《工程材料力学性能》【第2版,束德林主编 】期末复习笔记.pdf

Copyright of Wilfredo SCU 2013 5 22 1 工程材料力学性能 复习笔记 工程材料力学性能 复习笔记 基于机械工业出版社 工程材料力学性能 第2版 束德林主编 基于机械工业出版社 工程材料力学性能 第2版 束德林主编 第一章 材料单向静拉伸的力学性能 第一章 材料单向静拉伸的力学性能 一 拉伸力 伸长曲线和应力 应变曲线 1 材料力学性能材料力学性能 材料在外加载荷 外力或能量 作用下或载荷与环境因素 温度 介质 加载速率 联合作 用下所表现的行为 通常表现为材料的变形和断裂 因此 材料力学性能可以理解为材料抵抗外加载荷引起的变 形和断裂的能力 2 力学性能指标 A 强度 屈服强度 s 或 0 2 条件屈服强度 抗拉强度 b B 硬度 C 塑性 延伸率 断面收缩率 D 韧性 E 耐磨性 F 缺口敏感性 3 退火低碳钢在拉伸作用下变形过程 弹性变形 不均匀屈服塑性变形 均匀塑性变形 不均匀塑性变形和断 裂 4 画出拉伸力 伸长曲线 应力 应变曲线伸力 伸长曲线 应力 应变曲线 标出其阶段阶段 力学性能指标指标等 5 应力 应变 真应力 真应变概念 6 缺口试样静拉伸试验种类 轴向拉伸 偏斜拉伸 二 弹性变形 1 弹性变形实质 A 变形可逆 B 加载和卸载期内 应力应变之间保持单值线性关系 C 变形量较小 0 5 1 2 胡克定律 3 弹性模量弹性模量 E 纯弹性变形过程中应力 与应变 的比值 弹性模量主要决定于金属原子的本性和 晶格类型 所以是一个对组织不敏感的力学性能指标 特点 A 单晶表现各向异性 最大值和最小值之间相差可达四倍 B 组织不敏感量 原子间作用力 则决定于 原子本性和晶格类型 外在因素对其影响不大 Q 金属的弹性模量主要取决于什么金属的弹性模量主要取决于什么 为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能 答案 金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力 而材料的成分和组织对它的影响不大 所以说它是一个对组织不敏感的性能指标 这是弹性模量在性能上的主要特点 改变材料的成分和组织会对材料 的强度 如屈服强度 抗拉强度 有显著影响 但对材料的刚度影响不大 4 弹性比功弹性比功 e 又称弹性比能 材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力 金属材料的弹性比功决定于弹性模量和弹性极限 5 滞弹性滞弹性 对材料在弹性范围内快速加载或卸载后随时间延长附加弹性应变的现象 原因是金属材料中点缺陷 的移动需要时间 Copyright of Wilfredo SCU 2013 5 22 2 弹性滞后环弹性滞后环 实际金属材料在弹性区内单向快速加载 卸载时 加载线和卸载线不重合形成的一封闭回线 金属的内耗金属的内耗 又称金属的循环韧性 指金属材料在交变载荷 振动 下吸收不可逆变形功的能力 循环韧性越 高 材料的消震性越好 6 包申格效应 包申格效应 包申格效应 金属材料经预先加载产生少量塑性变形 残余应变为 1 4 卸载后再同向加载 规定残余伸长应力 弹性极限或屈服极限 增加 反向加载 规定残余伸长应力降低的现象 消除包申格效应的方法是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于回复或再结晶温度下 退火 包辛格效应可以用位错理论解释 第一 在原先加载变形时 位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍 塞积后便 产生了背应力 这背应力反作用于位错源 当背应力 取决于塞积时产生的应力集中 足够大时 可使位错源停止 开动 背应力是一种长程 晶粒或位错胞尺寸范围 内应力 是金属基体平均内应力的度量 因为预变形时位错运 动的方向和背应力的方向相反 而当反向加载时位错运动的方向与原来的方向相反了 和背应力方向一致 背应 力帮助位错运动 塑性变形容易了 于是 经过预变形再反向加载 其屈服强度就降低了 这一般被认为是产生 包辛格效应的主要原因 其次 在反向加载时 在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号 要引起异号位错消 毁 这也会引起材料的软化 屈服强度的降低 实际意义 在工程应用上 首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应 其次 包辛格效应大的材料 内 应力较大 另外包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系 在高周疲劳中 包辛格效应小的疲劳寿命高 而包 辛格效应大的 由于疲劳软化也较严重 对高周疲劳寿命不利 可以从河流花样的反 河流 方向去寻找裂纹源 解理断裂是典型的脆性断裂的代表 微孔聚集断裂是典型的塑性断裂 7 弹性极限 弹性极限 试样加载后再卸裁 以不出现残留的永久变形为标准 材料能够完全弹性恢复的最高应力 比例极限比例极限 应力 应变曲线上符合线性关系的最高应力 三 塑性变形 1 塑性变形的方式方式 滑移 孪生 特点特点 A 各晶粒变形的不同时性和不均匀性 B 各晶粒变形的相互协调性 Q 多晶体和单晶体变形的特点 Q 多晶体和单晶体变形的特点 2 屈服现象屈服现象 试验过程中 外力不增加 保持恒定 试样仍能继续伸长 或外力增加到一定值后迅速下降 随 后在外力不增加或上下波动的情况下 试样继续伸长变形的现象 屈服点 上屈服点 下屈服点 屈服平台 屈服线 屈服现象与下列三个因素有关 A 材料变形前可动位错密度很小 B 随塑性变形发生 位错能快速增殖 C 位错运动速率与外加应力有强烈依存关系 屈服强度的工程应用 P11 屈服强度的工程应用 P11 屈服强度金属材料重要力学性能指标 是工程上静强度角度选择韧性材料的基本依据 因为实际零件不可 能在抗拉强度对应的那样打的均匀塑性变形条件下服役 因此 传统强度设计法规定 单向应力状态需用应力 s n n为安全系数 n 2 屈服判据实际上是机件开始塑性变形的强度设计准则 追求过高的屈服强度 会增大屈强比 屈服强度和 抗拉强度比值 不利于某些应力集中部位应力的重新分布 极易引起脆性断裂 对于具体工件 其屈服强度设 计值应由机件的形状 所受应力状态 应变速率等决定 Q 影响屈服强度的因素 影响屈服强度的因素 与以下三个方面相联系的因素都会影响到屈服强度 位错增值和运动 晶粒 晶界 第二相等 外界影响位错运动的因素 主要从内因和外因两个方面考虑 一 影响屈服强度的内因素 1 金属本性和晶格类型 结合键 晶体结构 单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力 其值与位错运动所受到的阻力 晶格阻力 派拉 力 位错运动交互作用产生的阻力 决定 Copyright of Wilfredo SCU 2013 5 22 3 派拉力 位错交互作用力 a 是与晶体本性 位错结构分布相关的比例系数 L 是位错间距 2 晶粒大小和亚结构 晶粒小 晶界多 阻碍位错运动 位错塞积 提供应力 位错开动 产生宏观塑性变形 晶粒减小将增加位错运动阻碍的数目 减小晶粒内位错塞积群的长度 使屈服强度降低 细晶强化 屈服强度与晶粒大小的关系 霍尔 派奇 Hall Petch s i kyd 1 2 细晶强化能强化金属又不降低塑性 3 溶质元素 加入溶质原子 间隙或置换型 固溶体 溶质原子与溶剂原子半径不一样 产生晶格畸变 产生畸变应力场 与位错应力场交互运动 使位错受阻 提高屈服强度 固溶强化 4 第二相 弥散强化 沉淀强化 不可变形第二相 提高位错线张力 绕过第二相 留下位错环 两质点间距变小 流变应力增大 不可变形第二相 位错切过 产生界面能 使之与机体一起产生变形 提高了屈服强度 弥散强化 第二相质点弥散分布在基体中起到的强化作用 沉淀强化 第二相质点经过固溶后沉淀析出起到的强化作用 5 相变强化 马氏体相变强化 二 影响屈服强度的外因素 1 温度 一般的规律是温度升高 屈服强度降低 原因 派拉力属于短程力 对温度十分敏感 2 应变速率 应变速率大 强度增加 t C1 m 3 应力状态 切应力分量越大 越有利于塑性变形 屈服强度越低 缺口效应 试样中 缺口 的存在 使得试样的应力状态发生变化 从而影响材料的力学性能的现象 3 应变硬化 形变强化 应变硬化性能应变硬化性能 在金属整个变形过程中 当外力超过屈服强度之后 塑性变形并不像屈服平台那样连续流变下去 而需要不断增加外力才能继续 这表明金属材料具有一种组织塑性变形的能力 加工硬化的工程意义 加工硬化的工程意义 A 抗偶然过载能力 B 变形均匀化 冲压性能 变形均匀 无冲压裂痕 C 生产上强化材料的重要手段 如 18 8钢 4 轧制 屈服强度提高了3 4倍 抗拉强度提高2倍 4 缩颈缩颈 韧性金属材料在拉伸实验时变形集中于局部区域的特殊现象 它是应变硬化与截面减小共同作用结果 缩颈判据 或 Q 抗拉强度实际意义 Q 抗拉强度实际意义 P19 4条 A 抗拉强度 b标志韧性材料的实际承载能力 代表实际机件在静拉伸条件下的最大承载能力 切抗拉强度 b 易于测定 重现性好 故 b是工程上金属材料的重要力学性能指标 B 对脆性金属材料而言 一旦拉伸力达到最大值 材料便迅速断裂 所以 b就是脆性材料的断裂强度 用于产 品设计 其许用应力便是以 b为判据 C b的高低决定于屈服强度和应变硬化指数 D b与布氏硬度HBW 疲劳极限 1之间有一定的经验关系 尤其是黑色金属 Q 材料的形变强化规律是什么 Q 材料的形变强化规律是什么 A 层错能越低 n 越大 形变强化增强效果越大 B 退火态金属增强效果比冷加工态是好 且随金属强度等级降低而增加 C 在某些合金中 增强效果随合金元素含量的增加而下降 材料的晶粒变粗 增强效果提高 Copyright of Wilfredo SCU 2013 5 22 4 5 塑性塑性 指金属材料断裂前发生塑性变形的能力 指标 断后伸长率和断面收缩率 塑性的工程意义 P20 考 6 韧性韧性 是金属材料断裂前洗手塑性变形功和断裂功的能力 也指材料抵抗裂纹扩展的能力 韧度是度量材料韧性的力学性能指标 分为 静力韧度 冲击韧度 和断裂韧度 静力韧度静力韧度 材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度 是一个强度与塑性的综合 指标 是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合 静力韧度 或 1 2 脆性脆性 材料在外力作用下 如拉伸 冲击等 仅产生很小的变形及断裂破坏的性质 韧脆转变韧脆转变 材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象 冲击吸收功明显下降 断裂机理由微孔聚集型 转变微穿晶断裂 断口特征由纤维状转变为结晶状 四 金属的断裂 机件三种失效形式 磨损 腐蚀 断裂 大多数金属材料断裂过程都包括裂纹形成和扩展两个阶段 1 断裂的类型 1 韧性断裂韧性断裂与脆性断裂 韧性断裂 脆性断裂 韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂 这种断裂有一个缓慢的撕裂过程 断口呈纤维状 灰 暗色 其微观断裂机制主要是微孔聚集型和纯剪切的断裂 断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45度角 用肉眼或放大镜观察时 断口呈纤维状 灰暗色 纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的 而灰暗色则是纤维断口便面对光反射能力很弱所致 其断口宏观呈杯锥形 由纤维区 放射区 和剪切唇区三个 区域组成 脆性断裂脆性断裂是突然发生的断裂 断裂前基本上不产生宏观塑性变形 没有明显征兆 断口平齐 光亮 常呈放射状 或结晶状 常有人字纹或放射花样 其微观机理是解理断裂 断裂面一般与正应力垂直 断口平齐而光亮 常呈 放射状或结晶状 板状矩形拉伸试样断口呈人字形花样 人字形花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行 但其尖 端指向裂纹源 韧 脆性断裂区别 韧性断裂产生前会有明显的塑性变形 过程比较缓慢 脆性断裂则不会有明显的塑性变形产 生 突然发生 难以发现征兆 拉伸断口三要素 拉伸断口三要素 图 1 17 P22 纤维区 放射区和剪切唇断面收缩率小于 5 为脆性断裂 大于 5 为韧性断裂 2 穿晶断裂穿晶断裂和沿晶断裂 穿晶断裂 沿晶断裂 穿晶断裂 裂纹穿过晶界 可以是韧性断裂 也可以是脆性断裂 沿晶断裂沿晶断裂 裂纹沿晶界扩展 断口呈冰糖状 一般为脆性断裂 3 解理断裂解理断裂和剪切断裂 剪切断裂 剪切断裂 剪切断裂是金属材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂 一类为纯剪切断裂 断口呈锋利的 锲形或刀尖形 另一类为微孔聚集型 断口呈纤维状 灰暗色 微观断口上有大量的韧窝 这类断裂较常见 解理断裂解理断裂是金属材料在一定条件下如低温 当外加正应力达到一定的数值后 以极快速率沿一定晶体学平面产生 的穿晶断裂 解理台阶 河流花样和舌状花样是解理断口的基本特征 解理面解理面一般是低指数晶面或表面能最低的 晶面 解理断裂通常总是脆性断裂 2 解理断裂 1 形成与扩展 甄纳 斯特罗位错塞积理论 柯翠尔位错反应理论 2 解理断裂的微观断口特征 穿晶断裂 由晶粒大小的解理面集合而成 有台阶或撕裂棱及河流花样 存在 舌头花样 3 准解理 与解理区别是解理小刻面不是晶体学解理面 3 微孔聚集断裂 1 微孔形核和长大 A 过程 微孔成核 长大 聚合 断裂 B 微孔是通过第二相或夹杂物质点本身破裂 或与基体界面脱离成核 的 C 位错环在外力作用下于第二相质点处堆积起来 Copyright of Wilfredo SCU 2013 5 22 5 2 微孔聚集断裂的微观断口特征 电子显微镜下观察到大小不等的圆形或椭圆韧窝 4 断裂强度 1 理论断裂强度的计算理论断裂强度的计算 P30 决定材料强度的最基本因素 原子间结合力 原子间结合力越高 其弹性模量 熔点就越高 推导过程推导过程 图 1 33 P31 需画图画图 原子间作用力与原子间位移关系曲线近似 位移很小时 又根据胡克定律 0 二者合并有 0 又单位裂纹表面外力所做功U0等于表面能 s两倍 即 0 2 则有 消去 后有 2 断裂强度的裂纹理论 格尔菲斯裂纹理论 断裂强度的裂纹理论 格尔菲斯裂纹理论 P32 前提前提 A 裂纹已经存在 B 局部应力集中 推导过程推导过程 图 1 34 P32 图 1 35 P33 需画图画图 板材每单位体积储存弹性能 2 2E 实际代表单位面积弹性能 若在板中心割开一个垂直应力为 的长度为 2a 的裂纹 则原来弹性拉紧的平板释放能量 又裂纹产生新表面需要表面能 W 4a s 整个系统总 能量变化为 Ue W 求其对裂纹半长 a 的一阶偏导等于 0 得到裂纹失稳扩展的临界应力 即 格尔菲斯公式 局限性 只适用于脆性固体 也就是只适用于那些裂纹尖端塑性变形可以忽略的情况 断裂发生的必要和充分条件之间的联系和区别 格雷菲斯裂纹理论是根据热力学原理 用能量平衡 弹性能的降低与表面能的增加相平衡 的方法推到出了裂纹 失稳扩展的临界条件 该条件是是断裂发生的必要条件 但并不意味着一定会断裂 该断裂判据为 裂纹扩展的充分条件是其尖端应力要大于等于理论断裂强度 是通过力学方法推到的断裂判据 该应力断裂判据为 对比这两个判据可知 当 3a0 时 必要条件和充分条件相当 3a0 时 满足充分条件就可行 同时也满足必要条件 Q 课后第课后第 25 题题 1 材料成分 rs 有效表面能 主要是塑性变形功 与有效滑移系数目和可动位错有关 具有 fcc 结构的金属 有效滑移系和可动位错的数目都比较多 易于塑性变形 不易脆断 凡加入合金元素引起滑移系减少 孪生 位 图 1 34 格雷菲斯裂纹扩展图 1 35 裂纹扩展尺寸与能量变化关系 Copyright of Wilfredo SCU 2013 5 22 6 错钉扎的都增加脆性 若合金中形成粗大第二相也使脆性增加 2 杂质 聚集在晶界上的杂质会降低材料的塑性 发生脆断 3 温度 i 位错运动摩擦阻力 其值高 材料易于脆断 bcc 金属具有低温脆断现象 因为 i 随着温度的 减低而急剧增加 同时在低温下 塑性变形一孪生为主 也易于产生裂纹 故低温脆性大 4 晶粒大小 d 值小位错塞积的数目少 而且晶界多 故裂纹不易产生 也不易扩展 所以细晶组织有抗脆 断性能 5 应力状态 减小切应力与正应力比值的应力状态都将增加金属的脆性 6 加载速度加载速度大 金属会发生韧脆转变 第二章 材料在其它静载条件下的力学性能 第二章 材料在其它静载条件下的力学性能 一 应力状态软性系数 应力状态软性系数 最大切应力 max 与最大正应力 max 的比值 越大 最大切应力分 量越大 表示应力状态越软 材料越易于产生塑性变形 越小 表示应力状态越硬 则材料越容易产生脆性断 裂 2 拉伸试验的特点 单向拉伸时的应力状态软性系数 0 5 其应力状态较硬 故一般适用于那些塑性变 形抗力与切断强度较低的所谓塑性材料试验 二 压缩 1 压缩试验特点压缩试验特点 A 单向压缩的应力状态软性系数 2 比拉伸 扭转 弯曲的应力状态都软 因此 压缩试验主要用于脆性材 料 以显示其在静拉伸时所不能反映的材料在韧性状态下的力学行为 B 拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发 生压缩变形而不会断裂 脆性金属材料在拉伸时产生垂直于载荷轴线的正断 塑性变形量几乎为零 而在压缩时 除能产生一定的塑性变形外 常沿轴线呈45度方向产生断裂 具有切断特征 2 压缩试验 测脆性材料的抗压强度 三 弯曲 1 弯曲试验的特点 弯曲试验的特点 A 弯曲加载时受拉的一侧应力状态基本上与静拉伸时相同 且不存在如拉伸时的所谓试样偏斜对试验结果的影 响 因此弯曲试验常用于测定那些由于太硬难于加工成拉伸试样的脆性材料的断裂强度 并能显示出它们的塑性 差别 B弯曲试验时 截面上的应力分布也是表面上应力最大 故可灵敏地反映材料的表面缺陷 2 弯曲试验 测定脆性或低塑性材料抗弯强度 3 弯曲试验的工程应用弯曲试验的工程应用 测定低塑性或脆性材料的抗弯强度 A 用于测定灰铸铁的抗弯强度 灰铸铁的弯曲试件一般用铸态毛坯圆柱试件 B 用于测定硬质合金的抗弯强度 硬质合金由于硬度高 难以加工成拉伸试件 故常以弯曲试验来评价其性质 和质量 C 陶瓷材料的抗弯强度的测定 四 扭转 1 扭转试验的特点扭转试验的特点 A 扭转的应力状态软性系数 0 8 较拉伸的应力状态软性系数 0 5 高 易于显示金属的塑性 故可用 来测定那些在拉伸时呈现脆性的材料 t s c 0 5 0 8 的强度和塑性 B 圆柱形试样扭转时 整个长度上塑 性变形是均匀的 没有颈缩现象 所以能实现大塑性变形下的试验 C 能敏感反应金属表面缺陷级表面硬化层 性能 D 扭转时试样的最大正应力和最大切应力在数值上相等 2 扭转试验 圆柱形试样 五 缺载试样静载荷试验 1 缺口效应缺口效应 缺口材料在静载荷作用下 缺口截面上的应力状态发生的变化 Copyright of Wilfredo SCU 2013 5 22 7 1 缺口试样弹性状态下应力分布 A 应力分布不均匀 B 缺口根部产生应力集中 C 缺口越尖锐 应力越大 D 缺口根部还出现了横向拉应力 后果 引起应力集中 改变缺口前方应力状态 降低构件使用安全性 2 缺口试样塑性状态下的应力分布 缺口强化 现象 2 缺口试样静拉伸试验 缺口敏感度 缺口敏感度 缺口试样的抗拉强度 bn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度 b的比值表示缺口敏感度 即为 bn b 3 缺口试样静弯曲试验 六 硬度 1 金属硬度的意义及硬度试验的特点 划痕法划痕法 表征金属切断强度 弹性回跳法弹性回跳法 表征金属弹性变形功的大小 压入法压入法 表征金属塑性变形抗力及应变硬化能力 压入法硬度试验特点 压入法硬度试验特点 A 压入法应力状态最软 a 2 B 实验设备简单 操作方便 C 造成损伤小 D 硬 度和强度之间无严格对应关系 但是有大量工程拟合关系 2 硬度试验 1 布氏硬度试验的基本原理布氏硬度试验的基本原理 1900 定 吃软不吃硬 在直径 D 的钢珠 淬火钢或硬质合金球 上 加一定负荷 F 压入被试金属的表面 保持规定时间卸除压力 根据金属表面压痕的陷凹面积计算出应力值 以此值作为硬度值大小的计量指标 压痕相似原理压痕相似原理 A 由于不同材料的硬度不同 试样的厚度不同 测定布氏硬度时适用不同直径的压头和压 力 B 要在同一材料 但是厚度不同的多个试样 上测得相同的布氏硬度或在不同材料上测得的硬度可以相互 比较 C 压痕的形状必须相似 即压入角应该相等 D 布氏硬度相同时 要保证压入角相等 E 试样的厚度 定压头直径 D 表 2 2 定值 定载荷 布氏硬度特点 布氏硬度特点 A 直径较大的压头 压痕面积大 能反应较大范围内材料各组成相的综合平均性能 不 受个别相和微区不均匀性的影响 B 分散性小 重复性好 数据稳定 C 适用于粗大晶粒或粗大组成相的材料 的硬度 像灰铸铁和轴承合金等 优点 A 代表性全面 因为其压痕面积较大 能反映金属表面较大体积范围内各组成相综合平均的性能数 据 故特别适宜于测定灰铸铁 轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组成相的金属材料 B 试验数据稳定 试验数 据从小到大都可以统一起来 布氏硬度缺点 布氏硬度缺点 A 钢球本身变形问题 对 HB 450 以上的太硬材料 因钢球变形已很显著 影响所测数 据的正确性 因此不能使用 B 由于压痕较大 不宜于某些表面不允许有较大压痕的成品检验 也不宜于薄件 试验 C 不同材料需更换压头直径和改变试验力 压痕直径的测量也较麻烦 表示方法 硬度值 HBW 球直径 试验力 试验力保持时间 10 15S 不标注 eg 150HBS10 3000 30 表示直径淬火钢球 加压 3000KGF 保持 30S 测得的布氏硬度值为 150 500HBW5 750 表示硬质合金球 压头直径 5mm 加压 750KGF 保持 10 15S 测得的硬度值为 500 2 洛氏硬度洛氏硬度的测量原理 1919 软硬通吃 压头有两种 一种是圆锥角为 120 度的金刚石圆锥体 另一种是一定直径的小淬火钢球或硬质合金球 洛氏硬度是以压痕陷凹深度作为计量硬度值的指标 洛氏硬度试验的优缺点 洛氏硬度试验避免了布氏硬度试验所存在的缺点 洛氏硬度优点 洛氏硬度优点 1 因有硬质 软质两种压头 故适于各种不同硬质材料的检验 不存在压头变形问题 2 压痕小 不伤工件 适用于成品检验 3 操作迅速 立即得出数据 测试效率高 洛氏硬度缺点洛氏硬度缺点 代表性差 用不同硬度级测得的硬度值无法统一起来 无法进行比较 Copyright of Wilfredo SCU 2013 5 22 8 表示方法 硬度值 符号 HR 标尺字母 EG 60HRC 指用 C 标尺测得的洛氏硬度值为 60 60HRBW 60HRBS 指用 B 标尺测得的洛氏硬度值为 60 分别 用的是硬质合金球 W 和淬火钢球 S 3 维氏硬度维氏硬度的测定原理 1925 软硬通吃 维氏硬度的测定原理和布氏硬度相同 也是根据单位压痕陷凹面积上承受的负荷 即应力值作为硬度值的计 量指标 相对面间夹角为 136 度的金刚石四棱锥体 维氏硬度特点 维氏硬度特点 A 压痕几何相似 载荷大小任意选择 B 测定范围较宽 软硬都可以 C 压痕为轮廓 清晰的正方形 D 材料硬度小于 450HV 时 维氏与布氏大致相同 E 计算工作效率高 维氏硬度的优缺点 1 不存在布氏那种负荷 F 和压头直径 D 的规定条件的约束 以及压头变形问题 2 也不存在洛氏那种硬度值无法统一的问题 3 它和洛氏一样可以试验任何软硬的材料 并且比洛氏能更好地测试极薄件 或薄层 的硬度 压痕测量的 精确度高 硬度值较为精确 4 负荷大小可任意选择 维氏显微硬度 唯一缺点是硬度值需通过测量对角线后才能计算 或查表 出来 因此生产效率没有洛氏硬度高 表示方法 硬度值 符号HV 试验力 试验保持时间 10 15S不标注 EG 640HV30 指试验力为294 2N下保持10 15S测得的维氏硬度为640 查表2 5 4 其他硬度试验方法 努氏硬度试验努氏硬度试验HK采用两个对面角不等的四棱锥金刚石压头 由试验力除以压痕投影面积得到的硬度 肖氏硬度试验肖氏硬度试验HS采动载荷试验法 根据重锤回跳高度表证的金属硬度 里氏硬度试验里氏硬度试验HL采动载荷试验法 根据重锤回跳速度表证的金属硬度 5 硬度试验方法的选择 渗碳层的硬度分布 HK HV 淬火钢 HRC 灰铸铁 HB 鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体 显微HV 仪表小铜齿轮 HB HRB 龙门刨床导轨 HS 渗氮层 高速钢刀具 HRC 退火态低碳钢 HRB 硬质合金 HRA Q 说明下列力学性能指标的意义说明下列力学性能指标的意义 1 材料的抗压强度 2 材料的抗弯强度 3 材料的扭转屈服点 4 材料的抗扭强度 5 材料的抗拉强度 6 NSR 材料的缺口敏感度 7 HBS 压头为淬火钢球的材料的布氏硬度 8 HBW 压头为硬质合金球的材料的布氏硬度 9 HRA 材料的洛氏硬度 10 HRB 材料的洛氏硬度 11 HRC 材料的洛氏硬度 12 HV 材料的维氏硬度 13 HK 材料的努氏硬度 14 HS 材料的肖氏硬度 15 HL 材料的里氏硬度 Q 在评定材料的缺口敏感应时 什么情况下宜选用缺口静拉伸试验在评定材料的缺口敏感应时 什么情况下宜选用缺口静拉伸试验 什么情况下宜选用缺口偏斜拉伸什么情况下宜选用缺口偏斜拉伸 什么情况下 则选用缺口静弯试验 什么情况下 则选用缺口静弯试验 缺口静拉伸试验缺口静拉伸试验主要用于比较淬火低中温回火的各种高强度钢 各种高强度钢在屈服强度小于 1200MPa 时 其缺口强度均随着材料屈服强度的提高而升高 但在屈服强度超过 1200MPa 以上时 则表现出不同的特性 有 的开始降低 有的还呈上升趋势 缺口偏斜拉伸试验缺口偏斜拉伸试验就是在更苛刻的应力状态和试验条件下 来检验与对比不同材料或不同工艺所表现出的性 能差异 缺口试样的静弯试验缺口试样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度 Q 缺口冲击韧性试验能评定那些材料的低温脆性缺口冲击韧性试验能评定那些材料的低温脆性 那些材料不能用此方法检验和评定 那些材料不能用此方法检验和评定 答案 缺口冲击韧性试验能评定的材料是低 中强度的体心立方金属以及 Bb Zn 这些材料的冲击韧性对 温度是很敏感的 对高强度钢 铝合金和钛合金以及面心立方金属 陶瓷材料等不能用此方法检验和评定 Q 课后第 课后第 8 题 今有如下零件和材料需要测定硬度 试说明选择何种硬度实验方法为宜 题 今有如下零件和材料需要测定硬度 试说明选择何种硬度实验方法为宜 1 渗碳层的硬度分布 2 淬火钢 3 灰铸铁 4 鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体 5 仪表小黄 铜齿轮 6 龙门刨床导轨 7 渗氮层 8 高速钢刀具 9 退火态低碳钢 10 硬质合金 Copyright of Wilfredo SCU 2013 5 22 9 答 1 渗碳层的硬度分布 HK 或 显微 HV 2 淬火钢 HRC 3 灰铸铁 HB 4 鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体 显微 HV 或者 HK 5 仪表小黄铜齿轮 HV 6 龙门刨床导轨 HS 肖氏硬度 或 HL 里氏硬度 7 渗氮层 HV 8 高速钢刀具 HRC 9 退火态低碳钢 HB 10 硬质合金 HRA 第三章 材料的冲击载荷下的力学性能 第三章 材料的冲击载荷下的力学性能 冲击载荷与静载荷的区别 A 冲击载荷的应变速率在10 2S 1以上 B 在冲击载荷下 力学性能将显著变化 C 金属材料在高速应变速率下的脆性断裂倾向 加载速率 加载速率 指载荷施加于试样或机件时的速率 用单位时间内应力增加的数值表示 形变速率 形变速率 单位时间内的变形量 一 冲击载荷下金属变形和断裂的特点 应变速率对金属材料弹性行为和弹性模量没有影响 但是对塑性变形 断裂及有关的力学性能却有显著的影响 二 冲击弯曲和冲击韧性 冲击韧性 冲击韧性 A AK K 材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力 ak 值是带缺口标准试样快速冲断时 单位横截面积吸收的功 冲击功冲击功 A AK K 摆锤失去一部分能量 这部分能量就是冲断试件所作的功 称为冲击功 试验 摆锤式冲击试验机 标准试样 夏比U型缺口试样AKU 夏比V型缺口试样AKV 冲击韧性的工程意义及其应用 冲击韧性的工程意义及其应用 冲击弯曲试验主要用途 A 控制原材料的冶金质量和热加工的产品质量 B 测定材料的脆变转变温度 C 冲击 韧性反应的是材料对一次和少数次大能量冲击断裂的抗力因而对某些在特殊条件下服役的零件有参与价值 D 评定低合金高强度钢及焊接金属的应变时敏感性 三 低温脆性现象 1 低温脆性低温脆性 体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属 及其合金 特别是工程材料上常用的中 低强度结构钢 铁素体 珠 光体钢 在试验温度低于某一温度tk 是 会有韧性状态变为脆性 状态 冲击功明显降低 断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型 断 口特征由纤维状变为结晶状 这就是低温脆性 低温脆性的原因 低温脆性是材料屈服强度随温度降低而急剧增 加 而解理断裂强度随温度变化很小的结果 如图所示 当温度高于 韧脆转变温度时 断裂强度大于屈服强度 材料先屈服再断裂 表现 为塑韧性 当温度低于韧脆转变温度时 断裂强度小于屈服强度 材料无屈服直接断裂 表现为脆性 心立方和面心立方金属低温脆性的差异 体心立方金属的低温脆性比面心立方金属的低温脆性显著 原因 这 是因为派拉力对其屈服强度的影响占有很大比重 而派拉力是短程力 对温度很敏感 温度降低时 派拉力大幅 增加 则其强度急剧增加而变脆 2 韧脆转变韧脆转变指金属材料的脆性和韧性是金属材料在不同条件下表现的力学行为和力学状态 两者是相对的并且 相互转化 韧性温度储备韧性温度储备 材料使用温度和韧脆转变温度的差值 保证材料的低温服役行为 韧脆转变温度韧脆转变温度 材料表现出低温的脆性的临界温度称为韧脆转变温度 1 按能量法定义 低阶能 NDT 以下为 100 结晶区 解理区 高阶能 FTP 以上为 100 纤维状断口 以低阶 能和高阶能平均值定义 tk FTE 2 按断口形貌定义 取结晶区面积占整个断口面积 50 时的温度为 tk并记作 50 FATT 3 落锤试验和断裂分析图 Copyright of Wilfredo SCU 2013 5 22 10 随试样温度下降其力学行为变化 不裂 拉伸侧表面部分形成裂纹但未发展到边缘 拉伸侧表面裂纹发展到另一侧 边或两边 此时最高温度定义为 NDT 试样断为两部分 三 影响韧脆性转变温度的冶金因素 金因素 a 晶体结构 体心立方金属及其合金存在低温脆性 b 化学成分 1 间隙溶质元素 韧脆转变温度 2 置换型溶质元素一般也能提高韧脆转变温度 但 Ni 和一 定量 Mn 例外 3 杂质元素 S P As Sn Sb 等使钢的韧性下降 c 晶粒大小 细化晶粒提高韧性的原因有 晶界是裂纹扩展的阻力 晶界前塞积的位错数减少 有利于降低应力 集中 晶界总面积增加 使晶界上杂质浓度减少 避免产生沿晶脆性断裂 d 纤维组织 1 对低强度钢 按 tk 由高到低的顺序 珠光体 上贝氏体 铁素体 下贝氏体 回火马氏体 2 对中碳合金钢且强度相同 tk 下贝氏体 回火马氏体 贝氏体马氏体混合组织 回火马氏体 3 低碳合金钢的 韧性 贝氏体马氏体混合组织 单一马氏体或单一贝氏体 4 马氏体钢的韧性 奥氏体的存在将显著改善韧性 钢中夹杂物 碳化物等第二相质点对钢的韧性有重要影响 影响的程度与第二相质点的大小 形状 分布 第二 相的性质及其与基体的结合力等性质有关 Q 课后第 课后第 2 题 题 说明下列力学性能指标的意义 1 AK 材料的冲击吸收功 AKV CVN 和 AKU V 型缺口和 U 型缺口试样测得的冲击吸收功 2 FATT50 结晶区占整个端口面积 50 是的温度定义的韧脆转变温度 3 NDT 以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度 4 FTE 以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义的韧脆转变温度 5 FTP 高阶能对应的温度 Q J 积分的主要优点是什么积分的主要优点是什么 为什么用这种方法测定低中强度材料的断裂韧性要比一般的为什么用这种方法测定低中强度材料的断裂韧性要比一般的 KIC 测定方法其试样尺 寸要小很多 测定方法其试样尺 寸要小很多 答案 J 积分有一个突出的优点就是可以用来测定低中强度材料的 KIC 对平面应变的断裂韧性 KIC 测定时要求裂纹一开始起裂 立即达到全而失稳扩展 并要求沿裂纹全长 除 试样两侗表面极小地带外 全部达到平面应变状态 而 JIC 的测定 不一定要求试样完全满足平面应变条件 试 验时 只在裂纹前沿中间地段首先起裂 然后有较长的亚临界稳定扩展的过程 这样只需很小的试验厚度 即只 在中心起裂的部分满足平面应变要求 而韧带尺寸范围可以大而积的屈服 甚至全面屈服 因此 作为试样的起 裂点 仍然是平面应变的断裂韧度 这时 JIC 的是材料的性质 当试样裂纹继续扩展时 进入平面应力的稳定扩 展阶段 此时的 J 不再单独是材料的性质 还与试样尺寸有关 第四章 金属的断裂韧度 第四章 金属的断裂韧度 一 线弹性条件下的金属断裂韧度 方法 应力应变分析方法 得断裂K判据 能量分析方法 得断裂K判据 1 裂纹扩展的基本形式 张开型 I 型 滑开型 II 撕开型 III 2 应力场强度因子KI和断裂韧度 KIC 1 裂纹尖端附近应力场分析P67 2 应力场强度因子KI 表示I型裂纹 应力场强度因子KI是表示应力场强度的力学参量 KI越大 则应力场各应力分量越大 常见几种裂纹KI表达式 P69 表4 1 一般表达式 Y为裂纹形状系数 一般Y 1 2 KI的量纲 应力 X 长度 1 2 对于II和III型裂纹 应力场强度因子表达式 断裂韧度KIC和断裂K判据 断裂韧度断裂韧度 当KI 增大达到临界值时 也就是在裂纹尖端足够大的范围内达到了材料的断裂强度 裂纹便失稳扩 Copyright of Wilfredo SCU 2013 5 22 11 展而导致材料断裂 这个临界或失稳状态的kI 值记作KIc 称为断裂韧度 断裂应力 c 临界裂纹尺ac 发生脆性断裂判据 KI KIC 或 KIC 反之 则不断裂 称为破损安全 低应力脆断低应力脆断 当容器或构件存在宏观裂纹时 在应力水平不高 甚至低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断 裂现象称为低应力脆断 裂纹尖端塑性区及 KI的修正 1 塑性区的形状和尺寸 P71 P74 裂纹尖端塑性区宽度计算公式 P74 表 4 2 2 有效裂纹及 KI的修正 P74 P75 3 裂纹扩展能量释放率 GI和断裂韧度 GIC 1 裂纹扩展时能量转化关系 P75 2 裂纹扩展时能量释放率 GI P76 3 断裂韧度 和断裂 G 判据 GI GIC 4 GIC和 KIC关系 三 影响断裂韧度 KIC的因素 P81 四 断裂韧度在金属材料中的应用举例 P84 P88 计算题 要考 断裂韧度在金属材料中的应用举例 P84 P88 计算题 要考 五 弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念 J 积分J 积分 裂纹尖端区的应变能 即应力应变集中程度 CODCOD 裂纹尖端沿应力方向张开所得到的位移 Q 课后习题 Q 课后习题 16 有一大型板件 材料的 0 2 1200MPa KIc 115MPa m1 2 探伤发现有 20mm 长的横向穿透裂纹 若在平均 轴向拉应力 900MPa 下工作 试计算 KI 及塑性区宽度 R0 并判断该件是否安全 解 由题意知穿透裂纹受到的应力为 900MPa 根据 0 2 的值 确定裂纹断裂韧度 KIC 是否休要修正 因为 0 2 900 1200 0 75 0 7 所以裂纹断裂韧度 KIC 需要修正 对于无限板的中心穿透裂纹 修正后的 KI 为 13 168 75 0 177 01 01 0900 177 01 22 s I a K 2 0 22 1 s I K R MPa m1 2 塑性区宽度为 0 004417937 m 2 21 mm 比较 K1 与 KIc 因为 K1 168 13 MPa m1 2 KIc 115 MPa m1 2 所以 K1 KIc 裂纹会失稳扩展 所以该件不安全 17 有一轴件平行轴向工作应力 150MPa 使用中发现横向疲劳脆性正断 断口分析表明有 25mm 深度的表面半椭 圆疲劳区 根据裂纹 a c 可以确定 1 测试材料的 0 2 720MPa 试估算材料的断裂韧度 KIC 为多少 解 因为 0 2 150 720 0 20810 5 低周疲劳N f 10 2 105 疲劳寿命疲劳寿命 裂纹尺寸从 ao扩展到 ac所需的循环周次 即疲劳剩余寿命 过载损伤过载损伤 金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后 发生疲劳断裂的应力循环周次 次负荷锻炼次负荷锻炼 金属在低于或近于疲劳极限下运转一定次数后 其疲劳极限会提高 可能是由于次负荷锻炼和轻度 冷加工相似的缘故 Q 疲劳断裂特点 Q 疲劳断裂特点 简答题 简答题 A 疲劳是低应力循环延时断裂即具有寿命的断裂 B 疲劳是脆性断裂 C 疲劳对缺陷 缺口 裂纹及组织缺陷 十分敏感 3 疲劳宏观断口特征疲劳宏观断口特征 疲劳宏观断口疲劳宏观断口包括 疲劳源 疲劳区 瞬断区 表5 1 P97 疲劳源疲劳源是材料的薄弱部位 常在表面 也可在材料内部 裂纹的萌生地 裂纹处在亚稳扩展过程中 由于应力 交变 断面摩擦而光亮 疲劳源区光亮最大 随应力状态及其大小的不同 可有一个或几个疲劳源 疲劳区疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域 断面比较光滑 并分布有贝纹线 贝纹线是疲劳区的最大特征 贝纹是由载荷变动而引起的 如机器的起停 偶然的过载等 循环应力低 材料韧性好 疲劳区大 贝纹线细 明显 有时在疲劳区的后部 还可看到沿扩展方向的疲劳台阶 高应力作用 瞬断区瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域 一般在疲劳源的对侧 其断口比疲劳区粗糙 脆性材料为结 晶状断口 韧性材料有放射状纹理 边缘为剪切唇 二 疲劳曲线 S N 疲劳曲线 S N 图5 4 P98 及基本疲劳力学性能 1 1 疲劳极限 1疲劳极限 1 对于一些具有应变时效的金属材料 当循环应力 水平降低到某一临界值时 低应力段降为水平线 表明试样可以经无限次应 力循环也不发生疲劳断裂 故将对应的应力称为疲劳极限 实际中是应 力循环N0 107周次材料不断裂所对应的应力值 测定疲劳极限的基数N0 10 7 疲劳断裂应力判据 对称循环应力下 1 非对称循环应力下 r 2 疲劳曲线测定 旋转疲劳弯曲试验机 3 不同应力状态下的疲劳极限 P100 4 疲劳极限与静强度之间关系P100 2 疲劳图和部队称循环疲劳极限P100 102 3 抗疲劳过载能力 抗疲劳过载损伤的能力用过载损伤界表示 4 疲劳缺口敏感度qf 金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性用疲劳缺口敏感度qf来评定 qf Kf 1 kt 1 Kt 为理论应力集中系数 kf 为疲劳缺口系数 kf 为光滑试样与缺口试样疲劳极限之比 kf 1 1N 三 疲劳裂纹扩展速率da dN和疲劳裂纹扩展门槛值 Kth P104 111 裂纹扩展的每一微小过程看成是裂纹体小区域的断裂过程 则设想应力强度因子幅度 K Kmax Kmin 是疲劳裂纹 扩展的控制因子 当 K 小于某临界值 Kth 时 疲劳裂纹不扩展 所以 Kth 叫疲劳裂纹扩展的门槛值疲劳裂纹扩展的门槛值 Copyright of Wilfredo SCU 2013 5 22 13 应力比 显微组织 环境及试样的尺寸等因素对 Kth 的影响很大 KI 称为 I 型裂纹的应力场强度因子 它是衡量裂纹顶端应力场强烈程度的函数 决定于应力水平 裂纹尺寸和形 状 塑性区尺寸较裂纹尺寸 a 及静截面尺寸为小时 小一个数量级以上 即在所谓的小范围屈服小范围屈服 裂纹的应力场强度因子与其断裂韧度相比较 若裂纹要失稳扩展脆断 则应有 ICI KK 这就是断裂 K 判据 应力强度因子 K1 是描写裂纹尖端应力场强弱程度的复合力学参量 可将它看作推动裂纹扩展的动力 对于受载 的裂纹体 当 K1 增大到某一临界值时 裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度 裂纹便失稳扩展 而导致断裂 这一临界值便称为断裂韧度 Kc 或 K1c 意义 KC 平面应力断裂韧度 薄板受力状态 KIC 平面应变断裂韧度 厚板受力状态 四 疲劳过程及其机理 疲劳过程 疲劳过程 疲劳裂纹萌生 裂纹亚稳扩展 失稳扩展三个阶段 疲劳寿命Nf 疲劳裂纹萌生期Ni 裂纹亚稳扩展期Np 1 1 疲劳裂纹萌生过程及其机理 疲劳裂纹萌生过程及其机理 疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起 主要方式有 表面滑移带开裂 第二相 夹杂物或其他 界面开裂 晶界或亚晶界开裂 2 2 疲劳裂纹扩展过程及其机理 疲劳裂纹扩展过程及其机理 P113 图5 24 两个阶段 从表面各别侵入沟 或挤出脊 先形成裂纹 裂纹主要 沿主滑移系方向 最大切应力方向 以纯剪切方式向内扩展 第一阶段 裂纹扩展速率很低 而且其裂纹扩展总进程也很小 该 阶段只能看到一些擦伤的痕迹 在一些强化材料中 也可看到周期 解理和准解理花样 甚至还有沿晶开裂的冰糖状花样 第二阶段 由于晶界不断阻碍作用 裂纹扩展逐渐转向垂直于拉 应力方向 这阶段为疲劳裂纹扩展的主要部分 疲劳条带 疲劳条带 疲劳条纹 在电镜断口分析中 疲劳断裂扩展的第二阶段断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的 沟槽花样 称为疲劳条带 A 它是裂纹扩展时留下的微观痕迹 每一条带可以视作一次应力循环的扩展痕迹 B 裂纹的扩展方向与条带垂 直 主要微观特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样 C 在实际观察不同材料的疲劳断口时 并不一定都 能看到清晰的疲劳条带 D 疲劳条带和贝纹线是不同的两回事 疲劳条带是疲劳断口的最典型的微观特征 贝 纹线是疲劳端口宏观特征 在贝纹线之间有成千上万条疲劳条带 Q 试述疲劳微观断口的特征及其形成过程 试述疲劳微观断口的特征及其形成过程 微观形貌有疲劳条带 滑移系多的面心立方金属 其疲劳 条带明显 滑移系少或组织复杂的金属 其疲劳条带短窄 而紊乱 疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型 Laird 模型 图中 a 在交变 应力为零时裂纹闭合 图 b 裂纹张开 在裂纹尖端沿最大切应力 方向产生滑移 图 c 裂纹张开至最大 塑性变形区扩大 裂纹尖端 张开呈半圆形 裂纹停止扩展 由于塑性变形裂纹尖端的应力集中减 小 裂纹停止扩展的过程称为 塑性钝化 图 d 当应力变为压缩应 力时 滑移方向也改变了 裂纹尖端被压弯成 耳状 切口 图 e 到 压缩应力为最大值时 裂纹完全闭合 裂纹尖端又由钝便锐 五 影响疲劳强度的主要因素 1 表面状态的影响 1 应力集中 引起疲劳破坏的主要原因 2 表面粗糙度 粗糙度越低 疲劳极限越高 反之 疲劳极限越低 3 表面脱碳 氧化等缺陷也会使得疲劳强度降低 Copyright of Wilfredo SCU 2013 5 22 14 2 残余应力及表面强化的影响 残余压应力提高疲劳强度 残余拉应力降低疲劳强度 Q 为什么表面强化处理可提高材料的疲劳强度 Q 为什么表面强化处理可提高材料的疲劳强度 答 如图所示 表面强化影响疲劳极限示意图 表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力 同时还 能提高机件表面的强度和硬度 这两方面的作用都提高了疲劳强度 a为用带箭头的实线示意地绘出试样弯曲疲