第5章材料的力學(xué)性能

1、1 1 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) Chapter 5 材料的力學(xué)性能 2 2 Objectives of Chapter 5 o Introduce the basic concepts associated with mechanical properties of materials. o Evaluate factors that affect the mechanical properties of materials. o Review some of the basic testing procedures that engineers use to evaluate many o

2、f these properties. 3 3 Chapter Outline o5.1 材料承受靜載荷時的力學(xué)性能 o5.2 材料承受沖擊載荷時的力學(xué)性能 o5.3 材料的疲勞 o5.4 材料的斷裂韌性 o5.5 材料的磨損性能 o5.6 材料的蠕變性能 4 4 Technological Significance Figure The materials used in sports equipment must be lightweight, stiff, tough, and impact resistant. Figure Aircraft, such as the one show

3、n here, makes use of aluminum alloys and carbon- fiber-reinforced composites. 5 5 Terminology for Mechanical Properties q Stress - Force or load per unit area of cross-section over which the force or load is acting. q Strain - Elongation change in dimension per unit length. q Youngs modulus - The sl

4、ope of the linear part of the stress-strain curve in the elastic region, same as modulus of elasticity. q Shear modulus (G) - The slope of the linear part of the shear stress-shear strain curve. q Viscosity ( ) - Measure of resistance to flow, defined as the ratio of shear stress to shear strain rat

5、e (units Poise or Pa-s). q Thixotropic behavior - Materials that show shear thinning and also an apparent viscosity that at a constant rate of shear decreases with time. 6 6 Figure (a) Tensile, compressive, shear and bending stresses. (b) Illustration showing how Youngs modulus is defined for elasti

6、c material. (c) For nonlinear materials, we use the slope of a tangent as a variable quantity that replaces the Youngs modulus constant 7 7 Section 5.1 材料承受靜載荷時的力學(xué)性能材料承受靜載荷時的力學(xué)性能 5.1.1 材料的拉伸曲線材料的拉伸曲線 oLoad - The force applied to a material during testing. oStrain gage or Extensometer - A device used

7、 for measuring change in length and hence strain. oGlass temperature (Tg ) - A temperature below which an otherwise ductile material behaves as if it is brittle. oEngineering stress - The applied load, or force, divided by the original cross-sectional area of the material. oEngineering strain - The

8、amount that a material deforms per unit length in a tensile test. 8 8 5.1.1 材料的拉伸曲線材料的拉伸曲線 o單向靜拉伸試驗(yàn)是廣泛應(yīng)用的材料性能檢測方法。 o負(fù)荷一伸長曲線-材料的拉伸曲線。 o整個拉伸過程中的變形可分為彈性變形彈性變形、屈服變形屈服變形、均勻塑性變均勻塑性變 形形及不均勻塑性變形不均勻塑性變形四個階段。 o應(yīng)力應(yīng)變曲線(工程應(yīng)力應(yīng)變曲線) o真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線 9 9 Figure A unidirectional force is applied to a specimen in the tensile

9、 test by means of the moveable crosshead. The cross-head movement can be performed using screws or a hydraulic mechanism 10 10 Figure Tensile stress-strain curves for different materials. Note that these are qualitative 11 11 Figure The stress-strain curve for an aluminum alloy 12 12 13 13 True Stre

10、ss and True Strain oTrue stress The load divided by the actual cross-sectional area of the specimen at that load. oTrue strain The strain calculated using actual and not original dimensions, given by t ln(l/l0). Figure The relation between the true stress-true strain diagram and engineering stress-

11、engineering strain diagram. The curves are identical to the yield point 14 14 5.1.2 材料的變形及其性能指標(biāo)材料的變形及其性能指標(biāo) oElastic limit oTensile strength, Necking oHookes law oPoissons ratio oModulus of resilience (Er) oTensile toughness oDuctility 15 15 5.1.2 材料的變形及其性能指標(biāo)材料的變形及其性能指標(biāo) 1.材料變形的實(shí)質(zhì) (1) 彈性變形的實(shí)質(zhì) (2) 塑性變形

12、的實(shí)質(zhì) (3) 超塑性 2.材料變形的性能指標(biāo) 比例極限p 彈性極限e 彈性模量E 屈服極限s (0.2) 抗拉強(qiáng)度b 斷裂強(qiáng)度Sk 延伸率 斷面收縮率 16 16 Figure (a) Determining the 0.2% offset yield strength in gray cast ion, and (b) upper and lower yield point behavior in a low-carbon steel 17 17 Figure Typical yield strength values for different engineered materials.

13、 (Source: Reprinted from Engineering Materials I, Second Edition, M.F. Ashby and D.R.H. Jones, 1996, Fig. 8-12, p. 85. Copyright Butterworth-Heinemann 18 18 19 19 Figure Range of elastic moduli for different engineered materials. (Source: Reprinted from Engineering Materials I, Second Edition, M.F.

14、Ashby and D.R.H. Jones, 1996, Fig. 3-5, p. 35, Copyright 1996 Butterworth-Heinemann. 20 20 5.1.3 材料的斷裂及其性能指標(biāo)材料的斷裂及其性能指標(biāo) （一）斷裂的類型及斷口特征 根據(jù)斷裂前后材料宏觀塑性變形的程度，分為脆性斷裂與韌性斷裂； 根據(jù)晶體材料斷裂時裂紋擴(kuò)展的途徑，分為穿晶斷裂和沿晶(晶界)斷 裂；根據(jù)微觀斷裂機(jī)理，分為解理斷裂和剪切斷裂等。 材料的斷裂表面稱為斷口。用肉眼、放大鏡或電子顯微鏡等手段對材 料斷口進(jìn)行宏觀及微觀的觀察分析，稱為斷口分析。 1韌性斷裂與脆性斷裂 韌性斷裂韌性斷裂是材料斷

15、裂前產(chǎn)生明顯塑性變形的斷裂過程。韌性斷裂的斷 口往往呈暗灰色、纖維狀。塑性較好的金屬材料和高分子材料，室溫 下的靜拉伸斷裂具有典型的韌性斷裂特征。 脆性斷裂脆性斷裂是材料斷裂前不產(chǎn)生明顯的塑性變形。脆性斷裂的斷口，一 般與正應(yīng)力垂直，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。淬火 鋼、灰鑄鐵、陶瓷、玻璃等脆性材料的斷口常具有上述特征。 實(shí)際上，金屬的脆性斷裂與韌性斷裂并無明顯的界限，脆性斷裂前也 會產(chǎn)生微量塑性變形。因此，規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5 為脆性斷裂；大于5為韌性斷裂。 21 21 5.1.3 材料的斷裂及其性能指標(biāo)材料的斷裂及其性能指標(biāo) 2穿晶斷裂與沿晶斷裂 根據(jù)材料(包括金

16、屬、陶瓷及結(jié)晶高分子)發(fā)生斷裂時裂紋擴(kuò)展的路徑 ，分為穿晶斷裂穿晶斷裂和沿晶沿晶(晶界晶界)斷裂斷裂兩種。 穿晶斷裂可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂；而沿晶斷裂則多為脆 性斷裂，斷口呈結(jié)晶狀；沿晶斷裂是晶界結(jié)合力較弱的一種表現(xiàn)。例 如共價鍵陶瓷晶界較弱，斷裂方式主要是晶界斷裂。離子鍵晶體的斷 裂往往以穿晶解理為主。 圖圖56 穿晶斷裂與沿穿晶斷裂與沿 晶斷裂示意圖晶斷裂示意圖 22 22 Figure Localized deformation of a ductile material during a tensile test produces a necked region. The m

17、icrograph shows necked region in a fractured sample 23 23 5.1.3 材料的斷裂及其性能指標(biāo)材料的斷裂及其性能指標(biāo) Microstructural Features of Fracture in Metallic Materials oTransgranular - Meaning across the grains (e.g., a transgranular fracture would be fracture in which cracks would go through the grains). oMicrovoids - D

18、evelopment of small holes in a material. oIntergranular - In between grains or along the grain boundaries. oChevron pattern - A common fracture feature produced by separate crack fronts propagating at different levels in the material. 24 24 Figure When a ductile material is pulled in a tensile test,

19、 necking begins and voids form starting near the center of the bar by nucleation at grain boundaries or inclusions. As deformation continues a 45 shear lip may form, producing a final cup and cone fracture 25 25 Figure Dimples form during ductile fracture. Equiaxed dimples form in the center, where

20、microvoids grow. Elongated dimples, pointing toward the origin of failure, form on the shear lip 26 26 Figure Scanning electron micrographs of an annealed 1018 steel exhibiting ductile fracture in a tensile test. (a) Equiaxed dimples at the flat center of the cup and cone, and (b) elongated dimples

21、at the shear lip (x 1250) 27 27 Figure Scanning electron micrograph of a brittle fracture surface of a quenched 1010 steel (x 5000). 28 28 Figure The Chevron pattern in a 0.5-in.-diameter quenched 4340 steel. The steel failed in a brittle manner by an impact blow 29 29 Figure The Chevron pattern for

22、ms as the crack propagates from the origin at different levels. The pattern points back to the origin 30 30 5.1.4 材料的彎曲及其性能指標(biāo)材料的彎曲及其性能指標(biāo) oBend test - Application of a force to the center of a bar that is supported on each end to determine the resistance of the material to a static or slowly applied

23、load. oFlexural strength or modulus of rupture -The stress required to fracture a specimen in a bend test. oFlexural modulus - The modulus of elasticity calculated from the results of a bend test, giving the slope of the stress-deflection curve. 31 31 5.1.4 材料的彎曲及其性能指標(biāo)材料的彎曲及其性能指標(biāo) 1.彎曲試驗(yàn)測定的力學(xué)性能指標(biāo) o彎曲

24、試驗(yàn)在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其試樣分圓柱和方形兩種。加載方 式有三點(diǎn)彎曲加載和四點(diǎn)彎曲加載兩種。通過記錄載荷F(或彎矩 ) 與試樣最大撓度f之間的關(guān)系曲線彎曲圖，來確定材料在彎曲載 荷下的力學(xué)性能。 o對于脆性材料，可根據(jù)彎曲圖計(jì)算抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度 式中：Mb 為試樣斷裂時的彎矩 。 W為試樣抗彎截面系數(shù)， 對于直徑為d0 的圓柱試樣， ， 對于寬度為b ，高度為h 的矩形試樣， 。 材料的塑性用最大彎曲撓度fmax 表示，fmax 值可由百分表或撓度計(jì)直 接讀出。此外，從彎曲撓度曲線上還可測算彎曲彈性模量Eb 。 b bb M = W 3 3 0 d W=(m ) 32 3 3 bh W=(m

25、) 6 32 32 5.1.4 材料的彎曲及其性能指標(biāo)材料的彎曲及其性能指標(biāo) 2. 彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用 o彎曲加載時受拉一側(cè)的應(yīng)力狀態(tài)基本上與靜拉伸時相同，且不存在拉 伸試驗(yàn)時試樣裝卡偏斜對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。對于難以加工成拉伸 試樣的硬脆材料，可用彎曲試驗(yàn)測定斷裂強(qiáng)度，并能顯示出它們的塑 性差別。 o彎曲試驗(yàn)時，試樣截面上的應(yīng)力分布是表面上應(yīng)力最大，故可靈敏地 反映材料的表面缺陷。因此，常用來比較和評定材料表面處理層的質(zhì) 量，例如檢驗(yàn)滲碳層的質(zhì)量和性能。 o不能使塑性材料斷裂，雖可測定規(guī)定非比例應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，但實(shí)際 上很少應(yīng)用。 o主要用于測定灰鑄鐵、硬質(zhì)合金、陶瓷等材料的抗彎強(qiáng)度。灰鑄

26、鐵彎 曲試樣一般采用圓柱毛坯試樣，實(shí)驗(yàn)加載速度不大于0.1mm/s。硬質(zhì)合 金由于硬度高，難以加工成拉伸試樣，故常用彎曲試驗(yàn)評價其性能和 質(zhì)量。陶瓷材料脆性大，測定抗拉強(qiáng)度困難，不能得到精確的結(jié)果， 主要以抗彎強(qiáng)度作為評價陶瓷材料性能的指標(biāo)。 33 33 Figure The stress-strain behavior of brittle materials compared with that of more ductile materials 34 34 Figure (a) The bend test often used for measuring the strength of

27、brittle materials, and (b) the deflection obtained by bending 35 35 Figure Stress- deflection curve for Mg0 obtained from a bend test 36 36 Figure (a) Three point and (b) four-point bend test setup 37 37 38 38 5.1.5 材料的硬度材料的硬度Hardness of Materials oHardness test - Measures the resistance of a materi

28、al to penetration by a sharp object. oMacrohardness - Overall bulk hardness of materials measured using loads 2 N. oMicrohardness Hardness of materials typically measured using loads less than 2 N using such test as Knoop (HK). oNano-hardness - Hardness of materials measured at 110 nm length scale u

29、sing extremely small (100 N) forces. 39 39 5.1.5 材料的硬度材料的硬度Hardness of Materials 硬度硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學(xué)性能，其物理意義是材料表面上 不大體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。 硬度試驗(yàn)方法有十幾種，按加載方式不同，可分為壓人法和刻劃法兩 大類。布氏硬度布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度屬于壓人法?？虅?法包括莫氏硬度和挫刀法等。 40 40 5.1.5 材料的硬度材料的硬度Hardness of Materials 1.布氏硬度 o布氏硬度是1900年由瑞典工程師J.B.Bri

30、nell提出。測量方法是，在負(fù) 荷F的作用下，將直徑為D的淬火鋼球壓人試樣表面，保持一定時問后 卸除載荷，以試樣壓痕的表面積A去除負(fù)荷F所得的商，作為硬度的計(jì) 算指標(biāo)，用符號HB表示。壓痕直徑越大，布氏硬度值HB越小； o布氏硬度值為450650的材料，用硬質(zhì)合金壓頭，用“ HBW”表示； 對于布氏硬度值低于450的材料，使用淬火鋼球壓頭，用“HBS ”表示。 o布氏硬度值的表示方法，一般記為“數(shù)字+硬度符號(HBS或HBW)+ 數(shù)字/數(shù)字/數(shù)字”的形式，符號前面的數(shù)字為硬度值，符號后面的數(shù)字 依次表示鋼球直徑、載荷大小及載荷保持時間等試驗(yàn)條件。 o布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是壓痕面積大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定

31、，重復(fù)性高。其 硬度值能反映材料在較大區(qū)域內(nèi)各組成相的平均性能，最適合測定灰 鑄鐵、軸承合金等材料的硬度。 o操作較為麻煩，對不同的材料需要更換壓頭直徑 和載荷F，壓痕直 徑需要測量。因壓痕直徑較大，一般不宜在成品件上直接進(jìn)行檢驗(yàn)。 41 41 5.1.5 材料的硬度材料的硬度Hardness of Materials 1. 洛氏硬度 o洛氏硬度是1919年由美國人S.P.Rockwell和H.M.Rockwell提出，以壓 痕深度作為計(jì)量硬度的依據(jù)。 o洛氏硬度試驗(yàn)時，采用的壓頭為120的金鋼石圓錐或直徑為 1.588mm、3.175 的鋼球。載荷先后分兩次施加。 o金屬越硬壓痕深度越小，金

32、屬越軟壓痕深度越深。用常數(shù)k減去壓痕 深度h，所得差值作為洛氏硬度的指標(biāo)HR。 o硬度值可由表盤上直接讀出。顯然，材料越軟則壓痕 越深； o洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡便；壓痕面積較小，可檢測成品、小 件和薄件；測量范圍大，從很軟的有色金屬到極硬的硬質(zhì)合金；測量 迅速，可直接從表盤上讀出硬度值。其缺點(diǎn)是壓痕較小，代表性差； 所測硬度值的重復(fù)性差、分散度大；不適于檢測灰鑄鐵、滑動軸承合 金及偏析嚴(yán)重的材料。用不同標(biāo)尺測得的硬度值既不能直接進(jìn)行比較， 又不能彼此互換。 42 42 5.1.5 材料的硬度材料的硬度Hardness of Materials 標(biāo)尺標(biāo)尺測量范圍測量范圍 初載荷初載荷 /N

33、(Kgf) 主載荷主載荷 N(Kgf) 壓頭類型壓頭類型K/mmk/mm HRA608598.1（10）490.3（50）金剛石圓錐體金剛石圓錐體0.20.002 HRB2510098.1（10）882.6（90）鋼球鋼球0.260.002 HRC206798.1（10）1373（140）金剛石圓錐體金剛石圓錐體0.20.002 表表52 洛氏硬度試驗(yàn)條件及應(yīng)用洛氏硬度試驗(yàn)條件及應(yīng)用 43 43 Figure Indentors for the Brinell and Rockwell hardness tests 44 44 45 45 Section 5.2 材料承受沖擊載荷時的力學(xué)性能材

34、料承受沖擊載荷時的力學(xué)性能 oImpact test - Measures the ability of a material to absorb the sudden application of a load without breaking. oImpact energy - The energy required to fracture a standard specimen when the load is applied suddenly. oImpact toughness - Energy absorbed by a material, usually notched, dur

35、ing fracture, under the conditions of impact test. oFracture toughness - The resistance of a material to failure in the presence of a flaw. 46 46 5.2.1 沖擊彎曲試驗(yàn)沖擊彎曲試驗(yàn) o缺口試樣一次沖擊彎曲試驗(yàn)在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，將試樣水 平放置于試驗(yàn)機(jī)支座上，缺口位于沖擊相背方向。沖擊時將質(zhì)量為 G 的擺錘舉至高度h0的位置，使其獲得位能Gh0。釋放擺錘沖斷試 樣后，擺錘的剩余能量為Ghf ，則擺錘沖斷試樣失去的位能為 Gh0-Ghf 。此即

36、為試樣變形和斷裂所吸收的功，稱為沖擊功，以 Wk (Ak)表示，單位為J。 o國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，沖擊彎曲試驗(yàn)用試樣分為夏比U型缺口試樣和夏比 V型缺口試樣，所測得的沖擊功分別記為Whu和Whv。測量陶瓷、 鑄鐵或工具鋼等脆性材料的沖擊功時，常采用101055(mm) 的無缺口沖擊試樣。 47 47 5.2.2 多次沖擊試驗(yàn)多次沖擊試驗(yàn) o實(shí)踐表明，承受沖擊載荷的機(jī)件多數(shù)是經(jīng)過多次沖擊后斷裂的，其 破壞是各次沖擊損傷積累的結(jié)果，根本不同于一次沖擊破壞的過程。 o多次沖擊試驗(yàn)后可繪制出沖擊功W一沖斷次數(shù)N曲線 o隨沖擊功W的減少，沖斷次數(shù)N增加。 圖圖515 多次沖擊曲線多次沖擊曲線 48 48 5.

37、2.3 沖擊韌性及其意義沖擊韌性及其意義 沖擊韌性沖擊韌性K 式中， Wk為沖斷試樣所消耗的沖擊功，MJ ； A0為試樣缺口處橫截面積，m2 oK值越大，表示材料的沖擊韌性越好。沖擊韌性表示材料抵抗沖擊 破壞的能力。 同一條件下，同一材料的兩種試樣，其U型缺口試樣 的K值顯著大于V型缺口試樣，所以它們的K值不能互相比較。 o材料的K值隨溫度的降低而減小。在某一溫度范圍內(nèi)， K值急劇 降低，這種現(xiàn)象稱為冷脆。這個溫度范圍稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度范圍。 oK值對材料的缺陷，如淬火過熱造成的晶粒粗大、回火脆性、時效 不充分、夾雜物形態(tài)、纖維方向等非常敏感，故常用于檢驗(yàn)冶煉、 熱加工、熱處理工藝的質(zhì)量。也常用

38、于檢驗(yàn)材料的冷脆性、以確定 材料的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。 2 k k 0 W =(MJ / m ) A 49 49 Figure The impact test: (a) The Charpy and Izod tests, and (b) dimensions of typical specimens 50 50 oDuctile to brittle transition temperature (DBTT) - The temperature below which a material behaves in a brittle manner in an impact test. oNotch

39、sensitivity - Measures the effect of a notch, scratch, or other imperfection on a materials properties, such as toughness or fatigue life. 51 51 Figure Results from a series of Izod impact tests for a super-tough nylon thermoplastic polymer 52 52 Figure The Charpy V- notch properties for a BCC carbo

40、n steel and a FCC stainless steel. The FCC crystal structure typically leads top higher absorbed energies and no transition temperature 53 53 Figure The area contained within the true stress- true strain curve is related to the tensile toughness. Although material B has a lower yield strength, it ab

41、sorbs a greater energy than material A. The energies from these curves may not be the same as those obtained from impact test data 54 54 Section 5.3 材料的疲勞材料的疲勞 oFatigue is the lowering of strength or failure of a material due to repetitive stress which may be above or below the yield strength. oCree

42、p - A time dependent, permanent deformation at high temperatures, occurring at constant load or constant stress. oBeach or clamshell marks - Patterns often seen on a component subjected to fatigue. oRotating cantilever beam test - An older test for fatigue testing. oS-N curve (also known as the Whle

43、r curve) - A graph showing stress as a function of number of cycles in fatigue. 55 55 Section 5.3 材料的疲勞材料的疲勞 o許多機(jī)件承受的是大小及方向不斷變化的交變載荷，例如軸、齒輪、 彈簧等。在交變載荷作用下，材料經(jīng)常在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的載荷 下發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為“疲勞”。 o疲勞斷裂時，材料沒有明顯的塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的，常常 造成嚴(yán)重的事故。 o按應(yīng)力狀態(tài)，分為彎曲疲勞彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞拉壓疲勞、接觸疲勞接觸疲勞和復(fù)復(fù) 合疲勞合疲勞； o按應(yīng)力高低和斷裂壽命，分為高

44、周疲勞高周疲勞和低周疲勞低周疲勞。 56 56 5.3.1 疲勞曲線疲勞曲線 o以max為縱坐標(biāo)，以疲勞斷裂周次N為橫坐標(biāo)繪制的曲線，稱為疲 勞曲線。簡寫為-N曲線。實(shí)驗(yàn)表明，金屬材料所受的最大交變應(yīng) 力max越大，則斷裂前所能承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越少。當(dāng)應(yīng)力循 環(huán)中的最大應(yīng)力max降低到某一數(shù)值，材料可以經(jīng)受無限次應(yīng)力循 環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂，-N曲線上出現(xiàn)了趨于水平部分。 o不同材料的疲勞曲線形狀不同，大致可分為兩類。一類有水平線， 如一般結(jié)構(gòu)鋼和球墨鑄鐵的疲勞曲線，據(jù)此，可標(biāo)定出無限壽命的 疲勞強(qiáng)度；另一類無水平線，如有色合金、不銹鋼和高強(qiáng)鋼的疲勞 曲線 。 57 57 Figure Th

45、e stress-number of cycles to failure (S-N) curves for a tool steel and an aluminum alloy 58 58 5.3.2 疲勞極限疲勞極限 o當(dāng)應(yīng)力低于某一值時，材料經(jīng)無限循環(huán)周次也不發(fā)生斷裂，此值稱 為疲勞極限疲勞極限或疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度。疲勞極限是保證機(jī)件疲勞壽命的重要性能 指標(biāo)，是評定材料、制訂工藝和疲勞設(shè)計(jì)的依據(jù)。光滑試樣的對稱 疲勞極限用-1 表示，單位MPa。對于無水平線的疲勞曲線，只能根 據(jù)材料的使用要求，確定有限壽命下的疲勞極限。例如，鋼材的循 環(huán)基數(shù)為107 ，有色金屬和某些超高強(qiáng)度鋼的循環(huán)基數(shù)為1

46、08 。超過 這個基數(shù)就認(rèn)為該材料不再發(fā)生疲勞破壞。 o常見的對稱循環(huán)載荷有對稱彎曲、對稱扭轉(zhuǎn)、對稱拉壓等，對應(yīng)的 疲勞極限分別記為-1 、-1 及 -1p ，其中 -1是最常用的。一般情況 下-1 -1p -1 o對于中、低強(qiáng)度鋼， -1 =0.5b 。但抗拉強(qiáng)度較高時，這種線性關(guān) 系要改變，因?yàn)閺?qiáng)度較高時，材料的塑性和斷裂韌性降低，裂紋易 于形成和擴(kuò)展。 59 59 5.3.3 疲勞斷口疲勞斷口 o一般來說，典型疲勞斷口由3個特征區(qū)組成，即疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)、疲疲 勞裂紋擴(kuò)展區(qū)勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)最后斷裂區(qū)。 o疲勞裂紋萌生的地方，多出現(xiàn)在機(jī)件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、 蝕

47、坑等缺陷相連。若材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺陷(夾雜、縮孔、偏析、 白點(diǎn)等)，也會因局部材料強(qiáng)度降低而在機(jī)件內(nèi)部引發(fā)出疲勞源。 o疲勞裂紋產(chǎn)生后，在交變應(yīng)力作用下，繼續(xù)擴(kuò)展長大，這個區(qū)域稱 為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。其宏觀特征是：斷口較光滑并分布有貝紋線(或 海灘花樣)，有時還有裂紋擴(kuò)展臺階。貝紋線是一簇以疲勞源為圓心 的平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向。近疲勞源 區(qū)貝紋線較細(xì)密，表明裂紋擴(kuò)展較慢；遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)貝紋線較稀疏、 粗糙，表明此段裂紋擴(kuò)展較快。 60 60 5.3.3疲勞斷口疲勞斷口 o最后斷裂區(qū)，隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展，零件的有效截面不斷減小，剩 余斷面上的應(yīng)力不斷增加。當(dāng)應(yīng)力超過材料

48、的斷裂強(qiáng)度時，發(fā)生斷 裂，形成最后斷裂區(qū)。該區(qū)的斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜 載，隨材料性質(zhì)而變。脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料斷口為纖 維狀，暗灰色，在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面 應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。 o疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)與最后斷裂區(qū)所占面積的相對比例，隨應(yīng)力大小和 材料的斷裂韌性而變化。所受應(yīng)力小而無大的應(yīng)力集中時，則疲勞 裂紋擴(kuò)展區(qū)大；反之，則小。因此，可以根據(jù)疲勞斷口上兩個區(qū)所 占的比例，估計(jì)所受應(yīng)力高低及應(yīng)力集中程度的大小。 o對疲勞斷口的分析是研究疲勞過程、分析疲勞失效原因的一種重要 方法。 61 61 Figure Fatigue fracture surfa

49、ce. (a) At low magnifications, the beach mark pattern indicates fatigue as the fracture mechanism. The arrows show the direction of growth of the crack front, whose origin is at the bottom of the photograph. (Image (a) is from C.C. Cottell, Fatigue Failures with Special Reference to Fracture Charact

50、eristics, Failure Analysis: The British Engine Technical Reports, American Society for Metals, 1981, p. 318.) (b) At very high magnifications, closely spaced striations formed during fatigue are observed (x 1000) 62 62 Figure Schematic representation of a fatigue fracture surface in a steel shaft, s

51、howing the initiation region, the propagation of fatigue crack (with beam markings), and catastrophic rupture when the crack length exceeds a critical value at the applied stress 63 63 Results of the Fatigue Test oEndurance limit - An older concept that defined a stress below which a material will n

52、ot fail in a fatigue test. oFatigue life - The number of cycles permitted at a particular stress before a material fails by fatigue. oFatigue strength - The stress required to cause failure by fatigue in a given number of cycles, such as 500 million cycles. oNotch sensitivity - Measures the effect o

53、f a notch, scratch, or other imperfection on a materials properties, such as toughness or fatigue life. oShot peening - A process in which metal spheres are shot at a component. 64 64 Application of Fatigue Testing Figure Examples of stress cycles. (a) Equal stress in tension and compression, (b) gr

54、eater tensile stress than compressive stress, and (c) all of the stress is tensile 65 65 Figure Crack growth rate versus stress- intensity factor range for a high-strength steel. For this steel, C = 1.62 1012 and n = 3.2 for the units shown 66 66 Section 5.4 材料的斷裂韌性材料的斷裂韌性 oFracture mechanics - The

55、study of a materials ability to withstand stress in the presence of a flaw. oFracture toughness - The resistance of a material to failure in the presence of a flaw. o工程設(shè)計(jì)中，一般根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度 確定許用應(yīng)力。機(jī)件在許 用應(yīng)力下工作，不會發(fā)生塑性變形，更不會發(fā)生斷裂，應(yīng)該是安全 的。然而，有些機(jī)件會在很低應(yīng)力的狀態(tài)下，發(fā)生脆性斷裂。這是 因?yàn)?，一般討論材料的力學(xué)性能時，假定材料的內(nèi)部是完整的、連 續(xù)的。而實(shí)際材料中不可避免地

56、存在著各種缺陷。例如，夾雜物、 氣孔等冶金缺陷和在使用、加工過程中產(chǎn)生的機(jī)械缺陷。這些缺陷 破壞了材料的連續(xù)性，成為材料中的裂紋。實(shí)驗(yàn)分析表明，低應(yīng)力 脆性斷裂是由材料中裂紋的擴(kuò)展引起的。 67 67 5.4.1 斷裂韌性的概念斷裂韌性的概念 o斷裂力學(xué)運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的彈塑性理論，考慮了材料的不連續(xù)性， 研究材料中裂紋擴(kuò)展的規(guī)律，確定材料抵抗斷裂的力學(xué)性能指標(biāo) 斷裂韌性斷裂韌性。斷裂韌性反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)張的能力。 o張開型裂紋(通常稱之為I型裂紋)，其大小可以用應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子 來 描述。 o對一個存在裂紋的試樣施加拉伸載荷時，其Y值是一定的。隨應(yīng)力 逐漸增大，或者裂紋長度2

57、a逐漸擴(kuò)展，裂紋尖端的K1增大到某 一數(shù)值時，可使裂紋前沿某一區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力大到足以使裂紋產(chǎn)生失 穩(wěn)擴(kuò)展，即發(fā)生脆斷。這個強(qiáng)度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌 性，用K1c 表示。它反映了有裂紋存在時，材料抵抗脆性斷裂的能 力。當(dāng) K1 K1c時裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)生脆斷；當(dāng) K1 K1c時， 裂紋不擴(kuò)展或擴(kuò)展很慢，不發(fā)生快速脆斷；當(dāng) K1= K1c時，裂紋處 于臨界狀態(tài)。 3 2 1 K =Y a(MN/mm) 68 68 5.4.1 斷裂韌性的概念斷裂韌性的概念 oK1是描述裂紋尖端應(yīng)力場大小的力學(xué)參量，它與裂紋類型、物體的 形狀、大小以及外加應(yīng)力等參數(shù)有關(guān)，與材料無關(guān)；而斷裂韌性 K1c 是評定

58、材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的力學(xué)性能指標(biāo)，它與裂紋 本身的大小、形狀無關(guān)，也和外加應(yīng)力無關(guān)，是材料本身的特性， 只和材料的成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)。 o應(yīng)力強(qiáng)度因子和斷裂韌性的提出，在工程上有重要的意義。例如， 知道材料的斷裂韌性 ，再測出構(gòu)件中的最大裂紋長度，就可以計(jì) 算出裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界載荷，即構(gòu)件所能承受的最大載荷?；蛘?己知材料的斷裂韌性 ，根據(jù)構(gòu)件實(shí)際所受的外加應(yīng)力，確定構(gòu)件 中允許存在的最大裂紋長度。所以，斷裂韌性為安全設(shè)計(jì)提供了一 個重要的力學(xué)性能指標(biāo)，尤其在疲勞、沖擊、高低溫強(qiáng)度、應(yīng)力腐 蝕、輻照損傷等強(qiáng)度領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。同時也為發(fā)展新材料、 新工藝及合理選材指出了方

59、向。 69 69 5.4.2 影響材料斷裂韌性的因素影響材料斷裂韌性的因素 o化學(xué)成分 對于金屬材料，提高韌性的元素，均提高材料的斷裂韌性。加入細(xì)化 晶粒的元素，可使金屬的斷裂韌性提高；強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化的合金元素 使斷裂韌性降低；形成脆性化合物的元素降低斷裂韌性。 o晶粒尺寸 晶粒越細(xì)，材料的強(qiáng)度和韌性同時提高，另外，細(xì)化晶粒有助于減輕 雜質(zhì)在晶界上的偏析，減少沿晶斷裂，從而提高材料的斷裂韌性。 o雜質(zhì)及第二相 鋼中的夾雜物以及第二相，如硫化物、氧化物、碳化物等，都是脆性 相，這些相的存在，降低鋼的斷裂韌性；脆性相以細(xì)小球狀存在時 ，對斷裂韌性的有害作用減小。 o溫度和加載速度 大多數(shù)材料，溫度降

60、低，斷裂韌性降低。對于存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度的材 料，在韌性溫度區(qū)，材料發(fā)生韌性斷裂，有較高的斷裂韌性；而在 韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料主要是解理性脆性斷裂，斷裂韌性較低。 增加形變速度，與降低溫度有類似的效果，使斷裂韌性下降。 70 70 Figure Schematic drawing of fracture toughness specimens with (a) edge and (b) internal flaws 71 71 Figure The fracture toughness Kc of a 3000,000psi yield strength steel decreases wit