1、材料材料科學(xué)科學(xué)制備制備緒論第第12章章 機(jī)機(jī)械零械零件用件用材料材料及成及成形工形工藝的藝的選擇選擇材料理材料理論基礎(chǔ)論基礎(chǔ)常見(jiàn)工常見(jiàn)工程材料程材料材料基材料基本成形本成形工藝工藝主要內(nèi)容主要內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 在載荷作用下的力學(xué)行為在載荷作用下的力學(xué)行為第二節(jié)第二節(jié) 材料的靜態(tài)力學(xué)性能材料的靜態(tài)力學(xué)性能第三節(jié)第三節(jié) 材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能第四節(jié)第四節(jié) 斷裂韌性斷裂韌性第五節(jié)第五節(jié) 材料的高、低溫性能材料的高、低溫性能1 1、服役條件：指零件在工作服役條件：指零件在工作過(guò)程中承受的溫度、介質(zhì)環(huán)境、過(guò)程中承受的溫度、介質(zhì)環(huán)境、加載速度和載荷作用方式。加載速度和載荷作用方式。材料的高

2、、低溫性能，電場(chǎng)、材料的高、低溫性能，電場(chǎng)、磁場(chǎng)、輻射性能。磁場(chǎng)、輻射性能。一、拉伸試驗(yàn)及材料的強(qiáng)度與塑性一、拉伸試驗(yàn)及材料的強(qiáng)度與塑性左圖為拉伸試驗(yàn)機(jī)左圖為拉伸試驗(yàn)機(jī)下圖為拉伸試驗(yàn)過(guò)下圖為拉伸試驗(yàn)過(guò)程中試樣的變形及程中試樣的變形及斷裂。斷裂。由上圖可知：在拉伸載荷作用下，試樣的變形由上圖可知：在拉伸載荷作用下，試樣的變形分為三個(gè)階段：彈性變形階段；塑性變形階段；分為三個(gè)階段：彈性變形階段；塑性變形階段；斷裂階段。在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，可測(cè)定的主要斷裂階段。在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，可測(cè)定的主要力學(xué)性能指標(biāo)有：力學(xué)性能指標(biāo)有：(1)屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s , (2)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b, (3)彈性模量彈性模量

3、E，(4)斷面收縮率斷面收縮率 , (5)斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率。 200mm試樣原始橫截面積SN試樣屈服時(shí)的載荷ssSFSF F0.2 0.2 = ( M pa ) S0 試樣原始橫截面試樣原始橫截面( mm2)試樣產(chǎn)生試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變殘余塑性變 形時(shí)的載荷形時(shí)的載荷(N) S0 - S k = 100% S0 Fb b = ( M pa ) S0 試樣原始橫截面試樣原始橫截面( mm2)Fb 試樣斷裂前的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N) L k L 0 = 100% L 0 10% 屬塑性材料。屬塑性材料。其其斷斷口口特特征征如如圖圖所所示示低碳鋼力-拉伸曲線示意圖低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)

4、變曲線(a)陶瓷(b)低碳鋼(c)橡皮的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線塑膠件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線大理巖的三向壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線混凝土的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線合成纖維的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線鋁合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線硬度硬度: 指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。能力。1. 布氏硬度（布氏硬度（HBW）布氏硬度試驗(yàn)機(jī)布氏硬度試驗(yàn)機(jī)布氏硬度試驗(yàn)機(jī)測(cè)試原理布氏硬度試驗(yàn)機(jī)測(cè)試原理施加載荷F球冠表面積，）（222SdDDDFSFHBW表示方法：表示方法：120HBW10/1000/30；后面的數(shù)字依次表示：后面的數(shù)字依次表示：（1）球體直徑；（）球體直徑；（2）試驗(yàn)力；）試驗(yàn)力；（3）試驗(yàn)

5、力保持時(shí)間（）試驗(yàn)力保持時(shí)間（1015s不標(biāo)注）。不標(biāo)注）。主要用于測(cè)定組織粗大且不均勻的金屬材料主要用于測(cè)定組織粗大且不均勻的金屬材料的硬度，如鑄鋼、鑄鐵、供應(yīng)態(tài)鋼材等。的硬度，如鑄鋼、鑄鐵、供應(yīng)態(tài)鋼材等。硬度標(biāo)尺：硬度標(biāo)尺：HRA、HRB、HRC。其中。其中 C標(biāo)尺最常標(biāo)尺最常用用 。 在批量的成品或半成品質(zhì)量檢驗(yàn)中廣泛使用在批量的成品或半成品質(zhì)量檢驗(yàn)中廣泛使用. 2.洛氏硬度洛氏硬度2.洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度表示方法：洛氏硬度表示方法：50HRC，80HRB，60HRA3.維氏硬度維氏硬度3.維氏硬度維氏硬度表示方法：表示方法： 如：如：640HV30/20 測(cè)量精度高、范圍廣，測(cè)量精

6、度高、范圍廣，但比較麻煩，主要用于但比較麻煩，主要用于研究工作。研究工作。注：注：各硬度值之間大致有以下關(guān)系：各硬度值之間大致有以下關(guān)系：布氏硬度值在布氏硬度值在200-600范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，HBW10HRC；布氏硬度值小于布氏硬度值小于450HBS，HBWHV 參考書(shū)目：1、材料力學(xué)性能，劉春廷化，學(xué)工業(yè)出版社，2009年2、材料力學(xué)性能，時(shí)海芳，任鑫，北京大學(xué)出版社，2006年3、GB/T 10623-2008 金屬材料 力學(xué)性能試驗(yàn)術(shù)語(yǔ)，2008年 課后習(xí)題： 系統(tǒng)的了解各種金屬材料的強(qiáng)度、硬度、的測(cè)試儀器及測(cè)試方法。試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊吸收功試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊吸收功A k為為:A

7、 k = m g H m g h (J)沖擊韌度沖擊韌度ak 就是試樣缺口處單位截面積上所就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。消耗的沖擊功。 AK a k = (J/cm) S0n 疲勞斷裂：材料在循環(huán)載荷的作用下，即使所受應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度也常常發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱之疲勞斷裂。危害：沒(méi)有明顯的塑性變形，難以檢測(cè)和預(yù)防。n 疲勞強(qiáng)度：表示材料經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂的最大應(yīng)力值，用以表征材料抵抗疲勞斷裂的能力。n 測(cè)試方法：旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。工程上規(guī)定，材料在循環(huán)應(yīng)力作用下達(dá)到某一基數(shù)N而不斷裂時(shí)，其最大應(yīng)力就作為該材料的疲勞極限。光滑試樣測(cè)得的疲勞強(qiáng)度用-1表示。疲勞曲線：材料所承受的應(yīng)

8、力與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線。鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 108如何避免疲勞斷裂：措施1：改善加載方式，加載在金屬上的強(qiáng)度不能忽大忽小。措施1：改善零件的結(jié)構(gòu)形式，避免尖角、降低表面粗糙度等避免應(yīng)力集中。措施2：表面強(qiáng)化，表面淬火，表面熱處理，化學(xué)熱處理，噴丸，滾壓，鍍層等。 美國(guó)在二戰(zhàn)期間有5000艘全焊接的“自由輪”，其中有238艘完全破壞，有的甚至斷成兩截。 20世紀(jì)50年代，美國(guó)發(fā)射北極星導(dǎo)彈，其固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用了高強(qiáng)度鋼D6AC,屈服強(qiáng)度為1400MPa，按照傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)

9、計(jì)與驗(yàn)收時(shí)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)包括強(qiáng)度與韌性都符合要求，設(shè)計(jì)時(shí)的工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，但發(fā)射點(diǎn)火不久，就發(fā)生了爆炸。，尤其是脆性斷裂，它是突然發(fā)生的破壞，斷裂前沒(méi)有明顯的征兆，這就常常引起災(zāi)難性的破壞事故。 傳統(tǒng)力學(xué)設(shè)計(jì)工作應(yīng)力許用應(yīng)力即認(rèn)為是安全的=s/n 塑性材料=b/n 脆性材料經(jīng)典強(qiáng)度理論無(wú)法解釋為什么工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度時(shí)會(huì)發(fā)生所謂低應(yīng)力脆斷的現(xiàn)象 原因是：傳統(tǒng)力學(xué)是把材料看成均勻的，沒(méi)有缺陷的，沒(méi)有裂紋的理想固體，但是實(shí)際 的工程材料，在制備、加工及使用過(guò)程中， 都會(huì)產(chǎn)生各種宏觀缺陷乃至宏觀裂紋。 其中n為安全系數(shù)研究發(fā)現(xiàn)低應(yīng)力脆斷總是和材料內(nèi)部含有一定尺寸的裂紋相聯(lián)系當(dāng)

10、裂紋在給定的作用應(yīng)力下擴(kuò)展到一臨界尺寸時(shí)就會(huì)突然破裂傳統(tǒng)力學(xué)或經(jīng)典的強(qiáng)度理論解決不了帶裂紋構(gòu)件的斷裂問(wèn)題 斷裂力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生圖2 壓力容器應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂圖3 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂放大圖圖1 管材的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（一）裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)由于裂紋擴(kuò)展是從尖端開(kāi)始進(jìn)行的，所以應(yīng)該分析裂紋尖端的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，建立裂紋擴(kuò)展的力學(xué)條件。歐文（G. R. Irwin）等人對(duì)張開(kāi)型裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了分析，建立了應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的數(shù)學(xué)解析式。二、斷裂韌性（度）二、斷裂韌性（度）對(duì)于張開(kāi)型裂紋試樣，拉伸或彎曲時(shí)，其裂紋尖端處于更復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，最典型的是平面應(yīng)力和平面應(yīng)變兩種應(yīng)力狀態(tài)。平面應(yīng)力：平面應(yīng)力：指所有的應(yīng)力都在

11、一個(gè)平面內(nèi)，指所有的應(yīng)力都在一個(gè)平面內(nèi)，平面應(yīng)力問(wèn)題主要討論的對(duì)象是薄板，薄壁厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)平面應(yīng)力問(wèn)題主要討論的對(duì)象是薄板，薄壁厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)另外兩個(gè)方向的尺度。薄板的中面為平面，所受外力均平行于另外兩個(gè)方向的尺度。薄板的中面為平面，所受外力均平行于中面面內(nèi)，并沿厚度方向不變，而且薄板的兩個(gè)表面不受外力中面面內(nèi)，并沿厚度方向不變，而且薄板的兩個(gè)表面不受外力作用。作用。平面應(yīng)變：平面應(yīng)變：指所有的應(yīng)變都在一個(gè)平面內(nèi)。指所有的應(yīng)變都在一個(gè)平面內(nèi)。平面應(yīng)變問(wèn)題比如壓力管道、水壩等，這類彈性體是具有很長(zhǎng)平面應(yīng)變問(wèn)題比如壓力管道、水壩等，這類彈性體是具有很長(zhǎng)的縱向軸的柱形物體，橫截面大小和形狀沿軸

12、線長(zhǎng)度不變，作的縱向軸的柱形物體，橫截面大小和形狀沿軸線長(zhǎng)度不變，作用外力與縱向軸垂直，且沿長(zhǎng)度不變，柱體的兩端受固定約束。用外力與縱向軸垂直，且沿長(zhǎng)度不變，柱體的兩端受固定約束。（一）裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)（續(xù)） （二）裂紋擴(kuò)展的基本形式（二）裂紋擴(kuò)展的基本形式a) 張開(kāi)型張開(kāi)型b) 滑開(kāi)型滑開(kāi)型 c) 撕開(kāi)型撕開(kāi)型1. 張開(kāi)型（I型）裂紋擴(kuò)展 拉應(yīng)力垂直于裂紋擴(kuò)展面，裂紋沿作用力方向張開(kāi)，沿裂紋面擴(kuò)展，如壓力容器縱向裂紋在內(nèi)應(yīng)力下的擴(kuò)展。2. 滑開(kāi)型（II型）裂紋擴(kuò)展切應(yīng)力平行作用于裂紋面，而且與裂紋線垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開(kāi)擴(kuò)展，如花鍵根部裂紋沿切向力的擴(kuò)展。3. 撕開(kāi)型（III型）裂紋擴(kuò)展切

13、應(yīng)力平行作用于裂紋面，而且與裂紋線平行，裂紋沿裂紋面撕開(kāi)擴(kuò)展，如軸的縱、橫裂紋在扭矩作用下的擴(kuò)展。（三）應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI 裂紋尖端區(qū)域各點(diǎn)的應(yīng)力分量除了決定其位置外，尚與強(qiáng)度因子KI有關(guān)。 對(duì)于某一確定的點(diǎn)，其應(yīng)力分量由KI決定，所以對(duì)于確定的位置，KI直接影響應(yīng)力場(chǎng)的大小，KI增加，則應(yīng)力場(chǎng)各應(yīng)力分量也越大。 因此，KI就可以表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度，稱為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子。aYKI式中：式中：a為裂紋尺寸的一半為裂紋尺寸的一半 名義應(yīng)力名義應(yīng)力 Y裂紋形狀系數(shù)，一般裂紋形狀系數(shù)，一般Y=12 I張開(kāi)型裂紋擴(kuò)展張開(kāi)型裂紋擴(kuò)展（三）應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI（四）斷裂韌度KIc和斷裂韌度KI判據(jù) KI是決定

14、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱的一個(gè)復(fù)合力學(xué)參量，就可將它看作是推動(dòng)裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力，以建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的力學(xué)判據(jù)與斷裂韌度。 當(dāng)和a單獨(dú)或共同增大時(shí)，KI和裂紋尖端的各應(yīng)力分量隨之增大。 當(dāng)KI增大到臨界值時(shí)，也就是說(shuō)裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)應(yīng)力達(dá)到了材料的斷裂強(qiáng)度，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。 這個(gè)臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的KI值就記作KIC或KC，稱為斷裂韌度。 KIC：平面應(yīng)變下的斷裂韌度，表示在平面應(yīng)變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。 KC：平面應(yīng)力斷裂韌度，表示平面應(yīng)力條件材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。 但KC值與試樣厚度有關(guān)，當(dāng)試樣厚度增加，使裂紋尖端達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，斷裂韌度趨于一個(gè)穩(wěn)定的最低值，就是KIC，與

15、試樣厚度無(wú)關(guān)。 在臨界狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的平均應(yīng)力，稱為斷裂應(yīng)力或裂紋體斷裂強(qiáng)度，記為c，對(duì)應(yīng)的裂紋尺寸稱為臨界裂紋尺寸，記作ac。（四）斷裂韌度KIc和斷裂韌度K判據(jù)（續(xù)）（五） 斷裂韌度KIC的測(cè)試一、試樣的形狀、尺寸及制備二、斷裂強(qiáng)度因子測(cè)試示意圖（六）KIC和KC的區(qū)別 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI增大到臨界值KIC時(shí)，材料發(fā)生斷裂，這個(gè)臨界值KIC稱為斷裂韌度。 KI是力學(xué)參量，與載荷、試樣尺寸有關(guān)，而和材料本身無(wú)關(guān)。 KIC是力學(xué)性能指標(biāo)，只與材料組織結(jié)構(gòu)、成分有關(guān)，與試樣尺寸和載荷無(wú)關(guān)。 根據(jù)KI和KIC的相對(duì)大小，可以建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷的斷裂K判據(jù)，由于平面應(yīng)變斷裂最危險(xiǎn)，通常以KIC為標(biāo)準(zhǔn)

16、建立：IICKK aYKCc121）（YKaCc 一、材料的高溫力學(xué)性能（續(xù)）2、持久強(qiáng)度極限定義：指試樣在恒定溫度下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間而不斷裂的最大應(yīng)力。表示為t。 用于不考慮變形，只考慮使用壽命零件設(shè)計(jì)。3、高溫韌性一般用高溫下沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。指標(biāo)：高溫沖擊功AtK和高溫沖擊韌度atK 。高溫疲勞極限 高溫疲勞常常是疲勞和蠕變共同作用結(jié)果。材料在高溫下抵抗疲勞破壞的能力稱為高溫疲勞極限， tR，R為應(yīng)力比。二、材料的低溫力學(xué)性能 常用“低溫沖擊試驗(yàn)”進(jìn)行測(cè)定。 指標(biāo)：低溫沖擊功和低溫沖擊韌度值小結(jié)：材料力學(xué)七大性能指標(biāo)小結(jié)：材料力學(xué)七大性能指標(biāo)一一:彈性指標(biāo)彈性指標(biāo) ：1.彈性模量彈性模量E 2.切變彈性模量切變彈性模量3.比例極限比例極限 4.彈性彈性極限極限e。二二:強(qiáng)度性能指標(biāo)：強(qiáng)度性能指標(biāo)：1.強(qiáng)度極限 2.抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b 3.抗彎強(qiáng)度 4.抗壓強(qiáng)度 5.抗剪強(qiáng)度 6.抗扭強(qiáng)度 7.屈服極限屈服極限s（或者稱屈服點(diǎn)）（或者稱屈服點(diǎn)）8.屈服屈服強(qiáng)度強(qiáng)度 0