最新01第一章-工程材料的力学性能-工程材料解析课件PPT.ppt 56页

'01第一章-工程材料的力学性能-工程材料解析 §1.1材料的强度与塑性1.拉伸试验及拉伸曲线2.拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义 一、静载单向静拉伸应力――应变曲线1.拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0 弹性极限：σe=Fe/Ao不产永久变形的最大抗力。2.强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点，国家标准规定以残余变形量为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，以σ0.2来表示抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。s0.2 3.塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。延伸率延伸率与试样尺寸有关；δ5、δ10(L0=5d,10d)断面收缩率ψ=△A/Ao=(Ao-Ak)/Aox100%>时，无颈缩，为脆性材料表征；<时，有颈缩，为塑性材料表征。断裂后拉伸试样的颈缩现象 §1.2材料的硬度抵抗外物压入的能力，称为硬度――综合性能指标。1．布氏硬度 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。压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB对于铸铁：b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40) 2．洛氏硬度定义：HR=k-(h1-h0)/0.002常用标尺有：B、C、A三种①HRA硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。②HRB轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等。③HRC较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计 维氏硬度试验原理维氏硬度计3.维氏硬度 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。 §1.3冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak。 ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S(J/cm)ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。 疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。疲劳强度σ-1：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。§1.4疲劳强度（80%的断裂由疲劳造成）周次σ 轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。 §1.5材料的断裂韧性1．问题的提出低应力脆断――断裂力学断裂韧性是量度材料抵抗裂纹失稳扩展阻力的物理量,是材料抵抗应力脆性断裂的韧性参数.2．应力场强度因子K前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数——“应力场强度因子”。I：单位厚度，无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹Y：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有关的系数――几何形状因子。Y=I 3．断裂韧性对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时，就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。当KI>KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。KI＝KIC时，裂纹处于临界状态KI胫骨>肱骨>颌骨>腓骨>骨盆2、骨质破坏开始于干骺端中央或边缘部分皮质：筛孔状破坏、虫蚀样破坏、骨质缺损松质：小片状骨破坏 3、肿瘤骨是骨肉瘤的本身表现，是诊断主要依据（1）云絮状：密度低，边界模糊，分化差的骨瘤；（2）斑片状：密度高，边界清楚，见于髓腔内或瘤中心，是分化较好的瘤骨；（3）针状：为数条细长骨影，大小不等，边缘清楚或模糊，呈平行或放射状排列，位于骨外软组织块内，成因为肿瘤向软组织内浸润发展时，瘤细胞沿供应肿瘤的微血管周围形成的骨小梁。4、软组织肿块表示肿瘤向外侵犯软组织，呈圆形或半圆形，境界部清，软组织内可见瘤骨。 5、骨膜增生或Codman三角骨膜新生骨和Codman三角是骨肉瘤常见而重要征象。6、骨肉瘤的X线分型（1）硬化型：有大量肿瘤新生骨形成，密度高，为云絮状、斑块状，有时为象牙质改变，骨膜反应明显。（2）溶骨型：以骨质破坏为主，筛孔状、虫蚀状骨缺损，可有病理性骨质，骨膜增生少，肿瘤骨显示部佳，诊断困难。（3）混合型：硬化型、溶骨型并存。 CT1、可以显示软组织肿块2、发现瘤骨较X线敏感3、显示肿瘤与邻近结构的关系4、能显示肿瘤在髓腔内的蔓延范围，增强扫描可以显示强化。MRI1、显示小的淡的钙化，骨化较CT差2、显示骨质破坏、瘤骨、软组织肿块、骨膜反应较CT好。（1）T1WI骨肉瘤为不均匀信号，T2WI为不均匀高信号，肿块不规则，边缘不清楚。（2）MRI可显示骨肉瘤与周围组织的关系（3）MRI可显示肿瘤向骨骺及骨髓侵犯的范围，是发现跳跃式转移的理想方法。 二、骨软骨瘤又称为骨软骨性外生骨疣，是指在骨的表面覆以软骨帽的骨性突出物，分为单发和多发，单发多见于多发。多发性骨软骨瘤又称先天性多发性外生性骨疣，为一种先天异常发育，是由双亲传递的常染色体显性遗传病。【病理与临床】肿瘤由骨性基底，软骨帽和纤维薄膜三部分组成。骨性基底可宽或窄，内为骨小梁和骨帽，外被薄层骨皮质，两者分别与母体骨的相应部分相连续。软骨帽位于骨性基底的顶部，为透明软骨，其厚度一般随年龄的增大而减退，至成年可完全骨化。 镜下软骨帽组织与正常骺软骨相似。本病好发于10－30岁，男性多于女性早期物症状或仅为扪及一硬结，肿瘤增大，可有轻度压痛或局部畸形，近关节处可引起活动障碍，或压迫邻近神经而引起相应症状。如生长迅速，可能恶变。【影像学表现】X线1、部位：任何软骨内化骨的骨，长骨干骺端为好发部位，以股骨下端，胫骨上端多见 2、肿瘤包括骨性基底和软骨帽两部分骨性基底：为母骨骨皮质相外延伸的骨性赘生物，生长于长骨多背向关节生长，其内可见骨小梁，且与母骨的小梁相延续，基底部顶端膨大，呈菜花状或成丘状隆起，基底顶缘为部规则致密影。软骨帽在X线上不显影，有钙化时出现点状钙化影。CT骨性基底的骨皮质和松质骨均与母体骨相连续，表面有软骨覆盖，软骨帽边缘整齐，内部可见点状钙化，增强物强化。 MRI骨性基底各部特点与母体骨相同。软骨帽在T1WI呈低信号，脂肪抑制T2WI为高信号。MRI能清晰显示软骨帽，若厚度大于2cm，提示恶变。【诊断与鉴别诊断】（1）骨旁骨瘤（2）表面骨肉瘤（3）皮质旁骨肉瘤或皮质旁软骨肉瘤均不具有骨皮质，骨松质就构的基础，基底没有骨皮质和骨小梁连续。 三、骨巨细胞瘤是一种局部侵袭性肿瘤，大部分为良性，部分生长活跃，少数一开始就为恶性【临床与病理】肿瘤主要由单核基质细胞和多核巨细胞构成，前者是决定肿瘤性质的细胞。根据单核细胞核多核巨细胞的特点分为三级：Ⅰ级为良性Ⅱ级为过渡型Ⅲ级为恶性恶性度高，多核巨细胞数量少，体积小，细胞核数少，单核细胞核大，有间变现象，排列紊乱，反之良性与之相反。 组织学分级不完全代表生物学特性，有镜下分化成熟的肿瘤临床上却表现为恶性。男女发病率相近，好发年龄20－40岁，儿童少见，骨骺愈合前骨巨细胞瘤非常少见，骨骺愈合是一个年龄界限。部位：四肢长骨骨端和骨突部位，即愈合后的骨骺部。尤其是股骨远端、胫骨近端和桡骨远端。症状：疼痛或压痛，骨质膨胀变薄，有捏乒乓球感或牛皮纸音，肿块形成，皮肤成暗红色，表面静脉充盈曲张。 【影像学表现】X线1、发生部位为干骺愈合的骨端，为分房性膨胀性偏心性骨破坏2、骨壳较薄，轮廓完整，内部课件纤维骨嵴，为分房状3、肿瘤膨胀明显可将关节对侧骨端包绕起来，为特征性之一4、肿瘤达骨性关节面下，骨性关节面是肿瘤的部分骨性包壳，也是其特征之一5、肿瘤膨胀生长呈横向性，最大径线与骨干垂直6、骨破坏与正常骨交界清楚，部锐利，无硬化边7、破坏区内无骨化和钙化影 8、一般无骨膜反应，或仅在骨壳与正常皮质交界处可见少量骨膜反应，称为花萼样骨膜新生骨。提示骨巨细胞瘤恶变的征象1、有较明显的侵袭性表现，如肿瘤与正常交界处模糊，有虫蚀样、筛孔状骨破坏，骨性包壳和骨嵴残缺不全。2、骨膜增生明显，可有Codman三角3、软组织肿块较大，超出骨性包壳的轮廓4、患者年龄较大，疼痛持续加重，肿瘤突然生长迅速，并有恶病质。 CT1、可显示骨性包壳2、骨壳内面凹凸不平，并非真正的骨性间隔，分房征象实际是骨壳内面骨嵴的投影3、肿瘤密度不均匀，可见坏死区，液液平面4、肿瘤与正常交界区清楚，无骨质增生硬化5、对解剖复杂的部位，能显示其特点6、对侵袭性肿瘤，也能显示其特征表现 MRI优势显示肿瘤的周围软组织情况，与周围血管神经的关系，关节软骨下骨破坏，关节腔受累，骨髓的侵犯和有无复发肿瘤：T1WI为低或中信号，高信号提示急慢性出血，T2WI为不均匀或混杂信号增强扫描不同程度强化肿瘤周边无低信号环'