材料力學(xué)性能材料科學(xué)基礎(chǔ)

1、材料力學(xué)性能材料科學(xué)基礎(chǔ)第1頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四 一、 材料的力學(xué)性能 材料的力學(xué)性能是指在外加載荷(外力)作用下或載荷與環(huán)境因素(溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為。 強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等都屬于材料的力學(xué)性能。 材料的力學(xué)性能決定于材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量等內(nèi)在因素，但外在因素，如載荷性質(zhì)（靜載荷、沖擊載荷、交變載荷）、應(yīng)力狀態(tài)（拉、壓、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等）、溫度、環(huán)境介質(zhì)等對材料的力學(xué)性能也有很大影響。 例如低碳鋼試樣在靜拉伸載荷和交變載荷作用下的不同力學(xué)行為。第2頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四二、 強(qiáng)度

2、與塑性1. 應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸試驗(yàn)：將圓柱形或板狀光滑試樣裝夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，沿試樣軸向以一定速度施加載荷，使其發(fā)生拉伸變形直至斷裂。拉伸曲線：通過力與位移傳感器可獲得載荷（P）與試樣伸長量（L）之間的關(guān)系曲線，稱為拉伸曲線或P- L曲線。應(yīng)力：=P/A0, A0為試樣原始截面積應(yīng)變：=L/L0，L0為試樣標(biāo)距應(yīng)力-應(yīng)變曲線：縱坐標(biāo)以，橫坐標(biāo)以表示，則這時(shí)的曲線與試樣的尺寸無關(guān)。通過拉伸試驗(yàn)可揭示材料在靜載荷作用下的力學(xué)行為，即彈性變形、塑性變形、斷裂三個(gè)基本過程，還可確定材料的最基本的力學(xué)性能指標(biāo)強(qiáng)度與塑性。退火低碳鋼的曲線第3頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四2. 彈

3、性模量與彈性行為（1）彈性變形：材料在外力作用下產(chǎn)生變形，若外力去除后變形完全消失，材料恢復(fù)原狀，則這種可逆的變形就叫彈性變形。彈性模量：材料在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，兩者的比值稱為彈性模量，記為E，且 E =/E 表征材料對彈性變形的抗力，其值越大，材料產(chǎn)生一定量的彈性變形所需要的應(yīng)力越大，故工程上也稱E為材料的剛度。E 主要取決于材料的本性，反映了材料內(nèi)部原子間結(jié)合鍵的強(qiáng)弱，而材料的組織變化對彈性模量無明顯影響。材料的剛度和零件的剛度不是一回事，零件剛度的大小取決于零件的幾何形狀和材料的彈性模量。第4頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四（2）彈性行為彈性變形

4、的特點(diǎn)是當(dāng)載荷卸除后，試樣的尺寸形狀完全回復(fù)到原始狀態(tài)。根據(jù)材料的不同，其變形行為可分為三類：線彈性、非線彈性以及滯彈性。理想的線彈性行為，應(yīng)力和應(yīng)變之間滿足虎克定律。斜率即彈性模量E。曲線下的陰影面積為單位體積試樣在彈性變形過程中所吸收的彈性功。卸載時(shí)沿直線可逆回到原點(diǎn)。非線性彈性行為，如橡膠之類的變形能力極好的彈性材料。其應(yīng)力應(yīng)變行為完全偏離了線性關(guān)系，但仍然保持彈性的基本性質(zhì)，卸載時(shí)仍沿同樣的途徑退回到原點(diǎn)。聚合物及某些軟金屬表現(xiàn)出明顯的彈性滯后現(xiàn)象，即加載和卸載曲線都稍稍偏離直線，且兩者不重合，形成一個(gè)封閉的環(huán)形，說明變形過程中應(yīng)變跟不上應(yīng)力，稱為滯彈性行為。一部分彈性功以熱的形式向環(huán)

5、境散失。第5頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四3. 強(qiáng)度與塑性（1）強(qiáng)度強(qiáng)度是指材料抵抗變形和斷裂的能力。工程上衡量材料強(qiáng)度的指標(biāo)有：彈性極限 e：材料發(fā)生彈性變形的最大應(yīng)力，高于此值，材料開始發(fā)生塑性變形。彈性極限雖然有明確的物理意義，但實(shí)際卻難以精確測定，工程上定義發(fā)生0.01殘留塑性變形時(shí)的應(yīng)力值為條件彈性極限，表示為0.01。屈服強(qiáng)度 s：在拉伸過程中，出現(xiàn)載荷不增加而試樣還繼續(xù)伸長的現(xiàn)象稱為屈服，材料開始屈服時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)力為屈服應(yīng)力（或稱屈服強(qiáng)度）。屈服強(qiáng)度表征材料發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的抗力?？估瓘?qiáng)度 b：材料開始發(fā)生“頸縮”（試樣的直徑發(fā)生局部收縮）的應(yīng)力，相當(dāng)

6、于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的極大值，也是作用力達(dá)到最大值時(shí)得到的應(yīng)力，對于不發(fā)生頸縮的材料，就相當(dāng)于斷裂時(shí)的應(yīng)力。斷裂強(qiáng)度 f：試樣發(fā)生斷裂的應(yīng)力值。對于不發(fā)生頸縮的材料， f與 b相等。第6頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四（2）塑性工程材料根據(jù)斷裂前是否發(fā)生塑性變形，可將它們分成兩大類：脆性材料和塑性材料。脆性材料：如陶瓷、玻璃、石頭及普通灰鑄鐵；它們在破斷前只發(fā)生彈性變形。塑性材料：大多數(shù)金屬及聚合物，如退火純銅的拉伸曲線。加工硬化或加工強(qiáng)化：每增加一個(gè)小的應(yīng)變量，就必須增加應(yīng)力才能重新開始塑性變形。隨著塑性變形的進(jìn)行，材料的加工硬化能力逐漸減小，曲線趨于平坦，達(dá)到極大值的位

7、置，試樣開始發(fā)生頸縮，隨后頸縮快速發(fā)展，直至斷裂第7頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四塑性：斷裂前材料發(fā)生塑性變形的能力。衡量材料塑性的指標(biāo)有延伸率（）和斷面收縮率（ ）。 =L/L0=(L-L0)/L0100% （是塑性“伸長”的度量）式中L0為試樣原始標(biāo)距長度；L為試樣斷裂后標(biāo)距的長度。 =Af/A0=(A0-Af)/A0 100% （是塑性“收縮”的度量）式中A0為試樣原始截面積；Af為試樣斷裂處的截面積。材料的延伸率和斷面收縮率數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的材料可以發(fā)生大量塑性變形而不被破壞，這樣當(dāng)受力過大時(shí)，由于首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，比較安

8、全。第8頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四三、硬度硬度是材料表面局部抵抗變形的能力。硬度實(shí)驗(yàn)方法最常用的有布氏實(shí)驗(yàn)法、洛氏實(shí)驗(yàn)法和維氏實(shí)驗(yàn)法。布氏硬度：以淬火鋼球?yàn)閴侯^，硬度值等于載荷值除以壓痕的總面積。在試驗(yàn)中用刻度放大鏡測出壓痕直徑，然后對照有關(guān)附錄查出相應(yīng)的布氏硬度值。洛氏硬度：依據(jù)壓痕的深度而不是壓痕的直徑。以錐角為1200的金剛石圓錐作為壓頭，加載卸載后壓頭壓入材料表面的深度，經(jīng)過轉(zhuǎn)換為洛氏硬度值。維氏硬度：以錐角為1360的金剛石棱錐體為壓頭，其值等于載荷值除以壓痕的總面積。在實(shí)際測定時(shí)，只要量出壓痕的對角線長度，就可查表得到它們的硬度值。第9頁，共22頁，2

9、022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的測量精度，因其壓痕面積大，比較真實(shí)地反映出材料的平均性能，但不能測定高硬度材料。維氏硬度法由于所加壓力小，壓入深度較淺，故可測定較薄材料和各種表面滲層，且準(zhǔn)確度高。但試驗(yàn)時(shí)需要測量壓痕對角線的長度，測試手續(xù)較繁，不如洛氏硬度法簡單。洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是操作迅速、簡便，可由表盤直接讀出硬度值，由于其壓痕小，可測量較薄工件的硬度，其缺點(diǎn)是精度較差，硬度值波動較大。第10頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四四、韌性材料的韌性是材料斷裂時(shí)所需要的能量的度量。它與強(qiáng)度、塑性明顯不同：強(qiáng)度是使材料變形或斷裂所需要應(yīng)力的度

10、量；塑性是材料變形能力的度量；能量是力和距離的乘積，是材料的強(qiáng)度和塑性高低的綜合反映，用焦耳（J）來表示在強(qiáng)度相等的情況下，延性材料斷裂時(shí)所需要的能量比脆性材料多，因此它的韌性也比脆性材料高。評定材料韌性高低的方法，最常用的有兩種： 一是用沖擊試驗(yàn)所得的沖擊韌性； 二是用斷裂力學(xué)方法與試驗(yàn)測得的斷裂韌性。第11頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四沖擊韌性一只重?cái)[錘從高度h開始，沿著弧形軌跡向下擺動，沖擊到試樣上并把試樣打斷，最后達(dá)到一個(gè)比較低的高度h 。知道擺錘的初始高度h和最終高度h，就能算出勢能差別。這一差別就是試樣在斷裂過程中所吸收的沖擊能Ak（沖擊總功），如果除以缺

11、口處試樣的截面積，即得材料的沖擊韌性，用k表示，單位為J/cm2。第12頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四斷裂韌性斷裂是裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展的過程，即先有裂紋，然后在力的作用下擴(kuò)展，當(dāng)裂紋達(dá)到一定尺寸（或稱某臨界尺寸）時(shí)就會失穩(wěn)而快速擴(kuò)展，導(dǎo)致完全斷裂。通常把材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂的能力叫斷裂韌性。在裂紋尖端的延長線上（即x軸上，裂紋尖端為坐標(biāo)軸原點(diǎn)）某點(diǎn)垂直于裂紋面的應(yīng)力y與坐標(biāo)x的關(guān)系為： y= K1/Y（2x）1/2Y：與裂紋形狀、加載方式及試樣尺寸有關(guān)的量，可查表得到；K1：為應(yīng)力場強(qiáng)度因子，可以表示應(yīng)力場的強(qiáng)弱程度 對于某一確定的點(diǎn)，其應(yīng)力由K1決定，K1越大，則

12、應(yīng)力場各點(diǎn)的應(yīng)力也越大。第13頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四按線彈性斷裂力學(xué)的分析，裂紋尖端應(yīng)力場強(qiáng)度因子K1的一般表達(dá)式為： K1 = Ya1/2（MN/m3/2）式中 為外加應(yīng)力，a為裂紋長度的一半。K1是一個(gè)決定于 和a的復(fù)合力學(xué)參量。當(dāng) 和a單獨(dú)或共同增大，使K1增大到某一臨界值，就能使裂紋擴(kuò)展到試樣斷裂。裂紋擴(kuò)展的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)力場強(qiáng)度因子稱為臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子，用K1c表示，它代表了材料的斷裂韌性。必須指出，斷裂韌性K1c是材料本身的特性，由材料的成分、組織狀態(tài)決定，與裂紋的尺寸、形狀以及外加應(yīng)力的大小無關(guān)； 應(yīng)力場強(qiáng)度因子K1則與外應(yīng)力大小有關(guān)，也同

13、裂紋尺寸有關(guān)。當(dāng)K1K1c，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，可導(dǎo)致斷裂發(fā)生。即當(dāng)裂紋尺寸2a一定時(shí)，外加應(yīng)力 K1c/Y（a）1/2時(shí)，裂紋將失穩(wěn)擴(kuò)展；當(dāng)外加應(yīng)力 一定時(shí)，則裂紋半長a （K1c/Y ）2時(shí)，裂紋也將失穩(wěn)擴(kuò)展。對于具有確定組織狀態(tài)的某種材料，斷裂韌性K1c具有確定的數(shù)值。第14頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四五、疲勞強(qiáng)度在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，但如果工作時(shí)間較長，材料也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象就稱為疲勞。疲勞是工程構(gòu)件中最常見的失效形式，80%以上的零構(gòu)件失效方式是疲勞破壞。第15頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四疲勞失

14、效與一次脆斷不同，其損傷是逐漸積累，逐漸發(fā)展的。大體上可把疲勞失效過程分為三個(gè)階段：裂紋的形成、逐漸發(fā)展及最終的突然斷裂。疲勞強(qiáng)度：評定材料疲勞抗力的指標(biāo)，即表示材料經(jīng)受無限多次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力，記為 r。測定材料疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)通常采用旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)，試樣在旋轉(zhuǎn)時(shí)交替承受大小相等的交變拉壓應(yīng)力，經(jīng)過足夠數(shù)量的循環(huán)之后，試樣就會斷裂。試驗(yàn)時(shí)用多組試樣，在不同的交變應(yīng)力下測定試樣斷裂前承受交變應(yīng)力 的循環(huán)次數(shù)N，然后繪制 N曲線。對鋼鐵材料和有機(jī)玻璃等，當(dāng)應(yīng)力降到某值后， N曲線趨于水平直線，此直線對應(yīng)的應(yīng)力即為疲勞強(qiáng)度。大多數(shù)有色金屬及其合金和許多聚合物，其疲勞曲線上沒有水平直線部分，工程上

15、常規(guī)定N=108次時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)力作為條件疲勞強(qiáng)度。第16頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四六、磨損與耐磨性磨損：一個(gè)零件相對于另一個(gè)零件摩擦?xí)r，將會引起摩擦表面有微小顆粒分離出來，使接觸表面尺寸變化、質(zhì)量損失，這種想象稱為磨損。一塊物體相對于另一塊物體發(fā)生滑動所需要的水平力（即切向力）Ft，與法向力Fn相比較，這兩個(gè)力的比值就是摩擦系數(shù)： = Ft / Fn 滑動面之間黏附越強(qiáng)，摩擦系數(shù)就越大。第17頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四按照磨損的破壞機(jī)理分類，磨損的種類包括粘著磨損、磨料磨損、氧化磨損、熱磨損、腐蝕磨損和表面疲勞磨損等。粘著磨損：當(dāng)兩個(gè)

16、表面相對滑動時(shí)，由于從一個(gè)表面拉掉一些材料顆粒而粘附于另一個(gè)表面上，就造成粘著磨損。對于克服或減輕這一類型的磨損，潤滑措施非常有效。磨料磨損：如果其中某些顆粒發(fā)生氧化并散落在兩個(gè)表面之間，或是環(huán)境中的外來硬質(zhì)點(diǎn)的介入，由于氧化物顆?；蛲鈦碛差w粒通常比金屬硬，它們就造成磨料磨損。另一種磨料磨損的方式是當(dāng)堅(jiān)硬又粗糙的表面擦傷了較軟的表面，這樣會使軟材料的顆粒散落在兩個(gè)表面之間，如果這些顆粒發(fā)生了氧化，它們將引起嚴(yán)重的磨料磨損。與粘著磨損不同，磨料磨損很少受潤滑的影響，除非潤滑劑能制止氧化和腐蝕。材料的硬度是抵抗這一類磨損的主要因素。第18頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四在干

17、摩擦情況下，非金屬材料摩擦系數(shù)小，不易粘附。金屬材料尤其是軟金屬材料自身配對時(shí)摩擦系數(shù)大，最易發(fā)生粘著磨損，因此，在非完全潤滑的重要機(jī)械摩擦副中，盡量不用同種材料已經(jīng)成為一條基本原則。如渦輪與蝸桿，渦輪多用青銅合金，而蝸桿則用鋼材制造。為抵抗各種類型的磨損，已經(jīng)發(fā)展了多種耐磨與抗磨材料，如高錳鋼，高鉻鑄鐵等材料，也可對材料表面進(jìn)行耐磨處理等。第19頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四七、工程材料的高溫強(qiáng)度1. 蠕變現(xiàn)象材料在高溫下受到外加應(yīng)力的作用以后（哪怕此應(yīng)力低于材料在此溫度下的屈服強(qiáng)度），會隨著時(shí)間的延長逐漸發(fā)生緩慢的塑性變型直至斷裂。材料的這種高溫塑性變形的現(xiàn)象就稱

18、為蠕變。測定材料蠕變特性的試驗(yàn)，是把圓柱形試樣放入一定溫度下的爐子中，并對試樣施加一個(gè)恒定的應(yīng)力，于是試樣產(chǎn)生遞增的塑性變形，直至斷裂。材料的蠕變過程可用蠕變曲線來描述。第20頁，共22頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四AB：減速蠕變階段，這一階段開始蠕變速率增大，隨著時(shí)間的延長，蠕變速率逐 漸減小。BC：恒速蠕變階段，這一階段蠕變速率幾乎保持不變。CD：加速蠕變階段，至D點(diǎn)產(chǎn)生蠕變斷裂。同一種材料的蠕變曲線隨應(yīng)力的大小和溫度的高低而不同。當(dāng)應(yīng)力較小或溫度較低時(shí)，蠕變第二階段持續(xù)時(shí)間較長，甚至可能不產(chǎn)生第三階段；相反，當(dāng)應(yīng)力較大或溫度較高時(shí)，蠕變第二階段很短，甚至完全消失，試樣在很短時(shí)間內(nèi)斷裂。第21頁，共22