材料力学性能PPT课件.ppt

1、.1.2.3应力应变曲线应力应变曲线( (F F0 0不变）不变）弹性变形弹性变形 屈服变形屈服变形 均匀塑性变形均匀塑性变形 局部塑性变形局部塑性变形 真应力真应力- -应变曲线（应变曲线（-代表）代表）.4p:p:比例极限比例极限 E E: :弹性极限弹性极限 LYLY: :屈服强度（下）屈服强度（下）UYUY：屈服强度（上）屈服强度（上）B B：强度极限强度极限 b b: : 抗拉强度抗拉强度 p p: : 应力与应变成正比关系的最大应力。应力与应变成正比关系的最大应力。 p p=F=FP P/F/F0 0E E : :由弹性变形过渡到弹由弹性变形过渡到弹- -塑性变形时的应力。塑性变形

2、时的应力。 E E =F =FE E /F/F0 0.5不同材料，其应力应变曲线不同，如：.6.7.8机械设计中，机械设计中，刚度是第一位的，刚度是第一位的，它保证精度，曲轴它保证精度，曲轴的结构和尺寸常常由刚度决定，然后强度校核。的结构和尺寸常常由刚度决定，然后强度校核。不同类型的材料，其弹性模量差别很大。不同类型的材料，其弹性模量差别很大。材料弹性模量主要取决于材料弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合键的本性和原子间的结合力结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，可，而材料的成分和组织对它的影响不大，可以说它是一个对组织不敏感的性能指标（对金属材以说它是一个对组织不敏感的性能指标

3、（对金属材料），而对高分子和陶瓷料），而对高分子和陶瓷E E对结构和组织敏感。对结构和组织敏感。熔点高，熔点高，E EE E W W =2E=2EFeFe E EFeFe=3E=3EAlAl零件的刚度与材料的刚度不同零件的刚度与材料的刚度不同，它除了决定于材料，它除了决定于材料的刚度外还与零件的截面尺寸与形状，以及截面积的刚度外还与零件的截面尺寸与形状，以及截面积作用的方式有关。作用的方式有关。.9.10.11理想的弹簧材料：应有高的弹性应有高的弹性极限和低的弹性模量。极限和低的弹性模量。 成分与热处理对弹性极限影响大，对弹性极限影响大，对弹性模量影响不大。对弹性模量影响不大。仪表弹簧因要求无

4、磁性，铍青铜，因要求无磁性，铍青铜，磷青铜等软弹簧材料。磷青铜等软弹簧材料。eEa e .12弹性滞后环弹性滞后环(链接链接).13包辛格效应示意图包辛格效应示意图(有有链接链接) .14.15.16.17.18.19屈服标准屈服标准 S定义定义: 材料开始塑性变形的应力材料开始塑性变形的应力.工程上常用的屈服标准有三种工程上常用的屈服标准有三种比例极限比例极限P: 应力应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力应变曲线上符合线性关系的最高应力.SP 弹性极限弹性极限el: 材料能够完全弹性恢复的最高应力材料能够完全弹性恢复的最高应力. elP工程上用途不同区别工程上用途不同区别,枪炮材料要求高的

5、比例极限枪炮材料要求高的比例极限,弹簧材料要求高的弹弹簧材料要求高的弹性极限性极限 屈服强度屈服强度0. 2或或ys : 以规定发生一定的残留变形为标准以规定发生一定的残留变形为标准,通常为通常为0.2%残留变形的应力作为屈服强度残留变形的应力作为屈服强度.20比例极限比例极限P P, ,弹性极限弹性极限elel, ,屈服强度屈服强度0. 20. 2或或ysys 这三种标准在测量上实际上都是以这三种标准在测量上实际上都是以残留变形残留变形为依据为依据, ,只不过规定的残留变形量不同只不过规定的残留变形量不同, ,所以国家规定三种所以国家规定三种规范规范. .规定非比例伸长应力规定非比例伸长应力

6、( (P P) ) 0.010.01或或0.050.05规定残留伸长应力规定残留伸长应力( () ) r r0.20.2规定总伸长应力规定总伸长应力( (t t) ) t t0.50.5.21 内在因素内在因素: :结合键结合键, ,组织组织, ,结构结构, ,原子本性原子本性.22.23.24.25000lnlnln(1)l llll 真应力真应力-应变曲线应变曲线(流变曲线流变曲线) 真应力真应力S=F/A 真实应变真实应变 00lnlldllll.26.27理想弹性体：理想弹性体：n n1 1 ；理想塑性体：n0n的取值范围：01一般金属：n0.10.5.28注意：加工硬化速率注意：加工

7、硬化速率ds/d ds/d 与加工硬与加工硬化指数化指数n n并不等同并不等同 n=dlnS/dln=ds/Sdn=dlnS/dln=ds/Sd 即即ds/d=nS/ds/d=nS/ 在相同变形时在相同变形时的情况下，的情况下，n ds/dn ds/d 对有些金属材料对有些金属材料: :象双相钢，一些铝合金和不锈象双相钢，一些铝合金和不锈钢钢 不能用不能用S=KS=Kn n方程描述。方程描述。在在lnS-lnlnS-ln图中会得图中会得到两段不同的斜率的直线，称为到两段不同的斜率的直线，称为双双n n行为行为，它使得，它使得n n的意义模糊和复杂化，要寻求其他方程形式来表征的意义模糊和复杂化，

8、要寻求其他方程形式来表征真应力真应力- -应变关系。应变关系。.29.30.31图图1-9 复相钢的应力应变曲线复相钢的应力应变曲线普通碳钢，控制轧制的普通碳钢，控制轧制的SAE950 x和和980低合低合金高强度刚（屈服点分别为金高强度刚（屈服点分别为345和和550MN/m2)以及临界区淬火以及临界区淬火SAE980 x图图1-10 贝氏体贝氏体-奥氏体钢的应力应奥氏体钢的应力应变曲线变曲线（a) 低奥氏体含量低奥氏体含量（b)最佳奥氏含量最佳奥氏含量（c)高奥氏体含量高奥氏体含量在工程上：对冷加工成型的低碳钢，其加工的硬化指数在工程上：对冷加工成型的低碳钢，其加工的硬化指数n可通过屈服强

9、度可通过屈服强度ys 估算：估算： ys M Pa=70/n n ys与与b差值越大，即差值越大，即S/B .32颈缩条件颈缩条件：应力-应变曲线上的应力达到最大值时，即开始出现颈缩，颈颈缩前是均匀变形，缩前是均匀变形，颈缩后是不均匀变颈缩后是不均匀变形，即局部变形形，即局部变形颈缩条件：ds/d=S 当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩。 .33.34.35.36.37.380UfTsd.39.40（a）(b)：断口齐平，断口齐平，垂直垂直于最大拉应力方向，于最大拉应力方向， ，只有少量均匀变形，铸铁，淬火只有少量均匀变形，铸铁，淬火+ + 低回火高碳钢。低回火高碳钢。 （e）： 塑性

10、很好，试样断面可减细到近于一尖塑性很好，试样断面可减细到近于一尖 刀，然后刀，然后沿沿最大切应力方向断开。最大切应力方向断开。 如纯如纯Au、Al。 (c) (d) ： 都出现颈缩，只是程度不同，试样中心都出现颈缩，只是程度不同，试样中心 先开裂，然后向外延伸，接近表面时沿最先开裂，然后向外延伸，接近表面时沿最 大切应力方向斜面断开，断口形状如杯口状大切应力方向斜面断开，断口形状如杯口状。.41但是，正断不一定就是脆断，也可以有明显的塑性变形。 切断是韧断，但反之不一定成立，韧断不一定是切断，韧断与切断并非是同义词 .42.43无缺口拉伸试样,断口和三个断裂区示意图冲击试样和三个断裂区示意图.

11、44.45由于应力状态或加载方式的不同，韧窝可由于应力状态或加载方式的不同，韧窝可有三种类型有三种类型 拉伸型的等轴状韧窝拉伸型的等轴状韧窝剪切型的伸长韧窝剪切型的伸长韧窝 拉伸撕裂的伸长韧窝拉伸撕裂的伸长韧窝韧窝的形状取决于韧窝的形状取决于应力状态应力状态，而韧窝的大小和深，而韧窝的大小和深浅取决于浅取决于第二相的数量分布以及基体的塑性变形第二相的数量分布以及基体的塑性变形能力，能力，韧窝大而深，塑性好，大而浅，加工硬化韧窝大而深，塑性好，大而浅，加工硬化能力强。能力强。.46.47.48.49解理阶解理阶.50解理羽毛解理羽毛.51.52.53准解理准解理.54maxmax13123/()

12、/2S max13max123()/2S 1,3 分别为最大和最小主应力分别为最大和最小主应力, , 为泊松比为泊松比.55对单向拉伸： 230112扭转： 1200.8单向压缩：取32表示材料塑性变形的难易程度。 大在该应力状态下切应力分量越大，塑性变形易；称软的应力状态，相对于 的应力状态而言，不易引起脆断。反之，称硬的应力状态。)1/(1325. 025. 02/1021.56.571.7 金属的硬度w 硬度：硬度：是指金属在表面上的不大体积内抵抗变形或破裂的能力，硬度是生产上广泛应用的性能指标，可估算其他性能指标。w 究竟它表征哪一种抗力，则决定于采用的试验方法。.58 A 抵抗变形能

13、力：压入法型硬度试验：测布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度，显微硬度，统称压入硬度。可测量脆性材料（陶瓷材料）的硬度，表面处理的工件。 B. 抵抗破裂能力：刻划片型硬度试验：刻划硬度 C. 抵抗金属弹性变形能力：回跳法(肖氏硬度）大型工件 实验方法.59硬度与其他性能指标的关系BKHB以压入法为例： 对Cu及合金和不锈钢 K=0.4-0.55 对钢铁材料 K=0.33-0.36旋转弯曲疲劳极限 1/2/6BHB所以硬度知道，其他相关性能，根据经验公式可估算又方便，不毁工件，在生产上得到广泛应用 几种硬度值在应力应变曲线上的位置.60布氏硬度和洛氏硬布氏硬度和洛氏硬度的测定度的测定.611.7.2 布

14、氏硬度布氏硬度的测定原理 在直径D的钢珠上，加一定负荷P，压入被测试样金属的表面，根据金属表面痕的凹陷面积计算出应力值。 2/HBP FPDt kgf mm凹式中t为压痕凹深度；Dt为压痕凹陷面积,在P和D一定时，HB1/t t测量困难 df(t) 1/2222PHBD DDd.62布氏硬度的测定原理的图示布氏硬度的测定原理的图示w 根据不同根据不同d d值，值，可查表或计算可查表或计算出出HBHB值。值。oaboab关系中关系中 22122DtDd代入前式代入前式链接.63 0.2Dd 450HB450以上硬材料，不能使用。w 所以，不允许有较大压痕的工件，也不宜于薄件试样。.65w 定义：

15、定义：用压痕深度大小作为标志硬度值高低的洛氏硬度试验，而布氏硬度以测定压痕面积来计算硬度值。w 测定原理：测定原理：是在载荷P0及总载荷P 分别作用下，将金刚石（较硬）圆锥（位角120120 0 0）或钢球（1.58881.5888 ）压入较软试样表面，然后卸除主载荷P P1 1,在初载荷下用测量的e值计算洛氏硬度，e e值为卸除主载荷后，在初载荷下的压痕深度残余均是用0.002mm0.002mm为单位表示。1.7.3 1.7.3 洛氏硬度洛氏硬度 链接.66w优点：压痕少，操作简单，易直接读出，不存在压头变形问题。w缺点：稳定性差，多测几个点平均，不同硬度级测量。w 硬度值无法统一起来；晶粒

16、粗大缺乏代表性 w HRHRC C=0.2-t=0.2-t 常用HRA(金刚石圆锥压头)，HRB(钢球压头)，HRC（金刚石圆锥压头） 洛氏硬度的优缺点.671.7.4 维氏硬度 维氏硬度试验的两大特点 负载可任意选择 通过维氏硬度试验和通过布氏硬度试验所得到的硬度值完全相等缺点：生产效率没有HR高。 通过测对角线，适用于硬质的材料 D221.854(/)PPHVkgfmmFd凹.68w 原理与维氏硬度一样，只是载荷小，大致在原理与维氏硬度一样，只是载荷小，大致在100gf500gf100gf500gf. .w 压头有两种：压头有两种：1 1）维氏压头，金刚石四方锥维氏压头，金刚石四方锥 2

17、2）努氏压头：菱形的金刚石锥体努氏压头：菱形的金刚石锥体 A是投影面积而不是压痕面积，l是对角线的长度m,c是提供的常数 用途：用途：测量尺寸小或很薄的零件。测量尺寸小或很薄的零件。 显微组织显微组织的硬度。的硬度。缺点：缺点：效率低。效率低。 1.7.5 显微硬度链接链接2clPAPHK.69几种硬度计几种硬度计.70习题如今有如下工件，需测试硬度，试说明采用何种硬度试验方法适宜？ 1） 渗碳层中的硬度分布 2）淬火钢件 3）灰铸铁 4）鉴别钢中残余和隐晶M 5）硬质合金 6）陶瓷涂层.71 曲线曲线1 1：聚碳酸脂（：聚碳酸脂（PCPC），），聚丙稀（聚丙稀（PPPP）和高抗冲聚）和高抗冲

18、聚苯乙烯（苯乙烯（HTPSHTPS）衡速拉伸）衡速拉伸 曲线曲线2 2：ABSABS塑料，聚甲醛塑料，聚甲醛（POMPOM）和增强尼龙）和增强尼龙（GFPAGFPA）等）等 曲线曲线3 3：增强聚碳酸脂：增强聚碳酸脂（GFPCGFPC），聚苯乙烯），聚苯乙烯（PSPS），发生脆断），发生脆断 聚合物材料的拉伸载荷-伸长曲线1.8 1.8 聚合物的静强度聚合物的静强度 .72聚合物的颈缩聚合物的颈缩.73 晶态聚合物的弹性模量晶态聚合物的弹性模量 弹性模量与金属相似，取弹性模量与金属相似，取决于分子键的作用力，决于分子键的作用力， 范德瓦尔力，氢键，偶极，范德瓦尔力，氢键，偶极，但是，沿晶态聚合

19、物分子但是，沿晶态聚合物分子键方向加载与垂直于分子键方向加载与垂直于分子链方向加载时，其弹性模链方向加载时，其弹性模量相差很大（量相差很大（1212个数量个数量级）级） 非晶态聚合物的弹非晶态聚合物的弹性模量性模量 大小实质上也是反映了大小实质上也是反映了分子链与分子链间键合分子链与分子链间键合力与位能的变化，非晶力与位能的变化，非晶态与晶态不同，沿不同态与晶态不同，沿不同方向加载时差别小，弹方向加载时差别小，弹性性E E也小。也小。聚合物的聚合物的E E对结构非常敏感对结构非常敏感, ,这与金属和陶瓷不同这与金属和陶瓷不同.74影响聚合物的弹性模量的因素 下列因素的增加，下列因素的增加，EE

20、 1) 1) 主键热力学稳定性的增加主键热力学稳定性的增加 2 2）结晶区百分比的增加）结晶区百分比的增加 3 3）分子链填充密度的增加）分子链填充密度的增加 4 4）分子链拉伸方向取向程度的增加）分子链拉伸方向取向程度的增加 5) 5) 聚合物晶体中链端适应性增强聚合物晶体中链端适应性增强 6) 6) 链折叠程度的减小链折叠程度的减小.75 聚合物受力后产生的变形是聚合物受力后产生的变形是通过调整内部分子构象通过调整内部分子构象实现的。实现的。 粘弹性：粘弹性：具有慢性的粘性流变，表现为滞后环，具有慢性的粘性流变，表现为滞后环，应力松弛和蠕变。上述现象均与温度，时间，密切应力松弛和蠕变。上述

21、现象均与温度，时间，密切相关。相关。 聚合物另一种特殊的弹性变形行为是聚合物另一种特殊的弹性变形行为是高弹态，如橡高弹态，如橡胶胶 橡胶的特点：橡胶的特点：1 1）E E很小很小，而变形量很大。一般，而变形量很大。一般Cu,FeCu,Fe的的E E只有只有1 1-2-2，而橡胶，而橡胶10001000。 2 2）形变形变需要时间需要时间 3 3）形变时有热效应形变时有热效应，热弹性效应；在，热弹性效应；在伸长时发热，回缩时吸热，这种热效应随伸长率而伸长时发热，回缩时吸热，这种热效应随伸长率而增加。增加。链接.761.9 陶瓷材料的静强度 陶瓷是当代三大固体材料之一 工程陶瓷 SiN4,SiC,

22、Al2O3,ZrO2 特点：耐高温，硬度高，E高，耐磨，耐蚀，抗蠕变性能好 .77 材料在静拉伸载荷作用下，经过弹性变形加塑性变形加断裂三个阶段。 E E E原子间键合强度越大。 E工程技术意义：反映材料刚度大小。1.9.1 陶瓷材料的拉伸曲线与弹性变形.78 E E陶陶E E 如 Al:E=65G Pa Al2O3：E=390Mpa 钢:E=200Gpa SiC:E=470G Pa 陶瓷材料陶瓷材料E:E:不仅与不仅与结合键（离子键和共价键）结合键（离子键和共价键）有关，有关，还与还与陶瓷结构及气孔率陶瓷结构及气孔率有关，而金属材料有关，而金属材料E E是一个极是一个极为稳定的力学性能指标，

23、合金化，热处理，冷热加为稳定的力学性能指标，合金化，热处理，冷热加工难以改变它的数值。但陶瓷的工艺过程却对陶瓷工难以改变它的数值。但陶瓷的工艺过程却对陶瓷材料的材料的E E有着巨大的影响。有着巨大的影响。 如气孔率如气孔率P P较小时，较小时，E=EE=E0 0(1-KP)(1-KP) K K为常数，为常数，E E0 0是无气是无气孔孔时的E0 陶瓷材料（特别是气孔率较高时）陶瓷材料（特别是气孔率较高时） E E压压 E E拉拉 且且E E压压 E E拉拉 而金属而金属 E E压压=E=E拉拉陶瓷材料E的特点.79 因为陶瓷材料塑性差，拉伸时，若夹头不对轴，断因为陶瓷材料塑性差，拉伸时，若夹头

24、不对轴，断裂往往发生在夹头处，测不出真实的裂往往发生在夹头处，测不出真实的f f , ,所以，一般所以，一般均采用弯曲试验。均采用弯曲试验。三点或四点弯曲,跨距为2030mm，尺寸：（34）*（45）*（3040）mm三点弯曲时：四点弯曲时：23()3fPLMPabh23 ()()2fP LlMPabhP P为断裂载荷（为断裂载荷（N N） L L为下支点间跨距（为下支点间跨距（mmmm）l l为上支点间跨距（为上支点间跨距（mmmm）（对对4 4点弯曲）点弯曲） b b为试样宽度（为试样宽度（mmmm） h h为试样厚度（为试样厚度（mmmm） .801.9.3 1.9.3 陶瓷材料的断裂与

25、断裂陶瓷材料的断裂与断裂强度强度 理想晶体的断裂强度为 其中 为理论断裂强度, E为弹性模量 , 为材料比表面能 , 为原子间距离 陶瓷材料断裂强度理论值与实测值相差巨大可用格里菲斯裂缝强度理论得到满意解释1/ 20cEac0a.81陶瓷材料尽管本质上应该具有很高的断陶瓷材料尽管本质上应该具有很高的断裂强度，但实际断裂强度却往往低于金裂强度，但实际断裂强度却往往低于金属。属。陶瓷陶瓷压压 拉，其差别程度远远拉，其差别程度远远超过金属超过金属气孔和材料密度对陶瓷断裂强度有重大气孔和材料密度对陶瓷断裂强度有重大影响影响 .82 概念：包辛格效应，弹性比功，解理面，穿晶断裂 力学性能指标意义： E主

26、要决定于什么因素，对金属材料为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标。 试举出几种能显著强化金属而不降低其塑性的方法。 设条件应力为，其实应力为S S，试证明 S S 0.2( ), , ,gtspE G n 思考题与习题思考题与习题 .832.1 缺口对材料性能的影响 大多数机构或构件、零件都含有缺口，如键槽，油孔，台阶，螺纹等。缺口对材料的性能影响有以下四个方面： 缺口产生应力集中 引起三向应力状态,使材料脆化由应力集中产生应变集中 使缺口附近的应变速率增高.84 1）缺口部分不能承受外力，这缺口部分不能承受外力，这一部分外力要有缺口前方的部分一部分外力要有缺口前方的部分材料来承担，因而

27、缺口根部的应材料来承担，因而缺口根部的应力最大力最大。 2 2）应力集中系数应力集中系数K Kt t ：表示缺：表示缺口产生应力集中的影响口产生应力集中的影响m axLtnSKmaxLS为缺口根部的最大应力为缺口根部的最大应力 n为净截面上的名义应力为净截面上的名义应力 在弹性范围内在弹性范围内, ,K Kt t的数值决定于缺口的几何形状和尺寸的数值决定于缺口的几何形状和尺寸 .85缺口的影响根部产生三向应力状态，使材料的屈服变形困难，导致脆化根部产生三向应力状态，使材料的屈服变形困难，导致脆化 w平面应力状态平面应力状态： 0 0，即在，即在XYXY平面内有应平面内有应力，而在垂直于力，而在

28、垂直于XYXY平面的方向则无应力平面的方向则无应力存在存在。w平面应变状态平面应变状态： 0 0 根据虎克定律根据虎克定律， 故有故有 这种应力状态称为平面应变状态这种应力状态称为平面应变状态 ZZ10ZZxyE Zxy .86侧面带有缺口的薄板和厚板受拉伸时的应力分布(a)薄板缺口下的弹性应力(平面应力)(b)厚板缺口下的弹性应力(平面应变)(c) 平面应变时Z方向的应力分布(d)平面应变时局部屈服后的应力分布.87由应力集中产生应变集中 缺口处很陡的应力梯度，必然导致很陡的应力梯度 牛伯提出公式 缺口根部应变体积很小，导致裂纹 为塑性应变集中系数，为缺口处的局部应变和名义应变之比 为塑性应

29、力集中系数，为缺口处的实际应力与名义应力之比 为弹性应力集中系数。 2tKKKKKtK.88w缺口附近的应变速率远高于平均的应变速率 夹头移动速率 试样应变速率 因此如： 100 为光滑试样的工作长度 1 为缺口附近的工作长度缺口附近的应变速率提高了两个数量级 d ld tddt0dldl0001dllddldtdtdtll0l0l.892.2.1 温度对材料的力学性能影响 wb.b.c温度 但是形变硬化速率 却对温度不太敏感。而孪晶变形锯齿形 b.b.c纯铁 温度下降导致脆性破坏，如右图，77K以下为孪晶方式Fe(b.c.c) ,Cu(f.c.c) ,Ti(h.c.c.p)低温：b.c.c

30、,冷脆， 不变。f.c.c 没有冷脆， 不变， h.c.c.p sddsddsddsdd.9023 应变速率对材料力学性能的影响 w w104102S-1内，金属力学性能变化不大 w当大于102S-1，发生显著变化 w 超塑性.912.5 缺口冲击韧性实验 w材料在冲击载荷下的力学性能 冲击试验的应变速率为104-102S-1w应注意几点： 不同缺口形状的试样，无法对比 V型缺口在旧的梅氏冲击试验机引起的数值AKV是不符合规范的，是不可靠的 现今国内的一些材料性能数据，仍沿用aK=AK/F,缺口处截面积（梅氏），夏氏冲击试验 .92w综合缺口低温高应变速率，这三个因素对材料脆化的影响w使材料能

31、由原处于韧性状态脆性状态 缺口试样的形状有两种：梅氏（中国和苏联过去用）和夏氏试样（美国和日本） 12KAG HH NM J连接.932.5.2 缺口冲击试验的应用w 优点：测量迅速简便，所以冲击韧性 AK列为五大指标w应用： 用于控制材料的冶金质量和铸造，锻造，焊接及热处理等热加工工艺的质量。不是服役性能指标，对柴油机的连杆的要求要求热处理工艺和冶金质量是否正常提出的问题，ak15J/2，仍可使用。 用来评定材料的冷脆倾向。评定脆断倾向的标准是和材料的具体服役条件相联系的 所谓冷脆，指材料因温度的降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。.942.5.3 冷脆转化温度的评定 w三种类型

32、：使用时，注意同一种标准1)断面形貌特征 50纤维2)能量标准 20J 27J3)断口的变形特征 tK是一个韧性指标，从韧性角度选材的依据。 0 38llmm光缺 -按冷脆转化温度选材.952.6 影响材料脆性断裂的冶金因素 材料成分w低强度钢基本b.c.c,铁素体，晶体结构b.c.c存在低温脆性 w f.c.c一般不存在低温脆性w成分： 间隙溶质元素含量tK , Mn% tK Ni% tK Si% P tK含碳量对钢的韧-脆转变温度的影响.96影响材料脆性断裂的冶金因素晶粒大小 w细化晶粒，使韧性w原因：晶界是裂纹扩展的阻力，晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中，晶界总面积增加，使晶界

33、上的杂质浓度下降，避免产生沿晶脆性断裂. 冷脆转化温度和晶粒尺寸的关系.97影响材料脆性断裂的冶金因素显微组织 w钢的冷脆转化温度决定于转变产物 w在较低温度下，脆化温度由高到低依次顺序为 w在较低强度水平时，强度相等而组织不同的钢 最佳.PBFBM下回上M回.9827 抗脆断设计及其试验w缺口冲击试验优点：简单方便，成本低，应用广泛 w缺点：无论哪一种标准，在一般情况下，并不能代表实物构件的脆化的温度，w原因：尺寸小，由于变形的几何约束小带来的脆化程度也小。w美国海军采用大型实物脆断研究方法，用于安全设计。W.S.Pellini落锤试验方法。 Ktt缺实际.992.7.1 落锤试验w测定材料

34、的NDT :即无塑性转变温度w优点:方法比较简单，数据的重现性高，故被广泛采用并正标准化。 链接.1002.7.2 断裂分析图 FAD图 Fracture Analysis Draw应力缺陷温度三个参应力缺陷温度三个参数之间的关系数之间的关系弹 性 断 裂 转 变 温 度弹 性 断 裂 转 变 温 度 FTE=NDT+33 FTE=NDT+33 C C 塑性断裂转化温度塑性断裂转化温度 FTP=NDT+67 FTP=NDT+67 C C CAT-CAT-止裂温度曲线止裂温度曲线 curve curve .101第三章 断裂力学与断裂力学与断裂韧性断裂韧性 3.1 3.1 概述概述 断裂是一种最

35、危险失效形式断裂是一种最危险失效形式 ， .102按传统力学设计，工作应力工作应力许用应力许用应力 为安全。塑性材料S/n脆性材料b/n但是在S1情况下，也可产生断裂，所谓低应力脆断现象低应力脆断现象，传统或经典的强度理论无法解释。传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但实际的工程材料，在制备，加工及使用过程中 ，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹，传统力学解决不了带裂纹构件的断裂问题。断裂力学就是研究带裂纹体构件的力学行为。断裂力学就是研究带裂纹体构件的力学行为。.103 美国二战期间：5000艘全焊接的“自由轮”，238艘完全破坏，其断裂源多在焊接缺陷处，且温度低，aK

36、下降。 1954年，美国发射北极星导弹，发射点火不久，就发生爆炸。例如.104 含裂纹体的断裂判据 固有性能的指标断裂韧性：用来比较材料拉断能力，KIC ,GIC , JIC,C 。 用于设计中： KIC已知，求amax。 KIC已知 , a c已知，求构件承受最大承载能力。 KIC已知，a已知，求。 讨论：KIC的意义，测试原理，影响因素及应用。主要内容主要内容.105 理论断裂强度C,即相当于克服最大引力C 力与位移的关系： 2/CSinx原子间结合力随距离变化示意图 .106正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量 / 202sin2ccxdx(1)sin xx故2sinc

37、x/EEx a（2）将（1） 2cEa代入（2）得 1/ 2cEra 若以 281.0 /3.0 10J m acm代入可算出 110cE.107（金属材料） （陶瓷，玻璃） 原因：内部存在有裂纹原因：内部存在有裂纹 材料内部含有裂纹对材料强度有多大影响？材料内部含有裂纹对材料强度有多大影响？2020年代，年代，GriffithGriffith首先研究了首先研究了含有裂纹的玻含有裂纹的玻璃强度。璃强度。 1100fE 实际断裂强度理论计算的断裂强度实际断裂强度理论计算的断裂强度 3.2.2 Griffith3.2.2 Griffith理论理论E1001f.108无限宽板中无限宽板中Griffi

38、thGriffith裂纹的能量平衡裂纹的能量平衡.109断裂应力和裂纹尺寸的关系： 1/22 EcGriffith公式 因为 1/21/221Ec 与 1/2cEa相似。 1c若取 410ca则实际断裂强度只是理论值的1/100.1101/228sEaa适用于当 ，裂纹尖端塑性变形较大，控制着裂纹的扩展时当 时，就成为Griffith公式。当 时，用Griffith公式。对金属材料：裂纹尖端由于应力集中的作用，局部应力很高，但是一旦超出材料的屈服强度，就会发生塑性变形。裂纹扩展功主要消耗在塑性变形上，塑性变形功大约是表面能的1000倍。8a8a8aOrowan公式3.2.3 Orowan的修正

39、.1113.3 3.3 裂纹扩展的能量判据裂纹扩展的能量判据GriffithGriffith的断裂理论中，裂纹扩展的阻力为的断裂理论中，裂纹扩展的阻力为 2sOrowanOrowan断裂理论中，裂纹扩展的阻力为断裂理论中，裂纹扩展的阻力为 2SP设裂纹扩展单位面积所消耗的能量为设裂纹扩展单位面积所消耗的能量为R R，则则R R 2SP定义：定义： 22222uccGccEE G G表示弹性应变能的释放率或为裂纹扩展力表示弹性应变能的释放率或为裂纹扩展力 .112G表示弹性应变能的释放率或为裂纹扩展力表示弹性应变能的释放率或为裂纹扩展力 定义G为裂纹扩展的能量率或裂纹扩展力，因为G是裂纹扩展的动

40、力，当G达到怎样的数值时，裂纹就开始失稳扩展呢？ R裂纹扩展单位面积所消耗的能量为裂纹扩展单位面积所消耗的能量为R R按按GriffithGriffith断裂条件断裂条件 （脆性）（脆性） 按按OrowanOrowan修正公式修正公式 （塑性）（塑性）GR2sRGR2SPR.113因为表面能 ，塑性变形功 都是材料常数，令 sP12CsG或 12CSPG则有 11CGG 为断裂能量判据为断裂能量判据 是可以计算的，而材料的性能 是可以测定的。 1G1CG因此可以从能量平衡的角度研究材料的断裂因此可以从能量平衡的角度研究材料的断裂是否发生。是否发生。.114固定边界和恒定载荷的固定边界和恒定载荷

41、的GriffithGriffith准则准则能量能量关系关系对于固定边界的对于固定边界的GriffithGriffith准则能量关系准则能量关系恒载荷的恒载荷的GriffithGriffith准则准则能量关系能量关系.115 线弹性断裂力学的研究对象是带有裂纹带有裂纹的线弹性体的线弹性体。 它假定裂纹尖端的应力服从虎克定律(严格的说只有玻璃，陶瓷这样的脆性材料才算理想的弹性体)。 为使线弹性断裂力学能够用于金属，必须符合：金属材料的裂纹尖端的塑性区金属材料的裂纹尖端的塑性区尺寸与裂纹长度相比是一很小的数值。尺寸与裂纹长度相比是一很小的数值。3.4 3.4 裂纹尖端的应力场裂纹尖端的应力场.116

42、线弹性断裂力学适用范围线弹性断裂力学适用范围 高强度钢。 厚截面的中强度钢（ ） 低温下的中低强度钢 因为塑性区尺寸很小，可近似看成理想线弹性体，误差在工程上是允许的。1200SMPa500 1000SMPa.117 根据裂纹体的受载和变形情况，可将裂根据裂纹体的受载和变形情况，可将裂纹分为三种类型：纹分为三种类型： 张开型裂纹（或拉伸型）最危险，最重张开型裂纹（或拉伸型）最危险，最重要的一种要的一种 滑开型（或剪切型）裂纹滑开型（或剪切型）裂纹 撕开型裂纹撕开型裂纹.118张开型裂纹（或拉伸型）张开型裂纹（或拉伸型）滑开型（或剪切型）裂纹滑开型（或剪切型）裂纹撕开型裂纹撕开型裂纹以上三图均有

43、链接.119裂纹顶端附近的应力场3.4.2 3.4.2 I I型裂纹尖端力场型裂纹尖端力场 .12011/211/23cos1 sinsin22223cos1 sinsin2222xykrkr 平面应力状态平面应力状态（薄板）（薄板） 0z11/23sincoscos2222xykr平面应变状态平面应变状态（厚板）（厚板） 0z1ka ra其中其中.121当当 时，时， 即切应力为即切应力为0 0，拉应力却最大，裂纹容易沿着该，拉应力却最大，裂纹容易沿着该平面扩展。平面扩展。应力强度因子应力强度因子 Y Y是与裂纹几何形状和位置决定的参数，是与裂纹几何形状和位置决定的参数，K K1 1表示表示

44、裂纹尖端应力场的大小或强度。裂纹尖端应力场的大小或强度。012xyKr0 xy1KYa3/2/kg mm1/2MPa m或.122由上述裂纹尖端应力场已知,裂纹尖端某一点的应力，位移，应变，完全由K1决定：K1称应力强度因子，应力应变场的强弱程度完全由K1决定。K1决定于裂纹的形状和尺寸，也决定于应力的大小。（不同平板有不同的表达式, K1可计算）K1表示裂纹尖端应力场的大小或强度。 11/22ijijKfr.1233.5 3.5 断裂韧性和断裂判据断裂韧性和断裂判据 3.5.1 3.5.1 和和cK1CK111crimCKKK1K 临界值平面应力1CCKK1K（应力强度因子）CK（断裂韧性）

45、或（平面应变断裂韧性）1CK.1241K 受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量，它不仅随外加应力和强弱程度的力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化也和裂纹的形状类型裂纹长度的变化而变化也和裂纹的形状类型以及加载方式有关，但它和材料本身的固有以及加载方式有关，但它和材料本身的固有性能无关。性能无关。 CK（断裂韧性）或（断裂韧性）或1CK（平面应变断裂韧性）（平面应变断裂韧性）的特性：反映材料阻止裂纹扩展的能力的特性：反映材料阻止裂纹扩展的能力 。.1251CK1CK 是平面应力状态下的断裂韧性，是平面应力状态下的断裂韧性，它和板材或试

46、样厚度有关。而当板它和板材或试样厚度有关。而当板材厚度增加到达到平面应变状态时，材厚度增加到达到平面应变状态时，断裂韧性就趋于一稳定的最低值，断裂韧性就趋于一稳定的最低值，这时与厚度无关，称为平面应变的这时与厚度无关，称为平面应变的断裂韧性断裂韧性 是真正的材料常数，反是真正的材料常数，反映阻止裂纹扩展的能力。映阻止裂纹扩展的能力。 反映了最危险的平面应变断裂反映了最危险的平面应变断裂情况。情况。 CK.1263.5.2 3.5.2 断裂判据断裂判据 当应力强度因子增大到一临界值，这一临界值在数值上等于材料的平面应变断裂韧性时，裂纹就立即失稳扩展，构件就发生脆断。于是断裂判据便可表示为 右边为

47、材料固有性能，左边为外界载荷条件（包含裂纹的形状和尺寸） 应用工程中，对无限大平板中心含有尺寸为2a的穿透裂纹时， 1/211CKaK 11CKK.1273.6 3.6 与与 的关系的关系 1G1K11CGG（能量平衡观点讨论断裂） 11CKK（裂纹尖端应力场讨论断裂） 右边反映材料固有性能的材料常数，是材料的断右边反映材料固有性能的材料常数，是材料的断裂韧性值。裂韧性值。 1G1K与的关系：历史上，先的关系：历史上，先G G后后K K，G G：19211921，Griffith K: 1957,OrwinGriffith K: 1957,Orwin.128K和G的适用范围 断裂判据为：断裂判

48、据为： 这两种断裂判据是等效的，且可互相换算。这两种断裂判据是等效的，且可互相换算。但实际上要注意以下几个方面：但实际上要注意以下几个方面： 实际用实际用K K更方便，资料多更方便，资料多 K K实测更容易实测更容易 G G物理意义易理解物理意义易理解2111CCKGGE2111CCKGGE(平面应力) （平面应变， ） 21EE.129影响断裂韧性的因素影响断裂韧性的因素 如能提高断裂韧性，就能提高材料的抗脆断能力。 外因：板材或构件截面的尺寸，服役条件下的T，应变速率等。 内因：强度，合金成分和内部组织。 .1303.8 金属材料的断裂韧性的测定3.8.1 3.8.1 试样制备试样制备 测

49、两种：三点弯曲试样和紧凑拉伸试样测两种：三点弯曲试样和紧凑拉伸试样裂纹缺口裂纹缺口钼丝线切割加工钼丝线切割加工 0.12 0.12mmmm疲劳裂纹疲劳裂纹高频拉伸疲劳试验机上预制高频拉伸疲劳试验机上预制为了测得稳定的值，所规定的尺寸必须满足：为了测得稳定的值，所规定的尺寸必须满足： （1 1）小范围屈服（线弹性断裂力学）小范围屈服（线弹性断裂力学, ,对裂纹长度对裂纹长度c c应有规定应有规定 ， ） （2 2）平面应变）平面应变, ,对试样厚度上的要求。对试样厚度上的要求。a8.131如：三点弯曲 1） 塑性区尺寸 212.5CsKa15yaR 2） 时， 稳定值。212.5CsKB1CK3

50、）韧带尺寸 ； ， 偏低212.5CsKWaW a QP.132 满足平面应变条件 : 这个规定保证了试样尺寸远大于裂纹尖端塑性区的尺寸，使之满足小范围屈服和平面应变条件。 试样种类两种： 三点弯曲三点弯曲 紧凑拉伸试样紧凑拉伸试样210.22.5CKB1CK3.8.2 3.8.2 测试方法测试方法.133 特点： 预制裂纹 记录 曲线 裂纹尖端张开位移 210.22.5CKBPVV.134P-V曲线2.确定Pa Pa是裂纹失稳扩展时临界载荷.1353.3.计算计算: : QK3/2QQP SaKfBWW三点弯曲 4SW1/2QQPaKfBWW紧凑拉伸 afW可查表 检验 的有效性（KQ是否平