60材料的力学性能

材料的力学性能0、绪论1、材料在静载荷下的力学性能2、材料的变形3、材料的强化和韧化4、材料的断裂5、材料的断裂韧性6、材料的疲劳7、高温及环境下材料的力学性能8、材料的磨损和接触疲劳什么是材料的力学性能？材料力学性能课程的研究内容有哪些？0绪论什么是材料的力学性能？（金属）材料——具有各种使用性能——用途广泛使用性能物理性能（导电、导热、电磁等）力学性能（强度、硬度、塑性等）工艺性能（焊接、成形等）化学性能（耐腐蚀、抗氧化等）0绪论材料的力学性能是指材料在外加载荷（外力或能量）作用下，或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下所表现出的行为。这种行为又称为力学行为，通常表现为金属的变形和断裂。——材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。mechanicalproperties;mechanicalbehavior材料的失效(failure)：如果材料抵抗变形与断裂的能力与服役条件不适应，则机件失去预定效能（过量弹性变形、过量塑性变形、断裂、磨损等），材料的力学性能又可以称为失效抗力。0绪论影响力学性能的因素载荷性质应力状态环境温度化学成分显微组织残余应力冶金质量内在因素外在因素0绪论不同服役条件对材料的性能要求不同1、材料在静载荷下的力学性能1材料在静载荷下的力学性能材料力学性能指标是结构设计、材料选择、工艺评价以及材料检验的主要依据。测定材料力学性能最常用的方法是静载荷方法，即在温度、应力状态和加载速率都固定不变的状态下测定力学性能指标的一种方法。1.1材料的拉伸性能静拉伸试验：常温、单向静拉伸载荷，光滑试样。（应用最为广泛的方法）通过拉伸试验，可以获得材料的弹性、塑性、强度等指标，还可以测量形变强化指数、塑性应变比等反映板材成型性的指标，这些指标特性统称为材料的拉伸性能。1材料在静载荷下的力学性能1.1.1拉伸曲线和应力－应变曲线应力：单位截面上所受到的力称为应力应变：单位长度上的变形量0PA00llliSPA工程应力：拉伸载荷除以原始截面积工程应变：试样断裂后量伸长量与原始长度的比值真应力：实际上，在拉伸过程中，试样的横截面积是逐渐减小的，外加载荷除以试样某一变形瞬间的截面积称为真应力。l01材料在静载荷下的力学性能根据在塑性变形前后材料体积不变的近似假定，即00iillAA00000(1)iillSllPPlllAA(1)S则得到所以1材料在静载荷下的力学性能真应变：瞬时应变拉伸曲线：载荷－伸长曲线（P-l）弹性变形塑性变形屈服颈缩010lnln(1)fnlffdledllll01材料在静载荷下的力学性能比例极限弹性极限屈服极限强度极限断裂强度应力－应变(stress-strain)曲线1材料在静载荷下的力学性能强度指标及其测定方法（1）比例极限pPp/A0(MPa)当应力比较小时，试样的伸长随应力成正比地增加，保持直线关系。当应力超过σp时，曲线开始偏离直线，因此称σp为比例极限，是应力与应变成直线关系的最大应力值。规定比例极限一般规定曲线上某点切线和纵坐标夹角的正切值tanθ′比直线部分和纵坐标夹角的正切值tanθ增加50%时，则该点对应的应力即为规定比例极限。1材料在静载荷下的力学性能强度指标及其测定方法（2）弹性极限ePe/A0(MPa)应力－应变曲线中，应力在σe时称为弹性强度极限，该阶段为弹性变形阶段。当应力继续增加，超过σe以后，试样在继续产生弹性变形的同时，也伴随有微量的塑性变形，因此σe是材料由弹性变形过渡到弹－塑性变形的应力。应力超过弹性极限以后，便开始发生塑性变形。规定弹性极限规定以残余伸长为0.01%的应力作为规定残余伸长应力，并以σ0.01表示。RAL1材料在静载荷下的力学性能强度指标及其测定方法（3）屈服极限（屈服强度）s(Rel)Ps/A0(MPa)在拉伸过程中，当应力达到一定值时，拉伸曲线上出现了平台或锯齿形流变，在应力不增加或减小的情况下，试样还继续伸长而进入屈服阶段。屈服阶段恒定载荷Ps所对应的应力为材料的屈服点。条件屈服极限(0.2)RAL1材料在静载荷下的力学性能强度指标及其测定方法（4）强度极限（抗拉强度）b（Rm）Pb/A0(MPa)屈服阶段以后，材料开始产生明显的塑性变形，进入弹－塑性变形阶段，伴有形变强化现象。随着塑性变形的增大，变形抗力不断增加，当应力达到最大值σb以后，材料的形变强化效应已经不能补偿横截面积的减小而引起的承载能力的降低，试样的某一部位截面开始急剧缩小，因而在工程应力－应变曲线上，出现了应力随应变的增大而降低的现象。曲线上的最大应力σb为抗拉强度极限，它是由试样拉断前最大载荷所决定的条件临界应力，即试样所能承受的最大载荷除以原始截面积。RAL1材料在静载荷下的力学性能强度指标及其测定方法（5）断裂强度kPk/Ak(MPa)断裂强度σk是试样拉断时的真实应力，它等于拉断时的载荷Pk除以断裂后颈缩处截面积Ak。断裂强度表征材料对断裂的抗力。但是，对塑性材料来说，它在工程上意义不大，因为产生颈缩后，试样所能承受的外力不但不增加，反而减少，故国家标准中没有规定断裂强度。RAL1材料在静载荷下的力学性能塑性指标：材料断裂前发生永久塑性变形的能力叫做塑性。塑性指标常用材料断裂时的最大相对塑性变形来表示，如拉伸时的延伸率δ和断面收缩率ψ。(1)延伸率δ：断裂后试样标距长度的相对伸长值均匀延伸率δb:发生颈缩前的延伸率总延伸率δk：断裂后总的延伸率00100%kklll延伸率测量值与试样尺寸有关RAL1材料在静载荷下的力学性能000000bukbumnmnlAAlllll00Al必须取常数，(1/11.3或1/5.65)00100%kAAA(2)断面收缩率ψRAL1材料在静载荷下的力学性能1.1.2脆性材料的拉伸性能脆性材料（玻璃、岩石、陶瓷、淬火高碳钢及铸铁等材料）在拉伸变形时只产生弹性变形(a)，一般不产生或产生很微量的塑性变形。表征脆性材料力学特征的主要参量有两个：弹性模量E；断裂强度。在工程上使用的脆性材料并非都属于完全的脆性，尤其是金属材料，绝大多数都有些塑性，在拉伸变形后，即便是脆性材料，也或多或少会产生一些塑性变形.(c)RAL1材料在静载荷下的力学性能脆性材料的断裂强度等于甚至低于弹性极限，因此断裂前不发生塑性变形，其抗拉强度比较低，但是这种材料的抗压强度比较高，一般情况下，脆性材料的抗压强度比抗拉强度大几倍，理论上可以达到抗拉强度的8倍。因此，在工程上，脆性材料被大量地应用于受压载荷的构件上，如车床的床身一般由铸铁制造，建筑上用的混凝土被广泛地用于受压状态下，如果需要承受拉伸载荷，则用钢筋来加固。RAL1材料在静载荷下的力学性能1.1.3塑性材料的拉伸性能塑性较好的工程材料曲线大致可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。①弹性变形阶段，真应力－应变曲线与工程应力－应变曲线基本重合；②从塑性变形开始到应力最大的b点，即均匀塑性变形阶段，真应力高于工程应力，随应变的增大，两者之差增大，但真实应变小于工程应变。③颈缩开始后，塑性变形集中在颈缩区，试样的横截面面积急剧减小，虽然工程应力随应变增加而减少，但真应力仍然增大，真应力－应变曲线显示出与工程应力－应变曲线不同的变化趋势。RAL1材料在静载荷下的力学性能1.1.3塑性材料的拉伸性能几种塑性不连续型应力－应变曲线：（a）有明显的屈服现象，而且有一段锯齿形屈服平台，之后发生均匀塑性变形。（退火低碳钢等）（b）均匀屈服型应力－应变曲线，试样受力产生弹性变形后，出现了明显上、下屈服点。（α－Fe单晶中常见，多晶纯铁、半导体材料硅、金属锗也有。）（c）弹性变形之后，有一系列的锯齿叠加于抛物线型的塑性流变曲线上。这种现象是由于材料内部不均匀变形造成的。（多是由于孪生或者溶质原子与位错的交互作用）RAL1材料在静载荷下的力学性能切应力和正应力对材料的变形和断裂起着不同的作用：切应力是位错运动的推动力，只有切应力，才能引起塑性变形，而正应力主要决定断裂的发展过程，因为只有拉应力，才能促使裂纹的扩展。对于同一种材料，尽管其塑性变形抗力、切断抗力和正断抗力的大小是固有的，但在施加承载的条件下，以何种方式产生失效，还与加载方式和应力状态有关。不同的加载方式决定了不同的应力状态，不同的应力状态对材料的变形和断裂性质产生不同的影响。为此，需要了解不同的静加载方式下试样所承受的最大切应力和最大正应力。弗里德曼统一考虑了不同应力状态下的强度极限与失效形式，用图解的方法把它们的关系作了概括－－力学状态图。1.2材料在其它静载荷下的力学性能1.2.1加载方式与力学状态图RAL1材料在静载荷下的力学性能应力状态软性系数：某一应力状态下的最大切应力和最大正应力之比：maxmax值是应力状态的一种标志：＞1表示软的应力状态＜1表示硬的应力状态。弹性变形区弹塑性变形区切断区正断区对于不同的材料，其力学性能指标τs,τK和σK也各不相同，只有选择与应力状态相适应的试验方法进行试验时，才能显示出不同材料性能上的特点。RAL1材料在静载荷下的力学性能1.2.2扭转试样：圆柱形试样试验过程：试样两端施加扭矩，随扭矩增加，标距间两个截面产生相对转动，测量扭矩与扭转角关系曲线－扭转图。RAL1材料在静载荷下的力学性能1.2.2扭转MppWM0.30.3WM曲线-扭转图bbWM扭转屈服强度扭转条件强度极限扭转比例极限－扭矩；－扭转角(标距l0上两个截面间的相对扭转角)MW－样截面系数RAL1材料在静载荷下的力学性能1.2.2扭转切断（塑性材料）正断（脆性材料）组合切断（在锻造或轧制过程中使夹杂或偏析物沿轴向分布，降低了轴向切断抗力τK，形成纵向和横向的组合切断断口。）RAL1材料在静载荷下的力学性能1.2.2扭转特点：①扭转应力状态较拉伸软(α=0.8)，可以测定那些在拉伸时表现为脆性的材料的特性，使低塑性材料处于韧性状态，便于测定它们的强度和塑性。②用圆柱形试样进行扭转试验时，从试验开始到试样破坏为止，试样沿整个长度上的塑性变形始终是均匀发生的，不出现静拉伸时所出现的颈缩现象，因此，对于那些塑性很好的材料，用这种试验方法可以精确地测定其应力和应变关系。③扭转试验可以明显地区别材料的断裂方式是正断还是切断。④扭转试验时，试样横截面上沿直径方向切应力和切应变的分布是不均匀的，表面的应力和应变最大。因此，扭转可以灵敏地反映材料的表面缺陷，如金属工具钢的表面淬火微裂纹。还可以用扭转试验的这种特点对表面淬火、化学热处理等表面强化工艺进行研究。⑤扭转试验的缺点是：截面上的应力分布不均匀，在表面处最大，越往心部越小。对显示材料体积性缺陷，特别是靠近心部的材质缺陷不敏感。RAL1材料在静载荷下的力学性能1.2.3弯曲试样：圆柱形，矩形；过程：将试样放置在一定跨度的支座上，施加集中载荷或等弯矩载荷，记录载荷和试样挠度之间的关系曲线——弯曲图。RAL1材料在静载荷下的力学性能1.2.3弯曲通过弯曲试验，可以测量：①规定非比例弯曲应力②抗弯强度③从弯曲载荷－挠度曲线上还可测出弯曲弹性模量、断裂挠度及断裂能力(曲线下面所包围的面积)等性能指标。RAL1材料在静载荷下的力学性能1.2.3弯曲弯曲试验的特点：•从试样受拉一侧来看，弯曲加载的应力状态基本上和静拉伸时的应力状态相同；•弯曲试验不受试样偏斜的影响，可以稳定地测定脆性和低塑性材料的抗弯强度，同时，用挠度表示塑性，能明显地显示脆性或低塑性材料的塑性。所以，这种试验很适于评定脆性和低塑性材料的性能；•弯曲试验不能使塑性很好的材料断裂破坏，不能测定其弯曲断裂强度，但是，可以比较一定弯曲条件下不同材料的塑性；•弯曲试验时，试验截面上的应力分布是不均匀的，表面应力最大，可以较灵敏地反映材料的表面缺陷情况。RAL1材料在静载荷下的力学性能1.2.4压缩a－短试样，破坏试验；b－长试样，测量弹性性能和微量塑性变形抗力。RAL1材料在静载荷下的力学