材料力學(xué)行為及性能

1、.緒論§0.1 工程材料工程材料分類（按其應(yīng)用分）Ø 結(jié)構(gòu)材料聲學(xué)材料：隔音層光學(xué)材料：玻璃，鏡片電學(xué)材料：金屬導(dǎo)線，電子元器件磁學(xué)材料：磁頭、磁卡化學(xué)材料：高分子材料催化劑生物材料：人工關(guān)節(jié)、人工骨骼依靠其力學(xué)性能得以發(fā)展和應(yīng)用的材料。Ø 功能材料利用物質(zhì)的聲、光、電、磁、化學(xué)乃至生物性能得以發(fā)展和應(yīng)用的材料。（本課程所研究和講述的重點(diǎn)在第一種，尤其是結(jié)構(gòu)材料中的金屬材料）§0.2 力學(xué)性能材料抵抗外加載荷（不僅指外力和能量的作用，而且還包括環(huán)境因素例如溫度、介質(zhì)、加載速率等的影響）所引起的變形和斷裂的能力。§0.3 研究?jī)?nèi)容研究材料在外力作

2、用下的變形、斷裂和壽命。Ø 彈性生活中常指后者材料在外力作用下保持固有形狀和尺寸的能力；以及在外力去除后恢復(fù)固有形狀和尺寸的能力。Ø 塑性材料在外力作用下發(fā)生永久不可逆變形的能力。Ø 強(qiáng)度材料對(duì)塑性變形和斷裂的抗力。Ø 壽命材料在外力的長(zhǎng)期和重復(fù)作用下，或在外力和環(huán)境因素的復(fù)合作用下，抵抗失效的能力（時(shí)間長(zhǎng)短）。（以上只是定性地說(shuō)明這些力學(xué)性能，如果要定量地說(shuō)明它就必須用一些力學(xué)參量（應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子等）來(lái)表示這些力學(xué)性能。如果我們說(shuō)某材料的力學(xué)性能好，就是指這些力學(xué)參量的值高或低，所以人們通常將力學(xué)參量的臨界值或規(guī)定值稱為材料的力學(xué)性能指標(biāo)。

3、如：強(qiáng)度指標(biāo)、塑性指標(biāo)、韌性指標(biāo)）具體研究涉及的內(nèi)容：Ø 材料（包括金屬材料和非金屬材料）在不同形式外力作用下，或者外力、溫度、環(huán)境等因素的共同作用下，發(fā)生變形、損傷和斷裂的過(guò)程、機(jī)理和力學(xué)模型；Ø 評(píng)定力學(xué)性能的各項(xiàng)指標(biāo)的意義（物理意義和工程實(shí)用意義）、各指標(biāo)間的相互關(guān)系以及具體的測(cè)試技術(shù)；Ø 研究力學(xué)性能指標(biāo)機(jī)理、影響因素以及改善或提高這些力學(xué)性能指標(biāo)的方法和途徑。（注：材料力學(xué)性能的影響因素內(nèi)因：化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量、殘余應(yīng)力、表面和內(nèi)部缺陷。外因：載荷性質(zhì)、載荷譜、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、環(huán)境介質(zhì)等。）§0.4學(xué)習(xí)和研究材料力學(xué)性能的目的和意義機(jī)

4、械和工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)達(dá)到所要求的性能，并且在規(guī)定的服役期內(nèi)安全可靠地運(yùn)行，同時(shí)也要具有經(jīng)濟(jì)性，即低的設(shè)計(jì)、制造和維修費(fèi)用。達(dá)到使用要求；安全性；經(jīng)濟(jì)性然而，各種機(jī)械和結(jié)構(gòu)零部件的使用條件各不相同，因而要選用不同的的材料制成零件，也需要采用不同的工藝手段來(lái)完成零件的實(shí)際制作。而材料的力學(xué)性能及其評(píng)定指標(biāo)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選用材料、制訂加工工藝的主要依據(jù)，也是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的主要依據(jù)。Ø 在零部件使用中，要求材料具有高的變形和斷裂抗力，使零部件在受外力作用時(shí)能保持設(shè)計(jì)所要求的外形和尺寸，并保證在服役期內(nèi)安全地運(yùn)行；Ø 在零部件的生產(chǎn)過(guò)程中，則要求材料具有優(yōu)良的可加工性。（例如，在

5、金屬的塑性成形中，要求材料具有優(yōu)良的塑性和低的塑性變形抗力）對(duì)于學(xué)生，必須具有材料力學(xué)性能方面的知識(shí)，以便在研究新材料和改善材料的過(guò)程中，能根據(jù)材料的使用要求，選用合適的現(xiàn)有材料或研制新材料，制訂合適的加工工藝。§0.5研究方法Ø 理論分析Ø 試驗(yàn)測(cè)定Ø 數(shù)值模擬§0.6課程的內(nèi)容安排Ø 第一部分材料在一次靜加載條件下的形變和斷裂過(guò)程、機(jī)制和基本理論；試樣有光滑、缺口和含裂紋的；Ø 第二部分論述材料的疲勞、蠕變、環(huán)境效應(yīng)和磨損；Ø 第三部分簡(jiǎn)要介紹復(fù)合材料、高分子材料和陶瓷材料的力學(xué)性能。§0.7學(xué)習(xí)要求

6、Ø 注重溫故而知新（和其他課程的關(guān)系）Ø 掌握基本概念和基本理論（對(duì)公式做理解性記憶）Ø 注重理論和試驗(yàn)相結(jié)合（試驗(yàn)原理，方法，設(shè)備以及結(jié)果分析等）Ø 做練習(xí)第一章 材料在靜拉伸條件下的力學(xué)性能拉伸試驗(yàn)是最簡(jiǎn)單，但卻是最重要的力學(xué)性能試驗(yàn)方法，可測(cè)定材料的彈性、強(qiáng)度、塑性、應(yīng)變硬化和韌性等許多重要的力學(xué)性能指標(biāo)。（拉伸性能）§1.1 拉伸試驗(yàn)室溫大氣中，在緩慢施加（110MPa/s）的單向拉伸載荷作用下，用光滑試件測(cè)定材料力學(xué)性能的方法。GB/T 228-2010<20MPa/s<0.0025/s<10mm/min標(biāo)準(zhǔn)圓棒形拉

7、伸標(biāo)準(zhǔn)板狀拉伸試樣比例試樣退火低碳鋼的拉伸圖彈性變形屈服均勻塑性變形局集塑性變形斷裂工程應(yīng)力：；工程應(yīng)變：工程應(yīng)力應(yīng)變曲線真應(yīng)力：；真應(yīng)變：由于材料具有不同的化學(xué)成份和微觀組織，在相同的試驗(yàn)條件下，也會(huì)顯示出不同的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。脆性材料鑄鐵、玻璃等不存在屈服平臺(tái)，有色金屬（鋁合金），焊接接頭無(wú)頸縮、局集的塑變高錳鋼，鋁青銅無(wú)均勻塑性變形，冷拔鋼絲存在非線性彈性變形聚氯乙烯工程實(shí)踐中，常按材料在拉伸斷裂前有無(wú)塑性變形，將材料分為脆性材料和塑性材料。§1.2 彈性變形變形：材料在外力作用下發(fā)生尺寸或形狀的變化，稱為變形；彈性變形：若外力除去后，變形隨之消失（恢復(fù)原形狀、尺寸，變形可逆），

8、稱為彈性變形。一、物理本質(zhì)原子間的相互作用力當(dāng)原子偏離其平衡位置較小時(shí)，原子間的相互作用力與原子間的距離近似成正比?；⒖硕桑憾?、彈性常數(shù)彈性模量：；泊松比： ；切變（剪切）模量： 體積彈性模量： 廣義虎克定律：；（本構(gòu)方程，物理方程，彈性矩陣）三、彈性模量的影響因素彈性模量E越高，在相同應(yīng)力作用下，彈性變形越小，因此E代表了材料對(duì)彈性變形的抗力，或者說(shuō)代表了材料的剛度（注意：和構(gòu)件的剛度不同）1. 隨原子序數(shù)做周期性變化；表明E隨原子半徑增大而減小（同族元素，原子核最外層電子排列方式相同），亦即隨原子間的距離增大而減小。（各向異性）2. 合金元素和熱處理對(duì)E影響較??；即合金化（如果不影響原子

9、間距的話）和熱處理對(duì)E基本無(wú)影響；3. 溫度E（鋼：34%/100）固體中的彈性變形以介質(zhì)中的聲速傳播4. 一般的加載速率不影響E（鋼：vs=5000m/s，擺錘沖擊：46m/s，子彈出膛：1000m/s）5. 冷變形稍微降低金屬的彈性模量（鋼：下降46）四、彈性指標(biāo)1.比例極限（p）（proportion）非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力材料彈性變形時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變成嚴(yán)格的正比關(guān)系的上限應(yīng)力（彈性應(yīng)變和應(yīng)力成正比關(guān)系的最大抗力）彈性元件（儀表）需要應(yīng)力應(yīng)變呈嚴(yán)格線性關(guān)系，即靈敏系數(shù)為定值條件（規(guī)定）比例極限的確定應(yīng)力超過(guò)彈性極限，材料便開(kāi)始發(fā)生塑性變形2.彈性極限（e）材料發(fā)生可逆的彈性變形的上限應(yīng)力值理論上，彈

10、性極限的測(cè)定應(yīng)該是通過(guò)不斷的加載與卸載，直到能使變形恢復(fù)的極限載荷為止；實(shí)際上，工程中通常規(guī)定以產(chǎn)生規(guī)定的某一少量殘留變形（如0.005，0.01，0.05）時(shí)的應(yīng)力做為彈性極限，稱為條件彈性極限。（均表征材料對(duì)微量塑性變形的抗力）條件彈性極限的確定（有些不允許出現(xiàn)殘留變形的工件，例如機(jī)床的導(dǎo)軌）3. 屈服強(qiáng)度（屈服極限）（s y或0.2）屈服強(qiáng)度標(biāo)志著金屬對(duì)塑性變形的抗力，是工程技術(shù)上最為重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。對(duì)于拉伸時(shí)出現(xiàn)屈服平臺(tái)的材料，由于下屈服點(diǎn)再現(xiàn)性較好，故以下屈服應(yīng)力做為材料的屈服強(qiáng)度。記為s。但是，更多的材料在拉伸時(shí)看不到屈服平臺(tái)，因而人為地規(guī)定當(dāng)試件發(fā)生一定殘余塑性變形量時(shí)的

11、應(yīng)力做為材料的屈服強(qiáng)度，稱為條件屈服強(qiáng)度。允許的殘余變形量可因機(jī)件的服役條件而異。常用的條件屈服強(qiáng)度為0.2，表示殘余變形量為0.2時(shí)的應(yīng)力。（對(duì)于一些特殊機(jī)件，如高壓容器，為保持嚴(yán)格氣密性，其緊固螺栓不允許有微小的殘余伸長(zhǎng)，要采用0.01甚至0.001做為條件屈服強(qiáng)度；而對(duì)于橋梁、建筑物等大型工程結(jié)構(gòu)的構(gòu)件則可以容許更大的殘余變形量如0.5。因此可見(jiàn)，條件屈服強(qiáng)度和條件彈性極限沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。）4. 彈性比功（We）又稱彈性應(yīng)變能密度，彈性比能，彈性應(yīng)變比能。金屬材料吸收變形功而又不發(fā)生永久變形的能力；是在開(kāi)始塑性變形前單位體積材料所能吸收的最大彈性變形功。減震和儲(chǔ)能，既要吸收大量變形功，又

12、不允許發(fā)生塑性變形淬火+中溫回火提高e，或降低E均可提高材料的彈性比功，而提高e作用更大（因其為平方），且E很難改變（如前述）。彈性元件要求在低應(yīng)力條件下發(fā)生較大的可見(jiàn)變形而又不發(fā)生塑性變形。硅錳鋼e=1200MPa1600MPa（如60Si2Mn）彈性元件還多用磷青銅，鈹青銅，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)磁性，高的e（1000MPa），低的彈性模量E（110GPa），因此靈敏度高。五、彈性不完善性（彈性不完整性）完善彈性指受到應(yīng)力作用時(shí)立即產(chǎn)生相應(yīng)的彈性應(yīng)變，去除應(yīng)力時(shí)彈性應(yīng)變也隨之消失；在應(yīng)力應(yīng)變曲線上，加載線和卸載線完全重合，即應(yīng)力和應(yīng)變嚴(yán)格同相位。然而實(shí)際的金屬材料，即使在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)變與應(yīng)力也并非

13、呈嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即應(yīng)變不僅和應(yīng)力有關(guān)，還和時(shí)間以及加載方式有關(guān)，這些與完善彈性性質(zhì)不同的現(xiàn)象，稱為彈性不完善性。主要包括彈性后效、彈性滯后以及包申格效應(yīng)（Bauschinger）。1.彈性后效（滯彈性）正彈性后效（），彈性蠕變；反彈性后效（）（用于表示彈性后效的大?。?yīng)變落后于應(yīng)力的變化。對(duì)于多晶金屬材料，彈性后效與起始變形的非同時(shí)性有關(guān)，即與各晶粒中應(yīng)變不一致不均一性有關(guān)。（因此，材料的成分和組織不均勻，彈性后效增大。具有密排六方晶格的鎂，晶格對(duì)稱性較低（與立方晶格相比），彈性后效強(qiáng)烈；經(jīng)淬火或冷作硬化的碳鋼，彈性后效高達(dá)30（回火300450，彈性后效消失）；另外溫度和應(yīng)力狀態(tài)對(duì)彈性后效

14、也有明顯影響）彈性后效明顯，會(huì)影響儀表中彈性原件的靈敏度。2.彈性滯后和內(nèi)耗相對(duì)滯后系數(shù)循環(huán)韌性彈性滯后環(huán)Cr13系列鋼用于制造汽輪機(jī)葉片Ø 優(yōu)點(diǎn)彈性滯后，加載時(shí)金屬所吸收的彈性變形能大于卸載時(shí)所釋放的彈性變形能，即有一部分能量被不可逆地吸收（滯后環(huán)面積），稱為內(nèi)耗?？捎糜跍p震（減震元件，例如灰口鑄鐵，做機(jī)器或結(jié)構(gòu)的底座或支架）Ø 缺點(diǎn)有內(nèi)耗，如果做為儀表的彈性元件，將降低其靈敏度，另外，樂(lè)器中元件（例如琴弦），要求其內(nèi)耗低，以使聲音 共鳴而不衰減，音響效果好。1880年代，德國(guó)人，拉壓試驗(yàn)3.包申格（Bauschinger）效應(yīng)材料預(yù)先經(jīng)過(guò)少量塑性變形（<1%4%）

15、后再同向加載，比例極限和彈性極限升高，若反向加載，則比例極限和彈性極限降低，這一現(xiàn)象稱為包申格效應(yīng)。（此效應(yīng)值得注意的是反向加載時(shí)彈性極限幾乎下降到0的情況，說(shuō)明反向變形時(shí)正比彈性性質(zhì)改變了，并且立即出現(xiàn)了塑性形變。）Ø 舉例T10鋼淬火350回火，曲線1：正常拉伸，0.2=1130MPa 曲線2：事先經(jīng)過(guò)預(yù)壓塑性變形再拉伸時(shí)，0.2 =880MPaØ 原因原先加載變形時(shí),位錯(cuò)源在滑移面上產(chǎn)生的位錯(cuò)遇到障礙,塞積后產(chǎn)生了背應(yīng)力,當(dāng)反向加載時(shí),位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向與原來(lái)方向相反；背應(yīng)力幫助位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),塑性變形容易,屈服強(qiáng)度s,另外,反向加載時(shí),滑移面上產(chǎn)生的位錯(cuò)與預(yù)變形的位錯(cuò)異號(hào),異

16、號(hào)位錯(cuò)銷毀,引起材料軟化,s。Ø 應(yīng)用經(jīng)微量冷變形的材料若是在使用時(shí)的受力方向和原來(lái)的變形方向相反，必須考慮屈服強(qiáng)度的降低；在板加工軋制過(guò)程中，設(shè)法使其通過(guò)各道軋輥時(shí)交替地承受反向彎曲應(yīng)力，這樣可以降低屈服強(qiáng)度，從而增加其延展性；Ø 消除進(jìn)行較大的預(yù)應(yīng)變，產(chǎn)生較大殘留塑性變形；或在引起金屬回復(fù)或再結(jié)晶的溫度下退火。（鋼，400500）§1.3 塑性變形一、物理本質(zhì)常見(jiàn)的塑性變形方式是滑移和孿生（前者是最基本的）。1.滑移晶體的塑性變形是晶體的一部分沿著某些晶面或晶向發(fā)生滑動(dòng)的結(jié)果，這種塑性變形方式稱為滑移。（滑移臺(tái)階；滑移線，滑移帶，臺(tái)階的累積構(gòu)成宏觀塑性變形，滑

17、移面，滑移方向，一個(gè)滑移面與此面上的一個(gè)滑移方向結(jié)合起來(lái)構(gòu)成一個(gè)滑移系，其表示金屬晶體在發(fā)生滑移時(shí)滑移動(dòng)作可能采取的空間取向，滑移系越多，塑性越好；一般說(shuō)來(lái)，滑移面總在原子排列最密的晶面上，也總在原子排列最密的晶向上；臨界分切應(yīng)力（隨溫度上升而下降）2.孿生晶體在切應(yīng)力作用下，晶體局部區(qū)域內(nèi)，晶體的一部分沿著一定的結(jié)晶面（稱為孿晶面或?qū)\生面）和一定的晶向（孿生方向）相對(duì)于另一部分晶體做均勻地切變。（切變后已變形區(qū)的晶體取向與未變形區(qū)的晶體取向呈鏡面對(duì)稱關(guān)系；孿生變形可以調(diào)整滑移面的方向，使新的滑移系開(kāi)動(dòng)，間接對(duì)塑性變形有貢獻(xiàn)，即：滑移受阻，出現(xiàn)孿生，變形速度加快；（臨界分切應(yīng)力隨溫度下降而提高

18、）3.多晶體金屬的塑性變形Ø 各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性；Ø 各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性二、屈服現(xiàn)象和屈服強(qiáng)度1.屈服現(xiàn)象1）表現(xiàn)許多退火的中低碳鋼或低合金鋼，或某些有色金屬（如三七黃銅），這類材料從彈性變形階段過(guò)渡到塑性變形階段是明顯的，表現(xiàn)為在試驗(yàn)中，當(dāng)加載到A點(diǎn)時(shí)，材料發(fā)生突然的塑性變形，使載荷下降到B點(diǎn)；同時(shí)在試件過(guò)渡圓角處出現(xiàn)與拉力呈45º的變形帶（呂德斯帶，屈服線，該線布滿整個(gè)試樣時(shí)，屈服伸長(zhǎng)結(jié)束），隨后在應(yīng)力做微小波動(dòng)的情況下，試件繼續(xù)伸長(zhǎng)。（或外力恒定不增加的條件下試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)）這便是屈服現(xiàn)象。：塑性變形應(yīng)變速率；b：柏氏矢量的模；：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速

19、率；：可動(dòng)位錯(cuò)密度：沿滑移面的切應(yīng)力0：位錯(cuò)以單位速率運(yùn)動(dòng)所需的切應(yīng)力：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率應(yīng)力敏感指數(shù)屈服過(guò)程中形成的伸長(zhǎng)稱為屈服伸長(zhǎng)；屈服伸長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的水平線段或形成屈服平臺(tái)。2）物理本質(zhì)三條件Ø 材料塑性變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度很小；（或雖有但大量位錯(cuò)被雜質(zhì)原子或第二相質(zhì)點(diǎn)釘扎住）Ø 隨塑性變形發(fā)展，位錯(cuò)能快速增殖；Ø 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與外加應(yīng)力有強(qiáng)烈依賴關(guān)系 由于塑形變形前材料中的可動(dòng)位錯(cuò)很小，為了適應(yīng)一定的宏觀變形速率（即試驗(yàn)機(jī)橫梁移動(dòng)速度）的要求，必須增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率。而位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率又取決于應(yīng)力的大小，因此，必須要有較高的外應(yīng)力，因此出現(xiàn)上屈服點(diǎn)。接著發(fā)生塑形變形，位錯(cuò)大量增值

20、，增大，為適應(yīng)原先的形變速率，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率必然大大降低，相應(yīng)的應(yīng)力也就突然降低，出現(xiàn)了屈服現(xiàn)象。m越小，為使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率變化所需的應(yīng)力變化越大，屈服現(xiàn)象越明顯。bcc金屬的m小于20，fcc金屬的m則大于100200，因此前者屈服現(xiàn)象明顯，而后者不顯著。2.屈服強(qiáng)度1）定義試樣在外力恒定仍能伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)（s）；試件發(fā)生屈服而載荷首先下降前的最大應(yīng)力稱為上屈服點(diǎn)（su）；當(dāng)不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的屈服階段的最小應(yīng)力稱為下屈服點(diǎn)（sl）；一般以屈服點(diǎn)或下屈服點(diǎn)做為材料的屈服強(qiáng)度，以表征材料對(duì)微量塑性變形的抗力；無(wú)屈服現(xiàn)象的材料就采用條件屈服強(qiáng)度（例如0.2）2）工程意義屈服強(qiáng)度是金屬材料重要

21、的力學(xué)性能指標(biāo)，它是工程上從靜強(qiáng)度角度選擇材料的基本依據(jù)。許用應(yīng)力：復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)：米賽斯（Mises）屈服準(zhǔn)則：（第四強(qiáng)度理論）屈雷斯卡（Tresca）屈服準(zhǔn)則：（第三強(qiáng)度理論）（高好，但不能太高，屈強(qiáng)比高，不利于應(yīng)力重分布，易斷；另外就是高不易加工，冷加工及焊接性能差，且對(duì)應(yīng)力腐蝕和氫脆敏感）3）影響屈服強(qiáng)度的因素內(nèi)在因素金屬的屈服強(qiáng)度從理論上講與位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)的臨界分切應(yīng)力有關(guān)（屈服變形是位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)的結(jié)果），其值主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的各種阻力決定。這些阻力主要是點(diǎn)陣阻力，位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力，位錯(cuò)與其他晶體缺陷之間交互作用的阻力等；（1）純金屬（形變強(qiáng)化（提高位錯(cuò)密度），細(xì)晶強(qiáng)化（晶界或亞

22、晶強(qiáng)化）（2）合金（固溶強(qiáng)化（引起點(diǎn)陣畸變）、第二相強(qiáng)化（沉淀或彌散強(qiáng)化）外在因素（1）溫度一般，溫度升高，屈服強(qiáng)度降低；（和金屬結(jié)構(gòu)有關(guān)，bcc溫度效應(yīng)高于fcc，原因是點(diǎn)陣阻力不同）（低溫脆性）（2）加載速率（變形速率，應(yīng)變速率）加載速率增加，金屬材料的強(qiáng)度增加（3）應(yīng)力狀態(tài)同一材料在不同加載方式下，屈服強(qiáng)度不同，因?yàn)橹挥星袘?yīng)力才會(huì)使材料產(chǎn)生塑性變形。而在不同應(yīng)力狀態(tài)下，材料中某一點(diǎn)所受的切應(yīng)力分量和正應(yīng)力分量的比例不相同，切應(yīng)力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強(qiáng)度越低，扭轉(zhuǎn)的屈服強(qiáng)度比拉伸屈服強(qiáng)度低，拉伸的又比彎曲的低，而三向不等拉伸下的屈服強(qiáng)度最高。柔度因數(shù)：（因此，測(cè)取材料屈服強(qiáng)度的

23、時(shí)候才會(huì)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸，以及標(biāo)準(zhǔn)加載方式，目的就在于保證試樣應(yīng)力狀態(tài)的一致性）三、形變強(qiáng)化（應(yīng)變硬化）截面收縮率：在金屬整個(gè)變形過(guò)程中，當(dāng)外力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度后，塑性變形并不是像屈服平臺(tái)那樣可以繼續(xù)流變下去，而是需要不斷增加外力才能繼續(xù)進(jìn)行。這表明金屬材料具有一種阻止繼續(xù)塑性變形的能力，這就是形變強(qiáng)化性能（應(yīng)變硬化）。要準(zhǔn)確全面描述材料的應(yīng)變硬化行為，要使用真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。1.真應(yīng)力應(yīng)變曲線在均勻塑性應(yīng)變階段，存在：真應(yīng)力：真應(yīng)變構(gòu)成真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線2.形變強(qiáng)化（應(yīng)變硬化）在拉伸的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線上，從屈服到頸縮一段曲線（均勻塑性變形階段），可以用Hollomon關(guān)系式描述：其中n為應(yīng)變

24、硬化指數(shù)，K為硬化（強(qiáng)度）系數(shù)（注意：的條件下，Romberg-Osgood公式：中的n和上式中n的不同）應(yīng)變硬化指數(shù)n反映了金屬材料抵抗均勻塑性變形的能力，n越大，材料對(duì)繼續(xù)塑性變形的抗力越高；它是表征金屬材料應(yīng)變硬化行為的性能指標(biāo)；它決定了材料開(kāi)始發(fā)生頸縮時(shí)的最大應(yīng)力。n=1：雙線性n=0：無(wú)應(yīng)變硬化能力（大多數(shù)金屬材料的在0.050.5之間；另外材料的強(qiáng)度越高，n越低，兩者之積近似為常數(shù)；對(duì)有些金屬材料:象雙相鋼，一些鋁合金和不銹鋼不能用Hollomon方程描述。在lnS-ln圖中會(huì)得到兩段不同的斜率的直線，稱為雙n行為，它使得n的意義模糊和復(fù)雜化，要尋求其他方程形式來(lái)表征真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)

25、系。）3.形變強(qiáng)化（應(yīng)變硬化）的技術(shù)意義Ø 金屬的加工硬化指數(shù)（能力），對(duì)冷加工成型工藝是很重要的；形變強(qiáng)化與塑性變形相配合，保證了金屬材料在截面上的均勻變形，得到均勻一致的冷變性制品；Ø 對(duì)于工作中的零件，也要求材料有一定的加工硬化能力和抗過(guò)載能力，這是零件安全使用的可靠保證。Ø 形變強(qiáng)化是提高材料強(qiáng)度的重要手段。784980MPa噴丸、表面滾壓，提高強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度（不銹鋼（1Cr18Ni9Ti），0.2196MPa，但n=0.5，可用冷變形可成倍的提高（40%壓下量冷軋，0.2×45）復(fù)相鋼（+M），利用受力變形時(shí)M使形變硬化作用增強(qiáng)的特點(diǎn)，達(dá)到推遲

26、頸縮的目的。）四、頸縮現(xiàn)象與抗拉強(qiáng)度1.頸縮應(yīng)變硬化跟不上塑性變形的發(fā)展，塑性變形不均勻了頸縮是韌性金屬材料在拉伸試驗(yàn)中變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象，是應(yīng)變硬化（物理因素）與截面減?。◣缀我蛩兀┕餐饔玫慕Y(jié)果。工程應(yīng)力應(yīng)變曲線上的應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，即開(kāi)始頸縮。頸縮前是均勻塑性變形，頸縮后是不均勻塑性變形，即局部集中（局集）塑性變形。（在頸縮開(kāi)始后，雖然塑性應(yīng)變集中于頸縮區(qū)，試件的截面積急劇減小，雖然工程應(yīng)力減小，但真應(yīng)力由于試件截面積的減小繼續(xù)增大，因此真應(yīng)力應(yīng)變曲線顯示出與工程應(yīng)力應(yīng)變曲線完全不同的趨勢(shì)）頸縮的判據(jù)為：；即：，（AdS代表承載能力由于形變強(qiáng)化，即S的增加而上升；SdA代表承載

27、能力因截面A的減小而而下降。頸縮現(xiàn)象的出現(xiàn)就是由于硬化引起的承載能力的升高抵償不了因截面面積的減小引起的承載能力的下降，即AdS項(xiàng)小于SdA項(xiàng)而引起的。）得：又有塑性變形體積不變?cè)恚旱玫剑簭亩梢缘玫剑杭从校赫f(shuō)明當(dāng)真應(yīng)力應(yīng)變曲線上的某點(diǎn)的斜率（應(yīng)變硬化速率）等于該處的真應(yīng)力的時(shí)候，頸縮開(kāi)始。利用hollomon公式：得到：，設(shè)頸縮點(diǎn)的，則有：得到：即：當(dāng)金屬材料的真實(shí)均勻塑性應(yīng)變量等于應(yīng)變硬化指數(shù)時(shí)，頸縮便會(huì)產(chǎn)生。（b：形變強(qiáng)化容量其除了代表材料的均勻塑性變形能力的大小外，還包含著金屬利用應(yīng)變硬化獲得強(qiáng)化的可能性的大小，所以稱形變強(qiáng)化容量）2.頸縮應(yīng)力修正頸縮一旦產(chǎn)生，拉伸試樣原來(lái)的所受的單

28、向應(yīng)力狀態(tài)就被破壞，而在頸縮區(qū)出現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)，這是由于頸縮區(qū)中心部分的拉伸變形的徑向收縮受到約束所致。在三向應(yīng)力狀態(tài)下，材料塑性變形變得比較困難。為了繼續(xù)進(jìn)行塑性變形，就必須提高軸向應(yīng)力，因而頸縮處的軸向真實(shí)應(yīng)力高于理論單向拉伸受力狀態(tài)下的軸向應(yīng)力。為了補(bǔ)償頸部徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力對(duì)軸向應(yīng)力的影響，求得仍然是均勻軸向應(yīng)力狀態(tài)下的真實(shí)應(yīng)力，必須對(duì)頸部應(yīng)力進(jìn)行修正。利用Bridgmen關(guān)系可以估算：由于試驗(yàn)中測(cè)a、R較為困難，因此有Bridgmen經(jīng)驗(yàn)公式：b的高低取決于s和n，s一定時(shí)，n越大，b越大；如果已知s和b，就可以間接知道應(yīng)變硬化情況（n）3.抗拉強(qiáng)度（b）試樣斷裂前所能承受的最大工程

29、應(yīng)力；在材料不產(chǎn)生頸縮時(shí)抗拉強(qiáng)度代表斷裂抗力 Ø 脆性材料：設(shè)計(jì)時(shí)，其許用應(yīng)力以抗拉強(qiáng)度為依據(jù)；Ø 塑性材料：代表產(chǎn)生最大均勻塑性變形的抗力，但它表示了材料在靜拉伸條件下的極限承載能力。易測(cè)定，重現(xiàn)性好，作為產(chǎn)品規(guī)格說(shuō)明或質(zhì)量控制的標(biāo)志。（屈強(qiáng)比的概念）（b能和材料的疲勞極限-1和材料的布氏硬度HB建立一定關(guān)系：對(duì)淬火回火鋼：-1b/2，HBWb/3）因此，b被列為材料常規(guī)力學(xué)性能的五大指標(biāo)之一。五、塑性與塑性指標(biāo)1.塑性塑性是指材料在斷裂前發(fā)生塑性變形（不可逆永久變形的能力。（塑性意義：1）和應(yīng)變硬化相配合，可避免過(guò)載造成的斷裂；2）局部塑變，應(yīng)力重分配，不致產(chǎn)生應(yīng)力過(guò)高

30、引起的斷裂；3）便于材料塑性成形；4）塑性變形可避免構(gòu)件斷裂失效。）金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的塑性變形由均勻塑性變形和局部集中塑性變形兩部分構(gòu)成，由頸縮開(kāi)始為分界點(diǎn)。對(duì)于大部分金屬材料，其均勻塑性應(yīng)變量比局部集中塑性應(yīng)變量要小得多，一般不超過(guò)后者的50。例如高強(qiáng)度鋼前者是后者的510；鋁或硬鋁為1820；黃銅為3545%。2.塑性指標(biāo)工程上常用條件塑性而不是真實(shí)塑性，拉伸時(shí)條件塑性以延伸率（斷后伸長(zhǎng)率）k和斷面收縮率k表示。1）延伸率（斷后伸長(zhǎng)率）試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比。即：可知：試驗(yàn)研究結(jié)果表明，均勻伸長(zhǎng)率b是一個(gè)取決于合金基體相狀態(tài)的常數(shù)，而局集伸長(zhǎng)率n則與試件幾何有關(guān)：即：

31、因此，為了保證同一材料不同幾何尺寸試件延伸率測(cè)試結(jié)果的可比性，要求為同一常數(shù)，一般要求其為5.65或11.3，對(duì)應(yīng)和。（）（比例試樣）(拉伸過(guò)程中，瞬間的伸長(zhǎng)率即是工程應(yīng)變e)（gt：以最大載荷下的總伸長(zhǎng)率表示材料塑性，最大力下的總伸長(zhǎng)率指試樣材料拉伸時(shí)產(chǎn)生的最大的均勻塑性應(yīng)變量（工程應(yīng)變）；gt對(duì)于評(píng)定沖壓板材的成型能力是很有用的；真實(shí)應(yīng)變：；對(duì)于退火，正火或調(diào)質(zhì)態(tài)的低，中碳鋼來(lái)說(shuō)，測(cè)出gt可以最終得到n。）2）斷面收縮率試樣拉斷后，頸縮處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。即：同樣地有：（任一瞬間的截面收縮率：）（試驗(yàn)表明，b（b）或b主要取決于金屬中基體相的狀態(tài)，反映基體相的強(qiáng)化

32、程度，對(duì)第二相的存在不敏感，也不受晶粒度的影響，而n（n）或n不同，它取決于基體相的總塑性，并受第二相的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)組織非常敏感）3）塑性指標(biāo)之間的關(guān)系根據(jù)體積不變?cè)?，在均勻塑性變形階段，存在：（忽略彈性應(yīng)變或比例加載）即瞬時(shí)伸長(zhǎng)量大于瞬時(shí)截面收縮率；均勻伸長(zhǎng)率大于均勻斷面收縮率。這樣，均勻塑性變形階段的真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變可繼續(xù)推導(dǎo)為：局集塑性應(yīng)變階段，由于伸長(zhǎng)量沿試樣標(biāo)距不再是均勻分布，而是主要分布在頸縮區(qū)，因此，用來(lái)表征應(yīng)變已失去了物理意義。而且用來(lái)求取真應(yīng)變也是不合適的。但仍可以用斷面收縮率來(lái)定義工程應(yīng)變，并求得真應(yīng)變：而真應(yīng)力：§1.4 材料的斷裂斷裂是試件在外載荷作用下至

33、少分裂成兩部分。一、拉伸斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)1.斷裂強(qiáng)度拉伸斷裂時(shí)的真應(yīng)力稱為斷裂強(qiáng)度（斷裂真應(yīng)力），記為f（Sk）；也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算之：（在有頸縮的的情況下，必須進(jìn)行頸縮修正）2.斷裂延性拉伸斷裂時(shí)的真塑性應(yīng)變稱為斷裂延性，記為f（k）3.靜力韌度單位體積材料在斷裂前所吸收的能量，也就是外力使材料斷裂所做的功稱為金屬的韌度（韌性）或斷裂應(yīng)變能密度（Ut），它可能包含三部分能量：即彈性應(yīng)變能、塑性應(yīng)變能和斷裂能。通常將靜拉伸真應(yīng)力應(yīng)變曲線下所包圍的面積，也就是材料在斷裂前單位體積所吸收的功稱為靜力韌度。即：脆性材料，韌度等于彈性應(yīng)變能；高塑性材料，韌度主要由塑性變形能和斷裂能構(gòu)成，可用下式進(jìn)

34、行估算：金屬材料的韌度是與強(qiáng)度和塑性相關(guān)的綜合性的力學(xué)性能指標(biāo)，但它更大程度上取決于塑性。要提高材料的韌度，必須使材料的強(qiáng)度和塑性達(dá)到最佳的配合。二、斷裂類型1.金屬材料靜拉伸斷口五種情況：（a）彈性變形狀態(tài)下斷裂，完全脆性斷裂，Sk=b（b）均勻塑性變形后斷裂，Sk=Sb>b(a、b共同特點(diǎn)：斷口齊平，并且垂直于最大主應(yīng)力方向，宏觀正斷，無(wú)塑性變形或有少量的均勻塑性變形，無(wú)頸縮，k極小。但微觀并不一定是正斷（解理斷），b可能是剪切型斷裂)（鑄鐵、淬火低溫回火的高碳鋼）（e）試樣的斷面可減細(xì)到近于一尖刀，然后沿最大切應(yīng)力方向斷開(kāi)。（Sk）（純金Au、純鋁Al）（c）既有宏觀正斷，又有宏觀

35、切斷（Sk）（d）宏觀切斷（Sk）（c、d共同特點(diǎn)：出現(xiàn)頸縮，試樣中心先開(kāi)裂，然后向外延伸（可能出現(xiàn)快速擴(kuò)展（低能撕裂），如c），接近表面時(shí)，沿最大切應(yīng)力方向的斜面斷開(kāi)，形成杯錐狀斷口。（詳細(xì)后述）2.斷裂類型及相關(guān)術(shù)語(yǔ)從工程應(yīng)用角度，常將斷裂分為韌性（延性）斷裂和脆性斷裂；韌性斷裂是金屬材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂；脆性斷裂是金屬材料斷裂前沒(méi)有明顯宏觀塑性變形的斷裂；根據(jù)裂紋擴(kuò)展路徑不同，可以分為穿晶斷裂和沿晶斷裂（晶間斷裂）；根據(jù)擴(kuò)展機(jī)制不同，可以分為解理斷裂和剪切斷裂（包括純剪切和微孔聚集型斷裂）；正斷和切斷，是指引發(fā)斷裂的原因和斷裂面的取向；（斷裂的宏觀表現(xiàn)與微觀機(jī)理并非是一一

36、對(duì)應(yīng)的）（在不同的場(chǎng)合，用不同的術(shù)語(yǔ)描述斷裂的特征。應(yīng)注意有關(guān)術(shù)語(yǔ)的含義及它們之間的相互關(guān)系和區(qū)別）三、脆性斷裂脆性斷裂的宏觀特征，是斷裂前不發(fā)生可測(cè)的塑性變形，因此，結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)力不能通過(guò)材料的塑性變形而重新分布，材料也不可能通過(guò)塑性變形而強(qiáng)化，因而不能延緩斷裂的發(fā)生；再則，材料發(fā)生脆性斷裂時(shí)，裂紋的擴(kuò)展速度往往很快，相當(dāng)于（該材料中的）音速。所以，脆性斷裂前無(wú)明顯的征兆，且斷裂是突然發(fā)生的，危害更大。脆性斷裂的微觀機(jī)制主要有解理斷裂（準(zhǔn)解理斷裂）和晶間斷裂。1.解理斷裂1）定義材料在拉應(yīng)力的作用下，由于原子間結(jié)合鍵遭到破壞，嚴(yán)格地沿一定的結(jié)晶學(xué)平面（解理面）劈開(kāi)而造成的。（解理面通常是表面

37、能最小的晶面）回火過(guò)程中馬氏體分解和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變都會(huì)產(chǎn)生碳化物（例如滲碳體）（fcc一般不解理，因其滑移系多）2）形貌Ø 宏觀形貌：較為平坦的、發(fā)亮的結(jié)晶狀斷面；Ø 微觀形貌：河流狀花樣，河流的流向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向；舌狀花樣（沿孿晶面擴(kuò)展形成）；（解理臺(tái)階的匯合）2.準(zhǔn)解理斷裂1）定義多在馬氏體回火鋼（淬火回火鋼，40Cr）中出現(xiàn)，回火產(chǎn)物中細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)影響裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。其解理面呈多種小平面，解理小平面間有明顯的撕裂棱。n 準(zhǔn)解理斷裂起源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，向四周放射狀擴(kuò)展；n 解理裂紋則從晶界一側(cè)向另一側(cè)延伸2）形貌過(guò)共析鋼中析出二次滲碳體，沿奧氏體晶界網(wǎng)狀分布短而彎曲

38、的撕裂棱，局部區(qū)域出現(xiàn)韌窩（是解理和微孔聚合的混合型斷裂），河流花樣已不十分明顯。3.沿晶斷裂1）定義裂紋沿晶界形成并沿晶界擴(kuò)展而引發(fā)的脆性斷裂（晶界強(qiáng)度降低的原因：晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相；微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚；由于環(huán)境因素?fù)p害了晶界，如氫脆，應(yīng)力腐蝕，蠕變等）2）形貌Ø 宏觀形貌：粗瓷狀、顆粒狀，色澤稍灰暗；Ø 微觀形貌：巖石狀、冰糖狀四、韌性斷裂（延性斷裂）（以微孔聚集型斷裂為典型）1.斷裂過(guò)程當(dāng)光滑試樣受拉伸載荷作用，當(dāng)載荷達(dá)到最大值時(shí)，試樣發(fā)生頸縮。在頸縮區(qū)形成三向拉應(yīng)力狀態(tài)，在三向應(yīng)力作用下，使得試樣心部的夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)破裂（或夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)

39、與基體界面脫離結(jié)合形成微孔。在外力作用下，微孔在縱向和橫向上均長(zhǎng)大，并聯(lián)接而形成大的中心空腔（中心裂紋）（微孔形核微孔長(zhǎng)大微孔聚合）。然后，裂紋擴(kuò)展：（微孔萌生顯微裂紋新的微孔萌生（在剪切帶上）微孔和裂紋聚合（擴(kuò)展緩慢，形成鋸齒形纖維形）裂紋迅速擴(kuò)展（形成放射狀花樣）剪切斷裂（剪切唇）（束德林：工程材料力學(xué)性能；黃明志：金屬力學(xué)性能）最后，沿45º方向切斷，形成杯錐狀斷口。2.微孔成核、長(zhǎng)大與聚合機(jī)制實(shí)際金屬中總有第二相粒子存在，它們是微孔形核的源。分為兩類：夾雜物（如鋼中的硫化物）在不大的應(yīng)力作用下便與基體脫開(kāi)或本身裂開(kāi)而形成微孔；強(qiáng)化相（如鋼中彌散的碳化物或其他第二相）它們本身比

40、較堅(jiān)實(shí)，與基體結(jié)合比較牢固，因位錯(cuò)聚集，或在位錯(cuò)塞積引起的高應(yīng)力或高應(yīng)變條件下，第二相與基體塑性變形不協(xié)調(diào)而萌生微孔。1）微孔形核與長(zhǎng)大的位錯(cuò)模型（見(jiàn)上頁(yè)圖）2）微孔形核和長(zhǎng)大的塑性變形不協(xié)調(diào)理論基體塑性好，隨外加應(yīng)力而變形，第二相粒子塑性差不易變形，兩者不協(xié)調(diào)，界面上就出現(xiàn)了相互作用的內(nèi)應(yīng)力（切應(yīng)力），超過(guò)一定程度時(shí)，將界面拉開(kāi)而形成微孔。3）微孔聚合的內(nèi)頸縮或幾何軟化理論微孔長(zhǎng)大后出現(xiàn)“內(nèi)縮頸”，使實(shí)際承載的面積減小而應(yīng)力增加，起到“幾何軟化”作用，促使變形的進(jìn)一步發(fā)展，加速微孔的長(zhǎng)大，直至聚合。3.斷口形貌1）宏觀形貌 纖維狀，色澤灰暗，邊緣有剪切唇（與主應(yīng)力方向呈45º，最大

41、切應(yīng)力方向）。杯錐狀斷口（退火低碳鋼圓棒試樣室溫拉伸）；由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三部分組成。（三部分所占面積和材料的塑性密切相關(guān)，材料的塑性越好，則放射區(qū)面積所占比例越小，最終放射區(qū)消失）2）微觀形貌韌窩三種類型：拉伸型的等軸狀韌窩剪切型的伸長(zhǎng)（拋物線型）韌窩撕裂型的伸長(zhǎng)（拋物線型）韌窩（應(yīng)當(dāng)指出，微觀斷口上的韌窩形貌，往往與宏觀上的韌性斷裂相聯(lián)系，但并無(wú)嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，例如構(gòu)件處于三向應(yīng)力狀態(tài)，其斷裂宏觀上可能是脆性的，但微觀機(jī)制仍可能是微孔聚集型的韌性斷裂）本章小結(jié)：一、試驗(yàn)方法試驗(yàn)過(guò)程、工程應(yīng)力應(yīng)變曲線、真應(yīng)力應(yīng)變曲線二、彈性變形物理本質(zhì)、彈性常數(shù)、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、特征值、不完善性三、塑

42、性變形物理本質(zhì)、屈服及屈服強(qiáng)度、形變強(qiáng)化、頸縮、特征指標(biāo)（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率）四、斷裂斷裂強(qiáng)度（斷裂延性）、斷裂類型及物理本質(zhì)和基本形貌；第二章 材料在其他靜載荷下的力學(xué)性能研究材料在常溫靜載荷下的力學(xué)性能時(shí)，除采用單向靜拉伸試驗(yàn)方法外，有時(shí)還選用壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等試驗(yàn)方法，目的是：很多機(jī)件在服役過(guò)程中常承受彎矩、扭矩或軸向壓力的作用，有必要測(cè)定試樣在相應(yīng)承載條件下的力學(xué)性能指標(biāo)，做為設(shè)計(jì)和選材的依據(jù)；（實(shí)際中存在）不同的加載方式產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài)，材料在不同應(yīng)力狀態(tài)中表現(xiàn)的力學(xué)性能不完全相同，因此，應(yīng)選用不同應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)方法。（和單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)不同）本章介紹壓縮、彎曲

43、、扭轉(zhuǎn)和剪切等試驗(yàn)方法及測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo)§2.1 應(yīng)力狀態(tài)柔度因數(shù)（軟性系數(shù)）一、柔度因數(shù)塑性變形和斷裂是金屬材料在靜載荷下失效的兩種主要形式，它們是金屬所能承受的應(yīng)力達(dá)到其相應(yīng)的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的。當(dāng)金屬所受的最大切應(yīng)力max達(dá)到屈服強(qiáng)度s時(shí)，產(chǎn)生屈服；當(dāng)max達(dá)到切斷強(qiáng)度k時(shí)，產(chǎn)生剪切型斷裂；當(dāng)最大正應(yīng)力Smax達(dá)到正斷強(qiáng)度Sk時(shí)，產(chǎn)生正斷型斷裂。但同一種金屬材料，在一定承載條件下產(chǎn)生何種失效方式，除與自身的強(qiáng)度大小有關(guān)以外，還與承載條件下的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。不同的應(yīng)力狀態(tài)，其最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力的相對(duì)大小是不一樣的?？紤]到三向應(yīng)力狀態(tài)下另外兩向應(yīng)力的貢獻(xiàn)，因此材料的最大正應(yīng)力的計(jì)

44、算采用第二強(qiáng)度理論給出：即：不再采用Smax1而采用（第二強(qiáng)度理論）：稱為最大當(dāng)量正應(yīng)力最大切應(yīng)力由第三強(qiáng)度理論給出：一般將最大切應(yīng)力與最大當(dāng)量正應(yīng)力的比值定義為應(yīng)力狀態(tài)柔度因數(shù)（軟性系數(shù)）不同加載方式下的軟性系數(shù)值（0.25）加載方式主應(yīng)力軟性系數(shù)123三向等拉伸0三向不等拉伸(8/9)(8/9)0.1單向拉伸000.5扭轉(zhuǎn)00.8二向等壓縮01.0單向壓縮002.0三向壓縮22二、弗里德曼圖與材料的韌脆轉(zhuǎn)變弗里德曼考慮了材料在不同狀態(tài)下的極限條件與失效形式，用圖解的方法把它們的關(guān)系做了概括，即力學(xué)狀態(tài)圖。從圖中可以看出：三向不等拉伸（<0.5）時(shí)，隨著應(yīng)力的不斷加大，直到與Sk線相交

45、，即發(fā)生正斷，它與s線不相交，故無(wú)宏觀塑性變形，屬正斷型脆性斷裂；單向拉伸（0.5）時(shí)，先與s線相交，發(fā)生塑性變形（屈服），然后與Sk線相交，發(fā)生正斷，屬正斷型的韌性斷裂；扭轉(zhuǎn)（0.8）時(shí)，先與s線相交，發(fā)生塑性變形（屈服），然后與k線相交，發(fā)生切斷，屬于切斷型的韌性斷裂。即：相同的材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下表現(xiàn)出不同的斷裂模式，也可稱為在不同應(yīng)力狀態(tài)條件下的韌脆轉(zhuǎn)變。（材料在其他外界因素下也會(huì)發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變，因涉及到具體的試驗(yàn)測(cè)試手段，因此后面講。）§2.2 材料在軸向壓縮載荷下的力學(xué)行為（單向壓縮試驗(yàn)）一、試樣型式常用的壓縮試樣為圓柱體（也可采用立方體或棱柱體），為防止壓縮時(shí)試件失穩(wěn)，試

46、件的高度與直徑之比h0/d0=1.52.0，同時(shí)h0/d0越大，抗壓強(qiáng)度越低，因此對(duì)于幾何形狀的試件，需要保證h0/d0為定值。（GB7314-87）二、試驗(yàn)過(guò)程為保證兩端面的自由變形，試件的兩端面必須光滑平整（涂潤(rùn)滑油、石墨）；或者將試樣的端面加工成圓錐凹面，使錐面的傾角等于摩擦角，即tanf，f為摩擦因數(shù)，也要將壓頭改成相應(yīng)的錐體；壓縮可以看作是反向拉伸，因此，拉伸試驗(yàn)中所定義的各個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)和相應(yīng)的計(jì)算公式，在壓縮試驗(yàn)中基本可以應(yīng)用；1高塑性材料；2低塑性材料1拉伸；2壓縮抗壓強(qiáng)度：相對(duì)壓縮率：相對(duì)斷面擴(kuò)脹率：（如果在試驗(yàn)時(shí)材料發(fā)生明顯的屈服現(xiàn)象，還可測(cè)定壓縮屈服點(diǎn)sc）（上圖中的曲線

47、2是低塑性材料的壓縮曲線，在軸向壓縮時(shí)，低塑性材料發(fā)生由剪應(yīng)力引起的剪切時(shí)的斷裂，斷口表面與壓力軸線呈45º角，如灰鑄鐵；而脆性材料斷口表面和壓力軸線平行，如陶瓷材料）但兩者存在差別，如壓縮時(shí)試件不是伸長(zhǎng)而是縮短，橫截面不是縮小而是漲大，另外，塑性材料壓縮時(shí)不發(fā)生變形而不斷裂，壓縮曲線一直上升，因此，塑性材料很少做壓縮試驗(yàn)。三、特點(diǎn)及應(yīng)用單向壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)柔性系數(shù)2.0（0.25時(shí)），比其他應(yīng)力狀態(tài)都軟，因此主要用于拉伸時(shí)呈脆性的材料的力學(xué)性能測(cè)試（例如鑄鐵、陶瓷、軸承合金、水泥和磚石），且能顯示出一定的塑性變形行為。§2.3 材料在扭矩作用下的力學(xué)行為一、應(yīng)力應(yīng)變分析

48、：扭轉(zhuǎn)角（相對(duì)扭轉(zhuǎn)角）在橫截面上無(wú)正應(yīng)力只有切應(yīng)力作用；彈性變形階段，橫截面上各點(diǎn)的切應(yīng)力與徑向垂直，其大小與該點(diǎn)距中心的距離成正比；（：距中心距離；：極慣矩）對(duì)于圓桿表面，有：d0為外徑d1為內(nèi)徑W為抗扭截面模量（系數(shù)），有：（實(shí)心）或 （空心）因切應(yīng)力作用而在圓桿中產(chǎn)生切應(yīng)變?yōu)椋簣A桿表面：當(dāng)表層發(fā)生塑性變形后，各點(diǎn)的切應(yīng)變?nèi)酝擖c(diǎn)距中心的距離成正比，但切應(yīng)力則由于塑性變形而降低。二、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)及測(cè)定的力學(xué)性能（GB10128-88）1.扭轉(zhuǎn)試樣扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)主要采用直徑d010mm，標(biāo)距長(zhǎng)度分別為100mm和50mm的圓柱形試樣，在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。2.試驗(yàn)過(guò)程隨著扭矩M的增大，試件標(biāo)距兩端截面不

49、斷發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使扭轉(zhuǎn)角增大，可得M關(guān)系曲線，稱為扭轉(zhuǎn)圖。直至試件斷裂。（像單向拉伸的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線，均勻變形，即使是在塑性變形階段，無(wú)縮頸）3.性能指標(biāo)Ø 切變模量MP的確定可以參考單向拉伸試驗(yàn)中PP的確定方法Ø 扭轉(zhuǎn)比例極限Ø 扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度（確定扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度的殘余切應(yīng)變?nèi)?.3，是為了和確定屈服強(qiáng)度時(shí)取殘余正應(yīng)變的0.2相當(dāng)單向拉伸： ）k，b均為試件扭斷前所承受的最大扭矩；為單位長(zhǎng)度上的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，即：簡(jiǎn)單可以寫做：Ø 抗扭強(qiáng)度稱為條件抗扭強(qiáng)度（因其按照彈性變形公式計(jì)算，比真實(shí)的為大）。真實(shí)抗扭強(qiáng)度：若：，則：扭斷時(shí)的塑性變形（殘余扭轉(zhuǎn)相對(duì)切應(yīng)變

50、）：k為試件斷裂后標(biāo)距長(zhǎng)度l0上的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角。三、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用Ø 軟性系數(shù)0.8，較大，故可測(cè)定那些在拉伸時(shí)表現(xiàn)為脆性的材料的塑性行為（如淬火回火鋼）；Ø 塑性變形均勻，截面和標(biāo)距尺寸不變，無(wú)縮頸，因此可用此精確測(cè)定高塑性材料的變形能力和變形抗力；Ø 最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力在數(shù)值上相當(dāng)，而生產(chǎn)中所用的大部分金屬材料的正斷強(qiáng)度大于切斷強(qiáng)度，因此，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是測(cè)定這些材料切斷強(qiáng)度的最可靠的方法；Ø 可通過(guò)扭轉(zhuǎn)試樣的宏觀斷口特征，還可明確區(qū)分金屬材料的最終斷裂方式是正斷還是切斷。（塑性材料的斷裂面與試樣軸線垂直，斷口平整，有回旋狀塑變痕跡；脆性材料的斷裂

51、面與試樣軸線呈45º，呈螺旋狀）§2.4 材料在彎曲載荷作用下的力學(xué)行為四點(diǎn)彎曲兩加載點(diǎn)之間等彎矩，試件通常具有組織缺陷處斷裂，能較好地反映材料的性質(zhì)；但須注意加載的均衡；三點(diǎn)彎曲，試件總在最大彎矩處或其附近斷裂，方法簡(jiǎn)單，因此常用。一、彎曲試驗(yàn)方法（GB14452-93）采用矩形或圓柱型形試樣，可三點(diǎn)彎曲，也可四點(diǎn)彎曲。二、性能指標(biāo)用彎曲試件的最大撓度f(wàn)max表征材料的變形性能，試驗(yàn)時(shí)，在試件的中心測(cè)定撓度f(wàn)，繪成Pf關(guān)系曲線，稱為彎曲圖。(對(duì)于高塑性材料，彎曲試驗(yàn)不能使試件斷裂，其曲線的最后部分可以延伸很長(zhǎng)，因此其力學(xué)性能不能由彎曲試驗(yàn)獲得)對(duì)于脆性材料，抗彎強(qiáng)度定義為

52、：其中，試件斷裂時(shí)的彎矩（三點(diǎn)彎曲）；（四點(diǎn)彎曲）抗彎截面模量（系數(shù)）（圓棒）；（矩形截面）三、特點(diǎn)及應(yīng)用Ø 主要用于脆性材料的抗彎性能（陶瓷、鑄鐵、硬質(zhì)合金）（試件加工、裝卡簡(jiǎn)單，試驗(yàn)操作方便）Ø 可用來(lái)比較和鑒定經(jīng)表面強(qiáng)化處理的機(jī)件的表面質(zhì)量及檢測(cè)表面缺陷（因其截面應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力最高）§2.5 材料抗剪切性能試驗(yàn)制造承受剪切載荷或進(jìn)行剪切加工的材料，通常要進(jìn)行剪切試驗(yàn)。（鉚釘、銷子）一、單剪試驗(yàn)試件取自板材或線材材料的抗剪強(qiáng)度（假設(shè)切應(yīng)力在整個(gè)截面內(nèi)均勻分布）（剪切試驗(yàn)不能確定剪切比例極限和剪切屈服強(qiáng)度，因其截面內(nèi)應(yīng)力分布復(fù)雜，不僅有剪切，而且有擠壓

53、和彎曲）二、雙剪試驗(yàn)試件為圓柱體（線材）抗剪強(qiáng)度（被剪部分的長(zhǎng)度（l0）與試件直徑（d0）之比不能超過(guò)1.5；加載速度110mm/min，以防止出現(xiàn)彎曲變形，如出現(xiàn)明顯的彎曲變形，結(jié)果無(wú)效）三、沖孔式剪切試驗(yàn)試件為金屬薄板抗剪強(qiáng)度：本章總結(jié)0、柔度因數(shù)，力學(xué)狀態(tài)圖（韌脆轉(zhuǎn)變）一、試驗(yàn)方法二、力學(xué)性能指標(biāo)（區(qū)別）第三章 材料的硬度硬度是衡量材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。硬度值的大小不僅取決于材料的成份和顯微組織，而且取決于測(cè)量方法和條件。測(cè)定硬度的方法很多，主要有壓入法、回跳法和刻劃法三大類。用不同的方法測(cè)定的硬度具有不同的意義，例如壓入法硬度值表征金屬塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力；回跳法硬度值主要

54、表征金屬?gòu)椥宰冃喂Φ拇笮?；劃痕法硬度值主要表征金屬切斷?qiáng)度。目前還沒(méi)有統(tǒng)一而確切的關(guān)于硬度的物理學(xué)定義。一般指金屬表面抵抗局部壓入塑性變形或刻劃破裂的能力。硬度試驗(yàn)一般僅在金屬表面局部產(chǎn)生很小的痕跡，因而很多機(jī)件表面可在成品上試驗(yàn)而無(wú)需專門加工試樣；因其設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便、迅速，同時(shí)又能敏感地反映出金屬材料的化學(xué)成份和組織結(jié)構(gòu)的差異，因而廣泛用于檢查金屬材料的性能、熱加工工藝的質(zhì)量或研究金屬組織結(jié)構(gòu)的變化，也用于檢查金屬表面層的質(zhì)量（如脫碳）、表面淬火和化學(xué)熱處理后的表面性能等。在機(jī)械制造行業(yè)中，主要采用壓入法（其中又包括布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度多種，本章將做重點(diǎn)介紹。壓入硬度試驗(yàn)方法的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)>2.0，幾乎所有的金屬材料在這種應(yīng)力狀態(tài)下都能產(chǎn)生塑性變形。因此，這種試驗(yàn)方法不僅可以測(cè)定塑性金屬材料的硬度，也可測(cè)定淬火鋼、硬質(zhì)合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。始于1900年GB/T 231-84GB/T 231.1-2002§3.1 布氏硬度一、測(cè)試原理和方法1.試驗(yàn)原理P單位：kgf；尺寸單位：mm載荷單位如用N，則需要進(jìn)行換算，公式右乘以0.102用一定的壓力將淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定的時(shí)間后卸除壓力，在試樣表面留下壓痕，單位壓痕表面積（A）所承受的平均壓力定義為布氏硬度值。原標(biāo)準(zhǔn)壓球可用硬質(zhì)合金球（標(biāo)為HBW