材料力学性能讲义

材料力学性能讲义绪论：材料：无机材料、有机材料金属 材料 、非 金属 材料高分 子材 料： 塑料 、橡 胶、 合成纤维陶瓷 材料复合 材料天然 材料工程 结构 材料 、功 能材 料信息 、生 物技 术、 新材 料、 环保金属：良导电、热性，光泽，良好 的延展性。自由 电子、金属键（无方向性）性能：力学性能，物理、化学性能，加工工艺性能力学性能：金属材料在一定环境中在外力作用下所表现出来的抵抗行为。

分弹性性能与塑性性能。力学性能指标：金属材料在外力作用下表现出来的抵抗变形及断裂的能力。分应力、应变；强度 指标、塑性指标及综合力学性能指标。金属材料的失效形式：变形、断裂 （含疲劳断裂）、磨损、腐蚀，以及加工失误研究内容：TOC\o"1-5"\h\z）各 种力 学现 象及 行为 、意 义、 本质 概 念的 相互 关系 。2）各 种力 学性 能指 标的 概念 、本 质、 意 义， 力学 行为 及其 影 响因 素。3）各 种宏 观失 效方 式的 本质 、机 理、 原 因， 各力 学性 能指 标 之间 的相互关系及失效判据。4）各 种力 学性 能指 标的 测试 技术 及实 际 应用 。第一章：金属在单向静拉伸载荷下的力学性能单向应力、静拉伸§1-1应力应变曲线拉伸曲线：P-AL曲线 6-e曲线(T=P/F0 £=AL/L0=(L-L0)/Lo横坐标：AL、£;纵坐标：P、0-应力应变曲线的几个阶段:集中塑变（缩颈）、断裂弹性变形、均匀塑变（弹塑性变形）、应力应变曲线的几个阶段:集中塑变（缩颈）、断裂弹性变形、均匀塑变（弹塑性变形）、§1-2弹性变形 弹性变形的力学性能指标一、弹性变形的定义及特点：1、特点：①变形可逆②应力-应变保持直线关系③变形总量较小2、产生机理：原子间作用力原子间具有一定间距一原子间距，也即是原子半径的两倍（指同类原子），原子间作用力：吸引力、相斥力。其性质估且不论吸引力：原子核中质子（正离子）与其它原子的电子云之间的作用力相斥力：离子之间及电子之间的作用力二者均与原子间距（2r）有关：Ar2A rAr24

r前者为引力项，后者为斥力顶。r=ro时P=O；r>ro时为引力；r<ro时为斥力r>ro时P>0,为引力，两原子间有拉进的趋势;r<ro时P<0,为斥力，两原子间有推远的趋势;r=ro时P=0,为平衡状态，两原子间保持距离。当材料承受拉应力时： rm>r>ro当P=Pmax为最大值时，r=rm,Pmax一般可视作理论弹性极限即在P>Pmax则将产生原子移位，并形成不可逆变形即塑性变形3、Note: 1）Pmax一般远大于 Pp、Pe（三个数量级）,即在实际金属在外力P远小于Pmax时就产生了塑性变形甚至断裂。P与Ar=r-ro并非正比关系，而实际金属拉伸时其Pe、Pp均较小（远小于Pmax）,此时P与Ar近似直线，这就是存在比例极限①p与弹性极限①e,且①p<①e的原因。0-P一般用于弹簧计量中.（Te一般用于工程构件中的弹簧钢中弹性变形随应力的变化速度为声速。弹性模量：表征材料（在弹 性变形阶段 ）对弹性变形的抗力拉： （7=Ee E:弹性模量（杨氐）扭：剪切应力T=Gy G：切变模量E、G越大，则抗力越大，或变形越小。弹性 模量 又称为刚度TOC\o"1-5"\h\z但与工程构件的刚度不同，工程上：构件刚度=材料刚度EX构件截面 积弹性模量是组织不敏感因素指标，仅与原子间作用力有关具有：①单晶体各向异性；与合 金元 素含 量关 系不 大 ；与组 织元 素含 量关 系不 大 ；④随ToC的增加而下降，但在室温范围内变化也不大弹性 变形 产生 和扩 展速 度 为声 速，故一般加载速度对之影响不大。但以爆破加载方式将使其增加。Note：软硬钢材的弹性模量相当。比例极限与弹性极限：1、定义： 0-p=Pp/Foo-e=Pe/Fo2、实 际规定：1>比例极限：o-p表征 材料 能保 持应 力 与应 变成 正比 的最大抗力，为弹簧、精密测量仪器 等机 械构 件的 设 计要 求标 准。当tg9p=1.5tg9o（增加了50%）即定义规定为：0-p50=0-p如果要求高，也可规定：tg8p=1.25tg0o此时记为：（Tp25或：tg8p=1.1tg0o 或：（Tpio2＞弹性极限：（Te定义残余变形为0.01%时为规定弹性极限表征材料在外力作用下不发生塑性变形的最大抗力，是不允许产生微量塑性变形的机械构件的设计要求标准。四、弹性比功：Ae 1o-ex£e 1o-e22 2E表征材料吸收弹性变形能的能力，可作储能减震材料的力学指标。因弹性模量E是对组织不敏感的常数指标，故需提高材料的弹性极限①e才能提高弹性比功Ae五、弹性不完整性：1）包中格效应：先加载致少量塑变，卸载，然后在再次加载时，出现①e升高或降低的现象。一般认为与位错运动受阻有关。2）弹性后效----滞弹性、弹性蠕变指加卸载速度相对较快时，应变落后于应力的现象。弹性后效可有两种表现：①快速加载后保持应力不变，应变滞后并逐渐增加②快速加载后保持应变不变，应力逐渐松驰一般地：TOC越高，时间越长，弹性后效越明显。原因：与点缺陷运动有关。在基体发生弹性变形后，点缺陷在应力场的作用下扩散并产生有序分布，使晶体的晶格尺寸继续改变，或使应力场降低。另可分为正、反弹性后效，后者为卸载后残余变形弹性滞后环与循环韧性弹性滞后环：当外力为交变载荷时，因弹性后效而使来回的加载、卸载的应力-应变曲线不重合而形成的一个闭合回路。循环韧性：该滞后环所包围的面积表示材料在一个应力循环中所吸收的不可逆变形功（可能转化为热能、组织结构畸变能等）叫材料的循环韧性。该指标表示了材料的消震能力的大小。制造乐器用金属要求消震性极低（共振性好）、反弹良好，循环韧性值低1-3塑性变形塑性变形的定义和机理：）定义：指撤去外力后仍不能回复的变形部份2）机 理：滑移 孪生高温蠕变晶界滑移（动）滑移：产生于滑移系多、温度不低的晶系，对变形量贡献大（＞90%）；孪生：产生于滑移系少的晶系，且须冲击应力（来不及传递开）、温度较低等条件下才发生，对变形量的贡献小TOC\o"1-5"\h\z3）特 点：①低 应力 下产 生（ 远 低于 理论 强度 ）；②具 有形 变强 化效 果 ：应 变量 与应 力保 持 增函 数关 系；③变 形的 不均 匀性 ： 表现 在各 晶粒 的内 部 、各 晶粒 之间 的变形量的不均匀性和不同时性，但随变形量的增加，该不均匀性的表现减弱；④应 力应 变间 不再 保 持直 线关 系， 在撤 去 外力 后不 能完 全恢 复 为零， 有残 余变 形余 留 ；⑤塑 性变 形同 时伴 有 弹性 变形 产生 ，其 相 对应 的弹 性变 形的 大 小为撤 去外 力后 消失 的 那部 分变形量，保留下来的残余变形量作为相应 的塑 性变 形量 。塑性变形的两个阶段：均匀变形阶段：材料 抗力的增加跟得上应变的增加，也称 为形变强化阶段集中 变形 阶段 ：材 料 抗力 的增 加跟 不上应变的增加，也称为颈缩阶段屈服 现象 ：泛指 ：金 属材 料开 始 发生 明显 塑性 变形特指：具有 上下屈服点的金属材料，在试 验时出现外力不增加或小幅上下波 动的 状况 下，试样应变量大幅增加的现象。有上下屈服点的金属材料在刚屈服变形时常伴随有吕德丝带（屈服带）的出现。特点：为已变形区与未变形区的边界，与力轴成45o角，先出现于局部区域，迅速扩展至整个试样边界，正好对应屈服现象的平台完成。机理：位错周围存在应力场，可吸附大量杂质原子而形成“柯氏气团”，从而钉钆位错，使位错需要在高的应力条件下才能起动，随后只需低应力即可继续运动、继续变形。

屈服现象（上下屈服点）一般出现在退火、正火、调质处理的中低碳的中低合金钢中，其位错能得到充分扩展，易出现“柯氏气团”的“钉锚”效果。而钢的含碳量C%曾高时，因碳化物的阻碍，位错的后续运动与开动也同样困难。故不出现下屈服点。四、屈服极限（屈服强度）：1、定义：1）下屈服点：稳定，再现性好；（Ts2）规定屈服强度： （70.2 （70.1 （T0.05残余伸长分别为：0.2% 0.1% 0.05% （指撤去外力后所余留的变形量）2、影响因素：1）晶体类型： 2G —2几⑴ rp-n: 位错运动品格阻力派纳力： tp-n=一—e b G:切变模量丫：泊松比b:柏氏矢量1-Y ⑴：位错宽度 其中：⑴=a /（1-T）fcc的位错运动阻力较小,力则较大。fcc的位错运动阻力较小,力则较大。60.2也较低；bcc次之；而hcp的阻3）3）晶粒尺寸（或亚晶尺寸）：也叫万能公式）：- । । —1/20-s=o-i+kd位错密度P、晶格类型有关；—1^- .I■—1/2或：0-s=o-o+kd常数 （TO：初值晶粒越细小，d2）位错密度p：P越大，位错运动的阻力也越大，（T0.2也越高霍尔-派奇公式（统计经验公式、cri:运动总阻力，磨擦阻力：与d：晶粒平均直径；k：越小，6s也就越高。且：k的值越高，细化晶粒（组织）的效果也越明显亚结构也有同样效应4）溶质原子：随合金元素的含量增加，（Ts也增高。间隙固溶效果更强烈，置换固溶也相当有效。5）第二相质点：能阻碍位错运动：①切割机理（可变形软质点）绕过机理（不可变形硬质点）

对于 相同 的总 体积 （或总 百分 比 ），第二 相质 点越细小（弥散 ）、越是 点球状均 匀分 布， 强化 效 果就 越好 。四大 强化 机理 ：形 变 、固 溶、 细化 晶粒 （组 织）、弥散强化。6）温度ToC: ToC越高，6s就越低；反之ToC越低，6s就越高。但随ToC低到一定程度后，bs就不再增加或增加很少。温度因素对bcc金属影响较大。7）加载速度：塑性变形速度=位错扩散（运动）速度，故而 较慢，受加载速度的影响较大：加载速度越快，（7S就越高。8）应力状态：对于某滑移系上的临界分切应力pc,与①s相对应，同时也受该滑移系的位向的影响。b=Pb=Pmax五、断裂极限（断裂强度）b=Pb=Pmax1）定义：（TbPb/Fo2）意义：表征材料抵抗外力破坏的最大抗力。当dP/de=0时的o•值六、塑性变形指标：五大指标：（Ts,（Tb,6,巾K,aK相对伸长： e二（L-Lo）/Lo 延伸率： 6=（Lk-Lo）/Lo相对收缩： 巾=（Fo-F）/Fo 断面收缩率：巾k=（Fo-Fk）/Fo一般地，材料的塑性变形指标越高，说明其塑性越好。在弹性变形阶段，e与应力6成正比。而在弹性变形阶段及均匀弹塑性变形阶段，均有：FXLmFoxLo即：F/Fo=Lo/L£=（L-Lo）/Lo-L/Lo=1+ £巾=（Fo-F）/Fo-F/Fo=1-巾1-巾=1/（1+ £） - （1-巾）（1+£）=1巾/（1-巾/（1-巾）；巾=e/(1+£)故：eW巾且也<e而在发生颈缩后因截面尺寸的不均匀，不再满足：FXLmFoXLo,此时上述不再成立。但此时所产生的塑性变形仍对延伸率6和断面收缩率巾k有极大的贡献。真应力与真应变：)真 应力 ： S=P/F S---真应力2)真 应变 ：£=(L1-Lo)/Lo+(L2- L1)/L1+……= E(Ln+1-Ln)/Ln当：n― 00时，e-e£=£(Ln+1-Ln)/Ln= 12ALn/Ln-fdL/L=ln(L/Lo)即：e=ln(L/Lo) e---真应变而：e=ln(F/Fo)=ln(Lo/L)=-e即指用真应变表示的长度伸长 真应 变量 与截 面 收缩 真应 变量 数值相等，但附号相反。由 此可看出用真 应变 表示 应变 量 的优 异性 。一般地，也比e更接近e值，且当①很小时，e、巾、e均很小，3)真应力--真应变曲线(S-e曲线)：经验指出在形变强化阶段：S=ken k:形变硬(强)化系数 n：形 变硬(强)化指数k，n均为描述材料的形变强化能力的力学性能指标lnS=Ink+nxIne即：lnS与Ine保持直线关系或折线关系(此时分阶段，有两组k1,n1及k2,n2甚至三组)形变强化：)定义：指材料在明显屈服后，随着塑性变形量的加大，所需应力值也须相应加大(即材料的外拉力也需增加)的现象。

表征材料阻碍继续塑性变形的能力。材料的形变强化性能也保障了其塑性变形为均匀的，并且使材料具有抵抗偶然过载的能力。常作为强化手段使用——形变强化。（使（Ts、（Tb均提高，但提高（Tb的效果低于0-s）TOC\o"1-5"\h\z2）机 理： 位错 增殖 及位 错阻 碍作 用。单滑移、交滑移、多系滑移；位错切割及相互阻碍。3）描 述材 料的 形变 强化 能力 的力 学性 能指标：强（硬）化指数 形变强（硬）化系数 形变强（硬）化模数形（硬）化容 量S=ken k:形变硬（强）化系数 n:形（强）化指 数即：lnS=Ink+nxlne即：lnS与Ine保持直线关系或折线关系（此时分阶段，有两组k1,n1及k2,n2甚至三组）定义：D=tg民=dS/de称为材料的形变硬（强）化模数D=dS/de为S-e曲线的在均匀塑性变形阶段的斜率，为形量的增加其强度增加的速度，即强化速度。另：在应力-应变曲线中，最高点为b,断裂点为k巾k=^b+巾u （或： 6=6b+6u）巾b（6b、eb）为均匀变形阶段（即形变强化阶段）的最大变形之为形变强化容量，它表 征了材料所能产生的最大均匀塑性变形的能力，而形变强化是均匀塑性变形的先决条件，所以巾b（6b、eb）征了 材料 利用 形变强化的可能性的大小。巾u（6u）为集中变形部分的变形量，表征材料在裂纹形成后继续裂纹 扩展 的能 力、其增缩九故力颈故：颈缩即：发生、其增缩九故力颈故：颈缩即：发生S=P/F——>dP=SdF+FdS 因dF<0;dS>0中第 一项 表示 截 面收 缩导致抗力降低，第二项表示形变强化导致抗加。时，P=Pmax,即：dP=0dP=SdF+FdS=0 --> S/dS= -F/dFe=ln（L/Lo）=-ln（F/Fo） >d=-dF/FS/dS=1/de—->S=dS/de=D 此即成为的判据。当材料承受的真应力S达到或超过它的形变强化模数时，材料颈缩

B点以后形变强化跟不上强度的要求，塑性变形集中于局部区域而产生颈缩。此时虽然条件应力6有所下降，但其颈缩部位的真实应力S却仍在增力口。其最大值为8s称为真实抗拉强度，表征材料所能承受的最大真实拉伸应力。但其实际生产指导意义不大。OA：弹性阶段； Ab：均匀塑变阶段； bk：集中变形、颈缩阶段。Sk,Sb,k,n,D均表示了材料的形变强化能力。、有时S-e曲线的均匀塑变阶段分成二段或多段，其双对数坐标为直线或折线。lnS=Ink+nxIne其中 k，n可分别分为k1，n1；k2，n2；AB阶段为均匀塑性变形阶段，BK为集中变形部分：该阶段可表征材料中已经形成了的裂纹的抵抗扩展的能力。一、 分类 ：按断 裂时 的塑 性变形量：其区 分标 准；按裂 纹扩 展途 径：界进 行；一、 分类 ：按断 裂时 的塑 性变形量：其区 分标 准；按裂 纹扩 展途 径：界进 行；按断 裂机 理：剪切 断裂 。1、脆 性及塑性 ：以塑性变形量是否达到5%为2、穿 晶或沿晶：裂纹 扩展途径是否沿晶3、解 理断裂及微孔聚集型断裂、纯塑性断裂：断裂前有明显塑性变形，断口纤维状，常表 现为一些同心圆环花样，断口粗糙，无光 泽而呈暗灰色，有撕 裂棱，断口 常呈杯状，常因断裂前的明显塑性变形引起警戒而提前失效，危害相对较轻。脆断断裂：断裂前无明显塑性变形，断口平整光亮，与最大正应力垂直，有放射状花样，放射线走向平行于裂纹扩展走向，并逆指向裂纹的起点。特点：1、工作应力低((T工<<(Tb甚至(Ts)；2、内 部常 有组 织缺 陷；3、随ToC的降低塑性明显降低；4、与 韧性 断裂 常可 在一 定条件下发生相互转换。沿晶断裂：一定是脆断，且较为严重，为最低级。穿晶断裂可以是韧断，也可能是脆断。、解理断裂：严格地沿一定平面（解理面）分离，断口即为这些多个小解理 平面 的组 合， 为 脆性 断裂 ，与 大理 石 断裂 时的 机理 相似，故叫TOC\o"1-5"\h\z解理 断裂 ；微 孔聚 集型 断裂 ：典 型韧 性断 裂， 由 晶内 的微 孔长 大聚 合 所致 ，又叫韧 窝断 裂， 断口 上 的韧 窝中 心常 有一 些 小的 第二 相质 点。沿 晶断 口： 断口 显现 冰糖 状， 有闪 烁 状光 泽， 为极 脆的 断 裂断 口，一般 认为 与第 二类 回 火脆 有关 ；晶 界是 其 明显 的接 合弱 面。断口的宏观特征断口——材料断裂后的自然表面特点： 常是零件受应力最大部位；为缺陷集中（组织、结构、相）处；应力集中（如机加工刃痕，尖角）处；是构件最薄弱处。断口分析：失效分析中最关键、最重要的内容之一，其目的是查找和分析失效原因，是解决问题的关键步骤之一。．光滑圆柱形试样的静拉伸断口：分三区：纤维区、放射区、剪切唇区；纤维 区：裂纹 发源 于 纤维区，常位于断口中央，为粗糙的纤维状环 形花样， 但有 时花样不 明显 ，断 面垂 直于力 轴， 是由 许多 微 小孔 洞产生、 扩大 并连 接的 结果，其 塑性 变形 量较 大，断 口粗 糙不 平， 灰 暗， 无光泽；放射区：有放 射状花样，其放 射线走向平行于裂纹扩展走向，并逆指向裂纹的起始点，此阶段的宏观变形量很小，表示出脆断特征；剪切唇：最断裂区域，断面与力轴成45o角，为裂纹的快速失稳扩展区，此阶段的塑变量 较大。2．板状试样：也分为三 区，只是 其放射区的花纹为人字纹，裂纹源区为椭圆形纤维状花样。3．沿晶断口：断口显现冰糖状晶体特征，有闪烁状光泽；为极脆的脆

性断裂断口。一般认为与第二类回火脆有关。解理断裂：1、定义：金属材料因正应力作用，沿某特定的晶体学平面（称之为解理平面）快速分离的穿晶断裂方式特点：一般均表现为脆性断裂，与大理石断裂类似，故叫解理断裂；多晶体构件的解理断裂的断口由许多与晶粒截面积大小相当的解理平面共同组成）。解理平面：bcc： {100} {112}hcp: {0001} {1100} {1124}而fcc品系一般不发生解理断裂，因fcc晶系易产生多系滑移或交滑移，不易产生位错塞积；且位错可滑移系多，不易使大量位错塞积于一个滑移系上02、机理：一般认为解理断裂是由于位错塞积所致。1o曾纳——斯特罗：刃位错塞积；2o柯重耳位错反应；3、宏观形貌：严格地沿一定平面（解理面）分离，断口即为这些多个小解理平面的组合，为脆性断裂，与大理石断裂时的机理相似，故叫解理断裂；4、微观形貌： 解理台阶：河流花样，舌状花样解理平面为一组相互平行的平面，裂纹断裂时沿一组解理平面分离时，高度不同的相互平行的解理平面之间出现的台阶叫解理台阶；当一些小的台阶汇聚为大的台阶时，其表现为河流状花样；如果解理平面之上镶嵌有一些与解理平面呈一定角度的李晶，则会表现出舌状花样特征。四、微孔聚集断裂：一一塑性断裂1、机理：形核一长大一聚合一断裂由晶内的微孔长大聚合所致，又叫切窝断裂；（因应力集中、相界面分离、第二质点破断等）微裂纹常在第二相质点周围出现并长大、聚集连接最终导致断裂。2、宏观形貌：典型韧性断裂，断口粗糙不平，暗灰色，纤维状，断裂前有的明显塑性变形；与力轴垂直或成45o角；3、微观形貌：断口表现为韧窝，分等轴状、拉长状和撕裂状三种，在电镜下于切窝中心常可发现一些小的第二相质点。五、断裂强度1、理想断裂强度：0-m=（E丫s）1/2 o-m>>（rs

aO：晶格常数或原子间距aO：晶格常数或原子间距1/2

aOE:弹性模量表面能2.格理菲斯理论：前提：①脆性材料；②材料内部有微裂纹存在格理菲斯公式：有一单位厚度的无限宽板，其中心有长为2a的穿透裂纹，如该板受到的应力为(T则有： (Tc (2E丫s)1/2 ac 2E丫s (Tc：裂纹失稳扩展的临界应力(九a)1/2 冗62 aC：临界裂纹尺寸或：(TC(EYs)1/2(4或：(TC(EYs)1/2(4a)1/2格理菲斯公式只适用于如玻璃、超高强度钢等脆性材料，对于大多数材料尤其是金属，裂纹尖端会产生较大的塑性变形，会消耗大量的塑性功,远大于材料的表面能，此时需对之进行修正:格理菲斯―奥罗万一欧文公式：奥罗万与欧文认为：格理菲斯公式中的表面能2丫s项此时应由(2丫s+由(2丫s+丫p)构成：即：0-c[E(2丫s+p)]1/21/2Yp为形成单位面积裂纹表面所需消耗的塑性功，(2丫s+丫p)称为有效表面能第二章：其它静载荷下的力学性能压缩、弯曲(静)、扭转、缺口拉伸§2-1应力状态一、强度理论： 三向应力所有应力状态均有面上切应力为零的主应力(①1、①2、(T3)((T1>(T2>(T3)其最大正应力：mmax=(T1-(1(a2+a3)最大切应力与主应力面成450角，rmax=(61-63)/2广义虎克定律e=1/E[b1-N(①2+63)]前提：材料的失效（指变形-塑性材料，或断裂-脆性材料）由某个主要因素引起材料力学第一、第二、第三、第四强度理论，失效（断裂）条件为：①0-max二0-c②&max呈6c③切应力rmax呈pc④能量1、第一强度理论：最大拉应力理论适用于脆性材料：石料、水泥、铸铁、合金相等认为最大拉应力为材料破坏因素，即材料的安全使用条件为：（T1 <0-s工程设计时该条件成为：①工0[b][0-]= 0-/n：为许用应力；0-s（b）可由单向拉压试验测定；n:安全系数。或材料失效的强度条件为（T1》（TS2、第二强度理论：认为最大拉应变为材料破坏因素，适用于某些脆性材料在单向压缩时产生的纵向断裂即只要6max0[6],材料即为安全状态[6]为材料的极限许用应变（工程设计时[6]= 6f/n）并可由①=E6 ==> 6= 0-/E==> [6]=[（T]/E以即：6max=o-max/E=[（t1-n（（t2+o-3）]/E共同推导出： （t1-n（（t2+（T3） <[cr]此即第二强度理论的表达式3、第三强度理论：认为最大剪应力为材料破坏因素；适用于塑性材料即有：pmax=（（T1-（T3）/2 <[r]单向拉伸并达到屈服时有（r1=（rs；o-2=o-3=0止匕时可有rmax=rs=（o-1-o-3）/2=o-s/2,即[p]=[o-]/2即（T1—（T3<[（T]为第三强度理论的表达式4、第四强度理论：材料在力作用下将产生变形。在弹性状态下，单位体积内将存蓄有可释放的变形能，称为比能（功）或形状改变比能UU8V2 / 2X[（（T1-（T2）2+（（T2-（T3）2+（63-（t1）2]1/2如该变形能为主要的材料破坏因素，则可推导出：V2/ 2X[（（T1-（t2）2+（（T2-（T3）2+（63-（T1）2]1/2<[b]=0-s/n即第四强度理论的表达式，该理论适用于塑性材料。①对低碳钢、调质中碳钢、退火球铁及Cu、Au等适用于第三、四理论；②对常规脆性材料一般用第一强度理论；③单向压，或有一向拉、另一向压且压拉力较大时用第二理论二、应力状态而apmax a: 应力状态柔（软）性系o-maxp一切（塑）断、塑变 ①一脆断故［雷晟1］而a表示其应力状态：rmax相对越大，a值就越高,材料易于塑变以切断，故而说其应力状态软；反之则硬。对于塑性材料，可适用于硬的应力状态（此时仍能有塑性表现），用塑性较差材料，只适用于软的应力状态（此时也能有塑性表现）。一般地：材料单向拉伸屈服时：0-1=0-s,0-2=0-3=0,Ts=0-s/2此时将pmax与o-max作比较： apmaxo-max如：a （max> /s,即mmax相对较大，mmax先达到rsTlg生塑性o-maxo-f（（Tb） 变形或塑性断裂（o-f：与（T相关的失效极限）如：（maxa<rs,即<rmax先达至Io-b,发生脆性断裂o-max o-b塑性材料的（Ts远小于crb,而ITS=（Ts/2,故塑性材料的ps小，易于a>rs,易发生rmax所致的塑性变形（Tf （Tf而脆性材料的“大,即易于a<rs,易脆断（Tf o-b而扭、弯、压均有a较高，进行扭、弯、压时，易发生Tmax>Ts,即： a/max> /s,易发生塑性变形0-max o-f§2-2压缩1、试样：一般为圆柱形（方形试样热处理时易产生扭曲），do=10、20、25mmh:do=1-3倍（一般为1.5-2）,相对比较时h/do应相同端面加工精度▽>9以减小磨擦力2、特点：应力状态极软，a大，a=2（单向压缩）a呈2（多向压缩）适用于极脆材料及工作服役条件为压缩应力状态，并可使之沿45°角度断裂（最大应力方向）；不适用于塑性材料3、性能指标：一般只求①c（抗压强度）o-c0.2(抗压屈服极限)、bpc(抗压比例极限，0-p40)6c=(ho-hK)/hox100%巾c=(Fk-Fo)/Fox100%受压时端面有很大摩擦力出现，使端面横向变形受阻，而成 为腰鼓形试样。一般地， h(h:d)越小摩擦力的影响越大，故h:do期望能较高，但过高又会引起试样纵向失稳(弯曲)，所以一般h：do=1-3倍其b点一般很明确，但塑性材料除外。§2-3弯曲、试验：分三点、四点弯曲弯矩：三点：Mmax=PL/4最大弯矩处为试样中心四点：Mmax=Pl/2最大弯矩均匀分布在L两端各减去l的中间段，一般l=L/42、性 能指标：力学性能曲线为弯矩曲线(或弯矩圆)弯矩M-挠度P关系曲线抗弯强度0-bb=Mb(max)/W o-bpW试样抗弯截面系数，圆柱：W=ttd3/32(mm3)〜0.2d3;矩形：W=bh2/6(mm3)塑性：由挠度f表示3、特点：①应力分布不均匀，对表面较敏感，其相应的力学性能指标可 以较 敏感 地反 应 构件的表面质量状态；与很多材料实际工作 应力 状态 相同 ；②应力状态柔性系数a值较高；适用于脆性较大材料，不能测量优良塑性材料的抗弯强度6向一般适用于脆性较大材料,塑性 材料 常不 能使 之断裂 ，而 对脆 性材料可较 好地 观察其断口， 并研 究其 断裂 机制， 特别 适于 工具钢、铸 钢的 测试；③用挠度表示塑性，可显 示低塑性材料塑性；并可测得其塑性指标--挠度f；④以 拉应 力为 主；⑤与 很多 材料 实际 工 作应 力状 态相 同；⑥其 试验 结果 受偏 斜 的影 响小 ，简 单、 简便。§2-4扭转一、扭转 试验：在材料扭转试验机上进行。试样常规为圆柱形试样，其直径为do

二、扭转应力、应变：设外力扭矩为T,试样的圆截面发生转动：转动角为，而柱长为Lo所产生的应变为丫CoCpdo 其中：p=do/2,为半径Lo Lo2Lo 、丫均为弧度角在弹性范围内，据剪切虎克定律^=Gy G：材料的剪切弹性模量TGp p为半径，或圆柱试样内任一点到轴心距离Lo 此即成为试样内部任一点的剪应力的表达式，即P8P试样横截面上的应力状态为：（T=0（因圆棒在扭转过程中不伸长，无应力、应变）Tp=GP/Lo在试样表面：r=rmax=Gdo/2Lo（止匕时o-=0,p=do/2）而与轴线成45o的斜面成为其最大的主应力面：o-1=（tmax,o-2=0,o-3=-o-max；据：rmax=（0-1-0-3）/2==>rmax=o-max=Gp/Lo止匕时：o-1=（tmax=rmax=Gdo/2Lo或：o-1=（tmax=rmax=Gp/Lo 为试样内部的任一处的表达式在距圆心为p处取一单位面积dA,其上有切应力为pp,其作用力为rpdA,则其对轴的扭矩为rppdA此截面上扭矩为：/appPdA=T /a：面积积分T=/APpPdA=/AGp2/LodA=G/ap2dA/Lo=GIa/Lo其中Ia=/ap2dA仅与截面尺寸、形状有关，叫极惯性矩，单位为cm4或mrn即：T=GIa/Lo=Gp/LoxIa/p=rpxia/p即：pp=TXp/IA即圆柱扭转时可由其T知圆柱试样内任一处的切应力Tp其相应的切应变为：Yp=Tp/G=TXp/GXIAmax=do/2,rp=rmax则p表=rmax=T/WA（书2-14在试样的外表面：p=pmax=do/2,rp=rmax则p表=rmax=T/WA（书2-14对于圆柱试样：pmax=do/2 有：Ia=兀do4/32=0.1do4;W=兀do3/16=0.2do3WA称为抗扭截面模量(或抗扭截面系数)，单位为cm3、mn3三、扭转力学性能指标：与拉伸相对应，扭转有：TP比例极限：(TP50)——扭转曲线切线斜率为直线段150%;Tp=Tp/WAITS或记为T0,3 T0,3=T0.3/WA注：取残余扭转切应变为0.3%的p值，相当于0.2%的残余正应变单向拉伸时，最大切应力与力轴成45°,如发生明显滑移，其切应变与正应变间关系表现为：£=ysin450==>丫=£X1.414)rb扭转强度：rb=Tb/ WANote:由于试样在扭转时切应力分布的不均匀(8p),其表面在屈服后产生的形变将使其应力值发生松驰而有所降低，故pb只是条件值(可作相对比较)而非真实值，也叫条件抗扭强度。股为：rmax(rb)股为：rmax(rb)=4 [ 3 Tk+k(dT)k]冗d03 ddTtgaKCd DC四、扭转试验特点：1、应力状态：为轴类零件的工作受力状态：最大主应力、正应力与力轴成450角，(T1=T,(T2=0,(T3=-T应力状态系数a<max1/2(o~1-o~3) ….) 1 0.8(Tmax (T1-a(c2+c2(r+0.25r) 1.25大于单向拉伸，易表现塑性行为，适于评价脆性材料，尤其是工作条件中承受扭矩的材料(如工具钢、淬火态结构钢)2、无颈缩，沿长度试样塑变始终均匀发生，故也适用于高塑性材料的精确测定；可用于评价高塑性材料的塑性变形能力及抗力；3、应力分布不均匀，表面的切应力为Tmax,能敏感表述出材料的表面质量（最灵敏），并可对表面热处理工艺（表面强化）进行评价；屈服后因变 形不 均匀 可引 起 表面 应力 松驰4、可从断口分析其断裂主因（其o-max=rmax）,其断口形态与导致断TOC\o"1-5"\h\z裂的 应力 是正 应力 或 切应 力有 关；塑性材料：切应力-塑性断裂-断口与扭力轴垂直，平整，有回旋状塑性变 形线 迹；脆性材料：正应力-脆性断裂-断口与力轴成450,并呈现螺旋面或斜辟状 斜面 ；含条 带组 织材料（夹杂、碳化物偏折等）：断口呈层片状或木片状，表现其轧 制条 带2-5硬度硬度是衡量金属材料软、硬程度的一种力学性能指标；表征材料对另一 物体 压入 其表 面 时所 引起 的塑 性变形（压痕）的抵 抗能力，它是包含了材料的弹、塑、形变 强化、强度、韧 性（含金属弹性变形功）等因TOC\o"1-5"\h\z素的 综合 指标 ，与 强 度关 系紧 密。特点：1、简单易测，应力状态软（a=2）,适于各种脆性材料和塑性材料，广泛地作为控制生产的指导指标应用；2、与 强度 有一 定对 应关 系；3、可 直接 在工 件上 测出 ，不 要求 专门 加 工标 准测 试试 样， 利 于控 制指导生产；4、测 试后 损伤 很小 ，一 般不 影响 工件 的 使用 ，属 无损 检测 ；5、测 试范 围小 ，可 用于 微观 组织 、成 分 及相 结构 变化 的监 测 和分 析；6、仅 表现 材料 表面 状态测试 方法 分压 入法 、 刻划 法、 回跳 法压入 法： 压入 被测 试 材料 表面 ，测 表面 压痕大小（压痕面积或深度）布氏 硬度 ：以一定大小的载荷F（kgf），将直径为D（mm的淬火钢球或硬质合 金球 压入 金属 表面，保持一定时间后卸载，其载 荷值与压痕表面积A（球冠）的比值，为布氏硬度值,记为HB--单位面积所承受的压力1、定义：HB=F/A HB:被压入试样材料的布氏硬度（压强或抗压应力）其中：A=ttDh=兀D[D-（D2-d2）1/2]/2h=D/2—[（D/2）2 —（d/2）2]1/2 =[D-（D2-d2）1/2]/2HBF2F 2F A 兀D[D-(D2-d2)1/2] 冗D2 {1-[1-(d/D) 2]1/2}而：d/D=sin( /2) :压入角为使得该试验适用于各种材质，需各种D钢球及各种不同大小载荷。为使得材料在不同的压力Fi、F2测试条件下，同一材料有相同硬度值(即有可比性)，须使其压痕的几何形状相似，有相同的压入角：即1=2HBHB 2F1 2F2 兀Di2{1-[1-sin2(i/2)]1/2} 九D22{1-[1-sin2( 2/2)]1/2}==>F1/D12=F2/D22=常数 压痕几何相似原理国家制定标准规定F/D2a:30、15、10、5、2.5、1.25、1,其中30、10、2.5常用；黑色金属一般为30、10;有色金属有30、10、2.5;各个标准值所测得结果相互不可比。一般要求：d= (0.25-0.6)D范围，使在28o-74o之间，其HB重现性较好，否则结果无效，须重新选择载荷及钢球直径，直至重新选才¥F/D2值。可参考国家标准：GB231-632、特点：1)物理意义明确：P/F——压强，与强度单位相当并有一定关联；2)压痕相对较大，代表性广泛，数据较稳定，作基体及大范围(相对的)的强、硬度测量，受细小组织结构的影响小；不适作要求表面美观的成品无损检测；3)压头为钢球、硬质合金球，强度不足，易变形或破碎，影响对高硬度材料的检测；①淬火钢球HB<HB400;②硬质合金球：HB在450—650之间3、绝对值法：HB=F/A=2F/兀D[D-(D2-d2)1/2]相对值法：HB=HBo{1-[1-(do/D) 2]1/2}/{1-[1-(d/D) 2]1/2}=常数/{1-[1-(d/D) 2]1/2}其中：HBo是标准硬度块的硬度值,do为同压力下的的标样压痕直径4、锤击式简易布氏硬度计：将压头置于工件与标准硬度块之间后锤击，分别得到直径为d和do的压痕，则工件的HB值：HB=HBo{1-[1-(do/D) 2]1/2}/{1-[1-(d/D) 2]1/2}特点：算法简单，可在工件工作场地进行，但误差大。

三、洛氏硬度：——测一定压力下的压痕深度h,并将其转换为硬度值HR1、硬度测试：（GB1818-79）压头：1）锥角为120o的金钢石圆锥2）淬火钢球（di=1.588——1/16英寸；d2=3.175一很少用）HRk-h 金刚石k=0.2mm,钢球k=0.26mm;材料越软，h值越大时，0.002 h-k使HR值越低，并以0.002mm为一个洛氏硬度单位。其测试压力分初载、主载荷：一般初载为10kgf,目的产生一定压强，以消除因加工、腐蚀等因素所致外表不平整对试验结果的影响，初载时不作测量，只测量加主载前后所致的残余压痕深度的增加值。HR值分九种，相互间无可比性，其中3种最为常用：HRAHRBHRQ尤以HRC最为常用于工业生产的检测和控制（特点：加压力较大，数据稳定）：HR 压头荷总载荷HRA 120o金刚石圆稳定）：HR 压头荷总载荷HRA 120o金刚石圆锥 10kgHRB: 1.588mm车冈球 10kg层硬度测量）HRC 120o金刚石圆50kg90kg初载荷60kg主裁100kg （常作表锥 10kg 140kg 150kg加初载、加主载、卸主载（弹变回复）后测残余深度：可直接在千分表上读取（k-h）/0.002值，即可直接读取HR值。HR试验的压力值较大，为适用于测量较薄的工件或有较薄的表面硬（软）化层的工件的硬度，据相同原理设计出表面洛氏硬度测试体系:其初载为3kgf，总载分别为15kgf、30kgf、45kgf:有：HR15NHR30NHR45N;金刚石圆锥压头HR15T、HR30T、HR45T;1.588mm车网球压头其中K=0.1mm,以0.001mm为HR15N（T）的单位2、特点：1）测试操作极其简便迅速，可直接在硬度计压头上所带的千分尺测量出HR®（由k-h值换算），适用于工业生产大批量测试使用；2）应用泛围广泛，适用各种硬度的材料；但重复性较差。一般需多测几点作平均；3）压痕相对较小：①可在工件表面直接打，对外观质量影响不大；②代表性较差，数据不稳定，分散性大，受组织、成分不均匀影响大；HRC压力相对较大，对于表层有薄强化层测试，须注意载荷的适当；5)对圆柱面、球面经校正后仍可直接测试：柱：AHRC=6X(100-HRC)2X10-3HRC:测量值，AHRC修正值DD:圆柱直径球：AHRC=12X(100- HRC)2乂10—3DD:球面直径HRC=HRC'+AHRC四、维氏硬度：原理与布氏硬度相同，只是压头为136o金刚石四棱锥，压痕呈正方形顶的倒四棱锥(136o使HV值在较低时与HB相等或接近)(GB4340—84)1、测试：HVP A=4XSA, SA=1/2aXh a压痕边长A a=V2d/2 h=a/2sin68o,d:压痕对角线长A=4XSA^x1/2aXa/2sin68o=a2/sin68oHV=P/A=Psin68o/a2=2Psin68o/d2=1.8544乂P/d2P:单位：kgf如果P单位为N,则：HV=0.1891P/d2 其中：d= (d1+d2)/22、特点：1)有一定物理意义(但因P不垂直于F,所以意义不明确)2)四棱锥金刚石压头，无变形问题，精确可靠，且不论P值多少，其压痕一定相似，即任意P值所得到的HV值均有可比性，而HB需F/D2比例关系约束，止匕点HV优于HR及HB;P有：5、10、20、30、50、100kgf(GB4340—84);和：100,200,300,500,1000,2000,5000(gf) (GB3030-85);3)硬度测量范围大；4)d1、d2的测量一般在维氏硬度计所配的读数显微镜上进行，测试试样表面需要光亮处理，操作较为烦琐，工作效率低；一般不以HV作为大批量生产常规指标要求。3、显微硬度HM小载荷的维氏硬度测试体系，用于测量微观显微组织(相、渗层、夹杂、晶粒、组织等)的硬度值，并可作为相及组织结构分析的依据之一加压法码为：10,20,50,100,200(gf)(GB/T4342-91) ，可能时应选用较大载荷；超显微硬度：加压法码为：10,20,50,100,200,500(mgf)

特点：1）精度高，用于微观分析，在显微镜下工作；TOC\o"1-5"\h\z2）作显 微硬 度测 试时，试样 必须 先制 成金 相试 样，且须 注意不 能造 成金 属扰 乱 层、 形变 强化 层、表 面退 火回 火层 ；3）常用于作组织及相的鉴定、性能分析等；以及 作渗层的深度 和性 能分 布分 析 ；4）HM值与HV值相当并可比；努氏硬度 HK：原理与维氏显微硬度相同，但其压头为相对棱夹角为172.5o及130o的偏金刚石四棱锥，压痕为长棱形，其长短对角线之比为7.11，故测量精度高（只测长对角线），且宜于测量含薄层试样的断面，或硬化层的分布。HK特点：除HM的特点外，HK还有：压痕窄，适用于薄层、渗层、变化层、偏析层的硬度测试，及硬度变化和分辨组织、相的分析。肖氏硬度：弹性回跳法：测弹性变形——小球的回跳高度Note:仅对弹性模量相同材料进行比较,否则橡皮的HS值高于钢材五、与强度关系：一般 地， 硬度越高，之弈 然。材料的强度也就越高：一般 地， 硬度越高，之弈 然。材料的强度也就越高：HR^==> 由/、os/,反硬度值，尤其是HRHV是以P/A表示（应力、压强），与强度的单位相同。一般地有： 6b8HB有经验公式如下：1、中高碳回火、退火、正火(Tb1、中高碳回火、退火、正火(Tb0.362HB(Tb0.345HB(Tb103/(130-HRB)(Tb103/(130-HRB)2、碳钢：(Tb=2.5HS(Tb2 HRC>273、灰铸铁：(Tb=(HB-40)/6cb淬硬)钢：HB>175HB<175=2.64义HRB<90=2.51义100>HRB>90=51.32X107(100-HRC)=48.86X104/(100-HRC)27<HRC<404、铸钢：(Tb=(0.3-0.4)HB103103/(100-HRC)(T=8.61XHRC>40并且每类材料,硬度与强度之间有对照关系，可参考(GB1172-74)。第三章金属缺口试样的力学性能§3-1缺口效应一、缺口及缺口效应：缺口： 一般指试样或工件的截面急剧变化处；缺口效应：在缺口处由于缺口的存在，影响了应力的分布状态，使之：①应力状态变硬(由单向拉应力变为三向拉应力)；②产生应力集中；促发裂纹的生成与扩展，不利于材料的塑变(位错运动)，使材料在该处处于脆性状态(即使该材料为塑性材料)，易于发生脆性断裂；此应力分布状态的改变，即缺口效应。由此推广：①晶界、夹杂、组织不均匀处、粗大第二相、微裂纹及螺纹、尖角、倒角、台阶半径过小处，均有类似改变应力状态的效应；②ToC的下降或形变速率的增加也有不利塑变的作用，也可导致缺口效应。二、缺口应力分布：圆柱型缺口试样，单向拉伸：1、在远离缺口处，仅有轴向应力(TL,且其应力线分布均匀；切向应力(Tt和法向应力(Tr均为零；tr2、在缺口附近，轴向应力的应力线在缺口根部发生弯曲，变成非均匀分布(于近根部处分布较密)，形成应力集中，并产生三向拉应力：轴向应力6l、法向应力(Tr、切向应力(Tt；在缺口根部：(TL分布不均匀，且由于缺口上下出现无应力区，将阻止缺口附近截面的正常收缩，因而出现了6r、(Tt,其分布见上图左半部，图的右半部为应力状态柔性系数a的分布曲线(a<0.5)而应力分布的不均匀程度可用应力分配系数K表示。K(Tmax其值大小，取决于缺口根部半径(可由设计手册查得)(T均如：薄板：(Tt=0，为平面应力状态：(T=((T1,(T2,0)厚板：£t=0；为平面应变状态：£=(£1,£2,0),实际上是二向拉应力状态：==[(T1,22,p((T1+(T2)]£3=[(T3-fl((Ti+(T2)] /E=0==>(f3=仙((Ti+(T2)综上分析所述，缺口：1)引起应力集中(或分布不均匀)：包括轴向应力(TL,法向应力6r和切向应力(Tt；2)引起三向拉应力； 此即为缺口效应之二个方面的表现三、塑性状态下缺口的应力分布：由于应力分布不均匀，在拉伸过程中屈服时的塑性变形将不会在材料内部同时均匀进行，是由缺口根部先局部进行并逐渐过度到材料内部rmax=(0-1-0-3)/2= (0-l-0-r)/2 表面rmax仍为最大；当mmax>rs=(Ts/2,即(Tl-(Tr>(Ts(表面o-r=0)时，材料发生屈服并使表面的应力发生松驰，6L应力峰值向内移动；由于rmax=(0-l-0-r)/2,而在表面o-r=0,并在一定深度(Tr达到最大值，即开始时(Tr是增加的，故6l也须增加才能使屈服和塑性变形继续向内移，即需提高 P。但提高P也会使得(Tr增加，且塑性变形时变形量远较弹性变形的变形量大，为维持整体的连续变形，6r须增加较多。也必然使(TL的峰值TOC\o"1-5"\h\z大大 增加 。随着外力P的继续增加，屈服也由表及里地进行着，(7L分布 则出 现最 大值 ， 并且 该最 大值 随着 应 力的 增加 而也 由表 及里地 移动 着， 并标 志 着屈 服区 与纯 弹性 变 形区 的分 界， 并最 终可能使得缺口试样总的①S(记为(TSn)大幅提高并超过光滑位伸试样的6s,且6b也可有同样现象出现：即：(tSn>(tS；(TbN>(rb；又叫“缺口强化”，此即为缺口效应的第三种表现Note:“缺口强化”仅出现于塑性材料；对于脆性材料，其ers(ps)接近于o-b(rb),即当o-max(rmax)>①s(ps)后，缺口根部仅产生了少量的塑性变形即因其(Tmax达到(Tb而断裂，使(Ts(rs)尚未能大幅增加时就发生早期脆断，其6bN<(7b故而：qe(或NSR)=(TbN/(Tb表示了材料的缺口敏感度：一般：qe>1称该材对缺口不敏感;qe<1则称该材料对缺口敏感对 qe的测试试验叫缺口试验。3-2缺口试验缺口拉伸：一般仅测(TbN值，并与(Tb比较；不测(TSn一般如qe>1(①bN>6n),就叫材料对缺口不敏感；反之为敏感。但缺口试样的断面收缩率巾KN肯定低于巾K,但巾KN不易测量，也不常使用缺口 试样 偏 斜拉伸试 验：采用更硬 的应 力状态来对 材料 对缺口的敏感性进行测试：一般采用在试样拉伸夹头上放置一偏斜垫圈（倾角为0°、4°、8o三种）的方式也只测①bN值和计算qe值。二、 缺口 静弯 曲试 验由于 弯曲 试验 不能 用 于塑性较好的材料，故常用缺口试样以增加其局部应力集中，使及其应力状态系数变硬，其塑性仍以扰度来表示；除①bbN外还可测量其三个能量吸收区：I区：弹性区II区：弹塑性变形区田区：断裂区（裂纹扩展区）其面积分别表示所吸收的能量为：J弹性功；5塑性功；5裂纹扩展功其中，Un、也表示了材料的抗塑变能力及对裂纹扩展的抗力，以及缺口对抗力的影响。3-3缺口试样在冲击载荷下的力学性能冲击 载荷由于外力作用持续时间短，其应 力状态不易准确及时测量（有示波冲击试验 机可 作，但也不稳定，数据波动大，分散性大，且试验设备昂贵）。在冲 击载 荷下 ，一 般 以试 样在 变形 各阶 段 或总 阶段 所吸 收的 能 量为测试 目标 。弹性 变形 ：声 速进 行 传播 ，而 一般 冲击 载 荷的 加载 速度 及变 形 速度均远 小于 声速，故变形速度对弹性形为无影响（如弹性模量等）。塑性 变形 的传 播速 度 由位 错的 运动 速度 及 增殖 速度 所决 定， 一般均 小于冲击 载荷 的加 载速 度 ，使 塑性 变形 来不 及 充分 、均 匀地 进行 ；冲击 加载实验也证明：冲击 载荷下，塑性变形集中于某些局部区域，分布极不均TOC\o"1-5"\h\z匀； 一般 地， 加载 速 度提 高， 可大 大提 高 材料 的屈 服强 度。）脆 性材料：冲击 加载 使其 强度 上升 不大而塑性、韧 性下 降 ，并提高该类材料的脆 性断 裂 倾向 （解理 断裂 ）；2）高塑性材料：冲击加载可大幅地提高其6s及6b,而其塑性、韧性则变化不大， 甚至 有 所增 加； 其断 裂方式仍保持塑 性方 式。由此看来，材料在冲击载荷下的断裂方式与在静载下的断裂形为的关联性很高。缺口 冲击 试验 ：试样：尺寸：10X10X55（mm）;开有2mm采白U形或V形缺口，分别称 为梅 氏试 样或 夏 氏试样，特脆材料可不开缺口。

冲击试验：原理——能量原则——摆锤冲断试样前后所产生的能量损失AK；AK=G(H1-H2)AKAK/FF=8x10mm冲击 韧性 ：ak值——常规叫冲击韧性，为一个综合性的力学性能指标，任何能 提高 材料 的强 度而不降低塑性、或提高塑性而不降低强度的因素均可以提高材料的ak值。一般 将其 作为 衡量 材 料抵 抗冲 击载 荷破 坏 的能 力大 小的 力学 性 能指标。常用 于评 定材 料的 韧 、脆 性程 度， 是钢 材 由冶 炼厂 出厂 时必 须 达到的五个力学性能指标之一（（TS、（Tb、6、巾K、OCK）；并且对结构钢来说 其重 要性 要高 于 其它 四个 指标 ；在设计中 是作 为保 证受 冲击构 件的TOC\o"1-5"\h\z安全 性的 主要 指标 之 一。它表征了材料在不断裂情况下能够承受的最大冲击能量，综合了强度与塑性两方面的影响，并且对材料的组织缺陷非常敏感，特别适于生产中 的质 量管 理控 制。但现在理论界认为aK值对材料的韧性的描述和意义有很大的缺陷及不 准确 ，但 又提 不出一个（测试）简便易行的以及理论意义明确的指标及其测试法代替之。故仍只得在生产实践中继续使用aK值，显示了其强 大的 生命 力。理论 界认 为：1、aK值无明确物理意义：4有明确物理意义，为冲断试样所消耗的总功（试样断裂所吸收的总能 量） 。但 该能 量 在试 样横 载面 上的 消 耗分 布是 极不 均匀的，绝大多 数被 吸收 在缺 口 附近 ，故 AK/F 仅为 数学值，无物理意义；Ak所包含也不仅为试样断裂分离时所吸收，还有相当一部分转变成了热能 ，可 这部 分热 能 在工 程构 件受 实际 的 冲击 并致 断裂 时也会产生，不能 完全 地想 办法 将 其消 除；且Ak值与F也有关系，且无法排除F对其影响，只得仍以Ak/F来近 似消 除。2、A4目同时材料，其韧性也不一定相同：示波冲击：载荷一时间（或挠度）曲线：Ak则分为三个部分，N、an、Arnj其中Ai为弹性功，只有An与“（尤其是Ab）的大小才真正表示了材料的断裂的韧脆状态，故A值高并不一定An、Am也高；后有人提出以A皿或An+Am来表达材料的冲击韧性（记为：Ap）,然而却给不出其简便的测试方法；且完全地排除弹性变形功Ai对材料抗冲击破坏的贡献，也有不合理的地方，且在工程上的应用也不现实。而ak值的生命力体现在其应用上：1、长 期广 泛应 用， 积累 了大 量经 验数 据 资料 ，这 些数 据资 料 非常 实用且有效；TOC\o"1-5"\h\z2、检 测简 便易 行， 检测 设备 价格 低廉 ；3、对 材料 内部 的组 织缺 陷， 对材 料的 品 质、 宏观 缺陷 、材 料 显微 组织的变 化非 常敏 感；4、生产实践证明：作为控制和检验冶炼、热加工（锻、轧、焊、热处 理）质量 的力 学性 能指 标非常有效四、冲击韧性ak值应用：（一）评定材料的冶金质量及热加工质量及组织缺陷，冲击韧性ak对其非常敏感1、夹杂（渣）、气泡、带状 偏析 ；2、过热、过烧、氧化、脱碳 、网状组织、粗大碳化物、白点 、回火脆性、淬火裂纹、锻造裂纹 、压 力加 工后组织的各向异性；对组织缺陷：ak最为敏感；塑性指标6、巾k敏感，强度指标（rb、①S较为敏感；而弹性模量E对组织不敏感。要求 ：试 样尺 寸与缺口型 式，应使 材料 处于半 脆性 状态 温度范围内进行 ，而 对一 般 钢材 ，梅 氏试 样可 满 足该 要求（该 要求 使 试验的敏感性提高）。（二） 评 定材 料在 不 同温 度下 的脆 性转 化 趋势 ：——系列冲 击试验1、低 温系列温度冲 击试 验： —— 测定 和 评价 材料 的冷 脆转 变成份、热处理及压力加工工艺完全相同的试样分组分别在不同的温度TC下进行冲击韧性ak值的测试：测试温度范围由-60C（或-80C）一+40C,测出每组的ak值（平均），作出其ak—TC变化关系曲线，称为 系列 冲击 曲线 。并可 由曲 线得 到冷 脆 转变温度FATT（ 50%脆断 区、结晶区）或TK具体有关冷脆转变温度FATT或Tk的内容，将在下节中单独讨论。Tk对应着ak值=15英尺.磅（=20.3N.M）时的温度值。2、系列回火温度冲击试验： —— 测定 和 评价材料 的回 火脆性同一材料及压力加工状态 的所 有试 样，在淬火 处理 后分组分别在一系列的温度TC下回火，再在常温进行冲击韧性ak值的测试：测出每组的ak值（平均），作出其a…回火TC变化关系曲线，称为回火系列 温度 冲击 曲线 ；其回 火温 度范 围视 具 体材料及测评 内容 要 求而TOC\o"1-5"\h\z定， 可争 对回 火脆 性 温度 范围 具体 制定 。回火 脆性 ： 分 低温 回 火脆 、 高温回 火脆 、 再结 晶回火脆（回火 加热 温度 ：A1~A3，有两相混合组织，各占50%时ak最低）。（三）确定应变时效的时间敏感性；（四）作为受大能量冲击的构件的材料的设计指标：一般地要求： T℃=4.4C时，Ak>15英尺.磅（20.3N.m）,如ak（Ak）<10时，材料易于脆断。3-4低温脆性冷脆转变：现象：bcc或hcp的金属及其合金,当温度TC低于某一温度Tk时，材料将由韧性状态转变为脆性状态：其ak值明显下降；断口形貌特征由纤维状（微孔聚集撕裂状）转变 为结晶状（或解理断口）。该现象称为冷脆转变或低温脆性，Tk为冷（韧）脆转变温度。对一些在可能低温下 使用的机件，其用材必须考虑冷脆转变的影响，如船舶、桥梁、压力容器、汽车 、航空航天、坦克、工程机械等。物理本质：——6s和①b与温度TC的关系曲线：①s和6b均是TC的减函数，随着TC的增加而降低，但①s受TC影响变化更大一些，故二者将会有一个交叉点K:其温度TC=Tk,当TC<TK时，将会出现：（Tb<（Ts的现象，即材料没有先屈服变形就直接发生了断裂，即为脆性断裂。而TC对①s的影响：①TC的降低，使位错受“柯氏气团”的影响而更不易开动，导致①s的增加，不能松驰应力而增加的应力的集中，最终促进了材料的脆性断裂倾向；②T℃的降低，将导致派纳力（位错运动的晶格阻力）的上升，使位错更不易于克服派纳阻力而开动。而 fcc金属不出现冷脆是因为其派纳力很低。冷脆转变温度TK： （其评 定法）、能量准则： V15TT：对夏氏V型缺口试样：在ak=15英尺.磅=20.3J（N.M）或2kgf.M时的温度为TK记为： V15TT或：ak=0.4akmax时的温度为TK2、低、高阶能准则：以低、高阶能所对应的温度定义为Tk,分别记为：NDT和FTP;以低、高阶能的平均值所对应的温度定义为Tk,记为：FTE；3、断口形貌准则：对夏氏V型缺口试样，以纤维区与结晶区（或放射区）的相对面积各为50%时所 对应的温度定义为 TK，记为：50%FATT或FATT50注：50%FATT与Kc开始大幅上升所对应的温度TC有较好的对应关系；4、落锤试验法：所得到的Tk记为：NDT,成为低强钢构件设计标准之一。Note:1、Tk（NDT、50%FATT等）也是金属材料的韧性指标之一,并且也是设计的安全指标之一：一般设计安全指标为：0-<[（T]= 0-s/n；而构件的工作温度TC>[T]=T k+AT AT=40〜60C也成为构件的材料设计的安全指标；2、Tk与Aci、Ac3、MS等相变温度不同，Tk的高低仅表示材料的变脆倾向的大小，并不表示当TC<Tk时材料一定发生冷脆转变或 发生 脆性 断裂 ；且由试样测出的Tk与实际构件的Tk也因截面、尺寸等因 素而 有所 不同 。3-5冲击韧性及冷脆转变温度的影响因素一、材料本质：．金属的晶体结构：金属的晶体结构越复杂，对称性越差，其位错运动的派纳阻力（PP-N）就越高，运动就越困难；而PP-N随TC的降低而大幅上升，故这类材料的冷脆倾向明显；fcc金属及其合金（Cu、Al、奥氏体不锈钢等）的rp-n很小，即使在很低的温度T℃下也 无冷脆现象发生；bcc、 hcp金属 及其 合金 ，工程中常用的中、低强度的结构钢，均有明显TOC\o"1-5"\h\z的冷脆现 象。2．强 度：中、低强 度钢 冷脆 转 变现象明显；高强度钢由于其本身强度很高，塑性差，①s与6b已很接近，其位错移动极为困难，常规工作温度TC下温度对其塑、韧性影响已经不大，或可 以认 为其 本身 就 是在 冷脆 状态 下使 用 ；即 使工 作温 度 T℃上升 ，其位错运动也仍会较困难，此时因温度TC下降而引起的位错运动阻力增加的 作用 已经 很不 明 显了 ，故 高强 度钢 的 冷脆 转变 现象 反而不明显 。3．合 金元素及杂质：置换型固溶元素的加入一般均降低ak值，并使Tk上升，且使冷脆转变区温度范围扩大（坡度变缓），但Ni及少量的 Mn例外 ；间隙固溶元素均显著降低钢的韧性并强烈地提高其 TK；杂质 原子 在位 错、晶 界处 偏聚 ，阻碍位 错运动 ，或 形成 第二 相 质点 成为裂纹 源， 且偏 聚程 度 随 T℃降低而增加 （T℃上 升， 原子 运动 能 力增 加，混乱嫡增加），表现为冷脆；或TC降低使晶界结合力下降，界面能、表面能 降低 ，易 于分 离 而成为弱 面；磷（p）是影响最大的元素之一：p、S、As、Sn、S