材料科學(xué)與工程進(jìn)展-力學(xué)性質(zhì)

第一講力學(xué)性質(zhì)一、概述

力學(xué)性質(zhì)：是指材料在外應(yīng)力作用下的行為。常用的力學(xué)性質(zhì)：E——彈性模量，描述應(yīng)力和應(yīng)變之間的比例關(guān)系。σ——屈服強(qiáng)度，材料發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力；G——硬度，描述材料軟硬的程度。材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。五萬噸水壓機(jī)低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試驗機(jī)應(yīng)力=P/F0應(yīng)變=(l-l0)/l0塑性流變—從低溫到高溫(1)低溫區(qū)的塑性形變：T<0.4Tm時，位錯滑移是主要的形變機(jī)制。屈服強(qiáng)度取決于位錯間的相互作用，來源于位錯越過短程障礙的熱激活過程，它依賴于溫度T和應(yīng)變速率。(2)高溫冪律蠕變：T>0.4Tm時，原子擴(kuò)散和位錯攀移作用明顯表現(xiàn)出來。蠕變：材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力下，發(fā)生緩慢塑性變形的現(xiàn)象。

蠕變強(qiáng)度：金屬在一定溫度下，一定時間內(nèi)產(chǎn)生一定變形量所能承受的最大應(yīng)力。

(600℃、1000hr、0.1%變形量)持久強(qiáng)度：金屬在一定溫度下，一定時間內(nèi)所能承受的最大斷裂應(yīng)力。

(800℃、100hr)蠕變過程可分為三個典型階段：

起始的瞬態(tài)蠕變、中間的穩(wěn)態(tài)蠕變和最終導(dǎo)致的蠕變。蠕變的主要機(jī)制為位錯的攀移，需要位錯在晶格中的擴(kuò)散。

(3)擴(kuò)散蠕變：在更高的溫度，低的應(yīng)力下(小于屈服應(yīng)力)，或在位錯能動性差的情況下，位錯滑移難以進(jìn)行時，空位的定向擴(kuò)散將成為蠕變的主要機(jī)制。a.Nabarro-Herring蠕變：外加拉應(yīng)力于取向不同的晶界，其空位形成能有了不同的變化，從而導(dǎo)致晶界的空位平衡濃度不同，因而形成了在晶粒內(nèi)部的空位擴(kuò)散。物質(zhì)的流動方向與空位流動方向相反，其結(jié)果是晶粒沿拉伸方向發(fā)生應(yīng)變。b.Coble蠕變：在拉伸力的作用下，空位沿晶界擴(kuò)散。

1、彈性和剛度彈性：指標(biāo)為彈性極限e，即材料承受最大彈性變形時的應(yīng)力。剛度：材料受力時抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量E。e彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。

陶瓷強(qiáng)度的測定：a.彎曲強(qiáng)度：三點彎曲或四點彎曲方法；b.抗拉強(qiáng)度：測定時技術(shù)上有一定難度，常用彎曲強(qiáng)度代替，彎曲強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高20~40%；c.抗壓強(qiáng)度：遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，相差10倍左右，特別適合于制造承受壓縮載荷作用的零部件。

2、強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。

屈服強(qiáng)度s：材料發(fā)生微量塑性變形時的應(yīng)力值。

條件屈服強(qiáng)度0.2：殘余變形量為0.2%時的應(yīng)力值。

抗拉強(qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。s0.2塑性：材料受力力破壞前前可承受受最大塑塑性變形形的能力力。指標(biāo)為：：伸長率：：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象說明：①用面縮率率表示塑塑性比伸伸長率更更接近真真實變形形。②直徑d0相同時，，l0，。只有有當(dāng)l0/d0為常數(shù)時時，塑性性值才有有可比性性。當(dāng)l0=10d0時，伸長長率用表示；當(dāng)l0=5d0時，伸長長率用5表示。顯顯然5>③>時，無頸頸縮，為為脆性材材料表征征<時，有頸頸縮，為為塑性材材料表征征3、硬度度材料抵抗抗表面局局部塑性性變形的的能力。。布氏硬度度HB布氏硬度計壓頭為鋼鋼球時，布氏硬硬度用符符號HBS表示，適適用于布布氏硬度度值在450以以下的材材料。壓頭為硬硬質(zhì)合金金球時，用符號號HBW表示，適適用于布布氏硬度度在650以下下的材料料。符號HBS或HBW之之前的數(shù)數(shù)字表示示硬度值值,符符號后面面的數(shù)字字按順序序分別表表示球體體直徑、載荷及載載荷保持持時間。。如120HBS10/1000/30表示直徑為為10mm的鋼鋼球在1000kgf（9.807kN））載荷作作用下保保持30s測得得的布氏氏硬度值值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度度的優(yōu)點點：測量誤差差小，數(shù)數(shù)據(jù)穩(wěn)定定。缺點：壓痕大，，不能用用于太薄薄件、成成品件及及比壓頭頭還硬的的材料。。適于測量量退火、正正火、調(diào)調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有有色金屬屬的硬度度。材料的b與HB之之間的經(jīng)經(jīng)驗關(guān)系系：對于低碳碳鋼:b(MPa)≈3.6HB對于高碳碳鋼：b(MPa)≈3.4HB對于鑄鐵鐵：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵洛氏硬度度h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度度用符號號HR表表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭頭類型和和主載荷荷不同，，分為九九個標(biāo)尺尺，常用用的標(biāo)尺尺為A、、B、C。符號HR前面的的數(shù)字為為硬度值值，后面面為使用用的標(biāo)尺尺HRA用于測量量高硬度度材料,如硬硬質(zhì)合金金、表淬淬層和滲滲碳層。HRB用于測量量低硬度度材料,如有有色金屬屬和退火火、正火鋼等等。HRC用于測量量中等硬硬度材料料，如調(diào)調(diào)質(zhì)鋼、、淬火鋼鋼等。洛氏硬度度的優(yōu)點點：操作簡便便，壓痕痕小，適適用范圍圍廣。缺點：測量結(jié)果果分散度度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕維氏硬度度維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度用用符號HV表示，符號前的數(shù)數(shù)字為硬度度值，后面面的數(shù)字按按順序分別別表示載荷荷值及載荷荷保持時間間。根據(jù)載荷范范圍不同，，規(guī)定了三三種測定方方法—維氏硬度試試驗、小小負(fù)荷維氏氏硬度試驗驗、顯微維維氏硬度試試驗。維氏硬度保保留了布氏氏硬度和洛氏硬度的的優(yōu)點。小負(fù)荷維氏硬度計顯微維氏硬度計二、斷裂1.斷裂裂：含裂紋體承承載達(dá)到臨臨界值時，，致使裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展展，最終產(chǎn)產(chǎn)生破壞的的現(xiàn)象。2.斷裂的基本本形式：延性斷裂和和脆性斷裂裂。3.斷裂機(jī)理：：(1)微微孔集結(jié)斷斷裂(韌性性斷裂)斷口上出現(xiàn)現(xiàn)拋物線型型的韌窩，，主要是金金屬和高聚物的的斷裂機(jī)理理；(2)解解理斷裂(脆性斷裂裂)是一種低能能量斷裂，，也是晶體體材料中最最脆的一種種斷裂；沿沿晶體中解解理面斷開開原子鍵而而引起的斷斷裂，非常常平坦，一一晶粒內(nèi)的的解理裂紋紋具有平直直性；一個個晶粒內(nèi)的的一條解理理裂紋可同同時在兩個個平行的解解理面上擴(kuò)擴(kuò)展，形成成解理臺階階。(3)晶晶界斷裂裂紋擇優(yōu)沿沿晶界擴(kuò)展展而引起的的斷裂；也也是一種低低能量脆性性斷裂，斷斷口呈現(xiàn)顆顆粒狀形貌貌。三、韌性1.韌性性：是強(qiáng)度和塑塑性的綜合合表現(xiàn)，是是材料從塑塑性變形到到斷裂全過過程中吸收收能量的能能力。強(qiáng)度：材料料在外力作作用下抵抗抗塑性變形形和斷裂的能力。。塑性：材料料在外力作作用下產(chǎn)生生塑性變形形而不斷裂的能力力。常以延伸率率和斷面收收縮率來表表征。圖中為單向向拉伸條件件下兩種鋼鋼光滑試樣的應(yīng)應(yīng)力—應(yīng)變變曲線。單單位體積材料的的彈性應(yīng)變變能(Uoe)為：式中，σp為比例極限限，εp為對應(yīng)于σp的彈性應(yīng)變變，E為彈彈性模量。Uoe也就是△OAB(或或△OA’’B’)的的面積，表表示彈性。。同樣，用單單位體積材材料在變形形和斷裂全全過程中吸吸收的能量量(UOT)表示韌性性，也可用用單位體積積材料在塑塑性變形和和斷裂全過過程中吸收收的能量(Uop)表示韌性性，一般用用UOT表示韌性。。高碳彈簧鋼鋼：Uoe=面積OABUop=面積BACDUoT=面積OACD低碳結(jié)構(gòu)鋼鋼：Uoe=面積OA’B’Uop=面積B’’A’C’’D’UoT=面積OA’C’D’由于UoT=Uoe+Uop當(dāng)斷裂時的的應(yīng)變εf遠(yuǎn)大于εe時，UoT≈Uop，韌性的兩兩種定義近近似一致。。圖中兩種鋼鋼的彈性模模量相同，，但高碳彈彈簧鋼的σσp及對應(yīng)的εεe較大，故彈彈性較大，，在彈性范范圍內(nèi)能貯貯存的彈性性應(yīng)變能較較多，有較較大的回彈彈力。其抗抗拉強(qiáng)度σσb雖大于低碳碳結(jié)構(gòu)鋼，，但εf卻遠(yuǎn)小于低低碳結(jié)構(gòu)鋼鋼，綜合σσb及εf，高碳彈簧簧鋼的韌性性低于低碳碳結(jié)構(gòu)鋼。。2.韌性性的劃分：：(1)光光滑試樣———如上圖圖所示，用用應(yīng)力—應(yīng)應(yīng)變曲線下下的面積大大小來表征征韌性的高高低；(2)缺缺口試樣———工程上上慣用沖擊擊韌性，即即沖斷給定定缺口試樣樣所消耗的的功，或試試樣在沖擊擊條件下從從形變到斷斷裂全過程程所吸收的的能量。有有αk及Cv，分別為U形和V形形缺口。(3)裂裂紋試樣———對于平平面應(yīng)變條條件有GIC及JIC，分別為線線彈性及彈彈塑性范圍圍內(nèi)裂紋擴(kuò)擴(kuò)展單位面面積所需的的能量。對于直線穿穿透型裂紋紋沿裂紋面面擴(kuò)展時，，有：裂紋試樣的的韌性俗稱稱斷裂韌性性，實質(zhì)上上是裂紋斷斷裂韌性。。3、沖擊韌韌性是指材料抵抵抗沖擊載載荷作用而而不破壞的的能力。指標(biāo)為沖擊擊韌性值ak(通過沖擊擊實驗測得得)。韌脆轉(zhuǎn)變溫溫度材料的沖擊擊韌性隨溫溫度下降而而下降。在某一溫度度范圍內(nèi)沖沖擊韌性值值急劇下降降的現(xiàn)象稱稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變的溫度度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用用溫度應(yīng)高高于韌脆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變溫度。。韌體心立方金金屬具有韌韌脆轉(zhuǎn)變溫溫度，而大大多數(shù)面心心立方金屬屬沒有。TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船船體材料的的質(zhì)量直接接有關(guān)Titanic號號鋼板（左圖）和近代船用鋼鋼板（右圖）的沖擊試驗驗結(jié)果Titanic近代船用鋼板4.斷裂裂韌性油輪斷裂和和北極星導(dǎo)導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)機(jī)殼體爆炸炸與材料中中存在缺陷陷有關(guān)1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈裂紋擴(kuò)展的基本形式應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強(qiáng)度的指標(biāo)。斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。C為斷裂應(yīng)力，aC為臨界裂紋半長，單位為四、疲勞強(qiáng)強(qiáng)度1.疲勞勞強(qiáng)度：被測材料抵抵抗交變載載荷的性能能。2.疲勞勞材料在低于于s的重復(fù)交變變應(yīng)力作用用下發(fā)生斷斷