第四講金屬材料的力學(xué)性能

20世紀(jì)中期美國(guó)科學(xué)家克里克是學(xué)物理的，他將“簡(jiǎn)化歸納”的物理學(xué)方法用到生物學(xué)上，就和沃森一起發(fā)現(xiàn)了DNA。今天基因科學(xué)研究方興未艾，伴隨生物學(xué)在20世紀(jì)下半葉的巨大發(fā)展，可以說(shuō)是直接受到了物理學(xué)研究的影響，采取了“簡(jiǎn)化歸納”的方法。“簡(jiǎn)化歸納”又稱為還原論(reductionism)觀點(diǎn)：將一個(gè)層次上的客體看成由下一層次許多小客體組成，如果把每一部分小客體研究清楚了，湊到一起，則整個(gè)客體的規(guī)律也就呈現(xiàn)出來(lái)。也就是說(shuō)，一個(gè)層級(jí)上的規(guī)律，可以還原為下一層級(jí)的規(guī)律?；瘜W(xué)定律可以用物理學(xué)定律來(lái)說(shuō)明；傳統(tǒng)上物理學(xué)家所受的均是該類訓(xùn)練。2023/3/231當(dāng)前1頁(yè)，總共55頁(yè)。21世紀(jì)基礎(chǔ)科學(xué)研究方法：

“整體統(tǒng)一”或“突現(xiàn)論”我們要立足新基礎(chǔ)科學(xué)前沿，一定要將小的與大的聯(lián)系起來(lái)，這個(gè)方法可稱為“整體統(tǒng)一”。李政道認(rèn)為，“整體統(tǒng)一”的科學(xué)方法，應(yīng)該是21世紀(jì)最重要的科學(xué)方法?！罢w統(tǒng)一”在物理研究上的重要性，也勢(shì)必影響到21世紀(jì)生物學(xué)的研究，因?yàn)榧幢阄覀儼阉械幕蚨颊页鰜?lái)，也不一定明白生物體中生命現(xiàn)象表達(dá)的是什么，一定要將小的與大的放到一起研究才有希望。2023/3/232當(dāng)前2頁(yè)，總共55頁(yè)?？墒牵绾卧凇罢w統(tǒng)一”方向著手，我們必須研制出新的、更為精密的實(shí)驗(yàn)儀器，必須創(chuàng)造出更嚴(yán)格和更廣義的理論。突現(xiàn)論或?qū)佑空?emergentism)觀點(diǎn)：整體的性質(zhì)不能僅是各部分性質(zhì)簡(jiǎn)單地相加，下一層次各部分之間還存在著相互作用，存在著相生相克而導(dǎo)致新層次涌現(xiàn)、嶄新性質(zhì)橫空出世的機(jī)會(huì)；每一個(gè)層次之間都有不同的、激動(dòng)人心的、有效的新規(guī)律涌現(xiàn)或舊規(guī)律黯然消退的特征。這些新規(guī)律往往不能從所謂的“更深層次規(guī)律”推導(dǎo)出來(lái)，應(yīng)該由多種形式、各層次相互作用場(chǎng)共同作出決定：每個(gè)層次規(guī)律的涌現(xiàn)與消退。前提：任何事物均存在多重性，單一性質(zhì)已不存在！2023/3/233當(dāng)前3頁(yè)，總共55頁(yè)。材料性質(zhì)(性能)

—萬(wàn)物繽紛、絢麗與繁雜的性能(時(shí)空纏繞幾何的撓率或渦旋構(gòu)造特征)

材料的功能特性和效用(如電、磁、光、熱、力學(xué)等性質(zhì))均可被科學(xué)、定量地描述，即材料在相關(guān)外界應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的響應(yīng)已可被推測(cè)。如材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、光學(xué)性能、磁化率、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、力學(xué)性能等等。后面課程將結(jié)合材料功能性用途，分門別類地介紹“材料”為何具備這些奇妙的性質(zhì)。本堂課程內(nèi)容：材料作為結(jié)構(gòu)件的用途，討論其力學(xué)性能。2023/3/234當(dāng)前4頁(yè)，總共55頁(yè)。第一節(jié)航天飛機(jī)、宇宙飛船及其材料太空軌道中飛行器很多：宇宙飛行器、探測(cè)器、空間站和人造衛(wèi)星。航天飛機(jī)集火箭、衛(wèi)星、飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一身，既能像火箭一樣垂直發(fā)射，又能像衛(wèi)星那樣在太空軌道繞地球飛行，還能像飛機(jī)那樣再入大氣層滑翔著陸。呈現(xiàn)出人類科技發(fā)展至今的最高水準(zhǔn)。美國(guó)有五架，其中兩架失事；前蘇聯(lián)有一架。2023/3/235當(dāng)前5頁(yè)，總共55頁(yè)。軌道器外掛燃料箱固體助推火箭固體火箭助推器，共兩枚，承擔(dān)航天飛機(jī)起飛時(shí)80%的推力；外掛燃料箱：裝700多噸液氫、液氧推進(jìn)劑，它與軌道器相連。軌道飛行器：前段是航天員座艙，后段有垂直尾翼、三臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)和兩臺(tái)軌道機(jī)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)2023/3/236當(dāng)前6頁(yè)，總共55頁(yè)。宇宙飛船：中國(guó)神舟飛船我國(guó)神舟飛船從一號(hào)到十號(hào)。神舟一號(hào)發(fā)射；神舟五號(hào)發(fā)射，首次載人：楊利偉；太空飛行21小時(shí)；神舟七號(hào)發(fā)射，首次太空行走，成為第三個(gè)國(guó)家。飛行68小時(shí)；神舟九號(hào)發(fā)射，首次實(shí)現(xiàn)與天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器進(jìn)行載人交會(huì)對(duì)接。神舟十與發(fā)射，飛行15天。2023/3/237當(dāng)前7頁(yè)，總共55頁(yè)。神十飛船的組成：1、軌道艙2、返回艙3、推進(jìn)艙

軌道艙：提供出艙活動(dòng)需要的氣閥艙功能和航天員生活艙功能，裝有泄復(fù)壓設(shè)備，艙外航天服存放架。軌道艙：提返回艙：航天員上天和返回的乘坐區(qū)，是飛船的指揮控制中心，設(shè)有儀表顯示、報(bào)警、照明設(shè)備；還有手動(dòng)操作控制飛船系統(tǒng)；配備有降落傘和反推力火箭，實(shí)行軟著陸系統(tǒng)。推進(jìn)艙：安裝推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)劑、飛船電源、環(huán)境控制和通信等系統(tǒng)設(shè)備，為飛船在軌運(yùn)行和返回地面提供能源和動(dòng)力。2023/3/238當(dāng)前8頁(yè)，總共55頁(yè)。部件：溫度總熱壽命(s)熱循環(huán)(次)環(huán)境固體火箭噴管：3200℃；0.021燃?xì)怙w行器鼻錐：1500℃50~100100空氣

(3000℃)航天發(fā)動(dòng)機(jī)推力室：1650℃151000燃?xì)鈱?dǎo)彈再入體飛行器鼻錐：6600℃0.011離解氣常用材料熔點(diǎn)：Ti：1943K；Cr:2130K；Cu:1357K；Fe:1809K；Al:933K；W:3680K2023/3/239當(dāng)前9頁(yè)，總共55頁(yè)。洲際導(dǎo)彈再入大氣層溫度高達(dá)6600℃，任何金屬材料都會(huì)燒為灰燼，只有C/C復(fù)合材料僅燒蝕減薄，不會(huì)熔融。再入大氣層時(shí)，表面燒蝕減薄，未燒蝕層與戰(zhàn)斗部一起擊中目標(biāo)。2023/3/2310當(dāng)前10頁(yè)，總共55頁(yè)。絕熱泡沫聚異氰酸脂400℃隔熱陶瓷泡沫瓦1500℃C/C復(fù)合材料2023/3/2311當(dāng)前11頁(yè)，總共55頁(yè)。航天飛機(jī)的材料：軌道器返回地面：速度達(dá)到25倍音速，迎流面溫度達(dá)到1400℃（3000℃)。機(jī)頭和機(jī)冀：碳基石墨織物全碳復(fù)合材料，外層是用化學(xué)方法處理過(guò)的碳化硅；隔熱瓦：厚約3厘米，由兩部分構(gòu)成：外層包覆約1毫米的高輻射陶瓷材料，而內(nèi)部是導(dǎo)熱系數(shù)非常低的耐高溫陶瓷纖維。絕熱泡沫材料：聚異氰酸脂，防止結(jié)冰。脫落現(xiàn)象是一個(gè)大問(wèn)題。2023/3/2312當(dāng)前12頁(yè)，總共55頁(yè)。軌道器殼體框架、艙壁和蒙皮：鋁、鋁合金比鋁合金更好的航天結(jié)構(gòu)材料是：鈦合金、鋁-鋰合金-高性能結(jié)構(gòu)材料。所謂高性能結(jié)構(gòu)材料，是指那些具有高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐磨損、抗腐蝕等特殊性能的材料。2023/3/2313當(dāng)前13頁(yè)，總共55頁(yè)。第二節(jié)材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能，即材料在一定溫度環(huán)境中，在外力(載荷)作用下抵抗其變形和斷裂的能力，也稱材料的機(jī)械性能。主要指標(biāo)是：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。此外，力學(xué)性能還包括材料在外力長(zhǎng)期或重復(fù)作用下，以及材料在外力和環(huán)境雙重影響因素作用下，抵抗材料損傷和失效的能力。2023/3/2314當(dāng)前14頁(yè)，總共55頁(yè)。一、強(qiáng)度與塑性及拉伸實(shí)驗(yàn)1、基本概念應(yīng)力：物體內(nèi)部任一截面單位面積上所受載荷的作用力，稱為應(yīng)力，以σ表示，單位Mpa。FFF=F’

（MPa）外力——內(nèi)力——應(yīng)力F’F2023/3/2315當(dāng)前15頁(yè)，總共55頁(yè)。應(yīng)變：拉伸時(shí)，試樣單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量

ε=Δl/l0FF拉伸前拉伸后2023/3/2316當(dāng)前16頁(yè)，總共55頁(yè)。彈性變形：材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來(lái)形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形。塑性變形:材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。2023/3/2317當(dāng)前17頁(yè)，總共55頁(yè)。2、拉伸實(shí)驗(yàn)FFL拉伸前拉伸后2023/3/2318當(dāng)前18頁(yè)，總共55頁(yè)。材料的拉伸曲線：

應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系曲線2023/3/2319當(dāng)前19頁(yè)，總共55頁(yè)。kbb—極限載荷點(diǎn)Fee—彈性極限點(diǎn)sS—屈服點(diǎn)K—斷裂點(diǎn)拉伸曲線應(yīng)力—應(yīng)變曲線o材料的拉伸曲線1、oe段：直線、彈性變形2、es段：曲線、彈性變形+塑性變形5、b點(diǎn)出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達(dá)到最大值，而后降低，但變形量增大，K點(diǎn)時(shí)試樣發(fā)生斷裂。3、ss’段：水平線（略有波動(dòng)）明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本不變，試樣連續(xù)伸長(zhǎng)。4、s’b曲線：彈性變形+均勻塑性變形s’2023/3/2320當(dāng)前20頁(yè)，總共55頁(yè)。3、強(qiáng)度的衡量指標(biāo)強(qiáng)度：材料在載荷作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的特性。(1)彈性極限:(2)屈服極限：(3)抗拉強(qiáng)度：2023/3/2321當(dāng)前21頁(yè)，總共55頁(yè)。kbb—極限載荷點(diǎn)Fee—彈性極限點(diǎn)sS—屈服點(diǎn)K—斷裂點(diǎn)os’（1）彈性極限（σe）指材料在外力作用下，產(chǎn)生彈性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。σe=Fe/S0

（MPa）它表征了材料抵抗彈性變形的能力。2023/3/2322當(dāng)前22頁(yè)，總共55頁(yè)。(2)屈服極限：材料在外力作用下發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最小應(yīng)力，也叫屈服強(qiáng)度、屈服點(diǎn)。kbb—極限載荷點(diǎn)Fee—彈性極限點(diǎn)sS—屈服點(diǎn)K—斷裂點(diǎn)os’σS=Fs/S0

（MPa）它表征材料抵抗微量塑性變形的能力。2023/3/2323當(dāng)前23頁(yè)，總共55頁(yè)。當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力σe<σ<σs時(shí)，只產(chǎn)生微量的塑性變形。當(dāng)σ>σs時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。條件屈服強(qiáng)度:σ0.2=F0.2/S0

（MPa）屈服強(qiáng)度—

是塑性材料選材和評(píng)定的依據(jù)。0.2%l0

bkFes對(duì)于低塑性材料或脆性材料：2023/3/2324當(dāng)前24頁(yè)，總共55頁(yè)。kbb—極限載荷點(diǎn)Fee—彈性極限點(diǎn)sS—屈服點(diǎn)K—斷裂點(diǎn)os’

σb=Fb/S0

（MPa）（3）抗拉強(qiáng)度（σb）材料在拉斷前所能承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力，也叫強(qiáng)度極限。

它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力。2023/3/2325當(dāng)前25頁(yè)，總共55頁(yè)。4、塑性的衡量指標(biāo)塑性是指材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。(1)延伸率：是指材料拉斷后標(biāo)樣長(zhǎng)度的延伸量與原標(biāo)距長(zhǎng)度之比的百分率。FFL2023/3/2326當(dāng)前26頁(yè)，總共55頁(yè)。FFL(2)斷面收縮率：是指試樣橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比的百分率δ>5％為塑性材料；δ<5％為脆性材料良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。2023/3/2327當(dāng)前27頁(yè)，總共55頁(yè)。錳鋼、硬鋁、退火球墨鑄鐵和青銅等的拉伸曲線：斷裂前都有較大的塑性變形，但是沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)。屈服強(qiáng)度用σ0.2表示強(qiáng)度指標(biāo)灰口鑄鐵和玻璃鋼的拉伸曲線：直到拉斷，試件的變形很小，斷口處橫截面積幾乎沒(méi)有變化，為脆性斷裂。脆性材料以抗拉強(qiáng)度σb

作為其強(qiáng)度指標(biāo)

2023/3/2328當(dāng)前28頁(yè)，總共55頁(yè)。2023/3/2329當(dāng)前29頁(yè)，總共55頁(yè)。二、硬度及硬度試驗(yàn)

硬度是指材料抵抗其他更硬物體壓入表面的能力。常用的測(cè)試方法有布氏HB、洛氏HR、維氏HV2023/3/2330當(dāng)前30頁(yè)，總共55頁(yè)。1)布氏硬度HB

鋼球壓入表面，kg/mm2

，布氏硬度計(jì)2023/3/2331當(dāng)前31頁(yè)，總共55頁(yè)。2)洛氏硬度HR洛氏硬度以120o金剛石圓錐體鋼球壓入深度表示，符號(hào)為HR2023/3/2332當(dāng)前32頁(yè)，總共55頁(yè)。00112332h1h2h3h1-1初載10kgh12-2總載150kgh23-3卸載140kgh3最后測(cè)得：殘余壓痕深度增量hh=h3-h1HR=h/0.0022023/3/2333當(dāng)前33頁(yè)，總共55頁(yè)。3)維氏硬度HV維氏硬度計(jì)試驗(yàn)原理硬度壓痕用正菱形金剛石壓入，以對(duì)角線計(jì)算面積，求kg/mm22023/3/2334當(dāng)前34頁(yè)，總共55頁(yè)。硬度與結(jié)構(gòu)：①化學(xué)鍵愈強(qiáng)，其硬度一般都高。一般價(jià)鍵的硬度：共價(jià)鍵≥離子鍵＞金屬鍵＞氫鍵＞范德華鍵。②離子鍵：電價(jià)愈大，離子半徑愈小，硬度愈高。③金屬鍵：純金屬(Mg，Ag，Au，Pb等)較軟，熔點(diǎn)也低；而Cr，F(xiàn)e，Mo．W等較硬，熔點(diǎn)也高。它是由于這些金屬的原子結(jié)構(gòu)不同而造成的。2023/3/2335當(dāng)前35頁(yè)，總共55頁(yè)。三、韌性及沖擊試驗(yàn)韌性：

材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。

金屬?zèng)_擊試驗(yàn)：2023/3/2336當(dāng)前36頁(yè)，總共55頁(yè)。沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖2023/3/2337當(dāng)前37頁(yè)，總共55頁(yè)。試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為:g2023/3/2338當(dāng)前38頁(yè)，總共55頁(yè)。

沖擊韌度(韌性）ak

試樣斷裂缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。2023/3/2339當(dāng)前39頁(yè)，總共55頁(yè)。

四、斷裂韌性(1)低應(yīng)力脆斷材料在工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服點(diǎn)（抗拉強(qiáng)度σb）時(shí)就發(fā)生脆性斷裂，這種現(xiàn)象叫做低應(yīng)力的脆斷。原因：材料中的裂紋。斷裂力學(xué)：研究帶裂紋材料中裂紋擴(kuò)展的規(guī)律，分析裂紋尖端應(yīng)力、應(yīng)變分布，并建立斷裂判據(jù)，用以解決工程構(gòu)件中的低應(yīng)力脆性斷裂問(wèn)題。2023/3/2340當(dāng)前40頁(yè)，總共55頁(yè)。(2)應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力與裂紋同時(shí)對(duì)材料斷裂性能的影響，用應(yīng)力強(qiáng)度因子KI表示寬板上中心裂紋示意圖σ是遠(yuǎn)距離作用的均布應(yīng)力；α是半裂紋長(zhǎng)度

當(dāng)KI>KIC，就會(huì)斷裂；材料中裂紋越長(zhǎng)，承受的應(yīng)力就越小。結(jié)論：裂紋的存在使材料的抗拉強(qiáng)度大大下降2023/3/2341當(dāng)前41頁(yè)，總共55頁(yè)。當(dāng)K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1＜K1C時(shí)，零件安全可靠。(3)斷裂韌性（韌度）K1C斷裂韌度K1c表示材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。K1c可通過(guò)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，它是材料本身的特性，與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)。是安全設(shè)計(jì)的一個(gè)重要力學(xué)性能指標(biāo)2023/3/2342當(dāng)前42頁(yè)，總共55頁(yè)。常見工程材料的斷裂韌度K1C值（MN·m-3/2）

2023/3/2343當(dāng)前43頁(yè)，總共55頁(yè)。

五、疲勞強(qiáng)度材料在交變載荷作用下，雖然其應(yīng)力比材料的抗拉強(qiáng)度小，甚至比屈服強(qiáng)度還小，但是在長(zhǎng)期使用的某一時(shí)刻也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞強(qiáng)度：當(dāng)零件所受的應(yīng)力低于某一值時(shí)，即使循環(huán)周次無(wú)窮多也不發(fā)生斷裂，稱此應(yīng)力值為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。2023/3/2344當(dāng)前44頁(yè)，總共55頁(yè)。第三節(jié)材料的彈性變形和塑性變形一、單晶的變形晶格變形-彈性晶面滑移-塑性2023/3/2345當(dāng)前45頁(yè)，總共55頁(yè)。金屬晶體的變形性能取決于：

(1)晶格類型；

(2)原子間的力

(3)晶面間隔；

(4)各原子面上的原子密度。2023/3/2346當(dāng)前46頁(yè)，總共55頁(yè)。以晶胞為基準(zhǔn)，不同方位的原子平面中原子密度不同，且相鄰平行原子面間距也不同。原子密度大的平面間距也大。2023/3/2347當(dāng)前47頁(yè)，總共55頁(yè)。對(duì)于所有可能的選擇來(lái)說(shuō)，塑性變形最易沿原子密度最大、平行晶面間距最大的平面發(fā)生。如A及A’平面比B及B’平面有更大的原子密度及晶面間距，平面間原子結(jié)合力比B及B’平面弱，滑移阻力小。2023/3/2348當(dāng)前48頁(yè)，總共55頁(yè)。晶體中原子密度最大的晶面稱為滑移面。某種晶格類型的金屬是否容易變形，取決于其滑移面和滑移方向的數(shù)量。一個(gè)滑移面和該面上一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系統(tǒng)，這稱為滑移系。滑移系越多的晶格類型，其塑性越好。2023/3/2349當(dāng)前49頁(yè)，總共55頁(yè)。體心立方-12個(gè)滑移系面心立方-12個(gè)滑移系密排六方-3個(gè)滑移系-屬脆性的體心立方原子密度小，塑性變形最好2023/3/2350當(dāng)前50頁(yè)，總共55頁(yè)。

二、冷變形強(qiáng)化-位錯(cuò)強(qiáng)化塑性變形的應(yīng)用：許多金屬有一種性