第三章：工程材料力學(xué)性能

材料力學(xué)性能Chap3-2材料的力學(xué)性能力學(xué)性能也稱機(jī)械性能(Mechanicalproperty)，是材料抵抗外力作用引起的變形(Deformation)和斷裂(Fracture)的能力。包括：強(qiáng)度(Strength)、硬度(Hardness)、塑性(Ductility)、韌性(Toughness)、耐磨性(Wearresistance)等。力學(xué)性能影響因素：內(nèi)因——材料的成分、顯微組織、應(yīng)力狀況；外因——載荷大小種類、加載速率、環(huán)境溫度、介質(zhì)。載荷靜載荷：靜拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)動(dòng)載荷周期變動(dòng)載荷：如交變載荷，大小方向均作周期性變動(dòng)隨機(jī)變動(dòng)載荷幾類典型載荷載荷類型應(yīng)力、應(yīng)變應(yīng)力

——材料受外加載荷作用時(shí)單位面積的內(nèi)力，單位：MPa=P/F0應(yīng)變、——材料單位長(zhǎng)度（或面積）上的伸長(zhǎng)或收縮，單位：無(wú)=（l-l0）/l0，=（F0-F）/F0lFF0l0PP材料靜拉伸試驗(yàn)靜拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線

b

K

s

e/MPa

e

KE塑性材料拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線塑性材料在靜拉伸載荷作用下從開始變形到斷裂可分為三個(gè)階段：彈性變形階段塑性變形階段（加工硬化）斷裂彈性變形性能指標(biāo)：彈性模量——反應(yīng)材料抵抗彈性變形的能力正變彈性模量：E=tg=/（虎克定理）彈性極限

e——材料由彈性變形階段過渡到塑性變形時(shí)的應(yīng)力，一般規(guī)定以產(chǎn)生一定殘余伸長(zhǎng)（如0.01%）時(shí)的應(yīng)力為彈性極限，記為

0.01彈性

e——可以回復(fù)的最大變形量彈性比功

e——材料吸收彈性變形功的能力彈性變形——材料在載荷作用下發(fā)生的可以完全回復(fù)的變形實(shí)質(zhì)——反應(yīng)原子間作用力大小/MPa

e

e

金屬材料彈性變形特點(diǎn)變形可完全回復(fù)變形量小一些材料的非線形彈性變形高分子材料彈性變形非線形，但可回復(fù)彈性變形原子水平解釋彈性模量影響因素彈性模量是組織不敏感參量，主要取決于原子本性與晶格類型。原子間作用力越大，彈性模量越大；——因此，熔點(diǎn)越高，彈性模量越大原子間距增大，彈性模量減小?！虼?，溫度升高，彈性模量減小彈性模量與熔點(diǎn)的關(guān)系MaterialModulus(GPa)Ceramics,glasses,andsemiconductors:Diamond(C)1000TungstenCarbide(WC)450-650SiliconCarbide(SiC)450AluminumOxide(Al2O3)390BeryliumOxide(BeO)380MagnesiumOxide(MgO)250ZirconiumOxide(ZrO)160-241Mullite(Al6Si2O13)145Silicon(Si)107Silicaglass(SiO2)94Soda-limeglass(Na2O-SiO2)69Metals:Tungsten(W)406Chromium(Cr)289Berylium(Be)200-289Nickel(Ni)214Iron(Fe)196LowAlloySteels200-207StainlessSteels190-200CastIrons170-190Copper(Cu)124Titanium(Ti)116BrassesandBronzes103-124Aluminum(Al)69Polymers:Polyimides3-5Polyesters1-5Nylon2-4Polystryene3-3.4Polyethylene0.2-0.7Rubbers0.01-0.1一些材料的彈性模量塑性變形塑性變形——材料發(fā)生的不可逆變形。特點(diǎn)：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系非線形；變形不可逆；通過原子價(jià)鍵的斷開、重排實(shí)現(xiàn)（晶體材料中，通過滑移和孿生的方式實(shí)現(xiàn)）切變強(qiáng)度——理論值和實(shí)際值的巨大差異理論切變強(qiáng)度：G/30實(shí)際純金屬單晶最大切變強(qiáng)度：G/100，000~G/10，000Why?滑移滑移一般通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。因此，材料的塑性變形是通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。位錯(cuò)線的觀察經(jīng)綴飾的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)隨塑性變形的進(jìn)行，不斷產(chǎn)生新位錯(cuò)，位錯(cuò)密度增加，互相纏結(jié)，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)越來(lái)越困難。孿生材料滑移系少或環(huán)境溫度低，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)不容易進(jìn)行時(shí)，也可在切應(yīng)力作用下以孿生方式實(shí)現(xiàn)塑性變形。孿生變形沿特定晶面（孿生面）和特定晶向（孿生方向）進(jìn)行。冷變形纖維組織冷變形纖維組織使材料性能產(chǎn)生各向異性加工硬化材料經(jīng)塑性變形后晶粒拉長(zhǎng)，晶格變形，形成亞結(jié)構(gòu)；位錯(cuò)增殖纏結(jié)；產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。這些都阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使材料的強(qiáng)度增加、塑性降低。這種現(xiàn)象稱加工硬化，又稱形變強(qiáng)化。一般多晶體金屬在拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線上均勻塑性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變之間符合Hollomon關(guān)系式，其中，S為真應(yīng)力，e為真應(yīng)變，K為常數(shù)，n——形變強(qiáng)化指數(shù)。材料Al-FeCu18-8不銹鋼n~0.15~0.2~0.30~0.45表：一些金屬材料的形變強(qiáng)化指數(shù)金屬的再結(jié)晶再結(jié)晶過程通過兩個(gè)階段完成：1)回復(fù)——位錯(cuò)減少形成亞晶粒，內(nèi)應(yīng)力消失，但保持加工硬化效果；T回＝（0.25~0.30）T熔2)再結(jié)晶——形成等軸晶粒，強(qiáng)度降低、塑性提高，加工硬化現(xiàn)象消除。T再＝0.40T熔再結(jié)晶過程實(shí)驗(yàn)觀察冷變形后的Cu350°C再結(jié)晶500°C再結(jié)晶800°C再結(jié)晶屈服強(qiáng)度——條件屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s——材料開始產(chǎn)生塑性變形時(shí)的應(yīng)力條件屈服強(qiáng)度

s：產(chǎn)生0.2%殘余變形時(shí)的應(yīng)力值屈服強(qiáng)度低碳鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線以下屈服點(diǎn)的屈服應(yīng)力為屈服強(qiáng)度

s抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限，UTS）

b——試樣斷裂前承受的最大應(yīng)力斷裂強(qiáng)度

K——試樣斷裂時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)總結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)：

s、b

（UTS）、K凡是阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的因素都提高材料的強(qiáng)度！塑性塑性指標(biāo)：延伸率

K——試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)量斷面收縮率

K——試樣拉斷后標(biāo)距部分截面的相對(duì)收縮值一般規(guī)定延伸率小于5%為脆性材料，大于5%為塑性材料。一些金屬材料的力學(xué)性能韌性表征材料斷裂前吸收能量的能力，可用拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線與x軸包圍的面積來(lái)表征。單位：J/m3失效失效斷裂斷裂分類按斷口宏觀形貌：韌性斷裂、脆性斷裂；按斷裂模式：穿晶斷裂、沿晶斷裂；按斷裂機(jī)制：解理斷裂、純剪切斷裂、微孔聚集型斷裂斷裂斷裂是材料中裂紋形核和擴(kuò)展的過程韌性斷裂——斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形，斷裂前吸收大量能量脆性斷裂——斷裂前無(wú)明顯宏觀塑性變形，斷裂前幾乎不吸收能量圓柱形靜拉伸試樣韌性斷裂形貌（杯錐狀斷口）圓柱形靜拉伸試樣脆性斷裂形貌（平直斷口）杯錐狀斷口形成示意圖頸縮導(dǎo)致三向應(yīng)力微孔形核微孔長(zhǎng)大微孔連接成鋸齒狀邊緣剪切斷裂微孔聚集型斷裂等軸韌窩拉長(zhǎng)韌窩韌窩底部的顆粒表明微孔往往在硬質(zhì)點(diǎn)處形核。韌、脆性斷口微觀形貌塑性斷裂脆性斷裂脆性斷裂宏觀斷口形貌薄板矩形拉伸試樣斷口：人字紋形貌，其放射方向與裂紋擴(kuò)展方向平行，尖頂指向裂紋源。圓柱拉伸試樣斷口：相同斷裂機(jī)制，人字紋形貌更明顯。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（低溫下）；沿晶斷裂多數(shù)是脆性斷裂。冰糖狀斷口沿晶斷裂（脆性）放射狀斷口穿晶斷裂（脆性）微孔型斷口穿晶斷裂（韌性）解理斷裂沿特定界面發(fā)生的脆性穿晶斷裂疲勞斷裂材料的疲勞——材料在周期性交變載荷作用下，產(chǎn)生低應(yīng)力（一般最大應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度）脆斷。疲勞斷裂是個(gè)損傷累積的過程

t

-1循環(huán)周次N疲勞曲線疲勞斷口觀察TEM微觀形貌（疲勞輝紋），顯示疲勞斷口光亮區(qū)裂紋緩慢擴(kuò)展過程SEM宏觀形貌，顯示疲勞斷裂過程：疲勞裂紋首先在表面形核，而后慢慢擴(kuò)展形成一光亮區(qū)，最后因承受載荷面積減少而快速擴(kuò)展。疲勞斷裂實(shí)例硬度硬度——衡量材料軟硬程度的性能指標(biāo)，分壓入法和刻劃法兩類壓入法硬度表征材料彈性、微量塑性變形抗力及形變強(qiáng)化能力等，常用的有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和維氏硬度（HV）。三種硬度的壓頭材料及幾何形狀淬火鋼球金剛石四棱錐A、C—金剛石圓錐B—淬火鋼球數(shù)值P—載荷，F(xiàn)—壓痕面積e—壓痕深度殘余量k—常數(shù)，0.2mmHRB=HR+30布氏硬度計(jì)

布氏硬度適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。

洛氏硬度h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)定義：每0.002mm相當(dāng)于洛氏1度洛氏硬度常用標(biāo)尺有：B、C、A三種①HRB輕金屬，未淬火鋼②HRC較硬，淬硬鋼制品③HRA硬、薄試件e—壓痕深度殘余量k—常數(shù)，0.2mm維氏硬度維氏硬度的壓力一般可選5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的壓力可以測(cè)定顯微組織硬度。適用范圍:測(cè)量薄板類HV≈HBS硬度測(cè)試儀器HRc宏觀Hv顯微Hv硬度測(cè)試舉例維氏硬度努氏硬度硬度和抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系對(duì)鋼材，硬度測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)：制樣簡(jiǎn)單，設(shè)備便宜；基本上是非破壞性；可大致預(yù)測(cè)其它一些力學(xué)性能。沖擊韌性沖擊韌性——表征材料抵抗沖擊載荷的能力。指標(biāo)：沖擊韌性（沖擊值）

KU（

KV）J/cm2沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣：U型缺口（梅氏試樣）V型缺口（夏氏試樣）

KU（

KV）值越大，表明材料斷裂前吸收的能量越大，即材料變形和斷裂消耗的功越多，材料韌性越好。韌脆轉(zhuǎn)變溫度當(dāng)溫度低于一臨界值TK時(shí)，一些材料的斷裂由韌性變?yōu)榇嘈?，沖擊值下降。這種現(xiàn)象稱材料的低溫脆性。TK為材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。TK可用系列沖擊試驗(yàn)確定。低溫下服役的機(jī)件或構(gòu)件，選用的材料應(yīng)該具有一定的韌性溫度儲(chǔ)備

：=T0-TKT0為使用溫度。

取20-60C。斷裂韌性一些材料在工作應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度的條件下也會(huì)發(fā)生脆性斷裂（低應(yīng)力脆斷。其原因是材料內(nèi)部存在宏觀裂紋。在斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的材料抵抗裂紋擴(kuò)展的韌性性能叫斷裂韌性。張開型(I型)裂紋滑開型(II型)裂紋撕開型(III型)裂紋裂紋擴(kuò)展的三種基本形式對(duì)于一個(gè)有裂紋的試樣，在拉伸載荷作用下，Y值是一定的，當(dāng)外力逐漸增大，或裂紋長(zhǎng)度逐漸擴(kuò)展時(shí)，應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子也不斷增大，當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI增大到某一值時(shí):就可使裂紋前沿某一區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力大到足以使材料產(chǎn)生分離，從而導(dǎo)致裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)展，即發(fā)生脆斷這個(gè)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌性，用KIC表示，它表明了材料有裂紋存在時(shí)抵抗脆性斷裂的能力σy=KI

γ=π/2a斷裂韌性——KIC斷裂韌性KICKI>KIC時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)生脆斷KI＝KIC時(shí)，裂紋處于臨界狀態(tài)KI<KIC時(shí)，裂紋擴(kuò)展很慢或不擴(kuò)展，不發(fā)生脆斷KIC可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，它是評(píng)價(jià)阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的力學(xué)性能指標(biāo)。是材料的一種固有特性，與裂紋本身的大小、形狀、外加應(yīng)力等無(wú)關(guān)，而與材料本身的成分、熱處理及加工工藝有關(guān)。斷裂K判據(jù)材料強(qiáng)化技術(shù)金屬材料強(qiáng)化技術(shù)基本原理：阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形變強(qiáng)化：位錯(cuò)增殖、纏結(jié)細(xì)晶強(qiáng)化：晶界對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用固溶強(qiáng)化：晶體點(diǎn)陣畸變形成的彈性應(yīng)力場(chǎng)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)彌散強(qiáng)化（時(shí)效強(qiáng)化）：第二相顆粒阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相變強(qiáng)化：不同組織有不同的性能（金屬材料熱處理）金屬材料表面強(qiáng)化技術(shù)：表面淬火、表面化學(xué)熱處理、表面合金化等。金屬材料熱處理傳統(tǒng)熱處理技術(shù)（熱處理四把火）：正火、退火、淬火、回火熱處理基本過程：加熱——保溫——冷卻熱處理的目的：改變材料的性能熱處理的應(yīng)用：提高材料的工藝性能；提高材料的服役性能。Tt熱處理工藝曲線材料的高溫力學(xué)性能長(zhǎng)期在高溫條件下工作的材料，如高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)渦輪機(jī)葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸壁活塞等，其強(qiáng)度與溫度、載荷持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)。材料的蠕變及其機(jī)理材料的主要高溫力學(xué)性能指標(biāo)材料的蠕變及其機(jī)理蠕變——材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下緩慢發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。即使應(yīng)力小于屈服應(yīng)力也會(huì)發(fā)生。蠕變機(jī)理：位錯(cuò)滑移——位錯(cuò)借助熱激活和空位擴(kuò)散過程克服障礙，使變形不斷產(chǎn)生。晶界滑動(dòng)蠕變——晶界原子在高溫下容易擴(kuò)散，受力后產(chǎn)生滑動(dòng)。晶界滑動(dòng)一般占總?cè)渥兞康?0%左右。擴(kuò)散蠕變——高溫條件下空位移動(dòng)，使晶體產(chǎn)生塑性變形。材料高溫力學(xué)性能指標(biāo)蠕變極限：1）給定溫度T（C）下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速率的應(yīng)力值2）給定溫度T（C）下，在規(guī)定時(shí)間t（h）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變伸長(zhǎng)率（

，%）的應(yīng)力值持久強(qiáng)度給定溫度T（C）下，恰好使材料經(jīng)過規(guī)定時(shí)間t（h）發(fā)生斷裂的應(yīng)力值。高溫硬度材料高溫強(qiáng)度影響因素

材料化學(xué)成分選用高熔點(diǎn)材料；加入彌散硬顆粒相；添加阻礙晶界滑動(dòng)的元素。材料中雜質(zhì)和氣孔等缺陷嚴(yán)格限制雜質(zhì)和氣孔含量。冶煉工藝要求極高；通常采用定向