第八章金属和陶瓷的力学性能-刘彤
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• 肖氏硬度A／l5：45，表示试验力保持15s， A型肖氏硬度值为 45 。
A型硬度≥90，改用D型硬度计； D型硬度≤20，改用A型硬度计；
14
硫化橡胶或热塑弹体硬度值
低硬度测试(L) 厚度≥ 6mm
正常测试(N) ，厚度≥ 4mm
国际橡胶硬度单位
微观测试(M) ，厚度＜4mm
IRHD (International Rubber Hardness Degree )
晶粒长大
(1) 正常晶粒长大，晶粒尺寸和形状的分布基本不变， 又称连续晶粒长大；
(2) 反常晶粒长大，又称不连续长大、过度长大或二次再结晶。晶粒正常长 大受到阻碍，或加热温度过高，使少数晶粒能克服阻碍不成比例地长大。
金属的断裂
• 延性断裂：存在大量塑性变形，断口呈杯锥状。
与拉伸轴 成 45角
•脆性断裂：沿特定晶面（又称解理面）进行，塑性变形非常小，裂纹扩展迅速。
横向强度的影响。
• E0为无孔隙材料的弹性模量
拉伸力学性能指标（2）
③抗拉强度(σb)是最大应力。此时 塑性变形较大，工程设计不用σb。
铝合金
断裂后
④ 断后伸长率 δ= (l - l0) / l0
• 表征延性，工艺缺陷使δ低于正常值。 • 重要结构设计和检验指标。
⑤ 断面收缩率 φ= (A0 - Af) / A0
3
金属单晶的塑性变形---滑移带和滑移线
晶面相对滑移时，离子会接触。
始终以库仑 力保持相吸
很少见到 相同离子相遇 相邻滑移面分离
NaCl 型结构
陶瓷材料的应力一应变行为
三点弯曲试验
1. 抗弯强度
受压应力
脆性陶瓷σ-ε不能用拉伸试验确定：
① 试样难制备；
σ= 3FL/2bd2 ② 拉伸与压缩试验结果差别大。
弯曲试验时的最大应力为断裂应力
受拉应力 σ= FL/πR3 又称抗弯强度，大于抗拉强度值。
产生颈缩 以及孔洞
恒定 负荷 316不锈钢Fe-18Cr-12Ni-2.5Mo
• 可用外推法 求出最小蠕变 速率所对应的 应力，即蠕变 强度。
10
金属持久强度
• 持久强度试验与蠕变试验基本相同，但所用负荷要大一些。 316不锈钢
斜率改变由再结晶、氧化 、腐蚀或相变等造成。
• 试样破断所需时间随着所加应力和温度的增加而减少。
孪生在变形过程中的作用
• 孪生引起的晶体取向变化会使新的滑移系相对于切应力处于有 利的取向，能引起新的滑移。
• HCP金属滑移系很少，孪生对其变形最重要，但仍低于滑移系较 多的FCC和BCC金属。
滑移的位错模型
• 沿滑移系的两个相邻滑移面作刚性的整体相对滑 动机制不正确。
• 1934年， Taylor , Orowan 和 Polanyi 分别提出位错概念。
洛氏硬度试验（1）
洛
氏
1919 年美国冶金学家 Stanley D . Rockwell
硬 度
两种压头
计 （1）金刚石圆锥体
பைடு நூலகம்
洛氏硬度值=100-e
0.2mm
（2）钢球(D=1.5875mm)
洛氏硬度值=130-e
压痕失去几何相似性
特点 缺点：结果分散度大。 先加10 kgf 初始F0
优点：直接从硬度计读 数，压痕小，适用范围广。 再加F1
共价键键
• 原子间键合具有特定方向性，包括成对电子间的电荷交换。 • 当外力使电子对键合的分离不能再恢复，晶体发生脆性断裂。
合的陶瓷 • 单晶体和多晶体都很脆。
离子键键 合的陶瓷
• 一些离子键单晶体(MgO, NaO)，室温下可进行较多的塑性变形。 • 多晶体陶瓷，滑移系统较少而难以实现协调地改变形，而在晶界 形成裂纹，导致脆性断裂。
切应力
刃
混
型
合
位
位
错
错
• 原子微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。 • 多个位错的运动导致晶体的宏观变形。
5
金属多晶体的塑性变形
• 工程合金几乎都是多晶体，常希望获得细晶组织。
晶界约束
• 各晶粒对于力轴取向不同，不 能同时开始变形。 • 变形必须克服晶界阻碍，晶粒 间变形协调性决定材料塑性。
Cu在室温的拉伸应力-应变曲线
橡胶类高聚物材料的硬度试验
①肖氏硬度（ Shore hardness）对于塑料和硬橡胶
加压底板
A 型（软材料） 钢棒制成
压头最 大伸出
D 型(硬材料) 钢棒制成
2.5±0.04mm
测试要求 •压头中心距底板边缘≥ 6mm ；距底试样边缘≥9mm • 硬度值=压头伸出底板面程度
表示方法 当完全伸出，读数为0；伸出为0，读数为 100。
F/D2 为一常数
国家标准 GB / T 231 . 1 - 2002 （ F 单位为N）
28 °＜φ＜ 74 ° D=1, 2.5, 5, 10 mm
表示方法
布氏硬度值+HBW +D (mm)+ F(kgf)+ T(10 ～15s省略) 。
如, 120 HBW 10 / 1 000 / 30
σb= C×HBW 碳钢C=0.346
G为切变弹性模量
2
拉伸试验和性能指标
恒M定TS变8形80速率 Ho材ok料e’实s L验a机w
σp0.2 =538 MPa
Al合金
50 mm
D=10 mm
① 弹性模量E，与金属原子间的结合强度有关， E钢=207GPa，E铝= 69～76 GPa 。
② 规定非比例伸长应力，是产生一定量塑性应变所对应的应 力，工程上常用0.2 %，σp0.2 。工程结构设计的重要数据。
滑移系
金属中滑移只能沿一定晶面和此面上的一定方向（即滑移方向）进行。
滑移面（最密排面） 滑移方向（最密排方向）
滑移系 滑移系愈多，变形能力愈大。
塑性最好
密排程度较 低，需要较 大的应力才 能产生滑移
塑性较低
4
另一个变形方式---孪生
一系列
面心立方的孪生过程
特定
• 变形部分的原子与邻近未变形部分的原子呈 镜面对称叫做孪生变形，分界面为孪生面。
高硬度测试(H) 厚度≥ 4mm
区别在 于球形 压头直 径大小 和压力 大小。
IRHD=0，表示E=0时的硬度；IRHD=100，表示E=∞时的硬度。 表示方法 测出小接触力和总接触力下压痕深度之差，查表得出IRHD 硬度值。
各种硬度试验对比
15
陶瓷力学性能特点和变形机制
• 陶瓷以离子键和共价键结合，耐高温、磨损、腐蚀，是极具潜力高温结 构材料，但通常硬而脆。 少数陶瓷σb＞172 MPa。 σ压= 5～10 σ拉。
材料科学基础
第八章 金属和陶瓷的 力学性能
刘彤
Bonding Structure
Defects
引言
性能
力学性能 物理性能 化学性能
• 力学性能：材料对外力作用的响应。强度、硬度、延性和韧性等。
外力类型
条
件
外力大小
试验温度
拉伸、压缩或切变 以一定速率增加直到断裂；周期地变化。 室温、高温或低温
1
Chapter Outline
金属的硬度试验---布氏硬度试验
• 硬度是材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 • 压入法，根据压痕的大小来确定硬度值。
特点
• 快速而且经济，不损坏零件整体性能。 • 硬度值不仅与材料有关，还与测定方法和条件有关。
布氏硬度试验 1900 年瑞典工程师 J . A . Brinell
布 氏
• 硬质合金球压头以F 压入试样表面并保
滑移系越多，塑 性越好。
Hall — Petch公式
σp =σ0 + kd -1/2
σ0为常数，与材料的成分和温度有关； d为晶粒的平均直径； k为与晶界结构有关的常数。
BCC
FCC
6
加工硬化
Rolling direction
Rolling direction
Stress Unload
冷变形增加 位错密度， 增加塑性变 形抗力。
• 大约80 ％的机器失效是由疲劳失效直接造成的，如轴、齿轮等。
平滑表面区，裂 纹横越截面扩展 时，张开表面区 的摩擦作用造成。
疲劳源 应力集中处
“沙滩”花样
粗糙表面区，剩 余截面承受的负 荷太高，产生断 裂造成。
9
疲劳寿命（S - N曲线）
最常用的是旋转梁试验，试样交替承受大小相等的交变拉压应力。
穿晶断裂： 裂纹穿过 晶粒基体 扩展。
沿晶断裂： 晶界区有脆 性杂质，裂 纹沿晶界进 行扩展。
8
V 形缺口
韧性和冲击试验
• 韧性是材料在断裂时吸收能 量大小的度量。
• 已知摆锤质量和它的原始高度 与冲断后高度，测出试样断裂 所吸收的能量（即冲击功）。
延性一脆性转 变温度(DBTT)
金属的疲劳
• 金属零件常承受周期应力，会在 比承受单一静负荷低得多的应力 下失效，这种失效称为疲劳失效。
硬
持一定时间后去除试验力。
度
计
( kgf / mm2 )
试样要求
F单位为N：
• 测出压痕直径d ，查读出硬度值。 •厚度≥压痕深度的 8 倍； •压痕中心距试样边缘≥ 2.5 d，相邻压痕距离≥3 d。
11
相似原理以及布氏硬度值
要使同一材料在不同D和F能得到相 同硬度值，D与F必须符合相似原理。
相似原理 Thompson
滑移只发生在
沿许多滑移面发生滑移，细小的滑 移台阶称为滑移线
阶梯状
滑移线间距
滑移带间距
变形只集中在一小部 分（＜1 % ）滑移面
Zn单晶塑性变 形后滑移带
• 滑移带是金属原子沿特定的晶面 （滑移面）滑移后形成区域。
• FCC单晶体，滑移可在几个取向不同的 滑移面进行，表面滑移带就更均匀。
变形0.9％铜单晶表面滑移带
起始点
e=h/0.002
12
洛氏硬度试验（2）
F =F0 ＋ F1
硬材料
软材料
维氏硬度试验
金刚石正四面棱锥体压头
•1922 年英国Smith 和 Sandland 提出 1924 年VickerS Armstrong 公司生产
F=0.2～100kgf
压痕具有几何相似性 硬度值与F无关
d =压痕平均对角线长(mm) ; α= 136° 表示方法 硬度值+HV+F(kgf)+T(10～15s省略) 如, 640 HV 30 / 20
互相抵消
7
回复和再结晶
Al-0.8wt%Mg
×100 晶界难分辨
(偏振光)
回复
再结晶
85% cold worked
×20 k TEM
302℃退火1 h 小角度亚晶粒组织
316℃退火1 h 再结晶晶粒
85% cold worked
302℃退火1 h
316℃退火1 h
再结晶 新的无应变晶粒在回复的组织中形核并长大形成再结晶组织。
• 拉伸试验以及性能指标 • 金属塑性变形机制以及回复和再结晶 • 硬度试验 • 疲劳试验 • 蠕变强度 • 陶瓷的力学性能和变形机理
金属中的应力和应变
拉应力 F
单位为MPa
量纲为 1
应变%=伸长%= F
切应力 τ = S A
切应变 γ = a h = tan θ
对于纯弹性切变 τ = G γ
切应力
S为产生失效的应力
N 为应力循环次数
约为抗拉强 度的一半。
N=108 ～1010
无疲劳极限
S—N 曲线
金属疲劳强度的影响因素：应力集中， 表面 粗糙度， 表面状态 ，环境（腐蚀疲劳）等。
Furnace
金属的蠕变
0.5 TM下典型蠕变曲线
最小蠕变速率
基本恒定 ε迅速增加
加工硬化 蠕变速率 减少
稳态蠕变 回复抵消加工硬化
试样要求
• 厚度≥ 10倍压痕深度 或1.5d
特点
• 显微镜测量精度可达 1μm ，维氏硬度值精确。 • 操作较费时。
显微维氏硬度计
F ≤0. 2 kgf Rα ≤0.1μm
13
显微努氏硬度试验
菱形棱锥体金刚石压头 d 为压痕长对角 线长(mm)
• 由前美国国家标准局研制的 低试验力硬度试验。
特点
• 优点：压痕窄长，弹性恢复非 常小，测量精度高于维氏硬度。 • 常用于测定表层、渗层以及小 零件或脆性陶瓷材料的硬度。
• 缺点：压痕不具有几何相似性。
W: L=7.114
表示方法 • HK+ F (kgf) + T (10～15s不标) 。如 640 HK 0.1 / 20。 • 显微努氏硬度试验方法在美国使用较多，我国尚无国标。
TEM
胞状织构
•晶界难以 分辨，胞 壁具有高 密度位错。
Reapply load
Strain
1μm (cb)()a变变) 变形形形21000%%%
加工硬化是强化金属 的重要方法之一。
冷变形金属的回复
冷变形金属软化的热处理称为退火。 各阶段间常有重叠
较低能量组态
• 回复: 内应力会逐渐释放，热能使位错 互相抵消，或形成能量较低的组态。 • 回复后，强度仅略有下降，塑性提高。
2. 弹性模量
E= 70～500 GPa，略高于金属。
3. 陶瓷材料的蠕变
• 高温承受压应力时发生蠕变，蠕变温度高于金属。
16
影响陶瓷材料强度的因素
化学成分、显微组织和表面状态
陶瓷材料的强度
• 失效主要因素是组织缺陷（孔隙、表面裂纹和过大晶粒等）。
(1) 孔隙
造成应力集中，降低了材料强度。
孔隙体积分数对氧化铝 E= E0(1-1.9P+0.9P2) 孔隙体积分数 P
A型硬度≥90，改用D型硬度计； D型硬度≤20，改用A型硬度计；
14
硫化橡胶或热塑弹体硬度值
低硬度测试(L) 厚度≥ 6mm
正常测试(N) ，厚度≥ 4mm
国际橡胶硬度单位
微观测试(M) ，厚度＜4mm
IRHD (International Rubber Hardness Degree )
晶粒长大
(1) 正常晶粒长大，晶粒尺寸和形状的分布基本不变， 又称连续晶粒长大；
(2) 反常晶粒长大，又称不连续长大、过度长大或二次再结晶。晶粒正常长 大受到阻碍，或加热温度过高，使少数晶粒能克服阻碍不成比例地长大。
金属的断裂
• 延性断裂：存在大量塑性变形，断口呈杯锥状。
与拉伸轴 成 45角
•脆性断裂：沿特定晶面（又称解理面）进行，塑性变形非常小，裂纹扩展迅速。
横向强度的影响。
• E0为无孔隙材料的弹性模量
拉伸力学性能指标（2）
③抗拉强度(σb)是最大应力。此时 塑性变形较大，工程设计不用σb。
铝合金
断裂后
④ 断后伸长率 δ= (l - l0) / l0
• 表征延性，工艺缺陷使δ低于正常值。 • 重要结构设计和检验指标。
⑤ 断面收缩率 φ= (A0 - Af) / A0
3
金属单晶的塑性变形---滑移带和滑移线
晶面相对滑移时，离子会接触。
始终以库仑 力保持相吸
很少见到 相同离子相遇 相邻滑移面分离
NaCl 型结构
陶瓷材料的应力一应变行为
三点弯曲试验
1. 抗弯强度
受压应力
脆性陶瓷σ-ε不能用拉伸试验确定：
① 试样难制备；
σ= 3FL/2bd2 ② 拉伸与压缩试验结果差别大。
弯曲试验时的最大应力为断裂应力
受拉应力 σ= FL/πR3 又称抗弯强度，大于抗拉强度值。
产生颈缩 以及孔洞
恒定 负荷 316不锈钢Fe-18Cr-12Ni-2.5Mo
• 可用外推法 求出最小蠕变 速率所对应的 应力，即蠕变 强度。
10
金属持久强度
• 持久强度试验与蠕变试验基本相同，但所用负荷要大一些。 316不锈钢
斜率改变由再结晶、氧化 、腐蚀或相变等造成。
• 试样破断所需时间随着所加应力和温度的增加而减少。
孪生在变形过程中的作用
• 孪生引起的晶体取向变化会使新的滑移系相对于切应力处于有 利的取向，能引起新的滑移。
• HCP金属滑移系很少，孪生对其变形最重要，但仍低于滑移系较 多的FCC和BCC金属。
滑移的位错模型
• 沿滑移系的两个相邻滑移面作刚性的整体相对滑 动机制不正确。
• 1934年， Taylor , Orowan 和 Polanyi 分别提出位错概念。
洛氏硬度试验（1）
洛
氏
1919 年美国冶金学家 Stanley D . Rockwell
硬 度
两种压头
计 （1）金刚石圆锥体
பைடு நூலகம்
洛氏硬度值=100-e
0.2mm
（2）钢球(D=1.5875mm)
洛氏硬度值=130-e
压痕失去几何相似性
特点 缺点：结果分散度大。 先加10 kgf 初始F0
优点：直接从硬度计读 数，压痕小，适用范围广。 再加F1
共价键键
• 原子间键合具有特定方向性，包括成对电子间的电荷交换。 • 当外力使电子对键合的分离不能再恢复，晶体发生脆性断裂。
合的陶瓷 • 单晶体和多晶体都很脆。
离子键键 合的陶瓷
• 一些离子键单晶体(MgO, NaO)，室温下可进行较多的塑性变形。 • 多晶体陶瓷，滑移系统较少而难以实现协调地改变形，而在晶界 形成裂纹，导致脆性断裂。
切应力
刃
混
型
合
位
位
错
错
• 原子微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。 • 多个位错的运动导致晶体的宏观变形。
5
金属多晶体的塑性变形
• 工程合金几乎都是多晶体，常希望获得细晶组织。
晶界约束
• 各晶粒对于力轴取向不同，不 能同时开始变形。 • 变形必须克服晶界阻碍，晶粒 间变形协调性决定材料塑性。
Cu在室温的拉伸应力-应变曲线
橡胶类高聚物材料的硬度试验
①肖氏硬度（ Shore hardness）对于塑料和硬橡胶
加压底板
A 型（软材料） 钢棒制成
压头最 大伸出
D 型(硬材料) 钢棒制成
2.5±0.04mm
测试要求 •压头中心距底板边缘≥ 6mm ；距底试样边缘≥9mm • 硬度值=压头伸出底板面程度
表示方法 当完全伸出，读数为0；伸出为0，读数为 100。
F/D2 为一常数
国家标准 GB / T 231 . 1 - 2002 （ F 单位为N）
28 °＜φ＜ 74 ° D=1, 2.5, 5, 10 mm
表示方法
布氏硬度值+HBW +D (mm)+ F(kgf)+ T(10 ～15s省略) 。
如, 120 HBW 10 / 1 000 / 30
σb= C×HBW 碳钢C=0.346
G为切变弹性模量
2
拉伸试验和性能指标
恒M定TS变8形80速率 Ho材ok料e’实s L验a机w
σp0.2 =538 MPa
Al合金
50 mm
D=10 mm
① 弹性模量E，与金属原子间的结合强度有关， E钢=207GPa，E铝= 69～76 GPa 。
② 规定非比例伸长应力，是产生一定量塑性应变所对应的应 力，工程上常用0.2 %，σp0.2 。工程结构设计的重要数据。
滑移系
金属中滑移只能沿一定晶面和此面上的一定方向（即滑移方向）进行。
滑移面（最密排面） 滑移方向（最密排方向）
滑移系 滑移系愈多，变形能力愈大。
塑性最好
密排程度较 低，需要较 大的应力才 能产生滑移
塑性较低
4
另一个变形方式---孪生
一系列
面心立方的孪生过程
特定
• 变形部分的原子与邻近未变形部分的原子呈 镜面对称叫做孪生变形，分界面为孪生面。
高硬度测试(H) 厚度≥ 4mm
区别在 于球形 压头直 径大小 和压力 大小。
IRHD=0，表示E=0时的硬度；IRHD=100，表示E=∞时的硬度。 表示方法 测出小接触力和总接触力下压痕深度之差，查表得出IRHD 硬度值。
各种硬度试验对比
15
陶瓷力学性能特点和变形机制
• 陶瓷以离子键和共价键结合，耐高温、磨损、腐蚀，是极具潜力高温结 构材料，但通常硬而脆。 少数陶瓷σb＞172 MPa。 σ压= 5～10 σ拉。
材料科学基础
第八章 金属和陶瓷的 力学性能
刘彤
Bonding Structure
Defects
引言
性能
力学性能 物理性能 化学性能
• 力学性能：材料对外力作用的响应。强度、硬度、延性和韧性等。
外力类型
条
件
外力大小
试验温度
拉伸、压缩或切变 以一定速率增加直到断裂；周期地变化。 室温、高温或低温
1
Chapter Outline
金属的硬度试验---布氏硬度试验
• 硬度是材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 • 压入法，根据压痕的大小来确定硬度值。
特点
• 快速而且经济，不损坏零件整体性能。 • 硬度值不仅与材料有关，还与测定方法和条件有关。
布氏硬度试验 1900 年瑞典工程师 J . A . Brinell
布 氏
• 硬质合金球压头以F 压入试样表面并保
滑移系越多，塑 性越好。
Hall — Petch公式
σp =σ0 + kd -1/2
σ0为常数，与材料的成分和温度有关； d为晶粒的平均直径； k为与晶界结构有关的常数。
BCC
FCC
6
加工硬化
Rolling direction
Rolling direction
Stress Unload
冷变形增加 位错密度， 增加塑性变 形抗力。
• 大约80 ％的机器失效是由疲劳失效直接造成的，如轴、齿轮等。
平滑表面区，裂 纹横越截面扩展 时，张开表面区 的摩擦作用造成。
疲劳源 应力集中处
“沙滩”花样
粗糙表面区，剩 余截面承受的负 荷太高，产生断 裂造成。
9
疲劳寿命（S - N曲线）
最常用的是旋转梁试验，试样交替承受大小相等的交变拉压应力。
穿晶断裂： 裂纹穿过 晶粒基体 扩展。
沿晶断裂： 晶界区有脆 性杂质，裂 纹沿晶界进 行扩展。
8
V 形缺口
韧性和冲击试验
• 韧性是材料在断裂时吸收能 量大小的度量。
• 已知摆锤质量和它的原始高度 与冲断后高度，测出试样断裂 所吸收的能量（即冲击功）。
延性一脆性转 变温度(DBTT)
金属的疲劳
• 金属零件常承受周期应力，会在 比承受单一静负荷低得多的应力 下失效，这种失效称为疲劳失效。
硬
持一定时间后去除试验力。
度
计
( kgf / mm2 )
试样要求
F单位为N：
• 测出压痕直径d ，查读出硬度值。 •厚度≥压痕深度的 8 倍； •压痕中心距试样边缘≥ 2.5 d，相邻压痕距离≥3 d。
11
相似原理以及布氏硬度值
要使同一材料在不同D和F能得到相 同硬度值，D与F必须符合相似原理。
相似原理 Thompson
滑移只发生在
沿许多滑移面发生滑移，细小的滑 移台阶称为滑移线
阶梯状
滑移线间距
滑移带间距
变形只集中在一小部 分（＜1 % ）滑移面
Zn单晶塑性变 形后滑移带
• 滑移带是金属原子沿特定的晶面 （滑移面）滑移后形成区域。
• FCC单晶体，滑移可在几个取向不同的 滑移面进行，表面滑移带就更均匀。
变形0.9％铜单晶表面滑移带
起始点
e=h/0.002
12
洛氏硬度试验（2）
F =F0 ＋ F1
硬材料
软材料
维氏硬度试验
金刚石正四面棱锥体压头
•1922 年英国Smith 和 Sandland 提出 1924 年VickerS Armstrong 公司生产
F=0.2～100kgf
压痕具有几何相似性 硬度值与F无关
d =压痕平均对角线长(mm) ; α= 136° 表示方法 硬度值+HV+F(kgf)+T(10～15s省略) 如, 640 HV 30 / 20
互相抵消
7
回复和再结晶
Al-0.8wt%Mg
×100 晶界难分辨
(偏振光)
回复
再结晶
85% cold worked
×20 k TEM
302℃退火1 h 小角度亚晶粒组织
316℃退火1 h 再结晶晶粒
85% cold worked
302℃退火1 h
316℃退火1 h
再结晶 新的无应变晶粒在回复的组织中形核并长大形成再结晶组织。
• 拉伸试验以及性能指标 • 金属塑性变形机制以及回复和再结晶 • 硬度试验 • 疲劳试验 • 蠕变强度 • 陶瓷的力学性能和变形机理
金属中的应力和应变
拉应力 F
单位为MPa
量纲为 1
应变%=伸长%= F
切应力 τ = S A
切应变 γ = a h = tan θ
对于纯弹性切变 τ = G γ
切应力
S为产生失效的应力
N 为应力循环次数
约为抗拉强 度的一半。
N=108 ～1010
无疲劳极限
S—N 曲线
金属疲劳强度的影响因素：应力集中， 表面 粗糙度， 表面状态 ，环境（腐蚀疲劳）等。
Furnace
金属的蠕变
0.5 TM下典型蠕变曲线
最小蠕变速率
基本恒定 ε迅速增加
加工硬化 蠕变速率 减少
稳态蠕变 回复抵消加工硬化
试样要求
• 厚度≥ 10倍压痕深度 或1.5d
特点
• 显微镜测量精度可达 1μm ，维氏硬度值精确。 • 操作较费时。
显微维氏硬度计
F ≤0. 2 kgf Rα ≤0.1μm
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显微努氏硬度试验
菱形棱锥体金刚石压头 d 为压痕长对角 线长(mm)
• 由前美国国家标准局研制的 低试验力硬度试验。
特点
• 优点：压痕窄长，弹性恢复非 常小，测量精度高于维氏硬度。 • 常用于测定表层、渗层以及小 零件或脆性陶瓷材料的硬度。
• 缺点：压痕不具有几何相似性。
W: L=7.114
表示方法 • HK+ F (kgf) + T (10～15s不标) 。如 640 HK 0.1 / 20。 • 显微努氏硬度试验方法在美国使用较多，我国尚无国标。
TEM
胞状织构
•晶界难以 分辨，胞 壁具有高 密度位错。
Reapply load
Strain
1μm (cb)()a变变) 变形形形21000%%%
加工硬化是强化金属 的重要方法之一。
冷变形金属的回复
冷变形金属软化的热处理称为退火。 各阶段间常有重叠
较低能量组态
• 回复: 内应力会逐渐释放，热能使位错 互相抵消，或形成能量较低的组态。 • 回复后，强度仅略有下降，塑性提高。
2. 弹性模量
E= 70～500 GPa，略高于金属。
3. 陶瓷材料的蠕变
• 高温承受压应力时发生蠕变，蠕变温度高于金属。
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影响陶瓷材料强度的因素
化学成分、显微组织和表面状态
陶瓷材料的强度
• 失效主要因素是组织缺陷（孔隙、表面裂纹和过大晶粒等）。
(1) 孔隙
造成应力集中，降低了材料强度。
孔隙体积分数对氧化铝 E= E0(1-1.9P+0.9P2) 孔隙体积分数 P