材料力學(xué)性能復(fù)習(xí)PPT教案

1、會計學(xué)1材料力學(xué)性能復(fù)習(xí)材料力學(xué)性能復(fù)習(xí)2材料的性能性 能（property）：材料所具有的性質(zhì)與效用。使 用性能：材料在使用環(huán)境條件下的表現(xiàn)行為。材 料的性 能：對材料在一定的外界條件下的表現(xiàn)（performance）或行為(behavior)，并被人為規(guī)定的定量評價指標(biāo)稱為材料的性能。是一種參量(parameter)，用來表征材料在給定外界條件下的行為。行為過程 外界條件 定量化第1頁/共124頁31）了解材料在各種載荷力作用下會表現(xiàn)出怎樣的變形行為，即材料力學(xué)行為的宏觀規(guī)律；2）考慮用什么樣的指標(biāo)去評定各種行為規(guī)律，即定量化；3）研究各種力學(xué)行為在材料內(nèi)部的微觀機(jī)制，即本征特性；4）設(shè)計

2、如何進(jìn)行材料性能的實際測量，即測試原理、技術(shù)、設(shè)備、手段等試驗技術(shù)。5）分析材料性能與構(gòu)件實際使用性能、壽命和可靠性，即實用性。材料力學(xué)性能研究的內(nèi)容第2頁/共124頁4變形的能力。材料力學(xué)性質(zhì)的基本概念強度：材料抵抗外應(yīng)力的能力。塑性：外力作用下，材料發(fā)生不可逆的永久性變形而不破壞的能力。剛度：外應(yīng)力作用下材料抵抗彈性變形能力。硬度：材料在表面上的小體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。韌性：材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的能力。疲勞強度：材料抵抗交變應(yīng)力作用下斷裂破壞的能力?？谷渥冃裕翰牧显诤愣☉?yīng)力（或恒定載荷）作用下抵抗第3頁/共124頁性能大類性能大類基本性能基本性能響應(yīng)行為響應(yīng)行為性能指

3、標(biāo)性能指標(biāo)力力學(xué)學(xué)性性能能彈性彈性彈性變形彈性變形彈性模量、彈性比功、比例極限、彈性極限等彈性模量、彈性比功、比例極限、彈性極限等塑性塑性塑性變形塑性變形伸長率、斷面收縮率、應(yīng)變硬化指數(shù)、伸長率、斷面收縮率、應(yīng)變硬化指數(shù)、屈服強度等屈服強度等硬度硬度表面局部塑性變形表面局部塑性變形硬度硬度韌性韌性靜態(tài)斷裂靜態(tài)斷裂抗拉強度、斷裂強度、靜力韌度、斷裂韌度等抗拉強度、斷裂強度、靜力韌度、斷裂韌度等強度強度磨損磨損穩(wěn)定磨損速率、耐磨性等穩(wěn)定磨損速率、耐磨性等沖擊沖擊沖擊韌度、沖擊功、多沖壽命等沖擊韌度、沖擊功、多沖壽命等疲勞疲勞疲勞極限、疲勞壽命、疲勞裂紋擴(kuò)展速率等疲勞極限、疲勞壽命、疲勞裂紋擴(kuò)展速率

4、等高溫變形及斷裂高溫變形及斷裂蠕變速率、蠕變極限、持久強度、松弛穩(wěn)定性蠕變速率、蠕變極限、持久強度、松弛穩(wěn)定性低溫變形及斷裂低溫變形及斷裂韌脆轉(zhuǎn)變溫度、低溫強度等韌脆轉(zhuǎn)變溫度、低溫強度等應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕抗力、應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率等應(yīng)力腐蝕抗力、應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率等5材料力學(xué)性能的內(nèi)涵第4頁/共124頁宏觀行為（性能）微觀本質(zhì)彈性變形鍵合在不破壞條件下的伸縮或旋轉(zhuǎn)（可逆塑性變形晶體的滑移、孿生、扭折；非晶體的黏性流動（不可逆）黏彈性變形高分子鏈段的伸展+黏性流動蠕變晶體滑移、晶界滑移、原子擴(kuò)散斷裂裂紋萌生+裂紋擴(kuò)展磨損表面局部塑性變形+斷裂6）材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)組元的運動特質(zhì)決定了宏觀行

5、為的特征和發(fā)展程度。材料力學(xué)性能的微觀本質(zhì)第5頁/共124頁7第一章材料單向靜拉伸的力學(xué)性能材料力學(xué)性能第6頁/共124頁不同材料和處理的應(yīng)力應(yīng)變曲線1 淬火、高溫回火后的高碳鋼，只有彈性變形和少量的均勻塑性變形；23456低合金結(jié)構(gòu)鋼，特征與低碳鋼類似；黃銅，有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻塑性變形；陶瓷、玻璃類材料，只有彈性變形而沒有明顯的塑性變形；橡膠類材料，彈性變形量很大，可高達(dá)1000，且只有彈性變形而不產(chǎn)生或產(chǎn)生很微小的塑性變形；工程塑料，有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻集中塑性變形。（有多種形式、力 學(xué) 三態(tài)、與時間和溫度有關(guān)）8第7頁/共124頁9力伸長曲線 （低碳鋼）注意幾個

6、階段：op比例伸長階段。pe彈性階段。s 屈服階段。sb強化階段。bk頸縮階段(斷裂階段)。第8頁/共124頁10力伸長曲線的特征階段試樣在拉伸過程中可以分幾個階段：op比例伸長階段。這一階段的特點是，力與變形成正比，變形完全是彈性的、卸載路線與加載路線一致。pe彈性階段。這個階段的特點是，力與變形不完全成正比，但變形是彈性的，卸載路線與加載路線一致。s屈服階段。這個階段特點是，在力不增加或增加很小或略有降低的情況下變形大量產(chǎn)生。變形是不能恢復(fù)的，卸載路線與加載路線不一致。sb強化階段。隨變形增加，載荷增大，此階段產(chǎn)生的變形是彈塑性變形，其塑性變形是均勻的。這種隨塑性變形增大，變形抗力不斷增加

7、的現(xiàn)象叫形變硬化。加卸載路線不一致。bk頸縮階段(斷裂階段)。載荷達(dá)到最大值Fb以后，隨變形增大，載荷下降，產(chǎn)生大量不均勻變形，且集中在頸縮處，卸載和加載路線不一致。第9頁/共124頁屈服強度(又稱屈服點或物理屈服點)s：它表示材料塑性變形開始的強度指標(biāo)。0.2 “規(guī)定殘余伸長應(yīng)力”抗拉強度b；它表示材料對最大均勻塑性變形的抗力，超過此點，便產(chǎn)生大量局部的變形。11 p強度指標(biāo)表征材料強度性能的特征點：比例極限p ：它表示力與變形比例關(guān)系的最大應(yīng)力點，即圖中的p點，超過這點，力與變形已不成比例關(guān)系。彈性極限e：它表示力與變形成彈性關(guān)系的最大應(yīng)力點，超過此點變形就不可恢復(fù)而成為塑性變形。第10頁

8、/共124頁12塑性指標(biāo)靜拉伸下衡量材料塑性變形能力的指標(biāo)伸長率（延伸率） ：主要反映材料產(chǎn)生塑性變形的能力。是指光滑圓柱試樣拉伸實驗斷裂后，標(biāo)距范圍內(nèi)的伸長量占標(biāo)距長度的百分比。斷面收縮率：主要反映材料局部變形的能力。是試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大收縮量與原始橫截面積的百分比。 p第11頁/共124頁13彈性變形（ elastic）一、彈性變形的本質(zhì)定義：彈性變形外力去除后，變形消失而恢復(fù)原狀。彈性變形的本質(zhì)：概括說來，構(gòu)成材料的原子（離子）或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。金屬、陶瓷、結(jié)晶態(tài)高分子 彈性變形量較小，應(yīng)力和應(yīng)變呈單值線性關(guān)系。非晶態(tài)的高分子 彈性變形量較大，應(yīng)力和應(yīng)變之

9、間呈非線性。第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)第12頁/共124頁14彈性模量與剛度1 定義：E和G分別為拉伸時的楊氏模量（彈性模量，彈性系數(shù)，彈性模數(shù)）和切變模量。2 工程意義：表征材料對彈性變形的抗力，即材料的剛度。E越大，相同應(yīng)力下產(chǎn)生彈性變形越小。在工程設(shè)計中，為保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生過量的彈性變形，都要考慮結(jié)構(gòu)材料的這一重要力學(xué)性能指標(biāo)。3 剛度：(stiffness)材料的剛度、材料的比剛度、零件的剛度二、彈性模量第13頁/共124頁15A 0F p p =比例極限與彈性極限四、比例極限與彈性極限比例極限是保證材料的彈性變形按正比關(guān)系變化的最大應(yīng)力，即在拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線上開始偏離直線時的應(yīng)力值，

10、其表達(dá)式為：彈性極限是材料由彈性變形過渡到彈塑性變形時的應(yīng)力，應(yīng)力超過彈性極限以后，材料便開始塑性變形，其表達(dá)式為：A 0F ee=第14頁/共124頁12 e22 E e e = e =彈性比功五、彈性比功1.定義：彈性比功是材料在彈性變形過程中吸收變形功的能力。用材料彈性變形達(dá)到彈性極限時單位體積吸收的彈性變形功來表示。表達(dá)式為日常所說的彈性好壞實際上就是指彈性比功的大小，彈性比功是評價彈簧材料最重要的指標(biāo)。16第15頁/共124頁17彈性比功的應(yīng)用2. 提高材料（零件）彈性的方法？彈簧鋼冷加工，熱處理二 降低E，材料一定，E一定，不易改變。材料改變，E可改變，但E要滿足剛度要求，剛度低。

11、（沙發(fā)一坐就下去了，雖然彈性很好，但不能用。）3. 實際應(yīng)用彈簧鋼用來減震或儲能（撐桿跳高），鈹青銅制作儀表彈簧（無磁性、耐腐蝕、高彈性比功），還有橡膠，低E和高彈性應(yīng)變（與金屬彈性比功高的原因不同），也可做減震和儲存能量元件，如電子器件中的按鈕彈（如計算器按鍵）。一 提高 e ，如何提高？第16頁/共124頁18第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗彈性不完整性理想彈性（完全彈性） 應(yīng)力和應(yīng)變服從虎克定律，且滿足：1 力對于應(yīng)變的響應(yīng)是線性的；2 應(yīng)力和應(yīng)變同相位；3 應(yīng)變是應(yīng)力的單值函數(shù)。非理想彈性（彈性不完整性） 應(yīng)力應(yīng)變非線性響應(yīng)、不同位相包括滯彈性，粘彈性，偽彈性，包申格效應(yīng)等幾種類型。實際上大部

12、分固體材料一般都表現(xiàn)出非理想彈性性質(zhì)，工程中的材料按理想彈性處理只是一種近似處理。第17頁/共124頁非理想彈性一、滯彈性（彈性后效）材料在快速加載或卸載后，隨時間的延長而產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的性能。其應(yīng)力應(yīng)變曲線與時間的關(guān)系如圖所示。特點：在彈性應(yīng)力范圍內(nèi)，與所加應(yīng)力對應(yīng)一個初始應(yīng)變，在保持應(yīng) 力時，產(chǎn)生附加應(yīng)變。（常見于金屬和高分子材料中，原因：化學(xué)成分，溫度，切應(yīng)力大小，組織均勻性等，會影響測力彈簧，薄膜傳感器的精度。）滯彈性工程應(yīng)用有利之處：消震，衰減性例如：鑄鐵作為機(jī)床支座；減小共振的可能性，Cr12鋼做葉片。不利之處：精密儀表中的彈簧，油壓表，氣壓表中的測力彈簧要求靈敏地反應(yīng)指針數(shù)的變

13、化，不允許有滯彈性。19第18頁/共124頁20粘彈性二、粘彈性定義：粘彈性是指材料在外力作用下，彈性和粘性兩種變形機(jī)理同時存在的力學(xué)行為。特征：應(yīng)變對應(yīng)力的效應(yīng)不是瞬時完成的，有一個弛豫過程，但卸載后，應(yīng)變恢復(fù)到初始值。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系與時間有關(guān)。恒應(yīng)變下的應(yīng)力松弛：加載一恒定彈性范圍的應(yīng)變后，有一初始應(yīng)力值，但應(yīng)變保持不變，應(yīng)力緩慢下降到某一恒定值，如圖（a）反之亦然。恒應(yīng)力下的蠕變：加載一恒定彈性范圍的應(yīng)力后，有一初始應(yīng)變值，但應(yīng)力保持不變，應(yīng)變緩慢增加到某一恒定值，如圖（b）。反之亦然。第19頁/共124頁21偽彈性定義：偽彈性是指在一定溫度下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定水平后，金屬或合金將產(chǎn)生應(yīng)

14、力誘發(fā)馬氏體相變，伴隨應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變產(chǎn)生大幅度（60）彈性變形現(xiàn)象。大大超過正常彈性變形。三、偽彈性應(yīng)用：形狀記憶合金。偽彈性示意圖第20頁/共124頁22包申格效應(yīng)包申格（Bauschinger）效應(yīng)是指，金屬材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（殘余變形小于4），然后再反向加載時，彈性極限或屈服極限降低的現(xiàn)象，特別是彈性極限幾乎下降到0。四、包申格效應(yīng)現(xiàn)象：a 材料單向拉伸時的起始屈服應(yīng)力為A，同樣，壓縮時的起始屈服應(yīng)力B大致與A相同。b 材料先拉伸至C點，卸載，然后再反向壓縮則反向屈服點降低到E 點。第21頁/共124頁23內(nèi)耗五、內(nèi)耗在非理想彈性的情況下，由于應(yīng)力和應(yīng)變不同步，使加載線和

15、卸載線不重合而形成一封閉回線，這個回線稱為彈性滯后環(huán)。這一現(xiàn)象說明加載時材料吸收的變形功（能）大于卸載時材料釋放的變形功，有一部分變形功被材料吸收，儲存在材料內(nèi)部，稱為內(nèi)耗（又叫消振性），用回線的面積大小度量。（如圖9）工程應(yīng)用：音叉在真空中做彈性振動，但是由于內(nèi)耗的作用，振幅逐漸衰減，最后停止。第22頁/共124頁24第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)一、塑性變形機(jī)理定義：材料在加載變形中，卸載后不能恢復(fù)（或消失）的那部分變形稱為塑性變形，又稱殘余變形或永久變形。特征：不可逆變形。金屬塑性變形的方式（或稱機(jī)理）：滑移、孿生、晶界滑動和擴(kuò)散性蠕變塑性變形（ plastic）材料塑性變形量的大小反映了

16、材料塑性性能的好壞。第23頁/共124頁25塑性變形金屬塑性變形的特點1）金屬塑性變形的非同時性金屬多晶體中，不同相、不同晶粒在外力作用下由彈性變形向塑性變形的過渡不可能同時開始。2）塑性變形量的不均勻性不同組織的塑性變形程度不同，在外部宏觀變形量不大的情況下，有些晶?？赡芤呀?jīng)達(dá)到極限，出現(xiàn)早期開裂。組織越不均勻，塑性變形不均勻性越嚴(yán)重。3）塑性變形的時間性彈性變形是聲速，塑性變形與加載速率有關(guān)，溫度越高越明顯。4 ） 塑性變形過程中伴隨材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能會發(fā)生變化。第24頁/共124頁26二、屈服現(xiàn)象與屈服強度1屈服現(xiàn)象在低碳鋼拉伸曲線上，彈性變形向塑性變形的過渡階段有一個平臺或鋸齒

17、。在外力不增加或上下波動的情況下試樣可以繼續(xù)伸長，這種現(xiàn)象稱為材料在拉伸實驗時的屈服現(xiàn)象。許多鐵基合金、有色金屬和高分子材料中會出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。2 屈服強度定義：屈服強度材料開始塑性變形的應(yīng)力。通常用下屈服點的應(yīng)力值表示。為什么？何為上、下屈服點？物理意義：材料抵抗起始塑性變形的能力或產(chǎn)生微量塑性變形的能力。 s = Fs / A0第25頁/共124頁27選最佳值。工程意義：屈服強度是很重要的力學(xué)性能指標(biāo)。1 作為防止因材料過量塑性變形而導(dǎo)致機(jī)件失效的設(shè)計和選材的依據(jù)；2 根據(jù)屈服強度與抗拉強度的比值（屈強比）的大小，衡量材料進(jìn)一步產(chǎn)生塑性變形的傾向，作為金屬材料冷塑性變形加工和確定機(jī)件緩解應(yīng)力

18、集中防止脆性斷裂的參考依據(jù)。也就是說，屈服強度高，提高了許用應(yīng)力，減輕了零件或構(gòu)件的重量，減小零件尺寸和體積，冷加工成型性能和焊接性能好，不易產(chǎn)生塑性變形失效。但是，不利緩解應(yīng)力集中，對缺口敏感，脆性增加，應(yīng)力腐蝕和氫脆敏感，所以要第26頁/共124頁定義式：工程意義：靜拉伸實驗中最容易測定，重現(xiàn)性好的指標(biāo)。在工程中應(yīng)用最廣泛。與其它力學(xué)性能之間有一定的近似關(guān)系。該指標(biāo)很活潑，影響因素同屈服強度。28 b = Fb A0塑性變形五、抗拉強度定義：拉伸曲線上應(yīng)力的最大值。表征最大均勻塑性變形抗力指標(biāo)。第27頁/共124頁29塑性變形六、塑性與塑性指標(biāo)塑性的概念：材料斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。測量

19、塑性的性能指標(biāo)：伸長率和斷面收縮率100%l Kl 0 = 伸長率主要反映材料產(chǎn)生塑性變形的能力。 斷面收縮率主要反映材料局部變形的能力。100%A0 AKA0 =兩者之間的關(guān)系： 時，說明拉斷時不產(chǎn)生縮頸； 5253）不能進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗？試樣會脆斷出現(xiàn)飛裂。彎曲：彎曲試驗接近多數(shù)工具的工作條件，常用于測定脆性材料的力學(xué)性能。不適合塑性材料測試。拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲等試驗方法適用于哪些材料或哪些工作條件下的構(gòu)件？第42頁/共124頁442.3 缺口處的應(yīng)力分布一、缺口處的應(yīng)力分布特點及缺口效應(yīng)影響材料力學(xué)性能的外因之一：應(yīng)力狀態(tài)。缺口改變了應(yīng)力狀態(tài)，所以改變了性能。缺口效應(yīng)：缺口頂端應(yīng)力集中，

20、產(chǎn)生兩向（或三向）應(yīng)力狀態(tài)，缺口強化。要認(rèn)識缺口對材料力學(xué)性能的影響，就要了解缺口處應(yīng)力分布的情況，分析它們對變形和斷裂過程的影響。第43頁/共124頁452.4 硬 度硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學(xué)性能指標(biāo)。是材料在表面上的不大的體積內(nèi)（局部）抵抗變形（壓入法）或者破裂（刻劃法）的能力。硬度值的物理意義隨著試驗方法的不同，其含義也不同。硬度值實際上不是一個單純的物理量，是表征材料的彈性、塑性、形變強化、強度和韌性等一系列不同物理量組合的一種綜合性能指標(biāo)。硬度的概念第44頁/共124頁46硬度試驗方法的特點1) 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)最大，適用于所有的軟硬材料。2) 試驗（設(shè)備）簡單（操作方便）易

21、行，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)（檢驗產(chǎn)品質(zhì)量）和材料研究。3) 壓痕小，不損壞工件，屬于無損檢測。4) 與其他性能有關(guān)系，可估算其他性能。注意事項：硬度試驗方法很多，這些方法不僅在原理上有區(qū)別，而且就是在同一種方法中也存在著試驗力、壓頭和標(biāo)尺的不同。因此，如何根據(jù)被測材料及特性來選擇一種合適的試驗方法和試驗條件，是進(jìn)行硬度試驗時必須首先要考慮的問題。第45頁/共124頁序級 材料序級 材料序級 材料1滑 石6正長石11熔融氧化鋯2石 膏7SiO2玻璃12剛 玉3方解石8石 英13碳化硅4螢 石9黃 玉14碳化硼5磷灰石10石榴石15金剛石47硬度試驗1、莫氏硬度 陶瓷及礦物材料常用的劃痕硬度，通常分為十級

22、，由于人工合成的硬度大的材料，現(xiàn)分為十五級。指甲？銅幣？鐵釘？玻璃？鋸片和美工刀？第46頁/共124頁(壓痕面積計算，只要測得壓痕直徑d，查表即可得HB。材料抵抗表面局部塑性變形的能力。48布氏硬度HB)=HB =2FD D D 2 d 2FS凹布氏硬度2、 布氏硬度（HB）該法始于1900年，是瑞典工程師（）提出的，是應(yīng)用得最久、最廣泛的壓入法硬度試驗之一。（1）布氏硬度試驗原理：在直徑D的鋼球上，加一負(fù)荷F，壓入被測材料的表面，根據(jù)壓痕的凹陷面積S凹計算出應(yīng)力值，以此值作為硬度值大小的計量指標(biāo)。第47頁/共124頁49壓頭為淬火鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下

23、的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值, 符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如120HBS10/1000/30 表示直徑為10mm 的鋼球在1000kgf（9.807kN ）載荷作用下保持30s 測得的布氏硬度值為120。布氏硬度值的符號： HBS 或 HBW布氏硬度值的表示方法第48頁/共124頁50布氏硬度試驗特點及應(yīng)用優(yōu)點：壓痕大，可反映材料較大區(qū)域內(nèi)的平均性能，測量誤差小，而且試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好。缺點：壓痕大，不易檢驗成品；不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。不同材料需更換

24、 F 和 D；壓痕直徑測量麻煩。適用范圍：適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼，鑄鐵及軸承合金有色金屬等材料的硬度。（3）布氏硬度試驗特點及應(yīng)用第49頁/共124頁51洛氏硬度美國人 Rockwell 1919年提出的。（1）洛氏硬度試驗原理：根據(jù)壓痕的深度作為硬度值大小的計量指標(biāo)，0.002mm為一個硬度單位。克服布氏硬度存在的缺點，不用壓痕面積來計算。3 洛氏硬度洛氏硬度 HR： HR=k - (h1-h0)/0.002k的意義：使讀數(shù)和硬度值成正比。符合習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念。金剛石壓頭k0.2，鋼球k0.26。第50頁/共124頁52鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕（3）洛氏硬度值的適用范

25、圍HRA用于測量高硬度材料, 如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。（硬度值有效范圍6085）。HRB用于測量低硬度材料, 如有色金屬和退火、正火鋼等。（硬度值有效范圍25100）。HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。（硬度值有效范圍2067）。洛氏硬度適用范圍第51頁/共124頁53優(yōu)點：壓痕小，易檢驗成品，操作簡便迅速，硬度值可直接讀出，工效高，可測定軟硬不同和厚薄不均的材料硬度。缺點：壓痕小，不可反映材料較大區(qū)域內(nèi)的平均性能，而且試驗數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，重復(fù)性不好；用不同標(biāo)尺測得的硬度值不能直接進(jìn)行比較，又不能彼此互換。洛氏硬度特點（2）洛氏硬度特點第52頁/共124頁F F= 0.102=

26、0.1891S d d54的(由(維氏硬度4 維氏硬度和顯微硬度維氏硬度 1925年英國維克爾斯公司的和提出的，后由( Vickers-Armostrong)公司制造出這種硬度計而得名。維氏硬度的原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的載荷來計算硬度值。采用壓頭是錐面夾角為136o的金剛石四棱錐體，通過測量壓痕對角線計算壓痕表面積。1362F sin22 2HV = 0.102第53頁/共124頁55維氏硬度的特點1）壓頭為136四方角錐，壓入角不隨負(fù)荷變化，負(fù)荷可任意選擇，不受 F/D2的限制（比HB的優(yōu)越性）。2）原理與HB相同，同種材料在不同載荷下滿足顯示相似原理，所得硬度值能完

27、全相等。3）壓痕為正方形，輪廓清晰，測得的對角線誤差?。ū菻B測量方便精確）4）采用了金剛石壓頭，適合于任何材料，硬度值完全統(tǒng)一（比HRC優(yōu)越性），負(fù)荷可任意選擇，易測量，誤差小。5）唯一的缺點，硬度值需要通過測量對角線后才能得出（查表）生產(chǎn)效率不如HRC高。第54頁/共124頁56顯微硬度布氏、洛氏及維氏三種硬度試驗法施加載荷大，無法測量對象尺寸很小或很薄的各種顯微組織，也不能測試像陶瓷等脆性材料。顯微硬度試驗一般指測試載荷小于2N的硬度試驗。常用的顯微硬度，有顯微維氏硬度和顯微努氏硬度兩種。顯微維氏硬度試驗，小載荷的維氏硬度試驗。測試結(jié)果必須注明載荷大小。如340 HV0.1表示用用0.9

28、807N的載荷測得的維氏顯微硬度為340。5 顯微硬度第55頁/共124頁b (MPa)對于低碳鋼:b(MPa)3.6HB鋼黃銅 球墨鑄鐵HB硬度與強度對應(yīng)關(guān)系材料的b與HB之間的經(jīng)驗關(guān)系：對于高碳鋼：b(MPa)3.4HB對于鑄鐵： b(MPa)1HB或 b(MPa) 0.6(HB-40)材料硬度之間的經(jīng)驗關(guān)系：HB 10 HRC (40-60HRC間)HB 2 HRBHRC 2HRA -10457第56頁/共124頁58第三章材料的沖擊韌性和低溫脆性材料性能學(xué)第57頁/共124頁59第一節(jié) 沖擊彎曲試驗與沖擊韌度（性）一、夏比缺口沖擊彎曲試驗1 試驗特點： 沖擊載荷（作用力在極短時間（微秒

29、）內(nèi)有很大變化幅度，缺口試樣（有缺口效應(yīng)），低溫，都是致脆因素下測定試樣的沖擊功。2 加載方式：利用落錘的勢能，如圖所示，測量試樣變形和斷裂所吸收的功稱為沖擊吸收功。用AK表示，單位為焦耳J（Nm）。AKG（H1H2）第58頁/共124頁60沖擊韌度意義二、沖擊韌度及其工程意義表示材料韌度的性能指標(biāo)共有三個：沖擊韌度、斷裂韌度、和靜力韌度分別用來評價材料在沖擊載荷、有裂紋的情況下靜載荷、靜拉伸載荷條件下材料的韌度。韌性是材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。沖擊韌度的物理意義：沖擊韌度或沖擊值aKV和aKU是一個綜合性的力學(xué)性能指標(biāo)，與材料的強度和塑性有關(guān)。可檢驗材料的冶金質(zhì)量、冷脆傾向、缺

30、口敏感性。沖擊韌度不能真正反映材料的韌脆程度即韌性。第59頁/共124頁61沖擊功與沖擊韌度原因是：沖擊功（沖擊彈性功塑性功撕裂功）空氣阻力機(jī)身振動軸承與測量機(jī)構(gòu)的摩擦試樣的飛出等。沖擊功為試驗斷裂前吸收的能量，有確切的物理意義。沖擊韌度是一個缺口截面的平均值，但實際上缺口截面的受力情況極不均勻，塑變和試樣所吸收的功主要集中在缺口附近，故取平均值毫無物理意義。此時，試樣斷裂行為在斷面上是不同的，因承受彎曲載荷以及缺口存在，塑性變形程度不同。沖擊韌度aK表示單位面積的沖擊功，失去了明確的物理意義，成為純粹的數(shù)學(xué)量。第60頁/共124頁62系 列沖擊試驗低溫脆性系列沖擊試驗與低溫脆性系列沖擊試驗將

31、某一材料制成的沖擊試樣冷卻到不同的溫度測定沖擊功，可得到這種材料沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線。不同溫度下的沖擊試驗稱為系列沖擊試驗。系列沖擊試驗在材料研究和生產(chǎn)實際中應(yīng)用較廣，為什么？（因為它比其他材料性能實驗更能反映出材料的力學(xué)性能隨內(nèi)因和外因變化的差異。）第61頁/共124頁63低溫脆性低溫脆性金屬材料的強度一般隨溫度的降低而升高，而塑性則相反。一些具有體心立方晶格的金屬（Fe、Mo、W）當(dāng)溫度降低到某一溫度時，由于塑性降低為零而變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，這種現(xiàn)象稱為低溫脆性。實驗中歸納有3種不同的沖擊吸收功溫度關(guān)系曲線：（如圖所示）第62頁/共124頁64低溫脆性機(jī)理產(chǎn)生低溫脆性的機(jī)理：宏觀上，體心立方

32、金屬及其合金、某些密排六方金屬及其合金，及許多珠光體鐵素體兩相鋼，這類材料的屈服強度對溫度和應(yīng)變速率的變化十分敏感。溫度降低，屈服強度升高，當(dāng)屈服強度高于斷裂強度時，產(chǎn)生脆性斷裂。具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬材料如如Cu、Al等的屈服強度隨溫度的降低不發(fā)生明顯的升高，屈服強度總是高于斷裂強度，所以冷脆傾向不明顯。微觀上，體心立方晶體中的位錯阻力隨溫度降低而增加，故該類材料發(fā)生低溫脆性，面心立方金屬因位錯寬度比較大，位錯阻力對溫度變化不敏感，故一般不顯示低溫脆性。第63頁/共124頁韌脆轉(zhuǎn)變材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆

33、轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。65第64頁/共124頁66韌脆轉(zhuǎn)變溫度判據(jù)第65頁/共124頁67影響低溫脆性因素影響材料低溫脆性的因素1、晶體結(jié)構(gòu)：體心立方金屬及其合金存在低溫脆性，面心立方金屬及其合金一般不存在低溫脆性。2、化學(xué)成分：間隙溶質(zhì)元素含量增加，韌脆轉(zhuǎn)化溫度升高，如含碳量增加，鋼的韌脆轉(zhuǎn)化溫度升高；雜質(zhì)元素含量增加，容易偏聚在晶界附近，脆性傾向增加。3、顯微組織：脆性增大的順序：珠光體（索氏體徑d屈氏體珠光體）下貝氏體上貝氏體回火馬氏體；晶粒大小對韌脆轉(zhuǎn)化溫度的影響很大，韌脆轉(zhuǎn)化溫度與晶粒直徑d-1/2成線性

34、關(guān)系。隨晶粒減小，韌脆轉(zhuǎn)化溫度減小。4、外因溫度、加載速率、缺口幾何是致脆因素，不是影響了材料的低溫脆性而是影響了實驗的值，在相同條件下進(jìn)行比較可以不考慮這些因素。第66頁/共124頁68第四章材料的斷裂韌度（性）材料性能學(xué)第67頁/共124頁69韌度韌度是強度和塑性的綜合指標(biāo)。反映了材料的韌性性能。最佳的靜力韌度是即充分發(fā)揮了材料的強度潛力又具有適當(dāng)?shù)陌踩珒?。對有些零件象鏈條，拉桿，吊鉤等在服役過程中可能承受偶然過載，靜力韌度是很重要的評價材料韌性的性能指標(biāo)。表示材料韌度的性能指標(biāo)共有三個：沖擊韌度（第三章本章）、斷裂韌度（第四章）、靜力韌度（第一章）分別用來評價材料在沖擊載荷、有裂紋的情

35、況下靜載荷、靜拉伸載荷條件下材料的韌度。韌性是材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。第68頁/共124頁701. 韌性斷裂與脆性斷裂斷裂前有無塑變韌性斷裂定義斷裂前及斷裂過程中產(chǎn)生明顯宏觀塑變的斷裂過程。韌性斷裂特點斷裂過程較慢，消耗大量的塑性變形能。斷口的特征暗灰色（纖維狀斷口對光的反射能力很弱）、纖維狀（眾多細(xì)微裂紋不斷擴(kuò)展和相互連接造成）。脆性斷裂定義斷裂前及斷裂過程中基本上不產(chǎn)生明顯宏觀塑變的斷裂過程。脆性斷裂特點沒有明顯預(yù)兆，突然發(fā)生是快速斷裂過程，具有很大的危險性。斷口的特征斷口一般與正應(yīng)力垂直，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。容易發(fā)生韌性斷裂的材料塑性較好的金屬材料和高

36、分子材料。容易發(fā)生脆性斷裂的材料淬火鋼、灰鑄鐵、陶瓷、玻璃。第69頁/共124頁71穿晶斷裂定義斷裂過程中裂紋穿過晶粒內(nèi)部斷裂過程。穿晶斷裂特點可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂。斷口的特征穿晶斷裂的微觀機(jī)理有多種，所以斷口的特征也很復(fù)雜，除了典型的韌窩和解理花樣外還有多種混合斷口如準(zhǔn)解理，疲勞斷口等。沿晶斷裂定義斷裂過程中裂紋沿晶界擴(kuò)展的斷裂過程。沿晶斷裂特點多數(shù)為脆性斷裂。斷口的特征一般呈結(jié)晶狀。容易發(fā)生沿晶斷裂的材料晶界上存在斷續(xù)或連續(xù)脆性第二相薄層的合金、高溫下晶界結(jié)合力較弱的金屬、共價鍵陶瓷等。容易發(fā)生穿晶斷裂的材料大部分塑性較好的金屬材料和離子鍵結(jié)合的陶瓷材料。2.穿晶斷裂與沿晶斷裂

37、- 裂紋擴(kuò)展途徑分第70頁/共124頁723.剪切斷裂與解理斷裂- 微觀機(jī)理剪切斷裂的微觀解理主要包括剪切斷裂的微孔聚集斷裂和解理斷裂。微孔聚集型斷裂是韌性斷裂的普遍方式。斷裂過程包括微孔的形核（第二相碎裂與基體界面脫離）、長大（大量位錯進(jìn)入微孔）、聚合（相鄰微孔連接部分內(nèi)縮頸的斷裂形成微裂紋）直至斷裂（微裂紋在尖端應(yīng)力集中作用下與主裂紋連通）。斷口的特征宏觀上常呈暗灰色、 纖維狀，微觀上則為大量的韌窩。韌窩大 小取決與第二相的大小及間距，一般來說間距小，韌窩也小。韌窩的深度取決與材料的塑性好壞，一般來說，塑性好，韌窩較深。第71頁/共124頁733.剪切斷裂與解理斷裂- 微觀機(jī)理解理斷裂定義

38、在正應(yīng)力的作用下，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。解理斷裂的特點：1 主裂紋清晰； 2 晶粒內(nèi)無變形； 3 裂紋多萌生于晶界；斷口的特征解理臺階、河流花樣和舌狀花樣。（解理斷裂的微觀斷口應(yīng)該是極平坦的鏡面，但是實際的解理斷口是由許多大致相當(dāng)于晶粒大小的解理面集合而成的。這種大致以晶粒大小為單位的解理面稱為刻面。解理裂紋的擴(kuò)展往往是沿著晶面指數(shù)相同的一族相互平行，但位于“不同高度”的晶面進(jìn)行的。不同高度的解理面之間存在臺階，第72頁/共124頁743.典型的斷口特征典型斷口的宏觀特征一般包括三個區(qū)域：纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)。纖維區(qū)由微孔聚合機(jī)理形成，微觀斷

39、口特征為韌窩。放射區(qū)可以是微孔聚合形成的撕裂棱，微觀特征為韌窩，也可以是解理斷裂。剪切唇區(qū)剪切唇表面光滑，與拉伸軸呈45，微觀為韌性斷裂特征。第73頁/共124頁 E s 75三、斷裂強度1 理論斷裂強度理想晶體斷裂即原子間結(jié)合鍵的斷裂并形成二個新的表面的過程。在拉伸過程中，應(yīng)力所作的功應(yīng)等于二倍的表面12例如：Fe的理論斷裂強度為：4.0104MPa（P33頁）而實際Fe的斷裂強度40左右，為什么？陶瓷和玻璃等材料的實際斷裂強度與理論斷裂強度的差距更大，為什么？能。由此推導(dǎo)出理論斷裂強度： m = a0 m 理論斷裂強度；E彈性模量； s 單位面積的表面能；a 0 原子間距或解理面間距。第7

40、4頁/共124頁( )1cE s 2a由格里菲斯裂紋理論推導(dǎo)出的實際斷裂強度為：= c 實際斷裂強度（裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力）；E 彈性模量； s 單位面積的表面能；a 裂紋半長度。762 實際斷裂強度（格里菲斯裂紋理論）為了解釋理論斷裂強度與實際斷裂強度 的巨大差異 ，A.Griffith在1921年提出，實際材料中已經(jīng)存在裂紋，當(dāng)平均應(yīng)力還很低時，裂紋尖端的應(yīng)力集中已經(jīng)達(dá)到理論值，從而使裂紋快速擴(kuò)展并導(dǎo)致脆性斷裂。第75頁/共124頁( ) 22 +E pe =c772 實際斷裂強度（格里菲斯裂紋理論）實驗證實了格里菲斯裂紋理論。將玻璃表面的微裂紋用氫氟酸腐蝕掉后，斷裂強度大大提高；將巖鹽晶體

41、浸入溫水中溶掉其表面損傷層，斷裂強度從5MPa提高到1600MPa。格里菲斯裂紋理論只適用于脆性材料，如玻璃、無機(jī)晶體、超高強度鋼等。對塑性較好的材料，裂紋尖端會產(chǎn)生較大的塑性變形，要消耗大的塑性變形功，由此，格里菲斯裂紋理論需進(jìn)行修正。 1 a e 裂紋表面彈性能； p 裂紋尖端發(fā)生塑性變形所消耗的塑性功。第76頁/共124頁78第一節(jié) 線彈性條件下的斷裂韌性一、裂紋擴(kuò)展的基本方式1 張開型（I型）如圖4-1，拉應(yīng)力垂直作用于裂紋面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴(kuò)展，例如，容器縱向裂紋在內(nèi)應(yīng)力作用下的擴(kuò)展。2 滑開型（II型）如圖4-2，切應(yīng)力平行作用于裂紋面，并且與裂紋前沿線垂直，裂紋沿

42、裂紋面平行滑開擴(kuò)展，例如，齒輪根部裂紋和花鍵根部裂紋沿切應(yīng)力方向的擴(kuò)展。3 撕開型（III型）如圖4-3，切應(yīng)力平行作用于裂紋面，并且與裂紋前沿線平行，裂紋沿裂紋面撕開擴(kuò)展，例如，軸類零件的橫向裂紋在扭矩作用下的擴(kuò)展。第77頁/共124頁79下面把幾個概念K 、KI、KC 、KIC要搞清楚。三、斷裂韌度KIC和斷裂K判據(jù)K和KI：描述裂紋尖端應(yīng)力場強度的力學(xué)參量應(yīng)力場強度因子，與試樣的形狀尺寸、裂紋的形狀尺寸及位置、外力的加載方式及大小等有關(guān)，用K表示。由于是I型加載方式，所以又表示為KI。KC和KIC：反映材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料本身特性。KC平面應(yīng)力斷裂韌性，與板的厚度有關(guān)，如圖4-

43、5所示，隨著板厚的增加，KC逐漸減小，當(dāng)板厚增加到一定程度，KC成為一恒定值，與板厚無關(guān)，只與材料有關(guān)，這個值就是KIC。材料的屈服強度越高，由KC過渡到KIC的板厚越大。KIC平面應(yīng)變斷裂韌性，是材料性能，材料常數(shù)。描述裂紋體材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。第78頁/共124頁三、斷裂韌度KIC和斷裂K判據(jù)斷裂判據(jù)：裂紋在什么條件下發(fā)生失穩(wěn)脆性斷裂？（與其它性能比較）平面應(yīng)力條件下 K KC平面應(yīng)變條件下 KI KIC斷裂力學(xué)提出了防止材料發(fā)生低應(yīng)力脆斷設(shè)計者可以控制的三個因素：1）材料的斷裂韌性（可通過熱處理等方法提高）2）名義應(yīng)力（外加載荷）3）構(gòu)件中的裂紋長度（材料的加工質(zhì)量控制，如探傷）80

44、只有兩個是獨立的第79頁/共124頁a max = Y 紋長度：2K IC三、斷裂韌度KIC和斷裂K判據(jù)斷裂判據(jù)的用途：ICY a2)已知斷裂韌性和最大工作應(yīng)力，可求出允許的最大裂小結(jié)：脆性斷裂的判據(jù)為工程安全設(shè)計，防止構(gòu)件脆性斷裂提供了重要的理論依據(jù)，解決了傳統(tǒng)工程設(shè)計中經(jīng)驗的、沒有理論依據(jù)的、沒有定量指標(biāo)的選材方法，使得設(shè)計的可靠性大大提高。81第80頁/共124頁82第五章材料的疲勞材料性能學(xué)第81頁/共124頁83材料在循環(huán)（交變）載荷作用下，因累積損傷而發(fā)生低應(yīng)力破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞。即，材料在循環(huán)載荷作用下，即使所受的應(yīng)力低于屈服強度，也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞斷裂是材

45、料（或構(gòu)件）在交變應(yīng)力反復(fù)作用下發(fā)生的斷裂。疲勞斷裂，尤其是高強度材料的疲勞斷裂前，一般不會發(fā)生明顯的塑性變形，難以預(yù)測和預(yù)防。什么是疲勞？疲勞概述第82頁/共124頁t 0 隨機(jī)載荷 tt 084要研究載荷譜的描述與簡化0S SSmaxSS恒幅循環(huán) 變幅循環(huán)圖1.1 疲勞載荷形式分類載荷可以是力、應(yīng)力、應(yīng)變、位移等。一、變動應(yīng)力變動應(yīng)力，即交變應(yīng)力是指應(yīng)力的大小、方向或大小和方向同時都隨時間作周期性改變的應(yīng)力，也可更一般地稱為擾動載荷。各種發(fā)動機(jī)曲軸、主軸、齒輪、彈簧、渦輪機(jī)葉片、鋼軌、飛機(jī)螺旋漿及各種滾動軸承等都是承受交變應(yīng)力。第83頁/共124頁85SSmax0t循環(huán)應(yīng)力 (cyclic

46、 stress)的描述：Smin常用導(dǎo)出量：平均應(yīng)力應(yīng)力半幅應(yīng)力變程S m=(S max +S min )/2Sa =(S max - S min )/2S=Smax - S min應(yīng)力比或循環(huán)特性參數(shù)R=S min /S max恒幅循環(huán)應(yīng)力是最簡單的描述循環(huán)應(yīng)力水平的基本量：Smax，S minSmSaSaSmax、Smin、Sm 、Sa、DS、R等量中，只要已知二個，即可導(dǎo)出其余各量。第84頁/共124頁量,0SR= -1對稱循環(huán)tS max =-S min0StR=1靜載S max =S min0StR=0脈沖循環(huán)S min =0設(shè)計：用Smax，Smin ，直觀；試驗：用Sm，Sa ，

47、便于加載；分析：用Sa，R，突出主要控制參量, 便于分類討論。主要控制參量： S a ，重要影響參量：R頻率 (f=N/t) 和 波形的影響是較次要的。86應(yīng)力比R反映了載荷的循環(huán)特性。如第85頁/共124頁87應(yīng)變疲勞：形,試樣在恒定的應(yīng)變幅a作用下發(fā)生循環(huán)變形,應(yīng)變疲勞即有塑性變形發(fā)生的疲勞，應(yīng)力高（工作應(yīng)力接近或大于材料的屈服強度），應(yīng)力交變頻率低，斷裂時應(yīng)力交變次數(shù)少（小于于102105次）的情況下產(chǎn)生的疲勞，一般為低周疲勞，壽命較短。金屬在兩者條件下的斷裂規(guī)律是不同的疲勞載荷的形式按應(yīng)力狀態(tài)分還有彎曲疲勞，扭轉(zhuǎn)疲勞，拉壓疲勞，接觸疲勞，復(fù)合疲勞等。載荷大小除了周期性的還有隨機(jī)載荷疲勞

48、等。應(yīng)變疲勞第86頁/共124頁88發(fā)生。三、疲勞破壞的特點疲勞破壞與靜載或一次性沖擊加載破壞比較具有以下特點：(1) 斷裂時并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒明顯的預(yù)兆，一般是突然地破壞。(2) 疲勞斷裂表現(xiàn)為低應(yīng)力下的破斷,引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于靜載時的屈服強度。(3) 疲勞是與時間有關(guān)的一種失效方式，具有多階段性，疲勞失效的過程是累積損傷的過程。(4) 與單向靜載斷裂相比，疲勞失效對材料的微觀組織和材料的缺陷更加敏感,這是因為疲勞有極大的選擇性，疲勞裂紋萌生幾乎總是在機(jī)件材料表面的缺陷處第87頁/共124頁89(5) 疲勞失效受載荷歷程的影響。（靜拉伸前的加載不會影響材料的抗拉強

49、度，但疲勞前的超載會影響疲勞強度）(6) 疲勞破壞是機(jī)件斷裂破壞中最常見的失效方式，約占機(jī)件全部失效的50%-90%。疲勞斷裂不僅與材料性質(zhì)有關(guān)，而且對零件的形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件和外界環(huán)境非常敏感。第88頁/共124頁903)裂紋源在高應(yīng)力局部或材料缺陷處。4)與靜載破壞相比，即使是延性材料，也沒有明顯的塑性變形。5)工程實際中的表面裂紋，一般呈半橢圓形。典型疲勞斷口，特征明顯：1)有裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)三個部分。2)裂紋擴(kuò)展區(qū)斷面較光滑，通?？梢?“海灘條帶”,還可能有腐蝕痕跡。海灘條帶最后斷裂區(qū)孔邊角裂紋裂紋源飛機(jī)輪轂疲勞斷口口四、疲勞宏觀斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口宏觀特征第8

50、9頁/共124頁91一、疲勞極限材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。有些材料的疲勞壽命曲線上只有兩個區(qū)域，有限壽命區(qū)和無限壽命區(qū)，在這種情況下定義在指定的疲勞壽命 下 ， 試件所能承受的上限應(yīng)力幅值 ， 即為疲勞極限。在應(yīng)力比 R= -1 時測定的疲勞極限記為-1。對于結(jié)構(gòu)鋼，指定壽命通常取 Nf=107 cycles，而有色金屬合金N f為108。測定材料的疲勞極限時，要根據(jù)材料成分和使用要求數(shù)N選擇一個疲勞極限循環(huán)基數(shù)No。第90頁/共124頁922 疲勞裂紋的擴(kuò)展當(dāng)在表面形成顯微裂紋之后，裂紋萌生階段便告結(jié)束。裂紋擴(kuò)展分為兩個階段。第一階段是沿著最大切應(yīng)力的滑移

51、面，和拉應(yīng)力方向成45o向前擴(kuò)展，這時裂紋在表面源有多處，但大多數(shù)顯微裂紋較早地就停止擴(kuò)展，呈非擴(kuò)展裂紋。只有少數(shù)幾個可延伸到幾十個微米的長度。當(dāng)長度再增加，裂紋便轉(zhuǎn)向和拉應(yīng)力方向垂直擴(kuò)展直到最后形成剪切唇或瞬時脆性斷裂，這是裂紋傳播的第二階段。在第二個階段通常只有一個裂紋擴(kuò)展為主裂紋。如圖8所示。第91頁/共124頁93圖8 疲勞裂紋擴(kuò)展過程示意圖第92頁/共124頁943 疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀特征在多數(shù)韌性材料的疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段，在斷口上通過電子顯微鏡可觀察到韌性疲勞條帶，而脆性材料中可觀察到脆性條帶。疲勞條帶（疲勞輝紋）是略呈彎曲的并相互平行的溝槽狀花樣，與裂紋擴(kuò)展方向垂直，是裂紋擴(kuò)展

52、時留下的微觀痕跡，為疲勞斷口最典型的微觀特征。韌性疲勞條紋的形成機(jī)理可由塑性鈍化模型來說明。脆性疲勞條紋是主裂紋與微觀解理裂紋橋接時形成的。帶有解理臺階的河流花樣大致垂直于疲勞條紋線。第93頁/共124頁疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理裂紋張開、鈍化、銳化、擴(kuò)展，每一個應(yīng)力循環(huán)，將在裂紋面上留下一條痕跡（striation）。95“塑性鈍化模型”C. Laird(1967)沿ta. 開始時的裂尖形狀；b. 應(yīng)力增加，裂紋張開，裂尖材料沿tmax方向滑移；c. 充分張開，裂尖鈍化，開載,創(chuàng)新表面；d. 卸載,裂紋收縮，但新開創(chuàng)失;的裂紋面卻不能消失;e. 裂紋銳化，但已擴(kuò)展了一個a。(c)(d)(e)(a)(b

53、)S0cbda te塑性鈍化過程第94頁/共124頁S沿垂直于載荷作用線的最大拉應(yīng)力面擴(kuò)展，第二階段從第1階段向第2階段轉(zhuǎn)變所對應(yīng)的裂紋尺寸主要取決于材料和作用應(yīng)力水平，一般只有幾個晶粒的尺寸 (-0.05mm) 。第1階段裂紋擴(kuò)展的尺寸雖小，對壽命的貢獻(xiàn)卻很大，對于高強材料，尤其如此。96階段1階段2裂紋由持久滑移帶成核，最大剪應(yīng)力控制。SS疲勞裂紋擴(kuò)展二階段材料表面循環(huán)載荷持久滑移幾條微裂一條主裂作用 帶 紋 紋沿最大剪應(yīng)力面，第一階段擴(kuò)展第95頁/共124頁97圖 疲勞斷口宏觀特征示意圖二、疲勞斷口特征第96頁/共124頁98疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)滑,疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)是疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展形

54、成的區(qū)域。宏觀特征是：斷口較光滑,裂紋前緣常常形成鈍化線，宏觀斷面上呈現(xiàn)海灘狀（或貝殼狀）。沿擴(kuò)展方向凹型貝紋表示裂紋在材料表面擴(kuò)展快，凸型貝紋表示裂紋在材料表面擴(kuò)展慢，中心擴(kuò)展快。由于載荷大小和方向的改變，裂紋經(jīng)過多次的張開和閉合并由于裂紋表面的相互摩擦，形成一條條光亮的弧線，叫疲勞裂紋前沿線。瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域，與靜拉伸斷口相同。塑性斷口為纖維狀，脆性斷口為結(jié)晶狀。不同的載荷條件下，三個區(qū)的大小不同。第97頁/共124頁由疲勞斷口進(jìn)行初步失效分析斷口宏觀形貌:壞?是否疲勞破壞?寸?裂紋臨界尺寸?破壞載荷？是否正常破壞？金相或低倍觀察：裂紋源？是否有材料缺陷？缺陷的類型和大小？高

55、倍電鏡微觀觀察：“海灘條帶”+“疲勞條紋”，使用載荷譜，估計速率。疲勞斷口分析，有助于判斷失效原因，可為改進(jìn)疲勞研究和抗疲勞設(shè)計提供參考。因此，應(yīng)盡量保護(hù)斷口，避免損失了寶貴的信息。99第98頁/共124頁100第六章材料的磨損性能材料力學(xué)性能第99頁/共124頁101摩擦與磨損摩擦現(xiàn)象：只要有相對運動就會有摩擦。例：人走路鞋與地的摩擦、車輪與地、機(jī)器的軸與軸承、汽車的活塞與汽缸、齒輪之間等相互運動的器件有摩擦。上述實例對發(fā)生磨損的材料提出了一個要求：耐磨！磨損現(xiàn)象：只要有摩擦就會有磨損。例：鞋底磨損、軸承的磨損（引起加工精度下降）、汽缸套的磨損（引起發(fā)動機(jī)功率不足，耗油量上升，產(chǎn)生噪音和振動

56、等）許多情況下使零件失效，不得不更換。第100頁/共124頁102二、摩擦與磨損的概念1. 摩擦的概念和分類什么是摩擦：兩個相互接觸物體或物體與介質(zhì)之間發(fā)生相對運動或具有相對運動趨勢時出現(xiàn)的阻礙作用稱為摩擦。表征摩擦的量：摩擦系數(shù)F（推力）/P（正壓力）摩擦與磨損第101頁/共124頁1031） 粘著磨損3） 疲勞磨損2）磨粒磨損4）腐蝕磨損磨損概念2. 磨損的概念和分類磨損是摩擦的必然結(jié)果。在摩擦力作用下的整個過程中，發(fā)生一系列的機(jī)械、物理、化學(xué)的相互作用，以致機(jī)件表面發(fā)生尺寸變化和物質(zhì)損耗，這種現(xiàn)象稱為磨損。磨損是決定機(jī)械壽命的重要因素。根據(jù)磨損的機(jī)理不同磨損主要分以下幾類：第102頁/共

57、124頁104粘著磨損1） 粘著磨損粘著磨損俗稱拉缸，是一種嚴(yán)重的磨損方式，是相對運動的物體接觸表面發(fā)生了固相粘著，使材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一表面的現(xiàn)象。如鋼軸相對黃銅軸瓦轉(zhuǎn)動，一定時間后發(fā)現(xiàn)黃銅沉積在鋼軸表面上，繼續(xù)轉(zhuǎn)動，則轉(zhuǎn)移量增多，銅層增厚，厚到一定程度會以鱗片狀磨屑分離下來。沉積和分離連續(xù)不斷交替進(jìn)行就造成了黃銅軸承的磨損。嚴(yán)重時，可使摩擦副咬死，導(dǎo)致事故。第103頁/共124頁粘著磨損特點粘著磨損特點a)負(fù)荷特征b)介質(zhì)情況滑動時潤滑層破壞，或者是氧化膜破壞c)磨損過程表面情況金屬直接接觸并發(fā)生塑性變形，隨著接觸面積增大及摩擦熱使表面升溫，某些位置接觸面積焊合，（兩種完全相同的金屬表

58、面干凈完全接觸時會焊合顯微焊接冷焊）粘著點被隨后的切應(yīng)力剪斷，粘著點的不斷形成和破壞叫粘著磨損d)表面破壞特征表面嚴(yán)重擦傷或布滿撕裂劃痕e)例如：缺潤滑的重載機(jī)械105第104頁/共124頁106磨粒磨損2 ）磨粒磨損磨粒磨損也稱為磨料磨損或研磨磨損，它是當(dāng)摩擦偶件一方的硬度比另一方硬度大得多時，或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時，所產(chǎn)生的一種磨損。第105頁/共124頁磨粒磨損特點磨粒磨損特點摩擦副一方表面存在堅硬的細(xì)微凸起或在接觸面間存在硬質(zhì)粒子時產(chǎn)生的磨損，前者為二體磨損，后者為三體磨損。a)負(fù)荷特征b)介質(zhì)情況滑動時無論有無潤滑，當(dāng)存在有硬質(zhì)磨粒時，如：巖石、沙子、金屬碎片等磨粒嵌入金屬

59、表面或金屬表面被c)磨損過程表面情況磨粒切割。d)表面破壞特征表面有均勻的磨粒切割紋e)例如：礦山機(jī)械107第106頁/共124頁108疲勞磨損3 ）疲勞磨損是指兩接觸面作滾動，或滑動，或是滑動與滾動復(fù)合的摩擦狀態(tài)，同時在高交變接觸應(yīng)力的作用下，使材料表面疲勞而產(chǎn)生物質(zhì)流失的過程，也稱表面疲勞磨損或接觸疲勞磨損。易產(chǎn)生表面疲勞磨損的有齒輪、凸輪、火車輪箍、鐵軌等。表面疲勞磨損會產(chǎn)生薄片狀磨屑并在金屬表面形成麻坑。第107頁/共124頁接觸疲勞接觸疲勞特點a)負(fù)荷特征：b)介質(zhì)情況：滾動摩擦或重復(fù)接觸，表面受循環(huán)接觸壓應(yīng)力作用無論有無潤滑c)磨損過程表面情況：經(jīng)過一定周次重復(fù)加載后，表面產(chǎn)生麻點

60、狀剝落d)表面破壞特征：表面有麻點狀剝落、淺層剝落和深層剝落e)例如：滾動軸承和齒輪109第108頁/共124頁110腐蝕磨損4) 腐蝕磨損是由于外界環(huán)境引起金屬表層的腐蝕產(chǎn)物（主要是氧化物）剝落，及與金屬磨面之間的機(jī)械磨損相結(jié)合而出現(xiàn)的現(xiàn)象。若腐蝕產(chǎn)物是氧化膜，則這種氧化膜不斷被除去又反復(fù)形成的過程就是氧化磨損。氧化磨損是各類磨損中磨損速率最小的一種，也是生產(chǎn)中允許存在的一種磨損形式。第109頁/共124頁圖2 磨損量與磨損時間的關(guān)系曲線示意圖（磨損曲線）111階段的磨損速率。磨損過程1. 磨合期：特點表面逐漸磨平，實際接觸面積不斷增大，表層應(yīng)變硬化，磨損速率不斷減小，表面形成牢固的氧化膜，也降低了