第1章 金屬的力學性能與結(jié)構(gòu)-1

1、機機 械械 工工 程程 概概 論論 Introduction to mechanical engineering 張力菠張力菠南京航空航天大學經(jīng)濟與管理學院南京航空航天大學經(jīng)濟與管理學院第第1章章2對象對象：從原材料到成品（零件和機器）的制造全過程；：從原材料到成品（零件和機器）的制造全過程；零件零件/機器制造全過程機器制造全過程，包含哪些過程？，包含哪些過程？采用適當?shù)牟牧喜捎眠m當?shù)牟牧喜捎眠m當?shù)墓に嚪椒ú捎眠m當?shù)墓に嚪椒ǜ淖儾牧闲螤詈托阅芨淖儾牧闲螤詈托阅芰慵圃烊^程零件制造全過程的最終目的：得到合格的零件。的最終目的：得到合格的零件。第第1章章3機器生產(chǎn)過程熱處理原材料毛坯機器零件熱處

2、理鑄造鍛壓焊接裝配切削加工機器生產(chǎn)過程：原材料機器生產(chǎn)過程：原材料毛坯毛坯零件零件機器機器機器制造方法：原材料選取與改性（熱處理）、毛坯成形（鑄、機器制造方法：原材料選取與改性（熱處理）、毛坯成形（鑄、鍛、焊等）、零件成形（切削加工等）與裝配。鍛、焊等）、零件成形（切削加工等）與裝配。 正確選擇原材料與成形方法、合理確定加工路線關(guān)系到產(chǎn)品正確選擇原材料與成形方法、合理確定加工路線關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、使用壽命、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期與經(jīng)濟效益！的質(zhì)量、使用壽命、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期與經(jīng)濟效益！第第1章章4第第1章章5第第1章章6 一聽就懂、一看就煩、一放就忘、一用就錯！一聽就懂、一看就煩、一放就忘、一用

3、就錯！第第1章章7第第1章章8材料是材料是現(xiàn)代文明三大支柱現(xiàn)代文明三大支柱之一，發(fā)展工業(yè)國民經(jīng)濟的重要物質(zhì)基礎(chǔ)；之一，發(fā)展工業(yè)國民經(jīng)濟的重要物質(zhì)基礎(chǔ)；科技進步推動了材料工業(yè)的發(fā)展，新材料不斷涌現(xiàn)：石油化工發(fā)展促科技進步推動了材料工業(yè)的發(fā)展，新材料不斷涌現(xiàn)：石油化工發(fā)展促進了進了合成材料合成材料的興起和應(yīng)用；的興起和應(yīng)用；1980s特種陶瓷特種陶瓷材料又有很大進展；材料又有很大進展；工程材料按工程材料按化學組成化學組成分為三大系列：分為三大系列：金屬材料金屬材料有機高分子材料（聚合物）有機高分子材料（聚合物）無機非金屬材料無機非金屬材料第第1章章9制造一輛轎車，需用到制造一輛轎車，需用到800多

4、種材料。多種材料。第第1章章10工程材料按工程材料按使用性能使用性能可分可分結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料和和功能材料功能材料兩類兩類：結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料：強調(diào)強度、硬度、塑性、韌性等力學性能，用來制造機器強調(diào)強度、硬度、塑性、韌性等力學性能，用來制造機器零件和工程構(gòu)件的材料零件和工程構(gòu)件的材料；功能材料功能材料：具有特殊的電、磁、光、熱、聲、力、化學性能和理化效具有特殊的電、磁、光、熱、聲、力、化學性能和理化效應(yīng)的各種材料；應(yīng)的各種材料；用于對信息和能量的感受、計測、傳導(dǎo)、顯示、發(fā)射轉(zhuǎn)換用于對信息和能量的感受、計測、傳導(dǎo)、顯示、發(fā)射轉(zhuǎn)換和變換的目的，是現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。和變換的目的，是現(xiàn)代高新技術(shù)

5、發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。第第1章章11美國汽車美國汽車：1980年汽車平均質(zhì)量為年汽車平均質(zhì)量為1500kg，1990年為年為1020kg；每臺車鑄鐵量由每臺車鑄鐵量由225kg降至降至112kg，由，由15%減至減至11%；鋁；鋁合金由合金由4增至增至9；高分子材料由；高分子材料由6增至增至9；汽車重量減輕汽車重量減輕10%可提高燃燒效率可提高燃燒效率7%，減少污染，減少污染10%；從福特公司新車型中使用的主要材料示意圖中可見，黑從福特公司新車型中使用的主要材料示意圖中可見，黑色金屬將大幅減少，鋁、鎂合金用量將大幅增加。色金屬將大幅減少，鋁、鎂合金用量將大幅增加。第第1章章12第第1章章13航空航天

6、航空航天：航空航天材料減重獲得的效益更大，衛(wèi)星減重航空航天材料減重獲得的效益更大，衛(wèi)星減重1kg，可減，可減少發(fā)射推力少發(fā)射推力5kg ；一枚小型洲際導(dǎo)彈，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少一枚小型洲際導(dǎo)彈，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少1kg，有效載荷不變，有效載荷不變，可增加射程約可增加射程約15km，可減輕導(dǎo)彈起飛質(zhì)量約，可減輕導(dǎo)彈起飛質(zhì)量約50kg ；航空器飛行速率與效益的關(guān)系示意圖航空器飛行速率與效益的關(guān)系示意圖導(dǎo)彈殼體材料與導(dǎo)彈射程的關(guān)系示意圖導(dǎo)彈殼體材料與導(dǎo)彈射程的關(guān)系示意圖第第1章章14飛行速度與效益飛行速度與效益導(dǎo)彈的殼體材料與導(dǎo)彈射程的關(guān)系導(dǎo)彈的殼體材料與導(dǎo)彈射程的關(guān)系第第1章章15案例：世貿(mào)大樓倒塌案例：世貿(mào)大

7、樓倒塌紐約世貿(mào)大樓曾是世界第一高樓，高紐約世貿(mào)大樓曾是世界第一高樓，高411m，單個塔樓重量約，單個塔樓重量約5萬萬t；撞擊大樓的波音撞擊大樓的波音757飛機起飛重量飛機起飛重量104t，波音，波音767起飛重量起飛重量156t；其飛；其飛行速度大約是每小時行速度大約是每小時1000km；從速度小得多的汽車相撞，可想象飛機對大樓的沖擊力非常巨大。從速度小得多的汽車相撞，可想象飛機對大樓的沖擊力非常巨大。紐約世貿(mào)大廈原貌紐約世貿(mào)大廈原貌第一次撞擊第一次撞擊第二次撞擊第二次撞擊第第1章章16撞擊大樓的波音撞擊大樓的波音757大約可載大約可載35t燃油，波音燃油，波音767可載可載51t燃油，由于是

8、燃油，由于是從美國東部飛往西部的遠程航班，所以機上油箱估計裝滿了燃油；從美國東部飛往西部的遠程航班，所以機上油箱估計裝滿了燃油；起飛后飛機很快改變航線撞擊世貿(mào)大樓，機上燃油消耗很少，幾乎將起飛后飛機很快改變航線撞擊世貿(mào)大樓，機上燃油消耗很少，幾乎將油箱里滿滿的優(yōu)質(zhì)航空燃油都撒到了大樓里，并燃起了熊熊大火；油箱里滿滿的優(yōu)質(zhì)航空燃油都撒到了大樓里，并燃起了熊熊大火；燃燒了一個多小時后，雙塔先后坍塌：燃燒了一個多小時后，雙塔先后坍塌：南樓南樓坍塌坍塌北樓北樓坍塌坍塌案例：世貿(mào)大樓倒塌案例：世貿(mào)大樓倒塌第第1章章17但據(jù)幸存者描述，撞擊使大樓晃動了近但據(jù)幸存者描述，撞擊使大樓晃動了近1m，但整幢大樓無

9、論是內(nèi)部還，但整幢大樓無論是內(nèi)部還是外部并未嚴重塌落，這是大量樓內(nèi)工作人員得以逃生的關(guān)鍵；是外部并未嚴重塌落，這是大量樓內(nèi)工作人員得以逃生的關(guān)鍵；客機撞擊大樓中上部，為何會造成整棟大樓完全倒塌？大樓為何會垂客機撞擊大樓中上部，為何會造成整棟大樓完全倒塌？大樓為何會垂直塌落而不是傾倒？直塌落而不是傾倒？案例：世貿(mào)大樓倒塌案例：世貿(mào)大樓倒塌這些問題的答案，部分牽涉到材料的這些問題的答案，部分牽涉到材料的力學性能力學性能問題，特別是高溫下的問題，特別是高溫下的力學性能。力學性能。第第1章章18案例：泰坦尼克號案例：泰坦尼克號1912年初，英國制造的年初，英國制造的“泰坦尼克號泰坦尼克號”超級豪華巨輪

10、建成下水，超級豪華巨輪建成下水，首航途中撞擊冰山右舷破裂進水，船頭斜插入海，船尾翹上天，首航途中撞擊冰山右舷破裂進水，船頭斜插入海，船尾翹上天，然后從半腰折斷沉入深海，其時巨響震天、濁浪排空、夜色沉沉然后從半腰折斷沉入深海，其時巨響震天、濁浪排空、夜色沉沉浮冰閃爍、人聲驚恐夜色凄愴。浮冰閃爍、人聲驚恐夜色凄愴。幾十年之后，人們才尋覓到它的殘骸，拍攝幾萬張照片，收集船幾十年之后，人們才尋覓到它的殘骸，拍攝幾萬張照片，收集船中物品和金屬碎片分析研究，企圖探索當年沉沒的詳細情景，可中物品和金屬碎片分析研究，企圖探索當年沉沒的詳細情景，可惜原始文獻太少，使深入研究困難重重。惜原始文獻太少，使深入研究困

11、難重重。據(jù)說所用鋼材是當時最好的，是一種含據(jù)說所用鋼材是當時最好的，是一種含S量高的鋼材，所用歐洲鐵量高的鋼材，所用歐洲鐵礦礦90%以上含很難除去的有害雜質(zhì)以上含很難除去的有害雜質(zhì)S、P。S使晶粒粗大變脆，增加使晶粒粗大變脆，增加鋼的熱脆性，鋼的熱脆性，P在鋼中生成低熔點共晶物增加鋼的在鋼中生成低熔點共晶物增加鋼的冷冷脆性脆性。第第1章章19案例：泰坦尼克號案例：泰坦尼克號高強度合金鋼應(yīng)含高強度合金鋼應(yīng)含C量低，提高焊縫的韌性和硬度。添加微量元素可量低，提高焊縫的韌性和硬度。添加微量元素可細化晶粒并提高強度和韌性。由此而采用快冷的熱軋工藝，嚴格控制細化晶粒并提高強度和韌性。由此而采用快冷的熱軋

12、工藝，嚴格控制夾雜物的形態(tài)和濃度。船用不銹鋼一般是含夾雜物的形態(tài)和濃度。船用不銹鋼一般是含Cr1112%的的Fe基合金或基合金或Cr-Ni合金，一種馬氏體或奧氏體不銹鋼，只有它才能有效抵抗酸堿合金，一種馬氏體或奧氏體不銹鋼，只有它才能有效抵抗酸堿氣體和海水的腐蝕。氣體和海水的腐蝕。但從打撈起來的船釘來看，其長但從打撈起來的船釘來看，其長10cm，端口有，端口有平行黑色條紋，呈玻璃顆粒狀夾雜，其雜質(zhì)含量超過平行黑色條紋，呈玻璃顆粒狀夾雜，其雜質(zhì)含量超過9%。冰山撞破船底及側(cè)舷板，同時劃裂冰山撞破船底及側(cè)舷板，同時劃裂6個缺口，海水洶涌灌入艙房，使個缺口，海水洶涌灌入艙房，使船體迅速傾斜，船內(nèi)人、

13、重物因固定螺釘失效而滑向船頭。于是船頭船體迅速傾斜，船內(nèi)人、重物因固定螺釘失效而滑向船頭。于是船頭重量驟增，船尾越翹越高，龐大的船體結(jié)構(gòu)（龍骨）已經(jīng)無法承受如重量驟增，船尾越翹越高，龐大的船體結(jié)構(gòu)（龍骨）已經(jīng)無法承受如此巨大的扭矩，于是頃刻崩斷，并非彎曲，因高此巨大的扭矩，于是頃刻崩斷，并非彎曲，因高S鋼缺少延展性，在鋼缺少延展性，在冰冷（冰冷（-2）的海水中不會收縮，一經(jīng)冰山?jīng)_擊，立即如玻璃一樣迸）的海水中不會收縮，一經(jīng)冰山?jīng)_擊，立即如玻璃一樣迸裂四散，碎片如雨。僅僅在兩小時之內(nèi)人船俱沉，一片凄涼。裂四散，碎片如雨。僅僅在兩小時之內(nèi)人船俱沉，一片凄涼。第第1章章20第第1章章21使用性能使用

14、性能：為滿足零件工作中的功能要求，材料應(yīng)具備的性能，或為滿足零件工作中的功能要求，材料應(yīng)具備的性能，或者說在零件使用條件下材料所表現(xiàn)出來的性能；者說在零件使用條件下材料所表現(xiàn)出來的性能；主要：主要：物理性能物理性能、化學性能化學性能、機械性能機械性能；工藝性能工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)出的性能，即對某種加工方法材料在加工過程中所表現(xiàn)出的性能，即對某種加工方法的適應(yīng)性及難易程度。的適應(yīng)性及難易程度。焊接性焊接性、鑄造性能鑄造性能、切削加工性切削加工性、鍛造性鍛造性等；等；第第1章章22使用性能使用性能熔點熔點密度密度熱膨脹性熱膨脹性導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性導(dǎo)電性導(dǎo)電性磁性磁性零件的使用場合和用途不同，

15、對其物零件的使用場合和用途不同，對其物理性能要求亦不同：理性能要求亦不同：第第1章章23化學性能化學性能：材料在常溫或高溫下抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力，也稱材料在常溫或高溫下抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力，也稱化化學穩(wěn)定性學穩(wěn)定性；抗氧化性抗氧化性抵抗高溫氧化性氣氛腐蝕作用的能力；抵抗高溫氧化性氣氛腐蝕作用的能力；活塞發(fā)動機排氣閥工作溫度達活塞發(fā)動機排氣閥工作溫度達850，噴，噴氣發(fā)動機燃燒室工作溫度達氣發(fā)動機燃燒室工作溫度達1400；耐腐蝕性耐腐蝕性按工作介質(zhì)不同，分按工作介質(zhì)不同，分耐銹蝕性耐銹蝕性、耐酸性耐酸性和和耐堿性耐堿性等；等；耐銹蝕性，耐銹蝕性，指金屬材料在大氣中的耐腐蝕性力。指金屬材料在大

16、氣中的耐腐蝕性力。使用性能使用性能第第1章章24化學性能化學性能：抗氧化性和腐蝕性的抗氧化性和腐蝕性的：常用指標常用指標腐蝕速度腐蝕速度：重量法重量法或或深度法深度法表示；深度法：表示；深度法：毫毫米年米年為單位：為單位：0.1 0.11.0 1.03.0 3.0 10.0 10.0完全抗氧化性完全抗氧化性 抗氧化性抗氧化性 次抗氧化性次抗氧化性 弱抗氧化性弱抗氧化性 不抗氧化性不抗氧化性12345年腐蝕深度年腐蝕深度(毫米年毫米年)分分 類類抗氧化性級別抗氧化性級別使用性能使用性能第第1章章25概念：概念：材料在材料在外力外力作用下所表現(xiàn)出的抵抗能力，又稱作用下所表現(xiàn)出的抵抗能力，又稱機械性

17、能機械性能；分類：分類：強度強度剛度剛度硬度硬度韌性韌性塑性塑性疲勞強度疲勞強度外力即載荷，如拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等。外力即載荷，如拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等。第第1章章26各種外載荷各種外載荷第第1章章27強度強度概念：概念：在靜載荷的作用下，材料抵抗塑性變形及斷裂的能力；在靜載荷的作用下，材料抵抗塑性變形及斷裂的能力；測定：測定：拉伸試驗拉伸試驗：按：按GB228-63標準制成標準制成拉伸試樣拉伸試樣，裝夾在拉伸試驗，裝夾在拉伸試驗機上緩慢加載拉伸，直至拉斷為止；機上緩慢加載拉伸，直至拉斷為止；第第1章章28強度強度拉伸曲線拉伸曲線：用用低碳鋼低碳鋼試樣做拉伸試驗得到的外力試樣

18、做拉伸試驗得到的外力-變形量關(guān)系圖變形量關(guān)系圖； 載載荷荷PS 。S 。e 。p 。b 。k 。pppepspbpklb lu lk內(nèi)力內(nèi)力：在外力作用下，試樣內(nèi)部產(chǎn)生一種與其平衡的力；在外力作用下，試樣內(nèi)部產(chǎn)生一種與其平衡的力；應(yīng)力應(yīng)力：材料單位面積上的內(nèi)力，單位材料單位面積上的內(nèi)力，單位MPa = 1MN/m2，= P/F；應(yīng)變應(yīng)變：材料的伸長量與原長度的比，材料的伸長量與原長度的比，= l / l0 ；根據(jù)拉伸試驗及拉伸曲線圖可得到根據(jù)拉伸試驗及拉伸曲線圖可得到應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變圖應(yīng)變圖。第第1章章29低碳鋼應(yīng)力低碳鋼應(yīng)力- -應(yīng)變圖應(yīng)變圖強度強度第第1章章30強度強度可以看出，在拉伸試驗過

19、程中，低碳鋼試樣經(jīng)過了以下幾個過程：可以看出，在拉伸試驗過程中，低碳鋼試樣經(jīng)過了以下幾個過程：彈性變形彈性變形屈服屈服強化強化頸縮頸縮斷裂斷裂 應(yīng)力應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)變P P 比列極限比列極限e e 彈性極限彈性極限s s 屈服極限屈服極限b b 強度極限強度極限第第1章章31強度強度彈性變形彈性變形：試樣加載后應(yīng)力不超過試樣加載后應(yīng)力不超過e ，若卸載，試樣能恢復(fù)原狀；，若卸載，試樣能恢復(fù)原狀；彈性彈性：材料不產(chǎn)生永久變形的性能，稱為材料不產(chǎn)生永久變形的性能，稱為彈性彈性；彈性極限彈性極限：e 為材料不產(chǎn)生永久變形所能承受的最大應(yīng)力，稱為為材料不產(chǎn)生永久變形所能承受的最大應(yīng)力，稱為彈彈性極限性極限

20、，即，即 pe 段的段的e點；點；比例極限比例極限：材料為保持載荷與伸長量成比例增長所能承受的最大應(yīng)材料為保持載荷與伸長量成比例增長所能承受的最大應(yīng)力，即力，即P ；第第1章章32強度強度剛度剛度：零件或構(gòu)件抵抗彈性變形的能力，零件或構(gòu)件抵抗彈性變形的能力，彈性模量彈性模量是衡量金屬是衡量金屬材料剛度的指標；材料剛度的指標；彈性模量彈性模量：op的斜率的斜率E稱為材料的稱為材料的彈性模量彈性模量；按虎克定律，比例極限；按虎克定律，比例極限P 范圍，應(yīng)力范圍，應(yīng)力與應(yīng)變與應(yīng)變成正比，則：成正比，則：ElFPlE00E是常數(shù)，取決材料本身，反比于是常數(shù)，取決材料本身，反比于l ，即，即E越大，彈性

21、越大，彈性變形量越小，則剛度越大，也可增加變形量越小，則剛度越大，也可增加F0 來提高剛度。來提高剛度。第第1章章33強度強度屈服屈服：es段為段為微量微量塑性變形階段，塑性變形階段，ss接近水平段，表載荷基本接近水平段，表載荷基本保持不變時，伸長量繼續(xù)增加，即材料的保持不變時，伸長量繼續(xù)增加，即材料的屈服屈服現(xiàn)象；現(xiàn)象；屈服極限屈服極限：金屬材料開始屈服時的最小應(yīng)力，或稱金屬材料開始屈服時的最小應(yīng)力，或稱屈服強度屈服強度：0FPss第第1章章34強度強度條件屈服條件屈服強度強度：oFP2 . 02 . 0大多數(shù)金屬拉伸時無明顯屈服，很難測定，故大多數(shù)金屬拉伸時無明顯屈服，很難測定，故GB22

22、8-87取非比例伸長與原標距長度比（殘余應(yīng)變量）為取非比例伸長與原標距長度比（殘余應(yīng)變量）為0.2時時的應(yīng)力作屈服強度指標，稱的應(yīng)力作屈服強度指標，稱條件屈服強度條件屈服強度，即，即抗拉強度抗拉強度：所能承受的最大應(yīng)力，即抵抗斷裂的能力，所能承受的最大應(yīng)力，即抵抗斷裂的能力，強度極限強度極限；obbFPssb段為段為大量大量塑變階段，塑變量大，且變形引起的強化作塑變階段，塑變量大，且變形引起的強化作用使變形抗力增加，故欲增加用使變形抗力增加，故欲增加l，須增加載荷，須增加載荷P，到，到b點點載荷載荷P最大，試件出現(xiàn)局部縮頸，最大，試件出現(xiàn)局部縮頸，b點應(yīng)力即點應(yīng)力即抗拉強度抗拉強度；第第1章章

23、35強度強度第第1章章36選材的兩個重要強度指標；選材的兩個重要強度指標；若不允許產(chǎn)生塑性變形，則強度校核應(yīng)選若不允許產(chǎn)生塑性變形，則強度校核應(yīng)選 ；若只要求使用時不斷裂，則強度校核應(yīng)選若只要求使用時不斷裂，則強度校核應(yīng)選 ；用用 作強度指標時，應(yīng)采用較大的安全系數(shù)；作強度指標時，應(yīng)采用較大的安全系數(shù)；脆性材料的強度校核必須用脆性材料的強度校核必須用 。sbbb強度強度抗拉強度抗拉強度與與屈服強度屈服強度的選擇：的選擇：第第1章章37 與與 之比稱為屈強比。之比稱為屈強比。屈強比越小，可靠性越大，即使超載也能因塑性變形延屈強比越小，可靠性越大，即使超載也能因塑性變形延長材料的安全使用，而不致立

24、刻破斷；但比值越小，材長材料的安全使用，而不致立刻破斷；但比值越小，材料的利用率也越低。料的利用率也越低。因此，對于不同鋼種屈強比要求不同：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼因此，對于不同鋼種屈強比要求不同：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼約為約為0.50.6；低合金結(jié)構(gòu)鋼約為；低合金結(jié)構(gòu)鋼約為0.650.75；合金結(jié)構(gòu)鋼；合金結(jié)構(gòu)鋼約為約為0.70.8；彈簧鋼約為；彈簧鋼約為0.850.9。sb強度強度抗拉強度抗拉強度與與屈服強度屈服強度的選擇：的選擇：第第1章章38塑性塑性塑變塑變：載荷超過彈性極限后，卸載后變形不能全部消失，將保留部載荷超過彈性極限后，卸載后變形不能全部消失，將保留部分殘余變形。這種不能恢復(fù)的殘余變形，即分殘

25、余變形。這種不能恢復(fù)的殘余變形，即塑性變形塑性變形；塑性塑性：產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能，常用指標有產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能，常用指標有延伸率延伸率和和斷面收斷面收縮率縮率：%100001lll%100010FFFl0 試樣原始標距長度試樣原始標距長度l1 試樣拉斷后標距長度試樣拉斷后標距長度F0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積F1 試樣斷裂處的橫截面積試樣斷裂處的橫截面積第第1章章39塑性塑性特點：特點：伸長率伸長率隨試樣原始長度增加而減小，故同一材料的短試樣隨試樣原始長度增加而減小，故同一材料的短試樣（ l0 = 5d0 ）與長試樣（）與長試樣（ l0 = 10d0）的伸長率大）的伸長

26、率大20%左右；左右；用短、長試樣測得的伸長率分別用用短、長試樣測得的伸長率分別用5和和10表示。表示。斷面收縮率斷面收縮率與試樣尺寸無關(guān)，對塑性改變更敏感，能更客觀與試樣尺寸無關(guān)，對塑性改變更敏感，能更客觀的反映材料的塑性；的反映材料的塑性；與與越大，材料塑性越好；越大，材料塑性越好；金屬具有一定塑性才能進行各種變形加工，并使零件在偶然金屬具有一定塑性才能進行各種變形加工，并使零件在偶然過載時，產(chǎn)生一定塑變，而不致突然斷裂，提高可靠性。過載時，產(chǎn)生一定塑變，而不致突然斷裂，提高可靠性。第第1章章40硬度硬度概念：概念：金屬材料的軟硬程度，表征其局部塑性變形抗力的指標，即金屬材料的軟硬程度，表

27、征其局部塑性變形抗力的指標，即抵抗硬物壓入或劃傷表面的能力抵抗硬物壓入或劃傷表面的能力；類型：類型：布氏硬度布氏硬度、洛氏硬度洛氏硬度、維氏硬度維氏硬度，等；，等；測定：測定：壓入法、劃痕法、彈跳回彈法壓入法、劃痕法、彈跳回彈法；多用多用壓入法壓入法，即用一定壓力把壓頭壓入材料表層，按壓力大，即用一定壓力把壓頭壓入材料表層，按壓力大小、壓痕面積或深度測定其硬度；小、壓痕面積或深度測定其硬度；幾種方法的幾種方法的壓頭類型壓頭類型和和壓力大小壓力大小不同。不同。第第1章章41硬度硬度)(2)HBS(W22dDDDFAF布氏硬度布氏硬度：HB，將直徑為，將直徑為D(10、5、2.5mm)的鋼球，置于

28、布氏硬的鋼球，置于布氏硬度機上，在一定載荷度機上，在一定載荷F下壓入所測材料表面，經(jīng)規(guī)定下壓入所測材料表面，經(jīng)規(guī)定的加載時間后卸除載荷，即得直徑為的加載時間后卸除載荷，即得直徑為d之壓坑；之壓坑；HB值為值為F與壓坑球面積與壓坑球面積A的比值，以的比值，以HBS(W)表示：表示：第第1章章42硬度硬度布氏硬度布氏硬度：HB值越大，表示材料越硬；值越大，表示材料越硬；HBS值在值在450以下的材料，用以下的材料，用普通淬火鋼球普通淬火鋼球；HBW值在值在450650的材料，用的材料，用硬質(zhì)合金球硬質(zhì)合金球；HB值大于值大于650時，壓頭可能變形，不宜用此法；時，壓頭可能變形，不宜用此法；廣泛用于

29、各種退火狀態(tài)下的鋼材、有色金屬等；廣泛用于各種退火狀態(tài)下的鋼材、有色金屬等；此法不宜檢測成品、小件、薄件。此法不宜檢測成品、小件、薄件。第第1章章43硬度硬度洛氏硬度洛氏硬度：壓頭為壓頭為120度金剛石圓錐或直徑度金剛石圓錐或直徑1.588mm淬火鋼球，洛氏淬火鋼球，洛氏硬度機，硬度機，HR；以壓頭在金屬表面形成的；以壓頭在金屬表面形成的壓坑深度壓坑深度作為計作為計量硬度大小之依據(jù)，具體步驟：量硬度大小之依據(jù)，具體步驟：加初載荷加初載荷10kg，壓坑深度為，壓坑深度為h1，其目的是消除表面粗，其目的是消除表面粗糙度對硬度的影響；糙度對硬度的影響；再加上主載荷再加上主載荷50或或90或或140k

30、g，壓坑深度為，壓坑深度為h2；卸除主載荷，保留初載荷，此時由于彈性恢復(fù)，壓坑卸除主載荷，保留初載荷，此時由于彈性恢復(fù)，壓坑深度為深度為h3。洛氏硬度視頻洛氏硬度視頻第第1章章44硬度硬度洛氏硬度洛氏硬度：國標規(guī)定國標規(guī)定h3 h1=h 作為作為HR值的計算深度；值的計算深度；若若h直接用作直接用作HR值，則值，則h數(shù)值越小，材料越硬；數(shù)值越小，材料越硬；002. 0HhKR為與習慣相符，一般用一常數(shù)為與習慣相符，一般用一常數(shù)K 減去減去h來表示，并用每來表示，并用每0.002毫米為一硬度單位；毫米為一硬度單位；HR值的計算式：值的計算式：第第1章章45標度標度壓頭類型壓頭類型載荷載荷kg常數(shù)

31、常數(shù)K測量范圍測量范圍測試件舉測試件舉 例例HRA 金剛石圓錐金剛石圓錐600.27085表面硬化層、硬質(zhì)合金等表面硬化層、硬質(zhì)合金等HRB 1.588mm淬火鋼球淬火鋼球1000.2625100鋁合金，鎂合金、退火鋼鋁合金，鎂合金、退火鋼等等HRC金剛石圓錐金剛石圓錐1500.22067淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等硬零件淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等硬零件硬度硬度洛氏硬度洛氏硬度：按材料硬度和厚度，采用不同類型的壓頭和載荷組成的按材料硬度和厚度，采用不同類型的壓頭和載荷組成的15種（種（A-V）HR硬度標度，常用硬度標度，常用HRA、HRB和和HRC：HR法簡便迅速，零件表面留下的壓坑小，多用于成品。法簡便迅速，零件

32、表面留下的壓坑小，多用于成品。第第1章章46硬度硬度維氏硬度維氏硬度：HV法與法與HB法基本相似，只是所加載荷法基本相似，只是所加載荷F較小，壓頭較小，壓頭是頂角為是頂角為136的金剛石棱錐體。在的金剛石棱錐體。在F作用下，被測作用下，被測試件表面上壓出一試件表面上壓出一d1Xd2的方形壓痕：的方形壓痕：第第1章章4728544. 1HdPFPV硬度硬度維氏硬度維氏硬度：HV值以單位壓痕表面積值以單位壓痕表面積所承受的抗力表示，數(shù)所承受的抗力表示，數(shù)值越大，材料越硬；值越大，材料越硬；HV試驗的載荷，可按試樣大小、厚度、硬化層深度、鍍試驗的載荷，可按試樣大小、厚度、硬化層深度、鍍層厚度從層厚度

33、從1120kg任選，常用任選，常用5、10、20、30kg等；等；由于測量精度高，壓痕淺，載荷調(diào)整范圍大，測量硬度由于測量精度高，壓痕淺，載荷調(diào)整范圍大，測量硬度范圍寬，范圍寬，HV法廣泛用于測定工件表面硬化層、金屬鍍層法廣泛用于測定工件表面硬化層、金屬鍍層以及薄片金屬的硬度。以及薄片金屬的硬度。第第1章章48沖擊韌性沖擊韌性概念概念：表示材料抵抗沖擊載荷的能力，一般也稱表示材料抵抗沖擊載荷的能力，一般也稱韌性韌性；沖擊載荷不僅是力的作用，且伴有力的作用速度，故它是一沖擊載荷不僅是力的作用，且伴有力的作用速度，故它是一種能量參數(shù)；種能量參數(shù)；目前沖擊韌性的測試方法有兩種：目前沖擊韌性的測試方法

34、有兩種：大能量一次沖擊試驗大能量一次沖擊試驗小能量多次沖擊試驗小能量多次沖擊試驗第第1章章49沖擊韌性沖擊韌性大能量一次沖擊試驗大能量一次沖擊試驗沖擊試驗是在沖擊試驗是在擺錘式?jīng)_擊試驗機擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行：上進行：按按GB229-94制成帶缺口的制成帶缺口的標準沖擊試樣標準沖擊試樣，并將其安放在，并將其安放在沖擊試驗機支架上；沖擊試驗機支架上；將重量為將重量為G的擺錘舉到高度的擺錘舉到高度H，使其具有位能，使其具有位能GH；將擺錘放開，使之沖斷試樣，此時擺錘的高度為將擺錘放開，使之沖斷試樣，此時擺錘的高度為h，剩余，剩余位能為位能為Gh。第第1章章50擺錘的勢能變化擺錘的勢能變化擺錘式?jīng)_擊

35、試驗擺錘式?jīng)_擊試驗沖擊韌性沖擊韌性第第1章章51hHGGhGHAk2/cmJFAakk沖擊韌性沖擊韌性大能量一次沖擊試驗大能量一次沖擊試驗沖擊試驗過程中，擺錘沖斷試件所消耗的總能量為：沖擊試驗過程中，擺錘沖斷試件所消耗的總能量為：則在其缺口處單位截面積則在其缺口處單位截面積 F上所消耗的能量為：上所消耗的能量為：第第1章章52ak 沒有確切的力學意義，它表明在高應(yīng)變速率時沒有確切的力學意義，它表明在高應(yīng)變速率時 ，材料的脆，材料的脆性發(fā)展趨勢；性發(fā)展趨勢；沖擊試驗廣泛應(yīng)用沖擊試驗廣泛應(yīng)用, 但但Ak 、ak 不能直接用于設(shè)計計算；不能直接用于設(shè)計計算；對承受沖擊載荷的零件，應(yīng)有一定的對承受沖擊

36、載荷的零件，應(yīng)有一定的ak 要求，以保證零件使要求，以保證零件使用的安全性；用的安全性；ak 對金屬材料淬火過熱、回火脆性、夾雜、裂紋等缺陷非常對金屬材料淬火過熱、回火脆性、夾雜、裂紋等缺陷非常敏感，故常用于檢驗金屬材冶煉、熱加工、熱處理質(zhì)量。敏感，故常用于檢驗金屬材冶煉、熱加工、熱處理質(zhì)量。沖擊韌性沖擊韌性大能量一次沖擊試驗大能量一次沖擊試驗第第1章章53沖擊韌性沖擊韌性小能量多次沖擊試驗小能量多次沖擊試驗工程上許多承受沖擊載荷的零件，往往不是由于大能量一次工程上許多承受沖擊載荷的零件，往往不是由于大能量一次沖擊而破壞，而是經(jīng)過千百萬次小能量沖擊破壞；沖擊而破壞，而是經(jīng)過千百萬次小能量沖擊破

37、壞；大量試驗證明，材料的成分及組織狀態(tài)對一次沖擊抗力大量試驗證明，材料的成分及組織狀態(tài)對一次沖擊抗力(ak值值)與小能量多次沖擊抗力的影響常呈相反的變化規(guī)律；與小能量多次沖擊抗力的影響常呈相反的變化規(guī)律；一次大能量沖擊抗力主要取決于材料之一次大能量沖擊抗力主要取決于材料之塑性塑性，而多次小能量，而多次小能量沖擊抗力則主要取決于材料之沖擊抗力則主要取決于材料之強度強度；故故ak 不能代表實際條件下小能量多次沖擊韌性，設(shè)計一般承不能代表實際條件下小能量多次沖擊韌性，設(shè)計一般承受沖擊載荷的零件時，不能片面追求過高的受沖擊載荷的零件時，不能片面追求過高的ak值。值。第第1章章54疲勞強度疲勞強度疲勞斷

38、裂疲勞斷裂：彈簧、軸、齒輪彈簧、軸、齒輪等零件，工作時承受等零件，工作時承受交變載荷交變載荷，工作應(yīng)，工作應(yīng)力遠低于抗拉強度力遠低于抗拉強度b ，甚至小于屈服強度，甚至小于屈服強度0.2 時，在長時時，在長時間工作后發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象；間工作后發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象；交變載荷能產(chǎn)生交變載荷能產(chǎn)生重復(fù)應(yīng)力重復(fù)應(yīng)力或或交變應(yīng)力交變應(yīng)力：重復(fù)應(yīng)力重復(fù)應(yīng)力：材料所承受的應(yīng)力只有數(shù)量變化，沒有方：材料所承受的應(yīng)力只有數(shù)量變化，沒有方向變化，如由小變大，再由大變?。幌蜃兓?，如由小變大，再由大變??；交變應(yīng)力交變應(yīng)力：材料所承受之應(yīng)力既有數(shù)量變化，又有方：材料所承受之應(yīng)力既有數(shù)量變化，又有方向變化，如由拉變壓，再

39、由壓變拉。向變化，如由拉變壓，再由壓變拉。第第1章章55疲勞強度疲勞強度疲勞斷裂的疲勞斷裂的原因原因：在零件應(yīng)力高度集中的部位；在零件應(yīng)力高度集中的部位；材料本身強度較低的部位，如原有的裂紋、夾雜、軟點、刀材料本身強度較低的部位，如原有的裂紋、夾雜、軟點、刀痕等缺陷處；痕等缺陷處；在交變或重復(fù)應(yīng)力的反復(fù)作用；在交變或重復(fù)應(yīng)力的反復(fù)作用；產(chǎn)生疲勞裂紋，隨應(yīng)力循環(huán)周次的增加，裂紋不斷擴展，使產(chǎn)生疲勞裂紋，隨應(yīng)力循環(huán)周次的增加，裂紋不斷擴展，使零件承受載荷的有效面積不斷減小，最終當減小到不能承受零件承受載荷的有效面積不斷減小，最終當減小到不能承受載荷的作用時，即發(fā)生突然斷裂。載荷的作用時，即發(fā)生突然

40、斷裂。第第1章章56疲勞強度疲勞強度疲勞強度疲勞強度：評定疲勞抗力的指標；評定疲勞抗力的指標；可通過疲勞試驗測定，常用可通過疲勞試驗測定，常用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗方法：方法：試驗裝置如圖，試樣的兩端夾持在轉(zhuǎn)筒內(nèi)，載荷通過框試驗裝置如圖，試樣的兩端夾持在轉(zhuǎn)筒內(nèi)，載荷通過框架加在試樣上，電動機帶動試樣旋轉(zhuǎn)，從而使試樣承受架加在試樣上，電動機帶動試樣旋轉(zhuǎn)，從而使試樣承受對稱交變應(yīng)力，不斷更換載荷，直到試樣斷裂對稱交變應(yīng)力，不斷更換載荷，直到試樣斷裂;載荷越大交變應(yīng)力越大，斷裂前循環(huán)次數(shù)越少，以應(yīng)力載荷越大交變應(yīng)力越大，斷裂前循環(huán)次數(shù)越少，以應(yīng)力作縱坐標，循環(huán)次數(shù)作縱坐標，循環(huán)次數(shù)N作橫坐

41、標，可繪出疲勞曲線。作橫坐標，可繪出疲勞曲線。第第1章章57疲勞強度疲勞強度第第1章章58疲勞強度疲勞強度疲勞曲線疲勞曲線的解讀的解讀：很明顯，試樣承受交變應(yīng)力降低時，循環(huán)次數(shù)增加，當應(yīng)很明顯，試樣承受交變應(yīng)力降低時，循環(huán)次數(shù)增加，當應(yīng)力降低到某一定值后，曲線趨向水平，即表示在該應(yīng)力作力降低到某一定值后，曲線趨向水平，即表示在該應(yīng)力作用下，試樣經(jīng)無限多次循環(huán)仍不斷裂；用下，試樣經(jīng)無限多次循環(huán)仍不斷裂；疲勞強度疲勞強度，即試樣經(jīng)無限多次應(yīng)力循環(huán)，不致引起斷裂的，即試樣經(jīng)無限多次應(yīng)力循環(huán)，不致引起斷裂的最小應(yīng)力，用符號最小應(yīng)力，用符號-1 表示；表示；一般以疲勞曲線出現(xiàn)水平時，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的最

42、大應(yīng)一般以疲勞曲線出現(xiàn)水平時，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的最大應(yīng)力作為材料的疲勞強度；力作為材料的疲勞強度；一般鋼鐵材料應(yīng)力循環(huán)一般鋼鐵材料應(yīng)力循環(huán)107次，有色金屬則是次，有色金屬則是108次。次。第第1章章59應(yīng)力水平低，往往遠低于應(yīng)力水平低，往往遠低于S S ；斷裂前無明顯形變。斷裂前無明顯形變。r r 對稱彎曲循環(huán)疲勞極限用對稱彎曲循環(huán)疲勞極限用-1-1 表示；表示；疲勞曲線疲勞曲線(N)有明顯的水平線段，則水平線段有明顯的水平線段，則水平線段對應(yīng)的應(yīng)力為對應(yīng)的應(yīng)力為-1-1 ；疲勞曲線沒有明顯的水平線段，則在規(guī)定的疲勞疲勞曲線沒有明顯的水平線段，則在規(guī)定的疲勞壽命內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞所對應(yīng)的最大應(yīng)

43、力。壽命內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞所對應(yīng)的最大應(yīng)力。疲勞強度疲勞強度第第1章章60據(jù)統(tǒng)計機械零件斷裂有據(jù)統(tǒng)計機械零件斷裂有80歸因于疲勞，提高零件疲勞強度很必要：歸因于疲勞，提高零件疲勞強度很必要：疲勞強度疲勞強度措施措施：設(shè)計方面設(shè)計方面：避免尖角，注意保證零件的表面粗糙度；：避免尖角，注意保證零件的表面粗糙度；材料方面材料方面：保證冶金質(zhì)量，減少夾雜疏松等缺陷；：保證冶金質(zhì)量，減少夾雜疏松等缺陷；工藝方面工藝方面：強化零件表面，如：強化零件表面，如表面淬火，表面滲碳、表面表面淬火，表面滲碳、表面氮化、噴丸處理、滾壓處理氮化、噴丸處理、滾壓處理等。等。這些強化措施能提高表層硬度，減少劃傷，并增加表層的

44、殘余壓應(yīng)這些強化措施能提高表層硬度，減少劃傷，并增加表層的殘余壓應(yīng)力，從而抵消部分拉應(yīng)力，使疲勞裂紋不易產(chǎn)生或擴展。力，從而抵消部分拉應(yīng)力，使疲勞裂紋不易產(chǎn)生或擴展。第第1章章61斷裂韌度斷裂韌度低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷與與斷裂力學斷裂力學：傳統(tǒng)設(shè)計思想認為零件所承受的工作應(yīng)力只要傳統(tǒng)設(shè)計思想認為零件所承受的工作應(yīng)力只要 材料的許用應(yīng)力材料的許用應(yīng)力，零件便能安全工作，即：，零件便能安全工作，即： nw2 . 0n是安全系數(shù)，一般取是安全系數(shù)，一般取1.52.0。但從上世紀初以來，生產(chǎn)實踐中按此設(shè)計的一些大型、重型或高但從上世紀初以來，生產(chǎn)實踐中按此設(shè)計的一些大型、重型或高強度材料零件或構(gòu)件，如大

45、型鐵橋、萬噸輪船、飛機機翼、高壓強度材料零件或構(gòu)件，如大型鐵橋、萬噸輪船、飛機機翼、高壓容器等突然斷裂或爆炸，導(dǎo)致了不少容器等突然斷裂或爆炸，導(dǎo)致了不少驚心動魄的事故驚心動魄的事故：第第1章章6219381942年間，世界上有幾十座焊接鋼橋突然斷裂倒塌；年間，世界上有幾十座焊接鋼橋突然斷裂倒塌；1950s，美國北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動機殼體試飛時突然爆炸；，美國北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動機殼體試飛時突然爆炸；1960s，美國，美國F-111轟炸機俯沖拉起時左翼折斷，機毀人亡；轟炸機俯沖拉起時左翼折斷，機毀人亡；1970s，美國，美國DC-9民航機發(fā)動機低壓壓氣機軸斷裂，民航機發(fā)動機低壓壓氣機軸斷裂，

46、；斷裂韌度斷裂韌度低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷與與斷裂力學斷裂力學：第第1章章632007年年7月月31日日，美加利福尼亞一在建立交橋坍塌。，美加利福尼亞一在建立交橋坍塌。斷裂韌度斷裂韌度第第1章章642007年年8月月1日日，美國明尼阿波利斯市，密西西比河橋梁整體坍塌。，美國明尼阿波利斯市，密西西比河橋梁整體坍塌。斷裂韌度斷裂韌度第第1章章652007年年8月月13日日，湖南鳳凰縣在建的堤溪沱江大橋整體坍塌。死，湖南鳳凰縣在建的堤溪沱江大橋整體坍塌。死36斷裂韌度斷裂韌度第第1章章662007年年9月月9日日，印度安得拉邦首府海得拉巴一在建立交橋部分坍塌，印度安得拉邦首府海得拉巴一在建立交橋部分坍塌

47、斷裂韌度斷裂韌度第第1章章67斷裂韌度斷裂韌度2009-5-17，湖南株洲高架橋坍塌，湖南株洲高架橋坍塌，6死死17傷傷2009-7-13，印度在建地鐵高架橋發(fā)生坍塌事故，印度在建地鐵高架橋發(fā)生坍塌事故，5死死15傷傷2009-7-15，津晉高速公路匝道橋坍塌，津晉高速公路匝道橋坍塌，6死死4傷傷2009-9-25，印度電廠在建煙囪倒塌，超，印度電廠在建煙囪倒塌，超100人死亡人死亡2009-11-14，浙江溫州在建高架橋坍塌，死傷，浙江溫州在建高架橋坍塌，死傷8人人2010-1-4，昆明在建新機場立交橋垮塌，昆明在建新機場立交橋垮塌，7死死34傷傷2010-6-8，吉林省道，吉林省道302朝

48、長公路錦江大橋坍塌，朝長公路錦江大橋坍塌，6傷傷2010-7-24，河南伊河湯營大橋垮塌已致，河南伊河湯營大橋垮塌已致37人死亡人死亡19人失蹤人失蹤類似的事故仍然一直在不斷上演：類似的事故仍然一直在不斷上演：第第1章章68斷裂應(yīng)力均低于材料的屈服極限斷裂應(yīng)力均低于材料的屈服極限0.2 ；即使是塑性材料，斷裂前也沒有塑性變形的征兆，而呈脆性即使是塑性材料，斷裂前也沒有塑性變形的征兆，而呈脆性斷裂；斷裂；上述斷裂事故可統(tǒng)稱為上述斷裂事故可統(tǒng)稱為“低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷”。傳統(tǒng)材料力學不能解釋傳統(tǒng)材料力學不能解釋低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷，為研究其機理與規(guī)律，防此，為研究其機理與規(guī)律，防此類事故的發(fā)生，一

49、門新的邊緣科學類事故的發(fā)生，一門新的邊緣科學 斷裂力學斷裂力學應(yīng)運而生。應(yīng)運而生。斷裂韌度斷裂韌度斷裂韌度斷裂韌度上述事故的上述事故的共同點共同點：第第1章章69材料力學的觀點材料力學的觀點：斷裂韌度斷裂韌度將金屬材料看成無缺陷的均勻體；將金屬材料看成無缺陷的均勻體；斷裂力學的觀點斷裂力學的觀點：將金屬材料看成有許多宏觀裂紋的連續(xù)體；將金屬材料看成有許多宏觀裂紋的連續(xù)體；實踐證明，低應(yīng)力脆斷總是由材料中實踐證明，低應(yīng)力脆斷總是由材料中宏觀裂紋宏觀裂紋的擴展引起；的擴展引起；裂紋可能是氣孔、縮松、夾雜等冶金缺陷，也可能是在加工和使用過裂紋可能是氣孔、縮松、夾雜等冶金缺陷，也可能是在加工和使用過程

50、中形成，因而是難以避免的；程中形成，因而是難以避免的；為此，斷裂力學提出新的強度韌性指標（如為此，斷裂力學提出新的強度韌性指標（如斷裂韌度斷裂韌度），以解決零部），以解決零部件內(nèi)存在裂紋情況下的安全和壽命問題。件內(nèi)存在裂紋情況下的安全和壽命問題。斷裂力學中表征材料脆性斷裂的一種重要抗力指標。斷裂力學中表征材料脆性斷裂的一種重要抗力指標。第第1章章70斷裂韌度斷裂韌度裂紋裂紋：構(gòu)件中有了宏觀裂紋，會降低實際的斷裂強度，裂紋在外力作構(gòu)件中有了宏觀裂紋，會降低實際的斷裂強度，裂紋在外力作用下的擴展方式主要分三種（實際不局限于此）用下的擴展方式主要分三種（實際不局限于此）張開型張開型(I型型)裂紋裂紋

51、：火箭發(fā)動機殼體存在縱向裂紋時，在環(huán)：火箭發(fā)動機殼體存在縱向裂紋時，在環(huán)向正應(yīng)力的作用下，便屬于向正應(yīng)力的作用下，便屬于I型裂紋；最危險的類型；型裂紋；最危險的類型；滑開型滑開型(型型)裂紋裂紋：兩塊厚板用螺栓連接并承受拉力：兩塊厚板用螺栓連接并承受拉力P，當，當AB面上的螺栓表面有一環(huán)向裂紋時，在一對剪應(yīng)力的作用面上的螺栓表面有一環(huán)向裂紋時，在一對剪應(yīng)力的作用下，便屬于下，便屬于型裂紋；型裂紋；撕開型撕開型(型型)裂紋裂紋：傳動軸工作時受扭轉(zhuǎn)力矩作用，軸上：傳動軸工作時受扭轉(zhuǎn)力矩作用，軸上有一環(huán)向裂紋時，在一對剪應(yīng)力作用下，便屬有一環(huán)向裂紋時，在一對剪應(yīng)力作用下，便屬型裂紋。型裂紋。 張開型

52、裂紋張開型裂紋 滑開型裂紋滑開型裂紋 撕開型裂紋撕開型裂紋 第第1章章71斷裂力學提出了一個描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強弱程度的參數(shù)斷裂力學提出了一個描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強弱程度的參數(shù) 應(yīng)應(yīng)力強度因子力強度因子 KI：aYKIY 裂紋形狀系數(shù)，無量綱，裂紋形狀系數(shù)，無量綱，12； 作用于工件的拉應(yīng)力；作用于工件的拉應(yīng)力； a 裂紋的半長；裂紋的半長；可見，隨著受載程度和裂紋尺寸的增加，即可見，隨著受載程度和裂紋尺寸的增加，即增大，或增大，或a 增大，增大，或或、a 同時增大時，同時增大時，KI也隨之增加；也隨之增加；斷裂韌度斷裂韌度裂紋尖端的實際應(yīng)力（縱向）與裂紋尖端的實際應(yīng)力（縱向）與 KI

53、成正比。成正比。第第1章章72裂裂紋紋尖尖端端應(yīng)應(yīng)力力場場斷裂韌度斷裂韌度第第1章章73KI較小時，裂紋尖端實際應(yīng)力小于材料強度極限，處于穩(wěn)定狀態(tài)，此較小時，裂紋尖端實際應(yīng)力小于材料強度極限，處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時裂紋也會由于交變載荷或腐蝕而擴展，但為時裂紋也會由于交變載荷或腐蝕而擴展，但為穩(wěn)定擴展穩(wěn)定擴展；KI增大到某臨界值時，裂紋尖端應(yīng)力會超過材料強度極限，使裂紋失增大到某臨界值時，裂紋尖端應(yīng)力會超過材料強度極限，使裂紋失穩(wěn)自動擴展，穩(wěn)自動擴展，a 增大，使增大，使KI增大，實際應(yīng)力進一步加大，裂紋迅速擴增大，實際應(yīng)力進一步加大，裂紋迅速擴展，惡性循環(huán)，試樣斷裂，此為展，惡性循環(huán)，試樣斷裂，此

54、為失穩(wěn)擴展失穩(wěn)擴展。KI的臨界值的臨界值KIC ，即材料的，即材料的斷裂韌度斷裂韌度，此，此時應(yīng)力稱時應(yīng)力稱臨界應(yīng)力臨界應(yīng)力C，裂紋長度，裂紋長度a 稱稱臨界臨界裂紋長度裂紋長度，aC 。CCICaYK斷裂韌度斷裂韌度第第1章章74KIC 代表含裂紋材料抵抗宏觀裂紋失穩(wěn)擴展能力的一個新的力學性代表含裂紋材料抵抗宏觀裂紋失穩(wěn)擴展能力的一個新的力學性能指標；能指標；KIC與與KI的區(qū)別：的區(qū)別：不同的概念，與不同的概念，與 同同 的區(qū)別類似；的區(qū)別類似；KI 同同 對應(yīng)，只與載荷及試樣尺寸相關(guān)，與材料無關(guān)；對應(yīng)，只與載荷及試樣尺寸相關(guān)，與材料無關(guān)；KIC對應(yīng)對應(yīng) ，只與材料成分、組織結(jié)構(gòu)相關(guān)，是材

55、料的力，只與材料成分、組織結(jié)構(gòu)相關(guān)，是材料的力學性能指標，而與載荷及試樣尺寸無關(guān)；學性能指標，而與載荷及試樣尺寸無關(guān)；當當 時，均質(zhì)材料斷裂；當時，均質(zhì)材料斷裂；當 時，裂紋失時，裂紋失穩(wěn)擴展，裂紋實體發(fā)生低應(yīng)力脆斷。穩(wěn)擴展，裂紋實體發(fā)生低應(yīng)力脆斷。bbICIKK b斷裂韌度斷裂韌度第第1章章75高溫力學性能高溫力學性能材料在材料在高溫高溫下的力學性能與常溫下完全不同：一般隨溫度升高，彈性下的力學性能與常溫下完全不同：一般隨溫度升高，彈性模量模量E、屈服強度、屈服強度S、硬度將降低，塑性增加，還可能發(fā)生、硬度將降低，塑性增加，還可能發(fā)生蠕變?nèi)渥儯焊邷馗邷兀焊邷馗邷嘏c與低溫低溫是相對于該材料熔點

56、而言的，常用是相對于該材料熔點而言的，常用約比溫度約比溫度來衡量，即來衡量，即mTTT ：試驗或工作溫度：試驗或工作溫度(絕對絕對)；Tm ：金屬熔點，：金屬熔點，(絕對溫度絕對溫度)若其大于若其大于0.5，則當時溫度為高溫，反則為低溫。，則當時溫度為高溫，反則為低溫。第第1章章76高溫力學性能高溫力學性能蠕變?nèi)渥儯翰牧祥L時間在一定溫度、壓力作用下，即使應(yīng)力小于材料長時間在一定溫度、壓力作用下，即使應(yīng)力小于0.2，也會，也會緩慢緩慢發(fā)生塑性變形直至斷裂的現(xiàn)象；發(fā)生塑性變形直至斷裂的現(xiàn)象；這種變形最后導(dǎo)致的斷裂稱作這種變形最后導(dǎo)致的斷裂稱作蠕變斷裂蠕變斷裂；蠕變在低溫也會發(fā)生，如蠕變在低溫也會發(fā)生，如有機高分子材料在室溫有機高分子材料在室溫下就會發(fā)生；下就會發(fā)生；對對金屬材料金屬材料，一般在，一般在約比溫度大于約比溫度大于0.3時蠕變才比較顯著，碳鋼