第三章材料的力學(xué)性能

第三章材料的力學(xué)性能第1頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三內(nèi)容金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能力學(xué)實驗

蠕變

疲勞

磨損第2頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能力-伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線Op——直線關(guān)系與pe——偏離直線關(guān)系，即彈性形變階段（可逆形變）；F到達FA至Fc點時，產(chǎn)生不均勻塑性變形（不可逆的永久變形）；CB——均勻塑性變形；Bk——再次不均勻塑性變形；K點——發(fā)生斷裂縱橫坐標(biāo)分別除以原始截面積A0和原始標(biāo)距長度L，即可得應(yīng)力應(yīng)變曲線COc第3頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三真實應(yīng)力應(yīng)變曲線真實應(yīng)力應(yīng)變曲線與工程應(yīng)力應(yīng)變曲線不同，為什么？第4頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三彈性變形——彈性變形及其實質(zhì)材料在受到外力作用時產(chǎn)生變形或者尺寸的變化，而且能夠恢復(fù)的變形叫做彈性變形。彈性變形的重要特征是其可逆性，即受力作用后產(chǎn)生變形，卸除載荷后,變形消失。金屬的彈性性質(zhì)是金屬原子間結(jié)合力抵抗外力的宏觀表現(xiàn)。第5頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三彈性變形——彈性模量

彈性模量，又稱楊氏模量，彈性模數(shù)是產(chǎn)生100%彈性變形所需的應(yīng)力。拉伸時σ=Eε，剪切時τ=Gγ，E和G分別為拉伸時的楊氏模數(shù)和切變模數(shù)?？梢暈楹饬坎牧袭a(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)。材料的抗彈性變形的一個量，材料剛度的一個指標(biāo)。它只與材料的化學(xué)成分有關(guān)，與其組織變化無關(guān)，與熱處理狀態(tài)無關(guān)。各種鋼的彈性模量差別很小，金屬合金化對其彈性模量影響也很小。第6頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三彈性變形——比例極限與彈性極限第7頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三彈性變形——比例極限與彈性極限第8頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三對于要求服役時其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系嚴格遵守線性關(guān)系的機件，如測力計彈簧，是依靠彈性變形的應(yīng)力正比于應(yīng)變的關(guān)系顯示載荷大小的，則應(yīng)以比例極限作為選擇材料的依據(jù)；對于服役條件不允許產(chǎn)生微量塑性變形的機件，設(shè)計時應(yīng)按彈性極限來選擇材料。σp、σe的工程意義第9頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三彈性變形——彈性比功思考：人們?nèi)粘Ｋf的材料彈性的好壞指的是什么？第10頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三（1）提高σe提高材料彈性比功的途徑（2）降低E舉例（高彈性比功材料）彈簧（金屬材料）——減振、儲能橡膠（高分子材料）——不能做受力結(jié)構(gòu)件第11頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三塑性變形——塑性變形方式及特點金屬材料常見的塑性變形機理為晶體的滑移和孿生兩種。塑性變形：材料的塑性變形上微觀結(jié)構(gòu)的相鄰部分產(chǎn)生永久性位移，并不引起材料破裂的現(xiàn)象。金屬材料的塑性變形機理第12頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三塑性變形-滑移定義：滑移面：原子最密排面；滑移向：原子最密排方向?；葡担夯泼婧突葡虻慕M合?；葡翟蕉?，材料的塑性越好。晶體結(jié)構(gòu)的影響較大：fcc＞bcc＞hcp滑移的臨界分切應(yīng)力τ=(P/A)cosφcosλφ—外應(yīng)力與滑移面法線的夾角；λ—外應(yīng)力與滑移向的夾角；Ω=cosφcosλ稱為取向因子。第13頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三塑性變形-滑移模型滑移是金屬晶體在切應(yīng)力作用下，沿滑移面和滑移方向進行的切變過程。第14頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三塑性變形-孿生模型孿生本身提供的變形量很小,但可以調(diào)整滑移面的方向,使新的滑移系開動,因而可以對塑性變形產(chǎn)生影響。第15頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三單晶金屬第16頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三塑性變形的特點

（1）各晶粒變形的不同時性和不均勻性

∵各晶粒的取向不同即cosφcosλ不同。

對于具體材料，還存在相和第二相的種類、數(shù)量、尺寸、形態(tài)、分布的影響。

（2）變形的相互協(xié)調(diào)性

多晶體作為一個整體，不允許晶粒僅在一個滑移系中變形，否則將造成晶界開裂。

五個獨立的滑移系開動，才能確保產(chǎn)生任何方向不受約束的塑性變形。第17頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三屈服現(xiàn)象第18頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三屈服機理第19頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第20頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第21頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三影響金屬材料屈服強度的因素（1）晶體結(jié)構(gòu)：金屬材料的屈服過程主要是位錯的運動。（2）晶界與亞結(jié)構(gòu)：晶界是位錯運動的重要障礙，晶界越多，對材料屈服強度的提高貢獻越大。（晶粒細化）（3）溶質(zhì)元素：晶格畸變應(yīng)力場與位錯應(yīng)力場產(chǎn)生交互作用；溶質(zhì)與溶劑之間的電學(xué)交互作用；化學(xué)交互作用；有序作用等都使位錯運動受阻，從而提高屈服強度，產(chǎn)生固溶增強化。第22頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三影響金屬材料屈服強度的因素（4）第二相：其強化效果與質(zhì)點的性質(zhì)有關(guān)。

（5）溫度：一般情況下，溫度升高金屬材料的屈服強度下降。但是，晶體結(jié)構(gòu)不同，其變化形式各異。（6）應(yīng)變速率與應(yīng)力狀態(tài)：應(yīng)變速率對金屬材料的屈服強度有明顯的影響。應(yīng)變速率高，金屬材料的屈服應(yīng)力顯著提高；應(yīng)力狀態(tài)對金屬材料屈服強度的影響規(guī)律是：切應(yīng)力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強度就越低。第23頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三應(yīng)變硬化第24頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三應(yīng)變硬化第25頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三應(yīng)變硬化第26頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三應(yīng)變硬化第27頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第28頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三抗拉強度抗拉強度：拉伸實驗時，試樣拉斷過程中最大實驗力所對應(yīng)的應(yīng)力。其值等于最大拉力Fb除以試樣的原始橫截面面積A0，抗拉強度用σb表示，即σb=Fb/A0

抗拉強度是材料在承受拉伸載荷時的實際承載能力。高分子材料和陶瓷材料的抗拉強度是產(chǎn)品設(shè)計的重要依據(jù)。第29頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三塑性與塑性指標(biāo)（1）定義：塑性是指材料斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。

（2）材料塑性的評價：在工程上一般以光滑圓柱試樣的拉伸伸長率和斷面收縮率作為塑性性能指標(biāo)。常用的塑性性能指標(biāo)有三種：第30頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三定義：固體材料在力的作用下分成若干部分的現(xiàn)象稱為斷裂。材料的斷裂是力對材料作用的最終結(jié)果，它意味著材料的徹底失效，因材料斷裂而導(dǎo)致的機件失效與其他失效方式（如磨損、腐蝕等）相比危害性更大，并且可能出現(xiàn)災(zāi)難性的后果。因此，研究材料斷裂的宏觀與微觀特征、斷裂機理、斷裂力學(xué)條件，以及影響材料斷裂的各種因素不僅具有重要的科學(xué)意義，而且也有很大的實用價值?！窠饘俚臄嗔训?1頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三材料的斷裂過程大都包括裂紋的形成與擴展兩個階段。

按斷裂前與斷裂過程中材料的宏觀塑性變形的程度：脆性斷裂和韌性斷裂；按晶體材料斷裂時裂紋擴展的途徑：穿晶斷裂和沿晶斷裂；按微觀斷裂機理：解理斷裂和剪切斷裂；按作用力的性質(zhì)：正斷和切斷。

1、斷裂的類型第32頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三2、斷口特征斷口：材料的斷裂表面稱為斷口。斷口分析法：用肉眼、放大鏡或電子顯微鏡等手段對材料斷口進行宏觀及微觀的觀察分析，以了解材料發(fā)生斷裂的原因、條件、斷裂機理以及與斷裂有關(guān)的各種信息，稱為斷口分析法。第33頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三（1）韌性斷裂與脆性斷裂韌性斷裂定義：材料斷裂前及斷裂過程中產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂過程。韌性斷裂特征：裂紋擴展過程較慢，而且要消耗大量塑性變形能，韌性斷裂的斷口用肉跟或放大鏡觀察時往往呈暗灰色、纖維狀。形成原因：纖維狀是由于塑性變形過程中，眾多微細裂紋不斷擴展和相互連接造成的，而暗灰色是纖維斷口表面對光的反射能力很弱所致。舉例：一些塑性較好的金屬材料及高分子材料在室溫下的靜拉伸斷裂具有典型的韌性斷裂特征。第34頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三脆性斷裂定義：是材料斷裂前基本上不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，沒有明顯預(yù)兆，往往表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過程，因而具有很大的危險性。脆性斷裂特征：脆性斷裂的斷口，一般與正應(yīng)力垂直，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。例如：淬火鋼、灰鑄鐵、陶瓷、玻璃等脆性材料的斷裂過程及斷口常具有上述特征。第35頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第36頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第37頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第38頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三（2）穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂；而沿晶斷裂則多數(shù)為脆性斷裂。材料物理與性能第39頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三（3）剪切斷裂與解理斷裂剪切斷裂與解理斷裂是兩種不同的微觀斷裂方式，是材料斷裂的兩種重要微觀機理。剪切斷裂：剪切斷裂是材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂。

解理斷裂：在正應(yīng)力作用下，由于原子間結(jié)合鍵的破壞引起的沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂稱為解理斷裂。材料物理與性能第40頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三剪切斷裂的另一種形式為微孔聚集型斷裂，微孔聚集型斷裂是材料韌性斷裂的普通方式，其斷口在宏觀上常呈現(xiàn)暗灰色、纖維狀，微觀斷口特征花樣則是斷口上分布大量“韌窩”，如圖1-26所示，微孔聚集斷裂過程包括微孔形核、長大、聚合直至斷裂。第41頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三（3）微孔聚集型斷裂第42頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三力學(xué)實驗力學(xué)實驗彎曲實驗硬度實驗沖擊實驗布氏硬度實驗洛氏硬度實驗維氏硬度實驗第43頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三材料物理與性能(a)(a)(b)(b)布氏硬度試驗

第44頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三材料物理與性能第45頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三材料物理與性能HRA、HRB、HRC洛氏硬度試驗

第46頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三材料物理與性能維氏硬度試驗

第47頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三硬度的類型動載壓人法布氏硬度洛氏硬度維氏硬度莫氏硬度努氏硬度

肖氏硬度顯微硬度靜載壓人法刻劃法第48頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三材料物理與性能第49頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三材料物理與性能●沖擊實驗

第50頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三材料物理與性能第51頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三材料物理與性能第52頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三材料物理與性能第53頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三沖擊彎曲試驗主要有以下四方面用途（1）評定原材料的冶金質(zhì)量和熱加工后產(chǎn)品的質(zhì)量。通過測量Ak值和對沖斷試樣的斷口分析，可揭示原材料中的氣孔、夾雜、偏析、嚴重分層和夾雜物超標(biāo)等冶金缺陷；還可以檢查過熱、過燒、回火脆性等鍛造或熱處理缺陷。（2）測定材料的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度。根據(jù)系列沖擊試驗（低溫沖擊試驗）可獲得Ak與溫度的關(guān)系曲線，據(jù)此確定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，以供選材參考或抗脆斷設(shè)計。（3）作為材料承受大能量沖擊時的抗力指標(biāo)，或作為評定某些構(gòu)件壽命與可靠性的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)。（舉例）（4）確定應(yīng)變時效敏感性。應(yīng)變時效：鋼鐵材料經(jīng)過冷加工變形后長期處于較高溫度下工作時，其塑性和韌性下降，而屈服強度升高的現(xiàn)象。時效敏感性=（Ak前-Ak后）/Ak前×100%第54頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三材料物理與性能第55頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三應(yīng)變硬化（加工硬化）性能在材料的拉伸壓縮實驗中，材料經(jīng)過屈服階段之后，又增強了抵抗變形的能力。這時，要使材料繼續(xù)變形需要增大應(yīng)力。經(jīng)過屈服滑移之后，材料重新呈現(xiàn)抵抗繼續(xù)變形的能力，稱為應(yīng)變硬化。第56頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三應(yīng)變硬化性能——應(yīng)變硬化的意義①應(yīng)變硬化可使金屬機件具有一定的抗偶然過載能力，保證機件安全。②應(yīng)變硬化和塑性變形適當(dāng)配合可使金屬進行均勻塑性變形，保證冷變形工藝順利實施。②應(yīng)變硬化和塑性變形適當(dāng)配合可使金屬進行均勻塑性變形，保證冷變形工藝順利實施。④應(yīng)變硬化還可以降低塑性改善低碳鋼的切削加工性能。第57頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三應(yīng)變硬化性能——應(yīng)變硬化機理應(yīng)變硬化機理

a）易滑移階段：單系滑移

hcp金屬（Mg、Zn）不能產(chǎn)生多系滑稱，∴易滑移段長。

b）線性硬化階段：多系滑移

位借交互作用，形成割階、面角位錯、胞狀結(jié)構(gòu)等；位錯運動的阻