工程材料力学性能

材料力学性能材料的力学性能力学性能也称机械性能(Mechanicalproperty)，是材料抵抗外力作用引起的变形(Deformation)和断裂(Fracture)的能力。包括：强度(Strength)、硬度(Hardness)、塑性(Ductility)、韧性(Toughness)、耐磨性(Wearresistance)等。力学性能影响因素：内因——材料的成分、显微组织、应力状况；外因——载荷大小种类、加载速率、环境温度、介质。载荷静载荷：静拉伸、压缩、弯曲、扭转动载荷周期变动载荷：如交变载荷，大小方向均作周期性变动随机变动载荷几类典型载荷应力、应变应力——材料受外加载荷作用时单位面积的内力，单位：MPa=P/F0应变、——材料单位长度（或面积）上的伸长或收缩，单位：无=（l-l0）/l0，=（F0-F）/F0lFF0l0PP材料静拉伸试验静拉伸应力—应变曲线bKse/MPaeKE塑性材料拉伸应力—应变曲线塑性材料在静拉伸载荷作用下从开始变形到断裂可分为三个阶段：•弹性变形阶段•塑性变形阶段（加工硬化）•断裂弹性变形性能指标：弹性模量——反应材料抵抗弹性变形的能力正变弹性模量：E=tg=/（虎克定理）弹性极限e——材料由弹性变形阶段过渡到塑性变形时的应力，一般规定以产生一定残余伸长（如0.01%）时的应力为弹性极限，记为0.01弹性e——可以回复的最大变形量弹性比功e——材料吸收弹性变形功的能力弹性变形——材料在载荷作用下发生的可以完全回复的变形实质——反应原子间作用力大小/MPaeeEeeee2212金属材料弹性变形特点•变形可完全回复•变形量小弹性变形原子水平解释弹性模量影响因素弹性模量是组织不敏感参量，主要取决于原子本性与晶格类型。原子间作用力越大，弹性模量越大；——因此，熔点越高，弹性模量越大原子间距增大，弹性模量减小。——因此，温度升高，弹性模量减小弹性模量与熔点的关系塑性变形塑性变形——材料发生的不可逆变形。特点：•应力-应变关系非线形；•变形不可逆；•通过原子价键的断开、重排实现（晶体材料中，通过滑移和孪生的方式实现）切变强度——理论值和实际值的巨大差异理论切变强度：G/30实际纯金属单晶最大切变强度：G/100，000~G/10，000Why?滑移滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。⑴滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。⑵滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生，这是因为原子密度最大的晶面和晶向之间间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。⑶滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。⑷滑移的同时伴随着晶体的转动。转动有两种：一种是滑移面向外力轴方向转动，另一种是在滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。（5）滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。滑移的特点滑移系常见晶体结构的滑移面是原子最密排面，滑移方向是原子最密排方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。晶体结构体心立方面心立方密排六方滑移系滑移面（110）（111）（001）滑移方向[111][110][001]滑移系数量12123产生滑移的力学条件coscoscos/cosAFAFcoscossccoscos假设滑移面法向与外力F的方向夹角为，滑移方向与外力F的方向夹角为，那么，作用在滑移方向上的分切应力为，只有当达到某一临界值c时，滑移才能开始，此时宏观上材料开始屈服，F/A等于s，因此，c称为晶体的临界分切应力，其数值取决于材料的本性、温度和加载速率。称为取向因子。取向因子大，容易满足条件c，滑移容易产生，因此该滑移方向称为软取向；相反，取向因子小的滑移方向称为硬取向。单晶临界分切应力位错线的观察经缀饰的位错网络随塑性变形的进行，不断产生新位错，位错密度增加，互相缠结，使位错运动越来越困难。孪生材料滑移系少或环境温度低，位错运动不容易进行时，也可在切应力作用下以孪生方式实现塑性变形。孪生变形沿特定晶面（孪生面）和特定晶向（孪生方向）进行。发生切变的部分称为孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。与滑移不同，孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近于声速；孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。多晶体塑性变形特点多晶材料在大于屈服应力的载荷作用下，不同取向晶粒变形协调进行：软取向晶粒较早达到临界分切应力，首先变形；硬取向晶粒变形启动较晚。较早变形的晶粒受周围较晚变形晶粒的约束。在塑性变形过程中，由于晶粒的转动，当变形达到一定程度（70%以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，这种现象称为形变织构(texture)或择优取向（preferredorientation）。冷变形纤维组织冷变形纤维组织使材料性能产生各向异性加工硬化材料经塑性变形后晶粒拉长，晶格变形，形成亚结构；位错增殖缠结；产生内应力。这些都阻碍位错的运动，使材料的强度增加、塑性降低。这种现象称加工硬化，又称形变强化。一般多晶体金属在拉伸应力——应变曲线上均匀塑性变形阶段，应力与应变之间符合Hollomon关系式，其中，S为真应力，e为真应变，K为常数，n——形变强化指数。nKeS材料Al-FeCu18-8不锈钢n~0.15~0.2~0.30~0.45一些金属材料的形变强化指数)1(/0FFPS)1ln(ln00llldldeell金属压力加工金属的再结晶再结晶过程通过两个阶段完成：1)回复——位错减少形成亚晶粒，内应力消失，但保持加工硬化效果；T回＝（0.25~0.30）T熔2)再结晶——形成等轴晶粒，强度降低、塑性提高，加工硬化现象消除。T再＝0.40T熔再结晶过程实验观察加热前625℃加热（不完全再结晶）670℃加热（完全再结晶）750℃加热（晶粒长大）经70%塑性变形工业纯铁加热时的组织变化400×屈服强度——条件屈服强度屈服强度s——材料开始产生塑性变形时的应力条件屈服强度s：产生0.2%残余变形时的应力值屈服强度低碳钢的拉伸应力-应变曲线以下屈服点的屈服应力为屈服强度s抗拉强度、断裂强度抗拉强度（强度极限，UTS）b——试样断裂前承受的最大应力断裂强度K——试样断裂时的应力强度指标总结强度指标：s、b（UTS）、K凡是阻碍位错运动的因素都提高材料的强度！塑性塑性指标：延伸率K——试样拉断后标距长度的相对伸长量断面收缩率K——试样拉断后标距部分截面的相对收缩值%10000lllfK%10000AAAfK一般规定延伸率小于5%为脆性材料，大于5%为塑性材料。一些金属材料的力学性能韧性表征材料断裂前吸收能量的能力，可用拉伸应力-应变曲线与x轴包围的面积来表征。单位：J/m3断裂断裂是材料中裂纹形核和扩展的过程韧性断裂——断裂前产生明显宏观塑性变形，断裂前吸收大量能量脆性断裂——断裂前无明显宏观塑性变形，断裂前几乎不吸收能量圆柱形静拉伸试样韧性断裂形貌（杯锥状断口）圆柱形静拉伸试样脆性断裂形貌（平直断口）杯锥状断口形成示意图a)颈缩导致三向应力b)微孔形核c)微孔长大d)微孔连接成锯齿状e)边缘剪切断裂微孔聚集型断裂等轴韧窝拉长韧窝韧窝底部的颗粒表明微孔往往在硬质点处形核。韧、脆性断口微观形貌塑性断裂脆性断裂穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂（低温下）；沿晶断裂多数是脆性断裂。冰糖状断口沿晶断裂（脆性）放射状断口穿晶断裂（脆性）微孔型断口穿晶断裂（韧性）解理断裂沿特定界面发生的脆性穿晶断裂疲劳断裂材料的疲劳——材料在周期性交变载荷作用下，产生低应力（一般最大应力小于屈服强度）脆断。疲劳断裂是个损伤累积的过程ttsin0-1循环周次N疲劳曲线疲劳断口观察TEM微观形貌（疲劳辉纹），显示疲劳断口光亮区裂纹缓慢扩展过程SEM宏观形貌，显示疲劳断裂过程：疲劳裂纹首先在表面形核，而后慢慢扩展形成一光亮区，最后因承受载荷面积减少而快速扩展。疲劳断裂实例硬度硬度——衡量材料软硬程度的性能指标，分压入法和刻划法两类压入法硬度表征材料弹性、微量塑性变形抗力及形变强化能力等，常用的有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）。三种硬度的压头材料及几何形状淬火钢球金刚石四棱锥A、C—金刚石圆锥B—淬火钢球数值002.01891.0)(204.0222ekHRdPHVdDDDPFPHBP—载荷，F—压痕面积e—压痕深度残余量k—常数，0.2mmHRB=HR+30布氏硬度计布氏硬度)(204.022dDDDPFPHB当压头为钢球时,布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金时用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。布氏硬度的优点是测量误差小、数据稳定；缺点是压痕大，不能用于太薄件或成品件。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。洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计定义：每0.002mm相当于洛氏1度洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种①HRB轻金属，未淬火钢②HRC较硬，淬硬钢制品③HRA硬、薄试件002.0ekHRe—压痕深度残余量k—常数，0.2mm洛氏硬度的符号、试验条件及应用硬度符号压头类型初载荷P0/N主载荷P1/NK硬度范围应用举例HRA金刚石圆锥98.07490.310020~88碳化物、硬质合金、表面淬火钢等HRB1.588mm钢球98.07882.613020~100软钢、退火钢、铜合金等HRC金刚石圆锥98.07137310020~70淬火钢、调质钢等维氏硬度维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。适用范围:测量薄板类HV≈HBS硬度测试仪器HRc宏观Hv显微Hv硬度测试举例维氏硬度努氏硬度硬度和抗拉强度之间的关系对钢材，HBb45.3硬度测试的优点：制样简单，设备便宜；基本上是非破坏性；可大致预测其它一些力学性能。冲击韧性冲击韧性——表征材料抵抗冲击载荷的能力。指标：冲击韧性（冲击值）KU（KV）AhhmgKVKU)()(J/cm2•冲击试验标准试样：•U型缺口（梅氏试样）•V型缺口（夏氏试样）KU（KV）值越大，表明材料断裂前吸收的能量越大，即材料变形和断裂消耗的功越多，材料韧性越好。韧脆转变温度当温度低于一临界值TK时，一些材料的断裂由韧性变为脆性，冲击值下降。这种现象称材料的低温脆性。TK为材料的韧脆转变温度。TK可用系列冲击试验确定。低温下服役的机件或构件，选用的材料应该具有一定的韧性温度储备：=T0-TKT0为使用温度。取20-60C。断裂韧性一些材料在工作应力低于屈服强度的条件下也会发生脆性断裂（低应力脆断。其原因是材料内部存在宏观裂纹。在断裂力学基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展的韧性性能叫断裂韧性。张开型(I型)裂纹滑开型(II型)裂纹撕开型(III型)裂纹裂纹扩展的三种基本形式对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时:就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力σy=KIγ=π/2a断裂韧性——KIC断裂韧性KICKIKIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断KI＝KIC时，裂纹处于临界状态KIKIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断KIC可通过实验测得，它