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材料力学性能 材料力学性能的定义 材料在外加载荷 外力 作用下 或载荷与环境因素 如温度 介质和加载速率 联合作用下所表现的行为 又称为力学行为 宏观上一般表现为材料的变形或断裂 材料的力学性能指标或判据 机器零件 简称机件 的承载条件一般用各种力学参数 如应力 断裂韧度等 所以就将表征材料的力学参数的临界值或规定值称为材料的力学性能指标或判据 材料力学性能指标具体数值的高低表示材料抵抗变形和断裂能力的大小 是评定材料质量的主要依据 第1章静载荷下材料的力学性能 1 1应力 应变曲线 拉伸试验是工业上应用最广泛的基本力学性能试验方法之一 本章将详细讨论金属材料在单向拉伸静载荷作用下的基本力学性能指标如 屈服强度 抗拉强度 断后伸长率和断面伸长率等 拉伸试验是指在室温大气中 光滑试样在缓慢施加的单向载荷作用下 测定材料的力学性能的方法 拉伸试验机通常带有自动记录或绘图装置 用以记录或绘制试样所受载荷与伸长量之间的关系 这种曲线称为拉伸图或力 伸长曲线 图1 4铝合金 5454 H34 图1 5聚氯乙烯 图1 6苏打石灰玻璃 当应力低于 e时 应力与试样的应变成正比 应力去除 变形消失 即试样处于弹性变形阶段 e为材料的弹性极限 它表示材料保持完全弹性变形的最大应力 当应力超过 e后 应力与应变之间的直线关系被破坏 并出现屈服平台或屈服齿 如果卸载 试样的变形只能部分恢复 而保留一部分残余变形 即塑性变形 这说明钢的变形进入弹塑性变形阶段 s称为材料的屈服强度或屈服点 对于无明显屈服的金属材料 规定以产生0 2 残余变形的应力值为其屈服极限 当应力超过 s后 试样发生明显而均匀的塑性变形 若使试样的应变增大 则必须增加应力值 这种随着塑性变形的增大 塑性变形抗力不断增加的现象称为加工硬化或形变强化 当应力达到 b时试样的均匀变形阶段即告终止 此最大应力 b称为材料的强度极限或抗拉强度 它表示材料对最大均匀塑性变形的抗力 在 b值之后 试样开始发生不均匀塑性变形并形成缩颈 应力下降 最后应力达到 k时试样断裂 k为材料的条件断裂强度 它表示材料对塑性的极限抗力 第二节弹性变形 一 弹性变形及其实质 弹性变形及其实质 弹性变形是一种可逆变形 即卸载后可以恢复变形前形状的变形 热力学意义上的可逆变形 弹性模量 定义 当应变为一个单位时 弹性模量即为弹性应力 即产生100 弹性变形时所需要的应力 这个定义对金属来讲是没有任何意义的 这是因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的 在弹性变形阶段 大多数金属的应力与应变之间符合虎克定律的正比关系 它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力 不同类型的材料 其弹性模量可以差别很大 几种常见材料的弹性模量见书上表1 1 材料的弹性模量主要取决于结合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 1 2 2弹性比功 又称弹性比能 应变比能 表示材料吸收弹性变形功的能力 1 2 3 滞弹性 在弹性范围内快速加载或卸载后 随着时间延长产生的附加弹性应变的现象 称为滞弹性 由于实际金属具有滞弹性 金属在弹性区快速加载卸载时 由于应变落后于应力 使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线 称为弹性滞后环 图a 如果施加交变载荷 且最大应力低于宏观弹性极限 加载速率比较大 则也得到弹性滞后环 图b 如果交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限 就会得到塑性滞后环 图c 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 也称为金属的内耗或消振性 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 1 2 4 包申格效应 Bauschinger 包申格效应的定义 金属材料经过预先加载产生少量塑性变形 残余应变约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 注 所有退火状态和高温回火的金属与合金都有包辛格效应 可用来研究材料加工硬化的机制 消除包申格效应的方法 1 预先进行较大的塑性变形 2 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 如钢在400 500 铜合金在250 270 退火 第三节塑性变形阶段 一 塑性变形方式和特点变形方式 1 滑移 2 孪生 多晶金属中每一晶粒滑移变形的规律与单晶金属相同 但是多晶金属中存在晶界 各晶粒的取向也不相同 因而其塑性变形有如下特点 1 各晶粒变形 不同时性和不均匀性 2 各晶粒变形的相互协调性 二 屈服现象和屈服点 屈服强度 屈服现象是材料产生宏观塑性变形的一种标志 金属材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡明显 表明外力保持恒定时试样仍继续伸长 或者外力增加到一定数值时突然下降 然后外力几乎不变时 试样仍继续伸长变形 这就是屈服现象 呈现屈服现象的金属材料在拉伸时 试样在外力保持恒定仍能继续伸长的应力称为屈服点 又称屈服强度 工程中常用的三种屈服标准 比例极限弹性极限屈服强度 三 影响屈服强度的因素 四 加工硬化 形变强化 定义 在金属整个变形过程中 当外力超过屈服强度之后 塑性变形并不是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进行 这说明金属有一种阻止继续塑性变形的抗力 这种抗力就是应变硬化性能 加工硬化的作用 1 加工硬化可使金属机件具有一定的抗偶然过载能力 保证机件安全 2 加工硬化和塑性变形适当配合可使金属均匀塑性变形 保证冷变形工艺顺利实施 如果没有加工硬化能力 任何冷加工成型的工艺都是无法进行 3 可降低塑性 改善低碳钢的切削加工性能 加工硬化指数 可以反映金属材料抵抗继续塑性变形的能力 五 缩颈现象和抗拉强度 一 定义缩颈是金属等韧性材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象 这是应变硬化与截面减小共同作用的结果 二 缩颈判据 抗拉强度 定义 拉伸试验时试样拉断过程中最大试验力所对应的应力 实际意义 1 标志塑性金属材料的实际承载能力 2 一定场合下抗拉强度可作为设计依据 3 抗拉强度的高低由屈服强度和应变硬化指数来决定 六 塑性度量 一 塑性与塑性指标塑性定义 指金属材料断裂前发生不可逆永久 塑性 变形的能力 二 塑性的意义与影响因素 对机件来讲 都要求材料具有一定的塑性 以防止机件偶然过载时产生突然破坏 影响因素 1 溶质元素会降低铁素体的塑性 2 钢的塑性受碳化物体积比以及形状的影响 3 细化颗粒可使材料的塑性增加 第四节金属的断裂 一 断裂的类型根据断裂前塑性变化大小分类 一 韧性断裂和脆性断裂韧性断裂 指金属断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂 这种断裂有一个缓慢的撕裂过程 在裂纹扩展过程中不断消耗能量 磨损 腐蚀 断裂是机件的三种主要失效形式 裂纹过程包括 裂纹形式与扩展 中 低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂 韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域 而脆性断口纤维区很小 剪切唇几乎没有 脆性断裂是突然发生的断裂 断裂前基本上不发生塑性变形 没有明显征兆 因此危害性很大 脆性断裂的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纹花样 按裂纹扩展的途径分类 二 穿晶断裂与沿晶断裂多晶金属断裂时 裂纹扩展的路径可能不同 穿晶断裂的裂纹穿过晶体内 而沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展 根据断裂机理分类 三 纯剪切断裂与微孔聚集型断裂 解理断裂 1 剪切断裂 金属材料在切应力的作用下 沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂 包括滑断 纯剪切断裂 和微孔聚集型断裂 微孔聚集型断裂是通过微孔成核 长大聚合而导致材料分离 2 解理断裂 是指金属材料在一定条件下 如低温 当外加正压力达到一定数值后 以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂 由于与大理石的断裂相似 所以称这种晶体学平面为解理面 根据断裂面的取向分类 如果断裂面取向垂直于最大正应力 为正断型断裂 如果断裂面取向与最大切应力方向一致 而与最大正应力方向成45度角 为切断型断裂 二 解理断裂的微观断口特征 关于断裂机理的三种理论 1 甄纳 斯特罗位错塞积理论2 柯垂耳位错反应理论3 史密斯理论 1 解理断裂 解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂 断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成 这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面 在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的 多数情况下 裂纹要跨越若干个相互平等的 而且位于不同高度的解理面 从而在同一刻面内部出现了解理台阶和河流花样 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形成的 1 通过解理裂纹与螺型位错相交形成 2 通过二次解理或撕裂形成 2 准解理 在淬火回火钢中 当裂纹在晶粒内部扩展时 难于严格的沿一定晶体学平面扩展 断裂路径不再与晶粒位向有关 而主要与细小的碳化物质点有关 其微观形态 与解理河流相似 但又不是真正的解理 所以称为准解理 三 微孔聚集断裂的微观断口特征 如果使微孔在垂直于正应力的平面上各方向长大倾向相同 则在正应力垂直于微孔的平面上便形成等轴韧窝 在扭转载荷或受双向不等拉伸条件下 因切应力作用形成拉长韧窝 如在微孔周围的应力状态为拉 弯联合作用 微孔在拉长 长大同时还要被弯曲 形成在两个相配断口上方向相同的撕裂韧窝 四 断裂强度 一 理论断裂强度在外加正应力作用下 将晶体的两个原子面沿垂直于处力方向拉断所需的应力 就是理论断裂强度 二 真实断裂强度和静力韧度 韧性是材料的力学性能 是指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 是静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功 1 5其他加载方式下的力学性能 1 5 1应力状态软性系数 值越大 表示应力状态越 软 金属越易于产生塑性变形和韧性断裂 值越小 表示应力状态越 硬 金属越不易于产生塑性变形而易于产生脆性断裂 1 5 2压缩 一 压缩试验的特点 1 单向压缩试验的应力状态软性系数 2 比拉伸 扭转 弯曲的应力状态都软 所以主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能的测定 2 拉伸时塑性很好的材料 在压缩时只发生压缩变形而不断裂 对于接触面处承受多向压缩应力的机件 如滚动轴承 套圈与滚动体 常采用多向压缩实验 材料变形破坏方式 二 压缩试验 可测定的主要压缩性能指标 一 规定非比例压缩应力 pc试样标距段内的非比例压缩变形达到规定的原始标距百分比时的应力 称为规定非比例压缩应力 二 抗压强度单位试样被压至破坏过程中的最大应力 bc 1 5 3弯曲 一 弯曲试验的特点金属杆状试样承受弯矩作用后 其内部应力主要为正应力 与单向拉伸和压缩时产生的应力雷同但由于杆件截面上的应力分布不均匀 表面最大 中心为零 且应力方向发生变化所以金属在弯曲加载下的力学行为与单纯拉应力或压应力作用下的力学行为不完全相同 有它自身的特点 特点 1 弯曲试验的试样形状简单 操作方便 不存在拉伸试验时的试样偏斜对结果的影响 可用弯曲的挠度显示材料的塑性 2 弯曲试验时 样品表面应力最大 可灵敏的反映材料表面的缺陷 二 弯曲试验 将圆柱形或矩形试样放置于一定跨距Ls的支座上 进行三点弯曲或四点弯曲加载 通过记录弯曲力f和试样挠度f之间的关系曲线 就可确定金属在弯曲力下的力学性能 弯曲试验所测的主要性能指标 弯曲试验主要测定脆性或低塑性材料的抗弯强度 试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力 按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力 称为抗弯强度 弯曲试验还可测定弯曲弹性模量 断裂挠度fbb和断裂能量U等力学性能指标 第四节扭转 一 扭转试验的特点当圆柱试样承受扭矩T进行扭转时 试样表面的应力状态如图2 6a所示 在与试样轴线呈45 的两个斜截面上作用最大与最小正应力 1及 3 在与试样轴线平行和垂直的截面上作用最大切应力 两种应力的比值接近1 在弹性变形阶段 试样横截面上的切应力和切应变沿半径方向的分布是线性的 图2 6b 当表层产生塑性变形后 切应变的分布仍保持线性关系 但切应力则因塑性变形而有所降低 呈非线性分布 图2 6c 根据扭转试验时试样所受的应力状态与应力分布 扭转试验具有如下特点 1 应力状态软性系数 0 8 比拉伸时的 大 易于显示金属的塑性行为 2 圆柱形试样扭转时 整个长度上塑性变形是均匀的 没有缩颈现象 3 能较敏感的反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能 4 扭转试验时的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等 而生产上所用大部分金属材料的正断抗力大于切断抗力 所以扭转试验是测定这些材料切断抗力最可靠的方法 二 扭转试验 可测定的主要性能指标 1 切变模量G 2 屈服点 3 抗扭强度 主要用途 本系列试验机主要用于水泥 混凝土试样及构件等建材产品的抗压 抗弯强度试验 也可用于橡胶垫的压缩性能试验和金属顶锻试验 显示方式有度盘式 YE系列 及数显式 YES系列 YES系列试验机采用传感器测力 数字显示试验力及峰值 手动控制试验进程 既具有手动试验机的可靠性 又备有RS232C接口 可扩展为具有微机数据采集 处理功能 具有网络数据库管理与操作的新一代微机屏显式压力试验机 主要用途 用于金属材料和塑料 混凝土 水泥等非金属材料的拉伸 压缩 弯曲和剪切试验 增加简单附件 可完成胶带 链条 钢丝绳 电焊条及构件的力学性能试验 主要用途 广泛应用在冶金 机械 建工建材 汽车 造船等行业和大专院校 质量检测等部门 用于金属 塑料 橡胶 弹簧 各种绳带等材料及制品的机械性能测试研究 第六节硬度 一 金属硬度的意义及硬度试验的特点硬度是表征材料软硬程度的一种性能物理意义随着试验方法不同而不同压入法是应用最广泛的硬度测试方法压入法的应力状态软性系数 2 在这种应力状态下 几乎所有的金属材料都能产生塑性变形 所以这种方法也能测定硬质合金 陶瓷等脆性材料的硬度 二 硬度试验 一 布氏硬度试验原理 用直径为D mm 的钢球或硬质合金球的压头 加一定的试验力F N 将其压入试样表面 右图a 经过规定的保持时间t s 后卸除试验力 试样表面将残留压痕 然后测量压痕的平均直径d mm 求得压痕的球形面积A mm2 布氏硬度计试验法主要用于铸铁 钢材 有色金属及软合金等材料的硬度测定 此外还可以用于塑料 电木等某些非金属材料硬度的测定 适用于工厂 车间 试验室 大专院校和科研机构 布氏硬度试验的优点 1 由于压头的直径较大 所以压痕面积较大 其硬度值能反映各组成相的平均性能 适合于测定灰铸铁 轴承合金的硬度 2 试验数据稳定 重复性强 布氏硬度试验的缺点 1 对不同材料需要更换压头直径和改变试验力 压痕直径的测量较麻烦 所以不宜用于自动检测 2 压痕较大时不宜在成品上实验 二 洛氏硬度试验 a 试验时先加初始试验力F0 以保证压头与试样表面接触良好 得到一个压痕深度h0 此时指针指零 b 施加主作用力F1 压头压入深度为h1 表逆时针转到相应刻度位置 h1包括弹性变形与塑性变形 c F1卸除后 总变形中的弹性变形恢复 压头回升一段距离 h2 h1 此时塑性变形深度即为压痕深度h 最终表盘指针所指即为洛氏硬度值 HRS 150型数显洛氏硬度计是机电一体化的硬度测试仪器 该机外观新颖 采用微机控制 硬度值以数字直接显示 升降螺杆与旋轮间自动反馈锁合 外接打印机 除试台升降外 完全实现了自动化 消除了操作和读数误差 该硬度计适用于黑色金属 有色金属和非金属材料的硬度测定 洛氏硬度的优点 1 操作简便 迅速 硬度值可直接读出 2 压痕小 可在工件上直接实验 3 采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属或厚薄不一的试样硬度 可广泛用于热处理质量检验 洛氏硬度的缺点 1 压痕较小 代表性差 2 若材料中存在偏析及组织不均匀等缺陷 则所测硬度值重复性差 分散度大 3 用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系 不能直接比较 三 维氏硬度试验 维氏硬度试验的原理与布氏硬度相同 也是根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值 不同的是试验用的压头不同 是两个相对面间夹角 为136 的金刚石四棱锥体 压头在试验力F N 作用下将样品表面压出一个四方锥形的压痕 经一定保持时间后卸除试验力 测量压痕对角线平均长度d d d1 d2 2 来计算压痕的表面积A mm2 HVS 50型数显维氏硬度计是光机电一体化的高新技术产品 具有良好的可靠性 可操作性 是小负荷