材料力學性能相關課件1

金屬力學性能一、課程的性質(zhì)和地位材料力學性能主要研究材料在力或力和其它外界因素共同作用下材料的變形和斷裂的本質(zhì)及其基本規(guī)律，研究各種失效抗力指標。該課程為正確選擇和合理使用材料、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供理論基礎和試驗依據(jù)，為發(fā)展新材料、改進或創(chuàng)建新工藝提供線索、指明方向。二、課程的教學目標通過本課程的學習，學生應了解工程材料在靜載荷、沖擊載荷、交變載荷、環(huán)境介質(zhì)作用下的力學性能以及材料的斷裂韌性與耐磨性能等的表征方法。理解材料力學性能的基本參數(shù)的物理意義及其本質(zhì)。掌握宏觀規(guī)律與微觀規(guī)律的結合，加強學生對力學性能指標物理意義與工程應用的了解，為材料設計與選擇打下良好的基礎。三、參考書1．石德珂，金志浩編著：《材料力學性能》，西安交通大學出版社，1998年，第1版。2．高建明主編：《材料力學性能》，武漢理工大學出版社，2004年，第1版。3．何肇基主編：《金屬的力學性質(zhì)》，冶金工業(yè)出版社，1989年，第2版。四、學時分配共40學時，其中實驗10學時：1．懸絲共振法測量彈性模量E第5周2．材料抗彎試驗第7周3．平面應變斷裂韌度KIC測試第10周4．材料磨損試驗第11周第1章金屬在單向靜拉伸載荷下的

力學性能

單向靜拉伸試驗特點：溫度、應力狀態(tài)、加載速率確定，試樣為標準的光滑圓柱試樣目的：1）揭示金屬材料在靜載荷作用下常見力學行為（彈性變形、塑性變形和斷裂）。2）標定基本力學性能指標如：彈性模量——主要用于零件的剛度設計中；屈服強度和抗拉強度——主要用于零件的強度設計中；材料的塑性，斷裂前的應變量——主要為材料在冷熱變形時的工藝性能作參考?！?.1材料在靜拉伸時的力學行為退火低碳鋼在拉伸力作用下的變形過程可分為彈性變形、不均勻屈服塑性變形、均勻塑性變形、不均勻集中塑性變形四個階段不同材料的應力應變曲線：1）退火低碳鋼：2）多數(shù)塑性金屬材料：3）高分子材料：4）工程結構陶瓷材料（象Al2O3，SiC）、淬火態(tài)的高碳鋼、普通灰鑄鐵§1.2彈性變形一、彈性變形及其實質(zhì)彈性變形：可逆變形，是金屬晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映彈性變形量較小（一般小于0.5～1%），相當于原子間距的幾分之一。二、虎克定律

在彈性變形階段，大多數(shù)金屬的應力-應變之間符合虎克定律的正比關系，如拉伸時：（E—彈性模量）剪切時：（G—切變模量）三、彈性模量

1、物理意義——表示材料在外載荷下抵抗彈性變形的能力工程上E稱做材料的剛度，則在相同應力下產(chǎn)生的彈性變形。2、影響因素——主要取決于結合鍵的本性和原子間的結合力彈性模量和材料的熔點成正比，越是難熔的材料彈性模量也越高

金屬的彈性模量是一個組織不敏感的力學性能指標，合金化、熱處理（顯微組織）、冷塑性變形對E值影響不大；而高分子和陶瓷材料的彈性模量則對結構與組織很敏感四、彈性比功（）

1、物理意義——表示金屬材料吸收彈性變形功的能力試樣或?qū)嶋H機器零件的體積越大，則可吸收的彈性功越多，可儲備的彈性能越多。2、表示方法：應力－應變曲線下彈性變形范圍內(nèi)所吸收的變形功，即式中σe——彈性極限；——最大彈性應變σe表示材料發(fā)生彈性變性的極限抗力。對于一般金屬材料只有通過提高σe來提高

3、實際意義彈簧零件要求其在彈性范圍內(nèi)（彈性極限以下）有盡可能高的彈性比功五、滯彈性

普通灰鑄鐵在拉伸時，其在彈性變形范圍內(nèi)應力和應變并不遵循直線AC關系。加載時沿著直線ABC，儲存的變形功為ABCE；卸載時不是沿著原途徑，而是沿著CDA恢復原狀，釋放的彈性變形能為ADCE。這樣在加載與卸載的循環(huán)中，試樣儲存的彈性能為ABCDA，即圖中陰影線面積1、定義：在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時間延長產(chǎn)生附加彈性應變的現(xiàn)象（即應變落后于應力現(xiàn)象）。材料組織越不均勻，滯彈性傾向越大。

循環(huán)韌性/內(nèi)耗——金屬材料在交變載荷（振動）下吸收不可逆變形功的能力（消振性）2、實際意義應用：減振（此時選用循環(huán)韌性較高的材料，如鑄鐵、高鉻不銹鋼）缺點：如在精密儀表中的彈簧、油壓表或氣壓表的測力彈簧，要求彈簧薄膜的彈性變形能靈敏地反映出油壓或氣壓的變化，因此不允許材料有顯著的滯彈性。六、包申格效應及其意義

1、定義金屬材料經(jīng)過預先加載產(chǎn)生少量塑性變形（殘余應變小于1～4%），卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長應力（彈性極限或屈服強度）增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長應力降低(特別是彈性極限在反向加載時幾乎下降到零)的現(xiàn)象包申格效應是多晶體金屬所具有的普遍現(xiàn)象（所有退火態(tài)和高溫回火的金屬與合金都有），它與金屬材料中位錯運動所受的阻力變化有關。2、意義⑴對于承受疲勞載荷作用的機件壽命很重要；⑵工程上材料加工成型工藝需要考慮包辛格效應。3、消除包申格效應的方法預先進行較大的塑性變形在第二次反向受力前進行退火§1.3塑性變形一、屈服強度及其影響因素1、屈服強度⑴不連續(xù)屈服：有屈服平臺(屈服齒）表示：σsσsl

⑵連續(xù)屈服：拉伸時無明顯屈服現(xiàn)象屈服強度用規(guī)定微量塑性伸長應力表征：1）規(guī)定非比例伸長應力（σp）σp0.012）規(guī)定殘余伸長應力（σr）σr0.23）規(guī)定總伸長應力（σt）σt0.52、影響屈服強度的因素⑴內(nèi)在因素：結合鍵、組織、結構、原子本性四大強化機制：沉淀強化和細晶強化是工業(yè)合金中提高材料屈服強度最常用的手段⑵外在因素：溫度、應變速率、應力狀態(tài)溫度降低、應變速率增高，材料的屈服強度升高。尤其是體心立方金屬對溫度和應變速率特別敏感，這導致了鋼的低溫脆化。應力狀態(tài)不同，屈服強度值也不同。我們通常所說的材料的屈服強度一般是指在單向拉伸時的屈服強度。3、屈服強度的工程意義傳統(tǒng)的強度設計方法，對塑性材料，以屈服強度為標準，規(guī)定許用應力[σ]=σs/n，安全系數(shù)n一般取2或更大；對脆性材料，以抗拉強度為標準，規(guī)定許用應力[σ]=σb/n，安全系數(shù)n一般取6。屈服判據(jù)（屈服條件）是機件開始塑性變形的強度設計準則需要注意的是，按照傳統(tǒng)的強度設計方法，必然會導致片面追求材料的高屈服強度，但是隨著材料屈服強度的提高，材料的抗脆斷強度在降低，脆斷危險性增加了。二、加工硬化和真實應力－應變曲線

1.真實應力-應變曲線從試樣開始屈服到發(fā)生頸縮，即均勻塑性變形階段真實應力和應變的關系：式中n——加工硬化指數(shù)K——硬化系數(shù)（強度系數(shù)），是真實應變等于1.0時的真實應力2、加工硬化指數(shù)n的實際意義

反映了金屬材料開始屈服以后抵抗繼續(xù)塑性變形的能力，是表征材料應變硬化行為的性能指標。它決定了材料開始發(fā)生頸縮時的最大應力。n還決定了材料能夠產(chǎn)生的最大均勻應變量，這一數(shù)值在冷加工成型工藝中是很重要的。大多數(shù)金屬材料n在0.1～0.5之間，與層錯能、冷熱變形有關

對于工作中的零件，材料的加工硬化能力是零件安全使用的可靠保證。

形變硬化是提高材料強度的重要手段。三、頸縮條件和抗拉強度

1.頸縮條件出現(xiàn)頸縮時正是相當于負荷-變形曲線上的最大載荷處，因此，應有dF=0dF=d(S·A)=AdS+SdA=0即-dA/A=dS/S又按體積不變定理有dL/L=-dA/A=de故有

dS/de=S

頸縮的條件:

當加工硬化速率等于該處的真應力時或當硬化指數(shù)等于最大真實均勻塑性應變量時n=eB2.抗拉強度（1）定義：韌性金屬試樣拉斷過程中最大試驗力（Fb）所對應的應力σb只代表金屬材料所能承受的最大拉伸應力，表征金屬材料對最大均勻塑性變形的抗力（2）實際意義：1）標志韌性金屬材料在靜拉伸條件下的實際承載能力（但不作為設計參數(shù)）2）對脆性材料即為斷裂強度，用于產(chǎn)品設計時其許用應力以σb為依據(jù)。3）σb的高低決定于屈服強度和應變硬化指數(shù)。4）σb與HB、σ-1之間有一定關系：σb≈1/3HB，σ-1≈1/2σb（淬火回火鋼）四、塑性

1、塑性與塑性指標塑性——材料斷裂前發(fā)生不可逆永久（塑性）變形的能力塑性指標：斷后伸長率（最大試驗力下的總伸長率

gt）

斷面收縮率

2、塑性的實際意義⑴塑性指標是安全力學性能指標（對靜載下工作的機件，要求材料具有一定塑性，以防偶然過載時突然破壞）⑵金屬的成形加工（如軋制、擠壓）和機器裝配、修復工序要求一定塑性⑶金屬材料的塑性常與強度性能有關：塑性越高，強度一般較低、屈強比越小

五、靜力韌度

靜力韌度——材料在靜拉伸時單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功嚴格的說，它應該是真應力-應變曲線下所包圍的面積，工程上為了簡化方便，對塑性材料近似地采取：靜力韌度是一個強度與塑性的綜合指標。單純的高強度材料象彈簧鋼，其靜力韌度不高，而只具有很好塑性的低碳鋼也沒有高的靜力韌度，只有經(jīng)淬火高溫回火的中碳(合金)結構鋼才具有最高的靜力韌度?！?.4金屬材料的斷裂一、斷裂的類型機件的三種主要失效形式：磨損、腐蝕、斷裂（危害最大）斷裂1、韌性斷裂與脆性斷裂（按斷裂前有無明顯的塑性變形）脆、韌斷裂的劃分：<5%脆斷>5%為韌斷(光滑拉伸試樣的斷面收縮率)⑴韌性斷裂：斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂特點：1）斷裂有一個緩慢的撕裂過程，在裂紋擴展過程中不斷消耗能量2）斷裂面一般平行于最大切應力并與主應力成45度角3）斷口呈纖維狀，灰暗色斷口特征三要素：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇影響這三個區(qū)比例的主要因素是材料強度和試驗溫度。一般材料強度提高，塑性降低，則放射區(qū)比例增大；試樣尺寸加大，放射區(qū)增大明顯，而纖維區(qū)變化不大⑵脆性斷裂：突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本不發(fā)生塑變特點：斷裂面一般與正應力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結晶狀2、正斷與切斷（按斷裂面的取向）正斷：斷裂垂直于最大正應力切斷：沿著最大切應力方向斷開注意：正斷不一定就是脆斷，正斷也可以有明顯的塑性變形。但切斷是韌斷，反過來韌斷就不一定是切斷了。3、穿晶斷裂與沿晶斷裂（按裂紋擴展的途徑）穿晶斷裂：裂紋穿過晶內(nèi)（韌斷或脆斷）沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴展（多為脆斷），斷口呈冰糖狀（如應力腐蝕、氫脆、回火脆性、淬火裂紋、磨削裂紋等）沿晶斷裂產(chǎn)生原因：晶界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)脆性第二相、夾雜物破壞了晶界的連續(xù)性；或雜質(zhì)元素向晶界偏聚引起。4、純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂（按斷裂機理）⑴剪切斷裂：在切應力作用下沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂純剪切斷裂：完全由滑移流變造成斷裂——純金屬尤其是單晶體微孔聚集型斷裂：通過微孔形核、長大聚合而導致分離——常用金屬材料⑵解理斷裂：金屬材料在一定條件下（如低溫、應變速率較高，或是有三向拉應力狀態(tài)），當外加正應力達到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學平面（解理面）產(chǎn)生的穿晶斷裂——脆斷穿晶的解理斷裂常見于bcc和hcp金屬中。解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面（如bcc金屬的解理面為(100)二、解理斷裂

1、解理裂紋的形成和擴展裂紋形成塑性變形位錯運動⑴甄納-斯特羅位錯塞積理論當位錯塞積頭處的應力集中不能為塑性變形所松弛，則塞積頭處的最大拉應力σfmax

能夠等于理論斷裂強度σm而形成裂紋。解理斷裂過程：塑性變形形成裂紋裂紋在同一晶粒內(nèi)初期長大裂紋越過晶界向相鄰晶粒擴展(圖1-22）屈服時產(chǎn)生解理斷裂的判據(jù)：晶粒直徑（或第二相質(zhì)點間距）d，裂紋擴展所需的應力或裂紋體的實際斷裂強度

⑵柯垂耳位錯反應理論——柯垂耳為解釋晶內(nèi)解理和bcc晶體中的解理面而提出裂紋成核：位錯反應形成不動位錯位錯群塞積裂紋2、解理斷裂的微觀斷口特征

⑴解理斷裂基本微觀特征：解理臺階、河流花樣、舌狀花樣

⑵準解理常見于淬火回火的高強度鋼中，或者是組織為貝氏體的鋼中（彌散細小的碳化物質(zhì)點影響裂紋形成與擴展）與解理斷裂的共同點：均為穿晶斷裂；有小解理刻面；有河流花樣不同點：準解理小刻面不是晶體學解理面。真正解理裂紋常源于晶界，而準解理裂紋