第一章材料的力学行为和性能1

1、材料材料科学科学制备制备绪论第第12章章 机机械零械零件用件用材料材料及成及成形工形工艺的艺的选择选择材料理材料理论基础论基础常见工常见工程材料程材料材料基材料基本成形本成形工艺工艺主要内容主要内容第一节第一节 在载荷作用下的力学行为在载荷作用下的力学行为第二节第二节 材料的静态力学性能材料的静态力学性能第三节第三节 材料的动态力学性能材料的动态力学性能第四节第四节 断裂韧性断裂韧性第五节第五节 材料的高、低温性能材料的高、低温性能1 1、服役条件：指零件在工作服役条件：指零件在工作过程中承受的温度、介质环境、过程中承受的温度、介质环境、加载速度和载荷作用方式。加载速度和载荷作用方式。材料的高

2、、低温性能，电场、材料的高、低温性能，电场、磁场、辐射性能。磁场、辐射性能。一、拉伸试验及材料的强度与塑性一、拉伸试验及材料的强度与塑性左图为拉伸试验机左图为拉伸试验机下图为拉伸试验过下图为拉伸试验过程中试样的变形及程中试样的变形及断裂。断裂。由上图可知：在拉伸载荷作用下，试样的变形由上图可知：在拉伸载荷作用下，试样的变形分为三个阶段：弹性变形阶段；塑性变形阶段；分为三个阶段：弹性变形阶段；塑性变形阶段；断裂阶段。在拉伸试验过程中，可测定的主要断裂阶段。在拉伸试验过程中，可测定的主要力学性能指标有：力学性能指标有：(1)屈服强度屈服强度s , (2)抗拉强度抗拉强度b, (3)弹性模量弹性模量

3、E，(4)断面收缩率断面收缩率 , (5)断后伸长率断后伸长率。 200mm试样原始横截面积SN试样屈服时的载荷ssSFSF F0.2 0.2 = ( M pa ) S0 试样原始横截面试样原始横截面( mm2)试样产生试样产生0.2%残余塑性变残余塑性变 形时的载荷形时的载荷(N) S0 - S k = 100% S0 Fb b = ( M pa ) S0 试样原始横截面试样原始横截面( mm2)Fb 试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N) L k L 0 = 100% L 0 10% 属塑性材料。属塑性材料。其其断断口口特特征征如如图图所所示示低碳钢力-拉伸曲线示意图低碳钢应力-应

4、变曲线(a)陶瓷(b)低碳钢(c)橡皮的拉伸应力-应变曲线塑胶件的拉伸应力-应变曲线大理岩的三向压缩应力-应变曲线混凝土的拉伸应力-应变曲线合成纤维的拉伸应力-应变曲线铝合金的拉伸应力-应变曲线硬度硬度: 指材料抵抗其他硬物体压入其表面的指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。能力。1. 布氏硬度（布氏硬度（HBW）布氏硬度试验机布氏硬度试验机布氏硬度试验机测试原理布氏硬度试验机测试原理施加载荷F球冠表面积，）（222SdDDDFSFHBW表示方法：表示方法：120HBW10/1000/30；后面的数字依次表示：后面的数字依次表示：（1）球体直径；（）球体直径；（2）试验力；）试验力；（3）试验

5、力保持时间（）试验力保持时间（1015s不标注）。不标注）。主要用于测定组织粗大且不均匀的金属材料主要用于测定组织粗大且不均匀的金属材料的硬度，如铸钢、铸铁、供应态钢材等。的硬度，如铸钢、铸铁、供应态钢材等。硬度标尺：硬度标尺：HRA、HRB、HRC。其中。其中 C标尺最常标尺最常用用 。 在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用. 2.洛氏硬度洛氏硬度2.洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度表示方法：洛氏硬度表示方法：50HRC，80HRB，60HRA3.维氏硬度维氏硬度3.维氏硬度维氏硬度表示方法：表示方法： 如：如：640HV30/20 测量精度高、范围广，测量精

6、度高、范围广，但比较麻烦，主要用于但比较麻烦，主要用于研究工作。研究工作。注：注：各硬度值之间大致有以下关系：各硬度值之间大致有以下关系：布氏硬度值在布氏硬度值在200-600范围内，范围内，HBW10HRC；布氏硬度值小于布氏硬度值小于450HBS，HBWHV 参考书目：1、材料力学性能，刘春廷化，学工业出版社，2009年2、材料力学性能，时海芳，任鑫，北京大学出版社，2006年3、GB/T 10623-2008 金属材料 力学性能试验术语，2008年 课后习题： 系统的了解各种金属材料的强度、硬度、的测试仪器及测试方法。试样冲断时所消耗的冲击吸收功试样冲断时所消耗的冲击吸收功A k为为:A

7、 k = m g H m g h (J)冲击韧度冲击韧度ak 就是试样缺口处单位截面积上所就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。消耗的冲击功。 AK a k = (J/cm) S0n 疲劳断裂：材料在循环载荷的作用下，即使所受应力低于屈服强度也常常发生断裂，这种现象称之疲劳断裂。危害：没有明显的塑性变形，难以检测和预防。n 疲劳强度：表示材料经无数次应力循环仍不断裂的最大应力值，用以表征材料抵抗疲劳断裂的能力。n 测试方法：旋转弯曲疲劳试验。工程上规定，材料在循环应力作用下达到某一基数N而不断裂时，其最大应力就作为该材料的疲劳极限。光滑试样测得的疲劳强度用-1表示。疲劳曲线：材料所承受的应

8、力与其断裂前的应力循环次数N的关系曲线称为疲劳曲线。钢材的循环次数一般取钢材的循环次数一般取 N = 107有色金属的循环次数一般取有色金属的循环次数一般取 N = 108如何避免疲劳断裂：措施1：改善加载方式，加载在金属上的强度不能忽大忽小。措施1：改善零件的结构形式，避免尖角、降低表面粗糙度等避免应力集中。措施2：表面强化，表面淬火，表面热处理，化学热处理，喷丸，滚压，镀层等。 美国在二战期间有5000艘全焊接的“自由轮”，其中有238艘完全破坏，有的甚至断成两截。 20世纪50年代，美国发射北极星导弹，其固体燃料发动机壳体采用了高强度钢D6AC,屈服强度为1400MPa，按照传统的强度设

9、计与验收时，其各项性能指标包括强度与韧性都符合要求，设计时的工作应力远低于材料的屈服强度，但发射点火不久，就发生了爆炸。，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。 传统力学设计工作应力许用应力即认为是安全的=s/n 塑性材料=b/n 脆性材料经典强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象 原因是：传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际 的工程材料，在制备、加工及使用过程中， 都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。 其中n为安全系数研究发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系当

10、裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时就会突然破裂传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题 断裂力学应运而生图2 压力容器应力腐蚀开裂图3 应力腐蚀开裂放大图图1 管材的应力腐蚀开裂（一）裂纹尖端应力场由于裂纹扩展是从尖端开始进行的，所以应该分析裂纹尖端的应力、应变状态，建立裂纹扩展的力学条件。欧文（G. R. Irwin）等人对张开型裂纹尖端附近的应力应变进行了分析，建立了应力场、位移场的数学解析式。二、断裂韧性（度）二、断裂韧性（度）对于张开型裂纹试样，拉伸或弯曲时，其裂纹尖端处于更复杂的应力状态，最典型的是平面应力和平面应变两种应力状态。平面应力：平面应力：指所有的应力都在

11、一个平面内，指所有的应力都在一个平面内，平面应力问题主要讨论的对象是薄板，薄壁厚度远远小于结构平面应力问题主要讨论的对象是薄板，薄壁厚度远远小于结构另外两个方向的尺度。薄板的中面为平面，所受外力均平行于另外两个方向的尺度。薄板的中面为平面，所受外力均平行于中面面内，并沿厚度方向不变，而且薄板的两个表面不受外力中面面内，并沿厚度方向不变，而且薄板的两个表面不受外力作用。作用。平面应变：平面应变：指所有的应变都在一个平面内。指所有的应变都在一个平面内。平面应变问题比如压力管道、水坝等，这类弹性体是具有很长平面应变问题比如压力管道、水坝等，这类弹性体是具有很长的纵向轴的柱形物体，横截面大小和形状沿轴

12、线长度不变，作的纵向轴的柱形物体，横截面大小和形状沿轴线长度不变，作用外力与纵向轴垂直，且沿长度不变，柱体的两端受固定约束。用外力与纵向轴垂直，且沿长度不变，柱体的两端受固定约束。（一）裂纹尖端应力场（续） （二）裂纹扩展的基本形式（二）裂纹扩展的基本形式a) 张开型张开型b) 滑开型滑开型 c) 撕开型撕开型1. 张开型（I型）裂纹扩展 拉应力垂直于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展，如压力容器纵向裂纹在内应力下的扩展。2. 滑开型（II型）裂纹扩展切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展，如花键根部裂纹沿切向力的扩展。3. 撕开型（III型）裂纹扩展切

13、应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展，如轴的纵、横裂纹在扭矩作用下的扩展。（三）应力场强度因子KI 裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定其位置外，尚与强度因子KI有关。 对于某一确定的点，其应力分量由KI决定，所以对于确定的位置，KI直接影响应力场的大小，KI增加，则应力场各应力分量也越大。 因此，KI就可以表示应力场的强弱程度，称为应力场强度因子。aYKI式中：式中：a为裂纹尺寸的一半为裂纹尺寸的一半 名义应力名义应力 Y裂纹形状系数，一般裂纹形状系数，一般Y=12 I张开型裂纹扩展张开型裂纹扩展（三）应力场强度因子KI（四）断裂韧度KIc和断裂韧度KI判据 KI是决定

14、应力场强弱的一个复合力学参量，就可将它看作是推动裂纹扩展的动力，以建立裂纹失稳扩展的力学判据与断裂韧度。 当和a单独或共同增大时，KI和裂纹尖端的各应力分量随之增大。 当KI增大到临界值时，也就是说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。 这个临界或失稳状态的KI值就记作KIC或KC，称为断裂韧度。 KIC：平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 KC：平面应力断裂韧度，表示平面应力条件材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 但KC值与试样厚度有关，当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一个稳定的最低值，就是KIC，与

15、试样厚度无关。 在临界状态下所对应的平均应力，称为断裂应力或裂纹体断裂强度，记为c，对应的裂纹尺寸称为临界裂纹尺寸，记作ac。（四）断裂韧度KIc和断裂韧度K判据（续）（五） 断裂韧度KIC的测试一、试样的形状、尺寸及制备二、断裂强度因子测试示意图（六）KIC和KC的区别 应力场强度因子KI增大到临界值KIC时，材料发生断裂，这个临界值KIC称为断裂韧度。 KI是力学参量，与载荷、试样尺寸有关，而和材料本身无关。 KIC是力学性能指标，只与材料组织结构、成分有关，与试样尺寸和载荷无关。 根据KI和KIC的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，由于平面应变断裂最危险，通常以KIC为标准

16、建立：IICKK aYKCc121）（YKaCc 一、材料的高温力学性能（续）2、持久强度极限定义：指试样在恒定温度下，达到规定的持续时间而不断裂的最大应力。表示为t。 用于不考虑变形，只考虑使用寿命零件设计。3、高温韧性一般用高温下冲击试验来测定。指标：高温冲击功AtK和高温冲击韧度atK 。高温疲劳极限 高温疲劳常常是疲劳和蠕变共同作用结果。材料在高温下抵抗疲劳破坏的能力称为高温疲劳极限， tR，R为应力比。二、材料的低温力学性能 常用“低温冲击试验”进行测定。 指标：低温冲击功和低温冲击韧度值小结：材料力学七大性能指标小结：材料力学七大性能指标一一:弹性指标弹性指标 ：1.弹性模量弹性模量E 2.切变弹性模量切变弹性模量3.比例极限比例极限 4.弹性弹性极限极限e。二二:强度性能指标：强度性能指标：1.强度极限 2.抗拉强度抗拉强度b 3.抗弯强度 4.抗压强度 5.抗剪强度 6.抗扭强度 7.屈服极限屈服极限s（或者称屈服点）（或者称屈服点）8.屈服屈服强度强度 0