材料科學(xué)基礎(chǔ)材料的力學(xué)性能市公開(kāi)課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

1材料科學(xué)基礎(chǔ)

Chapter5–材料力學(xué)性能李謙–寧向梅主講第1頁(yè)2ChapterOutline5.1材料承受靜載荷時(shí)力學(xué)性能5.2材料承受沖擊載荷時(shí)力學(xué)性能5.3材料疲勞5.4

材料斷裂韌性5.5材料磨損性能5.6

材料蠕變性能第2頁(yè)3TechnologicalSignificanceFigureThematerialsusedinsportsequipmentmustbelightweight,stiff,tough,andimpactresistant.FigureAircraft,suchastheoneshownhere,makesuseofaluminumalloysandcarbon-fiber-reinforcedcomposites.第3頁(yè)4TerminologyforMechanicalProperties

Stress-Forceorloadperunitareaofcross-sectionover whichtheforceorloadisacting.

Strain-Elongationchangeindimensionperunitlength.

Young’smodulus-Theslopeofthelinearpartofthe stress-straincurveintheelasticregion,sameas modulusofelasticity.

Shearmodulus(G)-Theslopeofthelinearpartofthe shearstress-shearstraincurve. 第4頁(yè)5Figure(a)Tensile,compressive,shearandbendingstresses.(b)IllustrationshowinghowYoung’smodulusisdefinedforelasticmaterial.(c)Fornonlinearmaterials,weusetheslopeofatangentasavariablequantitythatreplacestheYoung’smodulusconstant第5頁(yè)6Section5.1材料承受靜載荷時(shí)力學(xué)性能

5.1.1材料拉伸曲線(xiàn)Load-Theforceappliedtoamaterialduringtesting.StraingageorExtensometer-Adeviceusedformeasuringchangeinlengthandhencestrain.Engineeringstress-Theappliedload,orforce,dividedbytheoriginalcross-sectionalareaofthematerial.Engineeringstrain-Theamountthatamaterialdeformsperunitlengthinatensiletest.第6頁(yè)75.1.1材料拉伸曲線(xiàn)單向靜拉伸試驗(yàn)是廣泛應(yīng)用材料性能檢測(cè)方法。負(fù)荷-伸長(zhǎng)曲線(xiàn)。整個(gè)拉伸過(guò)程中變形可分為彈性變形、屈服變形、均勻塑性變形及不均勻塑性變形四個(gè)階段。應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)(工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn))真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)第7頁(yè)8第8頁(yè)9FigureAunidirectionalforceisappliedtoaspecimeninthetensiletestbymeansofthemoveablecrosshead.Thecross-headmovementcanbeperformedusingscrewsorahydraulicmechanism第9頁(yè)10FigureTensilestress-straincurvesfordifferentmaterials.Notethatthesearequalitative第10頁(yè)11FigureThestress-straincurveforanaluminumalloy第11頁(yè)12第12頁(yè)13TrueStressandTrueStrainTruestressTheloaddividedbytheactualcross-sectionalareaofthespecimenatthatload.TruestrainThestraincalculatedusingactualandnotoriginaldimensions,givenbyεtln(l/l0).FigureTherelationbetweenthetruestress-truestraindiagramandengineeringstress-engineeringstraindiagram.Thecurvesareidenticaltotheyieldpoint第13頁(yè)145.1.2材料變形及其性能指標(biāo)Elasticlimit

Tensilestrength,NeckingHooke’slawPoisson’sratioModulusofresilience(Er)

TensiletoughnessDuctility第14頁(yè)155.1.2材料變形及其性能指標(biāo)材料變形實(shí)質(zhì)彈性變形實(shí)質(zhì)塑性變形實(shí)質(zhì)超塑性2.材料變形性能指標(biāo)百分比極限σp彈性極限（Elasticlimit）

σe彈性模量E屈服極限σs(σ0.2)抗拉強(qiáng)度（Tensilestrength）σb斷裂強(qiáng)度Sk延伸率δ斷面收縮率ψ第15頁(yè)16Figure(a)Determiningthe0.2%offsetyieldstrengthingraycastion,and(b)upperandloweryieldpointbehaviorinalow-carbonsteel第16頁(yè)17FigureLocalizeddeformationofaductilematerialduringatensiletestproducesaneckedregion.Themicrographshowsneckedregioninafracturedsample第17頁(yè)18FigureTypicalyieldstrengthvaluesfordifferentengineeredmaterials.(Source:ReprintedfromEngineeringMaterialsI,SecondEdition,M.F.AshbyandD.R.H.Jones,1996,Fig.8-12,p.85.Copyright?Butterworth-Heinemann第18頁(yè)19FigureRangeofelasticmodulifordifferentengineeredmaterials.(Source:ReprintedfromEngineeringMaterialsI,SecondEdition,M.F.AshbyandD.R.H.Jones,1996,Fig.3-5,p.35,Copyright?1996Butterworth-Heinemann.第19頁(yè)20第20頁(yè)215.1.3材料斷裂及其性能指標(biāo)（一）斷裂類(lèi)型及斷口特征1．韌性斷裂與脆性斷裂韌性斷裂是材料斷裂前產(chǎn)生顯著塑性變形斷裂過(guò)程。斷口往往呈暗灰色、纖維狀。塑性很好金屬材料和高分子材料，室溫下靜拉伸斷裂含有經(jīng)典韌性斷裂特征。脆性斷裂是材料斷裂前不產(chǎn)生顯著塑性變形。斷口普通與正應(yīng)力垂直，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀（如淬火鋼、灰鑄鐵、陶瓷、玻璃等脆性材料斷口。要求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。第21頁(yè)225.1.3材料斷裂及其性能指標(biāo)2．穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂（Transgranular）能夠是韌性斷裂，也能夠是脆性斷裂；離子鍵晶體斷裂往往以穿晶解理為主。沿晶斷裂（Intergranular）則多為脆性斷裂，斷口呈結(jié)晶狀；沿晶斷裂是晶界結(jié)協(xié)力較弱一個(gè)表現(xiàn)。共價(jià)鍵陶瓷晶界較弱，斷裂方式主要是晶界斷裂。圖5－6穿晶斷裂與沿晶斷裂示意圖第22頁(yè)235.1.3材料斷裂及其性能指標(biāo)3．剪切斷裂與解理斷裂(1)剪切斷裂材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面分離而造成斷裂稱(chēng)為剪切斷裂。又分為滑斷（純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。一些純金屬，尤其是單晶體金屬可產(chǎn)生純剪切斷裂，其斷口呈尖銳楔形。如低碳鋼拉伸斷口上剪切唇。大塊單晶體純剪切斷口上，用肉眼便可觀察到很多直線(xiàn)狀滑移痕跡。微孔聚集型斷裂是經(jīng)過(guò)微孔聚合而造成材料分離。因?yàn)閷?shí)際材料中常同時(shí)形成許多微孔，故微孔聚集型斷裂是材料韌性斷裂普通方式。其斷口在宏觀上常展現(xiàn)暗灰色、纖維狀，微觀特征是斷口上分布大量“韌窩”。第23頁(yè)245.1.3材料斷裂及其性能指標(biāo)(2)解理斷裂在正應(yīng)力作用下，材料原子間結(jié)合鍵被破壞，從而引發(fā)沿特定晶面發(fā)生穿晶斷裂稱(chēng)為解理斷裂。解理斷口由許多大致相當(dāng)于晶粒大小解理面集合而成。這種以晶粒大小為單位解理面稱(chēng)為解理刻面。解理裂紋往往沿著一族相互平行，但位于“不一樣高度”晶面擴(kuò)展。不一樣高度解理面之間存在臺(tái)階，眾多臺(tái)階匯合便形成河流狀花樣。解理臺(tái)階、河流花樣和舌狀花樣是解理斷口基本微觀特征，第24頁(yè)255.1.3材料斷裂及其性能指標(biāo)(3)準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂是解理斷裂變種，斷口微觀形態(tài)相同于解理河流狀花樣，但準(zhǔn)解理裂紋不是嚴(yán)格地沿著一定晶面擴(kuò)展，其刻面不是晶體學(xué)解理面，不屬于真正解理，故稱(chēng)為準(zhǔn)解理。解理裂紋普通源于晶界，而準(zhǔn)解理裂紋則常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源放射狀河流花樣。準(zhǔn)解理斷裂常見(jiàn)于淬火、回火處理鋼中。（4）高分子材料斷裂高分子材料斷裂也分為脆性斷裂和韌性斷裂兩大類(lèi)。玻璃態(tài)聚合物在玻璃化溫度以下主要為脆性斷裂，聚合物單晶體能夠發(fā)生解理斷裂，屬于脆性斷裂。而溫度以上玻璃態(tài)聚合物以及通常使用半晶態(tài)聚合物，斷裂時(shí)伴隨有較大塑性變形，屬于韌性斷裂。第25頁(yè)26第26頁(yè)27FigureWhenaductilematerialispulledinatensiletest,neckingbeginsandvoidsform–startingnearthecenterofthebar–bynucleationatgrainboundariesorinclusions.Asdeformationcontinuesa45°shearlipmayform,producingafinalcupandconefracture第27頁(yè)28FigureDimplesformduringductilefracture.Equiaxeddimplesforminthecenter,wheremicrovoidsgrow.Elongateddimples,pointingtowardtheoriginoffailure,formontheshearlip第28頁(yè)29FigureScanningelectronmicrographsofanannealed1018steelexhibitingductilefractureinatensiletest.(a)Equiaxeddimplesattheflatcenterofthecupandcone,and(b)elongateddimplesattheshearlip(x1250)第29頁(yè)30FigureScanningelectronmicrographofabrittlefracturesurfaceofaquenched1010steel(x5000).第30頁(yè)31FigureTheChevronpatternina0.5-in.-diameterquenched4340steel.Thesteelfailedinabrittlemannerbyanimpactblow第31頁(yè)32FigureTheChevronpatternformsasthecrackpropagatesfromtheoriginatdifferentlevels.Thepatternpointsbacktotheorigin第32頁(yè)335.1.4材料彎曲及其性能指標(biāo)Bendtest-Applicationofaforcetothecenterofabarthatissupportedoneachendtodeterminetheresistanceofthematerialtoastaticorslowlyappliedload.Flexuralstrengthormodulusofrupture-Thestressrequiredtofractureaspecimeninabendtest.Flexuralmodulus-Themodulusofelasticitycalculatedfromtheresultsofabendtest,givingtheslopeofthestress-deflectioncurve.第33頁(yè)345.1.4材料彎曲及其性能指標(biāo)1.彎曲試驗(yàn)測(cè)定力學(xué)性能指標(biāo)彎曲試驗(yàn)在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其試樣分圓柱和方形兩種。加載方式有三點(diǎn)彎曲加載和四點(diǎn)彎曲加載兩種。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)載荷F(或彎矩)與試樣最大撓度f(wàn)之間關(guān)系曲線(xiàn)-彎曲圖，來(lái)確定材料在彎曲載荷下力學(xué)性能。對(duì)于脆性材料，可依據(jù)彎曲圖計(jì)算抗彎強(qiáng)度式中：Mb為試樣斷裂時(shí)彎矩。W為試樣抗彎截面系數(shù)，對(duì)于直徑為d0

圓柱試樣，，對(duì)于寬度為b，高度為h矩形試樣，。塑性用最大彎曲撓度f(wàn)max

表示，fmax值可由百分表或撓度計(jì)直接讀出。另外，從彎曲—撓度曲線(xiàn)上還可測(cè)算彎曲彈性模量Eb

。第34頁(yè)355.1.4材料彎曲及其性能指標(biāo)2.彎曲試驗(yàn)特點(diǎn)及應(yīng)用不存在拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣裝卡偏斜對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。對(duì)于難以加工成拉伸試樣硬脆材料，可用彎曲試驗(yàn)測(cè)定斷裂強(qiáng)度，并能顯示出它們塑性差異。試樣截面上應(yīng)力分布是表面上應(yīng)力最大，故可靈敏地反應(yīng)材料表面缺點(diǎn)（如檢驗(yàn)滲碳層質(zhì)量和性能）。不能使塑性材料斷裂，雖可測(cè)定要求非百分比應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，但實(shí)際上極少應(yīng)用。主要用于測(cè)定灰鑄鐵、硬質(zhì)合金、陶瓷等材料抗彎強(qiáng)度。第35頁(yè)36FigureThestress-strainbehaviorofbrittlematerialscomparedwiththatofmoreductilematerials第36頁(yè)37Figure(a)Thebendtestoftenusedformeasuringthestrengthofbrittlematerials,and(b)thedeflectionδobtainedbybending第37頁(yè)38FigureStress-deflectioncurveforMg0obtainedfromabendtest第38頁(yè)39Figure(a)Threepointand(b)four-pointbendtestsetup第39頁(yè)40第40頁(yè)415.1.5材料硬度HardnessofMaterialsHardnesstest-Measurestheresistanceofamaterialtopenetrationbyasharpobject.Macrohardness-Overallbulkhardnessofmaterialsmeasuredusingloads>2N.MicrohardnessHardnessofmaterialstypicallymeasuredusingloadslessthan2NusingsuchtestasKnoop(HK).Nano-hardness-Hardnessofmaterialsmeasuredat1–10nmlengthscaleusingextremelysmall(~100μN(yùn))forces.第41頁(yè)425.1.5材料硬度HardnessofMaterials硬度是衡量材料軟硬程度一個(gè)力學(xué)性能，其物理意義是材料表面上不大致積內(nèi)抵抗變形或破裂能力。硬度試驗(yàn)方法有十幾個(gè)，按加載方式不一樣，可分為壓人法和刻劃法兩大類(lèi)。布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度屬于壓人法?？虅澐ò嫌捕群痛斓斗ǖ?。第42頁(yè)435.1.5材料硬度HardnessofMaterials1.布氏硬度布氏硬度是19由瑞典工程師J.B.Brinell提出。測(cè)量方法是，在負(fù)荷F作用下，將直徑為D淬火鋼球壓人試樣表面，保持一定時(shí)問(wèn)后卸除載荷，以試樣壓痕表面積A去除負(fù)荷F所得商，作為硬度計(jì)算指標(biāo)，用符號(hào)HB表示。壓痕直徑越大，布氏硬度值HB越??；布氏硬度值為450～650材料，用硬質(zhì)合金壓頭，用“HBW”表示；對(duì)于布氏硬度值低于450材料，使用淬火鋼球壓頭，用“HBS”表示。布氏硬度值表示方法，普通記為“數(shù)字+硬度符號(hào)(HBS或HBW)+數(shù)字/數(shù)字/數(shù)字”形式，符號(hào)前面數(shù)字為硬度值，符號(hào)后面數(shù)字依次表示鋼球直徑、載荷大小及載荷保持時(shí)間等試驗(yàn)條件。布氏硬度試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)是壓痕面積大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性高。其硬度值能反應(yīng)材料在較大區(qū)域內(nèi)各組成相平均性能，最適合測(cè)定灰鑄鐵、軸承合金等材料硬度。操作較為麻煩，對(duì)不一樣材料需要更換壓頭直徑和載荷F，壓痕直徑需要測(cè)量。因壓痕直徑較大，普通不宜在成品件上直接進(jìn)行檢驗(yàn)。第43頁(yè)445.1.5材料硬度HardnessofMaterials1.洛氏硬度洛氏硬度是19由美國(guó)人S.P.Rockwell和H.M.Rockwell提出，以壓痕深度作為計(jì)量硬度依據(jù)。洛氏硬度試驗(yàn)時(shí)，采取壓頭為120°金鋼石圓錐或直徑為1.588mm、3.175鋼球。載荷先后分兩次施加。金屬越硬壓痕深度越小，金屬越軟壓痕深度越深。用常數(shù)k減去壓痕深度h，所得差值作為洛氏硬度指標(biāo)HR。硬度值可由表盤(pán)上直接讀出。顯然，材料越軟則壓痕越深；洛氏硬度試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便；壓痕面積較小，可檢測(cè)成品、小件和薄件；測(cè)量范圍大，從很軟有色金屬到極硬硬質(zhì)合金；測(cè)量快速，可直接從表盤(pán)上讀出硬度值。其缺點(diǎn)是壓痕較小，代表性差；所測(cè)硬度值重復(fù)性差、分散度大；不適于檢測(cè)灰鑄鐵、滑動(dòng)軸承合金及偏析嚴(yán)重材料。用不一樣標(biāo)尺測(cè)得硬度值既不能直接進(jìn)行比較，又不能彼此交換。第44頁(yè)455.1.5材料硬度HardnessofMaterials標(biāo)尺測(cè)量范圍初載荷/N(Kgf)主載荷N(Kgf)壓頭類(lèi)型K/mmk/mmHRA60－8598.1（10）490.3（50）金剛石圓錐體0.20.002HRB25－10098.1（10）882.6（90）鋼球0.260.002HRC20－6798.1（10）1373（140）金剛石圓錐體0.20.002表5－2洛氏硬度試驗(yàn)條件及應(yīng)用第45頁(yè)46FigureIndentorsfortheBrinellandRockwellhardnesstests第46頁(yè)47第47頁(yè)48Section5.2

材料承受沖擊載荷時(shí)力學(xué)性能Impacttest-Measurestheabilityofamaterialtoabsorbthesuddenapplicationofaloadwithoutbreaking.Impactenergy-Theenergyrequiredtofractureastandardspecimenwhentheloadisappliedsuddenly.Impacttoughness-Energyabsorbedbyamaterial,usuallynotched,duringfracture,undertheconditionsofimpacttest.Fracturetoughness-Theresistanceofamaterialtofailureinthepresenceofaflaw.第48頁(yè)495.2.1沖擊彎曲試驗(yàn)缺口試樣一次沖擊彎曲試驗(yàn)在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，將試樣水平放置于試驗(yàn)機(jī)支座上，缺口位于沖擊相背方向。沖擊時(shí)將質(zhì)量為G擺錘舉至高度h0位置，使其取得位能Gh0。釋放擺錘沖斷試樣后，擺錘剩下能量為Ghf

，則擺錘沖斷試樣失去位能為Gh0-Ghf

。此即為試樣變形和斷裂所吸收功，稱(chēng)為沖擊功，以Wk(Ak)表示，單位為J。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，沖擊彎曲試驗(yàn)用試樣分為夏比U型缺口試樣和夏比V型缺口試樣，所測(cè)得沖擊功分別記為Whu和Whv。測(cè)量陶瓷、鑄鐵或工具鋼等脆性材料沖擊功時(shí)，常采取10×10×55(mm)無(wú)缺口沖擊試樣。第49頁(yè)505.2.2屢次沖擊試驗(yàn)屢次沖擊試驗(yàn)后可繪制出沖擊功W一沖斷次數(shù)N曲線(xiàn)隨沖擊功W降低，沖斷次數(shù)N增加。圖5－15屢次沖擊曲線(xiàn)第50頁(yè)515.2.3沖擊韌性及其意義沖擊韌性αKαK值越大，表示材料沖擊韌性越好。同一條件下，其U型缺口試樣αK值顯著大于V型缺口試樣，所以它們?chǔ)罧值不能相互比較。材料αK值隨溫度降低而減小。在某一溫度范圍內(nèi)，αK值急劇降低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為冷脆。這個(gè)溫度范圍稱(chēng)為冷脆轉(zhuǎn)變溫度范圍。αK對(duì)材料缺點(diǎn)，如淬火過(guò)熱造成晶粒粗大、回火脆性、時(shí)效不充分、夾雜物形態(tài)、纖維方向等非常敏感，慣用于檢驗(yàn)冶煉、熱加工、熱處理工藝質(zhì)量。也慣用于檢驗(yàn)材料冷脆性、以確定材料冷脆轉(zhuǎn)變溫度。

第51頁(yè)52FigureTheimpacttest:(a)TheCharpyandIzodtests,and(b)dimensionsoftypicalspecimens第52頁(yè)53Ductiletobrittletransitiontemperature(DBTT)-Thetemperaturebelowwhichamaterialbehavesinabrittlemannerinanimpacttest.Notchsensitivity-Measurestheeffectofanotch,scratch,orotherimperfectiononamaterial’sproperties,suchastoughnessorfatiguelife.第53頁(yè)54FigureResultsfromaseriesofIzodimpacttestsforasuper-toughnylonthermoplasticpolymer第54頁(yè)55FigureTheCharpyV-notchpropertiesforaBCCcarbonsteelandaFCCstainlesssteel.TheFCCcrystalstructuretypicallyleadstophigherabsorbedenergiesandnotransitiontemperature第55頁(yè)56FigureTheareacontainedwithinthetruestress-truestraincurveisrelatedtothetensiletoughness.AlthoughmaterialBhasaloweryieldstrength,itabsorbsagreaterenergythanmaterialA.Theenergiesfromthesecurvesmaynotbethesameasthoseobtainedfromimpacttestdata第56頁(yè)57Section5.3材料疲勞Fatigueistheloweringofstrengthorfailureofamaterialduetorepetitivestresswhichmaybeaboveorbelowtheyieldstrength.Creep-Atimedependent,permanentdeformationathightemperatures,occurringatconstantloadorconstantstress.Beachorclamshellmarks-Patternsoftenseenonacomponentsubjectedtofatigue.Rotatingcantileverbeamtest-Anoldertestforfatiguetesting.S-Ncurve(alsoknownastheW?hlercurve)-Agraphshowingstressasafunctionofnumberofcyclesinfatigue.第57頁(yè)58Section5.3材料疲勞許多機(jī)件承受是大小及方向不停改變交變載荷，比如軸、齒輪、彈簧等。在交變載荷作用下，材料經(jīng)常在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度載荷下發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“疲勞”。疲勞斷裂時(shí)，材料沒(méi)有顯著塑性變形，斷裂是突然發(fā)生，經(jīng)常造成嚴(yán)重事故。按應(yīng)力狀態(tài)，分為彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞和復(fù)合疲勞；按應(yīng)力高低和斷裂壽命，分為高周疲勞和低周疲勞。第58頁(yè)595.3.1疲勞曲線(xiàn)以σmax為縱坐標(biāo)，以疲勞斷裂周次N為橫坐標(biāo)繪制曲線(xiàn)，稱(chēng)為疲勞曲線(xiàn)。簡(jiǎn)寫(xiě)為σ-N曲線(xiàn)。試驗(yàn)表明，金屬材料所受最大交變應(yīng)力σmax越大，則斷裂前所能承受應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越少。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)中最大應(yīng)力σmax降低到某一數(shù)值，材料能夠經(jīng)受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂，σ-N曲線(xiàn)上出現(xiàn)了趨于水平部分。不一樣材料疲勞曲線(xiàn)形狀不一樣，大致可分為兩類(lèi)。一類(lèi)有水平線(xiàn)，如普通結(jié)構(gòu)鋼和球墨鑄鐵疲勞曲線(xiàn)，據(jù)此，可標(biāo)定出無(wú)限壽命疲勞強(qiáng)度；另一類(lèi)無(wú)水平線(xiàn)，如有色合金、不銹鋼和高強(qiáng)鋼疲勞曲線(xiàn)。第59頁(yè)60FigureThestress-numberofcyclestofailure(S-N)curvesforatoolsteelandanaluminumalloy第60頁(yè)615.3.2疲勞極限當(dāng)應(yīng)力低于某一值時(shí)，材料經(jīng)無(wú)限循環(huán)周次也不發(fā)生斷裂，此值稱(chēng)為疲勞極限或疲勞強(qiáng)度。光滑試樣對(duì)稱(chēng)疲勞極限用σ-1

表示，單位MPa。對(duì)于無(wú)水平線(xiàn)疲勞曲線(xiàn)，只能依據(jù)材料使用要求，確定有限壽命下疲勞極限。比如，鋼材循環(huán)基數(shù)為107

，有色金屬和一些超高強(qiáng)度鋼循環(huán)基數(shù)為108

。超出這個(gè)基數(shù)就認(rèn)為該材料不再發(fā)生疲勞破壞。常見(jiàn)對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷有對(duì)稱(chēng)彎曲(σ-1,最慣用)、對(duì)稱(chēng)扭轉(zhuǎn)(τ-1)、對(duì)稱(chēng)拉壓(σ-1p)

等，普通情況下σ-1

＞σ-1p＞τ-1.對(duì)于中、低強(qiáng)度鋼，σ-1=0.5σb。但抗拉強(qiáng)度較高時(shí)，這種線(xiàn)性關(guān)系要改變，因?yàn)閺?qiáng)度較高時(shí)，材料塑性和斷裂韌性降低，裂紋易于形成和擴(kuò)展。第61頁(yè)625.3.3疲勞斷口疲勞斷口:裂紋產(chǎn)生區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)。疲勞裂紋萌生地方，多出現(xiàn)在機(jī)件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺點(diǎn)相連。若材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺點(diǎn)(夾雜、縮孔、偏析、白點(diǎn)等)，也會(huì)因局部材料強(qiáng)度降低而在機(jī)件內(nèi)部引發(fā)出疲勞源。疲勞裂紋產(chǎn)生后，在交變應(yīng)力作用下，繼續(xù)擴(kuò)展長(zhǎng)大，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。其宏觀特征是：斷口較光滑并分布有貝紋線(xiàn)(或海灘花樣)，有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。貝紋線(xiàn)是一簇以疲勞源為圓心平行弧線(xiàn)，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向。近疲勞源區(qū)貝紋線(xiàn)較細(xì)密，表明裂紋擴(kuò)展較慢；遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)貝紋線(xiàn)較稀疏、粗糙，表明此段裂紋擴(kuò)展較快。第62頁(yè)635.3.3疲勞斷口最終斷裂區(qū)，伴隨疲勞裂紋擴(kuò)展，零件有效截面不停減小，剩下斷面上應(yīng)力不停增加。當(dāng)應(yīng)力超出材料斷裂強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生斷裂，形成最終斷裂區(qū)。該區(qū)斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載，隨材料性質(zhì)而變。脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料斷口為纖維狀，暗灰色，在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)與最終斷裂區(qū)所占面積相對(duì)百分比，隨應(yīng)力大小和材料斷裂韌性而改變。所受應(yīng)力小而無(wú)大應(yīng)力集中時(shí)，則疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)大；反之，則小。所以，能夠依據(jù)疲勞斷口上兩個(gè)區(qū)所占百分比，預(yù)計(jì)所受應(yīng)力高低及應(yīng)力集中程度大小。第63頁(yè)64FigureFatiguefracturesurface.(a)Atlowmagnifications,thebeachmarkpatternindicatesfatigueasthefracturemechanism.Thearrowsshowthedirectionofgrowthofthecrackfront,whoseoriginisatthebottomofthephotograph.(Image(a)isfromC.C.Cottell,‘‘FatigueFailureswithSpecialReferencetoFractureCharacteristics,’’FailureAnalysis:TheBritishEngineTechnicalReports,AmericanSocietyforMetals,1981,p.318.)(b)Atveryhighmagnifications,closelyspacedstriationsformedduringfatigueareobserved(x1000)第64頁(yè)65FigureSchematicrepresentationofafatiguefracturesurfaceinasteelshaft,showingtheinitiationregion,thepropagationoffatiguecrack(withbeammarkings),andcatastrophicrupturewhenthecracklengthexceedsacriticalvalueattheappliedstress第65頁(yè)66ResultsoftheFatigueTestEndurancelimit-Anolderconceptthatdefinedastressbelowwhichamaterialwillnotfailinafatiguetest.Fatiguelife-Thenumberofcyclespermittedataparticularstressbeforeamaterialfailsbyfatigue.Fatiguestrength-Thestressrequiredtocausefailurebyfatigueinagivennumberofcycles,suchas500millioncycles.Notchsensitivity-Measurestheeffectofanotch,scratch,orotherimperfectiononamaterial’sproperties,suchastoughnessorfatiguelife.Shotpeening-Aprocessinwhichmetalspheresareshotatacomponent.第66頁(yè)67ApplicationofFatigueTestingFigureExamplesofstresscycles.(a)Equalstressintensionandcompression,(b)greatertensilestressthancompressivestress,and(c)allofthestressistensile第67頁(yè)68FigureCrackgrowthrateversusstress-intensityfactorrangeforahigh-strengthsteel.Forthissteel,C=1.621012andn=3.2fortheunitsshown第68頁(yè)69Section5.4材料斷裂韌性有些機(jī)件會(huì)在很低應(yīng)力狀態(tài)下，發(fā)生脆性斷裂。實(shí)際材料中不可防止地存在著各種缺點(diǎn)。比如，夾雜物、氣孔等冶金缺點(diǎn)和在使用、加工過(guò)程中產(chǎn)生機(jī)械缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)破壞了材料連續(xù)性，成為材料中裂紋。低應(yīng)力脆性斷裂是由材料中裂紋擴(kuò)展引發(fā)。斷裂力學(xué)利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)彈塑性理論，考慮了材料不連續(xù)性，研究材料中裂紋擴(kuò)展規(guī)律，確定材料抵抗斷裂力學(xué)性能指標(biāo)－斷裂韌性。斷裂韌性反應(yīng)了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)張能力。第69頁(yè)705.4.1斷裂韌性概念張開(kāi)型裂紋(通常稱(chēng)之為I型裂紋)，其大小能夠用應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)描述。對(duì)一個(gè)存在裂紋試樣施加拉伸載荷時(shí)，其Y值是一定。隨應(yīng)力σ逐步增大，或者裂紋長(zhǎng)度2a逐步擴(kuò)展，裂紋尖端K1增大到某一數(shù)值時(shí)，可使裂紋前沿某一區(qū)域內(nèi)應(yīng)力大到足以使裂紋產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展，即發(fā)生脆斷。這個(gè)強(qiáng)度因子臨界值，稱(chēng)為材料斷裂韌性，用K1c

表示。它反應(yīng)了有裂紋存在時(shí)，材料抵抗脆性斷裂能力。當(dāng)K1＞K1c時(shí)．裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)生脆斷；當(dāng)K1＜K1c時(shí)，裂紋不擴(kuò)展或擴(kuò)展很慢，不發(fā)生快速脆斷；當(dāng)K1=K1c時(shí)，裂紋處于臨界狀態(tài)。第70頁(yè)715.4.1斷裂韌性概念K1是描述裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)大小力學(xué)參量，它與裂紋類(lèi)型、物體形狀、大小以及外加應(yīng)力等參數(shù)相關(guān)，與材料無(wú)關(guān)；而斷裂韌性K1c

是評(píng)定材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力力學(xué)性能指標(biāo)，它與裂紋本身大小、形狀無(wú)關(guān)，也和外加應(yīng)力無(wú)關(guān)，是材料本身特征，只和材料成份、熱處理及加工工藝等相關(guān)。斷裂韌性為安全設(shè)計(jì)提供了一個(gè)主要力學(xué)性能指標(biāo)，尤其在疲勞、沖擊、高低溫強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕、輻照損傷等強(qiáng)度領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)也為發(fā)展新材料、新工藝及合理選材指出了方向。第71頁(yè)725.4.2影響材料斷裂韌性原因化學(xué)成份對(duì)于金屬材料，提升韌性元素，均提升材料斷裂韌性。加入細(xì)化晶粒元素，可使金屬斷裂韌性提升；強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化合金元素使斷裂韌性降低；形成脆性化合物元素降低斷裂韌性。晶粒尺寸晶粒越細(xì)，材料強(qiáng)度和韌性同時(shí)提升，另外，細(xì)化晶粒有利于減輕雜質(zhì)在晶界上偏析，降低沿晶斷裂，從而提升材料斷裂韌性。雜質(zhì)及第二相鋼中夾雜物以及第二相，如硫化物、氧化物、碳化物等，都是脆性相，這些相存在，降低鋼斷裂韌性；脆性相以細(xì)小球狀存在時(shí)，對(duì)斷裂韌性有害作用減小。第72頁(yè)735.4.2影響材料斷裂韌性原因溫度和加載速度大多數(shù)材料，溫度降低，斷裂韌性降低。對(duì)于存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度材料，在韌性溫度區(qū)，材料發(fā)生韌性斷裂，有較高斷裂韌性；而在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料主要是解理性脆性斷裂，斷裂韌性較低。增加形變速度，與降低溫度有類(lèi)似效果，使斷裂韌性下降。第73頁(yè)74FigureSchematicdrawingoffracturetoughnessspecimenswith(a)edgeand(b)internalflaws第74頁(yè)75FigureThefracturetoughnessKc

ofa3000,000psiyieldstrengthsteeldecreaseswithincreasingthickness,eventuallylevelingoffattheplanestrainfracturetoughnessKlc第75頁(yè)76第76頁(yè)77FigureAscanningelectronmicrographshowingcrackpropagationinaPZTceramic.(CourtesyofWangandRajN.Singh,Ferroelectrics,207,555–575(1998).)FigureSecondarycracksdevelopedduringhardnesstestingcanbeusedtoassessthefracturetoughnessofbrittlematerials第77頁(yè)78FigureFracturetoughnessversusstrengthofdifferentengineeredmaterials.(Source:AdaptedfromMechanicalBehaviorofMaterials,byT.H.Courtney,,p.434,Fig.9-18.Copyright?TheMcGraw-HillCompanies.Adaptedwithpermission.)第78頁(yè)79TheImportanceofFractureMechanicsSelectionofaMaterialDesignofaComponentDesignofaManufacturingorTestingMethodGriffithflaw-Acrackorflawinamaterialthatconcentratesandmagnifiestheappliedstress.第79頁(yè)80Section5.5材料磨損性能5.5.1磨損過(guò)程和磨損分類(lèi)1.磨損過(guò)程跑合階段（磨合階段），圖中OA階段，在此階段內(nèi)，摩擦表面逐步被磨平，實(shí)際接觸面積不停增大，同時(shí)，接觸表面因塑性變形產(chǎn)生形變強(qiáng)化以及表面形成牢靠氧化膜，使得磨損速率不停減小。穩(wěn)定磨損階段，圖中AB階段，這是磨損速率穩(wěn)定階段，線(xiàn)段斜率就是磨損速率。大多數(shù)機(jī)器零件都在此階段內(nèi)服役，磨損試驗(yàn)就是依據(jù)工件在該段經(jīng)歷時(shí)間、磨損速率或磨損量，來(lái)評(píng)定材料耐磨性能。跑合階段磨合越好，工件在該段磨損速率就越低。猛烈磨損階段，圖中BC段，隨磨損過(guò)程增加，磨耗增加，摩擦副接觸表面之間間隙增大，機(jī)件表面質(zhì)量下降，潤(rùn)滑膜被破壞，磨損加劇，機(jī)件很快失效。工作條件不一樣，磨損曲線(xiàn)會(huì)有很大差異。如摩擦條件惡劣、跑合不良等情況下，工件只有猛烈磨損階段；反之，工件磨合良好，則穩(wěn)定磨損期很長(zhǎng)。第80頁(yè)81Section5.4材料磨損性能5.4.1磨損過(guò)程和磨損分類(lèi).第81頁(yè)825.5.1

磨損過(guò)程和磨損分類(lèi)2.磨損分類(lèi)（1）粘著磨損(咬合磨損):因工件表面一些接觸點(diǎn)局部壓力超出該處材料屈服強(qiáng)度發(fā)生粘合，隨即又撕裂而產(chǎn)生一個(gè)表面損傷。（2）磨粒磨損(磨料磨損):當(dāng)摩擦副一方表面存在堅(jiān)硬細(xì)微突起，或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時(shí)產(chǎn)生磨粒磨損。前者稱(chēng)為兩體磨粒磨損，如銼削過(guò)程；后者稱(chēng)為三體磨粒磨損，如金相試樣拋光過(guò)程。（3）腐蝕磨損在摩擦過(guò)程中，摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物形成和脫落引發(fā)機(jī)件表面損傷，稱(chēng)為腐蝕磨損。腐蝕磨損常與摩擦面之間機(jī)械磨損共存，故又稱(chēng)腐蝕機(jī)械磨損。腐蝕磨損包含氧化磨損、微動(dòng)磨損、侵蝕磨損和介質(zhì)腐蝕磨損。（4）接觸疲勞又稱(chēng)為表面疲勞磨損或麻點(diǎn)磨損。它是兩接觸材料作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r，交變接觸應(yīng)力長(zhǎng)久作用使材料表面疲勞損傷，局部區(qū)域出現(xiàn)小片或大塊狀剝落，而使材料磨損現(xiàn)象。接觸疲勞是齒輪、滾動(dòng)軸承等工件常見(jiàn)磨損失效形式。其特征是，接觸表面出現(xiàn)許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀凹坑。第82頁(yè)835.5.2提升材料耐磨性路徑普通采取磨損量或耐磨性（磨損量倒數(shù)），表示材料磨損特征，也可采取相對(duì)耐磨性來(lái)表示。磨損量用失質(zhì)法或尺寸法表示。失質(zhì)法就是用質(zhì)量降低表示磨損量。尺寸法是用長(zhǎng)度或體積改變表示磨損量。1.提升耐粘著磨損路徑合理選擇摩擦副材料。改進(jìn)潤(rùn)滑條件。表面熱處理。2.提升耐磨粒磨損路徑對(duì)于低應(yīng)力磨粒磨損，應(yīng)設(shè)法提升工件表面硬度。如選取含碳較高鋼，并經(jīng)淬火處理后取得馬氏體組織；工件經(jīng)滲碳、碳氮共滲處理能有效提升耐磨粒磨損性能。對(duì)于高應(yīng)力下磨粒磨損，尤其是較