材料的力学性能 (3)

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材料的力学性能

材料的力学性能
材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。

锅炉、压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括：强度、硬度、塑性和韧性等。

（1）强度强度是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。

强度指标是设计中决定许用应力的重要依据，常用的强度指标有屈服强度σS或σ0.2和抗拉强度σb，高温下工作时，还要考虑蠕变极限σn 和持久强度σD。

（2）塑性塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力。

塑性指标包括：伸长率δ，即试样拉断后的相对伸长量；断面收缩率ψ，即试样拉断后，拉断处横截面积的相对缩小量；冷弯（角）α，即试件被弯曲到受拉面出现第一条裂纹时所测得的角度。

（3）韧性韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。

韧性常用冲击功Ａk和冲击韧性值αk表示。

Αk值或αk值除反映材料的抗冲击性能外，还对材料的一些缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。

而且Ａk对材料的脆性转化情况十分敏感，低温冲击试验能检验钢的冷脆性。

表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性δ，它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力。

（4）硬度硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。

硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。

最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、
HRB、HRC）、维氏硬度（HV），其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。

而肖氏硬度（HS）则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。

因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。

第三章 Mechanical Properties(材料的力学性能)

3 Mechanical Properties (1)—1 Introduction and Concepts of Stress and strain教学目的：了解材料力学性能在实际中的应用，掌握表征材料力学性能的参数，施加载荷的类型；了解拉伸试验和测试的标准样品；熟练掌握工程应力和应变的概念。

教学重点：材料的工程应力和应变。

教学难点：剪切和扭转测试。

教学方法：多媒体和板书相结合。

学时分配：3.1 Introduction 30 min3.2 Concepts of stress and strain3.2.1 Tension tests 30 min3.2.2 Compression tests 10 min3.2.3 Shear and torsional tests 20 min教学过程与内容：3.1 Introduction回顾：性能与结构，性能与加工、制备间的关系。

Many materials, when in service, are subjected to forces or loads; examples include the aluminum alloy from which an airplane wing is constructed and the steel in an automobile axle. In such situations it is necessary to know the characteristics of the material and to design the member from which it is made such that any resulting deformation will not be excessive and fracture will not occur. The mechanical behavior of a material reflects the relationship between its response or deformation to an applied load or force. Important mechanical properties are strength, hardness, ductility, and stiffness.The mechanical properties of materials are ascertained by performing carefully designed laboratory experiments that replicate as nearly as possible the service conditions. Factors to be considered include the nature of the applied load and its duration, as well as the environmental conditions. It is possible for the load to be tensile, compressive, or shear, and its magnitude may be constant with time, or it may fluctuate continuously. Application time may be only a fraction of a second, or it may extend over a period of many years. Service temperature may be an importantfactor.Mechanical properties are of concern to a variety of parties (e.g., producers and consumers of materials, research organizations, and government agencies) that have differing interests. Consequently, it is imperative that there be some consistency in the manner in which tests are conducted, and in the interpretation of their results. This consistency is accomplished by using standardized testing techniques. Establishment and publication of these standards are often coordinated by professional societies.The role of structural engineers is to determine stresses and stress distributions within members that are subjected to well-defined loads. This may be accomplished by experimental testing techniques and/or by theoretical and mathematical stress analyses. These topics are treated in traditional stress analysis and strength of materials texts.Materials and metallurgical engineers, on the other hand, are concerned with producing and fabricating materials to meet service requirements as predicted by these stress analyses. This necessarily involves an understanding of the relationships between the microstructure (i.e., internal features) of materials and their mechanical properties.Materials are frequently chosen for structural applications because they have desirable combinations of mechanical characteristics. This chapter discusses the stress–strain behaviors of metals, ceramics, and polymers and the related mechanical properties; it also examines their other important mechanical characteristics.3.2 Concepts of stress and strainIf a load is static or changes relatively slowly with time and is applied uniformly over a cross section or surface of a member, the mechanical behavior may be ascertained by a simple stress–strain test; these are most commonly conducted for metals at room temperature. There are three principal ways in which a load may be applied: namely, tension, compression, and shear (Figures 3.1 a, b, c). In engineering practice many loads are torsional rather than pure shear; this type of loading is illustrated in Figure 3.1 d.Figure 3.13.2.1 Tension testsOne of the most common mechanical stress–strain tests is performed in tension. As will be seen, the tension test can be used to ascertain several mechanical properties of materials that are important in design. A specimen is deformed, usually to fracture, with a gradually increasing tensile load that is applied uniaxially along the long axis of a specimen. A standard tensile specimen is shown in Figure 3.2. Normally, the cross section is circular, but rectangular specimens are also used. During testing, deformation is confined to the narrow center region, which has a uniform cross section along its length. The standard diameter is approximately 12.8 mm, whereas the reduced section length should be at least four times this diameter; 60 mm is common. Gauge length is used in ductility computations; the standard value is 50 mm. The specimen is mounted by its ends into the holding grips of the testing apparatus. The tensile testing machine is designed to elongate the specimen at a constant rate, and to continuously and simultaneously measure the instantaneous applied load and the resulting elongations. A stress–strain test typically takes several minutes to perform and is destructive; that is, the test specimen is permanently deformed and usually fractured.Figure 3.2To minimize these geometrical factors, load and elongation are normalized to the respective parameters of engineering stress and engineering strain. Engineering stress σ is defined by the relationshipA F =σ (3.1) in which F is the instantaneous load applied perpendicular to the specimen cross section, in units of newtons (N), and A 0 is the original crosssectional area before any load is applied (m 2). The units of engineering stress are megapascals, MPa (SI).Engineering strain ε is defined according to00l l l l l i ∆=-=ε (3.2) in which l 0 is the original length before any load is applied, and l i is the instantaneous length. Sometimes the quantity l i - l 0 is denoted as Δl , and is the deformation elongation or change in length at some instant, as referenced to the original length. Engineering strain (subsequently called just strain) is unitless, but meters per meter or inches per inch are often used; the value of strain is obviously independent of the unit system.3.2.2 Compression testsCompression stress –strain tests may be conducted if in-service forces are of this type. A compression test is conducted in a manner similar to the tensile test, except that the force is compressive and the specimen contracts along the direction of the stress. Equations 3.1 and 3.2 are utilized to compute compressive stress and strain, respectively. By convention, a compressive force is taken to be negative, which yields a negative stress. Furthermore, since l 0 is greater than l i , compressive strains computed from Equation 3.2 are necessarily also negative. Tensile tests are more common because they are easier to perform; also, for most materials used in structural applications, very little additional information is obtained from compressive tests. Compressive tests are used when a material’s behavior under large and permanent (i.e., plastic) strains is desired, as in manufacturing applications, or when the material is brittle in tension.3.2.3 shear and torsional testsFor tests performed using a pure shear force as shown in Figure 3.1c, the shearstress τ is computed according toA F =τ (3.3) where F is the load or force imposed parallel to the upper and lower faces, each of which has an area of A 0 . The shear strain γ is defined as the tangent of the strain angle θ, as indicated in the figure. The units for shear stress and strain are the same as for their tensile counterparts. Torsion is a variation of pure shear, wherein a structural member is twisted in the manner of Figure 3.1d; torsional forces produce a rotational motion about the longitudinal axis of one end of the member relative to the other end. Examples of torsion are found for machine axles and drive shafts, and also for twist drills. Torsional tests are normally performed on cylindrical solid shafts or tubes. A shear stress τ is a function of the applied torque T , whereas shear strain γ is related to the angle of twist, ф in Figure 3.1d.Brief Summary总结本节讲的主要内容，及其重点。

工程材料力学性能第三章资料

1.摆锤冲断试样失去的位能 Ak=GH1—GH2，试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功.单位为J。冲击韧性：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，常用标准试样的冲击吸收功Ak 表示。 2.冲击吸收功Ak的大小并不能真正反映材料的韧脆程度, 部分功消耗于试祥扔出、机身振动、空气阻力以及轴承与测量机构的摩擦消耗。

三应变速率增加，抗拉强度增加，而且应变速率的强度关系随温度的增加而增加。
图应变速率对铜在各种温度下抗拉强度的影响
第二节

冲击弯曲和冲击韧性

不含切口零件的冲击：冲击能为零件的整个体积均匀地吸收，从而应力和应变也是均匀分布的；零件体积愈大，单位体积吸收的能量愈小，零件所受的应力和应变也愈小。含切口零件的冲击：切口根部单位体积将吸收更多的能量，使局部应变和应变速率大为升高。另一个特点是：承载系统中各零件的刚度都会影响到冲击过程的持续时间、冲击瞬间的速度和冲击力大小。这些量均难以精确测定和计算。且有弹性和塑性。因此，在力学性能试验中，直接用能量定性地表示材料的力学性能特征；冲击韧性即属于这一类的力学性能。
3.对于屈服强度大致相同的材料，根据Ak值评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。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、低温脆性低温脆性:一些具有体心立方晶格的金属，如Fe、 Mo 和W，当温度降低到某一温度时，由于塑性降低到零而变为脆性状态。从现象上看，是屈服强度随温度降低而急剧增加的结果倘若屈服强度随温度的下降而升高较快，而断裂强度升高较慢，则在某一温度Tc以下，σs>σc，金属在没有塑性变形的情况下发生断裂，即表现为脆性的；而在Tc以上，σs<σc，金属在断裂前发生塑性变形，故表现为塑性的。低温脆性对压力容器\桥梁和船舶结构以及在低温下服役的机件是非常重要的.

材料的力学性能

第三章材料的力学性能第一节拉伸或压缩时材料的力学性能一、概述分析构件的强度时，除计算应力外，还应了解材料的力学性质(Mecha nicaiproperty )，材料的力学性质也称为机械性质，是指材料在外力作用下表现出的变形、破坏等方面的特性。

它要由实验来测定。

在室温下，以缓慢平稳的方式进行试验，称为常温静载试验，是测定材料力学性质的基本试验。

为了便于比较不同材料的试验结果，对试件的形状、加工精度、加载速度、试验环境等，国家标准规定了相应变形形式下的试验规范。

本章只研究材料的宏观力学性质，不涉及材料成分及组织结构对材料力学性质的影响，并且由于工程中常用的材料品种很多，主要以低碳钢和铸铁为代表，介绍材料拉伸、压缩以及纯剪切时的力学性质。

二、低碳钢拉伸时的力学性质低碳钢是工程中使用最广泛的金属材料，同时它在常温静载条件下表现出来的力学性质也最具代表性。

低碳钢的拉伸试验按《金属拉伸试验方法》 (GB/T228 — 2002)国家标准在万能材料试验机上进行。

标准试件(Sta ndard specimen )有圆形和矩形两种类型，如图3-1所示。

试件上标记 A 、B 两点之间的距离称为标距，记作 1°。

圆形试件标距|0与直径d 0有两种比例，即l °=10d °和l 0=5d 。

矩形试件也有两种标准，即 l 0 11.3 A0和l 0 5.65 A0。

其中A 0为矩形试件的截面面积。

图3-1拉伸试件试件装在试验机上，对试件缓慢加拉力 F P ,对应着每一个拉力 F P ,试件标距l 0有一个伸长量 A |O 表示F P和A l 的关系曲线，称为拉伸图或 F P —A l 曲线。

如图3-2a ，由于F —A l 曲线与试件的尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，把拉力F p 除以试件横截面的原始面积F P一一 l-为纵坐标；把伸长量A 除以标距的原始长度10,得出应变为A )l 。

材料力学性能3

（a）
（b）（c）
（a）高塑性材料，（b）中等塑性材料，（c）脆性材料
• 对于脆性材料，可根据弯曲图，用下式求得抗弯强度σbb
σbb=Mb/W
• 式中 Mb 为试件断裂时的弯矩， W 为截面抗弯系数，对于直径为d的圆形试样，；对于宽度为b，高为h的矩形试样，W=bh2/6
3
弯曲试验的应用
布氏硬度HB
压入法
洛氏硬度HR 维氏硬度HV
一、布氏硬度
1 布氏硬度测定的原理和方法压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，试件表面留下压痕，单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值。
布氏硬度测试原理
布氏硬度测试示意
布氏硬度HB=
F
A凹
F
=
φ
缺口的第一个效应：引起应力集中，改变了缺口根部的应力状态
2.缺口试样在塑性状态下的应力分布
• 对于塑性较好的金属材料，若缺口根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大塑性区逐渐扩大，直至整个截面上都产生塑性变形
以厚板为例，缺口截面上应力重新分布
根据屈雷斯加判据，金属屈服的条件
max y x s
侧压
>2
单向压缩
=2 K s
扭转
=0.8
单向拉伸
= 0.5

三向不等拉伸
< 0.5
0
图5-18佛里德曼(Фридман) 力学状态图
0
s k = s
§2 压缩试验
一、单向压缩特点 • 单向压缩时应力状态的柔度系数大α=2，故用于测定脆性材料，如铸铁、轴承合金、水泥和砖石等的力学性能。 • 由于压缩时的应力状态较软，故在拉伸、扭转和弯曲试验时不能显示的力学行为，而在压缩时有可能获得。

材料力学性能-第三章-冲击载荷

高当于低某于一某温一度温，度材时，
温度
料材吸料收吸能收量的也冲基击本功不基变本，
形不成随一温个度平变台化，，称形为成一 “平在高台此阶，区能称间”为冲，“ 击此吸低区收阶间功能冲很”，击低吸，收表功现很为高完，全材的料脆表性现断为裂完，全这韧一性温断度裂称，为此无低阶能
温塑度性称转为变塑或性零断塑裂性转转变变
温度
0 高阶能
冲击功结晶区面积(%)
以低阶能和高阶能
平均值对应的温度作
为Tk——FTE。
❖以结晶区面积占断口面积50％的温度作为 Tk——FATT50。但此方法人为因素较大。
低阶能
NDT FTE
100 FTP 50％FATT
图3-7 系列温度冲击试验曲线
2021年10月24日第三章冲击载荷下材料的力学性能星期日
2021年10月24日第三章冲击载荷下材料的力学性能星期日 bcc金属具有低温脆性的原因： 1.bcc金属的p-n 比fcc金属高很多，并且在影响屈服强度的因素中占有较大比例。而p-n 属短程力，对温度十分敏感，因此bcc金属具有强烈的温度效应。 2.bcc金属具有迟屈服现象，即对材料施加一大于屈服强度的高速载荷时，材料需要经过一段孕育期（也称为迟屈服时间）才开始塑性变形，而在孕育期内只发生弹性变形。由于没有塑性变形消耗能量，有利于裂纹扩展，易产生脆性破坏。
NDT
冲击功结晶区面积(%)
0 高阶能
FTP
100
温度FNTDPT(F(Nraicl tDuruectility
图3-7 系列温度冲击试验曲线
TreamnpsietriaotnurPel)astic)。
2021年10月24日第三章冲击载荷下材料的力学性能星期日

新03材料力学性能

b
o
残余变形
o'
冷拉率
冷拉的特点：冷拉经时效 1、可采用控制应力和控制 d' 冷拉率两种方法。 d 2、冷拉时应力值必须超过钢筋的屈服强度。 3、时效硬化(屈服点提高)。冷拉无时效 4、冷拉后可提高钢材的抗拉强度，但屈服台阶变短。不提高钢筋的抗压强度。 5、钢筋设计时仍采用冷拉前的截面。 6、焊接产生的高温使钢筋 e 软化(强度降低,塑性增加) 故需焊接的钢筋须先焊后拉; 另外冷拉只能提高抗拉强度。)
受力强度： s1, s2 (拉－压) 强度降低
2、三轴受压：(如图)
200
三向受压时，混凝土的抗压强度和极限变形都有较大提高。其原因：横向约束约束了横向变形，限制了内部裂缝的产生和发展。
150
s3= 50N/mm2 35N/mm2
s1
100
s3
10N/mm2
s3
50
0
5
抗压强度提高 : f c f c 4.1s 2 c
塑性变形的基础
一）混凝土的立方体抗压强度（fcu）
用边长为150mm的标准立方体试件，在标准养
护条件下（温度20±2℃，相对湿度大于95%或在水
中）养护28天后，按照标准试验方法（试件的承压
面不涂润滑剂，加荷速度约每秒0.15～0.3N/mm2）
测得的抗压强度值称为混凝土立方体试件抗压强度（简称立方体抗压强度），用符号fcu表示。（对某一试件）
s0.2
a
残余应变为0.2%所对应的应力 0.2
《规范》取s0.2 =0.8 fu
0.2%
有、无明显流幅钢筋的应力-应变图的比较
s(N/mm2)
ft
流幅极限强度

《材料力学性能》第三章塑性变形

3.4.3 弯曲试验
1、弯曲试验分为三点弯曲和四点弯曲，试样主要有矩形截面和圆形截面。
《材料力学性能》第三章塑性变形
试验时，在试件跨距的中心测定绕度，绘成P～fmax关系曲线，即弯曲图。
由左图可知，塑性材料的力学性能由拉伸试验测定，而不采用弯曲试验；脆性材料根据弯曲图求得：
Mb bb ; M b Pb L 4 , Pb K 2 W 3 W d 0 32, bh2 6
生产上用得最多的是A级、B级和C级，即HRA(金钢石圆锥压头、 60kgf负荷)，HRB(1/16"钢球压头、100kgf负荷)和HRC(金钢石圆锥压头、150kgf负荷)，而其中又以HRC用得最普遍。
《材料力学性能》第三章塑性变形
洛氏硬度的测量方法
洛氏硬度试验过程示意图
《材料力学性能》第三章塑性变形
2、洛氏硬度洛氏硬度的测量原理洛氏硬度是以压痕陷凹深度作为计量硬度值的指标。
洛氏硬度的压头分硬质和软质两种。硬质的由顶角为120°的金钢石圆锥体制成，适于测定淬火钢材等较硬的金属材料；软质的为直径1/16“(1.5875mm)或1/8”(3.175mm)的钢球，适于退火钢、有色金属等较软材料硬度值的测定。洛氏硬度所加负荷根据被试金属本身硬软不等作不同规定，随不同压头和所加不同负荷的搭配出现了各种称号的洛氏硬度级。
《材料力学性能》第三章塑性变形
维氏硬度
维氏硬度试验法开始于1925年。维氏硬度的测定原理和布氏硬度相同,也是根据单位压痕陷凹面积上承受的负荷，即应力值作为硬度值的计量指标。
所不同的是维氏硬度采用锥面夹角为136°的四方角锥体，由金钢石制成。
《材料力学性能》第三章塑性变形

材料力学性能-第四章-金属的断裂韧度(3)

1-活动横梁 2-夹式引伸仪 3-支座 4-试样 5-载荷传感器 6-动态应变仪 7-X-Y函数记录仪
2021年10月21日星期四
第四章金属的断裂韧度
由于材料性能及试样尺寸不同，F-V曲线有三
种类型，如图4-9所示。
F Fmax
Fmax
Fmax
Ⅰ-材料韧性较好或试样尺寸较小；
Ⅱ-材料韧性或试样尺寸居中；
2021年10月21日星期四
第四章金属的断裂韧度
若材料韧性居中或试样厚度中等时，可能出现
Ⅱ型曲线。此类曲线有明显的迸发平台，这时由于
在加载过程中，处于平面应变状态的中心层先行扩
展，而处于平面应力状态的表面层还未扩展，因此
中心层裂纹迸发式的扩展被表面层阻碍。迸发时常
伴有清脆的爆裂声，这时的迸发载荷就可以作为FQ，由于材料显微组织可能不均匀，有时在F-V曲线上会
之减小。
2021年10月21日星期四
第四章金属的断裂韧度
实测的临界应力场强度因子KC与试样厚度的关系如图4-11所示。
由图可见，当试样厚度增加到某一个值Bc 后，KC也趋向一个恒定值，此值即为材料的平面应变断裂韧性KIC。
KC/MPa·m1/2
KIC
B/mm
图4-11 临界应力场强度因子与试样厚度的关系
2021年10月21日星期四
第四章金属的断裂韧度
大量试验表明，Bc值也大致等于2.5(KIC/ys)2，
因此，试样厚度的要求也是：
B
2.5
KIC
ys
2
但在实际检验中，KIC值未知，须用KQ代替，
并利用试验标准中的某些规定，使最后的判断条
件被简化为：
B

材料的力学性能

材料的力学性能材料是机械产品制造所必须的物质基础，材料的力学性能包括使用性能和工艺性能。

使用性能：是指材料在使用过程中表现出来的性能，它包括力学性能和物理、化学性能等。

工艺性能：是指材料对各种加工工艺适应的能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。

切削加工的过程一般在常温下，在不改变材料物理、化学性能的前提下，去除材料上多余金属，使之成为成品的过程。

材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现的抵抗能力。

材料的力学性能是确定材料切削加工方案的主要依据。

1.1材料的强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。

强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为σ，单位为MPa。

工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。

屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs 表示。

抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用σb表示。

对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。

低碳钢拉伸试验铸铁拉伸试验结论一：在切削加工中，假定其他条件不变，则随着被加工材料强度极限（或弹性模量）的增大，切削力也随之增大，机床负荷增加。

而且在工件安装方面，注意要有足够的夹紧力。

2材料的塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。

工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。

(1)伸长率AA= （L1-L0）/L0 ×100%式中： L0—试样原标距的长度（mm）L1—试样拉断后的标距长度（mm）(2) 断面收缩率φ断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积的相对收缩值。

φ= （A0-A1）/A0 ×100%式中：A0—试样的原始截面积（mm2）A1—试样断面处的最小截面积（mm2）伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。

材料力学性能第三章

安徽工业大学材料科学与工程学院
12/15/2014
3
第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点

冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能，所以机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。
12/15/2014
安徽工业大学材料科学与工程学院
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12/15/2014
安徽工业大学材料科学与工程学院
11
冲击吸收功Ak的大小不能真正反映材料的韧脆程度：

这是由于缺口试样吸收的功没有完全用于试样变形和破断，一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力以及轴承与测量机构中的摩擦消耗等。通常试验时，这些功消耗可以忽略不计，但当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功消耗较大，不同试验机上测得的Ak值相差10-30%。
12/15/2014
安徽工业大学材料科学与工程学院
15
第三节低温脆性

一、低温脆性现象定义：
体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度tk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型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
12/15/2014 安徽工业大学材料科学与工程学院
19

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。

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。

材料的力学性能

属材料性能上考虑. 就必须增加其弹性模量Ｅ. 弹性模量Ｅ的大小. 主
要取决于材料的本性. 而合金化、热处理、冷变形等对它的影响很小.
通常过渡族金属如铁、镍等具有较高的弹性模量. 所以从刚度出发. 选
用一般的钢材即可. 不必选用合金钢.
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第二节
材料的力学性能指标
• (二) 塑性指标
比伸长率更为合理.
• 塑性是材料很重要的性能之一. 它反映了材料的变形工艺性. 塑性好的
材料. 易于冲压、拉深、冷弯、成形等. 在零件设计时. 往往要求材料
具有一定的塑性. 零件使用过程中偶然过载时. 由于能发生一定的塑性
变形而不至于突然破坏.
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第二节
材料的力学性能指标
• 同时. 在零件的应力集中处.塑性能起着削减应力峰(即局部的最大应
第一章
材料的力学性能
• 第一节
概述
• 第二节
材料的力学性能指标
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第一节
概
述
• 为研究材料的成分、组织、性能之间的关系. 合理选择和使用材料. 应
首先了解材料的各种性能.
• 材料的性能分使用性能和工艺性能两种. 使用性能是指材料在使用时
所表现出的各种性能. 它包括物理性能(如密度、熔点、导热性、导电
材料的强度. 如果冲击能量较高时. 材料的多冲抗力主要取决于材料的
塑性.
• 四、材料的疲劳强度(疲劳极限)
• 某些机械零件在工作时要承受交变载荷. 其应力大小、方向是周期性
变化的. 如轴、齿轮、连杆、弹簧等. 这些承受交变载荷的零件在发生
断裂时的应力远低于该材料的屈服点.这种现象叫做疲劳破坏. 不论是

材料的力学性能

材料的失效(failure)：
如果材料抵抗变形与断裂的能力与服役条件不适应，则机件失去预定效能（过量弹性变形、过量塑性变形、断裂、磨损等），材料的力学性能又可以称为失效抗力。
0 绪论
影响力学性能的因素
内在因素外在因素
化学成分
显微组织
冶金质量
残余应力
载荷性质
应力状态
拉伸曲线：载荷－伸长曲线（P-l）弹性变形塑性变形屈服颈缩
1 材料在静载荷下的力学性能
应力－应变(stress-strain)曲线
比例极限弹性极限屈服极限
强度极限
断裂强度
1 材料在静载荷下的力学性能
强度指标及其测定方法
（1）比例极限
p Pp/A0 (MPa) 当应力比较小时，试样的伸长随应力成正比地增加，保持直线关系。当应力超过σp时，曲线开始偏离直线，因此称σp为比例极限，是应力与应变成直线关系的最大应力值。
弗里德曼统一考虑了不同应力状态下的强度极限与失效形式，用图解的方法把它们的关系作了概括－－力学状态图。
RAL 1 材料在静载荷下的力学性能
应力状态软性系数：
某一应力状态下的最大切应力和最大正应力之比：弹塑性变形区正断区切断区
max

max
弹性变形区对于不同的材料，其力学性能指标τs,τK和σK也各不相同，只有选择与应力状态相适应的试验方法进行试验时，才能显示出不同材料性能上的特点。
温度
环境
0 绪论
不同服役条件对材料的性能要求不同
1、材料在静载荷下的力学性能
1 材料在静载荷下的力学性能
材料力学性能指标是结构设计、材料选择、工艺评价以及材料检验的主要依据。测定材料力学性能最常用的方法是静载荷方法，即在温度、应力状态和加载速率都固定不变的状态下测定力学性能指标的一种方法。

01材料的力学性能3-断裂

3.1 断裂分类与宏观断口特征
3.1.2 断口的宏观特征
光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，这就是断口特征的三要素。
3.1 断裂分类与宏观断口特征
3.1.2 断口的宏观特征
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，几乎没有剪切唇。上述断口三区域的形态、大小和相对位置会因试样形状、尺寸和
3.3 材料的蠕变
对同一种材料，蠕变曲线形状随应力、温度变化而变化，温度升高或应力升高，曲线第Ⅱ阶段缩短。在高温或高应力下，甚至没有第Ⅰ或Ⅰ，Ⅱ阶段，只有第Ⅱ或Ⅱ，Ⅲ阶段，而在另一些情况，如低应力低温度下，只有第 Ⅰ，Ⅱ阶段，即断裂，而没有第Ⅲ阶段。
3.4 蠕变变形及断裂机制
3.4.1 蠕变变形机制
断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。解理面一般是低指数晶面或表
面能最低的晶面。剪切断裂是材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。
3.1断裂类型
3.1.1 断裂的分类
正断和切断
按断裂面的取向可以将断裂分为正断和切断。
正断型断裂的断口与最大正应力相垂直，常见于解理断裂或约束较大的塑性变形的场合。切断型断裂的宏观断口的取向与最大切应力方向平行，而与主应力约成450 角。切断常发生于塑性变形不受约束或约束较小的情况，如拉伸断口上的剪切唇等。
3.5 蠕变性能指标
3.5.1 蠕变极限和持久强度极限
① 在规定温度(t)下，使试样产生规定的稳态蠕变速率的最大应力。 500 oC

500 1105
60MP a
蠕变速率1×10－5 ％/h ② 在规定温度(t)和规定的试验时间τ内，使试样产生规定的总应变量δ的最大应力σ

工程材料力学性能3

变速率，绝对单位为 m/s。相对形变速率是单位时间内真应变的变化量，也称为应变率，以 ε& 表
示，
ε& = de dt
单位为 s −1 ，常用的是相对形变速率。
一般地，应变率小于 10-2 s −1 金属力学性能没有明显变化，可以按静载荷处
理；应变率大于 10-2 s −1 （爆炸 104~106s-1），力学性能发生明显变化，金属材料
出现变脆趋势，此时需要考虑冲击载荷对金属力学行为和力学性能的影响。
第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点一、冲击载荷对弹性变形的影响
弹性变形在介质中以声速传播，钢中的声速约为 5×103m/s，而普通机械冲击时的绝对形变速率在 103m/s 以下（摆锤冲击试样的速度约为 4.0~5.5 m/s），弹性形变速率高于加载形变速率，所以对弹性性能没有影响。二、冲击载荷对塑性变形和断裂的影响
体心立方金属及其合金存在低温脆性。 2、化学成分（1）降低钢中的 C、P 含量；细化晶粒，热处理成低碳马氏体和回火素氏体，
可提高高阶能；
（2）增加钢中的 C、P、O 含量，Si、Al 含量超过一定值以及应变时效（需解释
应变时效的概念）等，降低高阶能；（3）钢中的 C、P、O 含量高，Si、Al 含量超过一定值，晶粒粗大，形成上贝氏
晶粒细化可以提高钢的断裂强度，降低韧脆转变温度。可以认为晶粒细化对
材料的力学性能有利而无害。 4、外部因素（1）提高应变速率有类似降温的效果，使脆性转变温度提高；（2）试样尺寸增大，韧性下降，断口中纤维区面积减小，韧脆转变温度提高；（3）应力状态越硬，材料的塑性、韧性越低，韧脆转变温度也越高；（4）形变强化使屈服强度σ s 增大，韧脆转变温度升高；

材料力学性能名词总结

名词解释第一章1.正应变是单位长度的伸缩变化量，亦称线应变；2.切应变一般指的是两个直线段间夹角的改变量，以角度变小的变化量为正，变大为负，以弧度表示。

3.主平面：切应力等于零的平面。

把此时该面上的正应力称作主应力。

4.平面应变状态：应变发生在同一个平面内。

5.胡克定律：在材料的线弹性范围内，固体的单向拉伸变形与所受的外力成正比。

6.应力集中：应力在局部增大的现象，一般出现在物体形状急剧变化的地方，如缺口、孔洞、沟槽以及有刚性的约束处。

7.理论应力集中因数：在材料的弹性范围内，最大局部应力与名义应力的比值；Kt=σmax σ8.应力状态软性系数:三个主应力可以按“最大切应力理论”计算最大切应力，按“相当最大正应力理论”计算最大正应力，而二者的比值表示他们的相对大小.第二章1.弹性模量E、比例极限Rp、弹性极限Re、上屈服强度Reh、下屈服强度Rel、抗拉强度Rm、断后伸长率A、断面收缩率Z（各定义的点以及公式）2.规定塑性延伸强度：拉伸中当试样的塑形伸长率等于L0的某一百分率时所对应的应力值；3.应变硬化指数：。

4.形变强化：屈服后的应力-应变曲线的上升被描述为形变强化（加工硬化）。

也就是随着应变的增加，材料的变形抗力增加5．静态韧性：在静载作用下，材料断裂前所吸收的能量，称作静态韧性，静态韧性可能包含三部分能量，即弹性变形能、塑性变形能和断裂能（形成两个断裂表面的能）。

6.静态韧度：静态韧度是表征静态韧性的力学性能指标，7.断裂强度：拉伸断裂时的真应力称为断裂强度，记为σf ；也有称为断裂真应力，记为Sk8.断裂延性：拉伸断裂后的真应变称为断裂延性，记为εf ，或称断裂真应变。

9.弹性比功：材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力，也就是在开始塑性变形前，单位体积材料所能吸收的最大弹性变形功。

第三章1.比弹性模量：弹性模量与密度的比值；2.比刚度：刚度与密度的比值；3.弹性不完善性：应变不止与应力有关，还与时间和加载速率有关。

材料力学性能第三章

弹性变形以介质中的声速传播。 ●弹性变形以介质中的声速传播。而普通机械
冲击时的绝对变形速率在10 ／以下以下。冲击时的绝对变形速率在 3m／s以下。在弹性变形速率高于加载变形速率时，性变形速率高于加载变形速率时，则加载速率对金属的弹性性能没有影响。对金属的弹性性能没有影响。
●塑性变形发展缓慢，若加载速率较大，则塑塑性变形发展缓慢，若加载速率较大，性变形不能充分进行。性变形不能充分进行。 ●静载: 受的应力取决于载荷和零件的最小断面静载: 积。 ●冲击载荷具有能量特性，与零件的断面积、冲击载荷具有能量特性，与零件的断面积、形状和体积有关。
3.3 低温脆性
1.低温脆性概述 1.低温脆性概述金属材料的强度强度一般均随温度的降低而升强度高，而塑性塑性则相反。塑性一些具有体心立方晶格的金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，当温度降低到某一温度Tk时，由韧性状态变为脆性状态。这种现象称为低温脆性低温脆性。转变温度Tk称为韧脆转变低温脆性韧脆转变温度，又称冷脆转变温度冷脆转变温度。温度冷脆转变温度 Tk δ ψ Ak和NSR 被称为材料的安全性指标 NSR 而σs σb δ Ψ和Ak被称为材料常规力学性能的五大指标
低温脆性从现象上看，是屈服强度和断裂强度屈服强度和断裂强度随温度降低而变化的速率问题。随温度降低而变化的速率问题倘若屈服强度随温度的下降而升高较快，而断裂强度升高较慢，则在某一温度Tk以下， σs>σc，金属在没有塑性变形的情况下发生断裂，即表现为脆性的；而在Tk以上，σs<σc，金属在断裂前发生塑性变形，故表现为塑性的。
③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。