航空工程材料（第4版） 课件 模块1 金属的力学性能

模块1金属的力学性能模块2金属材料的基础知识模块3铁碳合金模块4钢的热处理模拟5合金钢模块6有色金属模块7高分子材料模块8复合材料模块9其他航空非金属材料及航空消耗材料模块10构件的选材、失效与金属表面处理广州民航职业技术学院《航空工程材料》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—疲劳断裂模块1金属的力学性能概述静强度、刚度、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。材料的力学性能指材料受外力作用时所表现的性能。力学性能指标在GB/T228.1—2021《金属拉伸试验试样》中对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定，如图1-1所示。图1-1圆形标准拉伸试样（a）拉伸前；（b）拉伸后A0：试样的原始横截面积，d0：试样的原始直径，L：试件总长度，当L＝10d0时，称为长试样；当L＝5d0

时，称为短试样。1.1刚度与弹性如何评价材料的力学性能？测定材料的拉伸曲线将标准试样施加轴向拉伸载荷（所用仪器如下图）：万能试验机1.1刚度与弹性图1-2低碳钢的应力—应变曲线使之发生变形直至断裂，便可得到试样应变ε随应力σ变化的关系曲线，称为应力—应变曲线。应变ε=Δl/l0=(l1－l0)/l0

试样原始标距增量与原始标距之比应力σ=F/A0外力与试样原始横截面积之比1.1刚度与弹性图1-2低碳钢的应力—应变曲线OA:弹性变形阶段；OA′部分为一斜直线，应力与应变呈比例关系；BC：塑性形变阶段，应力不增加，表现屈服特性；CD:均匀塑性变形阶段，应力不断增加，产生应变强化；DE:局部塑性变形，出现颈缩现象，直至断裂。1.1刚度与弹性OA弹性变形：此阶段内卸掉载荷，试样恢复到原来尺寸；弹性极限：用σe

表示，A点所对应的应力为材料承受最大弹性变形时的应力；其中OA′部分为一斜直线；比例极限：用σp表示，A′点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力;A点和A′点可近似视为一点。塑性变形：形变不随外力的撤去而消失；塑性变形部分：A-E阶段；图1-2低碳钢的应力—应变曲线1.1刚度与弹性试样断裂前所发生的总变形εE=弹性变形+塑性变形断裂时弹性变形部分仍然会做弹性恢复，保留下来的变形部分为塑性变形，称为残余变形，如图1-2中δE所示。断裂后，弹性变形部分会做弹性恢复还是会保留下来？1.1刚度与弹性刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力刚度指标：弹性模量（E）弹性模量E：在弹性变形范围内，应力与应变的比值。Ｅ＝tanα＝σ/ε（单位为MPa）物理意义:产生单位弹性变形时所需应力的大小。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。1.1刚度与弹性对于具体零件，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。1.2强度与塑性1.2.1强度材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。根据加载方式不同，强度指标有许多种，如屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。屈服强度和抗拉强度两个指标应用最多。1.屈服强度什么是材料的屈服？材料持续发生塑性变形而应力却不增加的现象称为屈服。在图中屈服阶段为BC段。屈服强度指B点所对应的应力，用σs

表示。屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力。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这一阶段规定：用拉伸时产生0.2％残余变形所对应的应力为材料的屈服应力，称为条件屈服强度或名义屈服强度，记为σ0.2。图1-3名义屈服强度的确定

在图1-2中，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，即出现颈缩，如图1-1（b）所示，随应变增加，应力明显下降，并迅速在E点断裂。2.抗拉强度抗拉强度：为材料断裂前所承受的最大应力，即D点所对应的应力，用σb

表示。抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，是零件设计和材料评价的重要指标。塑性:材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力塑性指标:伸长率和断面收缩率1.2.2塑性伸长率:试样被拉断后标距部分的总伸长量与原始标距之比的百分率δ＝(l１－l０)/l０×100%；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ψ＝(Ａ０－Ａ１)/Ａ０×100%。δ与ψ的数值越大，材料的塑性越好还是越坏？δ与ψ越大，断裂前发生的变形越大，塑性越好。δ与ψ哪个指标更能准确的反应材料的塑性？由于有些材料在拉伸试验时会出现局部颈缩，有些材料则不会，因此用ψ表示材料的塑性比用δ表示更接近真实情况。

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。采用长试样进行拉伸试验，所得伸长率用δ10表示，而用短试样所得伸长率用δ5表示，显然有δ5＞δ10。材料的塑性指标具有重要的实际意义材料冷压成型好蒙皮翼肋燃烧室塑性好具有塑性的零件超载应力集中塑性变形加工硬化效应硬度提高突然脆性断裂避免1.3硬度硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。为什么要测硬度？简便迅速；可在非工作面上直接测量，不会损坏零件。硬度测试方法：压入法根据测量方法不同，常用硬度指标有：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等1.3.1布氏硬度图1-4布氏硬度的试验原理图压头：直径D钢球或硬质合金球在一定载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸载所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。实际操作时，先测量压痕平均直径d，然后查表得到材料的布氏硬度值。举例：120HBS10／1000／30

硬度值球体直径载荷载荷保持时间表示直径为10mm的钢球在1000kgf(9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度表示方法钢球，HBS，用于布氏硬度值在450以下的材料。硬质合金，HBW，用于布氏硬度在650以下的材料。压头优点：测量误差小、数据稳定；缺点：压痕大不能用于太薄测试样或成品零件的工作表面。最常用的钢球压头适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。

布氏硬度优缺点

根据压痕深度大小表示材料的硬度值，压坑越深，硬度越低。120°的金刚石圆锥压头测定硬度较高的材料淬火钢球压头测定硬度较低的材料1-5洛氏硬度的试验原理1.3.2洛氏硬度根据选用载荷与压头的不同，分为9个标尺，常用的有A、B、C三个，并将标尺代号标注在符号HR的右边。如HRA、HRB、HRC等，硬度值仍写在符号HR的前面，如50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度为50。应当注意：不同级别的硬度值不能直接相互比较。洛氏硬度表示方法

优点：测量范围大，可测很软到很硬的金属材料；直接读出硬度值；压痕小，可以直接在成品零件上测试；

缺点：测量结果分散度大，精确度不高。洛氏硬度优缺点

维氏硬度的试验原理如图1-6所示。压头:136°正四棱锥体金刚石在一定载荷P的作用下压入试样表面，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维氏硬度可通过测量压痕对角线长度d查表得到1.3.3维氏硬度图1-6维氏硬度的试验原理表示在30kgf（294.2N）载荷作用下保压时间为20s测定的维氏硬度值为640。维氏硬度表示方法举例：640HV30／20

硬度值载荷载荷保持时间维氏硬度优缺点优点：1）可测量硬度高而薄的工件2）测量值精确3）既可测大块材料、表面硬化层硬度，又可测组织中不同相的硬度缺点：对试件表面质量要求较高1.4韧性韧性:材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，断裂时吸收的能量较多，则材料发生脆性断裂的可能性越小。

定义：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。

测定方法：弯曲冲击试验。标准试样：10×10×55mm

V型缺口或U型缺口1.4.1冲击韧性图1-7摆锤式冲击试验机1）将带有缺口的标准试样安装在试验机的支座上，注意使试样缺口背向摆锤的冲击方向。1.4.1冲击韧性2）将具有一定重力G的摆锤举至一定高度H1。

3）使摆锤自由落下，冲断试样，并向反方向升起一定高度H2。（试样吸收的能量不同，摆锤所能达到的高度不同。韧性越好的材料，断裂时吸收的能量越大，摆锤达到的高度越小）试样被冲断所吸收的能量即是摆锤冲击试样所做的功，称为冲击吸收功以Ak表示。Ak=G(H1-H2)。（可由刻度盘直接读出）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ak=Ak/A

(kg·m/cm2)。式中A表示试件缺口处的横截面面积。1.4.1冲击韧性能量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。ak值越大，材料的韧性越大。

ak值低的材料为脆性材料，ak值大的材料为塑性材料。

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。冷脆：随温度下降，ak值降低，在某一温度范围内ak值急剧降低，称为冷脆现象。1.4.1冲击韧性工程上很多承受冲击载荷的零件，很少因为一次大能量冲击而破坏，而是要经过千百万次小能量多次冲击才发生断裂。为此提出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。1.4.1冲击韧性如1943年1月，美国一艘T-2油轮停泊在装货码头时，发生突然断裂成两截的惨祸。断裂时船体承受的应力仅为68.6MPa，船体钢材的强度极限300MPa～400MPa，材料的屈服强度245MPa。1.4.2断裂韧性脆断最危险的断裂不产生明显的塑性变形应力集中、疲劳、腐蚀1.4.2断裂韧性材料存在缺陷冶金、加工、工作来源裂纹扩展达到临界尺寸低应力脆断在应力的作用下，结构件中原有缺陷形成的裂纹发生失稳扩展而引起的。断裂韧性：材料内部抵抗裂纹失稳扩展的能力。判断裂纹扩展难易的指标图1-9裂纹表面三种位移形式(a)张开型裂纹；(b)滑开型裂纹；(c)撕开型裂纹。裂纹扩展的方式有三种：张开型、滑开型和撕开型1.4.2断裂韧性张开型最危险最常见的形式

第一类为张开型裂纹，如图1-9(a)所示。构件承受垂直于裂纹面的拉力作用，裂纹表面的相对位移沿着自身平面的法线方向，若受拉板上有一条垂直于拉力方向而贯穿于板厚的裂纹，则该裂纹就是张开型裂纹。1.4.2断裂韧性第二类为滑开型裂纹，如图1-9(b)所示。构件承受平行裂纹面而垂直于裂纹前缘的剪力作用，裂纹表面的相对位移在裂纹面内，并且垂直于裂纹前缘，如齿轮或花键根部沿切线方向的裂纹就是滑开型裂纹。1.4.2断裂韧性第三类为撕开型裂纹，如图1-9(c)所示。构件承受平行于裂纹前缘的剪力作用，裂纹表面的相对位移在裂纹面内，并平行于裂纹前缘的切线方向，如扭矩作用下圆轴的环形切槽或表面环形裂纹就是撕开型裂纹。1.4.2断裂韧性含有裂纹的构件，σ裂纹尖端附近区域

≧σ平均σ裂纹尖端附近区域决定裂纹是否发生失稳扩展应力强度因子：为研究裂纹尖端附近区域的应力情况，引进了一个表示裂纹尖端附近区域应力场强度的因子。对于无限大厚板的中央穿透I型裂纹（张开型裂纹）的应力强度因子KⅠ=σ（πa）1/2a——裂纹长度的一半σ——外加应力随σ增加，

KⅠ增加到σc，裂纹突然失稳扩展，发生脆性断裂，对应的KⅠc为临界应力强度因子，即材料的断裂韧性。1.4.2断裂韧性KⅠ：衡量裂纹尖端应力场强弱的物理量，与外载荷大小、构件和裂纹的形状和尺寸有关，并不是材料的力学性能指标。KⅠc：断裂韧性，只与材料有关，反映材料抵抗脆性断裂的能力的物理量。对一定材料，断裂韧性KⅠc是常数，KⅠc高的材料对裂纹扩展的抗力高，裂纹不易扩展，零件不易发生脆性破坏。一般来讲，KⅠc与σc、σb的变化相反，而和塑性、冲击韧性的变化一致。KⅠc=σc（πa）1/21.4.2断裂韧性1、断裂韧性KⅠc的大小与材料内部有没有裂纹或是裂纹大小有没有关系？2、同种材料做的尺寸形状相同的零件，第一种a=0，第二种a=1，第三种a=2，把这三种材料拉断所需要的应力是不是一样的？思考：1.4.2断裂韧性断裂韧性的特点：

（1）在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言它是一个常数。

（2）当a一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；

（3）当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。（4）韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。1.4.2断裂韧性对某种材料来说，K是一个常数，也是材料力学性能的指标，表示材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力，称为断裂韧性。a1.4.2断裂韧性图1-10断裂强度与裂纹深度的关系曲线示意图为了研究裂纹对材料断裂强度的影响，把刻有不同深度刻痕的试件进行拉伸试验，画出如图1-10所示的裂纹深度a与实际断裂强度的关系曲线，且有公式K=σc成立。1.5疲劳强度1954年1月10日，英国海外航空公司的彗星1号客机从意大利罗马飞往英国伦敦，起飞后不到半小时，机身突然在空中破碎，从9000米高空坠入地中海，机上所有乘客和机组人员全部遇难。5月2日，该公司的另一架彗星飞机从印度加尔各答机场起飞后坠毁，机上42人全部罹难。5月8日，彗星号再度发生空难，那架彗星式客机原本计划由罗马前往埃及开罗，但在起飞后失去联络，事后在意大利南方海岸发现飞机残骸和遇难乘客遗体。1.5疲劳强度这次事故震惊了全世界，英国的航空专家由此成立专门的调查组调查事故，结论是：彗星式飞机在飞行中由于金属部件发生裂痕而造成了解体事故。产生这种裂痕的原因就是金属疲劳。彗星号客机悲剧是世界航空史上首次发生的因金属疲劳而导致飞机失事的事件，从此在飞机设计中将结构疲劳极限正式列入强度规范加以要求。1.5疲劳强度2002年5月25日下午，台湾中华航空公司一架飞往香港的B747客机在起飞后约半小时与机场失去联系，下落不明。机上共有207名乘客和19名机组成员。事故调查原因：该客机在接近巡航高度时，因机身后段底部结构失效而发生空中解体。失事原因是金属疲劳断裂，金属疲劳裂纹竟源自1980年2月7日飞机起飞时擦地产生的刮痕，后来飞机在维修时，刮痕并未刨光即补上补丁，金属疲劳裂纹就沿着刮痕产生。1.5疲劳强度

1948年美国“马丁202”运输机在正常航行中突然坠毁1952年美国“F-86”歼击机在空中爆炸1959年，F-111战斗轰炸机在俯冲拉起时一个机翼突然折断1979年，一架DC-10型客机在起飞后不久坠毁。一连串的飞机事故引起世界各国、特别是航空工业部门的极大关注和震惊。经过事故分析和调查，发现这些事故都是由于疲劳破坏造成的。1.5疲劳强度1.5.1交变载荷和交变应力交变载荷：载荷的大小和方向随时间做周期性或不规则改变的载荷。

交变应力：在交变载荷的作用下，结构件承受的应力为交变应力。应力循环：应力从某一数值开始，经过变化又回到这一数值的应力变化过程。最大/小应力σmax/σmin：在一个应力循环中代数值最大/小的应力。平均应力σm=(σmax+σmin)/2应力幅σa=(σmax-σmin)/2应力比R=σmin/σmax交变应力分为三种：R=-1对称循环；R=0脉动循环；R为任意值非对称循环1.5.1交变载荷和交变应力疲劳断裂：

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，但是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。1.5.2疲劳断裂疲劳源：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）处产生微裂纹。疲劳扩展区（光亮区）：随着交变载荷循环次数的增加，疲劳源裂纹不断开合，同时裂纹逐步扇形扩展。粗糙区：当扩展区达到一定的临界尺寸时，构件剩余截面面积较小，在交变载荷的某次拉伸力的作用下，材料应力超过抗拉强度，这时零件会发生突然的脆性断裂，最后脆断的区域称为瞬间断裂区，由于这一区域断口表面比较粗糙，所以也叫粗糙区。图1-11疲劳断裂断口照片疲劳断裂的特征：1）在金属构件的交变应力远小于材料的极限强度的情况下，破坏就可能发生。2）疲劳破坏在宏观上无明显塑性变形，具有很大危险性。3）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，要经过一个时间历程，由三个阶段组成。4）疲劳破坏常具有局部性质，并不牵涉到整个结构的所有材料。1.5.2疲劳断裂疲劳强度通过疲劳试验获得。疲劳曲线：在不同交变载荷的作用下，测定其发生断裂时的载荷循环次数N，将试验结果绘成应力与次数的关系曲线。1.5.3疲劳强度的测定图1-12疲劳曲线示意图试验应力降低，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。疲劳强度：试样承受无限次应力循环仍不断裂时的最大应力。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。对于这一类材料，取在某一规定应力循环次数下，材料所能承受的最大应力值作为名义疲劳极限。对于黑色金属一般选107周次对于有色金属、不锈钢选108周次1.5.3疲劳强度的测定1、在设计方面，合理设计构件的形状尽量避免尖角、缺口和截