材料物理性能與力學(xué)性能第章ppt課件.ppt

材料物理性能與力學(xué)性能 一 材料的性能 1 使用性能 物理性能 光 電 磁 力學(xué)性能 強(qiáng)度 塑性 硬度 2 加工性能 可制造性 熱加工 鑄 鍛 焊 熱處理 冷加工 車(chē) 銑 磨 特種加工 電火花 激光 離子 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 二 材料力學(xué)性能表征 1 材料軟硬程度的表征 2 材料脆性的表征 3 材料抵抗外力能力表征 4 材料變形能力的表征 5 含缺陷材料抗斷裂能力的表征 6 材料抵抗多次受力能力的表征 7 新材料及特種材料性能的表征 8 特殊條件下材料性能的表征 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 第一部分 第一 七章力學(xué)性能部分 介紹材料在靜載荷下的力學(xué)性能 彈性 塑性 強(qiáng)度 硬度 斷裂 沖擊韌性 疲勞性能 磨損性能及高溫力學(xué)性能 以金屬材料為主 第二部分 第八 十二章物理性能部分 介紹材料的熱學(xué) 磁學(xué) 電學(xué) 光學(xué)及壓電與鐵電性能 以金屬和陶瓷材料為主 第三部分 第十三 十四章金屬材料的腐蝕性能及高分子材料的老化與穩(wěn)定性能 四 教材結(jié)構(gòu)和內(nèi)容 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 重視實(shí)驗(yàn) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)既可掌握力學(xué)性能的測(cè)試原理 又可掌握測(cè)試技術(shù) 了解測(cè)試設(shè)備 進(jìn)一步理解所測(cè)的力學(xué)性能指標(biāo)的物理意義與實(shí)用意義 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 第一章材料單向靜拉伸的力學(xué)性能 單向靜拉伸試驗(yàn)是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的基本力學(xué)性能試驗(yàn)之一 本章將詳細(xì)討論金屬材料在單向靜拉伸載荷作用下的基本力學(xué)性能指標(biāo) 如 屈服強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 斷后伸長(zhǎng)率 斷面伸長(zhǎng)率等 作為材料在其他載荷和環(huán)境條件下力學(xué)響應(yīng)分析的基礎(chǔ) 1 高碳鋼2 低合金結(jié)構(gòu)鋼3 黃銅4 陶瓷 玻璃5 橡膠6 工程塑料 幾種典型的力 伸長(zhǎng)曲線 注意 不同材料或同一材料在不同條件下可有不同形式的力 伸長(zhǎng)曲線 其決定因素有 鍵合方式 化學(xué)成分 組織形態(tài)等 真應(yīng)力 應(yīng)變曲線與工程應(yīng)力 應(yīng)變曲線的聯(lián)系與區(qū)別 在彈性變形階段 基本重合 在塑性變形階段 差異顯著 雙原子模型 3 彈性模量的影響因素彈性模量是構(gòu)成材料的離子或分子之間鍵合強(qiáng)度的主要標(biāo)志 凡是影響鍵合強(qiáng)度的因素均能影響彈性模量 如 鍵合方式 晶體結(jié)構(gòu) 化學(xué)成分 微觀組織 溫度 加載方式和速度等 1 鍵合方式和原子結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵 離子鍵 金屬鍵 較高分子鍵 較弱原子半徑越大 E越小 2 晶體結(jié)構(gòu)單晶體 各向異性最大值與最小值差值可達(dá)4倍多晶體 偽各向同性非晶 各向同性3 化學(xué)成分 引起原子間距和鍵合方式的變化4 微觀組織 影響較小晶粒大小對(duì)E值無(wú)影響 第二相的影響取決于體積比例和分布狀態(tài) 冷加工的影響在5 以?xún)?nèi) 5 溫度 溫度升高 E降低特例 橡膠 其彈性模量隨溫度升高而增加 6 加載條件和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間加載方式 速率和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間對(duì)金屬材料 陶瓷材料影響很小 對(duì)于高分子聚合物 負(fù)荷時(shí)間延長(zhǎng) E下降 4 比例極限和彈性極限 比例極限對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 試棒的原始截面面積 彈性極限對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 試棒的原始截面面積 注意 由于實(shí)際測(cè)量時(shí)難以準(zhǔn)確而唯一的測(cè)出比例極限和彈性極限 因此 在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中 為 規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力 如 表示非比例伸長(zhǎng)率為0 01 時(shí)的應(yīng)力 此時(shí) 比例極限和彈性極限已沒(méi)有質(zhì)的區(qū)別 只是非比例伸長(zhǎng)率不同而已 比例極限 彈性極限 屈服強(qiáng)度基本相同 都表示材料對(duì)微量塑性變形的抗力 5 提高彈性比功的途徑 提高彈性極限 常用 降低彈性模量 不常用 幾種常見(jiàn)材料的彈性模量 彈性極限 彈性比功 應(yīng)用 彈性比功大的材料常用作減振或儲(chǔ)能原件 如彈簧 橡膠等 第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗彈性的分類(lèi) a 理想彈性 服從胡克定律 并同時(shí)滿足三個(gè)條件 線性 同相位 單值函數(shù) b 非理想彈性 包括滯彈性 沾彈性 偽彈性 包申格效應(yīng) 滯彈性 指材料在快速加載或卸載后 隨時(shí)間的延長(zhǎng)而產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變能 滯彈性的影響 對(duì)精密儀器的測(cè)量精度有影響 選材時(shí)需考慮滯彈性 如 測(cè)力彈簧 傳感器等 應(yīng)選擇滯彈性小的材料 否則影響測(cè)量精度 粘彈性 是指材料在外力作用下 彈性和粘性?xún)煞N變形機(jī)理同時(shí)存在的力學(xué)行為 特征 應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)不是瞬間完成的 需要一個(gè)弛豫過(guò)程 但卸載后 應(yīng)變恢復(fù)到初始值 不留下殘余變形 分為兩種情況 a 恒應(yīng)變下的應(yīng)力松弛b 恒應(yīng)力下的蠕變 偽彈性 是指在一定溫度條件下 當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定水平后 金屬或合金將產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變 伴隨應(yīng)力誘發(fā)相變產(chǎn)生大幅度的彈性變形現(xiàn)象 包申格效應(yīng) 指金屬材料預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形 殘余應(yīng)力小于4 而后再同向加載 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)力降低的現(xiàn)象 原因 與金屬材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受阻力的變化有關(guān) 是材料微觀組織變化的結(jié)果 應(yīng)用 對(duì)于預(yù)先經(jīng)受一定程度冷變形的材料 如使用時(shí)承受與冷變形方向相反的載荷 要注意 材料微量塑性變形抗力已降低 另外 也可以加以利用 如 薄板反向彎曲成型 消除方法 進(jìn)行較大塑性變形 再結(jié)晶退火 內(nèi)耗 材料在變形過(guò)程中被吸收的功 彈性滯后環(huán) 應(yīng)力 應(yīng)變曲線中 加載線和卸載線不重合而形成一個(gè)封閉回路 稱(chēng)為彈性滯后環(huán) 彈性滯后環(huán)說(shuō)明加載時(shí)材料吸收的變形功大于卸載時(shí)材料釋放的變形功 有一部分加載變形功被材料吸收 即為內(nèi)耗 其大小等于彈性滯后環(huán)的面積 內(nèi)耗大小主要取決于應(yīng)變和應(yīng)力之間的位相差 如 內(nèi)耗的物理本質(zhì) 材料內(nèi)部的微觀運(yùn)動(dòng) eg 晶界遷移 有序化 磁性變化等 消耗能量 內(nèi)耗也稱(chēng)為材料的循環(huán)韌性 表示材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力 又稱(chēng)消振性 循環(huán)韌性越高 消振性越好 應(yīng)用 1 2 儀表傳感元件 需選用循環(huán)韌性低 內(nèi)耗低 的材料 以提高敏感性 內(nèi)耗的科學(xué)意義 利用材料內(nèi)耗與成分 組織結(jié)構(gòu)及物理性能變化之間的關(guān)系 進(jìn)行材料科學(xué)研究 第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo) 一 塑性變形機(jī)理定義 材料微觀組織的相鄰部分產(chǎn)生永久性位移 并不引起材料破裂的現(xiàn)象 1 金屬材料的塑性變形機(jī)理 滑移 孿生滑移系越多 塑性越好 復(fù)習(xí) 滑移 晶體的一部分對(duì)于另一部分沿一定晶面和晶向發(fā)生相對(duì)滑動(dòng) 滑動(dòng)后原子處于新的穩(wěn)定位置 滑移通常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生 滑移面 發(fā)生滑移的晶面就是 滑移面 滑移方向 發(fā)生滑移的晶向就是 滑移方向 滑移系 一個(gè)滑移面和其面上的一個(gè)滑移方向的組成稱(chēng)為 滑移系 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(kāi)動(dòng) 多晶體塑性變形的特點(diǎn) 1 各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性材料表面優(yōu)先 與切應(yīng)力取向一致的滑移系優(yōu)先 2 各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性晶粒間塑性變形的相互制約 協(xié)調(diào) 晶粒內(nèi)不同滑移系的相互協(xié)調(diào) 2 陶瓷材料的塑性變形屬于晶體材料 變形機(jī)制為滑移和孿生 但是 陶瓷材料的結(jié)合多為離子鍵或共價(jià)鍵 具有明顯方向性 同號(hào)離子之間相斥很大 因而只有個(gè)別滑移系能滿足位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的條件 因此 只有極少數(shù)陶瓷材料在室溫下具有塑性 而一般陶瓷材料在室溫下不能進(jìn)行塑性變形 3 非晶態(tài)材料的塑性變形不存在滑移和孿生變形機(jī)制 粘性流動(dòng)變形 需要在一定溫度下進(jìn)行 在室溫下幾乎沒(méi)有塑性 如 玻璃在室溫下沒(méi)有塑性 二 屈服現(xiàn)象與屈服強(qiáng)度1 屈服現(xiàn)象 特點(diǎn) 外力不增加 保持恒定 試樣仍然繼續(xù)伸長(zhǎng) 或外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降 隨后 在外力不增加或上下波動(dòng)的情況下試樣繼續(xù)伸長(zhǎng) 屈服是材料由彈性變形向彈 塑性變形過(guò)渡的標(biāo)志 屈服點(diǎn) 材料在屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值 上屈服點(diǎn) 試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最大應(yīng)力值 下屈服點(diǎn) 屈服階段中最小應(yīng)力 屈服伸長(zhǎng) 屈服階段產(chǎn)生的伸長(zhǎng) 屈服平臺(tái) 屈服齒 屈服伸長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的水平線段或曲折線段 材料產(chǎn)生屈服的原因 與材料內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān) 塑性應(yīng)變速率 柏氏矢量的大小 可動(dòng)位錯(cuò)密度 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速率 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與切應(yīng)力的關(guān)系 其中 為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率應(yīng)力敏感指數(shù) 欲提高位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速率 就需要有較高的應(yīng)力 上屈服點(diǎn) 塑性變形一旦發(fā)生 位錯(cuò)大量增殖 增加 則位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率下降 為定值 導(dǎo)致應(yīng)力突然降低 從而產(chǎn)生屈服現(xiàn)象越小 屈服現(xiàn)象越明顯 2 屈服強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度 或屈服點(diǎn) 材料屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值 意義 材料抵抗起始塑性變形或產(chǎn)生微量塑性變形的能力 屈服強(qiáng)度的工程意義 1 作為防止因材料過(guò)量塑性變形而導(dǎo)致機(jī)件失效的設(shè)計(jì)和選材依據(jù) 2 根據(jù)屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比 屈強(qiáng)比 的大小 衡量材料進(jìn)一步產(chǎn)生塑性變形的傾向 作為金屬材料冷塑性變形加工和確定機(jī)件緩解應(yīng)力集中防止脆斷的參考依據(jù) 三 影響金屬材料屈服強(qiáng)度的因素 1 晶體結(jié)構(gòu) 位錯(cuò)寬度w大 位錯(cuò)易于移動(dòng) 小 屈服強(qiáng)度小 如fcc金屬 bcc金屬相反 派納力 2 晶界和亞結(jié)構(gòu)晶界越多 晶粒越小 位錯(cuò)中應(yīng)力集中程度不夠 需要更大的外加切應(yīng)力才能夠使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 因此屈服強(qiáng)度越大 細(xì)晶強(qiáng)化 3 溶質(zhì)元素 固溶強(qiáng)化此外 4 第二相強(qiáng)化分為 第二相不可變形 可變形兩類(lèi) 第二相尺寸與基體相近的塊狀分布 產(chǎn)生不均勻變形 第二相細(xì)小彌散分布 強(qiáng)化效果與質(zhì)點(diǎn)本身的性質(zhì)及其與基體的結(jié)合情況有關(guān) 5 溫度 bcc金屬溫度效應(yīng)明顯 fcc和hcp金屬溫度效應(yīng)較小 6 應(yīng)變速率與應(yīng)力狀態(tài) 小結(jié) 屈服強(qiáng)度是一個(gè)對(duì)成分 組織 溫度 應(yīng)力狀態(tài)等極為敏感的力學(xué)性能指標(biāo) 因此 改變金屬的成分或熱處理工藝都可以是屈服強(qiáng)度產(chǎn)生明顯變化 如 冷軋 拉拔 材料在應(yīng)力作用下進(jìn)入塑性變形階段后 隨著變形量的增大 形變應(yīng)力不斷提高的現(xiàn)象 意義 是材料阻止繼續(xù)塑性變形的一種力學(xué)性能 1 應(yīng)變硬化機(jī)理普遍認(rèn)為 是塑性變形過(guò)程中的多系滑移和交滑移造成的 由于位錯(cuò)的交互作用 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力不斷增加 從而產(chǎn)生應(yīng)變硬化 四 應(yīng)變硬化 1 應(yīng)變硬化指數(shù)n1 經(jīng)驗(yàn)公式 S 真應(yīng)力e 真應(yīng)變n 應(yīng)變硬化指數(shù)K 硬化系數(shù) 真應(yīng)變?yōu)?時(shí)的真應(yīng)力 2 意義 反映了材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力 n 1 理想彈性形變 S Ken 0 S K 常數(shù) 表示材料沒(méi)有應(yīng)變硬化能力 理想塑性體多數(shù)金屬材料的n值在0 1 0 5之間 n的變化范圍 3 應(yīng)變硬化指數(shù)的測(cè)量根據(jù) 1 31 方程兩邊取對(duì)數(shù) 得 在應(yīng)力 應(yīng)變曲線上取幾組坐標(biāo)值 由真應(yīng)力與工程應(yīng)力 真應(yīng)變與工程應(yīng)變之間的關(guān)系S 1 e ln 1 可做出lgS lge曲線 線性關(guān)系 直線斜率為n值 4 n的影響因素 5 n的意義 五 抗拉強(qiáng)度與縮頸條件 意義 標(biāo)志金屬材料的實(shí)際承載能力 光滑試樣單向拉伸的受載條件 1 可作設(shè)計(jì)依據(jù) 當(dāng)橫截面上的應(yīng)力達(dá)強(qiáng)度極限時(shí) 受拉桿件上將開(kāi)始出現(xiàn)頸縮并隨即發(fā)生斷裂 2 抗拉強(qiáng)度易于測(cè)定 且重復(fù)性好 廣泛用于產(chǎn)品規(guī)格說(shuō)明和質(zhì)量控制指標(biāo) 2 縮頸1 概念 是一些金屬材料和高分子材料在拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí) 變形集中于局部區(qū)域的特殊狀態(tài) 2 產(chǎn)生機(jī)理 在應(yīng)變硬化與截面減小的共同作用下 因應(yīng)變硬化跟不上塑性變形的發(fā)展 使變形集中于試樣局部區(qū)域 3 頸縮條件 dF 0 由 i 得 ii 全微分 得 iii 由體積不變定理有 dL L dA A de IV 代入 iii 得n e V 即 在F Fb時(shí) 應(yīng)變硬化指數(shù)n等于最大載荷點(diǎn)的真應(yīng)變eb 而由 i 可將縮頸時(shí)的真應(yīng)力Sb表示為 六 塑性與塑性指標(biāo) 1 最大應(yīng)力下非比例伸長(zhǎng)率 g 2 最大應(yīng)力下總伸長(zhǎng)率 gt 3 斷后伸長(zhǎng)率 試樣拉斷后 標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)值 等于標(biāo)距的絕對(duì)伸長(zhǎng)量除以拉伸前試樣標(biāo)距長(zhǎng)度 其中 斷后伸長(zhǎng)率最常用 2 斷面收縮率 用試件初始橫截面面積A0減去斷裂后頸縮處的最小橫截面面積A1 并除以A0所得商值的百分?jǐn)?shù) 3 塑性的意義 七 超塑性1 概念 材料在一定條件下呈現(xiàn)非常大的伸長(zhǎng)率 約1000 而不發(fā)生縮頸和斷裂的現(xiàn)象 2 特點(diǎn) 變形量很大 不發(fā)生應(yīng)變硬化 3 條件 a 超細(xì)晶粒 b 合適的變形條件 c 應(yīng)變速率敏感指數(shù)高 第五節(jié)斷裂 一 定義 固體材料在力的作用下分成若干部分的現(xiàn)象 是構(gòu)件失效的主要形式之一 其他失效形式還有 磨損 腐蝕等 研究斷裂的目的是防止和預(yù)測(cè)斷裂 以保證構(gòu)件在服役過(guò)程中的安全 一 斷裂的類(lèi)型和斷口特征1 過(guò)程分為兩個(gè)階段 裂紋形成 裂紋擴(kuò)展2 分類(lèi)按斷裂前與斷裂過(guò)程中材料的宏觀塑性變形程度 韌性斷裂和脆性斷裂 按裂紋擴(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 按作用力性質(zhì) 正斷和切斷 3 斷口 材料的斷裂表面斷口分析法 對(duì)斷口進(jìn)行宏觀及微觀分析 可以了解斷裂的原因 條件 機(jī)理以及與斷裂有關(guān)的各種信息 1 韌性斷裂和脆性斷裂 1 韌性斷裂 明顯宏觀塑性變形 裂紋擴(kuò)展過(guò)程較慢 斷口常呈暗灰色 纖維狀 塑性較好的金屬材料及高分子材料易發(fā)生韌斷 2 脆性斷裂 無(wú)明顯宏觀塑性變形 突然發(fā)生 快速斷裂 斷口宏觀上比較齊平光亮 常呈放射狀或結(jié)晶狀 淬火鋼 灰鑄鐵 玻璃等易發(fā)生脆斷 2 脆性斷裂or韌性斷裂 脆性斷裂 沿晶斷裂 脆斷 光亮 冰糖狀斷口 穿晶斷裂 脆斷 韌斷都可能 沿晶斷裂與穿晶斷裂示意圖 沿晶斷裂斷口 沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴(kuò)展的一種脆性斷裂 裂紋擴(kuò)展總是沿著消耗能量最小 即原子結(jié)合力最弱的區(qū)域進(jìn)行的 一般情況下 晶界不會(huì)開(kāi)裂 發(fā)生沿晶斷裂 勢(shì)必由于某種原因降低了晶界結(jié)合強(qiáng)度 沿晶斷裂的原因大致有 晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相 微量有害雜質(zhì)元素在晶界偏聚 由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界 如氫脆 應(yīng)力腐蝕 應(yīng)力和高溫的復(fù)合作用在晶界造成損傷等 3 按微觀斷裂機(jī)理 剪切斷裂 純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂 和解理斷裂純剪切斷裂 材料在切應(yīng)力作用下 沿滑移面滑移分離造成 斷口形貌 鋒利的楔形 如剪切唇 微孔聚集型斷裂 斷口形貌 暗灰色 纖維狀 分布大量韌窩 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 斷口形貌 極平坦的鏡面 實(shí)際的解理斷口由許多相當(dāng)于晶粒大小的解理面集合而成 解理裂紋的擴(kuò)展方向 沿著晶面指數(shù)相同的一族互相平行 但位于不同高度的晶面進(jìn)行 不同高度的解理面之間存在臺(tái)階 眾多臺(tái)階匯合成河流花樣 解理臺(tái)階 河流花樣 舌狀花樣是解理斷口的基本微觀特征 舌狀花樣 準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂多在馬氏體回火鋼中出現(xiàn) 回火產(chǎn)物中細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)影響裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展 宏觀上為脆性斷裂 解理小平面間有明顯的撕裂棱 河流花樣已不十分明顯 它是由一些單獨(dú)形核的裂紋相互連接而形成的 斷裂路徑主要與彌散細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)有關(guān) 形態(tài)特征 似解理河流 4 斷口分析 意義 可以了解材料中裂紋萌生及擴(kuò)展的起因 經(jīng)歷及方式 有助于對(duì)斷裂的原因 條件及影響因素做出正確判斷 舉例 低碳鋼的韌性斷裂斷口形態(tài) 杯錐狀 由纖維區(qū) 放射區(qū)和剪切唇三個(gè)區(qū)域組成 纖維區(qū)所在平面垂直拉伸應(yīng)力方向 纖維區(qū)的微觀斷口特征為韌窩 纖維區(qū)中裂紋擴(kuò)展速度較慢 并伴隨有更大的塑性變形 當(dāng)裂紋達(dá)到某一臨界尺寸后 產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中 裂紋以低能量撕裂方式快速擴(kuò)展 形成放射區(qū) 放射線平行裂紋擴(kuò)展方向 垂直于裂紋前端輪廓線 并逆指裂紋源 最后階段 形成杯錐狀剪切唇 剪切唇表面光滑 與拉伸軸成45度角 是切斷型斷裂 纖維區(qū) 放射區(qū)和剪切唇三個(gè)區(qū)域的形態(tài) 大小和位置 與試樣形狀 尺寸 材料的性能 實(shí)驗(yàn)溫度 加載速率和受力狀態(tài)有關(guān) 材料強(qiáng)度高 塑性低 則放射區(qū)比例大 試樣尺寸增大 放射區(qū)增大 而纖維區(qū)變化不大 脆性斷裂與韌性斷裂無(wú)明顯界限 脆性斷裂前也會(huì)產(chǎn)生微量塑性變形 規(guī)定 光滑拉伸試樣斷面收縮率小于5 為脆性斷裂 大于5 為韌性斷裂 三 斷裂強(qiáng)度 1 理論斷裂強(qiáng)度 在外加正應(yīng)力作用下 將晶體中的兩個(gè)原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應(yīng)力 估算方法如下 3 格雷菲斯裂紋理論 1921年 目的 解釋材料斷裂強(qiáng)度的理論值與實(shí)際值的巨大差異 1 出發(fā)點(diǎn) 材料中已存在裂紋 局部應(yīng)力集中 裂紋迅速擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂 2 理論基礎(chǔ) 能量平衡原理 由于裂紋的存在 系統(tǒng)彈性能降低 若要保持系統(tǒng)總能量不變 裂紋釋放的彈性能必然要與因存在裂紋而增加的表面能平衡 如果彈性能的降低足以滿足表面能增加的需要 則裂紋的擴(kuò)展就能使得系統(tǒng)能量降低 因而會(huì)自發(fā)擴(kuò)展引發(fā)斷裂 3 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 b 拉緊平板 已存在裂紋的平板 將釋放彈性能 為表面能密度 系統(tǒng)的能量變化為 裂紋尺寸與能量的關(guān)系 因?yàn)榱鸭y自發(fā)擴(kuò)展的條件是系統(tǒng)總能量降低 所以臨界裂紋長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于能量的極大值 此時(shí) 有 Griffith公式的適用范圍 只適用于脆性固體 如玻璃 無(wú)機(jī)晶體材料 超高強(qiáng)鋼等 對(duì)于要斷裂前要產(chǎn)生較大塑性變形的材料 必須加以修正 第一章完習(xí)題 1 3 4 8 14 15 16 第二章材料在其他靜載下的力學(xué)性能 一 硬度試驗(yàn)的意義 硬度 衡量材料軟硬程度的一種力學(xué)性能指標(biāo) 分類(lèi) 壓入法 布氏 洛氏 維氏 肖氏等 反映金屬的塑性變形抗力 刻劃法 莫氏 反映材料對(duì)切斷的抗力 特點(diǎn) 設(shè)備簡(jiǎn)單 操作方便迅速 無(wú)損檢測(cè) 可對(duì)大多數(shù)機(jī)件成品直接進(jìn)行檢測(cè) 二 硬度試驗(yàn)方法1 布氏硬度 圖2 17布氏硬度試驗(yàn)原理圖 a 鋼球壓入試樣表面 b 卸去載體后測(cè)定壓痕直徑 布氏硬度的計(jì)算 單位壓痕面積承受的平均壓力 符號(hào) HB 單位一般不寫(xiě) 硬度值越高 表示材料越硬 F 壓力D 壓頭直徑d 壓痕直徑 兩種硬度表示方法 HBS壓頭為淬火鋼球 適用于布氏硬度值低于450的材料 HBW壓頭為硬質(zhì)合金球 適用于布氏硬度值為450 650的材料 例 150HBSl0 3000 30表示用10mm直徑淬火鋼球 加壓3000kgf 保持30s 測(cè)得的布氏硬度值為150 500HBW5 750 表示用硬質(zhì)合金球 壓頭直輕5mm 加壓750kgf 保持10 15秒 保持時(shí)間為10 15 不加標(biāo)注 測(cè)得布氏硬度值為500 壓痕相似原理 d與壓入角的關(guān)系 代入布氏硬度計(jì)算公式得 由上式知 要保持在不同的試驗(yàn)條件下測(cè)得同一材料的布氏硬度值相同 必須同時(shí)滿足 1 相同 2 為常數(shù) 試驗(yàn)證明 當(dāng)為常數(shù)時(shí) 相同 因此 為了使同一材料用不同的F和D測(cè)得的HB值相同 應(yīng)使為常數(shù) 圖2 18壓痕相似原理 布氏硬度的特點(diǎn)和適用范圍 優(yōu)點(diǎn) 壓痕面積大 能反映出較大范圍內(nèi)材料各組成相的綜合平均性能 不受個(gè)別相和微區(qū)不均勻性的影響 布氏硬度分散性小 重復(fù)性好 適合于測(cè)定粗大晶粒或粗大組成相的材料的硬度 如灰鑄鐵和軸承合金等 缺點(diǎn) 因壓痕直徑較大 一般不宜在成品上直接進(jìn)行檢測(cè) 對(duì)硬度不同的材料需要更換壓頭直徑D和載荷F 比較繁瑣 此外 壓痕直徑d的測(cè)量也比較麻煩 2 洛氏硬度測(cè)定的原理和方法 洛氏硬度是直接測(cè)量壓痕深度 壓痕愈淺表示材料愈硬 常用的壓頭 頂角為120 的金剛石圓錐體 直徑為 1 588mm 3 175的淬火鋼球 HR k h 0 002壓頭為金剛石時(shí) k 0 2 壓頭為淬火鋼球時(shí) k 0 26為了能用一種硬度計(jì)測(cè)定不同軟硬材料的硬度 常用不同的壓頭與總載荷組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺 常用的有HRA HRB HRC 圖2 19洛氏硬度試驗(yàn)原理 洛氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用優(yōu)點(diǎn) 因?yàn)橛捕戎悼蓮挠捕葯C(jī)的表盤(pán)上直接讀出 故測(cè)定洛氏硬度更為簡(jiǎn)便迅速 工效高 對(duì)試件表面造成的損傷較小 可用于成品零件的質(zhì)量檢驗(yàn) 因加有預(yù)載荷 可以