材料力学性能课件.ppt

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1、.,1,1.1 材料在静拉伸时的力学行为概述静拉伸：是材料力学性能实验中最基本的 试验方法。拉伸曲线：应力-应变曲线，可求出许多主 要性能指标。 如：弹性模量E：零件刚度设计。 屈服强度s，抗拉强度b:强度设 计，交变载荷 塑性，断裂前的应变量： 冷热变形时 的工艺性能。,第一章 材料在静载下的力学性能,.,2,.,3,应力应变曲线,应力应变曲线(F0不变）,弹性变形 屈服变形 均匀塑性变形 局部塑性变形 真应力-应变曲线（-代表）,.,4,:比例极限 E:弹性极限 LY:屈服强度（下）UY：屈服强度（上）B：强度极限 b: 抗拉强度 p: 应力与应变成正比关系的最大应力。 p=FP/F0E

2、:由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。 E =FE /F0,.,5,不同材料，其应力应变曲线不同，如：,.,6,1.2 金属材料的弹性变形 1.2.1 广义虎克定律,弹性模量 E = X /X X轴方向， 同轴，描写材料正应力条件虎克定律：单位应变产生的单位应力（单向应力）,物理意义：表示原子之间的结合力，它是组织不敏感元素描写材料切应力：切变模量G = XY / XY泊桑比：= XX /XY关系式：G = E/2（1+）比弹性模量= 弹性模量 / 密度,对完全各向同性材料 = 0.25对金属值约为0.33（或1/3）当=0.25时，G=0.4E； 当=0.33时，G=0.375E弹性常数4

3、个： E，G，KK=m/=E/3(1-2) -单位体积变形 K体弹性模量 m= (x+y+z)/3若=0.33，则KE只要已知E和，就可求出G和K ， 由于E易测，因此用的最多。,.,7,1.2.2 弹性模量的技术意义,技术意义： E，G称为材料的刚度，它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力 影响E的特征因素： 与原子序数有周期性关系 E=K/m K，m1特征常数，原子半径 E 温度T： T 原子结合力下降，E 加载速度：对E 影响不明显 合金化（加入某种金属），热处理对E影响不明显。,.,8,机械设计中，刚度是第一位的，它保证精度，曲轴的结构和尺寸常常由刚度决定，然后强度校核。不同类型的材料

4、，其弹性模量差别很大。材料弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，可以说它是一个对组织不敏感的性能指标（对金属材料），而对高分子和陶瓷E对结构和组织敏感。熔点高，E E W =2EFe EFe=3EAl零件的刚度与材料的刚度不同，它除了决定于材料的刚度外还与零件的截面尺寸与形状，以及截面积作用的方式有关。,.,9,1.2.3 弹性比功,弹性比功：为应力-应变曲线下弹性范围所吸收的变形功的能力,又称弹性比能，应变比能。 即弹性比功=e2/2E =ee/2 其中e为材料的弹性极限，它表示材料发生弹性变形的极限抗力,.,10,弹性比功,理论上：弹性极限的测定

5、应该是通过不断加载与卸载，直到能使变形完全恢复的极限载荷。实际上：弹性极限的测定是以规定某一少量的残留变形（如0.01%）为标准，对应此残留变形的应力即为弹性极限。,.,11,理想的弹簧材料：应有高的弹性极限和低的弹性模量。 成分与热处理对弹性极限影响大，对弹性模量影响不大。仪表弹簧因要求无磁性，铍青铜，磷青铜等软弹簧材料。eEa e,.,12,优点：滞后环面积，它可以减少振动，使振动幅度很快衰减下来。缺点：精密仪器不希望有滞后现象高分子滞弹性表现为粘弹性并成为普遍特性，高分子弹性与时间有关。,弹性滞后环(链接),1.2.4 滞弹性 应变落后于应力的现象，这种现象叫滞弹性。,.,13,1.2.

6、5 包辛格（Baushinger）效应 弹性不完整性,定义：指原先经过变形，然后反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。值度量包辛格效应的大小。 单循环或多循环后，都有包辛格效应,包辛格效应示意图(有链接),.,14,T10钢的包辛格效应,条件：T10钢淬火350回火拉伸时，曲线1 0.2=1130M Pa 曲线2事先经过预压变形再拉伸时,0. 2 =880M Pa,.,15,包辛格效应理论解释,原先加载变形时,位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍,塞积后产生了背应力,当反向加载时,位错运动的方向与原来方向相反,背应力帮助位错运动,塑性变形容易,导致屈服强度,另外,反向加载时,滑移面上产生的位错

7、与预变形的位错异号,异号位错抵销,引起材料软化,屈服强度。,.,16,理论上:由于它是金属变形时长程内应力的度量(可用X光方法测定) ,所以,包辛格效应可用来研究材料加工硬化的机制. 工程上: 材料加工工艺时,需要注意或考虑包辛格效应. 输油管UOE工艺 包辛格效应大的材料，内应力较大。 包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系,包辛格效应的应用,.,17,清除包辛格效应的方法,预先进行较大的塑性变形,或在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火,如钢在400-500以上.,.,18,1.3 金属材料的塑性变形,塑性变形的方式和特点常见的塑性变形方式为滑移和孪生滑移是金属材料在切应力

8、作用下,沿滑移面和滑移方向进行的切变过程. 滑移面滑移方向=滑移系 滑移系越多,塑性孪晶是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式,孪晶变形可以调整滑移面的方向,使新的滑移系开动,间接对塑性变形有贡献.(滑移受阻孪生,变形速度加快),.,19,1.3.1 屈服强度及其影响因素,屈服标准 S定义: 材料开始塑性变形的应力.工程上常用的屈服标准有三种比例极限P: 应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力.SP 弹性极限el: 材料能够完全弹性恢复的最高应力. elP工程上用途不同区别,枪炮材料要求高的比例极限,弹簧材料要求高的弹性极限 屈服强度0. 2或ys : 以规定发生一定的残留变形为标准,通常

9、为0.2%残留变形的应力作为屈服强度.,.,20,比例极限P,弹性极限el,屈服强度0. 2或ys 这三种标准在测量上实际上都是以残留变形为依据,只不过规定的残留变形量不同,所以国家规定三种规范.规定非比例伸长应力(P) 0.01或0.05规定残留伸长应力() r0.2规定总伸长应力(t) t0.5注意：P和t是在试样加载时直接从应力-应变曲线上测量的, 要求卸载测量。,.,21,1. 影响屈服强度的因素,结合键: 金属金属键 高分子范德华力 陶瓷共价键或离子键 组织: 四种强化机制影响ys 固溶强化 形变强化 沉淀和弥散强化 晶界和亚晶强化 其中沉淀强化和晶粒细化是工程上常使用提高 ys 的

10、手段。 前三种机制提高ys,但是降低,只有第四种提高 ys又提高。,内在因素:结合键,组织,结构,原子本性,.,22,外在因素 温度+应变速率+应力状态,温度因素： 高温时,钢性能高低温时,钢性能高 并非高温性能好的钢低温性能也好。（体心立方金属对温度更敏感）,.,23,应变速率和应力状态(应力集中)的影响,应力状态(扭转、应力集中)的影响引出应力集中系数Kt, (尖角), 越尖, Kt若缺口敏感:R1 强化,.,24,YS的工程意义,YS的工程意义: 许用应力：单向、多向。 是指材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量（不是越高越好）：如:YS,对应力腐蚀和氢脆就敏感YS,冷加工成型性能和焊接

11、性能好YS是材料性能中不可缺少的重要指标,.,25,1.3.2 加工硬化和真应力-应变曲线,真实应变与条件应变相比有两种明显的特点: 条件应变往往不能真实反映或度量应变。（拉伸与压缩）真实应变可以叠加,可以不记中间的加载历史,只需知道试样的初始长度和最终长度（条件应变不能） 两者关系:条件应变真实应变,真应力-应变曲线(流变曲线) 真应力S=F/A 真实应变,.,26,真应力-应变关系:从试样开始屈服到发生颈缩，这一段应变范围中真实应力和真应变的关系，可用以下方程描述 S=Kn Hollomon 关系式式中n称为加工硬化指数或应变硬化指数，K叫做强度硬化指数。S真应力 真应变若取对数， lnS

12、=lnK+nln,2.真应力-应变关系,.,27,图1-6 双对数座标上的Hollomon关系,图1-7 n的变化范围图,理想弹性体：n1 ；理想塑性体：n0n的取值范围：01一般金属：n0.10.5,.,28,注意：加工硬化速率ds/d 与加工硬化指数n并不等同,n=dlnS/dln=ds/Sd 即ds/d=nS/ 在相同变形时的情况下，n ds/d 对有些金属材料:象双相钢，一些铝合金和不锈钢 不能用S=Kn方程描述。在lnS-ln图中会得到两段不同的斜率的直线，称为双n行为，它使得n的意义模糊和复杂化，要寻求其他方程形式来表征真应力-应变关系。,.,29,3. 加工硬化指数n的实际意义,

13、反映了材料开始屈服以后，继续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力。（b或Sb）1)金属的加工硬化指数（能力），对冷加工成型很重要（n决定开始颈缩时的最大应力和最大均匀变形量，n=0材料能否冷加工？） 。低碳钢有较高的n,n约为0.2。 汽车身板铝合金化 ，其n值较低，冷加工或冲压性能差。2)对于工作中的零件，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证。3)形变强化是提高材料强度的重要手段。,.,30,举例,不锈钢：n=0.5,因而也有很高的均匀变形量，YS不高，但可用冷变形可成倍的提高高碳钢丝：经过铅浴等温处理后冷拔，可达2000M Pa以上，但这些传统

14、方法YS复相钢：（即能提高YS，又能） a.铁素体+马氏体钢 b.+M,或+贝氏体利用多相组织增强形变强化的例子，利用受力变形时M是形变硬化作用增强的特点，达到推迟颈缩的目的。,.,31,图1-9 复相钢的应力应变曲线普通碳钢，控制轧制的SAE950 x和980低合金高强度刚（屈服点分别为345和550MN/m2)以及临界区淬火SAE980 x,图1-10 贝氏体-奥氏体钢的应力应变曲线（a) 低奥氏体含量（b)最佳奥氏含量（c)高奥氏体含量,在工程上：对冷加工成型的低碳钢，其加工的硬化指数n可通过屈服强度ys 估算： ys M Pa=70/n n ys与b差值越大，即S/B ,.,32,颈缩

15、条件：应力-应变曲线上的应力达到最大值时，即开始出现颈缩，颈缩前是均匀变形，颈缩后是不均匀变形，即局部变形,颈缩条件：ds/d=S 当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩。,1.3.3 颈缩条件和抗拉强度,.,33,抗拉强度在材料不产生颈缩时抗拉强度代表断裂抗力,脆性材料：设计时，其许用应力以抗拉强度为依据。,塑性材料：代表产生最大均匀塑性变形抗力，但它表示了材料在静拉伸条件下的极限承载能力（对吊钩、钢丝绳是必要的）。易测定，重现性好，作为产品规格说明或质量控制的标志。取决于b 和n，n不能直接测量，可通过b 和S 间接了解材料加工硬化情况。b 能和材料的疲劳极限-1和材料的硬度H B 建

16、立一定关系 对淬火回火钢：-1b b0.345 H B,因此，b被列为材料常规力学性能的五大指标之一五大指标：S，b，a K,.,34,塑性的测量 (有链接)塑性的定义：指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。工程上常用条件塑性而不是真实塑性，拉伸时条件塑性以延伸率和断面收缩率表示。,条件塑性=（l-l0）/l0100% U =lU /l0 (均匀变形延伸率)N (局部变形延伸率)=ln/l0 l试样断裂后的标距长度 l0试样原始标距长度,1.3.4 塑性的度量及其实际意义,.,35,（塑性变形）=均匀塑性变形+集中塑性变形5:l0=5d0(小试样) 1 0:l0=10d0（大试样）（试样长度对有

17、影响?)gt:最大力下的总伸长率表示材料塑性，最大力下的总伸长率指试样材料拉伸时产生的最大的均匀塑性，变形是工程应变，gt对于评定冲压板材的成型能力是很有用的。真实应变 B =ln(1+gt)对于退火，正火或调质态的低、中碳钢来说，测出gtBn,.,36,断面收缩率：=（A0-A）/A0100%A0试样原始横截面能A1- 缩颈处最小横截面积,U=AU/A0 n =An/A0 f=(A0-Af)/A0若形成颈缩，若不形成颈缩，比对组织变化更为敏感,.,37,塑性的实际意义,金属材料的塑性指标是安全力学性能指标； f 材料均匀变形的能力。 f 局部变形的能力。 塑性对压力加工是很有意义的。加工硬化

18、 塑性大小反映冶金质量的好坏，评定材料质量。 细化晶粒，碳化指数。,.,38,1.3.5 静力韧度（能量指标）,定义：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。 是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合,链接,.,39,1.4 金属材料的断裂1.4.1 静拉伸的断口(3种情况),.,40,（a）(b)：断口齐平，垂直于最大拉应力方向， ，只有少量均匀变形，铸铁，淬火+ 低回火高碳钢。 （e）： 塑性很好，试样断面可减细到近于一尖 刀，然后沿最大切应力方向断开。 如纯Au、Al。 (c) (d) ： 都出现颈缩，只是程度不同，试样中心 先开裂，然后向外

19、延伸，接近表面时沿最 大切应力方向斜面断开，断口形状如杯口状。,.,41,但是，正断不一定就是脆断，也可以有明显的塑性变形。 切断是韧断，但反之不一定成立，韧断不一定是切断，韧断与切断并非是同义词,.,42,拉伸试样的宏观断口,对拉伸试样的宏观断口观察：三个区域中心区叫做纤维区放射区剪切唇这三个区域的比例关系与材料韧断性能（塑性）有关，若材料的硬度和强度很高，又处于低温环境，断面上有许多放射状条纹，并汇聚一个中心。,链接,.,43,无缺口拉伸试样,断口和三个断裂区示意图,冲击试样和三个断裂区示意图,.,44,1.4.2 韧断机制微孔聚合,利用SEM，微孔分成：微孔聚合型解理和准解理型晶间断裂

20、疲劳断裂 在SEM，微孔聚合型断裂的形貌是一个个韧窝，韧窝是微孔长大的结果，韧窝中包含着一个夹杂物或第二相，这证明微孔多萌生于夹杂物或第二相与基体的界面上。,颈缩试样锯齿状拉伸断口形成过程示意图,.,45,由于应力状态或加载方式的不同，韧窝可有三种类型 拉伸型的等轴状韧窝剪切型的伸长韧窝 拉伸撕裂的伸长韧窝韧窝的形状取决于应力状态，而韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量分布以及基体的塑性变形能力，韧窝大而深，塑性好，大而浅，加工硬化能力强。,.,46,20CrMo淬火高温回火断口微孔聚合型(微孔多萌生于碳化物界面),.,47,1.4.3 穿晶断裂解理和准解理,解理断裂：为脆性断裂（宏观)(体心立

21、方，密排 六方金属)解理面：沿着一定的结晶学平面发生的 ，这个 平面叫解理面微孔断口形貌：河流状花样，河流的流向为裂纹扩展方向，裂纹多萌生于晶界或亚晶界 河流状花样：实际上是许多解理台阶，不是在单一的晶面上,.,48,解理断裂,.,49,解理阶,.,50,解理羽毛,.,51,准解理断裂,实际上也有一定的塑性变形，如：贝氏体钢中、 高强度钢 它是解理和微孔聚合的混合断裂 相似点:有解理面、河流花样不同：主裂纹的走向不太清晰，原因是主裂纹前方常产生许多二次裂纹； 晶粒内部有许多撕裂棱，撕裂棱附近有许多变形；裂纹多萌生于晶粒内部，裂纹的扩展从解理台阶逐渐过渡向撕裂棱。,.,52,准解理断裂,.,53

22、,准解理,.,54,1.4.4 力学状态图的断裂分析,应力状态系数 一个材料的塑性或脆性并不是绝对的，受应力状态的影响。例：铸铁 压韧，拉脆 韧性低碳钢 光滑，缺口 为了表示应力状态对材料塑性变形的影响，引入应力状态系数,分别为最大和最小主应力,为泊松比,.,55,对单向拉伸：,扭转：,单向压缩：,取,表示材料塑性变形的难易程度。 大在该应力状态下切应力分量越大，塑性变形易；称软的应力状态，相对于 的应力状态而言，不易引起脆断。反之，称硬的应力状态。,.,56,影响断裂的内在因素是材料本性，如s,b 外在因素：应力状态，温度和加载速度力学状态图就是将四因素综合在一个图中，从图中可定性的判断材料

23、发生何种断裂,2.力学状态图,温度、载荷速度影响s 、f*的相对位置。,.,57,1.7 金属的硬度,硬度：是指金属在表面上的不大体积内抵抗变形或破裂的能力，硬度是生产上广泛应用的性能指标，可估算其他性能指标。究竟它表征哪一种抗力，则决定于采用的试验方法。,.,58,A 抵抗变形能力：压入法型硬度试验：测布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度，显微硬度，统称压入硬度。可测量脆性材料（陶瓷材料）的硬度，表面处理的工件。 B. 抵抗破裂能力：刻划片型硬度试验：刻划硬度 C. 抵抗金属弹性变形能力：回跳法(肖氏硬度）大型工件,实验方法,.,59,硬度与其他性能指标的关系,以压入法为例：,对Cu及合金和不锈钢

24、K=0.4-0.55 对钢铁材料 K=0.33-0.36旋转弯曲疲劳极限,所以硬度知道，其他相关性能，根据经验公式可估算又方便，不毁工件，在生产上得到广泛应用,几种硬度值在应力应变曲线上的位置,.,60,硬度实验,布氏硬度和洛氏硬度的测定,.,61,1.7.2 布氏硬度布氏硬度的测定原理,在直径D的钢珠上，加一定负荷P，压入被测试样金属的表面，根据金属表面痕的凹陷面积计算出应力值。,式中t为压痕凹深度；Dt为压痕凹陷面积,在P和D一定时，HB1/t t测量困难 df(t),.,62,布氏硬度的测定原理的图示,根据不同d值，可查表或计算出HB值。oab关系中,代入前式,链接,.,63,0.2Dd

25、 0.5D P和D应在压入角相等，才能保证同一材料得到同样的HB值，生产上常用的P/D2值规定。30，10，2.5三种 保持时间1060秒 布氏硬度试验方法和技术条件在国标GB231-84中有明确规定,布氏硬度测定的注意事项,.,64,布氏硬度的优缺点和适用范围,优点：代表性全面，能反映表面较大体积范围内各组成相综合性能指标，数据稳定缺点：钢球本身变形问题，对HB450以上硬材料，不能使用。所以，不允许有较大压痕的工件，也不宜于薄件试样。,.,65,定义：用压痕深度大小作为标志硬度值高低的洛氏硬度试验，而布氏硬度以测定压痕面积来计算硬度值。测定原理：是在载荷P0及总载荷P 分别作用下，将金刚石

26、（较硬）圆锥（位角120 0）或钢球（1.5888 ）压入较软试样表面，然后卸除主载荷P1,在初载荷下用测量的e值计算洛氏硬度，e值为卸除主载荷后，在初载荷下的压痕深度残余均是用0.002mm为单位表示。,1.7.3 洛氏硬度,链接,.,66,优点：压痕少，操作简单，易直接读出，不存在压头变形问题。缺点：稳定性差，多测几个点平均，不同硬度级测量。硬度值无法统一起来；晶粒粗大缺乏代表性 HRC=0.2-t 常用HRA(金刚石圆锥压头)，HRB(钢球压头)，HRC（金刚石圆锥压头）,洛氏硬度的优缺点,.,67,1.7.4 维氏硬度,维氏硬度试验的两大特点 负载可任意选择 通过维氏硬度试验和通过布氏

27、硬度试验所得到的硬度值完全相等缺点：生产效率没有HR高。 通过测对角线，适用于硬质的材料,D,.,68,原理与维氏硬度一样，只是载荷小，大致在100gf500gf.压头有两种：1）维氏压头，金刚石四方锥 2）努氏压头：菱形的金刚石锥体,A是投影面积而不是压痕面积，l是对角线的长度m,c是提供的常数,用途：测量尺寸小或很薄的零件。 显微组织的硬度。缺点：效率低。,1.7.5 显微硬度,链接,链接,.,69,几种硬度计,.,70,习题,如今有如下工件，需测试硬度，试说明采用何种硬度试验方法适宜？ 1）渗碳层中的硬度分布 2）淬火钢件 3）灰铸铁 4）鉴别钢中残余和隐晶M 5）硬质合金 6）陶瓷涂层

28、,链接,.,71,曲线1：聚碳酸脂（PC），聚丙稀（PP）和高抗冲聚苯乙烯（HTPS）衡速拉伸 曲线2：ABS塑料，聚甲醛（POM）和增强尼龙（GFPA）等 曲线3：增强聚碳酸脂（GFPC），聚苯乙烯（PS），发生脆断,聚合物材料的拉伸载荷-伸长曲线,1.8 聚合物的静强度,.,72,指出：金属的缩颈与聚合物缩颈有重大差别。聚合物缩颈后会发生均匀塑性变形，缩颈区沿长度方向扩展。解释：分子链由未取向向取向状态转化。聚合物的性能特点：强烈的受温度和载荷作用时间的影响，力学性能变化幅度大 1)密度小 2)高弹性 3)E小 4)粘弹性明显,聚合物的颈缩,.,73,晶态聚合物的弹性模量 弹性模量与金属相

29、似，取决于分子键的作用力， 范德瓦尔力，氢键，偶极，但是，沿晶态聚合物分子键方向加载与垂直于分子链方向加载时，其弹性模量相差很大（12个数量级）,非晶态聚合物的弹性模量 大小实质上也是反映了分子链与分子链间键合力与位能的变化，非晶态与晶态不同，沿不同方向加载时差别小，弹性E也小。,1.8.2 聚合物的弹性模量,聚合物的E对结构非常敏感,这与金属和陶瓷不同,.,74,影响聚合物的弹性模量的因素,下列因素的增加，E 1) 主键热力学稳定性的增加 2）结晶区百分比的增加 3）分子链填充密度的增加 4）分子链拉伸方向取向程度的增加 5) 聚合物晶体中链端适应性增强 6) 链折叠程度的减小,.,75,聚

30、合物受力后产生的变形是通过调整内部分子构象实现的。 粘弹性：具有慢性的粘性流变，表现为滞后环，应力松弛和蠕变。上述现象均与温度，时间，密切相关。 聚合物另一种特殊的弹性变形行为是高弹态，如橡胶 橡胶的特点：1）E很小，而变形量很大。一般Cu,Fe的E只有1-2，而橡胶1000。 2）形变需要时间 3）形变时有热效应，热弹性效应；在伸长时发热，回缩时吸热，这种热效应随伸长率而增加。,链接,.,76,1.9 陶瓷材料的静强度,陶瓷是当代三大固体材料之一 工程陶瓷 SiN4,SiC,Al2O3,ZrO2 特点：耐高温，硬度高，E高，耐磨，耐蚀，抗蠕变性能好,.,77,材料在静拉伸载荷作用下，经过弹性

31、变形加塑性变形加断裂三个阶段。 E E原子间键合强度越大。 E工程技术意义：反映材料刚度大小。,1.9.1 陶瓷材料的拉伸曲线与弹性变形,.,78,E陶E 如 Al:E=65G Pa Al2O3：E=390Mpa 钢:E=200Gpa SiC:E=470G Pa 陶瓷材料E:不仅与结合键（离子键和共价键）有关，还与陶瓷结构及气孔率有关，而金属材料E是一个极为稳定的力学性能指标，合金化，热处理，冷热加工难以改变它的数值。但陶瓷的工艺过程却对陶瓷材料的E有着巨大的影响。 如气孔率P较小时，E=E0(1-KP) K为常数，E0是无气孔时的E0 陶瓷材料（特别是气孔率较高时） E压 E拉 且E压 E拉

32、 而金属 E压=E拉,陶瓷材料E的特点,.,79,因为陶瓷材料塑性差，拉伸时，若夹头不对轴，断裂往往发生在夹头处，测不出真实的f ,所以，一般均采用弯曲试验。三点或四点弯曲,跨距为2030mm，尺寸：（34）*（45）*（3040）mm三点弯曲时：四点弯曲时：,P为断裂载荷（N） L为下支点间跨距（mm）l为上支点间跨距（mm）（对4点弯曲） b为试样宽度（mm） h为试样厚度（mm）,1.9.2 陶瓷材料的抗弯强度,.,80,1.9.3 陶瓷材料的断裂与断裂强度,理想晶体的断裂强度为 其中 为理论断裂强度, E为弹性模量 , 为材料比表面能 , 为原子间距离 陶瓷材料断裂强度理论值与实测值相

33、差巨大可用格里菲斯裂缝强度理论得到满意解释,.,81,陶瓷材料尽管本质上应该具有很高的断裂强度，但实际断裂强度却往往低于金属。陶瓷压 拉，其差别程度远远超过金属气孔和材料密度对陶瓷断裂强度有重大影响,陶瓷材料断裂强度的特点,.,82,概念：包辛格效应，弹性比功，解理面，穿晶断裂 力学性能指标意义： E主要决定于什么因素，对金属材料为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标。 试举出几种能显著强化金属而不降低其塑性的方法。 设条件应力为，其实应力为S，试证明 S ,思考题与习题,.,83,2.1 缺口对材料性能的影响 大多数机构或构件、零件都含有缺口，如键槽，油孔，台阶，螺纹等。缺口对材料的性能

34、影响有以下四个方面： 缺口产生应力集中 引起三向应力状态,使材料脆化由应力集中产生应变集中 使缺口附近的应变速率增高,第二章 缺口，温度和应变速率对材料性能的影响,.,84,1）缺口部分不能承受外力，这一部分外力要有缺口前方的部分材料来承担，因而缺口根部的应力最大。 2）应力集中系数Kt ：表示缺口产生应力集中的影响,缺口产生应力集中,为缺口根部的最大应力,为净截面上的名义应力,在弹性范围内,Kt的数值决定于缺口的几何形状和尺寸,.,85,缺口的影响根部产生三向应力状态，使材料的屈服变形困难，导致脆化,平面应力状态： 0，即在XY平面内有应力，而在垂直于XY平面的方向则无应力存在。平面应变状态

35、： 0 根据虎克定律， 故有 这种应力状态称为平面应变状态,.,86,侧面带有缺口的薄板和厚板受拉伸时的应力分布,(a)薄板缺口下的弹性应力(平面应力)(b)厚板缺口下的弹性应力(平面应变)(c) 平面应变时Z方向的应力分布(d)平面应变时局部屈服后的应力分布,.,87,由应力集中产生应变集中 缺口处很陡的应力梯度，必然导致很陡的应力梯度 牛伯提出公式 缺口根部应变体积很小，导致裂纹 为塑性应变集中系数，为缺口处的局部应变和名义应变之比 为塑性应力集中系数，为缺口处的实际应力与名义应力之比 为弹性应力集中系数。,.,88,缺口附近的应变速率远高于平均的应变速率 夹头移动速率 试样应变速率 因此

36、如： 100 为光滑试样的工作长度 1 为缺口附近的工作长度缺口附近的应变速率提高了两个数量级,缺口产生,.,89,2.2.1 温度对材料的力学性能影响,b.b.c温度 但是形变硬化速率 却对温度不太敏感。而孪晶变形锯齿形 b.b.c纯铁 温度下降导致脆性破坏，如右图，77K以下为孪晶方式Fe(b.c.c) ,Cu(f.c.c) ,Ti(h.c.c.p),低温：b.c.c ,冷脆， 不变。f.c.c 没有冷脆， 不变， h.c.c.p ,.,90,23 应变速率对材料力学性能的影响,104102S-1内，金属力学性能变化不大 当大于102S-1，发生显著变化 超塑性,.,91,2.5 缺口冲击

37、韧性实验,材料在冲击载荷下的力学性能 冲击试验的应变速率为104-102S-1应注意几点： 不同缺口形状的试样，无法对比 V型缺口在旧的梅氏冲击试验机引起的数值AKV是不符合规范的，是不可靠的 现今国内的一些材料性能数据，仍沿用aK=AK/F,缺口处截面积（梅氏），夏氏冲击试验,.,92,综合缺口低温高应变速率，这三个因素对材料脆化的影响使材料能由原处于韧性状态脆性状态 缺口试样的形状有两种：梅氏（中国和苏联过去用）和夏氏试样（美国和日本）,2.5.1 试验方法,连接,.,93,2.5.2 缺口冲击试验的应用,优点：测量迅速简便，所以冲击韧性 AK列为五大指标应用： 用于控制材料的冶金质量和铸

38、造，锻造，焊接及热处理等热加工工艺的质量。不是服役性能指标，对柴油机的连杆的要求要求热处理工艺和冶金质量是否正常提出的问题，ak15J/2，仍可使用。 用来评定材料的冷脆倾向。评定脆断倾向的标准是和材料的具体服役条件相联系的 所谓冷脆，指材料因温度的降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。,.,94,2.5.3 冷脆转化温度的评定,三种类型：使用时，注意同一种标准1)断面形貌特征 50纤维2)能量标准 20J 27J3)断口的变形特征 tK是一个韧性指标，从韧性角度选材的依据。,按冷脆转化温度选材,.,95,2.6 影响材料脆性断裂的冶金因素 材料成分,低强度钢基本b.c.c,铁素体，

39、晶体结构b.c.c存在低温脆性 f.c.c一般不存在低温脆性成分： 间隙溶质元素含量tK , Mn% tK Ni% tK Si% P tK,含碳量对钢的韧-脆转变温度的影响,.,96,影响材料脆性断裂的冶金因素晶粒大小,细化晶粒，使韧性原因：晶界是裂纹扩展的阻力，晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中，晶界总面积增加，使晶界上的杂质浓度下降，避免产生沿晶脆性断裂.,冷脆转化温度和晶粒尺寸的关系,.,97,影响材料脆性断裂的冶金因素显微组织,钢的冷脆转化温度决定于转变产物 在较低温度下，脆化温度由高到低依次顺序为 在较低强度水平时，强度相等而组织不同的钢 最佳.,.,98,27 抗脆断设计及

40、其试验,缺口冲击试验优点：简单方便，成本低，应用广泛 缺点：无论哪一种标准，在一般情况下，并不能代表实物构件的脆化的温度，原因：尺寸小，由于变形的几何约束小带来的脆化程度也小。美国海军采用大型实物脆断研究方法，用于安全设计。W.S.Pellini落锤试验方法。,.,99,2.7.1 落锤试验,测定材料的NDT :即无塑性转变温度优点:方法比较简单，数据的重现性高，故被广泛采用并正标准化。,链接,.,100,2.7.2 断裂分析图 FAD图 Fracture Analysis Draw,应力缺陷温度三个参数之间的关系弹性断裂转变温度 FTE=NDT+33 C 塑性断裂转化温度 FTP=NDT+6

41、7 C CAT-止裂温度曲线 curve,链接,.,101,第三章 断裂力学与断裂韧性,3.1 概述 断裂是一种最危险失效形式,，,.,102,按传统力学设计，工作应力许用应力为安全。塑性材料S/n脆性材料b/n但是在S1情况下，也可产生断裂，所谓低应力脆断现象，传统或经典的强度理论无法解释。传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但实际的工程材料，在制备，加工及使用过程中 ，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹，传统力学解决不了带裂纹构件的断裂问题。断裂力学就是研究带裂纹体构件的力学行为。,.,103,美国二战期间：5000艘全焊接的“自由轮”，238艘完全破坏，其断裂源多在

42、焊接缺陷处，且温度低，aK下降。 1954年，美国发射北极星导弹，发射点火不久，就发生爆炸。,例如,.,104,含裂纹体的断裂判据 固有性能的指标断裂韧性：用来比较材料拉断能力，KIC ,GIC , JIC,C 。 用于设计中： KIC已知，求amax。 KIC已知 , a c已知，求构件承受最大承载能力。 KIC已知，a已知，求。 讨论：KIC的意义，测试原理，影响因素及应用。,主要内容,.,105,3.2 Griffith断裂理论 3.2.1 理论断裂强度,理论断裂强度C,即相当于克服最大引力C 力与位移的关系：,原子间结合力随距离变化示意图,.,106,正弦曲线下所包围的面积代表使金属原

43、子完全分离所需的能量,(1),故,（2）,将（1）,代入（2）得,若以,代入可算出,.,107,（金属材料）,（陶瓷，玻璃）,原因：内部存在有裂纹,材料内部含有裂纹对材料强度有多大影响？20年代，Griffith首先研究了含有裂纹的玻璃强度。,实际断裂强度理论计算的断裂强度,3.2.2 Griffith理论,.,108,无限宽板中Griffith裂纹的能量平衡,.,109,断裂应力和裂纹尺寸的关系：,Griffith公式,因为,与,相似。,若取,则实际断裂强度只是理论值的1/100,.,110,适用于当 ，裂纹尖端塑性变形较大，控制着裂纹的扩展时当 时，就成为Griffith公式。当 时，用G

44、riffith公式。对金属材料：裂纹尖端由于应力集中的作用，局部应力很高，但是一旦超出材料的屈服强度，就会发生塑性变形。裂纹扩展功主要消耗在塑性变形上，塑性变形功大约是表面能的1000倍。,Orowan公式,3.2.3 Orowan的修正,.,111,3.3 裂纹扩展的能量判据,Griffith的断裂理论中，裂纹扩展的阻力为,Orowan断裂理论中，裂纹扩展的阻力为,设裂纹扩展单位面积所消耗的能量为R，则R,定义：,G表示弹性应变能的释放率或为裂纹扩展力,.,112,G表示弹性应变能的释放率或为裂纹扩展力 定义G为裂纹扩展的能量率或裂纹扩展力，因为G是裂纹扩展的动力，当G达到怎样的数值时，裂纹

45、就开始失稳扩展呢？ R裂纹扩展单位面积所消耗的能量为R按Griffith断裂条件 （脆性） 按Orowan修正公式 （塑性）,.,113,因为表面能 ，塑性变形功 都是材料常数，令,或,则有,为断裂能量判据,是可以计算的，而材料的性能 是可以测定的。,因此可以从能量平衡的角度研究材料的断裂是否发生。,.,114,固定边界和恒定载荷的Griffith准则能量关系,对于固定边界的Griffith准则能量关系,恒载荷的Griffith准则能量关系,.,115,线弹性断裂力学的研究对象是带有裂纹的线弹性体。 它假定裂纹尖端的应力服从虎克定律(严格的说只有玻璃，陶瓷这样的脆性材料才算理想的弹性体)。 为

46、使线弹性断裂力学能够用于金属，必须符合：金属材料的裂纹尖端的塑性区尺寸与裂纹长度相比是一很小的数值。,3.4 裂纹尖端的应力场,.,116,线弹性断裂力学适用范围,高强度钢。 厚截面的中强度钢（ ） 低温下的中低强度钢 因为塑性区尺寸很小，可近似看成理想线弹性体，误差在工程上是允许的。,.,117,3.4.1 三种断裂类型,根据裂纹体的受载和变形情况，可将裂纹分为三种类型： 张开型裂纹（或拉伸型）最危险，最重要的一种 滑开型（或剪切型）裂纹 撕开型裂纹,.,118,张开型裂纹（或拉伸型）,滑开型（或剪切型）裂纹,撕开型裂纹,以上三图均有链接,.,119,裂纹顶端附近的应力场,3.4.2 I型裂

47、纹尖端力场,.,120,平面应力状态（薄板）,平面应变状态（厚板）,其中,.,121,当 时， 即切应力为0，拉应力却最大，裂纹容易沿着该平面扩展。应力强度因子 Y是与裂纹几何形状和位置决定的参数，K1表示裂纹尖端应力场的大小或强度。,或,.,122,由上述裂纹尖端应力场已知,裂纹尖端某一点的应力，位移，应变，完全由K1决定：K1称应力强度因子，应力应变场的强弱程度完全由K1决定。K1决定于裂纹的形状和尺寸，也决定于应力的大小。（不同平板有不同的表达式, K1可计算）K1表示裂纹尖端应力场的大小或强度。,3.4.3 应力强度因子K1,.,123,3.5 断裂韧性和断裂判据,3.5.1 和,临界

48、值平面应力,（应力强度因子）,（断裂韧性）或,（平面应变断裂韧性）,.,124,受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化也和裂纹的形状类型以及加载方式有关，但它和材料本身的固有性能无关。,（断裂韧性）或,（平面应变断裂韧性）,的特性：反映材料阻止裂纹扩展的能力 。,.,125,是平面应力状态下的断裂韧性，它和板材或试样厚度有关。而当板材厚度增加到达到平面应变状态时，断裂韧性就趋于一稳定的最低值，这时与厚度无关，称为平面应变的断裂韧性 是真正的材料常数，反映阻止裂纹扩展的能力。 反映了最危险的平面应变断裂情况。,.,126,3.5.2 断裂判据

49、,当应力强度因子增大到一临界值，这一临界值在数值上等于材料的平面应变断裂韧性时，裂纹就立即失稳扩展，构件就发生脆断。于是断裂判据便可表示为 右边为材料固有性能，左边为外界载荷条件（包含裂纹的形状和尺寸）应用工程中，对无限大平板中心含有尺寸为2a的穿透裂纹时，,.,127,3.6 与 的关系,（能量平衡观点讨论断裂）,（裂纹尖端应力场讨论断裂）,右边反映材料固有性能的材料常数，是材料的断裂韧性值。,与,的关系：历史上，先G后K，G：1921，Griffith K: 1957,Orwin,.,128,K和G的适用范围,断裂判据为：这两种断裂判据是等效的，且可互相换算。但实际上要注意以下几个方面：

50、实际用K更方便，资料多K实测更容易 G物理意义易理解,(平面应力),（平面应变， ）,.,129,影响断裂韧性的因素,如能提高断裂韧性，就能提高材料的抗脆断能力。外因：板材或构件截面的尺寸，服役条件下的T，应变速率等。内因：强度，合金成分和内部组织。,.,130,3.8 金属材料的断裂韧性的测定,3.8.1 试样制备,测两种：三点弯曲试样和紧凑拉伸试样裂纹缺口钼丝线切割加工 0.12mm疲劳裂纹高频拉伸疲劳试验机上预制,为了测得稳定的值，所规定的尺寸必须满足：,（1）小范围屈服（线弹性断裂力学,对裂纹长度c应有规定 ， ）,（2）平面应变,对试样厚度上的要求。,.,131,如：三点弯曲,1）