材料的力学性能

材料的力学性能,0、绪论1、材料在静载荷下的力学性能2、材料的变形3、材料的强化和韧化4、材料的断裂5、材料的断裂韧性6、材料的疲劳7、高温及环境下材料的力学性能8、材料的磨损和接触疲劳,什么是材料的力学性能？材料力学性能课程的研究内容有哪些？,0绪论,什么是材料的力学性能？（金属）材料具有各种使用性能用途广泛,0绪论,材料的力学性能是指材料在外加载荷（外力或能量）作用下，或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下所表现出的行为。这种行为又称为力学行为，通常表现为金属的变形和断裂。材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。mechanicalproperties;mechanicalbehavior材料的失效(failure)：如果材料抵抗变形与断裂的能力与服役条件不适应，则机件失去预定效能（过量弹性变形、过量塑性变形、断裂、磨损等），材料的力学性能又可以称为失效抗力。,0绪论,0绪论,不同服役条件对材料的性能要求不同,1、材料在静载荷下的力学性能,1材料在静载荷下的力学性能,1.1材料的拉伸性能,静拉伸试验：常温、单向静拉伸载荷，光滑试样。（应用最为广泛的方法）通过拉伸试验，可以获得材料的弹性、塑性、强度等指标，还可以测量形变强化指数、塑性应变比等反映板材成型性的指标，这些指标特性统称为材料的拉伸性能。,1材料在静载荷下的力学性能,1.1.1拉伸曲线和应力应变曲线,应力：单位截面上所受到的力称为应力应变：单位长度上的变形量,工程应力：拉伸载荷除以原始截面积工程应变：试样断裂后量伸长量与原始长度的比值,真应力：实际上，在拉伸过程中，试样的横截面积是逐渐减小的，外加载荷除以试样某一变形瞬间的截面积称为真应力。,l0,1材料在静载荷下的力学性能,根据在塑性变形前后材料体积不变的近似假定，即,则得到,所以,1材料在静载荷下的力学性能,真应变：瞬时应变,拉伸曲线：载荷伸长曲线（P-Dl）弹性变形塑性变形屈服颈缩,l0,1材料在静载荷下的力学性能,比例极限弹性极限屈服极限强度极限断裂强度,应力应变(stress-strain)曲线,1材料在静载荷下的力学性能,强度指标及其测定方法,（1）比例极限p=Pp/A0(MPa)当应力比较小时，试样的伸长随应力成正比地增加，保持直线关系。当应力超过p时，曲线开始偏离直线，因此称p为比例极限，是应力与应变成直线关系的最大应力值。规定比例极限一般规定曲线上某点切线和纵坐标夹角的正切值tan比直线部分和纵坐标夹角的正切值tan增加50%时，则该点对应的应力即为规定比例极限。,1材料在静载荷下的力学性能,强度指标及其测定方法,（2）弹性极限e=Pe/A0(MPa)应力应变曲线中，应力在e时称为弹性强度极限，该阶段为弹性变形阶段。当应力继续增加，超过e以后，试样在继续产生弹性变形的同时，也伴随有微量的塑性变形，因此e是材料由弹性变形过渡到弹塑性变形的应力。应力超过弹性极限以后，便开始发生塑性变形。规定弹性极限规定以残余伸长为0.01%的应力作为规定残余伸长应力，并以0.01表示。,1材料在静载荷下的力学性能,强度指标及其测定方法,（3）屈服极限（屈服强度）ss(Rel)=Ps/A0(MPa)在拉伸过程中，当应力达到一定值时，拉伸曲线上出现了平台或锯齿形流变，在应力不增加或减小的情况下，试样还继续伸长而进入屈服阶段。屈服阶段恒定载荷Ps所对应的应力为材料的屈服点。条件屈服极限(s0.2),1材料在静载荷下的力学性能,强度指标及其测定方法,（4）强度极限（抗拉强度）sb（Rm）=Pb/A0(MPa)屈服阶段以后，材料开始产生明显的塑性变形，进入弹塑性变形阶段，伴有形变强化现象。随着塑性变形的增大，变形抗力不断增加，当应力达到最大值b以后，材料的形变强化效应已经不能补偿横截面积的减小而引起的承载能力的降低，试样的某一部位截面开始急剧缩小，因而在工程应力应变曲线上，出现了应力随应变的增大而降低的现象。曲线上的最大应力b为抗拉强度极限，它是由试样拉断前最大载荷所决定的条件临界应力，即试样所能承受的最大载荷除以原始截面积。,1材料在静载荷下的力学性能,强度指标及其测定方法,（5）断裂强度k=Pk/Ak(MPa)断裂强度k是试样拉断时的真实应力，它等于拉断时的载荷Pk除以断裂后颈缩处截面积Ak。断裂强度表征材料对断裂的抗力。但是，对塑性材料来说，它在工程上意义不大，因为产生颈缩后，试样所能承受的外力不但不增加，反而减少，故国家标准中没有规定断裂强度。,1材料在静载荷下的力学性能,塑性指标：材料断裂前发生永久塑性变形的能力叫做塑性。塑性指标常用材料断裂时的最大相对塑性变形来表示，如拉伸时的延伸率和断面收缩率。延伸率：断裂后试样标距长度的相对伸长值均匀延伸率b:发生颈缩前的延伸率总延伸率k：断裂后总的延伸率,延伸率测量值与试样尺寸有关,1材料在静载荷下的力学性能,必须取常数，(1/11.3或1/5.65),(2)断面收缩率,1材料在静载荷下的力学性能,1.1.2脆性材料的拉伸性能脆性材料（玻璃、岩石、陶瓷、淬火高碳钢及铸铁等材料）在拉伸变形时只产生弹性变形(a)，一般不产生或产生很微量的塑性变形。表征脆性材料力学特征的主要参量有两个：弹性模量E；断裂强度k。,在工程上使用的脆性材料并非都属于完全的脆性，尤其是金属材料，绝大多数都有些塑性，在拉伸变形后，即便是脆性材料，也或多或少会产生一些塑性变形.(c),1材料在静载荷下的力学性能,脆性材料的断裂强度等于甚至低于弹性极限，因此断裂前不发生塑性变形，其抗拉强度比较低，但是这种材料的抗压强度比较高，一般情况下，脆性材料的抗压强度比抗拉强度大几倍，理论上可以达到抗拉强度的8倍。因此，在工程上，脆性材料被大量地应用于受压载荷的构件上，如车床的床身一般由铸铁制造，建筑上用的混凝土被广泛地用于受压状态下，如果需要承受拉伸载荷，则用钢筋来加固。,1材料在静载荷下的力学性能,1.1.3塑性材料的拉伸性能,塑性较好的工程材料曲线大致可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。,弹性变形阶段，真应力应变曲线与工程应力应变曲线基本重合；从塑性变形开始到应力最大的b点，即均匀塑性变形阶段，真应力高于工程应力，随应变的增大，两者之差增大，但真实应变小于工程应变。颈缩开始后，塑性变形集中在颈缩区，试样的横截面面积急剧减小，虽然工程应力随应变增加而减少，但真应力仍然增大，真应力应变曲线显示出与工程应力应变曲线不同的变化趋势。,1材料在静载荷下的力学性能,1.1.3塑性材料的拉伸性能,几种塑性不连续型应力应变曲线：（a）有明显的屈服现象，而且有一段锯齿形屈服平台，之后发生均匀塑性变形。（退火低碳钢等）（b）均匀屈服型应力应变曲线，试样受力产生弹性变形后，出现了明显上、下屈服点。（Fe单晶中常见，多晶纯铁、半导体材料硅、金属锗也有。）（c）弹性变形之后，有一系列的锯齿叠加于抛物线型的塑性流变曲线上。这种现象是由于材料内部不均匀变形造成的。（多是由于孪生或者溶质原子与位错的交互作用）,1材料在静载荷下的力学性能,切应力和正应力对材料的变形和断裂起着不同的作用：切应力是位错运动的推动力，只有切应力，才能引起塑性变形，而正应力主要决定断裂的发展过程，因为只有拉应力，才能促使裂纹的扩展。对于同一种材料，尽管其塑性变形抗力、切断抗力和正断抗力的大小是固有的，但在施加承载的条件下，以何种方式产生失效，还与加载方式和应力状态有关。不同的加载方式决定了不同的应力状态，不同的应力状态对材料的变形和断裂性质产生不同的影响。为此，需要了解不同的静加载方式下试样所承受的最大切应力和最大正应力。弗里德曼统一考虑了不同应力状态下的强度极限与失效形式，用图解的方法把它们的关系作了概括力学状态图。,1.2材料在其它静载荷下的力学性能,1.2.1加载方式与力学状态图,1材料在静载荷下的力学性能,应力状态软性系数：某一应力状态下的最大切应力和最大正应力之比：,值是应力状态的一种标志：1表示软的应力状态1表示硬的应力状态。,对于不同的材料，其力学性能指标s,K和K也各不相同，只有选择与应力状态相适应的试验方法进行试验时，才能显示出不同材料性能上的特点。,1材料在静载荷下的力学性能,1.2.2扭转,试样：圆柱形试样试验过程：试样两端施加扭矩，随扭矩增加，标距间两个截面产生相对转动，测量扭矩与扭转角关系曲线扭转图。,1材料在静载荷下的力学性能,1.2.2扭转,1材料在静载荷下的力学性能,1.2.2扭转,1材料在静载荷下的力学性能,1.2.2扭转,特点：扭转应力状态较拉伸软(=0.8)，可以测定那些在拉伸时表现为脆性的材料的特性，使低塑性材料处于韧性状态，便于测定它们的强度和塑性。用圆柱形试样进行扭转试验时，从试验开始到试样破坏为止，试样沿整个长度上的塑性变形始终是均匀发生的，不出现静拉伸时所出现的颈缩现象，因此，对于那些塑性很好的材料，用这种试验方法可以精确地测定其应力和应变关系。扭转试验可以明显地区别材料的断裂方式是正断还是切断。扭转试验时，试样横截面上沿直径方向切应力和切应变的分布是不均匀的，表面的应力和应变最大。因此，扭转可以灵敏地反映材料的表面缺陷，如金属工具钢的表面淬火微裂纹。还可以用扭转试验的这种特点对表面淬火、化学热处理等表面强化工艺进行研究。扭转试验的缺点是：截面上的应力分布不均匀，在表面处最大，越往心部越小。对显示材料体积性缺陷，特别是靠近心部的材质缺陷不敏感。,1材料在静载荷下的力学性能,1.2.3弯曲,试样：圆柱形，矩形；过程：将试样放置在一定跨度的支座上，施加集中载荷或等弯矩载荷，记录载荷和试样挠度之间的关系曲线弯曲图。,1材料在静载荷下的力学性能,1.2.3弯曲,通过弯曲试验，可以测量：规定非比例弯曲应力抗弯强度从弯曲载荷挠度曲线上还可测出弯曲弹性模量、断裂挠度及断裂能力(曲线下面所包围的面积)等性能指标。,1材料在静载荷下的力学性能,1.2.3弯曲,弯曲试验的特点：从试样受拉一侧来看，弯曲加载的应力状态基本上和静拉伸时的应力状态相同；弯曲试验不受试样偏斜的影响，可以稳定地测定脆性和低塑性材料的抗弯强度，同时，用挠度表示塑性，能明显地显示脆性或低塑性材料的塑性。所以，这种试验很适于评定脆性和低塑性材料的性能；弯曲试验不能使塑性很好的材料断裂破坏，不能测定其弯曲断裂强度，但是，可以比较一定弯曲条件下不同材料的塑性；弯曲试验时，试验截面上的应力分布是不均匀的，表面应力最大，可以较灵敏地反映材料的表面缺陷情况。,1材料在静载荷下的力学性能,1.2.4压缩,a短试样，破坏试验；b长试样，测量弹性性能和微量塑性变形抗力。,1材料在静载荷下的力学性能,1.2.4压缩,对于脆性或低塑性的材料，为了解其塑性指标，可以采用压缩试验。单向压缩时，试样所承受的应力状态软性系数比较大(=2)，因此，在拉伸载荷下，呈脆性断裂的材料，压缩时，也会显示出一定的塑性。例如灰铸铁在拉伸试验时，表现为垂直于载荷轴线的正断，塑性变形几乎为零；而在压缩试验时，则能产生一定的塑性变形，并能沿与轴线成45的方向产生切断。拉伸时所定义的各种性能指标和相应的计算公式在压缩试验中仍适用。压缩可以看作是反方向的拉伸，但两者间有差别，压缩试验时，试样不是伸长，而是压缩；横截面不是缩小，而是胀大。对于塑性材料，只能压扁，不能压破，试验只是测得弹性模量、比例极限和弹性极限等指标，而不能测得压缩强度极限。,1材料在静载荷下的力学性能,1.3硬度,硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。一般认为，硬度表示材料表面抵抗局部压入变形或刻划破裂的能力。试验方法：基本可分为压入法和刻划法两大类。在压入法中，根据加载速度不同，又分为静载压入法和动载压入法(弹性回跳法)。在静载压入法中，根据载荷、压头和表示方法不同，又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等多种。试验方法不同，硬度值的物理意义也不同。例如，压入法的硬度值是材料表面抵抗另一物理压入时所引起的塑性变形抗力；刻划法硬度值表示材料抵抗表面局部断裂的能力；而回跳法硬度值代表材料弹性变形功的大小。因此，硬度值实际上不是一个单纯的物理量，它是表征材料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指标。,1材料在静载荷下的力学性能,1.3.1布氏硬度布氏硬度试验是应用得最久，也最为广泛的压入法硬度试验之一。1900年由瑞典人布利奈尔(Brinell)提出而得名。,其测定原理是用一定大小的载荷P，把直径为D(mm)的淬火钢球压入被测材料表面，保持一定时间后，卸除载荷，载荷除以材料表面压痕的凹陷面积F所得的商即为布氏硬度值，用符号HB表示。,1材料在静载荷下的力学性能,压痕相似原理,对同一种材料，采用不同的P和D进行试验时，能否得到统一的布氏硬度值，关键在于压痕的几何形状是否相似。只要保证压痕几何形状相似，即可建立P和D的某种选配关系。满足这种关系时，改变P和D，也可保证布氏硬度值不变。,常用的比值为30,10,2.5,1材料在静载荷下的力学性能,布氏硬度试验的优点：1）压痕面积较大，能反映较大范围内材料各组成相综合影响的平均性能，而不受个别组成相以及微小不均匀度的影响，特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料；2）试验数据稳定，数据重复性强；3）布氏硬度值和抗力强度间存在一定换算关系。布氏硬度试验的缺点：1）是其压头为淬火钢球，由于钢球本身的变形问题，不能用来测量过硬材料的硬度，一般在HB450以上就不能使用了；2）由于压痕较大，不利于对表面有质量要求的成品进行硬度检验。,1材料在静载荷下的力学性能,1.3.2洛氏硬度鉴于布氏硬度存在以上缺点，1919年，洛克威尔(Rockwell)提出了直接用压痕深度来衡量硬度值的洛氏硬度试验。,洛氏硬度的压头分为硬质和软质两种。硬质的由顶角为120的金刚石圆锥体制成，适于测定淬火钢材等较硬的金属材料；软质的为直径1.588mm(1/16英寸)的钢球。,金刚石压头0.2mm;钢球压头0.26mm,1材料在静载荷下的力学性能,表面洛氏硬度由于洛氏硬度试验所用载荷较大，不宜用来测定极薄工件及各种表面处理层(如表面渗碳、渗氮层等)的硬度。为了解决表面硬度测量问题，与洛氏硬度的原理一样，有一种表面洛氏硬度计，它与普通洛氏硬度不同之处在于：预载荷为30N，总载荷比较小；取常数K为0.1mm，以0.001mm压痕残余增量为一个硬度单位。,1材料在静载荷下的力学性能,洛氏硬度试验的优点：简便迅速，效率高。洛氏硬度值可以直接从硬度机表盘上读取。对试样表面造成损伤较小，可用于成品零件的质量检验。因有预加载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。洛氏硬度试验的缺点：洛氏硬度是人为定义的，使得不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较；由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差，因而不适用于具有粗大、不均匀组织材料的硬度测定。,1材料在静载荷下的力学性能,1.3.3维氏硬度维氏硬度1925年由斯密思(Smith)和桑兰德(Sandland)提出，在维克尔斯(Vickers)厂最早制造而得名。维氏硬度的测定原理和方法基本上与布氏硬度的相同，也是根据单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值。但维氏硬度测定所用的压头为金刚石制成的四方角锥体，两相对面间夹角为136，所加的载荷较小，测定维氏硬度时，也是以一定的压力将压头压入试样表面，保持一定的时间后，卸除压力，于是，在试样表面上，留下压痕。,1材料在静载荷下的力学性能,1.3.3维氏硬度载荷为P，测得压痕两对角线长度后，取平均值d，代入下式，求得维氏硬度，单位为10Pa，但一般不标注单位。,维氏硬度试验时，所加的载荷为50，100，200，300，500，1000N等6种；当载荷一定时，即可根据d值，算出维氏硬度值。试验时，只要测量压痕两对角线长度的平均值，即可查表求得维氏硬度。维氏硬度的表示方法与布氏硬度的相同。,1材料在静载荷下的力学性能,维氏硬度特别适用于表面硬化层和薄片材料的硬度测定：选择载荷时，应使硬化层或试件的厚度大于1.5d。若不知待测试件的硬化层厚度，则可在不同的载荷下，按照从小到大的顺序进行试验。当待测试层厚度较大时，应尽量选用较大的载荷，以减小对角线测量的相对误差和试件表面层的影响，提高维氏硬度测定的精度。维氏硬度试验的优点：由于维氏硬度测试采用四方角锥体压头，在各种载荷作用下，所得的压痕几何相似。因此载荷大小可以任意选择，所得硬度值都相同，不受布氏硬度测试方法加载荷和压头规定条件的约束。维氏硬度法测量范围较宽，软硬材料都可以测试，而不存在洛氏硬度法那种不同标尺的硬度无法统一的问题，并且比洛氏硬度法能更好地测定薄件或薄层的硬度，因而常用来测定表面硬化层以及仪表零件的硬度。由于维氏硬度的压痕为一轮廓清晰的正方形，其对角线长度易于精确测量，所以精度较布氏硬度法高。当材料的硬度小于450HV时，维氏硬度值与布氏硬度值大致相同。维氏硬度试验的缺点：效率较洛氏硬度法低。但随着自动维氏硬度机的发明，这一缺点将会被克服。,1材料在静载荷下的力学性能,1.3.4显微硬度,布氏、洛氏和维氏三种硬度试验法测定载荷较大，只能测得材料组织的平均硬度值。测定极小范围内物质的硬度，或者研究扩散层组织、偏析相、硬化层深度以及极薄件等，上述方法就不适用了；此外，像陶瓷这样的脆性材料，用上述方法所施加的载荷大，则会容易使陶瓷材料破碎。显微硬度试验可解决上述问题。所谓显微硬度试验，一般是指测试载荷小于200g力的硬度试验。常用的有维氏显微硬度和努氏硬度两种。,显微硬度计,纳米硬度计,1材料在静载荷下的力学性能,维氏显微硬度维氏显微硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验，其测试原理和维氏硬度试验相同，并仍用符号HV表示。但由于测试载荷小，载荷与压痕之间的关系就不一定像维氏硬度试验那样，符合几何相似原理，因此测试结果必须注明载荷大小，以便能进行有效的比较。努氏硬度努氏(Knoop)硬度原理与维氏硬度相同，只是压头形状不同。它采用金刚石四角棱锥压头，两长棱夹角为172.5，两短棱夹角为130，压痕形状是菱形，其中长对角线的长度是短对角线的7.11倍。测量时，只测量长对角线的长度，所以测量精度较高，对测量薄层的硬度及检查硬化层的硬度分布很有价值，比维氏硬度好。,1材料在静载荷下的力学性能,1.3.5肖氏硬度,肖氏硬度也称回跳硬度，肖氏硬度试验是一种动载荷试验法。1806年，由肖尔(Shore)提出，故称为肖氏硬度。其基本原理是用一定重量的带