单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,2020/3/26,#,第一讲 力学性质,第一讲 力学性质,一、概述,力学性质：,是指材料在外应力作用下的行为。,常用的力学性质：,E,弹性模量，描述应力和应变之间的比例,关系。,屈服强度，材料发生塑性变形的最小应力；,G,硬度，描述材料软硬的程度。,一、概述 力学性质：是指材料在外应力作用下的行为。,材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为,变形,。,外力去处后能够恢复的变形称为,弹性变形,。,外力去处后不能恢复的变形称为,塑性变形,。,五万吨水压机,材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。五万吨水压,低碳钢的应力,-,应变曲线,拉伸试样,拉伸试验机,应力,=,P,/,F,0,应变,=(,l,-,l,0,)/,l,0,低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力=P/F0,塑性流变,从低温到高温,(1),低温区的塑性形变：,T0.4T,m,时，原子扩散和位错攀移作用明显表现出来。,蠕变：材料在长时间的恒温、恒应力下，发生,缓慢塑性变形的现象。,塑性流变从低温到高温,蠕变强度：金属在一定温度下，一定时间内产生一,定变形量所能承受的最大应力。,(600,、,1000hr,、,0.1%,变形量,),持久强度：金属在一定温度下，一定时间内所能承,受的最大断裂应力。,(800,、,100hr),蠕变过程可分为三个典型阶段：,起始的瞬态蠕变、中间的稳态蠕变和最终导致的蠕变。,蠕变的主要机制为位错的攀移，需要位错在晶格中的扩散。,蠕变强度：金属在一定温度下，一定时间内产生一,(3),扩散蠕变：在更高的温度，低的应力下,(,小于屈服应力,),，或在位错能动性差的情况下，位错滑移难以进行时，空位的定向扩散将成为蠕变的主要机制。,a.Nabarro-Herring,蠕变：外加拉应力于取向不同的晶界，其空位形成能有了不同的变化，从而导致晶界的空位平衡浓度不同，因而形成了在晶粒内部的空位扩散。,物质的流动方向与空位流动方向相反，其结果是晶粒沿拉伸方向发生应变。,b.Coble,蠕变：在拉伸力的作用下，空位沿晶界扩散。,(3)扩散蠕变：在更高的温度，低的应力下(小于屈服应力),1,、弹性和刚度,弹性：,指标为弹性极限,e,，即,材料承受最大弹性变形时的应力。,刚度：,材料受力时抵抗弹性变形的能力。,指标为弹性模量,E,。,e,弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。,1、弹性和刚度弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变,陶瓷强度的测定：,a.,弯曲强度：三点弯曲或四点弯曲方法；,b.,抗拉强度：测定时技术上有一定难度，常用弯曲,强度代替，弯曲强度比抗拉强度高,2040%,；,c.,抗压强度：远大于抗拉强度，相差,10,倍左右，特,别适合于制造承受压缩载荷作用的,零部件。,2,、强度与塑性,强度：,材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。,屈服强度,s,：,材料发生微量塑性变形时的应力值。,条件屈服强度,0.2,：,残余变形量为,0.2%,时的应力值。,抗拉强度,b,：,材料断裂前所承受的最大应力值。,s,0.2,2、强度与塑性强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。s,塑性：,材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。,指标为：,伸长率：,断面收缩率：,断裂后,拉伸试样的颈缩现象,塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力,说明：,用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。,直径,d,0,相同时，,l,0,，,。只有当,l,0,/d,0,为常数时，塑性值才有可比性。,当,l,0,=10d,0,时，伸长率用,表示；,当,l,0,=5d,0,时，伸长率用,5,表示。显然,5,时，无颈缩，为脆性材料表征,时，有颈缩，为塑性材料表征,说明：,3,、硬度,材料抵抗表面局部塑性变形的能力。,布氏硬度,HB,布氏硬度计,3、硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度计,压头为钢球时,，布氏硬度用符号,HBS,表示，适用于布氏硬度值在,450,以下的材料。,压头为硬质合金球时,，用符号,HBW,表示，适用于布氏硬度在,650,以下的材料。,符号,HBS,或,HBW,之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径,、,载荷及载荷保持时间。,如,120HBS10/1000/30,表,示直径为,10mm,的钢球在,1000kgf,（,9.807kN,）载荷作用下保持,30s,测得的布氏硬度值为,120,。,布氏硬度压痕,压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用,布氏硬度的优点：,测量误差小，数据稳定。,缺点：,压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。,适于测量,退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。,材料的,b,与,HB,之间的经验关系：,对于低碳钢,:,b,(MPa),3.6HB,对于高碳钢：,b,(MPa),3.4HB,对于铸铁：,b,(MPa),1HB,或,b,(MPa),0.6(HB-40),HB,b,(MPa),钢,黄铜,球墨铸铁,布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。HBb(MP,洛氏硬度,h,1,-,h,0,洛氏硬度测试示意图,洛氏硬度计,洛氏硬度用符号,HR,表示，,HR=,k,-(,h,1,-,h,0,)/0.002,根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为,A,、,B,、,C,。,洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度用符号,符号,HR,前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺,HRA,用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层,。,HRB,用于测量低硬度材料,如有色金属和退火,、,正火钢等。,HRC,用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。,洛氏硬度的优点：,操作简便，压痕小，适用范围广。,缺点：,测量结果分散度大。,钢球压头与金刚石压头,洛氏硬度压痕,符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺HRA用于测量高,维氏硬度,维氏硬度计,维氏硬度试验原理,维氏硬度压痕,维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕,维氏硬度用符号,HV,表示,，,符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。,根据载荷范围不同，规定了三种测定方法,维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。,维氏硬度保留了布氏硬度和,洛氏硬度的优点。,小负荷维氏硬度计,显微维氏硬度计,维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺,二、断裂,1.,断裂：,含裂纹体承载达到临界值时，致使裂,纹失稳扩展，最终产生破坏的现象。,2.,断裂的基本形式：,延性断裂和脆性断裂,。,3.,断裂机理：,(1),微孔集结断裂,(,韧性断裂,),断口上出现抛物线型的韧窝，主要是金属,和高聚物的断裂机理；,二、断裂 1.断裂：含裂纹体承载达到临界值时，致使裂,(2),解理断裂,(,脆性断裂,),是一种低能量断裂，也是晶体材料中最脆的一种断裂；沿晶体中解理面断开原子键而引起的断裂，非常平坦，一晶粒内的解理裂纹具有平直性；一个晶粒内的一条解理裂纹可同时在两个平行的解理面上扩展，形成解理台阶。,(3),晶界断裂,裂纹择优沿晶界扩展而引起的断裂；也是一种低能量脆性断裂，断口呈现颗粒状形貌。,(2)解理断裂(脆性断裂),三、韧性,1.,韧性,：,是强度和塑性的综合表现，是材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。,强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和断,裂的能力。,塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不,断裂的能力。,常以延伸率和断面收缩率来表征。,三、韧性1.韧性：,图中为单向拉伸条件下两种钢光,滑试样的应力,应变曲线。单位,体积材料的弹性应变能,(U,oe,),为：,式中，,p,为比例极限，,p,为对,应于,p,的弹性应变，,E,为弹性,模量。,U,oe,也就是,OAB(,或,OAB),的面积，表示弹性。,同样，用单位体积材料在变形和断裂全过程中吸收的能量,(U,OT,),表示韧性，也可用单位体积材料在塑性变形和断裂全过程中吸收的能量,(U,op,),表示韧性，一般用,U,OT,表示韧性。,高碳弹簧钢：,U,oe,=,面积,OAB,U,op,=,面积,BACD,U,oT,=,面积,OACD,低碳结构钢：,U,oe,=,面积,OAB,U,op,=,面积,BACD,U,oT,=,面积,OACD,由于,U,oT,=U,oe,+U,op,当断裂时的应变,f,远大于,e,时，,U,oT,U,op,，韧性的两种定义近似一致。,图中两种钢的弹性模量相同，但高碳弹簧钢的,p,及对应的,e,较大，故弹性较大，在弹性范围内能贮存的弹性应变能较多，有较大的回弹力。其抗拉强度,b,虽大于低碳结构钢，但,f,却远小于低碳结构钢，综合,b,及,f,，高碳弹簧钢的韧性低于低碳结构钢。,2.,韧性的划分：,(1),光滑试样,如上图所示，用应力,应变曲线下的面积大小来表征韧性的高低；,(2),缺口试样,工程上惯用冲击韧性，即冲断给定缺口试样所消耗的功，或试样在冲击条件下从形变到断裂全过程所吸收的能量。有,k,及,C,v,，分别为,U,形和,V,形缺口。,(3),裂纹试样,对于平面应变条件有,G,IC,及,J,IC,，分别为线弹性及弹塑性范围内裂纹扩展单位面积所需的能量。,对于直线穿透型裂纹沿裂纹面扩展时，有：,裂纹试样的韧性俗称断裂韧性，实质上是裂纹断裂韧性。,2.韧性的划分：,3,、冲击韧性,是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。,指标为冲击韧性值,a,k,(,通过冲击实验测得,),。,3、冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲,韧脆转变温度,材料的冲击韧性随温度下降而下降。,在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称,韧脆转变,。,发生韧脆转变的温度范围称,韧脆转变,温度,。,材料的使用温度应高于韧脆转变温度。,韧,体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。,韧脆转变温度材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内,TITANIC,建造中的,Titanic,号,TITANIC,的沉没与船体材料的质量直接有关,TITANIC建造中的Titanic 号TITANIC的沉没,Titanic,号钢板,（左图）,和,近代船用钢板,（右图）,的冲击试验结果,Titanic,近代船用钢板,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试,4.,断裂韧性,油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关,1943,年美国,T-2,油轮发生断裂,北极星导弹,裂纹扩展的基本形式,4.断裂韧性油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在,应力强度因子：,描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。,断裂韧性：,材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。,C,为断裂应力，,a,C,为临界裂纹半长，单位为,应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。断裂韧性：材,四、疲劳强度,1.,疲劳强度：,被测材料抵抗交变载荷的性能。,2.,疲劳,材料在低于,s,的重复交变应力作用下发生断裂的现象。,材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为,疲劳极限,。用,-1,表示。,钢铁材料规定次数为,10,7,，有色金属合金为,10,8,。,疲劳应力示意图,疲劳曲线示意图,四、疲劳强度1.疲劳强度：2.疲劳材料在低于s的重复交,特点,1,：无论是脆性材料，还是塑性材料，疲劳,断裂均不产生明显的塑性变形；,特点,2,：裂纹产生及扩展区呈“贝壳”花样，最后,断裂区呈纤维状或结晶状。,疲劳曲线：交变应力,与交变次数,N,的关系,当应力低于某值时，应力交变到无数次也不会发生断裂，此为疲劳极限。,特点1：无论是脆性材料，还是塑性材料，疲劳,疲劳断口,通过,改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁