1、材料物理性能与力学性能材料物理性能与力学性能主讲：龙朝辉主讲：龙朝辉湘潭大学材料科学与工程学院湘潭大学材料科学与工程学院 一、材料的性能一、材料的性能1 、 使用性能：使用性能： 物理性能（光、电、磁） 力学性能 （强度、塑性、硬度） 2、 加工性能：加工性能： （可制造性） 热加工：铸、锻、焊、热处理 冷加工：车、铣、磨 特种加工：电火花、激光、离子材料力学性能: 材料抵抗变形和断裂的能力。 服役过程: 保持设计要求的外形和尺寸， 保证在服役期内安全地运行。 生产过程: 要求材料具有优良的加工性能。 如压力加工要求优良的塑性和 低的塑性变形抗力。二、材料二、材料力学性能力学性能表征表征1、材
2、料软硬程度的表征。2、材料脆性的表征。3、材料抵抗外力能力表征。4、材料变形能力的表征。 5、含缺陷材料抗断裂能力的表征。 6、材料抵抗多次受力能力的表征。 7、新材料及特种材料性能的表征。8、特殊条件下材料性能的表征。弹性弹性: :是指材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力。塑性塑性: :是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力强度强度: :是材料对变形和断裂的抗力。寿命寿命: :是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效的能力，使零件在服役期内安全运行。三、材料的基本力学性能三、材料的基本力学性能第一部分第一部分: :第一七章 力学性能部分，介绍材料在静载荷下的力学性能（弹
3、性、塑性、强度、硬度、断裂）、冲击韧性、疲劳性能、磨损性能及高温力学性能。以金属材料为主。第二部分第二部分: :第八十二章 物理性能部分，介绍材料的热学、磁学、电学、光学及压电与铁电性能。以金属和陶瓷材料为主。第三部分第三部分: :第十三十四章 金属材料的腐蚀性能及高分子材料的老化与稳定性能。四、教材结构和内容四、教材结构和内容预备知识：预备知识：材料力学和金属学方面的基本理论知识。理论联系实际理论联系实际: :是实用性很强的一门课程。某些力学性能指 标根据理论考虑定义,而更多指标则按工程实用 要求定义。重视实验重视实验: : 通过实验既可掌握力学性能的测试原理，又可 掌握测试技术，了解测试设
4、备，进一步理解所 测的力学性能指标的物理意义与实用意义。做些练习做些练习: : 加深理解巩固所学的知识。五、本课程学习注意问题：五、本课程学习注意问题：第一章第一章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能单向静拉伸试验是工业上应用最广泛的基本力学性能试验之一。本章将详细讨论金属材料在单向静拉伸载荷作用下的基本力学性能指标，如：屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面伸长率等，作为材料在其他载荷和环境条件下力学响应分析的基础。1.1.高碳钢高碳钢2.2.低合金结构钢低合金结构钢3.3.黄铜黄铜4.4.陶瓷、玻璃陶瓷、玻璃5.5.橡胶橡胶6.6.工程塑料工程塑料几种典型的力-伸长曲线F FF
5、FFFLLLLLL注意：注意：不同材料或同一材料在不同条件下可有不同不同材料或同一材料在不同条件下可有不同形式的力形式的力- -伸长曲线。伸长曲线。其决定因素有：键合方式、化学成分、组织其决定因素有：键合方式、化学成分、组织形态等形态等真应力真应力- -应变曲线与工程应变曲线与工程应力应力- -应变曲线的联系与应变曲线的联系与区别：区别：在弹性变形阶段：基本在弹性变形阶段：基本重合；在塑性变形阶段，重合；在塑性变形阶段，差异显著。差异显著。双原子模型双原子模型3. 3. 弹性模量的影响因素弹性模量的影响因素弹性模量是构成材料的离子或分子之间键合强度的主弹性模量是构成材料的离子或分子之间键合强度
6、的主要标志，凡是影响键合强度的因素均能影响弹性模量。要标志，凡是影响键合强度的因素均能影响弹性模量。如：键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温如：键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载方式和速度等。度、加载方式和速度等。1）键合方式和原子结构共价键、离子键、金属键-较高分子键-较弱原子半径越大，E越小2）晶体结构单晶体：各向异性 最大值与最小值差值可达4倍多晶体：伪各向同性 非晶：各向同性3）化学成分-引起原子间距和键合方式的变化4）微观组织-影响较小晶粒大小对E值无影响；第二相的影响取决于体积比例和分布状态；冷加工的影响在5%以内5）温度-温度升高，E降低特例：橡胶。其弹性模
7、量随温度升高而增加。6）加载条件和负荷持续时间加载方式、速率和负荷持续时间对金属材料、陶瓷材料影响很小。对于高分子聚合物，负荷时间延长，E下降。4 4、比例极限和弹性极限、比例极限和弹性极限0AFpppF：比例极限对应的应力比例极限对应的应力0A：试棒的原始截面面积试棒的原始截面面积0AFeeeF：弹性极限对应的应力弹性极限对应的应力0A：试棒的原始截面面积试棒的原始截面面积注意：注意：由于实际测量时难以准确而唯一的测出比例由于实际测量时难以准确而唯一的测出比例极限和弹性极限，因此，在国家标准中，极限和弹性极限，因此，在国家标准中， 为为“规定非比例伸长应力规定非比例伸长应力”，如：，如： 表
8、示非比例伸长率为表示非比例伸长率为0.01%0.01%时的应力。时的应力。此时，比例极限和弹性极限已没有质的区别此时，比例极限和弹性极限已没有质的区别，只是非比例伸长率不同而已。，只是非比例伸长率不同而已。比例极限、弹性极限、屈服强度基本相同，比例极限、弹性极限、屈服强度基本相同，都表示材料对微量塑性变形的抗力。都表示材料对微量塑性变形的抗力。 p01. 0p5 5提高弹性比功的途径：提高弹性极限（常用）提高弹性比功的途径：提高弹性极限（常用） 降低弹性模量降低弹性模量 （不常用）（不常用）几种常见材料的弹性模量、弹性极限、弹性比功几种常见材料的弹性模量、弹性极限、弹性比功应用：弹性比功大的材
9、料常用作减振或储能原件应用：弹性比功大的材料常用作减振或储能原件，如弹簧、橡胶等。，如弹簧、橡胶等。第三节第三节 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗弹性的分类：弹性的分类： a. a.理想弹性理想弹性 （服从胡克定律，并同时满足三个条件：线性（服从胡克定律，并同时满足三个条件：线性、同相位、单值函数）、同相位、单值函数） b. b. 非理想弹性非理想弹性 ( (包括滞弹性、沾弹性、伪弹性、包申格效应包括滞弹性、沾弹性、伪弹性、包申格效应) )滞弹性：指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附滞弹性：指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变能。加弹性应变能。滞弹性的影响：对
10、精密仪器的测量精度有影响，选材时需考虑滞滞弹性的影响：对精密仪器的测量精度有影响，选材时需考虑滞弹性。弹性。如：测力弹簧、传感器等，应选择滞弹性小的材料，否则影响测如：测力弹簧、传感器等，应选择滞弹性小的材料，否则影响测量精度。量精度。粘弹性：是指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时粘弹性：是指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。存在的力学行为。特征：应变对应力的响应不是瞬间完成的，需要一个弛豫过程，特征：应变对应力的响应不是瞬间完成的，需要一个弛豫过程，但卸载后，应变恢复到初始值，不留下残余变形。但卸载后，应变恢复到初始值，不留下残余变形。分为两种情况：分为两
11、种情况：a. a. 恒应变下的应力松弛恒应变下的应力松弛 b. b. 恒应力下的蠕变恒应力下的蠕变 伪弹性：是指在一定温度条件下，当应力达到一定水平后，金属伪弹性：是指在一定温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形现象。度的弹性变形现象。包申格效应：指金属材料预先加载产生少量塑性变形（残余应力包申格效应：指金属材料预先加载产生少量塑性变形（残余应力小于小于4%4%），而后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载），而后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸
12、长应力降低的现象。，规定残余伸长应力降低的现象。原因：与金属材料中位错运动所受阻力的变化有关（是材料微观原因：与金属材料中位错运动所受阻力的变化有关（是材料微观组织变化的结果）组织变化的结果）应用：对于预先经受一定程度冷变形的材料，如使用时承受与冷应用：对于预先经受一定程度冷变形的材料，如使用时承受与冷变形方向相反的载荷，要注意：材料微量塑性变形抗力已降低。变形方向相反的载荷，要注意：材料微量塑性变形抗力已降低。另外，也可以加以利用，如：薄板反向弯曲成型。另外，也可以加以利用，如：薄板反向弯曲成型。消除方法：进行较大塑性变形；再结晶退火消除方法：进行较大塑性变形；再结晶退火内耗：材料在变形过程
13、中被吸收的功。内耗：材料在变形过程中被吸收的功。弹性滞后环：应力弹性滞后环：应力- -应变曲线中，加载线和卸载线不重合而形成一应变曲线中，加载线和卸载线不重合而形成一个封闭回路，称为弹性滞后环。个封闭回路，称为弹性滞后环。弹性滞后环说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的弹性滞后环说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功，有一部分加载变形功被材料吸收，即为内耗，其大小等变形功，有一部分加载变形功被材料吸收，即为内耗，其大小等于弹性滞后环的面积。于弹性滞后环的面积。( (内耗大小主要取决于应变和应力之间的位内耗大小主要取决于应变和应力之间的位相差相差) )内耗的物理本质：材料内
14、部的微观运动（内耗的物理本质：材料内部的微观运动（eg.eg.晶界迁移、有序化、晶界迁移、有序化、磁性变化等）消耗能量。磁性变化等）消耗能量。内耗也称为材料的循环韧性，表示材料在交变载荷下吸收不可逆内耗也称为材料的循环韧性，表示材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，又称消振性。变形功的能力，又称消振性。循环韧性越高，消振性越好。循环韧性越高，消振性越好。应用：应用：1 1）2 2）仪表传感元件，需选用循环韧性低（内耗低）的材料，）仪表传感元件，需选用循环韧性低（内耗低）的材料， 以提高敏感性。以提高敏感性。内耗的科学意义：利用材料内耗与成分、组织结构及物理性能内耗的科学意义：利用材料内耗与成
15、分、组织结构及物理性能变化之间的关系，进行材料科学研究。变化之间的关系，进行材料科学研究。第四节第四节 塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标一、塑性变形机理一、塑性变形机理定义：材料微观组织的相邻部分产生永久性位移，并不定义：材料微观组织的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。引起材料破裂的现象。1 1：金属材料的塑性变形机理：滑移、孪生：金属材料的塑性变形机理：滑移、孪生滑移系越多，塑性越好滑移系越多，塑性越好复习：复习：滑移滑移：晶体的一部分对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对：晶体的一部分对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对滑动，滑动后原子处于新的稳定位置。滑动，滑动后原子
16、处于新的稳定位置。滑移通常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。滑移通常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。滑滑 移移 面：面： 发生滑移的晶面就是发生滑移的晶面就是“滑移面滑移面”；滑移方向：滑移方向： 发生滑移的晶向就是发生滑移的晶向就是“滑移方向滑移方向”。滑移系：滑移系： 一个滑移面和其面上的一个滑移方向的组成称为一个滑移面和其面上的一个滑移方向的组成称为“滑移系滑移系”表格表格 2-12-1三种典型晶格的滑移系三种典型晶格的滑移系晶格类型晶格类型体心立方体心立方面心面心密排六方密排六方滑滑 移移 面面底面底面滑移方向滑移方向1 10 0底面对角线底面对角线滑滑 移移 系系6 面方向
17、面方向=124 面面3 方向方向=121 面面3 方向方向=3孪生本身提供的变形量很小，但可以调整滑移面的方向孪生本身提供的变形量很小，但可以调整滑移面的方向，使新的滑移系开动。，使新的滑移系开动。多晶体塑性变形的特点：1 1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性）各晶粒变形的不同时性和不均匀性材料表面优先；材料表面优先；与切应力取向一致的滑移系优先。与切应力取向一致的滑移系优先。2 2）各晶粒变形的相互协调性）各晶粒变形的相互协调性晶粒间塑性变形的相互制约、协调；晶粒间塑性变形的相互制约、协调；晶粒内不同滑移系的相互协调。晶粒内不同滑移系的相互协调。2 2、陶瓷材料的塑性变形、陶瓷材料的塑性变形属
18、于晶体材料，变形机制为滑移和孪生。属于晶体材料，变形机制为滑移和孪生。但是，陶瓷材料的结合多为离子键或共价键，具有明显但是，陶瓷材料的结合多为离子键或共价键，具有明显方向性，同号离子之间相斥很大，因而只有个别滑移系方向性，同号离子之间相斥很大，因而只有个别滑移系能满足位错运动的条件。能满足位错运动的条件。因此，只有极少数陶瓷材料在室温下具有塑性，而一般因此，只有极少数陶瓷材料在室温下具有塑性，而一般陶瓷材料在室温下不能进行塑性变形。陶瓷材料在室温下不能进行塑性变形。3 3、非晶态材料的塑性变形、非晶态材料的塑性变形不存在滑移和孪生不存在滑移和孪生变形机制：粘性流动变形，需要在一定温度下进行，在
19、变形机制：粘性流动变形，需要在一定温度下进行，在室温下几乎没有塑性。如：玻璃在室温下没有塑性。室温下几乎没有塑性。如：玻璃在室温下没有塑性。二、屈服现象与屈服强度二、屈服现象与屈服强度1 1、屈服现象、屈服现象特点：外力不增加（保持恒定），试样仍然继续伸长；或外特点：外力不增加（保持恒定），试样仍然继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动的情况下试样继续伸长。波动的情况下试样继续伸长。屈服是材料由弹性变形向弹屈服是材料由弹性变形向弹- -塑性变形过渡的标志。塑性变形过渡的标志。屈服点：材料在屈服时对应的应力值。屈
20、服点：材料在屈服时对应的应力值。 上屈服点：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力值。上屈服点：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力值。下屈服点：屈服阶段中最小应力。下屈服点：屈服阶段中最小应力。屈服伸长：屈服阶段产生的伸长。屈服伸长：屈服阶段产生的伸长。屈服平台（屈服齿）：屈服伸长对应的水平线段或曲折线段。屈服平台（屈服齿）：屈服伸长对应的水平线段或曲折线段。ssusl材料产生屈服的原因：与材料内部的位错运动有关。材料产生屈服的原因：与材料内部的位错运动有关。vb：塑性应变速率：塑性应变速率b：柏氏矢量的大小：柏氏矢量的大小：可动位错密度：可动位错密度v：位错运动平均速率：位错运动平均速率)(
21、0mv位错运动速率与切应力的关系：位错运动速率与切应力的关系： 其中，其中， 为位错运动速率应力敏感指数。为位错运动速率应力敏感指数。m欲提高位错运动平均速率欲提高位错运动平均速率 ，就需要有较高的应力，就需要有较高的应力-上屈服上屈服点。塑性变形一旦发生，位错大量增殖，点。塑性变形一旦发生，位错大量增殖， 增加，则位错运动速增加，则位错运动速率下降（率下降（ 为定值为定值 ），导致应力突然降低，从而产生屈服现象），导致应力突然降低，从而产生屈服现象 越小，屈服现象越明显。越小，屈服现象越明显。vm2 2、屈服强度、屈服强度屈服强度（或屈服点）：材料屈服时所对应的应力值。屈服强度（或屈服点）：
22、材料屈服时所对应的应力值。意义：材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。意义：材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。s0/ AFss0/ AFslsl屈服强度的工程意义：屈服强度的工程意义：1 1、作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选、作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据；材依据；2 2、根据屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）的大小，衡量材、根据屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆断的参考依据。工和确定机件
23、缓解应力集中防止脆断的参考依据。三、影响金属材料屈服强度的因素三、影响金属材料屈服强度的因素1 1、晶体结构、晶体结构位错宽度位错宽度w w大，位错易于移动，大，位错易于移动， 小，屈服强度小，如小，屈服强度小，如fccfcc金属金属. .bccbcc金属相反金属相反np（派纳力）（派纳力）2 2、晶界和亚结构、晶界和亚结构晶界越多，晶粒越小，位错中应力集中程度不够，需要更大晶界越多，晶粒越小，位错中应力集中程度不够，需要更大的外加切应力才能够使位错运动，因此屈服强度越大。的外加切应力才能够使位错运动，因此屈服强度越大。 细晶强化细晶强化3 3、溶质元素、溶质元素固溶强化固溶强化此外，此外，4
24、 4、第二相强化、第二相强化分为：第二相不可变形、可变形两类分为：第二相不可变形、可变形两类第二相尺寸与基体相近的块状分布第二相尺寸与基体相近的块状分布-产生不均匀变形产生不均匀变形第二相细小弥散分布第二相细小弥散分布-强化效果与质点本身的性质强化效果与质点本身的性质 及其与基体的结合情况有关及其与基体的结合情况有关5 5、温度。、温度。bccbcc金属温度效应明显，金属温度效应明显，fccfcc和和hcphcp金属温度效应较小金属温度效应较小6 6、应变速率与应力状态、应变速率与应力状态小结：屈服强度是一个对成分、组织、温度、应力状态等极小结：屈服强度是一个对成分、组织、温度、应力状态等极为
25、敏感的力学性能指标。因此，改变金属的成分或热处理工为敏感的力学性能指标。因此，改变金属的成分或热处理工艺都可以是屈服强度产生明显变化。艺都可以是屈服强度产生明显变化。如：冷轧，拉拔如：冷轧，拉拔材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象。形变应力不断提高的现象。意义：是材料阻止继续塑性变形的一种力学性能。意义：是材料阻止继续塑性变形的一种力学性能。1 1、应变硬化机理、应变硬化机理普遍认为：是塑性变形过程中的多系滑移和交滑移造成的。由普遍认为：是塑性变形过程中的多系滑移和交滑移造成的。由于位错的交互作用，位
26、错运动的阻力不断增加，从而产生应变于位错的交互作用，位错运动的阻力不断增加，从而产生应变硬化。硬化。四、应变硬化：四、应变硬化：1 1、应变硬化指数、应变硬化指数 n n1 1）经验公式）经验公式: :S S：真应力：真应力 e e：真应变：真应变 n: n: 应变硬化指数应变硬化指数K K：硬化系数（真应变为：硬化系数（真应变为1 1时的真应力）时的真应力）2 2）意义：反映了材料抵抗继续塑性变形的能力。）意义：反映了材料抵抗继续塑性变形的能力。n=1n=1，理想弹性形变。，理想弹性形变。S=KeS=Ken=0, S=K=n=0, S=K=常数，表示材料没有应变硬化能力常数，表示材料没有应变
27、硬化能力理想塑性体理想塑性体多数金属材料的多数金属材料的n n值在值在0.1-0.50.1-0.5之间。之间。n n的变化范围的变化范围3 3）应变硬化指数的测量）应变硬化指数的测量根据（根据（1-311-31） ，方程两边取对数，得：，方程两边取对数，得：enKSlglglg在应力在应力- -应变曲线上取几组坐标值应变曲线上取几组坐标值(,) ，由真应力与工程应力、由真应力与工程应力、真应变与工程应变之间的关系真应变与工程应变之间的关系 S=(1+ S=(1+ ) ) e=ln(1+e=ln(1+ )可做出可做出lgS-lgelgS-lge曲线曲线（线性关系），直线（线性关系），直线斜率为斜
28、率为n n值。值。4 4）n n的影响因素的影响因素常数sn5 5）n n的意义的意义五、抗拉强度与缩颈条件五、抗拉强度与缩颈条件1 1、抗拉强度、抗拉强度 1 1）概念：试件拉断前所能承受的最大载荷）概念：试件拉断前所能承受的最大载荷Fb除以除以试件初始横截面面积试件初始横截面面积A0 .0AFbb意义：标志金属材料的实际承载能力（光滑试样单向意义：标志金属材料的实际承载能力（光滑试样单向拉伸的受载条件）。拉伸的受载条件）。1)1)可作设计依据：当横截面上的应力达强度极限时，可作设计依据：当横截面上的应力达强度极限时，受拉杆件上将开始出现颈缩并随即发生断裂。受拉杆件上将开始出现颈缩并随即发生
29、断裂。 2)2)抗拉强度易于测定，且重复性好，广泛用于产品规抗拉强度易于测定，且重复性好，广泛用于产品规格说明和质量控制指标。格说明和质量控制指标。2 2、缩颈、缩颈1 1）概念：是一些金属材料和高分子材料在拉伸实验时，）概念：是一些金属材料和高分子材料在拉伸实验时，变形集中于局部区域的特殊状态。变形集中于局部区域的特殊状态。2 2）产生机理：在应变硬化与截面减小的共同作用下，因）产生机理：在应变硬化与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于试样局应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于试样局部区域。部区域。3 3）颈缩条件：）颈缩条件： dF=0 由由 （i） 得
30、得 (ii) 全微分，得全微分，得 (iii)nKAeF 0deenFdAAFdF由体积不变定理有由体积不变定理有 dL/L=-dA/A=de (IV)代入（代入（iii）得）得 n=e (V)即：在即：在F=Fb时，应变硬化指数时，应变硬化指数n等于最大载荷点的等于最大载荷点的真应变真应变eb而由（而由（i），可将缩颈时的真应力），可将缩颈时的真应力Sb表示为：表示为：nnbbKnKeS则产生缩颈时的载荷为：则产生缩颈时的载荷为： 式中，式中， 为缩颈点的工程应力。由上式可得：为缩颈点的工程应力。由上式可得： （VI）bnbbbbAKnASAF)(0bobnbAAKn )(根据真应变定义，根
31、据真应变定义， （见（见1-1式）式）因而，由：因而，由： 代入（代入（VI），可求得产生缩颈的工程应力为：），可求得产生缩颈的工程应力为：上式表面：缩颈应力取决于材料的应变硬化系数上式表面：缩颈应力取决于材料的应变硬化系数K和应变硬化指数和应变硬化指数n。)ln(0bbAAe nebeeAAb0nbenK)(六、塑性与塑性指标六、塑性与塑性指标1 1、塑性：材料断裂前产生塑性变形的能力。、塑性：材料断裂前产生塑性变形的能力。2 2、塑性指标：断后伸长率和断面收缩率、塑性指标：断后伸长率和断面收缩率 1）最大应力下非比例伸长率）最大应力下非比例伸长率 g:2）最大应力下总伸长率）最大应力下总伸
32、长率 gt:3）断后伸长率）断后伸长率 ：试样拉断后，标距长度的相对伸长：试样拉断后，标距长度的相对伸长值。等于标距的绝对伸长量除以拉伸前试样标距长度值。等于标距的绝对伸长量除以拉伸前试样标距长度. 其中，断后伸长率最常用。其中，断后伸长率最常用。%1000LLk%1000LLgg%1000LLgtgt2）断面收缩率）断面收缩率 ：用试件初始横截面面积：用试件初始横截面面积A0减去断减去断裂后颈缩处的最小横截面面积裂后颈缩处的最小横截面面积A1，并除以，并除以A0所得商值所得商值的百分数。的百分数。%100010AAA3、塑性的意义、塑性的意义 1 1）塑性变形有缓和应力集中、削减应力峰的作用
33、。塑性变形有缓和应力集中、削减应力峰的作用。 2 2）塑性指标是安全力学性能指标。塑性指标是安全力学性能指标。 七、超塑性七、超塑性1 1）概念：材料在一定条件下呈现非常大的伸长）概念：材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约率（约1000%1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。）而不发生缩颈和断裂的现象。2 2）特点：变形量很大；不发生应变硬化。）特点：变形量很大；不发生应变硬化。3 3）条件：）条件：a.a.超细晶粒；超细晶粒；b.b.合适的变形条件；合适的变形条件； c. c.应变速率敏感指数高。应变速率敏感指数高。第五节第五节 断断 裂裂 一、定义：一、定义：固体材料在力的作用下分成若干
34、部分的现象。固体材料在力的作用下分成若干部分的现象。是构件失效的主要形式之一。（其他失效形式还有：磨损、腐是构件失效的主要形式之一。（其他失效形式还有：磨损、腐蚀等）蚀等）研究断裂的目的是防止和预测断裂，以保证构件在服役过程中研究断裂的目的是防止和预测断裂，以保证构件在服役过程中的安全。的安全。一、断裂的类型和断口特征一、断裂的类型和断口特征 1）过程分为两个阶段：裂纹形成）过程分为两个阶段：裂纹形成-裂纹扩展裂纹扩展 2）分类）分类按断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形程度：韧性断裂和按断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形程度：韧性断裂和脆性断裂；脆性断裂；按裂纹扩展的途径：穿晶断裂和沿晶断
35、裂；按裂纹扩展的途径：穿晶断裂和沿晶断裂；按微观断裂机理：解理断裂和剪切断裂；按微观断裂机理：解理断裂和剪切断裂；按作用力性质：正断和切断按作用力性质：正断和切断3）断口：材料的断裂表面）断口：材料的断裂表面断口分析法：对断口进行宏观及微观分析，可以了解断裂的原断口分析法：对断口进行宏观及微观分析，可以了解断裂的原因、条件、机理以及与断裂有关的各种信息。因、条件、机理以及与断裂有关的各种信息。 1 1、韧性断裂和脆性断裂、韧性断裂和脆性断裂1）韧性断裂：）韧性断裂：a.明显宏观塑性变形；明显宏观塑性变形；b.裂纹扩展过程较慢；裂纹扩展过程较慢；c.断口常呈暗灰色、纤维状。断口常呈暗灰色、纤维状
36、。d.塑性较好的金属材料及高分塑性较好的金属材料及高分 子材料易发生韧断。子材料易发生韧断。2）脆性断裂：）脆性断裂：a.无明显宏观塑性变形；无明显宏观塑性变形；b.突然发生，快速断裂；突然发生，快速断裂；c.断口宏观上比较齐平光亮，断口宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。常呈放射状或结晶状。d.淬火钢、灰铸铁、玻璃等易淬火钢、灰铸铁、玻璃等易发生脆断。发生脆断。 2 2、（脆性断裂（脆性断裂oror韧性断裂）韧性断裂）( (脆性断裂脆性断裂) )沿晶断裂：脆断，光亮，冰糖状断口；沿晶断裂：脆断，光亮，冰糖状断口；穿晶断裂：脆断、韧断都可能穿晶断裂：脆断、韧断都可能 沿晶断裂与穿晶断裂示意
37、图沿晶断裂与穿晶断裂示意图 沿晶断裂断口沿晶断裂断口沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。裂纹扩展总是沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。裂纹扩展总是沿着消耗能量最小，即原子结合力最弱的区域进行的。沿着消耗能量最小，即原子结合力最弱的区域进行的。一般情况下，晶界不会开裂。发生沿晶断裂，势必由于某种一般情况下，晶界不会开裂。发生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强度。原因降低了晶界结合强度。沿晶断裂的原因大致有：沿晶断裂的原因大致有：a.晶界存在连续分布的脆性第二相；晶界存在连续分布的脆性第二相；b.微量有害杂质元素在晶界偏聚；微量有害杂质元素在晶界偏聚；c.由于环境介质的作用损害了
38、晶界，如氢脆，应力腐蚀，由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆，应力腐蚀，应力和高温的复合作用在晶界造成损伤等。应力和高温的复合作用在晶界造成损伤等。3 3、按微观断裂机理：剪切断裂（纯剪切断裂和微孔聚集型断按微观断裂机理：剪切断裂（纯剪切断裂和微孔聚集型断裂）和解理断裂裂）和解理断裂纯剪切断裂：材料在切应力作用下，沿滑移面滑移分离造成。纯剪切断裂：材料在切应力作用下，沿滑移面滑移分离造成。断口形貌：锋利的楔形，如剪切唇断口形貌：锋利的楔形，如剪切唇微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂:断口形貌：暗灰色，纤维状，分布大量韧窝。断口形貌：暗灰色，纤维状，分布大量韧窝。解理断裂解理断裂: 在正应力作用下，由
39、于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的的脆性穿晶断裂脆性穿晶断裂。断口形貌：极平坦的镜面。实际的解理断口由许多相当于晶粒大小的解理面断口形貌：极平坦的镜面。实际的解理断口由许多相当于晶粒大小的解理面集合而成。集合而成。解理裂纹的扩展方向：沿着晶面指数相同的一族互相平行、但位于不同高度解理裂纹的扩展方向：沿着晶面指数相同的一族互相平行、但位于不同高度的晶面进行。的晶面进行。不同高度的解理面之间存在台阶，众多台阶汇合成河流花样。不同高度的解理面之间存在台阶，众多台阶汇合成河流花样。解理台阶、河流花样、舌状花样解理台阶、河流花样、舌状花样
40、是解理断口的基本微观特征。是解理断口的基本微观特征。舌状花样舌状花样准解理断裂准解理断裂 准解理断裂多在马氏体回火钢中出现。回火产物准解理断裂多在马氏体回火钢中出现。回火产物中细中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。宏观上为脆小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。宏观上为脆性断裂。性断裂。解理小平面间有明显的撕裂棱。河流花样已不十分明解理小平面间有明显的撕裂棱。河流花样已不十分明显。它是由一些单独形核的裂纹相互连接而形成的。显。它是由一些单独形核的裂纹相互连接而形成的。 断裂路径主要与弥散细小的碳化物质点有关。断裂路径主要与弥散细小的碳化物质点有关。 形态特征：似解理河流。形态特征：似解理河流
41、。 准解理与解理的关系准解理与解理的关系 共同点：共同点：穿晶断裂、有小解理刻面、有台阶或撕裂棱及穿晶断裂、有小解理刻面、有台阶或撕裂棱及 河流花样。河流花样。 不同点：不同点： 解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成放射状河流花样。准解理不是晶内硬质点，形成放射状河流花样。准解理不是一种独立的断裂机制，而是解理断裂的变种。一种独立的断裂机制，而是解理断裂的变种。 4 4、断口分析：、断口分析：意义：可以了解材料中裂纹萌生及扩展的起因、经历及方意义：可以了解材料中裂纹萌生及扩展的起因、经历及方式，有助于对断裂的原因、条件及影响因素做出正
42、确判断。式，有助于对断裂的原因、条件及影响因素做出正确判断。举例：低碳钢的韧性断裂举例：低碳钢的韧性断裂断口形态：杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇三个区断口形态：杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇三个区 域组成。域组成。纤维区所在平面垂直拉伸应力方向，纤维区的微观断口纤维区所在平面垂直拉伸应力方向，纤维区的微观断口 特征为韧窝。特征为韧窝。纤维区中裂纹扩展速度较慢，并伴随有更大的塑性变形纤维区中裂纹扩展速度较慢，并伴随有更大的塑性变形。当裂纹达到某一临界尺寸后，产生更大的应力集中，裂。当裂纹达到某一临界尺寸后，产生更大的应力集中，裂纹以低能量撕裂方式快速扩展，形成放射区。放射线平行纹以低能量撕裂
43、方式快速扩展，形成放射区。放射线平行裂纹扩展方向，垂直于裂纹前端轮廓线，并逆指裂纹源。裂纹扩展方向，垂直于裂纹前端轮廓线，并逆指裂纹源。最后阶段：形成杯锥状剪切唇。剪切唇表面光滑，与拉伸轴成最后阶段：形成杯锥状剪切唇。剪切唇表面光滑，与拉伸轴成4545度角，是切断型断裂。度角，是切断型断裂。纤维区、放射区和剪切唇三个区域的形态、大小和位置，与试纤维区、放射区和剪切唇三个区域的形态、大小和位置，与试样形状、尺寸、材料的性能、实验温度、加载速率和受力状态有样形状、尺寸、材料的性能、实验温度、加载速率和受力状态有关。关。材料强度高、塑性低，则放射区比例大；试样尺寸增大，放射材料强度高、塑性低，则放射
44、区比例大；试样尺寸增大，放射区增大，而纤维区变化不大。区增大，而纤维区变化不大。脆性断裂与韧性断裂无明显界限，脆性断裂前也会产生微量塑脆性断裂与韧性断裂无明显界限，脆性断裂前也会产生微量塑性变形。性变形。规定：光滑拉伸试样断面收缩率小于规定：光滑拉伸试样断面收缩率小于5%5%为脆性断裂，大于为脆性断裂，大于5%5%为为韧性断裂。韧性断裂。三、断裂强度三、断裂强度1 1、理论断裂强度：在外加正应力作用下，将晶体中的两个、理论断裂强度：在外加正应力作用下，将晶体中的两个 原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力。原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力。估算方法如下：估算方法如下：，即为理论断裂强度。，即
45、为理论断裂强度。3 3、格雷菲斯裂纹理论（、格雷菲斯裂纹理论（19211921年）年）目的：解释材料断裂强度的理论值与实际值的巨大差异目的：解释材料断裂强度的理论值与实际值的巨大差异（1）出发点：材料中已存在裂纹；局部应力集中；裂纹迅速扩）出发点：材料中已存在裂纹；局部应力集中；裂纹迅速扩展导致断裂。展导致断裂。（2）理论基础：能量平衡原理）理论基础：能量平衡原理（由于裂纹的存在，系统弹性能降低，若要保持系统总能量不变（由于裂纹的存在，系统弹性能降低，若要保持系统总能量不变，裂纹释放的弹性能必然要与因存在裂纹而增加的表面能平衡。如，裂纹释放的弹性能必然要与因存在裂纹而增加的表面能平衡。如果弹性
46、能的降低足以满足表面能增加的需要，则裂纹的扩展就能使果弹性能的降低足以满足表面能增加的需要，则裂纹的扩展就能使得系统能量降低，因而会自发扩展引发断裂。）得系统能量降低，因而会自发扩展引发断裂。） （3）格雷菲斯模型）格雷菲斯模型 a）单位厚度、无限宽薄板，）单位厚度、无限宽薄板， 仅施加一拉应力（平面应力）。仅施加一拉应力（平面应力）。 板内有一长度为板内有一长度为2a、并垂直于、并垂直于 应力的裂纹。应力的裂纹。 b）拉紧平板，已存在裂纹的）拉紧平板，已存在裂纹的平板，将释放弹性能。平板，将释放弹性能。 裂纹形成产生新表裂纹形成产生新表面所需要的能量：面所需要的能量： 释放的弹性能：释放的弹
47、性能： 为表面能密度为表面能密度系统的能量变化为：系统的能量变化为：裂纹尺寸与能量的关系裂纹尺寸与能量的关系因为裂纹自发扩展的条件是系统总能量降低，所以临界裂纹长度因为裂纹自发扩展的条件是系统总能量降低，所以临界裂纹长度对应于能量的极大值，此时，有：对应于能量的极大值，此时，有：Griffith公式的适用范围：只适用于脆性固体，如玻璃、公式的适用范围：只适用于脆性固体，如玻璃、无机晶体材料、超高强钢等。对于要断裂前要产生较大无机晶体材料、超高强钢等。对于要断裂前要产生较大塑性变形的材料，必须加以修正。塑性变形的材料，必须加以修正。 第一章完第一章完习题：习题：1、3、4、8、14、15、16第
48、二章第二章 材料在其他静载下的力学性能材料在其他静载下的力学性能第一节第一节 应力状态软性系数应力状态软性系数最大切应力：最大切应力：最大正应力：最大正应力：应力状态的软性系数应力状态的软性系数(亦叫柔度系数亦叫柔度系数) ： 值愈大，应力状态愈值愈大，应力状态愈“柔柔”，愈易处于塑性变形和韧，愈易处于塑性变形和韧性断裂。性断裂。 值愈小，则相反，愈易倾向脆性断裂。值愈小，则相反，愈易倾向脆性断裂。 第四节第四节 硬硬 度度一、硬度试验的意义一、硬度试验的意义硬度：衡量材料软硬程度的一种力学性能指标。硬度：衡量材料软硬程度的一种力学性能指标。分类：分类：压入法（布氏、洛氏、维氏、肖氏等），反映
49、金属的压入法（布氏、洛氏、维氏、肖氏等），反映金属的塑性变形抗力。塑性变形抗力。刻划法（莫氏），反映材料对切断的抗力。刻划法（莫氏），反映材料对切断的抗力。特点：设备简单，操作方便迅速；特点：设备简单，操作方便迅速；无损检测，可对大多数机件成品直接进行检测。无损检测，可对大多数机件成品直接进行检测。二、硬度试验方法二、硬度试验方法1、布氏硬度、布氏硬度 图图2-17 布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图（a）钢球压入试样表面）钢球压入试样表面 （b）卸去载体后测定压痕直径）卸去载体后测定压痕直径布氏硬度的计算：单位压痕面积承受的平均压力。布氏硬度的计算：单位压痕面积承受的平均压力。符号：符号：
50、HB。单位一般不写。硬度值越高，表示材料越硬。单位一般不写。硬度值越高，表示材料越硬。)(222dDDDFDhFSFHBF：压力：压力D：压头直径：压头直径d：压痕直径：压痕直径两种硬度表示方法：两种硬度表示方法： HBS 压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值低于压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值低于450的材料。的材料。 HBW 压头为硬质合金球，适用于布氏硬度值为压头为硬质合金球，适用于布氏硬度值为450650的材料。的材料。 例：例：150HBSl0300030表示用表示用10mm直径淬火钢球，直径淬火钢球， 加压加压3000kgf，保持，保持30s，测得的布氏硬度值为，测得的布氏硬度值为15
