01第一章工程材料的力学性能-工程材料

第一章工程材料的力学性能[本章内容]1.1材料的强度与塑性1.2材料的硬度1.3材料的冲击韧性1.4材料的疲劳强度1.5材料的断裂韧度[重点掌握]各种力学性能指标（强度,塑性；冲击韧性；硬度HB，HRC，HV；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意义和单位。§1.1材料的强度与塑性1.拉伸试验及拉伸曲线2.拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义一、静载单向静拉伸应力――应变曲线1.拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0ΔLF0低碳钢拉伸曲线脆性材料拉伸曲线2.拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：纵坐标为应力σ单位MPa(MN/mm)，横坐标为应变ε其中：σ=F/S表示材料抵抗变形和断裂的能力ε＝（L1-L0）/L03.曲线分为四阶段：1）阶段I（ope）――弹性变形阶段p:Fp，e:Fe（不产生永久变形的最大抗力）op段：△L∝P直线阶段pe段：极微量塑性变形（0.001--0.005%)2）阶段II（ess’）段――屈服变形S:屈服点Fs3）阶段III（s’b）段――均匀塑性变形阶段b:Fb材料所能承受的最大载荷4）阶段IV(bK)段――局部集中塑性变形－－颈缩铸铁、陶瓷：只有第I阶段中、高碳钢：没有第II阶段二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1．刚度和弹性刚度材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。E=σ/ε杨氏弹性模量GPa,MPa本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。比例极限：σp=Fp/Ao应力――应变保持线性关系的极限应力值弹性极限：σe=Fe/Ao不产永久变形的最大抗力。2.强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点，国家标准规定以残余变形量为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，以σ0.2来表示抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。s0.23.塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。延伸率延伸率与试样尺寸有关；δ5、δ10(L0=5d,10d)断面收缩率ψ=△A/Ao=(Ao-Ak)/Aox100%时，无颈缩，为脆性材料表征；时，有颈缩，为塑性材料表征。断裂后拉伸试样的颈缩现象§1.2材料的硬度抵抗外物压入的能力，称为硬度――综合性能指标。1．布氏硬度压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB对于铸铁：b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)2．洛氏硬度定义：HR=k-(h1-h0)/0.002常用标尺有：B、C、A三种①HRA硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。②HRB轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等。③HRC较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度计3.维氏硬度维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。§1.3冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak。ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S(J/cm)•ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。•ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。疲劳强度σ-1：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。§1.4疲劳强度（80%的断裂由疲劳造成）周次σ轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。§1.5材料的断裂韧性1．问题的提出低应力脆断――断裂力学断裂韧性是量度材料抵抗裂纹失稳扩展阻力的物理量,是材料抵抗应力脆性断裂的韧性参数.2．应力场强度因子K前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数——“应力场强度因子”。I：单位厚度，无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹Y：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有关的系数――几何形状因子。Y=I3．断裂韧性对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时，就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。当KIKIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。KI＝KIC时，裂纹处于临界状态KIKIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。4．应用断裂韧性是强度和韧性的综合体现。（1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC，制定零件工作是否安全K≥KIC，失稳扩展。（2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。（3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。ITitanic沉没的原因（1）化学成分泰坦尼克号的钢板是平炉冶炼而成的,这种方法导致高的磷、硫含量。锰含量很低,锰/硫比为6.8/1,比现代钢低得多，这些都将导致该钢材的低温脆性。（2）冲击韧性（3）金相组织虽然泰坦尼克号用了当时最好的普通碳素钢材作为它的造船材料,但从现代材料科学的观点来看，这种钢材根本不适合于做结构件，特别不适于造船。不良的化学成份使其塑-脆转变温度十分高，海轮在低温海域中航行时，如遇意外，极易发生脆性断裂。脆性断裂主要发生在体心立方晶格的金属中，特别是铁和低碳钢。铜是面心立方晶格的金属，在到达解理应力之前会发生极大的塑性变形,不会脆断。但是,有色金属中如钨、钼(体心立方)和锌、镁(密排六方晶格)均有脆断的可能（4）结论