第三章 材料的力學(xué)性能

第三章材料的力學(xué)性能第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能力學(xué)實(shí)驗(yàn)加工硬化原理

蠕變

疲勞

磨損聚合物及陶瓷材料的力學(xué)性能第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能力-伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線Op——直線關(guān)系與pe——偏離直線關(guān)系，即彈性形變階段（可逆形變）；F到達(dá)FA至Fc點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生不均勻塑性變形（不可逆的永久變形）；CB——均勻塑性變形；Bk——再次不均勻塑性變形；K點(diǎn)——發(fā)生斷裂縱橫坐標(biāo)分別除以原始截面積A0和原始標(biāo)距長度L，即可得應(yīng)力應(yīng)變曲線COc第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線與工程應(yīng)力應(yīng)變曲線不同，為什么？第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線與應(yīng)力應(yīng)變曲線的區(qū)別應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的應(yīng)力和應(yīng)變是以試樣的初始尺寸進(jìn)行計(jì)算的，事實(shí)上，在拉伸過程中試樣的尺寸是在不斷變化的，此時(shí)的真實(shí)應(yīng)力S應(yīng)該是瞬時(shí)載荷（P）除以試樣的瞬時(shí)截面積（A），即：S=P/A；同樣，真實(shí)應(yīng)變e應(yīng)該是瞬時(shí)伸長量除以瞬時(shí)長度de=dL/L。真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，它不像應(yīng)力-應(yīng)變曲線那樣在載荷達(dá)到最大值后轉(zhuǎn)而下降，而是繼續(xù)上升直至斷裂，這說明金屬在塑性變形過程中不斷地發(fā)生加工硬化，從而外加應(yīng)力必須不斷增高，才能使變形繼續(xù)進(jìn)行，即使在出現(xiàn)縮頸之后，縮頸處的真實(shí)應(yīng)力仍在升高，這就排除了應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)力下降的假象。第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性變形——彈性變形及其實(shí)質(zhì)材料在受到外力作用時(shí)產(chǎn)生變形或者尺寸的變化，而且能夠恢復(fù)的變形叫做彈性變形。彈性變形的重要特征是其可逆性，即受力作用后產(chǎn)生變形，卸除載荷后,變形消失。金屬的彈性性質(zhì)是金屬原子間結(jié)合力抵抗外力的宏觀表現(xiàn)。第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性變形——彈性變形及其實(shí)質(zhì)構(gòu)成材料的原子（離子）或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。雙原子模型和A和r0為與原子本性或晶體、晶格類型有關(guān)的常數(shù)第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性變形——彈性模量

彈性模量，又稱楊氏模量，彈性模數(shù)是產(chǎn)生100%彈性變形所需的應(yīng)力。拉伸時(shí)σ=Eε，剪切時(shí)τ=Gγ，E和G分別為拉伸時(shí)的楊氏模數(shù)和切變模數(shù)?？梢暈楹饬坎牧袭a(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)。材料的抗彈性變形的一個(gè)量，材料剛度的一個(gè)指標(biāo)。它只與材料的化學(xué)成分有關(guān)，與其組織變化無關(guān)，與熱處理狀態(tài)無關(guān)。各種鋼的彈性模量差別很小，金屬合金化對(duì)其彈性模量影響也很小。第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月◆影響彈性模數(shù)的因素鍵合方式晶體結(jié)構(gòu)化學(xué)成分微觀組織溫度加載條件和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間總之，金屬材料的彈性模量是一個(gè)對(duì)組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，外在因素的變化對(duì)它的影響也比較小，主要取決于材料的本性與晶格類型第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性變形——比例極限與彈性極限第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性變形——比例極限與彈性極限第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于要求服役時(shí)其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系嚴(yán)格遵守線性關(guān)系的機(jī)件，如測(cè)力計(jì)彈簧，是依靠彈性變形的應(yīng)力正比于應(yīng)變的關(guān)系顯示載荷大小的，則應(yīng)以比例極限作為選擇材料的依據(jù)；對(duì)于服役條件不允許產(chǎn)生微量塑性變形的機(jī)件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按彈性極限來選擇材料。σp、σe的工程意義第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性變形——彈性比功思考：人們?nèi)粘Ｋf的材料彈性的好壞指的是什么？第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）提高σe提高材料彈性比功的途徑（2）降低E舉例（高彈性比功材料）彈簧（金屬材料）——減振、儲(chǔ)能橡膠（高分子材料）——不能做受力結(jié)構(gòu)件第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月Oc第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月塑性變形——塑性變形方式及特點(diǎn)金屬材料常見的塑性變形機(jī)理為晶體的滑移和孿生兩種。塑性變形：材料的塑性變形上微觀結(jié)構(gòu)的相鄰部分產(chǎn)生永久性位移，并不引起材料破裂的現(xiàn)象。金屬材料的塑性變形機(jī)理第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月塑性變形-滑移定義：滑移面：原子最密排面；滑移向：原子最密排方向?；葡担夯泼婧突葡虻慕M合?；葡翟蕉?，材料的塑性越好。晶體結(jié)構(gòu)的影響較大：fcc＞bcc＞hcp滑移的臨界分切應(yīng)力τ=(P/A)cosφcosλφ—外應(yīng)力與滑移面法線的夾角；λ—外應(yīng)力與滑移向的夾角；Ω=cosφcosλ稱為取向因子。第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月塑性變形-滑移模型滑移是金屬晶體在切應(yīng)力作用下，沿滑移面和滑移方向進(jìn)行的切變過程。第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月塑性變形-孿生模型孿生本身提供的變形量很小,但可以調(diào)整滑移面的方向,使新的滑移系開動(dòng),因而可以對(duì)塑性變形產(chǎn)生影響。第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月單晶金屬第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月塑性變形的特點(diǎn)

（1）各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性

∵各晶粒的取向不同即cosφcosλ不同。

對(duì)于具體材料，還存在相和第二相的種類、數(shù)量、尺寸、形態(tài)、分布的影響。

（2）變形的相互協(xié)調(diào)性

多晶體作為一個(gè)整體，不允許晶粒僅在一個(gè)滑移系中變形，否則將造成晶界開裂。

五個(gè)獨(dú)立的滑移系開動(dòng)，才能確保產(chǎn)生任何方向不受約束的塑性變形。第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月屈服現(xiàn)象第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月屈服機(jī)理第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月影響金屬材料屈服強(qiáng)度的因素（1）晶體結(jié)構(gòu)：金屬材料的屈服過程主要是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。（2）晶界與亞結(jié)構(gòu)：晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的重要障礙，晶界越多，對(duì)材料屈服強(qiáng)度的提高貢獻(xiàn)越大。（晶粒細(xì)化）（3）溶質(zhì)元素：晶格畸變應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生交互作用；溶質(zhì)與溶劑之間的電學(xué)交互作用；化學(xué)交互作用；有序作用等都使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，從而提高屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生固溶增強(qiáng)化。第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月影響金屬材料屈服強(qiáng)度的因素（4）第二相：其強(qiáng)化效果與質(zhì)點(diǎn)的性質(zhì)有關(guān)。

（5）溫度：一般情況下，溫度升高金屬材料的屈服強(qiáng)度下降。但是，晶體結(jié)構(gòu)不同，其變化形式各異。（6）應(yīng)變速率與應(yīng)力狀態(tài)：應(yīng)變速率對(duì)金屬材料的屈服強(qiáng)度有明顯的影響。應(yīng)變速率高，金屬材料的屈服應(yīng)力顯著提高；應(yīng)力狀態(tài)對(duì)金屬材料屈服強(qiáng)度的影響規(guī)律是：切應(yīng)力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強(qiáng)度就越低。第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變硬化第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變硬化第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變硬化第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變硬化第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度：拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，試樣拉斷過程中最大實(shí)驗(yàn)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。其值等于最大拉力Fb除以試樣的原始橫截面面積A0，抗拉強(qiáng)度用σb表示，即σb=Fb/A0

抗拉強(qiáng)度是材料在承受拉伸載荷時(shí)的實(shí)際承載能力。高分子材料和陶瓷材料的抗拉強(qiáng)度是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月塑性與塑性指標(biāo)（1）定義：塑性是指材料斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。

（2）材料塑性的評(píng)價(jià)：在工程上一般以光滑圓柱試樣的拉伸伸長率和斷面收縮率作為塑性性能指標(biāo)。常用的塑性性能指標(biāo)有三種：第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月定義：固體材料在力的作用下分成若干部分的現(xiàn)象稱為斷裂。材料的斷裂是力對(duì)材料作用的最終結(jié)果，它意味著材料的徹底失效，因材料斷裂而導(dǎo)致的機(jī)件失效與其他失效方式（如磨損、腐蝕等）相比危害性更大，并且可能出現(xiàn)災(zāi)難性的后果。因此，研究材料斷裂的宏觀與微觀特征、斷裂機(jī)理、斷裂力學(xué)條件，以及影響材料斷裂的各種因素不僅具有重要的科學(xué)意義，而且也有很大的實(shí)用價(jià)值?！窠饘俚臄嗔训?5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的斷裂過程大都包括裂紋的形成與擴(kuò)展兩個(gè)階段。

按斷裂前與斷裂過程中材料的宏觀塑性變形的程度：脆性斷裂和韌性斷裂；按晶體材料斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展的途徑：穿晶斷裂和沿晶斷裂；按微觀斷裂機(jī)理：解理斷裂和剪切斷裂；按作用力的性質(zhì)：正斷和切斷。

1、斷裂的類型第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2、斷口特征斷口：材料的斷裂表面稱為斷口。斷口分析法：用肉眼、放大鏡或電子顯微鏡等手段對(duì)材料斷口進(jìn)行宏觀及微觀的觀察分析，以了解材料發(fā)生斷裂的原因、條件、斷裂機(jī)理以及與斷裂有關(guān)的各種信息，稱為斷口分析法。第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）韌性斷裂與脆性斷裂韌性斷裂定義：材料斷裂前及斷裂過程中產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂過程。韌性斷裂特征：裂紋擴(kuò)展過程較慢，而且要消耗大量塑性變形能，韌性斷裂的斷口用肉跟或放大鏡觀察時(shí)往往呈暗灰色、纖維狀。形成原因：纖維狀是由于塑性變形過程中，眾多微細(xì)裂紋不斷擴(kuò)展和相互連接造成的，而暗灰色是纖維斷口表面對(duì)光的反射能力很弱所致。舉例：一些塑性較好的金屬材料及高分子材料在室溫下的靜拉伸斷裂具有典型的韌性斷裂特征。第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月脆性斷裂定義：是材料斷裂前基本上不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，沒有明顯預(yù)兆，往往表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過程，因而具有很大的危險(xiǎn)性。脆性斷裂特征：脆性斷裂的斷口，一般與正應(yīng)力垂直，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。例如：淬火鋼、灰鑄鐵、陶瓷、玻璃等脆性材料的斷裂過程及斷口常具有上述特征。第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂；而沿晶斷裂則多數(shù)為脆性斷裂。材料物理與性能第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）剪切斷裂與解理斷裂剪切斷裂與解理斷裂是兩種不同的微觀斷裂方式，是材料斷裂的兩種重要微觀機(jī)理。剪切斷裂：剪切斷裂是材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂。

解理斷裂：在正應(yīng)力作用下，由于原子間結(jié)合鍵的破壞引起的沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂稱為解理斷裂。材料物理與性能第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月剪切斷裂的另一種形式為微孔聚集型斷裂，微孔聚集型斷裂是材料韌性斷裂的普通方式，其斷口在宏觀上常呈現(xiàn)暗灰色、纖維狀，微觀斷口特征花樣則是斷口上分布大量“韌窩”，如圖1-26所示，微孔聚集斷裂過程包括微孔形核、長大、聚合直至斷裂。第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）微孔聚集型斷裂第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月力學(xué)實(shí)驗(yàn)力學(xué)實(shí)驗(yàn)彎曲實(shí)驗(yàn)硬度實(shí)驗(yàn)沖擊實(shí)驗(yàn)布氏硬度實(shí)驗(yàn)洛氏硬度實(shí)驗(yàn)維氏硬度實(shí)驗(yàn)第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月硬度及硬度試驗(yàn)硬度：金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力一、布氏硬度試驗(yàn)法

布氏硬度試驗(yàn)的原理：用一定直徑D（mm）的鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗(yàn)力F（N）壓入試件表面，并保持一定的時(shí)間，然后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試件表面的壓痕直徑d（mm），用試驗(yàn)力除以壓痕球形表面積A（mm2）所得的商作為布氏硬度值，符號(hào)為HBS（壓頭為鋼球時(shí)）或HBW（壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)）。第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月HBS適用于測(cè)量低于布氏硬度值450的材料；HBW適用于測(cè)量低于布氏硬度值650的材料。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，球直徑、試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間按表-1選擇。第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬種類布氏硬度范圍HBS（HBW）試樣厚度/mm0.102球的直徑/mm試驗(yàn)力F/KN（kgf)試驗(yàn)力保持時(shí)間/s黑色金屬140-4506～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)12<140>66～31010.05.09.807(1000)2.452(250)12非鐵金屬>1306～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)3036～1309～36～31010.05.09.807(1000)2.452(250)308～35>62.510.02.452(250)60第51頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

120HBS10／1000／30代表用10mm鋼球，在1000kgf（10kN）試驗(yàn)力作用下保持30s，測(cè)得的布氏硬度值。布氏硬度試驗(yàn)法一般用于試驗(yàn)各種硬度不高的鋼材、鑄鐵、有色金屬等，也用于試驗(yàn)經(jīng)淬火、回火但硬度不高的鋼件。由于布氏硬度試驗(yàn)的壓痕較大，試驗(yàn)結(jié)果能更好地代表試件的硬度。第52頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、洛氏硬度實(shí)驗(yàn)

洛氏硬度試驗(yàn)法原理：根據(jù)壓痕的塑性變形深度來衡量硬度。試驗(yàn)時(shí)，先加初始試驗(yàn)力98N（10kgf），使壓頭緊密接觸試件表面a，并壓入到b處，以此作為衡量壓入深度的起點(diǎn)，再加主試驗(yàn)力使壓頭壓入到c處，然后去掉主試驗(yàn)力，由于被試金屬彈性變形的消除，壓頭向上回升到d處。洛氏硬度計(jì)表盤上讀出即可。第53頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第54頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按下選擇，對(duì)應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為HRA、HRB、HRC三種符號(hào)壓頭類型