材料力學性能課件

1.1材料在靜拉伸時的力學行為概述靜拉伸：是材料力學性能實驗中最基本的試驗方法。拉伸曲線：應力-應變曲線，可求出許多主要性能指標。

如：彈性模量E：零件剛度設(shè)計。屈服強度σs，抗拉強度σb:強度設(shè)計，交變載荷塑性δ，斷裂前的應變量：冷熱變形時的工藝性能。

第一章材料在靜載下的力學性能1.1.1材料在靜拉伸時的力學行為概述第一章材料在靜載下2.2.應力－應變曲線應力－應變曲線(F0不變）①彈性變形②屈服變形③均勻塑性變形④局部塑性變形

真應力-應變曲線（------代表）3.應力－應變曲線①彈性變形3.σp:比例極限σE:彈性極限σLY:屈服強度（下）σUY：屈服強度（上）σB：強度極限σb:抗拉強度σp:應力與應變成正比關(guān)系的最大應力。σp=FP/F0σE:由彈性變形過渡到彈-塑性變形時的應力。σE=FE/F04.σp:比例極限4.不同材料，其應力－應變曲線不同，如：5.不同材料，其應力－應變曲線不同，如：5.

1.2金屬材料的彈性變形

1.2.1廣義虎克定律

彈性模量E=σX/εXX軸方向，同軸，描寫材料正應力條件虎克定律：單位應變產(chǎn)生的單位應力（單向應力）,物理意義：表示原子之間的結(jié)合力，它是組織不敏感元素描寫材料切應力：切變模量G=τXY/γXY泊桑比：υ=—εXX/εXY關(guān)系式：G=E/2（1+υ）比彈性模量=彈性模量/密度對完全各向同性材料υ=0.25對金屬υ值約為0.33（或1/3）當υ=0.25時，G=0.4E；當υ=0.33時，G=0.375E彈性常數(shù)4個：E，G，υ，KK=σm/Δ=E/3(1-2υ)Δ------單位體積變形K——體彈性模量σm=(σx+σy+σz)/3若υ=0.33，則K≈E只要已知E和υ，就可求出G和K，

由于E易測，因此用的最多。

6.1.2金屬材料的彈性變形

1.2.11.2.2彈性模量的技術(shù)意義

技術(shù)意義：E，G稱為材料的剛度，它表示材料在外載荷下抵抗彈性變形的能力

影響E的特征因素：

與原子序數(shù)有周期性關(guān)系

E=K/γm

K，m>1特征常數(shù)，γ原子半徑

γ↑E↓

溫度T：T↑原子結(jié)合力下降，E↓

ε加載速度：對E影響不明顯

合金化（加入某種金屬），熱處理對E影響不明顯。7.1.2.2彈性模量的技術(shù)意義

技術(shù)意義：E，G稱為材機械設(shè)計中，剛度是第一位的，它保證精度，曲軸的結(jié)構(gòu)和尺寸常常由剛度決定，然后強度校核。不同類型的材料，其彈性模量差別很大。材料彈性模量主要取決于結(jié)合鍵的本性和原子間的結(jié)合力，而材料的成分和組織對它的影響不大，可以說它是一個對組織不敏感的性能指標（對金屬材料），而對高分子和陶瓷E對結(jié)構(gòu)和組織敏感。熔點高，E↑EW=2EFeEFe=3EAl零件的剛度與材料的剛度不同，它除了決定于材料的剛度外還與零件的截面尺寸與形狀，以及截面積作用的方式有關(guān)。8.機械設(shè)計中，剛度是第一位的，它保證精度，曲軸的結(jié)構(gòu)和尺寸常常1.2.3彈性比功

彈性比功：為應力-應變曲線下彈性范圍所吸收的變形功的能力,又稱彈性比能，應變比能。即彈性比功=σe2/2E=σeεe/2其中σe為材料的彈性極限，它表示材料發(fā)生彈性變形的極限抗力9.1.2.3彈性比功

彈性比功：為應力-應變曲線下彈性彈性比功理論上：彈性極限的測定應該是通過不斷加載與卸載，直到能使變形完全恢復的極限載荷。實際上：彈性極限的測定是以規(guī)定某一少量的殘留變形（如0.01%）為標準，對應此殘留變形的應力即為彈性極限。

10.彈性比功理論上：彈性極限的測定應該是通過不斷加載與卸載，直到理想的彈簧材料：應有高的彈性極限和低的彈性模量。

成分與熱處理對彈性極限影響大，對彈性模量影響不大。儀表彈簧因要求無磁性，鈹青銅，磷青銅等軟彈簧材料。σe↑E↓→ae11.理想的彈簧材料：應有高的彈性極限和低的彈性模量。優(yōu)點：滯后環(huán)面積，它可以減少振動，使振動幅度很快衰減下來。缺點：精密儀器不希望有滯后現(xiàn)象高分子滯彈性表現(xiàn)為粘彈性并成為普遍特性，高分子彈性與時間有關(guān)。彈性滯后環(huán)(鏈接)1.2.4

滯彈性

—

應變落后于應力的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫滯彈性。

12.優(yōu)點：滯后環(huán)面積，它可以減少振動，使振動幅度很快衰減下來。彈1.2.5包辛格（Baushinger）效應

—彈性不完整性

定義：指原先經(jīng)過變形，然后反向加載時彈性極限或屈服強度降低的現(xiàn)象。β值度量包辛格效應的大小。

單循環(huán)或多循環(huán)后，都有包辛格效應

包辛格效應示意圖(有鏈接)

13.1.2.5包辛格（Baushinger）效應

T10鋼的包辛格效應

條件：T10鋼淬火350℃回火拉伸時，曲線1σ0.2=1130MPa曲線2事先經(jīng)過預壓變形再拉伸時,σ0.2=880MPa14.T10鋼的包辛格效應條件：T10鋼淬火350℃回火包辛格效應理論解釋

原先加載變形時,位錯源在滑移面上產(chǎn)生的位錯遇到障礙,塞積后產(chǎn)生了背應力,當反向加載時,位錯運動的方向與原來方向相反,背應力幫助位錯運動,塑性變形容易,導致屈服強度↓,另外,反向加載時,滑移面上產(chǎn)生的位錯與預變形的位錯異號,異號位錯抵銷,引起材料軟化,屈服強度↓。15.包辛格效應理論解釋

原先加載變形時,位錯源在滑移面上產(chǎn)生

理論上:由于它是金屬變形時長程內(nèi)應力的度量(可用X光方法測定),所以,包辛格效應可用來研究材料加工硬化的機制.

工程上:

材料加工工藝時,需要注意或考慮包辛格效應.輸油管UOE工藝包辛格效應大的材料，內(nèi)應力較大。包辛格效應和材料的疲勞強度也有密切關(guān)系

包辛格效應的應用16.理論上:由于它是金屬變形時長程內(nèi)應力的度量(可用X光方法清除包辛格效應的方法

預先進行較大的塑性變形,或在第二次反向受力前先使金屬材料于回復或再結(jié)晶溫度下退火,如鋼在400-500℃以上.17.清除包辛格效應的方法預先進行較大的塑性變形,或在1.3金屬材料的塑性變形

塑性變形的方式和特點常見的塑性變形方式為滑移和孿生滑移是金屬材料在切應力作用下,沿滑移面和滑移方向進行的切變過程.滑移面ⅹ滑移方向=滑移系

滑移系越多,塑性↑孿晶是金屬材料在切應力作用下的一種塑性變形方式,孿晶變形可以調(diào)整滑移面的方向,使新的滑移系開動,間接對塑性變形有貢獻.(滑移受阻→孿生,變形速度加快)18.1.3金屬材料的塑性變形

塑性變形的方式和特點18.

1.3.1屈服強度及其影響因素

屈服標準

σS定義:材料開始塑性變形的應力.工程上常用的屈服標準有三種比例極限σP:

應力-應變曲線上符合線性關(guān)系的最高應力.σS≥σP

彈性極限σel:

材料能夠完全彈性恢復的最高應力.

σel≥σP工程上用途不同區(qū)別,槍炮材料要求高的比例極限,彈簧材料要求高的彈性極限

屈服強度σ0.2或σys

:以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標準,通常為0.2%殘留變形的應力作為屈服強度.19.

1.3.1屈服強度及其影響因素屈服標準19.比例極限σP,彈性極限σel,屈服強度σ0.2或σys

這三種標準在測量上實際上都是以殘留變形為依據(jù),只不過規(guī)定的殘留變形量不同,所以國家規(guī)定三種規(guī)范.⑴規(guī)定非比例伸長應力(σP)σ0.01或σ0.05⑵規(guī)定殘留伸長應力(σγ)σr0.2⑶規(guī)定總伸長應力(σt)σt0.5注意：σP和σt是在試樣加載時直接從應力-應變曲線上測量的,σγ要求卸載測量。

20.比例極限σP,彈性極限σel,屈服強度σ0.2或σys這1.

影響屈服強度的因素

結(jié)合鍵:

金屬—金屬鍵高分子—范德華力陶瓷—共價鍵或離子鍵組織:

四種強化機制影響σys

①固溶強化②形變強化③沉淀和彌散強化④晶界和亞晶強化其中沉淀強化和晶粒細化是工程上常使用提高σys的手段。前三種機制提高σys,但是降低δ,只有第四種提高σys又提高δ。

內(nèi)在因素:結(jié)合鍵,組織,結(jié)構(gòu),原子本性21.1.

影響屈服強度的因素

結(jié)合鍵:金屬—金屬鍵

外在因素

溫度+應變速率+應力狀態(tài)

溫度因素：高溫時,γ鋼性能高低溫時,α鋼性能高并非高溫性能好的鋼低溫性能也好。（體心立方金屬對溫度更敏感）22.

外在因素

溫度+應變速率+應力狀態(tài)

溫度因素：22應變速率和應力狀態(tài)(應力集中)的影響應力狀態(tài)(扭轉(zhuǎn)、應力集中)的影響引出應力集中系數(shù)Kt,

α(尖角),γ越尖,Kt↑若缺口敏感:R<1弱化若缺口不敏感:

R=σr缺口/σr光滑>1強化23.應變速率和應力狀態(tài)(應力集中)的影響應力狀態(tài)(扭轉(zhuǎn)、應力集中σYS的工程意義

σYS的工程意義:

許用應力：單向、多向。

是指材料的某些力學行為和工藝性能的大致度量（不是越高越好）：如:σYS↑,對應力腐蝕和氫脆就敏感σYS↓,冷加工成型性能和焊接性能好σYS是材料性能中不可缺少的重要指標24.σYS的工程意義

σYS的工程意義:24.1.3.2加工硬化和真應力-應變曲線

真實應變與條件應變相比有兩種明顯的特點:

條件應變往往不能真實反映或度量應變。（拉伸與壓縮）真實應變可以疊加,可以不記中間的加載歷史,只需知道試樣的初始長度和最終長度（條件應變不能）

兩者關(guān)系:條件應變>真實應變

真應力-應變曲線(流變曲線)真應力S=F/A真實應變

25.1.3.2加工硬化和真應力-應變曲線

真真應力-應變關(guān)系:從試樣開始屈服到發(fā)生頸縮，這一段應變范圍中真實應力和真應變的關(guān)系，可用以下方程描述

S=KεnHollomon關(guān)系式式中n稱為加工硬化指數(shù)或應變硬化指數(shù)，K叫做強度硬化指數(shù)。S—真應力ε—真應變?nèi)羧?shù)，lnS=lnK+ nlnε2.真應力-應變關(guān)系26.真應力-應變關(guān)系:2.真應力-應變關(guān)系26.

圖1-6

雙對數(shù)座標上

的Hollomon關(guān)系

圖1-7n的變化范圍圖理想彈性體：n＝1；理想塑性體：n＝0n的取值范圍：0～1一般金屬：n＝0.1～0.527.圖1-6雙對數(shù)座標上

的Hollomon關(guān)系

注意：加工硬化速率ds/dε與加工硬化指數(shù)n并不等同

n=dlnS/dlnε=εds/Sdε

即ds/dε=nS/ε

在相同變形時ε的情況下，n↑ds/dε↑

對有些金屬材料:象雙相鋼，一些鋁合金和不銹鋼不能用S=Kεn方程描述。在lnS-lnε圖中會得到兩段不同的斜率的直線，稱為雙n行為，它使得n的意義模糊和復雜化，要尋求其他方程形式來表征真應力-應變關(guān)系。28.

注意：加工硬化速率ds/dε與加工硬化指數(shù)n并不等同3.加工硬化指數(shù)n的實際意義

反映了材料開始屈服以后，繼續(xù)變形時材料的應變硬化情況，它決定了材料開始發(fā)生頸縮時的最大應力。（σb或Sb）1)金屬的加工硬化指數(shù)（能力），對冷加工成型很重要（n決定開始頸縮時的最大應力和最大均勻變形量，n=0材料能否冷加工？）。低碳鋼有較高的n,n約為0.2。汽車身板鋁合金化，其n值較低，冷加工或沖壓性能差。2)對于工作中的零件，也要求材料有一定的加工硬化能力，是零件安全使用的可靠保證。3)形變強化是提高材料強度的重要手段。29.3.加工硬化指數(shù)n的實際意義反映了材料開始屈服以后，舉例不銹鋼：n=0.5,因而也有很高的均勻變形量，σYS不高，但可用冷變形可成倍的提高高碳鋼絲：經(jīng)過鉛浴等溫處理后冷拔，可達2000MPa以上，但這些傳統(tǒng)方法↑σYS→δ↓復相鋼：（即能提高σYS，又能↑δ）a.

鐵素體+馬氏體鋼b.γ+M,或γ+貝氏體利用多相組織增強形變強化的例子，利用受力變形時γ→M是形變硬化作用增強的特點，達到推遲頸縮的目的。30.舉例不銹鋼：n=0.5,因而也有很高的均勻變形量，σYS不高圖1-9復相鋼的應力應變曲線普通碳鋼，控制軋制的SAE950x和980低合金高強度剛（屈服點分別為345和550MN/m2)以及臨界區(qū)淬火SAE980x圖1-10貝氏體-奧氏體鋼的應力應變曲線（a)低奧氏體含量（b)最佳奧氏含量（c)高奧氏體含量在工程上：對冷加工成型的低碳鋼，其加工的硬化指數(shù)n可通過屈服強度σys

估算：

σysMPa=70/nn↑σys與σb差值越大，即σS/σB↓31.圖1-9復相鋼的應力應變曲線圖1-10貝氏體-奧氏體鋼的頸縮條件：應力-應變曲線上的應力達到最大值時，即開始出現(xiàn)頸縮，頸縮前是均勻變形，頸縮后是不均勻變形，即局部變形頸縮條件：ds/dε=S當加工硬化速率等于該處的真應力時就開始頸縮。

1.3.3頸縮條件和抗拉強度

32.頸縮條件：應力-應變曲線上的應力達到最大值時，即開始出現(xiàn)頸縮抗拉強度

在材料不產(chǎn)生頸縮時抗拉強度代表斷裂抗力

脆性材料：設(shè)計時，其許用應力以抗拉強度為依據(jù)。

塑性材料：代表產(chǎn)生最大均勻塑性變形抗力，但它表示了材料在靜拉伸條件下的極限承載能力（對吊鉤、鋼絲繩是必要的）。易測定，重現(xiàn)性好，作為產(chǎn)品規(guī)格說明或質(zhì)量控制的標志。取決于σb和n，n不能直接測量，可通過σb和σS間接了解材料加工硬化情況。σb能和材料的疲勞極限σ-1和材料的硬度HB建立一定關(guān)系

對淬火回火鋼：σ-1≈σb

σb≈0.345HB

因此，σb被列為材料常規(guī)力學性能的五大指標之一五大指標：σS，σb，δ，ψ，aK33.抗拉強度

在材料不產(chǎn)生頸縮時抗拉強度代表斷裂抗力脆性材料：塑性的測量

(有鏈接)塑性的定義：指金屬材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。工程上常用條件塑性而不是真實塑性，拉伸時條件塑性以延伸率δ和斷面收縮率ψ表示。條件塑性δ=（l-l0）/l0ⅹ100%δU=ΔlU/l0(均勻變形延伸率)δN(局部變形延伸率)=Δln/l0

l—試樣斷裂后的標距長度l0—試樣原始標距長度1.3.4塑性的度量及其實際意義34.塑性的測量(有鏈接)條件塑性δ=（l-l0）/l0ⅹ100δ（塑性變形）=均勻塑性變形+集中塑性變形Δ5:l0=5d0(小試樣)δ10:l0=10d0（大試樣）（試樣長度對δ有影響?)δgt:最大力下的總伸長率表示材料塑性，最大力下的總伸長率指試樣材料拉伸時產(chǎn)生的最大的均勻塑性，變形是工程應變，δgt對于評定沖壓板材的成型能力是很有用的。真實應變

εB=ln(1+δgt)對于退火，正火或調(diào)質(zhì)態(tài)的低、中碳鋼來說，測出δgt→εB→n35.δ（塑性變形）=均勻塑性變形+集中塑性變形35.斷面收縮率：

Ψ=（A0-A）/A0ⅹ100%

A0—試樣原始橫截面能

A1---縮頸處最小橫截面積

ΨU=ΔAU/A0

Ψn=ΔAn/A0

Ψf=(A0-Af)/A0若Ψ?δ形成頸縮，若Ψ≦δ不形成頸縮，Ψ比δ對組織變化更為敏感36.斷面收縮率：

Ψ=（A0-A）/A0ⅹ100%

A0—試樣原塑性的實際意義

金屬材料的塑性指標是安全力學性能指標；εf–材料均勻變形的能力。Ψf–局部變形的能力。

塑性對壓力加工是很有意義的。加工硬化塑性大小反映冶金質(zhì)量的好壞，評定材料質(zhì)量。細化晶粒，碳化指數(shù)。37.塑性的實際意義

金屬材料的塑性指標是安全力學性能指標；1.3.5靜力韌度（能量指標）

定義：材料在靜拉伸時單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功叫做靜力韌度。

是一個強度與塑性的綜合指標，是表示靜載下材料強度與塑性的最佳配合鏈接38.1.3.5靜力韌度（能量指標）定義：材料在靜拉伸時單位1.4金屬材料的斷裂

1.4.1靜拉伸的斷口(3種情況)①③②39.1.4金屬材料的斷裂

1.4.1靜拉伸的斷口(3（a）(b)：斷口齊平，垂直于最大拉應力方向，

δ↓↓，只有少量均勻變形，鑄鐵，淬火+低回火高碳鋼。（e）：塑性很好，試樣斷面可減細到近于一尖刀，然后沿最大切應力方向斷開。如純Au、Al。(c)(d)：都出現(xiàn)頸縮，只是程度不同，試樣中心先開裂，然后向外延伸，接近表面時沿最大切應力方向斜面斷開，斷口形狀如杯口狀。40.（a）(b)：斷口齊平，垂直于最大拉應力方向，40.

但是，正斷不一定就是脆斷，也可以有明顯的塑性變形。切斷是韌斷，但反之不一定成立，韌斷不一定是切斷，韌斷與切斷并非是同義詞41.但是，正斷不一定就是脆斷，也可拉伸試樣的宏觀斷口對拉伸試樣的宏觀斷口觀察：三個區(qū)域中心區(qū)叫做纖維區(qū)放射區(qū)剪切唇這三個區(qū)域的比例關(guān)系與材料韌斷性能（塑性）有關(guān)，若材料的硬度和強度很高，又處于低溫環(huán)境，斷面上有許多放射狀條紋，并匯聚一個中心。鏈接42.拉伸試樣的宏觀斷口對拉伸試樣的宏觀斷口觀察：三個區(qū)域鏈接42無缺口拉伸試樣,斷口和三個斷裂區(qū)示意圖沖擊試樣和三個斷裂區(qū)示意圖43.無缺口拉伸試樣,斷口和三個斷裂區(qū)示意圖沖擊試樣和三個斷裂區(qū)示1.4.2韌斷機制——微孔聚合

利用SEM，微孔分成：微孔聚合型解理和準解理型晶間斷裂疲勞斷裂

在SEM，微孔聚合型斷裂的形貌是一個個韌窩，韌窩是微孔長大的結(jié)果，韌窩中包含著一個夾雜物或第二相，這證明微孔多萌生于夾雜物或第二相與基體的界面上。

頸縮試樣鋸齒狀拉伸斷口形成過程示意圖44.1.4.2韌斷機制——微孔聚合

利用SEM，微孔分成：頸由于應力狀態(tài)或加載方式的不同，韌窩可有三種類型拉伸型的等軸狀韌窩剪切型的伸長韌窩拉伸撕裂的伸長韌窩韌窩的形狀取決于應力狀態(tài)，而韌窩的大小和深淺取決于第二相的數(shù)量分布以及基體的塑性變形能力，韌窩大而深，塑性好，大而淺，加工硬化能力強。45.由于應力狀態(tài)或加載方式的不同，韌窩可有三種類型45.20CrMo淬火高溫回火斷口微孔聚合型(微孔多萌生于碳化物界面)46.20CrMo淬火高溫回火斷口微孔聚合型(微孔多萌生于碳化物界1.4.3穿晶斷裂——解理和準解理

解理斷裂：為脆性斷裂（宏觀)(體心立方，密排

六方金屬)解理面：沿著一定的結(jié)晶學平面發(fā)生的，這個平面叫解理面微孔斷口形貌：河流狀花樣，河流的流向為裂紋擴展方向，裂紋多萌生于晶界或亞晶界河流狀花樣：實際上是許多解理臺階，不是在單一的晶面上47.1.4.3穿晶斷裂——解理和準解理

解理斷裂：為脆性斷裂（解理斷裂48.解理斷裂48.解理階49.解理階49.解理羽毛50.解理羽毛50.準解理斷裂實際上也有一定的塑性變形，如：貝氏體鋼中、高強度鋼它是解理和微孔聚合的混合斷裂

相似點:有解理面、河流花樣不同：①主裂紋的走向不太清晰，原因是主裂紋前方常產(chǎn)生許多二次裂紋；②晶粒內(nèi)部有許多撕裂棱，撕裂棱附近有許多變形；③裂紋多萌生于晶粒內(nèi)部，裂紋的擴展從解理臺階逐漸過渡向撕裂棱。51.準解理斷裂實際上也有一定的塑性變形，如：貝氏體鋼中、高強度準解理斷裂52.準解理斷裂52.準解理53.準解理53.1.4.4力學狀態(tài)圖的斷裂分析

應力狀態(tài)系數(shù)α

一個材料的塑性或脆性并不是絕對的，受應力狀態(tài)的影響。例：①鑄鐵壓→韌，拉→脆②韌性低碳鋼光滑，缺口為了表示應力狀態(tài)對材料塑性變形的影響，引入應力狀態(tài)系數(shù)α

分別為最大和最小主應力,為泊松比54.1.4.4力學狀態(tài)圖的斷裂分析

應力狀態(tài)系數(shù)α一對單向拉伸：

扭轉(zhuǎn)：

單向壓縮：取

表示材料塑性變形的難易程度。

大在該應力狀態(tài)下切應力分量越大，塑性變形易；稱軟的應力狀態(tài)，相對于↓的應力狀態(tài)而言，不易引起脆斷。反之，稱硬的應力狀態(tài)。55.對單向拉伸：扭轉(zhuǎn)：單向壓縮：取 表示材料塑性影響斷裂的內(nèi)在因素是材料本性，如σs,σb

外在因素：應力狀態(tài)，溫度和加載速度力學狀態(tài)圖就是將四因素綜合在一個圖中，從圖中可定性的判斷材料發(fā)生何種斷裂

2.力學狀態(tài)圖

溫度、載荷速度影響τs、σf*的相對位置。56.影響斷裂的內(nèi)在因素是材料本性，如σs,σb

2.力學狀態(tài)1.7金屬的硬度

硬度：是指金屬在表面上的不大體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力，硬度是生產(chǎn)上廣泛應用的性能指標，可估算其他性能指標。究竟它表征哪一種抗力，則決定于采用的試驗方法。57.1.7金屬的硬度

硬度：是指金屬在表面上的不大體積內(nèi)抵抗變A．抵抗變形能力：壓入法型硬度試驗：測布氏硬度，洛氏硬度，維氏硬度，顯微硬度，統(tǒng)稱壓入硬度?？蓽y量脆性材料（陶瓷材料）的硬度，表面處理的工件。

B.

抵抗破裂能力：刻劃片型硬度試驗：刻劃硬度

C.抵抗金屬彈性變形能力：回跳法(肖氏硬度）大型工件實驗方法58.A．抵抗變形能力：壓入法型硬度試驗：測布氏硬度，洛氏硬硬度與其他性能指標的關(guān)系

以壓入法為例：

對Cu及合金和不銹鋼K=0.4-0.55對鋼鐵材料K=0.33-0.36旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限所以硬度知道，其他相關(guān)性能，根據(jù)經(jīng)驗公式可估算又方便，不毀工件，在生產(chǎn)上得到廣泛應用

幾種硬度值在應力應變曲線上的位置59.硬度與其他性能指標的關(guān)系

以壓入法為例：對Cu及合金和不銹硬度實驗布氏硬度和洛氏硬度的測定60.硬度實驗布氏硬度和洛氏硬度的測定60.1.7.2布氏硬度

布氏硬度的測定原理

在直徑D的鋼珠上，加一定負荷P，壓入被測試樣金屬的表面，根據(jù)金屬表面痕的凹陷面積計算出應力值。

式中t為壓痕凹深度；πDt為壓痕凹陷面積,在P和D一定時，HB∝1/tt測量困難d＝f(t)

61.1.7.2布氏硬度

布氏硬度的測定原理在直徑D的鋼布氏硬度的測定原理的圖示根據(jù)不同d值，可查表或計算出HB值。?oab關(guān)系中

代入前式鏈接62.布氏硬度的測定原理的圖示根據(jù)不同d值，可查表或計算出HB值。0.2D<d<0.5DP和D應在壓入角相等，才能保證同一材料得到同樣的HB值，生產(chǎn)上常用的P/D2值規(guī)定。30，10，2.5三種保持時間10～60秒布氏硬度試驗方法和技術(shù)條件在國標GB231-84中有明確規(guī)定布氏硬度測定的注意事項63.0.2D<d<0.5D布氏硬度測定的注意事項6布氏硬度的優(yōu)缺點和適用范圍

優(yōu)點：代表性全面，能反映表面較大體積范圍內(nèi)各組成相綜合性能指標，數(shù)據(jù)穩(wěn)定缺點：鋼球本身變形問題，對HB>450以上硬材料，不能使用。所以，不允許有較大壓痕的工件，也不宜于薄件試樣。64.布氏硬度的優(yōu)缺點和適用范圍優(yōu)點：代表性全面，能反映表面較大定義：用壓痕深度大小作為標志硬度值高低的洛氏硬度試驗，而布氏硬度以測定壓痕面積來計算硬度值。測定原理：是在載荷P0及總載荷P

分別作用下，將金剛石（較硬）圓錐（位角1200）或鋼球（ф1.5888

㎜）壓入較軟試樣表面，然后卸除主載荷P1,在初載荷下用測量的e值計算洛氏硬度，e值為卸除主載荷后，在初載荷下的壓痕深度殘余均是用0.002mm為單位表示。1.7.3洛氏硬度

鏈接65.定義：用壓痕深度大小作為標志硬度值高低的洛氏硬度試驗，而布氏優(yōu)點：壓痕少，操作簡單，易直接讀出，不存在壓頭變形問題。缺點：穩(wěn)定性差，多測幾個點平均，不同硬度級測量。硬度值無法統(tǒng)一起來；晶粒粗大缺乏代表性HRC=0.2-t常用HRA(金剛石圓錐壓頭)，HRB(鋼球壓頭)，HRC（金剛石圓錐壓頭）洛氏硬度的優(yōu)缺點66.優(yōu)點：壓痕少，操作簡單，易直接讀出，不存在壓頭變形問題。洛氏1.7.4維氏硬度

維氏硬度試驗的兩大特點

負載可任意選擇

通過維氏硬度試驗和通過布氏硬度試驗所得到的硬度值完全相等缺點：生產(chǎn)效率沒有HR高。通過測對角線，適用于硬質(zhì)的材料D67.1.7.4維氏硬度

維氏硬度試驗的兩大特點D67.原理與維氏硬度一樣，只是載荷小，大致在100gf~500gf.壓頭有兩種：1）維氏壓頭，金剛石四方錐2）努氏壓頭：菱形的金剛石錐體

A是投影面積而不是壓痕面積，l是對角線的長度μm,c是提供的常數(shù)用途：測量尺寸小或很薄的零件。顯微組織的硬度。缺點：效率低。1.7.5顯微硬度

鏈接鏈接68.原理與維氏硬度一樣，只是載荷小，大致在100gf~500gf幾種硬度計69.幾種硬度計69.習題如今有如下工件，需測試硬度，試說明采用何種硬度試驗方法適宜？1）

滲碳層中的硬度分布2）淬火鋼件3）灰鑄鐵4）鑒別鋼中殘余γ和隱晶M5）硬質(zhì)合金6）陶瓷涂層鏈接70.習題如今有如下工件，需測試硬度，試說明采用何種硬度試驗方法適曲線1：聚碳酸脂（PC），聚丙?。≒P）和高抗沖聚苯乙烯（HTPS）衡速拉伸曲線2：ABS塑料，聚甲醛（POM）和增強尼龍（GFPA）等曲線3：增強聚碳酸脂（GFPC），聚苯乙烯（PS），發(fā)生脆斷聚合物材料的拉伸載荷-伸長曲線1.8聚合物的靜強度

71.曲線1：聚碳酸脂（PC），聚丙?。≒P）和高抗沖聚苯乙烯（H指出：金屬的縮頸與聚合物縮頸有重大差別。聚合物縮頸后會發(fā)生均勻塑性變形，縮頸區(qū)沿長度方向擴展。解釋：分子鏈由未取向向取向狀態(tài)轉(zhuǎn)化。聚合物的性能特點：強烈的受溫度和載荷作用時間的影響，力學性能變化幅度大

1)密度小2)高彈性3)E小4)粘彈性明顯

聚合物的頸縮72.指出：金屬的縮頸與聚合物縮頸有重大差別。聚合物的頸縮72.

晶態(tài)聚合物的彈性模量彈性模量與金屬相似，取決于分子鍵的作用力，范德瓦爾力，氫鍵，偶極，但是，沿晶態(tài)聚合物分子鍵方向加載與垂直于分子鏈方向加載時，其彈性模量相差很大（1—2個數(shù)量級）非晶態(tài)聚合物的彈性模量大小實質(zhì)上也是反映了分子鏈與分子鏈間鍵合力與位能的變化，非晶態(tài)與晶態(tài)不同，沿不同方向加載時差別小，彈性E也小。1.8.2聚合物的彈性模量

聚合物的E對結(jié)構(gòu)非常敏感,這與金屬和陶瓷不同73.晶態(tài)聚合物的彈性模量非晶態(tài)聚合物的彈性模量1.8.影響聚合物的彈性模量的因素

下列因素的增加，E↑1)主鍵熱力學穩(wěn)定性的增加2）結(jié)晶區(qū)百分比的增加3）分子鏈填充密度的增加4）分子鏈拉伸方向取向程度的增加5)聚合物晶體中鏈端適應性增強6)鏈折疊程度的減小74.影響聚合物的彈性模量的因素下列因素的增加，E↑74.

聚合物受力后產(chǎn)生的變形是通過調(diào)整內(nèi)部分子構(gòu)象實現(xiàn)的。

粘彈性：具有慢性的粘性流變，表現(xiàn)為滯后環(huán)，應力松弛和蠕變。上述現(xiàn)象均與溫度，時間，密切相關(guān)。

聚合物另一種特殊的彈性變形行為是高彈態(tài)，如橡膠橡膠的特點：1）E很小，而變形量很大。一般Cu,Fe的E只有1％-2％，而橡膠1000％。2）形變需要時間

3）形變時有熱效應，熱彈性效應；在伸長時發(fā)熱，回縮時吸熱，這種熱效應隨伸長率而增加。鏈接75.聚合物受力后產(chǎn)生的變形是通過調(diào)整內(nèi)部分子構(gòu)象實現(xiàn)的。鏈1.9陶瓷材料的靜強度

陶瓷是當代三大固體材料之一工程陶瓷SiN4,SiC,Al2O3,ZrO2特點：耐高溫，硬度高，E高，耐磨，耐蝕，抗蠕變性能好76.1.9陶瓷材料的靜強度

陶瓷是當代三大固體材料之一76材料在靜拉伸載荷作用下，經(jīng)過彈性變形加塑性變形加斷裂三個階段。E＝σ∕εE↑原子間鍵合強度越大。E工程技術(shù)意義：反映材料剛度大小。1.9.1陶瓷材料的拉伸曲線與彈性變形

77.材料在靜拉伸載荷作用下，經(jīng)過彈性變形加塑性變形加斷裂三個

E陶?E

如Al:E=65GPaAl2O3：E=390Mpa鋼:E=200GpaSiC:E=470GPa

陶瓷材料E:不僅與結(jié)合鍵（離子鍵和共價鍵）有關(guān)，還與陶瓷結(jié)構(gòu)及氣孔率有關(guān)，而金屬材料E是一個極為穩(wěn)定的力學性能指標，合金化，熱處理，冷熱加工難以改變它的數(shù)值。但陶瓷的工藝過程卻對陶瓷材料的E有著巨大的影響。如氣孔率P較小時，E=E0(1-KP)K為常數(shù)，E0是無氣孔時的E0陶瓷材料（特別是氣孔率較高時）E壓E拉且E壓E拉而金屬E壓=E拉陶瓷材料E的特點78.E陶?E如Al:E=65GPaAl2O3：E

因為陶瓷材料塑性差，拉伸時，若夾頭不對軸，斷裂往往發(fā)生在夾頭處，測不出真實的σf,所以，一般均采用彎曲試驗。三點或四點彎曲,跨距為20～30mm，尺寸：（3－4）*（4－5）*（30－40）mm三點彎曲時：四點彎曲時：P為斷裂載荷（N）

L為下支點間跨距（mm）l為上支點間跨距（mm）（對4點彎曲）

b為試樣寬度（mm）

h為試樣厚度（mm）

1.9.2陶瓷材料的抗彎強度

79.因為陶瓷材料塑性差，拉伸時，若夾頭不對軸，斷裂往往發(fā)生在夾1.9.3陶瓷材料的斷裂與斷裂強度

理想晶體的斷裂強度為

其中為理論斷裂強度,E為彈性模量,為材料比表面能,為原子間距離

陶瓷材料斷裂強度理論值與實測值相差巨大可用格里菲斯裂縫強度理論得到滿意解釋80.1.9.3陶瓷材料的斷裂與斷裂強度理想晶體的斷陶瓷材料盡管本質(zhì)上應該具有很高的斷裂強度，但實際斷裂強度卻往往低于金屬。陶瓷σ壓＞＞σ拉，其差別程度遠遠超過金屬氣孔和材料密度對陶瓷斷裂強度有重大影響

陶瓷材料斷裂強度的特點81.陶瓷材料盡管本質(zhì)上應該具有很高的斷裂強度，但實際斷裂強度卻往概念：包辛格效應，彈性比功，解理面，穿晶斷裂力學性能指標意義：

E主要決定于什么因素，對金屬材料為什么說它是一個對組織不敏感的力學性能指標。試舉出幾種能顯著強化金屬而不降低其塑性的方法。設(shè)條件應力為σ，其實應力為S，試證明

S?σ思考題與習題

82.概念：包辛格效應，彈性比功，解理面，穿晶斷裂思考題與2.1缺口對材料性能的影響大多數(shù)機構(gòu)或構(gòu)件、零件都含有缺口，如鍵槽，油孔，臺階，螺紋等。缺口對材料的性能影響有以下四個方面：

缺口產(chǎn)生應力集中引起三向應力狀態(tài),使材料脆化由應力集中產(chǎn)生應變集中使缺口附近的應變速率增高第二章缺口，溫度和應變速率對材料性能的影響83.2.1缺口對材料性能的影響第二章缺口，溫度和應變速1）缺口部分不能承受外力，這一部分外力要有缺口前方的部分材料來承擔，因而缺口根部的應力最大。2）應力集中系數(shù)Kt：表示缺口產(chǎn)生應力集中的影響缺口產(chǎn)生應力集中為缺口根部的最大應力

為凈截面上的名義應力

在彈性范圍內(nèi),Kt的數(shù)值決定于缺口的幾何形狀和尺寸84.1）缺口部分不能承受外力，這一部分外力要有缺口前缺口的影響

根部產(chǎn)生三向應力狀態(tài)，使材料的屈服變形困難，導致脆化

平面應力狀態(tài)：＝0，即在XY平面內(nèi)有應力，而在垂直于XY平面的方向則無應力存在。平面應變狀態(tài)：＝0根據(jù)虎克定律，

故有

這種應力狀態(tài)稱為平面應變狀態(tài)

85.缺口的影響

根部產(chǎn)生三向應力狀態(tài)，使材料的屈服變形困難，導致側(cè)面帶有缺口的薄板和厚板受拉伸時的應力分布(a)薄板缺口下的彈性應力(平面應力)(b)厚板缺口下的彈性應力(平面應變)(c)平面應變時Z方向的應力分布(d)平面應變時局部屈服后的應力分布86.側(cè)面帶有缺口的薄板和厚板受拉伸時的應力分布(a)薄板缺口下的由應力集中產(chǎn)生應變集中

缺口處很陡的應力梯度，必然導致很陡的應力梯度牛伯提出公式缺口根部應變體積很小，導致裂紋為塑性應變集中系數(shù)，為缺口處的局部應變和名義應變之比為塑性應力集中系數(shù)，為缺口處的實際應力與名義應力之比為彈性應力集中系數(shù)。

87.由應力集中產(chǎn)生應變集中87.缺口附近的應變速率遠高于平均的應變速率夾頭移動速率

試樣應變速率

因此如：＝100㎜為光滑試樣的工作長度＝1㎜為缺口附近的工作長度缺口附近的應變速率提高了兩個數(shù)量級缺口產(chǎn)生88.缺口附近的應變速率遠高于平均的應變速率缺口產(chǎn)生88.2.2.1溫度對材料的力學性能影響

b.b.c溫度↓↑但是形變硬化速率卻對溫度不太敏感。而↓→孿晶變形→鋸齒形b.b.c純鐵溫度下降導致脆性破壞，如右圖，77K以下為孿晶方式Fe(b.c.c),Cu(f.c.c),Ti(h.c.c.p)低溫：b.c.c,冷脆，↑↓＝不變。f.c.c

沒有冷脆，不變，↑↑

h.c.c.p↑↑↑89.2.2.1溫度對材料的力學性能影響b.b.c溫度↓2．3應變速率對材料力學性能的影響

↑σ↑10－4～10－2S-1內(nèi)，金屬力學性能變化不大

當大于10－2S-1，，發(fā)生顯著變化超塑性90.2．3應變速率對材料力學性能的影響↑σ2.5缺口沖擊韌性實驗

材料在沖擊載荷下的力學性能沖擊試驗的應變速率為10－4-10－2S-1應注意幾點：

不同缺口形狀的試樣，無法對比

V型缺口在舊的梅氏沖擊試驗機引起的數(shù)值A(chǔ)KV是不符合規(guī)范的，是不可靠的

現(xiàn)今國內(nèi)的一些材料性能數(shù)據(jù)，仍沿用aK=AK/F,缺口處截面積（梅氏），夏氏沖擊試驗

91.2.5缺口沖擊韌性實驗材料在沖擊載荷下的力學性能沖綜合＝缺口＋低溫＋高應變速率，這三個因素對材料脆化的影響使材料能由原處于韌性狀態(tài)→脆性狀態(tài)

缺口試樣的形狀有兩種：梅氏（中國和蘇聯(lián)過去用）和夏氏試樣（美國和日本）

2.5.1試驗方法連接92.綜合＝缺口＋低溫＋高應變速率，這三個因素對材料脆化的影響2.2.5.2缺口沖擊試驗的應用

優(yōu)點：測量迅速簡便，所以沖擊韌性

AK列為五大指標應用：

用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造，鍛造，焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。不是服役性能指標，對柴油機的連桿的要求要求熱處理工藝和冶金質(zhì)量是否正常提出的問題，ak＝15J/㎝2，仍可使用。

用來評定材料的冷脆傾向。評定脆斷傾向的標準是和材料的具體服役條件相聯(lián)系的

所謂冷脆，指材料因溫度的降低導致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象。93.2.5.2缺口沖擊試驗的應用

優(yōu)點：測量迅速簡便，所2.5.3冷脆轉(zhuǎn)化溫度的評定

三種類型：使用時，注意同一種標準1)斷面形貌特征50％纖維2)能量標準20J27J3)斷口的變形特征tK是一個韌性指標，從韌性角度選材的依據(jù)。

按冷脆轉(zhuǎn)化溫度選材94.2.5.3冷脆轉(zhuǎn)化溫度的評定三種類型：使用時，注意同一2.6影響材料脆性斷裂的冶金因素

材料成分低強度鋼基本b.c.c,鐵素體，晶體結(jié)構(gòu)b.c.c存在低溫脆性f.c.c一般不存在低溫脆性成分：間隙溶質(zhì)元素含量↑tK↑,Mn%↑

tK↓

Ni%↑tK↓Si%↑P↑tK↑含碳量對鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的影響95.2.6影響材料脆性斷裂的冶金因素

材料成分低強度鋼基本b影響材料脆性斷裂的冶金因素

晶粒大小

細化晶粒，使韌性↑原因：晶界是裂紋擴展的阻力，晶界前塞積的位錯數(shù)減少，有利于降低應力集中，晶界總面積增加，使晶界上的雜質(zhì)濃度下降，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂.

冷脆轉(zhuǎn)化溫度和晶粒尺寸的關(guān)系96.影響材料脆性斷裂的冶金因素

晶粒大小細化晶粒，使韌性↑冷脆影響材料脆性斷裂的冶金因素顯微組織

鋼的冷脆轉(zhuǎn)化溫度決定于轉(zhuǎn)變產(chǎn)物在較低溫度下，脆化溫度由高到低依次順序為在較低強度水平時，強度相等而組織不同的鋼最佳.97.影響材料脆性斷裂的冶金因素顯微組織鋼的冷脆轉(zhuǎn)化溫度決定于轉(zhuǎn)2．7抗脆斷設(shè)計及其試驗

缺口沖擊試驗優(yōu)點：簡單方便，成本低，應用廣泛缺點：無論哪一種標準，在一般情況下，并不能代表實物構(gòu)件的脆化的溫度，原因：尺寸小，由于變形的幾何約束小帶來的脆化程度也小。美國海軍采用大型實物脆斷研究方法，用于安全設(shè)計。W.S.Pellini落錘試驗方法。

98.2．7抗脆斷設(shè)計及其試驗

缺口沖擊試驗優(yōu)點：簡單方便，成2.7.1落錘試驗

測定材料的NDT:即無塑性轉(zhuǎn)變溫度優(yōu)點:方法比較簡單，數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性高，故被廣泛采用并正標準化。

鏈接99.2.7.1落錘試驗

測定材料的NDT:即無塑性轉(zhuǎn)變溫度2.7.2斷裂分析圖FAD圖

FractureAnalysisDraw

應力－缺陷－溫度三個參數(shù)之間的關(guān)系彈性斷裂轉(zhuǎn)變溫度FTE=NDT+33°C塑性斷裂轉(zhuǎn)化溫度FTP=NDT+67°CCAT---止裂溫度曲線curve鏈接100.2.7.2斷裂分析圖FAD圖Fracture第三章斷裂力學與斷裂韌性

3.1概述斷裂是一種最危險失效形式

，

101.第三章斷裂力學與斷裂韌性3.1概述，101.按傳統(tǒng)力學設(shè)計，工作應力σ?許用應力[σ]為安全。塑性材料[σ]＝σS/n脆性材料[σ]＝σb/n但是在σ《σS《σ－1情況下，也可產(chǎn)生斷裂，所謂低應力脆斷現(xiàn)象，傳統(tǒng)或經(jīng)典的強度理論無法解釋。傳統(tǒng)力學是把材料看成均勻的，沒有缺陷的，沒有裂紋的理想固體，但實際的工程材料，在制備，加工及使用過程中，都會產(chǎn)生各種宏觀缺陷乃至宏觀裂紋，傳統(tǒng)力學解決不了帶裂紋構(gòu)件的斷裂問題。斷裂力學就是研究帶裂紋體構(gòu)件的力學行為。102.按傳統(tǒng)力學設(shè)計，工作應力σ?許用應力[σ]為安全。102.

美國二戰(zhàn)期間：5000艘全焊接的“自由輪”，238艘完全破壞，其斷裂源多在焊接缺陷處，且溫度低，aK下降。1954年，美國發(fā)射北極星導彈，發(fā)射點火不久，就發(fā)生爆炸。例如103.美國二戰(zhàn)期間：5000艘全焊接的“自由輪”，238艘完全含裂紋體的斷裂判據(jù)固有性能的指標—斷裂韌性：用來比較材料拉斷能力，KIC,GIC,JIC,δC。用于設(shè)計中：KIC已知，σ，求amax。

KIC已知,ac已知，求σ構(gòu)件承受最大承載能力。KIC已知，a已知，求σ。討論：KIC的意義，測試原理，影響因素及應用。主要內(nèi)容104.含裂紋體的斷裂判據(jù)主要內(nèi)容104.

3.2Griffith斷裂理論

3.2.1理論斷裂強度

理論斷裂強度σC,即相當于克服最大引力σC

力與位移的關(guān)系：

原子間結(jié)合力隨距離變化示意圖

105.

3.2Griffith斷裂理論

3.2.1正弦曲線下所包圍的面積代表使金屬原子完全分離所需的能量(1)故（2）將（1）

代入（2）得

若以

代入可算出

106.正弦曲線下所包圍的面積代表使金屬原子完全分離所需的能量(1（金屬材料）

（陶瓷，玻璃）

原因：內(nèi)部存在有裂紋材料內(nèi)部含有裂紋對材料強度有多大影響？20年代，Griffith首先研究了含有裂紋的玻璃強度。

實際斷裂強度＜＜理論計算的斷裂強度3.2.2Griffith理論107.（金屬材料）（陶瓷，玻璃）原因：內(nèi)部存在有裂紋材料內(nèi)部無限寬板中Griffith裂紋的能量平衡108.無限寬板中Griffith裂紋的能量平衡108.斷裂應力和裂紋尺寸的關(guān)系：

Griffith公式因為

與

相似。

若取則實際斷裂強度只是理論值的1/100109.斷裂應力和裂紋尺寸的關(guān)系：Griffith公式因為與適用于當，裂紋尖端塑性變形較大，控制著裂紋的擴展時當時，就成為Griffith公式。當時，用Griffith公式。對金屬材料：裂紋尖端由于應力集中的作用，局部應力很高，但是一旦超出材料的屈服強度，就會發(fā)生塑性變形。裂紋擴展功主要消耗在塑性變形上，塑性變形功大約是表面能的1000倍。Orowan公式3.2.3Orowan的修正

110.適用于當，裂紋尖端塑性變形較大，控制著裂紋的擴展3.3裂紋擴展的能量判據(jù)Griffith的斷裂理論中，裂紋擴展的阻力為

Orowan斷裂理論中，裂紋擴展的阻力為設(shè)裂紋擴展單位面積所消耗的能量為R，則R＝

定義：

G表示彈性應變能的釋放率或為裂紋擴展力

111.3.3裂紋擴展的能量判據(jù)Griffith的斷裂理論中，裂G表示彈性應變能的釋放率或為裂紋擴展力定義G為裂紋擴展的能量率或裂紋擴展力，因為G是裂紋擴展的動力，當G達到怎樣的數(shù)值時，裂紋就開始失穩(wěn)擴展呢？R裂紋擴展單位面積所消耗的能量為R按Griffith斷裂條件（脆性）按Orowan修正公式（塑性）112.G表示彈性應變能的釋放率或為裂紋擴展力112.因為表面能，塑性變形功都是材料常數(shù)，令或

則有

為斷裂能量判據(jù)

是可以計算的，而材料的性能是可以測定的。因此可以從能量平衡的角度研究材料的斷裂是否發(fā)生。113.因為表面能，塑性變形功都是材料常數(shù)，或則有固定邊界和恒定載荷的Griffith準則能量關(guān)系對于固定邊界的Griffith準則能量關(guān)系恒載荷的Griffith準則能量關(guān)系114.固定邊界和恒定載荷的Griffith準則能量關(guān)系對于固定邊界線彈性斷裂力學的研究對象是帶有裂紋的線彈性體。它假定裂紋尖端的應力服從虎克定律(嚴格的說只有玻璃，陶瓷這樣的脆性材料才算理想的彈性體)。為使線彈性斷裂力學能夠用于金屬，必須符合：金屬材料的裂紋尖端的塑性區(qū)尺寸與裂紋長度相比是一很小的數(shù)值。3.4裂紋尖端的應力場

115.線彈性斷裂力學的研究對象是帶有裂紋的線彈性體。3.4線彈性斷裂力學適用范圍

高強度鋼。厚截面的中強度鋼（）低溫下的中低強度鋼因為塑性區(qū)尺寸很小，可近似看成理想線彈性體，誤差在工程上是允許的。116.線彈性斷裂力學適用范圍3.4.1三種斷裂類型根據(jù)裂紋體的受載和變形情況，可將裂紋分為三種類型：

張開型裂紋（或拉伸型）最危險，最重要的一種滑開型（或剪切型）裂紋撕開型裂紋117.3.4.1三種斷裂類型根據(jù)裂紋體的受載和變形情況，可將張開型裂紋（或拉伸型）滑開型（或剪切型）裂紋撕開型裂紋以上三圖均有鏈接118.張開型裂紋（或拉伸型）滑開型（或剪切型）裂紋撕開型裂紋以上三裂紋頂端附近的應力場3.4.2I型裂紋尖端力場

119.裂紋頂端附近的應力場3.4.2I型裂紋尖端力場119.

平面應力狀態(tài)（薄板）平面應變狀態(tài)（厚板）其中120.平面應力狀態(tài)平面應變狀態(tài)其中120.當時，即切應力為0，拉應力卻最大，裂紋容易沿著該平面擴展。應力強度因子

Y是與裂紋幾何形狀和位置決定的參數(shù)，K1表示裂紋尖端應力場的大小或強度?；?21.當時，由上述裂紋尖端應力場已知,裂紋尖端某一點的應力，位移，應變，完全由K1決定：K1稱應力強度因子，應力應變場的強弱程度完全由K1決定。K1決定于裂紋的形狀和尺寸，也決定于應力的大小。（不同平板有不同的表達式,K1可計算）K1表示裂紋尖端應力場的大小或強度。3.4.3應力強度因子K1122.由上述裂紋尖端應力場已知,裂紋尖端某一點的應力，位移，應變，3.5斷裂韌性和斷裂判據(jù)

3.5.1和臨界值平面應力（應力強度因子）（斷裂韌性）或（平面應變斷裂韌性）123.3.5斷裂韌性和斷裂判據(jù)3.5.1和臨界值平面

受外界條件影響的反映裂紋尖端應力場強弱程度的力學度量，它不僅隨外加應力和裂紋長度的變化而變化也和裂紋的形狀類型以及加載方式有關(guān)，但它和材料本身的固有性能無關(guān)。（斷裂韌性）或（平面應變斷裂韌性）的特性：反映材料阻止裂紋擴展的能力。124.受外界條件影響的反映裂紋尖端應力場強弱程度

是平面應力狀態(tài)下的斷裂韌性，它和板材或試樣厚度有關(guān)。而當板材厚度增加到達到平面應變狀態(tài)時，斷裂韌性就趨于一穩(wěn)定的最低值，這時與厚度無關(guān)，稱為平面應變的斷裂韌性是真正的材料常數(shù)，反映阻止裂紋擴展的能力。反映了最危險的平面應變斷裂情況。

125.是平面應力狀態(tài)下的斷裂韌性，它和板材或試樣厚度有關(guān)3.5.2斷裂判據(jù)當應力強度因子增大到一臨界值，這一臨界值在數(shù)值上等于材料的平面應變斷裂韌性時，裂紋就立即失穩(wěn)擴展，構(gòu)件就發(fā)生脆斷。于是斷裂判據(jù)便可表示為右邊為材料固有性能，左邊為外界載荷條件（包含裂紋的形狀和尺寸）應用工程中，對無限大平板中心含有尺寸為2a的穿透裂紋時，126.3.5.2斷裂判據(jù)當應力強度因子增大到一臨界值，這一臨3.6與的關(guān)系

（能量平衡觀點討論斷裂）（裂紋尖端應力場討論斷裂）

右邊反映材料固有性能的材料常數(shù)，是材料的斷裂韌性值。

與的關(guān)系：歷史上，先G后K，G：1921，GriffithK:1957,Orwin127.3.6與的關(guān)系（能量平衡觀點討論斷裂）（裂紋K和G的適用范圍斷裂判據(jù)為：這兩種斷裂判據(jù)是等效的，且可互相換算。但實際上要注意以下幾個方面：實際用K更方便，資料多

K實測更容易

G物理意義易理解(平面應力)（平面應變，）128.K和G的適用范圍斷裂判據(jù)為：(平面應力)（平面應變，影響斷裂韌性的因素如能提高斷裂韌性，就能提高材料的抗脆斷能力。外因：板材或構(gòu)件截面的尺寸，服役條件下的T，應變速率等。內(nèi)因：強度，合金成分和內(nèi)部組織。129.影響斷裂韌性的因素如能提高斷裂韌性，就能提高材料的抗脆斷能力3.8金屬材料的斷裂韌性的測定3.8.1試樣制備

測兩種：三點彎曲試樣和緊湊拉伸試樣裂紋缺口——鉬絲線切割加工0.12mm疲勞裂紋——高頻拉伸疲勞試驗機上預制為了測得穩(wěn)定的值，所規(guī)定的尺寸必須滿足：

（1）小范圍屈服（線彈性斷裂力學,對裂紋長度c應有規(guī)定，）

（2）平面應變,對試樣厚度上的要求。130.3.8金屬材料的斷裂韌性的測定3.8.1試樣制備測兩如：三點彎曲

1）塑性區(qū)尺寸

2）時，穩(wěn)定值。3）韌帶尺寸；，

偏低131.如：三點彎曲1）塑性區(qū)尺寸

滿足平面應變條件:

這個規(guī)定保證了試樣尺寸遠大于裂紋尖端塑性區(qū)的尺寸，使之滿足小范圍屈服和平面應變條件。試樣種類兩種：

三點彎曲

緊湊拉伸試樣3.8.2測試方法132.滿足平面應變條件:3.8.2測試方法13特點：預制裂紋記錄曲線－裂紋尖端張開位移

試樣制備133.特點：試樣制備133.P-V曲線2.確定PaPa是裂紋失穩(wěn)擴展時臨界載荷134.P-V曲線134.3.計算:

三點彎曲

緊湊拉伸可查表

檢驗的有效性（KQ是否平面應變狀態(tài)下的KIC？）

必須滿足平面應變條件：135.3.計算:三點彎曲緊湊拉伸可查表檢驗的有效性（

與的誤差不會超過10％若B不滿足，擴大厚度至1.5B重新試驗；若滿足，用的測。特別是高強度脆性材料對于塑性較好的材料，還必須考慮塑性區(qū)的修正，討論塑性區(qū)的大小，擴展所需能量主要消耗于塑性變形功，區(qū)域越大，消耗功越大。136.與的誤差不會超過10％若B不滿3.9彈塑性條件下的斷裂韌性指標（J積分，COD）

對中、低強度

研究方法：

（1）J積分（2）COD彈塑性斷裂力學線彈性斷裂力學，，等價的。

脆性：裂紋尖端有很高的應力集中→塑性區(qū)彈性：若塑性尺寸?裂紋尺寸，小范圍屈服137.3.9彈塑性條件下的斷裂韌性指標對中、低強度研究方法：3.9.1J積分:

斷裂能量判據(jù)

J積分的斷裂判據(jù)就是G判據(jù)的延伸，或?qū)⒕€彈性條件下G延伸到彈塑性斷裂時的J，表達形式G相似。類似于

在彈性條件下，J=G在彈塑性條件下，表達式相同，但物理概念有所不同

138.3.9.1J積分:斷裂能量判據(jù)J積分的斷裂判G：在線彈性條件下G的概念是一個含有裂紋尺寸為a的試樣，當裂紋尺寸擴展為a+da時系統(tǒng)能量的釋放率。J：在彈塑性條件下，則是兩個試樣，一個尺寸為的裂紋，而另一個試樣的裂紋尺寸為a+da，兩者在加載過程中形變功之差。J不能描述裂紋的擴展過程，不允許卸載情況發(fā)生。139.G：在線彈性條件下G的概念是一個含有裂紋尺寸為a的試樣，當裂J積分定義與G的比較140.J積分定義與G的比較140.測定中低強度材料

小尺寸試樣測定

，換算代替大試樣對平面應力對平面應變

表示裂紋開始擴展的判據(jù)。

J積分最大優(yōu)點141.測定中低強度材料小尺

3.9.2COD（CrackTipOpeningDisplacement）裂紋頂端張開位移——是一種裂紋頂端塑性應變的一種度量。

延伸的斷裂判據(jù)：對中低強度鋼，由于塑性大，往往在發(fā)生大范圍屈服甚至全面屈服時才發(fā)生斷裂。應變量：三點彎曲它是建立在經(jīng)驗基礎(chǔ)上的分析方法。應用范圍：壓力容器，管道的斷裂分析在工程上得到廣泛應用。142.3.9.2COD裂紋頂端張開位移——是一種臨界張開位移，是表示材料的斷裂韌性，即材料阻止裂紋開始擴展的能力。

判據(jù)都是裂紋開始擴展的斷裂判據(jù)，而不是裂紋失穩(wěn)擴展的斷裂判據(jù)，顯然，按這種設(shè)計是偏于保守的。裂紋先進入穩(wěn)態(tài)擴展階段，再失穩(wěn)擴展斷（略）

143.臨界張開位移，是表示材料的斷裂韌性，即材料判據(jù)都是裂紋開始擴3.10陶瓷材料的斷裂韌性與陶瓷增韌途徑3.10.1陶瓷材料

僅為2mm的陶瓷也滿足平面應變條件。但陶瓷材料斷裂韌性試樣中預制裂紋很困難，目前出現(xiàn)了眾多陶瓷材料斷裂韌性的測試方法：單邊切口梁法雙扭法壓痕法雙懸臂梁法短棒法各種方法各有利弊陶瓷與金屬材料的σS相差不大，但KIC相差很大。144.3.10陶瓷材料的斷裂韌性與陶瓷增韌途徑3.10.1陶3.10.2陶瓷增韌途徑1．相變增韌如從高溫到低溫發(fā)生如下轉(zhuǎn)變（立方相）

（正方相）

（單斜相）2．微裂紋增韌：促使主裂紋分叉。3．表面殘余壓應力：表面噴砂，快速冷卻，使膨脹導致壓應力。4．晶須或纖維增韌。

145.3.10.2陶瓷增韌途徑1．相變增韌如從高溫到低5．顯微結(jié)構(gòu)增韌。1）細化，納米2）晶粒形狀纖維柱狀晶6．復合增韌，兩種增韌機制復合在一起。鏈接146.5．顯微結(jié)構(gòu)增韌。6．復合增韌，兩種增韌機制復鏈接146.交變載荷即變動載荷，了解變動載荷的特性及表示方法：即大小，方向隨時間變化失效形式：疲勞斷裂

從工程應用觀點：研究金屬疲勞的一般規(guī)律，疲勞破壞過程及機理，疲勞力學性能及其影響因素，以便為疲勞設(shè)計和選用材料建立基本思路和提供基礎(chǔ)知識。第四章材料在交變載荷下的力

學行為

147.交變載荷即變動載荷，了解變動載荷的特性及表示方法：即大小，方三圖均為疲勞條紋148.三圖均為疲勞條紋148.在交變應力作用下的損壞為疲勞破壞零件80％以上的失效屬于疲勞破壞如軸類：火車軸為彎曲疲勞;汽車傳軸，后橋半軸為扭轉(zhuǎn)疲勞；柴油機曲軸和汽輪機主軸則為彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞復合；缸蓋螺栓大拉小拉應力狀態(tài)，拉－拉疲勞。連桿為小拉大壓狀態(tài)，叫拉-壓疲勞動態(tài)：當，循環(huán)次數(shù)后斷裂

4.1疲勞破壞的特點149.在交變應力作用下的損壞為疲勞破壞4.1疲勞破壞的特點14斷裂時并無明顯的宏觀塑性變形（突然破壞即使塑性好的材料），宏觀特征類似脆斷，但與脆斷不同（河流花樣），其宏觀斷口可見疲勞裂紋緩慢擴展過程，呈貝殼狀條痕；微觀斷口可見裂紋尖端明顯塑性變形及裂紋每周擴展距離。低應力脆斷清楚顯示裂紋的發(fā)生，擴展和最后斷裂三個組成部分。疲勞源＋疲勞裂紋擴展區(qū)＋斷裂區(qū)可預測疲勞壽命特點

150.斷裂時并無明顯的宏觀塑性變形（突然破壞即使塑性好的材料），宏疲勞斷口特征

由于缺口應力集中，形成疲勞源

裂紋擴展，形成貝殼狀或海灘狀條紋斷裂區(qū)的缺口

對塑性材料，為纖維狀對脆性材料，為結(jié)晶狀斷口

151.疲勞斷口特征由于缺口應力集中，形成疲勞源151.應變疲勞（LCF）：lowcyclesfatigue（低周疲勞）熱疲勞：ThermalFatigue,由溫度場造成的冷熱變化產(chǎn)生溫度應力（熱斷模，熱軋輪）。產(chǎn)生熱應力必須具備兩個條件：溫度變化和機械約束機械疲勞：ThermalMechanicalFatigue溫度循環(huán)＋機械應力循環(huán)疊加所引起疲勞應力疲勞(HCF),高周疲勞（highcyclesfatigue）腐蝕疲勞：（CorrosionFatigue）沖擊疲勞：在重復沖擊載荷作用下的疲勞斷裂。

疲勞破壞的分類152.應變疲勞（LCF）：lowcyclesfatigue（低4.2S-N曲線和疲勞缺口敏感度

對疲勞壽命的估算可以有三種方法：

S-N法

ε－N法斷裂力學計算

153.4.2S-N曲線和疲勞缺口敏感度

對疲勞壽命的估算可以有4.2.1S-N曲線和疲勞極限

S-N曲線是仿照火車軸的失效，用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗方法測得的。優(yōu)點：比較簡單,求得的能與其它疲勞的建立關(guān)系，可推廣到不對稱循環(huán)的疲勞強度。試驗條件：純彎曲完全對稱循環(huán)應力幅恒定次/分

小試樣有足夠大的過渡圓角。疲勞極限指循環(huán)次數(shù)107次的疲勞應力

154.4.2.1S-N曲線和疲勞極限

S-N曲線是仿照火車軸幾種材料的S-N曲線

155.幾種材料的S-N曲線

155.疲勞極限

指循環(huán)次數(shù)107次的疲勞應力

光滑試樣的疲勞極限和材料的抗拉強度有一定的經(jīng)驗關(guān)系當＜1200-1400MN/m2，光滑試樣的與呈直線關(guān)系，/≈0.5鋼的成分和組織對其影響不大。對Al：/＝0.3-0.35

156.疲勞極限

指循環(huán)次數(shù)107次的疲勞應力光滑試樣的疲勞極限4.2.2不對稱循環(huán)應力下的疲勞極限和疲勞圖

幾種常見零件的應力循環(huán)157.4.2.2不對稱循環(huán)應力下的疲勞極限和疲勞圖

幾種常見零件任一循環(huán)應力都可分解為平均應力和應力半幅σa應力范圍：

應力半幅：

平均應力：應力比：

R＝－1，完全對稱，R＝0，脈動,R＝1,靜載在保證一定壽命的前提下，當158.任一循環(huán)應力都可分解為平均應力和應應力范圍：應力半幅：平均應力對疲勞壽命的影響G關(guān)系：脆性材料Ger關(guān)系：塑性材料S關(guān)系：