金属材料的力学性能.ppt

航空工程材料,第一节 金属材料的力学性能,教学目标: 了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理； 强调各种力学性能指标的生产实际意义； 了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。,金属的力学性能,定义 : 金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。 指标 : 弹性 、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲击韧性 、断裂韧度和疲劳强度等。,材料的其他性能,物理性能： 密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等； 化学性能： 耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等； 工艺性能： 铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。,一、刚度和弹性,评价材料力学性能最简单和最有效的方法就是测定材料的拉伸曲线，在GB/T 63971986金属拉伸试验试样中对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定，如图1-1所示。,图1-1 圆形标准拉伸试样 （a）拉伸前；（b）拉伸后,一、刚度和弹性,一、拉伸实验与拉伸曲线 1.拉伸试样 GB6397-86规定金属拉伸试样有： 圆形、矩形、异型及全截面 常用标准圆截面试样。 长试样：L0=10d0; 短试样：L0=5d0,拉伸试样,2.拉伸过程,一、刚度和弹性,拉伸试验机,op段：比例弹性变形阶段； pe段：非比例弹性变形阶段； 平台或锯齿（s段）：屈服阶段； sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。 b点：形成了“缩颈”。 bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。 断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。,k,o,g,f,3.拉伸曲线,图1-2 拉伸曲线,(1)应力 ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S 0表示: 载荷( N ) ( M pa ) 原始横截面积( mm2) (2)应变：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示: 伸长量(mm ) 原始长度( mm) (3)应力应变曲线（ - 曲线）: 形状和拉伸曲线相同，单位不同,4.应力与应变曲线,退火低碳钢,低、中回火钢,淬火钢及铸铁,中碳调质钢,5.不同材料的拉伸曲线,二、强度与塑性,1、强度 材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。根据加载方式不同，强度指标有许多种，如屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。其中以拉伸试验测得的屈服强度和抗拉强度两个指标应用最多。,二、强度与塑性,屈服强度 在图1-2中，进程超过s点后，材料将发生塑性变形。在BC段，持续发生塑性变形而应力却不增加，材料的这种现象称为屈服。s点所对应的应力称为屈服强度，用s 表示，屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力。实际上，多数材料的屈服阶段不很明显或从拉伸曲线上看不出这一阶段，因此规定用拉伸时产生0.2残余变形所对应的应力为材料的屈服应力，称为条件屈服强度或名义屈服强度，记为0.2，如图1-3所示。,图1-3 名义屈服强度的确定,2、塑性: 是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。,(1)断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收缩量 S与原始横截面积S0之比。,(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量 L 与原始标距L 0之比。,S0 - S 1 = - 100% S0,l 1 - l0 = - 100% l0,二、强度与塑性,二、强度与塑性,与的数值越大，材料在断裂前发生的变形越大，说明材料的塑性越好。由于有些材料在拉伸试验时会出现局部颈缩，而有些材料则不会，因此用表示材料的塑性比用表示更接近真实情况。 由于不同长度的试样所得伸长率不同，长度越大，伸长率越小。采用长试样进行拉伸试验，所得伸长率用10表示，而用短试样所得伸长率用5表示，显然有510。,二、强度与塑性,材料的塑性指标具有重要的实际意义。塑性良好的材料，冷压成型好。飞机和发动机上的许多薄壁零件，如蒙皮、翼肋、燃烧室零件等都是冷压成型的，使用的材料都应具有良好的塑性。此外，具有一定塑性的零件，在使用过程中万一超载或形成应力集中，它可产生少量塑性变形，由于加工硬化效应而使它的强度提高，不致突然断裂。如果塑性不够而产生脆性的突然断裂，这在工程上是很危险的。,三、 硬 度,布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV 锉刀法,硬度( hardness ):是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力 常用测量硬度的方法,(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ),三、 硬 度,布氏硬度的试验原理如图1-4所示。将直径为D的钢球或硬质合金球，在一定载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。实际操作时，先测量压痕平均直径d，然后查表得到材料的布氏硬度值。,布氏硬度的试验原理图,(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ),适用范围:,450，HBS;,650，HBW;,(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ),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。,(2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ),10HRCHBS,洛氏硬度的试验原理如图所示，根据压痕深度大小表示材料的硬度值，压坑越深，硬度越低。试验时，根据材料硬度选择相应的压头。当测定硬度较高的材料时，选用120的金刚石圆锥压头；测定硬度较低的材料时，选用淬火钢球压头。硬度计上有一个表头，测量时表头上可直接读出被测件的硬度值，故比布氏法方便，而且压痕小，可以直接在成品零件上测试。,洛氏硬度的试验原理,洛氏法根据测量时选用载荷与压头的不同，分为9个标尺，常用的有A、B、C三个，并将标尺代号标注在符号HR的右边。如HRA、HRB、HRC等，硬度值仍写在符号HR的前面，如50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度为50。应当注意：不同级别的硬度值不能直接相互比较。洛氏法的缺点是测量结果分散度大。,(3)维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness ),适用范围:,测量薄板类 ;,HVHBS ;,维氏硬度的试验原理如图所示。将顶部两相对面具有规定角度（136）的正四棱锥体金刚石压头在一定载荷P的作用下压入试样表面，并保持一定时间后卸载，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为维氏硬度。维氏硬度可通过测量压痕对角线长度d查表得到。维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。如640HV3020表示在30kgf（294.2N）载荷作用下保压时间为20s测定的维氏硬度值为640。,四、韧性,1、冲击韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,试验时，将带有缺口的试件安装在试验机的支座上，摆锤由规定高度落下，并从试件缺口背面打断试件，同时推动刻度盘上的指针转动。显然试件吸收的能量不同，摆锤所能达到的高度不同。韧性越好的材料，断裂时吸收的能量越大，摆锤达到的高度越小。最终刻度盘上的指针所指示的数值便是摆锤打断试件时消耗的能量，以Ak表示。而材料的冲击韧性值ak以试件缺口处单位截面面积的能量表示，即ak=Ak/A (kgm/cm2)。式中A表示试件缺口外的横截面面积。,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,试样冲断时所消耗的冲击功A k为:,A k = m g H m g h (J),冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。,四、韧性,2、断裂韧性 “脆断”是一种最危险的断裂，因为构件在断裂前几 乎不产生明显的塑性变形，很难预先发现征兆而加 以预防，从而酿成重大事故。如1943年1月，美国 一艘T-2油轮停泊在装货码头时，竟发生突然断裂成 两截的惨祸。而据计算，断裂时船体承受的应力仅 为68.6MPa，远低于船体钢材的强度极限300MPa 400MPa，甚至远低于材料的屈服强度245MPa。这 种低应力脆断的现象很难用经典力学来解释。,1943年美国T-2油轮发生断裂,经长期研究，人们认识到，过去把材料看作毫无缺陷的连续均匀介质是不准确的。材料内部在冶炼、轧制、热处理等各种制造过程中不可避免地会产生某种微裂纹，而且在无损检测时又没有被发现。所以在使用过程中，由于应力集中、疲劳、腐蚀等原因，裂纹会进一步扩展，当裂纹尺寸达到临界尺寸时就会发生低应力脆断的事故。 在裂纹扩展的过程中，按裂纹的力学特征可将其分为以下三类,第一类为张开型裂纹，如图1-9(a)所示。构件承受垂直于裂纹面的拉力作用，裂纹表面的相对位移沿着自身平面的法线方向，若受拉板上有一条垂直于拉力方向而贯穿于板厚的裂纹，则该裂纹就是张开型裂纹。 第二类为滑开型裂纹，如图1-9(b)所示。构件承受平行裂纹面而垂直于裂纹前缘的剪力作用，裂纹表面的相对位移在裂纹面内，并且垂直于裂纹前缘，如齿轮或花键根部沿切线方向的裂纹就是滑开型裂纹。 第三类为撕开型裂纹，如图1-9(c)所示。构件承受平行于裂纹前缘的剪力作用，裂纹表面的相对位移在裂纹面内，并平行于裂纹前缘的切线方向，如扭矩作用下圆轴的环形切槽或表面环形裂纹就是撕开型裂纹。,图1-9裂纹表面三种位移形式 (a) 张开型裂纹； (b) 滑开型裂纹； (c) 撕开型裂纹。,为了研究裂纹对材料断裂强度的影响，把刻有不同深度刻痕的试件进行拉伸试验，画出如图1-10所示的裂纹深度a与实际断裂强度的关系曲线，且有公式K=c 成立。对某种材料来说，K是一个常数，也是材料力学性能的指标，表示材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力，称为断裂韧性。,图1-10断裂强度与裂纹深度的关系曲线示意图,断裂韧性,五、疲劳强度( fatigue strength ),表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。,五、疲劳强度( fatigue strength ),疲劳断裂特征 许多零件，如直升飞机的旋翼、发动机的轴和叶片、各种齿轮、弹簧等，在工作中受到反复改变大小或同时改变大小和方向的“交变载荷”。零件在交变载荷作用下，虽然其应力比材料的抗拉强度小，甚至比屈服强度还小，但是在长期使用的某一时刻也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。,如图1-11所示，零件在一定特征的交变载荷作用下，首先在零件的薄弱环节，如应力集中或缺陷（划伤、夹渣、显微裂纹等）处产生微细的裂纹，这种微细裂纹称为疲劳源。随着交变载荷循环次数的增加，疲劳源裂纹不断开合，同时裂纹逐步扇形扩展，形成疲劳扩展区。由于裂纹在扩展过程中反复开合，两个裂纹面相互挤压和摩擦，所以疲劳扩展区的形貌比较光亮，很像贝壳的内表面，所以也叫光滑区，这是疲劳扩展区的最明显特征。,图1-11疲劳断裂断口照片,疲劳断裂特征,钢材的循环次数一般取 N = 107,有色金属的循环次数一般取 N = 108,钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: -1 = (0.450.55) b,1.6 蠕变及蠕变疲劳断裂,蠕变断裂是材料在应力和温度共同作用下发生的一种断裂方式。而有些高温部件在工作条件下同时承受恒定载荷和交变载荷的作用（如燃气轮机的涡轮盘），这种情况下发生的断裂方式称为蠕变疲劳断裂。它们是燃气涡轮发动机高温部件（如涡轮叶片、涡轮盘等）的主要失效形式之一。,所谓金属材料的蠕变，就是材料在一定的应力和温度下其长度随时间的缓慢变化过程。广义地说，是材料在应力和温度的作用下发生的缓慢变形与时间的关系。金属之所以能产生蠕变，是因为在高温条件下，金属原子之间的距离增加，原子间结合力减小，故变形抗力小，在一定载荷作用下易于发生缓慢变形。同时在变形过程中，因温度较高，不会发生加工硬化，变形抗力不会自动提高，故变形可持续缓慢地进行下去。材料在蠕变过程中所发生的断裂称为蠕变断裂。与静强度下发生的断裂相比，它有以下特点。,1.6 蠕变及蠕变疲劳断裂,（1）在一般的静强度试验中，材料的塑性通常是随试验温度的升高而增大，但在高温下以很缓慢的速率变形时（即蠕变试验条件），即使在室温下为高延性的材料，它也可能发生低延性断裂。 （2）蠕变断裂过程中的变形随时间的变化曲线，通常分为三个阶段（图1-13）：第阶段应变随时间而递增，但应变速率随时间呈现非稳定递减状态（减速蠕变阶段）；第阶段是应变随时间恒定变化的稳定阶段，即应变速率基本保持不