材料力学性能课件 (2)

第四节 金属的断裂
磨损、腐蚀、断裂是机件的三种主要失效形式。 裂纹过程包括：裂纹形式与扩展。
一、断裂的类型 根据断裂前塑性变化大小分类：
（一）韧性断裂和脆性断裂
韧性断裂：指金属断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，
这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消 耗能量。
中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的 静拉伸断裂是典型的韧性断裂。
塑性的极限抗力。
第二节 弹性变形
一、弹性变形及其实质
弹性变形及其实质：弹性变形是一种可逆变形（即卸载后可以恢复变形前 形状的变形，热力学意义上的可逆变形）。
弹性模量
定义：当应变为一个单位时，弹性模量即为弹性应力，即 产生100%弹性变形时所需要的应力。
这个定义对金属来讲是没有任何意义的，这是因为金属材 料所能产生的弹性变形量是很小的。
1.5.2 压缩
一、压缩试验的特点
(1) 单向压缩试验的应力状态软性系数α=2，比拉伸、扭转、 弯曲的应力状态都软，所以主要用于拉伸时呈脆性的金属材 料力学性能的测定。
(2) 拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变形而不 断裂。
对于接触面处承受多向压缩应力的机件，如滚动轴承、套圈 与滚动体，常采用多向压缩实验。
（二）、真实断裂强度和静力韧度
韧性是材料的力学性能，是指材料断裂前吸收塑性变形功 和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力。
静力韧度：是静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功。
1.5 其他加载方式下的力学性能
1.5.1应力状态软性系数
最大切应力 最大正应力
max max
α值越大，表示应力状态越“软”，金属越易于 产生塑性变形和韧性断裂。 α值越小，表示应力状 态越“硬”，金属越不易于产生塑性变形而易于 产生脆性断裂。
五、缩颈现象和抗拉强度 （一）定义
缩颈是金属等韧性材料在拉伸试验时变形集中于局 部区域的特殊现象，这是应变硬化与截面减小共同 作用的结果。
（二）缩颈判据
抗拉强度 定义：
拉伸试验时试样拉断过程中最大试验力所对应的应力。
实际意义：
(1) 标志塑性金属材料的实际承载能力； (2) 一定场合下抗拉强度可作为设计依据； (3) 抗拉强度的高低由屈服强度和应变硬化指数来决定。
拉伸试验是指在室温大气中，光滑试样在缓慢施 加的单向载荷作用下，测定材料的力学性能的方 法。拉伸试验机通常带有自动记录或绘图装置， 用以记录或绘制试样所受载荷与伸长量之间的关 系，这种曲线称为拉伸图或力-伸长曲线。
图1-4铝合金（5454-H34） 图1-5 聚氯乙烯
图1-6苏打石灰玻璃
当应力低于σe 时，应力与试样的应变成正比，应力去除，变形消失，即 试样处于弹性变形阶段，σe 为材料的弹性极限，它表示材料保持完全弹 性变形的最大应力。
材料力学性能
材料力学性能的定义:
材料在外加载荷（外力）作用下，或 载荷与环境因素（如温度、介质和加 载速率）联合作用下所表现的行为， 又称为力学行为。
宏观上一般表现为材料的变形或断裂。
材料的力学性能指标或判据。
机器零件（简称机件）的承载条件一般用各 种力学参数（如应力、断裂韧度等），所以 就将表征材料的力学参数的临界值或规定值 称为材料的力学性能指标或判据。
固溶强化 形变强化 沉淀强化和弥散强化 晶界和亚晶强化
四、加工硬化（形变强化）
定义：
在金属整个变形过程中，当外力超过屈服强度 之后，
塑性变形并不是像屈服平台那样连续流变下去， 而需要不断增加外力才能继续进行，
这说明金属有一种阻止继续塑性变形的抗力， 这种抗力就是应变硬化性能。
加工硬化的作用：
（二）穿晶断裂与沿晶断裂 多晶金属断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，
穿晶断裂的裂纹穿过晶体内，而沿晶断裂的 裂纹沿晶界扩展。
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根据断裂机理分类：
（三）纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂
(1) 剪切断裂： 金属材料在切应力的作用下，沿滑移面分离而造成的滑
移面分离断裂； 包括滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。
材料变形破坏方式
二、压缩试验
可测定的主要压缩性能指标：
一、规定非比例压缩应力σpc
试样标距段内的非比例压缩变形达到规定的原始标距百分比时的应力， 称为规定非比例压缩应力。
二、抗压强度 单位试样被压至破坏过程中的最大应力σbc
1.5.3 弯曲
一、弯曲试验的特点
金属杆状试样承受弯矩作用后， 其内部应力主要为正应力，与 单向拉伸和压缩时产生的应力 雷同
弹性模量 影响不大 取决于结合键和子 间结合力 共价键的弹性模量最高
刚度 强度
影响不大 影响显著
1.2.2弹性比功
又称弹性比能、应变比能，表示材料吸收弹性变形 功的能力
1.2.3、滞弹性
在弹性范围内快速加 载或卸载后，随着时 间延长产生的附加弹 性应变的现象，称为 滞弹性。
由于实际金属具有滞弹性，金属在弹性区快速加载卸载时，由于应变落 后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后 环（图a）。
材料力学性能指标具体数值的高低表示材料 抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质 量的主要依据。
第1章 静载荷下材料的力学性能
1.1 应力-应变曲线
拉伸试验是工业上应用最广泛的基本力学性能试 验方法之一。本章将详细讨论金属材料在单向拉 伸静载荷作用下的基本力学性能指标如：屈服强 度、抗拉强度、断后伸长率和断面伸长率等。
但由于杆件截面上的应力分布 不均匀，表面最大，中心为零， 且应力方向发生变化
所以金属在弯曲加载下的力学 行为与单纯拉应力或压应力作 用下的力学行为不完全相同， 有它自身的特点。
呈现屈服现象的金属材料在拉伸时，试样在外力保 持恒定仍能继续伸长的应力称为屈服点，又称屈服 强度。
工程中常用的三种屈服标准：
比例极限 弹性极限 屈服强度
三、影响屈服强度的因素
内在因素 外在因素
结合键
陶瓷、高分子材料
组织
结构
原子本性
温度 应变速率 应力状态
四种影响金属材料 屈服强度的强化机 制
如果断裂面取向与最大切应力方向一致，而 与最大正应力方向成45度角，为切断型断裂。
二、解理断裂的微观断口特征
关于断裂机理的三种理论：
1. 甄纳-斯特罗位错塞积理论 2. 柯垂耳位错反应理论 3. 史密斯理论
1. 解理断裂
解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，断裂断口 是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成；
变增大，则必须增加应力值，这种随着塑性变形的增大，塑性变形抗力
不断增加的现象称为加工硬化或形变强化。当应力达到σb时试样的均匀
变形阶段即告终止，此最大应力σb称为材料的强度极限或抗拉强度，它
表示材料对最大均匀塑性变形的抗力。
在σb值之后，试样开始发生不均匀塑性变形并形成缩颈，应力下降，
最后应力达到σk时试样断裂。σk为材料的条件断裂强度，它表示材料对
六、塑性度量 （一）塑性与塑性指标
塑性定义： 指金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形
的能力。
（二）塑性的意义与影响因素
对机件来讲，都要求材料具有一定的塑性，以防止机件偶然过载 时产生突然破坏。
影响因素：
1. 溶质元素会降低铁素体的塑性； 2. 钢的塑性受碳化物体积比以及形状的影响； 3. 细化颗粒可使材料的塑性增加。
微孔聚集型断裂是通过微孔成核、长大聚合而 导致材料分离。
(2) 解理断裂：
是指金属材料在一定条件下（如低温），当外加正 压力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平 面产生的穿晶断裂；
由于与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学平面 为解理面。
根据断裂面的取向分类：
如果断裂面取向垂直于最大正应力，为正断 型断裂；
(1) 各晶粒变形、不同时性和不均匀性 (2) 各晶粒变形的相互协调性
二、屈服现象和屈服点（屈服强度）
屈服现象是材料产生宏观塑性变形的一种标志。
金属材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡明 显，表明外力保持恒定时试样仍继续伸长，或者外 力增加到一定数值时突然下降，然后外力几乎不变 时，试样仍继续伸长变形，这就是屈服现象。
1.2.4、包申格效应（Bauschinger）
包申格效应的定义：
金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，残 余应变约1-4%，卸载后再同向加载，规定残余 伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加；
反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
注：所有退火状态和高温回火的金属与合金都有包辛格效 应。 可用来研究材料加工硬化的机制。
消除包申格效应的方法：
(1) 预先进行较大的塑性变形； (2) 在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶
温度下退火，如钢在400-500℃，铜合金在250-270℃退 火。
第三节 塑性变形阶段
一、塑性变形方式和特点
变形方式： (1) 滑移 (2) 孪生
多晶金属中每一晶粒滑移变形的规律 与单晶金属相同，但是多晶金属中存 在晶界，各晶粒的取向也不相同，因 而其塑性变形有如下特点：
当应力超过σe 后，应力与应变之间的直线关系被破坏，并出现屈服
平台或屈服齿。如果卸载，试样的变形只能部分恢复，而保留一部分残
余变形，即塑性变形，这说明钢的变形进入弹塑性变形阶段。σs称为材
料的屈服强度或屈服点，对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%
残余变形的应力值为其屈服极限。
当应力超过σs后，试样发生明显而均匀的塑性变形，若使试样的应
(1) 加工硬化可使金属机件具有一定的抗偶然过载能 力，保证机件安全。
(2) 加工硬化和塑性变形适当配合可使金属均匀塑性 变形，保证冷变形工艺顺利实施。（如果没有加工硬 化能力，任何冷加工成型的工艺都是无法进行。）
(3) 可降低塑性，改善低碳钢的切削加工性能。
加工硬化指数
可以反映金属材料抵抗继续塑性变形的能力。
在弹性变形阶段，大多数金属的应力与应变之间符合虎克 定律的正比关系。它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的 能力。
不同类型的材料，其弹性模量可以差别很大，几种常见材料的弹性模量见书上表1.1。
材料的弹性模量主要取决于结合键的本
性和原子间的结合力，而材料的成分和组织 对它的影响不大。
材料的成分和组织 对
这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是
很少的， 多数情况下，裂纹要跨越若干个相互平等的、而且位于
不同高度的解理面，从而在同一刻面内部出现了解理台 阶和河流花样。
解理台阶：
是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹 相交形成的。
(1) 通过解理裂纹与螺型位错相交形成， (2) 通过二次解理或撕裂形成。
韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤 维区很小，剪切唇几乎没有。
脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形， 没有明显征兆，因此危害性很大。
脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常 呈放射状或结晶状。板状矩形拉伸试样断口呈人字纹花样。
按裂纹扩展的途径分类：
在扭转载荷或受双向不等拉 伸条件下，因切应力作用形 成拉长韧窝。
如在微孔周围的应力状态为 拉、弯联合作用，微孔在拉 长、长大同时还要被弯曲， 形成在两个相配断口上方向 相同的撕裂韧窝。
四、断裂强度
（一）、理论断裂强度
在外加正应力作用下，将晶体的两个原子面沿垂 直于处力方向拉断所需的应力，就是理论断裂强 度。
2. 准解理
在淬火回火钢中，当裂纹在晶粒内部扩展时， 难于严格的沿一定晶体学平面扩展，
断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细 小的碳化物质点有关，其微观形态，与解理 河流相似，但又不是真正的解理，所以称为 准解理。
三、微孔聚集断裂的微观断口特征
如果使微孔在垂直于正应力 的平面上各方向长大倾向相 同，则在正应力垂直于微孔 的平面上便形成等轴韧窝。
如果施加交变载荷，且最大应力低于宏观弹性极限，加载速率比较大， 则也得到弹性滞后环（图b） 。
如果交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限，就会得到塑性滞后环（图 c） 。
金属的循环韧性
定义：
金属材料在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功 的能力，也称为金属的内耗或消振性。
意义：
循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以 高循环韧性对于降低机器的噪声，抑制高速机械的振 动，防止共振导致疲劳断裂意义重大。