第二章 动载荷下材料的力学性能11
材料的力学行为和性能
四、 断裂韧性
（一）、低应力脆断 材料抵抗裂纹扩展断裂的能力叫断裂韧性。机械 零件的传统强度设计为σ <[σ ]=σ 0.2/n(n为安全 系数),一般认为用此式设计的零件是安全的,不会 产生塑性变形，更不会断裂。但是，有些高强钢 制造的零件或大型焊接构件如桥梁、船舶等，有 时会在工作应力远低于材料屈服强度甚至低于许 用应力的条件下突然发生脆性断裂，这种工作应 力远低于材料屈服强度的断裂叫低应力脆断。
S0
ψ=
S0 - S k × 100% S0
L k– L 0
δ = × 100%
L0
δ < 2 ~ 5% 属脆性材料，δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料，δ > 10% 属塑性材料 其断口特征如图所示。
（二）硬度
是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。 1. 布什硬度（HBW）
F 2F HBW S D（D D 2 d 2）
（二）、断裂韧度 裂纹扩展的基本形式
a) 张开型
b) 滑开型
c) 撕开型
应力场强度因子Ｋ1 裂纹尖端产生应力集中形成应力场，衡量裂纹尖端附近 应力场强弱程度的力学参量称为应力场强度因子，用KⅠ 表示。其表达式为：
K1 Y a
式中：a为裂纹尺寸。 断裂韧度KⅠC 裂纹扩展时的临界应力场强度因子值称为材料的断裂韧度， 用KⅠC表示，单位为MPa· m1/2。其为材料抵抗裂纹扩展 断裂的能力大小的表现，为材料的固有属性，与材料的成 分、组织、热处理以及加工工艺有关，与裂纹的大小、形 状、外加应力等无关。
K1C c Y a
1.2.1 金属材料的工艺性能
一.铸造性能
材料力学性能
材料力学性能材料力学性能是指材料在外力作用下所表现出的力学特性，包括材料的强度、韧性、硬度、塑性等。
这些性能直接影响着材料在工程领域的应用，因此对材料力学性能的研究和评价显得尤为重要。
首先，强度是材料力学性能中的重要指标之一。
材料的强度是指材料抵抗外力破坏的能力，通常用抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等来表示。
不同材料的强度差异很大，例如金属材料的强度通常较高，而塑料和橡胶等材料的强度相对较低。
材料的强度直接影响着材料在工程中的承载能力和使用寿命。
其次，韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。
韧性高的材料在受到外力作用时能够延展变形而不易断裂，这对于一些需要承受冲击或振动载荷的工程结构来说尤为重要。
例如，航空航天领域对材料的韧性要求较高，以确保飞行器在受到外部冲击时能够保持结构完整。
此外，硬度是材料力学性能中的重要参数之一。
材料的硬度是指材料抵抗划痕和压痕的能力，通常用洛氏硬度、巴氏硬度等来表示。
硬度高的材料通常具有较好的耐磨性和耐腐蚀性，适用于一些对材料表面要求较高的工程领域，例如汽车制造、船舶建造等。
最后，塑性是材料力学性能中的重要特性之一。
材料的塑性是指材料在受到外力作用时能够发生塑性变形而不断裂，这对于一些需要进行成形加工的工程材料来说尤为重要。
例如，金属材料的塑性使其能够通过锻造、轧制等工艺进行成形，从而制备出各种复杂的零部件。
综上所述，材料力学性能是材料工程领域中的重要研究内容，不同的材料力学性能对材料的应用具有重要的影响。
因此，对材料力学性能的研究和评价具有重要的意义，可以为工程领域的材料选择和设计提供重要的参考依据。
材料力学性能-第2版课后习题答案
第一章 单向静拉伸力学性能1、 解释下列名词。
1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形,卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面.6．塑性:金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性)变形的能力。
韧性:指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b 的台阶.8。
河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时，便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂,因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内,可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂.沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂.11。
韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时,可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。
弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等2、 说明下列力学性能指标的意义。
答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 【P15】3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标?答：主要决定于原子本性和晶格类型。
材料性能学课程教学大纲
《材料性能学》课程教学大纲课程名称（英文）：材料性能学（Properties of Materials）课程类型：学科基础课总学时： 72 理论学时： 60 实验（或上机）学时： 12学分：4.5适用对象：金属材料工程一、课程的性质、目的和任务本课程为金属材料工程专业的一门专业基础课，内容包括材料的力学性能和物理性能两大部分。
力学性能以金属材料为主，系统介绍材料的静载拉伸力学性能；其它载荷下的力学性能，包括扭转、弯曲、压缩、缺口、冲击及硬度等；断裂韧性；变动载荷下、环境条件下、高温条件下的力学性能；摩擦、磨损性能以及其它先进材料的力学性能等。
物理性能概括介绍常用物理性能如热学、电学、磁学等的基本参数及物理本质，各种影响因素，测试方法及应用。
通过本课程的学习，使学生掌握材料各种主要性能指标的宏观规律、物理本质及工程意义，了解影响材料性能的主要因素，了解材料性能测试的原理、方法和相关仪器设备，基本掌握改善或提高材料性能指标、充分发挥材料潜能的主要途径，初步具备合理的选材和设计，开发新型材料所必备的基础知识和基本技能。
在学习本课程之前，学生应学完物理化学、材料力学、材料科学基础、钢的热处理等课程。
二、课程基本要求根据课程的性质与任务，对本课程提出下列基本要求：1．要求学生在学习过程中打通与前期材料力学、材料科学基础等课程的联系，并注重建立与同期和后续其它专业课程之间联系以及在生产实际中的应用。
2．能够从各种机器零件最常见的服役条件和失效现象出发，了解不同失效现象的微观机理，掌握工程材料（金属材料为主）各种力学性能指标的宏观规律、物理本质、工程意义和测试方法，明确它们之间的相互关系，并能大致分析出各种内外因素对性能指标的影响。
3．掌握工程材料常用物理性能的基本概念及影响各种物性的因素，熟悉其测试方法及其分析方法，初步具备有合理选择物性分析方法，设计其实验方案的能力。
三、课程内容及学时分配总学时72，课堂教学60学时，实验12学时。
动载荷下材料的力学性能
2. 按断口形貌定义tk的方法
冲击试样冲断后，断口形貌见下图：
试验表明，在不同试验温度下， 纤维区、放射区与剪切唇三者 之间的相对面积（或线尺寸） 是不同的。
温度下降，纤维区面积突然减 少，结晶区面积突然增加，材 料由韧变脆。
通常取结晶区面积占整个断口 面积的50%时的温度为tk，记 为50%FATT或FATT50、t50。
落锤试验机实物图
TLC-300落锤冲击试验机适用于 热塑性塑料管材、管件和硬质塑 料板材的耐冲击试验。
最大冲击能量 300J 最大冲击高度 2m 标尺误差 ±１％ 落锤组合质量 最大组合质量15KG ±
0.1% 冲头规格： A R=10mm
B R=20m
C R= 5mm
BB R=30mm 冲击中心与夹具中心偏差不大于2mm 电动提升机构 最大提升力20kgf 牵引电磁铁最大吸力不小于20kgf 管材V型托板 200×300×25mm3 试样尺寸 直径20-400mm
三、缺口试样静弯曲试验
由于缺口和弯曲所引起的应力不均匀性叠加，使试样缺口弯曲的 应力应变分布的不均匀性较缺口拉伸时更厉害，但应力应变的多 向性则减少。
2.2 冲击韧性
冲击韧性的定义：
指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和 断裂功的能力，用标准试样的冲击吸收功Ak 表示。
意义：评定材料承受冲击载荷的能力 揭示材料在冲击载荷下的力学行为
所以碳含量正好为0.77%的钢叫做共析钢，它的组织结构 是珠光体。
1912年当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没 于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。
1985年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出 遗物。1995年2月美国《科学大众》（Popular Science）杂志发表了R Gannon 的文章，标题是『What Really Sank The Titanic』,付标题是 “为什么‘不会沉没的’船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的 科学研究回答了80年未解之谜“。
工程材料力学性能
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
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）。 数值
HB P 0.204P F D ( D D 2 d 2 )
e de dl l ln ln(1 ) l0 l l0
l
S Ke n
其中，S为真应力，e为真应变，K为常数，n——形变强 化指数。 一些金属材料的形变强化指数 材料 n Al ~0.15 -Fe ~ 0.2 Cu ~ 0.30 18-8不锈钢 ~ 0.45
金属压力加工
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 ）
mg (h h) KU ( KV ) J/cm2 A • 冲击试验标准试样： • U型缺口（梅氏试样） • V型缺口（夏氏试样）
670℃加热（完全再结晶）
750℃加热（晶粒长大）
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
s
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
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
c s cos cos
c称为晶体的临界分切应力，其数值取决于材料的本性、温
工程材料力学性能 第三版课后题答案(束德林)
工程材料力学性能课后题答案第三版（束德林）第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
（1）弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
（2）滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
（3）循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
（4）包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
（5）解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
（6）塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
脆性：指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。
韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
（7）解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶。
（8）河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
（9）解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
（10）穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。
（11）韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变。
2、说明下列力学性能指标的意义。
答：（1）E（G）分别为拉伸杨氏模量和切边模量，统称为弹性模量表示产生100％弹性变所需的应力。
σ规定残余伸长应力，试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。
（2）rσ名义屈服强度（点），对没有明显屈服阶段的塑性材料通常以产生0.2％的塑性形变对应的应力作为屈2.0服强度或屈服极限。
材料的力学性能
材料的力学性能mechanical properties of materials主要是指材料的宏观性能，如弹性性能、塑性性能、硬度、抗冲击性能等。
它们是设计各种工程结构时选用材料的主要依据。
各种工程材料的力学性能是按照有关标准规定的方法和程序，用相应的试验设备和仪器测出的。
表征材料力学性能的各种参量同材料的化学组成、晶体点阵、晶粒大小、外力特性（静力、动力、冲击力等）、温度、加工方式等一系列内、外因素有关。
材料的各种力学性能分述如下：弹性性能材料在外力作用下发生变形，如果外力不超过某个限度，在外力卸除后恢复原状。
材料的这种性能称为弹性。
外力卸除后即可消失的变形，称为弹性变形。
表示材料在静载荷、常温下弹性性能的一些主要参量可以通过拉伸试验进行测定。
拉伸试样常制成圆截面(图1之a)或矩形截面(图1之b)棒体,l为标距,d为圆形试样的直径,h和t分别为矩形截面试样的宽度和厚度,图中截面形状用阴影表示,面积记为A。
长度和横向尺寸的比例关系也有如下规定：对于圆形截面试样,规定l=10d或l=5d；对于矩形截面试样,按照面积换算规定或者。
试样两端的粗大部分用以和材料试验机的夹头相连接。
试验结果通常绘制成拉伸图或应力－应变图。
图2为低碳钢的拉伸图,横坐标表示试样的伸长量Δl(或应变ε=Δl/l)，纵坐标表示载荷P（或应力ζ＝P/A）。
图中的曲线从原点到点p为直线，pe段为曲线，载荷不大于点e所对应的值时,卸载后试样可恢复原状。
反映材料弹性性质的参量有比例极限、弹性极限、弹性模量、剪切弹性模量和泊松比等。
比例极限应力和应变成正比例关系的最大应力称为比例极限，即图中点p所对应的应力,以ζp表示。
在应力低于ζp的情况下，应力和应变保持正比例关系的规律叫胡克定律。
载荷超过点p对应的值后,拉伸曲线开始偏离直线。
弹性极限试样卸载后能恢复原状的最大应力称为弹性极限，即图中点e所对应的应力,以ζe表示。
若在应力超出ζe后卸载，试样中将出现残余变形。
《材料性能学》课后答案.
《工程材料力学性能》（第二版）课后答案第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能一、解释下列名词滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。
静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。
弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。
比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。
包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(σP)或屈服强度(σS)增加；反向加载时弹性极限(σP)或屈服强度(σS)降低的现象。
解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。
晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。
解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。
韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。
静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。
是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。
二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能?答案：金属的弹性模量主要取决于金属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，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。
改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。
三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义?答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。
特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。
包辛格效应可以用位错理论解释。
第一，在原先加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，这背应力反作用于位错源，当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时，可使位错源停止开动。
工程材料的力学性能
练习题二
某工厂买回一批材料（要求： бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%； ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ 0=10mm）拉伸试验，结果如下： Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm； d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？
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。
2．洛氏硬度：
延伸率 延伸率与试样尺寸有关；δ5、δ10 (L0=5d,10d)
思考:同一材料δ5 ＞ δ10？
断面收缩率
> 时，无颈缩，为脆性材料表征；
拉
< 时，有颈缩，为塑性材料表征。
伸 试
样
的
颈
缩
现
象
断裂后
练习题一
拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试 验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为 71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率 和断面收缩率的值？
介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、 弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出 的力学特征。
指标 : 弹性 、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲击韧
性 、断裂韧度和疲劳强度等。
材料的力学性能强度、塑性
F
F
二、拉伸试验
0
拉伸试验是在静拉力的作用下，
1
对试样进行轴向拉伸，直至将试
样拉断，通过测量拉伸中力和试
样长之间的关系来判断材料的
性能。
0 2
实验仪器
0 3
万能材料试验机
2.拉伸原理
拉伸标准试样
标准试样直径为d，标 距长度为L。
标距L和直径d之间有 两种关系：L=5d或者 L=10d。
力-伸长曲线分析 力-伸长曲线 屈服 冷变形强化 颈缩 断裂
材料的力学性能指标：
强度、塑性、韧性、硬度、疲劳等。
一、强度和塑性
1. 强度：材料或构件在一定载荷下抵抗永久变形和断裂的能 力称为强度。（强度是材料整体抵抗变形和断裂的能力）
2. 弹性：物体受外力作用变形后，除去作用力时能恢复原来形 状的性质。
3. 塑性：在某种给定载荷下,材料产生永久变形的特性。一但 发生塑性形变则无法恢复。
202X
材料的力学性能
度
、
塑
性
202X
材料的力学性能:
材料在不同环境中，承受载荷（静载荷、动载荷、交变载荷）时 表现出的性能， 主要为变形、破坏。
研究材料的力学性能的目的：
确定材料在变形和破坏情况下的一些重要性能指标；作为选择、设计、制造机 械零件或工具的主要依据，也是评判材料质量好坏的重要判据。
2.拉伸试验中的强度指标
1)屈服强度：屈服现象是指试样在试样过程中，外载荷不变的情况下依然 继续变形。
σs=Fs/S0 其中：Fs是试样屈服时承受的拉伸力（N）；S0是试样原始横截面积（m2 ）。
2)规定残余伸长应力：很多材料没有明显的屈服现象。规定残余伸长应力 是指试样卸载拉伸力后，标距部分的伸长量达到规定的原始标距长度百分比 时产生的拉力与试样横截面比值。
工程材料的力学性能
力学性能是指材料在外力作用时表现出来的性能。力 学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。硬 度值可以间接地反映材料的强度、塑性和韧性以及材料 在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬 度试验在工程上应用十分广泛。生产中常用的硬度试验 是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
工程材料力学性能的重要性： 在机械设备及工具的设计、制造中选用工程材料时，大 多以力学性能为主要依据。
08:58:10
(2) 洛氏硬度 ①洛氏硬度测试原理 在初始试验力 (F0) 及总试验力 (F0+F1)先后作用下，将压头(金刚石圆锥体或钢球)压入 试样表面，经规定保持时间后卸除生试验力 (F1) ，用保 持初始试验力的条件下，测量的残余压痕深度增量来计 算硬度。图 1--7 为用金刚石圆锥体压头进行洛氏硬度试 验的示意图。从图中看出，洛氏硬度值 (HR) 是用洛氏硬 度相应标尺刻度满量程(100)与残余压痕深度增量（e)之 差计算硬度值。计算公式如下 HR=k-e 式中 HR--洛氏硬度值；K——常数，用金刚石圆锥体 压头进行试验时K为100；用钢球压头进行试验时，K为 130；e——残余压痕深度增量，单位为0.002mm。
r 0.2
r 0.2
S0
08:58:08
机械零件在工作时如受力过大，则因过量的塑性变 形而失效。当零件工作时所受的力，低于材料的屈 服点或规定残余伸长应力，则不会产生过量的塑性 变形。材料的屈服点或规定残余伸长应力越高，允 许的工作应力也越高，则零件的截面尺寸及自身质 量就可以减少。因此，材料的屈服点或规定残余伸 长应力是机械设计的主要依据，也是评定材料优劣 的重要指标。 ②抗拉强度 材料在拉断前所能承受的最大应力 称为抗拉强度。用符号 σb 表示，按下列公式计算：
材料力学性能课后习题
弯强度） ； （3）τs（材料的扭转屈服点） ； （4） τs （抗扭强度） ； （5） τp （扭转比例极限） ； （6） σbn（抗拉强度） ； （7）HBS（压头为淬火钢球的 材料的布氏硬度） ； （8）HBW：压头为硬质合金 球的材料的布氏硬度； （9）HRA（材料的洛氏硬 度） ；HRB（材料的洛氏硬度） ；HRC（材料的洛 氏硬度） ； （10）HV（材料的维氏硬度） ； （ 11 ） HK（材料的努氏硬度） ； （ 12）HS（材料的肖氏 硬度） ； （13）K（理论应力集中系数） ； （14）NSR （缺口敏感度） 3.今有如下零件和材料等需测定硬度，试说明选 用何种硬度试验方法为宜： （1）渗碳层的硬度分布----HK 或-显微 HV（2） 淬火钢-----HRC（3）灰铸铁-----HB（4）鉴别钢中 的隐晶马氏体和残余奥氏体-----显微 HV 或者 HK （5）仪表小黄铜齿轮-----HV（6）龙门刨床导轨 -----HS（肖氏硬度）或 HL(里氏硬度)（7）渗氮层 -----HV（8）高速钢刀具-----HRC（9）退火态低碳 钢-----HB（10）硬质合金-----HRA 4.说明几何强化现象的成因，并说明其本质与形 变强化有何不同 5.试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验 的特点和应用范围。 试 验 特点 应用范围 方 法 温度、应力状态和加 塑性变形抗力 载速率确定，采用光 拉 和切断强度较 滑圆柱试样，试验简 伸 低的塑性材 单，应力状态软性系 料。 数较硬。 应力状态软，一般都 脆性材料，以 能产生塑性变形，试 观察脆性材料 压 样常沿与轴线呈 45º 在韧性状态下 缩 方向产生断裂，具有 所表现的力学 切断特征。 行为。 测定铸铁、铸 弯曲试样形状简单， 造合金、工具 操作方便；不存在拉 钢及硬质合金 伸试验时试样轴线与 等脆性与低塑 力偏斜问题，没有附 性材料的强度 加应 弯 和显示塑性的 力影响试验结果，可 曲 差别。也常用 用试样弯曲挠度显示 于比较和鉴别 材料的塑性；弯曲试 渗碳和表面淬 样表面应力最大，可 火等化学热处 灵敏地反映材料表面 理机件的质量 缺陷。 和性能。 用来研究金属 应力状态软性系数为 在热加工条件 0.8，比拉伸时大，易 下的流变性能 于显示金属的塑性行 和断裂性能， 为；试样在整个长度 评定材料的热 上的 压力加工型， 塑性变形时均匀，没 并未确定生产 扭 有紧缩现象，能实现 条件下的热加 转 大塑性变形量下的试 工工艺参数提 验；较能敏感地反映 供依据；研究 出金属表面缺陷和及 或检验热处理 表面硬化层的性能； 工件的表面质 试样所承受的最大正 量和各种表面 应力与最大切应力大 强化工艺的效 体相等。 果。 第三章 1.缺口会引起哪些力学响应？ 答：材料截面上缺口的存在，使得在缺口的根部 产生应力集中、双向或三向应力、应力集中和应 变集中，并试样的屈服强度升高，塑性降低。 2.比较平面应力和平面应变的概念。 答：平面应力：只在平面内有应力，与该面垂直 方向的应力可忽略，例如薄板拉压问题。平面应 变：只在平面内有应变，与该面垂直方向的应变 可忽略，例如水坝侧向水压问题。具体说来：平 面应力是指所有的应力都在一个平面内， 如果平 面是 OXY 平面，那么只有正应力 σx，σy，剪应 力 τxy(它们都在一个平面内)， 没有 σz， τyz， τzx。 平面应变是指所有的应变都在一个平面内， 同样 如果平面是 OXY 平面，则只有正应变 εx，εy 和 剪应变 γxy，而没有 εz，γyz，γzx。 3.如何评定材料的缺口敏感性： 答：材料的缺口敏感性，可通过缺口静拉伸、偏 斜拉伸、静弯曲、冲击等方法加以评定。 7. 何谓低温脆性？哪些材料易表现出低温脆性？ 工程上，有哪些方法评定材料低温脆性？ 答：在低温下，材料由韧性状态转变为脆性状态 的现象称为低温脆性。 只有以体心立方金属为基 的冷脆金属才具有明显的低温脆性， 如中低强度 钢和锌等。而面心立方金属，如铝等，没有明显 的低温脆性。 工程上常采用低温脆性通常用脆性 转变温度，能量准则，断口形貌准则，断口变形 特征准则评定。 8. 说明为什么焊接船只比铆接船只易发生脆性 破坏？ 答：焊接容易在焊缝处形成粗大金相组织气孔、 夹渣、未熔合、未焊透、错边、咬边等缺陷，增 加裂纹敏感度，增加材料的脆性，容易发生脆性 断裂。 10.细化晶粒尺寸可以降低脆性转变温度或者说 改善材料低温韧性，为什么？ 答：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界增多有利于降 低应力集中，降低晶界上杂质度，避免产生沿晶 界脆性断裂。所以可以提高材料的韧性。 第四章 1.解释下列名词： 低应力脆断：高强度、超高强度钢的机件，中低 强度钢的大型、 重型机件在屈服应力以下发生的 断裂； （2）I 型裂纹：拉应力垂直作用于裂纹扩 展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展的 裂纹。 （3）应力强度因子 KI：在裂纹尖端区域各 点的应力分量除了决定于位置外， 尚与强度因子 有关，对于某一确定的点，其应力分量由确定， 越大，则应力场各点应力分量也越大，这样就可 以表示应力场的强弱程度， 称为应力场强度因子。 “I”表示 I 型裂纹。 （4）裂纹扩展 K 判据：裂纹在
材料的力学性能重点总结
名词解释：1加工硬化：试样发生均匀塑性变形，欲继续变形则必须不断增加载荷，这种随着随性变形的增大形变抗力不断增大的现象叫加工硬化。
2弹性比功：表示金属材料吸收塑性变形功的能力。
3滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生附加弹性应变的现象。
4包申格效应：金属材料通过预先加载产生少来塑性变形，卸载后再同向加载，规定参与伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
5塑性：金属材料断裂前发生塑性变形的能力。
常见塑性变形方式：滑移和孪生6应力状态软性系数：最大切应力最大正应力应力状态软性系数α越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易产生塑性变形α越小，表示应力状态越硬，则材料越容易产生脆性断裂7缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生拜年话，产生所谓―缺口效应―①缺口引起应力集中，并改变了缺口应力状态，使得缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或者三向应力状态。
②缺口使得材料的强度提高，塑性降低，增大材料产生脆断的倾向。
8缺口敏感度：有缺口强度的抗拉强度ζbm与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度ζb的比值. NSR=ζbn / ζs NSR越大缺口敏感度越小9冲击韧性：Ak除以冲击式样缺口底部截面积所得之商10冲击吸收功：式样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功以Ak表示，单位J11低温脆性：一些具有体心立方晶格或某些秘排立方晶格的金属，当温度降低到、某一温度时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这种现象称为低温脆性12 脆性转变温度：当温度降低时，材料屈服强度急剧增加，而塑形和冲击吸收功急剧减小。
材料屈服强度急剧升高的温度，或断后延伸率，断后收缩率，冲击吸收功急剧减小的温度就是韧脆转变温度tk，tk是一个温度区间13疲劳贝纹线:以疲劳源为中心的近于平行的一簇同心圆.是疲劳源裂纹扩展时前沿的痕迹14疲劳条带：具有略显弯曲并相互平行的沟槽花样，是疲劳断口最典型的微观特征15驻留滑移带：金属在循环应力长期作用下，形成永久留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带，具有持久驻留性.16应力场强度因子KI ：表示应力场的强弱程度，对于某一确定的点的大小直接影响应力场的大小，KI 越大，则应力场各应力分量也越大17应力腐蚀：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后产生的低应力脆断现象18氢致延滞断裂：高强度钢或α+β钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下经过一段时间的孕育期后在金属内部，特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹的逐步扩展，最后突然发生脆性断裂，这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂第一章2.力学性能指标的意义（1)δ0.2 对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料，塑性变形硬化过程是连续的，产生0.2%残余伸长应力时刻的屈服强度。
【材料物理性能与力学性能】第1-2章
内耗：材料在变形过程中被吸收的功。
弹性滞后环：应力-应变曲线中，加载线和卸载线不重合而形成一 个封闭回路，称为弹性滞后环。 弹性滞后环说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的 变形功，有一部分加载变形功被材料吸收，即为内耗，其大小等 于弹性滞后环的面积。(内耗大小主要取决于应变和应力之间的位 相差)
2）晶体结构
单晶体：各向异性
多晶体：伪各向同性
最大值与最小值差值可达4倍
非晶：各向同性
3）化学成分----引起原子间距和键合方式的变化
4）微观组织----影响较小
晶粒大小对E值无影响；
第二相的影响取决于体积比例和分布状态；
冷加工的影响在5%以内
5）温度----温度升高，E降低
特例：橡胶。其弹性模量随温度升高而增加。
三、影响金属材料屈服强度的因素
1、晶体结构
（派纳力）
位错宽度w大，位错易于移动， bcc金属相反
p n小，屈服强度小，如fcc金属.
2、晶界和亚结构 晶界越多，晶粒越小，位错中应力集中程度不够，需要更大
的外加切应力才能够使位错运动，因此屈服强度越大。——
细晶强化
3、溶质元素——固溶强化 此外，
上屈服点：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力值。 su
屈服平台（屈服齿）：屈服伸长对应的水平线段或曲折线段。
材料产生屈服的原因：与材料内部的位错运动有关。
位错运动速率与切应力的关系： v ( )m 0
'
其中，m 为位错运动速率应力敏感指数。
'
b v
：塑性应变速率
6）加载条件和负荷持续时间 加载方式、速率和负荷持续时间对金属材料、陶瓷材料 影响很小。
工程材料的基本性质—材料的力学性质(土木工程材料)
图1.2 材料受力示意图 (a)拉力；(b)压力；(c)剪切；(d)弯曲
–材料的强度主隙率越大，强度越低，另外不同 的受力形式或不同的受力方向，强度也不相同 。
材料的力学性质
强度
–材料在外力(荷载)作用下抵抗破坏的能力，称为强 度。
–当材料承受外力作用时，内部就产生应力。随着外 力逐渐增加，应力也相应增大。直至材料内部质点 间的作用力不能再抵抗这种应力时，材料即破坏， 此时的极限应力值就是材料的强度。
–根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗 压、抗剪和抗弯(抗折)强度等(图)。
–在试验室采用破坏试验法测试材料的强度。
–按照国家标准规定的试验方法，将制作好的试件 安放在材料试验机上，施加外力(荷载)，直至破 坏，根据试件尺寸和破坏时的荷载值，计算材料 的强度。
材料的抗拉、抗压和抗剪强度
– 计算式为：
材料的抗弯强度
–与试件受力情况、截面形状以及支承条件有关。通 常是将矩形截面的条形试件放在两个支点上，中间 作用一集中荷载。
力学性能
压
拉
29
灰铸铁试样拉断 后的断口
低碳钢试样拉断 后的断口呈杯锥状
30
请思考：
图示三种材 料的拉伸应力－ 应变曲线，试比 较它们的强度、 刚度和塑性。
31
二、硬度试验
☆ 硬度：材料抵抗其他硬物压入的能力，即受压 时抵抗局部塑性变形的能力。
布氏硬度原理
洛氏硬度原理
维氏硬度原理
32
a. 布氏硬度
t
疲劳源
光滑区 光滑区 (裂纹扩区)
疲劳破坏过程：疲劳裂纹萌生、逐渐扩展和最后断裂的过程。
47
疲劳强度
☆ 疲劳：材料在交变应力长时间作用下，在小于屈 服点的应力下发生断裂。 ☆ 疲劳极限(强度) ：材料能承受规定次数应力循 环而不断裂的最大应力。 钢铁材料规定次为107 对称循环疲劳极限(强度) σ
力学性能包括弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲 击韧性及疲劳强度等。
金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。 根据载荷作用性质不同，可以分为静载荷和动载荷。
3
静载时材料的力学性能
静载：对试样缓慢加载，常用静拉伸试验和硬度试验。
拉 伸 试 验 机
布 氏 硬 度 计
4
一、静拉伸试验
标准试样
l
11
b a
e p
o
Ｅ
1
当应力超过b点以后，若再卸除载荷，部分变 形随之消失(弹性的)，但仍有部分变形不会消失， 这 部 分 变 形 称 为 塑 性 变 形 (plastic deformation) （残余变形或永久变形）。
12
b、屈服阶段bc
此时应力基本 上不变，但应变却 迅速增长，说明材 料暂时失去抵抗变 形的能力，好像在 流动，这种现象称 为材料的屈服或流 动。
动载荷下材料的力学性能
指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和 断裂功的能力，用标准试样的冲击吸收功Ak 表示。 意义：评定材料承受冲击载荷的能力 揭示材料在冲击载荷下的力学行为
冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅度和频率）
冲击失效的特点
（1）与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。 （2）吸收的冲击能测不准。 时间短；机件；与机件联接物体的刚度。 通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能， 再按能量守恒法计算。 （3）材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。 ∵ 弹性变形的速度4982m/s（＞声速）, 普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.5m/s。
低温脆性是材料屈服强 度随着温度的降低急剧 增加的结果。 见右图，屈服点随着温 度的下降而升高，但材 料的解理断裂强度随着 温度的变化很小， 两线交点对应的温度就 是tk。
二、韧脆转变温度
在不同温度下进行冲击弯曲试验， 根据试验结果作出冲击吸收功-温度曲线、 断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线， 试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线等， 根据这些曲线来求得tk。
零塑性转变温度NDT已成为低强度钢构件防止 脆性断裂设计根据的一部分，例如：
(1) NDT设计标准 (2) NDT+33℃设计标准
(3) NDT+67℃设计标准
落锤试验的缺点：
(1) 不能定量评定脆性断裂
(2) 未考虑板厚的影响
通过落锤试验所得NDT可以建立断裂分析图（FAD， Fracture Analysis Diagram），表示许用应力、缺陷 （裂纹）和温度之间的关系曲线，见下图：
韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计、保证机件 服役安全，但不能直接用来设计计算机件的承 载能力或截面尺寸。 机件的最低使用温度必须高于tk，两者相差越 大越安全，所以选用的材料应该具有一定的韧 性温度储备，也就是说具有一定的△值， △=t0-tk。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
材料韧断评价方法
材料的力学性能与材料本身的性质有关 韧性材料、脆性材料
韧、脆的相对性
韧脆影响因素： （1）温度的影响 （1）应力状态的影响 （1）变形速度的影响
（低温脆性） （三向拉应力状态） （冲击韧断）
韧脆性评价方法：材料的缺口冲击弯曲实验，材料的冲击韧性
材料低温脆性事故举例
③冲击韧性反映着材料对一次和少数次大能量冲击断裂的抗 力，因而对某些在特殊条件下服役的零件，如弹壳、防弹甲 板等，具有参考价值。
④评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性。
第三节 低温脆性
一、低温脆性现象 1、定义
当温度低于某一温度时，材料由韧性状 态转变为脆性状态，冲击值明显下降，这 种随温度降低，材料的韧性状态转变为脆 性状态的现象称为低温脆性。
• 切口强度对抗拉强度的比值定义为切口强 度比（缺口敏感度），NSR = σbN／σb
• 若NSR＞1.0，表示材料对切口不敏感， 或者说 材料是切口韧性的；
• 若NSR＜1.0，则材料对切口敏感，材料 是切口脆性的。
3、 缺口偏斜拉伸试验
4、缺口静弯试验
三、 切口根部裂纹形成准则
切口零构件或试件的断裂可能包含三个阶段：在切口根部 形成裂纹，形成于切口根部裂纹的亚临界扩展，当裂纹达 到临界尺寸时发生断裂。裂纹在切口根部形成，可以假定 是由切口根部材料元的断裂引起的，如下图所示。
（1）泰坦尼克号的沉没事故 （2）Liberty ship/Victory ship 美国在
Wold Wor Ⅱ建造的约1万吨级的运输船 （welded liberty ship） （3）T-2 Tankers美国在Wold Wor Ⅱ的油 槽船冬天突然断裂。
第一节 缺口效应
• 生产上绝大多数机件或构件都是含有缺口 的，如键槽、油孔 、台阶、螺纹等,必须考 虑缺口对材料的性能影响。
事故举例
事故举例
冷脆现象的三种类型
图 冷脆现象的三种类型
材料两个强度指标的变化
低温脆性是材料屈 服强度随着温度的降 低急剧增加的结果。 见右图，屈服点随 着温度的下降而升高， 但材料的断裂强度随 着温度的变化很小。 两线的交点对应的 温度就是tK。
缺口对冷脆转变温度的影响
二、韧脆转化温度及落锤试验
(3) 高阶能与低阶能的平均值所对应的温度定义为韧脆 转 化 温 度 ， 记 为 FTE(Fracture Transition Elastic)．
2）按断口形貌定义tk的方法
冲击试样冲断后，断口形貌见下图：
试验表明，在不同的试验 温度下，纤维区、放射区与 剪切唇三者之间的相对面积 （或线尺寸）是不同的。 温度下降，纤维区面积突 然减少，结晶区面积突然增 加，材料由韧变脆。
影响冲击性能的微观因素
✓位错运动的速率提高，滑移临界切应力增加，材 料的冲击韧性提高。 ✓同时开动的位错源增加，屈服强度提高的较多。 ✓内部的塑性变形不均匀。
二、冲击韧性实验
2、冲击实验原理
3、缺口实验试样
4、切口冲击韧性用途
①评定原材料的冶金质量和热加工后的半成品质量，通过测 定冲击韧性和断口分析，可揭示原材料中夹渣、气泡、偏析、 严重分层等冶金缺陷和过热、过烧、回火脆性等锻造以及热 处理缺陷等； ②确定结构钢的冷脆倾向及韧脆转变温度；
图 零件中的切口根部塑性区（1）和虚拟的材料元（2）
缺口试样的力学行为
缺口试样的断口特征
第二节 冲击韧性
冲击韧性的定义 指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断 裂功的能力，用标准试样的冲击吸收功表示。 意义：评价材料承受冲击载荷的能力 揭示材料在冲击载荷下的力学行为
冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度 （幅度和频率）
1、冷脆转变温度
研究低温脆性的主要问题是确定韧脆-转化温度。 实验方法介绍：将试件冷却到不同的温度测定冲击功
AK，得到断口形貌特征与温度的关系曲 线，然后按一定的方法确定韧脆转化温度。
1）按能量定义tk的方法
当低于某一温度，材料吸 收的冲击能量基本不随温度 变化，形成一个平台，该能 量称为“低阶能”。 当高于某一温度时，材料 吸收的冲击能量基本不变， 出现一个上平台，称为“高 阶能”。
冲击载荷下的应力-应变曲线
• P36ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2.6
冲击失效的特点
➢与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。 ➢吸收的冲击能测不准。
时间短；机件；与机件连接物体的刚度。 通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，再按 能量守恒法计算。 ➢材料的弹性行为及弹性模量对应变速率无影响。 因为弹性变形的速率4928m/s，普通摆锤冲击实验的绝 对变形速率5-5.5m/s。
能量法确定冷脆温度有下列几种
(1) 将低阶能开始上升的温度定义为韧-脆转化温度， 记为NDT称为零塑性温度。在NDT以下，试件的断 口为100％的结晶状断。
(2) 将高阶能开始降低的温度定义为韧-脆转化温度。 记为FTP ( Fracture Transition Plastic)。当温度 高于FTP，试件的断口为100％的纤维状断口。
一、缺口试样的应力分布
1、缺口试样在弹性状态下的应力分布
缺口的应力集中
缺口的效应
(1)产生应力集中； (2)引起三向应力状态， 使材料脆化； (3)由应力集中带来应 变集中； (4)使缺口附近的应变 速率增高。
2、缺口试样在塑性状态下的应力分布
二、缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸
1、缺口试样
2、缺口敏感度
通常取结晶区面积占整个 断口面积的50%时的温度tk, 记为50%FATT或FATT50、 t50。
冷脆温度的应用
韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计、保证机件服役安 全，但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺 寸。 机件的最低使用温度必须高于tk，两者相差越大越安 全，所以选用的材料必须应该具有一定的韧性温度储备， 也就是说具有一定的温差。
冷脆温度的应用
同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素的变化 （如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率），tk也要变化。
所以，在一定条件下用试样测得的tk，由于和实际结构工 况之间无直接联系，所有不能说明该材料制成的机件一定 在该温度下脆断。