材料力學性能復習總結(jié)[谷風教學]

1、緒論彈性：指材料在外力作用下保持和恢復固有形狀和尺寸的能力。塑性：材料在外力作用下發(fā)生不可逆的永久變形的能力。 剛度：材料在受力時抵抗彈性變形的能力。 強度：材料對變形和斷裂的抗力。韌性：指材料在斷裂前吸收塑性變形和斷裂功的能力。 硬度：材料的軟硬程度。 耐磨性：材料抵抗磨損的能力。 壽命：指材料在外力的長期或重復作用下抵抗損傷和失效的能。材料的力學性能的取決因素：內(nèi)因化學成分、組織結(jié)構、殘余應力、表面和內(nèi)部的缺陷等；外因載荷的性質(zhì)、應力狀態(tài)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等條件的變化。第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能1.1 拉伸力伸長曲線和應力應變曲線應力應變曲線退火低碳鋼在拉伸力作用下的力學行

2、為可分為彈性變形、不均勻屈服塑性變形、均勻塑性變形和不均勻集中塑性變形和斷裂幾個階段。彈性變形階段：曲線的起始部分，圖中的oa段。多數(shù)情況下呈直線形式，符合虎克定律。屈服階段：超出彈性變形范圍之后，有的材料在塑性變形初期產(chǎn)生明顯的塑性流動。此時，在外力不增加或增加很小或略有降低的情況下，變形繼續(xù)產(chǎn)生，拉伸圖上出現(xiàn)平臺或呈鋸齒狀，如圖中的ab段。退火低碳鋼應力應變曲線均勻塑性變形階段：屈服后，欲繼續(xù)變形，必須不斷增加載荷，此階段的變形是均勻的，直到曲線達到最高點，均勻變形結(jié)束，如圖中的bc段。不均勻塑性變形階段：從試樣承受的最大應力點開始直到斷裂點為止，如圖中的cd段。在此階段，隨變形增大，載荷

3、不斷下降，產(chǎn)生大量不均勻變形，且集中在頸縮處，最后載荷達到斷裂載荷時，試樣斷裂。彈性模量E：應力應變曲線與橫軸夾角的大小表示材料對彈性變形的抗力，用彈性模量E表示。塑性材料應力應變曲線（a）彈性彈塑性型：Oa為彈性變形階段，在a點偏離直線關系，進入彈塑性階段，開始發(fā)生塑性變形，開始發(fā)生塑性變形的應力稱為屈服點，屈服點以后的變形包括彈性變形和塑性變形。在m點卸載，應力沿mn降至零，發(fā)生加工硬化。（b）彈性-不均勻塑性-均勻塑性型：與前者不同在于出現(xiàn)了明顯的屈服點aa，有時呈屈服平臺狀，有時呈齒狀。應變約1%3%。退火低碳鋼和某些有色金屬具有此行為。（c）彈性-均勻塑性型：未出現(xiàn)頸縮前的均勻變形過

4、程中發(fā)生斷裂。主要是許多金屬及合金、部分陶瓷和非晶態(tài)高聚物具有此種曲線。（d）彈性-不均勻塑性型：形變強化過程中出現(xiàn)多次局部失穩(wěn)，其塑性變形方式通常是孿生而不是滑移。當孿生速率超過試驗機夾頭運動速度時，載荷會突然松弛而呈現(xiàn)鋸齒形的曲線。某些低溶質(zhì)固溶體鋁合金及含雜質(zhì)的鐵合金具有此行為。加工硬化：材料經(jīng)歷一定的塑性變形后，其屈服應力升高的現(xiàn)象稱為應變強化或加工硬化。頸縮：材料經(jīng)均勻形變后出現(xiàn)集中變形的現(xiàn)象稱為頸縮。1.2 彈性變形材料受外力作用發(fā)生尺寸和形狀的變化，稱為變形。外力去除后，隨之消失的變形為彈性變形，剩余的（即永久性的）變形為塑性變形。彈性變形的重要特征是其可逆性，即受力作用后產(chǎn)生變

5、形，卸除載荷后，變形消失。曲線1：兩原子間的引力 曲線2：兩原子間的斥力 曲線3：兩原子之間的作用力當原子間相互平衡力受外力而受到破壞時，原子位置相應調(diào)整，產(chǎn)生位移。而位移總和在宏觀上表現(xiàn)為變形。 外力去除后，原子依靠之間的作用力又回到原來平衡位置，位移消失，宏觀變形消失。彈性模量E：表征材料抵抗正應變的能力。在單向受力狀態(tài)下E=xy切變模量G：表征材料抵抗剪切變形的能力。在純剪切應力狀態(tài)下G=xyxy泊松比：反映材料受力后橫向正應變與受力方向上正應變之比。單向受力狀態(tài)下體積彈性模量K：表示物體在三向壓縮下，壓強p與體積變化率V/V之間的線性比例關系。K=E3(1-2)剛度：工程上彈性模量為稱

6、為材料的剛度，表征金屬材料對彈性變形的抗力，其值越大，則在相同的應力狀態(tài)下產(chǎn)生的彈性變形量越小。彈性比功：彈性比功又稱彈性比能、應變比能，表示金屬材料吸收彈性變形功而不發(fā)生永久變形的能力。金屬拉伸時的彈性比功用應力應變曲線下影線的面積表示，即式中，ae為彈性比功，e為彈性極限（材料由彈性變形過渡到彈塑性變形時的應力）；e為最大彈性應變。在應力作用下應變不斷隨時間而發(fā)展的行為，以及應力去除后應變逐漸恢復的現(xiàn)象都統(tǒng)稱為彈性后效。實際金屬在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，開始時沿OA線產(chǎn)生瞬時彈性應變OC，如果載荷保持不變，還產(chǎn)生隨時間延長而逐漸增加的應變CH。這種在加載狀態(tài)下產(chǎn)生的滯彈性變形稱為正彈性后效

7、。卸載時，延BD線只有應變DH立即消失，而應變OD是卸載后隨時間延長才緩慢消失的，這種在卸載后產(chǎn)生的滯彈性變形稱為反彈性后效。 彈性滯后環(huán)：彈性變形時因應變滯后于外加應力，使加載線和卸載線不重合而形成的回線稱為彈性滯后環(huán)。交變循環(huán)載荷，加載速度快交變循環(huán)載荷，加載速度慢存在彈性滯后環(huán)的現(xiàn)象說明，加載時金屬消耗的變形功大于卸載時金屬恢復變形釋放出的功，環(huán)面積大小代表被金屬吸收的那部分功。滯后環(huán)的面積相當于金屬在單向循環(huán)應力或交變循環(huán)應力作用下消耗不可逆能量的多少，即表示金屬吸收不可逆變形功的能力，成為金屬的內(nèi)耗，又稱循環(huán)韌性。循環(huán)韌性是指在塑性區(qū)加載時材料吸收不可逆變形功的能力；內(nèi)耗是指在彈性區(qū)

8、加載時材料吸收不可逆變形功的能力。一般這兩個名詞可以混用。包申格效應：金屬材料經(jīng)過預先加載產(chǎn)生少量塑性變形（殘余應變?yōu)?%4%），卸載后同向加載，規(guī)定殘余伸長應力（彈性極限或屈服強度）增加，反向加載時規(guī)定殘余伸長應力降低的現(xiàn)象，稱為包申格效應。包申格效應產(chǎn)生的原因（位錯理論）：初次加載變形時，位錯源在滑移面上產(chǎn)生的位錯受阻，塞積后產(chǎn)生背應力，背應力反作用于位錯源，當背應力足夠大時，可使位錯源停止開動。預變形時位錯的運動方向和背應力的方向相反。反向加載時位錯運動的方向和背應力方向一致，背應力幫助位錯運動，塑性變形相對容易。 1.3 塑性變形塑性變形的方式：滑移和孿生。其中，滑移是金屬材料在切應力

9、作用下，位錯沿滑移面和滑移方向運動而進行的切變過程，是最主要的變形機制。孿生也是金屬材料在切應力作用下的一種塑性變形方式，一般發(fā)生在低溫形變或快速形變時，受晶體結(jié)構的影響較大fccbcchcp。塑性變形的特點1、各晶粒塑性變形的不同時性和不均勻性：多晶體試樣受到外力作用后，大部分區(qū)域尚處在彈性變形范圍內(nèi)，塑性變形首先在個別取向有利的晶粒內(nèi)，塑性變形不可能在不同晶粒中同時開始；一個晶粒的塑性變形必然受到相鄰不同位向晶粒的限制，由于各晶粒的位向差異，這種限制在變形晶粒的不同區(qū)域上是不同的，在同一晶粒內(nèi)的不同區(qū)域的變形量也是不同的。2、各晶粒塑性變形的相互制約與協(xié)調(diào)：多晶體作為一個整體，不允許晶粒僅

10、在一個滑移系中變形， 否則將造成晶界開裂。五個獨立的滑移系開動，才能確保產(chǎn)生任何方向不受約束的塑性變形。3、塑性變形后金屬的晶格發(fā)生點陣畸變，儲存能量，產(chǎn)生內(nèi)應力。4、塑性應變量提高，金屬強度增大，產(chǎn)生加工硬化。屈服：受力試樣中，應力達到某一特定值后，開始大規(guī)模塑性變形的現(xiàn)象稱為屈服。呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象的金屬材料拉伸時，試樣在外力不增加仍能繼續(xù)伸長時的應力稱為屈服點；試樣發(fā)生屈服而首次下降前的最大應力稱為上屈服點，即為su；當不計初始瞬時效應（指在屈服過程中實驗為第一次發(fā)生下降）時屈服階段中的最小應力稱為下屈服點，記為sl。屈服現(xiàn)象的本質(zhì)（不確定）：金屬材料在拉伸試驗時產(chǎn)生的屈服現(xiàn)象是其開始產(chǎn)生宏觀

11、塑性變形的一種標志。參考拉伸力伸長曲線，材料從彈性變形階段向塑性變形階段過渡是明顯的，表現(xiàn)在試驗過程中外力不增加試樣仍能繼續(xù)伸長或外力增加到一定數(shù)值時突然下降，隨后，在外力不增加或上下波動情況下，試樣繼續(xù)伸長變形，這便是屈服現(xiàn)象。金屬材料一般是多晶體合金，往往具有多相組織，因此，討論影響屈服強度的因素，必須注意以下幾點：j屈服變形是位錯增殖和運動的結(jié)果；k實際金屬材料的力學行為是由許多晶粒綜合作用的結(jié)果；l各種外界因素通過影響位錯運動而影響屈服強度。影響屈服強度的因素：j內(nèi)在因素金屬本性及晶格類型；晶格大小和亞結(jié)構；溶質(zhì)元素；第二相。k外在因素溫度；應變速率；應力狀態(tài)。相變強化：通過熱處理方式

12、，在不改變金屬成分的前提下，改變金屬的晶格結(jié)構，使金屬的強度得以提高的方法稱為相變強化。細晶強化：減少晶粒尺寸會減少晶粒內(nèi)部位錯塞積的數(shù)量，減少位錯塞積群的長度，降低塞積點處的應力，相鄰晶粒中位錯源開動所需的外加切應力提高，屈服強度增加。這種通過細化晶粒尺寸提高材料強度的方法稱為細晶強化。固溶強化：金屬中溶入溶質(zhì)原子（間隙固溶、置換固溶）形成固溶體，其屈服強度會明顯提高，這種提高強度的方法稱為固溶強化。（通常，間隙固溶體的強化效果大于置換固然體）彌散強化：金屬中的第二相質(zhì)點通過粉末冶金等方法獲得。沉淀強化（析出強化）：金屬中的第二相質(zhì)點通過固溶處理加時效等方法獲得。應變速率硬化：因應變速率增加

13、而產(chǎn)生的強度提高效應的現(xiàn)象。頸縮：頸縮是韌性金屬材料在拉伸試驗時，變形集中于局部區(qū)域的現(xiàn)象，是材料加工硬化和試樣截面減小共同作用的結(jié)果。頸縮判據(jù)：n=eb，當金屬材料的應變硬化指數(shù)等于最大真實均勻塑性應變量時產(chǎn)生頸縮。抗拉強度：試件斷裂前所能承受的最大工程應力稱為抗拉強度，用來表征材料對最大均勻塑性變形的抗力。 ，b為抗拉強度；Fb為最大載荷；A0為試件的原始截面積。兩個塑性指標1、斷后伸長率：試樣拉斷后標距的伸長量與原始標距的百分比。=L1-L0L0100%，L0為試樣原始標距長度，L1為試樣斷裂后的標距長度。2、斷面收縮率：試樣拉斷后頸縮處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。=A0

14、-A1A0100%，A0為試樣原始橫截面積，A1為頸縮處最小橫截面。金屬材料塑性與強度的關系：一般來講，材料的強度提高，其變形抗力提高，變形能力下降，塑性降低。j相變強化、固溶強化、加工硬化及第二相彌散強化一般都會使塑性降低；k細晶強化不僅提高強度還時塑性提高。韌性：指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。韌度：度量材料韌性的力學性能指標，分為靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。金屬材料在靜拉伸時單位體積材料斷裂前所吸收的功定義為靜力韌度，它是強度和塑性的綜合指標。1.6 材料的斷裂材料在塑性變形過程中，也在產(chǎn)生微孔，微孔的產(chǎn)生與發(fā)展，導致材料中微裂紋的形成與長大，這種損傷達到臨界狀態(tài)時，裂紋失

15、穩(wěn)，實現(xiàn)最終的斷裂。 塑性變形裂紋的形成裂紋擴展斷裂 韌性斷裂與脆性斷裂斷裂前不發(fā)生明顯塑性變形脆性斷裂；斷裂前發(fā)生明顯塑性變形韌性斷裂。脆性斷裂所需的能量：分開原子+新表面的表面能；韌性斷裂所需的能量：分開原子+新表面的表面能+塑性變形消耗的能量（遠大于前兩者之和）韌性斷裂是金屬材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂。韌性斷裂宏觀斷口形態(tài)呈杯錐狀，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個區(qū)域組成。纖維區(qū)：光滑圓柱試樣受拉伸力作用，產(chǎn)生頸縮時試樣的應力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿颍抑行膮^(qū)軸向應力最大。在中心三向拉應力作用下，塑性變形難于進行，致使試樣中各部分的夾雜物或第二相質(zhì)點本身碎裂，或使夾雜物質(zhì)點與基體界面脫

16、離而形成微孔，微孔不斷長大和聚合就形成顯微裂紋。顯微裂紋形成、擴展過程重復進行就形成鋸齒狀的纖維區(qū)。放射區(qū)：環(huán)狀纖維區(qū)發(fā)展到一定尺寸（臨界裂紋尺寸）后，裂紋開始快速擴展（失穩(wěn)擴展）而形成放射區(qū)。放射區(qū)是裂紋作快速低能撕裂而形成的，有放射線花樣特征，放射線平行于裂紋擴展方向而垂直于裂紋前端（每一瞬間）的輪廓線，并逆指向裂紋源。剪切唇：放射區(qū)形成后，試樣承載面積只剩下最外側(cè)的環(huán)狀面積，最后由拉伸應力的分切應力所切斷，形成與拉伸軸呈45的杯狀或錐狀剪切唇。脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害性很大。脆性斷裂的斷裂面一般與正應力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或

17、結(jié)晶狀。脆性斷裂斷口的人字形花樣脆性斷裂斷口的放射狀花樣圓柱形拉伸試樣：斷裂面與正應力垂直，斷口平齊、光亮。斷面上的放射狀條紋匯聚于一個中心，此中心區(qū)域就是裂紋源。板狀矩形截面拉伸試樣：“人”字紋花樣的放射方向與裂紋擴展方向平行，但其尖頂指向裂紋源。沿晶斷裂與穿晶斷裂沿晶斷裂：指裂紋在晶界上形成并沿晶界擴展的斷裂形式，大多是脆性斷裂。在多晶體變形中，晶界起協(xié)調(diào)相鄰晶粒變形的作用，當晶界受到損傷，其變形能力被消弱，不足以協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形時，便形成晶界斷裂。斷裂機制：j晶界由脆性相析出（如過共析鋼中二次滲碳體析出）；k高溫晶界變?nèi)酰訜釡囟冗^高 ，晶界熔化）；l有害元素沿晶界富集（合金鋼的回火脆

18、性 ）；m晶界上有彌散相析出（奧氏體高錳鋼固溶處理后再加熱時沿晶界析出碳化物）；n腐蝕環(huán)境下晶界被腐蝕等原因使晶界脆化或弱化所致。斷裂過程：沿晶斷裂過程包括裂紋的形成與擴展。晶界受損的材料受力變形時，晶內(nèi)的運動位錯受阻于晶界，在晶界處造成應力集中，當集中應力達到晶界強度時，便將晶界擠裂。斷口形貌：沿晶斷裂的性質(zhì)取決于g（沿晶斷裂應力有關的常數(shù)）與屈服強度s的相對大小。當gs時，先發(fā)生宏觀屈服變形和形變強化，晶界有塑性變形，在完成一定的變形量后發(fā)生微孔型沿晶斷裂，產(chǎn)生石狀斷口。穿晶斷裂：指裂紋沿晶內(nèi)（穿過晶粒）擴展的斷裂。穿晶斷裂可依據(jù)不同的微觀斷裂機制而具有不同的微觀斷口形貌特征，主要有解理、

19、微孔聚集、準解理等。 一般地，從宏觀上看，穿晶斷裂既可以是脆性斷裂，也可以是韌性斷裂。純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂剪切斷裂是金屬材料在切應力作用下沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，一般是韌性斷裂，分為純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂。其中，純剪切斷裂主要在純金屬尤其是在單晶體金屬中產(chǎn)生，其斷口呈鋒利的楔形或刀尖形，這是純粹由滑移流變所造成的斷裂。微孔聚集型斷裂是通過微孔形核、長大聚合而導致材料分離的，常用金屬材料一般均產(chǎn)生這類性質(zhì)的斷裂。微孔聚集型斷裂的斷口形貌為韌窩花樣。在每一個韌窩內(nèi)都含有一個第二相質(zhì)點或者折斷的夾雜物或者夾雜物顆粒，材料中的非金屬夾雜物或第二相或其他脆性相顆粒是微孔形

20、成的核心。韌窩斷口就是微孔開裂后繼續(xù)長大和連接的結(jié)果。韌窩形成過程：韌窩的形成與異相粒子有關，在外力作用下產(chǎn)生塑性變形時，異相阻礙基體滑移，便在異相與基體滑移面交界處造成應力集中，當應力集中達到異相與基體界面結(jié)合強度或異相本身強度時，會使二者界面脫離或異相自身斷裂，從而形成裂紋（微孔），并不斷擴大，最后使夾雜物之間基體金屬產(chǎn)生“內(nèi)頸縮”，當頸縮達到一定程度后基體金屬被撕裂或剪切斷裂，使空洞連接，從而形成韌窩斷口形貌。影響韌窩形成的因素：韌窩的形成位置、形狀、大小和深淺受很多因素影響，大致歸納起來可分為三個方面j成核粒子的大小和分布；k材料的塑性變形能力，尤其是形變硬化的能力；l外部因素（包括應

21、力大小、應力狀態(tài)、溫度、變形速度等）。韌窩形狀主要取決于應力狀態(tài)或應力與斷面的相對取向，有等軸韌窩、拉長韌窩和撕裂韌窩三類。解理斷裂：金屬材料在一定條件下當外加正應力達到一定數(shù)值后以極快速率沿一定晶體學平面產(chǎn)生的穿晶斷裂，該晶體學平面為解理面。解理面一般是低指數(shù)晶面，如體心立方點陣金屬的（100）面和密排六方點陣金屬的（0001）面。一般地，解理斷裂總是脆性斷裂，而脆性斷裂卻不一定是解理斷裂。解理斷口的微觀形貌特征：對于理想單晶體而言，解理斷裂可以是完全沿單一結(jié)晶面的分離，其解理斷口是一毫無特征的理想平面。在實際晶體中，由于缺陷的存在，斷裂并不是沿單一的結(jié)晶面解理，而是沿一組平行的結(jié)晶面解理，

22、從而在不同高度上平行的解理面以解理臺階相連。在解理裂紋擴展過程中，臺階匯合形成“河流”花樣，解理臺階、“河流”花樣即為典型的解理斷口微觀形貌特征。解理斷裂的另一微觀特征是存在舌狀花樣。第二章 材料在其他靜載荷下的力學性能2.1 應力狀態(tài)軟性系數(shù)應力狀態(tài)軟性系數(shù)：=maxmax=1-321-22-3。越大，最大切應力分量越大，表示應力狀態(tài)越軟，材料越易于產(chǎn)生塑性變形；越小，表示應力狀態(tài)越硬，金屬越不容易產(chǎn)生塑性變形而易于產(chǎn)生脆性斷裂。2.2 材料的壓縮壓縮試驗的特點1、單向壓縮試驗的應力狀態(tài)軟性系數(shù)=2，比拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲的應力狀態(tài)都軟，所以單向壓縮試驗主要用于拉伸時呈脆性的金屬材料力學性能的測

23、定，以顯示這類材料在塑性狀態(tài)下的力學行為（圖2.4）2、拉伸時塑性很好的材料在壓縮時只發(fā)生壓縮變形而不會斷裂（圖2.5）脆性材料在拉伸時產(chǎn)生垂直于載荷軸向的正斷，塑性變形量幾乎為零；而在壓縮時除能產(chǎn)生一定的塑性變形外，常沿與軸線呈45方向產(chǎn)生斷裂，具有切斷特征。2.3 材料的彎曲彎曲試驗的特點1、彎曲試驗不存在拉伸試驗時的試件偏斜（力的作用線不能準確通過拉伸試件的軸線而產(chǎn)生附加彎曲應力）對試驗結(jié)果的影響，可以穩(wěn)定地測定脆性材料和低塑性材料的抗彎強度，并能由撓度明顯地顯示脆性和低塑性材料的塑性。如鑄鐵、工具鋼、陶瓷等。2、彎曲試驗不能使塑性很好的材料破壞，不能測定其斷裂彎曲強度，但可以比較一定彎

24、曲條件下材料的塑性。3、彎曲試驗時試樣斷面上的應力分布是不均勻的，表面應力最大，依此可以較靈敏地反映材料的表面缺陷，以檢查材料的表面質(zhì)量。2.5 材料的硬度硬度并不是金屬獨立的基本性能，它是指金屬在表面上的不大體積內(nèi)抵抗變形或者破裂的能力。硬度的種類：j壓入法布氏硬度、洛氏、維氏、普氏等。表征材料的塑性變形抗力及應變硬化能力。應力狀態(tài)軟性系數(shù)最大，2，幾乎所有的材料都能產(chǎn)生塑性變形。k刻劃法莫氏硬度。表征材料對切斷的抗力。l回跳法肖氏硬度。表征金屬彈性變形功的大小。同一類方式的硬度可以換算；不同類方式則只能采用同一材料進行標定。壓入法是最主要的試驗方法。布氏硬度原理：在直徑D的鋼珠上，加一定載

25、荷p，壓在被試金屬的表面，根據(jù)金屬表面壓痕的陷凹面積F計算出應力值，以此值作為硬度值大小的計量指標。布氏硬度值的符號以HB（kgf/mm2，1kgf=9.80665N）標記，則HB=pF=pDt，式中，t為壓痕陷凹深度；Dt為壓痕陷凹面積。在p和D一定時，t大，則說明材料的形變抗力低，硬度值??；反之則說明材料的形變抗力高，硬度值大。直觀上，測量壓痕直徑比測量壓痕陷凹深度要容易，由D、d、t三者之間的幾何關系可得：HB=2pD-(D2-d2)12。讀數(shù)：載荷、壓頭直徑、保持時間是布氏硬度試驗的三要素。150HBS10/1000/30表示采用淬火鋼球，壓頭直徑10mm，載荷1000kg，載荷保持時

26、間30s測得的布氏硬度值為150；200HBW10/3000/10表示采用硬質(zhì)合金鋼球，壓頭直徑10mm，載荷3000kg，載荷保持時間10s測得的布氏硬度值為200。優(yōu)點：j壓痕面積大，能反映金屬表面較大體積范圍內(nèi)各組成相綜合平均的性能數(shù)據(jù)；k試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復性好，試驗數(shù)據(jù)從小到大都可以統(tǒng)一起來；l特別適宜于測得灰鑄鐵、軸承合金、等具有粗大晶?；虼执蠼M成相的金屬材料。缺點：j對于450HB以上的硬材料，因鋼球變形已很顯著，影響所測數(shù)據(jù)的正確性，因此不能使用；k由于此法產(chǎn)生的壓痕較大，故不宜于某些表面不允許有較大壓痕的成品檢驗，也不宜于薄件試驗；l因需測量d值，故被測處要求平穩(wěn)，操作和測量都

27、需較長時間，在要求迅速檢定大量成品時不適合。洛氏硬度洛氏硬度試驗是目前應用最廣泛的一種方法，它是測定壓痕深度來表征材料的硬度值。原理：洛氏硬度以壓痕陷凹深度t作為計量硬度值的指標，所以在同一硬度級下，金屬越硬則壓痕深度t越小，越軟則t越大。如果直接以t的大小作為指標，則將出現(xiàn)硬金屬t值小從而硬度值小，軟金屬的t值大從而硬度值大的現(xiàn)象。為此，只能采取一個不得已的措施，即用選定的常數(shù)來減去所得t值，以其差值來標志洛氏硬度值。此常數(shù)規(guī)定為0.2mm（用于HRC、HRA）和0.26mm（用于HRB），此外在讀數(shù)上再規(guī)定0.002mm為一度，這樣前一常數(shù)為100度（在試驗機表盤上為100格（一圈），后一

28、常數(shù)為130度（在表盤上為一圈再加30格，為130格），因此HRC=0.2-t=100-t0.002HRB=0.26-t=130-t0.002壓頭與載荷的搭配：洛氏硬度的壓頭分硬質(zhì)和軟質(zhì)兩種。硬質(zhì)的由頂角120的金剛石圓錐體制成，適用于測定淬火鋼等較硬的金屬材料；軟質(zhì)的為直徑1/16（1.875mm）或1/8（3.175mm）鋼球，適用于退火鋼、有色金屬等較軟材料硬度值的測定。生產(chǎn)上用得最多的是A級、B級和C級，即HRA（金剛石圓錐壓頭、60kgf載荷），HRB（1/16鋼球壓頭、100kgf載荷）和HRC（金剛石圓錐壓頭、150kgf載荷），而其中又以HRC用的最普遍。優(yōu)點：j有硬質(zhì)、軟質(zhì)兩

29、種壓頭，適用于各種不同硬質(zhì)材料的檢驗，不存在壓頭變形問題；k壓痕小，不傷工件表面；l操作迅速，立即得出數(shù)據(jù)，生產(chǎn)效率高，適用于大量生產(chǎn)中的成品檢驗。缺點：j不同硬度級測得的硬度值無法統(tǒng)一起來，如HRA，HRB，HRC數(shù)據(jù)不具有可比性；k對組織結(jié)構不一致，特別是具有粗大組成相或粗大晶粒的金屬材料，因壓痕太小，可能正好壓在個別組成相上，缺乏代表性；l材料中有偏析或組織不均勻時，數(shù)據(jù)重復性差，分散度大。維氏硬度原理：與布氏硬度相同，也是根據(jù)單位壓痕陷凹面積上承受的載荷，即應力值作為硬度值的計量指標。所不同的是，維氏硬度采用錐面夾角為136的四方角錐體，有金剛石制成。計算公式：HV=pF=1.854p

30、d2優(yōu)點：j不存在布氏硬度試驗載荷p和壓頭直徑D的規(guī)定條件的約束，以及壓頭變形問題，且通過維氏硬度試驗所得到的硬度值和通過布氏硬度試驗所得到的硬度值能完全相等；k不存在洛氏硬度試驗那種硬度值無法統(tǒng)一的問題，維氏硬度試驗和洛氏硬度試驗一樣可以試驗任何軟硬的材料，并且比洛氏硬度試驗能更好地測試極薄件的硬度；l采用四方角錐，當載荷改變時壓入角不變，因此載荷可以任意選擇。缺點：硬度值需通過測量對角線后才能計算（或查表）出來，生產(chǎn)效率沒有洛氏硬度試驗高，不適宜成批生產(chǎn)的質(zhì)量檢驗。讀數(shù)：640HV30/20（維氏硬度值HV試驗載荷/加載時間）顯微硬度顯微硬度是用來測量尺寸很小或很薄零件的硬度，或者是用來測

31、量各種顯微組織的硬度。其試驗原理與維氏硬度相同。所不同的是，載荷以gf計量，壓痕對角線長度以微米計量。壓頭：一種是維氏壓頭，和宏觀的維氏硬度壓頭一樣，只是在金剛石四方錐的制造上和測量上更加嚴格；另一種是努氏壓頭，它是一菱形的金剛錐體。努氏硬度的計算公式：HK=pA=pCl2努氏硬度和維氏顯微硬度的比較：j在測量滲碳（或氮化）淬硬層的硬度分布時，努氏壓痕的排列與分布較維氏壓痕更緊湊；k在相同的對角線長度下（努氏壓痕以長對角線計），努氏壓痕的深度與面積只有維氏壓痕的15%，這對測量薄層硬度如電鍍層特別適宜。2.6 缺口試樣在靜載荷下的力學性能缺口效應：實際機件不是橫截面均勻無變化的光滑體，往往存在

32、截面的急劇變化，這些截面變化的部位可視為缺口，由于缺口的存在，在靜載荷作用下缺口截面上的應力狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生缺口效應。缺口效應的影響：引起應力集中；應力狀態(tài)由單向改變?yōu)閮上蚧蛉驊顟B(tài)應變集中；局部應變速率增大；腐蝕傾向加大。金屬材料的缺口敏感性指標用缺口試件的抗拉強度bn與等截面尺寸光滑試件的抗拉強度b的比值表示，稱為缺口敏感度，記為NSR，即NSR=bnb。NSR越大，缺口敏感性越小。脆性材料的NSR總是小于1，表明缺口根部尚未發(fā)生明顯塑性變形時就已經(jīng)斷了，對缺口很敏感。高強度材料的NSR一般也小于1，塑性材料的NSR一般大于1。第三章 材料在沖擊載荷下的力學性能3.3 低溫脆性低溫

33、脆性：隨溫度降低金屬材料由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔训默F(xiàn)象。發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變的溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。什么材料容易發(fā)生低溫脆斷？對于以面心六方金屬為基礎的中、低強度材料和大部分密排六方金屬，在很寬的溫度范圍內(nèi)其沖擊功都很高，基本不存在低溫脆性問題。只有以體心立方金屬為基礎的，如中低強度鋼和鈹、鋅等具有明顯的低溫脆性，這些金屬材料稱為冷脆金屬。s和c隨溫度變化示意圖低溫脆性是材料屈服強度隨溫度降低急劇增加的結(jié)果。屈服點s隨溫度下降反而升高，材料的解理斷裂強度c隨溫度變化很小，兩條曲線相交于一點，交點對應的溫度即為韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk。當溫度高于Tk時，cs材料受載后先屈服再斷裂為韌性斷裂；低于Tk時，外加應力

34、先達到c，材料表現(xiàn)為脆性斷裂。低溫脆性的本質(zhì)柯垂爾提出的脆斷條件，即公式id12+kyky=Gs，只要公式左端大于右端之值，即yf，就可發(fā)生脆斷。G是組織結(jié)構不敏感的性能，凡是增加i、ky和d的因素都將促進脆斷，使冷脆斷轉(zhuǎn)化溫度升高；凡使和s值減小的也將促使脆斷，使冷脆斷轉(zhuǎn)化溫度升高。ji位錯在晶體中運動的點陣摩擦阻力，包括派納力、溶質(zhì)原子以及第二相對位錯運動的阻力。對體心立方金屬，派納力隨溫度的降低而急劇升高，這是體心立方金屬產(chǎn)生冷脆的主要原因。kky反映位錯被原子或第二相釘扎運動難易程度的參量，ky值越大，位錯運動越困難。ky值并不因為溫度降低而顯著增加。ld晶粒直徑。細化晶粒既提高斷裂強

35、度也提高屈服強度，但斷裂強度相對提高較多，因此細化晶?？偸鞘估浯噢D(zhuǎn)化溫度降低。m表示在外加載荷下切應力和正應力之比。ns材料的有效表面能。影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk的主要因素1、材料晶格類型的影響：體心立方金屬在溫度較高時，變形能力尚好，在低溫下，脆性增加。2、合金成分的影響：鋼中的C、P、O、H、N、Mo、Al、Si都使Tk上升；Ni、Mn、Ti、V都使Tk下降。3、晶粒尺寸的影響：細化晶粒使Tk下降，同時還可以改善塑性韌性。4、顯微組織的影響：冷作時效、上貝氏體使Tk上升；低溫馬氏體、奧氏體、高溫回火組織 都使Tk下降。第四章 材料的斷裂韌性4.1 概述斷裂是工程構件最危險的一種失效方式，尤其是

36、脆性斷裂，它是突然發(fā)生的破壞，斷裂前沒有明顯的征兆，常常引起災難性的破壞事故并造成巨大的經(jīng)濟損失。4.2 裂紋尖端的應力場三種斷裂類型I型（張開型）裂紋形式I型裂紋（張開型）：拉應力垂直于裂紋面擴展面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴展。如軸的橫向裂紋在軸向拉力或彎曲力作用下的擴展、容器縱向裂紋在內(nèi)壓力下的擴展。II型（滑開型）裂紋形式II型裂紋（滑開型）：切應力平行于裂紋面，而且與裂紋垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開擴展。如輪齒或花鍵根部沿切線方向的裂紋，或者受扭轉(zhuǎn)的薄壁圓筒上的環(huán)形裂紋。III型（滑開型）裂紋形式III型裂紋（撕開型）：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

37、展。如圓周上有一環(huán)形切槽，受到扭轉(zhuǎn)作用引起的斷裂。應力強度因子KI：表征裂紋尖端應力場特性。裂紋尖端區(qū)域的確定點，其應力分量就由KI決定， KI越大應力場各應力分量也越大。任何I 型斷裂的應力場強度因子的一般形式為KI=Ya，Y為裂紋的形狀系數(shù)，與裂紋幾何形狀及加載方式有關，一般Y=12；同理，KII=Ya，KIII=Ya。4.3 斷裂韌性和斷裂判據(jù)裂紋體發(fā)生失穩(wěn)斷裂的臨界KI值記作KC或KIC，稱為斷裂韌性。KC是平面應力狀態(tài)下的斷裂韌性，表示平面應力條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。KIC為平面應變下的斷裂韌性，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與KIC的區(qū)別：KC與板材

38、或試樣厚度有關，而當板材厚度增加到平面應變狀態(tài)時，斷裂韌性就趨于一穩(wěn)定的最低值，即為KIC（與厚度無關）。KIC是KC的最低值，它是真正反映材料裂紋擴展抗力的材料常數(shù)。所以臨界應力場強度因子KIC稱為材料的斷裂韌性。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實際斷裂強度，記作c；對應的裂紋尺寸稱為臨界裂紋尺寸，記作ac，有如下關系KIC=Ycac?？梢姡牧系腒IC越高，則裂紋體的斷裂應力或臨界裂紋尺寸就越大，表面材料越難斷裂。因此KIC表示材料抗斷裂的能力。斷裂判據(jù)：裂紋體在受力時，若KIKIC或YaKIC，就會發(fā)生脆性斷裂。反之，即使存在裂紋，若KIKIC或YaKth，K，da/d

39、N，裂紋擴展但不快。 I區(qū)所占壽命不長。II區(qū)（主要段）：K，da/dN較大，裂紋亞穩(wěn)擴展，是決定疲勞裂紋擴展壽命的主要段。 III區(qū)（最后段）：K，da/dN，裂紋失穩(wěn)擴展。疲勞裂紋擴展門檻值：確定Kth為裂紋疲勞不擴展的K臨界值，稱為疲勞裂紋擴展門檻值。表示材料阻止疲勞裂紋開始擴展的性能，其值越大，阻止疲勞裂紋開始擴展的能力就越大，材料就越好。 單位為MNm-3/2或MPam1/2Kth與-1的區(qū)別： -1是光滑試樣的無限壽命疲勞強度，用于傳統(tǒng)的疲勞強度設計和校核；Kth是裂紋試樣的無限壽命疲勞性能，適合裂紋件的設計和校核。 影響疲勞裂紋擴展速率的因素j應力比的影響：應力比r，曲線向左上方

40、移動，使da/dN升高，而且在I、III區(qū)的影響比II區(qū)的大。k實際機件在工作時很難一直是恒載，往往會有偶然過載現(xiàn)象。偶然過載進入過載損傷區(qū)，將使材料受到損傷并降低疲勞壽命，但若過載適當，有時反而是有益的。在恒載裂紋疲勞擴展期內(nèi)，適當?shù)倪^載峰會使裂紋擴展減慢或停滯一段時間，發(fā)生裂紋擴展過載停滯現(xiàn)象，并延長疲勞壽命。l材料組織的影響：對I、III區(qū)的dadN影響比較明顯，而對II區(qū)的影響不太明顯。通常，晶粒粗大，Kth值越高，dadN值越低。當鋼的淬火組織中存在一定量的殘余奧氏體和貝氏體等韌性組織時，可以提高鋼的Kth，降低dadN。鋼的高溫回火的組織韌性好，強度低，其Kth較高；低溫回火的組織

41、韌性差，強度高，其Kth較低；中溫回火的Kth則介于兩者之間。5.4 疲勞過程及機理疲勞過程包括疲勞裂紋萌生、裂紋亞穩(wěn)擴展、失穩(wěn)擴展及斷裂四個階段。疲勞裂紋的萌生常將0.050.1mm的裂紋定位疲勞裂紋核。引起裂紋萌生的原因：不均勻的局部滑移、顯微開裂。裂紋萌生的主要方式：表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物或其界面開裂；晶界或亞晶界開裂。1、滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋在交變載荷作用下，永留或能再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶稱為駐留滑移帶。駐留滑移帶是由材料某薄弱區(qū)域產(chǎn)生的，駐留滑移帶一般只在表面形成，其深度較淺。隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)滑移帶會不斷地加寬，當加寬至一定程度時，由于位錯的塞積和交割作用，便在駐留滑移帶

42、處形成微裂紋。駐留滑移帶在加寬過程中，還會向前或向后移動，形成擠出脊和侵入溝，于是此處就產(chǎn)生應力集中和空洞，經(jīng)過一定循環(huán)后也會產(chǎn)生微裂紋。只要提高材料的滑移抗力（如采用固溶強化、細晶強化等手段），均可阻止疲勞裂紋萌生，提高疲勞強度。2、相界面開裂產(chǎn)生裂紋兩相（包括第二相、夾雜）間的結(jié)合力差，各相的形變速率不同，易在相結(jié)合處或弱相內(nèi)出現(xiàn)開裂。只有首先達到臨界尺寸的裂紋核，才能繼續(xù)長大。降低第二相或夾雜物的脆性，提高相界面強度，控制第二相或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布，使之“少、圓、小、勻”，均可抑制或延緩疲勞裂紋在第二相或夾雜物附近萌生，提高疲勞強度。3、晶界開裂產(chǎn)生裂紋晶界就是面缺陷，位錯運

43、動受到晶界的阻礙作用而在晶界處發(fā)生塞積和應力集中現(xiàn)象。在應力不斷循環(huán)下，晶界處的應力集中得不到松弛時，應力峰會越來越高，當超過晶界強度時就會在晶界處產(chǎn)生裂紋。凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔點夾雜物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氫及晶粒粗化等，均易產(chǎn)生晶界裂紋、降低疲勞強度；反之，凡使晶界強化、凈化、和細化晶粒的因素，均能抑制晶界裂紋形成，提高疲勞強度。疲勞裂紋的擴展疲勞裂紋擴展的兩個階段第一階段：從表面?zhèn)€別侵入溝（或擠出脊）先形成微裂紋，最后裂紋沿主滑移系，以純剪切方式向內(nèi)擴展，擴展速率很低，僅0.1m的擴展量。第二階段：在第一階段裂紋擴展時，由于晶界的不斷阻礙作用，裂紋擴展

44、逐漸轉(zhuǎn)向垂直于拉應力的方向，進入第二階段。在室溫及無腐蝕條件下疲勞裂紋擴展是穿晶的。裂紋擴展速率為10-510-2mm/次，與dadN-K曲線的II區(qū)相對應，所以第二階段是疲勞裂紋擴展的主要部分。斷口特征：第二階段的斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲勞條帶。它是裂紋擴展時留下的微觀痕跡，每一條條帶可以視作一次應力循環(huán)的擴展痕跡，裂紋的擴展方向與條帶垂直。疲勞條帶與貝紋線的區(qū)別：疲勞條帶是疲勞斷口的微觀特征，貝紋線是疲勞斷口的宏觀特征，在相鄰貝紋線之間可能有成千上萬個疲勞條帶。在斷口上二者可以同時出現(xiàn)，二者也可以不同時出現(xiàn)。第六章 材料在環(huán)境條件下的力學性能6.1 應力腐蝕斷裂應

45、力腐蝕斷裂：金屬在拉應力和特定的化學介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應力脆斷現(xiàn)象，稱為應力腐蝕斷裂。絕大多數(shù)金屬材料在一定的化學介質(zhì)條件下都有應力腐蝕傾向，最常見的有：低碳鋼和低合金鋼在氫氧化鈉溶液中的“堿脆”和在含有硝酸根離子介質(zhì)中的“硝脆”；奧氏體不銹鋼在含有氯離子介質(zhì)中的“氯脆”；銅合金在氨氣介質(zhì)中的“氨脆”。應力腐蝕的產(chǎn)生條件：應力、化學介質(zhì)和金屬材料。j應力：拉應力是產(chǎn)生應力腐蝕斷裂的必要條件，一般來說，產(chǎn)生應力腐蝕的應力并不一定很大。宏觀裂紋一般沿著與拉應力垂直的方向擴展，微觀觀察可見裂紋呈“之”字形推進，且有分叉現(xiàn)象?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在壓應力作用下也可產(chǎn)生應力腐蝕，但孕育時間長，裂紋擴展速度