材料科學(xué)與工程進(jìn)展1力學(xué)性質(zhì)

第一講力學(xué)性質(zhì)一、概述力學(xué)性質(zhì)：是指資料在外應(yīng)力作用下的行為。常用的力學(xué)性質(zhì)：E——彈性模量，描畫應(yīng)力和應(yīng)變之間的比例關(guān)系。σ——屈服強(qiáng)度，資料發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力；G——硬度，描畫資料軟硬的程度。資料在外力的作用下將發(fā)生外形和尺寸變化，稱為變形。外力去處后可以恢復(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實(shí)驗(yàn)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妨礙的熱激活過程，它依賴于溫度T和應(yīng)變速率。(2)高溫冪律蠕變：T>0.4Tm時，原子分散和位錯攀移作用明顯表現(xiàn)出來。蠕變：資料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力下，發(fā)生緩慢塑性變形的景象。蠕變強(qiáng)度：金屬在一定溫度下，一定時間內(nèi)產(chǎn)生一定變形量所能接受的最大應(yīng)力。(600℃、1000hr、0.1%變形量)耐久強(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，需求位錯在晶格中的分散。(3)分散蠕變：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)展時，空位的定向分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，其空位構(gòu)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，因此構(gòu)成了在晶粒內(nèi)部的空位分散。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，空位沿晶界分散。1、彈性和剛度彈性：目的為彈性極限e，即資料接受最大彈性變形時的應(yīng)力。剛度：資料受力時抵抗彈性變形的才干。目的為彈性模量E。

e彈性模量的大小主要取決于資料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化資料的手段如熱處置、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小?？梢越?jīng)過添加橫截面積或改動截面外形來提高零件的剛度。

陶瓷強(qiáng)度的測定：a.彎曲強(qiáng)度：三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)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)度替代，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，特別適宜于制造接受緊縮載荷作用的零部件。2、強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度：資料在外力作用下抵抗變形和破壞的才干。屈服強(qiáng)度s：資料發(fā)生微量塑性變形時的應(yīng)力值。條件屈服強(qiáng)度0.2：剩余變形量為0.2%時的應(yīng)力值?？估瓘?qiáng)度b：資料斷裂前所接受的最大應(yīng)力值。s0.2

塑性：資料受力破壞前可接受最大塑性變形的才干。

目的為：伸長率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮景象闡明：①用面縮率表示塑性比伸長率更接近真實(shí)變形。②直徑d0一樣時，l0，。只需當(dāng)l0/d0為常數(shù)時，塑性值才有可比性。當(dāng)l0=10d0時，伸長率用表示；當(dāng)l0=5d0時，伸長率用5表示。顯然5>③>時，無頸縮，為脆性資料表征<時，有頸縮，為塑性資料表征3、硬度資料抵抗外表部分塑性變形的才干。布氏硬度HB布氏硬度計

壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的資料。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以下的資料。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、載荷及載荷堅持時間。如120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf〔9.807kN〕載荷作用下堅持30s測得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：丈量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺陷：壓痕大，不能用于太薄件、廢品件及比壓頭還硬的資料。適于丈量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。資料的b與HB之間的閱歷關(guān)系：對于低碳鋼:b(MPa)≈3.6HB對于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB對于鑄鐵：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵洛氏硬度h1-h0洛氏硬度測試表示圖洛氏硬度計洛氏硬度用符號HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為運(yùn)用的標(biāo)尺HRA用于丈量高硬度資料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于丈量低硬度資料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于丈量中等硬度資料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺陷：丈量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕維氏硬度維氏硬度計維氏硬度實(shí)驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷堅持時間。根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法—維氏硬度實(shí)驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度實(shí)驗(yàn)、顯微維氏硬度實(shí)驗(yàn)。維氏硬度保管了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。小負(fù)荷維氏硬度計顯微維氏硬度計二、斷裂1.斷裂：含裂紋體承載到達(dá)臨界值時，致使裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，最終產(chǎn)生破壞的景象。2.

斷裂的根本方式：延性斷裂和脆性斷裂。3.斷裂機(jī)理：(1)微孔集結(jié)斷裂(韌性斷裂)斷口上出現(xiàn)拋物線型的韌窩，主要是金屬和高聚物的斷裂機(jī)理；(2)解理斷裂(脆性斷裂)是一種低能量斷裂，也是晶體資料中最脆的一種斷裂；沿晶體中解理面斷開原子鍵而引起的斷裂，非常平坦，一晶粒內(nèi)的解理裂紋具有平直性；一個晶粒內(nèi)的一條解理裂紋可同時在兩個平行的解理面上擴(kuò)展，構(gòu)成解理臺階。

(3)晶界斷裂裂紋擇優(yōu)沿晶界擴(kuò)展而引起的斷裂；也是一種低能量脆性斷裂，斷口呈現(xiàn)顆粒狀形貌。

三、韌性1.韌性：是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)，是資料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的才干。強(qiáng)度：資料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的才干。塑性：資料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的才干。常以延伸率和斷面收縮率來表征。圖中為單向拉伸條件下兩種鋼光滑試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。單位體積資料的彈性應(yīng)變能(Uoe)為：

式中，σp為比例極限，εp為對應(yīng)于σp的彈性應(yīng)變，E為彈性模量。Uoe也就是△OAB(或△OA’B’)的面積，表示彈性。同樣，用單位體積資料在變形和斷裂全過程中吸收的能量(UOT)表示韌性，也可用單位體積資料在塑性變形和斷裂全過程中吸收的能量(Uop)表示韌性，普通用UOT表示韌性。高碳彈簧鋼：Uoe=面積OABUop=面積BACDUoT=面積OACD低碳構(gòu)造鋼：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)斷裂時的應(yīng)變εf遠(yuǎn)大于εe時，UoT≈Uop，韌性的兩種定義近似一致。圖中兩種鋼的彈性模量一樣，但高碳彈簧鋼的σp及對應(yīng)的εe較大，故彈性較大，在彈性范圍內(nèi)能儲存的彈性應(yīng)變能較多，有較大的回彈力。其抗拉強(qiáng)度σb雖大于低碳構(gòu)造鋼，但εf卻遠(yuǎn)小于低碳構(gòu)造鋼，綜合σb及εf，高碳彈簧鋼的韌性低于低碳構(gòu)造鋼。2.韌性的劃分：(1)光滑試樣——如上圖所示，用應(yīng)力—應(yīng)變曲線下的面積大小來表征韌性的高低；(2)缺口試樣——工程上慣用沖擊韌性，即沖斷給定缺口試樣所耗費(fèi)的功，或試樣在沖擊條件下從形變到斷裂全過程所吸收的能量。有αk及Cv，分別為U形和V形缺口。(3)裂紋試樣——對于平面應(yīng)變條件有GIC及JIC，分別為線彈性及彈塑性范圍內(nèi)裂紋擴(kuò)展單位面積所需的能量。對于直線穿透型裂紋沿裂紋面擴(kuò)展時，有：

裂紋試樣的韌性俗稱斷裂韌性，本質(zhì)上是裂紋斷裂韌性。3、沖擊韌性是指資料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的才干。目的為沖擊韌性值ak(經(jīng)過沖擊實(shí)驗(yàn)測得)。韌脆轉(zhuǎn)變溫度資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景象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。資料的運(yùn)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。TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體資料的質(zhì)量直接有關(guān)Titanic號鋼板〔左圖〕和近代船用鋼板〔右圖〕的沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板4.斷裂韌性油輪斷裂和北極星導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)殼體爆炸與資料中存在缺陷有關(guān)1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈裂紋擴(kuò)展的根本方式應(yīng)力強(qiáng)度因子：描畫裂紋尖端附近應(yīng)力場強(qiáng)度的目的。斷裂韌性：資料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的才干。C為斷裂應(yīng)力，aC為臨界裂紋半長，單位為四、疲勞強(qiáng)度1.疲勞強(qiáng)度：被測資料抵抗交變載荷的性能。2.疲勞資料在低于s的反復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的景象。資料在規(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。用-1表示。鋼鐵資料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。疲勞應(yīng)力表示圖疲勞曲線表示圖◆特點(diǎn)1：無論是脆性資料，還是塑性資料，疲勞斷裂均不產(chǎn)生明顯的塑性變形；特點(diǎn)2：裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展區(qū)呈“貝殼〞花樣，最后