第三章 材料的力学性能PPT讲稿.ppt
第三章 材料的力学性能第1页，共60页，编辑于2022年，星期二内内 容容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力学实验力学实验加工硬化原理加工硬化原理 蠕变蠕变 疲劳疲劳 磨损磨损聚合物及陶瓷材料的力学性能聚合物及陶瓷材料的力学性能第2页，共60页，编辑于2022年，星期二金属在单向静拉伸载荷下的力学性能n力-伸长曲线和应力应变曲线Op直线关系与pe偏离直线关系，即弹性形变阶段（可逆形变）；F到达FA至Fc点时，产生不均匀塑性变形（不可逆的永久变形）；CB均匀塑性变形；Bk再次不均匀塑性变形；K点发生断裂纵横坐标分别除以原始截面积A0和原始标距长度L，即可得应力应变曲线COc第3页，共60页，编辑于2022年，星期二真实应力应变曲线真实应力应变曲线与工程应力应变曲线不同，为什么？第4页，共60页，编辑于2022年，星期二真实应力应变曲线与应力应变曲线的区别 应力-应变曲线中的应力和应变是以试样的初始尺寸进行计算的，事实上，在拉伸过程中试样的尺寸是在不断变化的，此时的真实应力S应该是瞬时载荷（P）除以试样的瞬时截面积（A），即：S=P/A；同样，真实应变e应该是瞬时伸长量除以瞬时长度de=dL/L。真应力-真应变曲线，它不像应力-应变曲线那样在载荷达到最大值后转而下降，而是继续上升直至断裂，这说明金属在塑性变形过程中不断地发生加工硬化，从而外加应力必须不断增高，才能使变形继续进行，即使在出现缩颈之后，缩颈处的真实应力仍在升高，这就排除了应力-应变曲线中应力下降的假象。第5页，共60页，编辑于2022年，星期二弹性变形弹性变形及其实质弹性变形及其实质n材料在受到外力作用时产生变形或者尺寸的变化，而且能够恢复的变形叫做弹性变形。n弹性变形的重要特征是其可逆性，即受力作用后产生变形，卸除载荷后,变形消失。n金属的弹性性质是金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现。第6页，共60页，编辑于2022年，星期二弹性变形弹性变形及其实质弹性变形及其实质构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。双原子模型双原子模型和A A和和r r0 0为与原子本性或晶体、晶为与原子本性或晶体、晶格类型有关的常数格类型有关的常数 第7页，共60页，编辑于2022年，星期二弹性变形弹性模量弹性模量n 弹性模量，又称杨氏模量，弹性模数是产生弹性模数是产生100%弹性变形所弹性变形所需的应力。需的应力。n拉伸时拉伸时=E，剪切时，剪切时=G，E和和G分别为拉伸时的杨氏模数和切变分别为拉伸时的杨氏模数和切变模数。模数。n可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。n材料的抗弹性变形的一个量，材料刚度的一个指标。它只与材料的化学成分有关，与其组织变化无关，与热处理状态无关。各种钢的弹性模量差别很小，金属合金化对其弹性模量影响也很小。第8页，共60页，编辑于2022年，星期二影响弹性模数的因素键合方式键合方式晶体结构晶体结构化学成分化学成分微观组织微观组织温度温度加载条件和负荷持续时间加载条件和负荷持续时间总之，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性总之，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，外在因素的变化对它的影响也比较小，主要取决能指标，外在因素的变化对它的影响也比较小，主要取决于材料的本性与晶格类型于材料的本性与晶格类型 第9页，共60页，编辑于2022年，星期二弹性变形比例极限与弹性极限比例极限与弹性极限第10页，共60页，编辑于2022年，星期二弹性变形比例极限与弹性极限比例极限与弹性极限第11页，共60页，编辑于2022年，星期二对于要求服役时其应力应变关系对于要求服役时其应力应变关系严格遵守线性关系严格遵守线性关系的机件，的机件，如测力计弹簧，是依靠弹性变形的应力正比于应变的关系如测力计弹簧，是依靠弹性变形的应力正比于应变的关系显示载荷大小的，则应以显示载荷大小的，则应以比例极限比例极限作为选择材料的依据；对作为选择材料的依据；对于服役条件于服役条件不允许产生微量塑性变形不允许产生微量塑性变形的机件，设计时应按的机件，设计时应按弹性弹性极限极限来选择材料。来选择材料。p、e的工程意义第12页，共60页，编辑于2022年，星期二弹性变形弹性比功弹性比功思考：人们日常所说的材料弹性的好坏指的是什么？思考：人们日常所说的材料弹性的好坏指的是什么？第13页，共60页，编辑于2022年，星期二（1）提高）提高e提高材料弹性比功的途径（2）降低）降低E举例举例（高弹性比功材料）（高弹性比功材料）弹簧（金属材料）弹簧（金属材料）减振、储能减振、储能橡胶（高分子材料）橡胶（高分子材料）不能做受力结构件不能做受力结构件第14页，共60页，编辑于2022年，星期二Oc第15页，共60页，编辑于2022年，星期二塑性变形塑性变形方式及特点塑性变形方式及特点金属材料常见的塑性变形机理为金属材料常见的塑性变形机理为晶体的滑移晶体的滑移和和孪生孪生两种。两种。塑性变形塑性变形：材料的塑性变形上微观结构的相邻部分产生永：材料的塑性变形上微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。久性位移，并不引起材料破裂的现象。金属材料的塑性变形机理金属材料的塑性变形机理第16页，共60页，编辑于2022年，星期二塑性变形塑性变形-滑移滑移定义：滑移面：原子最密排面；滑移向：原子最密排方向。滑移系：滑移面和滑移向的组合。滑移系越多，材料的塑性越好。晶体结构的影响较大：fccbcchcp滑移的临界分切应力 =(P/A)coscos 外应力与滑移面法线的夹角；外应力与滑移向的夹角；=coscos 称为取向因子。第17页，共60页，编辑于2022年，星期二塑性变形塑性变形-滑移模型滑移滑移是金属晶体在是金属晶体在切应力切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变过作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。程。第18页，共60页，编辑于2022年，星期二塑性变形塑性变形-孪生模型孪生本身提供的变形量很小孪生本身提供的变形量很小,但可以但可以调整滑移面的方向调整滑移面的方向,使新的滑移使新的滑移系开动系开动,因而可以对塑性变形产生影响。因而可以对塑性变形产生影响。第19页，共60页，编辑于2022年，星期二单晶金属第20页，共60页，编辑于2022年，星期二塑性变形的特点 （1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性 各晶粒的取向不同 即 coscos不同。对于具体材料，还存在 相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。（2）变形的相互协调性 多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。第21页，共60页，编辑于2022年，星期二屈服现象第22页，共60页，编辑于2022年，星期二屈服机理第23页，共60页，编辑于2022年，星期二第24页，共60页，编辑于2022年，星期二第25页，共60页，编辑于2022年，星期二影响金属材料屈服强度的因素（1 1）晶体结构：金属材料的屈服过程主要是位错的运动。）晶体结构：金属材料的屈服过程主要是位错的运动。（2 2）晶界与亚结构：晶界是位错运动的重要障碍，晶界越多，对材料屈服）晶界与亚结构：晶界是位错运动的重要障碍，晶界越多，对材料屈服强度的提高贡献越大。强度的提高贡献越大。（晶粒细化）（晶粒细化）（3 3）溶质元素：晶格畸变应力场与位错应力场产生交互作用；溶质）溶质元素：晶格畸变应力场与位错应力场产生交互作用；溶质与溶剂之间的电学交互作用；化学交互作用；有序作用等都使位错与溶剂之间的电学交互作用；化学交互作用；有序作用等都使位错运动受阻，从而提高屈服强度，产生固溶增强化。运动受阻，从而提高屈服强度，产生固溶增强化。第26页，共60页，编辑于2022年，星期二影响金属材料屈服强度的因素（4 4）第二相：其强化效果与质点的性质有关）第二相：其强化效果与质点的性质有关。（5 5）温度：一般情况下，温度升高金属材料的屈服强度下降。）温度：一般情况下，温度升高金属材料的屈服强度下降。但是，晶体结构不同，其变化形式各异。但是，晶体结构不同，其变化形式各异。（6 6）应变速率与应力状态：应变速率对金属材料的屈服强度有）应变速率与应力状态：应变速率对金属材料的屈服强度有明显的影响。应变速率高，金属材料的屈服应力显著提高；应力明显的影响。应变速率高，金属材料的屈服应力显著提高；应力状态对金属材料屈服强度的影响规律是：切应力分量越大，越有状态对金属材料屈服强度的影响规律是：切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度就越低。利于塑性变形，屈服强度就越低。第27页，共60页，编辑于2022年，星期二应变硬化第28页，共60页，编辑于2022年，星期二应变硬化第29页，共60页，编辑于2022年，星期二应变硬化第30页，共60页，编辑于2022年，星期二应变硬化第31页，共60页，编辑于2022年，星期二第32页，共60页，编辑于2022年，星期二抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度：拉伸实验时，试样拉断过程中最大实验力所对应的应力。：拉伸实验时，试样拉断过程中最大实验力所对应的应力。其值等于最大拉力其值等于最大拉力FbFb除以试样的原始横截面面积除以试样的原始横截面面积A A0 0，抗拉强度用，抗拉强度用b b表示，即表示，即 b b=F=Fb b/A/A0 0 抗拉强度是材料在承受拉伸载荷时的实际承载能力。抗拉强度是材料在承受拉伸载荷时的实际承载能力。高分子高分子材料材料和和陶瓷材料陶瓷材料的抗拉强度是的抗拉强度是产品设计的重要依据。产品设计的重要依据。第33页，共60页，编辑于2022年，星期二塑性与塑性指标塑性与塑性指标（1）定义：塑性是指材料断裂前产生塑性变形的能力。）定义：塑性是指材料断裂前产生塑性变形的能力。（2）材料塑性的评价：在工程上一般以光滑圆柱试样的）材料塑性的评价：在工程上一般以光滑圆柱试样的拉伸伸长率拉伸伸长率和和断面收缩率断面收缩率作为塑性性能指标。常用的塑性性能指标有三种：作为塑性性能指标。常用的塑性性能指标有三种：第34页，共60页，编辑于2022年，星期二定义：固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂。定义：固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂。材料的断裂材料的断裂是力对材料作用的最终结果，它意味着材料的彻底是力对材料作用的最终结果，它意味着材料的彻底失效，因材料断裂而导致的机件失效与其他失效方式（如磨损、失效，因材料断裂而导致的机件失效与其他失效方式（如磨损、腐蚀等）相比危害性更大，并且可能出现灾难性的后果。因此，腐蚀等）相比危害性更大，并且可能出现灾难性的后果。因此，研究材料断裂的宏观与微观特征、断裂机理、断裂力学条件，以研究材料断裂的宏观与微观特征、断裂机理、断裂力学条件，以及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而且也有及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而且也有很大的实用价值。很大的实用价值。金属的断裂金属的断裂第35页，共60页，编辑于2022年，星期二材料的断裂过程大都包括材料的断裂过程大都包括裂纹的形成裂纹的形成与与扩展扩展两个阶段。两个阶段。按断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度：按断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度：脆性断裂脆性断裂和和韧性断裂韧性断裂；按晶体材料断裂时裂纹扩展的途径：按晶体材料断裂时裂纹扩展的途径：穿晶断裂穿晶断裂和和沿晶断裂沿晶断裂；按微观断裂机理：按微观断裂机理：解理断裂解理断裂和和剪切断裂剪切断裂；按作用力的性质：按作用力的性质：正断正断和和切断。切断。1、断裂的类型、断裂的类型第36页，共60页，编辑于2022年，星期二2、断口特征、断口特征断口：材料的断裂表面称为断口。断口：材料的断裂表面称为断口。断口分析法断口分析法：用：用肉眼、放大镜肉眼、放大镜或或电子显微镜电子显微镜等手段对材料断口等手段对材料断口进行宏观及微观的观察分析，以了解材料发生断裂的进行宏观及微观的观察分析，以了解材料发生断裂的原因、条原因、条件、断裂机理件、断裂机理以及与断裂有关的各种信息，称为断口分析法。以及与断裂有关的各种信息，称为断口分析法。第37页，共60页，编辑于2022年，星期二（1）韧性断裂与脆性断裂）韧性断裂与脆性断裂韧性断裂定义韧性断裂定义：材料断裂前及断裂过程中产生明显宏：材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。观塑性变形的断裂过程。韧性断裂韧性断裂特征特征：裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑：裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能，韧性断裂的断口用肉跟或放大镜观察时往往性变形能，韧性断裂的断口用肉跟或放大镜观察时往往呈暗灰色、纤维状。呈暗灰色、纤维状。形成形成原因原因：纤维状是由于塑性变形过程中，众多微细裂纹不断扩：纤维状是由于塑性变形过程中，众多微细裂纹不断扩展和相互连接造成的，而暗灰色是纤维断口表面对光的反射能力展和相互连接造成的，而暗灰色是纤维断口表面对光的反射能力很弱所致。很弱所致。举例：一些塑性较好的金属材料及高分子材料在室温下的静拉举例：一些塑性较好的金属材料及高分子材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。伸断裂具有典型的韧性断裂特征。第38页，共60页，编辑于2022年，星期二脆性断裂定义脆性断裂定义：是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，：是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。大的危险性。脆性断裂脆性断裂特征特征：脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏观上比较齐：脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。平光亮，常呈放射状或结晶状。例如：淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂过程及例如：淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂过程及断口常具有上述特征。断口常具有上述特征。第39页，共60页，编辑于2022年，星期二第40页，共60页，编辑于2022年，星期二第41页，共60页，编辑于2022年，星期二第42页，共60页，编辑于2022年，星期二（2）穿晶断裂与沿晶断裂）穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂；而沿晶断裂则穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂；而沿晶断裂则多数为脆性断裂。多数为脆性断裂。材料物理与性能材料物理与性能第43页，共60页，编辑于2022年，星期二（3）剪切断裂与解理断裂）剪切断裂与解理断裂剪切断裂剪切断裂与与解理断裂解理断裂是两种不同的微观断裂方式，是材料断是两种不同的微观断裂方式，是材料断裂的两种重要裂的两种重要微观机理微观机理。剪切断裂：剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断剪切断裂：剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。裂。解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。材料物理与性能材料物理与性能第44页，共60页，编辑于2022年，星期二剪切断裂的另一种形式为微孔聚集剪切断裂的另一种形式为微孔聚集型断裂，微孔聚集型断裂是材料韧型断裂，微孔聚集型断裂是材料韧性断裂的普通方式，其断口在宏观性断裂的普通方式，其断口在宏观上常上常呈现暗灰色、纤维状，微观呈现暗灰色、纤维状，微观断口特征花样则是断口上分布大断口特征花样则是断口上分布大量量“韧窝韧窝”，如图如图1-261-26所示，微所示，微孔聚集断裂过程包括微孔形核、孔聚集断裂过程包括微孔形核、长大、聚合直至断裂。长大、聚合直至断裂。第45页，共60页，编辑于2022年，星期二（3）微孔聚集型断裂）微孔聚集型断裂第46页，共60页，编辑于2022年，星期二力学实验力学实验力学实验力学实验弯曲实验弯曲实验硬度实验硬度实验冲击实验冲击实验布氏硬度实验布氏硬度实验洛氏硬度实验洛氏硬度实验维氏硬度实验维氏硬度实验第47页，共60页，编辑于2022年，星期二硬度及硬度试验硬度及硬度试验n硬硬度度：金金属属材材料料抵抵抗抗局局部部变变形形，特特别别是是塑塑性性变变形形、压压痕痕或或划划痕的能力痕的能力n一、布氏硬度试验法一、布氏硬度试验法n 布布氏氏硬硬度度试试验验的的原原理理：用用一一定定直直径径D（mm）的的钢钢球球或或硬硬质质合合金金球球，以以相相应应的的试试验验力力F（N）压压入入试试件件表表面面，并并保保持持一一定定的的时时间间，然然后后卸卸除除试试验验力力，测测量量试试件件表表面面的的压压痕痕直直径径d（mm），用用试试验验力力除除以以压压痕痕球球形形表表面面积积A（mm2）所所得得的的商商作作为为布布氏氏硬硬度度值值，符符号号为为HBS（压压头头为为钢钢球球时时）或或HBW（压压头头为为硬硬质质合合金金球球时时）。第48页，共60页，编辑于2022年，星期二第49页，共60页，编辑于2022年，星期二nHBS适适用用于于测测量量低低于于布布氏氏硬硬度度值值450的的材材料料；HBW适用于适用于测量低于布氏硬度值测量低于布氏硬度值650的材料。的材料。n试试验验时时，根根据据被被测测的的材材料料不不同同，球球直直径径、试试验验力力及试验力保持时间按表及试验力保持时间按表-1选择。选择。第50页，共60页，编辑于2022年，星期二金金属属种种类类布布 氏氏 硬硬 度度 范范 围围HBS（HBW）试试样样厚厚度度/mm0.102球球的的直直径径/mm试验试验力力F/KN（k g f)试试验验力力保保持持时间时间/s黑黑色色金金属属140-450634223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)126631010.05.09.807(1000)2.452(250)12非非铁铁金金属属130634262.510.02.452(250)60第51页，共60页，编辑于2022年，星期二120HBS10100030代代 表表 用用 10mm钢钢 球球，在在1000kgf（10kN）试试验验力力作作用用下下保保持持30s，测测得得的的布布氏氏硬度值。硬度值。布布氏氏硬硬度度试试验验法法一一般般用用于于试试验验各各种种硬硬度度不不高高的的钢钢材材、铸铸铁铁、有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。由由于于布布氏氏硬硬度度试试验验的的压压痕痕较较大大，试试验验结结果果能能更更好好地地代代表表试试件的硬度。件的硬度。第52页，共60页，编辑于2022年，星期二二、洛氏硬度实验二、洛氏硬度实验n洛洛氏氏硬硬度度试试验验法法原原理理：根根据据压压痕痕的的塑塑性性变变形形深深度度来来衡衡量量硬硬度度。试试验验时时，先先加加初初始始试试验验力力 98N（10kgf），使使压压头头紧紧密密接接触触试试件件表表面面a，并并压压入入到到b处处，以以此此作作为为衡衡量量压压入入深深度度的的起起点点，再再加加主主试试验验力力使使压压头头压压入入到到c处处，然然后后去去掉掉主主试试验验力力，由由于于被被试试金金属属弹弹性性变变形形的的消消除除，压压头头向向上上回回升升到到d处处。洛洛氏氏硬硬度度计计表表盘盘上上读出即可。读出即可。第53页，共60页，编辑于2022年，星期二第54页，共60页，编辑于2022年，星期二试试验验时时，根根据据被被测测的的材材料料不不同同，压压头头的的类类型型、试试验验力力及及按按下下选选择择，对应的洛氏硬度标尺为对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种三种符号符号压头类压头类型型载载荷荷/k g f硬度有效硬度有效范范围围使用范使用范围围HRA金金刚刚石石圆锥圆锥体体6070 08585适用于适用于测测量硬量硬质质合金、合金、钢钢表、淬火表、淬火层层或渗碳或渗碳层层HRB直径直径为为1.588mm钢钢球球10025100100（相当（相当6060230HB230HB）适用于适用于测测量非量非铁铁金属退金属退火、火等火、火等HRC金金刚刚石石圆锥圆锥体体150206767(相当相当HB230HB230700)700)适用于适用于调质钢调质钢、淬火、淬火钢钢等等表表-2第55页，共60页，编辑于2022年，星期二 韧性和冲击试验韧性和冲击试验n冲击力：零件受到突然作用的外力冲击力：零件受到突然作用的外力n韧韧性性：金金属属在在冲冲击击力力作作用用下下，断断裂裂前前吸吸收收变变形形能能量量的能力。韧性愈好，代表金属的抗冲击能力愈强。的能力。韧性愈好，代表金属的抗冲击能力愈强。n一、摆锤式一次冲击试验一、摆锤式一次冲击试验n按按GB22984的的规规定定，将将被被试试金金属属制制成成标标准准的的冲冲击击试样。试样。第56页，共60页，编辑于2022年，星期二n摆摆锤锤式式一一次次冲冲击击试试验验原原理理：试试验验在在专专门门的的摆摆锤锤式式冲冲击击试试验验机机上上进进行行，把把试试样样放放在在试试验验机机的的支支承承面面上上，试试样样的的缺缺口口背背向向摆摆锤锤冲冲击击方方向向。将将质质量量为为m的的摆摆锤锤安安放放到到规规定定的的高高度度H，然然后后下下落落，将将试试样样打打断断，并并摆摆过过支支点点升升到到某某一一高高度度h，试试样样在在冲冲击击试试验验力力一一次次作作用用下下，折折断断时时所所吸吸收收的的功功为为冲冲击击吸吸收收功为功为Ak第57页，共60页，编辑于2022年，星期二第58页，共60页，编辑于2022年，星期二实实际际上上，冲冲击击吸吸收收功功AKAK数数值值可可由由试试验验机机读读出出，而无需计算而无需计算冲冲击击韧韧度度：将将冲冲击击吸吸收收功功AKAK值值除除以以试试样样缺缺口口底底部部的横载而积的横载而积 A0 A0（cm2cm2）得到的值）得到的值ak=AK/A0 ak=AK/A0 冲击韧度作为衡量材料冲击韧度作为衡量材料刚性刚性的依据的依据第59页，共60页，编辑于2022年，星期二蠕变金属的蠕变现象金属的蠕变现象第60页，共60页，编辑于2022年，星期二
