材料的力學(xué)性能試驗(yàn)

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第一章工程材料

1.1概述

材料是現(xiàn)代文明的三大支柱（材料、能源和信息）之一。是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)和機(jī)械工業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。是生產(chǎn)活動(dòng)的基本投入之一。材料的利用標(biāo)志著人類生活的進(jìn)展，歷史上有“石器時(shí)代”、“青銅器時(shí)代”和“鐵器時(shí)代”。當(dāng)前，材料總數(shù)有50萬(wàn)余種之多，而新材料每年以5%左右的速度遞增。材料的質(zhì)量、品種和數(shù)量已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技、經(jīng)濟(jì)水平和國(guó)防力量的重要標(biāo)志之一。121）金屬材料2）有機(jī)高分子材料

3）無機(jī)非金屬材料。工程材料按其使用性能分可分為：

1）結(jié)構(gòu)材料2）功能材料。結(jié)構(gòu)材料：主要是強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等力學(xué)性能，用來制造機(jī)器零件和工程構(gòu)件的材料。功能材料：是指具有特殊的電、磁、光、熱、聲、力、化學(xué)性能和理化效應(yīng)的各種新材料。用以對(duì)信息和能量的感受、計(jì)測(cè)、傳導(dǎo)、顯示、發(fā)射轉(zhuǎn)換和變換的目的，是現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。2工程材料按其化學(xué)組成分可分為：

31.1.2非金屬材料及復(fù)合材料的發(fā)展人工合成高分子材料從20世紀(jì)20年代至今發(fā)展最快，其產(chǎn)量之大、應(yīng)用之廣可與鋼鐵材料相比。20世紀(jì)60年代到70年代，有機(jī)合成材料每年以14％的速度增長(zhǎng)，而金屬材料年增長(zhǎng)率僅為4％。1970年世界高分子材料為4000萬(wàn)噸，其中3000萬(wàn)噸為塑料，橡膠為5000萬(wàn)噸，這已超過天然橡膠的產(chǎn)量；合成纖維400萬(wàn)噸。20世紀(jì)90年代，塑料產(chǎn)量已逾億噸，按體積計(jì)，已超過鋼鐵產(chǎn)量。2002年我國(guó)塑料產(chǎn)量1401萬(wàn)噸，到2005年我國(guó)塑料年需求量將超過2500萬(wàn)噸。

34工程材料目前正朝高比強(qiáng)度（單位密度的強(qiáng)度）、高比模量（單位密度的模量）、耐高溫、耐腐蝕的方向發(fā)展。

圖1-1為材料強(qiáng)度與密度之比隨時(shí)間的進(jìn)展，指出今日先進(jìn)材料強(qiáng)度比早期材料增長(zhǎng)50倍。1.1.3新材料的發(fā)展趨勢(shì)451.2固體材料的性能

固體材料主要性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能工藝性能

力學(xué)性能─材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，包括彈性、強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度、蠕變和磨損等。外力即載荷，常見的各種外載荷如圖1-2所示。

566載荷的形式

71.強(qiáng)度和塑性

強(qiáng)度─材料在達(dá)到允許的變形程度或斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，如彈性極限、屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、疲勞極限、蠕變極限等等。按外力作用的方式不同，強(qiáng)度可分為抗拉、抗壓、抗彎、抗剪強(qiáng)度等。工程上最常用的強(qiáng)度指屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。低碳鋼拉伸試驗(yàn)1）應(yīng)力σ=F/S0σ(N/m2)；F—作用力，(N)

S0—試樣原始截面積(m2)。剪應(yīng)力τ＝F/So78σ－應(yīng)力ε

－應(yīng)變?chǔ)襊－比列極限σe－彈性極限σs－屈服極限σb－強(qiáng)度極限E（E=σ/

ε）－材料彈性模量低碳鋼拉伸試驗(yàn)原理材料的強(qiáng)度、塑性指標(biāo)可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。899一些材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線10

ε(%)—試樣標(biāo)距部分伸長(zhǎng)量，(mm)；L0—試樣標(biāo)距部分長(zhǎng)度(mm)。ε=⊿L/L0

剪應(yīng)變?chǔ)?/p>

剪模量G且有2)應(yīng)變1011①?gòu)椥宰冃危寒?dāng)產(chǎn)生變形的外力撤除后，變形隨即消失。②彈性模量E（E=σ/

ε

）─引起單位彈性變形所需要的應(yīng)力。工程上把彈性模量E稱為材料的剛度，表示材料抵抗彈性變形的能力。彈性模量E主要取決于材料的化學(xué)成分，合金化、熱處理、冷熱加工對(duì)它的影響很小。彈性模量隨溫度的升高而逐漸降低。3）彈性和彈性模量1112

─外力撤除后，不可恢復(fù)的變形。載荷超過彈性極限后，若卸載，試樣的變形不能全部消失，將保留一部分殘余變形。產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能稱為塑性。塑性的大小用伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ表示。

（1-2）

（1-3）

4)塑性變形1213所以，同一材料的短試樣（＝5do）比長(zhǎng)試樣（＝10do),(do為試樣原標(biāo)距直徑）的伸長(zhǎng)率大20％左右。用短試樣和長(zhǎng)試樣測(cè)得的伸長(zhǎng)率分別用δ5和δ10表示。

金屬材料因具有一定的塑性才能進(jìn)行各種變形加工，并使零件在使用中偶然過載時(shí)，產(chǎn)生一定的塑性變形，而不致于突然斷裂，提高零件使用的可靠性。13伸長(zhǎng)率δ的值隨試樣原始長(zhǎng)度增加而減小。14大多數(shù)金屬材料在拉伸時(shí)沒有明顯的屈服現(xiàn)象，按GB228-87要求，取規(guī)定非比例伸長(zhǎng)與原標(biāo)距長(zhǎng)度比為0.2％時(shí)的應(yīng)力，記為σp0.2，作為屈服強(qiáng)度指標(biāo)，稱為條件屈服強(qiáng)度，可用σ0.2表示。（1-4）145）條件屈服強(qiáng)度15

σs與σb的比值稱為屈強(qiáng)比，其值一般在0.65～0.75之間。屈強(qiáng)比愈小，工程構(gòu)件的可靠性愈高，萬(wàn)一超載也不會(huì)馬上斷裂；屈強(qiáng)比愈大，材料的強(qiáng)度利用率愈高，但可靠性降低。抗拉強(qiáng)度是零件設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)。合金化、熱處理、冷熱加工對(duì)材料的σs與σb均有很大的影響。6）屈強(qiáng)比15162.硬度

?硬度是表征金屬材料軟硬程度的一種性能。?硬度試驗(yàn)方法：以壓入法最為普遍，它是表示材料抵抗更硬物體壓入其內(nèi)的能力。常見的硬度表示方法有：

1、布氏硬度2、洛氏硬度

3、維氏硬度1）布氏硬度——壓痕單位面積上的試驗(yàn)力。表示方法示例：120HBS10/1000/30450HBW5/15001617

——以主試驗(yàn)力下產(chǎn)生的塑性變形壓痕深度來度量。壓頭常用金剛石圓錐或鋼球。表示方法示例：68HRA、84HRB、60HRC。HRA測(cè)定硬質(zhì)合金、表面淬火層HRB測(cè)定有色金屬、退火鋼、正火鋼；HRC測(cè)定淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼。2）洛氏硬度1718

維氏硬度可采用統(tǒng)一的硬度指標(biāo)，測(cè)量從很軟到很硬的材料的硬度，但測(cè)量麻煩。表示方法示例：600HV30/20

——以壓痕單位面積上的試驗(yàn)力來度量。3）維氏硬度18193.沖擊韌度

沖擊韌度是評(píng)定材料抵抗大能量沖擊載荷能力的指標(biāo)，通常采用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。將帶有缺口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，安放在沖擊試驗(yàn)機(jī)的支座上（圖1-4），把重量為G的擺錘從一定高度H落下，將試樣沖斷，之后擺錘仍繼續(xù)擺動(dòng)升至高度h。S——試樣缺口處的原始截面積(cm2)。沖擊功Akv、Aku分別指沖斷夏氏（缺口為U形）和梅氏（缺口為V形）沖擊試樣時(shí)所消耗的功。Ak＝G（H－h(huán)）。沖擊韌度值為

αk=Ak/s(J·cm)1920

材料的沖擊韌度值主要取決于其塑性，并與溫度有關(guān)。二戰(zhàn)中，美國(guó)5000艘全焊接“自由輪”。在1942年～1946年間發(fā)生破斷的達(dá)1000艘，1946年～1956年間發(fā)生破斷的達(dá)200艘。1943年1月美國(guó)的一艘T-2y油船停泊在裝貨碼頭時(shí)斷裂成兩半截。當(dāng)時(shí)甲板應(yīng)力僅為7公斤·力/毫米2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于船板鋼的強(qiáng)度極限。

1945年至1948年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局認(rèn)真分析和研究了第二次世界大戰(zhàn)焊接船舶的破斷事故，通過在不同的溫度下對(duì)材料進(jìn)行一系列沖擊試驗(yàn)，可測(cè)得材料的沖擊韌度值隨溫度的降低而減小（圖1-5），當(dāng)溫度降低到某一溫度范圍時(shí)，沖擊韌度急劇下降，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這種現(xiàn)象稱為20“冷脆”。21

該溫度范圍稱為“冷脆轉(zhuǎn)變溫度范圍”。其數(shù)值愈低，表示材料的低溫沖擊性能愈好。這對(duì)于在低溫下工作的零件具有重要的意義。21冷脆轉(zhuǎn)變溫度范圍2222溫度和碳含量對(duì)沖擊性能的影響

23①ak沒有確切的力學(xué)意義，它表明在高應(yīng)變速率時(shí)，材料的脆性發(fā)展趨勢(shì)。②一次沖擊試驗(yàn)?zāi)莒`敏地揭示材料的冶金及加工缺陷和產(chǎn)生的脆性。③不同溫度下的系列沖擊試驗(yàn)，可揭示材料的低溫脆化傾向（冷脆轉(zhuǎn)變）。④材料碳含量愈高脆性愈大。⑤沖擊試驗(yàn)得到廣泛應(yīng)用，但Ak、ak不能直接用于計(jì)算。沖擊韌度小結(jié)：

23244.疲勞強(qiáng)度

許多機(jī)械零件如彈簧、軸、齒輪等，在工作時(shí)承受交變載荷，既使交變應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，但經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后便發(fā)生斷裂。2425

實(shí)驗(yàn)證明，金屬材料能承受的交變應(yīng)力σ與斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N有如圖1-6所示的規(guī)律。由圖所知，當(dāng)σ低于某一值時(shí)，曲線與橫坐標(biāo)平行，表示材料可經(jīng)無限次循環(huán)而不斷裂，這一應(yīng)力稱疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。用σ－1表示光滑試樣對(duì)稱彎曲疲勞強(qiáng)度。一般鋼的循環(huán)次數(shù)為10－7，有色金屬為10－8。25交變應(yīng)力σ與斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系26

①應(yīng)力水平低,往往遠(yuǎn)低于σS

；②斷裂前無明顯形變。2)疲勞極限σr

對(duì)稱彎曲循環(huán)疲勞極限用σ-1表示。

①疲勞曲線(σ～N)有明顯的水平線段，則水平線段對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為σ-1

；②疲勞曲線沒有明顯的水平線段，則在規(guī)定的疲勞壽命內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力。1)疲勞破壞的主要特點(diǎn)：26275.斷裂韌度

在生產(chǎn)實(shí)踐中，一些大型、重型或高強(qiáng)度材料零件或構(gòu)件的突然斷裂事故，如大型鐵橋、萬(wàn)噸輪船、飛機(jī)機(jī)翼突然斷裂和高壓容器突然爆炸等。這種在材料所承受的應(yīng)力低于許用應(yīng)力的情況下，突然發(fā)生的無明顯塑性變形的脆性斷裂，稱為低應(yīng)力脆斷。研究表明，低應(yīng)力脆斷總是由材料中宏觀裂紋的擴(kuò)展引起的。這種裂紋可能是氣孔、縮松、夾雜物等冶金缺陷，也可能是在加工和使用過程中形成，因而是難以避免的。材料在外力作用下，其中裂紋長(zhǎng)度達(dá)到某一臨界尺寸時(shí)，會(huì)發(fā)生突然失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。斷裂韌度便是指材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展即抵抗低應(yīng)力脆斷的能力。2728

低于許用應(yīng)力的條件下工作的構(gòu)件，產(chǎn)生無明顯塑性變形的斷裂，稱為低應(yīng)力脆斷。低應(yīng)力脆斷是由于材料內(nèi)部已存在的宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展引起的。如圖1-7，材料中存在一條長(zhǎng)度為2a的裂紋，在與裂紋方向垂直的外加拉應(yīng)力σ作用下，裂紋尖端附近的應(yīng)力分布不再均勻，存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成裂紋尖端應(yīng)力集中場(chǎng)，其大小可用應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ來描述。28低應(yīng)力脆斷29KI=σN·mm-2/3(1-6)σ或a↑，KⅠ↑。當(dāng)KⅠ↑到某一臨界值時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，材料發(fā)生斷裂。KⅠ的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，用KⅠc表示。它是材料本身的特性，與材料的成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)。29斷裂韌度306.高溫下的力學(xué)性能

材料在高溫下其力學(xué)性能與常溫下是完全不同的。許多機(jī)械零件在高溫下工作，在室溫下測(cè)定的性能指標(biāo)就不能代表其在高溫下的性能。一般來說，隨著溫度的升高，彈性模量E、屈服強(qiáng)度σS、硬度等值都將降低，而塑性將會(huì)增加，除此之外，還會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象。蠕變是指金屬在高溫長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力作用下，即使所加應(yīng)力小于該溫度下的屈服強(qiáng)度，也會(huì)逐漸產(chǎn)生明顯的塑性變形直至斷裂。有機(jī)高分子材料，即使在室溫下也會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象。303131金屬的典型蠕變示意圖應(yīng)力對(duì)蠕變曲線形