【材料物理性能与力学性能】第1-2章.ppt

材料物理性能与力学性能,主讲：龙朝辉湘潭大学材料科学与工程学院,一、材料的性能,1、使用性能：物理性能（光、电、磁）力学性能（强度、塑性、硬度）2、加工性能：（可制造性）热加工：铸、锻、焊、热处理冷加工：车、铣、磨特种加工：电火花、激光、离子,材料力学性能:材料抵抗变形和断裂的能力。服役过程:保持设计要求的外形和尺寸，保证在服役期内安全地运行。生产过程:要求材料具有优良的加工性能。如压力加工要求优良的塑性和低的塑性变形抗力。,二、材料力学性能表征,1、材料软硬程度的表征。2、材料脆性的表征。3、材料抵抗外力能力表征。4、材料变形能力的表征。,5、含缺陷材料抗断裂能力的表征。6、材料抵抗多次受力能力的表征。7、新材料及特种材料性能的表征。8、特殊条件下材料性能的表征。,弹性:是指材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力。塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力强度:是材料对变形和断裂的抗力。寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效的能力，使零件在服役期内安全运行。,三、材料的基本力学性能,第一部分:第一七章力学性能部分，介绍材料在静载荷下的力学性能（弹性、塑性、强度、硬度、断裂）、冲击韧性、疲劳性能、磨损性能及高温力学性能。以金属材料为主。第二部分:第八十二章物理性能部分，介绍材料的热学、磁学、电学、光学及压电与铁电性能。以金属和陶瓷材料为主。第三部分:第十三十四章金属材料的腐蚀性能及高分子材料的老化与稳定性能。,四、教材结构和内容,预备知识：材料力学和金属学方面的基本理论知识。理论联系实际:是实用性很强的一门课程。某些力学性能指标根据理论考虑定义,而更多指标则按工程实用要求定义。重视实验:通过实验既可掌握力学性能的测试原理，又可掌握测试技术，了解测试设备，进一步理解所测的力学性能指标的物理意义与实用意义。做些练习:加深理解巩固所学的知识。,五、本课程学习注意问题：,第一章材料单向静拉伸的力学性能,单向静拉伸试验是工业上应用最广泛的基本力学性能试验之一。本章将详细讨论金属材料在单向静拉伸载荷作用下的基本力学性能指标，如：屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面伸长率等，作为材料在其他载荷和环境条件下力学响应分析的基础。,1.高碳钢2.低合金结构钢3.黄铜4.陶瓷、玻璃5.橡胶6.工程塑料,几种典型的力-伸长曲线,注意：不同材料或同一材料在不同条件下可有不同形式的力-伸长曲线。其决定因素有：键合方式、化学成分、组织形态等,真应力-应变曲线与工程应力-应变曲线的联系与区别：在弹性变形阶段：基本重合；在塑性变形阶段，差异显著。,双原子模型,3.弹性模量的影响因素弹性模量是构成材料的离子或分子之间键合强度的主要标志，凡是影响键合强度的因素均能影响弹性模量。如：键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载方式和速度等。,1）键合方式和原子结构共价键、离子键、金属键-较高分子键-较弱原子半径越大，E越小,2）晶体结构单晶体：各向异性最大值与最小值差值可达4倍多晶体：伪各向同性非晶：各向同性3）化学成分-引起原子间距和键合方式的变化4）微观组织-影响较小晶粒大小对E值无影响；第二相的影响取决于体积比例和分布状态；冷加工的影响在5%以内,5）温度-温度升高，E降低特例：橡胶。其弹性模量随温度升高而增加。,6）加载条件和负荷持续时间加载方式、速率和负荷持续时间对金属材料、陶瓷材料影响很小。对于高分子聚合物，负荷时间延长，E下降。,4、比例极限和弹性极限,：比例极限对应的应力,：试棒的原始截面面积,：弹性极限对应的应力,：试棒的原始截面面积,注意：由于实际测量时难以准确而唯一的测出比例极限和弹性极限，因此，在国家标准中，为“规定非比例伸长应力”，如：表示非比例伸长率为0.01%时的应力。此时，比例极限和弹性极限已没有质的区别，只是非比例伸长率不同而已。比例极限、弹性极限、屈服强度基本相同，都表示材料对微量塑性变形的抗力。,5,提高弹性比功的途径：提高弹性极限（常用）降低弹性模量（不常用）几种常见材料的弹性模量、弹性极限、弹性比功,应用：弹性比功大的材料常用作减振或储能原件，如弹簧、橡胶等。,第三节非理想弹性与内耗弹性的分类：a.理想弹性（服从胡克定律，并同时满足三个条件：线性、同相位、单值函数）b.非理想弹性(包括滞弹性、沾弹性、伪弹性、包申格效应),滞弹性：指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变能。,滞弹性的影响：对精密仪器的测量精度有影响，选材时需考虑滞弹性。如：测力弹簧、传感器等，应选择滞弹性小的材料，否则影响测量精度。,粘弹性：是指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。特征：应变对应力的响应不是瞬间完成的，需要一个弛豫过程，但卸载后，应变恢复到初始值，不留下残余变形。分为两种情况：a.恒应变下的应力松弛b.恒应力下的蠕变,伪弹性：是指在一定温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形现象。,包申格效应：指金属材料预先加载产生少量塑性变形（残余应力小于4%），而后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。原因：与金属材料中位错运动所受阻力的变化有关（是材料微观组织变化的结果）应用：对于预先经受一定程度冷变形的材料，如使用时承受与冷变形方向相反的载荷，要注意：材料微量塑性变形抗力已降低。另外，也可以加以利用，如：薄板反向弯曲成型。消除方法：进行较大塑性变形；再结晶退火,内耗：材料在变形过程中被吸收的功。弹性滞后环：应力-应变曲线中，加载线和卸载线不重合而形成一个封闭回路，称为弹性滞后环。弹性滞后环说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功，有一部分加载变形功被材料吸收，即为内耗，其大小等于弹性滞后环的面积。(内耗大小主要取决于应变和应力之间的位相差),如,内耗的物理本质：材料内部的微观运动（eg.晶界迁移、有序化、磁性变化等）消耗能量。内耗也称为材料的循环韧性，表示材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，又称消振性。循环韧性越高，消振性越好。应用：1）,2）仪表传感元件，需选用循环韧性低（内耗低）的材料，以提高敏感性。,内耗的科学意义：利用材料内耗与成分、组织结构及物理性能变化之间的关系，进行材料科学研究。,第四节塑性变形及其性能指标,一、塑性变形机理定义：材料微观组织的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。1：金属材料的塑性变形机理：滑移、孪生滑移系越多，塑性越好,复习：滑移：晶体的一部分对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对滑动，滑动后原子处于新的稳定位置。滑移通常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。滑移面：发生滑移的晶面就是“滑移面”；滑移方向：发生滑移的晶向就是“滑移方向”。滑移系：一个滑移面和其面上的一个滑移方向的组成称为“滑移系”,孪生本身提供的变形量很小，但可以调整滑移面的方向，使新的滑移系开动。,多晶体塑性变形的特点：1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性材料表面优先；与切应力取向一致的滑移系优先。2）各晶粒变形的相互协调性晶粒间塑性变形的相互制约、协调；晶粒内不同滑移系的相互协调。,2、陶瓷材料的塑性变形属于晶体材料，变形机制为滑移和孪生。但是，陶瓷材料的结合多为离子键或共价键，具有明显方向性，同号离子之间相斥很大，因而只有个别滑移系能满足位错运动的条件。因此，只有极少数陶瓷材料在室温下具有塑性，而一般陶瓷材料在室温下不能进行塑性变形。3、非晶态材料的塑性变形不存在滑移和孪生变形机制：粘性流动变形，需要在一定温度下进行，在室温下几乎没有塑性。如：玻璃在室温下没有塑性。,二、屈服现象与屈服强度1、屈服现象,特点：外力不增加（保持恒定），试样仍然继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动的情况下试样继续伸长。屈服是材料由弹性变形向弹-塑性变形过渡的标志。,屈服点：材料在屈服时对应的应力值。上屈服点：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力值。下屈服点：屈服阶段中最小应力。屈服伸长：屈服阶段产生的伸长。屈服平台（屈服齿）：屈服伸长对应的水平线段或曲折线段。,材料产生屈服的原因：与材料内部的位错运动有关。,：塑性应变速率,：柏氏矢量的大小,：可动位错密度,：位错运动平均速率,位错运动速率与切应力的关系：其中，为位错运动速率应力敏感指数。,欲提高位错运动平均速率，就需要有较高的应力-上屈服点。塑性变形一旦发生，位错大量增殖，增加，则位错运动速率下降（为定值），导致应力突然降低，从而产生屈服现象越小，屈服现象越明显。,2、屈服强度,屈服强度（或屈服点）：材料屈服时所对应的应力值。意义：材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。,屈服强度的工程意义：1、作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据；2、根据屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆断的参考依据。,三、影响金属材料屈服强度的因素,1、晶体结构,位错宽度w大，位错易于移动，小，屈服强度小，如fcc金属.bcc金属相反,（派纳力）,2、晶界和亚结构晶界越多，晶粒越小，位错中应力集中程度不够，需要更大的外加切应力才能够使位错运动，因此屈服强度越大。细晶强化,3、溶质元素固溶强化此外，,4、第二相强化分为：第二相不可变形、可变形两类,第二相尺寸与基体相近的块状分布-产生不均匀变形,第二相细小弥散分布-强化效果与质点本身的性质及其与基体的结合情况有关,5、温度。bcc金属温度效应明显，fcc和hcp金属温度效应较小,6、应变速率与应力状态,小结：屈服强度是一个对成分、组织、温度、应力状态等极为敏感的力学性能指标。因此，改变金属的成分或热处理工艺都可以是屈服强度产生明显变化。,如：冷轧，拉拔,材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象。意义：是材料阻止继续塑性变形的一种力学性能。1、应变硬化机理普遍认为：是塑性变形过程中的多系滑移和交滑移造成的。由于位错的交互作用，位错运动的阻力不断增加，从而产生应变硬化。,四、应变硬化：,1、应变硬化指数n1）经验公式:,S：真应力e：真应变n:应变硬化指数K：硬化系数（真应变为1时的真应力）2）意义：反映了材料抵抗继续塑性变形的能力。n=1，理想弹性形变。S=Ken=0,S=K=常数，表示材料没有应变硬化能力理想塑性体多数金属材料的n值在0.1-0.5之间。,n的变化范围,3）应变硬化指数的测量根据（1-31），方程两边取对数，得：,在应力-应变曲线上取几组坐标值(,)，由真应力与工程应力、真应变与工程应变之间的关系S=(1+)e=ln(1+)可做出lgS-lge曲线（线性关系），直线斜率为n值。,4）n的影响因素,5）n的意义,五、抗拉强度与缩颈条件,意义：标志金属材料的实际承载能力（光滑试样单向拉伸的受载条件）。1)可作设计依据：当横截面上的应力达强度极限时，受拉杆件上将开始出现颈缩并随即发生断裂。2)抗拉强度易于测定，且重复性好，广泛用于产品规格说明和质量控制指标。,2、缩颈1）概念：是一些金属材料和高分子材料在拉伸实验时，变形集中于局部区域的特殊状态。2）产生机理：在应变硬化与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于试样局部区域。,3）颈缩条件：,dF=0,由（i）,得(ii)全微分，得(iii),由体积不变定理有,dL/L=-dA/A=de(IV),代入（iii）得n=e(V)即：在F=Fb时，应变硬化指数n等于最大载荷点的真应变eb,而由（i），可将缩颈时的真应力Sb表示为：,六、塑性与塑性指标,1）最大应力下非比例伸长率g:2）最大应力下总伸长率gt:3）断后伸长率：试样拉断后，标距长度的相对伸长值。等于标距的绝对伸长量除以拉伸前试样标距长度.其中，断后伸长率最常用。,2）断面收缩率：用试件初始横截面面积A0减去断裂后颈缩处的最小横截面面积A1，并除以A0所得商值的百分数。,3、塑性的意义,七、超塑性1）概念：材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。2）特点：变形量很大；不发生应变硬化。3）条件：a.超细晶粒；b.合适的变形条件；c.应变速率敏感指数高。,第五节断裂,一、定义：固体材料在力的作用下分成若干部分的现象。是构件失效的主要形式之一。（其他失效形式还有：磨损、腐蚀等）研究断裂的目的是防止和预测断裂，以保证构件在服役过程中的安全。,一、断裂的类型和断口特征1）过程分为两个阶段：裂纹形成-裂纹扩展2）分类按断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形程度：韧性断裂和脆性断裂；按裂纹扩展的途径：穿晶断裂和沿晶断裂；按微观断裂机理：解理断裂和剪切断裂；按作用力性质：正断和切断3）断口：材料的断裂表面断口分析法：对断口进行宏观及微观分析，可以了解断裂的原因、条件、机理以及与断裂有关的各种信息。,1、韧性断裂和脆性断裂,1）韧性断裂：明显宏观塑性变形；裂纹扩展过程较慢；断口常呈暗灰色、纤维状。塑性较好的金属材料及高分子材料易发生韧断。,2）脆性断裂：无明显宏观塑性变形；突然发生，快速断裂；断口宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。淬火钢、灰铸铁、玻璃等易发生脆断。,2、,（脆性断裂or韧性断裂）,(脆性断裂),沿晶断裂：脆断，光亮，冰糖状断口；穿晶断裂：脆断、韧断都可能,沿晶断裂与穿晶断裂示意图,沿晶断裂断口,沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。裂纹扩展总是沿着消耗能量最小，即原子结合力最弱的区域进行的。一般情况下，晶界不会开裂。发生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强度。沿晶断裂的原因大致有：晶界存在连续分布的脆性第二相；微量有害杂质元素在晶界偏聚；由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆，应力腐蚀，应力和高温的复合作用在晶界造成损伤等。,3、按微观断裂机理：剪切断裂（纯剪切断裂和微孔聚集型断裂）和解理断裂纯剪切断裂：材料在切应力作用下，沿滑移面滑移分离造成。断口形貌：锋利的楔形，如剪切唇,微孔聚集型断裂:断口形貌：暗灰色，纤维状，分布大量韧窝。,解理断裂:在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。断口形貌：极平坦的镜面。实际的解理断口由许多相当于晶粒大小的解理面集合而成。解理裂纹的扩展方向：沿着晶面指数相同的一族互相平行、但位于不同高度的晶面进行。不同高度的解理面之间存在台阶，众多台阶汇合成河流花样。解理台阶、河流花样、舌状花样是解理断口的基本微观特征。,舌状花样,准解理断裂准解理断裂多在马氏体回火钢中出现。回火产物中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。宏观上为脆性断裂。解理小平面间有明显的撕裂棱。河流花样已不十分明显。它是由一些单独形核的裂纹相互连接而形成的。断裂路径主要与弥散细小的碳化物质点有关。形态特征：似解理河流。,4、断口分析：意义：可以了解材料中裂纹萌生及扩展的起因、经历及方式，有助于对断裂的原因、条件及影响因素做出正确判断。举例：低碳钢的韧性断裂断口形态：杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成。,纤维区所在平面垂直拉伸应力方向，纤维区的微观断口特征为韧窝。,纤维区中裂纹扩展速度较慢，并伴随有更大的塑性变形。当裂纹达到某一临界尺寸后，产生更大的应力集中，裂纹以低能量撕裂方式快速扩展，形成放射区。放射线平行裂纹扩展方向，垂直于裂纹前端轮廓线，并逆指裂纹源。,最后阶段：形成杯锥状剪切唇。剪切唇表面光滑，与拉伸轴成45度角，是切断型断裂。纤维区、放射区和剪切唇三个区域的形态、大小和位置，与试样形状、尺寸、材料的性能、实验温度、加载速率和受力状态有关。材料强度高、塑性低，则放射区比例大；试样尺寸增大，放射区增大，而纤维区变化不大。脆性断裂与韧性断裂无明显界限，脆性断裂前也会产生微量塑性变形。规定：光滑拉伸试样断面收缩率小于5%为脆性断裂，大于5%为韧性断裂。,三、断裂强度,1、理论断裂强度：在外加正应力作用下，将晶体中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力。估算方法如下：,3、格雷菲斯裂纹理论（1921年）目的：解释材料断裂强度的理论值与实际值的巨大差异（1）出发点：材料中已存在裂纹；局部应力集中；裂纹迅速扩展导致断裂。（2）理论基础：能量平衡原理（由于裂纹的存在，系统弹性能降低，若要保持系统总能量不变，裂纹释放的弹性能必然要与因存在裂纹而增加的表面能平衡。如果弹性能的降低足以满足表面能增加的需要，则裂纹的扩展就能使得系统能量降低，因而会自发扩展引发断裂。）,（3）格雷菲斯模型a）单位厚度、无限宽薄板，仅施加一拉应力（平面应力）。板内有一长度为2a、并垂直于应力的裂纹。b）拉紧平板，已存在裂纹的平板，将释放弹性能。,为表面能密度,系统的能量变化为：,裂纹尺寸与能量的关系,因为裂纹自发扩展的条件是系统总能量降低，所以临界裂纹长度对应于能量的极大值，此时，有：,Griffith公式的适用范围：只适用于脆性固体，如玻璃、无机晶体材料、超高强钢等。对于要断裂前要产生较大塑性变形的材料，必须加以修正。,第一章完习题：1、3、4、8、14、15、16,第二章材料在其他静载下的力学性能,一、硬度试验的意义,硬度：衡量材料软硬程度的一种力学性能指标。分类：压入法（布氏、洛氏、维氏、肖氏等），反映金属的塑性变形抗力。刻划法（莫氏），反映材料对切断的抗力。特点：设备简单，操作方便迅速；无损检测，可对大多数机件成品直接进行检测。,二、硬度试验方法1、布氏硬度,图2-17布氏硬度试验原理图（a）钢球压入试样表面（b）卸去载体后测定压痕直径,布氏硬度的计算：单位压痕面积承受的平均压力。符号：HB。单位一般不写。硬度值越高，表示材料越硬。,F：压力D：压头直径d：压痕直径,两种硬度表示方法：HBS压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值低于450的材料。HBW压头为硬质合金球，适用于布氏硬度值为450650的材料。例：150HBSl0300030表示用10mm直径淬火钢球，加压3000kgf，保持30s，测得的布氏硬度值为150；500HBW5750，表示用硬质合金球，压头直轻5mm，加压750kgf，保持10-15秒(保持时间为10-15，不加标注)，测得布氏硬度值为500。,压痕相似原理：d与压入角的关系：代入布氏硬度计算公式得：由上式知：要保持在不同的试验条件下测得同一材料的布氏硬度值相同，必须同时满足：1）相同；2）为常数。试验证明：当为常数时，相同。因此，为了使同一材料用不同的F和D测得的HB值相同，应使为常数。,图2-18压痕相似原理,布氏硬度的特点和适用范围：优点：压痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能，不受个别相和微区不均匀性的影响。布氏硬度分散性小，重复性好。适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度，如灰铸铁和轴承合金等。缺点：因压痕直径较大，一般不宜在成品上直接进行检测；对硬度不同的材料需要更换压头直径D和载荷F，比较繁琐；此外，压痕直径d的测量也比较麻烦。,2、洛氏硬度测定的原理和方法：洛氏硬度是直接测量压痕深度，压痕愈浅表示材料愈硬。常用的压头：顶角为120的金刚石圆锥体；直径为1.588mm、3.175的淬火钢球。,HR(k-h)0.002压头为金刚石时，k=0.2;压头为淬火钢球时，k=0.26为了能用一种硬度计测定不同软硬材料的硬度，常用不同的压头与总载荷组合成几种不同的洛氏硬度标尺。常用的有HRA、HRB、HRC。,图2-19洛氏硬度试验原理,洛氏硬度的优缺点及其应用优点：因为硬度值可从硬度机的表盘上直接读出，故测定洛氏硬度更为简便迅速,工效高；对试件