材料力学性能复习精选PPT.ppt

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1、关于材料力学性能关于材料力学性能复习复习第1页，讲稿共39张，创作于星期二2 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。第2页，讲稿共39张，创作于星期二3 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。第3页，讲稿共39张，创作于星期二4 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

2、缺口顶端区产生两向应力状态（对薄板）或三向应力状态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）；（对厚板）；缺口强化。缺口强化。第4页，讲稿共39张，创作于星期二5 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。一般指材料表面上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。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。第5页，讲稿共39张，创作于星期二6 6）.熟悉几种常用

3、的硬度的测试方法（布、洛、维氏硬熟悉几种常用的硬度的测试方法（布、洛、维氏硬度）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,计算出布氏硬度值计算出布氏硬度值，单位为，单位为kgf/mm2。公公式式表表明明，当当压压力力和和压压头头直直径径一一定定时时，压压痕痕直直径径越越大大，布布氏氏硬硬度度值值越越低低，即变形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。即变形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。布布氏氏硬硬度度的的特特点点和和适适用用范范围围：压压痕痕面面积积大大，能能反反映映出出较较大大范范围围内内材材料料各各组组成成相相的的综综合合平平均均性性能能，

4、不不受受个个别别相相和和微微区区不不均均匀匀性性的的影影响响。布布氏氏硬硬度度分分散散性性小小，重重复复性性好好适适合合于于测测定定粗粗大大晶晶粒粒或或粗粗大大组组成成相相的的材材料料的的硬硬度度，象象灰灰铸铸铁铁和和轴轴承承合合金等。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。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。淬淬火火钢钢球球作作压压头头（HBS），测测定定HB450的的材材料料的的硬硬度度；硬硬质质合合金金球球作作压压头头（HBW），测定的硬度可达），测定的硬度可达650HB压压痕痕的的形形状状必必须须几几何何相相似似，压压入入角角应

5、应相相等等。布布氏氏硬硬度度相相同同时时，要要保保证证压压入入角角相相等，等，则则P/D2应为应为常数。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。第6页，讲稿共39张，创作于星期二 洛洛氏氏硬硬度度试试验验方方法法 洛洛氏氏硬硬度度是是直直接接测测量量压压痕痕深深度度，压压痕痕愈愈浅浅表示材料愈硬表示材料愈硬 常常用用的的压压头头：顶顶角角为为120的的金金刚刚石石圆圆锥锥体体，直直径径为为1.588mm(116英寸英寸)的钢球压头的钢球压头 多种多种标标尺：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，根基本

6、上与布氏硬度的相同，根据据单单位位压压痕表面痕表面积积上所承受的上所承受的压压力来定力来定义义硬度硬度值值。测测定定维维氏硬度所用的氏硬度所用的压头为压头为金金刚刚石制成的四方角石制成的四方角锥锥体，两相体，两相对对面面间间的的夹夹角角为为136，所加的，所加的载载荷荷较较小。小。已知已知载载荷荷P，测测得得压压痕两痕两对对角角线长线长度后取平均度后取平均值值d，计计算算维维氏氏硬度硬度值值，单单位位为为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。第7页，讲稿共39张，创作于星期二7 7）.熟悉夏比缺口冲击试验的测试方法、物理意义

7、以及工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程意义大大能能量量一一次次冲冲击击弯弯曲曲试试验验：质质量量m的的摆摆锤锤，举举至至高高度度H，势势能能mgH1；锤锤释释放放，将将试试件件冲冲断断。摆摆锤锤失失去去一一部部分分能能量量，这这部部分分能能量量就就是是冲冲断断试试件件所所作作的的功功，称称为为冲冲击击功功，以以Ak表表示示。剩剩余的能量使摆锤扬起高度余的能量使摆锤扬起高度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。冲冲击击试试验验的的应应用用：评评定定材材料料在在不不同同温温度度下下的

8、的脆脆性性转转化化趋趋势势（采用系列冲击试验）。（采用系列冲击试验）。第8页，讲稿共39张，创作于星期二韧性：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

9、。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第9页，讲稿共39张，创作于星期二2 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

10、表称做材料的刚度，它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力。示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第10页，讲稿共39张，创作于星期二3 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 单单晶晶体体材材料料：各各向向异异性性，最最密密晶晶向向上上E较较大大，反反之之则则小小。多多晶晶体体材材料料：各各晶晶粒粒的的统统计计平平均均值值，表表现现为为各各向向同同性性，但但称称为为伪伪各各向向同同性性

11、。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：各向同性。非晶态材料：各向同性。微微观观组组织织 对对金金属属材材料料来来说说E是是一一个个组组织织不不敏敏感感的的力力学学性性能能指指标标，而而对对高分子和陶瓷高分子和陶瓷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，影响不大，对对高分子高分子E有影响。有影响。第11页，讲稿共39张，创作于星期二4 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

12、性：材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附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。加弹性应变的性能。伪伪弹弹性性 定定义义：在在一一定定温温度度条条件件下下，当当应应力力达达到到一一定定水水平平后后，金金属属或或合合金金将将由由应应力力诱诱发发马马氏氏体体相相变变，伴伴随随应应力力诱诱发发相相变变产产生生大大幅幅度度弹弹性性变变形形的的现现象。象。伪弹伪弹性性变变形量形量60%左右。工程左右。工程应应用：形状用：形状记忆记忆合金合金 内耗：内耗：存在滞后存在滞后环环（加（加载载和卸和卸载时载时的的应应力力应变应变曲曲线线不重合）不重合）说说明明加加载时载时吸收的

13、吸收的变变形功大于卸形功大于卸载时释载时释放的放的变变形功，因而有一部分形功，因而有一部分变变形形功被材料所吸收，称功被材料所吸收，称为为内耗，其内耗，其值值用滞后用滞后环环面面积积度量。度量。优优点：滞后点：滞后环环面面积积，它可以减少振，它可以减少振动动，使振，使振动动幅度很快衰减下来。缺点：精密幅度很快衰减下来。缺点：精密仪仪器不希望有滞后器不希望有滞后现现象。象。第12页，讲稿共39张，创作于星期二5 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动一些材料在受载荷时，会表现出类似于液体的黏性

14、流动和弹性变形的混合特征，一般称为黏弹性变形。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，变化，力学松驰现象：力学松驰现象：蠕蠕变变：在在一一定定温温度度和和较较小小的的恒恒定定外外力力作作用用下下，材材料料的的变变形形随随时时间间的的增加而逐渐增大的现象。增加而逐渐增大的现象。应应力力松松弛弛：在在恒恒定定温温度度和和变变形形保保持持不不变变的的情情况况下下，材材料料

15、内内部部的的应应力力随时间增加而逐渐衰减的现象。随时间增加而逐渐衰减的现象。力力学学损损耗耗（动动态态黏黏弹弹性性）：在在交交变变应应力力下下，由由于于应应变变滞滞后后于于应力，会发生内耗，高聚物中滞后现象更为严重。应力，会发生内耗，高聚物中滞后现象更为严重。第13页，讲稿共39张，创作于星期二6 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界值临界分切应力：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。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

16、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；排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作塑变机制：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。用下无取向分子链局

17、部转变为排列的纤维束。第14页，讲稿共39张，创作于星期二7 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 屈屈服服的的显显著著特特点点是是拉拉伸伸曲曲线线上上有有显显著著的的载载荷荷降降落落,并并在在某某一一接接近近恒恒定定的的载荷值附近起伏。载荷值附近起伏。屈屈服服变变形形是是位位错错增增殖殖和和运运动动的的结结果果，凡凡影影响响位位错错运运动动的的内内外外因因都都影影响响屈屈服强度。服强度。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 应变应变速率速率 应应力状力状态态 解释屈服的理论：解释屈服的理论：Crttre

18、ll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。第15页，讲稿共39张，创作于星期二8 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应力（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化冷作硬化。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，使位密度增加，使位错之间交互作用增加，从而导致屈服强度增加。错

19、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，应变硬化指数，表征材料抵抗继续塑性变形的能力。表征材料抵抗继续塑性变形的能力。（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）应应变变硬硬化化和和塑塑性性的的适适当当配配合合可可使使金金属属进进行行均均匀匀塑塑性性变变形形，保保证证冷冷变变形形工工艺顺利实施艺顺利实施。（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。第16页，讲稿共39张，创作于星期二3 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

20、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 解解理理和和晶晶间间断断裂裂有有时时也也有有塑塑性性变变形形，所所以以解解理理和和沿沿晶晶断断裂裂未未必必是是脆脆性性断断裂（判断）。裂（判断）。从力学上分，断裂分从力学上分

21、，断裂分为为正断、切断、混合断口正断、切断、混合断口；从工程上来；从工程上来说说，分，分为为脆脆断和断和韧韧断。但是正断不一定是脆断，也有明断。但是正断不一定是脆断，也有明显显的塑性的塑性变变形。切断是形。切断是韧韧断，断，但是反之却不一定成立。（判断）但是反之却不一定成立。（判断）第17页，讲稿共39张，创作于星期二2 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、

22、放射区和剪切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。唇，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，最后相互连接经形核、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。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

23、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。第18页，讲稿共39张，创作于星期二4 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理论断裂强度：理论断裂强度：近似：近似：Griffith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）。较好的金属材料）。存在材料缺陷和加工缺陷，发展成

24、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：第19页，讲稿共39张，创作于星期二5 5）.掌握断裂过程及机制掌握断裂过程及机制 断断裂裂一一般般包包括括裂裂纹纹萌萌生生和和裂裂纹纹扩扩展展两两个个基基本本过过程程。裂裂纹纹扩扩展展又可能分为稳态扩展和失稳扩展。又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、成的沿特定晶体学平面（即解理面）快速分离的过程。（

25、玻璃、陶瓷等极脆材料）陶瓷等极脆材料）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。当提高应力水平时，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。当这个扩展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。的裂纹达到临界尺寸时，构件总体破坏就发生了。第20页，讲稿共39张，创作于星期二6 6）.韧脆转化现象及

26、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，该能量称为台，该能量称为“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转变温度，称为无塑性或零塑性转变温度，(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“高阶高阶能能”。以高阶能对应的温度为。以高阶能对应的

27、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的纤维状的纤维状断口。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，温度下降，纤维纤维区面区面积积突然减少，突然减少，结结晶区面晶区面积积突然增大，材料由突然增大，材料由韧变韧变脆通脆通常取常取结结晶区面晶区面积积占整个断口面占整个断口面积积50时时的温度的温度为为tk，并，并记为记为50FATT或或 FATT50、t50。当温度低于某一温

28、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。第21页，讲稿共39张，创作于星期二7 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（实际强度远低于）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）理论强度）（2）陶瓷的压缩强度与抗拉强度之比高于

29、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，材料的强度就下降。增大，材料的强度就下降。在压缩时，由于裂纹类缺陷可以闭合，对抗压强度影响较小。因此陶瓷材料的抗压强在压缩时，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

30、过金属。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，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，因此陶瓷材料中裂纹或类裂纹缺陷比金属既多且大）因此陶瓷材料中裂纹或类裂纹缺陷比金属既多且大）第22页，讲稿共39张，创作于星期二8 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

31、意义的基本概念、物理意义当当应应力力和和裂裂纹纹尺尺寸寸a单单独独或或同同时时增增大大时时，KI和和裂裂纹纹尖尖端端的的各各应应力力分分量量也也随随之之增增大大。当当应应力力或或裂裂纹纹尺尺寸寸a增增大大到到临临界界值值时时，也也就就是是在在裂裂纹纹尖尖端端足足够够大大的的范范围围内内，应应力力达达到到材材料料的的断断裂裂韧韧性性，裂裂纹纹便便失失稳稳扩扩展展而而导导致致材材料料的的断断裂裂，这这时时KI也也达达到到了了一一个个临临界界值值，这这个个临临界界KI记记为为KIC或或KC,称称为为断断裂裂韧韧性性(概概念念)，单单位位为为Mpam1/2或或KNm-3/2，物物理理意意义义，其其是是

32、一一个个表表示示材材料料抵抵抗抗断断裂裂的的能能力力。(KC为为平平面面应应力力断断裂韧度裂韧度,KIC为平面应变断裂韧度为平面应变断裂韧度.同一种材料同一种材料KCKICKIC：表示材料抵抗断裂的能力，材料在平面：表示材料抵抗断裂的能力，材料在平面应变应变状状态态下抵下抵抗裂抗裂纹纹失失稳扩稳扩展的能力。展的能力。第23页，讲稿共39张，创作于星期二 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，两者物理意义的临界值，两者物理意义不同。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

33、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学性能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、热处理及加工工艺有关，而与指标，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。裂纹本身大小，形状以及外应力大小无关。第24页，讲稿共39张，创作于星期二1111）.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 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

34、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第25页，讲稿共39张，创作于星期二4 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；整体破坏的过程，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、瞬时断裂断口具有明显特征：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区；区；宏观上看，属潜在突发性破坏，脆性，易引起事故造成经济宏观上看，属潜在突发性破坏，脆

35、性，易引起事故造成经济损失；损失；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。第26页，讲稿共39张，创作于星期二2 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: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

36、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第27页，讲稿共39张，创作于星期二3 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

37、展产生相应微小变化所导致的。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。第28页，讲稿共39张，创作于星期二4 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限次应疲劳极限：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。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。的循环周次。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

38、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离。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。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（无限寿，它表征了带裂纹体不疲劳断裂（无限寿命）的性能。命）的性能。第29页，讲稿

39、共39张，创作于星期二5 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，形成带状或胞状位错密度增加，趋于饱和后，形成带状或胞状结构。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（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（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

40、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个个晶粒）。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切唇为止。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）。第30页，讲稿共39张，创作于星期二6 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

41、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带两类。脆性条带两类。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，因此断口上有脆性条带：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，因之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。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

42、留下的痕迹。第31页，讲稿共39张，创作于星期二5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，应变量随时间在恒载荷（或恒应力）作用下，应变量随时间发展的关系曲线。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

43、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，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裂。而断裂。第32页，讲稿共39张，创作于星期二2 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

44、，持久强度：高温长期载荷下抵抗断裂的能力持久强度：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；在给定温度及规定时间内，不发生蠕变断裂的最大应力；持久塑性持久塑性：衡量材料蠕变脆性的指标：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；用持久实验试样断裂以后的延伸率和断面收缩率；松弛稳定性：松弛稳定性：材料抵抗应力松弛的能力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第33页，讲稿共39张，创作于星期二3 3）.了解蠕变变形机制和蠕变断裂机

45、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第34页，讲稿共39张，创作于星期二4 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

46、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。第35页，讲稿共39张，创作于星期二5 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

47、围内，材料的强的范围内，材料的强度和塑性不会有明显变化；在当应变速率超过度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，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）的影响却很复杂。响却很复杂。动态应力场强度因子的临界值为动态断裂韧度，其与加载速率并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，随后韧度随速率非单调关系。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。增大而增大。第36页，讲稿共39张，创作

48、于星期二6 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第37页，讲稿共39张，创作于星期二7 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 在给定工作应力下，若原始裂纹尺寸在给定工作应力下

49、，若原始裂纹尺寸a0小于小于临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸 ac 试样不会扩展和断裂。但在腐蚀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大，致使裂纹尖端升高，经时间延续而缓慢长大，致使裂纹尖端升高，经过过 tf 时间，裂纹尺寸达到时间，裂纹尺寸达到ac，即，即K KC，则发，则发生脆性断裂（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，并且随材料强，并且随材料强度级别提高，度级别提高，KSCC/KC 比值下降。比值下降。第38页，讲稿共39张，创作于星期二感感谢谢大大家家观观看看第39页，讲稿共39张，创作于星期二