工程材料与成型工艺基础

三、断裂韧度的应用
当 KⅠ≥KⅠc时，裂纹就会扩展而导致低应力脆断。根据这个 条件：
（1)确定对材料所要求的断裂韧度K1c，作为选材的依据。 （2)估算断裂时的临界裂纹长度a ,作为裂纹探伤的依据。
c
（3)确定构件断裂时的临界应力σc 。 （4）判断构件的安全性。
ac
（ K1C
Y
）2
c
K1C Ya
第一节 材料在载荷作用下的力学行为
一、弹性变形、塑性变形和断裂 材料在载荷作用下的行为，称之为力学行 为。当外力作用在固体物质上时，随外力 增加，物体会逐渐改变其原始形状和尺寸 而发生变形，外力增加到一定数值后，物 体将发生断裂，所以变形和断裂是固体物 质受载时，随外力的增加而产生的普遍现 象。
二、应力和应变
屈服强度σs，抗拉强度σb ，弹性模量E， 断后伸长率δ和断面收缩率Ψ。
Fs σs =
S0
试样屈服时的载荷( N )
( M pa ) 试样原始横截面积( mm2)
F0.2 σ0.2 =
S0
试样产生0.2%残余塑性变 ( M pa ) 形时的载荷(N) 试样原始横截面( mm2)
Fb σb =
S0
试样断裂前的最大载荷(N)
应力：单位面积上所受的力。 应变：单位长度的伸长量。
第二节 材料的静态力学性能
一、拉伸试验及材料的强度与塑性
左图为拉伸试验机
下图为拉伸试验过 程中试样的变形及 断裂。
由上图可知：在拉伸载荷作用下，试样的变形 分为三个阶段：弹性变形阶段；塑性变形阶段； 断裂阶段。在拉伸试验过程中，可测定的主要 力学性能指标有：
( M pa )
试样原始横截面积( mm2)
S0 - S k
ψ=
× 100%
S0
Lk– L0
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
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）
试样冲断时所消耗的冲击吸收功A k为:
A k = m g H – m g h (J)
冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位截面 积上所消耗的冲击功。
AK
a k=
S0
(J/cm²)
二、疲劳强度
表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的 最大应力值。材料所受循环应力和其断裂前的应力 循环次数的关系，即疲劳曲线如下图所示
HBW F
2F
S D（D D2 d 2）
表示方法：120HBW10/1000/30； 后面的数字依次表示：
（1）球体直径； （2）试验力； （3）试验力保持时间（10~15s不标注）。 主要用于测定组织粗大且不均匀的金属材料 的硬度，如铸钢、铸铁、供应态钢材等。
2.洛氏硬度
硬度标尺：HRA、HRB、HRC。其中 C标尺最常 用 。 在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用.
第一章
材料的力学行为 与性能
第一章 材料的力学行为和性能
本章重点： 材料的强度、硬度、塑性、韧性等力学 性能的基本概念及应用。 本章难点： 低应力脆断和材料的断裂韧性。 学习目标： 熟悉常用力学性能指标的测试方法，掌 握材料力学性能的表示方法及其应用。
主要内容
第一节 在载荷作用下的力学行为 第二节 材料的静态力学性能 第三节 材料的动态力学性能 第四节 断裂韧性
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3.维氏硬度
表示方法： 如：640HV30/20 测量精度高、范围广， 但比较麻烦，主要用于 研究工作。
注： 各硬度值之间大致有以下关系： 布氏硬度值在200-600范围内， HBW≈10HRC； 布氏硬度值小于450HBS， HBW≈HV
第三节 材料的动态力学性能
一、冲击韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
钢钢材材的的循循环环次次数数一一般般取取NN==110077 有色金属的循环次数一般取 N = 10 8 有色金属的循环次数一般取 N = 10 8
第四节 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]=σ0.2/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。
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。