材料力學(xué)教學(xué)課件幻燈片一零

返回總目錄第12章

材料研究的其他問題提要：在以往各章中，我們所討論的問題均是以常溫、靜載為前提條件的。如果構(gòu)件的工作條件為高、低溫或者受到動(dòng)荷載作用，其力學(xué)性能將發(fā)生很大的變化。(1)材料在交變應(yīng)力作用下的疲勞破壞與疲勞極限。由于疲勞破壞是突然發(fā)生的，構(gòu)件破壞時(shí)的最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，因此，我們需要研究材料的疲勞極限。(2)材料在動(dòng)荷載作用下的力學(xué)性能。構(gòu)件承受動(dòng)荷載作用時(shí)，應(yīng)變速率較大，其強(qiáng)度極限比承受靜載高，屈服階段不明顯，塑性降低。在寒冷工作條件下，鋼材應(yīng)變的時(shí)效效應(yīng)將降低鋼板的韌性，很可能發(fā)生脆性斷裂。因此，我們需要研究塑性材料阻止脆性斷裂的能力，即沖擊韌性。(3)材料在長(zhǎng)期高溫以及恒定荷載作用下的蠕變現(xiàn)象。由于材料在長(zhǎng)期高溫以及恒定荷載作用下的塑性變形將隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而不斷發(fā)展，將逐步取代其初始的彈性變形，所以使材料中的應(yīng)力隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸降低。這就是應(yīng)力松弛。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限一.材料在交變應(yīng)力下的疲勞破壞與疲勞極限金屬材料的疲勞破壞在工程中，有些構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力隨時(shí)間做交替變化。例如，吊車梁在可變荷載作用下，構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力隨時(shí)間而交替變化。又如，車軸所受的荷載雖不隨時(shí)間改變，但是，由于車軸本身在旋轉(zhuǎn)，橫截面上除軸心外任一點(diǎn)的位置雖時(shí)間而改變，因此，該點(diǎn)的彎曲應(yīng)力也隨時(shí)間做周期性的變化。這種隨時(shí)間作交替變化的應(yīng)力，稱為交變應(yīng)力(alternatingstress)。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限像鐵絲被反復(fù)彎折一樣，鋼材等金屬材料在受到一次加力后而不破壞，但是當(dāng)受到多次反復(fù)加力的作用后發(fā)生破壞，這種現(xiàn)象就是疲勞破壞(fatiguefailure)。機(jī)器以及結(jié)構(gòu)物發(fā)生破壞的原因約70%～80%是由疲勞破壞引起的。而疲勞破壞發(fā)生時(shí)，材料的最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于其屈服極限，沒有明顯的塑性變形。由于發(fā)生的是突然的斷裂破壞，往往引起重大事故的發(fā)生，給社會(huì)帶來很大的危害。因此對(duì)金屬疲勞破壞機(jī)理的闡明以及以此作為基礎(chǔ)建立強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法、壽命預(yù)測(cè)方法和疲勞破壞防止方法是非常重要的。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限圖12.1材料疲勞破壞斷口分區(qū)示意圖交變應(yīng)力作用下的疲勞破壞全然不同于靜荷載作用下的破壞，其主要特征為：①構(gòu)件內(nèi)的最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于其靜荷載作用下屈服強(qiáng)度或極限強(qiáng)度；②即使是塑性較好的鋼材，疲勞破壞也是在沒有明顯塑性變形的情況下突然發(fā)生的；③疲勞破壞的斷口表面呈現(xiàn)兩個(gè)截然不同的區(qū)域，一是光滑區(qū)，另一是晶粒狀的粗糙區(qū)，如圖12.1所示。近代的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，疲勞破壞實(shí)質(zhì)上是金屬材料在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，由于內(nèi)部微小的缺陷或應(yīng)力集中而產(chǎn)生塑性變形，萌生裂紋，隨著外力的反復(fù)作用次數(shù)的增加，微小的裂紋逐漸擴(kuò)展，最后導(dǎo)致材料的開裂或破壞。通常所說的疲勞斷裂是指微觀裂縫在連續(xù)反復(fù)的荷載作用下不斷擴(kuò)展直至脆性斷裂(brittlefracture)。因此，疲勞破壞是由疲勞裂紋源的形成、疲勞裂紋的擴(kuò)展和最后的脆斷三個(gè)階段所組成的破壞過程。疲勞裂紋源的形成：金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不均勻，從而造成應(yīng)力傳遞的不平衡，有的地方會(huì)成為應(yīng)力集中區(qū)。與此同時(shí)，金屬表面的損傷以及金屬內(nèi)部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在足夠大的交變應(yīng)力持續(xù)作用下，金屬材料中最不利位置處的晶粒沿最大切應(yīng)力作用面形成滑移帶，循環(huán)滑移也會(huì)形成微觀裂紋。這種斜裂紋擴(kuò)展到一定深度后，就會(huì)轉(zhuǎn)為沿垂直于最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展的平裂紋，從而形成宏觀裂紋。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限疲勞裂紋的擴(kuò)展：當(dāng)應(yīng)力交替變化時(shí)，裂紋兩側(cè)表面的材料時(shí)而壓緊，時(shí)而張開。由于材料的相互反復(fù)壓緊，就形成了斷口表面的光滑區(qū)域。因此，在最后斷裂前，光滑區(qū)域就是已經(jīng)形成的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。疲勞破壞的最后階段：位于疲勞裂紋尖端區(qū)域內(nèi)的材料處于高度的應(yīng)力集中狀態(tài)，而且通常是處于三向拉伸狀態(tài)下，所以，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定深度時(shí)，材料中能夠傳遞應(yīng)力的部分越來越少，在正常的最大工作應(yīng)力下也可能發(fā)生驟然的擴(kuò)展，當(dāng)剩余截面不能繼續(xù)傳遞應(yīng)力時(shí)，就會(huì)引起材料剩余截面的脆性斷裂。斷口表面的粗晶粒狀區(qū)域即為發(fā)生脆性斷裂的剩余截面。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限2.交變應(yīng)力的基本參量交變應(yīng)力下的疲勞破壞與靜應(yīng)力下的破壞截然不同，因此，表征材料抵抗破壞能力的強(qiáng)度指標(biāo)也不同。而且，金屬的疲勞破壞與交變應(yīng)力中的應(yīng)力水平、應(yīng)力變化情況以及應(yīng)力循環(huán)次數(shù)等有關(guān)。為此，先介紹描述交變應(yīng)力變化情況的基本參量。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限設(shè)一簡(jiǎn)支梁上放置重量為Q的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)引起的干擾力為，梁將產(chǎn)生受迫振動(dòng)。如圖12.2所示，梁跨中下邊緣危險(xiǎn)點(diǎn)處的拉應(yīng)力將隨時(shí)間按正弦曲線變化，這種應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線，稱為應(yīng)力譜(stressspectrum)。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限圖12.2梁振動(dòng)時(shí)的交變應(yīng)力12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限梁中危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力，在某一固定的最大值與最小值之間做周期性的變化。應(yīng)力變化的一個(gè)周期稱為一次應(yīng)力循環(huán)(stresscycle)。完成一次應(yīng)力循環(huán)所需要的時(shí)間稱為一個(gè)周期T。應(yīng)力循環(huán)中最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值，稱為交變應(yīng)力的應(yīng)力比(stressratio)或循環(huán)特征，用r表示，即

(12.1)最大應(yīng)力與最小應(yīng)力差值的二分之一稱為應(yīng)力幅(stressamplitude)，表示交變應(yīng)力中的應(yīng)力交替變化程度，即

(12.2)12.1材料的疲疲勞破壞壞與疲勞勞極限最大應(yīng)力力與與最小小應(yīng)力代代數(shù)和和的平均均值稱為為平均應(yīng)應(yīng)力，用用表表示(12.3)若與與大大小相等等，符號(hào)號(hào)相反，，則應(yīng)力力比(12.4)時(shí)的情況況稱為對(duì)稱循環(huán)環(huán)(symmetricalcirculation)。除對(duì)稱稱循環(huán)外外，其余余應(yīng)力循循環(huán)都稱稱為非對(duì)稱循循環(huán)(unsymmetricalcirculation)。若非對(duì)對(duì)稱循環(huán)環(huán)中的的，則則其應(yīng)力力比，，這這種情況況稱為脈動(dòng)循環(huán)環(huán)(pulsatilecirculation)。構(gòu)件在靜靜應(yīng)力作作用下，，各點(diǎn)處處的應(yīng)力力保持恒恒定，均均為。。若將靜靜應(yīng)力視視為交變變應(yīng)力的的一種特特殊情況況，則其其應(yīng)力比比為。。以上點(diǎn)的的應(yīng)力若若為切應(yīng)應(yīng)力，則則以以代代替。。此外，，值得注注意的是是，最大大應(yīng)力和和最小應(yīng)應(yīng)力都是是帶正負(fù)負(fù)號(hào)的，，這里以以絕對(duì)值值較大者者為最大大應(yīng)力，，并規(guī)定定為正，，而與正正號(hào)應(yīng)力力反向的的最小應(yīng)應(yīng)力則為為負(fù)號(hào)。。12.1材料的疲勞破破壞與疲勞極極限3.疲勞極限金屬材料在交交變應(yīng)力作用用下，當(dāng)其最最大工作應(yīng)力力遠(yuǎn)低于屈服服極限時(shí)，就就可能發(fā)生疲疲勞破壞。因因此，靜載作作用下測(cè)定的的屈服極限或或強(qiáng)度極限已已不能作為其其強(qiáng)度指標(biāo)，，疲勞的強(qiáng)度度指標(biāo)應(yīng)重新新測(cè)定。疲勞強(qiáng)度(fatiguestrength)除與材料本身身的性能有關(guān)關(guān)外，還與變變形形式、應(yīng)應(yīng)力比和應(yīng)力力循環(huán)次數(shù)有有關(guān)。疲勞強(qiáng)強(qiáng)度可用疲勞勞試驗(yàn)來測(cè)定定，如材料在在對(duì)稱循環(huán)彎彎曲時(shí)的疲勞勞強(qiáng)度可以按按GB4337—84旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞勞試驗(yàn)來測(cè)定定。顯然，試試樣所受交變變應(yīng)力中的最最大應(yīng)力越越高，，疲勞破壞所所經(jīng)歷的應(yīng)力力循環(huán)次數(shù)N就越低。試樣樣疲勞破壞所所經(jīng)歷的應(yīng)力力循環(huán)次數(shù)，，稱為材料的的疲勞壽命(fatiguelife)。降低最大應(yīng)應(yīng)力，疲勞強(qiáng)強(qiáng)度將會(huì)提高高，當(dāng)最大應(yīng)應(yīng)力降低至某某一數(shù)值時(shí)，，試樣可經(jīng)歷歷無限次應(yīng)力力循環(huán)而不發(fā)發(fā)生疲勞破壞壞，相應(yīng)的最最大應(yīng)力值稱稱為材料的疲勞極限(fatiguelimit)，并用表表示。下下標(biāo)r表示交變應(yīng)力力的應(yīng)力比。。12.1材料的疲勞破破壞與疲勞極極限12.1材料的疲勞破破壞與疲勞極極限二.材料在對(duì)稱與與非對(duì)稱循環(huán)環(huán)交變應(yīng)力下下的疲勞破壞壞與疲勞極限限1.材料在對(duì)稱循循環(huán)下的疲勞勞極限在對(duì)稱循環(huán)的的交變應(yīng)力下下，材料的疲疲勞極限是通通過一組試件件在疲勞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲疲勞實(shí)驗(yàn)來測(cè)測(cè)定的。用同同一種鋼材將將材料加工成成d=7～10mm、表面光滑的的圓截面試樣樣。試驗(yàn)時(shí)，首先先取第一根試試樣放在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎曲疲勞試試驗(yàn)機(jī)上，在在試驗(yàn)過程中中將試件不斷斷旋轉(zhuǎn)，因此此，試件表面面任一點(diǎn)的應(yīng)應(yīng)力都在最大大應(yīng)力和最小小應(yīng)力之間周周而復(fù)始的變變化。使第一一根試樣的最最大應(yīng)力較較高高，經(jīng)歷次次循環(huán)后后，試樣發(fā)生生疲勞破壞。。稱為為應(yīng)力為時(shí)時(shí)的疲勞壽命命。再取第二根試樣，，使其應(yīng)力略略低于于第一根試樣樣，經(jīng)歷次次循環(huán)后，試試樣發(fā)生疲勞勞破壞。依次次降低應(yīng)力水水平，得出全全組試樣相應(yīng)應(yīng)的疲勞壽命命。整理試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果可得到到作用在材料料上的交變應(yīng)應(yīng)力的最大值值和疲勞破壞壞關(guān)系的S―N曲線(S代表正應(yīng)力或或切應(yīng)力)，它是疲勞強(qiáng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，稱稱為循環(huán)基基數(shù)。如果鋼鐵材料料在完成次次的應(yīng)力循循環(huán)的疲勞試試驗(yàn)后不發(fā)生生疲勞破壞，，就被認(rèn)為永永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生生疲勞破壞，，此時(shí)的最大大應(yīng)力值稱為為鋼材的疲勞勞極限。結(jié)構(gòu)構(gòu)物就是以疲疲勞極限作為為基準(zhǔn)進(jìn)行疲疲勞設(shè)計(jì)的。。可是最近十十幾年來，在在承受次次的應(yīng)力循循環(huán)以前被認(rèn)認(rèn)為擁有疲勞勞極限的材料料，在超過次次的的應(yīng)力循環(huán)以以后的超長(zhǎng)壽壽命區(qū)，被發(fā)發(fā)現(xiàn)也有可能能發(fā)生疲勞破破壞。因此現(xiàn)現(xiàn)行的壽命預(yù)預(yù)測(cè)方法和設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)經(jīng)不能滿足超超長(zhǎng)壽命機(jī)械械設(shè)備的使用用要求。12.1材料的疲勞破破壞與疲勞極極限另外，將有限限的資源長(zhǎng)期期充分地使用用也是對(duì)社會(huì)會(huì)持續(xù)發(fā)展的的保障。因此此超長(zhǎng)壽命疲疲勞行為的研研究是最近金金屬材料研究究的一個(gè)重要要的課題。對(duì)于銅、鋁等等有色金屬及及其合金材料料，由于其S―N曲線沒有明顯顯的水平直線線部分，因此此，我們一般般規(guī)定一個(gè)循循環(huán)基數(shù)，來來測(cè)定其對(duì)應(yīng)應(yīng)的最大應(yīng)力力作為這類材材料的條件疲2.材料在非對(duì)稱循環(huán)下的疲勞極限12.1材料的疲勞勞破壞與疲疲勞極限在對(duì)稱循環(huán)環(huán)的交變應(yīng)應(yīng)力下，r=-1，而在非對(duì)對(duì)稱循環(huán)的的交變應(yīng)力力下，可以以在給定的的應(yīng)力比r值下進(jìn)行疲疲勞試驗(yàn)，，求出相應(yīng)應(yīng)的S―N曲線。利用用S―N曲線便可以以確定不同同r值下的疲勞勞極限。。非對(duì)對(duì)稱循環(huán)的選取以平均均應(yīng)力為為橫橫軸，應(yīng)力力幅為為為縱縱軸的坐標(biāo)標(biāo)系如圖12.3所示，對(duì)應(yīng)應(yīng)任一個(gè)應(yīng)應(yīng)力循環(huán)，，由其、、便便可在坐標(biāo)標(biāo)系中確定定一個(gè)對(duì)應(yīng)應(yīng)的P點(diǎn)。若把一一點(diǎn)的縱、、橫坐標(biāo)相相加，就得得到該點(diǎn)所所代表的應(yīng)應(yīng)力循環(huán)的的最大應(yīng)力力，即12.1材料的疲勞勞破壞與疲疲勞極限圖12.3疲勞極限曲曲線由原點(diǎn)到P點(diǎn)作射線OP，其斜率為為12.1材料的疲勞勞破壞與疲疲勞極限由此可見，，循環(huán)特征征r相同的所有有應(yīng)力循環(huán)環(huán)都在同一一射線上。。離原點(diǎn)越越遠(yuǎn)，縱、、橫坐標(biāo)之之和越大，，應(yīng)力循環(huán)環(huán)的也也(12.6)(12.7)對(duì)于對(duì)稱循循環(huán)，，，，，表明與與對(duì)稱循環(huán)環(huán)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)點(diǎn)都在縱軸軸上，由在在縱軸上確確定對(duì)稱循循環(huán)的臨界界點(diǎn)A。對(duì)于靜載載，，，，，表明與靜靜載對(duì)應(yīng)的的點(diǎn)都在橫橫軸上，由由在橫軸上上確定靜載載的臨界點(diǎn)點(diǎn)B。對(duì)于脈動(dòng)動(dòng)循環(huán)，，，由式(12.6)可知，，表表明與脈動(dòng)動(dòng)循環(huán)對(duì)應(yīng)應(yīng)的點(diǎn)都在在45°的射線上，，與其疲勞勞極限相應(yīng)應(yīng)的臨界點(diǎn)點(diǎn)為C?？傊瑢?duì)對(duì)任一循環(huán)環(huán)特性r，都可確定定與其疲勞勞極限相應(yīng)應(yīng)的臨界點(diǎn)點(diǎn)。將A、B、C點(diǎn)連成光滑滑曲線即為為疲勞極限限曲線，如如圖12.3所示曲線。。在坐坐標(biāo)平面面內(nèi)，由疲疲勞極限曲曲線與坐標(biāo)標(biāo)軸所圍成成的區(qū)域內(nèi)內(nèi)的點(diǎn)，它它所代表的的應(yīng)力循環(huán)環(huán)的最大應(yīng)應(yīng)力必然小小于同一循循環(huán)特征r下的疲勞極極限，因此此，不會(huì)引引起疲勞破破壞。12.1材料的疲勞勞破壞與疲疲勞極限由于實(shí)際構(gòu)構(gòu)件的外形形、尺寸、、表面質(zhì)量量以及工作作環(huán)境與試試樣不同，，因此都將將影響疲勞勞極限的數(shù)數(shù)值。可以以分別通過過應(yīng)力集中中系數(shù)、尺尺寸系數(shù)、、表面質(zhì)量量系數(shù)等修修正系數(shù)來來反映。然然后再考慮慮適當(dāng)?shù)陌舶踩禂?shù)來來確定構(gòu)件件的疲勞許許用應(yīng)力。。在建立疲疲勞強(qiáng)度極極限時(shí)，則則對(duì)名義應(yīng)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)計(jì)算。對(duì)于焊接鋼鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件件及其連接接，往往需需要考慮焊焊接殘余應(yīng)應(yīng)力的影響響，因?yàn)殇撲摻Y(jié)構(gòu)的疲疲勞裂紋一一般從焊縫縫處產(chǎn)生和和發(fā)展。因因此，在疲疲勞計(jì)算中中，按照應(yīng)應(yīng)力幅來建建立疲勞強(qiáng)強(qiáng)度條件，，包括常幅幅疲勞和變變幅疲勞。。在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范范的一般規(guī)規(guī)定中指出出，當(dāng)應(yīng)力力變化的循循環(huán)次數(shù)N≥105時(shí)，應(yīng)進(jìn)行行疲勞計(jì)算算。而在應(yīng)應(yīng)力循環(huán)中中不出現(xiàn)拉拉應(yīng)力的部部位，則不不必驗(yàn)算疲疲勞強(qiáng)度。。材料除了在在交變應(yīng)力力作用下表表現(xiàn)出與常常溫、靜載載時(shí)不同的的力學(xué)性能能外。應(yīng)變變速率及應(yīng)應(yīng)力速率的的大小同樣樣會(huì)對(duì)材料料的力學(xué)性性能產(chǎn)生影影響。試驗(yàn)驗(yàn)研究指出出，在應(yīng)變速率(strainspeed)超過3mm/mm/s以后，這種種影響更加明明顯。使構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)變變速率超過過3mm/mm/s的荷載，通通常稱為動(dòng)荷載(dynamicload)。加載速率也就是是試樣中的應(yīng)力力速率的大小，，同樣對(duì)測(cè)定材材料的屈服極限限有影響，當(dāng)加載載速率超過了塑塑性變形的傳播播速率后，才會(huì)會(huì)因材料對(duì)塑性性變形的抗力提提高而顯示出來來。當(dāng)加載速率率低于塑性變形形的傳播速率時(shí)時(shí)，對(duì)所測(cè)定的的屈服極限沒沒有影響。。12.2材料在動(dòng)荷載作作用下的力學(xué)性性能一般情況下，在在短期加載拉伸伸試驗(yàn)中，在室室溫中表現(xiàn)為塑塑性的材料，其其塑性指標(biāo)隨溫溫度降低而減小??；隨溫度增加加，塑性指標(biāo)顯顯著增大。但是是，衡量材料強(qiáng)強(qiáng)度的指標(biāo)和和卻卻隨著著溫度的降低而而增大，隨溫度度的增加而減小小。在動(dòng)荷載作用下下，材料的強(qiáng)度度極限有所提高高，但屈服階段段不明顯，即塑塑性與韌性降低低。構(gòu)件在沖擊擊荷載作用下，，由于應(yīng)變速率率非常高，材料料表現(xiàn)出與常溫溫、靜載時(shí)不同同的力學(xué)性能，，因此，研究材材料在沖擊荷載載作用下的力學(xué)學(xué)性能就顯得十十分必要。韌性包括沖擊韌韌性和斷裂韌性性。一般說來，，強(qiáng)度是材料抵抵抗變形和斷裂裂的能力，塑性性是表示斷裂時(shí)時(shí)，材料總的塑塑性變形程度，，而韌性則是指指材料塑性變形形和斷裂全過程程中吸收能量的的能力，它是強(qiáng)強(qiáng)度和塑性的綜綜合表現(xiàn)。12.2材料在動(dòng)荷載作作用下的力學(xué)性性能沖擊韌性是指結(jié)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件承受受動(dòng)荷載或沖擊擊荷載作用的能能力。在工程中，衡量量材料抵抗沖擊擊能力的標(biāo)準(zhǔn)，，是沖斷試件所所需能量的多少少。在沖擊荷載載作用下，構(gòu)件件積蓄的應(yīng)變能能在數(shù)值上等于于沖擊力所做的的功。因此，在在沖擊試驗(yàn)中，，將帶有切槽的的彎曲試樣置于于試驗(yàn)機(jī)的支架架上，并使切槽槽位于受拉的一一側(cè)，當(dāng)重錘從從一定高度自由由落下使試樣一一次作用沖斷時(shí)時(shí)，試樣所吸收收的能量等于重重錘所做的功，，稱為材料的沖擊功(impactenergy)。沖擊功對(duì)材料的的組織缺陷十分分敏感，能靈敏敏地反映材料品品質(zhì)、宏觀缺陷陷和微觀組織方方面的微小變化化。如果用每單單位斷口面積沖沖擊力所做的功功來表示，則稱稱為材料的沖擊韌度(impacttoughness)，其單位為J/mm2。12.2材料在動(dòng)荷載作作用下的力學(xué)性性能越大，表示材料料抗沖擊的能力力越強(qiáng)。不同種種類的材料抗沖沖擊能力相差很很大，塑性材料料的抗沖擊能力力遠(yuǎn)高于脆性材材料，例如低碳碳鋼的沖擊韌性性就遠(yuǎn)高于鑄鐵鐵。沖擊韌度是材料料的性能指標(biāo)之之一，同時(shí)沖擊擊韌度的測(cè)量還還與試樣的尺寸寸、形狀、支承承條件等因素有有關(guān)。為便于比比較，測(cè)定沖擊擊韌度時(shí)采用標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)試樣。我國(guó)通用的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)試樣是兩端簡(jiǎn)簡(jiǎn)支的彎曲試樣樣，分為形切槽槽試樣與形切槽槽式樣，如圖12.5(a)、圖12.5(b)所示。12.2材料在動(dòng)荷載作作用下的力學(xué)性性能(12.8)沖擊試樣上開的的切槽越尖銳，，應(yīng)力集中程度度就越高，試樣樣吸收的能量就就越多，也就越越能反映出材料料阻止裂紋擴(kuò)展展的能力。所以以，用形切槽試試樣測(cè)定沖擊韌韌度更為可靠。。12.2材料在動(dòng)荷載作作用下的力學(xué)性性能圖12.5沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試試樣(a)U形切槽試樣；(b)V形切槽試樣采用v形切槽試樣時(shí),所測(cè)得的沖擊功功W就是材料的沖擊擊功，而不需要要再除切口處截截面積。顯然，，采用兩種試樣樣，試樣的沖擊擊韌度值不同。。對(duì)于不同的材料料，用兩種切槽槽試樣測(cè)得的沖沖擊韌度之比值值也不是一個(gè)常常數(shù)，所以兩者者不能簡(jiǎn)單換算算。試驗(yàn)結(jié)果表明，，的數(shù)值值隨溫度的降低低而減小。隨著著溫度的降低，，在某一狹窄的的溫度區(qū)間內(nèi)，，的數(shù)值值驟然下降，材材料變脆，這就就是冷脆現(xiàn)象。。使沖擊韌度驟驟然下降的溫度度為轉(zhuǎn)變溫度(transformationtemperature)。確定轉(zhuǎn)變溫度有有兩種約定的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。第一種標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)是由V形切槽試樣斷口口外觀分析確定定。試樣沖斷后后，斷面的部分分面積呈晶粒狀狀，此為脆性斷斷口，另一部分分面積是纖維狀狀，此為塑性斷斷口。v形切槽試樣應(yīng)力力集中程度較高高，因而斷口分分區(qū)比較明顯。。用一組v形切槽試樣在不不同溫度下進(jìn)行行試驗(yàn)，晶粒狀狀斷口面積占整整個(gè)斷面面積的的百分比，隨溫溫度降低而升高高。一般把晶粒粒狀斷口面積占占整個(gè)斷面面積積50%時(shí)的溫度，規(guī)定定為轉(zhuǎn)變溫度，，記為FATT。12.2材料在動(dòng)荷載作作用下的力學(xué)性性能另一種標(biāo)準(zhǔn)是用用U形切槽試樣的值值來確定。將一一組材料、熱處處理狀態(tài)、試樣樣加工過程完全全相同的U形切槽試樣在在不同溫溫度下進(jìn)行沖擊擊試驗(yàn)，將所得得到的數(shù)據(jù)整理理成沖擊韌度。。以這這一組試樣的最最大值的的40%或最大與最小值值的算算術(shù)平均值所對(duì)對(duì)應(yīng)的溫度作為為轉(zhuǎn)變溫度。在寒冷工作條件件下，鋼板的沖沖擊韌性對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)的工作性能非非常重要。修建建在寒冷地區(qū)的的橋梁用鋼要求求在最低環(huán)境溫溫度的條件下能能保證沖擊韌性性。目前用于橋橋梁鋼板的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)要求必須保證證0℃或－5℃時(shí)的韌性，有時(shí)時(shí)甚至要保證－－20℃和－40℃時(shí)的良好韌性。。所以，在設(shè)計(jì)““規(guī)范”中，一一般都根據(jù)使用用經(jīng)驗(yàn)而規(guī)定為為在室溫下不低低于0.77J/mm2～0.96J/mm2，而對(duì)于在我國(guó)國(guó)北方及高寒地地區(qū)使用的橋梁梁，還規(guī)定了在在－40℃低溫下橋梁的沖沖擊韌度值，以以防止橋梁在嚴(yán)嚴(yán)寒季節(jié)發(fā)生脆脆斷。12.2材料在動(dòng)荷載作作用下的力學(xué)性性能大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)表明，，材料在在超過一一定溫度度高溫下下，拉伸伸試件在在名義應(yīng)應(yīng)力作用用下的塑塑性變形形將隨著著時(shí)間的的增長(zhǎng)而而不斷發(fā)發(fā)展，這這種現(xiàn)象象稱為蠕變(creep)。蠕變引起起構(gòu)件的的真實(shí)應(yīng)應(yīng)力不斷斷增加，，當(dāng)真實(shí)實(shí)應(yīng)力達(dá)達(dá)到材料料的極限限應(yīng)力時(shí)時(shí)，構(gòu)件件發(fā)生斷斷裂。當(dāng)當(dāng)構(gòu)件發(fā)發(fā)生蠕變變時(shí)，若若保持總總伸長(zhǎng)量量不變，，則構(gòu)件件中的應(yīng)應(yīng)力會(huì)隨隨著蠕變變的發(fā)展展而逐漸漸減小，，這種現(xiàn)現(xiàn)象稱為為應(yīng)力松弛弛。如拉伸試試樣在高高溫和恒恒定荷載載作用下下，維持持兩端位位置固定定不動(dòng)，，則材料料隨時(shí)間間而發(fā)展展的蠕變變變形將將逐步取取代其初初始的彈彈性變形形，從而而使試樣樣中的應(yīng)應(yīng)力隨時(shí)時(shí)間的增增長(zhǎng)而逐逐漸降低低。12.3材料在長(zhǎng)長(zhǎng)期荷載載作用下下的蠕變變現(xiàn)象如圖12.6所示為某某一金屬屬材料拉拉伸試樣樣在某一一恒定高高溫下，，長(zhǎng)期受受恒定荷荷載作用用時(shí)，蠕蠕變變形形(用線應(yīng)變變表表示)隨加載時(shí)時(shí)間而發(fā)發(fā)展的典典型蠕變變曲線。。從圖中中可見，，加載后后材料首首先產(chǎn)生生應(yīng)變，，此后進(jìn)進(jìn)入蠕變變階段，，蠕變曲曲線分為為四個(gè)階階段：圖12.6拉伸試樣樣在恒定定高溫下下的蠕變變曲線12.3材料在長(zhǎng)長(zhǎng)期荷載載作用下下的蠕AB：不穩(wěn)定定階段。。在蠕變開開始的AB段內(nèi)，蠕蠕變變形形增加較較快，但但其應(yīng)變變速率則則逐漸降降低，由由于這一一階段的的蠕變速速率不穩(wěn)穩(wěn)定，因因此，稱稱為不穩(wěn)穩(wěn)定階段段。BC：穩(wěn)定階階段。BC段內(nèi)蠕變變速率達(dá)達(dá)到最低低并保持持為常數(shù)數(shù)。CD：加速階階段。過了C點(diǎn)后直至至D點(diǎn)，蠕變變速率又又逐漸增增大。但但其變化化并不很很大。DE：破壞階階段。達(dá)到D點(diǎn)后，蠕蠕變速度度驟然增增加，經(jīng)經(jīng)過較短短時(shí)間試試樣就斷12.3影響蠕變變的兩個(gè)個(gè)主要因因素是溫溫度和工程上常用的混凝土材料在常溫下也會(huì)發(fā)生蠕變和松弛，但其物理實(shí)質(zhì)和金屬材料完全不同，只是具有金屬材料相仿的蠕變和松弛現(xiàn)象。12.3材料在長(zhǎng)長(zhǎng)期荷載載作用下下的蠕變變現(xiàn)象2.4小結(jié)結(jié)1.材料在交交變應(yīng)力力作用下下的疲勞勞破壞材料發(fā)生生疲勞破破壞的應(yīng)應(yīng)力低于于靜荷載載作用下下的極限限應(yīng)力。。因此，，必須研研究材料料經(jīng)