材料力學性能課件

材料力學性能材料力學性能的定義:材料在外加載荷（外力）作用下，或載荷與環(huán)境因素（如溫度、介質和加載速率）聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為，又稱為力學行為。宏觀上一般表現(xiàn)為材料的變形或斷裂。材料的力學性能指標或判據(jù)。機器零件（簡稱機件）的承載條件一般用各種力學參數(shù)（如應力、斷裂韌度等），所以就將表征材料的力學參數(shù)的臨界值或規(guī)定值稱為材料的力學性能指標或判據(jù)。材料力學性能指標具體數(shù)值的高低表示材料抵抗變形和斷裂能力的大小，是評定材料質量的主要依據(jù)。當應力低于σe時，應力與試樣的應變成正比，應力去除，變形消失，即試樣處于彈性變形階段，σe為材料的彈性極限，它表示材料保持完全彈性變形的最大應力。當應力超過σe后，應力與應變之間的直線關系被破壞，并出現(xiàn)屈服平臺或屈服齒。如果卸載，試樣的變形只能部分恢復，而保留一部分殘余變形，即塑性變形，這說明鋼的變形進入彈塑性變形階段。σs稱為材料的屈服強度或屈服點，對于無明顯屈服的金屬材料，規(guī)定以產生0.2%殘余變形的應力值為其屈服極限。當應力超過σs后，試樣發(fā)生明顯而均勻的塑性變形，若使試樣的應變增大，則必須增加應力值，這種隨著塑性變形的增大，塑性變形抗力不斷增加的現(xiàn)象稱為加工硬化或形變強化。當應力達到σb時試樣的均勻變形階段即告終止，此最大應力σb稱為材料的強度極限或抗拉強度，它表示材料對最大均勻塑性變形的抗力。在σb值之后，試樣開始發(fā)生不均勻塑性變形并形成縮頸，應力下降，最后應力達到σk時試樣斷裂。σk為材料的條件斷裂強度，它表示材料對塑性的極限抗力。

第二節(jié)彈性變形一、彈性變形及其實質彈性變形及其實質：彈性變形是一種可逆變形（即卸載后可以恢復變形前形狀的變形，熱力學意義上的可逆變形）。彈性模量定義：當應變?yōu)橐粋€單位時，彈性模量即為彈性應力，即產生100%彈性變形時所需要的應力。這個定義對金屬來講是沒有任何意義的，這是因為金屬材料所能產生的彈性變形量是很小的。在彈性變形階段，大多數(shù)金屬的應力與應變之間符合虎克定律的正比關系。它表示材料在外載荷下抵抗彈性變形的能力。

不同類型的材料，其彈性模量可以差別很大，幾種常見材料的彈性模量見書上表1.1。1.2.2彈性比功又稱彈性比能、應變比能，表示材料吸收彈性變形功的能力1.2.3、滯彈性在彈性范圍內快速加載或卸載后，隨著時間延長產生的附加彈性應變的現(xiàn)象，稱為滯彈性。金屬的循環(huán)韌性定義：金屬材料在交變載荷（或振動）下吸收不可逆變形功的能力，也稱為金屬的內耗或消振性。意義：循環(huán)韌性越高，機件依靠自身的消振能力越好，所以高循環(huán)韌性對于降低機器的噪聲，抑制高速機械的振動，防止共振導致疲勞斷裂意義重大。1.2.4、包申格效應（Bauschinger）包申格效應的定義：金屬材料經(jīng)過預先加載產生少量塑性變形，殘余應變約1-4%，卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長應力（彈性極限或屈服強度）增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長應力降低的現(xiàn)象。注：所有退火狀態(tài)和高溫回火的金屬與合金都有包辛格效應?？捎脕硌芯坎牧霞庸び不臋C制。消除包申格效應的方法：(1)預先進行較大的塑性變形；(2)在第二次反向受力前先使金屬材料于回復或再結晶溫度下退火，如鋼在400-500℃，銅合金在250-270℃退火。第三節(jié)塑性變形階段一、塑性變形方式和特點變形方式：(1)滑移(2)孿生多晶金屬中每一晶?；谱冃蔚囊?guī)律與單晶金屬相同，但是多晶金屬中存在晶界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性變形有如下特點：(1)各晶粒變形、不同時性和不均勻性(2)各晶粒變形的相互協(xié)調性工程中常用的三種屈服標準：比例極限彈性極限屈服強度固溶強化形變強化沉淀強化和彌散強化晶界和亞晶強化四種影響金屬材料屈服強度的強化機制四、加工硬化（形變強化）定義：在金屬整個變形過程中，當外力超過屈服強度之后，塑性變形并不是像屈服平臺那樣連續(xù)流變下去，而需要不斷增加外力才能繼續(xù)進行，這說明金屬有一種阻止繼續(xù)塑性變形的抗力，這種抗力就是應變硬化性能。加工硬化的作用：(1)加工硬化可使金屬機件具有一定的抗偶然過載能力，保證機件安全。(2)加工硬化和塑性變形適當配合可使金屬均勻塑性變形，保證冷變形工藝順利實施。（如果沒有加工硬化能力，任何冷加工成型的工藝都是無法進行。）(3)可降低塑性，改善低碳鋼的切削加工性能。加工硬化指數(shù)可以反映金屬材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。五、縮頸現(xiàn)象和抗拉強度（一）定義縮頸是金屬等韌性材料在拉伸試驗時變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象，這是應變硬化與截面減小共同作用的結果。（二）縮頸判據(jù)抗拉強度定義：拉伸試驗時試樣拉斷過程中最大試驗力所對應的應力。實際意義：(1)標志塑性金屬材料的實際承載能力；(2)一定場合下抗拉強度可作為設計依據(jù)；(3)抗拉強度的高低由屈服強度和應變硬化指數(shù)來決定。六、塑性度量（一）塑性與塑性指標塑性定義：指金屬材料斷裂前發(fā)生不可逆永久（塑性）變形的能力。（二）塑性的意義與影響因素對機件來講，都要求材料具有一定的塑性，以防止機件偶然過載時產生突然破壞。影響因素：1.溶質元素會降低鐵素體的塑性；2.鋼的塑性受碳化物體積比以及形狀的影響；3.細化顆?？墒共牧系乃苄栽黾印５谒墓?jié)金屬的斷裂一、斷裂的類型根據(jù)斷裂前塑性變化大小分類：（一）韌性斷裂和脆性斷裂韌性斷裂：指金屬斷裂前產生明顯的宏觀塑性變形的斷裂，這種斷裂有一個緩慢的撕裂過程，在裂紋擴展過程中不斷消耗能量。磨損、腐蝕、斷裂是機件的三種主要失效形式。裂紋過程包括：裂紋形式與擴展。

中、低強度鋼的光滑圓柱試樣在室溫下的靜拉伸斷裂是典型的韌性斷裂。韌性斷裂的宏觀斷口同時具有上述三個區(qū)域，而脆性斷口纖維區(qū)很小，剪切唇幾乎沒有。脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因此危害性很大。脆性斷裂的斷裂面一般與正應力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結晶狀。板狀矩形拉伸試樣斷口呈人字紋花樣。按裂紋擴展的途徑分類：（二）穿晶斷裂與沿晶斷裂多晶金屬斷裂時，裂紋擴展的路徑可能不同，穿晶斷裂的裂紋穿過晶體內，而沿晶斷裂的裂紋沿晶界擴展。根據(jù)斷裂機理分類：（三）純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂(1)剪切斷裂：金屬材料在切應力的作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂；包括滑斷（純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。微孔聚集型斷裂是通過微孔成核、長大聚合而導致材料分離。(2)解理斷裂：是指金屬材料在一定條件下（如低溫），當外加正壓力達到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學平面產生的穿晶斷裂；由于與大理石的斷裂相似，所以稱這種晶體學平面為解理面。根據(jù)斷裂面的取向分類：如果斷裂面取向垂直于最大正應力，為正斷型斷裂；如果斷裂面取向與最大切應力方向一致，而與最大正應力方向成45度角，為切斷型斷裂。二、解理斷裂的微觀斷口特征關于斷裂機理的三種理論：1.甄納-斯特羅位錯塞積理論2.柯垂耳位錯反應理論3.史密斯理論1.解理斷裂解理斷裂是沿特定界面發(fā)生的脆性穿晶斷裂，斷裂斷口是由許多大致相當于晶粒大小的解理面集合而成；這種大致以晶粒大小為單位的解理面稱為解理刻面。在解理刻面內部只從一個解理面發(fā)生解理破壞實際上是很少的，多數(shù)情況下，裂紋要跨越若干個相互平等的、而且位于不同高度的解理面，從而在同一刻面內部出現(xiàn)了解理臺階和河流花樣。解理臺階：是沿兩個高度不同的平行解理面上擴展的解理裂紋相交形成的。(1)通過解理裂紋與螺型位錯相交形成，(2)通過二次解理或撕裂形成。2.準解理在淬火回火鋼中，當裂紋在晶粒內部擴展時，難于嚴格的沿一定晶體學平面擴展，斷裂路徑不再與晶粒位向有關，而主要與細小的碳化物質點有關，其微觀形態(tài)，與解理河流相似，但又不是真正的解理，所以稱為準解理。三、微孔聚集斷裂的微觀斷口特征如果使微孔在垂直于正應力的平面上各方向長大傾向相同，則在正應力垂直于微孔的平面上便形成等軸韌窩。在扭轉載荷或受雙向不等拉伸條件下，因切應力作用形成拉長韌窩。如在微孔周圍的應力狀態(tài)為拉、彎聯(lián)合作用，微孔在拉長、長大同時還要被彎曲，形成在兩個相配斷口上方向相同的撕裂韌窩。四、斷裂強度（一）、理論斷裂強度在外加正應力作用下，將晶體的兩個原子面沿垂直于處力方向拉斷所需的應力，就是理論斷裂強度。（二）、真實斷裂強度和靜力韌度韌性是材料的力學性能，是指材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力，或指材料抵抗裂紋擴展的能力。靜力韌度：是靜拉伸時單位體積材料斷裂前所吸收的功。1.5其他加載方式下的力學性能1.5.1應力狀態(tài)軟性系數(shù)α值越大，表示應力狀態(tài)越“軟”，金屬越易于產生塑性變形和韌性斷裂。α值越小，表示應力狀態(tài)越“硬”，金屬越不易于產生塑性變形而易于產生脆性斷裂。1.5.2壓縮一、壓縮試驗的特點(1)單向壓縮試驗的應力狀態(tài)軟性系數(shù)α=2，比拉伸、扭轉、彎曲的應力狀態(tài)都軟，所以主要用于拉伸時呈脆性的金屬材料力學性能的測定。(2)拉伸時塑性很好的材料，在壓縮時只發(fā)生壓縮變形而不斷裂。對于接觸面處承受多向壓縮應力的機件，如滾動軸承、套圈與滾動體，常采用多向壓縮實驗。材料變形破壞方式二、壓縮試驗可測定的主要壓縮性能指標：一、規(guī)定非比例壓縮應力σpc試樣標距段內的非比例壓縮變形達到規(guī)定的原始標距百分比時的應力，稱為規(guī)定非比例壓縮應力。二、抗壓強度單位試樣被壓至破壞過程中的最大應力σbc1.5.3彎曲一、彎曲試驗的特點金屬桿狀試樣承受彎矩作用后，其內部應力主要為正應力，與單向拉伸和壓縮時產生的應力雷同但由于桿件截面上的應力分布不均勻，表面最大，中心為零，且應力方向發(fā)生變化所以金屬在彎曲加載下的力學行為與單純拉應力或壓應力作用下的力學行為不完全相同，有它自身的特點。特點：(1)彎曲試驗的試樣形狀簡單、操作方便，不存在拉伸試驗時的試樣偏斜對結果的影響，可用彎曲的撓度顯示材料的塑性。(2)彎曲試驗時，樣品表面應力最大，可靈敏的反映材料表面的缺陷。二、彎曲試驗將圓柱形或矩形試樣放置于一定跨距Ls的支座上，進行三點彎曲或四點彎曲加載，通過記錄彎曲力f和試樣撓度f之間的關系曲線，就可確定金屬在彎曲力下的力學性能。彎曲試驗所測的主要性能指標彎曲試驗主要測定脆性或低塑性材料的抗彎強度。試樣彎曲至斷裂前達到的最大彎曲力，按彈性彎曲應力公式計算的最大彎曲應力，稱為抗彎強度。彎曲試驗還可測定彎曲彈性模量、斷裂撓度fbb和斷裂能量U等力學性能指標。第四節(jié)扭轉一、扭轉試驗的特點當圓柱試樣承受扭矩T進行扭轉時，試樣表面的應力狀態(tài)如圖2-6a所示，在與試樣軸線呈45°的兩個斜截面上作用最大與最小正應力σ1及σ3，在與試樣軸線平行和垂直的截面上作用最大切應力，兩種應力的比值接近1。在彈性變形階段，試樣橫截面上的切應力和切應變沿半徑方向的分布是線性的（圖2-6b）。當表層產生塑性變形后，切應變的分布仍保持線性關系，但切應力則因塑性變形而有所降低，呈非線性分布（圖2-6c）。根據(jù)扭轉試驗時試樣所受的應力狀態(tài)與應力分布，扭轉試驗具有如下特點：(1)應力狀態(tài)軟性系數(shù)α=0.8，比拉伸時的α大，易于顯示金屬的塑性行為。(2)圓柱形試樣扭轉時，整個長度上塑性變形是均勻的，沒有縮頸現(xiàn)象。(3)能較敏感的反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。(4)扭轉試驗時的最大正應力與最大切應力在數(shù)值上大體相等，而生產上所用大部分金屬材料的正斷抗力大于切斷抗力，所以扭轉試驗是測定這些材料切斷抗力最可靠的方法。二、扭轉試驗可測定的主要性能指標：(1)切變模量G(2)屈服點(3)抗扭強度主要用途：本系列試驗機主要用于水泥、混凝土試樣及構件等建材產品的抗壓、抗彎強度試驗，也可用于橡膠墊的壓縮性能試驗和金屬頂鍛試驗。顯示方式有度盤式（YE系列）及數(shù)顯式（YES系列），YES系列試驗機采用傳感器測力，數(shù)字顯示試驗力及峰值，手動控制試驗進程，既具有手動試驗機的可靠性，又備有RS232C接口，可擴展為具有微機數(shù)據(jù)采集、處理功能，具有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫管理與操作的新一代微機屏顯式壓力試驗機。主要用途：用于金屬材料和塑料、混凝土、水泥等非金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲和剪切試驗。增加簡單附件，可完成膠帶、鏈條、鋼絲繩、電焊條及構件的力學性能試驗。主要用途：廣泛應用在冶金、機械、建工建材、汽車、造船等行業(yè)和大專院校、質量檢測等部門，用于金屬、塑料、橡膠、彈簧、各種繩帶等材料及制品的機械性能測試研究。第六節(jié)硬度一、金屬硬度的意義及硬度試驗的特點硬度是表征材料軟硬程度的一種性能物理意義隨著試驗方法不同而不同壓入法是應用最廣泛的硬度測試方法壓入法的應力狀態(tài)軟性系數(shù)α>2，在這種應力狀態(tài)下，幾乎所有的金屬材料都能產生塑性變形，所以這種方法也能測定硬質合金、陶瓷等脆性材料的硬度。二、硬度試驗（一）布氏硬度試驗原理：用直徑為D（mm）的鋼球或硬質合金球的壓頭，加一定的試驗力F（N），將其壓入試樣表面（右圖a），經(jīng)過規(guī)定的保持時間t（s）后卸除試驗力，試樣表面將殘留壓痕，然后測量壓痕的平均直徑d（mm），求得壓痕的球形面積A（mm2）。布氏硬度計試驗法主要用于鑄鐵、鋼材、有色金屬及軟合金等材料的硬度測定，此外還可以用于塑料、電木等某些非金屬材料硬度的測定。適用于工廠、車間、試驗室、大專院校和科研機構。布氏硬度試驗的優(yōu)點：1.由于壓頭的直徑較大，所以壓痕面積較大，其硬度值能反映各組成相的平均性能，適合于測定灰鑄鐵、軸承合金的硬度；2.試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復性強。布氏硬度試驗的缺點：1.對不同材料需要更換壓頭直徑和改變試驗力，壓痕直徑的測量較麻煩，所以不宜用于自動檢測；2.壓痕較大時不宜在成品上實驗。（二）洛氏硬度試驗(a)試驗時先加初始試驗力F0，以保證壓頭與試樣表面接觸良好，得到一個壓痕深度h0，此時指針指零。(b)施加主作用力F1，壓頭壓入深度為h1，表逆時針轉到相應刻度位置，h1包括彈性變形與塑性變形。(c)F1卸除后，總變形中的彈性變形恢復，壓頭回升一段距離（h2-h1），此時塑性變形深度即為壓痕深度h，最終表盤指針所指即為洛氏硬度值。HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計是機電一體化的硬度測試儀器。該機外觀新穎，采用微機控制，硬度值以數(shù)字直接顯示。升降螺桿與旋輪間自動反饋鎖合，外接打印機，除試臺升降外，完全實現(xiàn)了自動化，消除了操作和讀數(shù)誤差。該硬度計適用于黑色金屬、有色金屬和非金屬材料的硬度測定。洛氏硬度的優(yōu)點：1.操作簡便、迅速、硬度值可直接讀出；2.壓痕小，可在工件上直接實驗；3.采用不同標尺可測定各種軟硬不同的金屬或厚薄不一的試樣硬度，可廣泛用于熱處理質量檢驗。洛氏硬度的缺點：1.壓痕較小，代表性差；2.若材料中存在偏析及組織不均勻等缺陷，則所測硬度值重復性差，分散度大；3.用不同標尺測得的硬度值彼此沒有聯(lián)系，不能直接比較。（三）維氏硬度試驗維氏硬度試驗的原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗力計算硬度值。不同的是試驗用的壓頭不同，是兩個相對面間夾角α為136°的金剛石四棱錐體。壓頭在試驗力F（N）作用下將樣品表面壓出一個四方錐形的壓痕，經(jīng)一定保持時間后卸除試驗力，測量壓痕對角線平均長度d，d=(d1+d2)/2，來計算壓痕的表面積A（mm2）。HVS-50型數(shù)顯維氏硬度計是光機電一體化的高新技術產品，具有良好的可靠性，可操作性，是小負荷維氏硬度計的升級換代產品。該機采用計算機軟件編程，高倍率光學測量系統(tǒng)，光電傳感等技術，通