材料科学基础-第5章

1、河南理工大学材料科学与工程学院材料科学基础Foundations of Materials ScienceSchool of Material Science and Engineering Henan Polytechnic University 任课教师：崔红保弹性变形塑性变形断裂弹性变形塑性变形断裂Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E在万能材料实验机上做拉伸实验1) )圆形截面圆形截面2) )矩形截面矩形截面l0=10d0l0= 5d0l0tb003 .11Al 0065.

2、 5Al 或或2.2.低碳钢曲线分析：低碳钢曲线分析：Oa ab bc cd de试件在拉伸过程中经历了四个阶段，有两个重要的强度指标。 obob段段弹性阶段弹性阶段(比比例极限例极限pp弹性极限弹性极限e e )bcbc段段屈服阶段屈服阶段屈服点屈服点 scdcd段段强化阶段强化阶段 抗拉强度抗拉强度 bdede段段缩颈断裂阶段缩颈断裂阶段 低碳钢拉伸试验现象低碳钢拉伸试验现象：屈服：屈服：颈缩：颈缩：断裂：断裂：t tmax引起引起2测定低碳钢拉伸机械性能测定低碳钢拉伸机械性能( ( s、 b 、 d d、 y y ) )O FD DlFeFpFsFb线弹性阶段线弹性阶段屈服阶段屈服阶段强

3、化阶段强化阶段颈缩阶段颈缩阶段屈服点屈服点：0ssAF 0bbAF 抗拉强度抗拉强度：冷作硬化冷作硬化%100001 llld d伸长率伸长率：%100010 AAAy y断面断面收缩率收缩率：二、强度v 金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。v 按外力作用的性质不同，分为： 屈服强度s 、抗拉强度b 、抗压强度b c、抗剪强度b等。 1、屈服点与屈服强度 金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称为屈服点，用符号s 表示。s=Fs/Ao 式中Fs试样发生屈服时的载荷（N）; Ao试样的原始横截面积（mm2）。2、抗拉强度v 金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度，用符

4、号 b表示。 b=Fb/Ao式中 Fb试样在断裂前所承受的载荷（N）； Ao试样原始横截面积（mm2）。三、塑性v 金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆久变形的能力称为塑性。v 通过拉伸试验可测定材料的塑性。v 常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率。 =(L1-L0)/L0 =(F0-F1)/Fn工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点s ，按GB/T2228规定，可用屈服强度0.2来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力值。屈服强度为试样标距部分产生0.2%残余伸长时的应力值，即 0.2=F0.2/Ao式中 F0.2试样标距产生的

5、0.2%残 余伸长时载荷（N）； Ao试样的原始横截面积（mm2）。屈服强度的测定纳米铜的室温超塑性脆性断裂韧性断裂塑性变形程度穿晶断裂沿晶断裂裂纹途径解理断裂剪切断裂断裂机理穿晶断裂沿晶断裂韧窝断裂解理断裂5.1.2 材料的硬度教学重点硬度指标的表示方法和实际应用。教学难点布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度 金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，是衡量材料软硬程度的判据，它表征材料抵抗表面局部弹性变形、塑性变形或抵抗破坏的能力。材料的硬度越高，其耐磨性越好。1 1 布氏硬度布氏硬度 布氏硬度是用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量即试验力除以压痕表面积，符号用HBS（用淬火钢球压头）或H

6、BW（用硬质合金压头）表示，即：布氏硬度试验示意图 硬度值一般不标单位。当压头为淬火钢球时，用HBS表示；当压头为硬质合金时，用HBW表示。符号HBS或HBW之前写出硬度值，符号后面用数字依次表示压头直径、试验力及试验力保持时间（1015 s不标）等试验条件。例如，150HBS10/1000/30。 一般在零件图或工艺文件上标注材料要求的布氏硬度时，不规定试验条件，只需标出要求的硬度值范围和硬度符号，如210230HBS。布氏硬度表示方法：1 1 布氏硬度布氏硬度1、布氏硬度试验原理)d-D-D(DP(N)2102. 0HBv 根据被测金属材料的种类和试样厚度、选用不同大小的球体直径D，施加的

7、试验力F和试验力保持时间，按表11所列的布氏硬变试验规范正确选择 。材 料布氏硬度0.102F/D2备 注钢及铸铁1401401030F单位：ND单位：mm铜及其合金353520013051030轻金属及其合金35358080251010铅、锡1 布氏硬度试验的优缺点： 优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。 缺点是对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行试验。2 2 洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即，符号用HR表示，其计算公式为： 1、洛氏硬度

8、测量原理洛氏硬度HR=K-h/s式中，K为给定标尺的硬度数，S为给定标尺的单位， 通常以0.002为一个硬度单位。洛氏硬度试验原理图压头类型：2 2 洛氏硬度洛氏硬度 淬火钢球压头多用于测定退火件、有色金属等较软材料的硬度，压入深度较深；金刚石压头多用于测定淬火钢等较硬材料的硬度，压入深度较浅。 采用不同的压头与总试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺。我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中HRC应用最广。其试验规范见表1.1。洛氏硬度无单位，须标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值，如58HRC、76HRA。 试验规范及表示方法: 洛氏硬度试验的优缺点：2 2 洛氏硬度洛氏硬度 优点是操

9、作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度，因而广泛用于热处理质量的检验。 缺点是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此之间没有联系，也不能直接进行比较。 5.2 材料承受冲击载荷时的力学性能一、冲击试验方法与原理 v 一次冲击弯曲试验通常在摆锤式冲击试验机上进行 。冲击试样v 试验时，将试样放在试验机两支座上。把质量为m的摆锤抬到高h，使摆锤具有位能为mhg。摆锤落下冲断试样后升至h高度,具有位能为mhg，故摆锤冲断试样推动的位能为mhgmhg，这就是试

10、样变形和断裂所消耗的功称为冲击吸收功AK，即AK=mg(h-h)v 用试样的断口处截面积SN（cm2）去除AK（J）即得到冲击韧度，用Ak表示，单位为J/cm2.v aK=AK/SN 冲击韧性越大，表明抗冲击性能越好。 二、冲击试验的实际意义1、韧脆转变温度材料在低于某温度时，AK值急剧下降，使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口。因此，这个温度范围称为韧脆转变温度范围。 韧脆转变温度的高低是金属材料质量指标之一，韧脆转变温度愈低，材料的低温冲击性能就愈好，对于在寒冷地区和低温下工作的机械和工程结构。如运输机械、桥梁、输送管道尤为重要。 韧脆转变温度示意图2、衡量原材料的冶金质量和热加工产品质量

11、v冲击吸收功对原材料内部结构、缺陷等具有较大敏感性，很容易揭示出材料中某些物理现象，如晶粒粗化、冷脆、回火脆性及夹渣、气泡、偏析等。v目前常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。 5.3、疲劳一、疲劳概念 虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。 对称循环交变应力 二、疲劳曲线与疲劳极限 v试验证明，金属材料所受最大交变应力max 愈大，则断裂前所受的循环周次N（定义为疲劳寿命）愈少，这种交变应力max 与疲劳寿命N的关系曲线称疲劳曲线或SN曲线 v工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂的最大应力称为疲劳极限，

12、以符号-1表示。 疲劳曲线-1Nn21N1N2NnNc钢铁材料：107次非铁合金：108次部分工程材料的疲劳极限-1（MPa）三、提高材料疲劳极限的途径1、设计方面 尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。2、材料方面 通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。如疏松、气孔和表面氧化等。3、机械加工方面 要降低零件表面粗糙度值。4、零件表面强化方面 可采用化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成压应力，以抵消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。5.4 断裂韧度 金属材料抵抗裂纹扩展的能力指标就称为断裂韧度。 一、

13、裂纹扩展的基本形式 根据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式有三种：（a）张开型 （b）滑开型 （c）撕开型二、应力场强度因子v 对于如右图所示情况， KI可表示为：KI=Ya1/2式中：Y_裂纹的几何形状因子; _外加应力（N/mm2）； a_裂纹的半长（mm）； KI_ 强度因子（MPam1/2或MNm-3/2）它综合反映了外加应力和裂纹位置、长度对裂纹尖端应力场强度的影响，故称之为应立场强度因子。具有张开型裂纹的试样三、断裂韧度KI及其应用三、断裂韧度KI及其应用v 由公式K1= Y可知，如果Y为定值，则K1随，a值增加而增大，当K1达到了他的临界值K1C，K1C

14、称为临界强度因子，他取决于材料抵抗裂纹扩展的能力，因而也称为材料断裂韧度。v 不同材料，其K1C值不同，当零件的内裂纹尖端的应力强度因子K1超过所用材料的断裂韧度K1C时，零件就发生脆性断裂。v 材料的断裂韧度K1C值，可用于高强度钢、超高强度钢或大尺寸零件设计计算。（1）当已探测零件中的裂纹形状和尺寸，可根据材料的K1C值计算判定零件工作是否安全。（2）根据材料内部宏观裂纹尺寸a，计算零件不产生脆断所能承受的最大应力c 。（3）根据材料所承受载荷的大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸a。 材料的持久极限：材料的持久极限： 能经受无限次循环而不发生疲劳能经受无限次循环而不发生疲劳

15、破坏的最高应力值。破坏的最高应力值。对称循环对称循环 r = - -1 下下纯弯曲试验纯弯曲试验标准光滑小试样标准光滑小试样 次N0N1疲劳疲劳(寿命寿命)曲线曲线6010)102(N循环基数循环基数10rFFFF 5.3 材料的疲劳 次N0N1疲劳疲劳(寿命寿命)曲线曲线CNmlgNlg0N1lgCNmlglglglglglgmCNm，C：材料常数0NN 材料的持久极限与静载荷下强度极限的关系材料的持久极限与静载荷下强度极限的关系一般钢及常用合金钢： b 46.042.01 弯弯 b 37.032.01 拉拉压压 b 27.025.01 扭扭铸钢，可锻铸铁及铜合金 b 4.03.01 弯弯

16、同一种材料在不同同一种材料在不同 应力循环下的持久极应力循环下的持久极限，对称循环的持久极限最小。限，对称循环的持久极限最小。应力循环：应力循环：交变应力每重复变化一次的过程。交变应力每重复变化一次的过程。 疲劳破坏：疲劳破坏：构件在交变应力的作用下发生的破坏。构件在交变应力的作用下发生的破坏。1最大工作应力远小于材料强度极限，甚至小于屈服最大工作应力远小于材料强度极限，甚至小于屈服 极限；极限；疲劳破坏的主要特点：疲劳破坏的主要特点：2无论塑性材料还是脆性材料都发生脆性断裂；无论塑性材料还是脆性材料都发生脆性断裂；3断口具有明显的特征。断口具有明显的特征。常见工程材料的断裂韧度常见工程材料的

17、断裂韧度K1C值（值（MNm-3/2） 根据K1=Ya1/2K1C的临界判据知： 为使零件不发生脆断，设计者可以控制三个参数：材料的断裂韧度K1C 、名义工作应力和零件内的裂纹长度a，它们之间的定量关系能直接用于设计计算，可以解决以下三方面的工程实际问题： 5.5 材料的磨损性能1.干摩擦干摩擦2.边界摩擦边界摩擦 两摩擦面间无任何润滑剂，固体表面两摩擦面间无任何润滑剂，固体表面 直接直接 接触接触 摩擦、磨损大摩擦、磨损大 0.300.35 两摩擦面由吸附着的很簿的两摩擦面由吸附着的很簿的边界膜边界膜隔隔 开的开的 摩擦摩擦 0.010.141 摩摩 擦擦边界膜： 物理吸附膜、化学吸附膜 化

18、学反应膜分子机械理论：粘着作用和刨犁作用油润滑摩擦磨损油润滑摩擦磨损无润滑摩擦磨损无润滑摩擦磨损3.液体摩擦液体摩擦4.混合摩擦混合摩擦 两摩擦完全被液体油膜隔开的摩擦两摩擦完全被液体油膜隔开的摩擦 0.0010.008 干、边界、液体摩擦并存干、边界、液体摩擦并存 常见常见 非（完全）液体摩擦非（完全）液体摩擦油膜：静压油膜和动压 油膜 42 磨磨 损损一一 磨损的三个阶段磨损的三个阶段磨合磨损磨合磨损（有益）（有益）稳定磨损稳定磨损（工作）（工作）剧烈磨损剧烈磨损（失效）（失效）二二 磨损的类型磨损的类型磨损率：=q t q 磨损量磨损量1.粘着磨损粘着磨损 压力作用压力作用局部温升高局部

19、温升高粘着（焊接）粘着（焊接） 摩擦力摩擦力撕脱、剪切撕脱、剪切材料转移材料转移 2.磨料磨损磨料磨损表面材料脱落，油不净，硬质颗粒形表面材料脱落，油不净，硬质颗粒形 成磨料成磨料3.腐蚀磨损腐蚀磨损金属与介质到化学反应形成金属与介质到化学反应形成4.疲劳磨损疲劳磨损 交变应力交变应力裂纹扩展裂纹扩展表面剥落表面剥落 麻点、凹坑麻点、凹坑 （疲劳点蚀）（疲劳点蚀）(a)(b)(c)(d)图6-3 干摩擦条件下不同铅含量的Cu-Pb合金摩擦磨损形貌Fig.6-3 Worn surfaces of Cu-Pb alloy with different lead contents under dry

20、 sliding condition（a）Cu-20wt%Pb （b）Cu-30wt%Pb （c）Cu-36wt%Pb （d）Cu-43wt%Pb 润滑剂润滑剂 润滑油润滑油液体液体 润滑脂润滑脂润滑油稠化剂（硬脂酸氢氧化物）润滑油稠化剂（硬脂酸氢氧化物） 固体润滑剂固体润滑剂石墨、石墨、oS2、聚四氟乙稀聚四氟乙稀 1.主要性能指标性能指标:粘度（运动粘度）液体 抵抗变形的能力，它标志着液体的内摩擦阻力 的大小。温度粘度润滑效果。2.特点特点:润滑效果好，具冷却、清洗作用，供油、 密封麻烦。3.润滑方法润滑方法:一一. 润滑油润滑油间歇润滑:油孔、油杯连续润滑:油杯、油环、飞溅、压力5.6

21、材料蠕变性能8.1 材料的高温性能 锅炉、汽轮机、发动机，飞船的外壳等，长期在高温情况下工作。 对材料的高温性能有一定或特别的要求。一、常见的高温性能 1、抗氧化性 2、抗生长性 3、热强性 材料在高温、长时间和应力的作用下，抵抗变形和断裂的能力。（包括：持久强度、蠕变强度、高温疲劳强度、高温硬度等）。二、影响高温强度的因素 b= f (t，v) 1、温度 温度的高低，是相对金属的熔点而言。 故采用约比温度“t/tm”； 另外：“弹塑性转变温度”；“晶粒与晶界的等强温度”。 2、时间 随加载时间延长，b，蠕变行为。 3、变形速率 变形速率越大，晶粒与晶界的高强温度越低。一、蠕变 1、蠕变及蠕变断裂 材料（金属）在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象，叫蠕变。（注意与应力松驰的区别） 由蠕变变形导致的材料的断裂，称为蠕变断裂。 2、蠕变曲线（1）减速蠕变阶段，开始大，逐渐减速；（2）恒速蠕变阶段，速度几乎保持不变；（3）加速蠕变阶段，逐渐增大，最后产生断裂。 3、应力和温度对蠕变曲线的影响 应力较小，或温度较低时，第二