第四讲金属材料的力学性能

第四讲金属材料的力学性能2023/6/51第一页，共五十七页，编辑于2023年，星期一20世纪基础科学研究方法：“简化归纳”也就是说，大的是由小的做成的，把最小的找着，研究清楚，我们就了解了最大的。这个办法就是简化归纳。小的是由更小的构成，要找出更小的，懂得最小的构造，就懂得大的。19世纪末汤姆逊发现电子、20世纪初卢瑟福发现原子核之后，这两个发现连起来就是原子。原子连起来就是分子，分子连起来就是其它物质。所以，了解小的就懂得大的。同时再加上精密的实验科学仪器，非常深刻的理论，创造了整个20世纪物理的成功与辉煌。2023/6/52第二页，共五十七页，编辑于2023年，星期一20世纪中期美国科学家克里克是学物理的，他将“简化归纳”的物理学方法用到生物学上，就和沃森一起发现了DNA。今天基因科学研究方兴未艾，伴随生物学在20世纪下半叶的巨大发展，可以说是直接受到了物理学研究的影响，采取了“简化归纳”的方法。“简化归纳”又称为还原论(reductionism)观点：将一个层次上的客体看成由下一层次许多小客体组成，如果把每一部分小客体研究清楚了，凑到一起，则整个客体的规律也就呈现出来。也就是说，一个层级上的规律，可以还原为下一层级的规律。化学定律可以用物理学定律来说明；传统上物理学家所受的均是该类训练。2023/6/53第三页，共五十七页，编辑于2023年，星期一21世纪基础科学研究方法：

“整体统一”或“突现论”我们要立足新基础科学前沿，一定要将小的与大的联系起来，这个方法可称为“整体统一”。李政道认为，“整体统一”的科学方法，应该是21世纪最重要的科学方法。“整体统一”在物理研究上的重要性，也势必影响到21世纪生物学的研究，因为即便我们把所有的基因都找出来，也不一定明白生物体中生命现象表达的是什么，一定要将小的与大的放到一起研究才有希望。2023/6/54第四页，共五十七页，编辑于2023年，星期一可是，如何在“整体统一”方向着手，我们必须研制出新的、更为精密的实验仪器，必须创造出更严格和更广义的理论。突现论或层涌论(emergentism)观点：整体的性质不能仅是各部分性质简单地相加，下一层次各部分之间还存在着相互作用，存在着相生相克而导致新层次涌现、崭新性质横空出世的机会；每一个层次之间都有不同的、激动人心的、有效的新规律涌现或旧规律黯然消退的特征。这些新规律往往不能从所谓的“更深层次规律”推导出来，应该由多种形式、各层次相互作用场共同作出决定：每个层次规律的涌现与消退。前提：任何事物均存在多重性，单一性质已不存在！2023/6/55第五页，共五十七页，编辑于2023年，星期一材料性质(性能)

—万物缤纷、绚丽与繁杂的性能(时空缠绕几何的挠率或涡旋构造特征)

材料的功能特性和效用(如电、磁、光、热、力学等性质)均可被科学、定量地描述，即材料在相关外界应力作用下所产生的响应已可被推测。如材料的导电性、导热性、光学性能、磁化率、超导转变温度、力学性能等等。后面课程将结合材料功能性用途，分门别类地介绍“材料”为何具备这些奇妙的性质。本堂课程内容：材料作为结构件的用途，讨论其力学性能。2023/6/56第六页，共五十七页，编辑于2023年，星期一第一节航天飞机、宇宙飞船及其材料太空轨道中飞行器很多：宇宙飞行器、探测器、空间站和人造卫星。航天飞机集火箭、卫星、飞机的优点于一身，既能像火箭一样垂直发射，又能像卫星那样在太空轨道绕地球飞行，还能像飞机那样再入大气层滑翔着陆。呈现出人类科技发展至今的最高水准。美国有五架，其中两架失事；前苏联有一架。2023/6/57第七页，共五十七页，编辑于2023年，星期一轨道器外挂燃料箱固体助推火箭固体火箭助推器，共两枚，承担航天飞机起飞时80%的推力；外挂燃料箱：装700多吨液氢、液氧推进剂，它与轨道器相连。轨道飞行器：前段是航天员座舱，后段有垂直尾翼、三台主发动机和两台轨道机动发动机。美国“发现号”航天飞机2023/6/58第八页，共五十七页，编辑于2023年，星期一宇宙飞船：中国神舟飞船我国神舟飞船从一号到十号。神舟一号1999.11.20发射；神舟五号2003.10.15发射，首次载人：杨利伟；太空飞行21小时；神舟七号2008.9.25发射，首次太空行走，成为第三个国家。飞行68小时；神舟九号2012.6.16发射，首次实现与天宫一号目标飞行器进行载人交会对接。神舟十与2013.6.11发射，飞行15天。2023/6/59第九页，共五十七页，编辑于2023年，星期一神十飞船的组成：1、轨道舱2、返回舱3、推进舱

轨道舱：提供出舱活动需要的气阀舱功能和航天员生活舱功能，装有泄复压设备，舱外航天服存放架。轨道舱：提返回舱：航天员上天和返回的乘坐区，是飞船的指挥控制中心，设有仪表显示、报警、照明设备；还有手动操作控制飞船系统；配备有降落伞和反推力火箭，实行软着陆系统。推进舱：安装推进系统发动机和推进剂、飞船电源、环境控制和通信等系统设备，为飞船在轨运行和返回地面提供能源和动力。2023/6/510第十页，共五十七页，编辑于2023年，星期一部件：温度总热寿命(s)热循环(次)环境固体火箭喷管：3200℃；0.021燃气飞行器鼻锥：1500℃50~100100空气

(3000℃)航天发动机推力室：1650℃151000燃气导弹再入体飞行器鼻锥：6600℃0.011离解气常用材料熔点：Ti：1943K；Cr:2130K；Cu:1357K；Fe:1809K；Al:933K；W:3680K2023/6/511第十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期一洲际导弹再入大气层温度高达6600℃，任何金属材料都会烧为灰烬，只有C/C复合材料仅烧蚀减薄，不会熔融。再入大气层时，表面烧蚀减薄，未烧蚀层与战斗部一起击中目标。2023/6/512第十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期一绝热泡沫聚异氰酸脂

400℃隔热陶瓷泡沫瓦1500℃C/C复合材料2023/6/513第十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期一航天飞机的材料：轨道器返回地面：速度达到25倍音速，迎流面温度达到1400℃（3000℃)。机头和机冀：碳基石墨织物全碳复合材料，外层是用化学方法处理过的碳化硅；隔热瓦：厚约3厘米，由两部分构成：外层包覆约1毫米的高辐射陶瓷材料，而内部是导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维。绝热泡沫材料：聚异氰酸脂，防止结冰。脱落现象是一个大问题。2023/6/514第十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期一轨道器壳体框架、舱壁和蒙皮：铝、铝合金比铝合金更好的航天结构材料是：钛合金、铝-锂合金-高性能结构材料。所谓高性能结构材料，是指那些具有高强度、高韧性、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等特殊性能的材料。2023/6/515第十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期一第二节材料的力学性能材料的力学性能，即材料在一定温度环境中，在外力(载荷)作用下抵抗其变形和断裂的能力，也称材料的机械性能。主要指标是：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。此外，力学性能还包括材料在外力长期或重复作用下，以及材料在外力和环境双重影响因素作用下，抵抗材料损伤和失效的能力。2023/6/516第十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期一一、强度与塑性及拉伸实验1、基本概念应力：物体内部任一截面单位面积上所受载荷的作用力，称为应力，以σ表示，单位Mpa。FFF=F’

（MPa）外力——内力——应力F’F2023/6/517第十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期一应变：拉伸时，试样单位长度的伸长量

ε=Δl/l0FF拉伸前拉伸后2023/6/518第十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期一弹性变形：材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。塑性变形:材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。2023/6/519第十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期一2、拉伸实验FFL拉伸前拉伸后2023/6/520第二十页，共五十七页，编辑于2023年，星期一材料的拉伸曲线：

应变与应力的关系曲线2023/6/521第二十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期一kbb—极限载荷点Fee—弹性极限点sS—屈服点K—断裂点拉伸曲线应力—应变曲线o材料的拉伸曲线1、oe段：直线、弹性变形2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形5、b点出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，而后降低，但变形量增大，K点时试样发生断裂。3、ss’段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。4、s’b曲线：弹性变形+均匀塑性变形s’2023/6/522第二十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期一3、强度的衡量指标强度：材料在载荷作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。(1)弹性极限:(2)屈服极限：(3)抗拉强度：2023/6/523第二十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期一kbb—极限载荷点Fee—弹性极限点sS—屈服点K—断裂点os’（1）弹性极限（σe）指材料在外力作用下，产生弹性变形时所能承受的最大应力。σe=Fe/S0

（MPa）它表征了材料抵抗弹性变形的能力。2023/6/524第二十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期一(2)屈服极限：材料在外力作用下发生屈服现象时的最小应力，也叫屈服强度、屈服点。kbb—极限载荷点Fee—弹性极限点sS—屈服点K—断裂点os’σS=Fs/S0

（MPa）它表征材料抵抗微量塑性变形的能力。2023/6/525第二十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期一当材料单位面积上所受的应力σe<σ<σs时，只产生微量的塑性变形。当σ>σs时，材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度:σ0.2=F0.2/S0

（MPa）屈服强度—

是塑性材料选材和评定的依据。0.2%l0

bkFes对于低塑性材料或脆性材料：2023/6/526第二十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期一kbb—极限载荷点Fee—弹性极限点sS—屈服点K—断裂点os’

σb=Fb/S0

（MPa）（3）抗拉强度（σb）材料在拉断前所能承受最大载荷时的应力，也叫强度极限。

它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。2023/6/527第二十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期一4、塑性的衡量指标塑性是指材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。(1)延伸率：是指材料拉断后标样长度的延伸量与原标距长度之比的百分率。FFL2023/6/528第二十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期一FFL(2)断面收缩率：是指试样横截面积的缩减量与原始横截面积之比的百分率δ>5％为塑性材料；δ<5％为脆性材料良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。2023/6/529第二十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期一锰钢、硬铝、退火球墨铸铁和青铜等的拉伸曲线：断裂前都有较大的塑性变形，但是没有明显的屈服点。屈服强度用σ0.2表示强度指标灰口铸铁和玻璃钢的拉伸曲线：直到拉断，试件的变形很小，断口处横截面积几乎没有变化，为脆性断裂。脆性材料以抗拉强度σb

作为其强度指标

2023/6/530第三十页，共五十七页，编辑于2023年，星期一2023/6/531第三十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期一二、硬度及硬度试验

硬度是指材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力。常用的测试方法有布氏HB、洛氏HR、维氏HV2023/6/532第三十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期一1)布氏硬度HB

钢球压入表面，kg/mm2

，布氏硬度计2023/6/533第三十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期一2)洛氏硬度HR洛氏硬度以120º金刚石圆锥体钢球压入深度表示，符号为HR2023/6/534第三十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期一00112332h1h2h3h1-1初载10kgh12-2总载150kgh23-3卸载140kgh3最后测得：残余压痕深度增量hh=h3-h1HR=h/0.0022023/6/535第三十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期一3)维氏硬度HV维氏硬度计试验原理硬度压痕用正菱形金刚石压入，以对角线计算面积，求kg/mm22023/6/536第三十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期一硬度与结构：①化学键愈强，其硬度一般都高。一般价键的硬度：共价键≥离子键＞金属键＞氢键＞范德华键。②离子键：电价愈大，离子半径愈小，硬度愈高。③金属键：纯金属(Mg，Ag，Au，Pb等)较软，熔点也低；而Cr，Fe，Mo．W等较硬，熔点也高。它是由于这些金属的原子结构不同而造成的。2023/6/537第三十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期一三、韧性及冲击试验

韧性：

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。

金属冲击试验：2023/6/538第三十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期一冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图2023/6/539第三十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期一试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:g2023/6/540第四十页，共五十七页，编辑于2023年，星期一

冲击韧度(韧性）ak

试样断裂缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。2023/6/541第四十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期一

四、断裂韧性(1)低应力脆断材料在工作应力远小于屈服点（抗拉强度σb）时就发生脆性断裂，这种现象叫做低应力的脆断。原因：材料中的裂纹。断裂力学：研究带裂纹材料中裂纹扩展的规律，分析裂纹尖端应力、应变分布，并建立断裂判据，用以解决工程构件中的低应力脆性断裂问题。2023/6/542第四十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期一(2)应力强度因子应力与裂纹同时对材料断裂性能的影响，用应力强度因子KI表示宽板上中心裂纹示意图σ是远距离作用的均布应力；α是半裂纹长度

当KI>KIC，就会断裂；材料中裂纹越长，承受的应力就越小。结论：裂纹的存在使材料的抗拉强度大大下降2023/6/543第四十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期一当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1＜K1C时，零件安全可靠。(3)断裂韧性（韧度）K1C断裂韧度K1c表示材料抵抗裂纹扩展的能力。K1c可通过试验来测定，它是材料本身的特性，与材料成分、热处理及加工工艺等有关。是安全设计的一个重要力学性能指标2023/6/544第四十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期一常见工程材料的断裂韧度K1C值（MN·m-3/2）

2023/6/545第四十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期一

五、疲劳强度材料在交变载荷作用下，虽然其应力比材料的抗拉强度小，甚至比屈服强度还小，但是在长期使用的某一时刻也会发生突然断裂，这现象称为疲劳。疲劳强度：当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，称此应力值为疲劳强度或疲劳极限。2023/6/546第四十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期一第三节材料的弹性变形和塑性变形一、单晶的变形晶格变形-弹性晶面滑移-塑性2023/6/547第四十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期一金属晶体的变形性能取决于：

(1)晶格类型；

(2)原子间的力

(3)晶面间隔；

(4)各原子面上的原子密度。2023/6/548第四十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期一以晶胞为基准，不同方位的原子平面中原子密度不同，且相邻平行原子面间距也不同。原子密度大的平面间距也大。2023/6/549第四十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期一对于所有可能的选择来说，塑性变形最易沿原子密度最大、平行晶面间距最大的平面发生。如A及A’平面比B及B’平面有更大的原子密度及晶面间距，平面间原子结合力比B及B’平面弱，滑移阻力小。2023/6/550第五十页，共五十七页，编辑于2023年，星期一晶体中原子密度最大的晶面称为滑移面。某种晶格类型的金属是否容易变形，取决于其滑移面和滑移方向的数量。一个滑移面和该面上一个滑移方向组成一个滑移系统，这称为滑移系。滑移系越多的晶格类型，其塑性越好。2023/6/551第五十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期一体心立方-12个滑移系面心立方-12个滑移系密排六方-3个滑移系-属脆性的

体心立方原子密度小，塑性变形最好

2023/6/552第五十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期一