材料力学性能课件

緒言*

§0.1材料的性能與材料的力學性能

§0.2本課的內容與要點

§0.3學習本課的目的

§0.4位錯理論的回顧

參考文獻§0.1材料的性能與材料的力學性能*一、材料的種類類型分：金屬材料；非金屬材料；複合材料。用途分：結構材料；功能材料。二、材料的性能物理性能：ρ、Tm、Tb、Cp、磁導率，等；化學性能：可燃性、反應性、抗氧化性，等；

力學性能：σ、δ、HB、KIC，等；

工藝性能：熱加工、冷加工性能，儲存、運輸性能，等；生物性能：生物反應性、生物相容性等。*三、材料的力學性能

1、定義

材料在外加載荷作用下，或者在載荷、加載速率和環境因素的聯合作用下表現出的行為，稱為材料的力學行為。

材料的力学性能指：材料在力的作用下，所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能。*2、力學性能的指標

強度σ、硬度HB、塑性δ、韌性ak、斷裂韌度KIC

等。

3、影響材料力學性能的主要因素

內因：晶體學特性；化學成分、顯微組織、內部缺陷；殘餘應力等。

外因：温度、周围介质；加载方式、加载速率等。不同外因（即服役工況）時，材料的力學性能的數值將發生改變。

返回§0.2本課的內容與要點*內容

1、材料的彈性、塑性、屈服與硬化、斷裂、硬度、疲勞、蠕變等性能；

2、各項力學性能指標的本質、物理含義、微觀機理（結構與狀態）；

3、影響材料力學性能的主要因素，及提高性能所採取的措施；

4、材料力學性能的測試技術*要點

1、金屬靜力學性能。

2、不同加載方式下的力學性能。

3、環境對力學性能及其性能指標的影響。

4、不同種類材料的力學性能。材料力學性能概述

返回*§0.3學習本課的目的

*

*§0.3學習本課的目的*1、掌握材料力學性能及其變化規律；

2、瞭解材料力學性能的微觀機理；

3、能正確地選用材料；

4、具有研究開發新型結構材料的能力。

返回§0.4位錯理論的回顧*一、位錯理論的基本概念

1、晶體中的缺陷：點、線、面、體缺陷

2、位錯的定義：晶體內已滑移部分與未滑移部分在滑移面上的交界線，稱為位錯線。

3、位錯的描述及種類：柏氏向量；刃位錯、螺位錯、混型位錯。

4、位錯的萌生與增殖：形核；F-R位錯源理論。

5、位錯的運動：滑移、攀移、交滑移、交割與割階

6、位錯運動受阻：塞積群、割階、氣團、面角位錯

7、其他：位錯的應力場與彈性應變能；位錯的受力；位錯的分解或合成；典型晶體中的位錯。*二、位錯理論的作用

1、材料的理論強度遠遠高於實際強度；

2、材料的屈服----位錯的萌生與增殖；

3、材料的加工硬化----位錯運動受阻；

4、材料的斷裂、蠕變的機理。

5、晶體生長速率的理論值與實際測量值的差異。

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單向靜拉伸力學性能**引言單向靜拉伸試驗特點:1、最廣泛使用的力學性能檢測手段;2、試驗的應力狀態、加載速率、溫度、試樣等都有嚴格規定（方法：GB/T228-2002；試樣：GB/T6397-1986）。

3、最基本的力學行為（彈性、塑性、斷裂等）；

4、可測力學性能指標：強度（σ）、塑性（δ、ψ、f）等。

拉伸試驗機介紹:§1.1應力-應變曲線*一、拉伸力—伸長曲線*二、應力-應變曲線

應力σ=F/A應變ε=△L/L*

如果按拉伸時試樣的真實斷面A和真實長度L，則可得到真實應力-應變曲線：*返回三、幾種常見材料的應力-應變曲線§1.2彈性變形與彈性不完整性*一、彈性變形及其實質

1.彈性變形定義：當外力去除後，能恢復到原來形狀或尺寸的變形，叫彈性變形。特點為：單調、可逆、變形量很小（＜0.5~1.0%）

2.彈性的物理本質金屬的彈性性質是金屬原子間結合力抵抗外力的宏觀表現。*二、虎克定律

1、彈性力場微分方程平衡微分方程fi——作用力；i，j=x,y,zρ——密度位移：x軸——u；y軸——v；

z軸——w*

幾何方程

i，j=x,y,z

位移：x軸——u；y軸——v；z軸——w*2.廣義虎克定律在彈性極限內，物體內任一點的應力狀態和應變狀態均可以由六個應力分量和六個應變分量來描述，虎克定律的物理方程為：式中C11、C12……Cij為常數，稱為彈性剛度係數。*當以應力為引數時，廣義虎克定律也可以寫成下式：式中S11、S12……Sij為常數，稱為彈性順度係數。

*

在晶體物理中存在Cij=Cji，Sij=Sji（i、j=1、2、3……）的關係，因此Cij與Sij中只有21個獨立的，即

*

*

*廣義虎克定律物理方程

*3.狹義虎克定律*三、彈性模量

1.彈性模量的物理意義和作用

⑴物理意義：材料對彈性變形的抗力。

⑵用途：工程上亦稱為剛度；計算梁或其他構件撓度時必須用之。重要的力學性能之一。

*2.影響彈性模量的因素

⑴金屬原子的種類和晶體學特性；非過渡族，原子半徑↑、E↓；過渡族，原子半徑↑、E↑，且E一般都較大。原子密排向的E大。

⑵溶質原子與其強化；晶格畸變能增大，E↓；

⑶顯微組織（指熱處理後）；⑷溫度；⑸加載速率；一般影響不大。

⑹其他。*四、彈性極限、彈性比功

1、比例極限

2、彈性極限

3、彈性比功又稱為彈性比能、應變比能。物理意義：吸收彈性變形功的能力。幾何意義：應力-應變曲線上彈性階段下的面積。用途：製造彈簧的材料，要求彈性比功大*五、滯彈性（彈性後效）

1.滯彈性及其影響因素實際金屬材料，彈性變形不僅是應力的函數，而且還是時間的函數。

⑴定義在彈性範圍內快速加載或卸載後，隨時間延長產生附加彈性應變的現象。

⑵影響因素：（a）晶體中的點缺陷；顯微組織的不均勻性。（b）切應力越大，影響越大。（c）溫度升高，變形量增加。

⑶危害：長期承載的感測器，影響精度。*2、迴圈韌性

⑴彈性滯後環由於應變滯後於應力，使加載曲線與卸載曲線不重合而形成的閉合曲線，稱為彈性滯後環。*物理意義：加載時消耗的變形功大於卸載時釋放的變形功。或，回線面積為一個迴圈所消耗的不可逆功。這部分被金屬吸收的功，稱為內耗。

⑵迴圈韌性若交變載荷中的最大應力超過金屬的彈性極限，則可得到塑性滯後環。金屬材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力，叫迴圈韌性。迴圈韌性又稱為消振性。迴圈韌性不好測量，常用振動振幅衰減的自然對數來表示迴圈韌性的大小。

⑶迴圈韌性的應用減振材料（機床床身、缸體等）；樂器要求迴圈韌性小。*六、包申格效應

1、現象定義：材料經過預先加載並產生少量塑性變形，卸載後，再同向加載，規定殘餘伸長應力增加，反向加載規定殘餘伸長應力降低的現象，稱為包申格效應。*2、微觀本質

預塑性變形，位錯增殖、運動、纏結；同向加載，位錯運動受阻，殘餘伸長應力增加；反向加載，位錯被迫作反向運動，運動容易殘餘伸長應力降低。

3、包申格效應的危害及防止方法

交變載荷情況下，顯示迴圈軟化（強度極限下降）預先進行較大的塑性變形，可不產生包申格效應。第二次反向受力前，先使金屬材料回復或再結晶退火。返回§1.3塑性變形與應變硬化*

定義：外載荷卸去後，不能恢復的變形。塑性：材料受力，應力超過屈服點後，仍能繼續變形而不發生斷裂的性質。“δ”伸長率，“ψ”斷面收縮率。δ%≥100%，常稱為超塑性。一、塑性變形的方式及特點

1、塑性變形的方式滑移最主要的變形機制；孿生重要的變形機制，一般發生在低溫形變或快速形變時；晶界滑動和擴散性蠕變只在高溫時才起作用；形變帶滑移和孿生都不能進行的情況下才起作用。*（1）滑移

定義：滑移面：原子最密排面；滑移向：原子最密排方向。滑移系：滑移面和滑移向的組合。滑移系越多，材料的塑性越好。晶體結構的影響較大，fcc＞bcc＞hcp滑移的臨界分切應力

τ=(P/A)cosφcosλφ—外應力與滑移面法線的夾角；

λ—外應力與滑移向的夾角；

Ω=cosφcosλ稱為取向因數。

*（2）孿生

孿晶：外形對稱，好象由兩個相同晶體對接起來的晶體；內部原子排列呈鏡面對稱於結合面。孿晶可分為自然孿晶和形變孿晶。

孿生的特點：比滑移困難；時間很短；變形量很小；孿晶層在試樣中僅為狹窄的一層，不一定貫穿整個試樣。孿生與滑移的交互作用，可促進金屬塑性變形的發展。

*

（3）形變帶

由晶體點陣畸變而使晶體表面出現的彎曲區域，由於該區域貫穿整個試樣截面並成帶狀，所以稱為形變帶。

相鄰滑移帶的交互作用。多個滑移系同時動作，正常的滑移不能进行，所以产生点阵弯曲，形成形变带。

（4）三種變形機制的比較

滑移相鄰部分滑動，變形前後晶體內部原子的排列不發生變化。

孿生變形部分相對未變形部分發生了取向變化。

形变带晶体点阵畸变。*

2、塑性變形的特點

（1）各晶粒變形的不同時性和不均勻性

∵各晶粒的取向不同即cosφcosλ不同。

對於具體材料，還存在相和第二相的種類、數量、尺寸、形態、分佈的影響。（2）變形的相互協調性

多晶體作為一個整體，不允許晶粒僅在一個滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。

五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受約束的塑性變形。*二、屈服與屈服強度

1、屈服

在金屬塑性變形的開始階段，外力不增加、甚至下降的情況下，而變形繼續進行的現象，稱為屈服。

上屈服點，下屈服點（呂德絲帶）

2、屈服機理（外應力作用下，晶體中位錯萌生、增殖和運動過程）

（1）柯氏氣團

位錯與溶質原子交互作用，位錯被釘紮。溶質原子聚集在位错线的周围，形成气团。提高外應力，位錯才能運動；一旦運動，繼續發生塑性變形所需的外應力降低。*

（2）位錯塞積群

n個位錯同相運動受阻，形成塞積群，導致材料要繼續發生塑性變形必須加大外應力；一旦障礙被衝破，繼續發生塑性變形所需的外應力降下。

（3）應變速率與位錯密度、位錯運動速率的關係

金屬材料塑性變形的應變速率與位錯密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比，即：ε=bρυ.

位错增值，ρ↑，ε↑

提高外应力τ,υ↑,ε↑

晶體結構變化，b↑,ε↑*3、屈服強度

σs=Fs/A

由于金属材料存在上下屈服点，或者屈服点不明确，一般将σ0.2定為屈服強度。

屈服強度是工程上從靜強度角度選擇韌性材料的依據。提高屈服強度，機件不易產生塑性變形；但过高，又不利于某些应力集中部位的应力重新分佈，容易引起脆性斷裂。*三、影響屈服強度的因素（一）影響屈服強度的內因

（1）金屬本性及晶格類型位錯運動的阻力：晶格阻力（P-N力）；位錯交互作用產生的阻力。

P-N力fcc位錯寬度大，位錯易運動。

bcc反之。

交互產生的阻力平行位錯間交互作用產生的阻力；运动位错与林位错交互作用产生的阻力。（2）溶質原子和點缺陷形成晶格畸變（間隙固溶，空位）*（3）晶粒大小和亞結構

晶界是位錯運動的障礙。

要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。

霍尔——培奇關係式σ=σi+Ksd-1/2

细化晶粒，可以提高材料的强度。

（4）第二相

不可變形的第二相，位錯只能繞過它運動。可變形的第二相，位错可以切过。

第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有關；同時，第二相與基體的晶體學匹配程度也有關。（二）外因溫度提高，位錯運動容易，σs↓。應變速率提高，σs↑。應力狀態切應力τ↑，σs↓。*四、應變硬化

或稱形變硬化，加工硬化

1、意義

（1）應變硬化和塑性變形適當配合，可使金屬進行均勻塑性形變。

（2）使構件具有一定的抗偶然超載能力。

（3）強化金屬，提高力學性能。

（4）提高低碳鋼的切削加工性能。

2、應變硬化機理（1）三種單晶體金屬的應力應變曲線

*（2）應變硬化機理

a）易滑移階段：單系滑移

hcp金屬（Mg、Zn）不能產生多系滑稱，∴易滑移段長。

b）線性硬化階段：多系滑移

位借交互作用，形成割階、面角位错、胞状结构等；位错運動的阻力增大。

c）拋物線硬化階段：交滑移，或雙交滑移刃型位錯不能產生交滑移。

多晶體，一開動便是多系滑移，∴無易滑移階段。*3、應變硬化指數

Hollomon關係式：

S=ken

（真應力與真應變之間的關係）

n—應變硬化指數；k—硬化係數應變硬化指數n反映了金屬材料抵抗繼續塑性變形的能力。

n=1，理想彈性體;n=0材料無硬化能力。層錯能低的材料應變硬化程度大;高Mn鋼（Mn13），層錯能力低∴n大

应变硬化指数，常用直线作图法求得（見參考文獻1—P19）。*五、縮頸現象

1、縮頸（1）縮頸的意義變形集中於局部區域；失穩的臨界條件。（2）縮頸的判據

S=ds/de(式1-22)

在縮頸點處，Sb=keBn

經過積分，得eB=n

即：金屬材料的應變硬化指數等於最大真實均勻塑性變數時，縮頸便產生。（3）頸部的三向拉應力狀態承受三向拉應力（相當於厚板單向拉伸，平面應變）*2、抗拉強度

σb

實際材料在靜拉伸條件下的最大承載能力。

意義：（1）易於測定，重現性好（2）韌性材料不能作為設計參數，但脆性材料可以用它。（3）σs/σb對材料成型加工極為重要。（4）σb≈1/3HB；淬火鋼σ-1≈1/2σb*六、塑性

1、塑性與塑性指標

金屬材料斷裂前發生塑性變形的能力。（δ、Ψ）

比例试样：L0=5d0或L0=10d0

由于大多数材料的集中塑性变形量大于均匀变形量，

∴δ5>δ10(斷後伸長率)

Ψ>δ金属拉伸时产生缩颈；反之，不产生

Ψ反映了材料斷裂前的最大塑性變形量。而δ則不能顯示材料的最大塑性變形。

冶金因素對Ψ的影響更突出，Ψ比δ對組織變化更為敏感。最大力下的總伸長率與原始標距的百分比δqt，實際上是金屬材料拉伸時產生的最大均勻塑性變形（工程應變量）∵eB=ln(1+δqt)

δqt對於評定衝壓用板材的成型能力非常有用。*2、塑性的意義和影響因素

意義：

a）安全，防止產生突然破壞；

b）緩和應力集中；

c）軋製、擠壓等冷熱加工變形；

影响因素：

（a）細化晶粒，塑性↑；

（b）軟的第二相塑性↑；

（c）溫度提高，塑性↑；高

（d）固溶、硬的第二相等，塑性↓。

3、塑性的綜合性能指標

σs/σb

（屈強比）σs/σb↓，材料的塑性↑。

σb/V（體積比強度）σb/V↑，減輕構件的重量。*七、靜力韌度

韌性：材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。J/m2

静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断裂所吸收的功。J/m3

靜力韌度對按屈服強度設計，有可能偶然超載的機件必須考慮。

返回§1.4金屬的斷裂*

材料完全破斷為兩個部分以上的現象，叫斷裂。（斷裂使材料失去完整性）（機件三大失效形式之一）斷裂不僅出現在高應力和高應變條件下，也發生在低應力和無明顯塑性變形條件下。一、斷裂的基本類型

1、根據斷裂前塑性變形大小分類脆性斷裂；韌性斷裂

2、根據斷裂面的取向分類正斷；切斷

3、根據裂紋擴展的途徑分類穿晶斷裂；沿晶斷裂

4、根據斷裂機理分類解理斷裂，微孔聚集型斷裂；純剪切斷裂**二、斷裂及斷口特徵（一）韌性斷裂與脆性斷裂（宏觀）

1、韌性斷裂；

（1）斷裂特點：斷裂前產生明顯宏觀變形；過程緩慢；

斷裂面一般平行於最大切應力，并与主应力成45o角。

（2）斷口特徵

斷口呈纖維狀，灰暗色。杯——錐狀。

斷口特徵三要素：纖維區、放射區、剪切唇

纤维区：裂纹快速扩展。撕裂时塑性变形量大，放射線粗。

剪切唇：切斷。

（3）危害，不及脆性斷裂，斷裂前機件已變形失效。*2、脆性斷裂

（1）斷裂特點

斷裂前基本不發生塑性變形，無明顯前兆；

断口与正应力垂直。

（2）斷口特徵

平齊光亮，常呈放射狀或結晶狀；

人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。

材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。

例如：T↓↓、脆性↑。一般是變形>75%為韌性斷裂。*（二）穿晶斷裂與沿晶斷裂（微觀）

特點：穿晶斷裂，裂紋穿过晶界。沿晶断裂，裂紋沿晶擴展。

穿晶斷裂，可以是韌性或脆性断裂；两者有时可混合發生。

沿晶斷裂，多數是脆性断裂。*（三）純剪切斷裂，微孔聚集型斷裂，解理斷裂（機理）

（1）純剪切斷裂

沿滑移面分離而造成的分離斷裂。

（2）微孔聚集型斷裂

微孔形核、長大、聚合導致材料分離。

（3）解理斷裂

以極快速率沿一定晶體學平面，產生的穿晶斷裂。解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。表1-6，P28）

fcc金屬一般不發生解理斷裂。解理斷裂總是脆性斷裂。*三、解理斷裂機理和微觀斷口特徵（一）解理裂紋的形成和擴展（裂紋的萌生，擴展）材料斷裂前總會產生一定的塑性變形。而塑性變形與位錯運動有關。

1、位錯塞積理論

位錯塞積頭處，應力集中，超過材料的強度極限。∴裂紋形成。（1-31）

該式與P14（1-16）霍爾—培奇關係或同源；與P41（1-54）格雷菲斯公式相同。*

柯垂耳用能量分析法導出裂紋擴展的臨界條件為：

σnb=2γ（1-34）

（详细内容，在断裂韧性一章中再讲）

∴晶粒細化，材料的脆性減小。

第二相質點的平均自由程入越小，材料的強度↑。

该理论的缺点，在上述应力状态，相邻晶粒中的位錯源能夠開動。

2、位錯反應理論

位錯反應，形成新的位錯，能量降低，

∴有利於裂紋形核。

3、史密斯理論（脆性材料萌生裂紋）

位錯塞積，在脆性相內萌生裂紋。

裂纹向塑性材料中扩展的力学条件为

（1-32）（實際上是彈塑性條件下，格雷菲斯公式）*（二）解理斷裂的微觀斷口特徵電鏡觀察（1）河流狀（圖1-25）

解理臺階，匯合臺階高度足夠大形成河流狀花樣。

裂紋跨越若干相互平行的而且位於不同高度的解理面。

解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上擴展的解理裂紋相交時形成的。其方式為：解理裂紋與螺位錯相交形成；通過二次解理成撕裂形成。*

晶界對解理斷口的影響。

（a）小角度傾斜晶界裂紋能越過晶界，“河流”可延續到相鄰晶粒內。

（b）扭轉晶界（位向差大）

裂紋不能直接穿過晶界，必須重新形核。

裂纹将沿若干组新的相互平等的解理面扩展，形成新的“河流”。*（2）舌狀花樣解理裂紋沿孿晶界擴展留下的舌狀凹坑或凸臺。（見圖）

（3）准解理

由於晶體記憶體在彌散硬质点，解理裂纹起源于晶內硬質處點，形成從晶內某點發源的放射狀河流花樣。

准解理不是獨立的斷裂机制。是解理断裂的变種。*四、微孔聚集斷裂機理和微觀斷口特徵

1、斷裂機理

（1）微孔形核

點缺陷聚集；第二相質點碎裂或脫落；

位错引起的应力集中，不均匀塑性形变。

（2）微孔長大

滑移面上的位錯向微孔運動，使其長大。

（3）微孔聚合

應力集中處，裂紋向前推進一定長度。

*

2、微觀斷口特徵

韌窩（火山口式，圓形，橢圓形）（圖1-32）（1）韌窩形狀

（a）正應力⊥微孔的平面，形成等軸韌窩；

拉伸試樣中心纖維區就是等軸韌窩。

（b）拉長韌窩扭轉、或雙向不等應力狀態；切應力，形成拉長韌窩；

（c）撕裂韌窩拉、彎應力狀態；（2）影響韌窩大小因數

基體材料的塑性變形能力和應變硬化指數；

第二相质点的大小和密度。

注意：微觀上出現韌窩，宏觀上不一定是韌性斷裂。**五、斷裂強度

1、理論斷裂強度

“原子間結合力”“弗兰克模型”完整晶體，原子間作用力與原子間位移關係式

∵位移很小,

∴

虎克定律形成單位裂紋表面的功兩個表面*a0—原子間平衡距離

σm≈E/5.5實際σm=E/10~1000

表面能為γ*2、格雷菲斯裂紋理論（1921年）

（1）出發點材料中已存在裂紋；局部應力集中；裂紋擴展（增加新的表面），系統的彈性（2）格雷菲斯模型

a）單位厚度、無限寬薄板，僅施加一拉應力（平面應力）。板內有一長度為2a，並垂直於應力的裂紋。*B）拉緊平板，已存在裂紋的平板，將釋放彈性能（釋放的能量，前面加負號）

彈性力學中：*釋放的彈性能

c）裂紋形成產生新表面所需要的能量

W=4aγ（∵是兩個表面）

d）能量守恆（3）格雷菲斯公式*六、斷裂理論的應用

對具體的材料，如何應用格氏公式

（1）對有效表面能（表面能和塑性變形功）影響因素的分析。

（2）屈服時，產生解理斷裂的判據與霍爾-培奇關係式聯繫起來。

（3）再考慮應力狀態係數q的影響。*油壓式拉伸試驗機下一張返回

金属在冲击载荷下的力学性能**引言

衝擊載荷與靜載荷的主要區別在於加載速度（幅度和頻率）應變率ε=de/dτe為真應變

靜拉伸試驗ε=10-5～10-2s-1

冲击试验ε=102～104s-1

一般情况下ε=10-4～10-2s-1，可按靜載荷處理。§3.1衝擊載荷下金屬變形和斷裂的特點*一、衝擊失效的特點

（1）與靜載荷下相同，彈性變形、塑性變形、斷裂。

（2）吸收的衝擊能測不准。

時間短；機件；與機件聯接物體的剛度。

通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。

（3）材料的彈性行為及彈性模量對應變率無影響。

∵彈性變形的速度4982m/s（＞聲速）,

普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.5m/s。*二、影響衝擊性能的微觀因素

（1）位錯的運動速率↑，滑移臨界切應力↑，材料的衝擊韌性↑。（2）同時開動的位錯源增加。

∴屈服強度提高得較多。

（3）內部的塑性變形不均勻。*三、衝擊斷口

同樣也為纖維區、放射區、剪切唇三個區。

若試驗材料具有一定的韌性，可形成兩個纖維区。

即：纤维区—放射區—纖維區—剪切唇。

∵裂紋快速擴展形成結晶區，到了壓縮區後，應力狀態發生變化，裂紋擴展速度再次減小。

∴形成纖維區。返回§3.2衝擊彎曲和衝擊韌性*一、衝擊韌性及其作用

1、材料在衝擊載荷作用下，吸收塑性變形功和斷裂功的大小。

單位，J/cm2；或kgf/cm2

2、作用

（1）揭示冶金缺陷的影響；

（2）對σs大致相同的材料，評定缺口敏感性。

（3）評定低溫脆性傾向。*二、衝擊試驗

衝擊實驗機*（1）艾氏衝擊擺錘5、10、15、30kg，試樣尺寸55×10×10mm，試樣跨距45mm；無缺口，有缺口（U；V）記為Ak,Aku,AKV。

铸铁（QT、白口鐵）

110×20×20mm，跨距70mm，無缺口。*

（2）小能量多衝擊

磨球的衝擊等

单次冲击不足以破坏材料。冲击疲劳、断裂（3）落錘試驗

模擬試驗，半定量測定材料的性能。

返回§3.3低溫脆性及韌脆轉變溫度*一、低溫脆性現象

在低温下，材料的脆性急剧增加。

对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。

實質為溫度下降，屈服強度急劇增加。

F.C.C金屬，位錯寬度比較大，一般不顯示低溫脆性。*二、韌脆轉變溫度

判斷標準衝擊試驗值20J27J(能量標準)

斷口的形貌

50％纖維；變形特徵。

返回§3.4影響衝擊韌性和韌脆轉變溫度的因素*一、晶體學特性

晶體結構：

f.c.c不存在低溫脆性。

b.c.c和某些h.c.p的低溫脆性嚴重。（Sn）

位错：

位錯寬度大，不顯示低溫脆性。

层错能↑，韌性↑。

形成柯氏气团，韧性↓。*二、冶金因素（1）溶質元素

間隙原子，使韌性↓。

置换式溶质，对韧性影响不明显

雜質元素S、P、As、Sn、Sb使韌性↓（2）顯微組織

a）晶粒大小

b）金相組織

回火索氏體—貝氏體—珠光體，韌性↓。

第二相（大小、形态、数量、分布）*三、外部因素1、溫度

鋼的“藍脆”525～550℃（鋼的氧化色為藍色）。

C、N原子擴散速率增加，形成柯氏氣團。

2、加載速率

加載速率↑，脆性↑，韌脆轉變溫度tk↑;3、試樣尺寸和形狀

試樣增厚，tk↑（表面上的拉壓應力最大）;

带缺口，不带缺口；脆性及tk不同。

金属的断裂韧度*§4.1線彈性條件下的斷裂韌度*一、裂紋擴展的基本形式

1、張開型（I型）

2、滑開型（II型）

3、撕開型（III型）

裂紋的擴展常常是組合式，I型的危險性最大。*二、應力場強度因數KI和斷裂韌度KIC

1、裂紋尖端應力場、應力分析*①應力場（應力分量，極座標）平面應力σz=0

平面應變σz=υ（σx+σy）*對於某點的位移則有平面應力

位移平面應變k=3-4υ，ω=0

越接近裂紋尖端（即r越小）精度越高；最適合於r<<a情況。*②應力分析

在裂紋延長線上，（即v

的方向）θ=0

拉應力分量最大；切應力分量為0；

∴裂紋最易沿X軸方向擴展。*2、應力場強度因數KI

裂紋尖端區域各點的應力分量除了決定其位置(γ,θ)外,還與強度因數KⅠ有關,對於確定的一點,其應力分量就由KⅠ決定.KI可以反映應力場的強弱。∴稱之為應力場強度因數。

通式：

a—1/2裂紋長度；

Y—裂紋形狀係數（無量綱量）；一般Y=1~2

*

形狀係數Y的計算很複雜根據不同的裂紋存在位置，→應力場→應力→Y

實際應用中，可根據試樣、加載方式，查手冊。如：寬板中心貫穿裂紋長板中心穿透裂紋注意：Y是無量綱的係數

而KI有量綱MPa·m1/2

或MN·m-3/2*3、斷裂韌度KIC和斷裂判據

①斷裂韌度當應力達到斷裂強度，裂紋失穩，並開始擴展。

臨界或失穩狀態的KI值記作：KIC或KC，稱為斷裂韌度。

KC—平面應力斷裂韌度

KIC—平面應變，I類裂紋時斷裂韌度

②斷裂判據

KI<KIC

有裂紋，但不會擴展

KI=KIC

臨界狀態

KI>KIC

發生裂紋擴展，直至斷裂*4、KI的塑性修正裂紋擴展前，在尖端附近，材料總要先出現一個或大或小的塑性變形區。

∴單純的線彈性理論必須進行修正。

①塑性區的形狀和尺寸*

應用材料力學中學過的知識，結合前述的彈性力場運算式得到：*

由VonMises屈服準則，材料在三向應力狀態下的屈服條件為：

將主應力公式代入VonMises屈服準則中，便可得到裂紋尖端塑性區的邊界方程，即

形狀：r=f(θ)

尺寸：当θ=0r0=f(0)（裂紋擴展方向）*

平面應力平面應變

ν一般為0.3

∴平面应变的应力场比平面应力的硬。

≤r0區域的材料產生屈服。*②應力鬆馳的塑性區

材料屈服後，多出來的應力將要鬆馳（即傳遞給r>r0的區域）使r0前方局部地區的應力生高，又導致這些地方發生屈服。

σys——屈服應力不考慮加工硬化

σys（R-r0）R——塑性擴大區的半徑。

积分后可知將σys用σs代替，並把r0(前式)代入

（平面应力）

裂纹尖端区塑性区的宽度计算公式，见表4-2**③有效裂紋及KI的修正有效裂紋長度a+ry

根据计算ry=（1/2）Ro

平面应力平面應變

∴通式

不同的試樣形狀、和裂紋形式，KI不同。

需要修正的條件：σ/σs≥0.6~0.7時，KI的變化比較明顯，∴KI就需要修正。*三、裂紋擴展能量釋放率G及斷裂韌度GIC

從能量轉換關係，研究裂紋擴展力學條件及斷裂韌度。

1、裂擴展時能量轉換關係*2、裂紋擴展能量釋放率GIU=Ue-W系統能量

量纲为能量的量纲MJ·m-2

当裂纹长度为a，裂紋體的厚度為B時

令B=1

物理意義：GI為裂紋擴展單位長度時系統勢能的變化率。又稱，GI為裂紋擴展力。MN·m-1。*

恒位移與恒載荷恒位移——應力變化，位移速度不變；恒載荷——應力不變，位移速度變化。格雷菲斯公式，是在恒位移條件下導出。*已知：

①平面應力

②平面應變

GI也是應力σ和裂紋尺寸的複合參量，僅表示方式不同。*3、斷裂韌度GIC和斷裂GI判據即將因失穩擴展而斷裂，所對應的平均應力為σc；對應的裂紋尺寸為ac[最好記為（aσ2

）c]

GI≥GIC

裂紋失穩擴展條件*4、GIC與KIC的關係（牢記）返回§4.2彈塑性條件下的斷裂韌性*

裂紋尖端塑性區尺寸線彈性理論，只適用於小範圍屈服；在測試材料的KIC，為保證平面應變和小範圍屈服，要求試樣厚度B≥2.5（KIC/σs）2

如：中等强度钢要求B=99mm

試樣太大，浪費材料，一般試驗機也做不好。∴發展了彈塑性斷裂力學。原則：

①將線彈性理論延伸；

②在試驗基礎上提出新的斷裂韌度和斷裂判據；

③常用的為J積分法、COD法。*一、J積分原理及斷裂韌度JIC

1、J積分的概念

①來源由裂紋擴展能量釋放率GI延伸出來。

②推導過程（1）有一單位厚度（B=1）的I型裂紋體；（2）逆時針取一回路Γ，Γ上任一點的作用力為T；（3）包圍體積內的應變能密度為ω*

（4）彈性狀態下，Γ所包圍體積的系統勢能，

U=Ue-W（彈性應變能Ue和外力功W之差）

（5）裂紋尖端的（6）Γ回路內的總應變能為：

dV=BdA=dxdydUe=ωdV=ωdxdy

∴*

（7）Γ回路外面對裏面部分在任一點的作用應力為T。

∴外側面積上作用力為P=TdS(S為周界弧長)

設邊界Γ上各點的位移為u

∴外力在该点上所做的功dw=u.TdS

∴外围边界上外力作功为（8）合併

（9）定義（J.R.賴斯）

JⅠ——Ⅰ型裂紋的能量線積分。*③“J”積分的特性

a）守恆性能量線積分，與路徑無關；

b）通用性和奇異性

積分路線可以在裂紋附近的整個彈性區域内，也可以在接近裂纹的顶端附近。

c）J積分值反映了裂紋尖端區的應變能，即應力應變的集中程度。2、J積分的能量率運算式與幾何意義

①能量率運算式

這是測定JI的理論基礎*②幾何意義

設有兩個外形尺寸相同，但裂紋長度不同（a，a+△a），分別在作用力（p，p+△p）作用下，發生相同的位移δ。

将两条P—δ曲線重在一個圖上

U1=OACU2=OBC

兩者之差△U=U1-U2=OAB

則物理意義為：J積分的形變功差率*③注意事項：

∵塑性變形是不逆的。

∴測JI時，只能單調加載。

J積分應理解為裂紋相差單位長度的兩個試樣加載達到相同位移時的形變功差率。

∴其臨界值對應點只是開裂點，而不一定是最後失穩斷裂點。*3、斷裂韌度JIC及斷裂J判據

JIC的單位與GIC的單位相同，MPa·m或MJ·m-2。

JI≥JIC

裂紋會開裂。

實際生產中很少用J積分來計算裂紋體的承載能力。

一般是用小試樣測JIC，再用KIC去解決實際斷裂問題。*4、JIC和KIC、GIC的關係（平面應變）

上述關係式，在彈塑性條件下，還不能完全用理論證明它的成立。

但在一定条件下，大致可延伸到弹塑性范围。*二、裂紋尖端張開位移（COD）及斷裂韌度δc

裂紋尖端附近應力集中，必定產生應變；

材料發生斷裂，即：應變量大到一定程度；但是这些应变量很难测量。

∴有人提出用裂紋向前擴展時，同時向垂直方向的位移（張開位移），來間接表示應變量的大小；用臨界張開位移來表示材料的斷裂韌度。*1、COD概念

在平均應力σ作用下，裂紋尖端發生塑性變形，出現塑性區ρ。在不增加裂紋長度（2a）的情況下，裂紋將沿σ方向產生張開位移δ，稱為COD（CrackOpeningDisplacement)。*2、斷裂韌度δc及斷裂δ判據

δ≥δc

δc越大，說明裂紋尖端區域的塑性儲備越大。

δ、δc是長度量綱為mm，可用精密儀器測量。

一般鋼材的δc大約為0.幾到幾mm

δc是裂紋開始擴展的判據;不是裂紋失穩擴展的斷裂判據。*3、線彈性條件下的COD運算式平面應力時

令：δ=2υ

*

當θ=π時對於I型穿透裂紋：

（σ≤0.6σs）

该式可用于小范围屈服条件，进行断裂分析和破损安全设计。*4、彈塑性條件下的COD運算式

達格代爾建立了帶狀屈服模型，D-M模型

（基本思路：將塑性區看成等效裂紋）裂纹长度2a→2c；割面上、下方的阻力為σs。∴裂紋張開位移級數展開

∵σ/σs＜1∴高次方項可忽略

∴臨界條件下*5、δc與其他斷裂韌度間的關係

斷裂應力≤0.5σs時

平面应力平面應變（三向應力，尖端材料的硬化作用）

n為關係因數，1≤n≤1.5~2.0

（平面应力，n=1；平面應變n=2）返回§4.3斷裂韌度的測試*（有嚴格的測試標準）

（1）四種試樣：三點彎曲，緊湊拉伸，C型拉伸，圓形緊湊拉伸試樣。

大小及厚度有嚴格要求預先估計KIC（類比法），再逼近。

預製裂紋長度有一定要求，2.5%W

*（2）方法

彎曲、拉伸；感測器測量，繪出有關曲線。

（3）結果處理

根據有關的函數（可以查表）

（有兴趣者可以自看）

返回§4.4影響斷裂韌度的因素*一、與常規力學性能之間的關係

KIC、GIC、JIC、δC

最後均是以常規力學性能之一的σ、σS作引數。

AK值～GIC（JIC），均是吸收的能量，但AK值的誤差本身就較大；缺口形狀，加載速率等存在不同。

∴缺乏可靠的理論依據。*二、影響斷裂韌度的因素

1、材料因素（內在因素）

①晶體特徵（晶體結構、位錯）

②化學成分

③顯微組織（晶粒大小，各相，第二相，夾雜）

④處理工藝（熱處理、強化處理）

2、（外因）環境因素

溫度、應變速度等。返回§4.5斷裂韌度在工程上的應用*一、高壓容器承載能力的計算

二、高壓殼體的材料選擇

三、大型转轴断裂分析

四、钢铁材料的脆性评定(高強鋼、QT)

金属的疲劳**引言

材料構件在變動應力和應變的長期作用下，由於累積損傷而引起的斷裂的現象——疲勞。

疲勞屬低應力迴圈延時斷裂，其斷裂應力水準往往<σb，甚至<σs；不產生明顯的塑性變形，呈現突然的脆斷。

∴疲勞斷裂是一種非常危險的斷裂。

∴工程中研究疲勞的規律、機理、力學性能指標、影響因素等，就具有重要的意義。§5.1金屬疲勞現象及特點*一、變動載荷和迴圈應力

1、變動載荷

大小、方向或者大小和方向均隨時間而變化。

变化分为周期性，无规则性。相对应的应力，称为变动应力。

2、迴圈應力

迴圈應力的波形一般近似為正弦波、矩形波和三角形波等。

（1）迴圈應力的描敘

平均應力σm=1/2（σmax+σmin）

应力幅σa=1/2（σmax-σmin）

应力比γ=σmin/σmax

（2）迴圈應力的種類（SeeFig5－2/P108）

對稱交變；脈動；波動；不對稱交變應力。*二、疲勞分類及特點

1、分類

（1）按應力狀態彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、複合疲勞等。

（2）按環境腐蝕疲勞、熱疲勞、接觸疲勞等。

（3）按迴圈週期高周疲勞（Nf＞105周次）,因斷裂應力低（<σs

），所以也叫低應力疲勞。低周疲勞（Nf{102~105}周次），由於斷裂應力水準高，≥σs，往往伴有塑性變形，故稱為高應力疲勞（或應變疲勞）。

（4）按破壞原因機械疲勞、腐蝕疲勞、熱疲勞。*2、特點

（1）斷裂應力<σb，甚至<σs；

（2）出現脆性斷裂；

（3）對材料的缺陷十分敏感；

（4）疲勞破壞能清楚顯示裂紋的萌生和擴展，斷裂。*三、疲勞宏觀斷口的特徵

斷口擁有三個形貌不同的區域：疲勞源、疲勞區、瞬斷區。

隨材質、應力狀態的不同，三個區的大小和位置不同。（表5-1）**1、疲勞源

裂紋的萌生地；裂紋處在亞穩擴展過程中。

由于应力交变，断面摩擦而光亮。加工硬化。

随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。

2、疲勞區（貝紋區）

斷面比較光滑，並分佈有貝紋線。

循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。

有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高應力作用）。

3、瞬斷區

一般在疲勞源的對側。

脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘为剪切唇。返回§5.2疲勞曲線及疲勞性能*一、疲勞曲線

1、對稱迴圈疲勞曲線（σ~N曲線）

（1）有水準段的疲勞曲線（鋼、QT）

（2）無水準段的疲勞曲線（有色金屬，不銹鋼等）

2、σ~N曲線的測定

常用旋轉彎曲疲勞試驗機，有效試樣13根以上。

用升降法測定σ-1。

再用概率统计方法处理数据。（取可信度）

最後確定點的位置、聯線。*二、疲勞極限

1、對稱疲勞極限

迴圈載荷，一般取週期N=107。

σ-1，τ-1，σ-1p（對稱拉壓）

2、不同應力狀態下的疲勞極限

根據大量的實驗結果，彎曲與拉壓、扭轉疲勞極限之間的關係：

钢：σ-1p=0.85σ-1，鑄鐵σ-1p=0.65σ-1

铜及轻合金：τ-1=0.55σ-1，鑄鐵τ-1=0.8σ-1

σ-1>σ-1p>τ-1*3、疲勞極限與靜強度之間的關係

鋼：σ-1p=0.23（σs+σb）

σ-1=0.27（σs+σb）

铸铁：σ-1p=0.4σb

σ-1=0.45σb

铝合金：σ-1p=σb/6+7.5(MPa)

σ-1p=σb/6-7.5(MPa)

*4、不對稱迴圈疲勞極限（σr）利用已知的對稱迴圈疲勞極限，用工程作圖法求得各種不對稱迴圈疲勞極限。

或者採用回歸的公式求得。

（1）應力幅σa~平均應力σm圖

y軸上的邊界點為0和σ-1

x轴上的边界点为0和σb

將σmax分解成不同應力比r時的σa和σm，作圖。

運用時，已知r，σr=σa+σm。*（2）σmax~σm

圖

y軸上的邊界點為σ-1和-σ-1，x軸則同前圖。

σmax=σb

，利用不同的應力比r來作圖。若為韌性材料σmax=σ0.2

（3）公式法

上兩圖中的曲線可用數學公式表示

可以很方便利用σb

，σ-1，σ0.2和r，求得σr。*三、抗疲勞超載能力超載持久值材料在高於疲勞極限的應力下運行，發生疲勞斷裂的應力迴圈周次，稱為超載持久值，也稱有限疲勞壽命。

疲勞曲線傾斜部分越陡直，即損傷區窄，則持久值越高，抗疲勞超載的能力越好。

过载损伤界由实验测定。

疲劳过载损伤是由裂纹的亚稳扩展造成。*四、疲勞缺口敏感性疲勞缺口敏感度q0<q<1

Kt為理論應力集中係數，決定於缺口的幾何形狀與尺寸。

Kf為有效應力集中係數，

σ-1和σ-1N分別為光滑與缺口試樣的疲勞極限，Kf的大小也和材料特性有關。

q=0，表示對缺口完全不敏感；q=1則表示對缺口十分敏感。

影響q的因素：

強度、硬度上升，q上升，即敏感

缺口尖銳度上升，q上升。返回§5.3疲勞裂紋擴展速率及疲勞門檻值*一、疲勞裂紋擴展曲線

高頻疲勞試驗機；

固定裂纹预制长度a0、應力比r和應力幅σa；

σ2>σ1

作a~N曲線

曲線斜率da/dN為裂紋擴展速率；裂紋達到ac，da/dN無限大。*二、疲勞裂紋擴展速率

1、引入斷裂韌度的概念

△K=Kmax-Kmin=Y△σα1/2

每一次小扩展，便认为是一次斷裂過程。

2、lg(da/dN)~lg△K曲線

*3、曲線分析

I區（初始段）

△K≤△Kthda/dN↑，裂紋不擴展。

△K>△Kth△K↑，da/dN↑，裂紋擴展但不快。

II區（主要段）△K↑，da/dN↑，裂紋亞穩擴展，是決定疲勞裂紋擴展壽命的主要段。

III區（最後段）△K↑，da/dN↑↑，裂紋失穩擴展*

4、疲勞裂紋擴展門檻值定△Kth為門檻值單位MN·m-3/2或MPa·m1/2△K≤△Kth,裂紋不擴展。

△Kth不好測定。

規定，平面應變條件下，da/dN=10-6~10-7mm/周次對應的△K來代替△Kth，稱為工程疲勞門檻值。

5、影響疲勞裂紋擴展速率的因素

（1）應力比r↑，曲線向左上方移動。

（2）超載峰適當超載反而有益。

（3）顯微組織對I、III區的da/dN影響比較明顯。晶粒粗大，△Kth值越高；韌性相可使△Kth↑。*三、疲勞裂紋擴展壽命的估算常選用paris公式。

da/dN=C(△K)n

c、n—材料試驗常數，與材料、應力比、環境等因素有關。顯微組織對n的影響不大，多數材料的n值在2~4之間變化。返回§5.4疲勞過程及機理*

（疲勞過程：裂紋萌生、亞穩護展、失穩擴展、斷裂。）一、裂紋萌生及機理

常將0.05~0.1mm的裂紋定為疲勞裂紋核。

引起裂紋萌生的原因：應力集中、不均勻塑性形變。

方式为：表面滑移带开裂；晶界或其他界面开裂。*1、滑移帶開裂

（1）駐留滑移帶在交變載荷作用下，永留或能再現的迴圈滑移帶，稱為駐留滑移帶。

通過位錯的交滑移，使駐留滑移帶加寬。

（2）擠出峰和擠入槽滑移帶在表面加寬過程中，還會向前或向後移動，形成擠出峰和擠入槽。迴圈過程中，峰、槽不斷增加，增高（或變深）。（柯垂耳-赫爾模型）。

孿晶處也易出現擠出峰和擠入槽。*2、晶界處開裂

晶界就是面缺陷；

位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界開裂。

3、相介面開裂

兩相（包括第二相、夾雜）間的結合力差，各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内出现开裂。

只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续長大。*二、疲勞裂紋擴展過程及機理

1、裂紋擴展的兩個階段

第一階段

沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅.1μm數量級。

第二階段

在da/dN的II區。

晶界的阻礙作用，使擴展方向逐渐垂直于主应力方向；扩展速率μm級；可以穿晶擴展。

形成疲勞條紋（疲勞輝紋）（见书上图5-25）。一條輝紋就是一次迴圈的結果。**2、疲勞裂紋擴展模型

（1）Laird塑性鈍化模型裂紋不再擴展的過程，稱為“塑性鈍化”

該模型對韌性材料的疲勞擴展很有用。

材料的强度越低，裂纹扩展越快，条带越宽*（2）再生核模型疲勞裂紋的擴展是斷續的。

主裂紋前方是彈塑性交界点（三向拉应力区）可形成新裂紋核。主裂紋和裂紋核之間發生相向長大、橋接，使主裂紋向前擴展。

強度高的材料，可形成解理裂纹。返回§5.5影響疲勞強度的因素*一、材料內因

1、化學成分成分決定組織和強化效果。

2、顯微組織相、相間交互作用、夾雜物、晶粒大小等。

3、治金缺陷夾雜、疏鬆、偏析、裂紋，方向性等。二、材料表面狀態和工件結構

1、表面狀態表面粗糙度；表面強化（機械、熱處理、噴塗、化學）

2、工件結構壁厚；壁厚均勻性；表面溝槽等。三、工況因素

1、載荷載荷的大小和加載方式；加載頻率；加載間歇；次載鍛煉。

2、環境溫度；周邊介質；應力狀況。返回§5.6低周疲勞*

疲勞壽命為102-105次的疲勞斷裂，稱為低周疲勞。一、低周疲勞的特點

1、局部產生宏觀變形，應力與應變之間呈非線性。

總應變△εt=△εe+△εp

用△εt/2~N或△εp/2~N描敘疲勞規律。

2、裂紋成核期短，有多個裂紋源。

3、斷口呈韌窩狀、輪胎花樣狀。

4、疲勞壽命取決於塑性應變幅。*二、金屬的迴圈硬化與迴圈軟化

1、定義與特點

恒應變幅（塑性應變幅或總應變幅）迴圈加載過程中，材料的形變抗力不斷增加，則稱為迴圈硬化；反之為循環軟化。

應力——應變滯後回線，只有在應力迴圈達到一定周期後，才是閉合的，即：達到迴圈穩定態。

迴圈應力—應變曲線高於單次應力—應變曲線，則是迴圈硬化，反之為迴圈軟化。*2、迴圈軟化的危害

使材料的形變抗力下降，導致工件產生過量的塑性變形而失效。

3、原因

決定於材料的初始狀態，工件結構特性；應變幅，溫度等。

σb/σs＞1.4迴圈硬化

σb/σs＜1.2迴圈軟化

微觀原因：位錯的迴圈運動；相變強化；應力鬆馳。*三、低周疲勞的應變—壽命曲線低周疲勞的σ~N曲線，數據離散。

1、總應變幅△εt～N曲線

△εe/2～2Nf，

△εp/2～2Nf

，

△εt/2～2Nf，

两不同斜率的曲线叠放，必然會出現一個交點。

提高強度，交點左移；提高塑性，交点右移。*2、△ε~N關係式曼森公式

断裂真实伸长率

曼森——柯芬關係式

△εpNfz=C

Z、C——材料常數

Z=0.2~0.7;C—0.5ef~1.0ef

用上述关系式可估算材料的低周疲劳寿命。

返回§5.7其他類型疲勞*一、熱疲勞

1、基本概念

在迴圈熱應力和熱應變作用下，產生的疲勞稱為熱疲勞。热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变形）。由溫度和機械應力疊加引起的疲勞，稱為熱機械疲勞。*2、熱應力的產生

外部約束不讓材料自由膨脹；

内部约束温度梯度，相互约束，产生热应力。

热应变导致裂纹的萌生，扩展。

3、衡量標準

一定溫度幅，產生一定尺寸疲勞裂紋的迴圈次數。

4、提高熱疲勞壽命的途徑

材料減小熱膨脹係數，提高λ，均勻性，高溫強度。

工件狀況減小應力集中。

使用减小热冲击。*二、衝擊疲勞

1、基本概念

在重複衝擊載荷作用下的疲勞斷裂，稱為衝擊疲勞。衝擊次數N>105,具有典型的疲勞斷口。

Ak~N2、影響衝擊疲勞的因素

小能量多衝擊主要為強度。

较大能量时冲击作用下，材料易出现塑性變形，即易出現低周疲勞。

能量再大時則衝擊疲勞退居次要地位，應考虑材料的断裂韧性。*三、接觸疲勞

1、基本概念

對偶件（如軸承、齒輪等）在交變接觸壓應力長期作用下，而在材料表面產生的疲勞損傷。

形貌：点蚀，浅层剥落和深层剥落。

（轴承、齿轮表面、钢轨等）

接觸疲勞曲線兩種σ接～N，σ接～1/N。

2、接觸應力（赫茲應力）

兩物體接觸，表面上產生局部的壓應力，稱為接觸應力。

接触处的接触应力为三向压应力。*

接觸處，σz>σy>σx

超过一定深度σz>σy>σy

相应的最大切应力为：

∴在最大切應力處，材料易出現局部塑性變形。*3、接觸疲勞破壞方式（1）麻點剝落

局部塑性變形，產生裂紋、擴展（滑移帶開裂）

润滑剂气蚀（高压冲击波）

剥落下一块金属而形成一凹坑（2）淺層剝落

最大切應力處，塑化變形最劇烈，非金屬夾雜物附近萌生裂紋。

表层、次表层产生了加工硬化。（3）深層剝落

過渡區是薄弱區，萌生裂紋，先平行於表面擴展，後垂直於表面擴展，最後形成大的剝落坑。*4、影響接觸疲勞抗力的因素（1）材料內因

組織（晶粒大小，相組成，夾雜物，第二相等）（残余奥氏体，可形成形变M，不利於接觸疲勞）

表面硬度和心部硬度（2）外因

表面粗糙度，接觸精度；

硬度匹配；

润滑情况。

金屬的應力腐蝕和氫脆斷裂*§6.1應力腐蝕*一、應力腐蝕及其產生條件

1、定義與特點

（1）定義金屬在拉應力和特定的介質共同作用下，經過一段時間後，所產生的低應力脆斷現象。

（2）特點

拉應力，特定介質，時間，脆斷。

低碳钢、低合金钢——堿脆、硝脆；

不銹鋼——氯脆；

銅合金——氨脆。

*2、產生條件

應力：外應力、殘餘應力；

化学介质：一定材料对应一定的化学介质（表）

金属材料：化学成分、显微组织、强化程度等。*二、應力腐蝕

1、機理滑移——溶解理論（鈍化膜破壞理論）

a）應力作用下，滑移臺階露頭且鈍化膜破裂（在表面或裂紋面）

b）電化學腐蝕（有鈍化膜的金屬為陰極，新鮮金屬為陽極）；

c）應力集中，使陽極電極電位降低，加大腐蝕；

d）若應力集中始終存在，則微電池反應不斷進行，鈍化膜不能恢複。則裂紋逐步向縱深擴展。

（該理論只能很好地解釋沿晶斷裂的应力腐蚀）*2、斷口特徵宏觀：有亞穩擴展區，最後瞬斷區（與疲勞裂紋相似）；斷口呈黑色或灰色。微觀：顯微裂紋呈枯樹枝狀；腐蝕坑；沿晶斷裂和穿晶斷裂。*三、力學性能指標用常規方法測定的σSCC～tf曲線，得到的σSCC不能客觀地反映材料的應力腐蝕抗力。

1、臨界應力場強度因數KISCC

恒定載荷，特定介質，測KI~tf曲線。

將不發生應力腐蝕斷裂的最大應力場強度因數，稱為應力腐蝕臨界應力場強度因數。*2、裂紋擴展速度da/dtKI>KI