认证主体：赵**（实名认证）
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1、.绪论§0.1 工程材料工程材料分类（按其应用分）Ø 结构材料声学材料：隔音层光学材料：玻璃，镜片电学材料：金属导线，电子元器件磁学材料：磁头、磁卡化学材料：高分子材料催化剂生物材料：人工关节、人工骨骼依靠其力学性能得以发展和应用的材料。Ø 功能材料利用物质的声、光、电、磁、化学乃至生物性能得以发展和应用的材料。（本课程所研究和讲述的重点在第一种，尤其是结构材料中的金属材料）§0.2 力学性能材料抵抗外加载荷（不仅指外力和能量的作用，而且还包括环境因素例如温度、介质、加载速率等的影响）所引起的变形和断裂的能力。§0.3 研究内容研究材料在外力作
2、用下的变形、断裂和寿命。Ø 弹性生活中常指后者材料在外力作用下保持固有形状和尺寸的能力；以及在外力去除后恢复固有形状和尺寸的能力。Ø 塑性材料在外力作用下发生永久不可逆变形的能力。Ø 强度材料对塑性变形和断裂的抗力。Ø 寿命材料在外力的长期和重复作用下，或在外力和环境因素的复合作用下，抵抗失效的能力（时间长短）。（以上只是定性地说明这些力学性能，如果要定量地说明它就必须用一些力学参量（应力、应变、应力场强度因子等）来表示这些力学性能。如果我们说某材料的力学性能好，就是指这些力学参量的值高或低，所以人们通常将力学参量的临界值或规定值称为材料的力学性能指标。
3、如：强度指标、塑性指标、韧性指标）具体研究涉及的内容：Ø 材料（包括金属材料和非金属材料）在不同形式外力作用下，或者外力、温度、环境等因素的共同作用下，发生变形、损伤和断裂的过程、机理和力学模型；Ø 评定力学性能的各项指标的意义（物理意义和工程实用意义）、各指标间的相互关系以及具体的测试技术；Ø 研究力学性能指标机理、影响因素以及改善或提高这些力学性能指标的方法和途径。（注：材料力学性能的影响因素内因：化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力、表面和内部缺陷。外因：载荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环境介质等。）§0.4学习和研究材料力学性能的目的和意义机
4、械和工程结构的设计，应当达到所要求的性能，并且在规定的服役期内安全可靠地运行，同时也要具有经济性，即低的设计、制造和维修费用。达到使用要求；安全性；经济性然而，各种机械和结构零部件的使用条件各不相同，因而要选用不同的的材料制成零件，也需要采用不同的工艺手段来完成零件的实际制作。而材料的力学性能及其评定指标，是结构设计时选用材料、制订加工工艺的主要依据，也是评价结构质量的主要依据。Ø 在零部件使用中，要求材料具有高的变形和断裂抗力，使零部件在受外力作用时能保持设计所要求的外形和尺寸，并保证在服役期内安全地运行；Ø 在零部件的生产过程中，则要求材料具有优良的可加工性。（例如，在
5、金属的塑性成形中，要求材料具有优良的塑性和低的塑性变形抗力）对于学生，必须具有材料力学性能方面的知识，以便在研究新材料和改善材料的过程中，能根据材料的使用要求，选用合适的现有材料或研制新材料，制订合适的加工工艺。§0.5研究方法Ø 理论分析Ø 试验测定Ø 数值模拟§0.6课程的内容安排Ø 第一部分材料在一次静加载条件下的形变和断裂过程、机制和基本理论；试样有光滑、缺口和含裂纹的；Ø 第二部分论述材料的疲劳、蠕变、环境效应和磨损；Ø 第三部分简要介绍复合材料、高分子材料和陶瓷材料的力学性能。§0.7学习要求
6、Ø 注重温故而知新（和其他课程的关系）Ø 掌握基本概念和基本理论（对公式做理解性记忆）Ø 注重理论和试验相结合（试验原理，方法，设备以及结果分析等）Ø 做练习第一章 材料在静拉伸条件下的力学性能拉伸试验是最简单，但却是最重要的力学性能试验方法，可测定材料的弹性、强度、塑性、应变硬化和韧性等许多重要的力学性能指标。（拉伸性能）§1.1 拉伸试验室温大气中，在缓慢施加（110MPa/s）的单向拉伸载荷作用下，用光滑试件测定材料力学性能的方法。GB/T 228-2010<20MPa/s<0.0025/s<10mm/min标准圆棒形拉
7、伸标准板状拉伸试样比例试样退火低碳钢的拉伸图弹性变形屈服均匀塑性变形局集塑性变形断裂工程应力：；工程应变：工程应力应变曲线真应力：；真应变：由于材料具有不同的化学成份和微观组织，在相同的试验条件下，也会显示出不同的应力应变响应。脆性材料铸铁、玻璃等不存在屈服平台，有色金属（铝合金），焊接接头无颈缩、局集的塑变高锰钢，铝青铜无均匀塑性变形，冷拔钢丝存在非线性弹性变形聚氯乙烯工程实践中，常按材料在拉伸断裂前有无塑性变形，将材料分为脆性材料和塑性材料。§1.2 弹性变形变形：材料在外力作用下发生尺寸或形状的变化，称为变形；弹性变形：若外力除去后，变形随之消失（恢复原形状、尺寸，变形可逆），
8、称为弹性变形。一、物理本质原子间的相互作用力当原子偏离其平衡位置较小时，原子间的相互作用力与原子间的距离近似成正比。虎克定律：二、弹性常数弹性模量：；泊松比： ；切变（剪切）模量： 体积弹性模量： 广义虎克定律：；（本构方程，物理方程，弹性矩阵）三、弹性模量的影响因素弹性模量E越高，在相同应力作用下，弹性变形越小，因此E代表了材料对弹性变形的抗力，或者说代表了材料的刚度（注意：和构件的刚度不同）1. 随原子序数做周期性变化；表明E随原子半径增大而减小（同族元素，原子核最外层电子排列方式相同），亦即随原子间的距离增大而减小。（各向异性）2. 合金元素和热处理对E影响较小；即合金化（如果不影响原子
9、间距的话）和热处理对E基本无影响；3. 温度E（钢：34%/100）固体中的弹性变形以介质中的声速传播4. 一般的加载速率不影响E（钢：vs=5000m/s，摆锤冲击：46m/s，子弹出膛：1000m/s）5. 冷变形稍微降低金属的弹性模量（钢：下降46）四、弹性指标1.比例极限（p）（proportion）非比例伸长应力材料弹性变形时应力和应变成严格的正比关系的上限应力（弹性应变和应力成正比关系的最大抗力）弹性元件（仪表）需要应力应变呈严格线性关系，即灵敏系数为定值条件（规定）比例极限的确定应力超过弹性极限，材料便开始发生塑性变形2.弹性极限（e）材料发生可逆的弹性变形的上限应力值理论上，弹
10、性极限的测定应该是通过不断的加载与卸载，直到能使变形恢复的极限载荷为止；实际上，工程中通常规定以产生规定的某一少量残留变形（如0.005，0.01，0.05）时的应力做为弹性极限，称为条件弹性极限。（均表征材料对微量塑性变形的抗力）条件弹性极限的确定（有些不允许出现残留变形的工件，例如机床的导轨）3. 屈服强度（屈服极限）（s y或0.2）屈服强度标志着金属对塑性变形的抗力，是工程技术上最为重要的力学性能指标之一。对于拉伸时出现屈服平台的材料，由于下屈服点再现性较好，故以下屈服应力做为材料的屈服强度。记为s。但是，更多的材料在拉伸时看不到屈服平台，因而人为地规定当试件发生一定残余塑性变形量时的
11、应力做为材料的屈服强度，称为条件屈服强度。允许的残余变形量可因机件的服役条件而异。常用的条件屈服强度为0.2，表示残余变形量为0.2时的应力。（对于一些特殊机件，如高压容器，为保持严格气密性，其紧固螺栓不允许有微小的残余伸长，要采用0.01甚至0.001做为条件屈服强度；而对于桥梁、建筑物等大型工程结构的构件则可以容许更大的残余变形量如0.5。因此可见，条件屈服强度和条件弹性极限没有本质的区别。）4. 弹性比功（We）又称弹性应变能密度，弹性比能，弹性应变比能。金属材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力；是在开始塑性变形前单位体积材料所能吸收的最大弹性变形功。减震和储能，既要吸收大量变形功，又
12、不允许发生塑性变形淬火+中温回火提高e，或降低E均可提高材料的弹性比功，而提高e作用更大（因其为平方），且E很难改变（如前述）。弹性元件要求在低应力条件下发生较大的可见变形而又不发生塑性变形。硅锰钢e=1200MPa1600MPa（如60Si2Mn）弹性元件还多用磷青铜，铍青铜，优点是无磁性，高的e（1000MPa），低的弹性模量E（110GPa），因此灵敏度高。五、弹性不完善性（弹性不完整性）完善弹性指受到应力作用时立即产生相应的弹性应变，去除应力时弹性应变也随之消失；在应力应变曲线上，加载线和卸载线完全重合，即应力和应变严格同相位。然而实际的金属材料，即使在弹性变形范围内，应变与应力也并非
13、呈严格的对应关系，即应变不仅和应力有关，还和时间以及加载方式有关，这些与完善弹性性质不同的现象，称为弹性不完善性。主要包括弹性后效、弹性滞后以及包申格效应（Bauschinger）。1.弹性后效（滞弹性）正弹性后效（），弹性蠕变；反弹性后效（）（用于表示弹性后效的大小）应变落后于应力的变化。对于多晶金属材料，弹性后效与起始变形的非同时性有关，即与各晶粒中应变不一致不均一性有关。（因此，材料的成分和组织不均匀，弹性后效增大。具有密排六方晶格的镁，晶格对称性较低（与立方晶格相比），弹性后效强烈；经淬火或冷作硬化的碳钢，弹性后效高达30（回火300450，弹性后效消失）；另外温度和应力状态对弹性后效
14、也有明显影响）弹性后效明显，会影响仪表中弹性原件的灵敏度。2.弹性滞后和内耗相对滞后系数循环韧性弹性滞后环Cr13系列钢用于制造汽轮机叶片Ø 优点弹性滞后，加载时金属所吸收的弹性变形能大于卸载时所释放的弹性变形能，即有一部分能量被不可逆地吸收（滞后环面积），称为内耗。可用于减震（减震元件，例如灰口铸铁，做机器或结构的底座或支架）Ø 缺点有内耗，如果做为仪表的弹性元件，将降低其灵敏度，另外，乐器中元件（例如琴弦），要求其内耗低，以使声音 共鸣而不衰减，音响效果好。1880年代，德国人，拉压试验3.包申格（Bauschinger）效应材料预先经过少量塑性变形（<1%4%）
15、后再同向加载，比例极限和弹性极限升高，若反向加载，则比例极限和弹性极限降低，这一现象称为包申格效应。（此效应值得注意的是反向加载时弹性极限几乎下降到0的情况，说明反向变形时正比弹性性质改变了，并且立即出现了塑性形变。）Ø 举例T10钢淬火350回火，曲线1：正常拉伸，0.2=1130MPa 曲线2：事先经过预压塑性变形再拉伸时，0.2 =880MPaØ 原因原先加载变形时,位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍,塞积后产生了背应力,当反向加载时,位错运动的方向与原来方向相反；背应力帮助位错运动,塑性变形容易,屈服强度s,另外,反向加载时,滑移面上产生的位错与预变形的位错异号,异
16、号位错销毁,引起材料软化,s。Ø 应用经微量冷变形的材料若是在使用时的受力方向和原来的变形方向相反，必须考虑屈服强度的降低；在板加工轧制过程中，设法使其通过各道轧辊时交替地承受反向弯曲应力，这样可以降低屈服强度，从而增加其延展性；Ø 消除进行较大的预应变，产生较大残留塑性变形；或在引起金属回复或再结晶的温度下退火。（钢，400500）§1.3 塑性变形一、物理本质常见的塑性变形方式是滑移和孪生（前者是最基本的）。1.滑移晶体的塑性变形是晶体的一部分沿着某些晶面或晶向发生滑动的结果，这种塑性变形方式称为滑移。（滑移台阶；滑移线，滑移带，台阶的累积构成宏观塑性变形，滑
17、移面，滑移方向，一个滑移面与此面上的一个滑移方向结合起来构成一个滑移系，其表示金属晶体在发生滑移时滑移动作可能采取的空间取向，滑移系越多，塑性越好；一般说来，滑移面总在原子排列最密的晶面上，也总在原子排列最密的晶向上；临界分切应力（随温度上升而下降）2.孪生晶体在切应力作用下，晶体局部区域内，晶体的一部分沿着一定的结晶面（称为孪晶面或孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分晶体做均匀地切变。（切变后已变形区的晶体取向与未变形区的晶体取向呈镜面对称关系；孪生变形可以调整滑移面的方向，使新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献，即：滑移受阻，出现孪生，变形速度加快；（临界分切应力随温度下降而提高
18、）3.多晶体金属的塑性变形Ø 各晶粒变形的不同时性和不均匀性；Ø 各晶粒变形的相互协调性二、屈服现象和屈服强度1.屈服现象1）表现许多退火的中低碳钢或低合金钢，或某些有色金属（如三七黄铜），这类材料从弹性变形阶段过渡到塑性变形阶段是明显的，表现为在试验中，当加载到A点时，材料发生突然的塑性变形，使载荷下降到B点；同时在试件过渡圆角处出现与拉力呈45º的变形带（吕德斯带，屈服线，该线布满整个试样时，屈服伸长结束），随后在应力做微小波动的情况下，试件继续伸长。（或外力恒定不增加的条件下试样继续伸长）这便是屈服现象。：塑性变形应变速率；b：柏氏矢量的模；：位错运动平均速
19、率；：可动位错密度：沿滑移面的切应力0：位错以单位速率运动所需的切应力：位错运动速率应力敏感指数屈服过程中形成的伸长称为屈服伸长；屈服伸长对应的水平线段或形成屈服平台。2）物理本质三条件Ø 材料塑性变形前可动位错密度很小；（或虽有但大量位错被杂质原子或第二相质点钉扎住）Ø 随塑性变形发展，位错能快速增殖；Ø 位错运动与外加应力有强烈依赖关系 由于塑形变形前材料中的可动位错很小，为了适应一定的宏观变形速率（即试验机横梁移动速度）的要求，必须增大位错运动速率。而位错运动速率又取决于应力的大小，因此，必须要有较高的外应力，因此出现上屈服点。接着发生塑形变形，位错大量增值
20、，增大，为适应原先的形变速率，位错运动速率必然大大降低，相应的应力也就突然降低，出现了屈服现象。m越小，为使位错运动速率变化所需的应力变化越大，屈服现象越明显。bcc金属的m小于20，fcc金属的m则大于100200，因此前者屈服现象明显，而后者不显著。2.屈服强度1）定义试样在外力恒定仍能伸长时的应力称为屈服点（s）；试件发生屈服而载荷首先下降前的最大应力称为上屈服点（su）；当不计初始瞬时效应时的屈服阶段的最小应力称为下屈服点（sl）；一般以屈服点或下屈服点做为材料的屈服强度，以表征材料对微量塑性变形的抗力；无屈服现象的材料就采用条件屈服强度（例如0.2）2）工程意义屈服强度是金属材料重要
21、的力学性能指标，它是工程上从静强度角度选择材料的基本依据。许用应力：复杂应力状态：米赛斯（Mises）屈服准则：（第四强度理论）屈雷斯卡（Tresca）屈服准则：（第三强度理论）（高好，但不能太高，屈强比高，不利于应力重分布，易断；另外就是高不易加工，冷加工及焊接性能差，且对应力腐蚀和氢脆敏感）3）影响屈服强度的因素内在因素金属的屈服强度从理论上讲与位错开动的临界分切应力有关（屈服变形是位错增殖和运动的结果），其值主要由位错运动所受的各种阻力决定。这些阻力主要是点阵阻力，位错间交互作用产生的阻力，位错与其他晶体缺陷之间交互作用的阻力等；（1）纯金属（形变强化（提高位错密度），细晶强化（晶界或亚
22、晶强化）（2）合金（固溶强化（引起点阵畸变）、第二相强化（沉淀或弥散强化）外在因素（1）温度一般，温度升高，屈服强度降低；（和金属结构有关，bcc温度效应高于fcc，原因是点阵阻力不同）（低温脆性）（2）加载速率（变形速率，应变速率）加载速率增加，金属材料的强度增加（3）应力状态同一材料在不同加载方式下，屈服强度不同，因为只有切应力才会使材料产生塑性变形。而在不同应力状态下，材料中某一点所受的切应力分量和正应力分量的比例不相同，切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低，扭转的屈服强度比拉伸屈服强度低，拉伸的又比弯曲的低，而三向不等拉伸下的屈服强度最高。柔度因数：（因此，测取材料屈服强度的
23、时候才会规定标准试样的尺寸，以及标准加载方式，目的就在于保证试样应力状态的一致性）三、形变强化（应变硬化）截面收缩率：在金属整个变形过程中，当外力超过材料屈服强度后，塑性变形并不是像屈服平台那样可以继续流变下去，而是需要不断增加外力才能继续进行。这表明金属材料具有一种阻止继续塑性变形的能力，这就是形变强化性能（应变硬化）。要准确全面描述材料的应变硬化行为，要使用真实应力应变曲线。1.真应力应变曲线在均匀塑性应变阶段，存在：真应力：真应变构成真实应力应变曲线2.形变强化（应变硬化）在拉伸的真实应力应变曲线上，从屈服到颈缩一段曲线（均匀塑性变形阶段），可以用Hollomon关系式描述：其中n为应变
24、硬化指数，K为硬化（强度）系数（注意：的条件下，Romberg-Osgood公式：中的n和上式中n的不同）应变硬化指数n反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力，n越大，材料对继续塑性变形的抗力越高；它是表征金属材料应变硬化行为的性能指标；它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力。n=1：双线性n=0：无应变硬化能力（大多数金属材料的在0.050.5之间；另外材料的强度越高，n越低，两者之积近似为常数；对有些金属材料:象双相钢，一些铝合金和不锈钢不能用Hollomon方程描述。在lnS-ln图中会得到两段不同的斜率的直线，称为双n行为，它使得n的意义模糊和复杂化，要寻求其他方程形式来表征真应力-应变关
25、系。）3.形变强化（应变硬化）的技术意义Ø 金属的加工硬化指数（能力），对冷加工成型工艺是很重要的；形变强化与塑性变形相配合，保证了金属材料在截面上的均匀变形，得到均匀一致的冷变性制品；Ø 对于工作中的零件，也要求材料有一定的加工硬化能力和抗过载能力，这是零件安全使用的可靠保证。Ø 形变强化是提高材料强度的重要手段。784980MPa喷丸、表面滚压，提高强度和疲劳强度（不锈钢（1Cr18Ni9Ti），0.2196MPa，但n=0.5，可用冷变形可成倍的提高（40%压下量冷轧，0.2×45）复相钢（+M），利用受力变形时M使形变硬化作用增强的特点，达到推迟
26、颈缩的目的。）四、颈缩现象与抗拉强度1.颈缩应变硬化跟不上塑性变形的发展，塑性变形不均匀了颈缩是韧性金属材料在拉伸试验中变形集中于局部区域的特殊现象，是应变硬化（物理因素）与截面减小（几何因素）共同作用的结果。工程应力应变曲线上的应力达到最大值时，即开始颈缩。颈缩前是均匀塑性变形，颈缩后是不均匀塑性变形，即局部集中（局集）塑性变形。（在颈缩开始后，虽然塑性应变集中于颈缩区，试件的截面积急剧减小，虽然工程应力减小，但真应力由于试件截面积的减小继续增大，因此真应力应变曲线显示出与工程应力应变曲线完全不同的趋势）颈缩的判据为：；即：，（AdS代表承载能力由于形变强化，即S的增加而上升；SdA代表承载
27、能力因截面A的减小而而下降。颈缩现象的出现就是由于硬化引起的承载能力的升高抵偿不了因截面面积的减小引起的承载能力的下降，即AdS项小于SdA项而引起的。）得：又有塑性变形体积不变原理：得到：从而可以得到：即有：说明当真应力应变曲线上的某点的斜率（应变硬化速率）等于该处的真应力的时候，颈缩开始。利用hollomon公式：得到：，设颈缩点的，则有：得到：即：当金属材料的真实均匀塑性应变量等于应变硬化指数时，颈缩便会产生。（b：形变强化容量其除了代表材料的均匀塑性变形能力的大小外，还包含着金属利用应变硬化获得强化的可能性的大小，所以称形变强化容量）2.颈缩应力修正颈缩一旦产生，拉伸试样原来的所受的单
28、向应力状态就被破坏，而在颈缩区出现三向应力状态，这是由于颈缩区中心部分的拉伸变形的径向收缩受到约束所致。在三向应力状态下，材料塑性变形变得比较困难。为了继续进行塑性变形，就必须提高轴向应力，因而颈缩处的轴向真实应力高于理论单向拉伸受力状态下的轴向应力。为了补偿颈部径向应力、切向应力对轴向应力的影响，求得仍然是均匀轴向应力状态下的真实应力，必须对颈部应力进行修正。利用Bridgmen关系可以估算：由于试验中测a、R较为困难，因此有Bridgmen经验公式：b的高低取决于s和n，s一定时，n越大，b越大；如果已知s和b，就可以间接知道应变硬化情况（n）3.抗拉强度（b）试样断裂前所能承受的最大工程
29、应力；在材料不产生颈缩时抗拉强度代表断裂抗力 Ø 脆性材料：设计时，其许用应力以抗拉强度为依据；Ø 塑性材料：代表产生最大均匀塑性变形的抗力，但它表示了材料在静拉伸条件下的极限承载能力。易测定，重现性好，作为产品规格说明或质量控制的标志。（屈强比的概念）（b能和材料的疲劳极限-1和材料的布氏硬度HB建立一定关系：对淬火回火钢：-1b/2，HBWb/3）因此，b被列为材料常规力学性能的五大指标之一。五、塑性与塑性指标1.塑性塑性是指材料在断裂前发生塑性变形（不可逆永久变形的能力。（塑性意义：1）和应变硬化相配合，可避免过载造成的断裂；2）局部塑变，应力重分配，不致产生应力过高
30、引起的断裂；3）便于材料塑性成形；4）塑性变形可避免构件断裂失效。）金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和局部集中塑性变形两部分构成，由颈缩开始为分界点。对于大部分金属材料，其均匀塑性应变量比局部集中塑性应变量要小得多，一般不超过后者的50。例如高强度钢前者是后者的510；铝或硬铝为1820；黄铜为3545%。2.塑性指标工程上常用条件塑性而不是真实塑性，拉伸时条件塑性以延伸率（断后伸长率）k和断面收缩率k表示。1）延伸率（断后伸长率）试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比。即：可知：试验研究结果表明，均匀伸长率b是一个取决于合金基体相状态的常数，而局集伸长率n则与试件几何有关：即：
31、因此，为了保证同一材料不同几何尺寸试件延伸率测试结果的可比性，要求为同一常数，一般要求其为5.65或11.3，对应和。（）（比例试样）(拉伸过程中，瞬间的伸长率即是工程应变e)（gt：以最大载荷下的总伸长率表示材料塑性，最大力下的总伸长率指试样材料拉伸时产生的最大的均匀塑性应变量（工程应变）；gt对于评定冲压板材的成型能力是很有用的；真实应变：；对于退火，正火或调质态的低，中碳钢来说，测出gt可以最终得到n。）2）断面收缩率试样拉断后，颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。即：同样地有：（任一瞬间的截面收缩率：）（试验表明，b（b）或b主要取决于金属中基体相的状态，反映基体相的强化
32、程度，对第二相的存在不敏感，也不受晶粒度的影响，而n（n）或n不同，它取决于基体相的总塑性，并受第二相的影响，对结构组织非常敏感）3）塑性指标之间的关系根据体积不变原理，在均匀塑性变形阶段，存在：（忽略弹性应变或比例加载）即瞬时伸长量大于瞬时截面收缩率；均匀伸长率大于均匀断面收缩率。这样，均匀塑性变形阶段的真实应力和真实应变可继续推导为：局集塑性应变阶段，由于伸长量沿试样标距不再是均匀分布，而是主要分布在颈缩区，因此，用来表征应变已失去了物理意义。而且用来求取真应变也是不合适的。但仍可以用断面收缩率来定义工程应变，并求得真应变：而真应力：§1.4 材料的断裂断裂是试件在外载荷作用下至
33、少分裂成两部分。一、拉伸断裂的力学性能指标1.断裂强度拉伸断裂时的真应力称为断裂强度（断裂真应力），记为f（Sk）；也可根据经验公式估算之：（在有颈缩的的情况下，必须进行颈缩修正）2.断裂延性拉伸断裂时的真塑性应变称为断裂延性，记为f（k）3.静力韧度单位体积材料在断裂前所吸收的能量，也就是外力使材料断裂所做的功称为金属的韧度（韧性）或断裂应变能密度（Ut），它可能包含三部分能量：即弹性应变能、塑性应变能和断裂能。通常将静拉伸真应力应变曲线下所包围的面积，也就是材料在断裂前单位体积所吸收的功称为静力韧度。即：脆性材料，韧度等于弹性应变能；高塑性材料，韧度主要由塑性变形能和断裂能构成，可用下式进
34、行估算：金属材料的韧度是与强度和塑性相关的综合性的力学性能指标，但它更大程度上取决于塑性。要提高材料的韧度，必须使材料的强度和塑性达到最佳的配合。二、断裂类型1.金属材料静拉伸断口五种情况：（a）弹性变形状态下断裂，完全脆性断裂，Sk=b（b）均匀塑性变形后断裂，Sk=Sb>b(a、b共同特点：断口齐平，并且垂直于最大主应力方向，宏观正断，无塑性变形或有少量的均匀塑性变形，无颈缩，k极小。但微观并不一定是正断（解理断），b可能是剪切型断裂)（铸铁、淬火低温回火的高碳钢）（e）试样的断面可减细到近于一尖刀，然后沿最大切应力方向断开。（Sk）（纯金Au、纯铝Al）（c）既有宏观正断，又有宏观
35、切断（Sk）（d）宏观切断（Sk）（c、d共同特点：出现颈缩，试样中心先开裂，然后向外延伸（可能出现快速扩展（低能撕裂），如c），接近表面时，沿最大切应力方向的斜面断开，形成杯锥状断口。（详细后述）2.断裂类型及相关术语从工程应用角度，常将断裂分为韧性（延性）断裂和脆性断裂；韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂；脆性断裂是金属材料断裂前没有明显宏观塑性变形的断裂；根据裂纹扩展路径不同，可以分为穿晶断裂和沿晶断裂（晶间断裂）；根据扩展机制不同，可以分为解理断裂和剪切断裂（包括纯剪切和微孔聚集型断裂）；正断和切断，是指引发断裂的原因和断裂面的取向；（断裂的宏观表现与微观机理并非是一一
36、对应的）（在不同的场合，用不同的术语描述断裂的特征。应注意有关术语的含义及它们之间的相互关系和区别）三、脆性断裂脆性断裂的宏观特征，是断裂前不发生可测的塑性变形，因此，结构件中的应力不能通过材料的塑性变形而重新分布，材料也不可能通过塑性变形而强化，因而不能延缓断裂的发生；再则，材料发生脆性断裂时，裂纹的扩展速度往往很快，相当于（该材料中的）音速。所以，脆性断裂前无明显的征兆，且断裂是突然发生的，危害更大。脆性断裂的微观机制主要有解理断裂（准解理断裂）和晶间断裂。1.解理断裂1）定义材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面（解理面）劈开而造成的。（解理面通常是表面
37、能最小的晶面）回火过程中马氏体分解和残余奥氏体转变都会产生碳化物（例如渗碳体）（fcc一般不解理，因其滑移系多）2）形貌Ø 宏观形貌：较为平坦的、发亮的结晶状断面；Ø 微观形貌：河流状花样，河流的流向为裂纹扩展方向；舌状花样（沿孪晶面扩展形成）；（解理台阶的汇合）2.准解理断裂1）定义多在马氏体回火钢（淬火回火钢，40Cr）中出现，回火产物中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。其解理面呈多种小平面，解理小平面间有明显的撕裂棱。n 准解理断裂起源于晶内硬质点，向四周放射状扩展；n 解理裂纹则从晶界一侧向另一侧延伸2）形貌过共析钢中析出二次渗碳体，沿奥氏体晶界网状分布短而弯曲
38、的撕裂棱，局部区域出现韧窝（是解理和微孔聚合的混合型断裂），河流花样已不十分明显。3.沿晶断裂1）定义裂纹沿晶界形成并沿晶界扩展而引发的脆性断裂（晶界强度降低的原因：晶界存在连续分布的脆性第二相；微量有害杂质元素在晶界上偏聚；由于环境因素损害了晶界，如氢脆，应力腐蚀，蠕变等）2）形貌Ø 宏观形貌：粗瓷状、颗粒状，色泽稍灰暗；Ø 微观形貌：岩石状、冰糖状四、韧性断裂（延性断裂）（以微孔聚集型断裂为典型）1.断裂过程当光滑试样受拉伸载荷作用，当载荷达到最大值时，试样发生颈缩。在颈缩区形成三向拉应力状态，在三向应力作用下，使得试样心部的夹杂物或第二相质点破裂（或夹杂物或第二相质点
39、与基体界面脱离结合形成微孔。在外力作用下，微孔在纵向和横向上均长大，并联接而形成大的中心空腔（中心裂纹）（微孔形核微孔长大微孔聚合）。然后，裂纹扩展：（微孔萌生显微裂纹新的微孔萌生（在剪切带上）微孔和裂纹聚合（扩展缓慢，形成锯齿形纤维形）裂纹迅速扩展（形成放射状花样）剪切断裂（剪切唇）（束德林：工程材料力学性能；黄明志：金属力学性能）最后，沿45º方向切断，形成杯锥状断口。2.微孔成核、长大与聚合机制实际金属中总有第二相粒子存在，它们是微孔形核的源。分为两类：夹杂物（如钢中的硫化物）在不大的应力作用下便与基体脱开或本身裂开而形成微孔；强化相（如钢中弥散的碳化物或其他第二相）它们本身比
40、较坚实，与基体结合比较牢固，因位错聚集，或在位错塞积引起的高应力或高应变条件下，第二相与基体塑性变形不协调而萌生微孔。1）微孔形核与长大的位错模型（见上页图）2）微孔形核和长大的塑性变形不协调理论基体塑性好，随外加应力而变形，第二相粒子塑性差不易变形，两者不协调，界面上就出现了相互作用的内应力（切应力），超过一定程度时，将界面拉开而形成微孔。3）微孔聚合的内颈缩或几何软化理论微孔长大后出现“内缩颈”，使实际承载的面积减小而应力增加，起到“几何软化”作用，促使变形的进一步发展，加速微孔的长大，直至聚合。3.断口形貌1）宏观形貌 纤维状，色泽灰暗，边缘有剪切唇（与主应力方向呈45º，最大
41、切应力方向）。杯锥状断口（退火低碳钢圆棒试样室温拉伸）；由纤维区、放射区和剪切唇三部分组成。（三部分所占面积和材料的塑性密切相关，材料的塑性越好，则放射区面积所占比例越小，最终放射区消失）2）微观形貌韧窝三种类型：拉伸型的等轴状韧窝剪切型的伸长（抛物线型）韧窝撕裂型的伸长（抛物线型）韧窝（应当指出，微观断口上的韧窝形貌，往往与宏观上的韧性断裂相联系，但并无严格的对应关系，例如构件处于三向应力状态，其断裂宏观上可能是脆性的，但微观机制仍可能是微孔聚集型的韧性断裂）本章小结：一、试验方法试验过程、工程应力应变曲线、真应力应变曲线二、弹性变形物理本质、弹性常数、应力-应变关系、特征值、不完善性三、塑
42、性变形物理本质、屈服及屈服强度、形变强化、颈缩、特征指标（屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率）四、断裂断裂强度（断裂延性）、断裂类型及物理本质和基本形貌；第二章 材料在其他静载荷下的力学性能研究材料在常温静载荷下的力学性能时，除采用单向静拉伸试验方法外，有时还选用压缩、弯曲、扭转等试验方法，目的是：很多机件在服役过程中常承受弯矩、扭矩或轴向压力的作用，有必要测定试样在相应承载条件下的力学性能指标，做为设计和选材的依据；（实际中存在）不同的加载方式产生不同的应力状态，材料在不同应力状态中表现的力学性能不完全相同，因此，应选用不同应力状态的试验方法。（和单向拉伸应力状态不同）本章介绍压缩、弯曲
43、、扭转和剪切等试验方法及测定的力学性能指标§2.1 应力状态柔度因数（软性系数）一、柔度因数塑性变形和断裂是金属材料在静载荷下失效的两种主要形式，它们是金属所能承受的应力达到其相应的强度极限而产生的。当金属所受的最大切应力max达到屈服强度s时，产生屈服；当max达到切断强度k时，产生剪切型断裂；当最大正应力Smax达到正断强度Sk时，产生正断型断裂。但同一种金属材料，在一定承载条件下产生何种失效方式，除与自身的强度大小有关以外，还与承载条件下的应力状态有关。不同的应力状态，其最大正应力与最大切应力的相对大小是不一样的。考虑到三向应力状态下另外两向应力的贡献，因此材料的最大正应力的计
44、算采用第二强度理论给出：即：不再采用Smax1而采用（第二强度理论）：称为最大当量正应力最大切应力由第三强度理论给出：一般将最大切应力与最大当量正应力的比值定义为应力状态柔度因数（软性系数）不同加载方式下的软性系数值（0.25）加载方式主应力软性系数123三向等拉伸0三向不等拉伸(8/9)(8/9)0.1单向拉伸000.5扭转00.8二向等压缩01.0单向压缩002.0三向压缩22二、弗里德曼图与材料的韧脆转变弗里德曼考虑了材料在不同状态下的极限条件与失效形式，用图解的方法把它们的关系做了概括，即力学状态图。从图中可以看出：三向不等拉伸（<0.5）时，随着应力的不断加大，直到与Sk线相交
45、，即发生正断，它与s线不相交，故无宏观塑性变形，属正断型脆性断裂；单向拉伸（0.5）时，先与s线相交，发生塑性变形（屈服），然后与Sk线相交，发生正断，属正断型的韧性断裂；扭转（0.8）时，先与s线相交，发生塑性变形（屈服），然后与k线相交，发生切断，属于切断型的韧性断裂。即：相同的材料在不同应力状态下表现出不同的断裂模式，也可称为在不同应力状态条件下的韧脆转变。（材料在其他外界因素下也会发生韧脆转变，因涉及到具体的试验测试手段，因此后面讲。）§2.2 材料在轴向压缩载荷下的力学行为（单向压缩试验）一、试样型式常用的压缩试样为圆柱体（也可采用立方体或棱柱体），为防止压缩时试件失稳，试
46、件的高度与直径之比h0/d0=1.52.0，同时h0/d0越大，抗压强度越低，因此对于几何形状的试件，需要保证h0/d0为定值。（GB7314-87）二、试验过程为保证两端面的自由变形，试件的两端面必须光滑平整（涂润滑油、石墨）；或者将试样的端面加工成圆锥凹面，使锥面的倾角等于摩擦角，即tanf，f为摩擦因数，也要将压头改成相应的锥体；压缩可以看作是反向拉伸，因此，拉伸试验中所定义的各个力学性能指标和相应的计算公式，在压缩试验中基本可以应用；1高塑性材料；2低塑性材料1拉伸；2压缩抗压强度：相对压缩率：相对断面扩胀率：（如果在试验时材料发生明显的屈服现象，还可测定压缩屈服点sc）（上图中的曲线
47、2是低塑性材料的压缩曲线，在轴向压缩时，低塑性材料发生由剪应力引起的剪切时的断裂，断口表面与压力轴线呈45º角，如灰铸铁；而脆性材料断口表面和压力轴线平行，如陶瓷材料）但两者存在差别，如压缩时试件不是伸长而是缩短，横截面不是缩小而是涨大，另外，塑性材料压缩时不发生变形而不断裂，压缩曲线一直上升，因此，塑性材料很少做压缩试验。三、特点及应用单向压缩试验的应力状态柔性系数2.0（0.25时），比其他应力状态都软，因此主要用于拉伸时呈脆性的材料的力学性能测试（例如铸铁、陶瓷、轴承合金、水泥和砖石），且能显示出一定的塑性变形行为。§2.3 材料在扭矩作用下的力学行为一、应力应变分析
48、：扭转角（相对扭转角）在横截面上无正应力只有切应力作用；弹性变形阶段，横截面上各点的切应力与径向垂直，其大小与该点距中心的距离成正比；（：距中心距离；：极惯矩）对于圆杆表面，有：d0为外径d1为内径W为抗扭截面模量（系数），有：（实心）或 （空心）因切应力作用而在圆杆中产生切应变为：圆杆表面：当表层发生塑性变形后，各点的切应变仍同该点距中心的距离成正比，但切应力则由于塑性变形而降低。二、扭转试验及测定的力学性能（GB10128-88）1.扭转试样扭转试验主要采用直径d010mm，标距长度分别为100mm和50mm的圆柱形试样，在扭转试验机上进行。2.试验过程随着扭矩M的增大，试件标距两端截面不
49、断发生相对转动，使扭转角增大，可得M关系曲线，称为扭转图。直至试件断裂。（像单向拉伸的真应力真应变曲线，均匀变形，即使是在塑性变形阶段，无缩颈）3.性能指标Ø 切变模量MP的确定可以参考单向拉伸试验中PP的确定方法Ø 扭转比例极限Ø 扭转屈服强度（确定扭转屈服强度的残余切应变取0.3，是为了和确定屈服强度时取残余正应变的0.2相当单向拉伸： ）k，b均为试件扭断前所承受的最大扭矩；为单位长度上的相对扭转角，即：简单可以写做：Ø 抗扭强度称为条件抗扭强度（因其按照弹性变形公式计算，比真实的为大）。真实抗扭强度：若：，则：扭断时的塑性变形（残余扭转相对切应变
50、）：k为试件断裂后标距长度l0上的相对扭转角。三、扭转试验的特点及应用Ø 软性系数0.8，较大，故可测定那些在拉伸时表现为脆性的材料的塑性行为（如淬火回火钢）；Ø 塑性变形均匀，截面和标距尺寸不变，无缩颈，因此可用此精确测定高塑性材料的变形能力和变形抗力；Ø 最大正应力与最大切应力在数值上相当，而生产中所用的大部分金属材料的正断强度大于切断强度，因此，扭转试验是测定这些材料切断强度的最可靠的方法；Ø 可通过扭转试样的宏观断口特征，还可明确区分金属材料的最终断裂方式是正断还是切断。（塑性材料的断裂面与试样轴线垂直，断口平整，有回旋状塑变痕迹；脆性材料的断裂
51、面与试样轴线呈45º，呈螺旋状）§2.4 材料在弯曲载荷作用下的力学行为四点弯曲两加载点之间等弯矩，试件通常具有组织缺陷处断裂，能较好地反映材料的性质；但须注意加载的均衡；三点弯曲，试件总在最大弯矩处或其附近断裂，方法简单，因此常用。一、弯曲试验方法（GB14452-93）采用矩形或圆柱型形试样，可三点弯曲，也可四点弯曲。二、性能指标用弯曲试件的最大挠度fmax表征材料的变形性能，试验时，在试件的中心测定挠度f，绘成Pf关系曲线，称为弯曲图。(对于高塑性材料，弯曲试验不能使试件断裂，其曲线的最后部分可以延伸很长，因此其力学性能不能由弯曲试验获得)对于脆性材料，抗弯强度定义为
52、：其中，试件断裂时的弯矩（三点弯曲）；（四点弯曲）抗弯截面模量（系数）（圆棒）；（矩形截面）三、特点及应用Ø 主要用于脆性材料的抗弯性能（陶瓷、铸铁、硬质合金）（试件加工、装卡简单，试验操作方便）Ø 可用来比较和鉴定经表面强化处理的机件的表面质量及检测表面缺陷（因其截面应力分布不均匀，表面应力最高）§2.5 材料抗剪切性能试验制造承受剪切载荷或进行剪切加工的材料，通常要进行剪切试验。（铆钉、销子）一、单剪试验试件取自板材或线材材料的抗剪强度（假设切应力在整个截面内均匀分布）（剪切试验不能确定剪切比例极限和剪切屈服强度，因其截面内应力分布复杂，不仅有剪切，而且有挤压
53、和弯曲）二、双剪试验试件为圆柱体（线材）抗剪强度（被剪部分的长度（l0）与试件直径（d0）之比不能超过1.5；加载速度110mm/min，以防止出现弯曲变形，如出现明显的弯曲变形，结果无效）三、冲孔式剪切试验试件为金属薄板抗剪强度：本章总结0、柔度因数，力学状态图（韧脆转变）一、试验方法二、力学性能指标（区别）第三章 材料的硬度硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。硬度值的大小不仅取决于材料的成份和显微组织，而且取决于测量方法和条件。测定硬度的方法很多，主要有压入法、回跳法和刻划法三大类。用不同的方法测定的硬度具有不同的意义，例如压入法硬度值表征金属塑性变形抗力及应变硬化能力；回跳法硬度值主要
54、表征金属弹性变形功的大小；划痕法硬度值主要表征金属切断强度。目前还没有统一而确切的关于硬度的物理学定义。一般指金属表面抵抗局部压入塑性变形或刻划破裂的能力。硬度试验一般仅在金属表面局部产生很小的痕迹，因而很多机件表面可在成品上试验而无需专门加工试样；因其设备简单，操作方便、迅速，同时又能敏感地反映出金属材料的化学成份和组织结构的差异，因而广泛用于检查金属材料的性能、热加工工艺的质量或研究金属组织结构的变化，也用于检查金属表面层的质量（如脱碳）、表面淬火和化学热处理后的表面性能等。在机械制造行业中，主要采用压入法（其中又包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度多种，本章将做重点介绍。压入硬度试验方法的应力状态软性系数>2.0，几乎所有的金属材料在这种应力状态下都能产生塑性变形。因此，这种试验方法不仅可以测定塑性金属材料的硬度，也可测定淬火钢、硬质合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。始于1900年GB/T 231-84GB/T 231.1-2002§3.1 布氏硬度一、测试原理和方法1.试验原理P单位：kgf；尺寸单位：mm载荷单位如用N，则需要进行换算，公式右乘以0.102用一定的压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，在试样表面留下压痕，单位压痕表面积（A）所承受的平均压力定义为布氏硬度值。原标准压球可用硬质合金球（标为HBW
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