航空工程材料 金属的力学性能

.,1,航空工程材料及成型工艺,第1章,金属的力学性能,.,我国自行研制的12500吨水压机,机身高33.65米，机上有3座横梁、4根立柱和6只工作缸。3座横梁的重量是100300吨，下横梁是用100多块钢板拼焊成的；4根立柱各长18米，直径1米，重80吨，立柱上的螺丝帽一个重56重。,2002年2月18日，运行38年后，突发事故，一根立柱轰然断裂。,.,1,静强度、硬度、塑性、冲击韧性、断裂韧性、疲劳性能以及蠕变、蠕变疲劳性能等。,航空工程材料及成型工艺,金属的力学性能,指材料受外力作用时所表现的性能。,.,1,航空工程材料及成型工艺,本章目录,1.1刚度与弹性,1.2强度与塑性,1.3硬度,1.4韧性,1.5疲劳强度,1.6蠕变及蠕变-疲劳断裂,.,弹性是物体本身的一种特性，发生弹性形变后可以恢复原来的状态的一种性质。,刚度是机械零件和构件抵抗变形的能力。,Stiffnesselasticity,第1章金属的力学性能,1.1刚度与弹性,.,标准拉伸试验、标准试样、应力与应变,长试样,短试样,.,低碳钢的应力应变曲线,1.1刚度与弹性,将标准试样施加轴向拉伸载荷，使之发生形变直至断裂，得到应变随应力变化的关系曲线，称为：应力应变曲线,应力应变曲线,.,低碳钢的应力应变曲线,1.1刚度与弹性,应力应变曲线,A点所对应的应力为材料承受最大弹性变形时的应力，称为弹性极限。,.,低碳钢的应力应变曲线,1.1刚度与弹性,应力应变曲线,A点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力，称为比例极限。,.,低碳钢的应力应变曲线,1.1刚度与弹性,应力应变曲线,在弹性变形范围内，应力与应变的比值称为弹性模量E。,.,1.1刚度与弹性,弹性模量是材料最稳定的性质之一，它的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他的材料强化手段（如热处理、冷热加工、合金化等）对弹性模量的影响很小。,材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度，其指标即为弹性模量。而对于具体零件，其刚度不仅与材料的弹性模量有关，还可以通过增加横截面积或改善截面形状的方法来提高零件的刚度。,结论,.,强度strength材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。,塑性plasticproperty材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力。,第1章金属的力学性能,1.2强度与塑性,塑性指标伸长率和断面收缩率。,强度指标屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。,.,1.2强度与塑性,低碳钢的应力一应变曲线,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。,屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力。,yieldstrength,屈服强度,.,1.2强度与塑性,低碳钢的应力应变曲线,Yieldstength,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BC这一阶段。,.,1.2强度与塑性,Yieldstength,.,1.2强度与塑性,低碳钢的应力应变曲线,CD段为均匀塑性变形阶段。在这一阶段，应力随应变增加而增加，产生应变强化。变形超过D点后，试样开始发生局部塑性变形，出现颈缩，随应变增加，应力明显下降，并迅速在E点断裂。,tensilestrength,抗拉强度,.,1.2强度与塑性,低碳钢的应力应变曲线,抗拉强度,.,1.2强度与塑性,材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力,材料的塑性指标为伸长率和断面收缩率。,塑性,.,1.2强度与塑性,伸长率,.,1.2强度与塑性,断面收缩率,试样断裂后，横截面积最大缩减量与原始横截面积之比的百分率称为断面收缩率。,.,1.2强度与塑性,伸长率与断面收缩率的比较,与的数值越大，材料在断裂前发生的变形越大，材料的塑性越好。,.,1.2强度与塑性,伸长率与断面收缩率的比较,用表示材料的塑性比用表示更接近真实情况。,.,1.2强度与塑性,原因：,用表示材料的塑性比用表示更接近真实情况。,5,10,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。,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。,.,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。,材料的塑性指标具有重要的实际意义。,1.2强度与塑性,.,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。,材料的塑性指标具有重要的实际意义。,1.2强度与塑性,.,材料抵抗局部塑性变形的能力。,硬度高，材料的耐磨性就好,硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。,Hardness,第1章金属的力学性能,1.3硬度,.,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。,1.3硬度,BrinellHardness,布氏硬度,.,120HBS10/1000/30,直径为10mm,保持30s,载荷为1000kgf(9.807kN),布氏硬度值为120。,压头为钢球,当压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。,1.3硬度,布氏硬度,.,1.3硬度,布氏硬度,压头为硬质合金时用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。,.,1.3硬度,布氏硬度计,优点：测量误差小，数据稳定；缺点：压痕大，不能用于太薄测试样件或成品零件的工作表面。,当被测样品过小或者布氏硬度大于450时，就改用洛氏硬度计量。,.,1.3硬度,洛氏硬度计,.,1.3硬度,洛氏硬度,根据压痕深度大小表示材料的硬度值，压坑越深，硬度越低。,洛氏硬度的试验原理图,试验方法：用一个顶角为120度的金刚石圆锥体或直径为1.59mm/3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬度。,Rockwellhardness,.,1.3硬度,洛氏硬度（HR）,测定硬度较低的材料时，选用淬火钢球压头。测定硬度较高的材料时，选用120的金刚石圆锥压头；,洛氏硬度的试验原理图,.,1.3硬度,洛氏硬度（HR）,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。,洛氏硬度试验采用三种试验力，三种压头，它们共有9种组合，对应于洛氏硬度的9个标尺：HRA，HRB，HRC，HRD，HRE,HRF，HRG，HRH，HRK。这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。,.,1.3硬度,洛氏硬度（HR）,注意：不同级别的硬度值不能直接相互比较。,标注示例：50HRC,表示用C标尺测定的洛氏硬度为50。,洛氏法的缺点：测量结果分散度大。,.,1.3硬度,.,1.3硬度,维氏硬度Vickershardness,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(代号：HV)。,维氏硬度的试验原理图,.,1.3硬度,维氏硬度Vickershardness,维氏硬度的试验原理图,维氏硬度可通过测量压痕对角线长度d查表得到。,标注示例：640HV30/20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。,.,1.3硬度,维氏硬度Vickershardness,维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较；既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。,.,1.3硬度,维氏硬度Vickershardness,.,1.3硬度,作业题,1.1金属材料的力学性能指的是什么性能？常用的力学性能包括哪些方面的1.2衡量金属材料强度、塑性及韧性用哪些性能指标？各用什么符号和单位表示？1.3什么情况下使用材料的名义屈服强度概念，它是如何定义的？1.4伸长率和断面收缩率，哪个更能准确反映材料的塑性？为什么？1.5强度和硬度分别是从什么角度衡量材料的性能的？1.6可否通过增加零件的尺寸来提高其弹性模量？,.,表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。,在材料科学及冶金学上，韧性是指当承受应力时对折断的抵抗，其定义为材料在破裂前所能吸收的能量与体积的比值。,toughness,冲击韧性断裂韧性,第1章金属的力学性能,1.4韧性,.,1.4韧性,材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。,冲击韧性,.,1.4韧性,测定材料冲击性能的方法,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。越好的材料，断裂时吸收的能量越大，摆锤达到的高度越小。,摆锤式冲击试验机,冲击韧性,.,1.4韧性,摆锤式冲击试验机,冲击韧性,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。,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：,A为试件缺口处的横截面面积。,.,1.4韧性,材料的ak值不仅与材料的成分和组织有关，而且与试件形状、尺寸及试验温度等因素密切相关，所以不同试验条件下测得的值无法进行比较。,因为受冲击载荷的零件往往是承受多次冲击后才遭破坏，通常以小能量多次冲击试验来测定材料的抗冲击性能，即测定材料的冲击循环次数N与冲击能量Ak之间的关系曲线，把它作为选用材料的依据。,思考？冲击试样为什么要开缺口？,冲击韧性,.,1943年1月，美国一艘T-2油轮停泊在装货码头时，突然断裂成两截。,1.4韧性,脆断,.,1.4韧性,脆断,2009年08月28日一艘巴拿马籍油轮在埃及苏伊士运河的入口处断裂成两段，船上装载60吨燃料，24名船员并无伤亡。,.,1.4韧性,脆断,“脆断”是一种最危险的断裂，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。,思考：什么原因导致材料的脆断,.,1.4韧性,脆断,答案,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。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。,.,张开型裂纹滑开型裂纹撕开型裂纹,1.4韧性,裂纹的分类,.,一般情况下，裂纹通常属于复合型裂纹，可以同时存在三种位移分量，也可以是任何两个位移分量的组合。在工程结构中，第一类裂纹最危险，也最常见。,1.4韧性,裂纹,.,对于特定材料，K是一个常数，表示材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力，称为断裂韧性。,1.4韧性,表征断裂程度的指标,.,承受交变载荷的部件,第1章金属的力学性能,.,承受交变载荷的部件,第1章金属的力学性能,.,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。,疲劳断裂fatiguefracture,第1章金属的力学性能,.,金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。,实际上，金属材料不可能作无限多次交变载荷试验。,第1章金属的力学性能,1.5疲劳强度,.,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。,1.5疲劳强度,疲劳断裂fatiguefracture,疲劳源疲劳扩展区（光亮区）瞬间断裂区（粗糙区）,.,电液伺服疲劳试验机,材料的疲劳强度是由疲劳试验测定的。,1.5疲劳强度,疲劳强度的测定疲劳试验,由于疲劳试验的分散度较大，试验时要用较多的试样，在不同交变载荷的作用下，测定其发生断裂时的载荷与循环次数N。,.,试验应力降低，循环次数N增加。当应力降至某一数值时，曲线变成水平直线，即表示材料若承受低于该水平线所对应的应力值时，便可以经受无限次循环载荷也不发生疲劳断裂。,把试样承受无限次应力循环仍不断裂时的最大应力作为材料的疲劳强度。,将试验结果绘成应力与次数的关系曲线，称为疲劳曲线。,1.5疲劳强度,疲劳强度的测定疲劳试验,.,1.5疲劳强度,对于航空领域常用的硬铝、镁合金等有色金属及其合金材料，即使应力循环的最大应力值很低，经一定应力循环次数后也会断裂，不存在真正意义上的疲劳极限。因此，对于这一类材料，常根据构件使用寿命的要求，取在某一规定应力循环次数下（如107次），材料所能承受的最大应力值作为名义疲劳极限。,思考：如何提高金属材料的疲劳极限？,名义疲劳极限,.,（1）要合理设计构件的形状。尽量避免尖角、缺口和截面突变，以免产生应力集中而由此产生疲劳裂纹；,1.5疲劳强度,提高疲劳极限的途径,.,（1）要合理设计构件的形状。尽量避免尖角、缺口和截面突变，以免产生应力集中而由此产生疲劳裂纹；,1.5疲劳强度,提高疲劳极限的途径,.,（1）要合理设计构件的形状。尽量避免尖角、缺口和截面突变，以免产生应力集中而由此产生疲劳裂纹；,1.5疲劳强度,提高疲劳极限的途径,.,1.5疲劳强度,（2）降低构件表面的粗糙度。提高零件表面加工质量，减少疲劳源；,提高疲劳极限的途径,.,1.5疲劳强度,（3）采用各种表面强化处理。,提高疲劳极限的途径,滚压,喷丸,表面淬火,渗碳,渗氮,.,蠕变（定义2）：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。,蠕变（定义1）：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。,第1章金属的力学性能,1.6蠕变及蠕变-疲劳断裂,.,1.6蠕变及蠕变-疲劳断裂,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。,金属蠕变的原因,.,1.6蠕变及蠕变-疲劳断裂,材料在蠕变过程中所发生的断裂称为蠕变断裂。,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。,蠕变断裂,.,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，这种情况下发生的断裂方式称为蠕变疲劳断裂。,蠕变疲劳断裂是燃气涡轮发动机高温部件的