金属力学性能

1、材料力学行为与性能材料常规力学性能指标材料在常温下的力学行为与性能§ 屈服强度，抗拉强度§ 疲劳强度，蠕变强度§ 延伸率，R值，n值§ 硬度，弹性模量§ 冲击韧性§ 断裂韧性§ 各向异性§ 冲压成型性第1章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能§1.1 单向拉伸时的力学行为§ 退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形四个阶段 不同材料的应力应变曲线： 1）退火低碳钢：2）多数塑性金属材料 ：§1.2 弹性变形§ 一、弹

2、性变形及其实质§ 弹性变形：可逆变形，是金属晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映§ 弹性变形量较小（一般小于0.51%），相当于原子间距的几分之一。 二、虎克定律 § 在弹性变形阶段，大多数金属的应力-应变之间符合虎克定律的正比关系，如§ 拉伸时： （ E 弹性模量 ）§ 剪切时： （ G 切变模量 ）三、弹性模量 1、物理意义表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力§ 工程上E称做材料的刚度 ­，则在相同应力下产生的弹性变形¯。2、影响因素主要取决于结合键的本性和原子间的结合力§ 弹性模量和材料的熔点成正

3、比，越是难熔的材料弹性模量也越高§ 金属的弹性模量是一个组织不敏感的力学性能指标，合金化、热处理（显微组织）、冷塑性变形对E值影响不大；而高分子和陶瓷材料的弹性模量则对结构与组织很敏感 滞弹性的概念 普通灰铸铁在拉伸时，其在弹性变形范围内应力和应变并不遵循直线AC关系。加载时沿着直线ABC，储存的变形功为ABCE；卸载时不是沿着原途径，而是沿着CDA恢复原状，释放的弹性变形能为ADCE。这样在加载与卸载的循环中，试样储存的弹性能为ABCDA，即图中阴影线面积§ 1、定义：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象（即应变落后于应力现象）。§ 材

4、料组织越不均匀，滞弹性倾向越大。 循环韧性/内耗金属材料在交变载荷（振动） 下吸收不可逆变形功的能力（消振性）§ 2、实际意义§ 应用：减振（此时选用循环韧性较高的材料，如 铸铁、高铬不锈钢） § 缺点：如在精密仪表中的弹簧、油压表或气压表的测力弹簧，要求弹簧薄膜的弹性变形能灵敏地反映出油压或气压的变化，因此不允许材料有显著的滞弹性。 六、包申格效应及其意义 § 1、定义§ 金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于14%），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(特别是弹性极限在反

5、向加载时几乎下降到零)的现象§ 包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象（所有退火态和高温回火的金属与合金都有），它与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。§ 2、意义§ 对于承受疲劳载荷作用的机件寿命很重要；§ 工程上材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。§ 3、消除包申格效应的方法 预先进行较大的塑性变形 在第二次反向受力前进行退火§1.3 塑性变形§ 一、屈服强度及其影响因素§ 1、屈服强度§ 不连续屈服：有屈服平台(屈服齿） 表示：s sl§ 连续屈服：拉伸时无明显屈服现象§ 屈服

6、强度用规定微量塑性伸长应力表征：§ 1）规定非比例伸长应力（p） p0.01§ 2）规定残余伸长应力（r） r0.2§ 3）规定总伸长应力（t） t0.52、影响屈服强度的因素内在因素：结合键、组织、结构、原子本性 四大强化机制：沉淀强化和细晶强化是工业合金中提高材料屈服强度最常用的手段 外在因素：温度、应变速率、应力状态§ 温度降低、应变速率增高，材料的屈服强度升高。尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。§ 应力状态不同，屈服强度值也不同。我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。 3、屈服强度的

7、工程意义§ 传统的强度设计方法，对塑性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力=s/n，安全系数n一般取2或更大；对脆性材料，以抗拉强度为标准，规定许用应力=b/n，安全系数n一般取6。 § 屈服判据（屈服条件）是机件开始塑性变形的强度设计准则§ 需要注意的是，按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材料的高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材料的抗脆断强度在降低，脆断危险性增加了。二、加工硬化和真实应力应变曲线 § 1. 真实应力-应变曲线§ 从试样开始屈服到发生颈缩，即均匀塑性变形阶段真实应力和应变的关系：§ 式中n加工硬化指数

8、§ K硬化系数（强度系数），是真实应变等于 1.0时的真实应力 § 2、加工硬化指数n的实际意义 § 反映了金属材料开始屈服以后抵抗继续塑性变形的能力，是表征材料应变硬化行为的性能指标。它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力。§ n还决定了材料能够产生的最大均匀应变量，这一数值在冷加工成型工艺中是很重要的。§ 大多数金属材料n在0.10.5之间，与层错能、冷热变形有关§     对于工作中的零件，材料的加工硬化能力是零件安全使用的可靠保证。§     形变硬化是提高材

9、料强度的重要手段。 三、颈缩条件和抗拉强度 § 1.颈缩条件 § 出现颈缩时正是相当于负荷-变形曲线上的最大载荷处，因此，应有dF=0§ dF=d(S·A)=AdS+SdA=0§ 即 -dA/A=dS/S又按体积不变定理有 dL/L=-dA/A=de§ 故有  dS/de=S § 颈缩的条件:§ 当加工硬化速率等于该处的真应力时§ 或当硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时n=eB§ 2.抗拉强度§ （1）定义：韧性金属试样拉断过程中最大试验力（Fb）所对应的应力§

10、b只代表金属材料所能承受的最大拉伸应力，表征金属材料对最大均匀塑性变形的抗力§ （2）实际意义：§ 1）标志韧性金属材料在静拉伸条件下的实际承载能力（但不作为设计参数）§ 2）对脆性材料即为断裂强度，用于产品设计时其许用应力以b为依据。§ 3）b的高低决定于屈服强度和应变硬化指数。§ 4）b与HB、-1之间有一定关系：b1/3HB，-11/2b（淬火回火钢）四、塑性 § 1、塑性与塑性指标§ 塑性材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的 能力§ 塑性指标：断后伸长率d（最大试验力下的总伸长率d gt）§ 断

11、面收缩率y § 2、塑性的实际意义§ 塑性指标是安全力学性能指标（对静载下工作的机件，要求材料具有一定塑性，以防偶然过载时突然破坏）§ 金属的成形加工（如轧制、挤压）和机器装配、修复工序要求一定塑性§ 金属材料的塑性常与强度性能有关：塑性越高，强度一般较低、屈强比越小 §§1.4 金属材料的断裂§ 一、断裂的类型§ 机件的三种主要失效形式：§ 磨损、腐蚀、断裂（危害最大）§ 断裂 § 1、韧性断裂与脆性断裂（按断裂前有无明显的塑性变形）§ 脆、韧断裂的划分：<5% 脆断

12、 >5%为韧断 (光滑拉伸试样的断面收缩率)§ 韧性断裂：断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂§ 特点：1）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§ 2）断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45度角§ 3）断口呈纤维状，灰暗色 § 断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇§ 影响这三个区比例的主要因素是材料强度和试验温度。一般材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大 § 2、正断与切断（按断裂面的取向）§ 正断：断裂垂直于最大正应力§ 切断

13、：沿着最大切应力方向断开§ 注意：正断不一定就是脆断，正断也可以有明显的塑性变形。但切断是韧断，反过来韧断就不一定是切断了。§ 3、穿晶断裂与沿晶断裂（按裂纹扩展的途径）§ 穿晶断裂：裂纹穿过晶内（韧断或脆断）§ 沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展（多为脆断），断口呈冰糖状（如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等）§ 沿晶断裂产生原因：晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物破坏了晶界的连续性；或杂质元素向晶界偏聚引起。§ 4、纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂（按断裂机理）§ 剪切断裂：在切应力作用下沿滑移面分离而造

14、成的滑移面分离断裂§ 纯剪切断裂：完全由滑移流变造成断裂纯金属尤其是单晶体§ 微孔聚集型断裂：通过微孔形核、长大聚合而导致分离常用金属材料§ 解理断裂：金属材料在一定条件下（如低温、应变速率较高，或是有三向拉应力状态），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面（解理面）产生的穿晶断裂脆断§ 穿晶的解理断裂常见于bcc和hcp金属中。§ 解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面（如bcc金属的解理面为(100) 二、解理断裂 § 1、解理裂纹的形成和扩展§ 裂纹形成«塑性变形¬位错运动

15、7; 甄纳-斯特罗位错塞积理论§ 当位错塞积头处的应力集中不能为塑性变形所松弛，则塞积头处的最大拉应力fmax 能够等于理论断裂强度m而形成裂纹。§ 解理断裂过程：塑性变形形成裂纹®裂纹在同一晶粒内初期长大®裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展§ 屈服时产生解理断裂的判据：§ 晶粒直径（或第二相质点间距）d¯，裂纹扩展所需的应力或裂纹体的实际断裂强度 ­ § 柯垂耳位错反应理论§ 柯垂耳为解释晶内解理和bcc晶体中的解理面而提出§ 裂纹成核：位错反应形成不动位错®位错群塞积®

16、裂纹 2、解理断裂的微观断口特征 § 解理断裂§ 基本微观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样 § 准解理§ 常见于淬火回火的高强度钢中，或者是组织为贝氏体的钢中（弥散细小的碳化物质点影响裂纹形成与扩展）§ 与解理断裂的共同点：均为穿晶断裂；有小解理刻面；有河流花样§ 不同点：准解理小刻面不是晶体学解理面。真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样三、微孔聚合断裂 § 1、微孔形核和长大§ 微孔聚集断裂过程：微孔成核、长大、聚合、断裂§ 微孔成核：第二相或夹杂物

17、质点破裂；第二相或夹杂物与基体界面脱离 § 2、断口特征：韧窝(即凹坑) § 等轴状韧窝：微孔在垂直于正应力的平面上各方向长大倾向相同（如拉伸时颈缩试样的中心部分）§ 拉长韧窝：在扭转载荷或双向不等拉伸条件下，因切应力作用而形成。断口上韧窝方向相反（如拉伸试样剪切唇部分）§ 撕裂韧窝：max 沿截面分布不均，在边缘部分很大（表面有缺口或裂纹的试样断口）§ 注意：微孔聚集断裂一定有韧窝存在，但有韧窝出现不一定就是韧性断裂§ 第2章 金属在其它静载荷下的力学性能研究金属材料在常温静载下力学性能：§ 拉伸、压缩、弯曲、扭转

18、7; 不同加载方式在试样中产生的应力状态不同，材料所表现出的力学行为不完全相同 §2.1 应力状态软性系数 § 应力状态软性系数：表示应力状态对材料塑性变形的影响式中最大切应力max按第三强度理论计算，即max=(1-3)/2 ，1，3分别为最大和最小主应力。§ 最大正应力max按第二强度理论计算，即 , 为泊松比§ 对单向拉伸 0.5 § 对扭转 0.8 § 对单向压缩2 § § 值表示材料塑性变形的难易程度：§ ­，切应力分量越大，材料越易塑性变形，不易引起脆断应力状态越“软”；反之则越“硬

19、”  §2.2 压缩 § 一、压缩试验的特点§ 1）单向压缩试验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会断裂。§ 二、压缩试验§ 试样：截面圆形或正方形，长度为直径或边长的2.53.5倍§ 抗压强度：试样压至破坏过程中的最大应力 § （压缩屈服点 ： 试验时金属产生明显屈服现象） §2.3 弯曲 § 一、弯曲试验的特点及应用§ 1）试样形状简单、操作方便。同时弯曲试验不存在拉伸

20、试验时的试样偏斜对试验结果影响问题，并可用绕度显示材料的塑性。常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性和低塑性材料的断裂强度。§ 2）试验时，试样截面上的应力分布不均匀，表面应力最大，可灵敏的反映材料表面缺陷。常用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等机件的质量与性能。§ 3）试验时不能使塑性较好的材料断裂，故其Ffmax曲线的最后部分可任意延长。 § 二、弯曲试验及力学性能§ 三点弯曲或四点弯曲试验：将圆形或矩形及方形试样放置在一定跨距L的支座上，通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系，通常求出断裂时的抗弯强度和最大挠度，以表示材料的强度和塑性。 &

21、#167; 1）试样弯曲时，受拉侧表面的最大正应力：§ 式中M最大弯矩。对三点弯曲 M=FLs/4；对四点弯曲M=FL/2。§ W抗弯截面系数。对于直径为d的圆形试样， ；对于宽度为b，高为h的矩形试样，W=bh2/6§ 2）计算脆性材料的抗弯强度：§ （Mb为断裂时的弯矩,读出Fbb） §2.4 扭转§ 一、扭转试验的特点§ 1）应力状态软性系数0.8（大于拉伸时），易于显示金属的塑性行为（如可评定在拉伸时呈脆性的淬火结构钢和工具钢的塑性）。§ 2）扭转试验时试样截面上应力分布不均匀，表面最大，越往心部越小。可对

22、各种表面强化工艺进行研究和检查机件热处理的表面质量。§ 3）圆柱形试样扭转时，整个试样长度上的塑性变形始终是均匀的，无颈缩现象。因此，可用于精确评定拉伸时出现颈缩的高塑性金属材料的形变能力和形变抗力。用热扭转试验可确定材料在热加工(轧制、锻造、挤压)时的最佳温度。§ 4）扭转时试样中的正应力与切应力在数值上大体相等。§ 当扭转沿着横截面断裂时为切断，而由最大正应力引起断裂时，断口呈螺旋状与纵轴成45°。二、扭转试验和力学性能指标 § 一般采用圆柱形试样(d0=10mm，L050或100)在扭转试验机上进行。§ 扭矩扭角（T-j）曲线&

23、#167; 试样在弹性范围内表面的切应力和切应变为W为试样抗扭截面系数，圆柱试样为扭转力学性能指标§ 切变模量G（在弹性范围内，切应力与切应变之比）：§ 扭转屈服点 （Ts为屈服时的扭矩） § 抗扭强度§ （Tb为扭断前承受的最大扭矩） §2.5 缺口试样静载荷试验 § 一、缺口效应及对材料性能的影响§ 缺口效应：由于缺口（截面变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹）的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化§ 应力集中系数:表示缺口引起的应力集中程度（在弹性范围内，与材料性质无关，只决定于缺口几何形状）

24、67; max 、分别为§ 缺口净截面上的§ 最大应力与平均应力。二、 材料在静载下的缺口强度试验 § 1、缺口静拉伸试验（轴向拉伸和偏斜拉伸）§ 为了比较各种材料对缺口敏感的程度 § 材料在缺口静拉伸时的力学行为：§ 1）对塑性好的材料，缺口使材料的屈服强度或抗拉强度升高，但塑性降低，是谓“缺口强化”。缺口试样的强度不会超过光滑试样强度的三倍。§ 2）对于脆性材料，由于缺口造成的应力集中，不会因塑性变形而使应力重新分布，因此缺口试样的强度只会低于光滑试样。§ 缺口敏感度NSR(Notch Sensitivity

25、Ratio)： 衡量静拉伸下缺口敏感度指标§ NSR越大，缺口敏感性越小，对于脆性材料如铸铁、高碳工具钢，其NSR<1，说明这些材料对缺口是很敏感的。高强度材料的NSR一般也小于1。塑性材料一般NSR大于1。 2、缺口静弯试验 § 光滑试样的静弯试验主要用来评定工具钢或一些脆性材料的力学性能，而缺口试样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。 § 如图 曲线下所包围的面积表示试样从变形到断裂的总功（包括弹性变形功、塑性变形功、断裂功）§ 在这3部分功中以断裂功最为重要，通常以断裂功的大小或者Pmax/P的大小来表示缺口敏感度。断裂

26、功或Pmax/P大，缺口敏感性小。 §2.6 硬度 § 一、金属硬度的概念§ 硬度：表征材料软硬程度的性能，指金属在表面上的不大体积内抵抗变形或者破裂的能力。§ 试验方法：刻划硬度、回跳硬度(肖氏硬度)和压入硬度。§ 由于压入法型(侧压)加载方式属于极“软”性的应力状态，a>2，即最大切应力远远大于最大正应力，所以在这种加载方式下几乎所有金属材料都会发生塑性变形，适用于各种塑性、脆性材料。 § 二、硬度试验§ 1、布氏硬度§ 原理：钢球、硬质合金球为压头；测压痕直径d（查表或计算）§ HB

27、S（钢球压头）适用于测量退火、正火、调质钢及铸铁、有色合金等硬度小于450HB的较软金属；§ HBW（硬质合金压头）适用于测量硬度值在650HB以下的较硬材料 § 布氏硬度试验规程 § 要保证所得压入角j相等，必须使P/D2为一常数，只有这样才能保证对同一材料得到相同的HB值§ 压痕直径d和钢球直径D：§ 0.2D<d<0.5D§ 加载时间：黑色金属1015s§ 有色金属30s§ 布氏硬度试验的优缺点和适用范围§ 优点：压痕面积较大，代表性全面，能反映金属表面较大体积范围内各组成相综合平均的性

28、能数据，故特别适宜于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组成相的金属材料。试验数据稳定。试验数据从小到大都可以统一起来。 § 缺点：对不同材料需更换压头直径和改变试验力，压痕直径测量麻烦，因而用于自动检测时受到限制；由于压痕较大，不宜于成品检验，也不宜于薄件试验。2、洛氏硬度 HR§ 原理：以顶角120°的金刚石锥体或直径1.588mm的淬火钢球为压头，测量压痕深度可直接从硬度计表盘读出硬度值§ 常用洛氏硬度的试验条件和应用§  洛氏硬度试验的优缺点§ 优点： 1)因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不

29、存在压头变形问题； 2)压痕小，不伤工件表面；  3)操作迅速，立即得出数据，生产效率高，适用于大量生产中的成品检验。§ 缺点：1）压痕较小，代表性差；2）所测硬度值重复性差，分散度大；3）用不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，无法进行比较。 3、维氏硬度HV （显微硬度）§ 原理：基本同布氏硬度，区别在于压头采用锥面夹角为136°的金刚石正四棱维体，压痕为正四方锥形，测量压痕对角线的平均长度d。§ 优缺点§ 优点：它不存在布氏那种负荷P和压头直径D的规定条件的约束，以及压头变形问题；也不存在洛氏那种硬度值无法统一的问题。§

30、 1）载荷可任选（49980N）（采用四方角锥，当负荷改变时压入角不变）；2）压痕测量精度高，数据精确。3）和洛氏一样可以试验任何软硬的材料，并且比洛氏能更好地测试极薄件(或薄层)的硬度。§ 缺点：硬度值需通过测量对角线后才能计算(或查表)出来，因此生产效率没有洛氏高。 本章小结§ 材料在静载下的力学性能除采用拉伸试验方法测定外，还常采用扭转、弯曲、压缩等试验方法。§ 几种加载方式下都存在弹性变形、塑性变形和断裂这三个阶段，但由于加载方式不同，即试样中的应力状态不同，在这三个阶段中所反映出来的性能在量或质上都有各自的特点。§ 缺口的一个重要效应是引起应力

31、集中，改变缺口前方的应力状态。§ 脆性或低塑性材料在进行缺口试样拉伸时，很难通过缺口根部极为有限的塑性变形来使应力重新分布，往往直接由弹性变形过渡到断裂。无论是脆性材料或塑性材料，其机件上的缺口都因造成两向或三向应力状态和应力应变集中而产生变脆倾向，降低了使用的安全性。§ 采用缺口试样的静拉伸、偏斜拉伸和缺口试样的静弯曲试验，可以评定不同材料的缺口变脆倾向。§ 硬度不是材料独立的力学性能，其物理意义随试验方法而不同。§ 压入硬度综合反映了材料的弹性、微量塑变抗力、形变强化能力以及大量塑变抗力等性能。第3章 金属在冲击载荷下的力学性能 § 冲击载

32、荷：加载速率高，应变率大于10-2/s，金属力学性能会发生显著变化§ 加载速率：指载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加的数值表示 应变率：单位时间内应变的变化量§ 提高应变率将使金属材料的变脆倾向增大，因此冲击力学性能试验可以揭示金属材料在高应变率下的脆断趋势。§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点 § 应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响（因冲击弹性变形总能紧跟上冲击外力的变化），但对塑性变形、断裂及有关的力学性能却有显著影响:§ 1）在冲击载荷作用下滑移临界切应力增大，金属产生附加强化；§ 2）在冲击载荷作

33、用下塑性变形难于充分进行，变形极不均匀，导致屈服强度、抗拉强度提高；§ 3）大多数情况下，缺口试样冲击试验时的塑性比类似静载试验的要低。在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性，如密排六方金属爆炸成形§3.2 冲击弯曲和冲击韧性§ 冲击韧性：指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常以标准试样的冲击吸收功（AK）表示§ 1、冲击弯曲试验§ 摆锤冲击试验机§ 试样缺口位于冲击相背方向，摆锤轴线与缺口中心线一致  Ak=G(H1H2) （ J ）§ 摆锤冲击试样时的速度约为每秒5米，应变速率约为103S-1。

34、 § 试样：夏比U型缺口（AkU） 夏比V型缺口（AkV）§ 注意：铸铁或工具钢等脆性材料，常采用无缺口冲击试样（10×10×55mm）§ 2、冲击弯曲试验的应用 § 缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便§    1）用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。 §    2）用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。 §3.3 低温脆性 § 一、低温脆性现象&

35、#167; 低温脆性随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象 § 冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象§ 低温脆性产生原因：屈服强度随温度降低急剧增加§ 如图：高于tk时，c > s，材料受载后先屈服再断裂，为韧性断裂； 低于tk时，外加应力先达到c ，表现为脆断二、韧脆转变温度（tk）韧性指标§ 1、测试§ 在不同温度下进行冲击弯曲试验，根据吸收功、塑性变形量或断口形貌随温度的变化作出曲线，求出tk (1)按断口形貌特征: 通常取结晶区占整个断口面积50的温度为tk，记为FATT50或50FAT

36、T（断口形貌转换温度）§ (2)能量标准:以某一固定能量来确定tk § 1）NDT（无塑性或零塑性转变温度）：在其下，断口由100%结晶区（解理区）组成§ 2）FTP：高于其，得到100%纤维状断口§ 3）FTE：以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义tk§ 2、按tk的高低来选择材料§ （或根据材料的 tk来判定其最低使用温度） t0 tk +（4060）§ 三、落锤试验和断裂分析图(简称FAD)§ 1、落锤试验测定全厚钢板的NDT§ 原理：选用不同的温度进行系列试验，测出试样（厚度与实际板厚相同）开裂的

37、最高温度（NDT）§ 如试验温度低于NDT，则裂纹就可自拉伸面横穿板的宽度直至边缘，NDT是产生无塑性破坏的最高温度 。§ 目前NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂设计根据的一部分。§ 2、断裂分析图(简称FAD)§ 表示了许用应力、缺陷和温度三个参数之间的关系，明确提供了低强度钢构件在温度、应力和缺陷联合作用下脆性断裂开始和终止的条件。§3.4 影响材料韧脆转变温度的冶金因素 § 1）材料成份§ 随着钢中含碳量的增加，冷脆转化温度几乎呈线性地上升，且最大冲击值也急剧降低。钢的含碳量每增加0.1，冷脆转化温度升高约为13.9

38、。钢中含碳量的影响，主要归结为珠光体增加了钢的脆性。 § 2）晶粒大小§ 细化晶粒一直是控制材料韧性避免脆断的主要手段。理论与实验均得出冷脆转化温度与晶粒大小有定量关系。 § 3）显微组织§ 在给定强度下，钢的冷脆转化温度决定于转变产物。就钢中各种组织来说，珠光体有最高的脆化温度，按照脆化温度由高到低的依次顺序为：珠光体，上贝氏体，铁素体，下贝氏体和回火马氏体。 § 除了材质因素外，材料的tk还受试样尺寸和形状、加载速率等外部因素影响。 1）试样尺寸增加，应力状态变硬，脆性增大；缺口尖锐度增加， tk也显著升高。 2）提高加载速率使材料脆性增大

39、，tk升高。（一般中、低强度钢的tk对加载速率比较敏感，而高强度钢、超高强度钢则较小）本章小结§ 1、评定加载速率和缺口效应对材料韧性的影响，需要进行缺口冲击试验来测定材料的冲击韧性。§ 冲击韧性是指材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功表示。§ 工程技术上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抗冲击载荷的能力。 § 2、随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象称为低温脆性。§ 在不同温度下进行冲击弯曲试验，根据试验结果作出冲击吸收功与温度关系曲线、断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线，以及试样断裂后塑性变形

40、量和温度的关系曲线，根据这些曲线即可求出冷脆转变温度。§ 3、影响冲击韧性和冷脆转变温度的因素有化学成分、晶粒尺寸、显微组织等材质因素以及试样尺寸、形状、加载速率等外部因素。第四章 断裂力学与断裂韧度§ 经典的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。§ 断裂力学：研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。§4.1 材料的断裂理论§ 1、理论断裂强度§ 决定材料强度的最基本因素是原子间结合力（­，则弹性模量­

41、;、熔点­）§ 理想晶体脆性（解理）断裂的理论断裂强度（在外加正应力作用下，将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力）：§ 实际金属材料中一定存在某种缺陷，使断裂强度显著下降（实际断裂应力仅为理论的1/101/1000） § 2、断裂强度的裂纹理论§ （1）格雷菲丝裂纹理论§ 基本观点：实际材料中已存在裂纹，当平均应力还很低时，局部应力集中已达到很高数值（达到m），从而使裂纹快速扩展并导致脆断§ 根据能量平衡原理计算（薄板）： 裂纹失稳扩展的临界应力: （即实际断裂强度） 裂纹临界尺寸： （格雷菲丝裂纹）Ø

42、 一、裂纹扩展的基本形式§ 含裂纹的金属零部件，根据外加应力与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展有三种基本形式（如图）： § (1)张开型(或称拉伸型)裂纹 §     外加正应力垂直于裂纹面，在应力作用下裂纹尖端张开，扩展方向和正应力垂直。如轴的横向裂纹在轴向拉力或弯曲力作用下的扩展。§ (2)滑开型(或称剪切型)裂纹§     剪切应力平行于裂纹面，裂纹滑开扩展。如轮齿或花键根部沿切线方向的裂纹引起的断裂，或者一个受扭转的薄壁圆筒上的环形裂纹。§ (3)撕开型裂纹§

43、     在切应力作用下，一个裂纹面在另一裂纹面上滑动脱开，裂纹前缘平行于滑动方向，如同撕布一样。如轴的纵、横裂纹在扭矩作用下的扩展§ 二、应力场强度因子K及断裂韧度Kc§ 1、裂纹尖端应力场§ 假设无限大板，其中有2a长的型裂纹，在无限远处作用有均匀拉应力。如用极坐标表示，则裂纹尖端附近各点（r,）的应力分量： § 在裂纹延长线上（0）：§ 可见在x轴上裂纹尖端的切应力分量为零，拉应力分量最大，裂纹最易沿x轴方向扩展。§ 2、应力场强度因子K描写裂纹尖端应力场强弱程度的力学参量§ 裂纹尖端区域

44、各点的应力分量除了决定其位置（ r, ）外，还与强度因子K有关§ 型裂纹应力场强度因子的一般表达式（表4-1） ： § § 式中Y为裂纹形状系数，无量纲，一般取12§ K不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也和裂纹的形状类型及加载方式有关，但它和材料本身的固有性能无关。 § 3、断裂韧度Kc和断裂K判据§ 断裂韧度Kc反映了材料阻止裂纹扩展的能力（材料本身特性）§ 当或a增大时，K也逐渐增加，当K 达到某一临界值时，带裂纹的构件就断裂了。这一临界值便称为Kc（平面应力断裂韧度）或Kc（平面应变断裂韧度）。 § 断

45、裂K判据§ 裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据：K Kc§ 注意： K和 Kc的区别§ 工程意义：可估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹尺寸a以及正确选材、优化工艺 § 4、裂纹尖端塑性区及K的修正§ 金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近总要先出现一个或大或小的塑性变形区（塑性区或屈服区）。如果塑性区尺寸较裂纹尺寸a及净截面尺寸为小时（小一个数量级以上），即在小范围屈服下，只要对K进行适当的修正，裂纹尖端附近的应力应变场的强弱程度仍可用修正的K来描述。§ （1）塑性区的形状和尺寸 § 表4-2：无论是平面应力或平面应变，塑性区宽度总是

46、与（Kc/s）2成正比。材料的Kc越高，s越低，其塑性区宽度越大。§ （2）有效裂纹及K的修正§ 有效裂纹长度：a+ry§ 有效裂纹的塑性区修正值ry正好是应力松弛后塑性区的半宽（ ryR0/2）§ 修正后的K值（公式4-16）§4.3 断裂韧度Kc的测试 § 一、试样的形状、尺寸及制备§ 用于测试Kc 的标准试样主要是三点弯曲试样与紧凑拉伸试样（如图）。 § 形状和尺寸的确定：§ 试样厚度B§ 裂纹长度a 2.5（Kc/y）2§ 韧带宽度(W-a)§ 二、测试方法§

47、; 由条件裂纹失稳扩展的临界载荷PQ和裂纹长度a求出条件KQ§ KQ要有效还需要满足以下两个条件： (1)    (2)§ § 如按上述步骤得到的KQ满足以上两个条件，则KQ有效，KQ即为Kc 。如不满足，则应加大试样尺寸而重做实验，新试验尺寸至少为原试样的1.5倍。  §4.4 影响断裂韧性Kc的因素 § 一、影响断裂韧性Kc的因素§ 1、内部因素§ 1）化学成分§ 2）基体相结构和晶粒大小§ 3）杂质及第二相§ 4）显微组织   &

48、#167; 2、外部因素§ 材料的断裂韧性随着板材或构件截面尺寸的增加而逐渐减小，最后趋于一稳定的最低值，即平面应变断裂韧性Kc 。这是一个从平面应力向平面应变的转化过程。§ 1）温度§ 断裂韧性随温度的变化关系和冲击韧性的变化相类似。随着温度的降低，断裂韧性可以有一急剧降低的温度范围，低于此温度范围，断裂韧性趋于一数值很低的下平台，温度再降低也不大改变了。§ 2）应变速率§ 增加应变速率， Kc （和降低温度的影响是一致） 第5章 金属的疲劳§ 零件在交变应力作用下损坏叫做疲劳破坏。§ 据统计，在机械零件失效中有80以上属

49、于疲劳破坏。 §5.1 金属疲劳现象及特点 § 一、变动载荷和循环应力§ 1、变动载荷§ 引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷。其在单位面积上的平均值即为变动应力。§ 规则周期变动应力即循环应力 § 2、循环应力§ 最大应力最小应力平均应力（+）§ 应力幅（-）§ 应力比§ 常见的循环应力：1）对称交变应力（0，1）：大多数轴类零件，如火车轴的弯曲对称交变应力、曲轴的扭转交变应力§ 2）脉动应力（>0，0）：如齿轮齿根的循环弯曲应力、轴承应力§ 3

50、）波动应力（>，0<<1）：如发动机缸盖螺栓的循环应力§ 4）不对称交变应力：如发动机连杆的循环应力 § 二、疲劳现象及特点§ 疲劳金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象§ 1、分类§ 按应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳§ 按环境和接触情况：大气疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳§ 按断裂寿命和应力高低：高周疲劳（低应力疲劳）、低周疲劳（高应力疲劳） § 2、特点§    疲劳是脆性断裂 断裂时并无明显的宏观塑性

51、变形，断裂前没有明显的预兆，而是突然地破坏。§    疲劳是低应力循环延时断裂，及具有寿命的断裂 断裂应力很低，常常低于静载时的屈服强度。当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。§    疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感 疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择性 § 三、疲劳宏观断口特征§    疲劳损坏有裂纹的发生、扩展直至最终断裂三部分（见图）。§    典型疲劳断口是由疲劳源、疲劳裂纹扩展区和最终断

52、裂区三部份构成。§ 疲劳源：光亮度最大§ 疲劳区：断口比较光滑并分布有贝纹线§ 瞬断区：断口比疲劳区粗糙。脆性材料为结晶状断口；若为韧性材料，则在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，在边缘平面应力区为剪切唇。 § 四、疲劳破坏机理§ 1、疲劳裂纹的形成§ 1）驻留滑移带处形成疲劳裂纹§ 螺型位错发生交滑移，使位错增殖，滑移线的滑移量增加，最后形成驻留滑移带并发展为疲劳裂纹§ 2）挤出脊和浸入沟处形成疲劳裂纹§ 挤出脊和浸入沟的形成：在应力循环每个前半周期内，两个取向不同的滑移面上的位错源交替激活，在半周期

53、内又交替沿两个滑移面的相反方向激活。§ 3）相界面开裂产生裂纹：第二相、夹杂物或与基体界面开裂；或其本身开裂§ 4）晶界开裂产生裂纹：位错塞积与应力集中在循环应力下导致晶界开裂 § 2、疲劳裂纹扩展过程及机理§ 第一阶段：从表面个别侵入沟（或挤出脊）先形成裂纹、随后主要沿主滑移系方向，以纯剪切方式向内扩展§ 第二阶段：裂纹扩展与拉应力方向垂直。扩展速率大，是疲劳裂纹亚稳扩展的主要部分。这一阶段形成疲劳条带。 §5.2 疲劳曲线和疲劳力学性能 § 一、疲劳极限§ 疲劳极限是相当于疲劳曲线水平部分所对应的应力，它表示材

54、料能经受无限次应力循环而不发生断裂的最大应力§ 若疲劳曲线上没有水平部分，常以规定断裂循环次数对应的应力为疲劳极限§ 对一般低、中强度钢 107周次§ 对高强度钢 108周次§ 对铝合金，不锈钢 108周次§ 对钛合金 107周次§ 1、对称应力循环下的疲劳极限§ 测定：通常在旋转弯曲疲劳试验机上用光滑试样测得S-N 曲线（疲劳应力-疲劳寿命）§ 注意：这样测定的数据离散，必须再通过统计处理 § 2、不对称应力循环下的疲劳极限§ 常用疲劳图表示（以a-m疲劳图为例）§ 疲劳极限r由最大

55、循环应力m表示§ 3、不同应力状态下的疲劳极限§ 同一材料在不同应力状态下测得的疲劳极限存在一定联系式中：§ 钢： -1p=0.85-1 § 铸铁：-1p=0.65-1 t-10.8-1§ 铜及轻合金：t-10.55-1 式中：-1p对称拉压疲劳极限 t-1对称扭转疲劳极限 -1对称弯曲疲劳极限§ 4、疲劳极限与静强度间的关系§ 结构钢：-1p=0.23(s+b)§ -1=0.27(s+b)§ 铸铁：-1p=0.4b -1=0.45b§ 铝合金：-1p=b+7.5MPa -1=b7.5MPa&#

56、167; 青铜： -1=0.21b § 二、抗疲劳过载能力§ 1、过载持久值（有限疲劳寿命）：金属材料在高于疲劳极限的应力下运转时，发生疲劳断裂的应力循环周次§ 意义：表征材料对过载负荷的抵抗能力 § 2、过载损伤界、过载损伤区（图）3、疲劳累积损伤理论 § 三、疲劳缺口敏感度评定材料在交变载荷作用下的缺口敏感性§ Kt理论应力集中系数，决定于缺口的几何形状与尺寸可查手册， Kt >1§ Kf疲劳缺口系数，为光滑试样与缺口试样疲劳极限之比： >1，大小既和缺口的尖锐度有关也和材料特性有关§ 0<q

57、<1，当q趋近于0时表示对缺口完全不敏感，q=1则表示对缺口十分敏感。 § 四、其它抗疲劳性能§ 1、疲劳裂纹扩展率da/dN§ 由图可见，裂纹扩展速率da/dN与应力水平及裂纹长度有关。§§ 2、疲劳裂纹扩展门槛值Kth表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能§ 疲劳裂纹扩展的三个阶段(见图):§ 一般的机械零件和工程构件是不会以来作为设计指标的。因为数值很低，如以来作为设计标准，这无疑是要求工作应力很低或者容许的裂纹尺寸很小。§ 疲劳门槛值除了因应力比R的增加而减小外，还和组织有关。 §5.

58、3 低周疲劳 § 一、低周疲劳§ 材料在交变载荷作用下，疲劳寿命为102105次（即大应力低周次）的疲劳断裂§ 如：飞机起落架起飞和降落时（寿命只有几千次），压力容器周期的升压和降压§ 1、基本规律§ 低周疲劳交变应力较高，往往接近或超过材料的屈服强度，因而是在塑性应变循环下引起的疲劳断裂，所以也称为塑性疲劳或应变疲劳 § 特点：1）局部区域会产生宏观塑性变形，致使应力应变之间不呈直线关系而形成回线§ 2）因塑性变形量较大，故不能用-N曲线描述材料的疲劳抗力，而应改用应变-寿命曲线，即曲线。而高周疲劳得到的是-N 曲线（在高

59、周疲劳范围内，由于试样主要产生的只是弹性变形，塑性变形很小，用应变片也很难测量）。§ 3）有多个裂纹源§ 4）其寿命决定于塑性应变幅 § 2、疲劳硬化与软化§ 一般说来，对原始状态较软的材料，在控制应变幅恒定的情况下，在循环加载时会产生塑性变形抗力随着加载周次增加，这就是硬化现象。反之，原始状态为强度或硬度较高的材料，在控制应变幅恒定的情况下，会发生形变抗力随周次的增加而降低，这就是软化现象。§ 材料在循环加载时发生硬化或软化现象，是在研究低周疲劳时才被发现的。十分明显，材料在循环加载时出现软化现象是很不利的。 § 二、热疲劳 由交变

60、热应力引起的破坏§ 造成零件或构件热疲劳的原因可能是：§ 1)零件或构件的温度梯度。§  2)零件或构件的温度差，如管道焊接接头的热膨胀。§ 3)由于材料的膨胀系数不同，如铁素体钢与奥氏体钢的焊接等。 § 三、冲击疲劳§ 机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂§ 当试样破坏前承受的冲击次数较少时（5001000次），试样断裂的原因与一次冲击相同；当冲击次数N>105时，破坏后具有典型的疲劳断口，属于疲劳断裂，即冲击疲劳§ 冲击疲劳在多次冲击试验机上进行，得到A-N曲线。§ 冲击疲劳(多次冲击)

61、的特点：§ 1）强度与韧性不同的两种材料，在其冲击能量A和冲击破断周次N的A-N曲线上存在交点。在交点的上方，即在极高的冲击能量下，多冲抗力决定于材料的韧性；而在交点的下方，即在较低的冲击能量下，多冲抗力则主要决定于材料的强度，如图。§ 2）淬火回火钢的多冲破断周次N 随回火温度而变化，且在一定温度回火后会出现峰值，峰值的位置取决于冲击能量。当冲击能量降低，峰值向低温回火方向转移。§ 3）冲击值对多冲抗力的影响与材料的强度水平有关。在低中强度范围内，在相同强度水平下，材料的冲击值对多冲抗力影响不大。在高强度范围(b>1275MPa),加入某些合金元素改善马氏体的塑性，对材料的多冲抗力的提高产生有利影响。§§5.4 影响疲劳强度的主要因素 疲劳断裂一般从机件表面应力集中处或材料缺陷处发生，或从二者结合处发生。§ 一、表面状态的影响§ 1、应力集中§ 2、表面粗糙度§ 二、残余应力及表面强化的影响§ 三、材料成分及组织的影响§ 1、合金成分§ 2、显微组织§ 3、非金属夹杂物及冶金缺陷提高疲劳强度的途径:§ 如果零件承受的应力幅或应变幅很小，主要发生的是弹性变形，也就是要求零件有