材料科学与工程进展1-力学性质

第一讲力学性质一、概述力学性质：是指材料在外应力作用下的行为。常用的力学性质：E——弹性模量，描述应力和应变之间的比例关系。σ——屈服强度，材料发生塑性变形的最小应力；G——硬度，描述材料软硬的程度。•材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。•外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。•外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。五万吨水压机低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力=P/F0应变=(l-l0)/l0塑性流变—从低温到高温(1)低温区的塑性形变：T0.4Tm时，位错滑移是主要的形变机制。屈服强度取决于位错间的相互作用，来源于位错越过短程障碍的热激活过程，它依赖于温度T和应变速率。(2)高温幂律蠕变：T0.4Tm时，原子扩散和位错攀移作用明显表现出来。蠕变：材料在长时间的恒温、恒应力下，发生缓慢塑性变形的现象。蠕变强度：金属在一定温度下，一定时间内产生一定变形量所能承受的最大应力。(600℃、1000hr、0.1%变形量)持久强度：金属在一定温度下，一定时间内所能承受的最大断裂应力。(800℃、100hr)蠕变过程可分为三个典型阶段：起始的瞬态蠕变、中间的稳态蠕变和最终导致的蠕变。蠕变的主要机制为位错的攀移，需要位错在晶格中的扩散。(3)扩散蠕变：在更高的温度，低的应力下(小于屈服应力)，或在位错能动性差的情况下，位错滑移难以进行时，空位的定向扩散将成为蠕变的主要机制。a.Nabarro-Herring蠕变：外加拉应力于取向不同的晶界，其空位形成能有了不同的变化，从而导致晶界的空位平衡浓度不同，因而形成了在晶粒内部的空位扩散。物质的流动方向与空位流动方向相反，其结果是晶粒沿拉伸方向发生应变。b.Coble蠕变：在拉伸力的作用下，空位沿晶界扩散。1、弹性和刚度•弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。•刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。）（MPatgEe弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。陶瓷强度的测定：a.弯曲强度：三点弯曲或四点弯曲方法；b.抗拉强度：测定时技术上有一定难度，常用弯曲强度代替，弯曲强度比抗拉强度高20~40%；c.抗压强度：远大于抗拉强度，相差10倍左右，特别适合于制造承受压缩载荷作用的零部件。2、强度与塑性•强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。s0.2塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：伸长率：%100001lll%100010FFF断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象•说明：•①用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。•②直径d0相同时，l0，。只有当l0/d0为常数时，塑性值才有可比性。•当l0=10d0时，伸长率用表示；•当l0=5d0时，伸长率用5表示。显然5•③时，无颈缩，为脆性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征3、硬度•材料抵抗表面局部塑性变形的能力。•布氏硬度HB)(2102.022dDDDPHB布氏硬度计•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。•压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。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。布氏硬度压痕•布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。•缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。•适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。•材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB对于铸铁：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HB钢黄铜球墨铸铁洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计•洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002•根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。•符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕•维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。•根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。•维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计二、断裂1.断裂：含裂纹体承载达到临界值时，致使裂纹失稳扩展，最终产生破坏的现象。2.断裂的基本形式：延性断裂和脆性断裂。3.断裂机理：(1)微孔集结断裂(韧性断裂)断口上出现抛物线型的韧窝，主要是金属和高聚物的断裂机理；(2)解理断裂(脆性断裂)是一种低能量断裂，也是晶体材料中最脆的一种断裂；沿晶体中解理面断开原子键而引起的断裂，非常平坦，一晶粒内的解理裂纹具有平直性；一个晶粒内的一条解理裂纹可同时在两个平行的解理面上扩展，形成解理台阶。(3)晶界断裂裂纹择优沿晶界扩展而引起的断裂；也是一种低能量脆性断裂，断口呈现颗粒状形貌。三、韧性1.韧性：是强度和塑性的综合表现，是材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。常以延伸率和断面收缩率来表征。图中为单向拉伸条件下两种钢光滑试样的应力—应变曲线。单位体积材料的弹性应变能(Uoe)为：式中，σp为比例极限，εp为对应于σp的弹性应变，E为弹性模量。Uoe也就是△OAB(或△OA’B’)的面积，表示弹性。同样，用单位体积材料在变形和断裂全过程中吸收的能量(UOT)表示韧性，也可用单位体积材料在塑性变形和断裂全过程中吸收的能量(Uop)表示韧性，一般用UOT表示韧性。高碳弹簧钢：Uoe=面积OABUop=面积BACDUoT=面积OACD低碳结构钢：Uoe=面积OA’B’Uop=面积B’A’C’D’UoT=面积OA’C’D’由于UoT=Uoe+Uop当断裂时的应变εf远大于εe时，UoT≈Uop，韧性的两种定义近似一致。图中两种钢的弹性模量相同，但高碳弹簧钢的σp及对应的εe较大，故弹性较大，在弹性范围内能贮存的弹性应变能较多，有较大的回弹力。其抗拉强度σb虽大于低碳结构钢，但εf却远小于低碳结构钢，综合σb及εf，高碳弹簧钢的韧性低于低碳结构钢。2.韧性的划分：(1)光滑试样——如上图所示，用应力—应变曲线下的面积大小来表征韧性的高低；(2)缺口试样——工程上惯用冲击韧性，即冲断给定缺口试样所消耗的功，或试样在冲击条件下从形变到断裂全过程所吸收的能量。有αk及Cv，分别为U形和V形缺口。(3)裂纹试样——对于平面应变条件有GIC及JIC，分别为线弹性及弹塑性范围内裂纹扩展单位面积所需的能量。对于直线穿透型裂纹沿裂纹面扩展时，有：裂纹试样的韧性俗称断裂韧性，实质上是裂纹断裂韧性。3、冲击韧性•是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。韧脆转变温度•材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板4.断裂韧性油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关1943年美国T-2油轮发生断裂北极星导弹裂纹扩展的基本形式应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。aYKI2/1)(ccaCCICaYK23/mMN断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。C为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为四、疲劳强度1.疲劳强度：被测材料抵抗交变载荷的性能。2.疲劳•材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。•材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。•钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图◆特点1：无论是脆性材料，还是塑性材料，疲劳断裂均不产生明显的塑性变形；特点2：裂纹产生及扩展区呈“贝壳”花样，最后断裂区呈纤维状或结晶状。疲劳曲线：交变应力σ与交变次数N的关系当应力低于某值时，应力交变到无数次也不会发生断裂，此为疲劳极限。疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）五、阻尼及阻尼性能1.材料的阻尼：是一种材料内部所引起的对于振动能量的消耗，即“内耗”。内耗的来源是由于材料内部有缺陷或不均匀结构存在。2.阻尼性能：材料能够很快地压抑机械振动的性能就是材料的阻尼性能。