材料力学性能复习.ppt

关于材料力学性能复关于材料力学性能复习习现在学习的是第1页，共39页2 2）.应力应力应变曲线与真应力应变曲线的关系应变曲线与真应力应变曲线的关系 真应力总是大于工真应力总是大于工程应力；而真应变总是程应力；而真应变总是小于工程应变。并且，小于工程应变。并且，随变形量增大，二者的随变形量增大，二者的差距也增大。差距也增大。现在学习的是第2页，共39页3 3）.掌握应力状态软化系数的概念掌握应力状态软化系数的概念应力状态软性系数：应力状态软性系数：最大切应力与最大正应力的比值。现在学习的是第3页，共39页4 4）.熟悉缺口效应熟悉缺口效应 缺口顶端应力集中；缺口顶端应力集中；近缺口顶端区产生两向应力状态（对薄板）或三向应力近缺口顶端区产生两向应力状态（对薄板）或三向应力状态（对厚板）；状态（对厚板）；缺口强化。缺口强化。现在学习的是第4页，共39页5 5）.了解硬度测试的物理意义、工程意义了解硬度测试的物理意义、工程意义硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。一般指材料表硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。一般指材料表面上不大体积内抵抗变形或破裂的能力。面上不大体积内抵抗变形或破裂的能力。静载压入法，静载压入法，试验设备简单，操作方便、快捷，不损坏部件，应力状态较软，一定条件下与材料的抗拉强度有正比关系。现在学习的是第5页，共39页6 6）.熟悉几种常用的硬度的测试方法（布、洛、维氏硬度熟悉几种常用的硬度的测试方法（布、洛、维氏硬度）布氏硬度：布氏硬度：施加压力施加压力P,压头直径压头直径D,压痕深度压痕深度h或直径或直径d,计算出布氏硬度计算出布氏硬度值，单位为值，单位为kgf/mm2。公式表明，当压力和压头直径一定时，压痕直径越大，布氏硬度值越低，即变公式表明，当压力和压头直径一定时，压痕直径越大，布氏硬度值越低，即变形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。布氏硬度的特点和适用范围：布氏硬度的特点和适用范围：压痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相的压痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能，不受个别相和微区不均匀性的影响。布氏硬度分散性小，重复性综合平均性能，不受个别相和微区不均匀性的影响。布氏硬度分散性小，重复性好适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度，象灰铸铁和轴承合金等。压好适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度，象灰铸铁和轴承合金等。压痕较大，不宜在实际零件表面、薄壁件、表面硬化层上测定布氏硬度。痕较大，不宜在实际零件表面、薄壁件、表面硬化层上测定布氏硬度。淬火钢球作淬火钢球作压头压头（HBS），测定），测定HB450的材料的硬度；硬质合金球作压头的材料的硬度；硬质合金球作压头（HBW），测定的硬度可达），测定的硬度可达650HB压痕的形状必须几何相似，压入角应相等。压痕的形状必须几何相似，压入角应相等。布氏硬度相同时，要保证压入角相布氏硬度相同时，要保证压入角相等，则等，则P/D2应为常数。应为常数。金属材料中，与抗拉强度有正比关系。金属材料中，与抗拉强度有正比关系。现在学习的是第6页，共39页 洛氏硬度试验方法洛氏硬度试验方法 洛氏硬度是直接测量压痕深度，压痕愈浅表示洛氏硬度是直接测量压痕深度，压痕愈浅表示材料愈硬材料愈硬 常用的压头：顶角为常用的压头：顶角为120的金刚石圆锥体，直径为的金刚石圆锥体，直径为1.588mm(116英寸英寸)的钢球压头的钢球压头 多种标尺：多种标尺：HRA、HRB、HRC 维氏硬度测定的原理与方法维氏硬度测定的原理与方法基本上与布氏硬度的相同，根据基本上与布氏硬度的相同，根据单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值。单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值。测定维氏硬度所用的压头为金刚石制成的四方角锥体，两相测定维氏硬度所用的压头为金刚石制成的四方角锥体，两相对面间的夹角为对面间的夹角为136，所加的载荷较小。，所加的载荷较小。已知载荷已知载荷P，测得压痕两对角线长度后取平均值，测得压痕两对角线长度后取平均值d，计算维氏硬，计算维氏硬度值，单位为度值，单位为kgf/mm2 在较低硬度时，其硬度值与布氏硬度值相等或相近。在较低硬度时，其硬度值与布氏硬度值相等或相近。现在学习的是第7页，共39页7 7）.熟悉夏比缺口冲击试验的测试方法、物理意义以及熟悉夏比缺口冲击试验的测试方法、物理意义以及工程意义工程意义大能量一次冲击弯曲试验：大能量一次冲击弯曲试验：质量质量m的摆锤，举至高度的摆锤，举至高度H，势能，势能mgH1；锤释放，将试件冲断。摆锤失去一部分能量，这部分能；锤释放，将试件冲断。摆锤失去一部分能量，这部分能量就是冲断试件所作的功，称为冲击功，以量就是冲断试件所作的功，称为冲击功，以Ak表示。剩余的能量表示。剩余的能量使摆锤扬起高度使摆锤扬起高度H2，故剩余的能量即为，故剩余的能量即为mgH2。Ak=mgH1-mgH2=mg(H1-H2)Ak的单位为的单位为Kgf.m或或J。冲击试验的应用：冲击试验的应用：评定材料在不同温度下的脆性转化趋势（采用评定材料在不同温度下的脆性转化趋势（采用系列冲击试验）。系列冲击试验）。现在学习的是第8页，共39页韧性：韧性：材料断裂前吸收变形功和断裂功的能力材料断裂前吸收变形功和断裂功的能力韧度：韧度：衡量材料韧性大小；应力衡量材料韧性大小；应力-应变曲线下的面积。应变曲线下的面积。刚度：刚度：材料对弹性变形的抗力，弹性模量材料对弹性变形的抗力，弹性模量E越高，越高，刚度越高，弹性变形愈困难。刚度越高，弹性变形愈困难。弹性：弹性：材料弹性变形的能力。通常以弹性比功的材料弹性变形的能力。通常以弹性比功的高低来区分。高低来区分。塑性：塑性：断裂前发生塑性变形的能力。伸长率和断面收断裂前发生塑性变形的能力。伸长率和断面收缩率表征。缩率表征。8 8）.掌握韧性、塑性、刚度、弹性的物理意义及表征掌握韧性、塑性、刚度、弹性的物理意义及表征现在学习的是第9页，共39页2 材料的变形材料的变形1 1）.掌握弹性变形的实质掌握弹性变形的实质构成材料的原子或分子自平衡位置产生可逆位移的反应。构成材料的原子或分子自平衡位置产生可逆位移的反应。=EE=2(1+v)GE：正弹性模量（杨氏摸量）正弹性模量（杨氏摸量）v：柏松比：柏松比 G：切弹性模量：切弹性模量物理意义：物理意义：产生产生100弹性变形所需的应力。弹性变形所需的应力。工程意义：工程意义：工程上把弹性模量工程上把弹性模量E、G称做材料的刚度，它表示称做材料的刚度，它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力。材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力。2 2）.掌握弹性变形的性能指标掌握弹性变形的性能指标现在学习的是第10页，共39页3 3）.熟悉影响弹性模量的主要因素熟悉影响弹性模量的主要因素 键合方式和原子结构键合方式和原子结构 共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数；共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数；晶体结构晶体结构 单晶体材料：各向异性，最密晶向上单晶体材料：各向异性，最密晶向上E较大，反之则小。较大，反之则小。多晶体多晶体材料：各晶粒的统计平均值，表现为各向同性，但称为伪各向同性材料：各晶粒的统计平均值，表现为各向同性，但称为伪各向同性。介于单晶体最大值与最小值之间。介于单晶体最大值与最小值之间。非晶态材料：各向同非晶态材料：各向同性。性。微观组织微观组织 对金属材料来说对金属材料来说E是一个是一个组织不敏感的力学性能指标组织不敏感的力学性能指标，而，而对高分子和陶瓷对高分子和陶瓷E对结构和组织敏感。对结构和组织敏感。温度温度T T原子结合力下降，原子结合力下降，E。加载条件加载条件 金属、陶瓷金属、陶瓷E影响不大，对高分子影响不大，对高分子E有影响。有影响。现在学习的是第11页，共39页4 4）.掌握几种非理想弹性行为的定义、物理意义以及掌握几种非理想弹性行为的定义、物理意义以及工程上的利弊。工程上的利弊。滞弹性：滞弹性：材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。性应变的性能。伪弹性伪弹性 定义：在一定温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将由定义：在一定温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将由应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度弹性变形的现象。伪弹性变应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度弹性变形的现象。伪弹性变形量形量60%左右。工程应用：形状记忆合金左右。工程应用：形状记忆合金 内耗：内耗：存在滞后环（加载和卸载时的应力应变曲线不重合）说明加载存在滞后环（加载和卸载时的应力应变曲线不重合）说明加载时吸收的变形功大于卸载时释放的变形功，因而有一部分变形功被材料时吸收的变形功大于卸载时释放的变形功，因而有一部分变形功被材料所吸收，称为内耗，其值用滞后环面积度量。优点：滞后环面积，它可所吸收，称为内耗，其值用滞后环面积度量。优点：滞后环面积，它可以减少振动，使振动幅度很快衰减下来。缺点：精密仪器不希望有滞后以减少振动，使振动幅度很快衰减下来。缺点：精密仪器不希望有滞后现象。现象。现在学习的是第12页，共39页5 5）.掌握黏弹性行为及其力学松弛。掌握黏弹性行为及其力学松弛。黏弹性变形定义：黏弹性变形定义：一些材料在受载荷时，会表现出类似于液体的黏性流一些材料在受载荷时，会表现出类似于液体的黏性流动和弹性变形的混合特征，一般称为黏弹性变形。动和弹性变形的混合特征，一般称为黏弹性变形。黏弹性行为的三种响应机制：黏弹性行为的三种响应机制：普弹性、高弹性、黏性流动。普弹性、高弹性、黏性流动。力学松驰：力学松驰：由于粘弹性的存在，高聚物的力学性质会随时间的变化而变由于粘弹性的存在，高聚物的力学性质会随时间的变化而变化，化，力学松驰现象：力学松驰现象：蠕变：在一定温度和较小的恒定外力作用下，材料的变形随时蠕变：在一定温度和较小的恒定外力作用下，材料的变形随时间的增加而逐渐增大的现象。间的增加而逐渐增大的现象。应力松弛：在恒定温度和变形保持不变的情况下，材料内部应力松弛：在恒定温度和变形保持不变的情况下，材料内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。力学损耗（动态黏弹性）：在交变应力下，由于应变滞后于应力，力学损耗（动态黏弹性）：在交变应力下，由于应变滞后于应力，会发生内耗，高聚物中滞后现象更为严重。会发生内耗，高聚物中滞后现象更为严重。现在学习的是第13页，共39页6 6）.掌握塑性变形的机理。掌握塑性变形的机理。晶态材料：晶态材料：滑移滑移 临界分切应力：当外力在某一滑移系中的分解切应力达到一个临临界分切应力：当外力在某一滑移系中的分解切应力达到一个临界值时，该滑移系方可开始滑移。界值时，该滑移系方可开始滑移。与结构和滑移系组合有关，和温度及加载速率有关与结构和滑移系组合有关，和温度及加载速率有关 取向因子：取向因子：coscos（大为软位向，小为硬位向）（大为软位向，小为硬位向）理论屈服应力理论屈服应力位错运动阻力：点阵摩擦阻力；位错本身之间的交互作用位错运动阻力：点阵摩擦阻力；位错本身之间的交互作用强化方法强化方法结晶态高分子材料结晶态高分子材料塑变机制：塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排塑变机制：塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程；列的微纤维束的过程；非晶态高分子材料非晶态高分子材料塑变机制：在正应力作用下形成银纹或在切应力塑变机制：在正应力作用下形成银纹或在切应力作用下无取向分子链局部转变为排列的纤维束。作用下无取向分子链局部转变为排列的纤维束。2Gm现在学习的是第14页，共39页7 7）.掌握金属的屈服及影响屈服强度的主要因素掌握金属的屈服及影响屈服强度的主要因素 屈服的显著特点是拉伸曲线上有显著的载荷降落屈服的显著特点是拉伸曲线上有显著的载荷降落,并在某一接近恒定并在某一接近恒定的载荷值附近起伏。的载荷值附近起伏。屈服变形是位错增殖和运动的结果，凡影响位错运动的内外因都影响屈服屈服变形是位错增殖和运动的结果，凡影响位错运动的内外因都影响屈服强度。强度。内因内因:结合键结合键 组织组织 结构结构 原子本性原子本性.外因外因:温度温度 应变速率应变速率 应力状态应力状态 解释屈服的理论：解释屈服的理论：Crttrell气团钉扎模型气团钉扎模型 位错增殖动力学理论。位错增殖动力学理论。现在学习的是第15页，共39页8 8）.掌握应变硬化现象、表征、工程意义掌握应变硬化现象、表征、工程意义 材料在外力作用下屈服后进入均匀塑性变形阶段，随变形量增大其形变应力材料在外力作用下屈服后进入均匀塑性变形阶段，随变形量增大其形变应力（流变应力）不断提高的现象称为（流变应力）不断提高的现象称为应变硬化应变硬化，或，或形变强化形变强化或或加工硬化加工硬化或或冷作硬冷作硬化化。应变硬化的本质是：随变形量增加，应变硬化的本质是：随变形量增加，位错位错密度增加，使密度增加，使位错之间交互作用增加，从而导致屈服强度增加。位错之间交互作用增加，从而导致屈服强度增加。n应变硬化指数，表征材料抵抗继续塑性变形的能力。nKeS（1）应变硬化可使金属构件）应变硬化可使金属构件具有一定的抗偶然过载能力，具有一定的抗偶然过载能力，保证构件的安全。保证构件的安全。（2）应变硬化和塑性的适当配合可使金属进行均匀塑性变形，）应变硬化和塑性的适当配合可使金属进行均匀塑性变形，保证冷变形工艺保证冷变形工艺顺利实施顺利实施。（3）应变硬化是）应变硬化是强化金属强化金属的重要工艺手段之一。的重要工艺手段之一。现在学习的是第16页，共39页3 材料的断裂材料的断裂1 1）.了解断裂的类型及概念了解断裂的类型及概念1 按断裂前应变量分类按断裂前应变量分类（1 1）韧性断裂（）韧性断裂（2 2）脆性断裂）脆性断裂2 按断裂路径分类按断裂路径分类（1 1）穿晶断裂（）穿晶断裂（2 2）沿晶断裂）沿晶断裂3 按断裂微观机制分类按断裂微观机制分类（1 1）解理断裂（）解理断裂（2 2）纯剪切断裂（）纯剪切断裂（3 3）微孔聚集型断裂）微孔聚集型断裂4 按宏观断面取向分为按宏观断面取向分为（1 1）正断（）正断（2 2）切断）切断 解理和晶间断裂有时也有塑性变形，所以解理和沿晶断裂未必是脆性断裂（判断解理和晶间断裂有时也有塑性变形，所以解理和沿晶断裂未必是脆性断裂（判断）。）。从力学上分，断裂分为从力学上分，断裂分为正断、切断、混合断口正断、切断、混合断口；从工程上来说，分为脆；从工程上来说，分为脆断和韧断。但是正断不一定是脆断，也有明显的塑性变形。切断是韧断，但是反之却断和韧断。但是正断不一定是脆断，也有明显的塑性变形。切断是韧断，但是反之却不一定成立。（判断）不一定成立。（判断）现在学习的是第17页，共39页2 2）.了解断裂的宏观断口特征了解断裂的宏观断口特征脆性（解理）断裂脆性（解理）断裂断裂面垂直于拉应力且非常光滑平整。断裂面垂直于拉应力且非常光滑平整。断口比较光亮。断口比较光亮。韧性（微孔聚集）断裂韧性（微孔聚集）断裂杯锥状断口杯锥状断口杯锥状断口上分三个典型的区域：纤维区、放射区和剪切唇，杯锥状断口上分三个典型的区域：纤维区、放射区和剪切唇，此即典型的断口三要素。此即典型的断口三要素。3 3）.了解断裂的微观断口特征了解断裂的微观断口特征解理断裂解理断裂河流花样（解理台阶）河流花样（解理台阶）韧窝韧窝韧窝韧窝:材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞,经形核、长大、聚集，最后相互连经形核、长大、聚集，最后相互连接而导致断裂后，在断口表面所留下的痕迹。接而导致断裂后，在断口表面所留下的痕迹。韧性（微孔聚集型）断裂韧性（微孔聚集型）断裂相互平行但位于不同高度的解理面相遇形成台阶，而当台阶相互汇合时就形成了河流花相互平行但位于不同高度的解理面相遇形成台阶，而当台阶相互汇合时就形成了河流花样。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。样。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。现在学习的是第18页，共39页4 4）.了解理论断裂强度和实际断裂强度了解理论断裂强度和实际断裂强度210aEsm理论断裂强度：理论断裂强度：10Em近似：近似：212aEscGriffith应力：应力：Griffith模型的适用模型的适用脆性材料，即裂纹前缘的塑性变形可以忽略不计的情况。脆性材料，即裂纹前缘的塑性变形可以忽略不计的情况。发生塑性变形，因不可逆的损伤的积累而破坏（塑性较好的金属发生塑性变形，因不可逆的损伤的积累而破坏（塑性较好的金属材料）。材料）。存在材料缺陷和加工缺陷，发展成裂纹并长大导致断裂存在材料缺陷和加工缺陷，发展成裂纹并长大导致断裂实际强度远远低于理论强度的原因：实际强度远远低于理论强度的原因：现在学习的是第19页，共39页5 5）.掌握断裂过程及机制掌握断裂过程及机制 断裂一般包括裂纹萌生和裂纹扩展两个基本过程。裂纹扩展又断裂一般包括裂纹萌生和裂纹扩展两个基本过程。裂纹扩展又可能分为稳态扩展和失稳扩展。可能分为稳态扩展和失稳扩展。解理断裂解理断裂 材料在一定的主应力作用下，由于原子结合键的破坏而造成材料在一定的主应力作用下，由于原子结合键的破坏而造成的沿特定晶体学平面（即解理面）快速分离的过程。（玻璃、陶的沿特定晶体学平面（即解理面）快速分离的过程。（玻璃、陶瓷等极脆材料）瓷等极脆材料）韧性（微孔聚集型）断裂韧性（微孔聚集型）断裂 在应力作用下，材料内部存在的第二相粒子或夹杂物与基体脱粘在应力作用下，材料内部存在的第二相粒子或夹杂物与基体脱粘，或者第二相粒子、夹杂物本身断裂，从而形成空洞。当提高应力水，或者第二相粒子、夹杂物本身断裂，从而形成空洞。当提高应力水平时，这些微空洞逐渐长大，并连接（聚合）成一个较宽的裂纹。当平时，这些微空洞逐渐长大，并连接（聚合）成一个较宽的裂纹。当这个扩展的裂纹达到临界尺寸时，构件总体破坏就发生了。这个扩展的裂纹达到临界尺寸时，构件总体破坏就发生了。现在学习的是第20页，共39页6 6）.韧脆转化现象及韧脆转化温度韧脆转化现象及韧脆转化温度t tk k的评定方法的评定方法 按能量法定义按能量法定义tk的方法的方法：(1)当低于某一温度材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称当低于某一温度材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称为为“低阶能低阶能”。以低阶能开始上升的温度定义。以低阶能开始上升的温度定义tk，并记为，并记为NDT，称为无塑性或零塑性，称为无塑性或零塑性转变温度，转变温度，(2)高于某一温度材料吸收的能量也基本不变，形成一个上平台，称为高于某一温度材料吸收的能量也基本不变，形成一个上平台，称为“高阶能高阶能”。以。以高阶能对应的温度为高阶能对应的温度为tk,记为记为FTP。高于。高于FTP的断裂，将得到的断裂，将得到100的纤维状断口。的纤维状断口。(3)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义，并记为以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义，并记为FTE。(4)以以Akv15 呎磅呎磅(20.3Nm)对应的温度定义，并记为对应的温度定义，并记为V15TT。(5)温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大，材料由韧变脆通常取结温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大，材料由韧变脆通常取结晶区面积占整个断口面积晶区面积占整个断口面积50时的温度为时的温度为tk，并记为，并记为50FATT或或 FATT50、t50。当温度低于某一温度时：当温度低于某一温度时：由韧性断裂由韧性断裂脆性断裂；冲击吸收功明显下降；脆性断裂；冲击吸收功明显下降；断裂机理由微孔聚集型断裂机理由微孔聚集型解理断裂断口特征由纤维状解理断裂断口特征由纤维状结晶状结晶状 则将此现象称为低温脆性。而对应的温度称为韧脆转变温度。则将此现象称为低温脆性。而对应的温度称为韧脆转变温度。现在学习的是第21页，共39页7 7）.掌握陶瓷材料断裂强度特点及原因掌握陶瓷材料断裂强度特点及原因 （1）陶瓷的实际强度与理论强度之比远低于金属（实际强度）陶瓷的实际强度与理论强度之比远低于金属（实际强度远低于理论强度）远低于理论强度）（2）陶瓷的压缩强度与抗拉强度之比高于金属（压缩强度远高于拉）陶瓷的压缩强度与抗拉强度之比高于金属（压缩强度远高于拉伸强度）伸强度）（3）强度的分散性大）强度的分散性大 陶瓷材料的断裂过程都是以其内部或表面存在的缺陷为起点而发生的，而陶瓷材料的断裂过程都是以其内部或表面存在的缺陷为起点而发生的，而缺陷的存在是概率性的，随试样体积增大，缺陷存在的概率也增大，材料的强度缺陷的存在是概率性的，随试样体积增大，缺陷存在的概率也增大，材料的强度就下降。就下降。在压缩时，由于裂纹类缺陷可以闭合，对抗压强度影响较小。因此陶瓷在压缩时，由于裂纹类缺陷可以闭合，对抗压强度影响较小。因此陶瓷材料的抗压强度比抗拉强度大的多，其差别程度大大超过金属。材料的抗压强度比抗拉强度大的多，其差别程度大大超过金属。陶瓷材料是由固体粉末烧结成形，在粉末成形、烧结反应过程中，不仅存在大陶瓷材料是由固体粉末烧结成形，在粉末成形、烧结反应过程中，不仅存在大量的气孔，而且这种气孔有很多呈不规则形状，其作用相当于裂纹，因此陶瓷材量的气孔，而且这种气孔有很多呈不规则形状，其作用相当于裂纹，因此陶瓷材料中裂纹或类裂纹缺陷比金属既多且大）料中裂纹或类裂纹缺陷比金属既多且大）现在学习的是第22页，共39页8 8）.了解材料裂纹的基本方式了解材料裂纹的基本方式 (a)张开型(型);(b)滑开型(型);(c)撕开型()型 9 9）.掌握掌握K KICIC的基本概念、物理意义的基本概念、物理意义当应力和裂纹尺寸当应力和裂纹尺寸a单独或同时增大时，单独或同时增大时，KI和裂纹尖端的各应力分量和裂纹尖端的各应力分量也随之增大。当应力或裂纹尺寸也随之增大。当应力或裂纹尺寸a增大到临界值时，也就是在裂纹尖端足够增大到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范围内，应力达到材料的断裂韧性，裂纹便失稳扩展而导致材料的断裂大的范围内，应力达到材料的断裂韧性，裂纹便失稳扩展而导致材料的断裂，这时，这时KI也达到了一个临界值，这个临界也达到了一个临界值，这个临界KI记为记为KIC或或KC,称为断裂韧性称为断裂韧性(概念概念)，单位为，单位为Mpam1/2或或KNm-3/2，物理意义，其是一个表示材料抵抗，物理意义，其是一个表示材料抵抗断裂的能力。断裂的能力。(KC为平面应力断裂韧度为平面应力断裂韧度,KIC为平面应变断裂韧度为平面应变断裂韧度.同一同一种材料种材料KCKICKIC：表示材料抵抗断裂的能力，材料在平面应变状态下抵抗裂：表示材料抵抗断裂的能力，材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力。纹失稳扩展的能力。现在学习的是第23页，共39页 1010）.掌握掌握K KICIC和应力强度因子和应力强度因子K K的异同的异同 断裂韧度断裂韧度KCC是应力强度因子是应力强度因子K的临界值，两者物理意义不同的临界值，两者物理意义不同。K K 是一个描述裂纹前端应力场强弱的力学参量，它与裂是一个描述裂纹前端应力场强弱的力学参量，它与裂纹及物体大小、形状、外加应力等参数有关；纹及物体大小、形状、外加应力等参数有关；K KCC是评定材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的一种力是评定材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的一种力学性能指标，它是材料常数，只与材料成分、热处理及加工学性能指标，它是材料常数，只与材料成分、热处理及加工工艺有关，而与裂纹本身大小，形状以及外应力大小无关。工艺有关，而与裂纹本身大小，形状以及外应力大小无关。现在学习的是第24页，共39页1111）.熟悉断裂韧度在工程中的基本应用熟悉断裂韧度在工程中的基本应用 CCCaYKaKYCc1221ccKYa计算结构许用应力计算结构许用应力计算可能的最大应力场强度因子计算可能的最大应力场强度因子计算材料的临界裂纹尺寸计算材料的临界裂纹尺寸现在学习的是第25页，共39页4 材料的疲劳（材料的疲劳（Fatigue）性能）性能1 1）.了解疲劳破坏的特点了解疲劳破坏的特点微观上看，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破微观上看，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程，包括裂纹萌生和裂纹稳态扩展两个阶段；坏的过程，包括裂纹萌生和裂纹稳态扩展两个阶段；断口具有明显特征：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区；断口具有明显特征：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区；宏观上看，属潜在突发性破坏，脆性，易引起事故造成经济损宏观上看，属潜在突发性破坏，脆性，易引起事故造成经济损失；失；属低应力（属低应力（-1s）延时破坏，寿命预测很重要；）延时破坏，寿命预测很重要；疲劳性能对缺陷十分敏感疲劳性能对缺陷十分敏感。现在学习的是第26页，共39页2 2）.掌握疲劳应力的特征参数及其所对应的疲劳类型掌握疲劳应力的特征参数及其所对应的疲劳类型 表示循环应力特征的参量表示循环应力特征的参量：（1）最大循环应力）最大循环应力（2）最小循环应力）最小循环应力（3）平均应力）平均应力（4）应力幅）应力幅a 或应力范围或应力范围:（5）应力比）应力比 r:maxminr22minmaxamaxmin2minmaxm拉脉动循环拉脉动循环对称循环对称循环压脉动循环压脉动循环根据参量评判疲劳应力的强弱程度和对材料疲劳损害程度的大小。根据参量评判疲劳应力的强弱程度和对材料疲劳损害程度的大小。各种循环应力的特征各种循环应力的特征现在学习的是第27页，共39页3 3）.疲劳断口疲劳断口 的宏观特征及贝纹线的形成的宏观特征及贝纹线的形成 疲劳源疲劳源疲劳疲劳区区瞬断瞬断区区贝纹线贝纹线（海滩花（海滩花样）样）贝纹线是以疲劳源为中心的近于平等的一簇向外凸的同心圆，它们是疲劳贝纹线是以疲劳源为中心的近于平等的一簇向外凸的同心圆，它们是疲劳裂纹扩展时前沿线的痕迹，一般认为是由载荷大小或应力状态的变化、频率变化裂纹扩展时前沿线的痕迹，一般认为是由载荷大小或应力状态的变化、频率变化或机器运行中途停车、启动等原因造成裂纹扩展产生相应微小变化所导致的。或机器运行中途停车、启动等原因造成裂纹扩展产生相应微小变化所导致的。现在学习的是第28页，共39页4 4）.熟悉疲劳抗力指标的意义熟悉疲劳抗力指标的意义 疲劳抗力指标:1)疲劳极限：疲劳曲线水平部分所对应的应力，它表示材料能经受无疲劳极限：疲劳曲线水平部分所对应的应力，它表示材料能经受无限次应力循环而不发生断裂的最大应力。限次应力循环而不发生断裂的最大应力。2)过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力下循环时，发生疲劳断裂的循过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力下循环时，发生疲劳断裂的循环周次。环周次。3)疲劳缺口敏感度：材料在交变载荷作用下的缺口敏感性。疲劳缺口敏感度：材料在交变载荷作用下的缺口敏感性。4)疲劳裂纹扩展速率：疲劳裂纹稳态扩展阶段每一循环下所扩展的距疲劳裂纹扩展速率：疲劳裂纹稳态扩展阶段每一循环下所扩展的距离。离。5)疲劳裂纹扩展门槛值：该区是初始扩展阶段，疲劳裂纹扩展门槛值：该区是初始扩展阶段，da/dN值很小，约值很小，约10-810-6mm/周。此区中有一关键参数周。此区中有一关键参数Kth，其含义是当，其含义是当K Kth 时，疲劳裂纹永时，疲劳裂纹永远不扩展，故称为远不扩展，故称为疲劳裂纹扩展门槛值疲劳裂纹扩展门槛值，它表征了带裂纹体不疲劳断裂（无，它表征了带裂纹体不疲劳断裂（无限寿命）的性能。限寿命）的性能。现在学习的是第29页，共39页5 5）.熟悉疲劳的微观过程熟悉疲劳的微观过程 循环应力下组织的变化：循环应力下组织的变化：位错密度增加，趋于饱和后，形成带状或胞位错密度增加，趋于饱和后，形成带状或胞状结构。状结构。驻留滑移带：驻留滑移带：疲劳反复进行，会发现有些部位的滑移带反复在原位出现，就像疲劳反复进行，会发现有些部位的滑移带反复在原位出现，就像驻扎在那里一样，永远也不消失，把这样的滑移带称为驻留滑移带（驻扎在那里一样，永远也不消失，把这样的滑移带称为驻留滑移带（PSB）。）。裂纹萌生：裂纹萌生：表面表面（提高表面光洁度、表面强化处理可提高疲劳寿命）（提高表面光洁度、表面强化处理可提高疲劳寿命）内部缺陷（内部缺陷（降低材料中夹杂物的含量可提高疲劳性能。降低材料中夹杂物的含量可提高疲劳性能。裂纹扩展：裂纹扩展：第第阶段：表面裂纹沿最大切应力方向扩展，可延伸几十阶段：表面裂纹沿最大切应力方向扩展，可延伸几十m（25个晶粒个晶粒）。）。第第阶段：沿垂至于拉应力方向向前扩展成主裂纹，直至最后形成剪切唇阶段：沿垂至于拉应力方向向前扩展成主裂纹，直至最后形成剪切唇为止。微观断口最典型特征为为止。微观断口最典型特征为“疲劳条带疲劳条带”（疲劳辉纹）。（疲劳辉纹）。现在学习的是第30页，共39页6 6）.掌握疲劳条带的类型、成因、尺寸掌握疲劳条带的类型、成因、尺寸 疲劳裂纹扩展第二阶段的一个显著物理是在疲劳裂纹扩展第二阶段的一个显著物理是在高倍微观断口上高倍微观断口上常常常常可以看到平行排列的条带简称疲劳条带，它分为韧性条带和脆性条可以看到平行排列的条带简称疲劳条带，它分为韧性条带和脆性条带两类。带两类。韧性条带：平行排列的条带韧性条带：平行排列的条带脆性条带：裂纹扩展不是塑性变形，而是解理断裂，因此断口上脆性条带：裂纹扩展不是塑性变形，而是解理断裂，因此断口上有细小的结晶解理平面或河流花样，但裂纹尖端又有塑性钝化，有细小的结晶解理平面或河流花样，但裂纹尖端又有塑性钝化，因之又具有条带特征。因之又具有条带特征。疲劳条带是交变应力每循环一次裂纹留下的痕迹。疲劳条带是交变应力每循环一次裂纹留下的痕迹。现在学习的是第31页，共39页5材料在不同工程环境下的力学性能材料在不同工程环境下的力学性能1 1）.了解蠕变曲线的特点了解蠕变曲线的特点在恒载荷（或恒应力）作用下，应变量随时在恒载荷（或恒应力）作用下，应变量随时间发展的关系曲线。间发展的关系曲线。分为三个阶段：分为三个阶段：减速蠕变减速蠕变（过渡蠕变）、（过渡蠕变）、恒恒速蠕变速蠕变（稳定蠕变）、（稳定蠕变）、加速蠕变加速蠕变（失稳蠕变）（失稳蠕变）应力大小及温度对蠕变曲线的影响应力大小及温度对蠕变曲线的影响当减小应力或降低温度时，蠕变第当减小应力或降低温度时，蠕变第阶段延长，甚至不出现第阶段延长，甚至不出现第阶段；当增加应力或提高温度时，蠕变第阶段；当增加应力或提高温度时，蠕变第阶段缩短，甚至阶段缩短，甚至消失，试样经减速蠕变阶段后很快进入加速蠕变阶段而断消失，试样经减速蠕变阶段后很快进入加速蠕变阶段而断裂。裂。现在学习的是第32页，共39页2 2）.掌握高温蠕变性能的表征掌握高温蠕变性能的表征蠕变极限：表征材料抵抗蠕变变形的抗力蠕变极限：表征材料抵抗蠕变变形的抗力在给定温度下，使试样在蠕变第在给定温度下，使试样在蠕变第阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力；阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力；在给定温度和时间条件下，使试样产生规定蠕变应变的最大应力，在给定温度和时间条件下，使试样产生规定蠕变应变的最大应力，TTt持久强度：高温长期载荷下抵抗断裂的能力在给定温度及规定时间内，不发生蠕变断裂的最大应力；持久塑性：衡量材料蠕变脆性的指标用持久实验试样断裂以后的延伸率和断面收缩率；Tt松弛稳定性：材料抵抗应力松弛的能力材料在恒变形条件下随时间延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛现在学习的是第33页，共39页3 3）.了解蠕变变形机制和蠕变断裂机制了解蠕变变形机制和蠕变断裂机制材料蠕变变形机理主要有材料蠕变变形机理主要有位错滑移位错滑移、原子扩散原子扩散、晶界滑动晶界滑动。沿晶蠕变断裂沿晶蠕变断裂 穿晶蠕变断裂穿晶蠕变断裂 延缩性断裂延缩性断裂现在学习的是第34页，共39页4 4）.掌握三种典型材料蠕变性能的比较掌握三种典型材料蠕变性能的比较金属材料（蠕变抗力中）金属材料（蠕变抗力中）选择熔点高、自扩散激活能大、层错能低的元素及合金；选择熔点高、自扩散激活能大、层错能低的元素及合金；添加起固溶强化、特别是第二相弥散强化的合金元素；添加起固溶强化、特别是第二相弥散强化的合金元素；添加能增加晶界激活能的元素（硼、稀土）；添加能增加晶界激活能的元素（硼、稀土）；陶瓷材料（蠕变抗力高）陶瓷材料（蠕变抗力高）共价键：键合具有明显的方向性，高共价键：键合具有明显的方向性，高P-N力；力；离子键：滑移的静电几何条件限制；离子键：滑移的静电几何条件限制；高分子材料（蠕变抗力低）高分子材料（蠕变抗力低）分子键为主，蠕变抗力很低。分子键为主，蠕变抗力很低。现在学习的是第35页，共39页5 5）.掌握加载速率对金属力学性能（包括屈服强度、抗掌握加载速率对金属力学性能（包括屈服强度、抗拉强度、伸长率、断裂韧度等）的影响拉强度、伸长率、断裂韧度等）的影响 大量试验证明，在应变速率低于大量试验证明，在应变速率低于10102 2/s/s的范围内，材料的强度的范围内，材料的强度和塑性不会有明显变化；在当应变速率超过和塑性不会有明显变化；在当应变速率超过10102 2/s/s10103 3/s/s以后，加大应以后，加大应变速率可以提高屈服强度和抗拉强度，但对塑性（延伸率）的影响却变速率可以提高屈服强度和抗拉强度，但对塑性（延伸率）的影响却很复杂。很复杂。动态应力场强度因子的临界值为动态断裂韧度，其与加载动态应力场强度因子的临界值为动态断裂韧度，其与加载速率并非单调关系。当速率达到某值是，韧度达到最低值，随速率并非单调关系。当速率达到某值是，韧度达到最低值，随后韧度随速率增大而增大。后韧度随速率增大而增大。现在学习的是第36页，共39页6 6）.掌握应力腐蚀断裂特征掌握应力腐蚀断裂特征 SCC的发生需要具备三要素：的发生需要具备三要素：拉应力拉应力（外加、残余）（外加、残余）特定的特定的腐蚀介质腐蚀介质（轻微）（轻微）相应的相应的金属材料金属材料现在学习的是第37页，共39页7 7）.掌握应力腐蚀断裂应力场强度因子掌握应力腐蚀断裂应力场强度因子K KISCCISCC 根据断裂力学原理，对无腐蚀环境的裂纹体，当根据断裂力学原理，对无腐蚀环境的裂纹体，当K KC时，裂纹不会扩展，时，裂纹不会扩展，而而 K取决于裂纹长度取决于裂纹长度 a 即工作应力即工作应力，即，即aYK 在给定工作应力下，若原始裂纹尺寸在给定工作应力下，若原始裂纹尺寸a0小于临界裂小于临界裂纹尺寸纹尺寸 ac 试样不会扩展和断裂。但在腐蚀环境下，由试样不会扩展和断裂。但在腐蚀环境下，由于应力腐蚀的作用，原始裂纹会随时间延续而缓慢长于应力腐蚀的作用，原始裂纹会随时间延续而缓慢长大，致使裂纹尖端升高，经过大，致使裂纹尖端升高，经过 tf 时间，裂纹尺寸达时间，裂纹尺寸达到到ac，即，即K KC，则发生脆性断裂（，则发生脆性断裂（SCC）。）。随给定工作应力下降（即随给定工作应力下降（即K下降），断裂时间下降），断裂时间 tf 延长（见图）。当延长（见图）。当 小于小于SCC（K KSCC），则），则tf 无限长，即不发生无限长，即不发生SCC。一般，。一般，KSCC(0.20.5)KC，并且随材，并且随材料强度级别提高，料强度级别提高，KSCC/KC 比值下降。比值下降。现在学习的是第38页，共39页感谢大家观看感谢大家观看现在学习的是第39页，共39页