金屬力學(xué)性能.

1、材料力學(xué)行為與性能材料常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)材料在常溫下的力學(xué)行為與性能屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度，蠕變強(qiáng)度延伸率，R值，n值 硬度，彈性模量沖擊韌性斷裂韌性各向異性沖壓成型性第1章金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 1.1單向拉伸時(shí)的力學(xué)行為不均勻屈服塑性變形、均勻塑性變形、不均勻集中塑退火低碳鋼在拉伸力作用下的變形過(guò)程可分為彈性變形、 性變形四個(gè)階段B4L庫(kù)2也已0 一罔1-1 低碳鋼的拉忡力-仲氏曲線不同材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線：1）退火低碳鋼：圖1-2低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線2）多數(shù)塑性金屬材料iont/5Wl lb 鋁合金(5454-H34) 12彈性變形一、彈性變形及其實(shí)質(zhì)彈性變形：可逆變形，是金

2、屬晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映 彈性變形量較小（一般小于 0.51%），相當(dāng)于原子間距的幾分之一。、虎克定律在彈性變形階段，大多數(shù)金屬的應(yīng)力-應(yīng)變之間符合虎克定律的正比關(guān)系，如拉伸時(shí)：（E 彈性模量）:-E ；剪切時(shí)：（G 切變模量）.=G三、彈性模量1、物理意義一一表示材料在外載荷下抵抗彈性變形的能力工程上E稱(chēng)做材料的剛度，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形一2、影響因素 主要取決于結(jié)合鍵的本性和原子間的結(jié)合力彈性模量和材料的熔點(diǎn)成正比，越是難熔的材料彈性模量也越高金屬的彈性模量是一個(gè)組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，合金化、熱處理（顯微組織）、冷塑性變形對(duì) E值影響不大；而高分子和陶瓷材料的彈

3、性模量則對(duì)結(jié)構(gòu)與組織很敏感滯彈性的概念普通灰鑄鐵在拉伸時(shí)，其在彈性變形范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變并不遵循直線AC關(guān)系。加載時(shí)沿著直線 ABC，儲(chǔ)存的變形功為ABCE ;卸載時(shí)不是沿著原途徑， 而是沿著CDA恢復(fù)原狀，釋放的彈性變形能為 ADCE。這樣在加載與卸載 的循環(huán)中，試樣儲(chǔ)存的彈性能為 ABCDA，即圖中陰影線面積E EK11-S彈性襦牙不1、定義：在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后, 象）。材料組織越不均勻，滯彈性?xún)A向越大。 循環(huán)韌性/內(nèi)耗一一金屬材料在交變載荷（振動(dòng)）隨時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象（即應(yīng)變落后于應(yīng)力現(xiàn)下吸收不可逆變形功的能力（消振性）2、實(shí)際意義應(yīng)用：減振（此時(shí)選用循環(huán)韌性較高的材

4、料，如鑄鐵、高鉻不銹鋼）缺點(diǎn)：如在精密儀表中的彈簧、油壓表或氣壓表的測(cè)力彈簧，要求彈簧薄膜的彈性變形能靈敏地反映出 油壓或氣壓的變化，因此不允許材料有顯著的滯彈性。六、包申格效應(yīng)及其意義1、定義金屬材料經(jīng)過(guò)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（殘余應(yīng)變小于14%）,卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力（彈性極限或屈服強(qiáng)度）增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低（特別是彈性極限在反向加載時(shí)幾乎下降到零）的現(xiàn)象包申格效應(yīng)是多晶體金屬所具有的普遍現(xiàn)象（所有退火態(tài)和高溫回火的金屬與合金都有），它與金屬材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力變化有關(guān)。2、意義對(duì)于承受疲勞載荷作用的機(jī)件壽命很重要；工程上材料加工成型工藝需要考慮包辛格效

5、應(yīng)。3、消除包申格效應(yīng)的方法 預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形在第二次反向受力前進(jìn)行退火 13塑性變形一、屈服強(qiáng)度及其影響因素1、屈服強(qiáng)度不連續(xù)屈服：有屈服平臺(tái)（屈服齒）罔1-9榮沖丄同的拉彳申丿彳屮竝曲住壇1 干i連絞朋月謎， 低磁鋼2連績(jī)屈月謎、竣慚連續(xù)屈服：拉伸時(shí)無(wú)明顯屈服現(xiàn)象屈服強(qiáng)度用規(guī)定微量塑性伸長(zhǎng)應(yīng)力表征：1 ）規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力（d P）（T P0.012）規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力（t r） t r0.23） 規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力（t t）t t0.52、影響屈服強(qiáng)度的因素內(nèi)在因素：結(jié)合鍵、組織、結(jié)構(gòu)、原子本性四大強(qiáng)化機(jī)制：沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化是工業(yè)合金中提高材料屈服強(qiáng)度最常用的手段外在因素：溫度、應(yīng)變速

6、率、應(yīng)力狀態(tài)溫度降低、應(yīng)變速率增高，材料的屈服強(qiáng)度升高。尤其是體心立方金屬對(duì)溫度和應(yīng)變速率特別敏感,這導(dǎo)致了鋼的低溫脆化。應(yīng)力狀態(tài)不同，屈服強(qiáng)度值也不同。我們通常所說(shuō)的材料的屈服強(qiáng)度一般是指在單向拉伸時(shí)的屈服強(qiáng)度。3、屈服強(qiáng)度的工程意義般取2傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，對(duì)塑性材料，以屈服強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力b = b s/n,安全系數(shù)n或更大；對(duì)脆性材料，以抗拉強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力b = b b/n,安全系數(shù)n般取6。屈服判據(jù)（屈服條件）是機(jī)件開(kāi)始塑性變形的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則需要注意的是，按照傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，必然會(huì)導(dǎo)致片面追求材料的高屈服強(qiáng)度，但是隨著材料屈服 強(qiáng)度的提高，材料的抗脆斷強(qiáng)度在降低

7、，脆斷危險(xiǎn)性增加了。1、加工硬化和真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線1. 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線 從試樣開(kāi)始屈服到發(fā)生頸縮，即均勻塑性變形階段真實(shí)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系：S 二 Ken式中n加工硬化指數(shù)K 硬化系數(shù)（強(qiáng)度系數(shù)），是真實(shí)應(yīng)變等于 1.0時(shí)的真實(shí)應(yīng)力2、加工硬化指數(shù) n的實(shí)際意義反映了金屬材料開(kāi)始屈服以后抵抗繼續(xù)塑性變形的能力，是表征材料應(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還決定了材料能夠產(chǎn)生的最大均勻應(yīng)變量，這一數(shù)值在冷加工成型工藝中是很重要的。大多數(shù)金屬材料n在0.10.5之間，與層錯(cuò)能、冷熱變形有關(guān)對(duì)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證。形變硬化是提

8、高材料強(qiáng)度的重要手段。三、頸縮條件和抗拉強(qiáng)度1.頸縮條件出現(xiàn)頸縮時(shí)正是相當(dāng)于負(fù)荷-變形曲線上的最大載荷處，因此，應(yīng)有dF=0dF=d（S A）=AdS+SdA=0即-dA/A=dS/S又按體積不變定理有dL/L=-dA/A=de故有dS/de=S頸縮的條件：當(dāng)加工硬化速率等于該處的真應(yīng)力時(shí)或當(dāng)硬化指數(shù)等于最大真實(shí)均勻塑性應(yīng)變量時(shí)n=eB4圖1-15 縮頸判據(jù)圖解2.抗拉強(qiáng)度（1） 定義：韌性金屬試樣拉斷過(guò)程中最大試驗(yàn)力（Fb）所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力db只代表金屬材料所能承受的最大拉伸應(yīng)力，表征金屬材料對(duì)最大均勻塑性變形的抗力（2）實(shí)際意義：1 ）標(biāo)志韌性金屬材料在靜拉伸條件下的實(shí)際承載能力（但不作為設(shè)計(jì)

9、參數(shù)）2） 對(duì)脆性材料即為斷裂強(qiáng)度，用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)其許用應(yīng)力以db為依據(jù)。3）db的高低決定于屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù)。4） d b與HB、d -1之間有一定關(guān)系：d b1/3HB , d -11/2 d b （淬火回火鋼） 四、塑性1、塑性與塑性指標(biāo)塑性一一材料斷裂前發(fā)生不可逆永久（塑性）變形的 能力 塑性指標(biāo)：斷后伸長(zhǎng)率（最大試驗(yàn)力下的總伸長(zhǎng)率 、：gt）斷面收縮率2、塑性的實(shí)際意義塑性指標(biāo)是安全力學(xué)性能指標(biāo)（對(duì)靜載下工作的機(jī)件，要求材料具有一定塑性，以防偶然過(guò)載時(shí)突然 破壞）金屬的成形加工（如軋制、擠壓）和機(jī)器裝配、修復(fù)工序要求一定塑性金屬材料的塑性常與強(qiáng)度性能有關(guān)：塑性越高，強(qiáng)度一般較低

10、、屈強(qiáng)比越小 14金屬材料的斷裂一、斷裂的類(lèi)型 機(jī)件的三種主要失效形式：磨損、腐蝕、斷裂（危害最大）斷裂完全斷裂：在應(yīng)力作用下，材料被分成兩個(gè)或幾個(gè)部分i不完全斷裂：內(nèi)部存在裂紋1、韌性斷裂與脆性斷裂（按斷裂前有無(wú)明顯的塑性變形）脆、韌斷裂的劃分：5%為韌斷（光滑拉伸試樣的斷面收縮率 ） 韌性斷裂：斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂特點(diǎn)：1）斷裂有一個(gè)緩慢的撕裂過(guò)程，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中不斷消耗能量2 ）斷裂面一般平行于最大切應(yīng)力并與主應(yīng)力成45度角3）斷口呈纖維狀，灰暗色 斷口特征三要素：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇影響這三個(gè)區(qū)比例的主要因素是材料強(qiáng)度和試驗(yàn)溫度。一般材料強(qiáng)度提高，塑性降低，則放射區(qū)比例

11、增大；試樣尺寸加大，放射區(qū)增大明顯，而纖維區(qū)變化不大2、正斷與切斷（按斷裂面的取向）正斷：斷裂垂直于最大正應(yīng)力 切斷：沿著最大切應(yīng)力方向斷開(kāi)注意：正斷不一定就是脆斷，正斷也可以有明顯的塑性變形。但切斷是韌斷，反過(guò)來(lái)韌斷就不一定是切 斷了。3、穿晶斷裂與沿晶斷裂（按裂紋擴(kuò)展的途徑）穿晶斷裂：裂紋穿過(guò)晶內(nèi)（韌斷或脆斷）沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴(kuò)展（多為脆斷），斷口呈冰糖狀（如應(yīng)力腐蝕、氫脆、回火脆性、淬火裂紋、磨削裂紋等）沿晶斷裂產(chǎn)生原因：晶界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)脆性第二相、夾雜物破壞了晶界的連續(xù)性；或雜質(zhì)元 素向晶界偏聚引起。4、純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂（按斷裂機(jī)理）剪切斷裂：在切應(yīng)力

12、作用下沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂 純剪切斷裂：完全由滑移流變?cè)斐蓴嗔?一一純金屬尤其是單晶體微孔聚集型斷裂：通過(guò)微孔形核、長(zhǎng)大聚合而導(dǎo)致分離一一常用金屬材料解理斷裂：金屬材料在一定條件下（如低溫、應(yīng)變速率較高，或是有三向拉應(yīng)力狀態(tài)），當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學(xué)平面（解理面）產(chǎn)生的穿晶斷 脆斷穿晶的解理斷裂常見(jiàn)于bcc和hep金屬中。解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面（如bee金屬的解理面為（100）、解理斷裂1、解理裂紋的形成和擴(kuò)展 裂紋形成，-塑性變形-位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)甄納-斯特羅位錯(cuò)塞積理論當(dāng)位錯(cuò)塞積頭處的應(yīng)力集中不能為塑性變形所松弛，則塞積頭處的最大拉應(yīng)力d

13、 fmax能夠等于理論斷裂強(qiáng)度dm而形成裂紋。解理斷裂過(guò)程：塑性變形形成裂紋裂紋在同一晶粒內(nèi)初期長(zhǎng)大裂紋越過(guò)晶界向相鄰晶粒擴(kuò)展屈服時(shí)產(chǎn)生解理斷裂的判據(jù)：2G sky d晶粒直徑（或第二相質(zhì)點(diǎn)間距）dv，裂紋擴(kuò)展所需的應(yīng)力或裂紋體的實(shí)際斷裂強(qiáng)度柯垂耳位錯(cuò)反應(yīng)理論柯垂耳為解釋晶內(nèi)解理和 bee晶體中的解理面而提出 裂紋成核：位錯(cuò)反應(yīng)形成不動(dòng)位錯(cuò) 、位錯(cuò)群塞積 裂紋2、解理斷裂的微觀斷口特征解理斷裂基本微觀特征：解理臺(tái)階、河流花樣、舌狀花樣準(zhǔn)解理常見(jiàn)于淬火回火的高強(qiáng)度鋼中，或者是組織為貝氏體的鋼中（彌散細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)影響裂紋形成 與擴(kuò)展）與解理斷裂的共同點(diǎn)：均為穿晶斷裂；有小解理刻面；有河流花樣不

14、同點(diǎn)：準(zhǔn)解理小刻面不是晶體學(xué)解理面。真正解理裂紋常源于晶界，而準(zhǔn)解理裂紋常源于晶內(nèi)硬 質(zhì)點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣三、微孔聚合斷裂1、微孔形核和長(zhǎng)大微孔聚集斷裂過(guò)程：微孔成核、長(zhǎng)大、聚合、斷裂微孔成核：第二相或夾雜物質(zhì)點(diǎn)破裂；第二相或夾雜物與基體界面脫離2、斷口特征：韌窩（即凹坑）等軸狀韌窩：微孔在垂直于正應(yīng)力的平面上各方向長(zhǎng)大傾向相同（如拉伸時(shí)頸縮試樣的中心部分）拉長(zhǎng)韌窩：在扭轉(zhuǎn)載荷或雙向不等拉伸條件下，因切應(yīng)力作用而形成。斷口上韌窩方向相反（如拉伸試 樣剪切唇部分）撕裂韌窩：（T max沿截面分布不均，在邊緣部分很大（表面有缺口或裂紋的試樣斷口）注意：微孔聚集斷裂一定有韌窩存在

15、，但有韌窩出現(xiàn)不一定就是韌性斷裂第2章金屬在其它靜載荷下的力學(xué)性能研究金屬材料在常溫靜載下力學(xué)性能： 拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)不同加載方式在試樣中產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)不同，材料所表現(xiàn)出的力學(xué)行為不完全相同 2.1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為泊松比應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)：表示應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料塑性變形的影響可 max1 一口3a=Sax2w 一0.5（5 +s）式中最大切應(yīng)力T max按第三強(qiáng)度理論計(jì)算，即T max=（ d 1- d 3）/2 , d 1, d 3分別為最大和最小主應(yīng)力。最大正應(yīng)力d max按第二強(qiáng)度理論計(jì)算，即對(duì)單向拉伸 a = 0.5Sax =：；1匚3）對(duì)扭轉(zhuǎn) a = 0.8對(duì)單向壓縮a = 2a值

16、表示材料塑性變形的難易程度：a，切應(yīng)力分量越大，材料越易塑性變形，不易引起脆斷一一應(yīng)力狀態(tài)越軟”；反之則越硬 2.2壓縮一、壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)1）單向壓縮試驗(yàn)a = 2，比拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲的應(yīng)力狀態(tài)都軟，所以主要用于拉伸時(shí)呈脆性的金屬材料 力學(xué)性能測(cè)定2）拉伸時(shí)塑性很好的材料在壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變形而不會(huì)斷裂。二、壓縮試驗(yàn)試樣：截面圓形或正方形，長(zhǎng)度為直徑或邊長(zhǎng)的2.53.5倍抗壓強(qiáng)度：試樣壓至破壞過(guò)程中的最大應(yīng)力scCbcFbcA。（壓縮屈服點(diǎn)：試驗(yàn)時(shí)金屬產(chǎn)生明顯屈服現(xiàn)象） 2.3彎曲一、彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用1）試樣形狀簡(jiǎn)單、操作方便。同時(shí)彎曲試驗(yàn)不存在拉伸試驗(yàn)時(shí)的試樣偏斜對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響問(wèn)題，并可

17、用 繞度顯示材料的塑性。常用于測(cè)定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質(zhì)合金等脆性和低塑性材料的斷裂強(qiáng)度。2）試驗(yàn)時(shí)，試樣截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力最大，可靈敏的反映材料表面缺陷。常用來(lái)比較和 鑒定滲碳層和表面淬火層等機(jī)件的質(zhì)量與性能。3） 試驗(yàn)時(shí)不能使塑性較好的材料斷裂，故其F-fmax曲線的最后部分可任意延長(zhǎng)。二、彎曲試驗(yàn)及力學(xué)性能三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)：將圓形或矩形及方形試樣放置在一定跨距L的支座上，通過(guò)記錄彎曲力F和試樣撓度f(wàn)之間的關(guān)系，通常求出斷裂時(shí)的抗彎強(qiáng)度和最大撓度，以表示材料的強(qiáng)度和塑性。1）試樣彎曲時(shí)，受拉側(cè)表面的最大正應(yīng)力：式中M 最大彎矩。對(duì)三點(diǎn)彎曲M=FLs/4 ;對(duì)四點(diǎn)彎

18、曲 M=FL/2。W抗彎截面系數(shù)。對(duì)于直徑為d的圓形試樣，；對(duì)于寬度為b，高為h的矩形試樣，W=bh2/62）計(jì)算脆性材料的抗彎強(qiáng)度：（Mb為斷裂時(shí)的彎矩，讀出Fbb） 2.4 扭轉(zhuǎn)一、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)1） 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)=0.8 （大于拉伸時(shí)），易于顯示金屬的塑性行為（如可評(píng)定在拉伸時(shí)呈脆性的淬火 結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼的塑性）。2） 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)試樣截面上應(yīng)力分布不均勻，表面最大，越往心部越小?？蓪?duì)各種表面強(qiáng)化工藝進(jìn)行研究 和檢查機(jī)件熱處理的表面質(zhì)量。3）圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)試樣長(zhǎng)度上的塑性變形始終是均勻的，無(wú)頸縮現(xiàn)象。因此，可用于精確評(píng)定拉伸時(shí)出現(xiàn)頸縮的高塑性金屬材料的形變能力和形變抗力。用熱扭

19、轉(zhuǎn)試驗(yàn)可確定材料在熱加工（軋制、鍛造、擠壓）時(shí)的最佳溫度。4）扭轉(zhuǎn)時(shí)試樣中的正應(yīng)力與切應(yīng)力在數(shù)值上大體相等。當(dāng)扭轉(zhuǎn)沿著橫截面斷裂時(shí)為切斷，而由最大正應(yīng)力引起斷裂時(shí)，斷口呈螺旋狀與縱軸成45。二、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和力學(xué)性能指標(biāo)一般采用圓柱形試樣（d0=10mm , L0 = 50或100）在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。扭矩一扭角（T-）曲線試樣在彈性范圍內(nèi)表面的切應(yīng)力和切應(yīng)變?yōu)閃為試樣抗扭截面系數(shù)，圓柱試樣為（二d；）/16TT =W二 d02L0扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能指標(biāo)切變模量G（在彈性范圍內(nèi)，切應(yīng)力與切應(yīng)變之比）:扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)（Ts為屈服時(shí)的扭矩）抗扭強(qiáng)度（Tb為扭斷前承受的最大扭矩） 2.5缺口試樣靜載荷試驗(yàn)一、缺口

20、效應(yīng)及對(duì)材料性能的影響缺口效應(yīng)：由于缺口（截面變化，如鍵槽、油孔、軸肩、螺紋）的存在，在靜載荷作用下，缺口截面上 的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化K =甘 max應(yīng)力集中系數(shù)：表示缺口引起的應(yīng)力集中程度 （在彈性范圍內(nèi)，與材料性質(zhì)無(wú)關(guān)，只決定于缺口幾何形狀） d max、（T分別為缺口凈截面上的最大應(yīng)力與平均應(yīng)力。二、 材料在靜載下的缺口強(qiáng)度試驗(yàn)1、缺口靜拉伸試驗(yàn)（軸向拉伸和偏斜拉伸）為了比較各種材料對(duì)缺口敏感的程度材料在缺口靜拉伸時(shí)的力學(xué)行為：1 ）對(duì)塑性好的材料，缺口使材料的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度升高，但塑性降低，是謂缺口強(qiáng)化”。缺口試樣的強(qiáng)度不會(huì)超過(guò)光滑試樣強(qiáng)度的三倍。2）對(duì)于脆性材料，由于缺口造成的應(yīng)

21、力集中，不會(huì)因塑性變形而使應(yīng)力重新分布，因此缺口試樣的強(qiáng)度 只會(huì)低于光滑試樣。缺口敏感度 NSR（Notch Sensitivity Ratio）:衡量靜拉伸下缺口敏感度指標(biāo)NSR越大，缺口敏感性越小，對(duì)于脆性材料如鑄鐵、高碳工具鋼，其N(xiāo)SR2,即最大切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大正應(yīng)力，所以 在這種加載方式下幾乎所有金屬材料都會(huì)發(fā)生塑性變形，適用于各種塑性、脆性材料。二、硬度試驗(yàn)1、布氏硬度原理：鋼球、硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^；測(cè)壓痕直徑d （查表或計(jì)算）HBS （鋼球壓頭）適用于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼及鑄鐵、有色合金等硬度小于450HB的較軟金屬；HBW （硬質(zhì)合金壓頭）適用于測(cè)量硬度值在650HB以下的較硬

22、材料布氏硬度試驗(yàn)規(guī)程要保證所得壓入角 相等，必須使P/D2為一常數(shù)，只有這樣才能保證對(duì)同一材料得到相同的HB值壓痕直徑d和鋼球直徑D :0.2Dd d s,材料受載后先屈服再斷裂，為韌性斷裂; 低于tk時(shí)，外加應(yīng)力先達(dá)到 d c ,表現(xiàn)為脆斷圖3-5氏和叭隨溫度變化示意圖二、韌脆轉(zhuǎn)變溫度（tk）韌性指標(biāo)1、測(cè)試在不同溫度下進(jìn)行沖擊彎曲試驗(yàn)，根據(jù)吸收功、塑性變形量或斷口形貌隨溫度的變化作出曲線，求出tk（1）按斷口形貌特征：通常取結(jié)晶區(qū)占整個(gè)斷口面積50%的溫度為tk，記為FATT50或50% FATT （斷口形貌轉(zhuǎn)換溫度）（2）能量標(biāo)準(zhǔn)：以某一固定能量來(lái)確定 tk1） NDT （無(wú)塑性或零塑性

23、轉(zhuǎn)變溫度）：在其下，斷口由100%結(jié)晶區(qū)（解理區(qū)）組成2）FTP:高于其，得到100%纖維狀斷口3） FTE :以低階能和高階能平均值對(duì)應(yīng)的溫度定義tk2、按tk的高低來(lái)選擇材料（或根據(jù)材料的tk來(lái)判定其最低使用溫度）t0= tk + （40 60）C三、落錘試驗(yàn)和斷裂分析圖（簡(jiǎn)稱(chēng)FAD）1、落錘試驗(yàn)一一測(cè)定全厚鋼板的 NDT原理：選用不同的溫度進(jìn)行系列試驗(yàn)，測(cè)出試樣（厚度與實(shí)際板厚相同）開(kāi)裂的最高溫度（NDT ）如試驗(yàn)溫度低于 NDT，則裂紋就可自拉伸面橫穿板的寬度直至邊緣，NDT是產(chǎn)生無(wú)塑性破壞的最高溫度。目前NDT已成為低強(qiáng)度鋼構(gòu)件防止脆性斷裂設(shè)計(jì)根據(jù)的一部分。2、斷裂分析圖（簡(jiǎn)稱(chēng)FAD

24、）表示了許用應(yīng)力、缺陷和溫度三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，明確提供了低強(qiáng)度鋼構(gòu)件在溫度、應(yīng)力和缺陷 聯(lián)合作用下脆性斷裂開(kāi)始和終止的條件。 3.4 影響材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素1 ）材料成份隨著鋼中含碳量的增加，冷脆轉(zhuǎn)化溫度幾乎呈線性地上升，且最大沖擊值也急劇降低。鋼的含碳量 每增加0.1 %，冷脆轉(zhuǎn)化溫度升高約為13.9C。鋼中含碳量的影響，主要?dú)w結(jié)為珠光體增加了鋼的脆性。2 ）晶粒大小細(xì)化晶粒一直是控制材料韌性避免脆斷的主要手段。理論與實(shí)驗(yàn)均得出冷脆轉(zhuǎn)化溫度與晶粒大小有3 ）顯微組織在給定強(qiáng)度下，鋼的冷脆轉(zhuǎn)化溫度決定于轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。就鋼中各種組織來(lái)說(shuō)，珠光體有最高的脆化溫度，按照脆化溫度由高到低的依次順

25、序?yàn)椋褐楣怏w，上貝氏體，鐵素體，下貝氏體和回火馬氏體。 除了材質(zhì)因素外，材料的 tk還受試樣尺寸和形狀、加載速率等外部因素影響。1）試樣尺寸增加，應(yīng)力狀態(tài)變硬，脆性增大；缺口尖銳度增加，tk也顯著升高。2）提高加載速率使材料脆性增大，tk升高。（一般中、低強(qiáng)度鋼的 tk對(duì)加載速率比較敏感，而高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼則較?。┍菊滦〗Y(jié)1、評(píng)定加載速率和缺口效應(yīng)對(duì)材料韌性的影響，需要進(jìn)行缺口沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定材料的沖擊韌性。 沖擊韌性是指材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功表示。 工程技術(shù)上常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定材料抗沖擊載荷的能力。2、隨溫度降低，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)

26、變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象稱(chēng)為低溫脆性。在不同溫度下進(jìn)行沖擊彎曲試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果作出沖擊吸收功與溫度關(guān)系曲線、斷口形貌中各區(qū)所占面積和溫度的關(guān)系曲線， 以及試樣斷裂后塑性變形量和溫度的關(guān)系曲線，根據(jù)這些曲線即可求出冷脆轉(zhuǎn)變溫度。3、 影響沖擊韌性和冷脆轉(zhuǎn)變溫度的因素有化學(xué)成分、晶粒尺寸、顯微組織等材質(zhì)因素以及試樣尺寸、形 狀、加載速率等外部因素。第四章斷裂力學(xué)與斷裂韌度經(jīng)典的強(qiáng)度理論無(wú)法解釋為什么工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度時(shí)會(huì)發(fā)生所謂低應(yīng)力脆斷的現(xiàn)象。斷裂力學(xué)：研究帶裂紋體的力學(xué)，它給出了含裂紋體的斷裂判據(jù)，并提出一個(gè)材料固有性能的指標(biāo)斷裂韌性，用它來(lái)比較各種材料的抗斷能力。 4.1 材料的斷裂理論

27、1、理論斷裂強(qiáng)度決定材料強(qiáng)度的最基本因素是原子間結(jié)合力（，則彈性模量、熔點(diǎn)）理想晶體脆性（解理）斷裂的理論斷裂強(qiáng)度（在外加正應(yīng)力作用下，將晶體的兩個(gè)原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應(yīng)力）：實(shí)際金屬材料中一定存在某種缺陷，使斷裂強(qiáng)度顯著下降（實(shí)際斷裂應(yīng)力僅為理論的1/101/1000）2、斷裂強(qiáng)度的裂紋理論（1）格雷菲絲裂紋理論基本觀點(diǎn)：實(shí)際材料中已存在裂紋，當(dāng)平均應(yīng)力還很低時(shí)，局部應(yīng)力集中已達(dá)到很高數(shù)值（達(dá)到d m）,從而使裂紋快速擴(kuò)展并導(dǎo)致脆斷根據(jù)能量平衡原理計(jì)算（薄板）:裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界應(yīng)力：（即實(shí)際斷裂強(qiáng)度）裂紋臨界尺寸：（格雷菲絲裂紋）一、裂紋擴(kuò)展的基本形式含裂紋的金屬零部件，根據(jù)外

28、加應(yīng)力與裂紋擴(kuò)展面的取向關(guān)系，裂紋擴(kuò)展有三種基本形式（如圖）：張開(kāi)型（或稱(chēng)拉伸型）裂紋外加正應(yīng)力垂直于裂紋面，在應(yīng)力作用下裂紋尖端張開(kāi)，擴(kuò)展方向和正應(yīng)力垂直。如軸的橫向裂紋在軸向拉力或彎曲力作用下的擴(kuò)展。（2）滑開(kāi)型（或稱(chēng)剪切型）裂紋剪切應(yīng)力平行于裂紋面，裂紋滑開(kāi)擴(kuò)展。如輪齒或花鍵根部沿切線方向的裂紋引起的斷裂，或者一個(gè) 受扭轉(zhuǎn)的薄壁圓筒上的環(huán)形裂紋。撕開(kāi)型裂紋在切應(yīng)力作用下，一個(gè)裂紋面在另一裂紋面上滑動(dòng)脫開(kāi)，裂紋前緣平行于滑動(dòng)方向，如同撕布一樣。如軸的縱、橫裂紋在扭矩作用下的擴(kuò)展二、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子 KI及斷裂韌度 KIc1、裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)假設(shè)無(wú)限大板，其中有 2a長(zhǎng)的I型裂紋，在無(wú)限遠(yuǎn)處作用

29、有均勻拉應(yīng)力。如用極坐標(biāo)表示，則裂紋尖端附近各點(diǎn)r, 0 ）的應(yīng)力分量:& e=nr COS 一（如嚴(yán) 21+sin sin 2 2在裂紋延長(zhǎng)線上（0 = 0）:可見(jiàn)在x軸上裂紋尖端的切應(yīng)力分量為零，拉應(yīng)力分量最大，裂紋最易沿x軸方向擴(kuò)展。2、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子 KI 描寫(xiě)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度的力學(xué)參量裂紋尖端區(qū)域各點(diǎn)的應(yīng)力分量除了決定其位置（r,0 ）外，還與強(qiáng)度因子 K I有關(guān)I型裂紋應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的一般表達(dá)式（表4-1）:Ki 二Y aMP朋式中Y為裂紋形狀系數(shù)，無(wú)量綱，一般取 12KI不僅隨外加應(yīng)力和裂紋長(zhǎng)度的變化而變化，也和裂紋的形狀類(lèi)型及加載方式有關(guān)，但它和材料本身的固有性能無(wú)關(guān)。3

30、、斷裂韌度K I c和斷裂K判據(jù)斷裂韌度KI c反映了材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力（材料本身特性）當(dāng)b或a增大時(shí)，KI也逐漸增加，當(dāng) KI達(dá)到某一臨界值時(shí)，帶裂紋的構(gòu)件就斷裂了。這一臨界值便稱(chēng)為Kc （平面應(yīng)力斷裂韌度）或 KI c （平面應(yīng)變斷裂韌度）。Ki c =丫=.氏斷裂K判據(jù)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷的斷裂 K判據(jù)：k i k I c注意：K I和K I c的區(qū)別工程意義：可估算裂紋體的最大承載能力b、允許的裂紋尺寸 a以及正確選材、優(yōu)化工藝4、裂紋尖端塑性區(qū)及 KI的修正金屬材料在裂紋擴(kuò)展前，其尖端附近總要先出現(xiàn)一個(gè)或大或小的塑性變形區(qū)（塑性區(qū)或屈服區(qū)）。如果塑性區(qū)尺寸較裂紋尺寸 a及凈截面尺寸為

31、小時(shí)（小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上） ，即在小范圍屈服下，只要對(duì) K I進(jìn)行 適當(dāng)?shù)男拚鸭y尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的強(qiáng)弱程度仍可用修正的KI來(lái)描述。（1）塑性區(qū)的形狀和尺寸表4-2:無(wú)論是平面應(yīng)力或平面應(yīng)變，塑性區(qū)寬度總是與（KI c/b s） 2成正比。材料的 KI c越高，b s越低，其塑性區(qū)寬度越大。（2）有效裂紋及 K I的修正Ki 二丫二 a 口有效裂紋長(zhǎng)度：a+ry有效裂紋的塑性區(qū)修正值ry正好是應(yīng)力松弛后塑性區(qū)的半寬（ ry= R0/2）修正后的KI值（公式4-16）4.3 斷裂韌度K I c的測(cè)試一、試樣的形狀、尺寸及制備用于測(cè)試K Ic的標(biāo)準(zhǔn)試樣主要是三點(diǎn)彎曲試樣與緊湊拉伸試樣（如圖）。

32、形狀和尺寸的確定：試樣厚度B裂紋長(zhǎng)度 a 2.5 （ K I c/ b y） 2韌帶寬度（W-a）二、測(cè)試方法由條件裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界載荷PQ和裂紋長(zhǎng)度a求出條件KQKQ要有效還需要滿足以下兩個(gè)條件：2.5 厘垃11如按上述步驟得到的 KQ滿足以上兩個(gè)條件，則KQ有效，KQ即為K I c。如不滿足，則應(yīng)加大試樣尺寸而重做實(shí)驗(yàn)，新試驗(yàn)尺寸至少為原試樣的1.5倍。 4.4 影響斷裂韌性 K I c的因素一、影響斷裂韌性 K I c的因素1、內(nèi)部因素1 ）化學(xué)成分2 ）基體相結(jié)構(gòu)和晶粒大小3）雜質(zhì)及第二相4 ）顯微組織2、外部因素材料的斷裂韌性隨著板材或構(gòu)件截面尺寸的增加而逐漸減小，最后趨于一穩(wěn)定的

33、最低值，即平面應(yīng)變斷 裂韌性KI c。這是一個(gè)從平面應(yīng)力向平面應(yīng)變的轉(zhuǎn)化過(guò)程。1）溫度斷裂韌性隨溫度的變化關(guān)系和沖擊韌性的變化相類(lèi)似。隨著溫度的降低，斷裂韌性可以有一急劇降低的 溫度范圍，低于此溫度范圍，斷裂韌性趨于一數(shù)值很低的下平臺(tái)，溫度再降低也不大改變了。2）應(yīng)變速率增加應(yīng)變速率f,K I c J（和降低溫度的影響是一致）第5章金屬的疲勞零件在交變應(yīng)力作用下?lián)p壞叫做疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械零件失效中有80%以上屬于疲勞破壞。 5.1金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)一、變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力1、變動(dòng)載荷引起疲勞破壞的外力，指載荷大小、甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷。其在單位面積上的平均值即為 變動(dòng)應(yīng)力。規(guī)則周期變

34、動(dòng)應(yīng)力即循環(huán)應(yīng)力2、循環(huán)應(yīng)力最大應(yīng)力最小應(yīng)力平均應(yīng)力=（+）應(yīng)力幅=（-）應(yīng)力比常見(jiàn)的循環(huán)應(yīng)力：1）對(duì)稱(chēng)交變應(yīng)力（=0,=- 1）:大多數(shù)軸類(lèi)零件，如火車(chē)軸的彎曲對(duì)稱(chēng)交變應(yīng)力、 曲軸的扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力2）脈動(dòng)應(yīng)力（=0,= 0）:如齒輪齒根的循環(huán)彎曲應(yīng)力、軸承應(yīng)力3）波動(dòng)應(yīng)力（ ,01Kf 疲勞缺口系數(shù)，為光滑試樣與缺口試樣疲勞極限之比：1，大小既和缺口的尖銳度有關(guān)也和材料特性有關(guān)0q105時(shí)，破壞后具有典型的疲勞斷口，屬于疲勞斷裂，即沖擊疲勞沖擊疲勞在多次沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，得到A-N曲線。沖擊疲勞（多次沖擊）的特點(diǎn)：1） 強(qiáng)度與韌性不同的兩種材料，在其沖擊能量A和沖擊破斷周次 N的A-N曲線上存

35、在交點(diǎn)。在交點(diǎn)的 上方，即在極高的沖擊能量下，多沖抗力決定于材料的韌性；而在交點(diǎn)的下方，即在較低的沖擊能量下，多沖抗力則主要決定于材料的強(qiáng)度，如圖。2）淬火回火鋼的多沖破斷周次 N隨回火溫度而變化，且在一定溫度回火后會(huì)出現(xiàn)峰值，峰值的位置取 決于沖擊能量。當(dāng)沖擊能量降低，峰值向低溫回火方向轉(zhuǎn)移。3） 沖擊值對(duì)多沖抗力的影響與材料的強(qiáng)度水平有關(guān)。在低中強(qiáng)度范圍內(nèi)，在相同強(qiáng)度水平下，材料的沖 擊值對(duì)多沖抗力影響不大。 在高強(qiáng)度范圍（b b1275MPa）,加入某些合金元素改善馬氏體的塑性， 對(duì)材料的多沖 抗力的提高產(chǎn)生有利影響。 5.4影響疲勞強(qiáng)度的主要因素疲勞斷裂一般從機(jī)件表面應(yīng)力集中處或材料缺

36、陷處發(fā)生，或從二者結(jié)合處發(fā)生。一、表面狀態(tài)的影響1、應(yīng)力集中2、表面粗糙度二、殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響三、材料成分及組織的影響1、合金成分2、顯微組織3、非金屬夾雜物及冶金缺陷提高疲勞強(qiáng)度的途徑：如果零件承受的應(yīng)力幅或應(yīng)變幅很小，主要發(fā)生的是彈性變形，也就是要求零件有長(zhǎng)的高周疲勞壽命， 在工程上常采用以下幾種辦法來(lái)提高零件的疲勞壽命。1） 采用滾壓或噴丸的表面強(qiáng)化辦法。因?yàn)槠诹鸭y的萌生大多起源于表面，滾壓或噴丸時(shí)表面的塑性變形受到約束，使表面產(chǎn)生很高的殘留壓應(yīng)力，這種情況下表面就不易萌生疲勞裂紋，即使表面有小的微裂紋，裂紋也不易擴(kuò)展。2）利用表面化學(xué)熱處理的方法如滲碳氮化等，也能顯著提高材料

37、或零件的疲勞強(qiáng)度。3）減少夾雜物。這對(duì)高強(qiáng)度鋼特別重要。4 ）細(xì)化晶粒。細(xì)化晶粒對(duì)阻止疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展都是有好處的。第6章 材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)行為 6.1應(yīng)力腐蝕一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及產(chǎn)生條件1、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC）:金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象2、產(chǎn)生條件應(yīng)力包括工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力，但其值遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度特定的化學(xué)介質(zhì)如表金屬材料 純金屬不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，所有合金對(duì)應(yīng)力腐蝕都有不同程度的敏感性。但在每一種合金 系列中，都有對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感的合金成分。二、應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理及斷口形貌特征1、應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理最基本的是滑移-

38、溶解理論（或稱(chēng)鈍化模破壞理論）和氫脆理論。如圖：2、斷口形貌特征宏觀形貌：與疲勞斷口相似，有亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)和最后瞬斷區(qū)微觀形貌：一般為沿晶斷裂，也可能為穿晶解理斷裂或準(zhǔn)解理斷裂。表面可見(jiàn)泥狀花樣的腐蝕產(chǎn)物及腐 蝕坑（如書(shū)圖）3、特點(diǎn)1） 造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力， 遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度， 而且一般是拉伸應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力可以是外加 應(yīng)力，也可以是焊接、冷加工或熱處理產(chǎn)生的殘留拉應(yīng)力。 最早發(fā)現(xiàn)的冷加工黃銅子彈殼在含有潮濕的氨氣介 質(zhì)中的腐蝕破壞，就是由于冷加工造成的殘留拉應(yīng)力的結(jié)果。假如經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火，這種事故就可以避免。2）應(yīng)力腐蝕造成的破壞，是脆性斷裂，沒(méi)有明顯的塑性變形。3） 只有在特定的合金

39、成分與特定的介質(zhì)相組合時(shí)才會(huì)造成應(yīng)力腐蝕。例如a黃銅只有在氨溶液中才會(huì)腐 蝕破壞，而B(niǎo)黃銅在水中就能破裂。4） 應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展速率一般在10-9-10-6m/s，有點(diǎn)象疲勞，是漸進(jìn)緩慢的，這種亞臨界的擴(kuò)展?fàn)顩r 一直達(dá)到某一臨界尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時(shí)，就突然發(fā)生斷裂。5）應(yīng)力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直于拉力軸。6）應(yīng)力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產(chǎn)物，而疲勞斷口的表面，如果是新鮮斷口常常較 光滑，有光澤。7）應(yīng)力腐蝕的主裂紋擴(kuò)展時(shí)常有分枝。但不要形成絕對(duì)化的概念，應(yīng)力腐蝕裂紋并不總是分枝的。8） 應(yīng)力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是晶間斷裂。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準(zhǔn)解理 的，其裂紋有似人字形或羽毛狀