理：1.二力平衡條件：受到兩個大小相等方向相反，且在同一直線上力作用的構件，是二力構件。作用在剛體上的兩個力，使剛體保持平衡的必要和充分條件是：這兩個力的大小相等、方向相反，且在同一直線上。2.加減平衡力系原理：在已知力系上，加上或減去任意的平衡力系，并不改變原力系對剛體的作用。3.力的平行四邊形法則：作用在物體上同一點的兩個力可以合成一個合力，作用點也在該點，大小和方向由這兩個力為邊構成的平行四邊形的對角線確定。4.作用和反作用定理：兩物體之間的作用力和反作用力總是同時存在，兩力的大小相等方向相反，沿著同一直線，分別作用在兩個相互作用的物體上。六）、力矩：力對剛體的作用效應：有移動和轉動。力對剛體的移動效應可用力矢來度量；力對剛體的轉動效應可用力矩來度量。力矩是度量力對剛體轉動效應的物理量。

Mo(

F)=±

F.h(h—力臂,逆時針轉動時為正，反之為負。單位N.m)。七）、力偶：由兩個大小相等方向相反，且不共線的平行力組成的力系稱為力偶。力偶不能合成一個力或用一個力來等效替換，也不能用一個力來平衡。力偶無合力，只能與力偶平衡。力和力偶是靜力學的兩個基本要素。力與力偶臂的乘積稱力偶矩Mo(F，F＇)=

±

F.d

八）、力的平移定理：可以把作用在剛體上點的力平行移動到任意一點，但必須同時附加一個力偶。九）、約束和約束反力位移不受限制的物體稱為自由體；反之，稱為非自由體。對非自由體的某些位移起限制作用的周圍物體稱為約束，約束阻礙物體的位移。約束對物體的作用就是約束反力，簡稱反力。約束反力的方向與限制物體運動的方向相反。工程經常遇到的簡單約束類型：a.柔性約束：約束反力為拉力，方向與運動方向相反。b.光滑接觸面約束：約束反力是作用在接觸點處，方向沿接觸面的公法線指向受力物體。c.光滑圓柱鉸鏈約束(固定鉸鏈約束、滑動鉸鏈約束、中間鉸鏈約束)。柔性約束光滑接觸面約束固定、中間鉸鏈約束滑動鉸鏈約束固定端約束二、材料力學基礎知識

一）力的分類

外力主動力(載荷)：引起運動的力。

(力和力偶)

反作用力(約束反力)：限制運動的力，

內力

由主動力引起。

二）內力內力：因外力引起的附加內力即內力的變化量。構件受到外力作用發生變形，因變形導致的內力(此為附加內力)。附加內力隨外力的增大而增大，到達某一限度時就會引起構件破壞。內力計算：截面法，假想把構件截開成兩部分，任取一部分分析，在截面上用來代替另一部分對留下部分的作用是內力。即①截開②代替②平衡。內力可分為：軸力、剪力、扭矩和彎矩。軸力：沿著桿件軸線方向的內力，使桿件產生伸長或壓縮變形。拉為正，壓為負。剪力：作用于截面內的內力，使兩個相鄰截面產生相互錯動。扭矩：作用于截面內的內力偶，使兩個相鄰截面產生繞桿件軸線的相對轉動。軸力扭矩剪力彎矩：垂直于橫截面的內力偶，使兩個相鄰截面產生繞橫截面上的某一軸線的相互轉動。只承受拉伸或壓縮的桿件，統稱為桿；主要承受扭轉的桿件統稱為軸。主要承受彎曲的桿件稱為梁。MFM彎矩三）應力1.應力就是內力在一點處的集度，即單位面積上的內力，σ=F/A。單位:Pa分正應力σ

和剪應力τ構件強度取決于內力在截面上分布的密集程度，越密集強度越低。軸力越大桿越容易破壞；若軸力相同，截面積越小，內力密集程度高，桿越容易破壞。2.許用應力[σ]為了保證構件安全可靠的工作,應使它的實際工作應力小于材料的極限應力σb，為安全起見，引入許用應力[σ]的概念,[σ]=σbn。重要的構件或不容易維修的構件，應該選用較大的安全因數n以保障安全。

σ≤[σ]/四).應力集中截面突變處的應力局部增大，這種現象稱為應力集中。應力集中與幾何形狀和加載方式有關。幾何形狀包括截面形狀（如鉆孔、開槽）、截面尺寸（突然變小）。脆性材料（δ＜５％），敏感性強，應考慮應力集中影響。塑性材料（δ＞５％），通常不考慮應力集中的影響。當構件受到周期性載荷或受沖擊載荷時（如柴油機連桿、曲軸等構件），無論是脆性材料還是塑性材料，應力集中對構件的疲勞壽命都有很大的影響。應力集中處往往是疲勞源，80%的構件斷裂破壞是疲勞斷裂。消除應力集中的方法：①設計時盡量減少切口、開孔、突變。②截面突變部分采用漸變、倒角或圓弧等工藝措施。③構件材料內部組織均勻化，避免構件材料內部缺陷。④盡可能提高構件表面的強度，并降低構件表面的粗糙度。五）.應變變形是由外力引起的，與內力的分布有關。變形分為：彈性變形和塑性變形（永久性變形）。彈性變形：在構件去外力后，產生的變形隨之消失。塑性變形：在構件除去外力后，產生的變形不能恢復，也叫做永久性變形。四種基本變形形式：拉伸和壓縮變形、剪切變形、扭轉變形、彎曲變形。應變的定義：是單位長度的變形量，ε=

L/L0彈性模量E:是衡量材料抵抗彈性變形能力的一個指標。胡克定律：E=

/

剛度大，彈性變形小；強度高，不易被破壞。三、金屬材料的力學性能

一）、定義金屬材料在使用和加工過程中所表現出的特性,稱為金屬材料的性能。二）、金屬材料的性能分類

工藝性：是制造(加工)人員關心的。理、化性能：導電、導熱性；使用性

耐蝕、耐氧化性。機械（力學）性能：使用性是船機、輪機人員關心的。

三）.金屬材料的機械性能（也稱力學性能）A、概述

1.定義:材料的力學性能(又稱為力學性能)是指材料在外力作用下所體現出來的應力、應變、強度和變形等方面的性質，或金屬材料對外界載荷的反應能力。作用：機械性能是強度計算、設計機件和選用材料的依據。

２.分類

根據使用溫度不同分：1）室溫下的機械性能指標①剛度；②強度；③塑性；④硬度；⑤疲勞強度；⑥（沖擊）韌性2）高溫下的機械性能指標：

①高溫強度；②熱硬性B、室溫下的機械性能

拉伸試驗方法是測定室溫下機械性能的重要方法,可以得到σ━ε曲線(應力━應變曲線)。

1.剛度⑴定義:金屬材料在受力時抵抗彈性變形的能力，稱為～。⑵衡量指標:彈性模量:E=σ/ε(σ、ε分別為彈性變形時的應力與應變)。⑶剛度的影響因素

零件的截面大小：設計時，如果要增大剛度，主要通過增大截面積來實現。結構設計：采用支承、改善應力分布等方法。2.強度

⑴定義:在外力作用下,材料抵抗產生塑性變形和斷裂的能力，稱為強度。

⑵衡量指標主要有:

a．屈服強度（σｓ）：材料抵抗微量塑性變形的能力，稱為屈服強度。

絕大多數機械零件（如：緊固螺栓等），在工作中不允許產生明顯的塑性變形，因此，屈服極限是設計和選材的主要依據之一。

工作應力：

≤

＝

s/nn—安全系數b.抗拉強度（σb）（強度極限）

抗拉強度表示材料對發生最大均勻變形的抗力，當零件承受的應力大于σb時，零件就會斷裂，用σb表示。材料抵抗斷裂的能力，稱為抗拉強度。（斷裂前的最大應力）影響因素:熱處理、合金化、細晶強化冷熱加工方法都會對上述指標產生很大的影響。3.塑性⑴定義:在外力作用下,材料產生塑性變形而不破壞的能力,稱為塑性.

⑵衡量指標:

a.延伸率:δ＝(L1-L0)/L0×100％ 應用：工程上按延伸率的大小將材料分成兩類：

δ＞５％的材料──塑性材料；δ＜５％的材料──脆性材料；b.斷面收縮率:ψ＝(F0-F1)/F0×100％。

Ψ更能反映塑性的大小4.硬度

零件的設計圖紙上一般標有對硬度的要求。應用很廣。

1）定義：金屬表面抵抗局部塑性變形的能力,稱為硬度。衡量材料軟硬指標的。2）衡量指標:采用壓入法將一硬質壓頭，在一定載荷下壓入被測材料的表面，形成壓痕，根據壓痕的大小或深度來表示硬度值。常用的有三種：

a．布氏硬度ＨＢ方法:用載荷Ｐ，將一個硬鋼球壓入被測金屬的表面，壓痕單位面積上承受的壓力就是ＨＢ。優缺點：壓痕大，誤差小；與強度有較好的對應關系；不適用于成品檢驗(壓痕太大)，只能在試樣上進行。b．洛氏硬度HR方法：標準壓頭為鋼球金剛石１２０°圓錐體。壓陷坑越深，硬度越小。據所用壓頭及載荷大小不同分３種：①ＨＲＡ用于測量極硬的材料（如滲碳層）；②ＨＲＢ；測量較軟的材料（有色金屬與退火鋼）；③ＨＲＣ測量較硬的材料（淬火鋼）。其中以ＨＲＣ應用最廣。注意：不同級別的硬度無可比性，只能查表，換算成同一級別后，才能比較數值的大小。

c.維氏硬度HV

方法：用夾角為１３６°的金剛石四棱錐體做壓頭，保持一定時間，此硬度稱為維氏硬度。適用范圍：很薄的工件、經化學熱處理后的工件（表面層：如滲層、鍍層的測量）。特點:適用范圍廣，比HB、HR測量精確，但操作麻煩，沒有洛氏硬度效率高，一般用于科研。

3).影響硬度因素:取決于成份（特別是含C量）和熱處理工藝。

5.沖擊韌性aｋ

⑴定義:材料抵抗沖擊載荷的能力。

⑵試驗方法：擺錘試驗,一次沖斷試樣。

ak與下述因素有關：

①材料及其狀態；②試樣的形狀和尺寸；③與溫度有關；當溫度降到某一數值時，aｋ急劇下降，這個溫度稱為脆性轉變溫度Ｔｋ（℃),Tk低，說明材料的低溫沖擊韌性好。

冷脆:ak值在某一溫度范圍內，隨工作溫度降低而下降的現象。6.疲勞強度1）疲勞現象：在交變載荷作用下，材料在所受的應力遠遠小于抗拉強度（甚至屈服強度）的情況下，出現的斷裂現象稱為“疲勞”。載荷的特點：應力<<σb（甚至<<σｓ）。金屬因疲勞而產生的斷裂稱為疲勞斷裂.機件的斷裂事故中:80～90％屬于疲勞斷裂。如軸、齒輪、彈簧、橋梁等。

2）疲勞強度：材料在無限次交變載荷的作用下，不致因疲勞而破壞的最大應力，稱為疲勞強度。用σ-1表示（N/mm2)規定疲勞極限循環周次為：鋼鐵：N=107;有色金屬：N=108疲勞斷裂的特點:突然產生；斷裂前無明顯的塑性變形；很危險。3）影響因素:

抗拉強度;(大約等于斷裂應力的一半）；工作條件(如工作溫度、介質等)；零件表面的質量:(粗糙度,表面性能等)。4）提高疲勞強度的方法：⑴表面強化處理（噴丸、表面熱處理、表面合金化）；表面產生壓應力。⑵合理設計；形狀要有利于減少應力集中；如采用圓角過渡。⑶提高加工質量；如降低表面粗糙度等。C.高溫下金屬的機械性能很多零件在高溫下長期工作，緩慢地產生塑性變形,稱為蠕變現象，

結果是導致斷裂（如柴油機進氣閥400～500℃、排氣閥650～800℃）溫度對金屬的機械性能有很大的影響；其次在高溫下工作的時間也有很大的影響。所以對高溫下機械性能指標要提出新的衡量標準。高溫機械性能指標主要有：⑴熱強度；

⑵熱硬性。

1.熱強度（Ｔ─溫度；ｔ─時間）

①蠕變極限：σδ/tT；

②持久強度

：σtT。

2．熱硬性（紅