第4章材料力学性能(材料科学基础).pptVIP

材料的力学性能; 一、 材料的力学性能 材料的力学性能是指在外加载荷(外力)作用下或载荷与环境因素(温度、介质和加载速率）联合作用下所表现的行为。 强度、硬度、塑性、韧性等都属于材料的力学性能。 材料的力学性能决定于材料的化学成分、组织结构、冶金质量等内在因素，但外在因素，如载荷性质（静载荷、冲击载荷、交变载荷）、应力状态（拉、压、弯曲、剪切、扭转等）、温度、环境介质等对材料的力学性能也有很大影响。 例如低碳钢试样在静拉伸载荷和交变载荷作用下的不同力学行为。;二、 强度与塑性;2. 弹性模量与弹性行为;（2）弹性行为;3. 强度与塑性;（2）塑性;塑性：断裂前材料发生塑性变形的能力。 衡量材料塑性的指标有延伸率（δ）和断面收缩率（ ψ ）。 δ=ΔL/L0=[(L-L0)/L0]×100% （是塑性“伸长”的度量） 式中L0为试样原始标距长度；L为试样断裂后标距的长度。 ψ=ΔAf/A0=[(A0-Af)/A0] ×100% （是塑性“收缩”的度量） 式中A0为试样原始截面积；Af为试样断裂处的截面积。 材料的延伸率和断面收缩率数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不被破坏，这样当受力过大时，由于首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，比较安全。;三、硬度;布氏硬度的优点是具有较高的测量精度，因其压痕面积大，比较真实地反映出材料的平均性能，但不能测定高硬度材料。;四、韧性;冲击韧性;断裂韧性;按线弹性断裂力学的分析，裂纹尖端应力场强度因子K1的一般表达式为： K1 = Yσa1/2（MN/m3/2） 式中σ 为外加应力，a为裂纹长度的一半。K1是一个决定于σ 和a的复合力学参量。 当σ 和a单独或共同增大，使K1增大到某一临界值，就能使裂纹扩展到试样断裂。裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强度因子称为临界应力场强度因子，用K1c表示，它代表了材料的断裂韧性。 必须指出，断裂韧性K1c是材料本身的特性，由材料的成分、组织状态决定，与裂纹的尺寸、形状以及外加应力的大小无关； 应力场强度因子K1则与外应力大小有关，也同裂纹尺寸有关。 当K1K1c，裂纹失稳扩展，可导致断裂发生。 即当裂纹尺寸2a一定时，外加应力σ K1c/Y（a）1/2时，裂纹将失稳扩展； 当外加应力σ 一定时，则裂纹半长a （K1c/Yσ ）2时，裂纹也将失稳扩展。 对于具有确定组织状态的某种材料，断裂韧性K1c具有确定的数值。;五、疲劳强度;疲劳失效与一次脆断不同，其损伤是逐渐积累，逐渐发展的。大体上可把疲劳失效过程分为三个阶段：裂纹的形成、逐渐发展及最终的突然断裂。 疲劳强度：评定材料疲劳抗力的指标，即表示材料经受无限多次循环而不断裂的最大应力，记为σ r。 测定材料疲劳强度的试验通常采用旋转弯曲试验，试样在旋转时交替承受大小相等的交变拉压应力，经过足够数量的循环之后，试样就会断裂。试验时用多组试样，在不同的交变应力下测定试样断裂前承受交变应力σ 的循环次数N，然后绘制σ –N曲线。;六、磨损与耐磨性;按照磨损的破坏机理分类，磨损的种类包括粘着磨损、磨料磨损、氧化磨损、热磨损、腐蚀磨损和表面疲劳磨损等。 粘着磨损：当两个表面相对滑动时，由于从一个表面拉掉一些材料颗粒而粘附于另一个表面上，就造成粘着磨损。对于克服或减轻这一类型的磨损，润滑措施非常有效。 磨料磨损：如果其中某些颗粒发生氧化并散落在两个表面之间，或是环境中的外来硬质点的介入，由于氧化物颗粒或外来硬颗粒通常比金属硬，它们就造成磨料磨损。另一种磨料磨损的方式是当坚硬又粗糙的表面擦伤了较软的表面，这样会使软材料的颗粒散落在两个表面之间，如果这些颗粒发生了氧化，它们将引起严重的磨料磨损。与粘着磨损不同，磨料磨损很少受润滑的影响，除非润滑剂能制止氧化和腐蚀。材料的硬度是抵抗这一类磨损的主要因素。;在干摩擦情况下，非金属材料摩擦系数小，不易粘附。金属材料尤其是软金属材料自身配对时摩擦系数大，最易发生粘着磨损，因此，在非完全润滑的重要机械摩擦副中，尽量不用同种材料已经成为一条基本原则。 如涡轮与蜗杆，涡轮多用青铜合金，而蜗杆则用钢材制造。为抵抗各种类型的磨损，已经发展了多种耐磨与抗磨材料，如高锰钢，高铬铸铁等材料，也可对材料表面进行耐磨处理等。;七、工程材料的高温强度;AB：减速蠕变阶段，这一阶段开始蠕变速率增大，随着时间的延长，蠕变速率逐 渐减小。 BC：恒速蠕变阶段，这一阶段蠕变速率几乎保持不变。 CD：加速蠕变阶段，至D点产生蠕变断裂。 同一种材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高