第1章金屬的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)-1

機(jī)械工程概論

Introductiontomechanicalengineering

張力菠zlbzhang@163.com南京航空航天大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院課程的性質(zhì)對(duì)象：從原材料到成品（零件和機(jī)器）的制造全過(guò)程；零件/機(jī)器制造全過(guò)程，包含哪些過(guò)程？采用適當(dāng)?shù)牟牧喜捎眠m當(dāng)?shù)墓に嚪椒ǜ淖儾牧闲螤詈托阅芰慵圃烊^(guò)程的最終目的：得到合格的零件。2機(jī)器生產(chǎn)過(guò)程熱處理原材料毛坯機(jī)器零件熱處理鑄造鍛壓焊接裝配切削加工課程的性質(zhì)機(jī)器生產(chǎn)過(guò)程：原材料——毛坯——零件——機(jī)器機(jī)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。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(jì)效益！3課程主要內(nèi)容工程材料熱加工工藝機(jī)械加工工藝材料與毛坯選擇4學(xué)習(xí)本課程的必要性與本專(zhuān)業(yè)的關(guān)系繼續(xù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)時(shí)代需求和責(zé)任5課程知識(shí)的特點(diǎn)基礎(chǔ)性、廣泛性、綜合性——機(jī)械工程基礎(chǔ)課；實(shí)踐性——與金工實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)踐緊密聯(lián)系；離散性——屬離散型知識(shí)；抽象性——強(qiáng)調(diào)形象思維。一聽(tīng)就懂、一看就煩、一放就忘、一用就錯(cuò)！6第1章金屬力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)工程材料的分類(lèi)工程材料的主要性能金屬的力學(xué)性能金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶7工程材料的分類(lèi)材料是現(xiàn)代文明三大支柱之一，發(fā)展工業(yè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)；科技進(jìn)步推動(dòng)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(jìn)了合成材料的興起和應(yīng)用；1980s特種陶瓷材料又有很大進(jìn)展；工程材料按化學(xué)組成分為三大系列：金屬材料有機(jī)高分子材料（聚合物）無(wú)機(jī)非金屬材料8工程材料的分類(lèi)制造一輛轎車(chē)，需用到800多種材料。9工程材料的分類(lèi)工程材料按使用性能可分結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩類(lèi)：結(jié)構(gòu)材料：強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等力學(xué)性能，用來(lái)制造機(jī)器零件和工程構(gòu)件的材料；功能材料：具有特殊的電、磁、光、熱、聲、力、化學(xué)性能和理化效應(yīng)的各種材料；用于對(duì)信息和能量的感受、計(jì)測(cè)、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)。10工程材料的發(fā)展趨勢(shì)美國(guó)汽車(chē)：1980年汽車(chē)平均質(zhì)量為1500kg，1990年為1020kg；每臺(tái)車(chē)鑄鐵量由225kg降至112kg，由15%減至11%；鋁合金由4％增至9％；高分子材料由6％增至9％；汽車(chē)重量減輕10%可提高燃燒效率7%，減少污染10%；從福特公司新車(chē)型中使用的主要材料示意圖中可見(jiàn)，黑色金屬將大幅減少，鋁、鎂合金用量將大幅增加。11工程材料的發(fā)展趨勢(shì)12航空航天：航空航天材料減重獲得的效益更大，衛(wèi)星減重1kg，可減少發(fā)射推力5kg；一枚小型洲際導(dǎo)彈，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少1kg，有效載荷不變，可增加射程約15km，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)系示意圖導(dǎo)彈殼體材料與導(dǎo)彈射程的關(guān)系示意圖工程材料的發(fā)展趨勢(shì)13飛行速度與效益導(dǎo)彈的殼體材料與導(dǎo)彈射程的關(guān)系工程材料的發(fā)展趨勢(shì)14工程材料的主要性能——

案例：世貿(mào)大樓倒塌紐約世貿(mào)大樓曾是世界第一高樓，高411m，單個(gè)塔樓重量約5萬(wàn)t；撞擊大樓的波音757飛機(jī)起飛重量104t，波音767起飛重量156t；其飛行速度大約是每小時(shí)1000km；從速度小得多的汽車(chē)相撞，可想象飛機(jī)對(duì)大樓的沖擊力非常巨大。紐約世貿(mào)大廈原貌第一次撞擊第二次撞擊15撞擊大樓的波音757大約可載35t燃油，波音767可載51t燃油，由于是從美國(guó)東部飛往西部的遠(yuǎn)程航班，所以機(jī)上油箱估計(jì)裝滿了燃油；起飛后飛機(jī)很快改變航線撞擊世貿(mào)大樓，機(jī)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；燃燒了一個(gè)多小時(shí)后，雙塔先后坍塌：南樓坍塌北樓坍塌——

案例：世貿(mào)大樓倒塌工程材料的主要性能16但據(jù)幸存者描述，撞擊使大樓晃動(dòng)了近1m，但整幢大樓無(wú)論是內(nèi)部還是外部并未嚴(yán)重塌落，這是大量樓內(nèi)工作人員得以逃生的關(guān)鍵；客機(jī)撞擊大樓中上部，為何會(huì)造成整棟大樓完全倒塌？大樓為何會(huì)垂直塌落而不是傾倒？——

案例：世貿(mào)大樓倒塌這些問(wèn)題的答案，部分牽涉到材料的力學(xué)性能問(wèn)題，特別是高溫下的力學(xué)性能。工程材料的主要性能17——

案例：泰坦尼克號(hào)工程材料的主要性能1912年初，英國(guó)制造的“泰坦尼克號(hào)”超級(jí)豪華巨輪建成下水，首航途中撞擊冰山右舷破裂進(jìn)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(shí)巨響震天、濁浪排空、夜色沉沉浮冰閃爍、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(wàn)張照片，收集船中物品和金屬碎片分析研究，企圖探索當(dāng)年沉沒(méi)的詳細(xì)情景，可惜原始文獻(xiàn)太少，使深入研究困難重重。據(jù)說(shuō)所用鋼材是當(dāng)時(shí)最好的，是一種含S量高的鋼材，所用歐洲鐵礦90%以上含很難除去的有害雜質(zhì)S、P。S使晶粒粗大變脆，增加鋼的熱脆性，P在鋼中生成低熔點(diǎn)共晶物增加鋼的冷脆性。18——

案例：泰坦尼克號(hào)工程材料的主要性能高強(qiáng)度合金鋼應(yīng)含C量低，提高焊縫的韌性和硬度。添加微量元素可細(xì)化晶粒并提高強(qiáng)度和韌性。由此而采用快冷的熱軋工藝，嚴(yán)格控制夾雜物的形態(tài)和濃度。船用不銹鋼一般是含Cr11~12%的Fe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氣體和海水的腐蝕。但從打撈起來(lái)的船釘來(lái)看，其長(zhǎng)10cm，端口有平行黑色條紋，呈玻璃顆粒狀?yuàn)A雜，其雜質(zhì)含量超過(guò)9%。冰山撞破船底及側(cè)舷板，同時(shí)劃裂6個(gè)缺口，海水洶涌灌入艙房，使船體迅速傾斜，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(wú)法承受如此巨大的扭矩，于是頃刻崩斷，并非彎曲，因高S鋼缺少延展性，在冰冷（-2℃）的海水中不會(huì)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(shí)之內(nèi)人船俱沉，一片凄涼。19使用性能物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能（機(jī)械性能）高溫力學(xué)性能工藝性能工程材料的主要性能20工程材料的主要性能使用性能：為滿足零件工作中的功能要求，材料應(yīng)具備的性能，或者說(shuō)在零件使用條件下材料所表現(xiàn)出來(lái)的性能；主要：物理性能、化學(xué)性能、機(jī)械性能；工藝性能：材料在加工過(guò)程中所表現(xiàn)出的性能，即對(duì)某種加工方法的適應(yīng)性及難易程度。焊接性、鑄造性能、切削加工性、鍛造性等；21——

使用性能工程材料的主要性能物理性能熔點(diǎn)密度熱膨脹性導(dǎo)熱性導(dǎo)電性磁性零件的使用場(chǎng)合和用途不同，對(duì)其物理性能要求亦不同：22化學(xué)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(chēng)化學(xué)穩(wěn)定性；抗氧化性抵抗高溫氧化性氣氛腐蝕作用的能力；活塞發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥工作溫度達(dá)850℃，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工作溫度達(dá)1400℃；耐腐蝕性按工作介質(zhì)不同，分耐銹蝕性、耐酸性和耐堿性等；耐銹蝕性，指金屬材料在大氣中的耐腐蝕性力?！?/p>

使用性能工程材料的主要性能23化學(xué)性能：抗氧化性和腐蝕性的評(píng)定：常用指標(biāo)腐蝕速度：重量法或深度法表示；深度法：毫米／年為單位：≤0.1>0.1～1.0>1.0～3.0>3.0～10.0>10.0完全抗氧化性抗氧化性次抗氧化性弱抗氧化性不抗氧化性12345年腐蝕深度(毫米／年)分類(lèi)抗氧化性級(jí)別——

使用性能工程材料的主要性能24金屬的力學(xué)性能概念：材料在外力作用下所表現(xiàn)出的抵抗能力，又稱(chēng)機(jī)械性能；分類(lèi)：強(qiáng)度剛度硬度韌性塑性疲勞強(qiáng)度外力即載荷，如拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等。25各種外載荷金屬的力學(xué)性能26金屬的力學(xué)性能——

強(qiáng)度概念：在靜載荷的作用下，材料抵抗塑性變形及斷裂的能力；測(cè)定：拉伸試驗(yàn)：按GB228-63標(biāo)準(zhǔn)制成拉伸試樣，裝夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)上緩慢加載拉伸，直至拉斷為止；27金屬的力學(xué)性能——

強(qiáng)度拉伸曲線：用低碳鋼試樣做拉伸試驗(yàn)得到的外力-變形量關(guān)系圖；

載荷PS’。S。e。p。b。k。pppepspbpkΔlbΔluΔlk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；應(yīng)力：材料單位面積上的內(nèi)力，單位MPa=1MN/m2，σ=P/F；應(yīng)變：材料的伸長(zhǎng)量與原長(zhǎng)度的比，ε=Δl/l0

；根據(jù)拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線圖可得到應(yīng)力-應(yīng)變圖。28低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變圖金屬的力學(xué)性能——

強(qiáng)度29金屬的力學(xué)性能——

強(qiáng)度可以看出，在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，低碳鋼試樣經(jīng)過(guò)了以下幾個(gè)過(guò)程：彈性變形屈服強(qiáng)化頸縮斷裂σ——應(yīng)力ε——

應(yīng)變?chǔ)襊

——比列極限σe——彈性極限σs——屈服極限σb——強(qiáng)度極限30金屬的力學(xué)性能——

強(qiáng)度彈性變形：試樣加載后應(yīng)力不超過(guò)σe，若卸載，試樣能恢復(fù)原狀；彈性：材料不產(chǎn)生永久變形的性能，稱(chēng)為彈性；彈性極限：σe為材料不產(chǎn)生永久變形所能承受的最大應(yīng)力，稱(chēng)為彈性極限，即pe段的e點(diǎn)；比例極限：材料為保持載荷與伸長(zhǎng)量成比例增長(zhǎng)所能承受的最大應(yīng)力，即σP

；31金屬的力學(xué)性能——

強(qiáng)度剛度：零件或構(gòu)件抵抗彈性變形的能力，彈性模量是衡量金屬材料剛度的指標(biāo)；彈性模量：op的斜率E稱(chēng)為材料的彈性模量；按虎克定律，比例極限σP

范圍，應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)懦烧龋瑒t：E是常數(shù)，取決材料本身，反比于△l

，即E越大，彈性變形量越小，則剛度越大，也可增加F0來(lái)提高剛度。32金屬的力學(xué)性能——

強(qiáng)度屈服：es段為微量塑性變形階段，ss’接近水平段，表載荷基本保持不變時(shí)，伸長(zhǎng)量繼續(xù)增加，即材料的屈服現(xiàn)象；屈服極限：金屬材料開(kāi)始屈服時(shí)的最小應(yīng)力，或稱(chēng)屈服強(qiáng)度：33金屬的力學(xué)性能——

強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度：大多數(shù)金屬拉伸時(shí)無(wú)明顯屈服，很難測(cè)定，故GB228-87取非比例伸長(zhǎng)與原標(biāo)距長(zhǎng)度比（殘余應(yīng)變量）為0.2％時(shí)的應(yīng)力作屈服強(qiáng)度指標(biāo)，稱(chēng)條件屈服強(qiáng)度，即抗拉強(qiáng)度：所能承受的最大應(yīng)力，即抵抗斷裂的能力，強(qiáng)度極限；ss’b段為大量塑變階段，塑變量大，且變形引起的強(qiáng)化作用使變形抗力增加，故欲增加Δl，須增加載荷P，到b點(diǎn)載荷P最大，試件出現(xiàn)局部縮頸，b點(diǎn)應(yīng)力即抗拉強(qiáng)度；34金屬的力學(xué)性能——

強(qiáng)度35選材的兩個(gè)重要強(qiáng)度指標(biāo)；若不允許產(chǎn)生塑性變形，則強(qiáng)度校核應(yīng)選；若只要求使用時(shí)不斷裂，則強(qiáng)度校核應(yīng)選；用作強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，應(yīng)采用較大的安全系數(shù)；脆性材料的強(qiáng)度校核必須用。金屬的力學(xué)性能——

強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的選擇：36與之比稱(chēng)為屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比越小，可靠性越大，即使超載也能因塑性變形延長(zhǎng)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。因此，對(duì)于不同鋼種屈強(qiáng)比要求不同：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼約為0.5~0.6；低合金結(jié)構(gòu)鋼約為0.65~0.75；合金結(jié)構(gòu)鋼約為0.7~0.8；彈簧鋼約為0.85~0.9。金屬的力學(xué)性能——

強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的選擇：37金屬的力學(xué)性能——

塑性塑變：載荷超過(guò)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，即塑性變形；塑性：產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能，常用指標(biāo)有延伸率δ和斷面收縮率ψ：l0——試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度l1——試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度F0——試樣原始橫截面積F1——試樣斷裂處的橫截面積38金屬的力學(xué)性能——

塑性特點(diǎn)：伸長(zhǎng)率δ隨試樣原始長(zhǎng)度增加而減小，故同一材料的短試樣（l0=5d0

）與長(zhǎng)試樣（l0=10d0）的伸長(zhǎng)率大20%左右；用短、長(zhǎng)試樣測(cè)得的伸長(zhǎng)率分別用δ5和δ10表示。斷面收縮率ψ與試樣尺寸無(wú)關(guān)，對(duì)塑性改變更敏感，能更客觀的反映材料的塑性；δ與ψ越大，材料塑性越好；金屬具有一定塑性才能進(jìn)行各種變形加工，并使零件在偶然過(guò)載時(shí)，產(chǎn)生一定塑變，而不致突然斷裂，提高可靠性。39金屬的力學(xué)性能——

硬度概念：金屬材料的軟硬程度，表征其局部塑性變形抗力的指標(biāo)，即抵抗硬物壓入或劃傷表面的能力；類(lèi)型：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度，等；測(cè)定：壓入法、劃痕法、彈跳回彈法；多用壓入法，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(cè)定其硬度；幾種方法的壓頭類(lèi)型和壓力大小不同。40金屬的力學(xué)性能——

硬度布氏硬度：HB，將直徑為D(10、5、2.5mm)的鋼球，置于布氏硬度機(jī)上，在一定載荷F下壓入所測(cè)材料表面，經(jīng)規(guī)定的加載時(shí)間后卸除載荷，即得直徑為d之壓坑；HB值為F與壓坑球面積A的比值，以HBS(W)表示：41金屬的力學(xué)性能——

硬度布氏硬度：HB值越大，表示材料越硬；HBS值在450以下的材料，用普通淬火鋼球；HBW值在450~650的材料，用硬質(zhì)合金球；HB值大于650時(shí)，壓頭可能變形，不宜用此法；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(cè)成品、小件、薄件。42金屬的力學(xué)性能——

硬度洛氏硬度：壓頭為120度金剛石圓錐或直徑1.588mm淬火鋼球，洛氏硬度機(jī)，HR；以壓頭在金屬表面形成的壓坑深度作為計(jì)量硬度大小之依據(jù)，具體步驟：加初載荷10kg，壓坑深度為h1，其目的是消除表面粗糙度對(duì)硬度的影響；再加上主載荷50或90或140kg，壓坑深度為h2；卸除主載荷，保留初載荷，此時(shí)由于彈性恢復(fù)，壓坑深度為h3。洛氏硬度視頻43金屬的力學(xué)性能——

硬度洛氏硬度：國(guó)標(biāo)規(guī)定h3–h1=△h作為HR值的計(jì)算深度；若△h直接用作HR值，則△h數(shù)值越小，材料越硬；為與習(xí)慣相符，一般用一常數(shù)K減去△h來(lái)表示，并用每0.002毫米為一硬度單位；HR值的計(jì)算式：44標(biāo)度壓頭類(lèi)型載荷kg常數(shù)K測(cè)量范圍測(cè)試件舉例HRA金剛石圓錐600.270~85表面硬化層、硬質(zhì)合金等HRB

Φ1.588mm淬火鋼球1000.2625~100鋁合金，鎂合金、退火鋼等HRC金剛石圓錐1500.220~67淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等硬零件金屬的力學(xué)性能——

硬度洛氏硬度：按材料硬度和厚度，采用不同類(lèi)型的壓頭和載荷組成的15種（A-V）HR硬度標(biāo)度，常用HRA、HRB和HRC：HR法簡(jiǎn)便迅速，零件表面留下的壓坑小，多用于成品。45金屬的力學(xué)性能——

硬度維氏硬度：HV法與HB法基本相似，只是所加載荷F較小，壓頭是頂角為136°的金剛石棱錐體。在F作用下，被測(cè)試件表面上壓出一d1Xd2的方形壓痕：46金屬的力學(xué)性能——

硬度維氏硬度：HV值以單位壓痕表面積所承受的抗力表示，數(shù)值越大，材料越硬；HV試驗(yàn)的載荷，可按試樣大小、厚度、硬化層深度、鍍層厚度從1~120kg任選，常用5、10、20、30kg等；由于測(cè)量精度高，壓痕淺，載荷調(diào)整范圍大，測(cè)量硬度范圍寬，HV法廣泛用于測(cè)定工件表面硬化層、金屬鍍層以及薄片金屬的硬度。47金屬的力學(xué)性能——

沖擊韌性概念：表示材料抵抗沖擊載荷的能力，一般也稱(chēng)韌性；沖擊載荷不僅是力的作用，且伴有力的作用速度，故它是一種能量參數(shù)；目前沖擊韌性的測(cè)試方法有兩種：大能量一次沖擊試驗(yàn)小能量多次沖擊試驗(yàn)48金屬的力學(xué)性能——

沖擊韌性大能量一次沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行：按GB229-94制成帶缺口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，并將其安放在沖擊試驗(yàn)機(jī)支架上；將重量為G的擺錘舉到高度H，使其具有位能GH；將擺錘放開(kāi)，使之沖斷試樣，此時(shí)擺錘的高度為h，剩余位能為Gh。49擺錘的勢(shì)能變化擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)金屬的力學(xué)性能——

沖擊韌性50金屬的力學(xué)性能——

沖擊韌性大能量一次沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)過(guò)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F上所消耗的能量為：51ak

沒(méi)有確切的力學(xué)意義，它表明在高應(yīng)變速率時(shí)，材料的脆性發(fā)展趨勢(shì)；沖擊試驗(yàn)廣泛應(yīng)用,但Ak

、ak

不能直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算；對(duì)承受沖擊載荷的零件，應(yīng)有一定的ak

要求，以保證零件使用的安全性；ak

對(duì)金屬材料淬火過(guò)熱、回火脆性、夾雜、裂紋等缺陷非常敏感，故常用于檢驗(yàn)金屬材冶煉、熱加工、熱處理質(zhì)量。金屬的力學(xué)性能——

沖擊韌性大能量一次沖擊試驗(yàn)52金屬的力學(xué)性能——

沖擊韌性小能量多次沖擊試驗(yàn)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(guò)千百萬(wàn)次小能量沖擊破壞；大量試驗(yàn)證明，材料的成分及組織狀態(tài)對(duì)一次沖擊抗力(ak值)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塑性，而多次小能量沖擊抗力則主要取決于材料之強(qiáng)度；故ak

不能代表實(shí)際條件下小能量多次沖擊韌性，設(shè)計(jì)一般承受沖擊載荷的零件時(shí)，不能片面追求過(guò)高的ak值。53金屬的力學(xué)性能——

疲勞強(qiáng)度疲勞斷裂：彈簧、軸、齒輪等零件，工作時(shí)承受交變載荷，工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度σb

，甚至小于屈服強(qiáng)度σ0.2

時(shí)，在長(zhǎng)時(shí)間工作后發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象；交變載荷能產(chǎn)生重復(fù)應(yīng)力或交變應(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(méi)有方向變化，如由小變大，再由大變??；交變應(yīng)力：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，再由壓變拉。54金屬的力學(xué)性能——

疲勞強(qiáng)度疲勞斷裂的原因：在零件應(yīng)力高度集中的部位；材料本身強(qiáng)度較低的部位，如原有的裂紋、夾雜、軟點(diǎn)、刀痕等缺陷處；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(kuò)展，使零件承受載荷的有效面積不斷減小，最終當(dāng)減小到不能承受載荷的作用時(shí)，即發(fā)生突然斷裂。55金屬的力學(xué)性能——

疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度：評(píng)定疲勞抗力的指標(biāo)；可通過(guò)疲勞試驗(yàn)測(cè)定，常用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法：試驗(yàn)裝置如圖，試樣的兩端夾持在轉(zhuǎn)筒內(nèi)，載荷通過(guò)框架加在試樣上，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)試樣旋轉(zhuǎn)，從而使試樣承受對(duì)稱(chēng)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σ作縱坐標(biāo)，循環(huán)次數(shù)N作橫坐標(biāo)，可繪出疲勞曲線。56金屬的力學(xué)性能——

疲勞強(qiáng)度57金屬的力學(xué)性能——

疲勞強(qiáng)度疲勞曲線的解讀：很明顯，試樣承受交變應(yīng)力降低時(shí)，循環(huán)次數(shù)增加，當(dāng)應(yīng)力降低到某一定值后，曲線趨向水平，即表示在該應(yīng)力作用下，試樣經(jīng)無(wú)限多次循環(huán)仍不斷裂；疲勞強(qiáng)度，即試樣經(jīng)無(wú)限多次應(yīng)力循環(huán)，不致引起斷裂的最小應(yīng)力，用符號(hào)σ-1表示；一般以疲勞曲線出現(xiàn)水平時(shí)，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力作為材料的疲勞強(qiáng)度；一般鋼鐵材料應(yīng)力循環(huán)107次，有色金屬則是108次。58疲勞斷裂特點(diǎn)應(yīng)力水平低，往往遠(yuǎn)低于σS

；斷裂前無(wú)明顯形變。疲勞極限σr

對(duì)稱(chēng)彎曲循環(huán)疲勞極限用σ-1

表示；疲勞曲線(σ～N)有明顯的水平線段，則水平線段對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為σ-1

；疲勞曲線沒(méi)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(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力。金屬的力學(xué)性能——

疲勞強(qiáng)度59據(jù)統(tǒng)計(jì)機(jī)械零件斷裂有80％歸因于疲勞，提高零件疲勞強(qiáng)度很必要：金屬的力學(xué)性能——

疲勞強(qiáng)度措施：設(shè)計(jì)方面：避免尖角，注意保證零件的表面粗糙度；材料方面：保證冶金質(zhì)量，減少夾雜疏松等缺陷；工藝方面：強(qiáng)化零件表面，如表面淬火，表面滲碳、表面氮化、噴丸處理、滾壓處理等。這些強(qiáng)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(kuò)展。60金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度低應(yīng)力脆斷與斷裂力學(xué)：傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想認(rèn)為零件所承受的工作應(yīng)力只要≤材料的許用應(yīng)力[σ]，零件便能安全工作，即：n是安全系數(shù)，一般取1.5~2.0。但從上世紀(jì)初以來(lái)，生產(chǎn)實(shí)踐中按此設(shè)計(jì)的一些大型、重型或高強(qiáng)度材料零件或構(gòu)件，如大型鐵橋、萬(wàn)噸輪船、飛機(jī)機(jī)翼、高壓容器等突然斷裂或爆炸，導(dǎo)致了不少驚心動(dòng)魄的事故：611938~1942年間，世界上有幾十座焊接鋼橋突然斷裂倒塌；1950s，美國(guó)北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體試飛時(shí)突然爆炸；1960s，美國(guó)F-111轟炸機(jī)俯沖拉起時(shí)左翼折斷，機(jī)毀人亡；1970s，美國(guó)DC-9民航機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)軸斷裂，……；……金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度低應(yīng)力脆斷與斷裂力學(xué)：622007年7月31日，美加利福尼亞一在建立交橋坍塌。金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度632007年8月1日，美國(guó)明尼阿波利斯市，密西西比河橋梁整體坍塌。金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度642007年8月13日，湖南鳳凰縣在建的堤溪沱江大橋整體坍塌。死36…金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度652007年9月9日，印度安得拉邦首府海得拉巴一在建立交橋部分坍塌…金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度66金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度2009-5-17，湖南株洲高架橋坍塌，6死17傷2009-7-13，印度在建地鐵高架橋發(fā)生坍塌事故，5死15傷2009-7-15，津晉高速公路匝道橋坍塌，6死4傷2009-9-25，印度電廠在建煙囪倒塌，超100人死亡2009-11-14，浙江溫州在建高架橋坍塌，死傷8人2010-1-4，昆明在建新機(jī)場(chǎng)立交橋垮塌，7死34傷2010-6-8，吉林省道302朝長(zhǎng)公路錦江大橋坍塌，6傷2010-7-24，河南伊河湯營(yíng)大橋垮塌已致37人死亡19人失蹤……類(lèi)似的事故仍然一直在不斷上演：67斷裂應(yīng)力均低于材料的屈服極限σ0.2

；即使是塑性材料，斷裂前也沒(méi)有塑性變形的征兆，而呈脆性斷裂；上述斷裂事故可統(tǒng)稱(chēng)為“低應(yīng)力脆斷”。傳統(tǒng)材料力學(xué)不能解釋低應(yīng)力脆斷，為研究其機(jī)理與規(guī)律，防此類(lèi)事故的發(fā)生，一門(mén)新的邊緣科學(xué)——斷裂力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度上述事故的共同點(diǎn)：68材料力學(xué)的觀點(diǎn)：金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度將金屬材料看成無(wú)缺陷的均勻體；斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)：將金屬材料看成有許多宏觀裂紋的連續(xù)體；實(shí)踐證明，低應(yīng)力脆斷總是由材料中宏觀裂紋的擴(kuò)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(guò)程中形成，因而是難以避免的；為此，斷裂力學(xué)提出新的強(qiáng)度韌性指標(biāo)（如斷裂韌度），以解決零部件內(nèi)存在裂紋情況下的安全和壽命問(wèn)題。斷裂力學(xué)中表征材料脆性斷裂的一種重要抗力指標(biāo)。69金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度裂紋：構(gòu)件中有了宏觀裂紋，會(huì)降低實(shí)際的斷裂強(qiáng)度，裂紋在外力作用下的擴(kuò)展方式主要分三種（實(shí)際不局限于此）張開(kāi)型(I型)裂紋：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體存在縱向裂紋時(shí)，在環(huán)向正應(yīng)力的作用下，便屬于I型裂紋；最危險(xiǎn)的類(lèi)型；滑開(kāi)型(Ⅱ型)裂紋：兩塊厚板用螺栓連接并承受拉力P，當(dāng)AB面上的螺栓表面有一環(huán)向裂紋時(shí)，在一對(duì)剪應(yīng)力的作用下，便屬于Ⅱ型裂紋；撕開(kāi)型(Ⅲ型)裂紋：傳動(dòng)軸工作時(shí)受扭轉(zhuǎn)力矩作用，軸上有一環(huán)向裂紋時(shí)，在一對(duì)剪應(yīng)力作用下，便屬Ⅲ型裂紋。張開(kāi)型裂紋Ⅰ滑開(kāi)型裂紋Ⅱ撕開(kāi)型裂紋Ⅲ70斷裂力學(xué)提出了一個(gè)描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度的參數(shù)——應(yīng)力強(qiáng)度因子KI：Y——裂紋形狀系數(shù)，無(wú)量綱，1~2；σ——作用于工件的拉應(yīng)力；

a——裂紋的半長(zhǎng)；可見(jiàn)，隨著受載程度和裂紋尺寸的增加，即σ增大，或a增大，或σ、a同時(shí)增大時(shí)，KI也隨之增加；金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度裂紋尖端的實(shí)際應(yīng)力（縱向）與KI成正比。71裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度72KI較小時(shí)，裂紋尖端實(shí)際應(yīng)力小于材料強(qiáng)度極限，處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)裂紋也會(huì)由于交變載荷或腐蝕而擴(kuò)展，但為穩(wěn)定擴(kuò)展；KI增大到某臨界值時(shí)，裂紋尖端應(yīng)力會(huì)超過(guò)材料強(qiáng)度極限，使裂紋失穩(wěn)自動(dòng)擴(kuò)展，a增大，使KI增大，實(shí)際應(yīng)力進(jìn)一步加大，裂紋迅速擴(kuò)展，惡性循環(huán)，試樣斷裂，此為失穩(wěn)擴(kuò)展。KI的臨界值KIC

，即材料的斷裂韌度，此時(shí)應(yīng)力稱(chēng)臨界應(yīng)力σC，裂紋長(zhǎng)度a稱(chēng)臨界裂紋長(zhǎng)度，aC。金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度73KIC代表含裂紋材料抵抗宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的一個(gè)新的力學(xué)性能指標(biāo)；KIC與KI的區(qū)別：不同的概念，與同的區(qū)別類(lèi)似；KI同對(duì)應(yīng)，只與載荷及試樣尺寸相關(guān)，與材料無(wú)關(guān)；KIC對(duì)應(yīng)，只與材料成分、組織結(jié)構(gòu)相關(guān)，是材料的力學(xué)性能指標(biāo)，而與載荷及試樣尺寸無(wú)關(guān)；當(dāng)時(shí)，均質(zhì)材料斷裂；當(dāng)時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，裂紋實(shí)體發(fā)生低應(yīng)力脆斷。金屬的力學(xué)性能——

斷裂韌度74金屬的力學(xué)性能——

高溫力學(xué)性能材料在高溫下的力學(xué)性能與常溫下完全不同：一般隨溫度升高，彈性模量E、屈服強(qiáng)度σS、硬度將降低，塑性增加，還可能發(fā)生蠕變：高溫：高溫與低溫是相對(duì)于該材料熔點(diǎn)而言的，常用約比溫度來(lái)衡量，即T：試驗(yàn)或工作溫度(絕對(duì))；Tm

：金屬熔點(diǎn)，(絕對(duì)溫度)若其大于0.5，則當(dāng)時(shí)溫度為高溫，反則為低溫。75金屬的力學(xué)性能——

高溫力學(xué)性能蠕變：材料長(zhǎng)時(shí)間在一定溫度、壓力作用下，即使應(yīng)力小于σ0.2，也會(huì)緩慢發(fā)生塑性變形直至斷裂的現(xiàn)象；