Mechanical properties of metal materials中文.docx

This document includes Mechanical properties of metal materials, failure analysis and design criteria (strength theories). It is the fundamentals of mechanics of materials. Please refer to references for extensive reading.第三节 金属材料的性能 材料的性能有使用性能和工艺性能两类。使用性能是保证工件的正常工作应具备的性能，主要包括力学性能、物理性能、化学性能等。工艺性能是材料在被加工过程中适应各种冷热加工的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。本节主要讲述力学性能、物理和化学性能、工艺性能一、材料的力学性能 载荷：零件和工具在使用过程中所受的力，按作用方式不同，可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等，又可分为静载荷和动载荷。静载荷力的大小不变或变化缓慢的载荷。如静拉力、静压力等。 动载荷力的大小和方向随时间而发生改变。如冲击载荷、交变载荷、循环载荷等。 应力：材料在任一时刻所受的力除以横截面积之商。用“”表示。变形：金属在外力的作用下尺寸和形状的变化，“弹性变形”和“塑性变形”弹性变形去除外力后，物体能完全恢复原状的变形。 塑性变形当外力取消后，物体的变形不能完全恢复，而产生的永久变形。力学性能：是指在力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能，通俗地讲是指材料抵抗外力引起的变形和破坏的能力。 强度（strength）：材料在力的作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等塑性（plasticity）：塑性是金属在外力作用下能稳定地改变自己的形状和尺寸，而各质点间的联系不被破坏的性能硬度（hardness）：材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度韧性（toughness）：韧性是指金属在冲断前吸收变形能量的能力，即抵抗冲击破坏的能力 1、抗拉强度与塑性测量 拉伸试验：GB/T228-1987（新标准，GB/T228-2002）。采用万能材料试验机，给拉伸试验缓慢施以拉力，测出拉力与变量的关系。可用于测量材料在拉力作用下的强度和塑性。 拉伸试验方法 拉伸试样 拉伸试样的颈缩拉伸试样：按国家标准制作，试样的截面可以为圆形、矩形、多边形、环形等。其中圆形拉伸试样如图所示。 L0原始标距长度；d0原始直径。一般应符合一定的比例关系：国际上常用的是L0 /d0=5（短试样），原始标距长度不小于15mm；当试样横截面太小时，可采用L0/ d0=10（长试样），或采用非比例试样。 L1拉断后试样标距长度；d1拉断后试样断口直径。 拉伸曲线：拉伸试验中记录的拉伸力F与伸长量L（某一拉伸力时试样的长度与原始长度的差L=Lu-L0）的FL曲线称为拉伸曲线图。 低碳钢拉伸曲线 “oe”为纯弹性变形阶段，卸去载荷时，试样能恢复原状 “e”点开始塑性变形“s点出现“屈服”现象，出现明显塑性变形 “sb”为强化阶段，试样产生均匀的塑性变形，并出现了强化 “b”点为最大载荷，试样出现“缩颈”现象 “k”点试样被拉断 （1）强度（strength） 强度表示：强度一般用拉伸曲线上所对应某点的应力来表示。单位采用N/mm2(或MPa 兆帕） = F/So 式中： 应力（MPa）；F拉力（N）；So截面积（mm2）。 强度判据：拉伸试验可用于测量弹性极限、屈服强度、规定残余伸长强度、抗拉强度等 弹性极限：e 保持纯弹性变形的最大应力。e = Fe/So屈服强度( yield strength)：s 产生屈服时的应力（屈服点），亦表示材料发生明显塑性变形时的最低应力值。s= Fs/So 规定残余伸长应力：r0.2 产生0.2%残余伸长率时的应力。r0.2= Fr0.2/So抗拉强度（tensile strength）：b 断裂前最大载荷时的应力（强度极限）。b = Fb/So 强度意义：一般机械零件或工具使用时，不允许发生塑性变形，故屈服点s是机械设计强度计算的主要依据；抗拉强度代表材料抵抗拉断的能力，若应力大于抗拉强度，则会发生断裂而造成事故。工程上还通过计算屈强比（s /b，屈服点与抗拉强度的比值来判别材料强度的利用率，屈强比高，材料性能使用效率高，一般材料的屈强比以0.75为宜。 （2）塑性（plasticity） 塑性判据：可用拉伸试验测定断后伸长率和断面收缩率 断后伸长率（specific elongation）：，用断后标距的残余伸长量（L1-L0）与原始标距长度(L0)之比的百分数。 = （L1-L0 /L0)100% *采用长、短试样测出的断后伸长率分别用5 和10表示。（一般5 10；一般大20%左右）。 断面收缩率（percentage reduction in area）：， 用拉断后试样横截面积的最大缩减量（S0-S1）与试样原始横截面积（S0）的百分比。 = （S0-S1）/S0 100%塑性意义：和的数值越大，表明材料的塑性越好。塑性良好的金属可进行各种塑性加工，同时使用安全性也较好。 10% 属塑性材料金属强度与塑性新、旧标准对照表 新标准GB/T228-2002 旧标准GB/T228-1987 性能符号性能符号断面收缩率Z断面收缩率 断后伸长率A 断后伸长率5 A11.310屈服强度 屈服点s 上屈服强度ReH 上屈服点sU 下屈服强度ReL 下屈服点sL 规定残余伸长强度Rr 规定残余伸长应力r 例如：Rr0.2例如：r0.2抗拉强度Rm 抗拉强度b 2、硬度测量 硬度测量的应用：硬度测量具有简便、快捷；不破坏试样（非破坏性试验）；硬度能综合反映材料的强度等其他力学性能；硬度与耐磨性具有直接关系，硬度越高，耐磨性越好。所以硬度测量应用极为广泛，常把硬度标注于图纸上，作为零件检验、验收的主要依据。 测量方法：可采用压入法、加弹法、划痕法等测量方法。生产中常用压入法（有布氏硬度法、洛氏硬度法、维氏硬度法等）。 布氏硬度计 洛氏硬度计 维氏硬度计（1）布氏硬度：HB（Brinell-hardness )（HBS、HBW ） 布氏硬度测量原理：采用直径为D的球形压头，以相应的试验力F压入材料的表面，经规定保持时间后卸除试验力，用读数显微镜测量残余压痕平均直径d，用球冠形压痕单位表面积上所受的压力表示硬度值。实际测量可通过测出d值后查表获得硬度值。HBS（HBW） = F/S = 2F/DD - (D2-d2)1/2HBS表示用淬火钢球压头测量的布氏硬度值。适用范围：小于450； HBW表示用硬质合金压头测量的布氏硬度值。适用范围：450650布氏硬度的测量原理 布氏硬度表示方法：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 布氏硬度特点：优点：测量数值稳定，准确，能较真实地反映材料的平均硬度；缺点：压痕较大，操作慢，不适用批量生产的成品件和薄形件 布氏硬度测量范围：用于原材料与半成品硬度测量，可用于测量铸铁；非铁金属（有色金属）、硬度较低的钢（如退火、正火、调质处理的钢） （2）洛氏硬度：HR（Rockwll hardnes） 洛氏硬度测量原理：用金刚石圆锥或淬火钢球压头，在试验压力F 的作用下，将压头压入材料表面，保持规定时间后，去除主试验力，保持初始试验力，用残余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时，可通过试验机的表盘直接读出洛氏硬度的数值。HR = K - h/0.002K常数，金刚石压头取值100，球形压头取值130 洛氏硬度测量原理 洛氏硬度测量条件：洛氏硬度可以测量从软到硬较大范围的硬度值，根据被测对象硬度值大小不同，可用不同的压头和试验力，如下表。 常用洛氏硬度的试验条件和应用范围 硬度符号 压头类型 总试验力 F/N（kgf） 硬度范围 应用举例 HRA 120o金刚石圆锥 588.4(60) 2088 硬质合金、碳化物、浅层表面硬化钢等 HRB 1.588mm淬火钢球 980.7(100) 20100 退火、正火钢，铝合金、铜合金、铸铁 HRC 120o金刚石圆锥 1471(150) 2070 淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢 洛氏硬度特点：优点：测量迅速、简便、压痕小、硬度测量范围大 ， 缺点：数据准确性、稳定性、重复性不如布氏硬度 洛氏硬度测量范围：可用于成品和薄件，但不宜测量组织粗大不均匀的材料（如上表所示） （3）维氏硬度：HV（diamond penetrator hardness） 维氏硬度测量原理：与布氏硬度相似。采用相对面夹角为136o金刚石正四棱锥压头，以规定的试验力F压入材料的表面，保持规定时间后卸除试验力，用正四棱锥压痕单位表面积上所受的平均压力表示硬度值。 维氏硬度测量原理 维氏硬度特点：测量范围大，可测量硬度为101000HV范围的材料；量压痕小。 维氏硬度应用：可测量较薄的材料和渗碳、渗氮等表面硬化层。 *上述各种硬度测量法，相互间没有理论换算关系，故试验结果不能直接进行比较，应查阅硬度换算表进行比较。* 各种硬度的换算经验公式：硬度在200600HBS时 ：1HRC相当于10HBS ；硬度小于450HBS时：1HBS相当于1HV * 利用布氏硬度压痕直径直接换算出工件的洛氏硬度：根据布氏硬度和洛氏硬度换算表，可归纳出一个计算简单且容易记住的经验公式：HRC =（479-100D）/4，其中D为10mm钢球压头在30KN压力下压在工件上的压痕直径测量值。该公式计算出的值与换算值的误差在0.5 -1范围内，该公式在现场用起来十分方便，您不妨试一试。3、冲击韧性测量 金属夏比缺口冲击试验：按GB/T229-1994进行，采用横截面尺寸为10mm10mm、长度为55mm，试样的中部开有V或U形缺口的冲击试样。试验时冲击试样的开口背向摆锤的冲击方向置于试验机的支架上，将试样一次冲断。 冲击试验机 冲击试验原理 冲击吸收功的测量 冲击吸收功AK ：试样在一次冲击试验力作用下，断裂时所吸收的功称为冲击吸收功，用AKV（或AKU）表示，单位为J（焦尔）。AK = mgh1 - mgh2 = mg（h1-h2） 冲击吸收功的意义：判断材料抵抗冲击载荷的能力，冲击吸收功小的材料，其脆性大，易被冲断；冲击吸收功对温度敏感，可用于评定材料的冷脆倾向；冲击及收功对组织敏感，可用于进行冶金夹杂物和热加工质量的签定。 4、疲劳极限 疲劳现象：在循环力或交变力作用下工作的，尽管这种应力远小于材料的屈服点，但经一定循环次数后断裂的现 疲劳断裂原因：由于零件中存在疲劳源（如裂纹、夹杂、刀痕等缺陷），在循环力或交变力作用下疲劳源处产生疲劳裂纹，并不断扩展，导致零件即发生突然断裂。 疲劳断裂特点：无论为韧性还是脆性材料，在疲劳断裂时，事先无明显塑性变形的预兆，因此疲劳断裂具有很大的危险性。 疲劳极限的测量： 疲劳试验测定疲劳极限，给试样施加不同大小的循环力F，测量在不同交变应力作用下，试样断裂时循环力作用的次数N，并画出疲劳曲线（-N曲线） -1疲劳极限，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疲劳极根的实际确定方法：钢铁材料 N 取107次时，所对应的交变应力；有色金属 N 取108次时，所对应的交变应力疲劳试验原理示意图 疲劳曲线力学性能小结力学 性能 性能判据 含义 名称 符号 强度 抗拉强度 b 试样拉断前所能承受的最大应力 屈服点 s 拉伸试验产生屈服现象时的应力，试样产生明显塑性变形 规定残余延伸强度 r0.2 规定残余伸长率为0.2%时的应力 塑性 断面收缩率 试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 断后伸长率 断后标距的残余伸长与原始标距之比的百分率 硬度 布氏硬度 HBS(HBW) 球形压痕单位面积上承受的平均压力 洛氏硬度 HRA、HRB、HRC 用洛氏硬度标尺的满程与压痕深度之差计算的硬度值 维氏硬度 HV 正四棱锥压痕单位面积上承受的平均压力 韧性 冲击吸收功 AK 试样冲断所吸收的能量 疲劳 疲劳极限 -1 试样受无数次循环应力作用仍不破断的最大应力 Reference:/gccl/01/wangluokecheng/jiang/1gongchengcailiaodejichuzhishi/1-3/1-3.htm第12章 失效分析与设计准则失效的概念与分类失效-由于材料的力学行为而使构件丧失正常功能的现象。比如说飞机因为爆炸而失去正常功能，这就是失效。 失效由于材料的力学行为而使构件丧失正常功能的现象。 又比如，建筑工地的脚手架中由于某一杆件突然由直的变成弯的，从而使部分或全部脚手架失去正常的功能，这也是失效。失效分类强度失效(Failure by Lost Strength)-由于断裂(Rupture)或屈服(Yield)引起的失效，刚才的飞机由于爆炸失效就是强度失效。汽轮机的叶片与叶轮固定在一起，如果叶片根部质量发生问题，就有可能从叶片的端部首先发生破坏，这也是强度失效。 刚度失效(Failure by Lost Rigidity)-由于过量的弹性变形引起的失效，它不发生断裂，也不发生塑性变形，而是发生比较大的弹性变形。比如说楼板承载过大向下弯曲，这就是刚度失效。 又比如，钻床在钻孔时，立柱受到一个轴向力和一个弯矩的作用，这个弯矩使立柱发生弯曲变形，钻头就不能保持垂直位置，从而影响了钻孔的精度，如果立柱弹性变形过大，也会因此丧失其正常的功能，这也是刚度失效。屈曲失效(Failure by Buckling,Failure by Lost Stability)由于平衡构形的突然转变而引起的失效。比如说如图大型桥梁，桥面通过缆绳支撑在立柱上，若立柱比较高且比较细，则在缆绳产生的压力作用下，有可能突然从直线的平衡构形转变成弯曲的平衡构形，这时不仅立柱发生屈曲失效，而且会使整个桥面坍塌。 疲劳失效 (Failure by Fatigue)-由于交变应力的作用, 初始裂纹不断扩 展而引起的脆性断裂，比如来回反复折断铁丝的过程中，铁丝就发生了疲劳失效。蠕变失效 (Failure by Creep)-在一定的温度和应力下, 应变随着时间的增加而增加,最终导致构件失效。比如长期悬挂重量的缆绳的变形随时间? 松弛失效(Failure by Relaxation)-在一定的温度下,应变保持不变,应力随 着时间增加而降低,从而导致构件失效。比如容器在密封时需要用螺栓栓紧，螺栓就承受了预紧力，随着时间增加，这个力就会越来越小，以至于密封失效。请注意区分蠕变失效和松弛失效的区别。本章主要讨论强度失效和屈曲失效。Reference:/03/2/gclx/zx/gclx-xx/gclx_12_1.htm建立一般应力状态下强度失效判据与设计准则的思路建立一般应力状态下强度失效判据的难点：应力状态的多样性。从应力状态的种类和应力状态中主应力的比值两个角度来看，应力状态的种类有无穷多种。试验的复杂性。对于一些复杂的应力状态，试验难以实现，也不可能通过试验来实现每一种应力状态下的强度失效。 不可能性与可能性 不可能性与可能性逐一由试验建立失效判据的不可能性；对于相同的失效形式建立失效原因假说的可能性； 利用拉伸试验的结果建立复杂应力状态下的失效判据 观察发生强度失效的形式是否相同，如果相同，则有可能有相同的失效原因，就能够通过建立失效原因的假说来建立复杂应力状态下强度失效判据与设计准则。因此，关键是：第一，有没有共同的失效形式；第二，对于相同的失效形式建立失效原因假说，当然这要经过实践的检验? 两种强度失效形式(1) 屈 服 (2) 断 裂经过大量的试验归纳与总结，强度失效基本上可分为两种失效形式，一种是屈服，一种是断裂，包括无裂纹体和含裂纹体。这两种形式在常温、静载荷下都成立，于是我们就能建立关于这两种失效形式的失效原因，从而建立关于这两种失效形式的失效判据与设计准则。 第12章 失效分析与设计准则单向应力状态下材料的力学行为前面我们已经做过几种典型材料的拉伸试验，现在归纳总结一下。包括：三种拉伸应力-应变曲线弹性行为屈服行为断裂行为硬化与软化行为拉延行为 卸载与重新加载行为单向压缩应力状态下材料的力学行为 单向应力状态下材料的失效判据三种拉伸应力-应变曲线如图是脆性材料的应力-应变曲线。如图是韧性金属材料的应力-应变曲线。如图是聚合物（工程塑料）的应力-应变曲线。拉伸曲线的四个阶段观察韧性金属材料拉伸曲线的四个阶段。如图，第一个阶段是弹性阶段，这个阶段分为两种，当应力小于p 时，应力和应变成正比，此时应力最大值叫做这种材料的比例极限；超过比例极限后，应力和应变虽然不保持正比关系，但变形依然是弹性的，卸载后变形完全恢复为零。第二个阶段是屈服阶段，超过弹性极限后，应力不增加，应变大幅度增加，应力应变曲线上出现一个平台，此时即使不加载，试样的变形依然在增加，此时的应力值叫屈服强度或者屈服应力。第三个阶段强化阶段，过了屈服阶段后，应力继续增加，此时构件又能承受载荷。第四个阶段是断裂阶段，构件发生断裂。 弹性行为所以，从这四个阶段可以看出材料在单向拉伸时有这样几种行为。第一种行为是弹性行为，所有的变形都是弹性的，有两个指标，一个是比例极限，一个是弹性极限。 屈服行为第二种行为是屈服行为，这时的应力值就叫做屈服强度或屈服应力。对于没有屈服平台的材料的应力应变曲线，用条件屈服强度（条件屈服应力）来表示其屈服行为，即当加载后再卸载，若在试样上还存在着0.2%的塑性应变，这时的应力值就叫做条件的屈服强度，用0.2 表示。硬化与软化行为第三种行为是硬化和软化行为，当材料超过屈服阶段时，要产生变形就必须继续加力，这种现象就叫做强化现象，在强化阶段的最后试样上出现紧缩，即某一个截面突然变小。紧缩之后试样发生断裂，这就是所谓的断裂行为。断裂行为刚才介绍的是韧性材料的断裂行为，现在看脆性材料的断裂行为。脆性材料没有屈服、强化和软化行为，只有断裂行为，从零到断裂的整个曲线可以近似认为是直线，这时应力与应变近似地认为存在线性关系。 两种材料的强度指标，即失效应力也不同。对于韧性材料，失效应力等于屈服应力；对于脆性材料，失效应力就是强度极限。除了强度指标之外还有韧性指标，对于韧性材料，韧性指标就是延伸率，其表达式如图所示。卸载与重新加载行为如左图，沿ABC加载，在C点时卸载，当卸载到零时，可以看到应变并不为零，这就是卸载行为，但是卸载直线的斜率和加载时AB段的斜率近似平行。然后从D点再加载，最后可能在R处发生断裂。单向压缩应力状态下材料的力学行为如图是低碳钢压缩的应力应变曲线，可以看到比例极限、屈服强度都是存在的，而且也有比较明显的屈服阶段，但低碳钢没有最后的断裂，而是塑性变形越来越大，压缩时的屈服强度和拉伸时的屈服强度是相同的。 如图是灰铸铁压缩的应力应变曲线，这与拉伸时的应力应变曲线有明显差异，主要是产生了比较明显的塑性变形，也就是由圆柱形压缩破坏成圆鼓形；此外，破坏面也不同，拉伸时沿着横截面断裂，压缩时沿着一个与轴线成一定角度的斜面破坏，破坏面说明这种破坏是被剪断的。单向应力状态下材料的失效判据根据上面的单向拉伸试验结果，我们可以建立单向应力状态下材料的失效判据和失效准则。对于韧性材料，构件上最大应力等于屈服强度时发生屈服，此时认为它失效；对于脆性材料；当构件的最大应力等于强度极限时断裂，此时认为它失效。Reference:/03/2/gclx/zx/gclx-xx/gclx_12_3.htm第12章 失效分析与设计准则几种常用的强度设计准则屈服准则(Criteria of Yield)最大切应力准则(Trescas Criterion) 形状改变比能准则(Misess Criterion) 断裂准则(Criteria of Fracture) 无裂纹体的断裂准则-最大拉应力准则(Maximum Tensile-Stress Criterion) 带裂纹体的断裂准则-线性断裂力学准则莫尔准则(Mohr Criterion)，适用于拉压强度不相等的材料。应用举例屈服准则最大切应力准则无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服,都是由于微元内的最大切应力达到了某一共同的极限值。请思考，如何根据这个准则，利用拉伸试验的结果建立任意状态下的发生屈服的准则。任意应力状态都可以用三个主应力表示，将它与单向应力状态相比较，单向应力状态失效时应力等于材料屈服强度从而发生屈服，微元内的最大切应力达到了某一共同的极限值。由此建立最大切应力准则：无论材料处于什么应力状态，只要发生屈服，都是由于微元内的最大切应力? 于是就得到如图所示的任意应力状态的失效判据和强度设计准则，其中强度设计时我们不能满打满算，而是要留下一定的安全余量，将屈服强度除以一个大于1的系数，这个系数叫做安全因素，除值叫做许用应力。形状改变比能准则无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服,都是由于微元的形状改变 比能达到一个共同的极限值。写成如下关系式。任意应力状态应变比能等于如图上面的表达式，由此可得单向应力状态发生屈服时的应变比能，即如图下面的表达式。 令上述两式相等，就得到形状改变比能的失效判据；同样，要建立形状改变比能的设计准则，需要除以安全因素。断裂准则无裂纹体的断裂准则-最大拉应力准则无论材料处于什么应力状态,只要生脆性断裂,都是由于微元内的最大 拉应力达到了一个共同的极限值。一般应力状态下最大拉应力就是1 ，发生脆性断裂时，最大拉应力就等于强度极限。根据一般应力状态下最大拉应力的数值和单向应力状态下发生脆性断