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1、材料力學(xué)性能能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院 材料教研室辛燕Mechanical Properties of M 2 工程材料力學(xué)性能(第2版)，束德林機(jī)械工業(yè)出版社，2008參考資料：金屬力學(xué)性能，孫茂才，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003材料的力學(xué)性能，鄭修麟，西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001教材及參考資料 3 Properties(材料性能/性質(zhì))Processing(制備/加工)Performance(使用效能) 材料科學(xué)：研究材料的組成/結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、加工工藝和使用效能，以及它們之間相互關(guān)系的科學(xué)(成分/結(jié)構(gòu))Composition/Structure結(jié)構(gòu)是制備加工的結(jié)果結(jié)構(gòu)是材料性能的原因Materi

2、als 4 一、材料的性能材料性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能強(qiáng)度硬剛彈塑度度性性電學(xué)性能磁學(xué)性能光學(xué)性能熱學(xué)性能聲學(xué)性能抗氧化性耐腐蝕性催化性能 5 材料力學(xué)性能: 材料抵抗變形和斷裂的能力。服役過(guò)程: 保持設(shè)計(jì)要求的外形和尺寸，保證在服役期內(nèi)安全地運(yùn)行。生產(chǎn)過(guò)程: 要求材料具有優(yōu)良的加工性能。如壓力加工要求優(yōu)良的塑性和低的塑性變形抗力。材料力學(xué)性能與材料力學(xué)的區(qū)別？ 6 二、材料力學(xué)性能表征材料軟硬程度的表征材料脆性的表征材料抵抗外力能力表征材料變形能力的表征含缺陷材料抗斷裂能力的表征材料抵抗多次受力能力的表征新材料及特種材料性能的表征特殊條件下材料性能的表征 7 材料力學(xué)性能是關(guān)于各類(lèi)材料或

3、構(gòu)件在外加載荷作用下或載荷和環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速度）聯(lián)合作用下表現(xiàn)的變形、損傷與斷裂的行為規(guī)律及其物理本質(zhì)和評(píng)定方法的學(xué)科。 8 彈性:是指材料在外力作用下保持和恢復(fù)固有形狀和尺寸的能力。塑性:是材料在外力作用下發(fā)生不可逆的永久變形的能力。強(qiáng)度:是材料對(duì)變形和斷裂的抗力。壽命:是指材料在外力的長(zhǎng)期或重復(fù)作用下抵抗損傷和失效的能力，使零件在服役期內(nèi)安全運(yùn)行。三、材料的基本力學(xué)性能 9 第一部分:第一四章闡述金屬材料在一次加載條件下的形變和斷裂過(guò)程。所測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo)用于評(píng)價(jià)零件在服役過(guò)程中抗過(guò)載失效的能力或安全性。第二部分:第五八章論述疲勞、蠕變、磨損和環(huán)境效應(yīng)四種常見(jiàn)的與時(shí)間相關(guān)的失

4、效形式。金屬材料對(duì)這四種形式失效的抗力將決定零件的壽命。第三部分:第九十一章介紹聚合物材料、陶瓷材料和復(fù)合材料的力學(xué)性能。四、教材結(jié)構(gòu)和內(nèi)容 10 預(yù)備知識(shí)：材料力學(xué)和金屬學(xué)方面的基本理論知識(shí)。理論聯(lián)系實(shí)際:是實(shí)用性很強(qiáng)的一門(mén)課程。某些力學(xué)性能指標(biāo)根據(jù)理論考慮定義,而更多指標(biāo)則按工程實(shí)用要求定義。做些練習(xí): 加深理解鞏固所學(xué)的知識(shí)。五、本課程學(xué)習(xí)注意問(wèn)題：六、考核方式平時(shí)成績(jī)占30%(包括出勤+作業(yè))期末閉卷考試占70% 11 第一章金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 12 單向靜拉伸實(shí)驗(yàn)介紹1.1 拉伸力-伸長(zhǎng)曲線(xiàn)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)1.2 彈性變形1.3 塑性變形1.4 金屬的斷裂主要內(nèi)容 13

5、 單向靜拉伸試驗(yàn)(Tension test)特點(diǎn)：最廣泛使用的金屬力學(xué)性能檢測(cè)手段試驗(yàn)的溫度、應(yīng)力狀態(tài)、加載速率和試樣等都有嚴(yán)格規(guī)定 (GB/T228-2002)最基本的力學(xué)行為(彈性、塑性和斷裂)可測(cè)力學(xué)性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度 0.2抗拉強(qiáng)度 b斷后伸長(zhǎng)率斷面收縮率 14 常用拉伸試樣形狀光滑圓柱試樣板狀試樣 15 常用的拉伸試樣:為了比較不同尺寸試樣所測(cè)得的延性,要求試樣的幾何相似(比例試樣)，L0/A01/2(常數(shù);通常K取5.65或11.3)其中A0為試件的初始橫截面積，L0為原始標(biāo)距。光滑圓柱試樣:試件的標(biāo)距長(zhǎng)度L0比直徑d0要大得多；通常，L0=5d0或L0=10d0板狀試樣:試件的標(biāo)

6、距長(zhǎng)度L0應(yīng)滿(mǎn)足下列關(guān)系式：L 0=5.65A01/2或11.3A0 1/2 拉伸試樣的尺寸 16電液伺服萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī) 拉伸試驗(yàn)設(shè)備 17 拉伸實(shí)驗(yàn)中注意的問(wèn)題a. 拉伸加載速率較低,俗稱(chēng)靜拉伸試驗(yàn)。嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其結(jié)果方為有效，由不同的實(shí)驗(yàn)室和工作人員測(cè)定的拉伸性能數(shù)據(jù)才可以互相比較。b. 拉伸試驗(yàn)機(jī)帶有自動(dòng)記錄或繪圖裝置，記錄或繪制試件所受的載荷和伸長(zhǎng)量 L之間的關(guān)系曲線(xiàn);d /dt =110MPa/s 18 1.1 拉伸力-伸長(zhǎng)曲線(xiàn)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)拉伸力-伸長(zhǎng)曲線(xiàn)：拉伸實(shí)驗(yàn)中記錄的力(F)對(duì)伸長(zhǎng)( L)的關(guān)系曲線(xiàn)退火態(tài)低碳鋼拉伸變形過(guò)程可分為個(gè)階段：彈性變形(OA)不均勻屈

7、服塑性變形(AC)均勻塑性變形(CB)不均勻集中塑性變形(Bk)斷裂(k) 正火、退火碳素結(jié)構(gòu)鋼和一般低合金結(jié)構(gòu)鋼都具有類(lèi)似的拉伸力-伸長(zhǎng)曲線(xiàn) 19 20 注意：并非所有金屬材料或同一材料在不同條件下都具有相同類(lèi)型的拉伸力-伸長(zhǎng)曲線(xiàn) 淬火高碳鋼退火低碳鋼在低溫下拉伸時(shí)只有彈性變形階段脆性材料：在拉伸斷裂前不產(chǎn)生塑性變形, 只發(fā)生彈性變形塑性材料：在拉伸斷裂前會(huì)發(fā)生不可逆塑性變形 21 室溫脆性材料普通灰鑄鐵 22 低塑性材料低塑性材料在拉伸斷裂前: 只發(fā)生均勻伸長(zhǎng)不發(fā)生頸縮塑性變形量較小 高塑性材料高塑性材料在拉伸斷裂前: 不僅產(chǎn)生均勻的伸長(zhǎng)而且發(fā)生頸縮現(xiàn)象且塑性變形量大 23工程應(yīng)力(Str

8、ess)工程應(yīng)變(Strain) =FA0 = LL0 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)將拉伸力-伸長(zhǎng)曲線(xiàn)的縱、橫坐標(biāo)分別用拉伸試樣的原始截面積A0和原始標(biāo)距長(zhǎng)度L0去除，則得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。因均系以一常數(shù)相除，故曲線(xiàn)形狀不變，稱(chēng)為工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。可得到金屬在靜拉伸條件下的力學(xué)性能指標(biāo)： keg sgt b 24 拉伸變形過(guò)程中橫截面積和長(zhǎng)度是不斷變化的 25 如果用拉伸時(shí)試樣的真實(shí)斷面和真實(shí)長(zhǎng)度去除得到真應(yīng)力S和真應(yīng)變e( e)繪制曲線(xiàn)，則得到真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(OBK曲線(xiàn))。真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn) 26 1.2 彈性變形一、彈性變形及其實(shí)質(zhì)彈性變形：當(dāng)外力去除后，能恢復(fù)到原來(lái)形狀或尺寸的變形特點(diǎn)：可逆性變形

9、加載、卸載期內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變間都保持單調(diào)線(xiàn)性關(guān)系金屬?gòu)椥宰冃瘟枯^小，一般不超過(guò)0.5%1%實(shí)質(zhì)：晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映金屬原子間結(jié)合力抵抗外力的宏觀表現(xiàn) 27 彈性變形物理本質(zhì)彈性變形的可逆性：原子的位移總和宏觀變形外力去除后，原子靠彼此間作用力又回到平衡位置位移消失宏觀變形消失 28 二、胡克定律(一) 簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)的胡克定律1單向拉伸 yE yy = E x = z = y = (1-1) y縱向拉伸應(yīng)變x、z橫向拉伸應(yīng)變E 彈性模量 泊松比y拉應(yīng)力 29 2剪切和扭轉(zhuǎn)(1-3) = G (1-2)E2(1+)G = 切應(yīng)力G 切變模量 切應(yīng)變3E、G和的關(guān)系 1 = 1 (

10、 2 + 3) 2 = 2 ( 3 + 1) 3 = E 3 ( 1 + 2 )(二) 廣義胡克定律實(shí)際上機(jī)件的受力較復(fù)雜，應(yīng)力往往是兩向或三向的。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，用廣義胡克定律描述應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系： 1 1 1 EE式中1, 2, 3 主應(yīng)力1 , 2 , 3主應(yīng)變壓應(yīng)力拉應(yīng)力應(yīng)變?yōu)檎?hào)(+)時(shí)表伸長(zhǎng)負(fù)號(hào)()時(shí)表縮短 30 31 彈性模量：工程上亦稱(chēng)為材料的剛度，表征金屬材料對(duì)彈性變形的抗力，其值愈大，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形就愈小。三、彈性模量(Elastic Modulus)單純彈性變形過(guò)程中應(yīng)力與應(yīng)變的比值E =/橋式起重機(jī)梁內(nèi)燃機(jī)、離心機(jī)、壓氣機(jī)等的曲軸精密機(jī)床的主軸、床身等均

11、有剛度要求以免產(chǎn)生過(guò)大振動(dòng)，保證加工精度1.2 彈性變形 32 E/105MPa2.171.250.722.01.71.92.02.11.92.0金屬材料鐵銅鋁鐵及低碳鋼鑄鐵低合金鋼奧氏體不銹鋼表1-1幾種金屬材料在常溫下的彈性模量 33 影響彈性模量的因素(1)主要取決于金屬原子本性和晶格類(lèi)型不同種類(lèi)金屬原子間的作用不同不同原子密排方向的較大（單晶體彈性各向異性）(2)彈性模量為對(duì)組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)合金化、熱處理、冷塑性變形等對(duì)彈性模量的影響較小(3)溫度、加載速率等外在因素對(duì)影響較小 四、彈性比功彈性比功：表示金屬材料吸收彈性變形功的能力，又稱(chēng)彈性比能、應(yīng)變比能。一般用金屬開(kāi)始塑性變

12、形前單位體積吸收的最大彈性變形功表示。幾何意義：應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上彈性變形階段下的面積2e2 2E式中彈性比功；彈性極限；(組織敏感指標(biāo)) 最大彈性應(yīng)變(表征材料彈性)e e e彈簧材料應(yīng)具有較高的彈性比功和良好的彈性34 35 36 五、滯彈性1.滯彈性現(xiàn)象純彈性體的彈性變形只與載荷大小有關(guān)與加載方向和加載時(shí)間無(wú)關(guān)實(shí)際金屬材料彈性變形不僅是應(yīng)力的函數(shù)而且還是時(shí)間的函數(shù) 37 滯彈性：在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象2. 滯彈性原因產(chǎn)生彈性后效的原因可能與金屬中點(diǎn)缺陷的移動(dòng)有關(guān)。材料組織越不均勻，滯彈性越明顯鋼經(jīng)淬火或塑性變形后，滯彈性 38 在儀表和精密機(jī)械中，選

13、用重要傳感元件的材料時(shí)，需要考慮彈性后效問(wèn)題，如長(zhǎng)期受載的測(cè)力彈簧、薄膜傳感件等。如選用的材料彈性后效較明顯，會(huì)使儀表精度不足甚至無(wú)法使用。3. 滯彈性的危害 39 彈性滯后環(huán)實(shí)際金屬?gòu)椥詤^(qū)內(nèi)快速加、卸載時(shí)，加載線(xiàn)與卸載曲線(xiàn)不重合而形成的閉合曲線(xiàn)，稱(chēng)為彈性滯后環(huán)。物理意義：加載時(shí)消耗的變形功大于卸載時(shí)釋放的變形功?；鼐€(xiàn)面積為一個(gè)循環(huán)所消耗的不可逆功。 40 循環(huán)韌性：金屬材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力，也稱(chēng)為內(nèi)耗。循環(huán)韌性又稱(chēng)為消振性。循環(huán)韌性的應(yīng)用機(jī)床床身、缸體等選用循環(huán)韌性高的材料，減振降噪樂(lè)器（簧片、琴弦等）要求材料循環(huán)韌性小，保證音質(zhì) 41 六、包申格效應(yīng)(Bauschinge

14、r Effect)包申格效應(yīng)：金屬材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形，卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力增加；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)幾乎降低到零)的現(xiàn)象少量塑性變形：殘余應(yīng)變約為1%-4%規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力：對(duì)應(yīng)彈性極限 或屈服強(qiáng)度42屈服強(qiáng)度380MPa 100MPa 某些鋼和鈦合金，因包申格效應(yīng)可使屈服強(qiáng)度降低15%-20%黃銅、鋁等有色金屬合金球化高碳鋼、低碳鋼、管線(xiàn)鋼、雙相鋼奧氏體不銹鋼等包申格效應(yīng)是多晶體金屬所具有的普遍現(xiàn)象度量包申格效應(yīng)的基本定量指標(biāo)是包申格應(yīng)變包申格應(yīng)變：在給定應(yīng)力下，正向加載與反向加載兩應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)之間的 應(yīng)變差43均有包申格效應(yīng) =

15、bc即為包申格應(yīng)變 44 包申格效應(yīng)與金屬材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力變化有關(guān)。預(yù)塑性變形，位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)、纏結(jié)；同向加載，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力增加；反向加載，位錯(cuò)被迫作反向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)容易，殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低。包申格效應(yīng)的微觀機(jī)理如金屬材料預(yù)先經(jīng)受大量塑性變形，因位錯(cuò)增殖和難于重分布，則在隨后反向加載時(shí)，不顯示包申格效應(yīng) 45 危害：交變載荷情況下，顯示循環(huán)軟化(強(qiáng)度極限下降)利用：薄板反向彎曲成形，拉拔的鋼棒經(jīng)軋輥壓制較直包申格效應(yīng)的危害和利用包申格效應(yīng)的防止方法預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形，可不產(chǎn)生包申格效應(yīng)。第二次反向受力前，先使金屬材料回復(fù)或再結(jié)晶退火 46 1.3 塑性變形一、塑性變形方式

16、及特點(diǎn)金屬材料常見(jiàn)的塑性變形方式為滑移和孿生塑性變形：外載荷卸去后，不能恢復(fù)的變形塑性：材料受力，應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)后，仍能繼續(xù)變形而不發(fā)生斷裂的性質(zhì)滑移 最主要的變形機(jī)制；孿生 重要的變形機(jī)制，一般發(fā)生在低溫形變或快速形變時(shí)1.塑性變形方式 47 (1) 滑移金屬材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面和滑移方向進(jìn)行的切變過(guò)程?；泼妫涸幼蠲芘琶?；滑移向：原子最密排方向?；葡担夯泼婧突葡虻慕M合?；葡翟蕉啵牧系乃苄栽胶?。晶體結(jié)構(gòu)的影響較大，fccbcchcp滑移的臨界分切應(yīng)力 =(P/A)cos cos 外應(yīng)力與滑移面法線(xiàn)的夾角； 外應(yīng)力與滑移向的夾角； = cos cos稱(chēng)為取向因子。 48 (2

17、) 孿生孿晶：外形對(duì)稱(chēng)，好象由兩個(gè)相同晶體對(duì)接起來(lái)的晶體；內(nèi)部原子排列呈鏡面對(duì)稱(chēng)于結(jié)合面。孿生的特點(diǎn)：比滑移困難；時(shí)間很短；變形量很??；Cd孿生變形量?jī)H7.4%，滑移變形300%也是在切應(yīng)力作用下沿特定晶面和特定晶向進(jìn)行的孿晶層在試樣中僅為狹窄的一層，不一定貫穿整個(gè)試樣孿生與滑移的交互作用，可促進(jìn)金屬塑性變形的發(fā)展 49 多晶體金屬中，每一晶?；谱冃蔚囊?guī)律與單晶體金屬相同。但由于多晶體金屬存在著晶界，各晶粒的取向也不相同塑性變形具有如下特點(diǎn)：2. 塑性變形特點(diǎn)(1) 各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性多晶體中各晶粒取向不同，即 cos cos不同，則應(yīng)力狀態(tài)不同；在受外力時(shí)，取向有利的晶粒先開(kāi)始

18、滑移變形，而取向不利的晶粒可能仍處于彈性變形狀態(tài)；當(dāng)外力，滑移從某些晶粒傳播到另外一些晶粒，并不斷傳播，從而產(chǎn)生宏觀可見(jiàn)的塑性變形；若是多相合金，各相晶粒力學(xué)性能的差異導(dǎo)致基體與第二相變形量也不同；金屬組織愈不均勻，則起始塑性變形不同時(shí)性就愈 顯著，局部越易達(dá)到塑性極限而形成裂紋。 50 (2) 各晶粒變形的相互協(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(kāi)裂；每個(gè)晶粒必須能同時(shí)沿幾個(gè)滑移系進(jìn)行滑移，即能進(jìn)行多系滑移，或在滑移同時(shí)進(jìn)行孿生變形；馮米賽斯(Von Mises)指出至少必須有五個(gè)獨(dú)立的滑移系開(kāi)動(dòng)，才能確保產(chǎn)生任何方向不受約束的塑性變形，并維持體積不變；多

19、晶體金屬的應(yīng)變硬化速率比相同的單晶體金屬要高；hcp金屬滑移系少，變形不易協(xié)調(diào)，故其塑性極差；金屬間化合物的滑移系更少，變形更不易協(xié)調(diào)，性質(zhì)更 脆。 二、屈服現(xiàn)象和屈服點(diǎn)(屈服強(qiáng)度)屈服：在金屬塑性變形的開(kāi)始階段，外力不增加、甚至下降的情況下，而變形繼續(xù)進(jìn)行的現(xiàn)象 金屬材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的屈服現(xiàn)象是其開(kāi)始產(chǎn)生宏觀塑性變形的一種標(biāo)志51屈服點(diǎn)(屈服強(qiáng)度) s上屈服點(diǎn)下屈服點(diǎn)su=Fsu/A0sl=Fsl/A0屈服伸長(zhǎng) AB段對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)屈服平臺(tái)(屈服齒) AB段屈服強(qiáng)度表征金屬微量塑性變形抗力屈服現(xiàn)象在退火、正火的中、低碳鋼和低合金鋼中最為常見(jiàn)2連續(xù)屈服，黃銅 不連續(xù)屈服連續(xù)屈服0.002L 0

20、 分為三種指標(biāo)：(1)規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力(p)加載時(shí)測(cè)量，非比例伸長(zhǎng)率達(dá)到規(guī)定值時(shí)的應(yīng)力， 常用p0.01,p0.05,p0.2,(2)規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力(r)卸載后測(cè)量，常用r0.2,表示規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力(3)規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力(t)加載時(shí)測(cè)量，常用 t0.5，表示規(guī)定總伸長(zhǎng)率為0.5%時(shí)的應(yīng)力52 許多具有連續(xù)屈服特征的金屬材料，拉伸時(shí)看不到屈服現(xiàn)象不連續(xù)屈服用規(guī)定微量塑性伸長(zhǎng)應(yīng)力表征屈服強(qiáng)度連續(xù)屈服 0.002L02連續(xù)屈服，黃銅 s 53屈服強(qiáng)度是金屬材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)，它是工程上從靜強(qiáng)度角度選擇韌性材料的基本判據(jù)。工程上特別重視材料屈服強(qiáng)度值的大小統(tǒng)一用s或0.2表示材

21、料的屈服強(qiáng)度傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法規(guī)定：n許用應(yīng)力 = ,(n 2)根據(jù)機(jī)件具體情況，選擇具有適當(dāng)屈服強(qiáng)度的材料。 54 三、影響屈服強(qiáng)度的因素(1) 金屬本性及晶格類(lèi)型（一）影響屈服強(qiáng)度的內(nèi)因凡影響位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)的各種因素必然要影響屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度理論上為位錯(cuò)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的臨界切應(yīng)力位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力：晶格阻力（P-N力）位錯(cuò)交互作用產(chǎn)生的阻力。不同金屬及晶格類(lèi)型，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的以上各阻力不相同 55 (2) 晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。要使相鄰晶粒中的位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)，必須加大外應(yīng)力。減小晶粒尺寸，障礙數(shù)目增加, s ：霍爾培奇關(guān)系式細(xì)化晶粒，可以提高材料的屈服強(qiáng)度。bcc金屬較fcc和hcp金屬的

22、ky值都高，所以bcc金屬細(xì)晶強(qiáng)化效果最好，而 fcc和hcp金屬則較差 s =i +kyd 1/2(3) 溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素顯著提高屈服強(qiáng)度，即固溶強(qiáng)化。 間隙固溶強(qiáng)化效果大于置換固溶。機(jī)理：形成晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 56 (4) 第二相不可變形的第二相，位錯(cuò)只能繞過(guò)它運(yùn)動(dòng)， s 取決于第二相質(zhì)點(diǎn)間距。可變形的第二相，位錯(cuò)可以切過(guò)。第二相的作用，還與其尺寸、形狀、數(shù)量及分布有關(guān)；同時(shí)，第二相與基體的晶體學(xué)匹配程度也有關(guān)。屈服強(qiáng)度是一個(gè)對(duì)成分、組織極為敏感的力學(xué)性能指標(biāo) 57 (二) 影響屈服強(qiáng)度的外在因素(1) 溫度溫度提高,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)容易, sbcc金屬的屈服強(qiáng)度具有強(qiáng)烈的溫度效應(yīng)(2) 應(yīng)

23、變速率應(yīng)變速率提高， s (3) 應(yīng)力狀態(tài)切應(yīng)力， s 扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度拉伸屈服強(qiáng)度 10也可用最大力下的總伸長(zhǎng)率 gt表示材料的塑性 gt最大力時(shí)標(biāo)距的總伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比，實(shí)際上是金屬材料拉伸時(shí)產(chǎn)生的最大均勻塑性變形量（工程應(yīng)變量） gt對(duì)于評(píng)定沖壓用板材的成型能力非常有用63 = 100% 64 斷面收縮率:試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比A0 A 1A0 A0試樣原始橫截面積;A1縮頸處最小橫截面積可用與的相對(duì)大小來(lái)判定是否發(fā)生縮頸現(xiàn)象：差值越大,縮頸越嚴(yán)重產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象 不產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象 65 (二)塑性的意義和影響因素意義：是安全力學(xué)性能指標(biāo)，防止產(chǎn)生突然破

24、壞；緩和應(yīng)力集中(塑性可松馳裂紋尖端的局部應(yīng)力)；有塑性才能進(jìn)行軋制、擠壓等冷熱加工變形；能反映冶金質(zhì)量的優(yōu)劣影響因素：(a) 細(xì)化晶粒，塑性；(b) 軟的第二相，塑性；(c) 溫度提高，塑性；(d) 固溶、硬的第二相等，塑性 66 韌性是金屬材料的力學(xué)性能，它是指金屬材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。J/m2韌度是度量材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)，其中又分靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。靜力韌度：金屬材料在靜拉伸時(shí)單位體積材料斷裂前所吸收的功，它是強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。 J/m3靜力韌度對(duì)按屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)，有可能偶然過(guò)載的機(jī)件必須考慮。七、靜力韌度 67 1.4 金屬的斷裂 (Fracture)

25、磨損腐蝕斷裂 危害最大機(jī)件三大失效形式齒面接觸疲勞軸瓦磨損被嚴(yán)重腐蝕損壞 的管接頭法蘭盤(pán) 完全斷裂斷裂材料或機(jī)件在外力作用下分成兩個(gè)或幾個(gè)部分不完全斷裂 材料或機(jī)件內(nèi)部存在裂紋軸承內(nèi)圈斷裂齒輪輪齒斷裂 大多數(shù)金屬材料的斷裂過(guò)程都包括裂紋形成與擴(kuò)展兩個(gè)階段研究斷裂形貌、機(jī)理、斷裂的力學(xué)條件及內(nèi)外影響因素68 69 斷口：試樣或零件在試驗(yàn)或使用過(guò)程中斷裂后形成的相匹配的表面，是斷裂失效最主要的殘骸，也是斷裂失效分析最重要的物證。斷口忠實(shí)地記錄了材料在載荷與環(huán)境作用下斷裂前的不可逆變形以及裂紋萌生和擴(kuò)展直到斷裂的全過(guò)程產(chǎn)生了專(zhuān)門(mén)研究斷口的斷口學(xué)研究斷口的形貌、性質(zhì)進(jìn)而分析斷裂類(lèi)型、方式、路徑、過(guò)程、

26、性質(zhì)、原因和機(jī)理的科學(xué)斷口 1、根據(jù)斷裂前塑性變形大小分類(lèi)2、根據(jù)斷裂面的取向分類(lèi)3、根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑分類(lèi)4、根據(jù)斷裂機(jī)理分類(lèi)一、斷裂的基本類(lèi)型脆性斷裂韌性斷裂正斷切斷穿晶斷裂沿晶斷裂純剪切斷裂微孔聚集型斷裂解理斷裂 70 71 (一) 韌性斷裂與脆性斷裂1、韌性斷裂(1) 斷裂特點(diǎn)：斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形；塑性變形是韌斷的前奏，韌斷是大量塑性變形的結(jié)果過(guò)程緩慢；o(2) 斷口宏觀特征斷口呈纖維狀，灰暗色。斷口特征三要素： 纖維區(qū)放射區(qū)剪切唇中、低碳鋼靜拉伸韌性斷裂典型斷口 72圖1-18杯錐狀斷口形成示意圖d) 微孔連接形成鋸齒狀e) 邊緣剪切斷裂a(bǔ)) 縮頸導(dǎo)致三向應(yīng)力b) 微孔形成

27、c) 微孔長(zhǎng)大聚合形成裂紋 73 纖維區(qū)：裂紋擴(kuò)展很慢，達(dá)臨界尺寸后形成放射區(qū)；放射區(qū)：快速撕裂，有放射線(xiàn)花樣。撕裂時(shí)塑性變形量越大，放射線(xiàn)越粗；剪切唇：呈杯狀或錐狀，表面光滑，與拉伸軸呈45o，典型切斷。韌性斷裂不及脆性斷裂危險(xiǎn)，因斷裂前機(jī)件已變形失效研究韌性斷裂有利于正確制訂金屬壓 力加工工藝規(guī)范 圖1-19人字紋花樣斷口平齊光亮；2、脆性斷裂(1) 斷裂特點(diǎn)斷裂前基本不發(fā)生塑性變形無(wú)明顯前兆，危害大；斷口與正應(yīng)力垂直。(2) 斷口宏觀特征常呈放射狀或結(jié)晶狀；人字紋花樣的放射方向與裂紋擴(kuò)展方向平行，尖頂指向裂紋源。材料的韌性與脆性行為會(huì)隨環(huán)境條件而改變。例如：T 、脆性。脆斷前也可發(fā)生微量

28、塑性變形，一般規(guī)定斷面收縮率5%為脆性斷裂。 74 75 (二) 穿晶斷裂與沿晶斷裂特點(diǎn)：穿晶斷裂，裂紋穿過(guò)晶界沿晶斷裂，裂紋沿晶界擴(kuò)展穿晶斷裂，可以是韌性或脆性斷裂；沿晶斷裂，多數(shù)是脆性斷裂兩者有時(shí)可混合發(fā)生。沿晶脆性斷裂 斷口形貌 76 沿晶斷裂產(chǎn)生原因(H eat affect zone)應(yīng)力腐蝕、氫脆 77 (三) 純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂(1)純剪切斷裂沿滑移面分離而造成的分離斷裂。(2)微孔聚集型斷裂微孔形核、長(zhǎng)大、聚合導(dǎo)致材料分離。(3)解理斷裂以極快速率沿一定晶體學(xué)平面，產(chǎn)生的穿晶斷裂。解理面一般是指低指數(shù)晶面或表面能量低的晶面。 fcc金屬一般不發(fā)生解理斷裂。解理

29、斷裂總是脆性斷裂。 78 79 表1-7 斷裂分類(lèi)及其特征(續(xù))典型脆性斷裂典型韌性斷裂 80 二、解理斷裂（一）解理裂紋的形成和擴(kuò)展材料斷裂前總會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形。而塑性變形與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。1、位錯(cuò)塞積理論位錯(cuò)塞積頭處，應(yīng)力集中，超過(guò)材料的強(qiáng)度極限。裂紋形成。2、位錯(cuò)反應(yīng)理論 位錯(cuò)反應(yīng)，形成新的位錯(cuò)，能量降低，有利于裂紋形核。 81 解理斷裂過(guò)程包括三個(gè)階段：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。 82 （二）解理斷裂的微觀斷口特征(1)河流花樣解理臺(tái)階，匯合臺(tái)階高度足夠大形成河流狀花樣。裂紋跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。解理臺(tái)階是沿兩個(gè)高度不同

30、的平行解理面上擴(kuò)展的解理裂紋相交時(shí)形成的。形成方式為：解理裂紋與螺位錯(cuò)相交形成；通過(guò)二次解理成撕裂形成。 解理斷口河流花樣 83 (2) 舌狀花樣解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展留下的舌狀凹坑或凸臺(tái)。 84 由于晶體內(nèi)存在彌散硬質(zhì)點(diǎn)，解理裂紋起源于晶內(nèi)硬質(zhì)處點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣。準(zhǔn)解理不是獨(dú)立的斷裂機(jī)制。是解理斷裂的變種。(3)準(zhǔn)解理 85 三、微孔聚集斷裂1、斷裂機(jī)理(1) 微孔形核點(diǎn)缺陷聚集；第二相質(zhì)點(diǎn)碎裂或脫落；位錯(cuò)引起的應(yīng)力集中，不均勻塑性形變。(2) 微孔長(zhǎng)大滑移面上的位錯(cuò)向微孔運(yùn)動(dòng)，使其長(zhǎng)大。(3) 微孔聚合應(yīng)力集中處，微孔連通， 裂紋向前推進(jìn)一定長(zhǎng)度。(4) 斷裂 86 2

31、. 微孔聚集斷裂的微觀斷口特征韌窩形狀視應(yīng)力狀態(tài)不同而異，分為三類(lèi):等軸韌窩拉長(zhǎng)韌窩撕裂韌窩韌窩是微孔聚集斷裂的基本特征(火山口式，圓形，橢圓形) 87 (a) 等軸韌窩(b) 剪切韌窩(c) 撕裂韌窩正應(yīng)力 微孔的平面拉伸試樣中心纖維區(qū)就是等軸韌窩扭轉(zhuǎn)、或雙向不等應(yīng)力狀態(tài)；切應(yīng)力拉、彎應(yīng)力狀態(tài) 88 影響韌窩大小因素：基體材料的塑性變形能力和應(yīng)變硬化指數(shù)；應(yīng)變硬化指數(shù)韌窩尺寸第二相質(zhì)點(diǎn)的大小和密度密度韌窩尺寸外加應(yīng)力的大小及狀態(tài)等單向拉伸，韌窩深；多向拉伸，韌窩淺 89 90拉長(zhǎng)韌窩 91 微孔聚焦斷裂一定有韌窩存在，但在微觀形態(tài)上出現(xiàn)韌窩，其宏觀上不一定就是韌性斷裂 宏觀上為脆性斷裂，在局

32、部區(qū)域內(nèi)也可能有塑性變形，從而顯示出韌窩形態(tài)。微觀上出現(xiàn)韌窩，宏觀上不一定是韌性斷裂 位移很小, Sin2x 2x = m = E = E a0形成單位裂紋表面的功 U0 =0 mSin m 2x Ex m 92兩個(gè)表面 間位移關(guān)系式 = Sin 2xm x虎克定律dx =N 2 m = 2 s 五、斷裂強(qiáng)度c1、理論斷裂強(qiáng)度“原子間結(jié)合力”“弗蘭克模型”完整晶體，原子間作用力與原子2x 2x E2 a0= a0 m =2 s m =代入 a0原子間平衡距離理論m E/5.5 實(shí)際m=理論m/101000表面能為s 93 12)E sa0理論斷裂強(qiáng)度 m = ( 94 2、格雷菲斯裂紋理論（1

33、921年）（1）出發(fā)點(diǎn)材料中已存在裂紋；局部應(yīng)力集中；裂紋擴(kuò)展（增加新的表面），系統(tǒng)的彈性（2）格雷菲斯模型a）單位厚度、無(wú)限寬薄板，僅施加一拉應(yīng)力（平面應(yīng)力）。板內(nèi)有一長(zhǎng)度為2a，并垂直于應(yīng)力的裂紋。 a95b）拉緊平板，已存在裂紋的平板，將釋放彈性能（釋放的能量，前面加負(fù)號(hào)） 2a2EUe = c）裂紋形成產(chǎn)生新表面所需要的能量W=4a （是兩個(gè)表面）d）能量守恒22E +4aUe +W = 12)2E sa c = (（3）格雷菲斯公式有裂紋物體的斷裂強(qiáng)度（實(shí)際斷裂強(qiáng)度） 96 97 本章小結(jié)第一章 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能退火態(tài)低碳鋼拉伸變形過(guò)程可分為個(gè)階段：彈性變形(OA)不

34、均勻屈服塑性變形(AC)均勻塑性變形(CB)不均勻集中塑性變形(Bk)斷裂(k) 98 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)可得到金屬在靜拉伸條件下的力學(xué)性能指標(biāo)：eg sgt b c工程應(yīng)力(Stress)工程應(yīng)變(Strain) =F/A0= L/L0 彈性變形特點(diǎn)：可逆性變形加、卸載時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變呈單調(diào)線(xiàn)性關(guān)系彈性變形量較小，一般不超過(guò)1%彈性模量(E)：工程上亦稱(chēng)為材料的剛度，表征金屬材料對(duì)彈性變形的抗力。影響因素：(1)主要取決于金屬原子本性和晶格類(lèi)型(2)彈性模量為對(duì)組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)(3)溫度、加載速率等外在因素對(duì)E影 (組織敏感指標(biāo))響較小 e 彈性比功 e 彈性極限99 金屬材料常見(jiàn)的塑性變

35、形方式為滑移和孿生多晶體金屬塑性變形特點(diǎn)：(1)各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性(2)各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性常用的塑性指標(biāo)為斷后伸長(zhǎng)率()和斷面收縮率()。產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象 不產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象具有連續(xù)屈服特征的金屬材料，拉伸時(shí)看不到屈服現(xiàn)象 規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力(r0.2或0.2)卸載后測(cè)量，殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力 100 影響屈服強(qiáng)度的因素內(nèi)因(1)金屬本性及晶格類(lèi)型(2) 晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)(3) 溶質(zhì)元素(4) 第二相外在因素(1) 溫度(2) 應(yīng)變速率(3) 應(yīng)力狀態(tài)屈服強(qiáng)度是一個(gè)對(duì)成分、組織極為敏感的力學(xué)性能指標(biāo) 2、根據(jù)斷裂面的取向分類(lèi)大多數(shù)金屬材料的斷裂過(guò)程都包括裂紋形成與擴(kuò)展兩個(gè)階段3、

36、根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑分類(lèi)4、根據(jù)斷裂機(jī)理分類(lèi)斷裂的基本類(lèi)型(微觀斷口特征)脆性斷裂1、根據(jù)斷裂前塑性變形大小分類(lèi)韌性斷裂正斷切斷穿晶斷裂沿晶斷裂純剪切斷裂微孔聚集型斷裂(韌窩)解理斷裂(河流花樣)101磨損腐蝕斷裂機(jī)件三大失效形式完全斷裂不完全斷裂斷口特征三要素：纖維區(qū)放射區(qū)剪切唇 本章的重點(diǎn)概念：(1)彈性模量(2)滯彈性(3)循環(huán)韌性(4)包申格效應(yīng)(5)塑性(6)韌性(7)屈服(8)脆性斷裂和韌性斷裂(9)穿晶斷裂和沿晶斷裂(10)應(yīng)變硬化 102 掌握以下力學(xué)性能指標(biāo)的意義(1)E(2)s(3)e(4)b(5)c(6)(7)(8)n(9) e 103 習(xí)題1、說(shuō)明下列力學(xué)性能指標(biāo)的意義(1)E；(2)s；(3)e；(4)b；(5)c； (6) ； (7) ； (8)n2、決定金屬屈服強(qiáng)度的因素有哪些？