金属的力学性能

第一章：金属的力学性能概述力学性能指材料受外力作用时所表现的能力。力学性能指标刚度、强度、硬度、塑性、韧性、疲劳及蠕变等。•金属材料的力学性能是进行航空金属零件结构设计和维修时必须考虑的一项重要因素。在GB/T6397—1986《金属拉伸试验试样》规定，如图1-1所示。若以A0表示试样的原始横截面积，以d0表示试样的原始直径。长试样：L＝10d０＝11.3；短试样：Ｌ＝5d０＝5.65。0A0A图1-1圆形标准拉伸试样（a）拉伸前；（b）拉伸后如何评价材料的力学性能？测定材料的拉伸曲线1.1刚度与弹性将标准试样施加轴向拉伸载荷，使之发生变形直至断裂，便可得到试样应变ε随应力σ变化的关系曲线。图1-2为低碳钢的应力—应变曲线。图1-2低碳钢的应力—应变曲线拉伸曲线的获得——应力—应变曲线应变ε=Δl/l0=(l－l0)/l0试样原始标距增量与原始标距之比应力σ=F/A外力与试样原始横截面积之比退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢5.不同材料的拉伸曲线弹性变形：此阶段内卸掉载荷，试样恢复到原来尺寸；塑性变形：形变不随外力的撤去而消失；比例极限：用σp表示，其中OA′部分为一斜直线；A点和A′点可近似视为一点。试样受到外力弹性极限：用σe表示，A点所对应的应力为材料承受最大弹性变形时的应力；塑性变形部分：A-E阶段；试样断裂前所发生的总变形εE=弹性变形+塑性变形断裂时弹性变形部分仍然会做弹性恢复，保留下来的变形部分为塑性变形，称为残余变形，如图1-2中δE所示。断裂后，弹性变形部分会做弹性恢复还是会保留下来？刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力刚度指标：弹性模量（E）弹性模量E：在弹性变形范围内，应力与应变的比值。1.1刚度与弹性Ｅ＝tanα＝σ/ε（单位为MPa）其物理意义是产生单位弹性变形时所需应力的大小。对于具体零件，其刚度不仅与材料的弹性模量有关，还可以通过增加横截面积或改善截面形状的方法来提高零件的刚度。弹性模量是材料的本性随温度升高而逐渐降低外，其他的材料强化手段（如热处理、冷热加工、合金化等）对弹性模量的影响很小。1.2强度与塑性1.2.1强度定义：材料在外力作用下抵抗破坏的能力。强度指标有许多种，如屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。以拉伸试验测得的屈服强度和抗拉强度两个指标应用最多。1.屈服强度什么是材料的屈服？材料持续发生塑性变形而应力却不增加的这种现象称为屈服。在图中屈服阶段为BC段。屈服强度指B点所对应的应力，用σs表示。屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力。实际上，多数材料的屈服阶段不很明显或从拉伸曲线上看不出这一阶段；用拉伸时产生0.2％残余变形所对应的应力为材料的屈服应力，称为条件屈服强度或名义屈服强度，记为σ0.2。图1-3名义屈服强度的确定在图1-2中，CD段——均匀塑性变形——应变强化。变形超过D点后，试样开始发生局部塑性变形，即出现颈缩。随应变增加，应力明显下降，并迅速在E点断裂。2.抗拉强度抗拉强度：为材料断裂前所承受的最大应力，即D点所对应的应力，用σb表示。抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，是零件设计和材料评价的重要指标。塑性:指材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力塑性指标:伸长率和断面收缩率。1.2.2塑性如图1-1所示伸长率:δ＝l１－l０/l０×100%；断面收缩率:ψ＝Ａ０－Ａ１/Ａ０×100%。塑性的意义塑性良好的材料，冷压成型好。飞机和发动机薄壁零件，如蒙皮、翼肋、燃烧室零件等都是冷压成型的，使用的材料都应具有良好的塑性。超载或应力集中加工硬化效应塑性变形强度提高脆性断裂避免思考题：1、δ与ψ的数值越大，材料的塑性越好还是越坏？1.3硬度硬度：材料局部抵抗硬物压入其表面的能力弹性、塑性、强度和韧性等——综合指标。硬度与强度之间有一定的内在联系，但测硬度比较简便迅速；而且测量硬度可以在零件的非工作面上直接测量，不会损坏零件。1.3.1布氏硬度1.3.2洛氏硬度1.3.3维氏硬度1、试验原理2、表示方法3、优缺点硬度测试方法：静压法(如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等)试验原理:如图1-4所示。将直径为D的钢球或硬质合金球，在一定载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。实际操作时，先测量压痕平均直径d，然后查表得到材料的布氏硬度值。1.3.1布氏硬度图1-4布氏硬度的试验原理图布氏硬度计钢球——HBS表示——450以下的材料。硬质合金——HBW表示——650以下的材料。如120HBS10／1000／30表示直径为10mm的钢球在1000kgf(9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。优点：测量误差小，数据稳定；缺点：压痕大。最常用的钢球压头适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。布氏硬度表示方法及优缺点1.3.2洛氏硬度洛氏硬度的试验原理如图1-5所示，当测定硬度较高的材料时，选用120°的金刚石圆锥压头；测定硬度较低的材料时，选用淬火钢球压头。硬度计上有一个表头，测量时表头上可直接读出被测件的硬度值h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度表示方法及优缺点洛氏法根据测量时选用载荷与压头的不同，分为9个标尺，常用的有A、B、C三个，并将标尺代号标注在符号HR的右边。如HRA、HRB、HRC等，硬度值仍写在符号HR的前面，如50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度为50。应当注意：不同级别的硬度值不能直接相互比较。洛氏法的缺点是测量结果分散度大。如图1-6所示。136°正四棱锥体——金刚石压头载荷F+时间施加的载荷F与压痕表面积的比值即为维氏硬度。测量压痕对角线长度d——查表得到。1.3.3维氏硬度维氏硬度表示方法及优缺点640HV30／20表示在30kgf（294.2N）载荷作用下保压时间为20s测定的维氏硬度值为640。优点：极软到极硬的材料皆可测，又能互相比较;既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。1.4韧性韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，则材料发生脆性断裂的可能性越小。韧性材料比较柔软，它的拉伸断裂伸长率、抗冲击强度较大；硬度、抗拉强度和弹性模量相对较小。刚性材料它的硬度、抗拉强度较大；断裂伸长率和冲击强度就可能低一些；弹性模量就较大。1.4.1冲击韧性1.4.2断裂韧性定义：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。测定材料冲击性能的方法：普遍采用弯曲冲击试验，在图1-7所示的摆锤式冲击试验机上进行。摆锤打断试件时消耗的能量，以Ak表示。材料的冲击韧性值ak以试件缺口处单位截面面积的能量表示，即ak=Ak/A(kg·m/cm2)。式中A表示试件缺口处的横截面面积。1.4.1冲击韧性图1-7摆锤式冲击试验机1.4.1冲击韧性材料的ak值与材料的成分和组织有关，与试件形状、尺寸及试验温度等因素密切相关，所以不同试验条件下测得的值无法进行比较。小能量多次冲击试验来测定材料的抗冲击性能即测定材料的冲击循环次数N与冲击能量Ak之间的关系曲线1.4.1冲击韧性“脆断”——最危险的断裂——无明显的塑性变形如1943年1月，美国一艘T-2油轮停泊在装货码头时，竟发生突然断裂成两截的惨祸（图1-8）。据计算，断裂时船体承受的应力仅为68.6MPa，材料的强度极限300MPa～400MPa，屈服强度245MPa。1.4.2断裂韧性原因：材料内部毫无缺陷组织连续均匀介质可能吗？存在微裂纹，由于应力集中、疲劳、腐蚀等原因，裂纹会扩展，当裂纹尺寸达到临界尺寸时就会发生低应力脆断的事故。图1-8发生断裂的T-2油轮1.4.2断裂韧性表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。（指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。）它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。是应力强度因子的临界值。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。例如应力-应变曲线下的面积。1.4.2断裂韧性（fracturetoughness）测定：把刻有不同深度刻痕的试件进行拉伸试验，如图1-10所示公式K=σc成立。a1.4.2断裂韧性图1-10断裂强度与裂纹深度的关系曲线示意图对某种材料来说，K是一个常数表示材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力，称为断裂韧性。在裂纹扩展的过程中，按裂纹的力学特征可将其分为以下三类1.4.2断裂韧性图1-9裂纹表面三种位移形式(a)张开型裂纹；(b)滑开型裂纹；(c)撕开型裂纹。第一类为张开型裂纹，如图1-9(a)所示。构件承受垂直于裂纹面的拉力作用，裂纹表面的相对位移沿着自身平面的法线方向，若受拉板上有一条垂直于拉力方向而贯穿于板厚的裂纹，则该裂纹就是张开型裂纹。1.4.2断裂韧性第二类为滑开型裂纹，如图1-9(b)所示。构件承受平行裂纹面而垂直于裂纹前缘的剪力作用，裂纹表面的相对位移在裂纹面内，并且垂直于裂纹前缘，如齿轮或花键根部沿切线方向的裂纹就是滑开型裂纹。第三类为撕开型裂纹，如图1-9(c)所示。构件承受平行于裂纹前缘的剪力作用，裂纹表面的相对位移在裂纹面内，并平行于裂纹前缘的切线方向，如扭矩作用下圆轴的环形切槽或表面环形裂纹就是撕开型裂纹。在一般情况下，裂纹通常属于复合型裂纹，可以同时存在三种位移分量，也可以是任何两个位移分量的组合。在工程结构中，第一类裂纹最危险，也最常见。1.5疲劳强度•1.5.1疲劳断裂特征“交变载荷”零件在交变载荷作用下，虽然其应力比材料的抗拉强度小，甚至比屈服强度还小，但是在长期使用的某一时刻也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳源疲劳扩展区光滑区粗糙区1.5.1疲劳断裂特征图1-11疲劳断裂断口照片如图1-11所示当扩展区达到一定的临界尺寸时，构件剩余截面面积较小，在交变载荷的某次拉伸力的作用下，材料应力超过抗拉强度，这时零件会发生突然的脆性断裂，最后脆断的区域称为瞬间断裂区，由于这一区域断口表面比较粗糙，所以也叫粗糙区。多数情况下，疲劳裂纹源位于构件表面，如图1-11(a)所示。但有些情况下，裂纹源会在构件内部，同样断口也存在上述三个区域，如图1-11(b)所示。1.5.1疲劳断裂特征材料的疲劳强度是由疲劳试验测定的。由于疲劳试验的分散度较大，试验时要用较多的试样，在不同交变载荷的作用下，测定其发生断裂时的载荷循环次数N，最后将试验结果绘成如图1-12所示的应力与次数的关系曲线，称为疲劳曲线。从疲劳曲线上可知，试验应力降低，循环次数N增加。当应力降至某一数值时，曲线变成水平直线，即表示材料若承受低于该水平线所对应的应力值时，便可以经受无限次循环载荷也不发生疲劳断裂。把试样承受无限次应力循环仍不断裂时的最大应力作为材料的疲劳强度。1.5.2疲劳强度的测定及其影响因素图1-12疲劳曲线示意图而对于航空领域常用的硬铝、镁合金等有色金属及其合金材料，即使应力循环的最大应力值很低，经一定应力循环次数后也会断裂，不存在真正意义上的疲劳极限。因此，对于这一类材料，常根据构件使用寿命的要求，取在某一规定应力循环次数下（如107次），材料所能承受的最大应力值作为名义疲劳极限。影响零件疲劳寿命的因素很多，因此，提高构件疲劳强度的措施也是多方面的。构件的疲劳破坏总是从构件中应力最大的部位产生疲劳裂纹开始的，在一般情况下，构件中应力最大部位都在构件横截面的最外边缘，或在有应力集中的地方。1.5.2疲劳强度的测定及其影响因素因此，要合理设计构件的形状，尽量避免在构件上开出方形或带尖角的孔槽，设法避免构件外形急剧改变，尽可能地使其改变有一缓和的过渡，从而降低应力集中系数。同时，降低构件表面的粗糙度，也可减小在表面上因加工时刀具切削伤痕所造成的应力集中的影响，从而提高构件的疲劳极限。此外，在运输、装配，特别是在飞机检修过程中，应尽量避免在构件表面造成伤痕，以减小产生应力集中的可能性。还可以