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航空工程材料,,第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能,教學(xué)目標:１．了解材料的主要力學(xué)性能指標：屈服強度、抗拉強度、伸長率、斷面收縮率、硬度、沖擊韌性、疲勞強度、斷裂韌性等力學(xué)性能及其測試原理；２．強調(diào)各種力學(xué)性能指標的生產(chǎn)實際意義；３．了解工程材料的物理性能、化學(xué)性能及工藝性能。,金屬的力學(xué)性能,定義:金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。指標:彈性、剛度、強度、塑性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌度和疲勞強度等。,材料的其他性能,物理性能：密度、熔點、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性、磁性等；化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性等；工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性、熱處理工藝性等。,一、剛度和彈性,評價材料力學(xué)性能最簡單和最有效的方法就是測定材料的拉伸曲線，在GB/T6397—1986《金屬拉伸試驗試樣》中對試樣的形狀、尺寸及加工要求均有明確的規(guī)定，如圖1-1所示。,圖1-1圓形標準拉伸試樣（a）拉伸前；（b）拉伸后,一、剛度和彈性,一、拉伸實驗與拉伸曲線1.拉伸試樣GB6397-86規(guī)定《金屬拉伸試樣》有：圓形、矩形、異型及全截面．常用標準圓截面試樣。長試樣：L0=10d0;短試樣：L0=5d0,拉伸試樣,2.拉伸過程,一、剛度和彈性,拉伸試驗機,op段：比例彈性變形階段；pe段：非比例彈性變形階段；平臺或鋸齒（s段）：屈服階段；sb段：均勻塑性變形階段，是強化階段。b點：形成了“縮頸”。bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點斷裂。斷裂總伸長為Of，其中塑形變形Og(試樣斷后測得的伸長)，彈性伸長gf。,,,k,o,g,f,3.拉伸曲線,圖1-2拉伸曲線,(1)應(yīng)力σ：單位面積上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S0表示:載荷(N)(Mpa)原始橫截面積(mm2)(2)應(yīng)變ε：單位長度的伸長量。這里用試樣的伸長量除以試樣的原始標距表示:伸長量(mm)原始長度(mm)(3)應(yīng)力－應(yīng)變曲線（σ-ε曲線）:形狀和拉伸曲線相同，單位不同,4.應(yīng)力與應(yīng)變曲線,退火低碳鋼,低、中回火鋼,淬火鋼及鑄鐵,中碳調(diào)質(zhì)鋼,5.不同材料的拉伸曲線,二、強度與塑性,1、強度材料在外力作用下抵抗破壞的能力稱為強度。根據(jù)加載方式不同，強度指標有許多種，如屈服強度、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、抗扭強度等。其中以拉伸試驗測得的屈服強度和抗拉強度兩個指標應(yīng)用最多。,二、強度與塑性,屈服強度在圖1-2中，進程超過s點后，材料將發(fā)生塑性變形。在BC段，持續(xù)發(fā)生塑性變形而應(yīng)力卻不增加，材料的這種現(xiàn)象稱為屈服。s點所對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強度，用σs表示，屈服強度反映材料抵抗永久變形的能力。實際上，多數(shù)材料的屈服階段不很明顯或從拉伸曲線上看不出這一階段，因此規(guī)定用拉伸時產(chǎn)生0.2％殘余變形所對應(yīng)的應(yīng)力為材料的屈服應(yīng)力，稱為條件屈服強度或名義屈服強度，記為σ0.2，如圖1-3所示。,圖1-3名義屈服強度的確定,2、塑性:是指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。,(1)斷面收縮率:是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量ΔS與原始橫截面積S0之比。,(2)伸長率:是指試樣拉斷后的標距伸長量ΔL與原始標距L0之比。,S0-S1ψ=——-—100%S0,,l1-l0δ=——-—100%l0,二、強度與塑性,二、強度與塑性,δ與ψ的數(shù)值越大，材料在斷裂前發(fā)生的變形越大，說明材料的塑性越好。由于有些材料在拉伸試驗時會出現(xiàn)局部頸縮，而有些材料則不會，因此用ψ表示材料的塑性比用δ表示更接近真實情況。由于不同長度的試樣所得伸長率不同，長度越大，伸長率越小。采用長試樣進行拉伸試驗，所得伸長率用δ10表示，而用短試樣所得伸長率用δ5表示，顯然有δ5＞δ10。,二、強度與塑性,材料的塑性指標具有重要的實際意義。塑性良好的材料，冷壓成型好。飛機和發(fā)動機上的許多薄壁零件，如蒙皮、翼肋、燃燒室零件等都是冷壓成型的，使用的材料都應(yīng)具有良好的塑性。此外，具有一定塑性的零件，在使用過程中萬一超載或形成應(yīng)力集中，它可產(chǎn)生少量塑性變形，由于加工硬化效應(yīng)而使它的強度提高，不致突然斷裂。如果塑性不夠而產(chǎn)生脆性的突然斷裂，這在工程上是很危險的。,,三、硬度,布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV銼刀法,硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力常用測量硬度的方法,,(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness),三、硬度,布氏硬度的試驗原理如圖1-4所示。將直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球，在一定載荷P的作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為布氏硬度。實際操作時，先測量壓痕平均直徑d，然后查表得到材料的布氏硬度值。,布氏硬度的試驗原理圖,(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness),適用范圍:,＜450，HBS;,＜650，HBW;,,(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness),符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。,(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness),10HRC≈HBS,,洛氏硬度的試驗原理如圖所示，根據(jù)壓痕深度大小表示材料的硬度值，壓坑越深，硬度越低。試驗時，根據(jù)材料硬度選擇相應(yīng)的壓頭。當測定硬度較高的材料時，選用120的金剛石圓錐壓頭；測定硬度較低的材料時，選用淬火鋼球壓頭。硬度計上有一個表頭，測量時表頭上可直接讀出被測件的硬度值，故比布氏法方便，而且壓痕小，可以直接在成品零件上測試。,洛氏硬度的試驗原理,,洛氏法根據(jù)測量時選用載荷與壓頭的不同，分為9個標尺，常用的有A、B、C三個，并將標尺代號標注在符號HR的右邊。如HRA、HRB、HRC等，硬度值仍寫在符號HR的前面，如50HRC表示用C標尺測定的洛氏硬度為50。應(yīng)當注意：不同級別的硬度值不能直接相互比較。洛氏法的缺點是測量結(jié)果分散度大。,(3)維氏硬度HV(diamondpenetratorhardness),適用范圍:,測量薄板類;,HV≈HBS;,,,維氏硬度的試驗原理如圖所示。將頂部兩相對面具有規(guī)定角度（136）的正四棱錐體金剛石壓頭在一定載荷P的作用下壓入試樣表面，并保持一定時間后卸載，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為維氏硬度。維氏硬度可通過測量壓痕對角線長度d查表得到。維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。如640HV30／20表示在30kgf（294.2N）載荷作用下保壓時間為20s測定的維氏硬度值為640。,四、韌性,1、沖擊韌性材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。,,,試驗時，將帶有缺口的試件安裝在試驗機的支座上，擺錘由規(guī)定高度落下，并從試件缺口背面打斷試件，同時推動刻度盤上的指針轉(zhuǎn)動。顯然試件吸收的能量不同，擺錘所能達到的高度不同。韌性越好的材料，斷裂時吸收的能量越大，擺錘達到的高度越小。最終刻度盤上的指針所指示的數(shù)值便是擺錘打斷試件時消耗的能量，以Ak表示。而材料的沖擊韌性值ak以試件缺口處單位截面面積的能量表示，即ak=Ak/A(kgm/cm2)。式中A表示試件缺口外的橫截面面積。,沖擊試驗機,沖擊試樣和沖擊試驗示意圖,試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:,Ak=mgH–mgh(J),沖擊韌性值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。,四、韌性,2、斷裂韌性“脆斷”是一種最危險的斷裂，因為構(gòu)件在斷裂前幾乎不產(chǎn)生明顯的塑性變形，很難預(yù)先發(fā)現(xiàn)征兆而加以預(yù)防，從而釀成重大事故。如1943年1月，美國一艘T-2油輪停泊在裝貨碼頭時，竟發(fā)生突然斷裂成兩截的慘禍。而據(jù)計算，斷裂時船體承受的應(yīng)力僅為68.6MPa，遠低于船體鋼材的強度極限300MPa～400MPa，甚至遠低于材料的屈服強度245MPa。這種低應(yīng)力脆斷的現(xiàn)象很難用經(jīng)典力學(xué)來解釋。,1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂,,,經(jīng)長期研究，人們認識到，過去把材料看作毫無缺陷的連續(xù)均勻介質(zhì)是不準確的。材料內(nèi)部在冶煉、軋制、熱處理等各種制造過程中不可避免地會產(chǎn)生某種微裂紋，而且在無損檢測時又沒有被發(fā)現(xiàn)。所以在使用過程中，由于應(yīng)力集中、疲勞、腐蝕等原因，裂紋會進一步擴展，當裂紋尺寸達到臨界尺寸時就會發(fā)生低應(yīng)力脆斷的事故。在裂紋擴展的過程中，按裂紋的力學(xué)特征可將其分為以下三類,,第一類為張開型裂紋，如圖1-9(a)所示。構(gòu)件承受垂直于裂紋面的拉力作用，裂紋表面的相對位移沿著自身平面的法線方向，若受拉板上有一條垂直于拉力方向而貫穿于板厚的裂紋，則該裂紋就是張開型裂紋。第二類為滑開型裂紋，如圖1-9(b)所示。構(gòu)件承受平行裂紋面而垂直于裂紋前緣的剪力作用，裂紋表面的相對位移在裂紋面內(nèi)，并且垂直于裂紋前緣，如齒輪或花鍵根部沿切線方向的裂紋就是滑開型裂紋。第三類為撕開型裂紋，如圖1-9(c)所示。構(gòu)件承受平行于裂紋前緣的剪力作用，裂紋表面的相對位移在裂紋面內(nèi)，并平行于裂紋前緣的切線方向，如扭矩作用下圓軸的環(huán)形切槽或表面環(huán)形裂紋就是撕開型裂紋。,圖1-9裂紋表面三種位移形式(a)張開型裂紋；(b)滑開型裂紋；(c)撕開型裂紋。,,,為了研究裂紋對材料斷裂強度的影響，把刻有不同深度刻痕的試件進行拉伸試驗，畫出如圖1-10所示的裂紋深度a與實際斷裂強度的關(guān)系曲線，且有公式K=σc成立。對某種材料來說，K是一個常數(shù)，也是材料力學(xué)性能的指標，表示材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力，稱為斷裂韌性。,圖1-10斷裂強度與裂紋深度的關(guān)系曲線示意圖,斷裂韌性,五、疲勞強度(fatiguestrength),,表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力值。,五、疲勞強度(fatiguestrength),疲勞斷裂特征許多零件，如直升飛機的旋翼、發(fā)動機的軸和葉片、各種齒輪、彈簧等，在工作中受到反復(fù)改變大小或同時改變大小和方向的“交變載荷”。零件在交變載荷作用下，雖然其應(yīng)力比材料的抗拉強度小，甚至比屈服強度還小，但是在長期使用的某一時刻也會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。,,如圖1-11所示，零件在一定特征的交變載荷作用下，首先在零件的薄弱環(huán)節(jié)，如應(yīng)力集中或缺陷（劃傷、夾渣、顯微裂紋等）處產(chǎn)生微細的裂紋，這種微細裂紋稱為疲勞源。隨著交變載荷循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞源裂紋不斷開合，同時裂紋逐步扇形擴展，形成疲勞擴展區(qū)。由于裂紋在擴展過程中反復(fù)開合，兩個裂紋面相互擠壓和摩擦，所以疲勞擴展區(qū)的形貌比較光亮，很像貝殼的內(nèi)表面，所以也叫光滑區(qū)，這是疲勞擴展區(qū)的最明顯特征。,圖1-11疲勞斷裂斷口照片,,疲勞斷裂特征,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,鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關(guān)系:σ-1=(0.45～0.55)σb,,1.6蠕變及蠕變—疲勞斷裂,蠕變斷裂是材料在應(yīng)力和溫度共同作用下發(fā)生的一種斷裂方式。而有些高溫部件在工作條件下同時承受恒定載荷和交變載荷的作用（如燃氣輪機的渦輪盤），這種情況下發(fā)生的斷裂方式稱為蠕變—疲勞斷裂。它們是燃氣渦輪發(fā)動機高溫部件（如渦輪葉片、渦輪盤等）的主要失效形式之一。,所謂金屬材料的蠕變，就是材料在一定的應(yīng)力和溫度下其長度隨時間的緩慢變化過程。廣義地說，是材料在應(yīng)力和溫度的作用下發(fā)生的緩慢變形與時間的關(guān)系。金屬之所以能產(chǎn)生蠕變，是因為在高溫條件下，金屬原子之間的距離增加，原子間結(jié)合力減小，故變形抗力小，在一定載荷作用下易于發(fā)生緩慢變形。同時在變形過程中，因溫度較高，不會發(fā)生加工硬化，變形抗力不會自動提高，故變形可持續(xù)緩慢地進行下去。材料在蠕變過程中所發(fā)生的斷裂稱為蠕變斷裂。與靜強度下發(fā)生的斷裂相比，它有以下特點。,1.6蠕變及蠕變—疲勞斷裂,（1）在一般的靜強度試驗中，材料的塑性通常是隨試驗溫度的升高而增大，但在高溫下以很緩慢的速率變形時（即蠕變試驗條件），即使在室溫下為高延性的材料，它也可能發(fā)生低延性斷裂。（2）蠕變斷裂過程中的變形隨時間的變化曲線，通常分為三個階段（圖1-13）：第Ⅰ階段應(yīng)變隨時間而遞增，但應(yīng)變速率隨時間呈現(xiàn)非穩(wěn)定遞減狀態(tài)（減速蠕變階段）；第Ⅱ階段是應(yīng)變隨時間恒定變化的穩(wěn)定階段，即應(yīng)變速率基本保持不變（恒速蠕變階段）；第Ⅲ階段是應(yīng)變速率隨時間而遞增的非穩(wěn)定階段（加速蠕變階段），最后導(dǎo)致斷裂。,1.6蠕變及蠕變—疲勞斷裂,圖1-13蠕變斷裂的三個過程,,1.6蠕變及蠕變—疲勞斷裂,圖1-13是一種典型的蠕變曲線，但并非在所有情況下材料的蠕變曲線均由三個階段組成。如在高溫或高應(yīng)力下，材料沒有第Ⅰ階段而只有第Ⅱ、Ⅲ階段，或只有第Ⅲ階段就很快發(fā)生斷裂；而在有些情況下，材料只有第Ⅰ、Ⅱ階段，隨后便發(fā)生斷裂。（3）對于同一種材料，發(fā)生蠕變的變形速率隨外加應(yīng)力和溫度的增加而增加。（4）蠕變斷裂主要是沿晶斷裂，即裂紋沿著材料晶界擴展。,1.6蠕變及蠕變—疲勞斷裂,