材料科学与工程基础第二章-材料的力学性能课件.ppt

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1、2023年年1月月2日日 材料的力学性能是关于材料强度的一门科学，主要研究材料在材料的力学性能是关于材料强度的一门科学，主要研究材料在外力作用下的力学行为、物理本质和评定方法。失效是装备或构外力作用下的力学行为、物理本质和评定方法。失效是装备或构件在使用过程中由于应力、时间、温度、环境介质等因素使之失件在使用过程中由于应力、时间、温度、环境介质等因素使之失去原有功能。装备或构件的失效是随机事件，目前尚不能完全预去原有功能。装备或构件的失效是随机事件，目前尚不能完全预测。失效分析是找出失效的原因，为完善装备或构件提供有效方测。失效分析是找出失效的原因，为完善装备或构件提供有效方法，防止同样失效的

2、再发生。材料的力学性能是失效分析的理论法，防止同样失效的再发生。材料的力学性能是失效分析的理论基础，所以本章我们首先学习材料的力学性能，然后介绍不同类基础，所以本章我们首先学习材料的力学性能，然后介绍不同类型的失效。型的失效。第一节第一节 弹性变形弹性变形材 料E/GPa结合键软钢207金属键铸铁170190金属键铜110金属键铝69金属键钨410金属键金刚石1140共价键Al2O3400离子键低密度聚乙烯0.2范德华键天然橡胶0.0030.006范德华键一、广义虎克定律一、广义虎克定律表2-1一些工程材料的弹性模量和键型E为杨氏模量，为杨氏模量，为泊松比，为泊松比，为切变模量。为切变模量。E

3、与与 的关系的关系公式公式 单向拉伸状态下单向拉伸状态下（y0，其它各应力分量均为零）。虎克定律简化为：剪切状态下剪切状态下（yx0，其它各应力分量均为零）。虎克定律简化为：二、弹性的物理本质二、弹性的物理本质金属材料、陶瓷材料和玻璃化温度以下的高分子材料属于能弹性，弹性回复力是键长和键角的微小改变所引起的焓变所引起的，而熵的变化所引起的弹性回复力可忽略。处于高弹态的橡胶则属于熵弹性。无应力作用时大分子链呈无规线团状，构象数最大，因此熵值最大。拉伸时，大分子链的伸展使构象数减少，熵值下降，自由焓增高，有自发回复到自由焓低的原始卷曲状的趋势，这是弹性回复力产生的主要原因。能弹性也称普弹性，能弹性

4、材料弹性模量大，弹性变形量小，其应力-应变关系符合虎克定律。与能弹性材料不同，具有熵弹性的材料的弹性模量小，弹性变形量大，例如天然橡胶，其弹性模量仅为一般固体材料的万分之一左右，而延伸率高达5001000%。弹性回复力的表达式为：f=能弹性能弹性回复力回复力 熵弹性熵弹性回复力回复力 弹性比功表示材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比能或应变比能。一般用材料开始塑变前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。拉伸时，应力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积代表弹性比功的大小，如图2-1中的阴影面积。三、弹性比功三、弹性比功 图2-1 弹性比功 ae为弹性比功e为弹性极限e最大弹性应变 ae/MJ材料E/MP

5、a/MPa m3高碳弹簧钢2100009650.22865Mn20000013804.76155Si2Mn20000014805.476不锈钢（冷轧）20000010002.5铍青铜1200005881.44磷青铜1010004501.0橡胶122由表由表2-2，对于不同钢种弹性模量差异不，弹性比功的大小主要取决于弹性极限高，对于不同钢种弹性模量差异不，弹性比功的大小主要取决于弹性极限高低。其中冷轧弹簧采用加工硬化提高弹性极限，以提高弹性比功；淬火低。其中冷轧弹簧采用加工硬化提高弹性极限，以提高弹性比功；淬火+中温回火中温回火的合金弹簧钢丝具有较高的碳含量，兼有的合金弹簧钢丝具有较高的碳含量，

6、兼有Si、Mn的固溶强化，所获得回火托氏体的固溶强化，所获得回火托氏体具有更高的弹性极限，可获得更高弹性比功。青铜的弹性极限虽然远低于钢，但具有更高的弹性极限，可获得更高弹性比功。青铜的弹性极限虽然远低于钢，但弹性模量比钢低约一倍，所以弹性比功也较大，特别是铍青铜适于用作要求无磁弹性模量比钢低约一倍，所以弹性比功也较大，特别是铍青铜适于用作要求无磁性的重要仪表用软弹簧。此外，尽管橡胶的弹性极限极低，但由于弹性模量也极性的重要仪表用软弹簧。此外，尽管橡胶的弹性极限极低，但由于弹性模量也极低，所以弹性比功也较高。低，所以弹性比功也较高。表2-2几种弹性材料的弹性比功 四、弹性的不完整性四、弹性的不

7、完整性弹性变形时，应变落后于应力，加载曲线与卸载曲线不重合，存在滞弹性和包申格效应等，这些现象称为弹性的不完整性。(一一)滞弹性滞弹性 在弹性范围内，快速加载或卸载后，随时间的延长产生附加的弹性应变的现象被称为滞弹性，也称为弹性后效。金属材料拉伸时产生的滞弹性，如图2-2所示。图2-2 滞弹性示意图突然施加一低于弹性极限的应力0，立即产生瞬时应变Oa，Oa为完全弹性变形。若应力保持0，随时间延长，还会逐渐产生应变aH，应变aH显然与时间有关，被称为滞弹性变形。同样道理，去除应力，立即回复的应变eH=Oa为完全弹性变形。应变Oe=aH随时间延长，逐渐消逝，所以Oe也是滞弹性变形。图2-3 弹性滞

8、后环的类型a）单向加载 b）交变加载(二二)包申格效应包申格效应 经预先少量塑变，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增高；反向加载规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格（Baoschinger）效应。大多数钢材和有色合金等都具有包申格效应。图2-4 35钢的包申格效应包申格效应对于在交变载荷作用下的机包申格效应对于在交变载荷作用下的机件寿命有重要影响。经轻微冷变形的工件寿命有重要影响。经轻微冷变形的工件在服役时，当其承受与原加工过程加件在服役时，当其承受与原加工过程加载方向相反载荷时，应考虑其屈服强度载方向相反载荷时，应考虑其屈服强度的降低。消除包申格效应的方法是预先的降低。消除包申格效应的方

9、法是预先进行较大的塑性变形，或在使用前进行进行较大的塑性变形，或在使用前进行回复或再结晶退火。回复或再结晶退火。第二节第二节 塑性变形塑性变形金属室温塑变主要以滑移和孪生两种方式进行。实际金属材料多为多晶体。金属室温塑变主要以滑移和孪生两种方式进行。实际金属材料多为多晶体。但多晶体的塑变与组成它的各晶粒的变形有关。但多晶体的塑变与组成它的各晶粒的变形有关。一、单晶体塑变机制一、单晶体塑变机制(一一)滑移滑移1.滑移的位错机制 图2-5 刃位错的滑移 滑移是在切应力作用下，金属材料的一部分相对另一部分沿一定晶面和晶向产生相对位移。位错在切应力作用下发生运动，依靠位错的逐步运动完成了滑移过程。大量

10、位错的滑移，就会产生宏观的塑性变形。将发生滑移后试样表面产生高低不平的滑移台阶造成的，称为滑移带。实际上滑移带是由许多密集的滑移线构成的，如下图。图2-6 滑移带与滑移线示意图 2.滑移系 定义滑移总是沿一定晶面和晶向发生，它们分别称为滑移面和滑移方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系。图2-7 三种常见金属晶体结构的滑移系 a）体心立方 b）面心立方 c）密排六方 晶体结构不同，其滑移系也不同。晶体结构不同，其滑移系也不同。3.滑移的临界分切应力 图2-8 临界分切应力分析图当晶体受外力作用时，可将其分解成垂直某一晶面的正应力与沿此面的切应力。设拉应力P作用在截面为A的圆柱形单晶

11、上，外力与滑移面法线方向夹角为，与滑移方向夹角为，如右图。则外力在滑移方向上的分切应力为达到临界值c时，宏观上金属开始屈服，故=s，将c和s代入上式得到c=scoscos 或 4.多滑移与交滑移&若多组滑移系处于同等有利位向，在滑移时，这些等效的滑移系可同时开动，或滑移过程中，由于晶体的转动，使两组或多组滑移系交替开动这便是多滑移。&交滑移是指两个或多个滑移面沿同一滑移方向滑移。图2-9 滑移线形态示意图a）交叉滑移线 b）波纹状滑移线(二二)孪生孪生 图2-10 面心立方晶体孪生变形示意图a）孪生方向与孪晶面 b）孪生时原子切变过程 孪生是冷塑性变形的另一种重要形式，常作为滑移不易进行时的补

12、充。孪生与滑移的主要区别孪生与滑移的主要区别（2）孪生变形位移量小于孪生方向上的原子间距，单位位错的滑移矢量为原子间距的整数倍。（3）孪生所需临界切应力远高于滑移的临界切应力。（1）孪生变形后晶体的位向发生改变，滑移不引起晶体的位向的变化。二、多晶体塑变机制二、多晶体塑变机制 图2-11 位错的平面塞积群多晶体由许多位向不同的晶粒组成。在外力作用下，只有处于有利位向的晶粒中的那些取向因子最大的滑移系才能首先开动。周围处于不利位向的晶粒的各滑移系上的分切应力尚未达到临界值，所以还没有开始塑性变形，处于弹性变形状态。当有晶粒塑变时，就意味着其滑移面上的位错源将不断产生位错，大量位错在切应力作用下，

13、在滑移面上滑移，滑动位错不能越过晶界，于是在晶界前形成位错的平面塞积群，如图2-11。作用于OP面（过OP线，垂直于纸面）的切应力 室温变形时，由于晶界强度高于晶内，使每个晶粒的变形也不均匀。室温变形时，由于晶界强度高于晶内，使每个晶粒的变形也不均匀。拉伸时双晶的竹节状变形，如图拉伸时双晶的竹节状变形，如图2-12。所以室温变形时晶界具有明显。所以室温变形时晶界具有明显强化作用。金属材料晶粒越细小，单位体积的晶界面积越多，晶界强强化作用。金属材料晶粒越细小，单位体积的晶界面积越多，晶界强化作用越明显。同时晶粒越细小，变形协调性越好，塑性也越好。化作用越明显。同时晶粒越细小，变形协调性越好，塑性

14、也越好。图2-12 拉伸时双晶的竹节变形三、金属的强化机制三、金属的强化机制(一一)细晶强化细晶强化图2-13 低碳钢的屈服强度与晶粒尺寸的关系利用细化晶粒提高金属材料强度的方法叫细晶强化。wC=0.15%的低碳钢的屈服强度与晶粒大小的关系如图2-13。屈服强度与晶粒直径平方根的倒数呈直线关系，这就是著名的霍尔-派奇关系。利用位错塞积理论可导出霍尔-派奇（Hall-Petch）关系 i为一常数，相当于位错在晶内运动的摩擦力，ky 为常数，与滑移“越过”晶界传播需要的临界应力有关，d为晶粒直径(二二)固溶强化固溶强化图2-14 低碳铁素体固溶强化效果示意图 合金元素溶入基体金属中可得到单相固溶体

15、合金，如能有效提高其屈服强度，被称为固溶强化。固溶强化的实质是溶质原子的长程应力场与位错产生交互作用，导致位错运动受阻。根据强化效果可将溶质原子分为两大类 一类为弱硬化的溶质，主一类为弱硬化的溶质，主要是置换型溶质和面心立方要是置换型溶质和面心立方晶体中的间隙型溶质。晶体中的间隙型溶质。另一类是强硬化的溶质，另一类是强硬化的溶质，如体心立方晶体中的间隙原如体心立方晶体中的间隙原子，这类原子在晶体中造成子，这类原子在晶体中造成的点阵畸变是非球形（四方）的点阵畸变是非球形（四方）对称的，强化效应强，比弱对称的，强化效应强，比弱硬化的溶质高出一个数量级。硬化的溶质高出一个数量级。(三三)应变硬化应变

16、硬化图2-15 常见三种金属晶体的应力-应变曲线 金属材料有一种阻止继续塑变的能力，这就是应变硬化（加工硬化）。多晶体在均匀变形阶段的真应力与真应变关系符合Hollomon公式 S为真应力，e为真应变，K为强度系数，n形变强化指数。金属点阵类型层错能（J/m2）形变强化指数n18-8不锈钢fcc0.010.45铜fcc0.090.30铝fcc0.250.15-Febcc0.250.2表2-3几种金属材料的层错能与形变强化指数 形变强化指数n反映了金属材料抵抗继续塑变的能力。n=1，为完全弹性状态，真应力与真应变呈线性关系；n=0，S=K，无形变硬化能力，例如再结晶温度在室温以上的铅，室温变形时

17、，无加工硬化现象。大多金属材料n=0.10.5。n越大，材料应变硬化越显著，对于形变强化指数较高的18-8奥氏体不锈钢，冷轧可使板材的屈服强度提高34倍。形变强化指数n与层错能有关。几种金属材料的层错能与形变强化指数，如表2-3所示。第三节第三节 静载力学性能静载力学性能一、单向静力拉伸一、单向静力拉伸单向静力拉伸实验是工业上应用最广泛的力学性能实验方法之一。金属拉伸试样尺寸可参考GB6397-86。通常采用标准光滑圆柱试样进行实验。除可测定弹性变形阶段的力性指标外，还可测定材料的强度指标和塑性指标。(一一)工程应力工程应力-工程应变曲线与拉伸力学性能工程应变曲线与拉伸力学性能图2-16 材料

18、的应力-应变曲线 a）低碳钢 b）1-铸铁；2-黄铜纵坐标为工程应力用表示，=P/A0，式中P为载荷，A0为原始截面面积，应力单位为MPa；横作标为工程应变用表示，=l/l0，式中，l为试样两标距间绝对伸长，l0为试样原始标距长度。图（a）为塑性材料低碳钢的应力-应变曲线。由图可知，应力低于p，与呈直线关系，即=E。超过p，-曲线开始偏离直线，故p被称为比例极限。图（b）中的曲线1为脆性材料铸铁的应力-应变曲线，与呈线性关系，只有弹性变形，不发生塑变，在最高载荷点处发生断裂，即抗拉强度与断裂强度相同，塑性指标为零。图（b）中的曲线2为黄铜的应力-应变曲线，无明显屈服现象，此时常以0.2%残余变

19、形时的应力作为条件屈服强度，并用0.2表示。0.2与s都是表征材料对微量塑变的抗力。(二二)真应力真应力-真应变曲线真应变曲线 图2-17 拉伸过程中，试样标距变化示意图拉伸到某一时刻的真实应力S等于该时刻的载荷P，除以该时刻的截面面积A，即S=P/A。若试样原始标距为l0，拉伸到某一时刻时，标距变为l，又过了微小时间间隔dt，此时标距变为l+dl，如图2-17。定义de=dl/l。两边积分可得到真实线应变图2-18 真应力-真应变曲线 对于低碳钢拉伸结果，如果采用真实应力和真实线应变绘制拉伸曲线，可得到真应力-真应变曲线（S-e曲线），如下图。ek为断裂真实线应变，eb为均匀塑变阶段的真实线

20、应变。仿照真实线应变，用面积表示的真应变（三）屈服现象的本质（三）屈服现象的本质 屈服强度是一个对成分、组织结构十分敏感的力学性能指标。凡是影响位错运动的因素均对屈服强度有影响。除金属的本性与晶格类型、晶粒的大小及亚结构、第二相形态及分布等内在因素影响屈服强度外，变形温度、变形速率和应力状态等外部因素对屈服强度也有重要影响。例如降低温度可使体心立方金属的屈服强度急剧升高；提高应变速率也可明显提高材料屈服强度；不同应力状态下的屈服强度也有显著差别，其中三向不等拉伸屈服强度最高。屈服现象首先在低碳钢中发现。早期理论认为低碳钢中溶质原子碳与位错交互作用可形成Cottrell气团，使位错钉扎。要使钉扎

21、的位错运动，所需切应力增高，于是出现上屈服点。一旦脱钉，在较低应力水平下，位错可持续运动，于是出现下屈服点。然而，该理论解释不了其它金属和合金的屈服现象。后来研究指出当材料变形前可动位错密度很小，塑变时位错增殖速度很快，位错运动速度与外加应力有强烈依赖关系时，屈服现象明显。二、其它静载下的力学性能二、其它静载下的力学性能(一一)应力状态软性系数应力状态软性系数 加载方式主 应 力三向不等拉伸0.1单向拉伸 000.5扭转00.8二向等压缩01单向压缩002三向不等压缩4表2-3 不同加载方式的应力状态软性系数 为了表征不同应力状态下的材料的力学行为特点，引入应力状态软性系数扭转与单向压缩的 值

22、大于单向拉伸。所以对于脆性较大的材料采用扭转与单向压缩可更好显示材料的塑性。(二二)单向压缩单向压缩 图中曲线1为脆性材料，根据压缩曲线可求出压缩的一系列强度指标，对于脆性材料一般只求抗压强度bc、相对压缩率ck和相对断面扩张率ck。图中曲线2为韧性材料，由于AkA0，承载面积的急剧增加，导致压缩载荷也急剧升高，甚至不会发生断裂。图2-19 压缩曲线(三三)弯曲弯曲 图2-20 弯曲实验加载方式a）集中加载 b）等弯矩加载 弯曲实验可采用三点弯曲或四点弯曲，所用试样为矩形或圆柱形，其加载方式，如图。由载荷P 和最大挠度fmax可作出P-fmax曲线，称为弯曲图，如图2-21 图2-21 典型的

23、弯曲图 a）脆性材料 b）韧性材料图2-21（b）为韧性材料的弯曲图。弯曲实验不能使试样发生断裂，其曲线最后部分可延伸很长，难以测定韧性材料的强度，故韧性材料一般不采用弯曲实验。(四四)扭转扭转1.扭转实验特点 扭转实验的应力状态比单向拉伸软，对于某些脆性材料来说，扭转时它们处于韧性状态，便于测定其塑性指标。扭转无缩颈现象，对于拉伸有缩颈的材料，采用扭转实验可排除缩颈的影响，精确反应变形过程中的应力应变关系。此外扭转时应力沿截面分布不均匀，试样表面应力与应变最大，故可灵敏反映材料表面缺陷。无论脆性材料还是塑性材料，采用扭转实验都可准确测定出剪切变形和断裂的全部力性指标。其缺点是由心部向表面应力

24、逐渐增大，当表面发生塑性变形时，心部仍处于弹性状态，所以难以精确测量比例极限和弹性极限。2.扭转的应力与应变图2-22 扭转试样的应力与应变a）试样表面应力状态 b）弹性变形阶段横截面上应力应变分布=最大切应力与最大正应力相等 圆杆表面的切应变为 3.扭转实验及测定的力学性能 图2-23 扭转图 k为试样断裂时标距长度l0上的扭转角 4.扭转试样断口 图2-24 扭转断口形态a)切断断口 b）正断断口 c）木纹状断口扭转试样断口主要有两种。剪切断口：断面与试样轴线垂直，有塑变的痕迹，为韧性断口，由切应力 引起，如图3-25（a）。正断断口：断面与试样轴线约呈45角，呈螺旋形状，为脆性断口，由正

25、应力引起，如图3-25（b）。若材料的轴向切断抗力比横向低，如带状偏析严重的轧制合金板，扭转断口可出现层状断口，如图3-25（c）。因此可根据断口形貌判断材料的断裂方式。三、硬度三、硬度(一)布氏硬度 布氏硬度实验是1900年瑞典工程师布利涅尔（J.B.Brinell）提出的，是目前最常用的硬度实验方法。图2-25 布氏硬度实验原理 将直径为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球，以一定载荷P（kgf）压入试样表面，保持一定时间后卸载，测量试样表面的压痕直径d（mm），求得球冠形压痕面积F。定义试样的布氏硬度为 HB=Dh为球冠形压痕面积，其中h=布氏硬度的单位为kg/mm2 图2-26 压痕直径d

26、与压头直径D关系当布氏硬度值相同时，必须满足P/D2=常数，此时所得压痕的压入角保持不变 材料布氏硬度0.102F/D2钢及铸铁1401014030铜及其合金355351301013030轻金属及其合金352.5（1.5）358010（5或15）8010（15）铅、锡1.25（1）表2-5 0.102F/D2选用表(二二)洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度实验法是由美国人S.P.Rockwell和H.M.Rockwel于1919年提出的，也是目前常用的硬度实验法之一。图2-27 洛氏硬度实验原理它是以所测量的压痕深度大小来表示硬度值。它是以所测量的压痕深度大小来表示硬度值。洛氏硬度值的计算公式洛氏硬度

27、值的计算公式 标尺硬度符号压头类型初载荷P0/N主载荷P1/N测量硬度范围应用举例AHRA金刚石圆锥98.07490.32088硬质合金、硬化钢板等BHRB1.588钢球882.620100有色金属、软钢等CHRC金刚石圆锥13732070热处理工具钢和结构钢表2-6 洛氏硬度实验的标尺、实验规范及应用范围(三三)维氏硬度与显微硬度维氏硬度与显微硬度1.维氏硬度图2-28 维氏硬度实验压头及压痕示意图2.显微硬度显微硬度的实验力很小，压痕尺寸也很小，对角线长度以微米（m）为单位，需配显微放大装置。为了清楚显示压痕，提高测量精度，硬度试样要进行电解抛光或化学抛光。在GB/T4342-91中显微硬

28、度表达式仍为 HV=(四四)其它硬度其它硬度努氏硬度实验属于低载荷压入硬度实验，实验原理与维氏硬度实验相同，所不同的是金刚石四角棱锥压头的两个相对面间夹角不等，分别为172.5和130。菱形压痕的长对角线是短对角线的7.11倍，测量时只测定长对角线l，按下式计算努氏硬度HK=肖氏硬度实验测定原理是将一定重量的具有淬火钢球或金刚石圆球的标准冲头从一定高度自由落到试样表面，靠试样的弹性恢复力使其回跳到一定高度，回跳高度越大硬度值越高。用HS表示肖氏硬度。肖氏硬度的刻度是将具有淬火钢球的标准冲头在淬火工具钢表面上回跳的高度定为100，然后将此高度等分100格，并将刻度向上延伸到140格，每格为一个肖

29、氏硬度单位。其优点使用方便，可带到现场进行无损检测，硬度实验简便迅速，利用硬度值判定材料的强度指标无疑是十分重要的。虽然至今在理论上仍不能确定金属的硬度与强度指标的内在关系，但由大量实验得出许多经验公式。例如对于钢铁材料抗拉强度b3.3HB、对称应力循环下的弯曲疲劳极限-11.6HB。第四节第四节 冲击载荷下的力学性能冲击载荷下的力学性能 现代机器中，由于各种构件在服役时的加载速率不同，使条件应变速率处在10-6106s-1范围之间。条件应变速率为 Fl0为试样原始长度，Fl为试样即时长度，Fv为变形速度，Ft为时间 静力拉伸的应变速率在静力拉伸的应变速率在1010-5-51010-2-2s

30、s-1-1，在此应变速率范围，金属力，在此应变速率范围，金属力学性能无明显变化。应变速率大于学性能无明显变化。应变速率大于1010-2-2s s时力学性能将产生显著变时力学性能将产生显著变化。随应变速率的提高金属材料变脆的倾向增大。所以有必要研化。随应变速率的提高金属材料变脆的倾向增大。所以有必要研究高应变速率下材料的力学行为。究高应变速率下材料的力学行为。一、缺口试样冲击弯曲实验一、缺口试样冲击弯曲实验图2-29 夏比U型缺口冲击实验试样 图2-30 摆锤式冲击实验原理 二、低温脆性及其评定二、低温脆性及其评定(一)低温脆性现象及其本质 图2-31 s与c随温度变化示意图 s随温度降低而迅速

31、升高，断裂强度c随温度的降低变化不大，两条曲线有一交点，交点所对应的温度为tk。当温度高于tk，cs，材料受力后，先屈服后断裂，为韧型断裂；当温度低于tk，cs，材料受力后，外加应力先达到c，于是就发生脆性断裂。故tk称为韧脆转折温度。(二)韧脆转变温度 图2-32 各种韧转变温度的确定1.1.按能量法定义按能量法定义t tk k 当温度低于某一温度，金属的冲击功几乎不随温度变化，形成一平台，该能量称为“低阶能”。将低阶能开始上升的温度定义为tk，并记为NDT（Nil Ductility Temperature），称为零塑性转变温度。当温度高于某一温度，金属的冲击功也基本不随温度变化，形成一平

32、台，称为“高阶能”，以高阶能定义的tk记为FTP（Fracture Transition Plastic）。高于此温度，冲击断口为100%纤维状断口（塑性断口），所以FTP也称为零解理断口。2.2.按断口形貌定义按断口形貌定义t tk k 图2-33 冲击断口形貌示意图由于缺口形状对断裂行为有重要影响，所以国际上通用夏氏V形冲击试样，如果使用其它试样要加以说明。三、影响韧脆转变温度的因素三、影响韧脆转变温度的因素(一)冶金因素图2-34 低碳马氏体钢的板条束宽度与韧脆转变温度的关系体心立方金属滑移的临界分切应力远高于面心立方金属，且随温度的降低位错运动的晶格阻力急剧增加，故屈服强度随温度的下降

33、急剧升高，由图知这将导致冷脆现象的发生。显微组织也是影响冲击功和韧脆转变温度的重要因素。对钢而言，强度相等而组织不同的钢的冲击韧性和韧脆转变温度不同。较低强度水平时，马氏体高温回火组织（回火索氏体）最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。较高强度水平时，对于中、高碳钢来说，下贝氏体组织与等强度的回火马氏体相比，具有更高的冲击功和更低的韧脆转变温度。(二)外部因素温度的降低是材料产生脆化的根本原因。随温度的降低，材料的脆化倾向增加。提高变形速率与降低温度的作用类似，随变形速率的提高断口中纤维区所占的面积减少。试样尺寸的增大也会降低韧性，使韧脆转折温度升高。这是因为随试样尺寸的增大，应力状态

34、发生了改变，由小试样的主要是平面应力状态的力学状态过渡到以平面应变为主的力学状态，这有助于脆性断裂的发生。此外，随尺寸的增大试样内部出现缺陷的几率增高，这也会进一步使冲击韧性下降，冷脆转变温度升高。缺口形状和尺寸对冲击功和脆化倾向有重要影响。缺口越尖锐，应力集中越严重，应力状态越硬，所测得的冲击功越低，冷脆转变温度越高。第五节第五节 失效失效 装备和构件在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质和操作失误等装备和构件在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质和操作失误等因素作用，失去其原有功能的现象叫失效。因素作用，失去其原有功能的现象叫失效。一、变形失效一、变形失效(一)金属构件的弹性变

35、形失效 构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的数值，称构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的数值，称为过量弹性变形失效。对于弯曲变形的轴类零件，当弹性变形为过量弹性变形失效。对于弯曲变形的轴类零件，当弹性变形量过大（挠度过大或扭转角过大）会造成轴上的啮合零件的严量过大（挠度过大或扭转角过大）会造成轴上的啮合零件的严重偏载、啮合失常，甚至咬死，导致传动失效。重偏载、啮合失常，甚至咬死，导致传动失效。还有一类弹性变形是失去弹性功能的失效。对于弹性元还有一类弹性变形是失去弹性功能的失效。对于弹性元件在服役时要求弹性变形具有可逆性、单值性和小变形量的特件在服役时要求弹性变形具有可逆性、单值性和小变

36、形量的特性。例如弹簧称上的弹簧，在较小的拉力下，被拉的过长，会性。例如弹簧称上的弹簧，在较小的拉力下，被拉的过长，会造成称重不准确，从而失效。过载、超温、材料组织结构发生造成称重不准确，从而失效。过载、超温、材料组织结构发生变化是产生弹性变形失效的主要原因。而这些原因往往是构件变化是产生弹性变形失效的主要原因。而这些原因往往是构件设计不合理、计算错误或选材不当等造成的。设计不合理、计算错误或选材不当等造成的。(二)金属构件的塑性变形失效 金属构件在服役时产生的塑性变形量超过允许的数值称为塑性变形失效。由于金属的塑性变形是不可逆的，所以比弹性变形时效更好判断。例如液氨钢瓶充进过量液氨，由于阳光直

37、射，瓶内压力增高，使周向切应力大于材料屈服强度，于是钢瓶产生塑性变形，使钢瓶涨成腰鼓状。液氨用完后，其形状不会恢复，于是钢瓶报废。塑性变形失效原因主要是过载造成的。防止塑性变形失效的措施为：合理选材，控制好材料组织状态及冶金质量，提高金属材料的塑变抗力；正确进行应力计算，合理选择安全系数，减少应力集中和降低设备工作的应力水平；注意腐蚀环境介质对材料强度和尺寸的影响。(三)高温作用下金属构件的变形失效1.蠕变变形失效 图2-35 典型蠕变曲线图2-36 恒定温度下改变应力对蠕变曲线的影响2.应力松弛变形失效图2-37 金属的应力松弛曲线应力松弛是变形量恒定条件下，随时间的延长，构件的弹性变形不断

38、转为塑性变形使应力不断降低的过程。预防应力松弛失效预防应力松弛失效的措施是选用应力的措施是选用应力松弛稳定性好的材松弛稳定性好的材料。对正在服役的料。对正在服役的紧固件要进行一次紧固件要进行一次或多次的再紧固。或多次的再紧固。但要注意每紧固一但要注意每紧固一次，材料都将产生次，材料都将产生应变硬化，残余应应变硬化，残余应力有所下降，随塑力有所下降，随塑变总量的增加，材变总量的增加，材料最终会发生断裂。料最终会发生断裂。二、断裂失效二、断裂失效断裂是工程材料的主要失效形式之一。完全断裂是材料在应力作用下，被分为两个或几个部分。材料内部产生裂纹则称为不完全断裂。(一)断裂的基本类型及特点1.韧性断

39、裂与脆性断裂韧性断裂与脆性断裂图2-38 拉伸断口三个区域形成示意图软钢的光滑圆柱试样的静力拉伸断裂是典型的韧性断裂。其宏观的断口为杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇区组成 韧性断裂是指金属材料在断裂之前产生明显塑变，裂纹的扩展过程中要消耗大量能量。图2-39杯锥状断口形成示意图a）颈所缩导致三向应力 b）微孔形成 c）微孔长大d）微孔连接呈锯齿状 e）边缘剪切断裂图2-40 平板矩形拉伸试样宏观断口形态示意图拉伸断口三区的形态、大小和相对位置，因材料的性能、实验温度、加载速度、试样形状等不同而发生变化。对于光滑平板矩形试样，其断口和圆柱试样一样，也有三区，所不同的是各区形态不同。其中纤维区变成

40、“椭圆形”，而放射区变为“人字形”花样。人字的尖端指向裂纹源。最后破坏区仍为剪切唇区。&当裂纹达到临界尺寸后，就会发生快速低能量的失稳扩展，形成有放射线花样的放射区。裂纹扩展至表面附近，应力状态变为较软的平面应力状态，产生快速不稳定扩展，形成剪切唇区。剪切唇表面光滑，与拉力轴呈45角，是典型的切断断口。2.2.沿晶断裂与穿晶断裂沿晶断裂与穿晶断裂根据断裂过程中裂纹扩展的途径可将断裂分为沿晶断裂与穿晶断裂图2-41穿晶断裂与沿晶断裂图2-42 冰糖状断口3.3.解理断裂、微孔聚集型断裂、纯剪切断裂解理断裂、微孔聚集型断裂、纯剪切断裂 图2-43 解理断口形貌图2-44 河流花样形成示意图图2-4

41、5 韧窝断口形貌图2-46 微孔的形核与长大模型图3-48 纯剪切断口 a）单滑移形成的切离 b）多滑移形成的切离(二)断裂力学基本原理断裂是构件的最危险的失效形式，由于脆性断裂之前无任何征兆，所以其危害更大，极易造成重大经济损失与安全事故。为了防止断裂的发生，传统力学强度理论是根据材料的屈服强度，确定许用应力的。许用应力=0.2/n，式中n为安全系数，n1。一般认为，机件在许用应力以下工作就不会发生塑性变形，更不会发生断裂。然而事实并非如此，长期实践使人们认识到，为防止脆断还必须对所用材料的塑性、韧性、韧脆转折温度等提出要求。这显然无法计算，只能凭经验确定，然而凭经验并不可靠。断裂力学是以机

42、件中存在宏观缺陷为讨论问题的出发点。这与认为材料是完整的、连续的传统连续介质力学观点截然不同。断裂力学考虑了材料的不连续性，运用连续介质力学的弹性理论，研究材料和构件中裂纹扩展规律，确定能反映材料抗裂性能的新的力学参量和指标及其测试方法，以防止机件的断裂。因此，断裂力学具有重大科学意义和工程价值。1.1.裂纹尖端应力场强度因子裂纹尖端应力场强度因子K K与断裂韧度与断裂韧度K Kcc （1）裂纹扩展的基本形式（2）弹性状态下裂纹顶端的应力分布（3）应力场强度因子（4）断裂韧度Kc与断裂K判据图2-48 裂纹扩展的基本形式图2-49 缺口前方的弹性应力分布 a）薄板 b）厚板图2-50 裂纹尖端

43、的应力场图2-51 具有型穿透裂纹的无限大板的应力分析2.2.裂纹尖端塑性区及裂纹尖端塑性区及K K的修正的修正（1）裂纹尖端塑性区的形状及尺寸 图2-52 裂纹尖端塑性区边界线 图2-53 应力松弛对塑性区的影响（2）等效裂纹及K的修正 图2-54 用等效裂纹修正K在小范围屈服条件下，当裂纹尖端的应力超过材料有效屈服应力时，便产生了应力松弛。应力松弛有两种方式，一种是使塑性区尺寸扩大，另一种方式是通过裂纹的扩展。既然两种方式是等效的，为了利用线弹性理论计算K值，可以设想裂纹长度增加了ry，其中ry=r0。而裂纹顶端的O点也移动到O点，如图3-55。3.3.断裂断裂K K判据应用举例判据应用举

44、例 随航天技术的发展，对材料使用性能提出更高要求。例如，随固体燃料发动机壳体的工作压力不断增大，对材料的强度要求也越来越高。为了使用安全，传统的安全设计是加大安全系数，保证壳体不产生屈服，于是对壳体材料的屈服强度要求越来越高。这种设计是不合理的，因为没有考虑壳体存在不可避免的裂纹。壳体的实际断裂强度还决定于断裂韧性和实际裂纹尺寸。而随材料的强度增高，材料的断裂韧度却总是下降的，结果反而增大了脆断倾向。4.4.断裂韧度断裂韧度K Kcc的测试的测试 （1）试样形状、尺寸和制备图2-55 测定Kc用的标准三点弯曲试样（2)测试方法测量Kc的方法有位移测量法、落锤法等。其中位移测量法应用最普遍。利用

45、位移测量法的关键是精确测定载荷-裂纹张开位移（P-V）曲线。测定Kc的三点弯曲实验是利用特制夹持装置，在一般万能实验机上进行断裂实验，实验装置如下图。图2-56 三点弯曲实验装置示意图图2-57 P-V曲线的三种类型 图2-58 裂纹长度的测量（3）实验结果的处理三点弯曲加载时，裂纹顶端应力场强度因子表达式为 5.5.影响断裂韧度影响断裂韧度K Kcc的因素的因素（1）材料因素对断裂韧度的影响 4工程用钢的基体相一般为奥氏体、马氏体。基体相为奥氏体时，其滑移系多，塑变能力强，加工硬化能力强，不易发生解理断裂，所以奥氏体的断裂韧度Kc较铁素体钢、马氏体钢高。4能提高钢的冲击韧性的合金元素一般也可

46、提高钢的断裂韧度。4当夹杂物或第二相体积分数增加时，会使钢的断裂韧度Kc下降。此外，夹杂物或第二相形态对断裂韧度Kc也有重要影响，夹杂物或第二相呈球状均匀分布时其断裂韧度Kc明显要高于片状和网状。4基体晶粒的大小对断裂韧度有重要影响。一般晶粒越细小，其断裂强度c越高，裂纹扩展时所消耗的能量也越多，使Kc增高。4钢的显微组织不同其断裂韧度也不同。（2）外部因素对断裂韧度的影响 由于裂纹尖端附近的塑性区尺寸与 成正比，温度降低，材料屈服强度升高，故塑性区尺寸变小，裂纹扩展所作塑性功减少，裂纹易扩展使断裂韧度Kc 急剧下降，材料易发生脆性的解理断裂。6.6.断裂韧度断裂韧度G Gcc、J Jc c和

47、和 c c（1）断裂韧度Gc G=G的临界值即为Gc，它表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量，是裂纹扩展的阻力。Gc是材料的力学性能指标，只与材料成分和组织结构有关，其单位同G。与K判据类似，根据G与 Gc的相对大小关系也可以建立G判据，即G Gc裂纹失稳扩展。G是裂纹扩展的的原动力，对于型裂纹则为G。（2）断裂韧度Jc和cJ积分反应了裂纹尖端的应变能，即应力应变的集中程度。对于型裂纹，记为J1，J1也是裂纹尺寸a和应力的复合参量，是裂纹扩展的动力。当J积分达到某一临界值Jc时裂纹失稳扩展，Jc也称为断裂韧度，表示材料抵抗裂纹扩展的能力，其单位同Gc。与前面类似，也可以建立J判据即J

48、Jc裂纹将失稳，发生断裂。(三)疲劳断裂金属构件在交变载荷作用下，虽然应力水平低于材料的抗拉强度，甚至低于屈服强度，但经历一定循环周期后，由于累计损伤，而引起的断裂现象叫疲劳。1.1.变动载荷和循环应力变动载荷和循环应力 图2-59 波形为正弦波的循环应力 变动载荷是引起疲劳的外力，其大小，甚至方向随时间呈周期性变化或呈无规则的随机变化，其在单位面积上的平均值为变动应力。前者称为周期变动应力或循环应力，后者称为随机变动应力。生产中机件正常工作时，多为循环应力。这些应力可用载荷谱（应力-时间曲线）来描述。图2-60 循环应力的类型 r=1为对称交变应力，如图a，大多数旋转轴类零件就是此种情况，例

49、如火车轴的弯曲交变应力；r0为不对称交变应力，如图e，例如发动机机连杆所受的循环应力；r=0为脉动应力，如图b，例如齿轮根部所受的循环弯曲应力；r=为循环脉动压应力，如图c，如轴承所受的应力；0r1，为波动应力，如图d，如发动机缸盖螺栓所受的循环应力。2.2.疲劳破坏特征和宏观断口疲劳破坏特征和宏观断口 图2-61 疲劳断口的宏观形貌a）疲劳断口实物照片 b）疲劳断口三区示意图3.3.疲劳裂纹的萌生和扩展机制疲劳裂纹的萌生和扩展机制 （1）疲劳裂纹的萌生 图2-62 滑移带挤出脊与侵入沟示意图 金属在长期循环应力作用下，尽管有时最大应力小于屈服应力，也会发生循环滑移。滑移集中分布在某些局部区域

50、。在循环应力较低时，随循环次数的增加，以形成的滑移带加宽，而不出现新的滑移带。如果把试件抛光和疲劳交替进行，会发现有些部位的滑移带会反复出现在原来位置，这些滑移带叫“驻留滑移带”。随循环周次的增加，在驻留滑移带会形成“挤出脊”和“侵入沟”，如图2-62。挤出脊和侵入沟是靠两个滑移系在循环应力作用下，交替开动而形成的，它们的尺寸相近，约为几个m。随挤出和挤进的不断进行可以萌生疲劳裂纹。宏观疲劳裂纹（通常取裂纹尺寸0.5mm）是由微观疲劳裂纹的形成、长大及连接而成的。大量研究表明，微观疲劳裂纹是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的。（2）疲劳裂纹的扩展 图2-63 疲劳裂纹扩展示意图 图2-64 疲