第四章 材料力學(xué)性能

1、 一、一、 材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能 二、二、 強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度與塑性 三、三、 硬度硬度 四、四、 韌性韌性 五、五、 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 六、六、 磨損與耐磨性磨損與耐磨性 七、七、 工程材料的高溫強(qiáng)度工程材料的高溫強(qiáng)度 一、一、 材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能 材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能是指在外加載荷是指在外加載荷(外力外力)作用下或載荷與環(huán)境因素作用下或載荷與環(huán)境因素(溫度、介質(zhì)和溫度、介質(zhì)和 加載速率）聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為。加載速率）聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為。 強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等都屬于材料的力學(xué)性能。等都屬于材料的力學(xué)性能。 材料的力學(xué)性能決定于材料的化學(xué)

2、成分、組織結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量等內(nèi)在因素，但材料的力學(xué)性能決定于材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量等內(nèi)在因素，但 外在因素，如載荷性質(zhì)（靜載荷、沖擊載荷、交變載荷）、應(yīng)力狀態(tài)（拉、壓、外在因素，如載荷性質(zhì)（靜載荷、沖擊載荷、交變載荷）、應(yīng)力狀態(tài)（拉、壓、 彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等）、溫度、環(huán)境介質(zhì)等對(duì)材料的力學(xué)性能也有很大影響。彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等）、溫度、環(huán)境介質(zhì)等對(duì)材料的力學(xué)性能也有很大影響。 例如低碳鋼試樣在靜拉伸載荷和交變載荷作用下的不同力學(xué)行為。例如低碳鋼試樣在靜拉伸載荷和交變載荷作用下的不同力學(xué)行為。 二、二、 強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度與塑性 1. 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 拉伸試驗(yàn)：拉伸試驗(yàn)：將圓柱形

3、或板狀光滑試樣裝夾在拉伸試驗(yàn)將圓柱形或板狀光滑試樣裝夾在拉伸試驗(yàn) 機(jī)上，沿試樣軸向以一定速度施加載荷，使其發(fā)生拉機(jī)上，沿試樣軸向以一定速度施加載荷，使其發(fā)生拉 伸變形直至斷裂。伸變形直至斷裂。 拉伸曲線：拉伸曲線：通過(guò)力與位移傳感器可獲得載荷（通過(guò)力與位移傳感器可獲得載荷（P）與）與 試樣伸長(zhǎng)量（試樣伸長(zhǎng)量（L）之間的關(guān)系曲線，稱為拉伸曲線）之間的關(guān)系曲線，稱為拉伸曲線 或或P- L曲線。曲線。 應(yīng)力：應(yīng)力：=P/A0, A0為試樣原始截面積為試樣原始截面積 應(yīng)變：應(yīng)變：=L/L0，L0為試樣標(biāo)距為試樣標(biāo)距 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線：應(yīng)變曲線：縱坐標(biāo)以縱坐標(biāo)以，橫坐標(biāo)以，橫坐標(biāo)以表示，則這表示，則這

4、 時(shí)的曲線與試樣的尺寸無(wú)關(guān)。時(shí)的曲線與試樣的尺寸無(wú)關(guān)。 通過(guò)拉伸試驗(yàn)可揭示材料在靜載荷作用下的力學(xué)行為，通過(guò)拉伸試驗(yàn)可揭示材料在靜載荷作用下的力學(xué)行為， 即即彈性變形、塑性變形、斷裂三個(gè)基本過(guò)程彈性變形、塑性變形、斷裂三個(gè)基本過(guò)程，還可確，還可確 定材料的最基本的力學(xué)性能指標(biāo)定材料的最基本的力學(xué)性能指標(biāo)強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度與塑性。 退火低碳鋼的退火低碳鋼的曲線曲線 2. 彈性模量與彈性行為彈性模量與彈性行為 （1）彈性變形：）彈性變形：材料在外力作用下產(chǎn)生變形，若外力去除后變形完材料在外力作用下產(chǎn)生變形，若外力去除后變形完 全消失，材料恢復(fù)原狀，則這種可逆的變形就叫彈性變形。全消失，材料恢復(fù)原狀，則

5、這種可逆的變形就叫彈性變形。 彈性模量：彈性模量：材料在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，兩者的比材料在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，兩者的比 值稱為彈性模量，記為值稱為彈性模量，記為E，且，且 E =/ E 表征材料對(duì)彈性變形的抗力，其值越大，材料產(chǎn)生一定量的彈性變表征材料對(duì)彈性變形的抗力，其值越大，材料產(chǎn)生一定量的彈性變 形所需要的應(yīng)力越大，形所需要的應(yīng)力越大，故工程上也稱故工程上也稱E為材料的剛度為材料的剛度。 E 主要取決于材料的本性，反映了材料內(nèi)部原子間結(jié)合鍵的強(qiáng)弱，而主要取決于材料的本性，反映了材料內(nèi)部原子間結(jié)合鍵的強(qiáng)弱，而 材料的組織變化對(duì)彈性模量無(wú)明顯影響。材料的組織變

6、化對(duì)彈性模量無(wú)明顯影響。 u 材料的剛度和零件的剛度不是一回事，零件剛度的大小取決于零件的材料的剛度和零件的剛度不是一回事，零件剛度的大小取決于零件的 幾何形狀和材料的彈性模量。幾何形狀和材料的彈性模量。 （2）彈性行為）彈性行為 彈性變形的特點(diǎn)是當(dāng)載荷卸除后，試樣的尺寸形狀完全回復(fù)到原始狀態(tài)。彈性變形的特點(diǎn)是當(dāng)載荷卸除后，試樣的尺寸形狀完全回復(fù)到原始狀態(tài)。 根據(jù)材料的不同，其變形行為可分為三類：根據(jù)材料的不同，其變形行為可分為三類：線彈性、非線彈性以及滯彈性線彈性、非線彈性以及滯彈性。 理想的線彈性行為，理想的線彈性行為，應(yīng)力應(yīng)力 和應(yīng)變之間滿足虎克定律。和應(yīng)變之間滿足虎克定律。 斜率即彈性

7、模量斜率即彈性模量E。曲線。曲線 下的陰影面積為單位體積下的陰影面積為單位體積 試樣在彈性變形過(guò)程中所試樣在彈性變形過(guò)程中所 吸收的彈性功。卸載時(shí)沿吸收的彈性功。卸載時(shí)沿 直線可逆回到原點(diǎn)。直線可逆回到原點(diǎn)。 非線性彈性行為，非線性彈性行為，如橡膠如橡膠 之類的變形能力極好的彈之類的變形能力極好的彈 性材料。其應(yīng)力應(yīng)變行性材料。其應(yīng)力應(yīng)變行 為完全偏離了線性關(guān)系，為完全偏離了線性關(guān)系， 但仍然保持彈性的基本性但仍然保持彈性的基本性 質(zhì)，卸載時(shí)仍沿同樣的途質(zhì)，卸載時(shí)仍沿同樣的途 徑退回到原點(diǎn)。徑退回到原點(diǎn)。 聚合物及某些軟金屬表現(xiàn)出聚合物及某些軟金屬表現(xiàn)出 明顯的明顯的彈性滯后現(xiàn)象，彈性滯后現(xiàn)象

8、，即加即加 載和卸載曲線都稍稍偏離直載和卸載曲線都稍稍偏離直 線，且兩者不重合，形成一線，且兩者不重合，形成一 個(gè)封閉的環(huán)形，說(shuō)明變形過(guò)個(gè)封閉的環(huán)形，說(shuō)明變形過(guò) 程中應(yīng)變跟不上應(yīng)力，稱為程中應(yīng)變跟不上應(yīng)力，稱為 滯彈性行為。一部分彈性功滯彈性行為。一部分彈性功 以熱的形式向環(huán)境散失。以熱的形式向環(huán)境散失。 3. 強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度與塑性 （1）強(qiáng)度）強(qiáng)度 強(qiáng)度是指材料抵抗變形和斷裂的能力。強(qiáng)度是指材料抵抗變形和斷裂的能力。工程上衡量材料強(qiáng)度的指標(biāo)有：工程上衡量材料強(qiáng)度的指標(biāo)有： 彈性極限彈性極限 e：材料發(fā)生彈性變形的最大應(yīng)力，高于此值，材料開始發(fā)生塑性材料發(fā)生彈性變形的最大應(yīng)力，高于此值，材料開

9、始發(fā)生塑性 變形。彈性極限雖然有明確的物理意義，但實(shí)際卻難以精確測(cè)定，工程上定變形。彈性極限雖然有明確的物理意義，但實(shí)際卻難以精確測(cè)定，工程上定 義發(fā)生義發(fā)生0.01殘留塑性變形時(shí)的應(yīng)力值為殘留塑性變形時(shí)的應(yīng)力值為條件彈性極限，表示為條件彈性極限，表示為0.01 0.01。 。 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s：在拉伸過(guò)程中，出現(xiàn)載荷不增加而試樣還繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為在拉伸過(guò)程中，出現(xiàn)載荷不增加而試樣還繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為 屈服，材料開始屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為屈服應(yīng)力（或稱屈服強(qiáng)度）。屈服強(qiáng)屈服，材料開始屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為屈服應(yīng)力（或稱屈服強(qiáng)度）。屈服強(qiáng) 度表征材料發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的抗力。度表征材料發(fā)生明顯

10、塑性變形時(shí)的抗力。 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b：材料開始發(fā)生材料開始發(fā)生“頸縮頸縮”（試樣的直徑發(fā)生局部收縮）的應(yīng)力，（試樣的直徑發(fā)生局部收縮）的應(yīng)力， 相當(dāng)于應(yīng)力相當(dāng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的極大值，也是作用力達(dá)到最大值時(shí)得到的應(yīng)力，對(duì)于應(yīng)變曲線的極大值，也是作用力達(dá)到最大值時(shí)得到的應(yīng)力，對(duì)于 不發(fā)生頸縮的材料，就相當(dāng)于斷裂時(shí)的應(yīng)力。不發(fā)生頸縮的材料，就相當(dāng)于斷裂時(shí)的應(yīng)力。 斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度 f：試樣發(fā)生斷裂的應(yīng)力值。試樣發(fā)生斷裂的應(yīng)力值。對(duì)于不發(fā)生頸縮的材料，對(duì)于不發(fā)生頸縮的材料， f與與 b相相 等。等。 （2）塑性）塑性 工程材料根據(jù)斷裂前是否發(fā)生塑性變形工程材料根據(jù)斷裂前是否發(fā)生塑性變形，可將它們

11、分成兩大類：，可將它們分成兩大類：脆性材料脆性材料 和和塑性材料塑性材料。 脆性材料：如陶瓷、玻璃、石頭及普通灰鑄鐵；它們?cè)谄茢嗲爸话l(fā)生彈性脆性材料：如陶瓷、玻璃、石頭及普通灰鑄鐵；它們?cè)谄茢嗲爸话l(fā)生彈性 變形。變形。 塑性材料：大多數(shù)金屬及聚合物，如退火純銅的拉伸曲線。塑性材料：大多數(shù)金屬及聚合物，如退火純銅的拉伸曲線。 加工硬化或加工強(qiáng)化：加工硬化或加工強(qiáng)化： 每增加一個(gè)小的應(yīng)變每增加一個(gè)小的應(yīng)變 量量，就必須增加，就必須增加 應(yīng)力應(yīng)力才能重新開才能重新開 始塑性變形。始塑性變形。 隨著塑性變形的進(jìn)行，隨著塑性變形的進(jìn)行， 材料的加工硬化能力材料的加工硬化能力 逐漸減小，曲線趨于逐漸減小，

12、曲線趨于 平坦，達(dá)到極大值的平坦，達(dá)到極大值的 位置，試樣開始發(fā)生位置，試樣開始發(fā)生 頸縮，隨后頸縮快速頸縮，隨后頸縮快速 發(fā)展，直至斷裂發(fā)展，直至斷裂 塑性：塑性：斷裂前材料發(fā)生塑性變形的能力。斷裂前材料發(fā)生塑性變形的能力。 衡量材料塑性的指標(biāo)有衡量材料塑性的指標(biāo)有延伸率（延伸率（）和和斷面收縮率（斷面收縮率（ ）。 =L/L0=(L-L0)/L0100% （是塑性是塑性“伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)”的度量的度量） 式中式中L0為試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度；為試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度；L為試樣斷裂后標(biāo)距的長(zhǎng)度。為試樣斷裂后標(biāo)距的長(zhǎng)度。 =Af/A0=(A0-Af)/A0 100% （是塑性是塑性“收縮收縮”的度量的度量） 式中

13、式中A0為試樣原始截面積；為試樣原始截面積；Af為試樣斷裂處的截面積。為試樣斷裂處的截面積。 材料的延伸率和斷面收縮率數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。材料的延伸率和斷面收縮率數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。 塑性好的材料可以發(fā)生大量塑性變形而不被破壞，這樣當(dāng)受力塑性好的材料可以發(fā)生大量塑性變形而不被破壞，這樣當(dāng)受力 過(guò)大時(shí)，由于首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，比較安過(guò)大時(shí)，由于首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，比較安 全。全。 三、硬度三、硬度 硬度是材料表面局部抵抗變形的能力硬度是材料表面局部抵抗變形的能力。硬度實(shí)驗(yàn)方法最常。硬度實(shí)驗(yàn)方法最常 用的有布氏實(shí)驗(yàn)法、洛氏實(shí)驗(yàn)法和維氏實(shí)驗(yàn)法。用的

14、有布氏實(shí)驗(yàn)法、洛氏實(shí)驗(yàn)法和維氏實(shí)驗(yàn)法。 布氏硬度：布氏硬度：以淬火鋼球?yàn)閴侯^，硬度值等于載荷值除以壓以淬火鋼球?yàn)閴侯^，硬度值等于載荷值除以壓 痕的總面積。在試驗(yàn)中用刻度放大鏡測(cè)出壓痕直徑，然后痕的總面積。在試驗(yàn)中用刻度放大鏡測(cè)出壓痕直徑，然后 對(duì)照有關(guān)附錄查出相應(yīng)的布氏硬度值。對(duì)照有關(guān)附錄查出相應(yīng)的布氏硬度值。 洛氏硬度：洛氏硬度：依據(jù)壓痕的深度而不是壓痕的直徑。以錐角為依據(jù)壓痕的深度而不是壓痕的直徑。以錐角為 1200的金剛石圓錐作為壓頭，加載卸載后壓頭壓入材料表的金剛石圓錐作為壓頭，加載卸載后壓頭壓入材料表 面的深度，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換為洛氏硬度值。面的深度，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換為洛氏硬度值。 維氏硬度：維氏硬

15、度：以錐角為以錐角為1360的金剛石棱錐體為壓頭，其值等的金剛石棱錐體為壓頭，其值等 于載荷值除以壓痕的總面積。在實(shí)際測(cè)定時(shí)，只要量出壓于載荷值除以壓痕的總面積。在實(shí)際測(cè)定時(shí)，只要量出壓 痕的對(duì)角線長(zhǎng)度，就可查表得到它們的硬度值。痕的對(duì)角線長(zhǎng)度，就可查表得到它們的硬度值。 布氏硬度布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是具有的優(yōu)點(diǎn)是具有 較高的測(cè)量精度，因其較高的測(cè)量精度，因其 壓痕面積大，比較真實(shí)壓痕面積大，比較真實(shí) 地反映出材料的平均性地反映出材料的平均性 能，但不能測(cè)定高硬度能，但不能測(cè)定高硬度 材料。材料。 維氏硬度維氏硬度法由于所加壓力法由于所加壓力 小，壓入深度較淺，故可小，壓入深度較淺，故可 測(cè)定較薄材

16、料和各種表面測(cè)定較薄材料和各種表面 滲層，且準(zhǔn)確度高。但試滲層，且準(zhǔn)確度高。但試 驗(yàn)時(shí)需要測(cè)量壓痕對(duì)角線驗(yàn)時(shí)需要測(cè)量壓痕對(duì)角線 的長(zhǎng)度，測(cè)試手續(xù)較繁，的長(zhǎng)度，測(cè)試手續(xù)較繁， 不如洛氏硬度法簡(jiǎn)單。不如洛氏硬度法簡(jiǎn)單。 洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是 操作迅速、簡(jiǎn)便，可由操作迅速、簡(jiǎn)便，可由 表盤直接讀出硬度值，表盤直接讀出硬度值， 由于其壓痕小，可測(cè)量由于其壓痕小，可測(cè)量 較薄工件的硬度，其缺較薄工件的硬度，其缺 點(diǎn)是精度較差，硬度值點(diǎn)是精度較差，硬度值 波動(dòng)較大。波動(dòng)較大。 四、韌性四、韌性 材料的韌性是材料斷裂時(shí)所需要的能量的度量。材料的韌性是材料斷裂時(shí)所需要的能量的度量。 它與強(qiáng)

17、度、塑性明顯不同：它與強(qiáng)度、塑性明顯不同： 強(qiáng)度強(qiáng)度是使材料變形或斷裂所需要應(yīng)力的度量；是使材料變形或斷裂所需要應(yīng)力的度量； 塑性塑性是材料變形能力的度量；是材料變形能力的度量； 能量是力和距離的乘積，是材料的強(qiáng)度和塑性高低的綜合能量是力和距離的乘積，是材料的強(qiáng)度和塑性高低的綜合 反映，用焦耳（反映，用焦耳（J）來(lái)表示）來(lái)表示 在強(qiáng)度相等的情況下，延性材料斷裂時(shí)所需要的能量比脆在強(qiáng)度相等的情況下，延性材料斷裂時(shí)所需要的能量比脆 性材料多，因此它的韌性也比脆性材料高。性材料多，因此它的韌性也比脆性材料高。 評(píng)定材料韌性高低的方法，最常用的有兩種：評(píng)定材料韌性高低的方法，最常用的有兩種： 一是用沖

18、擊試驗(yàn)所得的沖擊韌性；一是用沖擊試驗(yàn)所得的沖擊韌性； 二是用斷裂力學(xué)方法與試驗(yàn)測(cè)得的斷裂韌性。二是用斷裂力學(xué)方法與試驗(yàn)測(cè)得的斷裂韌性。 沖擊韌性沖擊韌性 一只重?cái)[錘從高度一只重?cái)[錘從高度h開始，沿著弧形軌跡向下擺動(dòng)，沖擊到試樣上并把試開始，沿著弧形軌跡向下擺動(dòng)，沖擊到試樣上并把試 樣打斷，最后達(dá)到一個(gè)比較低的高度樣打斷，最后達(dá)到一個(gè)比較低的高度h 。知道擺錘的初始高度。知道擺錘的初始高度h和最終高和最終高 度度h，就能算出勢(shì)能差別。這一差別就是試樣在斷裂過(guò)程中所吸收的沖擊，就能算出勢(shì)能差別。這一差別就是試樣在斷裂過(guò)程中所吸收的沖擊 能能Ak（沖擊總功），如果除以缺口處試樣的截面積，即得材料的沖

19、擊韌（沖擊總功），如果除以缺口處試樣的截面積，即得材料的沖擊韌 性，用性，用k表示，單位為表示，單位為J/cm2。 斷裂韌性斷裂韌性 斷裂斷裂是裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展的過(guò)程，即先有裂紋，然后在力的作用下擴(kuò)是裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展的過(guò)程，即先有裂紋，然后在力的作用下擴(kuò) 展，當(dāng)裂紋達(dá)到一定尺寸（或稱某臨界尺寸）時(shí)就會(huì)失穩(wěn)而快速擴(kuò)展，展，當(dāng)裂紋達(dá)到一定尺寸（或稱某臨界尺寸）時(shí)就會(huì)失穩(wěn)而快速擴(kuò)展， 導(dǎo)致完全斷裂。導(dǎo)致完全斷裂。 通常把材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂的能力叫通常把材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂的能力叫斷裂韌性斷裂韌性。 在裂紋尖端的延長(zhǎng)線上（即在裂紋尖端的延長(zhǎng)線上（即x軸上，裂紋尖端為軸上，裂紋尖端為 坐標(biāo)軸原

20、點(diǎn)）某點(diǎn)垂直于裂紋面的應(yīng)力坐標(biāo)軸原點(diǎn)）某點(diǎn)垂直于裂紋面的應(yīng)力y與坐標(biāo)與坐標(biāo) x的關(guān)系為：的關(guān)系為： y= K1/Y（2x）1/2 Y：與裂紋形狀、加載方式及試樣尺寸有關(guān)的量，：與裂紋形狀、加載方式及試樣尺寸有關(guān)的量， 可查表得到；可查表得到； K1：為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，可以表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱：為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，可以表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱 程度程度 對(duì)于某一確定的點(diǎn)，其應(yīng)力由對(duì)于某一確定的點(diǎn)，其應(yīng)力由K1決定，決定，K1越越 大，則應(yīng)力場(chǎng)各點(diǎn)的應(yīng)力也越大。大，則應(yīng)力場(chǎng)各點(diǎn)的應(yīng)力也越大。 按線彈性斷裂力學(xué)的分析，裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子按線彈性斷裂力學(xué)的分析，裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K1的一般表達(dá)式為：的一般表

21、達(dá)式為： K1 = Ya1/2（MN/m3/2） 式中式中 為外加應(yīng)力，為外加應(yīng)力，a為裂紋長(zhǎng)度的一半。為裂紋長(zhǎng)度的一半。K1是一個(gè)決定于是一個(gè)決定于 和和a的復(fù)合力學(xué)參的復(fù)合力學(xué)參 量。量。 當(dāng)當(dāng) 和和a單獨(dú)或共同增大，使單獨(dú)或共同增大，使K1增大到某一臨界值，就能使裂紋擴(kuò)展到試樣斷增大到某一臨界值，就能使裂紋擴(kuò)展到試樣斷 裂。裂。裂紋擴(kuò)展的臨界狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子稱為臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，裂紋擴(kuò)展的臨界狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子稱為臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子， 用用K1c表示，它代表了材料的斷裂韌性。表示，它代表了材料的斷裂韌性。 必須指出，必須指出，斷裂韌性斷裂韌性K1c是材料本身的特性，由

22、材料的成分、組織狀態(tài)決定，是材料本身的特性，由材料的成分、組織狀態(tài)決定， 與裂紋的尺寸、形狀以及外加應(yīng)力的大小無(wú)關(guān)；與裂紋的尺寸、形狀以及外加應(yīng)力的大小無(wú)關(guān)； 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K1則與外應(yīng)力大小有關(guān)，也同裂紋尺寸有關(guān)。則與外應(yīng)力大小有關(guān)，也同裂紋尺寸有關(guān)。 當(dāng)當(dāng)K1K1c，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，可導(dǎo)致斷裂發(fā)生。，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，可導(dǎo)致斷裂發(fā)生。 即當(dāng)裂紋尺寸即當(dāng)裂紋尺寸2a一定時(shí)，外加應(yīng)力一定時(shí)，外加應(yīng)力 K1c/Y（a）1/2時(shí)，裂紋將失穩(wěn)擴(kuò)展；時(shí)，裂紋將失穩(wěn)擴(kuò)展； 當(dāng)外加應(yīng)力當(dāng)外加應(yīng)力 一定時(shí)，則裂紋半長(zhǎng)一定時(shí)，則裂紋半長(zhǎng)a （K1c/Y ）2時(shí)，裂紋也將失穩(wěn)擴(kuò)展。時(shí)，裂紋也將失穩(wěn)擴(kuò)展。

23、 對(duì)于具有確定組織狀態(tài)的某種材料，斷裂韌性對(duì)于具有確定組織狀態(tài)的某種材料，斷裂韌性K1c具有確定的數(shù)值。具有確定的數(shù)值。 五、疲勞強(qiáng)度五、疲勞強(qiáng)度 在在交變應(yīng)力交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于 材料的屈服強(qiáng)度，但如果工作時(shí)間較長(zhǎng)，材料也材料的屈服強(qiáng)度，但如果工作時(shí)間較長(zhǎng)，材料也 會(huì)發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象就稱為會(huì)發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象就稱為疲勞疲勞。 疲勞是工程構(gòu)件中最常見的失效形式，疲勞是工程構(gòu)件中最常見的失效形式，80%以上以上 的零構(gòu)件失效方式是疲勞破壞。的零構(gòu)件失效方式是疲勞破壞。 疲勞失效與一次脆斷不同，其損傷是逐漸積累，逐漸發(fā)展的。大體上可把疲疲勞失效

24、與一次脆斷不同，其損傷是逐漸積累，逐漸發(fā)展的。大體上可把疲 勞失效過(guò)程分為勞失效過(guò)程分為三個(gè)階段：裂紋的形成、逐漸發(fā)展及最終的突然斷裂。三個(gè)階段：裂紋的形成、逐漸發(fā)展及最終的突然斷裂。 疲勞強(qiáng)度：疲勞強(qiáng)度：評(píng)定材料疲勞抗力的指標(biāo)，即表示材料經(jīng)受無(wú)限多次循環(huán)而不斷評(píng)定材料疲勞抗力的指標(biāo)，即表示材料經(jīng)受無(wú)限多次循環(huán)而不斷 裂的最大應(yīng)力，記為裂的最大應(yīng)力，記為 r。 測(cè)定材料疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)通常采用測(cè)定材料疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)通常采用旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)，試樣在旋轉(zhuǎn)時(shí)交替承受大，試樣在旋轉(zhuǎn)時(shí)交替承受大 小相等的交變拉壓應(yīng)力，經(jīng)過(guò)足夠數(shù)量的循環(huán)之后，試樣就會(huì)斷裂。試驗(yàn)時(shí)小相等的交變拉壓應(yīng)力，經(jīng)過(guò)足夠數(shù)量的

25、循環(huán)之后，試樣就會(huì)斷裂。試驗(yàn)時(shí) 用多組試樣，在不同的交變應(yīng)力下測(cè)定試樣斷裂前承受交變應(yīng)力用多組試樣，在不同的交變應(yīng)力下測(cè)定試樣斷裂前承受交變應(yīng)力 的循環(huán)次的循環(huán)次 數(shù)數(shù)N，然后繪制，然后繪制 N曲線。曲線。 對(duì)鋼鐵材料和有機(jī)玻璃等，當(dāng)應(yīng)力降到對(duì)鋼鐵材料和有機(jī)玻璃等，當(dāng)應(yīng)力降到 某值后，某值后， N曲線趨于水平直線，此直曲線趨于水平直線，此直 線對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為疲勞強(qiáng)度。線對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為疲勞強(qiáng)度。 大多數(shù)有色金屬及其合金和許多聚合物，大多數(shù)有色金屬及其合金和許多聚合物， 其疲勞曲線上沒(méi)有水平直線部分，工程其疲勞曲線上沒(méi)有水平直線部分，工程 上常規(guī)定上常規(guī)定N=108次時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為次時(shí)所對(duì)應(yīng)的

26、應(yīng)力作為 條件疲勞強(qiáng)度。條件疲勞強(qiáng)度。 六、磨損與耐磨性六、磨損與耐磨性 磨損：磨損：一個(gè)零件相對(duì)于另一個(gè)零件摩擦?xí)r，一個(gè)零件相對(duì)于另一個(gè)零件摩擦?xí)r， 將會(huì)引起摩擦表面有微小顆粒分離出來(lái)，將會(huì)引起摩擦表面有微小顆粒分離出來(lái)， 使接觸表面尺寸變化、質(zhì)量損失，這種想使接觸表面尺寸變化、質(zhì)量損失，這種想 象稱為磨損。象稱為磨損。 一塊物體相對(duì)于另一塊物體發(fā)生滑動(dòng)所需一塊物體相對(duì)于另一塊物體發(fā)生滑動(dòng)所需 要的水平力（即切向力）要的水平力（即切向力）Ft，與法向力，與法向力Fn相相 比較，這兩個(gè)力的比值就是摩擦系數(shù)：比較，這兩個(gè)力的比值就是摩擦系數(shù)： = Ft / Fn 滑動(dòng)面之間黏附越強(qiáng)，摩擦系數(shù)就越

27、大?；瑒?dòng)面之間黏附越強(qiáng)，摩擦系數(shù)就越大。 按照磨損的破壞機(jī)理分類，磨損的種類包括粘著磨損、磨料按照磨損的破壞機(jī)理分類，磨損的種類包括粘著磨損、磨料 磨損、氧化磨損、熱磨損、腐蝕磨損和表面疲勞磨損等。磨損、氧化磨損、熱磨損、腐蝕磨損和表面疲勞磨損等。 粘著磨損：粘著磨損：當(dāng)兩個(gè)表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于從一個(gè)表面拉掉一當(dāng)兩個(gè)表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于從一個(gè)表面拉掉一 些材料顆粒而粘附于另一個(gè)表面上，就造成粘著磨損。對(duì)于些材料顆粒而粘附于另一個(gè)表面上，就造成粘著磨損。對(duì)于 克服或減輕這一類型的磨損，潤(rùn)滑措施非常有效?？朔驕p輕這一類型的磨損，潤(rùn)滑措施非常有效。 磨料磨損：磨料磨損：如果其中某些顆粒發(fā)生氧化并散

28、落在兩個(gè)表面之如果其中某些顆粒發(fā)生氧化并散落在兩個(gè)表面之 間，或是環(huán)境中的外來(lái)硬質(zhì)點(diǎn)的介入，由于氧化物顆?；蛲忾g，或是環(huán)境中的外來(lái)硬質(zhì)點(diǎn)的介入，由于氧化物顆粒或外 來(lái)硬顆粒通常比金屬硬，它們就造成磨料磨損。另一種磨料來(lái)硬顆粒通常比金屬硬，它們就造成磨料磨損。另一種磨料 磨損的方式是當(dāng)堅(jiān)硬又粗糙的表面擦傷了較軟的表面，這樣磨損的方式是當(dāng)堅(jiān)硬又粗糙的表面擦傷了較軟的表面，這樣 會(huì)使軟材料的顆粒散落在兩個(gè)表面之間，如果這些顆粒發(fā)生會(huì)使軟材料的顆粒散落在兩個(gè)表面之間，如果這些顆粒發(fā)生 了氧化，它們將引起嚴(yán)重的磨料磨損。與粘著磨損不同，磨了氧化，它們將引起嚴(yán)重的磨料磨損。與粘著磨損不同，磨 料磨損很少受

29、潤(rùn)滑的影響，除非潤(rùn)滑劑能制止氧化和腐蝕。料磨損很少受潤(rùn)滑的影響，除非潤(rùn)滑劑能制止氧化和腐蝕。 材料的硬度是抵抗這一類磨損的主要因素。材料的硬度是抵抗這一類磨損的主要因素。 在干摩擦情況下，非金屬材料摩擦系數(shù)小，不易粘附。金在干摩擦情況下，非金屬材料摩擦系數(shù)小，不易粘附。金 屬材料尤其是軟金屬材料自身配對(duì)時(shí)摩擦系數(shù)大，最易發(fā)屬材料尤其是軟金屬材料自身配對(duì)時(shí)摩擦系數(shù)大，最易發(fā) 生粘著磨損，因此，生粘著磨損，因此，在非完全潤(rùn)滑的重要機(jī)械摩擦副中，在非完全潤(rùn)滑的重要機(jī)械摩擦副中， 盡量不用同種材料已經(jīng)成為一條基本原則。盡量不用同種材料已經(jīng)成為一條基本原則。 如渦輪與蝸桿，渦輪多用青銅合金，而蝸桿則用鋼

30、材制造。如渦輪與蝸桿，渦輪多用青銅合金，而蝸桿則用鋼材制造。 為抵抗各種類型的磨損，已經(jīng)發(fā)展了多種耐磨與抗磨材料，為抵抗各種類型的磨損，已經(jīng)發(fā)展了多種耐磨與抗磨材料， 如高錳鋼，高鉻鑄鐵等材料，也可對(duì)材料表面進(jìn)行耐磨處如高錳鋼，高鉻鑄鐵等材料，也可對(duì)材料表面進(jìn)行耐磨處 理等。理等。 七、工程材料的高溫強(qiáng)度七、工程材料的高溫強(qiáng)度 1. 蠕變現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象 材料在高溫下受到外加應(yīng)力的作用以后（哪怕此應(yīng)力材料在高溫下受到外加應(yīng)力的作用以后（哪怕此應(yīng)力 低于材料在此溫度下的屈服強(qiáng)度），會(huì)隨著時(shí)間的延低于材料在此溫度下的屈服強(qiáng)度），會(huì)隨著時(shí)間的延 長(zhǎng)逐漸發(fā)生緩慢的塑性變型直至斷裂。材料的這種高長(zhǎng)逐漸發(fā)生緩慢的塑性變型直至斷裂。材料的這種高 溫塑性變形的現(xiàn)象就稱為蠕變。溫塑性變形的現(xiàn)象就稱為蠕變。 測(cè)