10工程力学(下)—材料的其它性能(北科大版)

第十章材料的力学性能§10-1高温下材料的力学性能§10-2冲击韧度§10-3交变应力下材料的疲劳极限§10-4断裂纫度§10-5硬度§10-6提高和改善材料的力学性能的途径第十章材料的力学性能一：短时高温下材料的力学性能:§10—1高温下材料的力学性能金属材料在高温下材料的力学性能的主要变化是：随着温度的升高，材料的强度降低，而塑性增高。但钢在不太高的温度下有些例外。下图是低碳钢的各项指标随温度升高而变化的情况：5004003002001000200600400800T/CEσbσs204060801000200800T/C600400δφφ/%,δ/%σ/MPa兰脆点（1）蠕变现象：在一定温度和不变应力（低于屈服点）作用下，材料随时间增加而缓慢地发生塑性变形的现象叫蠕变。温度越高，使材料产生蠕变所需的应力越小，甚至小于材料的比例极限；而且温度越高，在应力不变的情况下蠕变速度也越快。（2）蠕变规律为了研究材料的蠕变规律，可以将试样保持一定的拉力和温度，不断测试样的长度的变化，将式样蠕变伸长率随时间变化的关系曲线叫蠕变曲线。二蠕变：金属材料典型的蠕变曲线δ/%BA第二阶段第三阶段第一阶段DC0第一阶段:蠕变速度逐渐减小;第二阶段:蠕变速度恒定;第三阶段:蠕变速度不断增加,直到端裂。（3）蠕变极限和持久强度极限（II）在规定温度和恒定拉力负荷下，式样在匀速蠕变阶段的蠕变速度不超过某一规定值的最大应力；如：表示工作温度为６００℃，蠕变速度为１×１０－５％／时的蠕变极限。5600110蠕变极限有两种表示方法：7000.2/100（I）在规定温度和恒定拉力负荷下，式样在规定时间内蠕变伸长率不超过某一规定值的最大应力；如：工作温度为７００℃，经１００小时后蠕变伸长率为０.2％时的蠕变极限。三应力松弛在规定温度及初始变形或位移恒定的条件下，材料中的应力随时间而减小的现象叫应力松弛。主要是由于在初始变形恒定的限制下，材料的蠕变以初始变形中的弹性变形部分不断转变为塑性变形的方式进行，从而使应力逐渐减小。§10—2冲击韧度在工程实际中采用一次摆锤冲击弯曲实验，测定标准式样再一次冲击载荷作用下折断，式样缺口底部单位面积上所吸收的冲击功，作为衡量材料抵抗冲击断裂能力的性能指标，这个性能指标叫做冲击韧度。12()kGhhA其表示式是：我国GB224—84规定的U型缺口标准冲击式样尺寸如下图所示：55±0.6010+0.018±0.0510±0.1R1=1.540+0.5027.5±0.3016下图是带有V型缺口的夏比试样进行冲击试验：55±0.6040+0.5027.5±0.3010+0.01R1=1.516冲击韧性只能作为比较材料抵抗冲击能力的一个参考性指标。在选用承受冲击荷载的材料时，一般规定在不同的情况下材料所容许的最低冲击韧性αk或冲击吸收功Ak。冲击试验广泛应用于检验材料的品质和控制热处理工艺质量、以及评定材料脆性转折温度。几点结论:§10—3交变应力下材料的疲劳极限随时间而作周期性改变的载荷称为交变载荷。例如，一对啮合过程中齿轮的接触力；空气压缩机的活塞杆。一交变应力的类型及其应力比应力每重复变化一次的过程叫应力循环。应力循环中最小应力σmin与最大应力σmax之比叫应力比，并以符号r表示。最大应力与最小应力的平均值叫平均应力，以σm表示。最大应力与最小应力之差的一半叫应力幅，以σa表示。t一个应力循环σmaxσminσaσmσ0(1)对称循环交变应力当σmax=-σmin,即r=-1的交变应叫力对称循环交变应力。σmaxσminσ0t(2)脉动循环交变应力当σmin=0,σmax0,即r=0的交变应力叫脉动循环交变应力。σmaxσmin=00tσ二材料在交变应力作用下的破坏特点，疲劳极限（1）抵抗断裂的极限应力低。（2）破坏有一个过程，要经过若干次应力循环后才突然断裂。（3）材料的破坏呈脆性断裂，即使是塑性材料也无明显的塑性变形。材料的破坏的整个过程经历了裂纹形成、裂纹扩展、最后断裂三个阶段。粗糙区裂纹源光滑区疲劳的定义：材料在交变应力的作用下，在一处或几处产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为疲劳。回转弯曲疲劳实验的实验原理如下图所示：Mmax561P/2P/2P4223对于钢、铁等材料，当循环应力中的最大应力值低于某一极限值时，则试样经过无限多次应力循环也不断裂。这一极限值就称为材料的疲劳极限。σmaxσ-1N碳钢、大多数合金结构钢及铸铁图中水平线所对应的应力值σ-1即为该材料的弯曲对称循环疲劳极限。三影响疲劳极限的主要因素（3）表面加工的影响（1）应力集中的影响K光滑试样的疲劳极限有效应力集中系数具有应力集中的试样的疲劳极限（2）构件尺寸大小的影响大尺寸光滑试样的疲劳极限尺寸系数标准小尺寸光滑试样的疲劳极限（4）工作环境的影响1111()Kk构件构件对于弯曲和拉压对于扭转（）例：一车轴的一段，已知该轴的材料为45钢，σb=600MPa，弯曲对称循环疲劳极限σ-1=275MPa,表面光洁度为Ra1.6。试按该段截面变化处的情况，计算构件的疲劳极限（σ-1）构件。5040解：（1）确定有关系数：有效应力集中系数为：1.95k尺寸系数：12006000.730.840.730.821200500（）计算疲劳极限：110.820.942751091095MPak构件（）§10—4断裂韧度一概述断裂韧度是考虑了宏观裂纹的存在，通过对含裂纹试样的断裂实验和裂纹尖端区的应力分析，而得到的反映材料抵抗裂纹扩展能力的性能指标。二裂纹尖端应力强度因子裂纹在扩展形式上是裂纹上下面沿裂纹垂直方向张开，我们把这种扩展形式的裂纹称为张开型裂纹或I型裂纹1113cos1sinsin22223cos1sinsin22223sincoscos2222xyxyKrKrKr（）（）裂纹尖端区任一点A处的各应力分量的表达式为：三材料的断裂韧度（1）断裂韧度的概念随构件载荷不但加大，当应力强度因子增大到某一极限KC时，裂纹就会快速扩展而脆断，这一应力强度因子的临界值KC称为断裂韧度。材料在受三向拉应力状态下很易于脆性断裂，而厚板的断裂韧度值最小，这一最小值叫平面应变断裂韧度。板内各点的应变均发生在平行于板的平面内，这种情况称为平面应变状态。（2）平面应变断裂韧度的测试原理测试材料的平面应变断裂韧度常采用如图所示的两种试样和加载方式:（B）紧凑拉伸试样PPa（A）三点弯曲试样P/2P/2Pa（3）外界因素对KIc的影响外界条件如温度、加载速度、工作介质等，材料的断裂韧度KIc也不相同。四断裂韧度的应用（1）合理选择材料和工艺例一承受内压的圆桶薄壁容器，已知工作应力，沿容器纵向焊缝热影响区在未穿透的表面裂纹，裂纹a=1.5mm，裂纹尖端应力强度因子计算，试在如下两种钢中选材：A钢:B钢:3/2180062sICMPakMNm；3/2132093sICMPakMNm；18001.51200sAn钢13201.11200sBn钢解：(1)考虑容器超载的安全性两钢种的安全系数为：（2）考虑容器抗脆断能力，容器裂纹尖端应力强度因子63/211.51.51200100.001569.7kaMNm3/21262kkMNm3/21262kkMNm如选A钢，ns虽高，但要发生脆断；如选B钢，虽然ns较低，但,不致发生脆断，所以应选B钢。451803.140.02ICckMPaa2222450.02862.861503.14ICckacm解：（1）计算临界应力：（2）计算临界裂纹尺寸：（2）用于含裂纹构件的安全计算或使用寿命估算裂纹构件发生脆断的条件是：K1=KIc例一两段受拉的厚平板，中央具有穿透裂纹，裂纹与受拉方向垂直，因裂纹尺寸2a与板宽相比甚小，可视为板宽无限大的平板，应力强度因子计算式为，板材的断列韧度KIC=45MN。试求：（1）当裂纹尺寸a=2cm时，使平板发生脆断的临界拉应力；（2）当工作应力时，平板发生脆断的临界裂纹尺寸ac。§10—5硬度一硬度的概念硬度有多种的度量方法，再工程实际中应用最多的是压痕法。二布氏硬度用试样压痕球面面积所承受的平均压力表示材料的硬度值，称布氏硬度。布氏硬度用HBS和HBW表示，即：2220.102DFHBSHBWDDd（）（）其实验原理如图所示：FD（a）d（b）D/2布氏硬度实验的优点是：精度高，数据稳定；与σb有一定的关系；压痕较大，能反应材料较大体积内地综合平均性能。但此法操作较慢，切只能测试650HBW或450HBS以下硬度值的材料。三洛氏硬度洛氏硬度是在初始压力P0及初始压力P0再加主压力P1的先后作用下，将压头压入试样表面，经规定保压时间后卸出主压力P1，用测试残余压痕深度增量e计算硬度的一种压痕硬度实验，洛氏硬度用HR符号表示，并按下式计算硬度值：HR=C--e试样表面HR标尺P0P0P=P0+P1基线eh1hcc-e洛氏硬度的主要优点是：实验操作迅速简便，适用于大量成品检验。洛氏硬度的主要缺点是：各种硬度级别之间不能进行比较；由于压痕小，对于粗晶粒材料，实验结果往往不一至。§10—6提高和改善材料的力学性能的途径一材料的化学成分和微观组织结构性能的关系（1）化学成分对力学性能的影响钢是含碳量小于2%的铁碳合金，对于正火状态的碳钢，随钢中含碳量的增加，抗拉强度σb、硬度HB上升，而塑性δ、Ψ和冲击韧度αk下降，但其中在含碳量大于1%，σb随含碳量的增加却不断减小。（2）微观组织结构对力学性能的影响在固态下，所有金属都是由许多大小、形状不一的微小晶粒组成的，每个晶粒又是许多按一定规则排列的原子所组成。为了表示金属原子的排列规则，可以将原子之间用直线连接起来，形成空间格子——称为晶格。常见的有体心立方晶格和面心立方晶格，如图所示。体心立方晶格面心立方晶格金属的晶格类型对材料的力学性能有显著的影响。就塑性而言，面心立方晶格的金属比体心立方晶格的金属要好，并且无低温冷脆现象，而体心立方晶格的金属则有低温冷脆现象。二提高和改善力学性能的途径（1）调整、控制材料的化学成分和合金元素的含量（2）进行热处理在生产中常用的普通热处理有退火、正火、淬火和回火等：钢的退火：将偏离平衡状态的钢组织加热、保温，然后缓慢冷却（一般随炉冷却），以获得接近平衡态组织的热处理工艺。钢的正火：也叫常化，将钢件加热到AC3（对于亚共析钢）和Accm（对于过共析钢）以上30-50℃，保温后在流动的空气中均匀冷却，使钢的组织正常化。钢的淬火：将钢加热到临界温度（AC1或AC3）以上，经适当保温后快冷，使奥氏体转变为马氏体的加工过程。钢的回火：淬火后的钢是马氏体和残余奥氏体，它们都是不稳定组织，具有转变为较稳定组织的倾向。回火即为从不稳定组织转变为较稳定组织的热处理过程，而温度对这种转变有着决定性的作用。三进行冷热变形