《材料性能学》1-4章电子教案2

《材料性能学》电子教案〔面向21世纪材料科学与工程高等教育改革试用教材〔北京工业大学出版社〕王从曾主编〕材料与科学工程学院主讲人：孙昊1序言一、关于本课程和教材

《材料性能学》课程原名《金属机械性能》，在我校已开设多年课程性质：必修科学时：50h〔2h复习，2h考试，课堂讲授46h〕

主要参考书：1、《材料性能学》王从曾主编，2002年，北京工业大学出版社2、《金属机械性能》修订本，金属机械性能编写组编1982年，机械工业出版社〔绿皮〕3、《材料的力学性能》郑修麟主编，西北工业大学出版社4、《磁性材料》田民波编，清华大学出版社2二、本课程的学习目的1、

材料性能是评定材料质量优劣的重要依据评论材料的好与差，不能依靠组织成分，而应以性能来说话。2、

是科研和生产的主要手段和工具科研：开发新材料或研究新工艺，要不断地测试各种性能指标；来满足各种不同的需求。生产：生产中往往依靠性能选材来生产机械零件3、

进一步掌握材料各种主要性能的根本概念、物理本质、变化规律以及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的主要因素及材料性能与其化学成分、组织结构之间的关系3三、本课程学习内容1、

材料在力的作用下所表现出的力学性能及力学性能指标2、

材料的断裂特征及断裂指标3、

材料的疲劳性能4、

材料的磨损性能5、

材料的高温及热学性能6、

材料的特殊性能及指标其中包括材料的磁学性能、电学性能、光学性能、腐蚀性能、压电性能及老化与稳定性能等。

4四、本课程的学习方法以宏观研究分析为主，由于是面面具到，而学时少，因而只是简单介绍根本概念、根本原理、根本方法及一些较常用的性能指标。请同学们记好笔记，考试以课堂讲授的内容为主。5第一章材料单向静拉伸的力学性能

概述材料力学性能研究的重要任务，就是研究材料在受载过程中变形和断裂的规律．作为一种重要手段，单向静拉伸试验是工业生产和材料科学研究中应用最广泛的材料力学性能试验方法．通过拉伸试验可以揭示材料在静载作用下的应力应变关系及常见的3种失效形式〔过量弹性变形、塑性变形和断裂〕的特点和根本规律，还可以评定出材料的根本力学性能指标，如屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率等．这些性能指标既是材料的工程应用、构件设计和科学研究等方面的计算依据，也是材料的评定和选用以及加工工艺选择的主要依据．

6第一节力－伸长曲线和应力一应变曲线一、力－伸长曲线〔拉伸图〕

材料的单向静拉伸试验通常是在室温下按常规的试验标准，采用光滑圆柱试样在缓慢加载和低的变形速率下进行的．试验方法和试样尺寸在试验标准中有明确规定．在拉伸过程中，随着载荷的不断增加，圆柱试样的长度将不断的增加，这些量的变化可由试验机上安装的自动绘图机构连续描绘出，拉伸力F和绝对伸长量ΔL的关系曲线，直至试样断裂．如图1－1所示。78拉伸开始后，试样的绝对伸长量随力F的增加而增大．1、弹性变形：在P点以下拉伸力F和伸长量ΔL呈直线关系．当拉伸力超过Fp后，力一伸长曲线开始偏离直线．拉伸力小于Fe时，试样的变形在卸除拉伸力后可以完全恢复，因此e点以内的变形为弹性变形；2、塑性变形:当拉伸力到达FA后，试样便产生不可恢复的永久变形，即出现塑性变形；3、屈服现象：塑性变形开始后，力一伸长曲线上出现平台式锯齿，直至C点结束．4、均匀变形〔弹－塑性变形〕：变形随着外力的增大而均匀地增加5、不均匀变形〔颈缩阶段〕及断裂阶段因此，在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、塑性变形及断裂三个根本阶段。96、拉伸图的种类10

曲线1为淬火、高温回火后的高碳钢的力－伸长曲线，只有弹性变形少量的均匀塑性变形；曲线2为低合金结构钢〔如16Mn〕的力－伸长曲线，其特征与低碳钢的曲线类似；曲线3为黄铜的力－伸长曲线，有弹性变形、均匀塑性变形和不均匀塑性变形；曲线4为陶瓷、玻璃类材料的力－伸长曲线，只有弹性变形而没有明显的塑性变形；曲线5为橡胶类材料的力－伸长曲线，其特点是弹性变形量很大，可高达1000％，且只有弹性变形而不产生或产生很微小的塑性变形；曲线6为工程塑料的力－伸长曲线，也有弹性变形、均匀塑性变形和不均匀变形。〔注意〕:对于高分子聚合物材料，由于其在结构上的力学状态差异及对温度的敏感性，力－伸长曲线可有多种形式．不同的材料或同一材料在不同条件下可有不同形式的力一伸长曲线．这主要是由材料的键合方式、化学成分和组织状态等因素决定的．有多种形式．不同的材料或同一材料在不同条件下可有不同形式的力一伸长曲线．这主要是由材料的键合方式、化学成分和组织状态等因素决定的．11二、应力一应变曲线1、

〔条件〕应力与〔条件〕应变

应力：应变：2、

应力－应变曲线〔工程应力－应变曲线〕工程应力一应变曲线对材料在工程中的应用是非常重要的，根据该曲线可获得材料静拉伸条件下的力学性能指标，如图1－3中的比例极限σp、弹性极限σe、屈服点σs、抗拉强度σb等，可提供给工程设计或选材应用时参考．12３、各种性能指标〔1〕、强度指标①弹性极限：σe＝Fe/S0②比例极限：σp＝Fp/S0③屈服极限：σs＝Fs/S0；屈服强度σ0.2＝F0.2/S0④强度极限：σb＝Fb/S0⑤断裂强度：σk＝Fk/Sk〔2〕、塑性指标①延伸率：δｋ＝(Ｌk-L0)/L0X100%②断面收缩率：ψk＝〔S0－Sk〕/S0X100%根据试样的大小，可将延伸率分为２种，一种是：δ5〔标准短试样：Ｌ0/d0=5〕另一种是：δ10〔标准长试样：Ｌ0/d0=１０〕13４、真应力－真应变曲线〔S－e曲线〕实际上，在拉伸过程中，试棒的截面积和长度随着拉伸力的增大是不断变化的，工程应力一应变曲线并不能反映试验过程中的真实情况．如果以瞬时截面积A除其相应的拉伸力F，那么可得到瞬时的真应力S，同样，当拉伸力F有一增量dF时，试样在瞬时长度L的根底上变为L＋dL，于是应变的微分增量应是de＝dL／L，那么试棒自L0伸长至L后，总的应变量为：

真应力：其中，F－瞬时载荷，A－瞬时面积真应变：那么：又14那么或因1＞ψ＞0,那么有S＞σ说明真应力S永远大于工程应力σ

15两曲线比较阶段变形性质σ－ε曲线表现S－e曲线表现OP段弹性变形直线关系曲线关系PB段弹－塑性变形曲线关系曲线关系BK段集中变形及颈缩曲线关系直线加曲线真应力S和真应变e作为坐标绘制的应力一应变曲线称为真应力一真应变曲线〔图1-4〕．与工程应力一应变曲线相比较，可以看出，在弹性变形阶段，由于试棒的伸长和截面收缩都很小，两曲线根本重合，真实屈服应力和工程屈服应力在数值上非常接近，但在塑性变形阶段，两者之间就出现了显著的差异．在工程应用中，多数构件的变形量限制在弹性变形范围内，二者的差异可以忽略，同时工程应力、工程应变便于测量和计算，因此，工程设计和材料选用中一般以工程应力、工程应变为依据．但在材料科学研究中，真应力与真应变将具有重要意义．16第二节弹性变形及其实质一、弹性变形的特点前已叙及，在单向拉伸过程中，绝大局部固体材料都首先产生弹性变形，外力去除后，变形消失而恢复原状，对于金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物在弹性变形范围内，应力和应变之间可以看成具有1、可逆性；2、单值线性关系；3、弹性变形量较小〔ε＜0.5～1％〕

对于橡胶态的高分子聚合物，那么在弹性变形范围内，应力和应变之间不呈线性关系，且变形量较大．无论变形量大小和应力与应变是否呈线性关系，凡弹性变形都是可逆变形．材料弹性变形的本质：概括说来，都是构成材料的原子〔离子〕或分子自平衡位置产生可逆位移的反映．金属、陶瓷类晶体材料的弹性变形是处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移；橡胶类材料那么是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展．17二、金属、陶瓷类材料弹性变形的微观过程的双原子模型解释．

在正常状态下，晶格中的离子能保持在其平衡位置仅作微小的热振动，这是受离子之间的相互作用力控制的结果．一般认为，这种作用力分为引力和斥力，引力是由正离子和自由电子间的库仑力所产生，而斥力是由离子之间因电子壳层产生应变所致．引力和斥力都是离子间距的函数。图1－5即为离子互相作用时的受力模型，图冲N1、N2分别为两离子的平衡位置，曲线1为引力，曲线2为斥力，曲线3为合力，引力斥力18在离子的平衡位置时合力为零．当外力对离子作用时，合力曲线的零点位置改变，离子的位置亦随之作相应的调整，即产生位移，离子位移的总和在宏观上就表现为材料的变形．当外力去除后，离子依靠彼此间的作用力又回到原来的平衡位置，宏观的变形也随之消逝，从而表现了弹性变形的可逆性。需要说明的是，根据上述模型导出的离子间相互作用力与离子间弹性位移的关系并非虎克定律所说的直线关系，而是抛物线关系．其合力的最大值为Fmax，如果外加拉应力大于Fmax，就意味着可以克服离子间的引力而使它们别离。因此，Fmax就是材料在弹性状态下的理论断裂抗力，此时相应的离子弹性变形量εmax可达25％。实际上，因为在工程应用的材料中，不可防止地存在着各种缺陷、杂质、气孔或微裂纹，因而实际断裂抗力远远小于Fmax，材料就发生了断裂或产生了塑性变形．实际材料的弹性变形只相当于合力曲线的起始阶段，因此虎克定律所表示的外力和位移的线性关系是近似正确的。且变形量很小。三、弹性模数〔弹性模量〕19正弹性模量〔E〕弹性模量即:切弹性模量〔G〕弹性模量的物理意义：在工程上，表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，表示在相同的应力作用下，材料的弹性变形量越小，使机械零件和工程构建不易发生塑性变形.影响因素：１．键合方式和原子结构〔四种键和位置的影响〕２．晶体结构〔各向异性〕３．化学成分〔原子间距和键合方式的改变引起〕４．微观结构５．温度〔随温度升高而变小〕６．加载条件和负荷持续时间第三节弹性的不完整性与内耗通常，人们把材料受载后产生一定的变形，而卸载后这局部变形消逝，材料恢复到原来的状态的性质称为材料的弹性．根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点，弹性可以分为理想弹性〔完全弹性〕和非理想弹性〔弹性不完整性〕两类．20对于理想弹性材料

在外力作用下，应力和应变服从虎克定律，并同时满足3个条件，即：〔１〕应变对于应力是线性关系；〔２〕应力和应变同相位〔同时性〕；〔３〕应变是应力的单值函数〔单值性〕．实际上，绝大多数固体材料的弹性行为很难满足上述条件，一般都表现出非理想弹性性质，非理想弹性行为大致可以分为滞弹性、粘弹性、伪弹性及包申格效应等几种类型21一、滞弹性〔弹性后效〕22一、滞弹性〔弹性后效〕1．正弹性后效滞弹性的材料其应力一应变曲线与时间的关系如图1－11所示，当突然施加一应力于拉伸试样时，试样立即沿OA线产生瞬时应变Oa．而应变aH是在σ0长期保持下逐渐产生的，这种加载时应变落后于应力而与时间有关的滞弹性也称为正弹性后效或弹性蠕变〔所谓蠕变，是指变形随时间的延长而变化的现象〕．2．反弹性后效．卸载时，那么当应力下降为零时，只有应变eH局部立即消逝掉，而应变eo是在卸载后随着时间逐渐去除的，我们把卸载时应变落后于应力的现象也称为反弹性后效．滞弹性在金属材料和高分子材料中表现得比较明显，其弹性后效速率和滞弹性应变量与材料成分、组织有关，也与试验条件有关．材料组织越不均匀，滞弹性越明显．钢经淬火或塑性变形后，由于增加了组织不均匀性，滞弹性倾向加大．此外，温度升高和切应力分量增大，滞弹性越强烈．而在没有切应力的多向压应力作用下，完全看不到滞弹性。233．产生原因

金属产生滞弹性的原因可能与晶体中点缺陷的移动有关，例如，α－Fe中的C原子处于八面体空隙及等效位置上，施加Z向拉应力后，x、y轴上的碳原子就会向Z轴方向扩散迁移，使Z轴方向继续伸长变形，于是就产生了附加弹性变形．因扩散移动需要时间，故附加应变为滞弹性应变．卸载后Ｚ轴多余的碳原子又会扩散回到原来的X必轴上，使滞弹性应变消逝．４．危害材料的滞弹性对仪器仪表和精密机械中的重要传感元件的测量精度有很大影响，因此选用材料时需要考虑滞弹性问题．如长期受载的测力弹簧、薄膜传感器等，所选用材料的滞弹性较明显时，会使仪表精度缺乏，甚至无法使用．５．应用利用弹性后效形成的滞后环可以消震器．６．消除的方法长时间的回火

24二、粘弹性1.粘弹性：是指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为．其特征是应变对应力的响应〔或反之〕不是瞬时完成的，需要通过一个弛豫过程，但卸载后，应变恢复到初始值，不留下剩余变形。2.种类：恒应变下的应力松弛［图1－13〔a〕］恒应力下的蠕变［图1－13〔b〕］25三、伪弹性伪弹性：是指在一定的温度条件下，当应力到达一定水平后金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形的现象．

伪弹性变形的量级大约在60％左右，大大超过正常弹性变形．图1－15为伪弹性材料的应力一应变曲线示意图。26

图中AB段为常规弹性变形阶段，为应力诱发马氏体相变开始的应力，C点处马氏体相变结束，CD段为马氏体的弹性应变阶段．在CD段卸载，马氏体作弹性恢复，表示开始逆向相变的应力，马氏体相变回原来的组织，到G点完全恢复初始组织．GH为初始组织的弹性恢复阶段，恢复到初始组织状态，没有任何残留变形．形状记忆合金就是利用了这一原理．

CD段：M弹性变形GH段：母相的恢复弹性变形母相→MM→母相27四、包申格效应包申格〔Bauschinger〕效应：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形〔剩余应变小于4％〕，而后再同向加载规定剩余伸长应力〔或弹性极限〕增加，反向加载，规定剩余伸长应力〔或弹性极限〕降低的现象．σε原始σe1同向加载σe2反向加载σe30其中，σe2＞σe1＞σe3１、拉，(原始〕得σe1２、拉→再拉，得σe2３、拉→再压，得σe328对与某些钛合金，因包申格效应，可是规定剩余伸长应力降低，所以退火态和高温回火太的金属都有包申格效应，因此包申格效应是多晶体金属具有的普遍现象。原因：包申格〔Bauschinger〕效应可能与第二类内应力有关；危害：包申格〔Bauschinger〕效应可弱化材料，因而应予以消除；消除方法：因包申格效应是一种材料微观组织，结构变化的结果，所以可以通过热处理加以消除；具体方法：对材料进行较大的塑性变形或对微量塑变形的材料进行再结晶退火．29五、内耗内耗：在非理想弹性的情况下，由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，这个封闭回线称为弹性滞后环．存在弹性滞后环的现象说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功，有一局部加载变形功被材料所吸收．这局部被吸收的功称为材料的内耗。其大小可用回线面积度量。30内耗是材料的一种重要的力学和物理性能．在力学性能上，内耗也称为材料的循环韧性，表示材料在交变载荷〔振动〕下吸收不可逆变形功的能力，故又称为消振性．材料循环韧性越高，那么自身的消振能力就越好，例如铸铁因含有石墨不易传递机械振动，故具有很高的消振性．因此，高的循环韧性对降低机械噪声，抑制高速机械的振动具有很重要的意义，汽轮机叶片用ICr13钢制造，其中原因之一就是因为它有高的循环韧性．反之，对于仪表传感元件选用循环韧性低的材料，可以提高其灵敏度乐器所用材料的循环韧性越低，那么音质越好．在物理性能方面，可以利用材料内耗与其成分、组织结构及物理性能变化间的关系，进行材料科学研究．31

第五节断裂

断裂：固体材料在力的作用下分成假设干局部的现象称为断裂．材料的断裂是力对材料作用的最终结果，它意味着材料的彻底失效．因材料断裂与其他失效方式〔如磨损、腐蚀等〕相比危害性最大，可能出现灾难性的后果．因此，研究材料断裂的宏观与微观特征、断裂机理、断裂的力学条件，以及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而且也有很大的实用价值．

32一、断裂的类型及断口特征〔一〕、分类1、按照断裂性态分：断裂分为脆性断裂与韧性断裂；2、按照裂纹扩展途径分：穿晶断裂和沿晶〔晶界〕断裂；3、按照微观断裂机理分：解理断裂和剪切断裂；4、按作用力的性质分:正断和切断断口分析法：材料的断裂外表称为断口．用肉眼、放大镜或电子显微镜等手段对材料断口进行宏观及微观的观察分析，以了解材料发生断裂的原因、条件、断裂机理以及与断裂有关的各种信息的方法，称为断口分析法．断口分析法在调查机件断裂失效的原因及材料科学研究中是十分重要的．33〔二〕关于各种断裂1、韧性断裂与脆性断裂韧性断裂：是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程．韧性断裂的特点：〔1〕

韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能．〔2〕

韧性断裂的断口用肉眼或放大镜观察时，往往呈暗灰色、纤维状．〔3〕

不易造成重大事故，易被人觉察一些塑性较好的金属材料及高分子材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征．34脆性断裂：是材料断裂前根本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程脆性断裂的特点：〔1〕

因为没有明显的预兆，所以脆性断裂具有很大的危险性．〔2〕

脆性断裂的断口，与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状．〔3〕

裂纹扩展速度大，往往受到的应力低于设计要求的许用应力一般淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂过程的断口常具有上述特征．352、穿晶断裂与沿晶断裂36穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂；而沿晶断裂那么多数为脆性断裂．沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续的脆性第二相、夹杂物等破坏了材料的连续性造成的，是晶界结合力较弱的一种表现．例如共价键陶瓷晶界较弱，断裂方式主要是晶界断裂．离子键晶体的断裂往往具有以穿晶解理为主的特征．沿晶〔晶界〕断裂的断口形貌一般呈结晶状．3、剪切断裂与解理断裂剪切断裂与解理断裂按不同的微观断裂方式，是材料断裂的两种重要微观机理．〔1〕

剪切断裂：剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移别离而造成的断裂．单晶楔形：某些纯金属尤其是单晶体金属可产生纯剪切断裂，其断口呈锋利的楔形，如低碳钢拉伸断口上的剪切唇．微孔聚集型断裂：剪切断裂的另一种形式为微孔聚集型断裂，其断口在宏观上常呈现暗灰色、纤维状，微观断口特征把戏那么是断口上分布大量“韧窝”

3738〔2〕解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏而引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂一般为解理断裂．这种晶面称为解理面解理裂纹的扩展往往是沿着晶面指数相同的一族相互平行，但位于“不同高度”的晶面进行的．不同高度的解理面之间存在台阶，众多台阶的集合便形成河流把戏．39〔3〕准解理断裂准解理断裂常见于淬火回火钢和贝氏体钢中，宏观上属脆性断裂．准解理断裂：由于回火后碳化物质点的作用，当裂纹在晶内扩展时，难以严格地沿一定晶面扩展．其微观形态特征，似解理河流但又非真正解理，故称为准解理．准解理与解理的不同点是：准解理小平面不是晶体学解理面．真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹那么常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流把戏．准解理不是一种独立的断裂机理，而是解理断裂的变种．4．高分子材料的断裂高分子材料的断裂从宏观上考虑与金属材料相同，也可分为脆性断裂和韧性断裂两大类．〔1〕

当温度小于玻璃态聚合物在玻璃转变温度T＜Tg时,主要表现为脆性断裂，〔2〕

当T＞Tg时,玻璃态聚合物以及通常使用的半晶态聚合物断裂时伴随有较大塑性变形，属于韧性断裂．40宏观断口:用肉眼或放大镜观察到的断口形貌5.断口分析

微观断口:借助于扫描电镜或其它分析手段来研究的断口形貌41第二章材料在其他静载下的力学性能

一、概述

机器零件或建筑结构实际上往往承受不同形式和大小的外力，其内部的应力状态一般也是十分复杂的，仅采用单向静拉伸那样的力学性能试验，并不能完全反映材料在不同应力状态下所表现的弹性变形、塑性变形以及断裂行为等性能特点．在实际生产和材料研究过程中，为充分揭示材料的力学行为和性能特点，还常常采用模拟材料在实际应用时承受扭转、弯曲、压缩以及带有台阶、孔洞、螺纹等情况下的拉伸等不同加载方式的试验方法，以充分反映材料在不同应力状态下的力学行为和性能特点，为合理选材和设计提供充分的试验依据．二、分类

1、

静扭转及其性能指标2、

静弯曲及其性能指标3、

静压缩及其性能指标4、

缺口试样静载力学性能5、

硬度试验只讲硬度试验，其它的内容不讲

42第一节应力状态软性系数

对材料的单向静拉伸试验的分析研究说明，材料的塑性变形和断裂方式主要与应力状态有关．正应力容易导致脆性的解理断裂，切应力容易导致材料的塑性变形和韧性断裂，而实际应用中的材料，其变形和断裂方式主要决定于承载条件下的应力状态．材料力学说明，任何的复杂的应力状态都可用三个主应力σ1、σ2、σ3来表示，其中，σ1＞σ2＞σ3，根据三个主应力可计算出最大切应力τmax和最大正应力σmax那么有：

称α为应力状态柔性系数，α越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形．反之，α越小，表示应力状态越硬，那么材料越容易产生脆性断裂．不同的静载试验方法，具有不同的应力状态软性系数．见表2－1。4344第二节硬度一、硬度试验的意义硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能．硬度试验与静拉伸试验一样也是一种应用十分广泛的力学性能试验方法．硬度试验方法有十几种，按加载方式根本上可分为动载压人法：超声波硬度、肖氏硬度和锤击式布氏硬度压人法静载压人法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度硬度和显微硬刻划法：莫氏硬度顺序法和挫刀法

硬度值的物理意义随试验方法的不同，其含义不同．压人法的硬度值是材料外表抵抗另一物体局部压入时所引起的塑性变形能力刻划法硬度值表征材料外表对局部切断破坏的抗力．压力法硬度试验的应力状态最“软”〔a＞2〕，最大切应力远大于最大正应力．所以，在此应力状态下几乎所有材料都会产生塑性变形．45二、硬度试验的优点1．硬度试验所用设备简单，操作方便快捷；2．不受场地条件等限制；3．根本上不破坏工件，可在成品上直接检验故被广泛用来检验经热处理的工件质量和进行材料研究．三、硬度试验方法1、布氏硬度〔HB〕〔1〕

测定原理：用一定大小的载荷(F)将淬火钢球压入工件外表，保持一定的时间后卸载，然后用载荷〔F〕除以压痕的外表积〔S〕所得的值为布氏硬度，即：46〔2〕压痕相似性原理：φ角相同时，只需要F/D2为一定值，就能使大小、薄厚不同的同一材料获得相同的布氏硬度值，这就是压痕相似性原理〔3〕、布氏硬度的优缺点优点：压痕面积较大，其硬度值能反映材料在较大区域内各组成相的平均性能，试验数据稳定，重复性强。缺点：因压痕直径较大，一般不宜在成品件上直接进行检验；对硬度不同的材料需要更换压头直径D和载荷F，同时压痕直径的测量也比较麻烦，需查表计算。

472．洛氏硬度〔HR〕〔1〕测试原理洛氏硬度也是一种压人硬度试验方法，其原理不是通过测压痕面积求得硬度值，而是以测量压痕深度值的大小来表示材料的硬度值．洛氏硬度试验所用的压头为圆锥角α为1200的金刚石圆锥或直径为1．588㎜3．157㎜的淬火钢球．载荷分先后两次施加，先加初载荷F1；，再加主载荷F2，其总载荷为F〔F＝F1＋F2〕。

1-1加初载F12-2F=F1+F23-3F=F1

2-2F=F1+F21－1加初载F13-3F=F148那么为洛氏硬度值，可直接从表盘上快速读出数据。49〔2〕洛氏硬度试验的优缺点优点：A.操作简便迅速；压痕小，可对工件直接进行检验；B.采用不同标尺，可测定各种软硬不同和薄厚不一试样的硬度．缺点：A.因压痕较小，代表性差；尤其是材料中的偏析及组织不均匀等情况，使所测硬度值的重复性差、分散度大；B.用不同标尺测得的硬度值既不能直接进行比较，又不能彼此互换．

C.预先载荷,可消除不平的影响

3．维氏硬度〔HV〕与显微硬度〔HM〕布氏硬度试验只能测定硬度值小于450HB〔或650〕的材料．洛氏硬度虽可测定各种材料的硬度，但由于在不同的硬度范围所使用的标尺不同，所测硬度值不能直接换算．因此为了使软硬不同的各种材料有一个连续一致的硬度指标，制定了维氏硬度试验法．〔1〕

维氏硬度的测试原理与布氏硬度根本相似，也是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值的．所不同的是维氏硬度试验所用的压头是两相对面夹角为1360的金刚石四棱锥体．

50〔2〕优点：A.精确可靠B.载荷任选C.硬度可同一缺点：A.方法麻烦B.工作效率低C.代表性差51第三章材料的冲击韧性及低温脆性概述在实际的生产中很多机件和工具、模具受冲击载荷的作用，如火箭的发射、飞机的起飞和降落、行驶的汽车通过道路上的凹坑，及材料的压力加工〔锻造、冲裁、模锻〕等．为了评定材料承受冲击载荷的能力，揭示材料在冲击载荷下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验(包括前面讲到的)．本章主要介绍材料在冲击载荷下的力学行为和性能特点以及金属材料的低温脆性．

第一节冲击弯曲试验与冲击韧性一、冲击弯曲试验1．一次冲击弯曲试验

5253缺口试样一次冲击弯曲试验原理如图3－1正所示．试验在摆锤式冲击试验机上进行，将试样水平放置于试验机支座上，缺口位于冲击相背方向．冲击时将具有一定质量G的摆锤举至具有一定高度H1的位置，使其获得一定位能GH1；释放摆锤冲断试样后摆锤的剩余能量为GH2，那么摆锤冲断试样失去的位能约为GH1－GH2，此能量即为试样变形和断裂所吸收的功，称为冲击吸收功，以Ak表示，单位为焦耳〔J〕．即Ak＝GH1－GH2〔J〕冲击功Akak=Ak/FN〔J/cm2〕FN---缺口处试样的面积称ak为冲击韧性，它代表一种材料的韧性的好坏。具体的试验与方法及操作标准可参考GB229—84和GB2106—80．测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功时，常采用10㎜X10㎜X55㎜的无缺口冲击试样542．小能量屡次冲击试验小能量屡次冲击：大量实践说明，即使那些通常认为承受剧烈冲击载荷的机件，也很少有只经受一次或几次冲击就断裂的．实验说明，当试样破坏前承受的冲击次数少于500～1000次，试样断系的规律与一次冲击相同；当冲击次数N＞105时，破坏后具有典型的疲劳断口特性，它是各次冲击损伤积累的结果，根本不同于一次冲击破坏的过程，所以多冲抗力不能用Ak值简单代替．屡次冲击试验在落锤式屡次冲击试验机PC150上进行的，冲击频率为450周次／min和600周次／min．冲击能量靠冲程调节而变换,可做多冲弯曲、拉伸和压缩试验．试验后可绘制出冲击功A---冲断次数N曲线，如图3－4所示．5556从A—N多冲曲线不难看出，随着冲击功A的减少，冲断次数N增加．二、冲击韧性及其工程意义1、一次冲击韧性指标ak长期以来，人们一直将ak视为材料抵抗冲击载荷作用的力学性能指标，用来评定材料的韧脆程度，作为保证机件平安设计的指标．一次冲击弯曲试验主要有以下几方面用途．〔1〕

它能反映出原始材料的冶金质量和热加工产品的质量．通过测量ak值和对冲断试样的断口分析，可揭示原材料中的气孔、夹杂、偏析、严重分层和夹杂物超标等冶金缺陷；还可检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷．〔2〕

测定材料的韧脆性转变温度．根据系列冲击试验〔低温冲击试验〕可获得ak与温度的关系曲线，据此确定材料的韧脆转变温度，以供选材参考或抗脆断设计．

(3)对屈服强度大致相同的材料,根据Ak值可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性(4)对某些在特殊条件下服役的零件,具有参考价值.(5)评定低合金高强度钢及其焊缝金属的应变时效敏感性.

572．屡次冲击〔1〕当冲击功A高时〔o点左侧〕，材料的多冲抗力N主要取决于材料的韧性和塑性；当冲击功A低时，材料的多冲抗力N主要取决于材料的强度〔如以下图〕

N材料1AAk２Ak1材料2O58(2)不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合．图3－6为40钢强度、塑性、冲击韧性及不同能量下的冲断次数与回火温度的关系．由图可见，40钢的冲击疲劳抗力随回火温度的变化不是单调的变化，而是在温度下有一个峰值，且此峰值随冲击能量增加向高温方向移动．这说明不同冲击能量下，要求的强度与塑性配合不同．例如锻锤锤杆，原用45Cr钢油淬，650℃回火，ak值高，强度低，使用过程中常易折断，寿命低．根据多冲疲劳抗力变化规律，改用盐水淬火加中温回火，强度提高，ak值降低，使用寿命明显提高．

59〔3〕ak值对冲击疲劳抗力的影响材料强度不同对冲击疲劳抗力的影响不同．高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力有较大作用；而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力作用不大．见图3－7．60第二节低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性1、系列冲击实验：对某些材料分别在低温、室温和高温下进行一系列冲击试验，得到一系列冲击值Ak〔或ak〕，将这些冲击值与所对应的实验温度在直角坐标系中作图，然后用光滑曲线将这些实验数据连接起来，可以得到这种材料冲击韧性与温度的关系曲线，即AK—t或aK—t曲线，称为系列冲击曲线，这种冲击试验称为系列冲击试验。系列冲击试验可以评定材料的低温脆性、蓝脆和重结晶脆性等，而这些脆性是材料使用中力图避兔出现的，因此系列冲击试验有一定的实用意义2、低温脆性：系列冲击实验证明，体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性．转变温度tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度．面心立方金属及合金一般没有低温脆性现象

61二、韧脆转化温度及其评价方法〔1〕当低于某一温度材料吸收的冲击能量根本不随温度而变化，形成一平台，该能量称为“低阶能”．以低阶能开始上升的温度定义tk，并记为NDT〔2〕高于某一温度材料吸收的能量也根本不变，形成一个上平台，称为“高阶能”．以高阶能对应的温度为tk，记为FTP。〔3〕以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义，并记为FTE〔4〕冲击试样冲断后，其断口形貌如图3－10图所示．如同拉伸试验一样，冲击试样断口也有纤维区、放射区〔结晶区〕和剪切唇几局部，但在不同试验温度下，3个区之间的相对面积是不同的．通常取结晶区面积占整个断口面积50％时的温度为tk，并记为50％FATT。62三、材料低温脆性的影响因素1．晶体结构的影响体心立方金属及其合金存在低温脆性，面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性．体心立方金属的低温脆性可能和迟屈服现象有密切关系．所谓迟屈服是指当用高于材料屈服极限的载荷以高加载速度作用于体心立方结构材料时，瞬间并不屈服，需在该应力下保持一定时间后才发生屈服．且温度越低，持续的时间越长，这就为裂纹的发生和传播造成有利条件．中、低强度钢的基体是体心立方结构的铁素体，都有明显的低温脆性．2．化学成分的影响间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高.3．显微组织的影响〔1〕晶粒大小：细化晶粒可使材料韧性增加．〔2〕金相组织：在较低强度水平，强度相同而组织不同的钢，其冲击吸收功和韧脆转变温度以回火索氏体最正确，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差．此外，球化处理能改善钢的韧性．4．温度的影响63碳钢和某些合金钢在冲击载荷或静载荷作用下，在一定温度范围内出现脆性。因为在该温度范围内加热钢时，外表氧化色为蓝色，故此现象称为蓝脆，但二者的蓝脆温度范围不同在静拉伸时，蓝脆的温度范围为230～370℃；在冲击载荷作用下，蓝脆最严重的温度范围为525～550℃。

5．加载速率的影响提高加载速率如同降低温度，使材料脆性增大，韧脆转变温度提高．加载速率对钢脆性的影响与钢的强度水平有关．一般，中、低强度钢的韧脆转变温度对加载速率比较敏感，而高强度钢和超高强度钢的韧脆转变温度那么对加载速率的敏感性较小．6.试样形状和尺寸的影响缺口曲率半径越小,tk越高,因此,V型缺口试样的tk高于U型试样的tk.具体的方法:(1)降低钢中的碳、磷含量，细化晶粒，热处理成低碳马氏体回火索氏体，可提高高阶能；〔２〕增加钢中碳、磷、氧含量，Ｓi、Al含量超过一定值以及应变时效等，降低高阶能；〔３〕钢中碳、磷、氧、氢含量高，硅、铝含量超过一定值，晶粒粗大，形成上贝氏体以及应变时效，均提高韧脆转化温度；〔４〕增加镍含量，细化晶粒，形成低碳马氏体和回火索氏体，消除回火脆性等，将降低韧脆转化温度；〔５〕增加钢中镍、铜含量，有利于提上下阶能。64第四章材料的断裂韧性概述传统的设计方法和标准是把材料和构件作为连续、均匀和各向同性的受载物体，进行力学分析，确定危险面的应力和应变，考虑平安系数后，对材料提出相应的强度、塑性和韧度的要求，如σ＜σs/n，n为平安系数，防止断裂和其他失效形式的发生.但是，随着现代生产的开展，新工艺、新材料的广泛采用，结构在超高温、超高压、超高速等极限条件下服役，以及大型结构的日益增多，用传统的强度理论设计的结构发生了很多断裂事故，如高强度钢、超高强度钢的机件，中、低强度钢的大型机件常常在工作应力并不高，甚至远低于屈服极限〔σs〕的情况下，发生脆性断裂现象，这就是所谓的低应力脆断．大量断裂事例说明，低应力脆断是由于宏观裂纹的存在引起的．但裂纹的存在是很难防止的，它可以在材料的生产和机件的加工过程中产生，如冶金缺陷、锻造裂纹、焊接裂纹、淬火裂纹、机加工裂纹等，也可以在使用过程中产生，如疲劳裂纹、腐蚀裂纹等．裂纹破坏了材料和构件的连续性和均匀性，使得传统的设计方法无法定量计算裂纹体的应力和应变．经典的强度理论是在不考虑裂纹的萌生和扩展的条件下进行强度计算的，认为断裂是瞬时发生的．然而实际上无论哪种断裂都有裂纹萌生、扩展直至断裂的过程.因此,裂纹在很大程度上决定于裂纹萌生的抗力和扩张力,而不是决定于断面尺寸计算的名义65

应力和断裂应变.断裂力学正是在这种背景下开展起来的一门新兴断裂强度科学．1922年Griffith首先在强度与裂纹尺度间建立了定量关系.1948年Irwin发表了经典性论文《FractureDynamics》，标志着断裂力学成为了一门独立的工程边缘学科.1968年，Rice提出了J积分，Hutchinson证明J积分可以用来描述弹塑性体中裂纹的扩展.断裂力学研究裂纹尖端的应力、应变和应变能的分布情况，建立了描述裂纹扩展的新的力学参量、断裂判据和对应的材料力学性能指标——断裂韧度，以此对机件进行设计和校核。

第一节线弹性条件下的断裂韧性线弹性断裂力学认为在脆性断裂过程中，裂纹体各局部的应力和应变处于线弹性阶段，只有裂纹尖端极小区域处于塑性变形阶段．处理问题有两种方法：一种是应力应变分析方法，研究裂纹尖端附近的应力应变场，提出应力场强度因子及对应的断裂韧度和K判据；另一种是能量分析方法，研究裂纹扩展时系统能量的变化，提出能量释放率及对应的断裂韧度和G判据．一、裂纹扩展的根本方式根据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的根本方式有3种，如图4－1所示．661.张开型〔Ⅰ型〕裂纹扩展拉应力垂直作用于裂纹面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展．例如，容器纵向裂纹在内应力作用下的扩展．2．滑开型〔Ⅱ型〕裂纹扩展切应力平行作用于裂纹面，并且与裂纹前沿线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展．例如，花键根部裂纹沿切应力方向的扩展．3．撕开型〔Ⅲ型〕裂纹扩展切应力平行作用于裂纹面，并且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展．例如，轴类零件的横裂纹在扭矩作用下的扩展．67实际裂纹的扩展过程并不局限于这3种形式，往往是它们的组合，在这些裂纹的不同扩展形式中，以Ⅰ型裂纹扩展最危险，最容易引起脆性断裂．所以，在研究裂纹体的脆性断裂问题时，总是以这种裂纹为对象．二、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子KI设有一承受均匀拉应力的无限宽板，含有长为2a的I型穿透裂纹，如图4－2所示，其尖端附近〔r,θ〕处应力、应变和位移分量可以近似地表达如下．应力分量为:6869从公式各项中发现，都存在一个KI,且，〔所设定条件〕一般表达式，Y为形状因子裂纹尖端应力场强度因子KIc原始裂纹尺寸〔a〕和所受的应力〔σ〕越大，KI值也就越大，，那么该点各应力、应变和位移分量之值愈高，因此，KI反映了裂纹尖端区域应力场的强度，故称之为应力强度因子，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，其一般表达式为上式:三、断裂韧度KIc及断裂K判据1、断裂韧度KIc当应力或裂纹尺寸a增大到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范围内，应力到达了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致材料的断裂，这时KI也到达了一个临界值，这个临界或失稳状态的KI记为KIc或Kc，称之为断裂韧度.一种材料，假设KIc越大，那么材料断裂时所需的应力或裂纹尺寸就越大，说明材料越难断裂，所以，KIc和Kc表示材料抵抗断裂的能力．70

一般把平面应变的应力条件下，裂纹尖端应力场强度因子的临界值叫做断裂韧性，表示材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力；而Kc为平面应力应力条件下的断裂韧度.1、KIc和KI的区别KIc和K1是两个不同的概念，