金屬力學(xué)性能

1、材料力學(xué)行為與性能材料常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)材料在常溫下的力學(xué)行為與性能§ 屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度§ 疲勞強(qiáng)度，蠕變強(qiáng)度§ 延伸率，R值，n值§ 硬度，彈性模量§ 沖擊韌性§ 斷裂韌性§ 各向異性§ 沖壓成型性第1章 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能§1.1 單向拉伸時(shí)的力學(xué)行為§ 退火低碳鋼在拉伸力作用下的變形過(guò)程可分為彈性變形、不均勻屈服塑性變形、均勻塑性變形、不均勻集中塑性變形四個(gè)階段 不同材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線： 1）退火低碳鋼：2）多數(shù)塑性金屬材料 ：§1.2 彈性變形§ 一、彈

2、性變形及其實(shí)質(zhì)§ 彈性變形：可逆變形，是金屬晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映§ 彈性變形量較小（一般小于0.51%），相當(dāng)于原子間距的幾分之一。 二、虎克定律 § 在彈性變形階段，大多數(shù)金屬的應(yīng)力-應(yīng)變之間符合虎克定律的正比關(guān)系，如§ 拉伸時(shí)： （ E 彈性模量 ）§ 剪切時(shí)： （ G 切變模量 ）三、彈性模量 1、物理意義表示材料在外載荷下抵抗彈性變形的能力§ 工程上E稱做材料的剛度 ­，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形¯。2、影響因素主要取決于結(jié)合鍵的本性和原子間的結(jié)合力§ 彈性模量和材料的熔點(diǎn)成正

3、比，越是難熔的材料彈性模量也越高§ 金屬的彈性模量是一個(gè)組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，合金化、熱處理（顯微組織）、冷塑性變形對(duì)E值影響不大；而高分子和陶瓷材料的彈性模量則對(duì)結(jié)構(gòu)與組織很敏感 滯彈性的概念 普通灰鑄鐵在拉伸時(shí)，其在彈性變形范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變并不遵循直線AC關(guān)系。加載時(shí)沿著直線ABC，儲(chǔ)存的變形功為ABCE；卸載時(shí)不是沿著原途徑，而是沿著CDA恢復(fù)原狀，釋放的彈性變形能為ADCE。這樣在加載與卸載的循環(huán)中，試樣儲(chǔ)存的彈性能為ABCDA，即圖中陰影線面積§ 1、定義：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（即應(yīng)變落后于應(yīng)力現(xiàn)象）。§ 材

4、料組織越不均勻，滯彈性傾向越大。 循環(huán)韌性/內(nèi)耗金屬材料在交變載荷（振動(dòng)） 下吸收不可逆變形功的能力（消振性）§ 2、實(shí)際意義§ 應(yīng)用：減振（此時(shí)選用循環(huán)韌性較高的材料，如 鑄鐵、高鉻不銹鋼） § 缺點(diǎn)：如在精密儀表中的彈簧、油壓表或氣壓表的測(cè)力彈簧，要求彈簧薄膜的彈性變形能靈敏地反映出油壓或氣壓的變化，因此不允許材料有顯著的滯彈性。 六、包申格效應(yīng)及其意義 § 1、定義§ 金屬材料經(jīng)過(guò)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（殘余應(yīng)變小于14%），卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力（彈性極限或屈服強(qiáng)度）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

5、向加載時(shí)幾乎下降到零)的現(xiàn)象§ 包申格效應(yīng)是多晶體金屬所具有的普遍現(xiàn)象（所有退火態(tài)和高溫回火的金屬與合金都有），它與金屬材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力變化有關(guān)。§ 2、意義§ 對(duì)于承受疲勞載荷作用的機(jī)件壽命很重要；§ 工程上材料加工成型工藝需要考慮包辛格效應(yīng)。§ 3、消除包申格效應(yīng)的方法 預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形 在第二次反向受力前進(jìn)行退火§1.3 塑性變形§ 一、屈服強(qiáng)度及其影響因素§ 1、屈服強(qiáng)度§ 不連續(xù)屈服：有屈服平臺(tái)(屈服齒） 表示：s sl§ 連續(xù)屈服：拉伸時(shí)無(wú)明顯屈服現(xiàn)象§ 屈服

6、強(qiáng)度用規(guī)定微量塑性伸長(zhǎng)應(yīng)力表征：§ 1）規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力（p） p0.01§ 2）規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力（r） r0.2§ 3）規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力（t） t0.52、影響屈服強(qiáng)度的因素內(nèi)在因素：結(jié)合鍵、組織、結(jié)構(gòu)、原子本性 四大強(qiáng)化機(jī)制：沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化是工業(yè)合金中提高材料屈服強(qiáng)度最常用的手段 外在因素：溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)力狀態(tài)§ 溫度降低、應(yīng)變速率增高，材料的屈服強(qiáng)度升高。尤其是體心立方金屬對(duì)溫度和應(yīng)變速率特別敏感，這導(dǎo)致了鋼的低溫脆化。§ 應(yīng)力狀態(tài)不同，屈服強(qiáng)度值也不同。我們通常所說(shuō)的材料的屈服強(qiáng)度一般是指在單向拉伸時(shí)的屈服強(qiáng)度。 3、屈服強(qiáng)度的

7、工程意義§ 傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，對(duì)塑性材料，以屈服強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力=s/n，安全系數(shù)n一般取2或更大；對(duì)脆性材料，以抗拉強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力=b/n，安全系數(shù)n一般取6。 § 屈服判據(jù)（屈服條件）是機(jī)件開(kāi)始塑性變形的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則§ 需要注意的是，按照傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，必然會(huì)導(dǎo)致片面追求材料的高屈服強(qiáng)度，但是隨著材料屈服強(qiáng)度的提高，材料的抗脆斷強(qiáng)度在降低，脆斷危險(xiǎn)性增加了。二、加工硬化和真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線 § 1. 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線§ 從試樣開(kāi)始屈服到發(fā)生頸縮，即均勻塑性變形階段真實(shí)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系：§ 式中n加工硬化指數(shù)

8、§ K硬化系數(shù)（強(qiáng)度系數(shù)），是真實(shí)應(yīng)變等于 1.0時(shí)的真實(shí)應(yīng)力 § 2、加工硬化指數(shù)n的實(shí)際意義 § 反映了金屬材料開(kāi)始屈服以后抵抗繼續(xù)塑性變形的能力，是表征材料應(yīng)變硬化行為的性能指標(biāo)。它決定了材料開(kāi)始發(fā)生頸縮時(shí)的最大應(yīng)力。§ n還決定了材料能夠產(chǎn)生的最大均勻應(yīng)變量，這一數(shù)值在冷加工成型工藝中是很重要的。§ 大多數(shù)金屬材料n在0.10.5之間，與層錯(cuò)能、冷熱變形有關(guān)§     對(duì)于工作中的零件，材料的加工硬化能力是零件安全使用的可靠保證。§     形變硬化是提高材

9、料強(qiáng)度的重要手段。 三、頸縮條件和抗拉強(qiáng)度 § 1.頸縮條件 § 出現(xiàn)頸縮時(shí)正是相當(dāng)于負(fù)荷-變形曲線上的最大載荷處，因此，應(yīng)有dF=0§ dF=d(S·A)=AdS+SdA=0§ 即 -dA/A=dS/S又按體積不變定理有 dL/L=-dA/A=de§ 故有  dS/de=S § 頸縮的條件:§ 當(dāng)加工硬化速率等于該處的真應(yīng)力時(shí)§ 或當(dāng)硬化指數(shù)等于最大真實(shí)均勻塑性應(yīng)變量時(shí)n=eB§ 2.抗拉強(qiáng)度§ （1）定義：韌性金屬試樣拉斷過(guò)程中最大試驗(yàn)力（Fb）所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力§

10、b只代表金屬材料所能承受的最大拉伸應(yīng)力，表征金屬材料對(duì)最大均勻塑性變形的抗力§ （2）實(shí)際意義：§ 1）標(biāo)志韌性金屬材料在靜拉伸條件下的實(shí)際承載能力（但不作為設(shè)計(jì)參數(shù)）§ 2）對(duì)脆性材料即為斷裂強(qiáng)度，用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)其許用應(yīng)力以b為依據(jù)。§ 3）b的高低決定于屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù)。§ 4）b與HB、-1之間有一定關(guān)系：b1/3HB，-11/2b（淬火回火鋼）四、塑性 § 1、塑性與塑性指標(biāo)§ 塑性材料斷裂前發(fā)生不可逆永久（塑性）變形的 能力§ 塑性指標(biāo)：斷后伸長(zhǎng)率d（最大試驗(yàn)力下的總伸長(zhǎng)率d gt）§ 斷

11、面收縮率y § 2、塑性的實(shí)際意義§ 塑性指標(biāo)是安全力學(xué)性能指標(biāo)（對(duì)靜載下工作的機(jī)件，要求材料具有一定塑性，以防偶然過(guò)載時(shí)突然破壞）§ 金屬的成形加工（如軋制、擠壓）和機(jī)器裝配、修復(fù)工序要求一定塑性§ 金屬材料的塑性常與強(qiáng)度性能有關(guān)：塑性越高，強(qiáng)度一般較低、屈強(qiáng)比越小 §§1.4 金屬材料的斷裂§ 一、斷裂的類型§ 機(jī)件的三種主要失效形式：§ 磨損、腐蝕、斷裂（危害最大）§ 斷裂 § 1、韌性斷裂與脆性斷裂（按斷裂前有無(wú)明顯的塑性變形）§ 脆、韌斷裂的劃分：<5% 脆斷

12、 >5%為韌斷 (光滑拉伸試樣的斷面收縮率)§ 韌性斷裂：斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂§ 特點(diǎn)：1）斷裂有一個(gè)緩慢的撕裂過(guò)程，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中不斷消耗能量§ 2）斷裂面一般平行于最大切應(yīng)力并與主應(yīng)力成45度角§ 3）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§ 影響這三個(gè)區(qū)比例的主要因素是材料強(qiáng)度和試驗(yàn)溫度。一般材料強(qiáng)度提高，塑性降低，則放射區(qū)比例增大；試樣尺寸加大，放射區(qū)增大明顯，而纖維區(qū)變化不大 § 2、正斷與切斷（按斷裂面的取向）§ 正斷：斷裂垂直于最大正應(yīng)力§ 切斷

13、：沿著最大切應(yīng)力方向斷開(kāi)§ 注意：正斷不一定就是脆斷，正斷也可以有明顯的塑性變形。但切斷是韌斷，反過(guò)來(lái)韌斷就不一定是切斷了。§ 3、穿晶斷裂與沿晶斷裂（按裂紋擴(kuò)展的途徑）§ 穿晶斷裂：裂紋穿過(guò)晶內(nèi)（韌斷或脆斷）§ 沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴(kuò)展（多為脆斷），斷口呈冰糖狀（如應(yīng)力腐蝕、氫脆、回火脆性、淬火裂紋、磨削裂紋等）§ 沿晶斷裂產(chǎn)生原因：晶界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)脆性第二相、夾雜物破壞了晶界的連續(xù)性；或雜質(zhì)元素向晶界偏聚引起。§ 4、純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂（按斷裂機(jī)理）§ 剪切斷裂：在切應(yīng)力作用下沿滑移面分離而造

14、成的滑移面分離斷裂§ 純剪切斷裂：完全由滑移流變?cè)斐蓴嗔鸭兘饘儆绕涫菃尉w§ 微孔聚集型斷裂：通過(guò)微孔形核、長(zhǎng)大聚合而導(dǎo)致分離常用金屬材料§ 解理斷裂：金屬材料在一定條件下（如低溫、應(yīng)變速率較高，或是有三向拉應(yīng)力狀態(tài)），當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學(xué)平面（解理面）產(chǎn)生的穿晶斷裂脆斷§ 穿晶的解理斷裂常見(jiàn)于bcc和hcp金屬中。§ 解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面（如bcc金屬的解理面為(100) 二、解理斷裂 § 1、解理裂紋的形成和擴(kuò)展§ 裂紋形成«塑性變形¬位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

15、7; 甄納-斯特羅位錯(cuò)塞積理論§ 當(dāng)位錯(cuò)塞積頭處的應(yīng)力集中不能為塑性變形所松弛，則塞積頭處的最大拉應(yīng)力fmax 能夠等于理論斷裂強(qiáng)度m而形成裂紋。§ 解理斷裂過(guò)程：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§ 屈服時(shí)產(chǎn)生解理斷裂的判據(jù)：§ 晶粒直徑（或第二相質(zhì)點(diǎn)間距）d¯，裂紋擴(kuò)展所需的應(yīng)力或裂紋體的實(shí)際斷裂強(qiáng)度 ­ § 柯垂耳位錯(cuò)反應(yīng)理論§ 柯垂耳為解釋晶內(nèi)解理和bcc晶體中的解理面而提出§ 裂紋成核：位錯(cuò)反應(yīng)形成不動(dòng)位錯(cuò)®位錯(cuò)群塞積®

16、裂紋 2、解理斷裂的微觀斷口特征 § 解理斷裂§ 基本微觀特征：解理臺(tái)階、河流花樣、舌狀花樣 § 準(zhǔn)解理§ 常見(jiàn)于淬火回火的高強(qiáng)度鋼中，或者是組織為貝氏體的鋼中（彌散細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)影響裂紋形成與擴(kuò)展）§ 與解理斷裂的共同點(diǎn)：均為穿晶斷裂；有小解理刻面；有河流花樣§ 不同點(diǎn)：準(zhǔn)解理小刻面不是晶體學(xué)解理面。真正解理裂紋常源于晶界，而準(zhǔn)解理裂紋常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣三、微孔聚合斷裂 § 1、微孔形核和長(zhǎng)大§ 微孔聚集斷裂過(guò)程：微孔成核、長(zhǎng)大、聚合、斷裂§ 微孔成核：第二相或夾雜物

17、質(zhì)點(diǎn)破裂；第二相或夾雜物與基體界面脫離 § 2、斷口特征：韌窩(即凹坑) § 等軸狀韌窩：微孔在垂直于正應(yīng)力的平面上各方向長(zhǎng)大傾向相同（如拉伸時(shí)頸縮試樣的中心部分）§ 拉長(zhǎng)韌窩：在扭轉(zhuǎn)載荷或雙向不等拉伸條件下，因切應(yīng)力作用而形成。斷口上韌窩方向相反（如拉伸試樣剪切唇部分）§ 撕裂韌窩：max 沿截面分布不均，在邊緣部分很大（表面有缺口或裂紋的試樣斷口）§ 注意：微孔聚集斷裂一定有韌窩存在，但有韌窩出現(xiàn)不一定就是韌性斷裂§ 第2章 金屬在其它靜載荷下的力學(xué)性能研究金屬材料在常溫靜載下力學(xué)性能：§ 拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)

18、7; 不同加載方式在試樣中產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)不同，材料所表現(xiàn)出的力學(xué)行為不完全相同 §2.1 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) § 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)：表示應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料塑性變形的影響式中最大切應(yīng)力max按第三強(qiáng)度理論計(jì)算，即max=(1-3)/2 ，1，3分別為最大和最小主應(yīng)力。§ 最大正應(yīng)力max按第二強(qiáng)度理論計(jì)算，即 , 為泊松比§ 對(duì)單向拉伸 0.5 § 對(duì)扭轉(zhuǎn) 0.8 § 對(duì)單向壓縮2 § § 值表示材料塑性變形的難易程度：§ ­，切應(yīng)力分量越大，材料越易塑性變形，不易引起脆斷應(yīng)力狀態(tài)越“軟”；反之則越“硬

19、”  §2.2 壓縮 § 一、壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)§ 1）單向壓縮試驗(yàn)2，比拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲的應(yīng)力狀態(tài)都軟，所以主要用于拉伸時(shí)呈脆性的金屬材料力學(xué)性能測(cè)定§ 2）拉伸時(shí)塑性很好的材料在壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變形而不會(huì)斷裂。§ 二、壓縮試驗(yàn)§ 試樣：截面圓形或正方形，長(zhǎng)度為直徑或邊長(zhǎng)的2.53.5倍§ 抗壓強(qiáng)度：試樣壓至破壞過(guò)程中的最大應(yīng)力 § （壓縮屈服點(diǎn) ： 試驗(yàn)時(shí)金屬產(chǎn)生明顯屈服現(xiàn)象） §2.3 彎曲 § 一、彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用§ 1）試樣形狀簡(jiǎn)單、操作方便。同時(shí)彎曲試驗(yàn)不存在拉伸

20、試驗(yàn)時(shí)的試樣偏斜對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響問(wèn)題，并可用繞度顯示材料的塑性。常用于測(cè)定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質(zhì)合金等脆性和低塑性材料的斷裂強(qiáng)度。§ 2）試驗(yàn)時(shí)，試樣截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力最大，可靈敏的反映材料表面缺陷。常用來(lái)比較和鑒定滲碳層和表面淬火層等機(jī)件的質(zhì)量與性能。§ 3）試驗(yàn)時(shí)不能使塑性較好的材料斷裂，故其Ffmax曲線的最后部分可任意延長(zhǎng)。 § 二、彎曲試驗(yàn)及力學(xué)性能§ 三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)：將圓形或矩形及方形試樣放置在一定跨距L的支座上，通過(guò)記錄彎曲力F和試樣撓度f(wàn)之間的關(guān)系，通常求出斷裂時(shí)的抗彎強(qiáng)度和最大撓度，以表示材料的強(qiáng)度和塑性。 &

21、#167; 1）試樣彎曲時(shí)，受拉側(cè)表面的最大正應(yīng)力：§ 式中M最大彎矩。對(duì)三點(diǎn)彎曲 M=FLs/4；對(duì)四點(diǎn)彎曲M=FL/2。§ W抗彎截面系數(shù)。對(duì)于直徑為d的圓形試樣， ；對(duì)于寬度為b，高為h的矩形試樣，W=bh2/6§ 2）計(jì)算脆性材料的抗彎強(qiáng)度：§ （Mb為斷裂時(shí)的彎矩,讀出Fbb） §2.4 扭轉(zhuǎn)§ 一、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)§ 1）應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)0.8（大于拉伸時(shí)），易于顯示金屬的塑性行為（如可評(píng)定在拉伸時(shí)呈脆性的淬火結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼的塑性）。§ 2）扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)試樣截面上應(yīng)力分布不均勻，表面最大，越往心部越小?？蓪?duì)

22、各種表面強(qiáng)化工藝進(jìn)行研究和檢查機(jī)件熱處理的表面質(zhì)量。§ 3）圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)試樣長(zhǎng)度上的塑性變形始終是均勻的，無(wú)頸縮現(xiàn)象。因此，可用于精確評(píng)定拉伸時(shí)出現(xiàn)頸縮的高塑性金屬材料的形變能力和形變抗力。用熱扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可確定材料在熱加工(軋制、鍛造、擠壓)時(shí)的最佳溫度。§ 4）扭轉(zhuǎn)時(shí)試樣中的正應(yīng)力與切應(yīng)力在數(shù)值上大體相等。§ 當(dāng)扭轉(zhuǎn)沿著橫截面斷裂時(shí)為切斷，而由最大正應(yīng)力引起斷裂時(shí)，斷口呈螺旋狀與縱軸成45°。二、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和力學(xué)性能指標(biāo) § 一般采用圓柱形試樣(d0=10mm，L050或100)在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。§ 扭矩扭角（T-j）曲線&

23、#167; 試樣在彈性范圍內(nèi)表面的切應(yīng)力和切應(yīng)變?yōu)閃為試樣抗扭截面系數(shù)，圓柱試樣為扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能指標(biāo)§ 切變模量G（在彈性范圍內(nèi)，切應(yīng)力與切應(yīng)變之比）：§ 扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn) （Ts為屈服時(shí)的扭矩） § 抗扭強(qiáng)度§ （Tb為扭斷前承受的最大扭矩） §2.5 缺口試樣靜載荷試驗(yàn) § 一、缺口效應(yīng)及對(duì)材料性能的影響§ 缺口效應(yīng)：由于缺口（截面變化，如鍵槽、油孔、軸肩、螺紋）的存在，在靜載荷作用下，缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化§ 應(yīng)力集中系數(shù):表示缺口引起的應(yīng)力集中程度（在彈性范圍內(nèi)，與材料性質(zhì)無(wú)關(guān)，只決定于缺口幾何形狀）

24、67; max 、分別為§ 缺口凈截面上的§ 最大應(yīng)力與平均應(yīng)力。二、 材料在靜載下的缺口強(qiáng)度試驗(yàn) § 1、缺口靜拉伸試驗(yàn)（軸向拉伸和偏斜拉伸）§ 為了比較各種材料對(duì)缺口敏感的程度 § 材料在缺口靜拉伸時(shí)的力學(xué)行為：§ 1）對(duì)塑性好的材料，缺口使材料的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度升高，但塑性降低，是謂“缺口強(qiáng)化”。缺口試樣的強(qiáng)度不會(huì)超過(guò)光滑試樣強(qiáng)度的三倍。§ 2）對(duì)于脆性材料，由于缺口造成的應(yīng)力集中，不會(huì)因塑性變形而使應(yīng)力重新分布，因此缺口試樣的強(qiáng)度只會(huì)低于光滑試樣。§ 缺口敏感度NSR(Notch Sensitivity

25、Ratio)： 衡量靜拉伸下缺口敏感度指標(biāo)§ NSR越大，缺口敏感性越小，對(duì)于脆性材料如鑄鐵、高碳工具鋼，其NSR<1，說(shuō)明這些材料對(duì)缺口是很敏感的。高強(qiáng)度材料的NSR一般也小于1。塑性材料一般NSR大于1。 2、缺口靜彎試驗(yàn) § 光滑試樣的靜彎試驗(yàn)主要用來(lái)評(píng)定工具鋼或一些脆性材料的力學(xué)性能，而缺口試樣的靜彎試驗(yàn)則用來(lái)評(píng)定或比較結(jié)構(gòu)鋼的缺口敏感度和裂紋敏感度。 § 如圖 曲線下所包圍的面積表示試樣從變形到斷裂的總功（包括彈性變形功、塑性變形功、斷裂功）§ 在這3部分功中以斷裂功最為重要，通常以斷裂功的大小或者Pmax/P的大小來(lái)表示缺口敏感度。斷裂

26、功或Pmax/P大，缺口敏感性小。 §2.6 硬度 § 一、金屬硬度的概念§ 硬度：表征材料軟硬程度的性能，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。§ 試驗(yàn)方法：刻劃硬度、回跳硬度(肖氏硬度)和壓入硬度。§ 由于壓入法型(側(cè)壓)加載方式屬于極“軟”性的應(yīng)力狀態(tài)，a>2，即最大切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大正應(yīng)力，所以在這種加載方式下幾乎所有金屬材料都會(huì)發(fā)生塑性變形，適用于各種塑性、脆性材料。 § 二、硬度試驗(yàn)§ 1、布氏硬度§ 原理：鋼球、硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^；測(cè)壓痕直徑d（查表或計(jì)算）§ HB

27、S（鋼球壓頭）適用于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼及鑄鐵、有色合金等硬度小于450HB的較軟金屬；§ HBW（硬質(zhì)合金壓頭）適用于測(cè)量硬度值在650HB以下的較硬材料 § 布氏硬度試驗(yàn)規(guī)程 § 要保證所得壓入角j相等，必須使P/D2為一常數(shù)，只有這樣才能保證對(duì)同一材料得到相同的HB值§ 壓痕直徑d和鋼球直徑D：§ 0.2D<d<0.5D§ 加載時(shí)間：黑色金屬1015s§ 有色金屬30s§ 布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍§ 優(yōu)點(diǎn)：壓痕面積較大，代表性全面，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

28、能數(shù)據(jù)，故特別適宜于測(cè)定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶粒或粗大組成相的金屬材料。試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)從小到大都可以統(tǒng)一起來(lái)。 § 缺點(diǎn)：對(duì)不同材料需更換壓頭直徑和改變?cè)囼?yàn)力，壓痕直徑測(cè)量麻煩，因而用于自動(dòng)檢測(cè)時(shí)受到限制；由于壓痕較大，不宜于成品檢驗(yàn)，也不宜于薄件試驗(yàn)。2、洛氏硬度 HR§ 原理：以頂角120°的金剛石錐體或直徑1.588mm的淬火鋼球?yàn)閴侯^，測(cè)量壓痕深度可直接從硬度計(jì)表盤(pán)讀出硬度值§ 常用洛氏硬度的試驗(yàn)條件和應(yīng)用§  洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)§ 優(yōu)點(diǎn)： 1)因有硬質(zhì)、軟質(zhì)兩種壓頭，故適于各種不同硬質(zhì)材料的檢驗(yàn)，不

29、存在壓頭變形問(wèn)題； 2)壓痕小，不傷工件表面；  3)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(yàn)。§ 缺點(diǎn)：1）壓痕較小，代表性差；2）所測(cè)硬度值重復(fù)性差，分散度大；3）用不同硬度級(jí)測(cè)得的硬度值無(wú)法統(tǒng)一起來(lái)，無(wú)法進(jìn)行比較。 3、維氏硬度HV （顯微硬度）§ 原理：基本同布氏硬度，區(qū)別在于壓頭采用錐面夾角為136°的金剛石正四棱維體，壓痕為正四方錐形，測(cè)量壓痕對(duì)角線的平均長(zhǎng)度d。§ 優(yōu)缺點(diǎn)§ 優(yōu)點(diǎn)：它不存在布氏那種負(fù)荷P和壓頭直徑D的規(guī)定條件的約束，以及壓頭變形問(wèn)題；也不存在洛氏那種硬度值無(wú)法統(tǒng)一的問(wèn)題。§

30、 1）載荷可任選（49980N）（采用四方角錐，當(dāng)負(fù)荷改變時(shí)壓入角不變）；2）壓痕測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)精確。3）和洛氏一樣可以試驗(yàn)任何軟硬的材料，并且比洛氏能更好地測(cè)試極薄件(或薄層)的硬度。§ 缺點(diǎn)：硬度值需通過(guò)測(cè)量對(duì)角線后才能計(jì)算(或查表)出來(lái)，因此生產(chǎn)效率沒(méi)有洛氏高。 本章小結(jié)§ 材料在靜載下的力學(xué)性能除采用拉伸試驗(yàn)方法測(cè)定外，還常采用扭轉(zhuǎn)、彎曲、壓縮等試驗(yàn)方法。§ 幾種加載方式下都存在彈性變形、塑性變形和斷裂這三個(gè)階段，但由于加載方式不同，即試樣中的應(yīng)力狀態(tài)不同，在這三個(gè)階段中所反映出來(lái)的性能在量或質(zhì)上都有各自的特點(diǎn)。§ 缺口的一個(gè)重要效應(yīng)是引起應(yīng)力

31、集中，改變?nèi)笨谇胺降膽?yīng)力狀態(tài)。§ 脆性或低塑性材料在進(jìn)行缺口試樣拉伸時(shí)，很難通過(guò)缺口根部極為有限的塑性變形來(lái)使應(yīng)力重新分布，往往直接由彈性變形過(guò)渡到斷裂。無(wú)論是脆性材料或塑性材料，其機(jī)件上的缺口都因造成兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變集中而產(chǎn)生變脆傾向，降低了使用的安全性。§ 采用缺口試樣的靜拉伸、偏斜拉伸和缺口試樣的靜彎曲試驗(yàn)，可以評(píng)定不同材料的缺口變脆傾向。§ 硬度不是材料獨(dú)立的力學(xué)性能，其物理意義隨試驗(yàn)方法而不同。§ 壓入硬度綜合反映了材料的彈性、微量塑變抗力、形變強(qiáng)化能力以及大量塑變抗力等性能。第3章 金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能 § 沖擊載

32、荷：加載速率高，應(yīng)變率大于10-2/s，金屬力學(xué)性能會(huì)發(fā)生顯著變化§ 加載速率：指載荷施加于試樣或機(jī)件時(shí)的速率，用單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力增加的數(shù)值表示 應(yīng)變率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)應(yīng)變的變化量§ 提高應(yīng)變率將使金屬材料的變脆傾向增大，因此沖擊力學(xué)性能試驗(yàn)可以揭示金屬材料在高應(yīng)變率下的脆斷趨勢(shì)。§3.1 沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點(diǎn) § 應(yīng)變率對(duì)金屬材料的彈性行為及彈性模量沒(méi)有影響（因沖擊彈性變形總能緊跟上沖擊外力的變化），但對(duì)塑性變形、斷裂及有關(guān)的力學(xué)性能卻有顯著影響:§ 1）在沖擊載荷作用下滑移臨界切應(yīng)力增大，金屬產(chǎn)生附加強(qiáng)化；§ 2）在沖擊載荷作

33、用下塑性變形難于充分進(jìn)行，變形極不均勻，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度提高；§ 3）大多數(shù)情況下，缺口試樣沖擊試驗(yàn)時(shí)的塑性比類似靜載試驗(yàn)的要低。在高速變形下，某些金屬可能顯示較高塑性，如密排六方金屬爆炸成形§3.2 沖擊彎曲和沖擊韌性§ 沖擊韌性：指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，常以標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功（AK）表示§ 1、沖擊彎曲試驗(yàn)§ 擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)§ 試樣缺口位于沖擊相背方向，擺錘軸線與缺口中心線一致  Ak=G(H1H2) （ J ）§ 擺錘沖擊試樣時(shí)的速度約為每秒5米，應(yīng)變速率約為103S-1。

34、 § 試樣：夏比U型缺口（AkU） 夏比V型缺口（AkV）§ 注意：鑄鐵或工具鋼等脆性材料，常采用無(wú)缺口沖擊試樣（10×10×55mm）§ 2、沖擊彎曲試驗(yàn)的應(yīng)用 § 缺口沖擊試驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)就是測(cè)量迅速簡(jiǎn)便§    1）用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。 §    2）用來(lái)評(píng)定材料的冷脆傾向（測(cè)定韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。設(shè)計(jì)時(shí)要求機(jī)件的服役溫度高于材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 §3.3 低溫脆性 § 一、低溫脆性現(xiàn)象&

35、#167; 低溫脆性隨溫度降低，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象 § 冷脆：材料因溫度降低導(dǎo)致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象§ 低溫脆性產(chǎn)生原因：屈服強(qiáng)度隨溫度降低急劇增加§ 如圖：高于tk時(shí)，c > s，材料受載后先屈服再斷裂，為韌性斷裂； 低于tk時(shí)，外加應(yīng)力先達(dá)到c ，表現(xiàn)為脆斷二、韌脆轉(zhuǎn)變溫度（tk）韌性指標(biāo)§ 1、測(cè)試§ 在不同溫度下進(jìn)行沖擊彎曲試驗(yàn)，根據(jù)吸收功、塑性變形量或斷口形貌隨溫度的變化作出曲線，求出tk (1)按斷口形貌特征: 通常取結(jié)晶區(qū)占整個(gè)斷口面積50的溫度為tk，記為FATT50或50FAT

36、T（斷口形貌轉(zhuǎn)換溫度）§ (2)能量標(biāo)準(zhǔn):以某一固定能量來(lái)確定tk § 1）NDT（無(wú)塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度）：在其下，斷口由100%結(jié)晶區(qū)（解理區(qū)）組成§ 2）FTP：高于其，得到100%纖維狀斷口§ 3）FTE：以低階能和高階能平均值對(duì)應(yīng)的溫度定義tk§ 2、按tk的高低來(lái)選擇材料§ （或根據(jù)材料的 tk來(lái)判定其最低使用溫度） t0 tk +（4060）§ 三、落錘試驗(yàn)和斷裂分析圖(簡(jiǎn)稱FAD)§ 1、落錘試驗(yàn)測(cè)定全厚鋼板的NDT§ 原理：選用不同的溫度進(jìn)行系列試驗(yàn)，測(cè)出試樣（厚度與實(shí)際板厚相同）開(kāi)裂的

37、最高溫度（NDT）§ 如試驗(yàn)溫度低于NDT，則裂紋就可自拉伸面橫穿板的寬度直至邊緣，NDT是產(chǎn)生無(wú)塑性破壞的最高溫度 。§ 目前NDT已成為低強(qiáng)度鋼構(gòu)件防止脆性斷裂設(shè)計(jì)根據(jù)的一部分。§ 2、斷裂分析圖(簡(jiǎn)稱FAD)§ 表示了許用應(yīng)力、缺陷和溫度三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，明確提供了低強(qiáng)度鋼構(gòu)件在溫度、應(yīng)力和缺陷聯(lián)合作用下脆性斷裂開(kāi)始和終止的條件。§3.4 影響材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素 § 1）材料成份§ 隨著鋼中含碳量的增加，冷脆轉(zhuǎn)化溫度幾乎呈線性地上升，且最大沖擊值也急劇降低。鋼的含碳量每增加0.1，冷脆轉(zhuǎn)化溫度升高約為13.9

38、。鋼中含碳量的影響，主要?dú)w結(jié)為珠光體增加了鋼的脆性。 § 2）晶粒大小§ 細(xì)化晶粒一直是控制材料韌性避免脆斷的主要手段。理論與實(shí)驗(yàn)均得出冷脆轉(zhuǎn)化溫度與晶粒大小有定量關(guān)系。 § 3）顯微組織§ 在給定強(qiáng)度下，鋼的冷脆轉(zhuǎn)化溫度決定于轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。就鋼中各種組織來(lái)說(shuō)，珠光體有最高的脆化溫度，按照脆化溫度由高到低的依次順序?yàn)椋褐楣怏w，上貝氏體，鐵素體，下貝氏體和回火馬氏體。 § 除了材質(zhì)因素外，材料的tk還受試樣尺寸和形狀、加載速率等外部因素影響。 1）試樣尺寸增加，應(yīng)力狀態(tài)變硬，脆性增大；缺口尖銳度增加， tk也顯著升高。 2）提高加載速率使材料脆性增大

39、，tk升高。（一般中、低強(qiáng)度鋼的tk對(duì)加載速率比較敏感，而高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼則較?。┍菊滦〗Y(jié)§ 1、評(píng)定加載速率和缺口效應(yīng)對(duì)材料韌性的影響，需要進(jìn)行缺口沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定材料的沖擊韌性。§ 沖擊韌性是指材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功表示。§ 工程技術(shù)上常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定材料抗沖擊載荷的能力。 § 2、隨溫度降低，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象稱為低溫脆性。§ 在不同溫度下進(jìn)行沖擊彎曲試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果作出沖擊吸收功與溫度關(guān)系曲線、斷口形貌中各區(qū)所占面積和溫度的關(guān)系曲線，以及試樣斷裂后塑性變形

40、量和溫度的關(guān)系曲線，根據(jù)這些曲線即可求出冷脆轉(zhuǎn)變溫度。§ 3、影響沖擊韌性和冷脆轉(zhuǎn)變溫度的因素有化學(xué)成分、晶粒尺寸、顯微組織等材質(zhì)因素以及試樣尺寸、形狀、加載速率等外部因素。第四章 斷裂力學(xué)與斷裂韌度§ 經(jīng)典的強(qiáng)度理論無(wú)法解釋為什么工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度時(shí)會(huì)發(fā)生所謂低應(yīng)力脆斷的現(xiàn)象。§ 斷裂力學(xué)：研究帶裂紋體的力學(xué)，它給出了含裂紋體的斷裂判據(jù)，并提出一個(gè)材料固有性能的指標(biāo)斷裂韌性，用它來(lái)比較各種材料的抗斷能力。§4.1 材料的斷裂理論§ 1、理論斷裂強(qiáng)度§ 決定材料強(qiáng)度的最基本因素是原子間結(jié)合力（­，則彈性模量­

41、;、熔點(diǎn)­）§ 理想晶體脆性（解理）斷裂的理論斷裂強(qiáng)度（在外加正應(yīng)力作用下，將晶體的兩個(gè)原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應(yīng)力）：§ 實(shí)際金屬材料中一定存在某種缺陷，使斷裂強(qiáng)度顯著下降（實(shí)際斷裂應(yīng)力僅為理論的1/101/1000） § 2、斷裂強(qiáng)度的裂紋理論§ （1）格雷菲絲裂紋理論§ 基本觀點(diǎn)：實(shí)際材料中已存在裂紋，當(dāng)平均應(yīng)力還很低時(shí)，局部應(yīng)力集中已達(dá)到很高數(shù)值（達(dá)到m），從而使裂紋快速擴(kuò)展并導(dǎo)致脆斷§ 根據(jù)能量平衡原理計(jì)算（薄板）： 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界應(yīng)力: （即實(shí)際斷裂強(qiáng)度） 裂紋臨界尺寸： （格雷菲絲裂紋）Ø

42、 一、裂紋擴(kuò)展的基本形式§ 含裂紋的金屬零部件，根據(jù)外加應(yīng)力與裂紋擴(kuò)展面的取向關(guān)系，裂紋擴(kuò)展有三種基本形式（如圖）： § (1)張開(kāi)型(或稱拉伸型)裂紋 §     外加正應(yīng)力垂直于裂紋面，在應(yīng)力作用下裂紋尖端張開(kāi)，擴(kuò)展方向和正應(yīng)力垂直。如軸的橫向裂紋在軸向拉力或彎曲力作用下的擴(kuò)展。§ (2)滑開(kāi)型(或稱剪切型)裂紋§     剪切應(yīng)力平行于裂紋面，裂紋滑開(kāi)擴(kuò)展。如輪齒或花鍵根部沿切線方向的裂紋引起的斷裂，或者一個(gè)受扭轉(zhuǎn)的薄壁圓筒上的環(huán)形裂紋。§ (3)撕開(kāi)型裂紋§

43、     在切應(yīng)力作用下，一個(gè)裂紋面在另一裂紋面上滑動(dòng)脫開(kāi)，裂紋前緣平行于滑動(dòng)方向，如同撕布一樣。如軸的縱、橫裂紋在扭矩作用下的擴(kuò)展§ 二、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K及斷裂韌度Kc§ 1、裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)§ 假設(shè)無(wú)限大板，其中有2a長(zhǎng)的型裂紋，在無(wú)限遠(yuǎn)處作用有均勻拉應(yīng)力。如用極坐標(biāo)表示，則裂紋尖端附近各點(diǎn)（r,）的應(yīng)力分量： § 在裂紋延長(zhǎng)線上（0）：§ 可見(jiàn)在x軸上裂紋尖端的切應(yīng)力分量為零，拉應(yīng)力分量最大，裂紋最易沿x軸方向擴(kuò)展。§ 2、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K描寫(xiě)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度的力學(xué)參量§ 裂紋尖端區(qū)域

44、各點(diǎn)的應(yīng)力分量除了決定其位置（ r, ）外，還與強(qiáng)度因子K有關(guān)§ 型裂紋應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的一般表達(dá)式（表4-1） ： § § 式中Y為裂紋形狀系數(shù)，無(wú)量綱，一般取12§ K不僅隨外加應(yīng)力和裂紋長(zhǎng)度的變化而變化，也和裂紋的形狀類型及加載方式有關(guān)，但它和材料本身的固有性能無(wú)關(guān)。 § 3、斷裂韌度Kc和斷裂K判據(jù)§ 斷裂韌度Kc反映了材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力（材料本身特性）§ 當(dāng)或a增大時(shí)，K也逐漸增加，當(dāng)K 達(dá)到某一臨界值時(shí)，帶裂紋的構(gòu)件就斷裂了。這一臨界值便稱為Kc（平面應(yīng)力斷裂韌度）或Kc（平面應(yīng)變斷裂韌度）。 § 斷

45、裂K判據(jù)§ 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷的斷裂K判據(jù)：K Kc§ 注意： K和 Kc的區(qū)別§ 工程意義：可估算裂紋體的最大承載能力、允許的裂紋尺寸a以及正確選材、優(yōu)化工藝 § 4、裂紋尖端塑性區(qū)及K的修正§ 金屬材料在裂紋擴(kuò)展前，其尖端附近總要先出現(xiàn)一個(gè)或大或小的塑性變形區(qū)（塑性區(qū)或屈服區(qū)）。如果塑性區(qū)尺寸較裂紋尺寸a及凈截面尺寸為小時(shí)（小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上），即在小范圍屈服下，只要對(duì)K進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚鸭y尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的強(qiáng)弱程度仍可用修正的K來(lái)描述。§ （1）塑性區(qū)的形狀和尺寸 § 表4-2：無(wú)論是平面應(yīng)力或平面應(yīng)變，塑性區(qū)寬度總是

46、與（Kc/s）2成正比。材料的Kc越高，s越低，其塑性區(qū)寬度越大。§ （2）有效裂紋及K的修正§ 有效裂紋長(zhǎng)度：a+ry§ 有效裂紋的塑性區(qū)修正值ry正好是應(yīng)力松弛后塑性區(qū)的半寬（ ryR0/2）§ 修正后的K值（公式4-16）§4.3 斷裂韌度Kc的測(cè)試 § 一、試樣的形狀、尺寸及制備§ 用于測(cè)試Kc 的標(biāo)準(zhǔn)試樣主要是三點(diǎn)彎曲試樣與緊湊拉伸試樣（如圖）。 § 形狀和尺寸的確定：§ 試樣厚度B§ 裂紋長(zhǎng)度a 2.5（Kc/y）2§ 韌帶寬度(W-a)§ 二、測(cè)試方法§

47、; 由條件裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界載荷PQ和裂紋長(zhǎng)度a求出條件KQ§ KQ要有效還需要滿足以下兩個(gè)條件： (1)    (2)§ § 如按上述步驟得到的KQ滿足以上兩個(gè)條件，則KQ有效，KQ即為Kc 。如不滿足，則應(yīng)加大試樣尺寸而重做實(shí)驗(yàn)，新試驗(yàn)尺寸至少為原試樣的1.5倍。  §4.4 影響斷裂韌性Kc的因素 § 一、影響斷裂韌性Kc的因素§ 1、內(nèi)部因素§ 1）化學(xué)成分§ 2）基體相結(jié)構(gòu)和晶粒大小§ 3）雜質(zhì)及第二相§ 4）顯微組織   &

48、#167; 2、外部因素§ 材料的斷裂韌性隨著板材或構(gòu)件截面尺寸的增加而逐漸減小，最后趨于一穩(wěn)定的最低值，即平面應(yīng)變斷裂韌性Kc 。這是一個(gè)從平面應(yīng)力向平面應(yīng)變的轉(zhuǎn)化過(guò)程。§ 1）溫度§ 斷裂韌性隨溫度的變化關(guān)系和沖擊韌性的變化相類似。隨著溫度的降低，斷裂韌性可以有一急劇降低的溫度范圍，低于此溫度范圍，斷裂韌性趨于一數(shù)值很低的下平臺(tái)，溫度再降低也不大改變了。§ 2）應(yīng)變速率§ 增加應(yīng)變速率， Kc （和降低溫度的影響是一致） 第5章 金屬的疲勞§ 零件在交變應(yīng)力作用下?lián)p壞叫做疲勞破壞。§ 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械零件失效中有80以上屬

49、于疲勞破壞。 §5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn) § 一、變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力§ 1、變動(dòng)載荷§ 引起疲勞破壞的外力，指載荷大小、甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷。其在單位面積上的平均值即為變動(dòng)應(yīng)力。§ 規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力即循環(huán)應(yīng)力 § 2、循環(huán)應(yīng)力§ 最大應(yīng)力最小應(yīng)力平均應(yīng)力（+）§ 應(yīng)力幅（-）§ 應(yīng)力比§ 常見(jiàn)的循環(huán)應(yīng)力：1）對(duì)稱交變應(yīng)力（0，1）：大多數(shù)軸類零件，如火車軸的彎曲對(duì)稱交變應(yīng)力、曲軸的扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力§ 2）脈動(dòng)應(yīng)力（>0，0）：如齒輪齒根的循環(huán)彎曲應(yīng)力、軸承應(yīng)力§ 3

50、）波動(dòng)應(yīng)力（>，0<<1）：如發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓的循環(huán)應(yīng)力§ 4）不對(duì)稱交變應(yīng)力：如發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的循環(huán)應(yīng)力 § 二、疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)§ 疲勞金屬機(jī)件或構(gòu)件在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象§ 1、分類§ 按應(yīng)力狀態(tài)：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞及復(fù)合疲勞§ 按環(huán)境和接觸情況：大氣疲勞、腐蝕疲勞、熱疲勞、接觸疲勞§ 按斷裂壽命和應(yīng)力高低：高周疲勞（低應(yīng)力疲勞）、低周疲勞（高應(yīng)力疲勞） § 2、特點(diǎn)§    疲勞是脆性斷裂 斷裂時(shí)并無(wú)明顯的宏觀塑性

51、變形，斷裂前沒(méi)有明顯的預(yù)兆，而是突然地破壞。§    疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，及具有壽命的斷裂 斷裂應(yīng)力很低，常常低于靜載時(shí)的屈服強(qiáng)度。當(dāng)應(yīng)力低于某一臨界值時(shí)，壽命可達(dá)無(wú)限長(zhǎng)。§    疲勞對(duì)缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感 疲勞破壞是從局部開(kāi)始的，所以它對(duì)缺陷具有高度的選擇性 § 三、疲勞宏觀斷口特征§    疲勞損壞有裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展直至最終斷裂三部分（見(jiàn)圖）。§    典型疲勞斷口是由疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終斷

52、裂區(qū)三部份構(gòu)成。§ 疲勞源：光亮度最大§ 疲勞區(qū)：斷口比較光滑并分布有貝紋線§ 瞬斷區(qū)：斷口比疲勞區(qū)粗糙。脆性材料為結(jié)晶狀斷口；若為韌性材料，則在中間平面應(yīng)變區(qū)為放射狀或人字紋斷口，在邊緣平面應(yīng)力區(qū)為剪切唇。 § 四、疲勞破壞機(jī)理§ 1、疲勞裂紋的形成§ 1）駐留滑移帶處形成疲勞裂紋§ 螺型位錯(cuò)發(fā)生交滑移，使位錯(cuò)增殖，滑移線的滑移量增加，最后形成駐留滑移帶并發(fā)展為疲勞裂紋§ 2）擠出脊和浸入溝處形成疲勞裂紋§ 擠出脊和浸入溝的形成：在應(yīng)力循環(huán)每個(gè)前半周期內(nèi)，兩個(gè)取向不同的滑移面上的位錯(cuò)源交替激活，在半周期

53、內(nèi)又交替沿兩個(gè)滑移面的相反方向激活。§ 3）相界面開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋：第二相、夾雜物或與基體界面開(kāi)裂；或其本身開(kāi)裂§ 4）晶界開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋：位錯(cuò)塞積與應(yīng)力集中在循環(huán)應(yīng)力下導(dǎo)致晶界開(kāi)裂 § 2、疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理§ 第一階段：從表面?zhèn)€別侵入溝（或擠出脊）先形成裂紋、隨后主要沿主滑移系方向，以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)展§ 第二階段：裂紋擴(kuò)展與拉應(yīng)力方向垂直。擴(kuò)展速率大，是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展的主要部分。這一階段形成疲勞條帶。 §5.2 疲勞曲線和疲勞力學(xué)性能 § 一、疲勞極限§ 疲勞極限是相當(dāng)于疲勞曲線水平部分所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，它表示材

54、料能經(jīng)受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力§ 若疲勞曲線上沒(méi)有水平部分，常以規(guī)定斷裂循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為疲勞極限§ 對(duì)一般低、中強(qiáng)度鋼 107周次§ 對(duì)高強(qiáng)度鋼 108周次§ 對(duì)鋁合金，不銹鋼 108周次§ 對(duì)鈦合金 107周次§ 1、對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)下的疲勞極限§ 測(cè)定：通常在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上用光滑試樣測(cè)得S-N 曲線（疲勞應(yīng)力-疲勞壽命）§ 注意：這樣測(cè)定的數(shù)據(jù)離散，必須再通過(guò)統(tǒng)計(jì)處理 § 2、不對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)下的疲勞極限§ 常用疲勞圖表示（以a-m疲勞圖為例）§ 疲勞極限r(nóng)由最大

55、循環(huán)應(yīng)力m表示§ 3、不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限§ 同一材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)得的疲勞極限存在一定聯(lián)系式中：§ 鋼： -1p=0.85-1 § 鑄鐵：-1p=0.65-1 t-10.8-1§ 銅及輕合金：t-10.55-1 式中：-1p對(duì)稱拉壓疲勞極限 t-1對(duì)稱扭轉(zhuǎn)疲勞極限 -1對(duì)稱彎曲疲勞極限§ 4、疲勞極限與靜強(qiáng)度間的關(guān)系§ 結(jié)構(gòu)鋼：-1p=0.23(s+b)§ -1=0.27(s+b)§ 鑄鐵：-1p=0.4b -1=0.45b§ 鋁合金：-1p=b+7.5MPa -1=b7.5MPa&#

56、167; 青銅： -1=0.21b § 二、抗疲勞過(guò)載能力§ 1、過(guò)載持久值（有限疲勞壽命）：金屬材料在高于疲勞極限的應(yīng)力下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次§ 意義：表征材料對(duì)過(guò)載負(fù)荷的抵抗能力 § 2、過(guò)載損傷界、過(guò)載損傷區(qū)（圖）3、疲勞累積損傷理論 § 三、疲勞缺口敏感度評(píng)定材料在交變載荷作用下的缺口敏感性§ Kt理論應(yīng)力集中系數(shù)，決定于缺口的幾何形狀與尺寸可查手冊(cè)， Kt >1§ Kf疲勞缺口系數(shù)，為光滑試樣與缺口試樣疲勞極限之比： >1，大小既和缺口的尖銳度有關(guān)也和材料特性有關(guān)§ 0<q

57、<1，當(dāng)q趨近于0時(shí)表示對(duì)缺口完全不敏感，q=1則表示對(duì)缺口十分敏感。 § 四、其它抗疲勞性能§ 1、疲勞裂紋擴(kuò)展率da/dN§ 由圖可見(jiàn)，裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力水平及裂紋長(zhǎng)度有關(guān)。§§ 2、疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值Kth表示材料阻止疲勞裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的性能§ 疲勞裂紋擴(kuò)展的三個(gè)階段(見(jiàn)圖):§ 一般的機(jī)械零件和工程構(gòu)件是不會(huì)以來(lái)作為設(shè)計(jì)指標(biāo)的。因?yàn)閿?shù)值很低，如以來(lái)作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這無(wú)疑是要求工作應(yīng)力很低或者容許的裂紋尺寸很小。§ 疲勞門(mén)檻值除了因應(yīng)力比R的增加而減小外，還和組織有關(guān)。 §5.

58、3 低周疲勞 § 一、低周疲勞§ 材料在交變載荷作用下，疲勞壽命為102105次（即大應(yīng)力低周次）的疲勞斷裂§ 如：飛機(jī)起落架起飛和降落時(shí)（壽命只有幾千次），壓力容器周期的升壓和降壓§ 1、基本規(guī)律§ 低周疲勞交變應(yīng)力較高，往往接近或超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，因而是在塑性應(yīng)變循環(huán)下引起的疲勞斷裂，所以也稱為塑性疲勞或應(yīng)變疲勞 § 特點(diǎn)：1）局部區(qū)域會(huì)產(chǎn)生宏觀塑性變形，致使應(yīng)力應(yīng)變之間不呈直線關(guān)系而形成回線§ 2）因塑性變形量較大，故不能用-N曲線描述材料的疲勞抗力，而應(yīng)改用應(yīng)變-壽命曲線，即曲線。而高周疲勞得到的是-N 曲線（在高

59、周疲勞范圍內(nèi)，由于試樣主要產(chǎn)生的只是彈性變形，塑性變形很小，用應(yīng)變片也很難測(cè)量）。§ 3）有多個(gè)裂紋源§ 4）其壽命決定于塑性應(yīng)變幅 § 2、疲勞硬化與軟化§ 一般說(shuō)來(lái)，對(duì)原始狀態(tài)較軟的材料，在控制應(yīng)變幅恒定的情況下，在循環(huán)加載時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑性變形抗力隨著加載周次增加，這就是硬化現(xiàn)象。反之，原始狀態(tài)為強(qiáng)度或硬度較高的材料，在控制應(yīng)變幅恒定的情況下，會(huì)發(fā)生形變抗力隨周次的增加而降低，這就是軟化現(xiàn)象。§ 材料在循環(huán)加載時(shí)發(fā)生硬化或軟化現(xiàn)象，是在研究低周疲勞時(shí)才被發(fā)現(xiàn)的。十分明顯，材料在循環(huán)加載時(shí)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象是很不利的。 § 二、熱疲勞 由交變

60、熱應(yīng)力引起的破壞§ 造成零件或構(gòu)件熱疲勞的原因可能是：§ 1)零件或構(gòu)件的溫度梯度。§  2)零件或構(gòu)件的溫度差，如管道焊接接頭的熱膨脹。§ 3)由于材料的膨脹系數(shù)不同，如鐵素體鋼與奧氏體鋼的焊接等。 § 三、沖擊疲勞§ 機(jī)件在重復(fù)沖擊載荷作用下的疲勞斷裂§ 當(dāng)試樣破壞前承受的沖擊次數(shù)較少時(shí)（5001000次），試樣斷裂的原因與一次沖擊相同；當(dāng)沖擊次數(shù)N>105時(shí)，破壞后具有典型的疲勞斷口，屬于疲勞斷裂，即沖擊疲勞§ 沖擊疲勞在多次沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，得到A-N曲線。§ 沖擊疲勞(多次沖擊)

61、的特點(diǎn)：§ 1）強(qiáng)度與韌性不同的兩種材料，在其沖擊能量A和沖擊破斷周次N的A-N曲線上存在交點(diǎn)。在交點(diǎn)的上方，即在極高的沖擊能量下，多沖抗力決定于材料的韌性；而在交點(diǎn)的下方，即在較低的沖擊能量下，多沖抗力則主要決定于材料的強(qiáng)度，如圖。§ 2）淬火回火鋼的多沖破斷周次N 隨回火溫度而變化，且在一定溫度回火后會(huì)出現(xiàn)峰值，峰值的位置取決于沖擊能量。當(dāng)沖擊能量降低，峰值向低溫回火方向轉(zhuǎn)移。§ 3）沖擊值對(duì)多沖抗力的影響與材料的強(qiáng)度水平有關(guān)。在低中強(qiáng)度范圍內(nèi)，在相同強(qiáng)度水平下，材料的沖擊值對(duì)多沖抗力影響不大。在高強(qiáng)度范圍(b>1275MPa),加入某些合金元素改善馬氏體的塑性，對(duì)材料的多沖抗力的提高產(chǎn)生有利影響。§§5.4 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素 疲勞斷裂一般從機(jī)件表面應(yīng)力集中處或材料缺陷處發(fā)生，或從二者結(jié)合處發(fā)生。§ 一、表面狀態(tài)的影響§ 1、應(yīng)力集中§ 2、表面粗糙度§ 二、殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響§ 三、材料成分及組織的影響§ 1、合金成分§ 2、顯微組織§ 3、非金屬夾雜物及冶金缺陷提高疲勞強(qiáng)度的途徑:§ 如果零件承受的應(yīng)力幅或應(yīng)變幅很小，主要發(fā)生的是彈性變形，也就是要求零件有