材料力学性能教学提纲.ppt

材料力学性能材料力学性能沈阳理工大学沈阳理工大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院教教 师师v姓姓名：李永华名：李永华v电电话：话：24686019v办公室：办公室：CLA323绪绪 论论1.材料分类与材料性能材料分类与材料性能2.课程意义课程意义3.课程内容与要点课程内容与要点4.晶体结构基础知识晶体结构基础知识5.位错理论基础知识位错理论基础知识6.学习方法学习方法7.参考文献参考文献1材料分类与材料性能材料分类与材料性能1.1材料的种类材料的种类类型类型：金属金属金属金属；无机非金属；高分子材料；复合材料；无机非金属；高分子材料；复合材料用途用途：结构材料结构材料结构材料结构材料；功能材料；功能材料1.2材料的性能材料的性能力学性能力学性能力学性能力学性能:强度、塑性、韧性等强度、塑性、韧性等、HB、KIC；物理性能物理性能:声、光、电、磁声、光、电、磁、Tm、Cp、磁导等；、磁导等；化学性能化学性能:可燃性、反应性、抗氧化性等；可燃性、反应性、抗氧化性等；工艺性能工艺性能:热加工热加工(铸锻焊铸锻焊)、冷加工性能、冷加工性能(车铣磨车铣磨)；生物性能生物性能:生物反应性、生物相容性等。生物反应性、生物相容性等。1.3材料的力学性能材料的力学性能 定定 义义材料的力学行为材料的力学行为：材料在外加载荷作用下材料在外加载荷作用下,或在载荷、加载速或在载荷、加载速率和环境因素的联合作用下表现出的行为率和环境因素的联合作用下表现出的行为.材料的力学性能材料的力学性能：材料在力作用下材料在力作用下,所显示出的与弹性和非弹所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能性反应相关或涉及应力应变关系的性能.影响材料力学性能的主要因素影响材料力学性能的主要因素n内因内因：晶体学特性：晶体学特性;化学成分化学成分;显微组织显微组织;内部缺陷内部缺陷;残余应力等残余应力等.n外因外因：温度：温度;周围介质；加载方式周围介质；加载方式;加载速率等加载速率等.n不同外因不同外因(即服役工况即服役工况)时时,材料的力学性能将改变材料的力学性能将改变.2 课程意义课程意义n工程设计工程设计理论力学、材料力学理论力学、材料力学机器零部件设计依据：许用应力机器零部件设计依据：许用应力=s/ns 强度校核强度校核=N/A n新材料研发新材料研发 强度、韧性、经济性、工艺性、实用性等强度、韧性、经济性、工艺性、实用性等n失效分析失效分析 原因分析：力学性能、组织结构、成分等原因分析：力学性能、组织结构、成分等“泰坦尼克泰坦尼克”号号美国国家技术监督局：美国国家技术监督局：遭遇冰山遭遇冰山；救生小船救生小船不足不足;连连接接船船体体部部分分的的固固定定铆铆钉钉,竟竟然然用用掺掺有有矿矿渣渣的的 劣劣 质质 金金 属属 制制 成成.08年初南方暴雪、高铁年初南方暴雪、高铁n n实际尺寸各异实际尺寸各异，一般不能实验，一般不能实验 设备设备 成本成本 限制限制n n模拟实际工况模拟实际工况 受力状态受力状态 类比类比n n试样试样；比例、规范、标准；比例、规范、标准n n实验方法实验方法 结果分析结果分析3课程内容与要点课程内容与要点3.1 内容内容a)材料的材料的弹性、塑性、屈服与硬化、断裂、硬度、疲弹性、塑性、屈服与硬化、断裂、硬度、疲弹性、塑性、屈服与硬化、断裂、硬度、疲弹性、塑性、屈服与硬化、断裂、硬度、疲劳、蠕变劳、蠕变劳、蠕变劳、蠕变等性能等性能;b)各项各项力学性能指标的本质、物理含义力学性能指标的本质、物理含义力学性能指标的本质、物理含义力学性能指标的本质、物理含义、微观机理、微观机理(结结构与状态构与状态);c)材料力学性能的主要材料力学性能的主要影响因素影响因素影响因素影响因素,提高性能的提高性能的措施措施措施措施;d)材料力学性能的材料力学性能的测试技术测试技术测试技术测试技术 3.2 课程要点课程要点a)金属静力学性能金属静力学性能.b)不同不同加载方式加载方式下的力学性能下的力学性能.c)环境环境对力学性能及其性能指标的影响对力学性能及其性能指标的影响.d)不同种类不同种类材料的力学性能材料的力学性能.n 重视基本概念重视基本概念n 重视基本计算问题重视基本计算问题4晶体结构基础知识晶体结构基础知识4.1晶体与非晶体晶体与非晶体4.1.1、晶体晶体凡原子按一定规律排列的固态物质，称凡原子按一定规律排列的固态物质，称晶体晶体.(如如:金刚石、石墨和金属金刚石、石墨和金属)1）原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列）原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列.2）固定熔点固定熔点如铁熔点如铁熔点1538.3）晶体性能随原子排列方位而改变，即单晶体具有）晶体性能随原子排列方位而改变，即单晶体具有各向异性各向异性.4.1.2、非晶体及其特性非晶体及其特性(如如:塑料、玻璃、沥青塑料、玻璃、沥青)1)内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体;2)无固定熔点无固定熔点；各向同性各向同性晶体晶体金刚石、金刚石、金属金属等等非晶体非晶体：蜂蜡、玻璃蜂蜡、玻璃 等等4.2 晶格、晶胞、晶格常数晶格、晶胞、晶格常数a)晶格晶格:假设原子刚性球假设原子刚性球,利用几何线条连接构成空间格架利用几何线条连接构成空间格架抽象描述抽象描述晶格中的点称结点晶格中的点称结点.不同方位的原子面称晶面不同方位的原子面称晶面.b)晶胞晶胞:晶格的最基本几何单元晶格的最基本几何单元.c)晶格常数晶格常数晶胞的棱边长为晶胞的棱边长为a、b、c和棱边夹角和棱边夹角、XYZabc晶格常数晶格常数a，b，c 体心立方晶格体心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo等等4.3常见金属晶格类型常见金属晶格类型晶格常数：晶格常数：a=b=c；=90 面心立方晶格面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等等晶格常数：晶格常数：a=b=c；=90 密排六方密排六方晶格晶格hcpMg、Zn等等晶格常数晶格常数底面边长底面边长a底面间距底面间距c侧面间角侧面间角120 侧面与底面夹角侧面与底面夹角90 5位错理论基础知识位错理论基础知识 5.1 位错的基本概念位错的基本概念v定义定义:晶体中某处若干列原子有规律的错排晶体中某处若干列原子有规律的错排.v意义意义:对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起决定性作用等起决定性作用.5.2 位错的类型位错的类型 根据原子滑移方向和位错线取向的几何特征不同根据原子滑移方向和位错线取向的几何特征不同:位错分为刃型位错、螺型位错、混合位错位错分为刃型位错、螺型位错、混合位错.5.3刃型位错模型刃型位错模型滑移面滑移面/半原子面半原子面/位错线位错线（位错线（位错线晶体滑移方向晶体滑移方向,位位错线错线位错运动方向位错运动方向,晶体滑移方向晶体滑移方向/位错运动方向位错运动方向.5.4 螺型位错模型螺型位错模型位错线位错线/晶体滑移方向，位错线晶体滑移方向，位错线位错运动方向，晶位错运动方向，晶体滑移方向体滑移方向位错运动方向位错运动方向5.5 位错的运动位错的运动位错运动的本质是塑性变形位错运动的本质是塑性变形.主要有滑移、攀移主要有滑移、攀移.位错的滑移：位错的滑移：位错在外力作用下在滑移面上的运动，导致永位错在外力作用下在滑移面上的运动，导致永久形变久形变.滑移面应是晶面间距最大的密排面，滑移方向应是原滑移面应是晶面间距最大的密排面，滑移方向应是原子密排方向子密排方向.螺型位错的滑移螺型位错的滑移v 位错的攀移位错的攀移在热缺陷作用下在热缺陷作用下,位错在位错在垂直滑移方向的运动，刃位垂直滑移方向的运动，刃位错除了滑移外错除了滑移外,还可攀移运动还可攀移运动.实质是多余半原子面的伸实质是多余半原子面的伸长或缩短长或缩短.螺位错无多余半原螺位错无多余半原子面子面,无攀移运动无攀移运动.5.6 位错的观察位错的观察Dislocations in Nickel(TEM)6 学习方法学习方法v理论联系实际理论联系实际:实用性强实用性强;某些力学性能指标根据理论定义某些力学性能指标根据理论定义,更更多指标则按工程实用要求定义多指标则按工程实用要求定义.v重视实验重视实验:掌握力学性能的测试原理、测试技术掌握力学性能的测试原理、测试技术,了解测试设备了解测试设备,理解力学性能指标的物理意义与实用意义理解力学性能指标的物理意义与实用意义.v多做练习多做练习;加深理解加深理解巩固所学的知识巩固所学的知识.考考 试试n n基本概念、基本原理、基本技能基本概念、基本原理、基本技能计算分析n n考试考试 70-80%实验实验10%平时平时10-20%n n学位课学位课、考试课考试课 （3030理论理论+2+2实验）实验）7 参考文献参考文献1.束德林束德林.金属力学性能金属力学性能.机械工业出版社机械工业出版社.2.刘瑞堂等刘瑞堂等.工程材料力学性能工程材料力学性能.哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学出版社出版社.3.郑修麟郑修麟.材料的力学性能材料的力学性能.西北工业大学出版社西北工业大学出版社.4.何肇基何肇基.金属力学性能实验金属力学性能实验.冶金工业出版社冶金工业出版社.5.侯旭明侯旭明.金属力学性能金属力学性能.机械工业出版社机械工业出版社.6.王丛曾王丛曾.材料性能学材料性能学.北京工业大学出版社北京工业大学出版社.第一章第一章*金属在单向静拉伸载荷下的力学性能金属在单向静拉伸载荷下的力学性能1.1引言引言1.2应力应力-应变曲线应变曲线1.3弹性变形弹性变形1.4塑性变形塑性变形1.5金属的断裂金属的断裂 1.1引言引言单向静拉伸试验特点单向静拉伸试验特点最广泛使用的力学性能检测手段最广泛使用的力学性能检测手段;试验应力状态、加载速率、温度、试样等严格规定试验应力状态、加载速率、温度、试样等严格规定(方法方法:GB/T228-2002;试样试样:GB/T6397-1986);最基本的力学行为最基本的力学行为(弹性、塑性、断裂等弹性、塑性、断裂等);可测力学性能指标：强度可测力学性能指标：强度()、塑性、塑性(、)等等.工程应用工程应用,拉伸性能是拉伸性能是结构静强度设计结构静强度设计的主要的主要依据之一依据之一;预测预测其它力学性能参量其它力学性能参量,如疲劳、断裂性能如疲劳、断裂性能;研究研究新材料新材料,合理使用材料和改善力学性能合理使用材料和改善力学性能,测定拉伸性能测定拉伸性能.拉伸性能的作用拉伸性能的作用拉伸试样拉伸试样的的形状形状和和尺寸尺寸常常用用拉拉伸伸试试样样:为为比比较较不不同同尺尺寸寸试试样样的的塑塑性性,要要求求试试样样几几何何相相似似,L0/A01/2要要为为一一常常数数(A0初初始始横横截截面面积积)光光滑滑圆圆柱柱试试样样:试试样样标标距距长长度度L0比比直直径径d0要要大大得得多多;通常通常L0=5d0或或L0=10d0板状试样板状试样:试样标距长度试样标距长度L0应满足应满足:L0=5.65A01/2或或11.3A01/2；1.2应力应力-应变曲线应变曲线*1.2.1拉伸力拉伸力伸长曲线伸长曲线弹性变形弹性变形弹性变形弹性变形:e点以内的变形点以内的变形.塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形:e点以外点以外.不均匀的屈服塑性变形不均匀的屈服塑性变形不均匀的屈服塑性变形不均匀的屈服塑性变形:AC.均匀塑性变形均匀塑性变形均匀塑性变形均匀塑性变形:CB段段.不均匀集中塑性变形不均匀集中塑性变形不均匀集中塑性变形不均匀集中塑性变形:Bk段段.断裂断裂断裂断裂:k以下以下.B B点塑性变形点塑性变形点塑性变形点塑性变形:Lg.k k点塑性变形点塑性变形点塑性变形点塑性变形:Lk1.2.2几种常见材料的拉伸力几种常见材料的拉伸力-伸长曲伸长曲线线u正火、退火碳素结构钢和低合金结构钢正火、退火碳素结构钢和低合金结构钢:类似的拉伸力类似的拉伸力-伸长曲线伸长曲线u退火低碳钢在低温下、灰铸铁在室温下退火低碳钢在低温下、灰铸铁在室温下:只有弹性变形阶段只有弹性变形阶段u冷拔钢冷拔钢:弹性变形和不均匀集中塑性变形阶段弹性变形和不均匀集中塑性变形阶段u面心立方金属在低温和高应变速率下面心立方金属在低温和高应变速率下:只有弹性变形和不均匀屈服塑性变形阶段只有弹性变形和不均匀屈服塑性变形阶段不同材料的拉伸力不同材料的拉伸力-伸长曲线特点伸长曲线特点1.2.3工程应力工程应力-应变曲线应变曲线*拉伸条件下力学性能拉伸条件下力学性能:应变应变应变应变 及应力及应力及应力及应力 e e(弹性极限弹性极限弹性极限弹性极限)s s(屈服强度屈服强度屈服强度屈服强度)b b(抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度)k k(断裂强度断裂强度断裂强度断裂强度).).断后伸长率断后伸长率=(L-L0)/L0 100%断面收缩率断面收缩率=(A0-A)/A0 100%油压式拉伸试验机油压式拉伸试验机传感器式拉伸试验机传感器式拉伸试验机高温拉伸试验机高温拉伸试验机真实应力真实应力真实应变真实应变*真实应力真实应力真实应变真实应变设设L0=100，L=110，则，则=(110-100)/100 100%若设若设L0=100,L1101,L2102,L10=110则则 1=1%,2=0.99%,3=0.98%,10=0.917%1+2+3 1010(断后伸长率断后伸长率)b)金属拉伸时产生缩颈金属拉伸时产生缩颈*;反之反之,不产生不产生c)反映了断裂前的最大塑性变形量反映了断裂前的最大塑性变形量.d)而而则不能显示材料的最大塑性变形则不能显示材料的最大塑性变形.a)冶金因素对冶金因素对 的影响更突出的影响更突出.b)比比 对组织变化更敏感对组织变化更敏感c)最大力下的总伸长率与原始标距的百分比最大力下的总伸长率与原始标距的百分比gt.实际实际上是金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形上是金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形(工工程应变量程应变量)eB=ln(1+gt)d)gt对于评定冲压用板材的成型能力非常有用对于评定冲压用板材的成型能力非常有用.塑性的意义和影响因素塑性的意义和影响因素 意义意义：a）不直接用于构件设计）不直接用于构件设计,因塑性与服役无直接关系因塑性与服役无直接关系.b）安全，防止产生突然破坏；）安全，防止产生突然破坏；c）缓和应力集中；）缓和应力集中；d）轧制、挤压等冷热塑性加工变形；）轧制、挤压等冷热塑性加工变形；影响因素影响因素：（a）细化晶粒，塑性细化晶粒，塑性细化晶粒，塑性细化晶粒，塑性；（b）温度提高，塑性温度提高，塑性温度提高，塑性温度提高，塑性；（c）软的第二相塑性软的第二相塑性；（d）固溶、硬的第二相等，塑性）固溶、硬的第二相等，塑性.塑性的综合性能指标塑性的综合性能指标 s/b(屈强比屈强比).材料的塑性材料的塑性.b/V(体积比强度体积比强度).减轻构件的重量减轻构件的重量.韧性韧性:材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力J/m2.静力韧度静力韧度:静拉伸时,单位体积材料断裂所吸收的功.J/m3 U T=b 或 U T=(s+b)/2静力韧度对按屈服强度设计,可能偶然过载的机件必须考虑.静力韧度静力韧度 拉伸力学行为用胡克定律描述.在弹性阶段:应力与应变成正比.即=E 低温下的脆性金属，拉伸断裂前只有弹性变形.而无塑性变形.脆性材料的拉伸力学行为脆性材料的拉伸力学行为拉伸时,试样轴向伸长、横向收缩。纵向应变l与横(径)向应变2之负比值称为泊松比(Poissons ratio),=-2/l,是材料弹性常数。脆性材料拉伸的力学性能：弹性模量和脆性断裂强度弹性模量和脆性断裂强度。1.5金属的断裂金属的断裂n材料破断为两个部分以上的现象材料破断为两个部分以上的现象,叫断裂叫断裂(材料失去完整性材料失去完整性)n机件三大失效形式之一机件三大失效形式之一n断裂出现在高应力、应变条件下，而且发生在低应力和无明显塑断裂出现在高应力、应变条件下，而且发生在低应力和无明显塑性变形条件下性变形条件下.1.5.1断裂的基本类型断裂的基本类型v断裂前塑性变形大小分类断裂前塑性变形大小分类:脆性断裂脆性断裂;韧性断裂韧性断裂v断裂面取向分类断裂面取向分类:正断正断;切断切断v裂纹扩展途径分类裂纹扩展途径分类:穿晶断裂穿晶断裂;沿晶断裂沿晶断裂v断裂机理分类断裂机理分类:解理断裂解理断裂;微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂;纯剪切断裂纯剪切断裂 韧性断裂（宏观）韧性断裂（宏观）特点特点:断裂前产生明显宏观变形断裂前产生明显宏观变形;过程缓慢过程缓慢;断裂面平行于最大切应力断裂面平行于最大切应力,并与主应力成并与主应力成45o角角.断口特征断口特征 断口呈纤维状断口呈纤维状,灰暗色灰暗色.杯杯锥状锥状.断口特征三要素断口特征三要素:纤维区、放射区、剪切唇纤维区、放射区、剪切唇纤维区、放射区、剪切唇纤维区、放射区、剪切唇纤维区纤维区:裂纹快速扩展裂纹快速扩展.撕裂时塑性变形量大撕裂时塑性变形量大,放射线粗放射线粗.剪切唇剪切唇:切断切断.危害危害:不及脆性断裂不及脆性断裂,断裂前机件已变形失效断裂前机件已变形失效.1.5.2断裂及断口特征断裂及断口特征脆性断裂脆性断裂断裂特点断裂特点断裂前基本不发生塑性变形断裂前基本不发生塑性变形,无明显前兆无明显前兆;断断口与正应力垂直。口与正应力垂直。断口特征断口特征平齐光亮平齐光亮,常呈放射状或结晶状常呈放射状或结晶状;人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行.韧性与脆性行为会随环境条件而改变韧性与脆性行为会随环境条件而改变.例如例如:T、脆性、脆性.一般一般变形变形75%为韧性断裂为韧性断裂.穿晶断裂与沿晶断裂（微观）穿晶断裂与沿晶断裂（微观）特点特点:穿晶断裂穿晶断裂:裂纹穿过晶界裂纹穿过晶界.韧性或脆性断裂韧性或脆性断裂;有时混合有时混合发生发生.沿晶断裂沿晶断裂:裂纹沿晶扩展裂纹沿晶扩展.穿晶断裂穿晶断裂,多数脆性断裂多数脆性断裂.纯剪切断裂，微孔聚集型断裂，纯剪切断裂，微孔聚集型断裂，解理断裂（机理）解理断裂（机理）n 纯剪切断裂纯剪切断裂 沿滑移面分离而造成的分离断裂。沿滑移面分离而造成的分离断裂。n 微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂 微孔形核、长大、聚合导致材料分离。微孔形核、长大、聚合导致材料分离。n 解理断裂解理断裂以极快速率沿一定晶体学面以极快速率沿一定晶体学面,产生穿晶断裂。产生穿晶断裂。解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。fcc金属一般不发生解理断裂。金属一般不发生解理断裂。解理断裂总是脆性断裂解理断裂总是脆性断裂解理断裂总是脆性断裂解理断裂总是脆性断裂解理断裂的微观断口特征电镜观察解理断裂的微观断口特征电镜观察（1）河流状 解理台阶，汇合台阶高度足够大形成河流状花样。裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。其方式为：解理裂纹与螺位错相交形成；通过二次解理成撕裂形成。晶界对解理断口的影响。晶界对解理断口的影响。(a)小角度倾斜晶界小角度倾斜晶界裂纹能越过晶界，裂纹能越过晶界，“河流河流”可延续到相邻可延续到相邻晶晶粒内。粒内。(b)扭转晶界（位向差大）扭转晶界（位向差大）裂纹不能直接穿过晶界，必须重新形核。裂纹不能直接穿过晶界，必须重新形核。裂纹将沿若干组新的相互平等的解理面扩裂纹将沿若干组新的相互平等的解理面扩展，形成新的展，形成新的“河流河流”。(2)舌状花样舌状花样 解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌状凹坑或凸台.(3)准解理准解理 由于晶体内存在弥散硬质点,解理裂纹起源于晶内硬质处点,形成从晶内某点发源的放射状河流花样.准解理不是独立的断裂机制.是解理断裂的变种.微孔聚集断裂机理和微观断口特征微孔聚集断裂机理和微观断口特征1、断裂机理、断裂机理（1）微孔形核）微孔形核点缺陷聚集；第二相质点碎裂或脱落；点缺陷聚集；第二相质点碎裂或脱落；位错引起的应力集中，不均匀塑性形变。位错引起的应力集中，不均匀塑性形变。（2）微孔长大）微孔长大滑移面上的位错向微孔运动，使其长大。滑移面上的位错向微孔运动，使其长大。（3）微孔聚合）微孔聚合应力集中处，裂纹向前推进一定长度。应力集中处，裂纹向前推进一定长度。2、微观断口特征 韧窝（火山口式，圆形，椭圆形 （1）韧窝形状（a）正应力 微孔的平面，形成等轴韧窝；拉伸试样中心纤维区就是等轴韧窝。（b）拉长韧窝 扭转、或双向不等应力状态；切应力，形成拉长韧窝；（c）撕裂韧窝 拉、弯应力状态；（2）影响韧窝大小因数 基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数；第二相质点的大小和密度。注意注意：微观上出现韧窝，宏观上不一定是韧性断裂。断裂理论的意义断裂理论的意义屈服时产生解理断裂的判据霍尔-派奇关系(q 应力状态系数应力状态系数)定性分析降低金属脆断倾向的措施定性分析降低金属脆断倾向的措施提提高高G、s、q 外外因因:q、T降低降低 i、d、ky内因内因:其他其他左项小于右项左项小于右项:裂纹可形成但不能扩展裂纹可形成但不能扩展左项大于右项左项大于右项:裂纹形成后自动扩展裂纹形成后自动扩展G(切变模量切变模量):热处理、合金化、冷热变形影响小热处理、合金化、冷热变形影响小目前常用方法很难改变目前常用方法很难改变G.韧化金属韧化金属 s由表面能和塑性变形功构成由表面能和塑性变形功构成,即有效表面能即有效表面能.后者与有效滑移系数目及可动位错数目有关后者与有效滑移系数目及可动位错数目有关.如如bcc金属滑移系多金属滑移系多.可动位错少可动位错少.易脆断易脆断.fcc金属滑移系和可动位错多金属滑移系和可动位错多.易塑性变形易塑性变形.环境因素如腐蚀介质会降低表面能环境因素如腐蚀介质会降低表面能.变脆变脆.本章小结本章小结n低碳钢拉伸工程应力应变曲线低碳钢拉伸工程应力应变曲线n工程应力应变、真实应力应变计算工程应力应变、真实应力应变计算n强度、塑性的影响因素强度、塑性的影响因素n断裂类型断裂类型第二章第二章 金属在其他静载荷下的力学性能金属在其他静载荷下的力学性能 引言引言2.1应力状态软性系数应力状态软性系数2.2压缩压缩2.3弯曲弯曲2.4扭转扭转2.5硬度硬度2.6带缺口试样静载荷试验带缺口试样静载荷试验引言引言力学性能力学性能 压缩、弯曲、扭转、硬度和带缺口试样力学性能。压缩、弯曲、扭转、硬度和带缺口试样力学性能。原原 因因机件在使用中承受不同类型外力；内部存在不机件在使用中承受不同类型外力；内部存在不同的应力状态。同的应力状态。2.1应力状态软性系数应力状态软性系数u塑性或脆性并非绝对塑性或脆性并非绝对*u应力状态软性系数应力状态软性系数:外力状态对塑性变形影响外力状态对塑性变形影响.u以便选择检测方法以便选择检测方法.例如：铸铁例如：铸铁压压韧韧;拉拉脆脆 应力状态软性系数应力状态软性系数定义为：定义为：max按最大切应力理论计算按最大切应力理论计算,max=(1-3)/2 1,3分别为最大和最小主应力分别为最大和最小主应力最大正应力最大正应力 max按最大正应力理论计算，即按最大正应力理论计算，即,泊松系数泊松系数应力状态软性系数应力状态软性系数 单向拉伸单向拉伸=1/2扭扭转转 =1/(1+)0.8单向压缩单向压缩=1/(2)2u应力状态软性系数应力状态软性系数应力状态软性系数应力状态软性系数：材料塑性变形的难易。：材料塑性变形的难易。越大：该应力状态下切应力分量越大越大：该应力状态下切应力分量越大,越易塑性变形越易塑性变形.u 值较大：值较大：软应力状态软应力状态软应力状态软应力状态,u 值较小：值较小：硬应力状态硬应力状态硬应力状态硬应力状态.n单向拉伸、三向不等拉伸单向拉伸、三向不等拉伸:塑性材料塑性材料n弯曲、扭转弯曲、扭转:脆性材料脆性材料n 为什么？为什么？n 试验对象是什么？试验对象是什么？n 特点是什么？特点是什么？n 怎么试验？怎么试验？n 结果分析结果分析 性能指标性能指标2.2 压压 缩缩原因原因实际工况为压缩状态实际工况为压缩状态材料内部为压缩应力状态材料内部为压缩应力状态拉伸时无塑性拉伸时无塑性.直接拉断直接拉断.无法反映其特点无法反映其特点n试验对象试验对象n脆性金属：铸铁、某些铸造合金等脆性金属：铸铁、某些铸造合金等.试验方法试验方法圆形或正方形试样：圆形或正方形试样：L=2.53.5d压缩特点压缩特点 应力状态系数=2 即应力状态软 易塑性变形 软钢 易压缩成腰鼓状、扁饼状 铸铁 拉伸时断口为正断；压缩时沿45o方向切断 塑性变形小的材料或工况为压缩的材料：压缩实验 曲线与拉伸曲线形式相同 力学性能指标力学性能指标：bc，E，bc 等压缩实验压缩实验n抗压强度抗压强度*bc=Fbc/A0n压缩屈服强度压缩屈服强度 sc2.3弯弯曲曲原原 因因 弯曲工况弯曲工况 工件内部弯曲应力状态工件内部弯曲应力状态 拉伸或压缩不能完全反映实际状况拉伸或压缩不能完全反映实际状况试验对象试验对象*铸铁、工具钢等铸铁、工具钢等脆性脆性与低塑性材料与低塑性材料韧性材料一般不作弯曲强度检测韧性材料一般不作弯曲强度检测.弯曲试验的特点弯曲试验的特点*n 主要为正应力主要为正应力.分布不均分布不均.方向变化方向变化.n 弯曲力学行为与单纯拉伸或压缩行为不同弯曲力学行为与单纯拉伸或压缩行为不同.n设计或选材依据设计或选材依据:承受弯曲载荷时弯曲试验承受弯曲载荷时弯曲试验.n试样形状简单、操作方便试样形状简单、操作方便.挠度表示塑性挠度表示塑性.n试样表面应力最大试样表面应力最大.灵敏反映表面缺陷灵敏反映表面缺陷.鉴别表面热处鉴别表面热处理试样的质量和性能理试样的质量和性能.弯曲试验弯曲试验（1）抗弯强度 或pc0.01、pc0.2 试样：矩形截面试样：矩形截面 h b (5 5)L=16h三点弯曲三点弯曲 弯矩 M=PL/4 四点弯曲四点弯曲 M=PL/2挠度：挠度：试样断裂之前被压下的最大距离 u记录弯曲力F和试样挠度f间关系，求断裂时抗弯强度和最大挠度，表示强度和塑性 u韧性材料一般不作弯曲强度检测 弯曲曲线弯曲曲线挠挠度度试样断裂之前被压下的最大距离试样断裂之前被压下的最大距离记录弯曲力记录弯曲力F和试样挠度和试样挠度f.fbbF bb0b弯曲力弯曲力-挠度曲线挠度曲线u抗弯强度抗弯强度*：bb=M/W=3FbbL/2bh2u 弯曲模量弯曲模量u 塑性塑性*：f bb2.4 扭 转原原因因l 弯曲工况弯曲工况l 工件内部弯曲应力状态工件内部弯曲应力状态l 拉伸、压缩、弯曲不能完全反映实际状况拉伸、压缩、弯曲不能完全反映实际状况l 为热加工工艺如轧制、锻造等提供依据为热加工工艺如轧制、锻造等提供依据n试验对象：塑性较低的金属试验对象：塑性较低的金属扭转特点扭转特点 检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能 =0.8 长度方向的塑性变形均匀长度方向的塑性变形均匀.无缩颈无缩颈.能敏感反映材料表面缺陷及性能能敏感反映材料表面缺陷及性能.断口的特征最明显断口的特征最明显切断、正断、木纹状断口切断、正断、木纹状断口试验方法试验方法试样试样d0=10.L0=50或或100mm扭矩扭矩T.相对转动相对转动扭角扭角 n 切变模量切变模量*G=/n扭转屈服点扭转屈服点*s=Ts/Wn扭转强度扭转强度*b=Tb/W性性 能能 指指 标标 Tb 扭矩扭矩扭角曲线扭角曲线2.5 缺口试样静载荷试验缺口试样静载荷试验试验原因试验原因内部存在内部存在裂纹裂纹或体积大的缺陷或体积大的缺陷.零件零件：螺纹、键槽、退刀槽，焊缝等沟槽：螺纹、键槽、退刀槽，焊缝等沟槽.缺口应力集中缺口应力集中三向拉应力状态三向拉应力状态,使材料脆化使材料脆化.应变集中应变集中.缺口附近的应变速率增高缺口附近的应变速率增高.缺口试样静拉伸试验对象缺口试样静拉伸试验对象n高强度钢高强度钢n钢和钛的氢脆钢和钛的氢脆n高温合金的缺口敏感性高温合金的缺口敏感性缺口试样静拉伸试验缺口试样静拉伸试验n缺口试样缺口试样 试验方法试验方法n轴向拉伸轴向拉伸n偏斜拉伸偏斜拉伸n拉伸和弯曲复合作用拉伸和弯曲复合作用结果分析结果分析n缺口试样的抗拉强度缺口试样的抗拉强度*bnn缺口敏感性缺口敏感性*NSR=bn/b (安全性指标安全性指标)nNSR越大越大.敏感性越小敏感性越小.塑性越好塑性越好n缺口抗拉强度（偏斜）缺口抗拉强度（偏斜）缺口试样静弯曲试验缺口试样静弯曲试验n试验方法试验方法10 10 55缺口：缺口：2mmU或或V型型 试验对象试验对象n评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度结果分析结果分析记录试验力记录试验力F挠度挠度f关系曲线关系曲线曲线包围的面积曲线包围的面积:试样从变形到断裂的总功试样从变形到断裂的总功.(1)只发生弹性变形的只发生弹性变形的弹性功弹性功弹性功弹性功I I;(2)发生塑性变形的发生塑性变形的变形功变形功变形功变形功以面积以面积II表示；表示；(3)在达到最大载荷在达到最大载荷Pmax时试样即出现裂纹时试样即出现裂纹.迅速扩展，迅速扩展，直至试样完全破断以面积直至试样完全破断以面积表示表示.叫作叫作撕裂功撕裂功撕裂功撕裂功.u可用断裂功可用断裂功,或或Fmax/F1来表示材料的缺口敏感度来表示材料的缺口敏感度.F1试样发生断裂所对应的作用力试样发生断裂所对应的作用力.uFmax/F1=1时，缺口敏感度最大时，缺口敏感度最大.小小 结结n应力状态软性系数应力状态软性系数 （软（软 硬硬）n各种试验的性能指标各种试验的性能指标*n压缩、弯曲、扭转、缺口试样静拉伸试、压缩、弯曲、扭转、缺口试样静拉伸试、缺口试样静弯曲试验缺口试样静弯曲试验2.6 硬度硬度n破坏性检验破坏性检验：拉伸、压缩、弯曲、扭转、缺：拉伸、压缩、弯曲、扭转、缺口拉伸、缺口弯曲口拉伸、缺口弯曲n无无(少少)损损 检检 验验：硬度：硬度表征材料软硬程度的一种性能表征材料软硬程度的一种性能2.6.1硬度定义与分类硬度定义与分类压入法压入法:布氏布氏、洛氏洛氏、维氏维氏、努氏、努氏.表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力应力状态软性系数最大应力状态软性系数最大(2)几乎所有的材料几乎所有的材料都能产生塑性变形都能产生塑性变形.划痕法划痕法:莫氏硬度莫氏硬度.表征材料对切断的抗力表征材料对切断的抗力.回跳法回跳法:肖氏硬度肖氏硬度.表征金属弹性变形功的大小表征金属弹性变形功的大小.2.6.2 布氏布氏硬度试验硬度试验n原理：钢球或硬质合金球为原理：钢球或硬质合金球为压头压头,试验力试验力F压压入试样表面入试样表面,经规定保持经规定保持时间时间,卸载卸载.试样表试样表面留下面留下压痕压痕.力力F除以压痕球形表面积除以压痕球形表面积A的商的商.n保持时间保持时间:黑色金属黑色金属10秒秒;有色金属有色金属30秒秒;HB35的材料的材料60秒秒.nF/D2=常数常数nd=0.240.6Dd压痕直径压痕直径单位单位NKgfu压痕直径越大压痕直径越大,布氏硬度值越低布氏硬度值越低,即变形抗力越小即变形抗力越小;u反之反之,布氏硬度值越高布氏硬度值越高.布氏硬度种类布氏硬度种类n试验用压头直径试验用压头直径D有有10，5，2.5，1mm四种四种布氏硬度的特点布氏硬度的特点优点优点：大范围反映材料平均性能：大范围反映材料平均性能.数据稳定数据稳定,重重复性好复性好,应用广泛应用广泛.缺点缺点：属轻微有损检测：属轻微有损检测;不能连续检测不能连续检测.为数据可靠，需根据材料种类和试样厚薄为数据可靠，需根据材料种类和试样厚薄更换压头更换压头.d=0.240.6D布氏硬度表示方法布氏硬度表示方法*硬度值硬度值;符号符号HBW或或HBS;HBW为硬质合金；为硬质合金；HBS为钢球为钢球球直径球直径;试验力试验力;试验力保持时间试验力保持时间(10-15s不标注不标注)后三项用斜线隔开后三项用斜线隔开n350HBW5/750n表示用直径表示用直径5mm的硬质合金球在的硬质合金球在7.355KN试验力保持试验力保持10-15S测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为350n600HBW1/30/20n表示用直径表示用直径1mm的硬质合金球在的硬质合金球在294.2N试验力保持试验力保持20S测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为600淬火钢球作压头淬火钢球作压头.测定测定HB450的材料硬度的材料硬度.硬质合金球作压头硬质合金球作压头.测定硬度可达测定硬度可达650HB抗拉强度与硬度的关系抗拉强度与硬度的关系 b 1/3HBWn低低碳碳钢钢 b=0.360HBWn高高碳碳钢钢 b=0.340HBWn调质合金钢调质合金钢 b=0.325HBWn灰灰铸铸铁铁 b=0.100HBWQ2350 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0300200100C%HB 原原理理压头留下的压头留下的压痕深度压痕深度表示硬度值表示硬度值.压痕深度压痕深度h越大越大硬度值越低硬度值越低.压压头头=120o的圆锥或四面锥的圆锥或四面锥.直径直径=1.588mm(1/16英寸英寸)的的钢球或硬质合金钢球或硬质合金球球.洛氏硬度洛氏硬度为符合思维习惯，即数值越大越硬为符合思维习惯，即数值越大越硬.规定规定：不同压头不同压头,k值不同；值不同；金刚石金刚石k=0.2；钢球；钢球k=0.26试验方法试验方法先加先加预压力预压力,再加再加主压主压力力.不同压头和不同不同压头和不同总压力总压力,组成不同的组成不同的洛氏硬度标尺洛氏硬度标尺.A、B、C、D、E、F、G、H、K共共9种种A、B、C标尺常用标尺常用HRCHRC用金刚石压头用金刚石压头n加加10kgf预载预载,压入表面压入表面深度深度h0,表盘指针指向表盘指针指向零点零点n再加主载荷，压入再加主载荷，压入深度为深度为h1，指针逆时针转，指针逆时针转n卸主载荷卸主载荷,弹性部分回复弹性部分回复,压头回升一段距离压头回升一段距离,即即(h1-h),表盘指针回转表盘指针回转n试件表面留下试件表面留下残余压痕深度为残余压痕深度为h.洛氏硬度试验示意图洛氏硬度试验示意图洛氏硬度表示方法洛氏硬度表示方法n n硬度值硬度值;符号符号HR;标尺字母标尺字母n60HRC：C标尺测得洛氏硬度值为标尺测得洛氏硬度值为60n nB标尺有两种压头标尺有两种压头:HRBS(钢球钢球)和和HRBW(硬质合金硬质合金).洛氏硬度应用洛氏硬度应用 标尺标尺符号符号应用应用A AHRAHRA硬质合金、硬化、薄钢板、表面薄层硬硬质合金、硬化、薄钢板、表面薄层硬化钢化钢B BHRBHRB低碳钢、铁素体可锻铸铁、铜合金低碳钢、铁素体可锻铸铁、铜合金C CHRCHRC淬火钢、高硬度铸件、珠光体可锻铸铁淬火钢、高硬度铸件、珠光体可锻铸铁表面洛氏硬度表面洛氏硬度n普普通通洛洛氏氏硬硬度度的的压压力力大大,不不宜宜于于极极薄薄工工件件和表面硬化层和表面硬化层.n n表面洛氏硬度表面洛氏硬度nHR15N，HR30N，HR45N，HR15T，HR30T，HR45T表面洛氏硬度主要特点表面洛氏硬度主要特点n预预载载荷荷为为3kgf(29.42N).总总载载荷荷较较小小,分分别别为为15kgf,30kgf和和45kgf(441.3N)n取取h0.1mm时时的的洛洛氏氏硬硬度度为为零零.深深度度每每增增大大0.001mm,表面洛氏硬度降低一个单位表面洛氏硬度降低一个单位.表面洛氏硬度表示方法表面洛氏硬度表示方法硬度值硬度值;符号符号HR;总试验力总试验力;标尺标尺70HR30N表示用总试验力为表示用总试验力为294.2N的的30N标尺测得的表标尺测得的表面洛氏硬度值为面洛氏硬度值为70.洛氏硬度的优缺点洛氏硬度的优缺点优点优点n硬度值可表盘硬度值可表盘直接读出直接读出,简便迅速简便迅速,工效高工效高;n试件试件表面损伤较小表面损伤较小,可用于成品质检可用于成品质检;n预载荷可消除表面轻微不平度对试验结果的影响预载荷可消除表面轻微不平度对试验结果的影响.缺缺点点n不同标尺的洛氏硬度值不同标尺的洛