工程材料力学性能12

工程材料力学性能主讲人 王志云,绪 论,一、材料的性能 1、使用性能： 物理性能（光、热、电、磁等） 力学性能（强度、塑性、硬度、韧性等） 化学性能（氧化、腐蚀等） 2、加工性能： 热加工（铸、锻、焊、热处理等） 冷加工（车、铣、磨等） 特种加工（电火花、激光、离子等）,二、材料力学性能,1、定义：指材料抵抗变形和断裂的能力。2、材料力学性能具体表征： （1）材料软硬程度的表征。 （2）材料脆性的表征。 （3）材料抵抗外力能力表征。 （4）材料变形能力的表征。,（5）含缺陷材料抗断裂能力的表征。（6）材料抵抗多次受力能力的表征。（7）新材料及特种材料性能的表征。（8）特殊条件下材料性能的表征。,三、材料的基本力学性能,弹性：是指材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力。塑性：是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力强度：是材料对变形和断裂的抗力。寿命：是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效的能力，使零件在服役期内安全运行。,第一部分：第一四章 阐述材料在一次加载条件下的形变和断裂过程。所测定的力学性能指标用于评价零件在服役过程中抗过载失效的能力或安全性。第二部分：第五八章 论述疲劳、蠕变、磨损和环境效应四种常见的与时间相关 的失效形式。材料对这四种形式失效的抗力将决定零件的寿命。第三部分：第九十一章 介绍陶瓷材料、高分子材料和复合材料的力学性能。,四、教材结构和内容,五、本课程学习注意问题：,预备知识：材料力学和金属学方面的基本理论知识。理论联系实际：是实用性很强的一门课程。某些力学性能 指标根据理论考虑定义，而更多指标则按 工程实用要求定义。重视实验：通过实验既可掌握力学性能的测试原理，又可 掌握测试技术，了解测试设备，进一步理解所 测的力学性能指标的物理意义与实用意义。做些练习： 加深理解巩固所学的知识。,六、课程要求,总学时：40学时。总成绩：平时成绩20%、考试成绩80% 。课堂要求：不允许迟到、旷课（计入平时成绩），按时交作业。,第一章 金属在单向静拉伸载荷 下的力学性能,单向静拉伸：工业上应用最广泛的金属力学性能试验方法之一。特点：温度、应力状态和加载速率确定， 试样为标准的光滑圆柱试样。,目的： 1) 揭示金属材料在静载荷作用下常见的 力学行为，即弹性变形、塑性变形和断裂； 2) 标定基本力学性能指标。 内容：1.1 拉伸力伸长曲线和应力应变曲线 1.2 弹性变形 1.3 塑性变形 1.4 金属的断裂,1.1 拉伸力伸长曲线和应力应变曲线,力伸长曲线：拉伸试验中拉伸力与伸长的关系曲线。,低碳钢的应力应变曲线,工程应力：载荷除以试件的原始截面积。=F/A0工程应变：伸长量除以原始标距长度。=L/L0变形过程：弹性变形屈服均匀塑性变形塑性失稳断裂,注意：材料不同，则应力应变曲线的形式不同,1- 淬火、高温回火后的高碳钢：只有弹性形变、少量的均匀塑性形变； 2- 低合金结构钢：与低碳钢的曲线类似； 3- 黄铜：弹性形变、均匀塑性形变和不均匀塑性形变； 4- 陶瓷、玻璃类材料：只有弹性变形而没有明显的塑性形变； 5- 橡胶类材料：弹性形变量很大，高达 100% ； 6- 工程塑料：弹性形变、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形。,工程应力应变曲线的作用：根据该曲线可获得材料静拉伸条件下的力学性能指标：比例极限 p 、弹性极限e 、屈服点s 、抗拉强度b 。可提供给工程设计或选材应用时参考。 工程应力应变曲线的局限：在拉伸过程中，试棒的截面积和长度随着拉伸力的增大是不断变化的，工程应力 应变曲线并不能反映实验过程中的真实情况。,真实应力应变曲线,真实应力：载荷除以试件某一变形瞬间的截面积。S=F/A真实应变：工程设计和材料应用中一般以工程应力、工程应变为依据。,1.2 弹性变形,一、弹性变形及其实质定义：当外力去除后，能恢复到原来形状和尺寸的变形。特点：可逆，应力-应变保持直线关系，变形量很小(0.51.0%)。物理本质：构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆变形的过程，金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现。,二、胡克定律,1、简单应力状态的胡克定律(1) 单向拉伸(2) 剪切和扭转(3) E、G和的关系,式中，v为材料泊松比，表示侧向收缩能力。在材料的比例极限内，泊松比是由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。比如，一杆受拉伸时，其轴向伸长伴随着横向收缩(反之亦然)，而横向应变 e 与轴向应变 e 之比称为泊松比 V。材料的泊松比一般通过试验方法测定。一般金属材料的泊松比在0.250.35之间，高分子材料则相对较大些。,2、广义胡克定律(复杂应力状态),三、弹性模量,1、物理意义：材料对弹性变形的抗力。标志着原子间结合力的大小，结合力越大，弹性模量就越大。工程上E称做材料的刚度。其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形越小。零件的刚度与材料的刚度不同，它除了决定于材料的刚度外，还与零件的截面尺寸与形状，以及载荷作用方式有关。2、用途：在机械零件或建筑结构设计时为了保证不产生过大的弹性变形，都要考虑选用材料的弹性模量，因此弹性模量是结构材料的主要力学性能之一。计算梁或其他构件挠度时必须用之。,3、影响因素,(1)主要取决于结合键的本性和原子间的结合力。 共价键、离子键、金属键有较高的弹性模数。分子键结合力弱，弹性模数较低。弹性模量和材料的熔点成正比，越是难熔的材料弹性模量越高，对于金属元素还与原子半径有关，原子半径越大，E值越小。 (2)晶体结构 单晶体材料的弹性模数在不同的晶体学方向呈各向异性，（沿不同晶向原子结合力不同）沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大。 例如：-Fe 沿 晶向E=2.7105MPa, 沿 晶向E=1.25105MPa.,(3)化学成分 化学成分的变化将引起原子间距或键合方式的变化，因此也将影响材料的弹性模数。例如在铝中加入Ni、Si，使弹性模量由纯铝的6.5104MPa增加到9.38104MPa。 (4)温度 随着温度的升高，原子震动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，使材料的弹性模数降低。例如碳钢每升高100C，E值下降3%-5%。,(5) 加载条件 加载方式、加载速率对金属、陶瓷材料的弹性模数几乎没有影响，因为这类材料的弹性变形速度与声速相同，远超过常见的加载速率。 (6) 微观组织 对于金属材料，在合金成分不变的情况下，显微组织对弹性模数的影响较小，晶粒大小对E值无影响。金属的弹性模量是一个组织不敏感的力学性能指标。,四、弹性比功,1、物理意义：表示金属材料吸收弹性变形功的能力。试样或实际机器零件的体积越大，则可吸收的弹性功越多，可储备的弹性能越多。2、表示方法：应力应变曲线下弹性变形范围内所吸收的变形功。,3、弹性极限,理论上：弹性极限的测定应该是通过不断加载与卸载，直到能使变形完全恢复的极限载荷。实际上：弹性极限的测定是以规定某一少量的残留变形(如0.01%)为标准，对应此残留变形的应力即为弹性极限。弹性极限是材料对微量塑性变形的抗力。是对组织敏感的力学性能指标。,4、实际意义,弹簧零件要求其在弹性范围内(弹性极限以下)有尽可能高的弹性比功。理想的弹簧材料：应有高的e和低的E。 成分和热处理对e影响大，对E影响不大。仪表弹簧因要求无磁性，常用铍青铜，磷青铜等软弹簧材料制造，其e较高，E较低，故ae较高。,弹性分为理想弹性和非理想弹性理想弹性：在外载荷作用下，应力和应变服从虎克定律，即=M(M代表杨氏模数E或切变模数G）并同时满足三个条件： （1）应变对应力的响应是线性的 （2）应力和应变同相位 （3）应变是应力的单值函数 但绝大多数固体材料的弹性行为表现出非理想弹性性质。可分为：滞弹性、粘弹性、伪弹性及包申格效应等几种类型。,五、滞弹性,1、定义：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象(即应变落后于应力现象)。 加载时沿着直线ABC，在卸载时不是沿着原途径，而是沿着CDA恢复原状 。 材料组织越不均匀，滞弹性倾向越大。 2、产生原因：在基体发生弹性变形后，点缺陷在应力场的作用下扩散并产生有序分布，使晶体的晶格尺寸继续改变，或使应力场降低。,粘弹性是指材料在外力的作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。如塑料对应力的响应兼有弹性固体和粘性流体的双重特性。伪弹性是指在一定的温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发产生大幅度弹性变形的现象（超弹性）。形状记忆合金利用这一原理。,3、金属的循环韧性,定义：金属材料在交变载荷(或振动)下吸收不可逆变形功的能力，也称为金属的内耗。由于滞弹性的存在，会产生内耗（在机械振动过程中由于滞弹性造成的震动能量的损耗，机械能散发为热能的现象。）意义：循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以高循环韧性对于降低机器的噪声，抑制高速机械的振动，防止共振导致疲劳断裂意义重大。,4、实际意义,优点：滞后环面积，它可以减少振动，使振动幅度很快衰减下来。应用：减振(选用循环韧性较高的材料，如铸铁、高铬不锈钢)。缺点：如仪表和精密机械，选用重要传感元件的材料时，要求循环韧性低，以保证仪表有足够的精度和灵敏度。乐器(簧片、琴弦等)所用金属材料的循环韧性越小，音质越好。,六、包申格效应,1、定义：材料经过预先加载并产生少量塑性变形(残余应变为1%4%)，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力(弹性极限或屈服强度)增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。 2、微观本质：预塑性变形，位错增殖、运动、缠结；同向加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易，残余伸长应力降低。,3、定量指标：包申格应变。定义：在给定应力下，正向加载与反向加载两应力应变曲线之间的应变差。,4、意义对于承受疲劳载荷作用的机件寿命很重要；工程上材料加工成型工艺需要考虑包申格效应。5、包申格效应的危害及防止方法交变载荷情况下，显示循环软化(强度极限下降)。预先进行较大的塑性变形，或在第二次反向受力前先使金属材料回复或再结晶退火。,1.3 塑性变形,一、塑性变形方式及特点1、塑性变形的方式：滑移和孪生滑移是金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑移方向进行的切变过程.滑移是最主要的变形机制；滑移面滑移方向=滑移系 滑移系越多,塑性。 孪生是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式,孪生变形可以调整滑移面的方向,使新的滑移系开动,间接对塑性变形有贡献.(滑移受阻孪生,变形速度加快) 孪生是重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形变时。晶界滑动和扩散性蠕变只在高温时才起作用；形变带：滑移和孪生都不能进行的情况下才起作用。,2、多晶体塑性变形的特点,塑性变形过程：位错在晶界塞积应力集中相邻晶粒位错源开动相邻晶粒变形塑性变形（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性 由于各晶粒的位向不同，受外力作用时，某些晶体位向有利的晶粒先开始滑移变形，位向不利的晶粒只有在继续增加外力或转到有利位向时才能开始滑移变形。,（2）晶粒之间变形的协调性 多晶体金属作为一个整体，不允许各个晶粒在任一滑移系自由变形，否则导致自由开裂，要求各晶粒之间能够协调变形。每个晶粒必须同时沿几个滑移系进行滑移，或在滑移的同时产生孪生变形。 （3）晶界对变形的阻碍作用晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。晶界对变形的影响：滑移、孪生多终止于晶界，极少穿过。,二、屈服现象和屈服点(屈服强度),1、屈服现象定义：在金属塑性变形的开始阶段，外力不增加、甚至下降的情况下，而变形继续进行的现象。上下屈服点、屈服延伸(吕德斯带扩展),吕德斯带,定义：拉伸试样上与外力成一定角度(45)的变形条纹。 危害：拉伸和深冲过程中工件表面不平整。解决：1) 应用应变时效原理将薄板在冲压前进行一道微量冷轧工序。2) 钢中加入少量的Ti、Al等与C、N形成化合物，以消除屈服点，随后冷压成型。,2、屈服机理,外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动过程。开始变形时，可动位错密度低，欲使应变速率固定，需要较大的位错运动速率，故需要较高的应力，表现为上屈服点；一旦塑性变形开始后，位错迅速增殖，可动位错密度增加，必然导致位错运动速率突然下降(为保持应变速率固定)，所以所需的应力突然下降，产生了屈服现象。,3、屈服强度,定义：材料开始塑性变形时对应的应力。不连续屈服（有屈服平台的条件）：s=Fs/A0 连续屈服（看不到明显屈服现象）的材料，其屈服强度 由人为按标准确定，又称条件屈服强度，以规定发生一定的残留变形为标准: 残余伸长应力r （r0.2 ，r0.01，r0.5) 总伸长应力 t (t0.5) 通常，为0.2%残留变形的应力作为屈服强度0.2。屈服强度是工程上从静强度角度选择韧性材料的依据。提高屈服强度，机件不易产生塑性变形；但过高，又不利于某些应力集中部位的应力重新分布，容易引起脆性断裂。,三、影响屈服强度的因素,(1) 金属本性及晶格类型位错运动的阻力：晶格阻力(P-N力)；位错交互作用产生的阻力。P-N力：fcc位错宽度大，位错易运动。bcc反之。交互产生的阻力：平行位错间交互作用产生的阻力；运动位错与林位错交互作用产生的阻力。,(2) 晶粒大小和亚结构,晶界是位错运动的障碍。要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。Hall-Petch公式：细化晶粒，可以提高材料的强度。,(3) 溶质元素,固溶强化原因：形成晶格畸变，塑性变形抗力增大。间隙固溶体的强化效果高于置换固溶体。溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小，固溶强化越明显。,(4) 第二相,第二相强化不可变形的第二相：位错绕过机制。可变形的第二相：位错切过机制。第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有关；同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。,2、影响屈服强度的外在因素,温度:一般情况下，温度的升高，金属材料的屈服强度下降，但金属晶体结构不同，其变化不同。温度提高，位错运动容易，s。应变速率：应变速率对金属材料的屈服强度有明显影响。应变速率提高，s。应力状态：切应力，s。扭转比拉伸的屈服强度低，拉伸比弯曲的屈服强度低，三向不等拉伸下的屈服强度为最高。,四、应变硬化(形变强化),1、基本概念或称形变硬化，加工硬化。定义：随变形量的增加，位错密度增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象。原因：位错增殖、运动受阻。,2、意义,应变硬化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。使构件具有一定的抗偶然过载能力。强化金属，提高力学性能。提高低碳钢的切削加工性能。,3、应变硬化指数,均匀塑性变形阶段： 式中n：应变硬化指数；k：硬化系数。n反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力。n=1，理想弹性体；n=0，材料无硬化能力。层错能低的材料应变硬化程度大；高Mn钢(Mn13)，层错能力低，n大。应变硬化指数，常用直线作图法求得。,五、缩颈现象和抗拉强度,1、缩颈现象和意义 应力-应变曲线上的应力达到最大值时即开始出现颈缩。在颈缩前为均匀变形，颈缩后为不均匀变形。意义：变形集中于局部区域；失稳的临界条件。应变硬化(物理因素)和截面减小(几何因素)共同作用的结果。,2、缩颈判据,缩颈判据：dF=0。在缩颈点处，Sb=KeBn经过积分，得eB=n即：金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性变量时，缩颈便产生。,3、缩颈颈部应力修正,承受三向拉应力(相当于厚板单向拉伸，平面应变)。,4、抗拉强度,定义：韧性金属试样拉断过程中最大力所对应的应力。b=Fb/A0 。表征金属材料对最大均匀塑性变形的抗力，代表材料在静拉伸条件下的极限承载能力。实际意义：易于测定，重现性好，因此被列为材料常规力学性能的五大指标之一；对于脆性材料设计时，其许用应力以抗拉强度为依据。b与硬度、疲劳极限的经验关系b1/3HBW；淬火回火钢-11/2b。,六、塑性,1、塑性与塑性指标塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久(塑性)变形的能力。,塑性指标：,断后伸长率：试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。断面收缩率：试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。,，金属拉伸时产生缩颈；反之，不产生。对于长形零件，用评定材料塑性；对于非长形零件，则用评定材料塑性。因为反映了材料断裂前的最大塑性变形量。而则不能显示材料的最大塑性变形。冶金因素对的影响更突出，比对组织变化更为敏感。,2、塑性的意义和综合性能指标,意义：安全，缓和应力集中，从而防止产生突然破坏；轧制、挤压等冷热加工变形。综合性能指标：s/b：s/b，材料的塑性。b/V (体积比强度)：b/V，减轻构件的重量。,七、静力韧度,韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力。静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断裂所吸收的功。J/m3静力韧度对按屈服强度设计，有可能偶然过载的机件必须考虑。,1.4 金属的断裂,一、断裂的类型定义：固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂，材料断裂是力对材料作用的最终结果，意味着材料的彻底失效。(机件三大失效形式之一。即磨损、腐蚀和断裂)断裂不仅出现在高应力和高应变条件下，也发生在低应力和无明显塑性变形条件下。,断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。,材料断裂过程包括裂纹的形成与扩展两个阶段。按照断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度，把断裂分为脆性断裂与韧性断裂。按照裂纹的扩展路径，分为穿晶断裂与沿晶断裂。按照微观断裂机理，断裂分为剪切断裂和解理断裂。按照断裂面的取向分为正断型和切断型。,1、韧性断裂和脆性断裂(宏观),(1)韧性断裂1)断裂特点：断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢；而且 要消耗大量的塑性变形能。断裂面一般平行于最大切应力，并与主应力成45。韧性断裂一般表现为过载断裂，即零件危险截面处所承受的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。2)断口特征：断口呈纤维状，灰暗色。杯锥状。断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇。纤维区：裂纹开始区。呈粗糙的纤维状，塑性变形量大。放射区：较纤维区光亮平坦，裂纹扩展较快。剪切唇：表面光滑，与拉伸轴成45，切断型断裂。3)危害，不及脆性断裂，断裂前机件已变形失效。,4）韧性断裂的微观特征：主要是在断口上存在大量的韧窝。不同加载方式造成的韧性断裂，其断口上的韧窝形状是不同的。然而，只有通过电镜(主要是扫描电镜)观察才能做出准确的判断。需要指出的是: 在断口上的个别区域存在韧窝，不能简单地认为是韧性断裂。这是因为，即使在脆性断裂的断口上，个别区域也可能产生塑性变形而存在韧窝。,韧窝是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞,经形核、长大、聚集,最后相互连接导致断裂后在断口表面留下的痕迹。,(2) 脆性断裂,1) 断裂特点：断裂前基本不发生塑性变形，脆性断裂的扩展速率极高，断裂过程在瞬间完成，有时伴有大响声。因其断裂应力低于材料的屈服强度，故又称作低应力断裂。由于脆性断裂大都没有事先预兆，具有突发性，对工程构件与设备以及人身安全常常造成极其严重的后果。因此，脆性断裂是人们力图予以避免的一种断裂失效模式。2) 断口特征：平齐光亮，断口与正应力垂直。常呈放射状或结晶状；人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。例如：T、脆性。一般来说，5%，韧性断裂。,脆性断口形貌,2、穿晶断裂与沿晶断裂(微观),特点：穿晶断裂，裂纹穿过晶内。沿晶断裂，裂纹沿晶界扩展。穿晶断裂，可以是韧性或脆性断裂；两者有时可混合发生。沿晶断裂，多数是脆性断裂。裂纹扩展总是沿着消耗能量最小，即原子结合力最弱的区域进行的。一般情况下，晶界不会开裂。发生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强度。,沿晶断裂的原因大致有：晶界存在连续分布的脆性第二相，微量有害杂质元素在晶界上偏聚，由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。 例如：钢的高温回火脆性是微量有害元素 P,Sb,As,Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。,3、纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂(机理),(1)纯剪切断裂：沿滑移面分离而造成的分离断裂。(2)微孔聚集型断裂：微孔形核、长大、聚合导致 材料分离。(3)解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。fcc金属一般不发生解理断裂。解理断裂总是脆性断裂。,二、解理断裂,解理断裂：金属材料在一定条件下（如低温、应变速率较高，或是有三向拉应力状态），当外加正应力达到一定数值后，由于原子结合键的破坏，以极快速率沿一定晶体学平面（解理面）产生的穿晶断裂脆断。特征：总是脆性断裂，一般发生比较突然。但有时在解理断裂前也显示一定的塑性变形，不明显。断裂沿解理面分离，属于穿晶断裂。往往在晶界、亚晶界、孪晶交叉处产生。发生条件：体心立方，密排六方金属当处于低温，或者应变速率较高，或者是有三向拉应力状态，都能促使解理断裂，在宏观上表现为脆性断裂。,1、解理裂纹的形成和扩展(1) Zener-Stroh位错塞积理论位错在运动过程中，遇到了障碍（如晶界、相界面等）而被塞积，在位错塞积群前端就会引起应力集中，塞积位错越多，应力集中程度越大。当此应力大于界面结合力或脆性第二相或夹杂物本身的结合力时，超过材料的强度极限，就会在界面或脆性相中形成裂纹核。,Cottrell用能量分析法导出裂纹扩展的临界条件为：屈服时产生解理断裂的判据：晶粒直径（或第二相质点间距）d，裂纹扩展所需的应力或裂纹体的实际断裂强度。晶粒细化，材料的脆性减小。,(2) Cottrell位错反应理论,柯垂耳为解释晶内解理和bcc晶体中的解理面而提出裂纹成核：位错反应形成不动位错位错群塞积裂纹位错反应，形成新的位错，能量降低，有利于裂纹形核。,断裂过程的位错理论解释,从位错理论的观点来看：金属的塑性变形实质上是位错在滑移面上运动和不断增殖的过程。塑性变形受阻意味着运动的位错遇到某种障碍，形成各种形态的位错塞积，结果在位错塞积群端部形成一个高应力集中区域。如果在应力集中区域所积累的应变能足够大，足以破坏原子结合键时，便开始裂纹生核。随着形变过程的发展，则通过位错不断地消失到裂纹中而导致裂纹的长大。当裂纹长大到临界尺寸时，裂纹尖端的能量释放率达到裂纹扩展单位面积时所吸收的能量，裂纹便开始失稳扩展直到最终断裂。由此可见，断裂的发展过程是一种运动位错不断塞积和消失的过程。塑性变形和断裂是两个相互联系的竞争过程，而塑性变形受阻（位错的增殖和塞积）导致裂纹生核和塑性变形发展（位错的释放和消失）导致裂纹长大（或扩展）是构成断裂过程的两个基本要素。,2、解理断裂的微观断口特征,(1) 河流状解理台阶：解理裂纹与螺位错相交割而形成台阶。设晶体存在一个螺位错，当解理裂纹沿解理面扩展时，与螺位错交截，产生一个高度为柏氏矢量的解理台阶。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。解理台阶，汇合台阶高度足够大形成河流状花样。,解理裂纹扩展过程中，台阶不断地相互汇合,便形成了河流花样，如图所示。河流花样是解理断裂的重要微观形貌特征。,(a) 异号台阶汇合 (b) 同号台阶汇合图5 解理台阶相互汇合示意图,(2) 舌状花样解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌状凹坑或凸台。(3) 准解理由于晶体内存在弥散硬质点，解理裂纹起源于晶内硬质处点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。准解理不是独立的断裂机制。是解理断裂的变种。,三、微孔聚集型断裂,1、微孔形核和长大 (1) 微孔形核点缺陷聚集；第二相质点碎裂或脱落；位错引起的应力集中，不均匀塑性形变。 (2) 微孔长大随着塑性变形的进一步发展，大量滑移面上的位错进入微孔，使微孔逐渐长大。 (3) 微孔聚合微孔长大的同时，与相邻微孔间的基体横截面不断减小，使微孔连接(聚合)形成微裂纹。,2、微孔聚集断裂的微观断口特征,韧窝: 韧窝的形状取决于应力状态，而韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量分布以及基体的塑性变形能力，韧窝大而深，塑性好。 (1) 韧窝形状 a 等轴韧窝 拉伸应力状态； b 拉长韧窝 扭转、或双向不等应力状态； c 撕裂韧窝 拉、弯应力状态。,微孔聚集断裂的微观断口特征,(2) 影响韧窝大小因数基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数；第二相质点的大小和密度。注意：微观上出现韧窝，宏观上不一定是韧性断 裂。,四、断裂强度,1、理论断裂强度 在外加正应力作用下，晶体中的两个原子沿垂直于外力方向拉断所需的应力称为理论断裂强度。完整晶体，原子间作用力与原子间位移关系式 曲线上的最高点代表晶体的最大结合力，即理论断裂强 度。作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示位移很小，虎克定律,1、理论断裂强度,形成单位裂纹表面的功 两个表面这就是理想晶体解理断裂的理论断裂强度。可见，在E，a0一定时，m与表面能有关，解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。,一般来说，金属理论断裂强度mE/5，实际mE/101000。如高强度钢，其强度只相当于E/100，相差20倍。在实际晶体中必有某种缺陷，使其断裂强度降低。,2、断裂强度的裂纹理论(格雷菲斯裂纹 理论),格里菲斯在1921年提出了裂纹理论。格里菲斯假定在实际材料中存在着裂纹，当名义应力还很低时，裂纹尖端的局部应力已达到很高的数值，从而使裂纹快速扩展，并导致脆性断裂。,(1) 出发点材料中已存在裂纹；局部应力集中；裂纹扩展(增加新的表面)，系统的弹性能降低，裂纹扩展。(2) 格雷菲斯模型 1) 单位厚度、无限宽薄板，仅施加一拉应力(平面应力)。板内有一长度为2a，并垂直于应力的裂纹。,格雷菲斯模型,2) 拉紧平板，已存在裂纹的平板，将释放弹性能(释放的能量，前面加负号)3) 裂纹形成产生新表面所需要的能量,格雷菲斯模型,4) 能量守恒5) 裂纹失稳扩展的临界应力为6）理想晶体解理断裂的理论断裂强度(3) 格雷菲斯公式,第二章 金属在其它载荷下的 力学性能,概述 2.1 应力状态软性系数 2.2 压缩 2.3 弯曲 2.4 扭转 2.5 缺口试样静载荷试验 2.6 硬度,概述,主要指：压缩、弯曲、扭转和带缺口试样的力学性能。原因：零部件在使用过程中将承受不同类型的外应力；零件内部存在不同的应力状态。不同加载方式在试样中产生的应力状态不同，材料所表现出的力学行为不完全相同。,2.1 应力状态软性系数,材料的塑性或脆性并非绝对，为了表示外应力状态对材料塑性变形的影响，特引入应力状态系数的概念，以方便选择检测方法。 例如：铸铁，压韧，拉脆。,二、应力状态软性系数,应力状态表示方法： 任何复杂应力状态都可用三个主应力1、2和3（123)来表示。其中：最大切应力max按第三强度理论计算max=(1-3)/2; 最大正应力max按第二强度理论计算， max=1-(2+3) ：泊松系数。金属取0.25。应力状态软性系数定义：最大切应力与最大正应力之间的比值，称为应力状态软性系数。,应力状态软性系数,应力状态系数表示材料塑性变形的难易程度。越大，切应力分量越大，材料越易塑性变形，不易引起脆断应力状态越“软”；反之则越“硬”。三相不等拉伸 =0.1单向拉伸 =1/2 扭转 =1/(1+)0.8 单向压缩 =1/(2)2二向等压缩 =1三相不等压缩 =4,2.2 压缩,一、压缩试验的特点应力状态系数=2，即应力状态软，材料易产生塑性变形。软钢：易压缩成腰鼓状、扁饼状。铸铁：拉伸时断口为正断；压缩时沿45方向切断。塑性变形小的材料，或者使用状况为压缩状的材料，应采用压缩实验。,二、压缩试验,试验方法：对试样施加轴向压力，在其变形和断裂过程中测定材料的强度、塑性等力学性能指标的试验方法。试样规格：截面圆形或正方形，长度为直径或边长的2.53.5倍。抗压强度：试样压至破坏过程中的最大应力。 压缩屈服点sc：试验时金属产生明显屈服现象。,压缩试验测定的力学性能指标,强度：sc压缩屈服强度bc抗压强度塑性：c相对压缩率c相对断面扩展率注意：塑性良好的材料可压扁 而不断裂无抗压强度,压缩试验意义及应用：,（1）绝大多数脆性材料在拉伸条件下表现为脆性正断，但在压缩条件下有一定塑性变形，并有沿与轴线呈45角的切断特征。因此压缩试验可以提供研究依据（铸铁、高碳钢、水泥等）和建筑材料的设计依据（水泥、混凝土、木材、砖、石等）从而保证压缩条件下脆性材料如无机非金属材料、铸铁等的合理使用；（2）应力状态软性系数=2，适用于脆性材料的塑性测定，塑性材料一般不采用压缩试验。,2.3 弯曲,一、弯曲试验试验方法：将圆柱形或矩形试样置于一定跨距的支座上，进行三点或四点弯曲加载，通过记录弯曲力和挠度之间的关系曲线，确定材料在弯曲力作用下的力学性能。弯曲试验常用于测定脆性材料的力学性能。 试验特点：上表面为压应力，下表面为拉应力； 表面应力最大，中心的为零；力点处的作用力大.铸铁、工具钢、表面渗碳钢，常作弯曲试验。,弯曲试验,1、抗弯强度M为最大弯矩，W为抗弯截面系数。三点弯曲：M=FLs/4；四点弯曲：M=Fl/2。直径为d的圆形试样，W=(d3)/32；宽度为b，高度为h的矩形试样，W=bh2/6。,2、挠度,定义：试样断裂之前被压下的最大距离。通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系，求出断裂时的抗弯强度和最大挠度，以表示材料的强度和塑性。 韧性材料一般不作弯曲强度检测。弯曲脆性 弯曲塑性,3、测定的力性指标,强度：bb抗弯强度 Eb弯曲弹性模量塑性： fb断裂挠度 = M / W = 8FL/(d3)注：W抗弯断面系数，圆形、方形不同；只需将弯曲试验曲线上不同意义的P值带入上式，即可获不同强度值。,4、弯曲试验意义及应用：, 脆性或低塑性材料强度与塑性的比较试样简单适于难加工试样；可用弯曲挠度比较塑性； 比较和评定材料表面处理层的质量,2.4 扭转,一、扭转试验方法：使圆柱形试样承受扭力矩作用，通过记录扭力矩和扭转角之间的关系曲线，分析材料的力学性能。特点 ： （1）能检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能； （2）长度方向，宏观上的塑性变形始终是均匀的； （3）能敏感地反映材料表面的性能； （4）断口的特征最明显(正断、切断、层状断口等)。,应力状态：纵向 受力均匀； 横向 表面最大，心部为0； 最大正应力与最大切应力相等。,二、扭转试验主要性能指标,切变模量W：试样抗扭截面系数 扭转屈服点sTs ：残余扭转切应变为0.3%时的扭距抗扭强度bTb ：试样断裂前的最大扭距,扭转试验意义及应用：,(1) 扭转条件下服役机件的设计与选材依据；(2) 表面强化机件的质量研究与检验；(3) 可用于精确评定易颈缩高塑性件的形变能力和抗形变能力。原因：不发生颈缩或鼓肚；尺寸基本不变,2.5 缺口试样静载荷试验,一、问题的提出材料内部存在裂纹，或体积较大的缺陷。零件上有螺纹、键槽、油孔、退刀槽、焊缝等沟槽。对材料性能的影响：缺口产生应力集中；引起三向拉应力状态，使材料脆化；由应力集中产生应变集中，使缺口附近的应变速率增高。 标准方式的测试结果，已不能满足实际需要。,二、缺口效应,缺口的存在，使得材料在静载荷作用下，缺口根部产生应力集中，同时缺口截面上的应力状态发生改变，称之为缺口效应。 1、理论应力集中系数: 表示缺口引起的应力集中程度 Kt=max/ max、分别为缺口净截面上的最大应力与平均应力。Kt与材料性质无关，只决定于缺口几何形状尤其是缺口根部的曲率半径，缺口曲率半径越小，缺口越尖锐，应力集中程度越大。应力集中程度最小的缺口圆形缺口。,2、缺口试样在弹性状态下的应力分布,缺口效应引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态，也就是出现了x(平面应力状态)或x与z (平面应变状态)，视板厚而定。使塑性材料强度提高，塑性降低。,3、缺口试样在塑性状态下的应力分布,塑性较好的材料，若根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大，塑性区逐渐扩大，直至整个截面。应力最大处则转移到离缺口根部ry距离处。y，x，z均为最大值。随塑性变形逐步向试样内部转移，各应力峰值越来越大。试样中心区的y最大。出现“缺口强化”(三向拉应力约束了塑性变形)塑性降低，影响材料的安全使用。,二、缺口试样静拉伸试验,缺口敏感性：金属材料因为在缺口造成三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向，称为缺口敏感性。缺口敏感性试验的意义：在很硬的应力状态下和有应力集中的条件下，考察材料的变脆倾向。通常用缺口强度比NSR(Notch Strength Ratio)作为衡量静拉伸下缺口敏感度指标： NSR=bn/bNSR愈小，缺口敏感性愈大，NSR是安全性的力学性能指标。,缺口试样静拉伸试验,NSR越大，缺口敏感度越小。脆性材料如铸铁、高碳钢的NSR2，几乎所有的材料都能产生塑性变形。,2、硬度的种类,刻划法：莫氏硬度。表征金属对切断的抗力。回跳法：肖氏硬度等。表征金属弹性变形功的大小。,二、硬度试验,1、布氏硬度试验(1) 原理用一定直径D的淬火钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力，将其压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，试样表面留下压痕。单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值。公式表明：当压力和压头直径一定时，压痕直径越大，布氏硬度值越低，即变形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。,(2) 试验规程,(1) 压头直径 D 有10mm ，5mm ，2.5mm ，2mm和 1mm五种。应尽可能选择 10mm 、3000kgf原因：压痕大、受组织微区不均匀影响小 ：数据分散度小，再现性好、有代表性。(2) 压痕直径范围应控制在：0.25D d 450的太硬材料：钢球本身已经显著变形不适于大量成品检测：需测量 d值，所以被测处要求平稳，而且操作和测量耗时，速度慢。,(5)布氏硬度适用范围,相对较软的材料: 如各种退火态、调质态的钢件；有色金属；有粗大晶粒或粗大组成相的材料， 如灰铸铁和轴承合金等。,2、洛氏硬度试验,(1) 原理以压头留下的压痕深度来表示材料的硬度值。压痕深度h越大，硬度值越低。规定：不同的压头，k值不同。圆锥角=120的金刚石圆锥体k=0.2mm；淬火钢球或硬质合金球k=0.26mm。,(2) 种类,HRA、HRB、HRC最常用，改变压力和压头，可适用于不同的测试范围。表面洛