材料力学性能.pptx

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1、S4-5 沿晶断裂第四章 材料断裂行为裂纹在晶界上形成并沿晶界扩展第1页/共45页 在多晶体变形中，晶界起协调相邻晶粒变形的作用。但当晶界受到损伤，其变形能力被削弱，不足以协调相邻晶粒的变形时，便形成晶界开裂。裂纹扩展总是沿阻力最小的路径发展，遂表现为沿晶断裂。第2页/共45页沿晶断裂：沿晶断裂：沿晶脆性断口形貌沿晶脆性断口形貌第3页/共45页钼的沿晶断口第4页/共45页ZrO2陶瓷沿晶断口第5页/共45页沿晶断裂：沿晶断裂：沿晶韧窝断口形貌沿晶韧窝断口形貌第6页/共45页晶界上存在气孔、微裂纹等缺陷晶界上存在有脆性夹杂物晶界连续网状第二相 杂质和合金元素在晶界偏析，致使晶界弱化热应力作用 环

2、境因素：晶间腐蚀、高温蠕变晶界无析出区：沿晶微孔集聚断裂沿晶断裂原因：沿晶断裂原因：第7页/共45页如钢中晶界上存在P、S、As、Sb、Sn等元素。有害元素沿晶界富集，降低了晶界处表面能，使脆性转变温度向高温推移，明显提高了材料对温度和加载速率的敏感性，在低温或动载条件下发生沿晶脆断。弱化晶界的夹杂物：弱化晶界的夹杂物：第8页/共45页弱化晶界的夹杂物：弱化晶界的夹杂物：第9页/共45页晶界上球状硫化锰铁夹杂物导致脆性沿晶断口 第10页/共45页沿晶断裂机制：沿晶断裂机制：晶界脆性相变形不协调开裂晶界脆性相变形不协调开裂第11页/共45页沿晶断裂机制：沿晶断裂机制：晶界位错塞积导致弱化晶界开裂

3、晶界位错塞积导致弱化晶界开裂第12页/共45页失效失效准则准则 Galileo 1638 Galileo 1638年提出提出提出提出 原因是砖石(以后的铸铁)强度的需求最大拉应力 1是引起材料断裂的原因的强度极限 b，就发生断裂破坏 1 1、最大拉应力（第一强度）理论 (Maximum Tensile-Stress Criterion)具体说：无论材料处于什么应力状态，只要微元内的最大拉应力 1 达到了单向拉伸S4-6 断裂宏观强度理论第13页/共45页推导n强度条件评价当主应力中有压应力时，只要 误差较大三向压应力不适用失效方程（或极限条件）1=b 此时断裂二向时：当 1 2 0 该理论与实

4、验基本一致三向时：当 1 2 3 0 同上当主应力中有压应力时，只要 同上 此时不断裂第14页/共45页2 2、最大正应变理论、最大正应变理论 具体说：无论材料处于什么应力状态 只要构件内有一点处的最大正应变达到了单向拉伸的应变极限，就发生断裂破坏 16821682年，MarioteMariote提出最大伸长线应变 1 是引起材料断裂的原因失效失效准则准则第15页/共45页推导或强度条件失效方程（或极限条件）即 第16页/共45页评价 主应力有压应力时，当 ，理论接近实验但不完全符合 其他情况下，不如第一强度理论注意：1.eq 为相当应力 equivalent stress 2.适用条件：直至

5、断裂，一直服从虎克定律结论 除了 1，还有 2，3 的参与，似乎有理，但是实验通不过好看未必正确第17页/共45页 (1)不论是脆性或塑性材料，在三轴拉伸应力状态下，均会发生脆性断裂，宜采用最大拉应力理论（第一强度理论）。(2)脆性材料：在二轴拉伸应力状态下，应采用最大拉应力理论；在复杂应力状态的最大、最小拉应力分别为拉、压时，由于材料的许用拉、压应力不等，宜采用摩尔强度理论。(3)塑性材料（除三轴拉伸外），宜采用形状改变比能理论（第四强度理论）和最大剪应力理论（第三强度理论）。(4)三轴压缩状态下，无论是塑性和脆性材料，均采用形状改变比能理论。各种强度理论的适用范围第18页/共45页3.3.

6、联合强度理论：联合强度理论：力学状态图力学状态图第19页/共45页联合强度理论：联合强度理论：不同材料的力学状态图不同材料的力学状态图第20页/共45页S5-1 概述第五章 材料的脆性与脆化因素n脆性：n宏观脆性：n本质脆性：n脆化：n脆化因素：S5-2 缺口脆性第21页/共45页缺口效应：缺口效应：应力集中应力集中第22页/共45页缺口效应：缺口效应：多向应力状态多向应力状态第23页/共45页缺口效应：缺口效应：局部塑性变形导致应力松弛局部塑性变形导致应力松弛第24页/共45页缺口拉伸试验：缺口拉伸试验：第25页/共45页缺口拉伸试验：缺口拉伸试验：第26页/共45页材材料料的的力力学学性性

7、能能拉伸拉伸弯曲弯曲压缩压缩扭转扭转硬度硬度冲击冲击磨损磨损疲劳疲劳高温力学性能高温力学性能静载荷动载荷高温S5-3 冲击脆性第27页/共45页1 1、冲击脆化效应、冲击脆化效应 尽管机件在尽管机件在冲击载荷作用下的冲击载荷作用下的失效类型失效类型和静载荷和静载荷一样一样，仍表现为，仍表现为过量弹性变形、过量塑性变形和断裂过量弹性变形、过量塑性变形和断裂，但在分析冲击载荷下机件的失效及材料的力学行但在分析冲击载荷下机件的失效及材料的力学行为时必须注意冲击载荷本身的特性。为时必须注意冲击载荷本身的特性。第28页/共45页1 1、冲击脆化效应、冲击脆化效应 静载荷下机件所受的应力，主要与机件的形状

8、及载荷静载荷下机件所受的应力，主要与机件的形状及载荷的类型和大小有关。的类型和大小有关。而在冲击负荷下，而在冲击负荷下，由于负荷的能量性质使整个承载由于负荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能因此，机件及与机件相连物体的刚度系统承受冲击能因此，机件及与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的持续时间，从而影响加载速度和都直接影响冲击过程的持续时间，从而影响加载速度和惯性力的大小惯性力的大小 由于冲击过程持续时间很短而测不准确，由于冲击过程持续时间很短而测不准确，就很难按惯性力计算机件内的应力所以，冲击载荷下就很难按惯性力计算机件内的应力所以，冲击载荷下的应力通常按能量守恒法计算，并假定冲击能全部转

9、换的应力通常按能量守恒法计算，并假定冲击能全部转换成机件内的弹性能再计算应力和应变成机件内的弹性能再计算应力和应变第29页/共45页1 1、冲击脆化效应、冲击脆化效应 静载荷下机件所受的应力，主要与机件的形状及载荷静载荷下机件所受的应力，主要与机件的形状及载荷的类型和大小有关。的类型和大小有关。众所周知，弹性变形是以声速在介质中传播的。在众所周知，弹性变形是以声速在介质中传播的。在金属介质如钢中，声速达到了金属介质如钢中，声速达到了4982m4982ms s，而普通摆锤冲，而普通摆锤冲击试验时绝对变形速度只有击试验时绝对变形速度只有5 55.5m5.5ms s，这样，冲击弹，这样，冲击弹性变形

10、总能跟上冲击外力的变化，因而应变速率对金属性变形总能跟上冲击外力的变化，因而应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响材料的弹性行为及弹性模量没有影响 而应变速率对塑而应变速率对塑性变形、断裂及有关的力学性能有显著的影响性变形、断裂及有关的力学性能有显著的影响第30页/共45页1 1、冲击脆化效应、冲击脆化效应 在冲击载荷作用下，瞬间作用于位错上的应力相当高，在冲击载荷作用下，瞬间作用于位错上的应力相当高，结果造成位错运动速率增加。因为位错宽度及其能量与结果造成位错运动速率增加。因为位错宽度及其能量与位错运动速率有关。运动速率愈大，则能量愈大，宽度位错运动速率有关。运动速率愈大，则能量愈大

11、，宽度愈小，故派纳力愈大。结果愈小，故派纳力愈大。结果滑移临界切应力增大，金属滑移临界切应力增大，金属产生附加强化产生附加强化。由于冲击载荷下的应力水平较高，可使许多位错源由于冲击载荷下的应力水平较高，可使许多位错源同时开动，结果在单晶体中抑制了易滑移阶段的产生和同时开动，结果在单晶体中抑制了易滑移阶段的产生和发展此外，冲击载荷还增加位错密度和滑移系数目，发展此外，冲击载荷还增加位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小位错运动自由行程的平均长度，增加点出现孪晶，减小位错运动自由行程的平均长度，增加点缺陷浓度上述诸点均使金属材料在冲击载荷作用下塑缺陷浓度上述诸点均使金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难

12、以充分进行性变形难以充分进行派纳力派纳力:位错滑移临界切应力 第31页/共45页1 1、冲击脆化效应、冲击脆化效应 在静载下，塑性变形在静载下，塑性变形较均匀地分布于各个晶粒中较均匀地分布于各个晶粒中。在冲击载荷下，塑性变形主要集中在某些局部区域，在冲击载荷下，塑性变形主要集中在某些局部区域，这表明冲击载荷下的塑性变形是这表明冲击载荷下的塑性变形是极不均匀的极不均匀的。这种不均。这种不均匀情况限制了塑性变形的发展，导致屈服强度和抗拉强匀情况限制了塑性变形的发展，导致屈服强度和抗拉强度提高。且屈服强度提高得较多，抗拉强度提高得较少。度提高。且屈服强度提高得较多，抗拉强度提高得较少。材料塑性相应变

13、速率之间并无单值依存关系，在大材料塑性相应变速率之间并无单值依存关系，在大多数情况下，缺口试样冲击试验时的塑性比静载试验的多数情况下，缺口试样冲击试验时的塑性比静载试验的要低在高速变形时，某些金属可能显示出高塑性，如要低在高速变形时，某些金属可能显示出高塑性，如密排六方金属爆炸成型就是如此密排六方金属爆炸成型就是如此第32页/共45页1 1、冲击脆化效应、冲击脆化效应 塑性和韧性随着应变速率增加而变化的特征与断塑性和韧性随着应变速率增加而变化的特征与断裂方式有关。如在一定加载规范和温度下，材料产生裂方式有关。如在一定加载规范和温度下，材料产生正断，则断裂应力变化不大，塑性随应变速率的增加正断，

14、则断裂应力变化不大，塑性随应变速率的增加而减小。如果材料产生剪断，则断裂应力随应变速率而减小。如果材料产生剪断，则断裂应力随应变速率提高显著增加，塑性可能不变，也可能提高。提高显著增加，塑性可能不变，也可能提高。第33页/共45页冲击吸收功冲击吸收功Ak，单位：，单位：J冲冲击击韧韧性性：材材料料在在冲冲击击载载荷荷下下吸吸收收塑塑性性变变形形功功和和断裂功的能力。断裂功的能力。是材料强度和塑性的综合表现。是材料强度和塑性的综合表现。Fk：试样缺口处的横截面积：试样缺口处的横截面积冲击韧度冲击韧度ak(ak Ak/Fk，单位：单位：J/cm2)衡量指标：衡量指标：或称为或称为冲击强度冲击强度2

15、.2.材料的冲击韧性材料的冲击韧性第34页/共45页3.3.冲击试验冲击试验常温冲击常温冲击低温冲击低温冲击高温冲击高温冲击l实验温度实验温度l l试样的试样的受力状态受力状态摆锤式摆锤式（包括简支梁、悬臂梁）（包括简支梁、悬臂梁）落球式落球式高速拉伸高速拉伸第35页/共45页不不同同材材料料或或不不同同用用途途可可选选择择不不同同的的冲冲击击试试验验方方法法，由由于于各各种种试试验验方方法法中中试试样样受受力力形形式式和和冲冲击击物物的的几几何何形形状状不不同同，不不同同的的试试验验方方法法所所测测得得的的冲击强度结果不能相互比较。冲击强度结果不能相互比较。l采用的采用的能量和冲能量和冲击次

16、数击次数大能量的一次冲击大能量的一次冲击小能量的多次冲击实验小能量的多次冲击实验单次冲击不足以破坏材料。冲击疲劳、断单次冲击不足以破坏材料。冲击疲劳、断裂裂第36页/共45页摆锤式弯曲冲击摆锤式弯曲冲击摆锤冲击试验中试样的安放方式摆锤冲击试验中试样的安放方式 （a）简支梁型）简支梁型（b）悬臂梁型）悬臂梁型第37页/共45页冲击性能冲击性能l冲击性能实验是在冲击负荷的作用下冲击性能实验是在冲击负荷的作用下测定材料的测定材料的冲击强度冲击强度。l在实验中，对试样施加一次冲击负荷在实验中，对试样施加一次冲击负荷使试样使试样破坏破坏，记录下试样破坏时或过程，记录下试样破坏时或过程中试样中试样单位截面

17、积单位截面积所吸收的能量，即得所吸收的能量，即得到冲击强度。到冲击强度。l在工程应用上，冲击强度是一项重要在工程应用上，冲击强度是一项重要的性能指标，通过抗冲击试验，可以评的性能指标，通过抗冲击试验，可以评价材料在价材料在高速冲击高速冲击状态下抵抗冲击的能状态下抵抗冲击的能力或判断材料的脆性和韧性程度。力或判断材料的脆性和韧性程度。第38页/共45页 仪器：仪器：简支梁冲击试验机简支梁冲击试验机，对试样施，对试样施加一次冲击弯曲负荷使之破坏，并用试加一次冲击弯曲负荷使之破坏，并用试样破坏时单位面积所吸收的能量表征该样破坏时单位面积所吸收的能量表征该材料的冲击韧性。材料的冲击韧性。简单易行，简单

18、易行，在控制产品质量、比较结在控制产品质量、比较结构或制品的韧性时是一种经常使用的测构或制品的韧性时是一种经常使用的测试方法。试方法。简支梁式摆锤冲击试验方法简支梁式摆锤冲击试验方法第39页/共45页试样试样为矩形截面的长条形，分无缺口试祥和缺口试样为矩形截面的长条形，分无缺口试祥和缺口试样缺口试样要求切口平整、表面光洁、无杂质及气泡等缺陷缺口试样要求切口平整、表面光洁、无杂质及气泡等缺陷第40页/共45页原理：原理：试样被冲断过程中吸收的能试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（量即冲击吸收功（Ak）等于摆锤）等于摆锤冲击试样前后的势能差。冲击试样前后的势能差。式中：式中：AK冲击功，试样断

19、裂前吸收的能量；冲击功，试样断裂前吸收的能量；Fk 缺口处截面面积；缺口处截面面积；G摆锤重量；摆锤重量；hh1冲断试样前后摆锤的高度差冲断试样前后摆锤的高度差计算公式：计算公式：Ak=Gh G h1=G（h h1）=AK/Fk （KJ/m2）第41页/共45页第42页/共45页AK是一个由是一个由强度和塑性强度和塑性共同决定的综合性共同决定的综合性力学性能指标，零件设计时，虽不能直接力学性能指标，零件设计时，虽不能直接计算，但它是一个重要参考。计算，但它是一个重要参考。评定材料的冶金质量和热加工产品质量。评定材料的冶金质量和热加工产品质量。评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。评定材料的低温脆性情况，可以测定材料评定材料的低温脆性情况，可以测定材料的韧脆转变温度范围。的韧脆转变温度范围。4.4.冲击韧性的用途冲击韧性的用途第43页/共45页工程中常将材料的工程中常将材料的屈服强度与冲击韧性屈服强度与冲击韧性结合在一起用于零件及结构的设计。结合在一起用于零件及结构的设计。焊接结构设计中，除了强度的要求外，焊接结构设计中，除了强度的要求外，规定焊接接头冲击吸收功规定焊接接头冲击吸收功 Ak 27J第44页/共45页感谢您的观看！第45页/共45页