第一章 材料的力學行為和性能1

主編：楊慧智出版社：機械工業(yè)出版社出版日期：2011年8月第三版材料科學制備緒論第12章機械零件用材料及成形工藝的選擇材料理論基礎常見工程材料材料基本成形工藝第一章材料的力學行為與性能

院系：機械工程學院主講人：張玉碧聯(lián)系方式箱：zhgyubi@第一章材料的力學行為和性能

本章重點：材料的強度、硬度、塑性、韌性等靜態(tài)力學性能的基本概念及應用。

本章難點：低應力脆斷和材料的斷裂韌性。學習目標：熟悉常用力學性能指標的測試方法，掌握材料力學性能的表示方法及其應用。主要內容第一節(jié)在載荷作用下的力學行為第二節(jié)材料的靜態(tài)力學性能第三節(jié)材料的動態(tài)力學性能第四節(jié)斷裂韌性第五節(jié)材料的高、低溫性能第一節(jié)材料在載荷作用下的力學行為

一、彈性變形、塑性變形和斷裂材料在載荷作用下的行為，稱之為力學行為。（1）彈性變形：去除外力，物體發(fā)生變形消失，回復原狀的變形。（2）塑性變形：不能完全消失而一部分保留，進入塑性變形階段。（3）斷裂：塑性變形產(chǎn)生的裂紋進一步擴展導致斷裂。韌性斷裂和脆性斷裂二、服役條件和應力和應變1、服役條件：指零件在工作過程中承受的溫度、介質環(huán)境、加載速度和載荷作用方式。材料的高、低溫性能，電場、磁場、輻射性能。應力：單位面積上所受的力。應變：單位長度的伸長量。二、服役條件和應力和應變第二節(jié)材料的靜態(tài)力學性能一、拉伸試驗及材料的強度與塑性左圖為拉伸試驗機下圖為拉伸試驗過程中試樣的變形及斷裂。由上圖可知：在拉伸載荷作用下，試樣的變形分為三個階段：彈性變形階段；塑性變形階段；斷裂階段。在拉伸試驗過程中，可測定的主要力學性能指標有：(1)屈服強度σs

,(2)抗拉強度σb,(3)彈性模量E，(4)斷面收縮率Ψ,(5)斷后伸長率δ。

F0.2

σ0.2=

(Mpa)

S0試樣原始橫截面(mm2)試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時的載荷(N)S0-Sk

ψ=×100%S0Fb

σb

=

(Mpa)

S0試樣原始橫截面(mm2)Fb

試樣斷裂前的最大載荷(N)

Lk–L0δ=×100%L0

δ<2~5%

屬脆性材料，δ≈5~10%屬韌性材料，δ>10%屬塑性材料。其斷口特征如圖所示低碳鋼力-拉伸曲線示意圖低碳鋼應力-應變曲線(a)陶瓷(b)低碳鋼(c)橡皮的拉伸應力-應變曲線塑膠件的拉伸應力-應變曲線大理巖的三向壓縮應力-應變曲線混凝土的拉伸應力-應變曲線合成纖維的拉伸應力-應變曲線鋁合金的拉伸應力-應變曲線二、硬度硬度:指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。1.布氏硬度（HBW）布氏硬度試驗機布氏硬度試驗機測試原理表示方法：120HBW10/1000/30；后面的數(shù)字依次表示：（1）球體直徑；（2）試驗力；（3）試驗力保持時間（10~15s不標注）。主要用于測定組織粗大且不均勻的金屬材料的硬度，如鑄鋼、鑄鐵、供應態(tài)鋼材等。硬度標尺：HRA、HRB、HRC。其中C標尺最常用。在批量的成品或半成品質量檢驗中廣泛使用.2.洛氏硬度2.洛氏硬度洛氏硬度表示方法：50HRC，80HRB，60HRA3.維氏硬度3.維氏硬度表示方法：如：640HV30/20測量精度高、范圍廣，但比較麻煩，主要用于研究工作。注：各硬度值之間大致有以下關系：布氏硬度值在200-600范圍內，HBW≈10HRC；布氏硬度值小于450HBS，HBW≈HV參考書目：1、材料力學性能，劉春廷化，學工業(yè)出版社，2009年2、材料力學性能，時海芳，任鑫，北京大學出版社，2006年3、GB/T10623-2008金屬材料力學性能試驗術語，2008年課后習題：系統(tǒng)的了解各種金屬材料的強度、硬度、的測試儀器及測試方法。歡迎進入下一節(jié)的學習謝謝大家！第三節(jié)材料的動態(tài)力學性能動載荷：指突加的、沖擊性的及大小、方向隨時間而變化的載荷。靜載荷：加載方式不影響材料的變形行為，加載速率較慢的載荷。一、沖擊韌性韌性：材料在斷裂前吸收變形能量的能力。影響材料韌性的因素：材料自身、加載速率、應力狀態(tài)、溫度、介質等。沖擊韌性：材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。工程中采用的表征方法：帶缺口的試樣，使之在沖擊載荷下折斷，計算其吸收的能量。第三節(jié)材料的動態(tài)力學性能試樣沖斷時所消耗的沖擊吸收功Ak為:Ak=mgH–mgh(J)沖擊韌度ak

就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。AK

ak=(J/cm2)S0疲勞斷裂：材料在循環(huán)載荷的作用下，即使所受應力低于屈服強度也常常發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱之疲勞斷裂。危害：沒有明顯的塑性變形，難以檢測和預防。疲勞強度：表示材料經(jīng)無數(shù)次應力循環(huán)仍不斷裂的最大應力值，用以表征材料抵抗疲勞斷裂的能力。測試方法：旋轉彎曲疲勞試驗。二、疲勞強度二、疲勞強度工程上規(guī)定，材料在循環(huán)應力作用下達到某一基數(shù)N而不斷裂時，其最大應力就作為該材料的疲勞極限。光滑試樣測得的疲勞強度用σ-1表示。疲勞曲線：材料所承受的應力與其斷裂前的應力循環(huán)次數(shù)N的關系曲線稱為疲勞曲線。鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108如何避免疲勞斷裂：措施1：改善加載方式，加載在金屬上的強度不能忽大忽小。措施1：改善零件的結構形式，避免尖角、降低表面粗糙度等避免應力集中。措施2：表面強化，表面淬火，表面熱處理，化學熱處理，噴丸，滾壓，鍍層等。第四節(jié)斷裂韌性美國在二戰(zhàn)期間有5000艘全焊接的“自由輪”，其中有238艘完全破壞，有的甚至斷成兩截。20世紀50年代，美國發(fā)射北極星導彈，其固體燃料發(fā)動機殼體采用了高強度鋼D6AC,屈服強度為1400MPa，按照傳統(tǒng)的強度設計與驗收時，其各項性能指標包括強度與韌性都符合要求，設計時的工作應力遠低于材料的屈服強度，但發(fā)射點火不久，就發(fā)生了爆炸。斷裂是工程構件最危險的一種失效方式，尤其是脆性斷裂，它是突然發(fā)生的破壞，斷裂前沒有明顯的征兆，這就常常引起災難性的破壞事故。傳統(tǒng)力學設計工作應力σ<許用應力[σ]即認為是安全的[σ]=σs/n塑性材料[σ]=σb/n脆性材料經(jīng)典強度理論無法解釋為什么工作應力遠低于材料屈服強度時會發(fā)生所謂低應力脆斷的現(xiàn)象原因是：傳統(tǒng)力學是把材料看成均勻的，沒有缺陷的，沒有裂紋的理想固體，但是實際的工程材料，在制備、加工及使用過程中，都會產(chǎn)生各種宏觀缺陷乃至宏觀裂紋。其中n為安全系數(shù)研究發(fā)現(xiàn)低應力脆斷總是和材料內部含有一定尺寸的裂紋相聯(lián)系當裂紋在給定的作用應力下擴展到一臨界尺寸時就會突然破裂傳統(tǒng)力學或經(jīng)典的強度理論解決不了帶裂紋構件的斷裂問題斷裂力學應運而生

一、低應力脆斷斷裂韌性：材料抵抗裂紋擴展斷裂的能力。

機械零件的傳統(tǒng)強度設計為σ<[σ]=σ0.2/n(n為安全系數(shù)),一般認為用此式設計的零件是安全的,不會產(chǎn)生塑性變形，更不會斷裂。但是，有些高強鋼制造的零件或大型焊接構件如橋梁、船舶、鍋爐等，有時會在工作應力遠低于材料屈服強度甚至低于許用應力的條件下突然發(fā)生脆性斷裂，這種工作應力遠低于材料屈服強度的斷裂叫低應力脆斷。

圖2壓力容器應力腐蝕開裂圖3應力腐蝕開裂放大圖圖1管材的應力腐蝕開裂（一）裂紋尖端應力場由于裂紋擴展是從尖端開始進行的，所以應該分析裂紋尖端的應力、應變狀態(tài)，建立裂紋擴展的力學條件。歐文（G.R.Irwin）等人對張開型裂紋尖端附近的應力應變進行了分析，建立了應力場、位移場的數(shù)學解析式。二、斷裂韌性（度）對于張開型裂紋試樣，拉伸或彎曲時，其裂紋尖端處于更復雜的應力狀態(tài)，最典型的是平面應力和平面應變兩種應力狀態(tài)。平面應力：指所有的應力都在一個平面內，平面應力問題主要討論的對象是薄板，薄壁厚度遠遠小于結構另外兩個方向的尺度。薄板的中面為平面，所受外力均平行于中面面內，并沿厚度方向不變，而且薄板的兩個表面不受外力作用。平面應變：指所有的應變都在一個平面內。平面應變問題比如壓力管道、水壩等，這類彈性體是具有很長的縱向軸的柱形物體，橫截面大小和形狀沿軸線長度不變，作用外力與縱向軸垂直，且沿長度不變，柱體的兩端受固定約束。（一）裂紋尖端應力場（續(xù)）（二）裂紋擴展的基本形式a)張開型b)滑開型c)撕開型1.張開型（I型）裂紋擴展

拉應力垂直于裂紋擴展面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴展，如壓力容器縱向裂紋在內應力下的擴展。2.滑開型（II型）裂紋擴展切應力平行作用于裂紋面，而且與裂紋線垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開擴展，如花鍵根部裂紋沿切向力的擴展。3.撕開型（III型）裂紋擴展切應力平行作用于裂紋面，而且與裂紋線平行，裂紋沿裂紋面撕開擴展，如軸的縱、橫裂紋在扭矩作用下的擴展。（三）應力場強度因子KI裂紋尖端區(qū)域各點的應力分量除了決定其位置外，尚與強度因子KI有關。對于某一確定的點，其應力分量由KI決定，所以對于確定的位置，KI直接影響應力場的大小，KI增加，則應力場各應力分量也越大。因此，KI就可以表示應力場的強弱程度，稱為應力場強度因子。式中：a——為裂紋尺寸的一半

σ——名義應力Y——裂紋形狀系數(shù)，一般Y=1～2I——張開型裂紋擴展（三）應力場強度因子KI（四）斷裂韌度KIc和斷裂韌度KI判據(jù)KI是決定應力場強弱的一個復合力學參量，就可將它看作是推動裂紋擴展的動力，以建立裂紋失穩(wěn)擴展的力學判據(jù)與斷裂韌度。當σ和a單獨或共同增大時，KI和裂紋尖端的各應力分量隨之增大。當KI增大到臨界值時，也就是說裂紋尖端足夠大的范圍內應力達到了材料的斷裂強度，裂紋便失穩(wěn)擴展而導致斷裂。這個臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的KI值就記作KIC或KC，稱為斷裂韌度。KIC：平面應變下的斷裂韌度，表示在平面應變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。KC：平面應力斷裂韌度，表示平面應力條件材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。但KC值與試樣厚度有關，當試樣厚度增加，使裂紋尖端達到平面應變狀態(tài)時，斷裂韌度趨于一個穩(wěn)定的最低值，就是KIC，與試樣厚度無關。在臨界狀態(tài)下所對應的平均應力，稱為斷裂應力或裂紋體斷裂強度，記為σc，對應的裂紋尺寸稱為臨界裂紋尺寸，記作ac。（四）斷裂韌度KIc和斷裂韌度K判據(jù)（續(xù)）（五）

斷裂韌度KIC的測試一、試樣的形狀、尺寸及制備二、斷裂強度因子測試示意圖（六）KIC和KC的區(qū)別應力場強度因子KI增大到臨界值KIC時，材料發(fā)生斷裂，這個臨界值KIC稱為斷裂韌度。KI是力學參量，與載荷、試樣尺寸有關，而和材料本身無關。KIC是力學性能指標，只與材料組織結構、成分有關，與試樣尺寸和載荷無關。根據(jù)KI和KIC的相對大小，可以建立裂紋失穩(wěn)擴展脆斷的斷裂K判據(jù)，由于平面應變斷裂最危險，通常以KIC為標準建立：三、斷裂韌度的應用

第五節(jié)材料的高低溫力學性能

一、材料的高溫力學性能（續(xù)）2、持久強度極限定義：指試樣在恒定溫度下，達到規(guī)定的持續(xù)時間而不斷裂的最大應力。表示為σtτ。用于不考慮變形，只考慮使用壽命零件設計。3、