第一章材料的断裂和机械强度
机械工程材料-绪论-第一章
二、过量变形失效
1 过量弹性变形及抗力指标
2 （1）零构件发生过量弹性变形失效： 3 Dl[Dl] (拉压或者弯曲条件下） 4 或者 q [q] （扭转条件下） 5 （2）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够 6 （3）抗力指标：弹性模量E或者切变模量G
.
2 过量塑性变形及抗力指标
3 （1）发生条件：塑性变形量超过允许变形量 4 （2）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑
，符号为s
T
.
（2）给定温度下，在规定时间内使试样产生一
定蠕变总变形量d的应力值，符号为：s
T d
/
t
2 持久强度：材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的 能力。
3 表示方法：用给定温度和规定时间内试样发生 断裂时的应力表示，sTt t---时间；T----温度；
三、高温下零件的失效和防止
加工性能（切削、锻造等） 铸造性能（适合铸造与否） 焊接性能（容易焊接与否） 热处理性能（可热处理强化）
.
三、 学习《机械工程材料》的目的
（1） 获得常用的金属材料、非金属材料的基本理论知 识，了解各种机械工程材料的基本特性和应用范围；
（2）在了解材料性能和设计之间关系的基础上，可根 据零件的工作条件和失效形式，正确设计和合理选材；
.
第五节 零件的腐蚀失效
问题 1 什么是腐蚀？可分为几类？ 2 高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热
钢为什么具有抗高温氧化能力？ 3 发生电化学腐蚀的条件是什么？ 4 改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么
.
一、腐蚀的定义和分类
1 腐蚀：材料表面和周围介质发生化学反 应或者电化学反应所引起的表面损伤现 象。
5 （2）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。
机械工程中的材料强度与断裂研究
机械工程中的材料强度与断裂研究在机械工程领域中，材料的强度与断裂特性是非常重要的研究课题。
它们直接关系到机械结构的稳定性、可靠性和寿命等方面。
本文将对机械工程中的材料强度与断裂研究进行深入探讨。
首先，我们来介绍关于材料强度的研究。
材料的强度是指材料能够经受的外部负荷而不发生破坏的能力。
在机械工程中，常用的材料强度参数包括屈服强度、抗拉强度和断裂强度等。
屈服强度是指材料发生塑性变形时的应力值，它是材料的弹塑性转变点。
而抗拉强度则是指材料能够承受的最大拉伸应力，它反映了材料的抗拉能力。
断裂强度则是指材料在承受拉伸应力时发生破坏的应力值，它是材料的疲劳极限。
材料的强度受到多种因素的影响，其中最重要的因素之一是材料的微观结构。
不同的晶体结构和晶粒大小对于材料的强度有着显著的影响。
细小的晶粒可以提高材料的屈服强度和拉伸强度，因为晶界阻碍了位错的运动，从而增加了材料的强度。
此外，材料的化学成分也会影响材料的强度。
例如在钢中加入适量的碳元素可以增加其硬度和强度。
除了材料本身的因素之外，加载条件也对材料强度有很大的影响。
在不同的加载条件下，材料的强度参数有所差异。
例如，材料在拉伸和压缩加载下的强度相差很大。
这是由于材料的晶体结构对于不同方向的应力响应有所不同。
其次，我们来探讨关于材料断裂的研究。
材料的断裂特性决定了材料在受力时发生破坏的方式和破坏过程。
常见的材料断裂形式包括脆性断裂和延性断裂。
脆性断裂是指材料在受到加载时迅速破裂的现象，这种破裂往往是不可逆的。
与之相对的是延性断裂，它指的是材料在受到加载时会先发生塑性变形，所以破裂过程比较缓慢，并且具有一定的韧性。
材料的断裂特性与其晶体结构和晶界有着密切的关系。
晶粒形状和尺寸是影响材料断裂形式的重要因素。
细小的晶粒可以增加材料的韧性，因为大量的晶界可以阻止裂纹的扩展。
此外，材料的化学成分和相变也会影响材料的断裂行为。
例如，在某些金属材料中加入适量的合金元素可以改变其晶粒形状，从而提高材料的韧性。
第一章机械零件失效的模式及其机理
第一章机械零件失效的模式与其机理在设备使用过程中，机械零件由于设计、材料、工艺与装配等各种原因，丧失规定的功能，无法继续工作的现象称为失效。
当机械设备的关键零部件失效时，就意味着设备处于故障状态。
机械零件失效的模式，即失效的外在表现形式，主要表现为磨损、变形、断裂等；而失效机理是指失效的物理、化学、机械等变化的过程和内在原因的实质。
第一节机械零件的磨损通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损五种形式。
一、粘着磨损当构成摩擦副的两个摩擦外表相互接触并发生相对运动时，由于粘着作用，接触外表的材料从一个外表转移到另一个外表所引起的磨损称为粘着磨损。
粘着磨损又称粘附磨损。
二、磨料磨损磨料磨损又称磨粒磨损。
它是当摩擦副的接触外表之间存在着硬质颗粒，或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损，其特征是在接触面上有明显的切削痕迹。
磨料磨损是十分常见又是危害最严重的一种磨损。
其磨损速率和磨损强度都很大，致使机械设备的使用寿命大大降低，能源和材料大量损耗。
三、疲劳磨损疲劳磨损是摩擦外表材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形，导致产生裂纹和别离出微片或颗粒的一种磨损。
四、腐蚀磨损在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学反响或电化学反响，引起金属外表的腐蚀产物剥落，这种现象称为腐蚀磨损。
它是在腐蚀现象与机械磨损、粘着磨损、磨料磨损等相结合时才能形成的一种机械化学磨损。
它是一种极为复杂的磨损过程，经常发生在高温或潮湿的环境，更容易发生在有酸、碱、盐等特殊介质条件下。
按腐蚀介质的不同类型，腐蚀磨损可分为氧化磨损和特殊介质下腐蚀磨损两大类。
五、微动磨损两个接触外表由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损叫做微动磨损。
它产生于相对静止的接合零件上，因而往往易被无视。
微动磨损的最大特点是：在外界变动载荷作用下，产生振幅很小〔一般为2－20微米〕的相对运动，由此发生摩擦磨损。
第一章 金属材料的力学性能
度
A、C标尺为100
B标尺为130
机 械 制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度
标注——用符号HR表示， A标尺HRA B标尺HRB C标尺HRC
如： 42 HRA
机
械
硬度值 A标尺
制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 测定原理——基本上和布氏硬度相同，只是所用 压头为金刚石正四棱锥体
冲击韧度高
机
•冲击能量高时， --材料的冲击韧度主要取决于材料的塑性，塑性高则
韧度高
械 制
造
基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
机
械
制
造
基
础
§1.4 疲劳强度
第一章 金属材料的力学性能
疲劳强度
Sl110000%%Sl10lS0 110100%0%
Sl 二者的值越大塑性越好 00
lS0 0
机 械 制
原始原横始截标面距积
试样拉试断样后断的裂标处距截面积
造 基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
第一章 金属材料的力学性能
由主金要属内材容料：制成的零、部件，在工作过
程中金都属要材承料受的外力力学性(或能称指载标荷和) 测作试用方而法产，
金属材料的主要性能
① HRA 硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。 ② HRB 轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等 ③ HRC 较硬，淬硬钢制品；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。
②弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最 大应力。
弹性极限：σe=Fe/So 不产永久变形的最大抗力。
2）屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即 在拉伸试验过程中，载荷不增加，
试样仍能继续伸长时的应力。
s = Fs/So
s
条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点， 国家标准规定以残余变形量为0.2%时的 应力值作为它的条件屈服强度，以0.2 来表示。
影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹 杂物、表面状态、残余应力等。
二、塑性 金属材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。
1.延伸率
延伸率与试样尺寸有关：δ5、δ10 (L0=5d,10d)
2.断面收缩率 ψ=△S/So=(So-Sk)/So x 100%
> 时，无颈缩，为脆性材料表征； < 时，有颈缩，为塑性材料表征。
0.2
3)抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大 应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极 限应力值）。
b = Fb/So
（5）灰铸铁拉伸时的力学性能 灰口铸铁是典型的脆性材料,其σ-曲线是一段微弯曲 线,如图a)所示,没有明显的直线部分,没有屈服和颈 缩现象,拉断前的应变很小,延伸率也很小。强度极限 σb是其唯一的强度指标。 铸铁等脆性材料的抗拉强度 很低,所以不宜作为受拉零 件的材料。
无论是塑性材料还是脆性材料,断裂时都不产生明显的 塑性变形,而是突然发生,具有很大的危险性,有相当多 零件的破坏属于疲劳破坏,对此必须引起足够的重视。
材料的力学1
应变硬化的意义： 1、使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证 机件安全； 2、应变硬化与塑性变形适当配合可使金属进行均 匀塑变； 3、是强化金属的重要工艺手段之一。
应变硬化机理：塑变过程中位错的运动有关。
应变硬化指数
在金属材料拉伸真实应力应变曲线上的均匀塑变 n 阶段，应力与应变满足：
S Ke
d dt
A
O
0
金属、陶瓷的蠕变曲线 时间t
I阶段：AB段，减速蠕变阶段 II阶段：BC段，恒速蠕变阶段 III阶段：CD段，加速蠕变阶段
（2）影响蠕变曲线形状的因素 温度和应力都影响蠕变曲线的形状：
温度升高时，形变速率加快，恒定蠕变阶段缩短。
应力增加时，曲线形状的变化类似与温度。
应 变
Fp—比例极限对应的试验力 A0—原始截面积
弹性极限σe—由弹性变形过渡到塑性变形时的应力。
Fe—弹性极限对应的试验力 A0—原始截面积
1.3 塑性变形
一、塑变及塑性的定义 塑变——材料微观结构的相邻部分产生永久性位移， 但并不引起材料破裂的现象。 塑性——材料在外加应力去除后仍保持部分应变的 特性。
无机材料： 先是弹性形变(较小)，然后不发生塑性形变 (或很小)而直接脆性断裂。
船身断裂，一分为二的油轮
性，形变或塑性形变很小。
脆性材料的应力－应变曲线
延性材料(金属材料) ：有弹性形变和塑性形变。
延性材料的应力－应变曲线
弹性材料 (橡胶) ：弹性变形很大，没有残余形 变(无塑性形变)。
弹性材料的应力－应变曲线
1.2 弹性形变
弹性形变——当外力去除后，能恢复到原来形状
和尺寸的形变。 特点：可逆性、变形量很小（<0.5~1%） 可逆性：受力作用后产生形变，卸除载荷后，形 变消失。
工程材料与机械制造基础课后习题答案
《工程材料及机械制造基础》习题答案齐乐华主编第一章材料的种类与性能（P7）１、金属材料的使用性能包括哪些？力学性能、物理性能、化学性能等。
２、什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。
主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
３、一根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度为450Mpa，问此棒能承受的最大载荷为多少？断面收缩率是多少？F=35325N ψ=27.75%４、简述洛氏硬度的测试原理。
以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。
5、什么是蠕变和应力松弛？蠕变：金属在长时间恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象。
应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。
6、金属腐蚀的方式主要有哪几种？金属防腐的方法有哪些？主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。
防腐方法：1）改变金属的化学成分；2）通过覆盖法将金属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。
第二章材料的组织结构（P26）1、简述金属三种典型结构的特点。
体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。
每个体心立方晶格的原子数为：2个。
塑性较好。
面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。
每个面心立方晶格的原子数为：4个。
塑性优于体心立方晶格的金属。
密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。
每个密排六方晶胞原子数为：6个，较脆2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。
使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。
3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和金属化合物两种。
材料的形变
材料物理
剪应力互等定理
两个相互垂直的平面上，剪应力必然成对存在，且数值相等， 其方向共同指向或共同背离这两个平面的交线（棱线）
Chap.1 材料的力学
材料物理
1.1.2 应变
应变(Strain)
表征材料受力时内部各质点之间的相对位移。
对于各向同性材料，有三种基本的应变类型： 拉伸应变 剪切应变 压缩应变
Chap.1 材料的力学
材料物理
拉伸应变
材料受到垂直于截面积的大小相等、方向相反并
作用在同一直线上的两个拉伸应力时发生的形变。
名义应变：
真实应变：
橡胶类弹性体大伸长时：
图1.3 拉伸应变示意图
Chap.1 材料的力学
材料物理
剪切应变
材料受到平行于截面积的大小相等、方向
相反的两个剪切应力 时发生的形变。 如图1.4所示，在剪切应力 作用下，材料发生
其中，
应变也由六个独立分量决定。
Chap.1 材料的力学
材料物理
1.1.3 弹性形变(Elastic Deformation)
对于理想的弹性材料，在应力作用下会发 生弹性形变，应力与应变关系服从胡克 (Hook)定律，
比例系数E称为弹性模量(Elastic Modulus)， 又称弹性刚度。 弹性模量的单位与应力的单位相同(N/m2)。
材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化
力学性能或机械性能(Mechanical Property):
材料承受外力、抵抗形变的能力及其破坏规律
形变
力学/机械性能
Ch
图1.1 三大类型材料的应力 -应变曲线示意图
Chap.1 材料的力学
材料物理
泊松比(Poisson Ratio)
第一章工程材料的力学性能
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW 补充说明： （1）硬度超过HB650的材料，不能做布氏硬度试验，这是因为
所采用的压头，会产生过大的弹性变形，甚至永久变形，影 响实验结果的准确性，这时应改用洛氏和维氏硬度试验。 （2）每个试样至少试验3次。试验时应保证两相邻压痕中心的 距离不小于压痕平均直径的4倍，对于较软的金属则不得小于 6倍。压痕中心距试样边缘的距离不得小于压痕直径的2.5倍， 对于软金属则不得小于3倍
可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度 HBW、 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （一）试验原理
布氏硬度试验规范
3 8
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （二）应用范围
布氏硬度主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度 测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对 应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小 直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用 于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成 品检测。
最大力伸长率（Agt)：最大 力时原始标距的伸长与原 始标距之比的百分率。
最大力非比例伸长率（Ag)
二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义
断后收缩率（Z）：断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面 各之比的百分率。
第二节 材料的硬度
材料抵抗其他硬物压入其表面的能力称为硬度，它 是衡 量材料软硬程序的力学性能指标。
洛氏硬度计
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR （一）实验原理
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR (二)应用范围（共15个标尺） 示例：60HRBW
工程材料及机械制造基础习题及答案.
第一章材料的种类与性能1．强度：强度是指在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。
2．屈服强度：材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值。
3．弹性极限：产生的变形是可以恢复的变形的点对应的弹性变形阶段最大应力称为弹性极限。
4．弹性模量：材料在弹性变形范围内的应力与应变的比值称为弹性模量。
5．抗拉强度：抗拉强度是试样拉断前所能承受的最大应力值。
6．塑性：断裂前材料产生的塑性变形的能力称为塑性。
7．硬度：硬度是材料抵抗硬物压入其表面的能力。
8．冲击韧度：冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。
9．断裂韧度：断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力。
10．疲劳强度：疲劳强度是用来表征材料抵抗疲劳的能力。
11．黏着磨损：黏着磨损又称咬合磨损，其实质是接触面在接触压力作用下局部发生黏着，在相对运动时黏着处又分离，使接触面上有小颗粒被拉拽出来，反复进行造成黏着磨损。
12．磨粒磨损：磨粒磨损是当摩擦副一方的硬度比另一方大的多时，或者在接触面之间存在着硬质粒子是所产生的磨损。
13．腐蚀磨损：腐蚀磨损是由于外界环境引起金属表面的腐蚀物剥落，与金属表面之间的机械磨损相结合而出现的磨损。
14．功能材料：是具有某种特殊的物理性能，化学性能，生物性能以及某些功能之间可以相互转化的材料。
15．使用性能：是指在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，包括材料的力学性能，物理性能，化学性能等。
16．工艺性能：是指材料的可加工性，包括可锻性，铸造性能，焊接性，热处理性能及切削加工性。
17．交变载荷：大小，方向随时间呈周期性变化的载荷作用。
18．疲劳：是机械零件在循环或交变载荷作用下，经过较长时间的工作而发生断裂的现象。
20．蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
21．脆断：在拉应力状态下没有出现塑性变形而突然发生脆性断裂的现象。
22．应力松弛：是指承受弹性应变的零件在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长，工作应力自行逐渐衰减的现象。
第一章 金属材料的力学性能
Fb σb= S0
四、塑性的衡量（塑性指标）：伸长率 δ和断面收缩率 Ψ 塑性的衡量（塑性指标）：伸长率 和断面收缩率 ）：
1）伸长率（ δ ） ）伸长率（ 伸长率是指试样拉断 后标距增长量与原始 标距的百分比，即： 标距的百分比，
lk-l0 δ=
×100%
l0
lk——试样拉断后的标距 试样拉断后的标距,mm; 试样拉断后的标距 l0——试样的原始标距 。 试样的原始标距,mm。 试样的原始标距
第一章 金属材料及热处理基础知识
应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建筑及桥 应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建筑及桥 于各种工程领域中的材料 等等， 统称为工程材料。 梁中，等等，——统称为工程材料。 统称为工程材料 其中用来制造各种机电产品的材料 用来制造各种机电产品的材料， 称为机械工程材料 其中用来制造各种机电产品的材料，——称为机械工程材料 称为机械工程材料. 主要包括： 主要包括： 1）金属材料：钢，铸铁，铜及铜合金，等等。 铸铁，铜及铜合金，等等。 ）金属材料： 2）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。 ）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。 3）复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料复合而成的 ）复合材料： 多相材料。 多相材料。 金属材料是制造机器的最主要材料。 金属材料是制造机器的最主要材料。 是制造机器的最主要材料 1、金属材料按含金属元素数量的多少分为： 、金属材料按含金属元素数量的多少分为： 1）纯金属 一种金属 一种金属). ）纯金属(一种金属 2）合金（以一种金属为基 其他金属或非金属） 其他金属或非金属） ）合金（以一种金属为基+其他金属或非金属
刚度、强度、 第一节 刚度、强度、塑性
刚度、强度、弹性和塑性是根据拉伸试验测定出 塑性是根据拉伸试验 刚度、强度、弹性和塑性是根据拉伸试验测定出 来的。 来的。 一、拉伸试验与拉伸曲线 1、拉伸试样 试验前在试棒上打出标距 试验前在试棒上打出标距 按国标规定标准拉伸试样可分为： 按国标规定标准拉伸试样可分为： 板形试样： １) 板形试样：原材料为板材或带材 圆形试样：长试样L 短试样L ２) 圆形试样：长试样L0＝10d0，短试样L0=5d0 其中： 为试样标距， 其中：L0为试样标距，d0为试样直径
1.1材料的力学性能
洛氏硬度测试示意图
洛 氏 硬 度 计
h1-h0
（2）符号及标注 符号：HR 常用三种标度符号：HRA HRB 标注方法： 数值＋符号 如：５２ HRC ７０ HRA （3）应用
HRC
压痕小，在批量成品或半成品质量检验中广 泛应用，并可测量较薄的工件或较薄的硬化层。
HRA用于测量高硬度材料, 如
三、硬度 含义：是指材料在外力作用下抵抗局部变形， 特别是塑性变形、压痕或 划痕的能力，通俗 说材料抵抗外力压入其表面的能力。硬度是 衡量材料软硬程度的判据。 硬度判据：布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度ＨＶ
测量方法：硬度实验法
１、布氏硬度HB
（1）测量方法：用直径D钢球或硬质合金球， 一定载荷p ，保持一定时间卸除，由读数显微 镜测得压痕直径d，计算得到。（单位Mpa） 注：实际应用中，不需计算，根据d查布氏硬度 表即可。
2、塑性
含义：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 指标（两个）： 伸长率： 断面收缩率：
l1 l 0 100% l0
F0 F1 100% F0
断裂后
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
说明：
① 用表示塑性比伸长率更接近真实变形。 ② 与试样尺寸 有关，d0 相同时，l0，，故5> 10。只 有l0/d0 为常数时， 才有可比性。 ③ > 时，无颈缩，为脆性材料表征
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
五、疲劳强度
何为疲劳？材料在低于s的循环交变应力作 用下发生断裂的现象。（举例） 疲劳强度的含义：材料抵抗疲劳破坏的能力。 指标： 疲劳极限：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N 表示（对称循环交变应力-1 。） 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为 108。
无机材料的脆性断裂与强度
无机材料的脆性断裂与强度脆性断裂是指在受力条件下，无机材料会发生不可逆的破裂现象，而无法发生塑性变形。
与之相对的是韧性断裂，韧性断裂发生在材料能够发生塑性变形的情况下。
无机材料的脆性断裂与强度有密切关系。
强度是指材料抵抗外力的能力，是一个评价材料抗拉、抗压、抗弯等载荷的指标。
脆性材料的强度主要受材料内部微观缺陷和断裂导致的应力集中影响。
下面分三个方面介绍无机材料的脆性断裂与强度的关系。
首先，无机材料的脆性断裂与晶体结构有关。
无机材料的晶体结构决定了材料的原子排列和键合情况，从而影响了材料的力学性能。
晶体结构中的离子键、共价键或金属键不易发生移动，因此无机材料的塑性变形能力较弱。
当材料受到外力作用时，由于无法有效地分散应力，应力会在缺陷处或晶界处集中，导致材料的断裂。
例如，金刚石具有非常坚硬的晶体结构，但其断裂韧性很低，容易在受力时发生脆性断裂。
其次，无机材料的脆性断裂与材料的纯度和缺陷有关。
纯度高的材料内部缺陷较少，力学性能较好，强度较高。
材料的缺陷可以包括晶界、孔洞、裂纹等，这些缺陷会导致应力的集中。
晶界是由于晶体的生长形成的界面，常常是材料中最脆弱的部分。
孔洞和裂纹是材料中的缺陷，它们会在受力时成为应力集中的位置，从而导致材料的脆性断裂。
因此，提高无机材料的纯度，减少缺陷的存在，可以提高材料的强度和抗断裂能力。
最后，无机材料的脆性断裂与外界温度和应力速率有关。
温度对材料的强度和断裂行为有很大影响。
低温会导致材料的强度和韧性下降，使得材料更容易发生脆性断裂。
高温会增加材料的塑性，降低材料的强度，使得材料更容易发生韧性断裂。
应力速率也是影响材料脆性断裂的因素之一、应力速率较快时，材料不容易发生塑性变形，从而容易发生脆性断裂。
应力速率较慢时，材料有足够的时间进行塑性变形，从而能够发生韧性断裂。
综上所述，无机材料的脆性断裂与强度有着紧密的关系。
晶体结构、纯度和缺陷、温度以及应力速率都会对材料的强度和断裂行为产生影响。
金属材料的结构与性能
第一章材料的性能第一节材料的机械性能一、强度、塑性及其测定1、强度是指在静载荷作用下，材料抵抗变形和断裂的才能。
材料的强度越大，材料所能承受的外力就越大。
常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度，它们是重要的力学性能指标，是设计，选材和评定材料的重要性能指标之一。
2、塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的才能。
塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ф表示。
二、硬度及其测定硬度是衡量材料软硬程度的指标。
目前，消费中测量硬度常用的方法是压入法，并根据压入的程度来测定硬度值。
此时硬度可定义为材料抵抗外表局部塑性变形的才能。
因此硬度是一个综合的物理量，它与强度指标和塑性指标均有一定的关系。
硬度试验简单易行，有可直接在零件上试验而不破坏零件。
此外，材料的硬度值又与其他的力学性能及工艺能有亲密联络。
三、疲劳机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象称为疲劳。
疲劳强度是指被测材料抵抗交变载荷的才能。
四、冲击韧性及其测定材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的才能被称为冲击韧性。
为评定材料的性能，需在规定条件下进展一次冲击试验。
其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验，或称一次摆锤冲击试验。
五、断裂韧性材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的才能称为断裂韧性。
它是材料本身的特性。
六、磨损由于相对摩擦，摩擦外表逐渐有微小颗粒别离出来形成磨屑，使接触外表不断发生尺寸变化与重量损失，称为磨损。
引起磨损的原因既有力学作用，也有物理、化学作用，因此磨损使一个复杂的过程。
按磨损的机理和条件的不同，通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损四大根本类型。
第二节材料的物理化学性能1、物理性能：材料的物理性能主要是密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性。
不同用途的机械零件对物理性能的要求也各不一样。
2、化学性能：材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀才能。
第三节材料的工艺性能一、铸造性能：铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析的倾向。
《材料性能学》1-4章电子教案2
４、真应力－真应变曲线（S－e曲线）
实际上，在拉伸过程中，试棒的截面积和长度随着拉伸力的增大是 不断变化的，工程应力一应变曲线并不能反映试验过程中的真实情 况．如果以瞬时截面积A除其相应的拉伸力F，则可得到瞬时的真应力S， 同样，当拉伸力F有一增量dF时，试样在瞬时长度 L的基础上变为L＋dL， 于是应变的微分增量应是 de＝dL／L，则试棒自 L0伸长至L后， 总的应变量为 ： e L dL L
6
第一节 力－伸长曲线和应力一应变曲线
一、力－伸长曲线（拉伸图）
材料的单向静拉伸试验通常是在室温下按常 规的试验标准，采用光滑圆柱试样在缓慢加载和低 的变形速率下进行的．试验方法和试样尺寸在试验 标准中有明确规定．在拉伸过程中，随着载荷的不 断增加，圆柱试样的长度将不断的增加，这些量的 变化可由试验机上安装的自动绘图机构连续描绘出， 拉伸力F和绝对伸长量ΔL的关系曲线，直至试样断 裂．如图1－1所示。
二、金属、陶瓷类材料弹性变形的微观过程的双原子模型解释． 在正常状态下，晶格中的离子能保持在其平衡位置仅作微小的热 振动，这是受离子之间的相互作用力控制的结果．一般认为，这种作 用力分为引力和斥力，引力是由正离子和自由电子间的库仑力所产生， 而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变所致．引力和斥力都是离子 间距的函数。 图1－5即为离子互相作用时的受力模型，图冲N1、N2分别为两离子 的平衡位置，曲线1为引力，曲线2为斥力，曲线3为合力，
《材料性能学》电子教案
〔面向21世纪材料科学与工程高等教育改革 试用教材 （北京工业大学出版社） 王从曾 主编〕
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机械工程材料沈莲01章机械零件的失效分析
应该指出，金属材料的弹性模量主要取决于基体金 属的性质，当基体金属一定时，不能通过合金化、热处 理、冷变形等方法使之改变。
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而脆性断裂没有明显征兆，因而危害性极大，
研究表明，无论是韧性断裂还是脆性断裂，其断裂过 程均包含裂纹形成和扩展两个阶段。材料在外力作用下形 成微裂纹或者以原有的内部缺陷（如微裂纹、空孔、杂质 等）作为裂纹源，当裂纹源逐渐扩展到一个临界裂纹长度 时，立刻发生断裂。
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3. 应力集中
当材料有缺口时，缺口 根部有应力集中，改变了该 处三向应力分布，使缺口前 沿切应力减小，导致应力状 态变硬，容易引起材料脆化。
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4. 零件尺寸
机械工程材料
零件截面尺寸愈大,愈易脆断。 因为薄件处于平面应力状态，而厚件中心受三向拉 应力，处于平面应变状态而易造成脆断。
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四、断裂韧性及其衡量指标
材料的断裂与脆性
材料物理
静载压入试验
(a) 布氏硬度 (b) 维氏硬度
Chap.1 材料的力学
材料物理
静载压入试验
(c) 洛氏硬度 (d) 努普硬度
Chap.1 材料的力学
材料物理
材料硬度的影响因素
材料的硬度取决于其组成和结构：
➢离子半径 ➢材料的显微结构、裂纹、杂质等 ➢温度等环境条件
➢韧性断裂（高温） B点以后 ➢应变硬化 D点以后
应变硬化
Chap.1 材料的力学
材料物理
1.3.3 材料的裂纹断裂理论
微裂纹理论：
•实际的材料中总是存在许多细小的裂纹和缺陷， 在应力作用下，这些裂纹和缺陷附近产生应力
集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹开始 扩展而导致断裂。 ➢所以，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面 拉断，而是裂纹扩展的结果。
传统的设计观点：
•甲钢：
的构件，可选
•乙钢：
Chap.1 材料的力学
材料物理
按照断裂力学的观点：
甲钢： f
KIC YC
4.5107 1.5 1103
1.0109 (Pa)
乙钢： f
KIC YC
7.5107 1.5 1103
1.67 109 (Pa)
➢乙钢比甲钢安全
Chap.1 材料的力学
•允许的最大应力[σ]=σf/n或 σys/n ，
• σf为断裂强度，σys为屈服强度， n为安全系数。
断裂力学：引入一个考虑了裂
纹尺寸，并表征材料特征的常数KIC，称作
平面应变断裂韧性。 断裂判据可表示为：
Chap.1 材料的力学
材料物理
经典理论与断裂力学设计选材的差异
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1. 晶粒尺寸的影响
晶界的化学键合比晶粒内部弱，晶粒的断裂能要明显 高于晶界，而且晶界是杂质和缺陷的存在和富集之处，所 以多晶材料多沿晶界断裂。晶粒越细，则断裂表面积越大， 断裂能越高。断裂强度与晶粒尺寸d-1/2成正比关系。
2. 气孔的影响
材料的强度一般随着气孔率的提高而下降，这是由于 气孔的存在不但使材料的实际受力面积减小，而且还会在 周围引起应力集中。同样的气孔率，气孔尺寸越不均一， 分布越不均匀、形状越尖锐，对强度的影响就越大。
1.3.4 断裂力学与材料的断裂韧性
用断裂力学建立起的断裂判据，能真正用于设计上，它能告 诉我们，在给定裂纹尺寸和形状时，究竟允许多大的工作应力才 不致发生脆断；反之，当工作应力确定后，可根据断裂判据确定 构件内部在不发生断裂的前提下所允许的最大裂纹尺寸。
1 裂纹的形成
（1）位错导致裂纹核形成
当位错运动遇到障碍（如晶界、 第二相等）或者遇到由位错反应 形成的不动位错而产生赛积，引 起 局部应力集中，达到理论断 裂强度时，就会导致局部的开裂 而形成解理裂纹。
Griffith 判据
GIC
c
2 c
E
KC Y f c
Y
KIC GIC E 2E f
KIC与材料的本征参数E和γ等物理量有直接的 关系，反映了材料抵抗裂纹扩展的能力。
断裂韧性的测试
预制人工裂纹，对试样加载使之破坏
加载速率过低，裂纹可能会在在KI<KIC的 条件下发生亚临界裂纹扩展，使测试结果 偏低；但加载速率过高，使测量结果偏高。
对于无限大平板含中心穿透裂纹， Y
断裂韧性KIC和断裂判据
裂纹尖端附近各点的应力随着KI值的增大而提 高， 当KI值随外力增大至临界值时，裂纹就 会快速扩展而导致构件断裂。这一临界状态所 对应的应力强度因子KIC称为临界应力强度因 子，单位为Pa﹒m1/2
KC Y f c
式中临界应力 f
材料的断裂强度。
2 裂纹扩展的基本方式
3. 裂纹尖端区域的应力场与应力场强度因子
一均匀受力的无限大平板含有 长度为2c的I型裂纹，在其尖 端（r, θ）处的应力分量为：
上式写成一般通式为：
K
2 r பைடு நூலகம்/2
fij ( )
可以得到
K c Y c
KI反映了裂纹尖端应力场的强度，称为应力场强度因子， 单位为Pa﹒m1/2，但是由于各种裂纹的具体情况有差别， 表达式不同。Y称为几何形状因子，其值随裂纹的形态、 试样形状与加载方式的不同而异，一般情况Y的值介于 1~2之间，无量纲。
（2）材料制备和使用过程中形成的裂纹
夹杂物与基体热膨胀系数不一致产生热应力导致微裂纹 第二相相变发生体积和形状的改变导致微裂纹 热膨胀系数和弹性模量显著各向异性，当温度或应力改变时在晶 界处产生内应力，导致微裂纹 基体内部致密度相差较大，在烧结过程中收缩不均导致微裂纹
（3）材料表面由机械损伤和化学腐蚀形成的表面 裂纹
根据热力学和经典力学中的能量守恒定律，分析含裂纹 的固体在应力作用下自由能的变化，首次证明了脆性材料 的实际强度显著低于理论值的原因。
同样的材料，大试样的强度低于小试样 ？
要使材料具有高的断裂强度，就要求材料的弹性模量和 断裂表面能打，而裂纹尺寸小。
1.3.3 材料的显微结构与强度的关系
材料的显微结构包括多晶材料中晶界的特征及多 晶中晶粒的大小、形状和取向。 陶瓷材料和高分子材料还包括晶向及非晶相的分 布；气孔的尺寸、数量与位置，各种杂质、添加 物、缺陷、微裂纹的存在形式及分布； 金属材料还包括共晶组织、马氏体组织等。
布氏硬度和洛氏硬度试验---金属材料。
布氏硬度的测定原理是用一定大小的载荷F（kgf），把直径 为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入试样表面，保持规定时 间后卸除载荷，测量试样表面的残留压痕直径d，求压痕的表面 积S。将单位压痕面积承受的平均压力（F/S）定义为布氏硬度， 其符号用HB表示。
布氏硬度试验的优点是压痕面积较大，能反映材料在较大区域 内各组成相的综合平均性能，数据稳定，重复性高。缺点是压痕 直径较大，一般不宜在成品件上直接进行试验，不适合薄件和表 面层硬度的测试，对于测量硬度高的材料，钢球本身会产生变形。
强度的测试
拉伸强度、弯曲强度、压缩强度和扭转强度，针对 不同的材料选择不同的测试方法，注意试样的大小会影 响测试结果。
断裂强度的统计性质
材料的断裂起源于内部存在的最危险裂纹。因此材 料的强度值与平均值之间存在较大的偏差。Weibull提 出经验分布的方法，是一种“最弱环”方法，认为物体 的强度与一系列独立体积单元的幸存概率有关。类似于 一根链条取决于最弱的环节，链条断裂后，链条剩余部 分的强度又由该部分的最弱环节决定，而且剩余部分的 强度比断裂前链条的强度高，以此类推。
1.3 材料的断裂与机械强度
延性断裂和脆性断裂
高度延性的 软质材料， 断裂前严重 颈缩（塑性 形变），最 后发生点断 裂；
脆性材料， 断裂前没有 颈缩，断口 平坦。
1.3.1 理论断裂强度
可见固体的理论断裂强度取决于材料的 弹性模量、表面能和晶格常数。面间距越 小，弹性模量和表面能越大，固体材料的 理论断裂强度就越高。
实测的断裂强度只有理论值的百分之一， 只有极细的纤维和晶须的强度比较接近理 论强度值。主要是由于固体材料内部的缺 陷所致。
1.3.2 Griffith断裂理论和断裂强度
1921年，Griffith提出裂纹理论解释这一现象，认为裂纹 引起的应力集中导致的裂纹扩展使材料断裂（而不是两个 理论晶面的分离），因此材料的强度低于理论值。
1.3.5 材料的硬度
硬度反映材料表面局部抵抗塑性形变的能 力，主要取决于材料的组成和结构，原子间 的结合能越大，硬度就越高。
（1）莫氏硬度 莫氏硬度是划痕硬度，表示的是硬度相
对大小的顺序，而不是定量的软硬程度。按 典型矿物的相对软硬程度将硬度划分为10级， 金刚石为10.
（2） 布氏硬度和洛氏硬度硬度测 试.rmvb
洛氏硬度也是一种压入硬度试验方法，以测量 压痕深度值的大小来表示材料的硬度值，以HR来表 示。试验的压头为圆锥角等于120度的金刚石圆锥 或直径为1.588mm或3.175mm的淬火钢球。用压痕凹 陷深度t来表征材料的硬度，材料越软，t越大。