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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除绪论弹性：指材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力。塑性：材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力。 刚度：材料在受力时抵抗弹性变形的能力。 强度：材料对变形和断裂的抗力。韧性：指材料在断裂前吸收塑性变形和断裂功的能力。 硬度：材料的软硬程度。 耐磨性：材料抵抗磨损的能力。 寿命：指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效的能。材料的力学性能的取决因素：内因化学成分、组织结构、残余应力、表面和内部的缺陷等；外因载荷的性质、应力状态、工作温度、环境介质等条件的变化。第一章 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能1.1 拉伸力伸长曲线和应力应变
2、曲线应力应变曲线退火低碳钢在拉伸力作用下的力学行为可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形和断裂几个阶段。弹性变形阶段：曲线的起始部分，图中的oa段。多数情况下呈直线形式，符合虎克定律。屈服阶段：超出弹性变形范围之后，有的材料在塑性变形初期产生明显的塑性流动。此时，在外力不增加或增加很小或略有降低的情况下，变形继续产生，拉伸图上出现平台或呈锯齿状，如图中的ab段。退火低碳钢应力应变曲线均匀塑性变形阶段：屈服后，欲继续变形，必须不断增加载荷，此阶段的变形是均匀的，直到曲线达到最高点，均匀变形结束，如图中的bc段。不均匀塑性变形阶段：从试样承受的最大应力点开始直到断裂点
3、为止，如图中的cd段。在此阶段，随变形增大，载荷不断下降，产生大量不均匀变形，且集中在颈缩处，最后载荷达到断裂载荷时，试样断裂。弹性模量E：应力应变曲线与横轴夹角的大小表示材料对弹性变形的抗力，用弹性模量E表示。塑性材料应力应变曲线（a）弹性弹塑性型：Oa为弹性变形阶段，在a点偏离直线关系，进入弹塑性阶段，开始发生塑性变形，开始发生塑性变形的应力称为屈服点，屈服点以后的变形包括弹性变形和塑性变形。在m点卸载，应力沿mn降至零，发生加工硬化。（b）弹性-不均匀塑性-均匀塑性型：与前者不同在于出现了明显的屈服点aa，有时呈屈服平台状，有时呈齿状。应变约1%3%。退火低碳钢和某些有色金属具有此行为。
4、（c）弹性-均匀塑性型：未出现颈缩前的均匀变形过程中发生断裂。主要是许多金属及合金、部分陶瓷和非晶态高聚物具有此种曲线。（d）弹性-不均匀塑性型：形变强化过程中出现多次局部失稳，其塑性变形方式通常是孪生而不是滑移。当孪生速率超过试验机夹头运动速度时，载荷会突然松弛而呈现锯齿形的曲线。某些低溶质固溶体铝合金及含杂质的铁合金具有此行为。加工硬化：材料经历一定的塑性变形后，其屈服应力升高的现象称为应变强化或加工硬化。颈缩：材料经均匀形变后出现集中变形的现象称为颈缩。1.2 弹性变形材料受外力作用发生尺寸和形状的变化，称为变形。外力去除后，随之消失的变形为弹性变形，剩余的（即永久性的）变形为塑性变形。
5、弹性变形的重要特征是其可逆性，即受力作用后产生变形，卸除载荷后，变形消失。曲线1：两原子间的引力 曲线2：两原子间的斥力 曲线3：两原子之间的作用力当原子间相互平衡力受外力而受到破坏时，原子位置相应调整，产生位移。而位移总和在宏观上表现为变形。 外力去除后，原子依靠之间的作用力又回到原来平衡位置，位移消失，宏观变形消失。弹性模量E：表征材料抵抗正应变的能力。在单向受力状态下E=xy切变模量G：表征材料抵抗剪切变形的能力。在纯剪切应力状态下G=xyxy泊松比：反映材料受力后横向正应变与受力方向上正应变之比。单向受力状态下体积弹性模量K：表示物体在三向压缩下，压强p与体积变化率V/V之间的线性比例
6、关系。K=E3(1-2)刚度：工程上弹性模量为称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同的应力状态下产生的弹性变形量越小。弹性比功：弹性比功又称弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功而不发生永久变形的能力。金属拉伸时的弹性比功用应力应变曲线下影线的面积表示，即式中，ae为弹性比功，e为弹性极限（材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力）；e为最大弹性应变。在应力作用下应变不断随时间而发展的行为，以及应力去除后应变逐渐恢复的现象都统称为弹性后效。实际金属在外力作用下产生弹性变形，开始时沿OA线产生瞬时弹性应变OC，如果载荷保持不变，还产生随时间延长而逐渐增加的应变CH
7、。这种在加载状态下产生的滞弹性变形称为正弹性后效。卸载时，延BD线只有应变DH立即消失，而应变OD是卸载后随时间延长才缓慢消失的，这种在卸载后产生的滞弹性变形称为反弹性后效。 弹性滞后环：弹性变形时因应变滞后于外加应力，使加载线和卸载线不重合而形成的回线称为弹性滞后环。交变循环载荷，加载速度快交变循环载荷，加载速度慢存在弹性滞后环的现象说明，加载时金属消耗的变形功大于卸载时金属恢复变形释放出的功，环面积大小代表被金属吸收的那部分功。滞后环的面积相当于金属在单向循环应力或交变循环应力作用下消耗不可逆能量的多少，即表示金属吸收不可逆变形功的能力，成为金属的内耗，又称循环韧性。循环韧性是指在塑性区加
8、载时材料吸收不可逆变形功的能力；内耗是指在弹性区加载时材料吸收不可逆变形功的能力。一般这两个名词可以混用。包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变为1%4%），卸载后同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加，反向加载时规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。包申格效应产生的原因（位错理论）：初次加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错受阻，塞积后产生背应力，背应力反作用于位错源，当背应力足够大时，可使位错源停止开动。预变形时位错的运动方向和背应力的方向相反。反向加载时位错运动的方向和背应力方向一致，背应力帮助位错运动，塑性变形相对容易。 1.3 塑性变形塑性变形
9、的方式：滑移和孪生。其中，滑移是金属材料在切应力作用下，位错沿滑移面和滑移方向运动而进行的切变过程，是最主要的变形机制。孪生也是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式，一般发生在低温形变或快速形变时，受晶体结构的影响较大fccbcchcp。塑性变形的特点1、各晶粒塑性变形的不同时性和不均匀性：多晶体试样受到外力作用后，大部分区域尚处在弹性变形范围内，塑性变形首先在个别取向有利的晶粒内，塑性变形不可能在不同晶粒中同时开始；一个晶粒的塑性变形必然受到相邻不同位向晶粒的限制，由于各晶粒的位向差异，这种限制在变形晶粒的不同区域上是不同的，在同一晶粒内的不同区域的变形量也是不同的。2、各晶粒塑性变形的
10、相互制约与协调：多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形， 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约束的塑性变形。3、塑性变形后金属的晶格发生点阵畸变，储存能量，产生内应力。4、塑性应变量提高，金属强度增大，产生加工硬化。屈服：受力试样中，应力达到某一特定值后，开始大规模塑性变形的现象称为屈服。呈现屈服现象的金属材料拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力称为屈服点；试样发生屈服而首次下降前的最大应力称为上屈服点，即为su；当不计初始瞬时效应（指在屈服过程中实验为第一次发生下降）时屈服阶段中的最小应力称为下屈服点，记为sl。屈服现象的本质（不确定）：金
11、属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观塑性变形的一种标志。参考拉伸力伸长曲线，材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段过渡是明显的，表现在试验过程中外力不增加试样仍能继续伸长或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形，这便是屈服现象。金属材料一般是多晶体合金，往往具有多相组织，因此，讨论影响屈服强度的因素，必须注意以下几点：j屈服变形是位错增殖和运动的结果；k实际金属材料的力学行为是由许多晶粒综合作用的结果；l各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。影响屈服强度的因素：j内在因素金属本性及晶格类型；晶格大小和亚结构；溶质元素；第二相。k外在因素温
12、度；应变速率；应力状态。相变强化：通过热处理方式，在不改变金属成分的前提下，改变金属的晶格结构，使金属的强度得以提高的方法称为相变强化。细晶强化：减少晶粒尺寸会减少晶粒内部位错塞积的数量，减少位错塞积群的长度，降低塞积点处的应力，相邻晶粒中位错源开动所需的外加切应力提高，屈服强度增加。这种通过细化晶粒尺寸提高材料强度的方法称为细晶强化。固溶强化：金属中溶入溶质原子（间隙固溶、置换固溶）形成固溶体，其屈服强度会明显提高，这种提高强度的方法称为固溶强化。（通常，间隙固溶体的强化效果大于置换固然体）弥散强化：金属中的第二相质点通过粉末冶金等方法获得。沉淀强化（析出强化）：金属中的第二相质点通过固溶处
13、理加时效等方法获得。应变速率硬化：因应变速率增加而产生的强度提高效应的现象。颈缩：颈缩是韧性金属材料在拉伸试验时，变形集中于局部区域的现象，是材料加工硬化和试样截面减小共同作用的结果。颈缩判据：n=eb，当金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时产生颈缩。抗拉强度：试件断裂前所能承受的最大工程应力称为抗拉强度，用来表征材料对最大均匀塑性变形的抗力。 ，b为抗拉强度；Fb为最大载荷；A0为试件的原始截面积。两个塑性指标1、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。=L1-L0L0100%，L0为试样原始标距长度，L1为试样断裂后的标距长度。2、断面收缩率：试样拉断后颈缩处横
14、截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。=A0-A1A0100%，A0为试样原始横截面积，A1为颈缩处最小横截面。金属材料塑性与强度的关系：一般来讲，材料的强度提高，其变形抗力提高，变形能力下降，塑性降低。j相变强化、固溶强化、加工硬化及第二相弥散强化一般都会使塑性降低；k细晶强化不仅提高强度还时塑性提高。韧性：指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。韧度：度量材料韧性的力学性能指标，分为静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功定义为静力韧度，它是强度和塑性的综合指标。1.6 材料的断裂材料在塑性变形过程中，也在产生微孔，微孔的产生与发展，导致材料中微
15、裂纹的形成与长大，这种损伤达到临界状态时，裂纹失稳，实现最终的断裂。 塑性变形裂纹的形成裂纹扩展断裂 韧性断裂与脆性断裂断裂前不发生明显塑性变形脆性断裂；断裂前发生明显塑性变形韧性断裂。脆性断裂所需的能量：分开原子+新表面的表面能；韧性断裂所需的能量：分开原子+新表面的表面能+塑性变形消耗的能量（远大于前两者之和）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。韧性断裂宏观断口形态呈杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成。纤维区：光滑圆柱试样受拉伸力作用，产生颈缩时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心区轴向应力最大。在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中各部分的夹杂物
16、或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔，微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。显微裂纹形成、扩展过程重复进行就形成锯齿状的纤维区。放射区：环状纤维区发展到一定尺寸（临界裂纹尺寸）后，裂纹开始快速扩展（失稳扩展）而形成放射区。放射区是裂纹作快速低能撕裂而形成的，有放射线花样特征，放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端（每一瞬间）的轮廓线，并逆指向裂纹源。剪切唇：放射区形成后，试样承载面积只剩下最外侧的环状面积，最后由拉伸应力的分切应力所切断，形成与拉伸轴呈45的杯状或锥状剪切唇。脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。脆性断裂的断裂
17、面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。脆性断裂断口的人字形花样脆性断裂断口的放射状花样圆柱形拉伸试样：断裂面与正应力垂直，断口平齐、光亮。断面上的放射状条纹汇聚于一个中心，此中心区域就是裂纹源。板状矩形截面拉伸试样：“人”字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行，但其尖顶指向裂纹源。沿晶断裂与穿晶断裂沿晶断裂：指裂纹在晶界上形成并沿晶界扩展的断裂形式，大多是脆性断裂。在多晶体变形中，晶界起协调相邻晶粒变形的作用，当晶界受到损伤，其变形能力被消弱，不足以协调相邻晶粒的变形时，便形成晶界断裂。断裂机制：j晶界由脆性相析出（如过共析钢中二次渗碳体析出）；k高温晶界变弱（加热温度过高 ，
18、晶界熔化）；l有害元素沿晶界富集（合金钢的回火脆性 ）；m晶界上有弥散相析出（奥氏体高锰钢固溶处理后再加热时沿晶界析出碳化物）；n腐蚀环境下晶界被腐蚀等原因使晶界脆化或弱化所致。断裂过程：沿晶断裂过程包括裂纹的形成与扩展。晶界受损的材料受力变形时，晶内的运动位错受阻于晶界，在晶界处造成应力集中，当集中应力达到晶界强度时，便将晶界挤裂。断口形貌：沿晶断裂的性质取决于g（沿晶断裂应力有关的常数）与屈服强度s的相对大小。当gs时，先发生宏观屈服变形和形变强化，晶界有塑性变形，在完成一定的变形量后发生微孔型沿晶断裂，产生石状断口。穿晶断裂：指裂纹沿晶内（穿过晶粒）扩展的断裂。穿晶断裂可依据不同的微观断
19、裂机制而具有不同的微观断口形貌特征，主要有解理、微孔聚集、准解理等。 一般地，从宏观上看，穿晶断裂既可以是脆性断裂，也可以是韧性断裂。纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂剪切断裂是金属材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，一般是韧性断裂，分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。其中，纯剪切断裂主要在纯金属尤其是在单晶体金属中产生，其断口呈锋利的楔形或刀尖形，这是纯粹由滑移流变所造成的断裂。微孔聚集型断裂是通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离的，常用金属材料一般均产生这类性质的断裂。微孔聚集型断裂的断口形貌为韧窝花样。在每一个韧窝内都含有一个第二相质点或者折断的夹杂物或者夹杂物颗粒，材料
20、中的非金属夹杂物或第二相或其他脆性相颗粒是微孔形成的核心。韧窝断口就是微孔开裂后继续长大和连接的结果。韧窝形成过程：韧窝的形成与异相粒子有关，在外力作用下产生塑性变形时，异相阻碍基体滑移，便在异相与基体滑移面交界处造成应力集中，当应力集中达到异相与基体界面结合强度或异相本身强度时，会使二者界面脱离或异相自身断裂，从而形成裂纹（微孔），并不断扩大，最后使夹杂物之间基体金属产生“内颈缩”，当颈缩达到一定程度后基体金属被撕裂或剪切断裂，使空洞连接，从而形成韧窝断口形貌。影响韧窝形成的因素：韧窝的形成位置、形状、大小和深浅受很多因素影响，大致归纳起来可分为三个方面j成核粒子的大小和分布；k材料的塑性变
21、形能力，尤其是形变硬化的能力；l外部因素（包括应力大小、应力状态、温度、变形速度等）。韧窝形状主要取决于应力状态或应力与断面的相对取向，有等轴韧窝、拉长韧窝和撕裂韧窝三类。解理断裂：金属材料在一定条件下当外加正应力达到一定数值后以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，该晶体学平面为解理面。解理面一般是低指数晶面，如体心立方点阵金属的（100）面和密排六方点阵金属的（0001）面。一般地，解理断裂总是脆性断裂，而脆性断裂却不一定是解理断裂。解理断口的微观形貌特征：对于理想单晶体而言，解理断裂可以是完全沿单一结晶面的分离，其解理断口是一毫无特征的理想平面。在实际晶体中，由于缺陷的存在，断裂并不是
22、沿单一的结晶面解理，而是沿一组平行的结晶面解理，从而在不同高度上平行的解理面以解理台阶相连。在解理裂纹扩展过程中，台阶汇合形成“河流”花样，解理台阶、“河流”花样即为典型的解理断口微观形貌特征。解理断裂的另一微观特征是存在舌状花样。第二章 材料在其他静载荷下的力学性能2.1 应力状态软性系数应力状态软性系数：=maxmax=1-321-22-3。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；越小，表示应力状态越硬，金属越不容易产生塑性变形而易于产生脆性断裂。2.2 材料的压缩压缩试验的特点1、单向压缩试验的应力状态软性系数=2，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软，所以单向压
23、缩试验主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能的测定，以显示这类材料在塑性状态下的力学行为（图2.4）2、拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂（图2.5）脆性材料在拉伸时产生垂直于载荷轴向的正断，塑性变形量几乎为零；而在压缩时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴线呈45方向产生断裂，具有切断特征。2.3 材料的弯曲弯曲试验的特点1、弯曲试验不存在拉伸试验时的试件偏斜（力的作用线不能准确通过拉伸试件的轴线而产生附加弯曲应力）对试验结果的影响，可以稳定地测定脆性材料和低塑性材料的抗弯强度，并能由挠度明显地显示脆性和低塑性材料的塑性。如铸铁、工具钢、陶瓷等。2、弯曲试验不能使塑性很好的材
24、料破坏，不能测定其断裂弯曲强度，但可以比较一定弯曲条件下材料的塑性。3、弯曲试验时试样断面上的应力分布是不均匀的，表面应力最大，依此可以较灵敏地反映材料的表面缺陷，以检查材料的表面质量。2.5 材料的硬度硬度并不是金属独立的基本性能，它是指金属在表面上的不大体积内抵抗变形或者破裂的能力。硬度的种类：j压入法布氏硬度、洛氏、维氏、普氏等。表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。应力状态软性系数最大，2，几乎所有的材料都能产生塑性变形。k刻划法莫氏硬度。表征材料对切断的抗力。l回跳法肖氏硬度。表征金属弹性变形功的大小。同一类方式的硬度可以换算；不同类方式则只能采用同一材料进行标定。压入法是最主要的试
25、验方法。布氏硬度原理：在直径D的钢珠上，加一定载荷p，压在被试金属的表面，根据金属表面压痕的陷凹面积F计算出应力值，以此值作为硬度值大小的计量指标。布氏硬度值的符号以HB（kgf/mm2，1kgf=9.80665N）标记，则HB=pF=pDt，式中，t为压痕陷凹深度；Dt为压痕陷凹面积。在p和D一定时，t大，则说明材料的形变抗力低，硬度值小；反之则说明材料的形变抗力高，硬度值大。直观上，测量压痕直径比测量压痕陷凹深度要容易，由D、d、t三者之间的几何关系可得：HB=2pD-(D2-d2)12。读数：载荷、压头直径、保持时间是布氏硬度试验的三要素。150HBS10/1000/30表示采用淬火钢球
26、，压头直径10mm，载荷1000kg，载荷保持时间30s测得的布氏硬度值为150；200HBW10/3000/10表示采用硬质合金钢球，压头直径10mm，载荷3000kg，载荷保持时间10s测得的布氏硬度值为200。优点：j压痕面积大，能反映金属表面较大体积范围内各组成相综合平均的性能数据；k试验数据稳定，重复性好，试验数据从小到大都可以统一起来；l特别适宜于测得灰铸铁、轴承合金、等具有粗大晶粒或粗大组成相的金属材料。缺点：j对于450HB以上的硬材料，因钢球变形已很显著，影响所测数据的正确性，因此不能使用；k由于此法产生的压痕较大，故不宜于某些表面不允许有较大压痕的成品检验，也不宜于薄件试验
27、；l因需测量d值，故被测处要求平稳，操作和测量都需较长时间，在要求迅速检定大量成品时不适合。洛氏硬度洛氏硬度试验是目前应用最广泛的一种方法，它是测定压痕深度来表征材料的硬度值。原理：洛氏硬度以压痕陷凹深度t作为计量硬度值的指标，所以在同一硬度级下，金属越硬则压痕深度t越小，越软则t越大。如果直接以t的大小作为指标，则将出现硬金属t值小从而硬度值小，软金属的t值大从而硬度值大的现象。为此，只能采取一个不得已的措施，即用选定的常数来减去所得t值，以其差值来标志洛氏硬度值。此常数规定为0.2mm（用于HRC、HRA）和0.26mm（用于HRB），此外在读数上再规定0.002mm为一度，这样前一常数为
28、100度（在试验机表盘上为100格（一圈），后一常数为130度（在表盘上为一圈再加30格，为130格），因此HRC=0.2-t=100-t0.002HRB=0.26-t=130-t0.002压头与载荷的搭配：洛氏硬度的压头分硬质和软质两种。硬质的由顶角120的金刚石圆锥体制成，适用于测定淬火钢等较硬的金属材料；软质的为直径1/16（1.875mm）或1/8（3.175mm）钢球，适用于退火钢、有色金属等较软材料硬度值的测定。生产上用得最多的是A级、B级和C级，即HRA（金刚石圆锥压头、60kgf载荷），HRB（1/16钢球压头、100kgf载荷）和HRC（金刚石圆锥压头、150kgf载荷），而
29、其中又以HRC用的最普遍。优点：j有硬质、软质两种压头，适用于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题；k压痕小，不伤工件表面；l操作迅速，立即得出数据，生产效率高，适用于大量生产中的成品检验。缺点：j不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，如HRA，HRB，HRC数据不具有可比性；k对组织结构不一致，特别是具有粗大组成相或粗大晶粒的金属材料，因压痕太小，可能正好压在个别组成相上，缺乏代表性；l材料中有偏析或组织不均匀时，数据重复性差，分散度大。维氏硬度原理：与布氏硬度相同，也是根据单位压痕陷凹面积上承受的载荷，即应力值作为硬度值的计量指标。所不同的是，维氏硬度采用锥面夹角为136的四方角锥体，
30、有金刚石制成。计算公式：HV=pF=1.854pd2优点：j不存在布氏硬度试验载荷p和压头直径D的规定条件的约束，以及压头变形问题，且通过维氏硬度试验所得到的硬度值和通过布氏硬度试验所得到的硬度值能完全相等；k不存在洛氏硬度试验那种硬度值无法统一的问题，维氏硬度试验和洛氏硬度试验一样可以试验任何软硬的材料，并且比洛氏硬度试验能更好地测试极薄件的硬度；l采用四方角锥，当载荷改变时压入角不变，因此载荷可以任意选择。缺点：硬度值需通过测量对角线后才能计算（或查表）出来，生产效率没有洛氏硬度试验高，不适宜成批生产的质量检验。读数：640HV30/20（维氏硬度值HV试验载荷/加载时间）显微硬度显微硬度
31、是用来测量尺寸很小或很薄零件的硬度，或者是用来测量各种显微组织的硬度。其试验原理与维氏硬度相同。所不同的是，载荷以gf计量，压痕对角线长度以微米计量。压头：一种是维氏压头，和宏观的维氏硬度压头一样，只是在金刚石四方锥的制造上和测量上更加严格；另一种是努氏压头，它是一菱形的金刚锥体。努氏硬度的计算公式：HK=pA=pCl2努氏硬度和维氏显微硬度的比较：j在测量渗碳（或氮化）淬硬层的硬度分布时，努氏压痕的排列与分布较维氏压痕更紧凑；k在相同的对角线长度下（努氏压痕以长对角线计），努氏压痕的深度与面积只有维氏压痕的15%，这对测量薄层硬度如电镀层特别适宜。2.6 缺口试样在静载荷下的力学性能缺口效应
32、：实际机件不是横截面均匀无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，这些截面变化的部位可视为缺口，由于缺口的存在，在静载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生缺口效应。缺口效应的影响：引起应力集中；应力状态由单向改变为两向或三向应力状态应变集中；局部应变速率增大；腐蚀倾向加大。金属材料的缺口敏感性指标用缺口试件的抗拉强度bn与等截面尺寸光滑试件的抗拉强度b的比值表示，称为缺口敏感度，记为NSR，即NSR=bnb。NSR越大，缺口敏感性越小。脆性材料的NSR总是小于1，表明缺口根部尚未发生明显塑性变形时就已经断了，对缺口很敏感。高强度材料的NSR一般也小于1，塑性材料的NSR一般大于1。第三章
33、 材料在冲击载荷下的力学性能3.3 低温脆性低温脆性：随温度降低金属材料由韧性断裂转变为脆性断裂的现象。发生脆性转变的温度称为脆性转变温度。什么材料容易发生低温脆断？对于以面心六方金属为基础的中、低强度材料和大部分密排六方金属，在很宽的温度范围内其冲击功都很高，基本不存在低温脆性问题。只有以体心立方金属为基础的，如中低强度钢和铍、锌等具有明显的低温脆性，这些金属材料称为冷脆金属。s和c随温度变化示意图低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加的结果。屈服点s随温度下降反而升高，材料的解理断裂强度c随温度变化很小，两条曲线相交于一点，交点对应的温度即为韧脆转变温度Tk。当温度高于Tk时，cs材料受
34、载后先屈服再断裂为韧性断裂；低于Tk时，外加应力先达到c，材料表现为脆性断裂。低温脆性的本质柯垂尔提出的脆断条件，即公式id12+kyky=Gs，只要公式左端大于右端之值，即yf，就可发生脆断。G是组织结构不敏感的性能，凡是增加i、ky和d的因素都将促进脆断，使冷脆断转化温度升高；凡使和s值减小的也将促使脆断，使冷脆断转化温度升高。ji位错在晶体中运动的点阵摩擦阻力，包括派纳力、溶质原子以及第二相对位错运动的阻力。对体心立方金属，派纳力随温度的降低而急剧升高，这是体心立方金属产生冷脆的主要原因。kky反映位错被原子或第二相钉扎运动难易程度的参量，ky值越大，位错运动越困难。ky值并不因为温度降
35、低而显著增加。ld晶粒直径。细化晶粒既提高断裂强度也提高屈服强度，但断裂强度相对提高较多，因此细化晶粒总是使冷脆转化温度降低。m表示在外加载荷下切应力和正应力之比。ns材料的有效表面能。影响韧脆转变温度Tk的主要因素1、材料晶格类型的影响：体心立方金属在温度较高时，变形能力尚好，在低温下，脆性增加。2、合金成分的影响：钢中的C、P、O、H、N、Mo、Al、Si都使Tk上升；Ni、Mn、Ti、V都使Tk下降。3、晶粒尺寸的影响：细化晶粒使Tk下降，同时还可以改善塑性韧性。4、显微组织的影响：冷作时效、上贝氏体使Tk上升；低温马氏体、奥氏体、高温回火组织 都使Tk下降。第四章 材料的断裂韧性4.1
36、 概述断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，常常引起灾难性的破坏事故并造成巨大的经济损失。4.2 裂纹尖端的应力场三种断裂类型I型（张开型）裂纹形式I型裂纹（张开型）：拉应力垂直于裂纹面扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展。如轴的横向裂纹在轴向拉力或弯曲力作用下的扩展、容器纵向裂纹在内压力下的扩展。II型（滑开型）裂纹形式II型裂纹（滑开型）：切应力平行于裂纹面，而且与裂纹垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。如轮齿或花键根部沿切线方向的裂纹，或者受扭转的薄壁圆筒上的环形裂纹。III型（滑开型）裂纹形式III型裂纹（撕开型）：切应力平行作
37、用于裂纹面，而且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展。如圆周上有一环形切槽，受到扭转作用引起的断裂。应力强度因子KI：表征裂纹尖端应力场特性。裂纹尖端区域的确定点，其应力分量就由KI决定， KI越大应力场各应力分量也越大。任何I 型断裂的应力场强度因子的一般形式为KI=Ya，Y为裂纹的形状系数，与裂纹几何形状及加载方式有关，一般Y=12；同理，KII=Ya，KIII=Ya。4.3 断裂韧性和断裂判据裂纹体发生失稳断裂的临界KI值记作KC或KIC，称为断裂韧性。KC是平面应力状态下的断裂韧性，表示平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。KIC为平面应变下的断裂韧性，表示在平面应变条件下材料抵抗裂
38、纹失稳扩展的能力。KC与KIC的区别：KC与板材或试样厚度有关，而当板材厚度增加到平面应变状态时，断裂韧性就趋于一稳定的最低值，即为KIC（与厚度无关）。KIC是KC的最低值，它是真正反映材料裂纹扩展抗力的材料常数。所以临界应力场强度因子KIC称为材料的断裂韧性。在临界状态下所对应的平均应力，称为断裂应力或裂纹体实际断裂强度，记作c；对应的裂纹尺寸称为临界裂纹尺寸，记作ac，有如下关系KIC=Ycac。可见，材料的KIC越高，则裂纹体的断裂应力或临界裂纹尺寸就越大，表面材料越难断裂。因此KIC表示材料抗断裂的能力。断裂判据：裂纹体在受力时，若KIKIC或YaKIC，就会发生脆性断裂。反之，即使
39、存在裂纹，若KIKIC或YaKIC，也不会断裂，这种情况称为破损安全。II，III型裂纹的断裂判据同理。4.5 裂纹尖端的塑性区塑性区边界曲线方程所描绘的塑性区：不管是平面应力还是 平面应变的塑性区，都是沿x方向的尺寸最小，消耗的塑性变形功也最小，所以裂纹就容易沿x方向扩展。另外，平面应变的塑性区比平面应力的塑性区小得多。在平面应变状态（厚板）下沿板厚方向的裂纹前端有较强的约束，使材料处于三向应力状态，不容易发生塑性变形所致。在实际情况下，沿板厚方向上的弹性约束是变化的，邻近表面约束最小，可认为处于平面应力状态，塑性区尺寸最大；而在板厚中部约束最大，可认为处于平面应变状态，塑性区尺寸最小。因此
40、，在裂纹尖端前沿区域，沿材料板厚方向的塑性区尺寸是连续变化的，一般呈哑铃形状。裂纹尖端附近塑性区的形状和尺寸应力松弛对塑性区的影响：如图4.14，图中ys是在y方向发生屈服时的应力，称为y向有效屈服应力。在平面应力状态下，ys=s；在平面应变状态下，ys2.5s。图中影线部分的面积即内应力松弛的影响，这种应力松弛可以使塑性区进一步扩大，由r0扩大到R0。从能量角度考虑，可以求得，R0=r0。4.9 影响断裂韧性的因素如能提高断裂韧性，就能提高材料的抗脆断能力。外部因素1、板厚或构件截面尺寸：材料的断裂韧性随板材厚度或构件的界面尺寸的增加而减小，最终趋于一个稳定的最低值，即平面应变断裂韧性KIC
41、。2、温度：大多数结构钢的KIC都随温度降低而下降。但是，不同强度等级的钢，在温度降低时KIC的变化趋势不同。一般中、低强度钢都有明显的韧脆转变现象，在韧脆转变温度以上，材料主要是微孔聚集型的韧性断裂，KIC较高；而在韧脆转变温度以下，材料主要是解理型脆性断裂，KIC低。3、应变速率：应变速率具有与温度相似的效应，增加应变速率相当于降低温度，也可使KIC下降。断裂韧性表征金属材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。裂纹失稳扩展需要消耗能量，其中主要是塑性变形功。塑性变形功与应力状态、材料强度和塑性以及裂纹尖端塑性区尺寸有关：材料强度高、塑性好，塑性变形功大，材料的断裂韧性就高；在强度值相近时，提高塑性，增
42、加塑性区尺寸，塑性变形功也增加。内部因素1、材料的成分、组织对KIC的影响j化学成分的影响：细化晶粒的合金元素因提高强度和塑性使KIC提高；强烈固溶强化的合金元素因降低塑性使KIC明显降低，并且随着合金元素含量的提高，KIC降低越厉害；形成金属化合物并呈第二相析出的合金元素，因降低塑性有利于裂纹的扩展，也使KIC降低。k基体相结构和晶粒大小的影响：从滑移塑性变形和解理断裂的角度来看，面心立方固溶体容易产生滑移塑性变形而不产生解理断裂，并且n值较高，所以其KIC较高，因此，奥氏体钢的KIC较铁素体钢、马氏体钢的高；一般来说，晶粒越细小，n和c就越高，则KIC也越高，但是在某些情况下，粗晶粒的KI
43、C反而较高。l杂质及第二相的影响：钢中的非金属夹杂物和第二相在裂纹尖端的应力场中，若本身脆裂或在相界面开裂而形成微孔，微孔和主裂纹连接使裂纹扩展，从而使KIC降低；钢中某些微量杂质元素（如锑、锡、磷、砷等）容易偏聚于奥氏体晶界，降低晶间结合力使裂纹沿晶界扩展并断裂，使KIC降低。m显微组织的影响：板条马氏体是位错型亚结构，具有较高的强度和塑性，裂纹扩展阻力较大，常呈韧性断裂，因而KIC较高；针状马氏体是孪晶型亚结构，硬而脆，裂纹扩展阻力小，呈准解理或解理断裂，因而KIC很低；回火索氏体的基体具有较高的塑性，第二相是粒状碳化物，分布间距较大，裂纹扩展阻力较大，因而KIC较高；回火马氏体基体相塑性
44、差，第二相质点小且弥散分布，裂纹扩展阻力较小，因而KIC较低。回火屈氏体的KIC居于上述两者之间。2、特殊热处理对KIC的影响j形变热处理：高温形变热处理可以细化奥氏体的亚结构，因而细化淬火马氏体，使强度和韧性都提高；低温形变热处理除了细化奥氏体亚结构外，还可增加位错密度，促进合金碳化物弥散 沉淀，降低奥氏体含碳量和增加细小板条马氏体的数量因而提高强度和韧性。k亚温淬火：亚温淬火可以提高低温韧性和抑制高温回火脆性。l显微组织的影响4.10 金属材料断裂韧性KIC的测定试样要求：常用的两种试样为三点弯曲试样和紧凑拉伸试样。由于KIC是金属材料在平面应变和小范围屈服条件下裂纹失稳扩展时KI的临界值
45、，因此，测定KIC用的试验尺寸必须保证裂纹顶端处于平面应变或小范围屈服状态。B为试样在z向的厚度，W为在y向的宽度，a为裂纹长度。第五章 材料在变动载荷下的力学性能5.1 金属疲劳现象及特点疲劳：金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于承受变动载荷而导致裂纹萌生和扩展以致断裂失效的全过程。疲劳载荷的共同特点：j断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，而是突然地破坏；k引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强度；l疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和 最后断裂三个组成部分。变动载荷是引起疲劳破坏的外力，它是指载荷大小或大小和方向随时间按一定规律呈周期性变化或呈无规则随
46、机变化的载荷，其在单位面积上的平均值为变动应力。变动应力可分为规则周期变动应力（也称循环应力）和无规则随机变动应力两种。疲劳的特点疲劳断裂与静载荷或一次冲击加载断裂相比，具有以下特点：j疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂。断裂应力低于材料的抗拉强度b，甚至低于屈服强度s。断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿命长，当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。k疲劳是一种潜在的突发性脆性断裂，它是在长期累积损伤过程中经裂纹萌生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸ac时才突然发生的。l疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感，三者都加快疲劳破坏的开始和发展。疲劳宏观断口具有三个形貌不同的区域：
47、疲劳源、疲劳区和瞬断区。1、疲劳源：疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，在断口上，疲劳源一般在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连。疲劳源区的光亮度最大。在 一个疲劳断口中，疲劳源可以有一个或几个不等，与机件的应力状态及应力大小有关。疲劳源区光亮度越大，相邻疲劳区越大，贝纹线越多越密者，其疲劳源就越先产生；反之，则疲劳源就越后产生。2、疲劳区：疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，其断口比较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样）。贝纹线是疲劳区的最大特征，一般认为它是有变动载荷引起的。循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。3、瞬断区：瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域，一般在疲劳源的对侧。其断口比疲劳区粗糙，宏观特征同静载的裂纹件的断口一样，随材料性质而变；脆性材料为结晶状断口；若为韧性材料，则在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，在边缘平面应力区为剪切唇。5.2 高周疲劳与低周疲劳高周疲劳：指小型试样在变动载荷试验时，疲劳断裂寿命不小于105周次的疲劳过程。低周疲劳：金属在循环载荷作用下，疲劳寿命为102105次的疲劳断裂。（应力水平高、循环周次少）疲劳曲线和疲劳极限典型的