材料力學(xué)性能課件

1.1材料在靜拉伸時(shí)的力學(xué)行為概述靜拉伸：是材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中最基本的試驗(yàn)方法。拉伸曲線(xiàn)：應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，可求出許多主要性能指標(biāo)。

如：彈性模量E：零件剛度設(shè)計(jì)。屈服強(qiáng)度σs，抗拉強(qiáng)度σb:強(qiáng)度設(shè)計(jì)，交變載荷塑性δ，斷裂前的應(yīng)變量：冷熱變形時(shí)的工藝性能。

第一章材料在靜載下的力學(xué)性能1.1.1材料在靜拉伸時(shí)的力學(xué)行為概述第一章材料在靜載下2.2.應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)(F0不變）①?gòu)椥宰冃微谇冃微劬鶆蛩苄宰冃微芫植克苄宰冃?/p>

真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)（------代表）3.應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)①?gòu)椥宰冃?.σp:比例極限σE:彈性極限σLY:屈服強(qiáng)度（下）σUY：屈服強(qiáng)度（上）σB：強(qiáng)度極限σb:抗拉強(qiáng)度σp:應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)力。σp=FP/F0σE:由彈性變形過(guò)渡到彈-塑性變形時(shí)的應(yīng)力。σE=FE/F04.σp:比例極限4.不同材料，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)不同，如：5.不同材料，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)不同，如：5.

1.2金屬材料的彈性變形

1.2.1廣義虎克定律

彈性模量E=σX/εXX軸方向，同軸，描寫(xiě)材料正應(yīng)力條件虎克定律：?jiǎn)挝粦?yīng)變產(chǎn)生的單位應(yīng)力（單向應(yīng)力）,物理意義：表示原子之間的結(jié)合力，它是組織不敏感元素描寫(xiě)材料切應(yīng)力：切變模量G=τX(jué)Y/γXY泊桑比：υ=—εXX/εXY關(guān)系式：G=E/2（1+υ）比彈性模量=彈性模量/密度對(duì)完全各向同性材料υ=0.25對(duì)金屬υ值約為0.33（或1/3）當(dāng)υ=0.25時(shí)，G=0.4E；當(dāng)υ=0.33時(shí)，G=0.375E彈性常數(shù)4個(gè)：E，G，υ，KK=σm/Δ=E/3(1-2υ)Δ------單位體積變形K——體彈性模量σm=(σx+σy+σz)/3若υ=0.33，則K≈E只要已知E和υ，就可求出G和K，

由于E易測(cè)，因此用的最多。

6.1.2金屬材料的彈性變形

.2彈性模量的技術(shù)意義

技術(shù)意義：E，G稱(chēng)為材料的剛度，它表示材料在外載荷下抵抗彈性變形的能力

影響E的特征因素：

與原子序數(shù)有周期性關(guān)系

E=K/γm

K，m>1特征常數(shù)，γ原子半徑

γ↑E↓

溫度T：T↑原子結(jié)合力下降，E↓

ε加載速度：對(duì)E影響不明顯

合金化（加入某種金屬），熱處理對(duì)E影響不明顯。彈性模量的技術(shù)意義

技術(shù)意義：E，G稱(chēng)為材機(jī)械設(shè)計(jì)中，剛度是第一位的，它保證精度，曲軸的結(jié)構(gòu)和尺寸常常由剛度決定，然后強(qiáng)度校核。不同類(lèi)型的材料，其彈性模量差別很大。材料彈性模量主要取決于結(jié)合鍵的本性和原子間的結(jié)合力，而材料的成分和組織對(duì)它的影響不大，可以說(shuō)它是一個(gè)對(duì)組織不敏感的性能指標(biāo)（對(duì)金屬材料），而對(duì)高分子和陶瓷E對(duì)結(jié)構(gòu)和組織敏感。熔點(diǎn)高，E↑EW=2EFeEFe=3EAl零件的剛度與材料的剛度不同，它除了決定于材料的剛度外還與零件的截面尺寸與形狀，以及截面積作用的方式有關(guān)。8.機(jī)械設(shè)計(jì)中，剛度是第一位的，它保證精度，曲軸的結(jié)構(gòu)和尺寸常常1.2.3彈性比功

彈性比功：為應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)下彈性范圍所吸收的變形功的能力,又稱(chēng)彈性比能，應(yīng)變比能。即彈性比功=σe2/2E=σeεe/2其中σe為材料的彈性極限，它表示材料發(fā)生彈性變形的極限抗力彈性比功

彈性比功：為應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)下彈性彈性比功理論上：彈性極限的測(cè)定應(yīng)該是通過(guò)不斷加載與卸載，直到能使變形完全恢復(fù)的極限載荷。實(shí)際上：彈性極限的測(cè)定是以規(guī)定某一少量的殘留變形（如0.01%）為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)此殘留變形的應(yīng)力即為彈性極限。

10.彈性比功理論上：彈性極限的測(cè)定應(yīng)該是通過(guò)不斷加載與卸載，直到理想的彈簧材料：應(yīng)有高的彈性極限和低的彈性模量。

成分與熱處理對(duì)彈性極限影響大，對(duì)彈性模量影響不大。儀表彈簧因要求無(wú)磁性，鈹青銅，磷青銅等軟彈簧材料。σe↑E↓→ae11.理想的彈簧材料：應(yīng)有高的彈性極限和低的彈性模量。優(yōu)點(diǎn)：滯后環(huán)面積，它可以減少振動(dòng)，使振動(dòng)幅度很快衰減下來(lái)。缺點(diǎn)：精密儀器不希望有滯后現(xiàn)象高分子滯彈性表現(xiàn)為粘彈性并成為普遍特性，高分子彈性與時(shí)間有關(guān)。彈性滯后環(huán)(鏈接)1.2.4

滯彈性

—

應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫滯彈性。

12.優(yōu)點(diǎn)：滯后環(huán)面積，它可以減少振動(dòng)，使振動(dòng)幅度很快衰減下來(lái)。彈1.2.5包辛格（Baushinger）效應(yīng)

—彈性不完整性

定義：指原先經(jīng)過(guò)變形，然后反向加載時(shí)彈性極限或屈服強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。β值度量包辛格效應(yīng)的大小。

單循環(huán)或多循環(huán)后，都有包辛格效應(yīng)

包辛格效應(yīng)示意圖(有鏈接)

包辛格（Baushinger）效應(yīng)

T10鋼的包辛格效應(yīng)

條件：T10鋼淬火350℃回火拉伸時(shí)，曲線(xiàn)1σ0.2=1130MPa曲線(xiàn)2事先經(jīng)過(guò)預(yù)壓變形再拉伸時(shí),σ0.2=880MPa14.T10鋼的包辛格效應(yīng)條件：T10鋼淬火350℃回火包辛格效應(yīng)理論解釋

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,導(dǎo)致屈服強(qiáng)度↓,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),異號(hào)位錯(cuò)抵銷(xiāo),引起材料軟化,屈服強(qiáng)度↓。15.包辛格效應(yīng)理論解釋

原先加載變形時(shí),位錯(cuò)源在滑移面上產(chǎn)生

理論上:由于它是金屬變形時(shí)長(zhǎng)程內(nèi)應(yīng)力的度量(可用X光方法測(cè)定),所以,包辛格效應(yīng)可用來(lái)研究材料加工硬化的機(jī)制.

工程上:

材料加工工藝時(shí),需要注意或考慮包辛格效應(yīng).輸油管UOE工藝包辛格效應(yīng)大的材料，內(nèi)應(yīng)力較大。包辛格效應(yīng)和材料的疲勞強(qiáng)度也有密切關(guān)系

包辛格效應(yīng)的應(yīng)用16.理論上:由于它是金屬變形時(shí)長(zhǎng)程內(nèi)應(yīng)力的度量(可用X光方法清除包辛格效應(yīng)的方法

預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形,或在第二次反向受力前先使金屬材料于回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火,如鋼在400-500℃以上.17.清除包辛格效應(yīng)的方法預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形,或在1.3金屬材料的塑性變形

塑性變形的方式和特點(diǎn)常見(jiàn)的塑性變形方式為滑移和孿生滑移是金屬材料在切應(yīng)力作用下,沿滑移面和滑移方向進(jìn)行的切變過(guò)程.滑移面ⅹ滑移方向=滑移系

滑移系越多,塑性↑孿晶是金屬材料在切應(yīng)力作用下的一種塑性變形方式,孿晶變形可以調(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).(滑移受阻→孿生,變形速度加快)18.1.3金屬材料的塑性變形

塑性變形的方式和特點(diǎn)18.

1.3.1屈服強(qiáng)度及其影響因素

屈服標(biāo)準(zhǔn)

σS定義:材料開(kāi)始塑性變形的應(yīng)力.工程上常用的屈服標(biāo)準(zhǔn)有三種比例極限σP:

應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上符合線(xiàn)性關(guān)系的最高應(yīng)力.σS≥σP

彈性極限σel:

材料能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力.

σel≥σP工程上用途不同區(qū)別,槍炮材料要求高的比例極限,彈簧材料要求高的彈性極限

屈服強(qiáng)度σ0.2或σys

:以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標(biāo)準(zhǔn),通常為0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度.19.

1.3.1屈服強(qiáng)度及其影響因素屈服標(biāo)準(zhǔn)19.比例極限σP,彈性極限σel,屈服強(qiáng)度σ0.2或σys

這三種標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)量上實(shí)際上都是以殘留變形為依據(jù),只不過(guò)規(guī)定的殘留變形量不同,所以國(guó)家規(guī)定三種規(guī)范.⑴規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力(σP)σ0.01或σ0.05⑵規(guī)定殘留伸長(zhǎng)應(yīng)力(σγ)σr0.2⑶規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力(σt)σt0.5注意：σP和σt是在試樣加載時(shí)直接從應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上測(cè)量的,σγ要求卸載測(cè)量。

20.比例極限σP,彈性極限σel,屈服強(qiáng)度σ0.2或σys這1.

影響屈服強(qiáng)度的因素

結(jié)合鍵:

金屬—金屬鍵高分子—范德華力陶瓷—共價(jià)鍵或離子鍵組織:

四種強(qiáng)化機(jī)制影響σys

①固溶強(qiáng)化②形變強(qiáng)化③沉淀和彌散強(qiáng)化④晶界和亞晶強(qiáng)化其中沉淀強(qiáng)化和晶粒細(xì)化是工程上常使用提高σys的手段。前三種機(jī)制提高σys,但是降低δ,只有第四種提高σys又提高δ。

內(nèi)在因素:結(jié)合鍵,組織,結(jié)構(gòu),原子本性21.1.

影響屈服強(qiáng)度的因素

結(jié)合鍵:金屬—金屬鍵

外在因素

溫度+應(yīng)變速率+應(yīng)力狀態(tài)

溫度因素：高溫時(shí),γ鋼性能高低溫時(shí),α鋼性能高并非高溫性能好的鋼低溫性能也好。（體心立方金屬對(duì)溫度更敏感）22.

外在因素

溫度+應(yīng)變速率+應(yīng)力狀態(tài)

溫度因素：22應(yīng)變速率和應(yīng)力狀態(tài)(應(yīng)力集中)的影響應(yīng)力狀態(tài)(扭轉(zhuǎn)、應(yīng)力集中)的影響引出應(yīng)力集中系數(shù)Kt,

α(尖角),γ越尖,Kt↑若缺口敏感:R<1弱化若缺口不敏感:

R=σr缺口/σr光滑>1強(qiáng)化23.應(yīng)變速率和應(yīng)力狀態(tài)(應(yīng)力集中)的影響應(yīng)力狀態(tài)(扭轉(zhuǎn)、應(yīng)力集中σYS的工程意義

σYS的工程意義:

許用應(yīng)力：?jiǎn)蜗颉⒍嘞颉?/p>

是指材料的某些力學(xué)行為和工藝性能的大致度量（不是越高越好）：如:σYS↑,對(duì)應(yīng)力腐蝕和氫脆就敏感σYS↓,冷加工成型性能和焊接性能好σYS是材料性能中不可缺少的重要指標(biāo)24.σYS的工程意義

σYS的工程意義:加工硬化和真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

真實(shí)應(yīng)變與條件應(yīng)變相比有兩種明顯的特點(diǎn):

條件應(yīng)變往往不能真實(shí)反映或度量應(yīng)變。（拉伸與壓縮）真實(shí)應(yīng)變可以疊加,可以不記中間的加載歷史,只需知道試樣的初始長(zhǎng)度和最終長(zhǎng)度（條件應(yīng)變不能）

兩者關(guān)系:條件應(yīng)變>真實(shí)應(yīng)變

真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(流變曲線(xiàn))真應(yīng)力S=F/A真實(shí)應(yīng)變

加工硬化和真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

真真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系:從試樣開(kāi)始屈服到發(fā)生頸縮，這一段應(yīng)變范圍中真實(shí)應(yīng)力和真應(yīng)變的關(guān)系，可用以下方程描述

S=KεnHollomon關(guān)系式式中n稱(chēng)為加工硬化指數(shù)或應(yīng)變硬化指數(shù)，K叫做強(qiáng)度硬化指數(shù)。S—真應(yīng)力ε—真應(yīng)變?nèi)羧?duì)數(shù)，lnS=lnK+ nlnε2.真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系26.真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系:2.真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系26.

圖1-6

雙對(duì)數(shù)座標(biāo)上

的Hollomon關(guān)系

圖1-7n的變化范圍圖理想彈性體：n＝1；理想塑性體：n＝0n的取值范圍：0～1一般金屬：n＝0.1～0.527.圖1-6雙對(duì)數(shù)座標(biāo)上

的Hollomon關(guān)系

注意：加工硬化速率ds/dε與加工硬化指數(shù)n并不等同

n=dlnS/dlnε=εds/Sdε

即ds/dε=nS/ε

在相同變形時(shí)ε的情況下，n↑ds/dε↑

對(duì)有些金屬材料:象雙相鋼，一些鋁合金和不銹鋼不能用S=Kεn方程描述。在lnS-lnε圖中會(huì)得到兩段不同的斜率的直線(xiàn)，稱(chēng)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)系。28.

注意：加工硬化速率ds/dε與加工硬化指數(shù)n并不等同3.加工硬化指數(shù)n的實(shí)際意義

反映了材料開(kāi)始屈服以后，繼續(xù)變形時(shí)材料的應(yīng)變硬化情況，它決定了材料開(kāi)始發(fā)生頸縮時(shí)的最大應(yīng)力。（σb或Sb）1)金屬的加工硬化指數(shù)（能力），對(duì)冷加工成型很重要（n決定開(kāi)始頸縮時(shí)的最大應(yīng)力和最大均勻變形量，n=0材料能否冷加工？）。低碳鋼有較高的n,n約為0.2。汽車(chē)身板鋁合金化，其n值較低，冷加工或沖壓性能差。2)對(duì)于工作中的零件，也要求材料有一定的加工硬化能力，是零件安全使用的可靠保證。3)形變強(qiáng)化是提高材料強(qiáng)度的重要手段。29.3.加工硬化指數(shù)n的實(shí)際意義反映了材料開(kāi)始屈服以后，舉例不銹鋼：n=0.5,因而也有很高的均勻變形量，σYS不高，但可用冷變形可成倍的提高高碳鋼絲：經(jīng)過(guò)鉛浴等溫處理后冷拔，可達(dá)2000MPa以上，但這些傳統(tǒng)方法↑σYS→δ↓復(fù)相鋼：（即能提高σYS，又能↑δ）a.

鐵素體+馬氏體鋼b.γ+M,或γ+貝氏體利用多相組織增強(qiáng)形變強(qiáng)化的例子，利用受力變形時(shí)γ→M是形變硬化作用增強(qiáng)的特點(diǎn)，達(dá)到推遲頸縮的目的。30.舉例不銹鋼：n=0.5,因而也有很高的均勻變形量，σYS不高圖1-9復(fù)相鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)普通碳鋼，控制軋制的SAE950x和980低合金高強(qiáng)度剛（屈服點(diǎn)分別為345和550MN/m2)以及臨界區(qū)淬火SAE980x圖1-10貝氏體-奧氏體鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)（a)低奧氏體含量（b)最佳奧氏含量（c)高奧氏體含量在工程上：對(duì)冷加工成型的低碳鋼，其加工的硬化指數(shù)n可通過(guò)屈服強(qiáng)度σys

估算：

σysMPa=70/nn↑σys與σb差值越大，即σS/σB↓31.圖1-9復(fù)相鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖1-10貝氏體-奧氏體鋼的頸縮條件：應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上的應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，即開(kāi)始出現(xiàn)頸縮，頸縮前是均勻變形，頸縮后是不均勻變形，即局部變形頸縮條件：ds/dε=S當(dāng)加工硬化速率等于該處的真應(yīng)力時(shí)就開(kāi)始頸縮。

1.3.3頸縮條件和抗拉強(qiáng)度

32.頸縮條件：應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上的應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，即開(kāi)始出現(xiàn)頸縮抗拉強(qiáng)度

在材料不產(chǎn)生頸縮時(shí)抗拉強(qiáng)度代表斷裂抗力

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)。

塑性材料：代表產(chǎn)生最大均勻塑性變形抗力，但它表示了材料在靜拉伸條件下的極限承載能力（對(duì)吊鉤、鋼絲繩是必要的）。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。取決于σb和n，n不能直接測(cè)量，可通過(guò)σb和σS間接了解材料加工硬化情況。σb能和材料的疲勞極限σ-1和材料的硬度HB建立一定關(guān)系

對(duì)淬火回火鋼：σ-1≈σb

σb≈0.345HB

因此，σb被列為材料常規(guī)力學(xué)性能的五大指標(biāo)之一五大指標(biāo)：σS，σb，δ，ψ，aK33.抗拉強(qiáng)度

在材料不產(chǎn)生頸縮時(shí)抗拉強(qiáng)度代表斷裂抗力脆性材料：塑性的測(cè)量

(有鏈接)塑性的定義：指金屬材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。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δ和斷面收縮率ψ表示。條件塑性δ=（l-l0）/l0ⅹ100%δU=ΔlU/l0(均勻變形延伸率)δN(局部變形延伸率)=Δln/l0

l—試樣斷裂后的標(biāo)距長(zhǎng)度l0—試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度1.3.4塑性的度量及其實(shí)際意義34.塑性的測(cè)量(有鏈接)條件塑性δ=（l-l0）/l0ⅹ100δ（塑性變形）=均勻塑性變形+集中塑性變形Δ5:l0=5d0(小試樣)δ10:l0=10d0（大試樣）（試樣長(zhǎng)度對(duì)δ有影響?)δgt:最大力下的總伸長(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，變形是工程應(yīng)變，δgt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

εB=ln(1+δgt)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δgt→εB→n35.δ（塑性變形）=均勻塑性變形+集中塑性變形35.斷面收縮率：

Ψ=（A0-A）/A0ⅹ100%

A0—試樣原始橫截面能

A1---縮頸處最小橫截面積

ΨU=ΔAU/A0

Ψn=ΔAn/A0

Ψf=(A0-Af)/A0若Ψ?δ形成頸縮，若Ψ≦δ不形成頸縮，Ψ比δ對(duì)組織變化更為敏感36.斷面收縮率：

Ψ=（A0-A）/A0ⅹ100%

A0—試樣原塑性的實(shí)際意義

金屬材料的塑性指標(biāo)是安全力學(xué)性能指標(biāo)；εf–材料均勻變形的能力。Ψf–局部變形的能力。

塑性對(duì)壓力加工是很有意義的。加工硬化塑性大小反映冶金質(zhì)量的好壞，評(píng)定材料質(zhì)量。細(xì)化晶粒，碳化指數(shù)。37.塑性的實(shí)際意義

金屬材料的塑性指標(biāo)是安全力學(xué)性能指標(biāo)；1.3.5靜力韌度（能量指標(biāo)）

定義：材料在靜拉伸時(shí)單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功叫做靜力韌度。

是一個(gè)強(qiáng)度與塑性的綜合指標(biāo)，是表示靜載下材料強(qiáng)度與塑性的最佳配合鏈接靜力韌度（能量指標(biāo)）定義：材料在靜拉伸時(shí)單位1.4金屬材料的斷裂

1.4.1靜拉伸的斷口(3種情況)①③②39.1.4金屬材料的斷裂

1.4.1靜拉伸的斷口(3（a）(b)：斷口齊平，垂直于最大拉應(yīng)力方向，

δ↓↓，只有少量均勻變形，鑄鐵，淬火+低回火高碳鋼。（e）：塑性很好，試樣斷面可減細(xì)到近于一尖刀，然后沿最大切應(yīng)力方向斷開(kāi)。如純Au、Al。(c)(d)：都出現(xiàn)頸縮，只是程度不同，試樣中心先開(kāi)裂，然后向外延伸，接近表面時(shí)沿最大切應(yīng)力方向斜面斷開(kāi)，斷口形狀如杯口狀。40.（a）(b)：斷口齊平，垂直于最大拉應(yīng)力方向，40.

但是，正斷不一定就是脆斷，也可以有明顯的塑性變形。切斷是韌斷，但反之不一定成立，韌斷不一定是切斷，韌斷與切斷并非是同義詞41.但是，正斷不一定就是脆斷，也可拉伸試樣的宏觀斷口對(duì)拉伸試樣的宏觀斷口觀察：三個(gè)區(qū)域中心區(qū)叫做纖維區(qū)放射區(qū)剪切唇這三個(gè)區(qū)域的比例關(guān)系與材料韌斷性能（塑性）有關(guān)，若材料的硬度和強(qiáng)度很高，又處于低溫環(huán)境，斷面上有許多放射狀條紋，并匯聚一個(gè)中心。鏈接42.拉伸試樣的宏觀斷口對(duì)拉伸試樣的宏觀斷口觀察：三個(gè)區(qū)域鏈接42無(wú)缺口拉伸試樣,斷口和三個(gè)斷裂區(qū)示意圖沖擊試樣和三個(gè)斷裂區(qū)示意圖43.無(wú)缺口拉伸試樣,斷口和三個(gè)斷裂區(qū)示意圖沖擊試樣和三個(gè)斷裂區(qū)示1.4.2韌斷機(jī)制——微孔聚合

利用SEM，微孔分成：微孔聚合型解理和準(zhǔn)解理型晶間斷裂疲勞斷裂

在SEM，微孔聚合型斷裂的形貌是一個(gè)個(gè)韌窩，韌窩是微孔長(zhǎng)大的結(jié)果，韌窩中包含著一個(gè)夾雜物或第二相，這證明微孔多萌生于夾雜物或第二相與基體的界面上。

頸縮試樣鋸齒狀拉伸斷口形成過(guò)程示意圖韌斷機(jī)制——微孔聚合

利用SEM，微孔分成：頸由于應(yīng)力狀態(tài)或加載方式的不同，韌窩可有三種類(lèi)型拉伸型的等軸狀韌窩剪切型的伸長(zhǎng)韌窩拉伸撕裂的伸長(zhǎng)韌窩韌窩的形狀取決于應(yīng)力狀態(tài)，而韌窩的大小和深淺取決于第二相的數(shù)量分布以及基體的塑性變形能力，韌窩大而深，塑性好，大而淺，加工硬化能力強(qiáng)。45.由于應(yīng)力狀態(tài)或加載方式的不同，韌窩可有三種類(lèi)型45.20CrMo淬火高溫回火斷口微孔聚合型(微孔多萌生于碳化物界面)46.20CrMo淬火高溫回火斷口微孔聚合型(微孔多萌生于碳化物界1.4.3穿晶斷裂——解理和準(zhǔn)解理

解理斷裂：為脆性斷裂（宏觀)(體心立方，密排

六方金屬)解理面：沿著一定的結(jié)晶學(xué)平面發(fā)生的，這個(gè)平面叫解理面微孔斷口形貌：河流狀花樣，河流的流向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向，裂紋多萌生于晶界或亞晶界河流狀花樣：實(shí)際上是許多解理臺(tái)階，不是在單一的晶面上穿晶斷裂——解理和準(zhǔn)解理

解理斷裂：為脆性斷裂（解理斷裂48.解理斷裂48.解理階49.解理階49.解理羽毛50.解理羽毛50.準(zhǔn)解理斷裂實(shí)際上也有一定的塑性變形，如：貝氏體鋼中、高強(qiáng)度鋼它是解理和微孔聚合的混合斷裂

相似點(diǎn):有解理面、河流花樣不同：①主裂紋的走向不太清晰，原因是主裂紋前方常產(chǎn)生許多二次裂紋；②晶粒內(nèi)部有許多撕裂棱，撕裂棱附近有許多變形；③裂紋多萌生于晶粒內(nèi)部，裂紋的擴(kuò)展從解理臺(tái)階逐漸過(guò)渡向撕裂棱。51.準(zhǔn)解理斷裂實(shí)際上也有一定的塑性變形，如：貝氏體鋼中、高強(qiáng)度準(zhǔn)解理斷裂52.準(zhǔn)解理斷裂52.準(zhǔn)解理53.準(zhǔn)解理力學(xué)狀態(tài)圖的斷裂分析

應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)α

一個(gè)材料的塑性或脆性并不是絕對(duì)的，受應(yīng)力狀態(tài)的影響。例：①鑄鐵壓→韌，拉→脆②韌性低碳鋼光滑，缺口為了表示應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料塑性變形的影響，引入應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)α

分別為最大和最小主應(yīng)力,為泊松比力學(xué)狀態(tài)圖的斷裂分析

應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)α一對(duì)單向拉伸：

扭轉(zhuǎn)：

單向壓縮：取

表示材料塑性變形的難易程度。

大在該應(yīng)力狀態(tài)下切應(yīng)力分量越大，塑性變形易；稱(chēng)軟的應(yīng)力狀態(tài)，相對(duì)于↓的應(yīng)力狀態(tài)而言，不易引起脆斷。反之，稱(chēng)硬的應(yīng)力狀態(tài)。55.對(duì)單向拉伸：扭轉(zhuǎn)：?jiǎn)蜗驂嚎s：取 表示材料塑性影響斷裂的內(nèi)在因素是材料本性，如σs,σb

外在因素：應(yīng)力狀態(tài)，溫度和加載速度力學(xué)狀態(tài)圖就是將四因素綜合在一個(gè)圖中，從圖中可定性的判斷材料發(fā)生何種斷裂

2.力學(xué)狀態(tài)圖

溫度、載荷速度影響τs、σf*的相對(duì)位置。56.影響斷裂的內(nèi)在因素是材料本性，如σs,σb

2.力學(xué)狀態(tài)1.7金屬的硬度

硬度：是指金屬在表面上的不大體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力，硬度是生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的性能指標(biāo)，可估算其他性能指標(biāo)。究竟它表征哪一種抗力，則決定于采用的試驗(yàn)方法。57.1.7金屬的硬度

硬度：是指金屬在表面上的不大體積內(nèi)抵抗變A．抵抗變形能力：壓入法型硬度試驗(yàn)：測(cè)布氏硬度，洛氏硬度，維氏硬度，顯微硬度，統(tǒng)稱(chēng)壓入硬度?？蓽y(cè)量脆性材料（陶瓷材料）的硬度，表面處理的工件。

B.

抵抗破裂能力：刻劃片型硬度試驗(yàn)：刻劃硬度

C.抵抗金屬?gòu)椥宰冃文芰Γ夯靥?肖氏硬度）大型工件實(shí)驗(yàn)方法58.A．抵抗變形能力：壓入法型硬度試驗(yàn)：測(cè)布氏硬度，洛氏硬硬度與其他性能指標(biāo)的關(guān)系

以壓入法為例：

對(duì)Cu及合金和不銹鋼K=0.4-0.55對(duì)鋼鐵材料K=0.33-0.36旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限所以硬度知道，其他相關(guān)性能，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可估算又方便，不毀工件，在生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用

幾種硬度值在應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)上的位置59.硬度與其他性能指標(biāo)的關(guān)系

以壓入法為例：對(duì)Cu及合金和不銹硬度實(shí)驗(yàn)布氏硬度和洛氏硬度的測(cè)定60.硬度實(shí)驗(yàn)布氏硬度和洛氏硬度的測(cè)定布氏硬度

布氏硬度的測(cè)定原理

在直徑D的鋼珠上，加一定負(fù)荷P，壓入被測(cè)試樣金屬的表面，根據(jù)金屬表面痕的凹陷面積計(jì)算出應(yīng)力值。

式中t為壓痕凹深度；πDt為壓痕凹陷面積,在P和D一定時(shí)，HB∝1/tt測(cè)量困難d＝f(t)

布氏硬度

布氏硬度的測(cè)定原理在直徑D的鋼布氏硬度的測(cè)定原理的圖示根據(jù)不同d值，可查表或計(jì)算出HB值。?oab關(guān)系中

代入前式鏈接62.布氏硬度的測(cè)定原理的圖示根據(jù)不同d值，可查表或計(jì)算出HB值。0.2D<d<0.5DP和D應(yīng)在壓入角相等，才能保證同一材料得到同樣的HB值，生產(chǎn)上常用的P/D2值規(guī)定。30，10，2.5三種保持時(shí)間10～60秒布氏硬度試驗(yàn)方法和技術(shù)條件在國(guó)標(biāo)GB231-84中有明確規(guī)定布氏硬度測(cè)定的注意事項(xiàng)63.0.2D<d<0.5D布氏硬度測(cè)定的注意事項(xiàng)6布氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍

優(yōu)點(diǎn)：代表性全面，能反映表面較大體積范圍內(nèi)各組成相綜合性能指標(biāo)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定缺點(diǎn)：鋼球本身變形問(wèn)題，對(duì)HB>450以上硬材料，不能使用。所以，不允許有較大壓痕的工件，也不宜于薄件試樣。64.布氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍優(yōu)點(diǎn)：代表性全面，能反映表面較大定義：用壓痕深度大小作為標(biāo)志硬度值高低的洛氏硬度試驗(yàn)，而布氏硬度以測(cè)定壓痕面積來(lái)計(jì)算硬度值。測(cè)定原理：是在載荷P0及總載荷P

分別作用下，將金剛石（較硬）圓錐（位角1200）或鋼球（ф1.5888

㎜）壓入較軟試樣表面，然后卸除主載荷P1,在初載荷下用測(cè)量的e值計(jì)算洛氏硬度，e值為卸除主載荷后，在初載荷下的壓痕深度殘余均是用0.002mm為單位表示。1.7.3洛氏硬度

鏈接65.定義：用壓痕深度大小作為標(biāo)志硬度值高低的洛氏硬度試驗(yàn)，而布氏優(yōu)點(diǎn)：壓痕少，操作簡(jiǎn)單，易直接讀出，不存在壓頭變形問(wèn)題。缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差，多測(cè)幾個(gè)點(diǎn)平均，不同硬度級(jí)測(cè)量。硬度值無(wú)法統(tǒng)一起來(lái)；晶粒粗大缺乏代表性HRC=0.2-t常用HRA(金剛石圓錐壓頭)，HRB(鋼球壓頭)，HRC（金剛石圓錐壓頭）洛氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)66.優(yōu)點(diǎn)：壓痕少，操作簡(jiǎn)單，易直接讀出，不存在壓頭變形問(wèn)題。洛氏1.7.4維氏硬度

維氏硬度試驗(yàn)的兩大特點(diǎn)

負(fù)載可任意選擇

通過(guò)維氏硬度試驗(yàn)和通過(guò)布氏硬度試驗(yàn)所得到的硬度值完全相等缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率沒(méi)有HR高。通過(guò)測(cè)對(duì)角線(xiàn)，適用于硬質(zhì)的材料D維氏硬度

維氏硬度試驗(yàn)的兩大特點(diǎn)D67.原理與維氏硬度一樣，只是載荷小，大致在100gf~500gf.壓頭有兩種：1）維氏壓頭，金剛石四方錐2）努氏壓頭：菱形的金剛石錐體

A是投影面積而不是壓痕面積，l是對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度μm,c是提供的常數(shù)用途：測(cè)量尺寸小或很薄的零件。顯微組織的硬度。缺點(diǎn)：效率低。1.7.5顯微硬度

鏈接鏈接68.原理與維氏硬度一樣，只是載荷小，大致在100gf~500gf幾種硬度計(jì)69.幾種硬度計(jì)69.習(xí)題如今有如下工件，需測(cè)試硬度，試說(shuō)明采用何種硬度試驗(yàn)方法適宜？1）

滲碳層中的硬度分布2）淬火鋼件3）灰鑄鐵4）鑒別鋼中殘余γ和隱晶M5）硬質(zhì)合金6）陶瓷涂層鏈接70.習(xí)題如今有如下工件，需測(cè)試硬度，試說(shuō)明采用何種硬度試驗(yàn)方法適曲線(xiàn)1：聚碳酸脂（PC），聚丙?。≒P）和高抗沖聚苯乙烯（HTPS）衡速拉伸曲線(xiàn)2：ABS塑料，聚甲醛（POM）和增強(qiáng)尼龍（GFPA）等曲線(xiàn)3：增強(qiáng)聚碳酸脂（GFPC），聚苯乙烯（PS），發(fā)生脆斷聚合物材料的拉伸載荷-伸長(zhǎng)曲線(xiàn)1.8聚合物的靜強(qiáng)度

71.曲線(xiàn)1：聚碳酸脂（PC），聚丙?。≒P）和高抗沖聚苯乙烯（H指出：金屬的縮頸與聚合物縮頸有重大差別。聚合物縮頸后會(huì)發(fā)生均勻塑性變形，縮頸區(qū)沿長(zhǎng)度方向擴(kuò)展。解釋?zhuān)悍肿渔溣晌慈∠蛳蛉∠驙顟B(tài)轉(zhuǎn)化。聚合物的性能特點(diǎn)：強(qiáng)烈的受溫度和載荷作用時(shí)間的影響，力學(xué)性能變化幅度大

1)密度小2)高彈性3)E小4)粘彈性明顯

聚合物的頸縮72.指出：金屬的縮頸與聚合物縮頸有重大差別。聚合物的頸縮72.

晶態(tài)聚合物的彈性模量彈性模量與金屬相似，取決于分子鍵的作用力，范德瓦爾力，氫鍵，偶極，但是，沿晶態(tài)聚合物分子鍵方向加載與垂直于分子鏈方向加載時(shí)，其彈性模量相差很大（1—2個(gè)數(shù)量級(jí)）非晶態(tài)聚合物的彈性模量大小實(shí)質(zhì)上也是反映了分子鏈與分子鏈間鍵合力與位能的變化，非晶態(tài)與晶態(tài)不同，沿不同方向加載時(shí)差別小，彈性E也小。1.8.2聚合物的彈性模量

聚合物的E對(duì)結(jié)構(gòu)非常敏感,這與金屬和陶瓷不同73.晶態(tài)聚合物的彈性模量非晶態(tài)聚合物的彈性模量1.8.影響聚合物的彈性模量的因素

下列因素的增加，E↑1)主鍵熱力學(xué)穩(wěn)定性的增加2）結(jié)晶區(qū)百分比的增加3）分子鏈填充密度的增加4）分子鏈拉伸方向取向程度的增加5)聚合物晶體中鏈端適應(yīng)性增強(qiáng)6)鏈折疊程度的減小74.影響聚合物的彈性模量的因素下列因素的增加，E↑74.

聚合物受力后產(chǎn)生的變形是通過(guò)調(diào)整內(nèi)部分子構(gòu)象實(shí)現(xiàn)的。

粘彈性：具有慢性的粘性流變，表現(xiàn)為滯后環(huán)，應(yīng)力松弛和蠕變。上述現(xiàn)象均與溫度，時(shí)間，密切相關(guān)。

聚合物另一種特殊的彈性變形行為是高彈態(tài)，如橡膠橡膠的特點(diǎn)：1）E很小，而變形量很大。一般Cu,Fe的E只有1％-2％，而橡膠1000％。2）形變需要時(shí)間

3）形變時(shí)有熱效應(yīng)，熱彈性效應(yīng)；在伸長(zhǎng)時(shí)發(fā)熱，回縮時(shí)吸熱，這種熱效應(yīng)隨伸長(zhǎng)率而增加。鏈接75.聚合物受力后產(chǎn)生的變形是通過(guò)調(diào)整內(nèi)部分子構(gòu)象實(shí)現(xiàn)的。鏈1.9陶瓷材料的靜強(qiáng)度

陶瓷是當(dāng)代三大固體材料之一工程陶瓷SiN4,SiC,Al2O3,ZrO2特點(diǎn)：耐高溫，硬度高，E高，耐磨，耐蝕，抗蠕變性能好76.1.9陶瓷材料的靜強(qiáng)度

陶瓷是當(dāng)代三大固體材料之一76材料在靜拉伸載荷作用下，經(jīng)過(guò)彈性變形加塑性變形加斷裂三個(gè)階段。E＝σ∕εE↑原子間鍵合強(qiáng)度越大。E工程技術(shù)意義：反映材料剛度大小。1.9.1陶瓷材料的拉伸曲線(xiàn)與彈性變形

77.材料在靜拉伸載荷作用下，經(jīng)過(guò)彈性變形加塑性變形加斷裂三個(gè)

E陶?E

如Al:E=65GPaAl2O3：E=390Mpa鋼:E=200GpaSiC:E=470GPa

陶瓷材料E:不僅與結(jié)合鍵（離子鍵和共價(jià)鍵）有關(guān)，還與陶瓷結(jié)構(gòu)及氣孔率有關(guān)，而金屬材料E是一個(gè)極為穩(wěn)定的力學(xué)性能指標(biāo)，合金化，熱處理，冷熱加工難以改變它的數(shù)值。但陶瓷的工藝過(guò)程卻對(duì)陶瓷材料的E有著巨大的影響。如氣孔率P較小時(shí)，E=E0(1-KP)K為常數(shù)，E0是無(wú)氣孔時(shí)的E0陶瓷材料（特別是氣孔率較高時(shí)）E壓E拉且E壓E拉而金屬E壓=E拉陶瓷材料E的特點(diǎn)78.E陶?E如Al:E=65GPaAl2O3：E

因?yàn)樘沾刹牧纤苄圆?，拉伸時(shí)，若夾頭不對(duì)軸，斷裂往往發(fā)生在夾頭處，測(cè)不出真實(shí)的σf,所以，一般均采用彎曲試驗(yàn)。三點(diǎn)或四點(diǎn)彎曲,跨距為20～30mm，尺寸：（3－4）*（4－5）*（30－40）mm三點(diǎn)彎曲時(shí)：四點(diǎn)彎曲時(shí)：P為斷裂載荷（N）

L為下支點(diǎn)間跨距（mm）l為上支點(diǎn)間跨距（mm）（對(duì)4點(diǎn)彎曲）

b為試樣寬度（mm）

h為試樣厚度（mm）

1.9.2陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度

79.因?yàn)樘沾刹牧纤苄圆?，拉伸時(shí)，若夾頭不對(duì)軸，斷裂往往發(fā)生在夾1.9.3陶瓷材料的斷裂與斷裂強(qiáng)度

理想晶體的斷裂強(qiáng)度為

其中為理論斷裂強(qiáng)度,E為彈性模量,為材料比表面能,為原子間距離

陶瓷材料斷裂強(qiáng)度理論值與實(shí)測(cè)值相差巨大可用格里菲斯裂縫強(qiáng)度理論得到滿(mǎn)意解釋陶瓷材料的斷裂與斷裂強(qiáng)度理想晶體的斷陶瓷材料盡管本質(zhì)上應(yīng)該具有很高的斷裂強(qiáng)度，但實(shí)際斷裂強(qiáng)度卻往往低于金屬。陶瓷σ壓＞＞σ拉，其差別程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)金屬氣孔和材料密度對(duì)陶瓷斷裂強(qiáng)度有重大影響

陶瓷材料斷裂強(qiáng)度的特點(diǎn)81.陶瓷材料盡管本質(zhì)上應(yīng)該具有很高的斷裂強(qiáng)度，但實(shí)際斷裂強(qiáng)度卻往概念：包辛格效應(yīng)，彈性比功，解理面，穿晶斷裂力學(xué)性能指標(biāo)意義：

E主要決定于什么因素，對(duì)金屬材料為什么說(shuō)它是一個(gè)對(duì)組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。試舉出幾種能顯著強(qiáng)化金屬而不降低其塑性的方法。設(shè)條件應(yīng)力為σ，其實(shí)應(yīng)力為S，試證明

S?σ思考題與習(xí)題

82.概念：包辛格效應(yīng)，彈性比功，解理面，穿晶斷裂思考題與2.1缺口對(duì)材料性能的影響大多數(shù)機(jī)構(gòu)或構(gòu)件、零件都含有缺口，如鍵槽，油孔，臺(tái)階，螺紋等。缺口對(duì)材料的性能影響有以下四個(gè)方面：

缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中引起三向應(yīng)力狀態(tài),使材料脆化由應(yīng)力集中產(chǎn)生應(yīng)變集中使缺口附近的應(yīng)變速率增高第二章缺口，溫度和應(yīng)變速率對(duì)材料性能的影響83.2.1缺口對(duì)材料性能的影響第二章缺口，溫度和應(yīng)變速1）缺口部分不能承受外力，這一部分外力要有缺口前方的部分材料來(lái)承擔(dān)，因而缺口根部的應(yīng)力最大。2）應(yīng)力集中系數(shù)Kt：表示缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中的影響缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中為缺口根部的最大應(yīng)力

為凈截面上的名義應(yīng)力

在彈性范圍內(nèi),Kt的數(shù)值決定于缺口的幾何形狀和尺寸84.1）缺口部分不能承受外力，這一部分外力要有缺口前缺口的影響

根部產(chǎn)生三向應(yīng)力狀態(tài)，使材料的屈服變形困難，導(dǎo)致脆化

平面應(yīng)力狀態(tài)：＝0，即在XY平面內(nèi)有應(yīng)力，而在垂直于XY平面的方向則無(wú)應(yīng)力存在。平面應(yīng)變狀態(tài)：＝0根據(jù)虎克定律，

故有

這種應(yīng)力狀態(tài)稱(chēng)為平面應(yīng)變狀態(tài)

85.缺口的影響

根部產(chǎn)生三向應(yīng)力狀態(tài)，使材料的屈服變形困難，導(dǎo)致側(cè)面帶有缺口的薄板和厚板受拉伸時(shí)的應(yīng)力分布(a)薄板缺口下的彈性應(yīng)力(平面應(yīng)力)(b)厚板缺口下的彈性應(yīng)力(平面應(yīng)變)(c)平面應(yīng)變時(shí)Z方向的應(yīng)力分布(d)平面應(yīng)變時(shí)局部屈服后的應(yīng)力分布86.側(cè)面帶有缺口的薄板和厚板受拉伸時(shí)的應(yīng)力分布(a)薄板缺口下的由應(yīng)力集中產(chǎn)生應(yīng)變集中

缺口處很陡的應(yīng)力梯度，必然導(dǎo)致很陡的應(yīng)力梯度牛伯提出公式缺口根部應(yīng)變體積很小，導(dǎo)致裂紋為塑性應(yīng)變集中系數(shù)，為缺口處的局部應(yīng)變和名義應(yīng)變之比為塑性應(yīng)力集中系數(shù)，為缺口處的實(shí)際應(yīng)力與名義應(yīng)力之比為彈性應(yīng)力集中系數(shù)。

87.由應(yīng)力集中產(chǎn)生應(yīng)變集中87.缺口附近的應(yīng)變速率遠(yuǎn)高于平均的應(yīng)變速率夾頭移動(dòng)速率

試樣應(yīng)變速率

因此如：＝100㎜為光滑試樣的工作長(zhǎng)度＝1㎜為缺口附近的工作長(zhǎng)度缺口附近的應(yīng)變速率提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)缺口產(chǎn)生88.缺口附近的應(yīng)變速率遠(yuǎn)高于平均的應(yīng)變速率缺口產(chǎn)生溫度對(duì)材料的力學(xué)性能影響

b.b.c溫度↓↑但是形變硬化速率卻對(duì)溫度不太敏感。而↓→孿晶變形→鋸齒形b.b.c純鐵溫度下降導(dǎo)致脆性破壞，如右圖，77K以下為孿晶方式Fe(b.c.c),Cu(f.c.c),Ti(h.c.c.p)低溫：b.c.c,冷脆，↑↓＝不變。f.c.c

沒(méi)有冷脆，不變，↑↑

h.c.c.p↑↑↑溫度對(duì)材料的力學(xué)性能影響b.b.c溫度↓2．3應(yīng)變速率對(duì)材料力學(xué)性能的影響

↑σ↑10－4～10－2S-1內(nèi)，金屬力學(xué)性能變化不大

當(dāng)大于10－2S-1，，發(fā)生顯著變化超塑性90.2．3應(yīng)變速率對(duì)材料力學(xué)性能的影響↑σ2.5缺口沖擊韌性實(shí)驗(yàn)

材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能沖擊試驗(yàn)的應(yīng)變速率為10－4-10－2S-1應(yīng)注意幾點(diǎn)：

不同缺口形狀的試樣，無(wú)法對(duì)比

V型缺口在舊的梅氏沖擊試驗(yàn)機(jī)引起的數(shù)值A(chǔ)KV是不符合規(guī)范的，是不可靠的

現(xiàn)今國(guó)內(nèi)的一些材料性能數(shù)據(jù)，仍沿用aK=AK/F,缺口處截面積（梅氏），夏氏沖擊試驗(yàn)

91.2.5缺口沖擊韌性實(shí)驗(yàn)材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能沖綜合＝缺口＋低溫＋高應(yīng)變速率，這三個(gè)因素對(duì)材料脆化的影響使材料能由原處于韌性狀態(tài)→脆性狀態(tài)

缺口試樣的形狀有兩種：梅氏（中國(guó)和蘇聯(lián)過(guò)去用）和夏氏試樣（美國(guó)和日本）

2.5.1試驗(yàn)方法連接92.綜合＝缺口＋低溫＋高應(yīng)變速率，這三個(gè)因素對(duì)材料脆化的影響缺口沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量迅速簡(jiǎn)便，所以沖擊韌性

AK列為五大指標(biāo)應(yīng)用：

用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造，鍛造，焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。不是服役性能指標(biāo)，對(duì)柴油機(jī)的連桿的要求要求熱處理工藝和冶金質(zhì)量是否正常提出的問(wèn)題，ak＝15J/㎝2，仍可使用。

用來(lái)評(píng)定材料的冷脆傾向。評(píng)定脆斷傾向的標(biāo)準(zhǔn)是和材料的具體服役條件相聯(lián)系的

所謂冷脆，指材料因溫度的降低導(dǎo)致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象。缺口沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量迅速簡(jiǎn)便，所2.5.3冷脆轉(zhuǎn)化溫度的評(píng)定

三種類(lèi)型：使用時(shí)，注意同一種標(biāo)準(zhǔn)1)斷面形貌特征50％纖維2)能量標(biāo)準(zhǔn)20J27J3)斷口的變形特征tK是一個(gè)韌性指標(biāo)，從韌性角度選材的依據(jù)。

按冷脆轉(zhuǎn)化溫度選材冷脆轉(zhuǎn)化溫度的評(píng)定三種類(lèi)型：使用時(shí)，注意同一2.6影響材料脆性斷裂的冶金因素

材料成分低強(qiáng)度鋼基本b.c.c,鐵素體，晶體結(jié)構(gòu)b.c.c存在低溫脆性f.c.c一般不存在低溫脆性成分：間隙溶質(zhì)元素含量↑tK↑,Mn%↑

tK↓

Ni%↑tK↓Si%↑P↑tK↑含碳量對(duì)鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的影響95.2.6影響材料脆性斷裂的冶金因素

材料成分低強(qiáng)度鋼基本b影響材料脆性斷裂的冶金因素

晶粒大小

細(xì)化晶粒，使韌性↑原因：晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力，晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中，晶界總面積增加，使晶界上的雜質(zhì)濃度下降，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂.

冷脆轉(zhuǎn)化溫度和晶粒尺寸的關(guān)系96.影響材料脆性斷裂的冶金因素

晶粒大小細(xì)化晶粒，使韌性↑冷脆影響材料脆性斷裂的冶金因素顯微組織

鋼的冷脆轉(zhuǎn)化溫度決定于轉(zhuǎn)變產(chǎn)物在較低溫度下，脆化溫度由高到低依次順序?yàn)樵谳^低強(qiáng)度水平時(shí)，強(qiáng)度相等而組織不同的鋼最佳.97.影響材料脆性斷裂的冶金因素顯微組織鋼的冷脆轉(zhuǎn)化溫度決定于轉(zhuǎn)2．7抗脆斷設(shè)計(jì)及其試驗(yàn)

缺口沖擊試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單方便，成本低，應(yīng)用廣泛缺點(diǎn)：無(wú)論哪一種標(biāo)準(zhǔn)，在一般情況下，并不能代表實(shí)物構(gòu)件的脆化的溫度，原因：尺寸小，由于變形的幾何約束小帶來(lái)的脆化程度也小。美國(guó)海軍采用大型實(shí)物脆斷研究方法，用于安全設(shè)計(jì)。W.S.Pellini落錘試驗(yàn)方法。

98.2．7抗脆斷設(shè)計(jì)及其試驗(yàn)

缺口沖擊試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單方便，成2.7.1落錘試驗(yàn)

測(cè)定材料的NDT:即無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度優(yōu)點(diǎn):方法比較簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性高，故被廣泛采用并正標(biāo)準(zhǔn)化。

鏈接落錘試驗(yàn)

測(cè)定材料的NDT:即無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度2.7.2斷裂分析圖FAD圖

FractureAnalysisDraw

應(yīng)力－缺陷－溫度三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系彈性斷裂轉(zhuǎn)變溫度FTE=NDT+33°C塑性斷裂轉(zhuǎn)化溫度FTP=NDT+67°CCAT---止裂溫度曲線(xiàn)curve鏈接斷裂分析圖FAD圖Fracture第三章斷裂力學(xué)與斷裂韌性

3.1概述斷裂是一種最危險(xiǎn)失效形式

，

101.第三章斷裂力學(xué)與斷裂韌性3.1概述，101.按傳統(tǒng)力學(xué)設(shè)計(jì)，工作應(yīng)力σ?許用應(yīng)力[σ]為安全。塑性材料[σ]＝σS/n脆性材料[σ]＝σb/n但是在σ《σS《σ－1情況下，也可產(chǎn)生斷裂，所謂低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象，傳統(tǒng)或經(jīng)典的強(qiáng)度理論無(wú)法解釋。傳統(tǒng)力學(xué)是把材料看成均勻的，沒(méi)有缺陷的，沒(méi)有裂紋的理想固體，但實(shí)際的工程材料，在制備，加工及使用過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生各種宏觀缺陷乃至宏觀裂紋，傳統(tǒng)力學(xué)解決不了帶裂紋構(gòu)件的斷裂問(wèn)題。斷裂力學(xué)就是研究帶裂紋體構(gòu)件的力學(xué)行為。102.按傳統(tǒng)力學(xué)設(shè)計(jì)，工作應(yīng)力σ?許用應(yīng)力[σ]為安全。102.

美國(guó)二戰(zhàn)期間：5000艘全焊接的“自由輪”，238艘完全破壞，其斷裂源多在焊接缺陷處，且溫度低，aK下降。1954年，美國(guó)發(fā)射北極星導(dǎo)彈，發(fā)射點(diǎn)火不久，就發(fā)生爆炸。例如103.美國(guó)二戰(zhàn)期間：5000艘全焊接的“自由輪”，238艘完全含裂紋體的斷裂判據(jù)固有性能的指標(biāo)—斷裂韌性：用來(lái)比較材料拉斷能力，KIC,GIC,JIC,δC。用于設(shè)計(jì)中：KIC已知，σ，求amax。

KIC已知,ac已知，求σ構(gòu)件承受最大承載能力。KIC已知，a已知，求σ。討論：KIC的意義，測(cè)試原理，影響因素及應(yīng)用。主要內(nèi)容104.含裂紋體的斷裂判據(jù)主要內(nèi)容104.

3.2Griffith斷裂理論

3.2.1理論斷裂強(qiáng)度

理論斷裂強(qiáng)度σC,即相當(dāng)于克服最大引力σC

力與位移的關(guān)系：

原子間結(jié)合力隨距離變化示意圖

105.

3.2Griffith斷裂理論

3.2.1正弦曲線(xiàn)下所包圍的面積代表使金屬原子完全分離所需的能量(1)故（2）將（1）

代入（2）得

若以

代入可算出

106.正弦曲線(xiàn)下所包圍的面積代表使金屬原子完全分離所需的能量(1（金屬材料）

（陶瓷，玻璃）

原因：內(nèi)部存在有裂紋材料內(nèi)部含有裂紋對(duì)材料強(qiáng)度有多大影響？20年代，Griffith首先研究了含有裂紋的玻璃強(qiáng)度。

實(shí)際斷裂強(qiáng)度＜＜理論計(jì)算的斷裂強(qiáng)度3.2.2Griffith理論107.（金屬材料）（陶瓷，玻璃）原因：內(nèi)部存在有裂紋材料內(nèi)部無(wú)限寬板中Griffith裂紋的能量平衡108.無(wú)限寬板中Griffith裂紋的能量平衡108.斷裂應(yīng)力和裂紋尺寸的關(guān)系：

Griffith公式因?yàn)?/p>

與

相似。

若取則實(shí)際斷裂強(qiáng)度只是理論值的1/100109.斷裂應(yīng)力和裂紋尺寸的關(guān)系：Griffith公式因?yàn)榕c適用于當(dāng)，裂紋尖端塑性變形較大，控制著裂紋的擴(kuò)展時(shí)當(dāng)時(shí)，就成為Griffith公式。當(dāng)時(shí)，用Griffith公式。對(duì)金屬材料：裂紋尖端由于應(yīng)力集中的作用，局部應(yīng)力很高，但是一旦超出材料的屈服強(qiáng)度，就會(huì)發(fā)生塑性變形。裂紋擴(kuò)展功主要消耗在塑性變形上，塑性變形功大約是表面能的1000倍。Orowan公式3.2.3Orowan的修正

110.適用于當(dāng)，裂紋尖端塑性變形較大，控制著裂紋的擴(kuò)展3.3裂紋擴(kuò)展的能量判據(jù)Griffith的斷裂理論中，裂紋擴(kuò)展的阻力為

Orowan斷裂理論中，裂紋擴(kuò)展的阻力為設(shè)裂紋擴(kuò)展單位面積所消耗的能量為R，則R＝

定義：

G表示彈性應(yīng)變能的釋放率或?yàn)榱鸭y擴(kuò)展力

111.3.3裂紋擴(kuò)展的能量判據(jù)Griffith的斷裂理論中，裂G表示彈性應(yīng)變能的釋放率或?yàn)榱鸭y擴(kuò)展力定義G為裂紋擴(kuò)展的能量率或裂紋擴(kuò)展力，因?yàn)镚是裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力，當(dāng)G達(dá)到怎樣的數(shù)值時(shí)，裂紋就開(kāi)始失穩(wěn)擴(kuò)展呢？R裂紋擴(kuò)展單位面積所消耗的能量為R按Griffith斷裂條件（脆性）按Orowan修正公式（塑性）112.G表示彈性應(yīng)變能的釋放率或?yàn)榱鸭y擴(kuò)展力112.因?yàn)楸砻婺?，塑性變形功都是材料常?shù)，令或

則有

為斷裂能量判據(jù)

是可以計(jì)算的，而材料的性能是可以測(cè)定的。因此可以從能量平衡的角度研究材料的斷裂是否發(fā)生。113.因?yàn)楸砻婺?，塑性變形功都是材料常?shù)，或則有固定邊界和恒定載荷的Griffith準(zhǔn)則能量關(guān)系對(duì)于固定邊界的Griffith準(zhǔn)則能量關(guān)系恒載荷的Griffith準(zhǔn)則能量關(guān)系114.固定邊界和恒定載荷的Griffith準(zhǔn)則能量關(guān)系對(duì)于固定邊界線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)的研究對(duì)象是帶有裂紋的線(xiàn)彈性體。它假定裂紋尖端的應(yīng)力服從虎克定律(嚴(yán)格的說(shuō)只有玻璃，陶瓷這樣的脆性材料才算理想的彈性體)。為使線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)能夠用于金屬，必須符合：金屬材料的裂紋尖端的塑性區(qū)尺寸與裂紋長(zhǎng)度相比是一很小的數(shù)值。3.4裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)

115.線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)的研究對(duì)象是帶有裂紋的線(xiàn)彈性體。3.4線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)適用范圍

高強(qiáng)度鋼。厚截面的中強(qiáng)度鋼（）低溫下的中低強(qiáng)度鋼因?yàn)樗苄詤^(qū)尺寸很小，可近似看成理想線(xiàn)彈性體，誤差在工程上是允許的。116.線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)適用范圍3.4.1三種斷裂類(lèi)型根據(jù)裂紋體的受載和變形情況，可將裂紋分為三種類(lèi)型：

張開(kāi)型裂紋（或拉伸型）最危險(xiǎn)，最重要的一種滑開(kāi)型（或剪切型）裂紋撕開(kāi)型裂紋三種斷裂類(lèi)型根據(jù)裂紋體的受載和變形情況，可將張開(kāi)型裂紋（或拉伸型）滑開(kāi)型（或剪切型）裂紋撕開(kāi)型裂紋以上三圖均有鏈接118.張開(kāi)型裂紋（或拉伸型）滑開(kāi)型（或剪切型）裂紋撕開(kāi)型裂紋以上三裂紋頂端附近的應(yīng)力場(chǎng)3.4.2I型裂紋尖端力場(chǎng)

119.裂紋頂端附近的應(yīng)力場(chǎng)3.4.2I型裂紋尖端力場(chǎng)119.

平面應(yīng)力狀態(tài)（薄板）平面應(yīng)變狀態(tài)（厚板）其中120.平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài)其中120.當(dāng)時(shí)，即切應(yīng)力為0，拉應(yīng)力卻最大，裂紋容易沿著該平面擴(kuò)展。應(yīng)力強(qiáng)度因子

Y是與裂紋幾何形狀和位置決定的參數(shù)，K1表示裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的大小或強(qiáng)度?；?21.當(dāng)時(shí)，由上述裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)已知,裂紋尖端某一點(diǎn)的應(yīng)力，位移，應(yīng)變，完全由K1決定：K1稱(chēng)應(yīng)力強(qiáng)度因子，應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的強(qiáng)弱程度完全由K1決定。K1決定于裂紋的形狀和尺寸，也決定于應(yīng)力的大小。（不同平板有不同的表達(dá)式,K1可計(jì)算）K1表示裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的大小或強(qiáng)度。3.4.3應(yīng)力強(qiáng)度因子K1122.由上述裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)已知,裂紋尖端某一點(diǎn)的應(yīng)力，位移，應(yīng)變，3.5斷裂韌性和斷裂判據(jù)

3.5.1和臨界值平面應(yīng)力（應(yīng)力強(qiáng)度因子）（斷裂韌性）或（平面應(yīng)變斷裂韌性）123.3.5斷裂韌性和斷裂判據(jù)3.5.1和臨界值平面

受外界條件影響的反映裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度的力學(xué)度量，它不僅隨外加應(yīng)力和裂紋長(zhǎng)度的變化而變化也和裂紋的形狀類(lèi)型以及加載方式有關(guān)，但它和材料本身的固有性能無(wú)關(guān)。（斷裂韌性）或（平面應(yīng)變斷裂韌性）的特性：反映材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力。124.受外界條件影響的反映裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度

是平面應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂韌性，它和板材或試樣厚度有關(guān)。而當(dāng)板材厚度增加到達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，斷裂韌性就趨于一穩(wěn)定的最低值，這時(shí)與厚度無(wú)關(guān)，稱(chēng)為平面應(yīng)變的斷裂韌性是真正的材料常數(shù)，反映阻止裂紋擴(kuò)展的能力。反映了最危險(xiǎn)的平面應(yīng)變斷裂情況。

125.是平面應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂韌性，它和板材或試樣厚度有關(guān)3.5.2斷裂判據(jù)當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子增大到一臨界值，這一臨界值在數(shù)值上等于材料的平面應(yīng)變斷裂韌性時(shí)，裂紋就立即失穩(wěn)擴(kuò)展，構(gòu)件就發(fā)生脆斷。于是斷裂判據(jù)便可表示為右邊為材料固有性能，左邊為外界載荷條件（包含裂紋的形狀和尺寸）應(yīng)用工程中，對(duì)無(wú)限大平板中心含有尺寸為2a的穿透裂紋時(shí)，斷裂判據(jù)當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子增大到一臨界值，這一臨3.6與的關(guān)系

（能量平衡觀點(diǎn)討論斷裂）（裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)討論斷裂）

右邊反映材料固有性能的材料常數(shù)，是材料的斷裂韌性值。

與的關(guān)系：歷史上，先G后K，G：1921，GriffithK:1957,Orwin127.3.6與的關(guān)系（能量平衡觀點(diǎn)討論斷裂）（裂紋K和G的適用范圍斷裂判據(jù)為：這兩種斷裂判據(jù)是等效的，且可互相換算。但實(shí)際上要注意以下幾個(gè)方面：實(shí)際用K更方便，資料多

K實(shí)測(cè)更容易

G物理意義易理解(平面應(yīng)力)（平面應(yīng)變，）128.K和G的適用范圍斷裂判據(jù)為：(平面應(yīng)力)（平面應(yīng)變，影響斷裂韌性的因素如能提高斷裂韌性，就能提高材料的抗脆斷能力。外因：板材或構(gòu)件截面的尺寸，服役條件下的T，應(yīng)變速率等。內(nèi)因：強(qiáng)度，合金成分和內(nèi)部組織。129.影響斷裂韌性的因素如能提高斷裂韌性，就能提高材料的抗脆斷能力3.8金屬材料的斷裂韌性的測(cè)定3.8.1試樣制備

測(cè)兩種：三點(diǎn)彎曲試樣和緊湊拉伸試樣裂紋缺口——鉬絲線(xiàn)切割加工0.12mm疲勞裂紋——高頻拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制為了測(cè)得穩(wěn)定的值，所規(guī)定的尺寸必須滿(mǎn)足：

（1）小范圍屈服（線(xiàn)彈性斷裂力學(xué),對(duì)裂紋長(zhǎng)度c應(yīng)有規(guī)定，）

（2）平面應(yīng)變,對(duì)試樣厚度上的要求。130.3.8金屬材料的斷裂韌性的測(cè)定3.8.1試樣制備測(cè)兩如：三點(diǎn)彎曲

1）塑性區(qū)尺寸

2）時(shí)，穩(wěn)定值。3）韌帶尺寸；，

偏低131.如：三點(diǎn)彎曲1）塑性區(qū)尺寸

滿(mǎn)足平面應(yīng)變條件:

這個(gè)規(guī)定保證了試樣尺寸遠(yuǎn)大于裂紋尖端塑性區(qū)的尺寸，使之滿(mǎn)足小范圍屈服和平面應(yīng)變條件。試樣種類(lèi)兩種：

三點(diǎn)彎曲

緊湊拉伸試樣3.8.2測(cè)試方法132.滿(mǎn)足平面應(yīng)變條件:3.8.2測(cè)試方法13特點(diǎn)：預(yù)制裂紋記錄曲線(xiàn)－裂紋尖端張開(kāi)位移

試樣制備133.特點(diǎn)：試樣制備133.P-V曲線(xiàn)2.確定PaPa是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)臨界載荷134.P-V曲線(xiàn)134.3.計(jì)算:

三點(diǎn)彎曲

緊湊拉伸可查表

檢驗(yàn)的有效性（KQ是否平面應(yīng)變狀態(tài)下的KIC？）

必須滿(mǎn)足平面應(yīng)變條件：135.3.計(jì)算:三點(diǎn)彎曲緊湊拉伸可查表檢驗(yàn)的有效性（

與的誤差不會(huì)超過(guò)10％若B不滿(mǎn)足，擴(kuò)大厚度至1.5B重新試驗(yàn)；若滿(mǎn)足，用的測(cè)。特別是高強(qiáng)度脆性材料對(duì)于塑性較好的材料，還必須考慮塑性區(qū)的修正，討論塑性區(qū)的大小，擴(kuò)展所需能量主要消耗于塑性變形功，區(qū)域越大，消耗功越大。136.與的誤差不會(huì)超過(guò)10％若B不滿(mǎn)3.9彈塑性條件下的斷裂韌性指標(biāo)（J積分，COD）

對(duì)中、低強(qiáng)度

研究方法：

（1）J積分（2）COD彈塑性斷裂力學(xué)線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)，，等價(jià)的。

脆性：裂紋尖端有很高的應(yīng)力集中→塑性區(qū)彈性：若塑性尺寸?裂紋尺寸，小范圍屈服137.3.9彈塑性條件下的斷裂韌性指標(biāo)對(duì)中、低強(qiáng)度研究方法：3.9.1J積分:

斷裂能量判據(jù)

J積分的斷裂判據(jù)就是G判據(jù)的延伸，或?qū)⒕€(xiàn)彈性條件下G延伸到彈塑性斷裂時(shí)的J，表達(dá)形式G相似。類(lèi)似于

在彈性條件下，J=G在彈塑性條件下，表達(dá)式相同，但物理概念有所不同

J積分:斷裂能量判據(jù)J積分的斷裂判G：在線(xiàn)彈性條件下G的概念是一個(gè)含有裂紋尺寸為a的試樣，當(dāng)裂紋尺寸擴(kuò)展為a+da時(shí)系統(tǒng)能量的釋放率。J：在彈塑性條件下，則是兩個(gè)試樣，一個(gè)尺寸為的裂紋，而另一個(gè)試樣的裂紋尺寸為a+da，兩者在加載過(guò)程中形變功之差。J不能描述裂紋的擴(kuò)展過(guò)程，不允許卸載情況發(fā)生。139.G：在線(xiàn)彈性條件下G的概念是一個(gè)含有裂紋尺寸為a的試樣，當(dāng)裂J積分定義與G的比較140.J積分定義與G的比較140.測(cè)定中低強(qiáng)度材料

小尺寸試樣測(cè)定

，換算代替大試樣對(duì)平面應(yīng)力對(duì)平面應(yīng)變

表示裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的判據(jù)。

J積分最大優(yōu)點(diǎn)141.測(cè)定中低強(qiáng)度材料小尺

3.9.2COD（CrackTipOpeningDisplacement）裂紋頂端張開(kāi)位移——是一種裂紋頂端塑性應(yīng)變的一種度量。

延伸的斷裂判據(jù)：對(duì)中低強(qiáng)度鋼，由于塑性大，往往在發(fā)生大范圍屈服甚至全面屈服時(shí)才發(fā)生斷裂。應(yīng)變量：三點(diǎn)彎曲它是建立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的分析方法。應(yīng)用范圍：壓力容器，管道的斷裂分析在工程上得到廣泛應(yīng)用。COD裂紋頂端張開(kāi)位移——是一種臨界張開(kāi)位移，是表示材料的斷裂韌性，即材料阻止裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的能力。

判據(jù)都是裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的斷裂判據(jù)，而不是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的斷裂判據(jù)，顯然，按這種設(shè)計(jì)是偏于保守的。裂紋先進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，再失穩(wěn)擴(kuò)展斷（略）

143.臨界張開(kāi)位移，是表示材料的斷裂韌性，即材料判據(jù)都是裂紋開(kāi)始擴(kuò)3.10陶瓷材料的斷裂韌性與陶瓷增韌途徑3.10.1陶瓷材料

僅為2mm的陶瓷也滿(mǎn)足平面應(yīng)變條件。但陶瓷材料斷裂韌性試樣中預(yù)制裂紋很困難，目前出現(xiàn)了眾多陶瓷材料斷裂韌性的測(cè)試方法：?jiǎn)芜吳锌诹悍p扭法壓痕法雙懸臂梁法短棒法各種方法各有利弊陶瓷與金屬材料的σS相差不大，但KIC相差很大。144.3.10陶瓷材料的斷裂韌性與陶瓷增韌途徑3.10.1陶3.10.2陶瓷增韌途徑1．相變?cè)鲰g如從高溫到低溫發(fā)生如下轉(zhuǎn)變（立方相）

（正方相）

（單斜相）2．微裂紋增韌：促使主裂紋分叉。3．表面殘余壓應(yīng)力：表面噴砂，快速冷卻，使膨脹導(dǎo)致壓應(yīng)力。4．晶須或纖維增韌。

陶瓷增韌途徑1．相變?cè)鲰g如從高溫到低5．顯微結(jié)構(gòu)增韌。1）細(xì)化，納米2）晶粒形狀纖維柱狀晶6．復(fù)合增韌，兩種增韌機(jī)制復(fù)合在一起。鏈接146.5．顯微結(jié)構(gòu)增韌。6．復(fù)合增韌，兩種增韌機(jī)制復(fù)鏈接146.交變載荷即變動(dòng)載荷，了解變動(dòng)載荷的特性及表示方法：即大小，方向隨時(shí)間變化失效形式：疲勞斷裂

從工程應(yīng)用觀點(diǎn)：研究金屬疲勞的一般規(guī)律，疲勞破壞過(guò)程及機(jī)理，疲勞力學(xué)性能及其影響因素，以便為疲勞設(shè)計(jì)和選用材料建立基本思路和提供基礎(chǔ)知識(shí)。第四章材料在交變載荷下的力

學(xué)行為

147.交變載荷即變動(dòng)載荷，了解變動(dòng)載荷的特性及表示方法：即大小，方三圖均為疲勞條紋148.三圖均為疲勞條紋148.在交變應(yīng)力作用下的損壞為疲勞破壞零件80％以上的失效屬于疲勞破壞如軸類(lèi)：火車(chē)軸為彎曲疲勞;汽車(chē)傳軸，后橋半軸為扭轉(zhuǎn)疲勞；柴油機(jī)曲軸和汽輪機(jī)主軸則為彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞復(fù)合；缸蓋螺栓大拉小拉應(yīng)力狀態(tài)，拉－拉疲勞。連桿為小拉大壓狀態(tài)，叫拉-壓疲勞動(dòng)態(tài)：當(dāng)，循環(huán)次數(shù)后斷裂

4.1疲勞破壞的特點(diǎn)149.在交變應(yīng)力作用下的損壞為疲勞破壞4.1疲勞破壞的特點(diǎn)14斷裂時(shí)并無(wú)明顯的宏觀塑性變形（突然破壞即使塑性好的材料），宏觀特征類(lèi)似脆斷，但與脆斷不同（河流花樣），其宏觀斷口可見(jiàn)疲勞裂紋緩慢擴(kuò)展過(guò)程，呈貝殼狀條痕；微觀斷口可見(jiàn)裂紋尖端明顯塑性變形及裂紋每周擴(kuò)展距離。低應(yīng)力脆斷清楚顯示裂紋的發(fā)生，擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)組成部分。疲勞源＋疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)＋斷裂區(qū)可預(yù)測(cè)疲勞壽命特點(diǎn)

150.斷裂時(shí)并無(wú)明顯的宏觀塑性變形（突然破壞即使塑性好的材料），宏疲勞斷口特征

由于缺口應(yīng)力集中，形成疲勞源

裂紋擴(kuò)展，形成貝殼狀或海灘狀條紋斷裂區(qū)的缺口

對(duì)塑性材料，為纖維狀對(duì)脆性材料，為結(jié)晶狀斷口

151.疲勞斷口特征由于缺口應(yīng)力集中，形成疲勞源151.應(yīng)變疲勞（LCF）：lowcyclesfatigue（低周疲勞）熱疲勞：ThermalFatigue,由溫度場(chǎng)造成的冷熱變化產(chǎn)生溫度應(yīng)力（熱斷模，熱軋輪）。產(chǎn)生熱應(yīng)力必須具備兩個(gè)條件：溫度變化和機(jī)械約束機(jī)械疲勞：ThermalMechanicalFatigue溫度循環(huán)＋機(jī)械應(yīng)力循環(huán)疊加所引起疲勞應(yīng)力疲勞(HCF),高周疲勞（highcyclesfatigue）腐蝕疲勞：（CorrosionFatigue）沖擊疲勞：在重復(fù)沖擊載荷作用下的疲勞斷裂。

疲勞破壞的分類(lèi)152.應(yīng)變疲勞（LCF）：lowcyclesfatigue（低4.2S-N曲線(xiàn)和疲勞缺口敏感度

對(duì)疲勞壽命的估算可以有三種方法：

S-N法

ε－N法斷裂力學(xué)計(jì)算

153.4.2S-N曲線(xiàn)和疲勞缺口敏感度

對(duì)疲勞壽命的估算可以有4.2.1S-N曲線(xiàn)和疲勞極限

S-N曲線(xiàn)是仿照火車(chē)軸的失效，用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法測(cè)得的。優(yōu)點(diǎn)：比較簡(jiǎn)單,求得的能與其它疲勞的建立關(guān)系，可推廣到不對(duì)稱(chēng)循環(huán)的疲勞強(qiáng)度。試驗(yàn)條件：純彎曲完全對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力幅恒定次/分

小試樣有足夠大的過(guò)渡圓角。疲勞極限指循環(huán)次數(shù)107次的疲勞應(yīng)力

S-N曲線(xiàn)和疲勞極限

S-N曲線(xiàn)是仿照火車(chē)軸幾種材料的S-N曲線(xiàn)

155.幾種材料的S-N曲線(xiàn)

155.疲勞極限

指循環(huán)次數(shù)107次的疲勞應(yīng)力

光滑試樣的疲勞極限和材料的抗拉強(qiáng)度有一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系當(dāng)＜1200-1400MN/m2，光滑試樣的與呈直線(xiàn)關(guān)系，/≈0.5鋼的成分和組織對(duì)其影響不大。對(duì)Al：/＝0.3-0.35

156.疲勞極限

指循環(huán)次數(shù)107次的疲勞應(yīng)力光滑試樣的疲勞極限4.2.2不對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力下的疲勞極限和疲勞圖

幾種常見(jiàn)零件的應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力下的疲勞極限和疲勞圖

幾種常見(jiàn)零件任一循環(huán)應(yīng)力都可分解為平均應(yīng)力和應(yīng)力半幅σa應(yīng)力范圍：

應(yīng)力半幅：

平均應(yīng)力：應(yīng)力比：

R＝－1，完全對(duì)稱(chēng)，R＝0，脈動(dòng),R＝1,靜載在保證一定壽命的前提下，當(dāng)158.任一循環(huán)應(yīng)力都可分解為平均應(yīng)力和應(yīng)應(yīng)力范圍：應(yīng)力半幅：平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響G關(guān)系：脆性材料Ger關(guān)系：塑性材料S關(guān)系：