1、1.1 1.1 材料在静拉伸时的力学行为概述材料在静拉伸时的力学行为概述静拉伸：静拉伸：是材料力学性能实验中最基本的是材料力学性能实验中最基本的 试验方法。试验方法。拉伸曲线：拉伸曲线：应力应力-应变曲线，可求出许多主应变曲线，可求出许多主 要性能指标。要性能指标。如：弹性模量如：弹性模量E E：零件刚度设计。：零件刚度设计。屈服强度屈服强度ss，抗拉强度，抗拉强度b:b:强度设强度设 计，交变载荷计，交变载荷 塑性塑性，断裂前的应变量：，断裂前的应变量：冷热变形时冷热变形时 的工艺性能的工艺性能。应力应变曲线应力应变曲线应力应变曲线(F(F0 0不变）不变）弹性变形弹性变形 屈服变形屈服变形
2、 均匀塑性变形均匀塑性变形 局部塑性变形局部塑性变形 真应力真应力-应变曲线（应变曲线（-代表）代表）p:p:比例极限比例极限 E E:弹性极限弹性极限 LYLY:屈服强度（下）屈服强度（下）UYUY：屈服强度（上）：屈服强度（上）B B：强度极限：强度极限 b b:抗拉强度抗拉强度 p p:应力与应变成正比关系的最大应力。应力与应变成正比关系的最大应力。p p=F=FP P/F/F0 0E E:由弹性变形过渡到弹由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。塑性变形时的应力。E E=F=FE E/F/F0 0不同材料，其应力应变曲线不同，如：1.2 金属材料的弹性变形 1.2.1 广义虎克定律弹性模
3、量弹性模量 E=E=X X/X X X X轴方向，轴方向，同轴，描写材料正应同轴，描写材料正应力条件力条件虎克定律：虎克定律：单位应变产生的单单位应变产生的单位应力（单向应力）位应力（单向应力）,物理意义物理意义：表示原子之间的结合力，它是组表示原子之间的结合力，它是组织不敏感元素织不敏感元素描写材料切应力：切变模描写材料切应力：切变模量量G G=XY XY/XYXY泊桑比：泊桑比：=XX XX/XYXY关系式：关系式：G=E/2G=E/2（1+1+）比弹性模量比弹性模量=弹性模量弹性模量 /密度密度对完全各向同性材料对完全各向同性材料 =0.25=0.25对金属对金属值约为值约为0.330.
4、33（或（或1/31/3）当当=0.25=0.25时，时，G=0.4EG=0.4E；当当=0.33=0.33时，时，G=0.375EG=0.375E弹性常数弹性常数4 4个：个：E E，G G，K KK=K=m m/=E/3(1-2)/=E/3(1-2)-单位体积变形单位体积变形 K体弹性模量体弹性模量 m m=(=(x x+y y+z z)/3)/3若若=0.33=0.33，则，则KEKE只要已知只要已知E E和和，就可求出，就可求出G G和和K K，由于由于E E易测，因此用的最多。易测，因此用的最多。1.2.2 弹性模量的技术意义技术意义：技术意义：E E，G G称为材料的刚度称为材料的
5、刚度，它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力 影响影响E E的特征因素：的特征因素：与原子序数有周期性关系 E=K/E=K/m 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。机械设计中，机械设计中，刚度是第一位的，刚度是第一位的，它保证精度，曲轴它保证精度，曲轴的结构和尺寸常常由刚度决定，然后强度校核。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，其弹性模量差别很大。不同类型的材料，其弹性模量差别很大。材料弹性模量主要取决于材料弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合键的本性和原子间
6、的结合力结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，可，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），而对高分子和陶瓷料），而对高分子和陶瓷E E对结构和组织敏感。对结构和组织敏感。熔点高，熔点高，E EE E W W=2E=2EFeFe E EFeFe=3E=3EAlAl零件的刚度与材料的刚度不同零件的刚度与材料的刚度不同，它除了决定于材料，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。作用的方式有关。1.2.3 1.2.3 弹性比功弹性
7、比功 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 弹性比功弹性比功理论上：理论上：弹性极限的测定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：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。理想的弹簧材料：应有高的弹性应有高的弹性极限和低的弹性模量。极限和低的弹性模量。成分与热处理对弹性极限影响大，对弹性极限影响大，对弹性模量影响不大。对弹性模量影响不大。仪表弹簧因要求无
8、磁性，铍青铜，因要求无磁性，铍青铜，磷青铜等软弹簧材料。磷青铜等软弹簧材料。eEa e 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。弹性滞后环弹性滞后环(链接链接)1.2.41.2.4 滞弹性滞弹性 应变落后于应力的现象，这种现象叫滞弹性。应变落后于应力的现象，这种现象叫滞弹性。1.2.5 包辛格（Baushinger）效应 弹性不完整性 定义：指原先经过变形，指原先经过变形，然后反向加载时弹性极然后反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现限或屈服强度降低的现象。象。值度量包辛格效应的大小。单
9、循环或多循环后，都有包辛格效应 包辛格效应示意图包辛格效应示意图(有有链接链接)T10 T10钢的包辛格效应钢的包辛格效应 条件：条件：T 1 0 钢 淬 火钢 淬 火350回火回火拉伸时，曲线拉伸时，曲线1 1 0.2=1130M Pa 曲线曲线2 2事先经过预压变事先经过预压变形再拉伸时形再拉伸时,0.2=880M Pa包辛格效应理论解释包辛格效应理论解释包辛格效应理论解释包辛格效应理论解释包辛格效应理论解释包辛格效应理论解释 原先加载变形时原先加载变形时,位错源位错源在在滑滑移面上产生移面上产生的位错遇到障碍的位错遇到障碍,塞积后产生了塞积后产生了背应力背应力,当反向加载时当反向加载时,
10、位错运动的方向与原来方位错运动的方向与原来方向相反向相反,背应力帮助位错运动背应力帮助位错运动,塑性变形塑性变形容易容易,导致导致屈服强度屈服强度,另外另外,反向加载时反向加载时,滑滑移面上产生的位错与预变形的位错异移面上产生的位错与预变形的位错异号号,异号位错异号位错抵抵销销,引起材料软化引起材料软化,屈服强屈服强度度。理论上理论上:由于它是金属变形时长程内应力的度由于它是金属变形时长程内应力的度量量(可用可用X X光方法测定光方法测定),),所以所以,包辛格效应可用包辛格效应可用来研究材料加工硬化的机制来研究材料加工硬化的机制.工程上工程上:材料加工工艺时材料加工工艺时,需要注意或考虑包辛
11、格效应需要注意或考虑包辛格效应.输油管输油管UOEUOE工艺工艺 包辛格效应大的材料，内应力较大。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和材料的疲劳强度也有密切关系 清除包辛格效应的方法 预先进行较大的塑性变形预先进行较大的塑性变形,或或在第二次反向受力前先使金属材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料于回复或再结晶温度下退火,如如钢在钢在400-500400-500以上以上.1.3 1.3 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形塑性变形的方式和特点塑性变形的方式和特点常见的塑性变形方式为常见的塑性变形方式为滑移滑移和和孪生孪生滑移滑移
12、是金属材料在切应力作用下是金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑沿滑移面和滑移方向进行的切变过程移方向进行的切变过程.滑移面滑移面滑移方向滑移方向=滑移系滑移系 滑移系越多滑移系越多,塑性塑性孪晶孪晶是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式方式,孪晶变形可以调整滑移面的方向孪晶变形可以调整滑移面的方向,使新的使新的滑移系开动滑移系开动,间接对塑性变形有贡献间接对塑性变形有贡献.(.(滑移受滑移受阻阻孪生孪生,变形速度加快变形速度加快)1.3.1 1.3.1 屈服强度及其影响因素屈服强度及其影响因素 屈服标准屈服标准S定义定义:材料开始塑性变形的应力材料开始
13、塑性变形的应力.工程上常用的屈服标准有三种工程上常用的屈服标准有三种比例极限比例极限P:应力应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力应变曲线上符合线性关系的最高应力.SP 弹性极限弹性极限el:材料能够完全弹性恢复的最高应力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工程上用途不同区别,枪炮材料要求高的比例极限枪炮材料要求高的比例极限,弹簧材料要求高的弹弹簧材料要求高的弹性极限性极限 屈服强度屈服强度0.2或或ys:以规定发生一定的残留变形为标准以规定发生一定的残留变形为标准,通常为通常为0.2%残留变形的应力作为屈服强度残留变形的应力作为屈服强度.比例极限比例极限P P,弹性极限弹
14、性极限elel,屈服强度屈服强度0.20.2或或ysys 这三种标准在测量上实际上都是以这三种标准在测量上实际上都是以残留变形残留变形为依据为依据,只不过规定的残留变形量不同只不过规定的残留变形量不同,所以国家规定三种所以国家规定三种规范规范.规定非比例伸长应力规定非比例伸长应力(P P)0.010.01或或0.050.05规定残留伸长应力规定残留伸长应力()r r0.20.2规定总伸长应力规定总伸长应力(t t)t t0.50.51.影响屈服强度的因素结合键:金属金属金属键金属键 高分子高分子范德华力范德华力 陶瓷陶瓷共价键或离子键共价键或离子键 组织:四种强化机制影响四种强化机制影响 ys
15、 ys 固溶强化固溶强化 形变强化形变强化 沉 淀 和 弥 散 强 化沉 淀 和 弥 散 强 化 晶 界 和 亚 晶 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其中沉淀强化和晶粒细化是工程上常使用提高 ys ys 的手段。的手段。前三种机制提高前三种机制提高 ysys,但是降低但是降低,只有第四种提高只有第四种提高 ysys又提高又提高。内在因素内在因素:结合键结合键,组织组织,结构结构,原子本性原子本性外在因素外在因素 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）应变速率和应力
16、状态(应力集中)的影响应力状态应力状态(扭转、应力扭转、应力集中集中)的影响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YSYS的工程意义的工程意义 YSYS的工程意义的工程意义:许用应力：单向、多向。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）：致度量（不是越高越好）：如如:YSYS,对应力腐蚀和氢脆就敏感对应力腐蚀和氢脆就敏感YSYS,冷加工成型性能和焊接性能好冷加工成型性能和焊接性能好YSYS是材料性能中不可缺少的重要指标是材料性能中不可缺少的重要指标1.3.2 1.3.2 加工硬化和真应力
17、加工硬化和真应力-应变曲线应变曲线 真实应变与条件应变相比有两真实应变与条件应变相比有两种明显的特点种明显的特点:条件应变往往不能真实反映或条件应变往往不能真实反映或度量应变。（拉伸与压缩）度量应变。（拉伸与压缩）真实应变可以叠加真实应变可以叠加,可以不记中可以不记中间的加载历史间的加载历史,只需知道试样的只需知道试样的初始长度和最终长度（条件应初始长度和最终长度（条件应变不能）变不能）两者关系两者关系:条件应变条件应变 真实应真实应变变 000lnlnln(1)l llll 真应力真应力-应变曲线应变曲线(流变曲线流变曲线)真应力真应力S=F/A 真实应变真实应变00lnlldllll真应力
18、真应力-应变关系应变关系: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=KS=Kn n Hollomon Hollomon 关系式关系式式中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=lnK+lnS=lnK+nlnnln图1-6双对数座标上的Hollomon关系理想弹性体：理想弹性体：n n1 1；理想塑性体：n0n的取值范围：01一般金属：n0.10.5注意：加工硬化速率注意：加工硬化速率ds/d ds/d 与加工硬与加工硬化指数化指数n n并不等同并不等同n=dlnS/dln=ds/Sdn=dlnS/dl
19、n=ds/Sd 即即ds/d=nS/ds/d=nS/在相同变形时在相同变形时的情况下，的情况下，n ds/dn ds/d 对有些金属材料对有些金属材料:象双相钢，一些铝合金和不锈象双相钢，一些铝合金和不锈钢钢 不能用不能用S=KS=Kn n方程描述。方程描述。在在lnS-lnlnS-ln图中会得图中会得到两段不同的斜率的直线，称为到两段不同的斜率的直线，称为双双n n行为行为，它使得，它使得n n的意义模糊和复杂化，要寻求其他方程形式来表征的意义模糊和复杂化，要寻求其他方程形式来表征真应力真应力-应变关系。应变关系。3.加工硬化指数n的实际意义 反映了材料开始屈服以后，继续变形时材料的反映了材
20、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应变硬化情况，它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力。（的最大应力。（b b或或S Sb b）1)1)金属的金属的加工硬化指数（能力）加工硬化指数（能力），对冷加工成型，对冷加工成型很重要（很重要（n n决定开始颈缩时的最大应力和最大决定开始颈缩时的最大应力和最大均匀变形量，均匀变形量，n=0n=0材料能否冷加工？）材料能否冷加工？）。低碳。低碳钢有较高的钢有较高的n,nn,n约为约为0.20.2。汽车身板铝合金汽车身板铝合金化化 ，其，其n n值较低，冷加工或冲压性能差。值较低，冷加工或冲压性能差。2)2)对于工作中的零件
21、，也要求材料有一定的加工对于工作中的零件，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。硬化能力，是零件安全使用的可靠保证。3)3)形变强化形变强化是提高材料强度的重要手段。是提高材料强度的重要手段。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。图图1-9 复相钢的应力应变曲线复相钢的应力应变曲线普通碳钢
22、，控制轧制的普通碳钢，控制轧制的SAE950 x和和980低合低合金高强度刚（屈服点分别为金高强度刚（屈服点分别为345和和550MN/m2)以及临界区淬火以及临界区淬火SAE980 x图图1-10 贝氏体贝氏体-奥氏体钢的应力应奥氏体钢的应力应变曲线变曲线（a)低奥氏体含量低奥氏体含量（b)最佳奥氏含量最佳奥氏含量（c)高奥氏体含量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可通过屈服强度可通过屈服强度ys 估算：估算：ys M Pa=70/n n ys与与b差值越大，即差值越大，即S/B 颈缩条件颈缩条件：应力-应变曲线上的
23、应力达到最大值时，即开始出现颈缩，颈颈缩前是均匀变形，缩前是均匀变形，颈缩后是不均匀变颈缩后是不均匀变形，即局部变形形，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抗拉强度抗拉强度在材料不产生颈缩时抗拉强度代表断裂抗力在材料不产生颈缩时抗拉强度代表断裂抗力 脆性材料脆性材料：设计时，其许用应力以抗拉强度为依据设计时，其许用应力以抗拉强度为依据。塑性材料：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
24、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 建立一定关系 对淬火回火钢：-1b b0.345 H B 因此，因此，b b被列为材料常规力学性能的五大指标之一被列为材料常规力学性能的五大指标之一五大指标：五大指标：S S，b b，a a K K塑性的测量塑性的测量(有有链接链接)塑性的塑性的定义定义：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。条件塑性条件塑性=（l-ll-l0 0）/l/l0 0100%100%U U=l=lU U/l/l0 0 (均匀变形延伸率均匀变形延
25、伸率)N N(局部变形延伸率局部变形延伸率)=l)=ln n/l/l0 0 l试样断裂后的标距长度 l0试样原始标距长度（塑性变形）（塑性变形）=均匀塑性变形均匀塑性变形+集中塑性变形集中塑性变形5 5:l:l0 0=5d=5d0 0(小试样小试样)1 01 0:l:l0 0=10d=10d0 0（大试样）（大试样）（试样长度对（试样长度对有影响有影响?)?)gtgt:最大力下的总伸长率表示材料塑性，最大力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，均匀塑性，变形是工程应变，gtgt对于评定冲对
26、于评定冲压板材的成型能力是很有用的。压板材的成型能力是很有用的。真实应变真实应变 B B=ln(1+=ln(1+gtgt)对于退火，正火或调质态的低、中碳钢来说，测对于退火，正火或调质态的低、中碳钢来说，测出出gtgtB Bnn断面收缩率：断面收缩率：=（A A0 0-A-A）/A/A0 0100%100%A A0 0试样原始横截面能试样原始横截面能A A1 1-缩颈处最小横截面积缩颈处最小横截面积U U=A=AU U/A/A0 0 n n=A=An n/A/A0 0 f f=(A=(A0 0-A-Af f)/A)/A0 0若若形成颈缩，若形成颈缩，若不形成颈缩，不形成颈缩，比比对组织变化更为
27、敏感对组织变化更为敏感 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 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。1.3.5 1.3.5 静力韧度（能量指标）静力韧度（能量指标）定义：定义：材料在静拉伸时单材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合强度与塑性的最佳配合 0UfTsd1.4 金属材料的断裂1.4.1 1.
28、4.1 静拉伸的断口静拉伸的断口(3(3种情况种情况)（a）(b)：断口齐平，：断口齐平，垂直垂直于最大拉应力方向，于最大拉应力方向，只有少量均匀变形，铸铁，淬火，只有少量均匀变形，铸铁，淬火+低回火高碳钢。低回火高碳钢。（e）：塑性很好，试样断面可减细到近于一尖塑性很好，试样断面可减细到近于一尖 刀，然后刀，然后沿沿最大切应力方向断开。最大切应力方向断开。如纯如纯Au、Al。(c)(d)：都出现颈缩，只是程度不同，试样中心都出现颈缩，只是程度不同，试样中心 先开裂，然后向外延伸，接近表面时沿最先开裂，然后向外延伸，接近表面时沿最 大切应力方向斜面断开，断口形状如杯口状大切应力方向斜面断开，断
29、口形状如杯口状。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 拉伸试样的宏观断口拉伸试样的宏观断口对拉伸试样的宏观断口观察：对拉伸试样的宏观断口观察：三个区域三个区域中心区叫做纤维区中心区叫做纤维区放射区放射区剪切唇剪切唇这三个区域的比例关系与材这三个区域的比例关系与材料韧断性能料韧断性能（塑性塑性）有关，有关，若材料的硬度和强度很高，若材料的硬度和强度很高，又处于低温环境，断面上有又处于低温环境，断面上有许多放射状条纹，并汇聚一许多放射状条纹，并汇聚一个中心。个中心。无缺口拉伸试样,断口和三个断裂区示意图冲击试样和三
30、个断裂区示意图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 疲劳断裂 在在SEMSEM，微孔聚合型断裂的形，微孔聚合型断裂的形貌是一个个韧窝，韧窝是微孔貌是一个个韧窝，韧窝是微孔长大的结果，韧窝中包含着一长大的结果，韧窝中包含着一个夹杂物或第二相，这证明微个夹杂物或第二相，这证明微孔多萌生于夹杂物或第二相与孔多萌生于夹杂物或第二相与基体的界面上。基体的界面上。由于应力状态或加载方式的不同，韧窝可由于应力状态或加载方式的不同，韧窝可有三种类型有三种类型 拉伸型的等轴状韧窝拉伸型的等轴状韧窝剪切型的伸长韧窝剪切型的伸长韧窝 拉伸撕裂的伸长韧窝拉伸撕裂的伸长韧窝
31、韧窝的形状取决于韧窝的形状取决于应力状态应力状态，而韧窝的大小和深，而韧窝的大小和深浅取决于浅取决于第二相的数量分布以及基体的塑性变形第二相的数量分布以及基体的塑性变形能力，能力，韧窝大而深，塑性好，大而浅，加工硬化韧窝大而深，塑性好，大而浅，加工硬化能力强。能力强。1.4.3 1.4.3 穿晶断裂穿晶断裂解理和准解理解理和准解理解理断裂：解理断裂：为脆性断裂（宏观（宏观)()(体心立方，密排体心立方，密排 六方金属六方金属)解理面：解理面：沿着一定的结晶学平面发生的沿着一定的结晶学平面发生的 ，这个，这个 平面叫解理面平面叫解理面微孔断口形貌：微孔断口形貌：河流状花样，河流的流向为裂纹河流状
32、花样，河流的流向为裂纹扩展方向，裂纹多扩展方向，裂纹多萌生于萌生于晶界或亚晶界晶界或亚晶界 河流状花样：河流状花样：实际上是许多解理台阶，不是在单实际上是许多解理台阶，不是在单一的晶面上一的晶面上 解理阶解理阶解理羽毛解理羽毛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。准解理准解理1.4.4 1.4.4 力学状态图的断裂分析力学状态图的断裂分析 应力状态系
33、数应力状态系数 一个材料的塑性或脆性并不是绝对一个材料的塑性或脆性并不是绝对的，受应力状态的影响。的，受应力状态的影响。例：例：铸铁铸铁 压压韧，拉韧，拉脆脆 韧性低碳钢韧性低碳钢 光滑，缺口光滑，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，引入应力状态系数态系数 maxmax13123/()/2S max13max123()/2S 1,3 分别为最大和最小主应力分别为最大和最小主应力,为泊松比为泊松比对单向拉伸：230112扭转：1200.8单向压缩：取32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，
34、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。)1/(1325.025.02/1021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发生何种断裂2.力学状态图1.7 金属的硬度w 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。w 究竟它表征哪一种抗力，则决定于采用的试验方法。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
35、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 实验方法硬度与其他性能指标的关系BKHB以压入法为例：对Cu及合金和不锈钢 K=0.4-0.55 对钢铁材料 K=0.33-0.36旋转弯曲疲劳极限 1/2/6BHB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硬度实验硬度实验布氏硬度和洛氏硬布氏硬度和洛氏硬度的测定度的测定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。2/HBP FPDt kgf m
36、m凹式中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)1/2222PHBD DDd布氏硬度的测定原理的图示布氏硬度的测定原理的图示w 根据不同根据不同d d值，值，可查表或计算可查表或计算出出HBHB值。值。oaboab关系中关系中 22122DtDd代入前式代入前式链接 0.2Dd 450HB450以上硬材料，不能使用。w 所以，不允许有较大压痕的工件，也不宜于薄件试样。w 定义：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。w 测定原理：测定原理：是在载荷P0及总载荷P 分别作用下，将金刚石（较硬）圆锥（
37、位角120120 0 0）或钢球（1.58881.5888）压入较软试样表面，然后卸除主载荷P P1 1,在初载荷下用测量的e值计算洛氏硬度，e e值为卸除主载荷后，在初载荷下的压痕深度残余均是用0.002mm0.002mm为单位表示。1.7.3 1.7.3 洛氏硬度洛氏硬度链接w优点：压痕少，操作简单，易直接读出，不存在压头变形问题。w缺点：稳定性差，多测几个点平均，不同硬度级测量。w 硬度值无法统一起来；晶粒粗大缺乏代表性 w HRHRC C=0.2-t=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1.7.4 维氏硬度 维氏硬度试验
38、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 D221.854(/)PPHVkgfmmFd凹w 原理与维氏硬度一样，只是载荷小，大致在原理与维氏硬度一样，只是载荷小，大致在100gf500gf100gf500gf.w 压头有两种：压头有两种：1 1）维氏压头，金刚石四方锥维氏压头，金刚石四方锥 2 2）努氏压头：菱形的金刚石锥体努氏压头：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：用途：测量尺寸小或很薄的零件。测量尺寸小或很薄的零件。显微组织显微组织的硬度
39、。的硬度。缺点：缺点：效率低。效率低。1.7.5 显微硬度链接链接2clPAPHK几种硬度计几种硬度计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 曲线曲线1 1：聚碳酸脂（：聚碳酸脂（PCPC），），聚丙稀（聚丙稀（PPPP）和高抗冲聚）和高抗冲聚苯乙烯（苯乙烯（HTPSHTPS）衡速拉伸）衡速拉伸 曲线曲线2 2：ABSABS塑料，聚甲醛塑料，聚甲醛（POMPOM）和增强尼龙）和增强尼龙（GFPAGFPA）等）等 曲线曲线3 3：增强聚碳酸脂：增强聚碳酸脂（GFPCGF
40、PC），聚苯乙烯），聚苯乙烯（PSPS），发生脆断），发生脆断 聚合物材料的拉伸载荷-伸长曲线1.8 1.8 聚合物的静强度聚合物的静强度聚合物的颈缩聚合物的颈缩 晶态聚合物的弹性模量晶态聚合物的弹性模量 弹性模量与金属相似，取弹性模量与金属相似，取决于分子键的作用力，决于分子键的作用力，范德瓦尔力，氢键，偶极，范德瓦尔力，氢键，偶极，但是，沿晶态聚合物分子但是，沿晶态聚合物分子键方向加载与垂直于分子键方向加载与垂直于分子链方向加载时，其弹性模链方向加载时，其弹性模量相差很大（量相差很大（1 12 2个数量个数量级）级）非晶态聚合物的弹非晶态聚合物的弹性模量性模量 大小实质上也是反映了大小实质
41、上也是反映了分子链与分子链间键合分子链与分子链间键合力与位能的变化，非晶力与位能的变化，非晶态与晶态不同，沿不同态与晶态不同，沿不同方向加载时差别小，弹方向加载时差别小，弹性性E E也小。也小。聚合物的聚合物的E E对结构非常敏感对结构非常敏感,这与金属和陶瓷不同这与金属和陶瓷不同影响聚合物的弹性模量的因素下列因素的增加，下列因素的增加，EE 1)1)主键热力学稳定性的增加主键热力学稳定性的增加 2 2）结晶区百分比的增加）结晶区百分比的增加 3 3）分子链填充密度的增加）分子链填充密度的增加 4 4）分子链拉伸方向取向程度的增加）分子链拉伸方向取向程度的增加 5)5)聚合物晶体中链端适应性增
42、强聚合物晶体中链端适应性增强 6)6)链折叠程度的减小链折叠程度的减小 聚合物受力后产生的变形是聚合物受力后产生的变形是通过调整内部分子构象通过调整内部分子构象实现的。实现的。粘弹性：粘弹性：具有慢性的粘性流变，表现为滞后环，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，密切应力松弛和蠕变。上述现象均与温度，时间，密切相关。相关。聚合物另一种特殊的弹性变形行为是聚合物另一种特殊的弹性变形行为是高弹态，如橡高弹态，如橡胶胶 橡胶的特点：橡胶的特点：1 1）E E很小很小，而变形量很大。一般，而变形量很大。一般Cu,FeCu,Fe的的E E只有只有1 1-2-2，而橡胶
43、，而橡胶10001000。2 2）形变形变需要时间需要时间 3 3）形变时有热效应形变时有热效应，热弹性效应；在，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伸长时发热，回缩时吸热，这种热效应随伸长率而增加。增加。链接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 材料在静拉伸载荷作用下，经过弹性变形加塑性变形加断裂三个阶段。E 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 E E陶陶E E 如 Al:E=65G P
44、a Al2O3：E=390Mpa 钢:E=200Gpa SiC:E=470G Pa 陶瓷材料陶瓷材料E:E:不仅与不仅与结合键（离子键和共价键）结合键（离子键和共价键）有关，有关，还与还与陶瓷结构及气孔率陶瓷结构及气孔率有关，而金属材料有关，而金属材料E E是一个极是一个极为稳定的力学性能指标，合金化，热处理，冷热加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工难以改变它的数值。但陶瓷的工艺过程却对陶瓷材料的材料的E E有着巨大的影响。有着巨大的影响。如气孔率如气孔率P P较小时，较小时，E=EE=E0 0(1-KP)(1-KP)K K为常数，为常数
45、，E E0 0是无气是无气孔孔时的E0 陶瓷材料（特别是气孔率较高时）陶瓷材料（特别是气孔率较高时）E E压压 E E拉拉 且且E E压压 E E拉拉 而金属而金属 E E压压=E=E拉拉陶瓷材料E的特点 因为陶瓷材料塑性差，拉伸时，若夹头不对轴，断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，测不出真实的裂往往发生在夹头处，测不出真实的f f,所以，一般所以，一般均采用弯曲试验。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：23()3fPLMPabh23()()2fP LlMPabhP P为断裂载荷（为
46、断裂载荷（N N）L L为下支点间跨距（为下支点间跨距（mmmm）l l为上支点间跨距（为上支点间跨距（mmmm）（对（对4 4点弯曲）点弯曲）b b为试样宽度（为试样宽度（mmmm）h h为试样厚度（为试样厚度（mmmm）1.9.3 1.9.3 陶瓷材料的断裂与断裂陶瓷材料的断裂与断裂强度强度 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差巨大可用格里菲斯裂缝强度理论得到满意解释1/20cEac0a陶瓷材料尽管本质上应该具有很高的断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裂强度，但实际断裂
47、强度却往往低于金属。属。陶瓷陶瓷压压 拉，其差别程度远远拉，其差别程度远远超过金属超过金属气孔和材料密度对陶瓷断裂强度有重大气孔和材料密度对陶瓷断裂强度有重大影响影响 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 S，试证明 S S 0.2(),gtspE G n 思考题与习题思考题与习题 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。缺口对材料的性能影响有以下四个方面：缺口产生应力集中
48、 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1）缺口部分不能承受外力，这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，因而缺口根部的应材料来承担，因而缺口根部的应力最大力最大。2 2）应力集中系数应力集中系数K Kt t ：表示缺：表示缺口产生应力集中的影响口产生应力集中的影响m axLtnSKmaxLS为缺口根部的最大应力为缺口根部的最大应力 n为净截面上的名义应力为净截面上的名义应力 在弹性范围内在弹性范围内,K,Kt t的数值决定于缺口的几何形状和尺寸的数值决定于缺口的几何形状和尺寸 缺口的影响根部产生三向应
49、力状态，使材料的屈服变形困难，导致脆化根部产生三向应力状态，使材料的屈服变形困难，导致脆化 w平面应力状态平面应力状态：0 0，即在，即在XYXY平面内有应平面内有应力，而在垂直于力，而在垂直于XYXY平面的方向则无应力平面的方向则无应力存在存在。w平面应变状态平面应变状态：0 0 根据虎克定律根据虎克定律，故有故有 这种应力状态称为平面应变状态这种应力状态称为平面应变状态 ZZ10ZZxyE Zxy 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由应力集
50、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。2tKKKKKtKw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 d ld tddt0dldl0001dllddldtdtdtll0l0l2.2.1 温度对材料的力学性能影响 wb.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
