工程材料与机械制造第1章

1、第1章 材料的力学性能 第1章 材料的力学性能 1.1 强度与塑性强度与塑性 1.2 硬度硬度 1.3 韧性韧性 1.4 疲劳强度疲劳强度 知识窗知识窗材料的性能材料的性能 自测习题自测习题 第1章 材料的力学性能 1.1 强强度度与与塑塑性性 1.1.1 拉伸曲线与应力拉伸曲线与应力应变曲线应变曲线1拉伸曲线拉伸曲线 GB 22887规定了拉伸试验的方法和拉伸试验试样的制作标准。在试验时，金属材料制作成一定的尺寸和形状(如图1-1所示)，将拉伸试样装夹在拉伸试验机上，对试样施加拉力，在拉力不断增加的过程中观察试样的变化，直至把试样拉断。 第1章 材料的力学性能 图1-1 圆形拉伸试样示意图

2、第1章 材料的力学性能 根据拉伸过程中载荷(F)与试样的伸长量(l)之间的关系，可以绘制出金属的拉伸曲线。如图1-2所示为低碳钢的拉伸曲线，拉伸过程可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。具体分析如下： 第1章 材料的力学性能 图1-2 低碳钢的拉伸曲线 第1章 材料的力学性能 Op段：试样的伸长量与载荷呈直线关系，完全符合虎克定律，试样处于弹性变形阶段。pe段：伸长量与载荷不再成正比关系，拉伸曲线不成直线，试样仍处于弹性变形阶段。ss段(拉伸曲线中的平台或锯齿)：外力不增加或变化不大，试样仍继续伸长，出现明显的塑性变形，这种现象称为屈服现象。sb段：这个阶段，载荷增加，伸长沿整个试样长度均匀

3、伸长，同时，随着塑性变形不断增加，试样的变形抗力也逐渐增加，这个阶段是材料的强化阶段。 第1章 材料的力学性能 b点：载荷达到最大，试样局部面积减小，伸长增加，形成了“缩颈”。bk段：随着缩颈处截面不断减小(非均匀塑性变形阶段)，承载能力不断下降，到k点时试样发生断裂。拉伸曲线中，断裂总伸长为Of，其中塑形变形伸长为Og(试样断后测得的伸长lk)，弹性伸长为gf。 第1章 材料的力学性能 2应力应力应变曲线应变曲线(-曲线曲线)应力：用承受的载荷F除以试样的原始横截面积S0表示，即 MPa/0SF式中，F为试样所承受的载荷；S0为试样的原始横截面积。 应变：用试样的伸长量l除以试样的原始标距l

4、0表示，即 0ll式中，l为试样标距长度的伸长量；l0为试样的原始标距长度。 第1章 材料的力学性能 应力应变曲线的形状与拉伸曲线形状相同，只是坐标数值不同。图1-3所示是低碳钢的应力应变曲线，即-曲线。 图1-3 应力应变曲线 第1章 材料的力学性能 1.1.2 刚度与强度刚度与强度 1刚度刚度是指材料抵抗弹性变形的能力，刚度的大小一般用弹性模量E表示。弹性模量是指材料在弹性状态下的应力与应变的比值，即 MPa/E式中，为试样承受的应力；为试样的应变。 第1章 材料的力学性能 在应力应变曲线上，弹性模量就是直线部分的斜率。对于材料而言，弹性模量E越大，其刚度越大。E主要取决于各种金属材料的本

5、性，是一个对组织不敏感的力学性能指标。对钢进行热处理、微量合金化及塑性变形等，其弹性模量变化很小。机械零件大多都是在弹性状态下工作的，零件对刚度都有一定的要求，一般不允许有过量的弹性变形，因为过量的弹性变形会使机器的精度下降。零件的刚度主要由材料的刚度决定，另外还与零件的形状、截面尺寸有关。例如镗床的镗杆，为了保证高的加工精度，要选刚度较大的材料，另外还必须有足够的截面尺寸。 第1章 材料的力学性能 表1-1 常用材料的弹性模量及比弹性模量 材料 陶瓷 钢 铝 铜 钛 铍 聚酯 塑料 玻璃 木材 混凝土 碳纤维强化复合材料 E/GPa 400 200 69 110 117 15 69 12 4

6、7 270 E 25.3 25.6 12.4 27 168 27.6 20 18.8 180 第1章 材料的力学性能 2弹性极限弹性极限弹性极限e是材料开始产生塑性变形时所承受的最大应力值。按照GB 22887规定，弹性极限和屈服极限已经取消，两者统称为规定微量塑形伸长的应力。由于其物理意义及工程中仍有应用，这里仍保留。 MPa/0eeSF式中，Fe为试样不发生塑性变形的最大载荷；S0为试样的原始横截面积。一些在工作中不允许有微量塑性变形的零件(精密的弹性元件、炮筒等)，在设计和选材时，弹性极限是重要的依据。 第1章 材料的力学性能 3强度强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的

7、能力。工程上常用的强度指标有规定残余伸长应力、屈服点(屈服强度)、抗拉强度等。1) 屈服点和屈服强度在图1-3中，屈服点s是指应力应变曲线中平台对应的应力值，表示材料开始产生明显塑性变形的最小应力值，即 MPa/0ssSF式中，Fs为试样发生屈服现象时的载荷；S0为试样的原始横截面积。 第1章 材料的力学性能 对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点。国家标准规定，一般以规定残余伸长率为0.2%时对应的应力r0.2作为材料的屈服强度，通常记作0.2，即 MPa/0ssSF式中，F0.2为标距发生0.2%残余伸长时的载荷。屈服点s和屈服强度0.2通常是机器零件

8、设计的主要强度指标，也是评定金属材料强度的重要指标之一。我们知道，工程上各种机器零件工作时是不允许发生过量残余变形而失效的，设计的许用应力以s或0.2来确定。 第1章 材料的力学性能 2) 抗拉强度抗拉强度b是指材料在断裂前所承受的最大应力值，即 MPa/0bbSF式中，Fb为试样拉断前承受的最大载荷。试样在拉伸过程中，达到最大载荷之前是均匀塑性变形，因此抗拉强度b是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。塑性材料的b没有直接意义；铸铁等脆性材料在拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度，脆性材料制成的零件以b确定其许用应力。 第1章 材料的力学性能 1.1.3 塑性塑性1断后伸长

9、率断后伸长率是指拉断后标距的伸长量l1-l0与原始标距l0的比值，即 %100001lll式中，l1为试样拉断后标距的长度；l0为试样的原始标距。同一材料长试样和短试样测得的断后伸长率是不相等的，测得的结果分别用10和5表示，且510，长试样的断后伸长率也可以不加下标。 第1章 材料的力学性能 2断面收缩率断面收缩率是指试样拉断处横截面积的减小量S0- S1与原始横截面积S0的比值，即 %100010SSS式中，S1为试样拉断后断裂处的最小横截面积。 第1章 材料的力学性能 1.2 硬硬 度度 1.2.1 布氏硬度布氏硬度布氏硬度试验法的测试原理：在一定的载荷F作用下，将一定直径D的淬火钢球或

10、硬质合金球压入到被测材料的表面，保持一定的时间t后将载荷卸掉，测量被测材料表面留下压痕的直径d，根据d计算出压痕的面积S，最后求出压痕单位面积上承受的平均压力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值，如图1-4所示。 第1章 材料的力学性能 图1-4 布氏硬度试验原理示意图 第1章 材料的力学性能 布氏硬度值(HBS或HBW)的计算公式为：当载荷F的单位为千克力(kgf)时，)(2HBW)HBS(22dDDDFSF或当载荷F的单位为牛顿(N)时， )(2102. 0HBW)HBS(22dDDDFSF或第1章 材料的力学性能 式中，F表示载荷大小，D表示压头的直径(单位为mm)，d表示压痕表面的直径(

11、单位为mm)，S表示压痕的面积(单位为mm2)，布氏硬度值的单位为kgf / mm2或者N / mm2，习惯上布氏硬度是不标单位的。实际测试布氏硬度时，硬度值是不用计算的，利用刻度放大镜测出压痕直径d，根据值d查附录A即可查出硬度值。 第1章 材料的力学性能 进行布氏硬度试验时，当用淬火钢球作为压头时，用HBS表示，适用于布氏硬度低于450的材料；当用硬质合金球作为压头时，用HBW表示，适用于硬度值为450650的材料。布氏硬度的表示方法为：硬度值硬度符号试验条件。例如，210HBS10/1000/30表示用10 mm直径的淬火钢球作为压头，在1000 kgf作用下，保持时间为30 s，测得的

12、布氏硬度值为210；500HBW5/750表示用5 mm直径的硬质合金球压头，在750 kgf作用下，保持1015 s(持续时间1015 s时，可以不标注)，测得的布氏硬度值为500。在进行布氏硬度试验时，GB 2311984做出了规定，0.102F/D2常用30、10、2.5三种。第1章 材料的力学性能 表表1-2 布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范 材料 种类 布氏硬度值范围 钢球直径 D/mm 0.102F/D2 试验力 F/ N(kgf) 保持时间 / s 备 注 140 10 5 2.5 30 29 420(3000) 7355(750) 1839(187.5) 10 钢、 铸铁 14

13、0 10 5 2.5 10 9807 (1000) 2452(250) 613(62.5) 1015 130 10 5 2.5 30 29 420(3000) 7355(750) 1839(187.5) 30 55130 10 5 2.5 10 9807(1000) 2452(250) 613(62.5) 30 非铁金属材料 35 10 5 2.5 2.5 2452(250) 613(62.5) 153(15.5) 60 压痕中心距试样边沿距离不应小于压痕平均直径的2.5 倍。相邻压痕中心距离不应小于压痕平均直径的 4 倍。试样厚度至少应为压痕深度的 10 倍。试验后，试样支撑面应无明显变形痕

14、迹 第1章 材料的力学性能 1.2.2 洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度试验法是目前应用最广泛的硬度测试方法，它是直接用压痕深度来确定硬度值的。试验时，用顶角为120的金刚石圆锥体或者用直径为1.588 mm的淬火钢球作为压头，先加初载荷为98.07 N(10 kgf)，再加规定的主载荷，将压头压入金属材料的表面，卸去主载荷后，根据压头压入的深度最终确定其硬度值。 第1章 材料的力学性能 洛氏硬度试验原理如图1-5所示，先加初载荷，使压头与试样表面之间有良好的接触，并以此作为测量的基准；再施加主载荷，试样压到最深处；卸去主载荷后，被测试样的弹性变形恢复，压头略微抬高，测得的深度就是基准与压头顶点最后位

15、置之间的距离e。e越大，被测金属的硬度越低，为了和习惯(数值越大，硬度越高)相符，用常数k减e来表示硬度大小，用0.002 mm表示一个硬度单位，洛氏硬度值的计算公式为 002. 0HRek 式中，k为常数，用金刚石圆锥体压头时，k=0.2 mm；用淬火钢球作为压头时，k=0.26 mm；e为卸去主载荷后测得的压痕深度。 第1章 材料的力学性能 图1-5 洛氏硬度试验原理示意图 第1章 材料的力学性能 洛氏硬度没有单位，是一个无量纲的力学性能指标。为了能用同一硬度计测定从软到硬的材料硬度，就需要不同的压头和载荷组成不同的洛氏硬度标尺，最常用的是A、B、C三种标尺，分别记作HRA、HRB、HRC

16、。表1-3给出了三种标尺的实验规范及应用范围。 表1-3 常用三种洛氏硬度的试验条件及应用范围 标尺 硬度符号 压头类型 总载荷/ N(kgf) 测量范围 应 用 范 围 A HRA 金刚石圆锥体 588.4(60) 2088 硬质合金、 表面硬化层、 淬火工具钢等 B HRB 1.588 mm 钢球 980.7(100) 20100 低碳钢、铜合金、铝合金、铁素体可锻铸铁 C HRC 金刚石圆锥体 1471(150) 2070 淬火钢、调质钢、高硬度铸铁 第1章 材料的力学性能 实际测量时，洛氏硬度是在硬度计上直接读出硬度值的。洛氏硬度的表示方法为：硬度值硬度符号。例如，60HRC表示用C标

17、尺测得的洛氏硬度值为60。洛氏硬度试验的优点是测量迅速简便，压痕较小，可用于测量成品零件；缺点是压痕较小，测得的硬度值不够准确，并且各硬度标尺之间没有联系，不同标尺硬度值之间不能直接比较大小。洛氏硬度C标尺应用最广泛。 第1章 材料的力学性能 对于极薄工件和化学热处理后的表面层，在测定硬度时，由于常用洛氏硬度法施加的载荷较大，不适合这类材料的表面硬度测定。为此，根据洛氏硬度试验原理，设计出了载荷较小的表面洛氏硬度试验。其初载荷为29.4 N(3 kgf)，总载荷有147.1 N(15 kgf)、249.3 N(30 kgf)、441.3 N(45 kgf)三种，如果用金刚石圆锥压头，常用来测量

18、渗氮钢、渗碳钢、刀刃、零件边缘部分等，硬度符号表示为HR15N、HR30N、HR45N；如果用淬火钢球压头，常测量低碳钢、铜合金、铝合金等薄板，硬度符号表示为HR15T、HR30T、HR45T。 第1章 材料的力学性能 1.2.3 维氏硬度维氏硬度为了在同一种硬度标尺上测定从极软到极硬金属材料的硬度，特制定了维氏硬度试验法。维氏硬度试验法原理与布氏硬度的基本相同，如图1-6所示。用一个相对面夹角为136的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷的作用下压入被测金属的表面，保持一定时间后卸除载荷，用压痕单位面积上承受的载荷(F/S)来表示硬度值，维氏硬度的符号为HV。 第1章 材料的力学性能 图1-6

19、维氏硬度试验原理示意图 第1章 材料的力学性能 当载荷的单位是千克力(kgf)时， 228544. 1)68sin2/(HVdFdFSF当载荷的单位是牛顿(N)时， 221891. 0)68sin2/(HVdFdFSF式中，F为试验所加载荷；S为压痕的面积；d为两对角线的平均长度。维氏硬度的面积S是通过测定压痕表面的对角线平均长度d来计算的。 第1章 材料的力学性能 计算出的维氏硬度值有单位(kgf / mm2或者N / mm2)，但通常不标单位。实际测定时，测出压痕对角线长度，然后通过查表即可查出维氏硬度值。维氏硬度的表示方法为：硬度值硬度符号测试条件。例如，620HV30/20表示在30

20、kgf(249.3 N)载荷作用下，保持20 s测得的维氏硬度值为620，如果保荷时间1015 s可以不标注，如620HV30。第1章 材料的力学性能 维氏硬度常用的载荷包括49.1(5)、98.1(10)、196.2(20)、294.3(30)、490.5(50)、981(100)等，单位为N(kgf)。测量时，如果厚度允许的话，尽量用较大的载荷，以便获得较大的压痕，提高测量精度。 维氏硬度的优点是试验载荷小，压痕较浅，适合测定零件表面淬硬层及化学热处理的表面层等；可以测量极软到极硬的材料，由于维氏硬度只用一种标尺，材料的硬度可以直接通过维氏硬度值比较大小；由于测量载荷可任意选择，因此既可测

21、尺寸厚大的材料，又能测很薄的材料。缺点是试样表面要求高，硬度值的测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。第1章 材料的力学性能 维氏显微硬度试验用于测定显微组织硬度。维氏显微硬度计施加的载荷为0.0981(0.01)、0.1961(0.02)、0.4903(0.05)、0.9807(0.1)、1.961(0.2)等，单位为N(kgf)。测量压痕对角线长度用m做单位，符号仍用HV表示。由于显微硬度载荷小，压痕很小，可以测定金属箔、金属粉末、极薄表层及金属组织中的晶粒及合金组成相的硬度值。 由于各种硬度试验的条件不同，因此相互之间没有理论换算关系。但根据试验数据分析，得到粗略换算公式为：当硬度在200

22、600HBS(HBW)范围内时，HRC1/10HBS(HBW)；当硬度小于450HBS时，HBS=HV。 第1章 材料的力学性能 1.3 韧韧 性性 1.3.1 冲击韧性冲击韧性 1摆锤式一次冲击弯曲试验摆锤式一次冲击弯曲试验摆锤式冲击试验原理如图1-7所示，试验时，将标准试样1放在试验机的支座上，把质量为m的摆锤抬升到一定高度H1，然后释放摆锤、冲断试样，摆锤依靠惯性运动到高度H2。 第1章 材料的力学性能 冲击过程中如果忽略各种能量损失(空气阻力及摩擦等)，摆锤的位能损失mgH1-mgH2mg(H1-H2)就是冲断试样所需要的能量，即试样变形和断裂所消耗的功，也称为冲击吸收功AK，即AK=

23、mg(H1-H2)。其中，G表示摆锤的重量；AK表示冲击吸收功。U型缺口试样和V型缺口试样分别表示为AKU和AKV，其单位是焦耳(J)。冲击吸收功的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。 第1章 材料的力学性能 图1-7 摆锤式冲击试验原理示意图 第1章 材料的力学性能 冲击韧度用K=AK/S来计算。其中，S表示试样缺口处的横截面积(单位为cm2)。把冲击吸收功值低的材料称为脆性材料，冲击吸收功值高的材料称为韧性材料。脆性材料在断裂前没有明显的塑性变形，断口较平直，呈晶状或瓷状，有金属光泽；而韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。 第1章 材料的力学性能 2低温脆性低温脆性有些

24、金属材料，如工程上用的中低强度钢，当温度降低到某一程度时，会出现冲击吸收功明显下降的现象，这种现象称为冷脆现象。历史上曾经发生过多次由于低温冷脆造成的船舶、桥梁等大型结构脆断的事故。例如，1965年，英国北海油田海上钻井平台由于温度突然下降而断裂，造成巨大损失。通过测定材料在不同温度下的冲击吸收功，就可测出某种材料冲击吸收功与温度的关系曲线。如图1-8所示，冲击吸收功随温度降低而减小，在某个温度区间，冲击吸收功发生急剧下降，试样断口由韧性断口过渡为脆性断口，这个温度区间就称为韧脆转变温度范围。 第1章 材料的力学性能 图1-8 冲击吸收功温度曲线 第1章 材料的力学性能 3冲击韧性的用途冲击韧

25、性的用途AK是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，零件设计时，虽不能直接计算，但它是一个重要参考。由于冲击吸收功对材料内部组织十分敏感，因此在生产、科研中得到广泛应用。其主要应用如下：(1) 评定材料的低温脆性情况，可以测定材料的韧脆转变温度范围。 第1章 材料的力学性能 (2) 评定材料的冶金质量和热加工产品质量。通过测定AK和对试样断口进行分析，能揭示材料的内部缺陷，如气泡、夹渣、偏析等冶金缺陷和过热、过烧、回火脆性等热加工缺陷。这些缺陷使材料的冲击吸收功明显下降，因此，目前用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。(3) 评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。实践

26、表明，塑性、韧性越高，材料抵抗大能量冲击的能力越强；但在小能量多次冲击的情况下，决定材料抗冲击能力的主导作用是强度，提高材料的冲击吸收功值并不能有效提高使用寿命。 第1章 材料的力学性能 1.3.2 断裂韧性断裂韧性为了防止零件发生断裂失效(有关失效，可参阅本书第12章)，通常以材料的屈服强度为依据，同时对材料的塑性指标、冲击吸收功等提出一定的要求，即 n2 . 0式中，为工作应力；为许用应力；为安全系数。 第1章 材料的力学性能 1应力场强度因子应力场强度因子KI根据应力与裂纹扩展面的相互关系，裂纹扩展可分为三种基本形式(如图1-9所示)：张开型(型)、滑开型(型)和撕开型(型)。实际裂纹的

27、扩展经常是几种方式的组合，张开型(型)最危险，最容易扩展而发生脆性断裂。因此，这里就以这种方式来讨论断裂韧性。 第1章 材料的力学性能 图1-9 裂纹扩展的三种基本形式 第1章 材料的力学性能 材料内部不可避免地存在各种缺陷(夹杂、气孔等)，使材料内部不连续，这些不连续处可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。用来衡量应力场强弱的参数称为应力场强度因子KI，即 aYK式中，KI为应力场强度因子，单位为MPam1/2；Y为与裂纹形状、加载方式及试样类型有关的系数，一般Y=12；a为裂纹长度的一半，型裂纹长度为2a。对中心有穿透裂纹的无限大平板， aK第1章 材料的

28、力学性能 2断裂韧度断裂韧度KIC应力场强度因子KI是一个与应力和裂纹半长a有关的复合参数。对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子KI也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时，就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力场强度因子的临界值称为材料的断裂韧度，用KIC表示。它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。 caYKcIC式中，c为断裂应力，是裂纹扩展的临界状态所对应的应力；ac为临界裂纹尺寸，是裂纹扩展的临界状态所对应的裂纹尺寸。 第1章 材料的力学性能 当

29、KIKIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断；KI=KIC时，裂纹处于临界状态；KIKIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。断裂韧度KIC是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。KIC越大，材料抵抗裂纹失稳扩展的能力越强，裂纹不易扩展，材料的断裂韧性越好。断裂韧度KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。断裂韧度KIC是材料的一种固有特性，与外加载荷大小、裂纹本身的大小、试样尺寸等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。对于一定状态下的材料而言，KIC是一个固定的常数，而KI则是变化的，它随着载荷和裂纹尺寸的变化而变化，当载荷为零时，KI=0。 第1章 材料的力学性能 3断裂

30、韧度的应用断裂韧度的应用断裂韧性是强度和韧性的综合体现，KIC是工程安全设计中防止低应力脆断的重要依据，根据计算公式，它可以解决如下工程实际问题：(1) 确定零件(或构件)的最大承载能力。如果探测出零件(或构件)裂纹尺寸2a，根据试验测定的KIC，可以计算出最大承载能力c，为设计提供依据。 第1章 材料的力学性能 (2) 确定零件允许的最大裂纹尺寸。根据材料的断裂韧度KIC和工作情况得到零件(或构件)的工作应力，就可确定计算出临界裂纹尺寸ac，为制定裂纹探伤标准提供依据。(3) 确定零件(或构件)的安全性。已知工作应力和探伤得到的裂纹尺寸2a，就可计算出KI。这样，在选择材料时，材料的断裂韧度

31、KICKI，为选材提供依据，也保证了零件(或构件)的安全性。 第1章 材料的力学性能 1.4 疲疲 劳劳 强强 度度 1.4.1 疲劳及疲劳强度疲劳及疲劳强度1疲劳现象疲劳现象疲劳断裂是指在变动载荷的作用下，零件经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的突然断裂现象。变动应力通常包括交变应力和重复应力。交变应力(如图1-10所示)是指应力的大小和方向随着时间周期性变化的应力。变动应力的变化可以是周期性的、规律的变化，也可以是无规律的变化。许多零件，如齿轮、曲轴、弹簧和滚动轴承等，都是在交变应力下工作的。据统计，各类断裂失效中，80%是由于各种不同类型的疲劳破坏所造成的。 第1章 材料的力学性能

32、图1-10 交变应力示意图 第1章 材料的力学性能 疲劳断裂具有突然性，危害很大。人们对于疲劳的研究已经有了很大的进展。疲劳断裂的特点如下：(1) 疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限。(2) 断裂前，零件没有明显的塑性变形，即使伸长率和断面收缩率很高的塑性材料也是如此。 (3) 疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感，疲劳裂纹常在表面缺口(如螺纹、刀痕、油孔等)、脱碳层、夹渣物、碳化物及孔洞等处形成。(4) 实验数据分散性较大(手册上的数据是统计数据)。 第1章 材料的力学性能 产生疲劳的原因，一般认为是由于零件应力高度集中的部位或材料本身强度较低的部

33、位，在交变应力作用下产生了疲劳裂纹，并随着应力循环周次的增加，裂纹不断扩展使零件有效承载面积不断减小，最后突然断裂。零件疲劳失效的过程可分为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。疲劳断口一般可明显地分成三个区域，即疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，如图1-11所示。 第1章 材料的力学性能 图1-11 疲劳断口示意图 第1章 材料的力学性能 2疲劳强度 大量实验表明，材料所受的交变应力的最大值max越大，则疲劳断裂前所经历的应力循环次数N越低，反之越高。根据交变应力max和应力循环次数N建立起来的曲线称作疲劳曲线，如图1-12所示。疲劳强度是指材料经受无限次循环应力也不发生断裂的最大

34、应力值，记作D，就是疲劳曲线中的平台位置对应的应力。通常，材料的疲劳强度是在对称弯曲条件下测定的，对称弯曲疲劳强度记作1。实践表明，如果107周次应力循环下，仍不发生疲劳断裂，则在经过相当多次的应力循环后一般也不会疲劳断裂。GB 433784规定，一般钢铁材料循环周次取107周次时能承受的最大循环应力为疲劳强度。 第1章 材料的力学性能 图1-12 疲劳曲线示意图第1章 材料的力学性能 一般非铁金属(有色金属)、高强度钢和腐蚀介质作用下的钢铁材料的疲劳曲线没有平台，见图1-12。这类材料的疲劳强度定义为：在规定循环周次N0下，不发生疲劳断裂的最大循环应力值称为条件疲劳强度，记作 。一般规定非铁

35、金属N0取108，腐蚀介质作用下的N0取106。金属材料的疲劳强度受到很多因素的影响，如材料本质、材料的表面质量、工作条件、零件的形状、尺寸及表面残余压应力等。 )( r0N第1章 材料的力学性能 3提高疲劳强度的途径提高疲劳强度有以下途径：(1) 合理地选择材料。实践证明，金属材料在其他条件相同的情况下，疲劳强度随抗拉强度的增加而增加。因此，那些能提高金属材料抗拉强度的因素，一般也能提高疲劳强度。例如，结构钢中的含碳量，通常，含碳量越高，抗拉强度越高；结构钢中合金元素主要通过提高淬透性和改善组织来提高疲劳强度；细化晶粒、获得下贝氏体及回火马氏体等也可以提高疲劳强度。 第1章 材料的力学性能

36、(2) 零件设计时形状、尺寸合理。尽量避免尖角、缺口和截面突变，这些地方容易引起应力集中从而导致疲劳裂纹；另外，伴随着尺寸的增加，材料的疲劳强度降低，强度越高，疲劳强度下降越明显。(3) 降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量。因为疲劳源多数位于零件的表面，应尽量减少表面缺陷(氧化、脱碳、裂纹、夹杂等)和表面加工损伤(刀痕、磨痕、擦伤等)。 第1章 材料的力学性能 (4) 采用各种表面强化处理。如渗碳、渗氮、表面淬火、喷丸和滚压等都可以有效地提高疲劳强度。这是因为表面强化处理不仅提高了表面疲劳强度，而且还在材料表面形成一定深度的残余压应力；在工作时，这部分压应力可以抵消部分拉应力，使零件实际承受

37、的拉应力降低，提高了疲劳强度。如图1-13(a)所示，在弯曲疲劳试验中，未强化表面的应力分布距表面一定距离内，交变应力大于疲劳强度，该区域产生疲劳破坏；在图1-13(b)中，表面的残余压应力抵消了部分交变应力，其合力用箭头表示，这时的合力小于材料的疲劳强度，因此不会发生疲劳断裂。 第1章 材料的力学性能 图1-13 表面强化提高疲劳强度示意图 1)( ; 1)(疲劳强度表层应力疲劳强度表层应力ba第1章 材料的力学性能 1.4.2 不同形式的疲劳不同形式的疲劳1低周疲劳低周疲劳低周疲劳是指零件或构件在较大应力(接近、甚至于超过屈服强度)作用下，导致在循环周次较低的情况下造成疲劳断裂，一般为10

38、2105周次，甚至几十周次。低周疲劳在应力集中处会发生一定的塑性变形并不断扩张直至断裂。因此，提高低周疲劳寿命，应在满足强度的要求下，设法提高材料的塑性，不能一味提高材料的强度；另外，表面强化对提高低周疲劳并不明显。工程中有许多机件是由于低周疲劳而破坏的。例如，飞机起落架、常年阵风吹刮的桥梁、风暴席卷海船的壳体、经常充气的高压容器等发生的疲劳常为低周疲劳。 第1章 材料的力学性能 2热疲劳热疲劳零件工作时温度循环变化而产生热应力循环变化，热应力循环变化造成的疲劳破坏称为热疲劳。工程上许多零件会由于热疲劳而失效，例如，热锻模、热挤压模、压铸模、热轧辊、汽轮机叶片、加热炉零件、热处理夹具等常产生热

39、疲劳。 第1章 材料的力学性能 热应力产生的原因是由于温度变化时，材料不能自由收缩或膨胀而导致的。如果零件整体可以自由收缩或膨胀，则不会产生热应力。实际工作时，零件往往受热不均匀，零件截面内存在温度差，一部分材料约束另一部分材料，于是就产生了热应力。当热应力超过材料的高温弹性极限时，就会产生局部塑性变形，经过一定的循环次数之后，这种循环的塑性变形就导致了零件的热疲劳。提高热疲劳的途径有：提高材料的塑韧性和高温强度；降低材料的线膨胀系数；提高材料的导热性；尽量避免零件工作时的应力集中等。 第1章 材料的力学性能 3冲击疲劳冲击疲劳工程上受冲击载荷的零件，很少只经过一次或几次冲击就断裂，大多是承受

40、小能量多次冲击的断裂，一般大于105次。冲击疲劳是指小能量多次冲击导致的断裂。冲击疲劳不能用冲击吸收功AKU或AKV来衡量，应采用冲击疲劳抗力指标。大量试验表明：冲击能量低时，提高材料的强度，可使冲击疲劳抗力明显提高；冲击能量较大时，冲击疲劳抗力主要取决于材料的塑性和韧性。例如，某锻锤锤杆用40Cr钢油淬高温回火，使用中常发生早期疲劳断裂；后来改用盐水淬火中温回火，提高了强度，结果锤杆寿命明显延长。 第1章 材料的力学性能 4接触疲劳接触疲劳接触疲劳(也称疲劳磨损)是指滚动轴承、齿轮及钢轨等零件的接触表面在交变压应力长期作用下，引起零件表面疲劳剥落现象。接触疲劳大多位于表层一定深度下，在材料的

41、缺陷或薄弱处产生，也存在疲劳裂纹的产生和疲劳裂纹的扩展。接触疲劳破坏形式有麻点剥落(点蚀)、浅层剥落和深层剥落三种形式。深度在0.10.2 mm以下的针状或痘状凹坑称为麻点剥落；深度在0.20.4 mm的小片剥落称为浅层剥落，剥块底部大致和表面平行；深层剥落面积较大，剥落深度和表面强化层深度相当。 第1章 材料的力学性能 提高接触疲劳强度的途径有：尽可能减少材料中的非金属夹杂物；获得适当的心部硬度和表层硬度，适当的强化层深度；使表面强化层中的化合物形态、大小、数量分布合理；提高表面加工质量并保持良好的润滑状态。 第1章 材料的力学性能 5腐蚀疲劳腐蚀疲劳腐蚀疲劳是零件在腐蚀环境中承受变动载荷所

42、产成的一种疲劳破坏现象。腐蚀疲劳是由于循环应力和腐蚀介质共同作用造成的，比这两个因素单独作用时的危害性大得多。腐蚀疲劳是很多零件经常遇到的问题，例如，舰船中的推进器、轴、车辆弹簧、压缩机叶片等。腐蚀疲劳是一个很复杂的问题，腐蚀疲劳强度和抗拉强度之间不存在比例关系，提高材料的抗拉强度对提高腐蚀疲劳没有多大影响，腐蚀的影响较大。第1章 材料的力学性能 可通过如下途径提高腐蚀疲劳抗力：选择在预定环境介质中耐腐蚀的材料；在腐蚀介质中加入缓蚀剂；采用电化学保护；采用表面涂层提高耐腐蚀性；通过表面强化处理，使零件产生表面残余压应力等。 第1章 材料的力学性能 知识窗知识窗材料的性能材料的性能 1物理性能物

43、理性能密度：单位体积的质量，m/V。熔点：金属或合金从固态向液态转变的温度。导热性：金属材料传导热量的性能。通常用热导率来衡量。导电性：金属材料传导电流的性能。通常用电阻率来衡量。热膨胀性：金属材料随温度的变化而膨胀或收缩的性能。通常用线膨胀系数或体膨胀系数来表示。磁性：金属材料在磁场中受到磁化的性能。根据磁化程度不同，金属材料可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料三类。 第1章 材料的力学性能 2化学性能化学性能耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气和其他化学介质腐蚀破坏的性能。抗氧化性：金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。化学稳定性：对金属材料耐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为“热稳定