第三章 材料的力学性能

第三章材料的力学性能第1页，课件共60页，创作于2023年2月内容金属在单向静拉伸载荷下的力学性能力学实验加工硬化原理

蠕变

疲劳

磨损聚合物及陶瓷材料的力学性能第2页，课件共60页，创作于2023年2月金属在单向静拉伸载荷下的力学性能力-伸长曲线和应力应变曲线Op——直线关系与pe——偏离直线关系，即弹性形变阶段（可逆形变）；F到达FA至Fc点时，产生不均匀塑性变形（不可逆的永久变形）；CB——均匀塑性变形；Bk——再次不均匀塑性变形；K点——发生断裂纵横坐标分别除以原始截面积A0和原始标距长度L，即可得应力应变曲线COc第3页，课件共60页，创作于2023年2月真实应力应变曲线真实应力应变曲线与工程应力应变曲线不同，为什么？第4页，课件共60页，创作于2023年2月真实应力应变曲线与应力应变曲线的区别应力-应变曲线中的应力和应变是以试样的初始尺寸进行计算的，事实上，在拉伸过程中试样的尺寸是在不断变化的，此时的真实应力S应该是瞬时载荷（P）除以试样的瞬时截面积（A），即：S=P/A；同样，真实应变e应该是瞬时伸长量除以瞬时长度de=dL/L。真应力-真应变曲线，它不像应力-应变曲线那样在载荷达到最大值后转而下降，而是继续上升直至断裂，这说明金属在塑性变形过程中不断地发生加工硬化，从而外加应力必须不断增高，才能使变形继续进行，即使在出现缩颈之后，缩颈处的真实应力仍在升高，这就排除了应力-应变曲线中应力下降的假象。第5页，课件共60页，创作于2023年2月弹性变形——弹性变形及其实质材料在受到外力作用时产生变形或者尺寸的变化，而且能够恢复的变形叫做弹性变形。弹性变形的重要特征是其可逆性，即受力作用后产生变形，卸除载荷后,变形消失。金属的弹性性质是金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现。第6页，课件共60页，创作于2023年2月弹性变形——弹性变形及其实质构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。双原子模型和A和r0为与原子本性或晶体、晶格类型有关的常数第7页，课件共60页，创作于2023年2月弹性变形——弹性模量

弹性模量，又称杨氏模量，弹性模数是产生100%弹性变形所需的应力。拉伸时σ=Eε，剪切时τ=Gγ，E和G分别为拉伸时的杨氏模数和切变模数。可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。材料的抗弹性变形的一个量，材料刚度的一个指标。它只与材料的化学成分有关，与其组织变化无关，与热处理状态无关。各种钢的弹性模量差别很小，金属合金化对其弹性模量影响也很小。第8页，课件共60页，创作于2023年2月◆影响弹性模数的因素键合方式晶体结构化学成分微观组织温度加载条件和负荷持续时间总之，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，外在因素的变化对它的影响也比较小，主要取决于材料的本性与晶格类型第9页，课件共60页，创作于2023年2月弹性变形——比例极限与弹性极限第10页，课件共60页，创作于2023年2月弹性变形——比例极限与弹性极限第11页，课件共60页，创作于2023年2月对于要求服役时其应力应变关系严格遵守线性关系的机件，如测力计弹簧，是依靠弹性变形的应力正比于应变的关系显示载荷大小的，则应以比例极限作为选择材料的依据；对于服役条件不允许产生微量塑性变形的机件，设计时应按弹性极限来选择材料。σp、σe的工程意义第12页，课件共60页，创作于2023年2月弹性变形——弹性比功思考：人们日常所说的材料弹性的好坏指的是什么？第13页，课件共60页，创作于2023年2月（1）提高σe提高材料弹性比功的途径（2）降低E举例（高弹性比功材料）弹簧（金属材料）——减振、储能橡胶（高分子材料）——不能做受力结构件第14页，课件共60页，创作于2023年2月Oc第15页，课件共60页，创作于2023年2月塑性变形——塑性变形方式及特点金属材料常见的塑性变形机理为晶体的滑移和孪生两种。塑性变形：材料的塑性变形上微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。金属材料的塑性变形机理第16页，课件共60页，创作于2023年2月塑性变形-滑移定义：滑移面：原子最密排面；滑移向：原子最密排方向。滑移系：滑移面和滑移向的组合。滑移系越多，材料的塑性越好。晶体结构的影响较大：fcc＞bcc＞hcp滑移的临界分切应力τ=(P/A)cosφcosλφ—外应力与滑移面法线的夹角；λ—外应力与滑移向的夹角；Ω=cosφcosλ称为取向因子。第17页，课件共60页，创作于2023年2月塑性变形-滑移模型滑移是金属晶体在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。第18页，课件共60页，创作于2023年2月塑性变形-孪生模型孪生本身提供的变形量很小,但可以调整滑移面的方向,使新的滑移系开动,因而可以对塑性变形产生影响。第19页，课件共60页，创作于2023年2月单晶金属第20页，课件共60页，创作于2023年2月塑性变形的特点

（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性

∵各晶粒的取向不同即cosφcosλ不同。

对于具体材料，还存在相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。

（2）变形的相互协调性

多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。

五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。第21页，课件共60页，创作于2023年2月屈服现象第22页，课件共60页，创作于2023年2月屈服机理第23页，课件共60页，创作于2023年2月第24页，课件共60页，创作于2023年2月第25页，课件共60页，创作于2023年2月影响金属材料屈服强度的因素（1）晶体结构：金属材料的屈服过程主要是位错的运动。（2）晶界与亚结构：晶界是位错运动的重要障碍，晶界越多，对材料屈服强度的提高贡献越大。（晶粒细化）（3）溶质元素：晶格畸变应力场与位错应力场产生交互作用；溶质与溶剂之间的电学交互作用；化学交互作用；有序作用等都使位错运动受阻，从而提高屈服强度，产生固溶增强化。第26页，课件共60页，创作于2023年2月影响金属材料屈服强度的因素（4）第二相：其强化效果与质点的性质有关。

（5）温度：一般情况下，温度升高金属材料的屈服强度下降。但是，晶体结构不同，其变化形式各异。（6）应变速率与应力状态：应变速率对金属材料的屈服强度有明显的影响。应变速率高，金属材料的屈服应力显著提高；应力状态对金属材料屈服强度的影响规律是：切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度就越低。第27页，课件共60页，创作于2023年2月应变硬化第28页，课件共60页，创作于2023年2月应变硬化第29页，课件共60页，创作于2023年2月应变硬化第30页，课件共60页，创作于2023年2月应变硬化第31页，课件共60页，创作于2023年2月第32页，课件共60页，创作于2023年2月抗拉强度抗拉强度：拉伸实验时，试样拉断过程中最大实验力所对应的应力。其值等于最大拉力Fb除以试样的原始横截面面积A0，抗拉强度用σb表示，即σb=Fb/A0

抗拉强度是材料在承受拉伸载荷时的实际承载能力。高分子材料和陶瓷材料的抗拉强度是产品设计的重要依据。第33页，课件共60页，创作于2023年2月塑性与塑性指标（1）定义：塑性是指材料断裂前产生塑性变形的能力。

（2）材料塑性的评价：在工程上一般以光滑圆柱试样的拉伸伸长率和断面收缩率作为塑性性能指标。常用的塑性性能指标有三种：第34页，课件共60页，创作于2023年2月定义：固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂。材料的断裂是力对材料作用的最终结果，它意味着材料的彻底失效，因材料断裂而导致的机件失效与其他失效方式（如磨损、腐蚀等）相比危害性更大，并且可能出现灾难性的后果。因此，研究材料断裂的宏观与微观特征、断裂机理、断裂力学条件，以及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而且也有很大的实用价值。●金属的断裂第35页，课件共60页，创作于2023年2月材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。

按断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度：脆性断裂和韧性断裂；按晶体材料断裂时裂纹扩展的途径：穿晶断裂和沿晶断裂；按微观断裂机理：解理断裂和剪切断裂；按作用力的性质：正断和切断。

1、断裂的类型第36页，课件共60页，创作于2023年2月2、断口特征断口：材料的断裂表面称为断口。断口分析法：用肉眼、放大镜或电子显微镜等手段对材料断口进行宏观及微观的观察分析，以了解材料发生断裂的原因、条件、断裂机理以及与断裂有关的各种信息，称为断口分析法。第37页，课件共60页，创作于2023年2月（1）韧性断裂与脆性断裂韧性断裂定义：材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。韧性断裂特征：裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能，韧性断裂的断口用肉跟或放大镜观察时往往呈暗灰色、纤维状。形成原因：纤维状是由于塑性变形过程中，众多微细裂纹不断扩展和相互连接造成的，而暗灰色是纤维断口表面对光的反射能力很弱所致。举例：一些塑性较好的金属材料及高分子材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。第38页，课件共60页，创作于2023年2月脆性断裂定义：是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。脆性断裂特征：脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。例如：淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂过程及断口常具有上述特征。第39页，课件共60页，创作于2023年2月第40页，课件共60页，创作于2023年2月第41页，课件共60页，创作于2023年2月第42页，课件共60页，创作于2023年2月（2）穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂；而沿晶断裂则多数为脆性断裂。材料物理与性能第43页，课件共60页，创作于2023年2月（3）剪切断裂与解理断裂剪切断裂与解理断裂是两种不同的微观断裂方式，是材料断裂的两种重要微观机理。剪切断裂：剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。

解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。材料物理与性能第44页，课件共60页，创作于2023年2月剪切断裂的另一种形式为微孔聚集型断裂，微孔聚集型断裂是材料韧性断裂的普通方式，其断口在宏观上常呈现暗灰色、纤维状，微观断口特征花样则是断口上分布大量“韧窝”，如图1-26所示，微孔聚集断裂过程包括微孔形核、长大、聚合直至断裂。第45页，课件共60页，创作于2023年2月（3）微孔聚集型断裂第46页，课件共60页，创作于2023年2月力学实验力学实验弯曲实验硬度实验冲击实验布氏硬度实验洛氏硬度实验维氏硬度实验第47页，课件共60页，创作于2023年2月硬度及硬度试验硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力一、布氏硬度试验法

布氏硬度试验的原理：用一定直径D（mm）的钢球或硬质合金球，以相应的试验力F（N）压入试件表面，并保持一定的时间，然后卸除试验力，测量试件表面的压痕直径d（mm），用试验力除以压痕球形表面积A（mm2）所得的商作为布氏硬度值，符号为HBS（压头为钢球时）或HBW（压头为硬质合金球时）。第48页，课件共60页，创作于2023年2月第49页，课件共60页，创作于2023年2月HBS适用于测量低于布氏硬度值450的材料；HBW适用于测量低于布氏硬度值650的材料。试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表-1选择。第50页，课件共60页，创作于2023年2月金属种类布氏硬度范围HBS（HBW）试样厚度/mm0.102球的直径/mm试验力F/KN（kgf)试验力保持时间/s黑色金属140-4506～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)12<140>66～31010.05.09.807(1000)2.452(250)12非铁金属>1306～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)3036～1309～36～31010.05.09.807(1000)2.452(250)308～35>62.510.02.452(250)60第51页，课件共60页，创作于2023年2月

120HBS10／1000／30代表用10mm钢球，在1000kgf（10kN）试验力作用下保持30s，测得的布氏硬度值。布氏硬度试验法一般用于试验各种硬度不高的钢材、铸铁、有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。由于布氏硬度试验的压痕较大，试验结果能更好地代表试件的硬度。第52页，课件共60页，创作于2023年2月二、洛氏硬度实验

洛氏硬度试验法原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试验时，先加初始试验力98N（10kgf），使压头紧密接触试件表面a，并压入到b处，以此作为衡量压入深度的起点，再加主试验力使压头压入到c处，然后去掉主试验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到d处。洛氏硬度计表盘上读出即可。第53页，课件共60页，创作于2023年2月第54页，课件共60页，创作于2023年2月

试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按下选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种符号压头类型