1、緒論彈性：指材料在外力作用下保持和恢復固有形狀和尺寸的能力。塑性：材料在外力作用下發生不可逆的永久變形的能力。剛度：材料在受力時抵抗彈性變形的能力。強度：材料對變形和斷裂的抗力。韌性：指材料在斷裂前吸收塑性變形和斷裂功的能力。硬度：材料的軟硬程度。耐磨性：材料抵抗磨損的能力。壽命：指材料在外力的長期或重復作用下抵抗損傷和失效的能。材料的力學性能的取決因素：內因一一化學成分、組織結構、殘余應力、表面和內部的缺陷等；外因一一載荷的性質、應力狀態、工作溫度、環境介質等條件的變化。第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能1.1 拉伸力一伸長曲線和應力一應變曲線應力一應變曲線退火低碳鋼在拉伸力作用下的力

2、學行為可分為 彈性變形、不均勻屈服塑性變形、均勻塑性變形和 不均勻集中塑性變形和斷裂幾個階段。彈性變形階段：曲線的起始部分，圖中的oa段 多數情況下呈直線形式，符合虎克定律。屈服階段：超出彈性變形范圍之后，有的材料 在塑性變形初期產生明顯的塑性流動。此時，在外 力不增加或增加很小或略有降低的情況下，變形繼續產生，拉伸圖上出現平臺或呈鋸齒狀，如圖中的ab段均勻塑性變形階段：屈服后，欲繼續變形，必須不斷增加載荷，此階段的變形是均勻的，直到曲線達到最高點，均勻變形結束，如圖中的 be段退火低碳鋼應力一應變曲線不均勻塑性變形階段：從試樣承受的最大應力點開始直到斷裂點為止，如圖中的ed段。在此階段，隨變

3、形增大，載荷不斷下降，產生大量不均勻變形，且集中在頸縮處，最后載荷達到斷裂載荷時，試樣斷裂。彈性模量E:應力一應變曲線與橫軸夾角的大小表示材料對彈性變形的抗力，用彈性模量E表示。(a) 彈性一彈塑性型：Oa為彈性變形階段，在a點偏離直線關系，進入彈一塑性階段，開 始發生塑性變形，開始發生塑性變形的應力稱為屈服點，屈服點以后的變形包括彈性變形和塑性 變形。在m點卸載，應力沿mn降至零，發生加工硬化。(b) 彈性-不均勻塑性-均勻塑性型：與前者不同在于出現了明顯的屈服點 aa，有時呈屈服 平臺狀，有時呈齒狀。應變約1%3%。退火低碳鋼和某些有色金屬具有此行為。(e)彈性-均勻塑性型：未出現頸縮前的

4、均勻變形過程中發生斷裂。 主要是許多金屬及合金、 部分陶瓷和非晶態高聚物具有此種曲線。(d )彈性-不均勻塑性型：形變強化過程中出現多次局部失穩，其塑性變形方式通常是孿生 而不是滑移。當孿生速率超過試驗機夾頭運動速度時，載荷會突然松弛而呈現鋸齒形的曲線。某 些低溶質固溶體鋁合金及含雜質的鐵合金具有此行為。加工硬化：材料經歷一定的塑性變形后，其屈服應力升高的現象稱為應變強化或加工硬化頸縮：材料經均勻形變后出現集中變形的現象稱為頸縮。1.2彈性變形材料受外力作用發生尺寸和形狀的變化，稱為 變形。外力去除后，隨之消失的變形為 彈性變 形，剩余的(即永久性的)變形為 塑性變形。彈性變形的重要特征 是其

5、可逆性，即受力作用后產生變形，卸除載荷后，變形消失曲線1:兩原子間的引力曲線2 :兩原子間的斥力曲線3:兩原子之間的作用力當原子間相互平衡力受外力而受到破壞時，原子位 置相應調整，產生位移。而位移總和在宏觀上表現為變 形。外力去除后，原子依靠之間的作用力又回到原來平衡位置，位移消失，宏觀變形消失(T彈性模量E:表征材料抵抗正應變的能力。在單向受力狀態下？?=(Ty切變模量G:表征材料抵抗剪切變形的能力。在純剪切應力狀態下？?=旦Yxy泊松比v :反映材料受力后橫向正應變與受力方向上正應變之比。單向受力狀態下體積彈性模量K:表示物體在三向壓縮下，壓強p與體積變化率 V/V之間的線性比例關系?=

6、-3(1- 2?圖1少彈性比功示隱圖剛度：工程上彈性模量為稱為材料的剛度，表征金屬材料對彈性 變形的抗力，其值越大，則在相同的應力狀態下產生的彈性變形量越 小。彈性比功：彈性比功又稱彈性比能、應變比能，表示金屬材料吸 精彩文檔收彈性變形功而不發生永久變形的能力。 金屬拉伸時的彈性比功用應力一應變曲線下影線的面積2e2E表示，即1ae 二 e e2圖LI1彈性后效示逐圖式中，ae為彈性比功，C e為彈性極限（材料由彈性變形過渡到彈 塑性變形時的應力）；e為最大彈性應變。在應力作用下應變不斷隨時間而發展的行為，以及應力去除后應 變逐漸恢復的現象都統稱為彈性后效。實際金屬在外力作用下產生彈性變形，開

7、始時沿0A線產生瞬時彈性應變0C,如果載荷保持不變，還產生隨時間延長而逐漸增加的應 變CH。這種在加載狀態下產生的滯彈性變形稱為 正彈性后效。卸載時, 延BD線只有應變DH立即消失，而應變0D是卸載后隨時間延長才緩慢消失的，這種在卸載后 產生的滯彈性變形稱為反彈性后效。-a-tf彈性滯后環：彈性變形時因應變滯后于外 加應力，使加載線和卸載線不重合而形成的回 線稱為彈性滯后環。存在彈性滯后環的現象說明，加載時金屬 消耗的變形功大于卸載時金屬恢復變形釋放出的功，環面積大小代表被金屬吸收的那部分功交變循環載荷，加載速度慢交變循環載荷，加載速度快滯后環的面積相當于金屬在單向循環應力或交變循環應力作用下

8、消耗不可逆能量的多少，即 表示金屬吸收不可逆變形功的能力，成為金屬的內耗，又稱 循環韌性。循環韌性是指在塑性區加 載時材料吸收不可逆變形功的能力；內耗是指在彈性區加載時材料吸收不可逆變形功的能力。一 般這兩個名詞可以混用。0014包申格效應包申格效應：金屬材料經過預先加載產生少量塑性變形（殘余應 變為1%4%），卸載后同向加載，規定殘余伸長應力（彈性極限或屈 服強度）增加，反向加載時規定殘余伸長應力降低的現象，稱為包申 格效應。包申格效應產生的原因（位錯理論）：初次加載變形時，位錯源在滑移面上產生的位錯受阻，塞積后產生背應力，背應力反作用于位錯源，當背應力足夠大時，可 使位錯源停止開動。預變形

9、時位錯的運動方向和背應力的方向相反。反向加載時位錯運動的方向 和背應力方向一致，背應力幫助位錯運動，塑性變形相對容易。1.3 塑性變形塑性變形的方式：滑移和孿生。其中，滑移是金屬材料在切應力作用下，位錯沿滑移面和滑 移方向運動而進行的切變過程，是最主要的變形機制。孿生也是金屬材料在切應力作用下的一種 塑性變形方式，一般發生在低溫形變或快速形變時，受晶體結構的影響較大 fccbcchcp 塑性變形的特點1、各晶粒塑性變形的不同時性和不均勻性：多晶體試樣受到外力作用后，大部分區域尚處 在彈性變形范圍內，塑性變形首先在個別取向有利的晶粒內，塑性變形不可能在不同晶粒中同時 開始；一個晶粒的塑性變形必然

10、受到相鄰不同位向晶粒的限制，由于各晶粒的位向差異，這種限 制在變形晶粒的不同區域上是不同的，在同一晶粒內的不同區域的變形量也是不同的。2、各晶粒塑性變形的相互制約與協調：多晶體作為一個整體，不允許晶粒僅在一個滑移系 中變形， 否則將造成晶界開裂。五個獨立的滑移系開動，才能確保產生任何方向不受約束的塑 性變形。3、塑性變形后金屬的晶格發生點陣畸變，儲存能量，產生內應力。4、塑性應變量提高，金屬強度增大，產生加工硬化。屈服：受力試樣中，應力達到某一特定值后，開始大規模塑性變形的現象稱為屈服。呈現屈服現象的金屬材料拉伸時，試樣在外力不增加仍能繼續伸長時的應力稱為 屈服點；試 樣發生屈服而首次下降前的

11、最大應力稱為上屈服點，即為CSU ；當不計初始瞬時效應（指在屈服過 程中實驗為第一次發生下降）時屈服階段中的最小應力稱為 下屈服點，記為*1。屈服現象的本質（不確定）：金屬材料在拉伸試驗時產生的屈服現象是其開始產生宏觀塑性變形的一種標志。參考拉伸力一伸長曲線，材料從彈性變形階段向塑性變形階段過渡是明顯的， 表現在試驗過程中外力不增加試樣仍能繼續伸長或外力增加到一定數值時突然下降，隨后，在外 力不增加或上下波動情況下，試樣繼續伸長變形，這便是屈服現象。金屬材料一般是多晶體合金，往往具有多相組織，因此，討論影響屈服強度的因素，必須注 意以下幾點：屈服變形是位錯增殖和運動的結果；實際金屬材料的力學行

12、為是由許多晶粒綜合作用的結果；各種外界因素通過影響位錯運動而影響屈服強度。影響屈服強度的因素：內在因素一一金屬本性及晶格類型； 晶格大小和亞結構；溶質元素； 第二相。 外在因素溫度；應變速率；應力狀態。相變強化：通過熱處理方式，在不改變金屬成分的前提下，改變金屬的晶格結構，使金屬的強度得以提高的方法稱為相變強化。細晶強化：減少晶粒尺寸會減少晶粒內部位錯塞積的數量，減少位錯塞積群的長度，降低塞 積點處的應力，相鄰晶粒中位錯源開動所需的外加切應力提高，屈服強度增加。這種通過細化晶 粒尺寸提高材料強度的方法稱為細晶強化。固溶強化：金屬中溶入溶質原子（間隙固溶、置換固溶）形成固溶體，其屈服強度會明顯提

13、高，這種提高強度的方法稱為固溶強化。（通常，間隙固溶體的強化效果大于置換固然體）彌散強化：金屬中的第二相質點通過粉末冶金等方法獲得。沉淀強化（析出強化）：金屬中的第二相質點通過固溶處理加時效等方法獲得。應變速率硬化：因應變速率增加而產生的強度提高效應的現象。頸縮：頸縮是韌性金屬材料在拉伸試驗時，變形集中于局部區域的現象，是材料加工硬化和試樣截面減小共同作用的結果頸縮判據：n=e b，當金屬材料的應變硬化指數等于最大真實均勻塑性應變量時產生頸縮。抗拉強度：試件斷裂前所能承受的最大工程應力稱為抗拉強度，用來表征材料對最大均勻塑Fbob 性變形的抗力。A0 , ob為抗拉強度；Fb為最大載荷；Ao為

14、試件的原始截面積。兩個塑性指標1、斷后伸長率試樣拉斷后標距的伸長量與原始標距的百分比。S =導 X100%, Lo為Lo試樣原始標距長度，Li為試樣斷裂后的標距長度。Ao- A1Ao2、斷面收縮率書：試樣拉斷后頸縮處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。書金屬材料塑性與強度的關系：一般來講，材料的強度提咼，其變形抗力提咼，變形能力下降,X100%,Ao為試樣原始橫截面積,Ai為頸縮處最小橫截面塑性降低。相變強化、固溶強化、加工硬化及第二相彌散強化一般都會使塑性降低；細晶強化不僅提高強度還時塑性提高韌性：指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力韌度：度量材料韌性的力學性能指標，分為靜力韌

15、度、沖擊韌度和斷裂韌度。金屬材料在靜 拉伸時單位體積材料斷裂前所吸收的功定義為 靜力韌度，它是強度和塑性的綜合指標。1.6 材料的斷裂材料在塑性變形過程中，也在產生微孔，微孔的產生與發展，導致材料中微裂紋的形成與長 大，這種損傷達到臨界狀態時，裂紋失穩，實現最終的斷裂。塑性變形一裂紋的形成一裂紋擴展一斷裂韌性斷裂與脆性斷裂斷裂前不發生明顯塑性變形一一脆性斷裂；斷裂前發生明顯塑性變形一一韌性斷裂。脆性斷裂所需的能量：分開原子+新表面的表面能；韌性斷裂所需的能量：分開原子 +新表 面的表面能+塑性變形消耗的能量（遠大于前兩者之和）韌性斷裂是金屬材料斷裂前產生明顯宏觀塑性變形的斷裂。（d）（e）n

16、1.44拉伸宏現斷口不意圖祚錐弒謊晦欣示直罔韌性斷裂宏觀斷口形態呈杯錐狀，由纖維區、放射區和剪切唇三個區域組成。纖維區：光滑圓柱試樣受拉伸力作用，產生頸縮時試樣的應力狀態也由單向變為三向，且中 心區軸向應力最大。在中心三向拉應力作用下，塑性變形難于進行，致使試樣中各部分的夾雜物 或第二相質點本身碎裂，或使夾雜物質點與基體界面脫離而形成微孔，微孔不斷長大和聚合就形 成顯微裂紋。顯微裂紋形成、擴展過程重復進行就形成鋸齒狀的纖維區。放射區：環狀纖維區發展到一定尺寸（臨界裂紋尺寸）后，裂紋開始快速擴展（失穩擴展） 而形成放射區。放射區是裂紋作快速低能撕裂而形成的，有放射線花樣特征，放射線平行于裂紋 擴

17、展方向而垂直于裂紋前端（每一瞬間）的輪廓線，并逆指向裂紋源。剪切唇：放射區形成后，試樣承載面積只剩下最外側的環狀面積，最后由拉伸應力的分切應 力所切斷，形成與拉伸軸呈45。的杯狀或錐狀剪切唇。脆性斷裂是突然發生的斷裂，斷裂前基本上不發生塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害性很 大。脆性斷裂的斷裂面一般與正應力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結晶狀。脆性斷裂斷口的放射狀花樣脆性斷裂斷口的人字形花樣圓柱形拉伸試樣：斷裂面與正應力垂直，斷口平齊、光亮。斷面上的放射狀條紋匯聚于一個 中心，此中心區域就是裂紋源。板狀矩形截面拉伸試樣：“人”字紋花樣的放射方向與裂紋擴展方向平行，但其尖頂指向裂 紋源。沿晶斷

18、裂與穿晶斷裂沿晶斷裂：指裂紋在晶界上形成并沿晶界擴展的斷裂形式，大多是脆性斷裂。在多晶體變形 中，晶界起協調相鄰晶粒變形的作用，當晶界受到損傷，其變形能力被消弱，不足以協調相鄰晶 粒的變形時，便形成晶界斷裂。斷裂機制：晶界由脆性相析出（如過共析鋼中二次滲碳體析出）； 高溫晶界變弱（加熱溫度過高，晶界熔化）；有害元素沿晶界富集（合金鋼的回火脆性）；晶界上有彌散相析出（奧 氏體高錳鋼固溶處理后再加熱時沿晶界析出碳化物）；腐蝕環境下晶界被腐蝕等原因使晶界脆化 或弱化所致。斷裂過程：沿晶斷裂過程包括裂紋的形成與擴展。晶界受損的材料受力變形時，晶內的運動位錯受阻于晶界，在晶界處造成應力集中，當集中應力達

19、到晶界強度時，便將晶界擠裂。斷口形貌：沿晶斷裂的性質取決于c g （沿晶斷裂應力有關的常數）與屈服強度cs的相對大小。 當ogV c時，晶界開裂發生于宏觀屈服之前，晶界無塑性變形，斷裂呈宏觀脆性，產生冰糖狀斷 口；當cg cs時，先發生宏觀屈服變形和形變強化，晶界有塑性變形，在完成一定的變形量后發生微孔型沿晶斷裂，產生石狀斷口穿晶斷裂：指裂紋沿晶內（穿過晶粒）擴展的斷裂。穿晶斷裂可依據不同的微觀斷裂機制而具有不同的微觀斷口形貌特征，主要有解理、微孔聚集、準解理等。一般地，從宏觀上看，穿晶斷裂既可以是脆性斷裂，也可以是韌性斷裂。純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂剪切斷裂是金屬材料在切應力作用下

20、沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，一般是韌性斷裂，分為純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂。其中，純剪切斷裂主要在純金屬尤其是在單晶體金屬中產生，其斷口呈鋒利的楔形或刀尖形，這是純粹由滑移流變所造成的斷裂。微孔聚集型斷裂是通過微孔形核、長大聚合而導致材料分離的，常用金屬材料一般均產生這類性質的斷裂。微孔聚集型斷裂的斷口形貌為韌窩花樣。在每一個韌窩內都含有一個第二相質點或者折斷的夾雜物或者夾雜物顆粒，材料中的非金屬夾雜物或第二相或其他脆性相顆粒是微孔形成的核心。韌窩斷口就是微孔開裂后繼續長大和連接的結果。韌窩形成過程：韌窩的形成與異相粒子有關， 在外力作用下產生塑性變形時，異相阻礙基體滑移, 便在異相與

21、基體滑移面交界處造成應力集中，當應力集中達到異相與基體界面結合強度或異相本 身強度時，會使二者界面脫離或異相自身斷裂，從而形成裂紋（微孔），并不斷擴大，最后使夾雜物之間基體金屬產生“內頸縮”，當頸縮達到一定程度后基體金屬被撕裂或剪切斷裂，使空洞 連接，從而形成韌窩斷口形貌。影響韌窩形成的因素：韌窩的形成位置、形狀、大小和深淺受很多因素影響，大致歸納起來可分為三個方面 成核粒子的大小和分布；材料的塑性變形能力，尤其是形變硬化的能力;外部因素（包括應力大小、應力狀態、溫度、變形速度等）。韌窩形狀主要取決于應力狀態或應力與斷面的相對取向，有等軸韌窩、拉長韌窩和撕裂韌窩 三類。解理斷裂：金屬材料在一定

22、條件下當外加正應力達到一定數值后以極快速率沿一定晶體學平 面產生的穿晶斷裂，該晶體學平面為解理面。解理面一般是低指數晶面，如體心立方點陣金屬的（100 ）面和密排六方點陣金屬的（0001 ）面。一般地，解理斷裂總是脆性斷裂，而脆性斷裂卻不一定是解理斷裂。解理斷口的微觀形貌特征：對于理想單晶體而言，解理斷裂可以是完全沿單一結晶面的分離, 其解理斷口是一毫無特征的理想平面。在實際晶體中，由于缺陷的存在，斷裂并不是沿單一的結 晶面解理，而是沿一組平行的結晶面解理，從而在不同高度上平行的解理面以解理臺階相連。在 解理裂紋擴展過程中，臺階匯合形成 “河流”花樣，解理臺階、“河流”花樣即為典型的解理斷 口

23、微觀形貌特征。解理斷裂的另一微觀特征是存在舌狀花樣。斷製予輪圖吏形的才小1a斷規時無明顯歯曲變形、斷取泄是平齊槪裂時有塑性巫羽曲呈灰色畀雉狀斷忌面的取冋in切脈、1老觀脯裂面丨帑大正應力牙向 寵觀撕裂面II堪大切應力方向裂紋存慝途統沿聶斷帑裂氏沼話界發展1疇穿過晶粒內部番莊活鍛機免徴孔聚告斷裂exo無咽昱亜形，沿解盤喬片離.穽晶斷農 沿晶并儼孔聚音.沿晶時裂沿晶岡微孔果會、夸晶時澀沿笊移面分離切斷（單薛體頸縮牙玫最穴斷顯C髙逐金屆一亭晶-實用標準文案第二章材料在其他靜載荷下的力學性能2.1 應力狀態軟性系數應力狀態軟性系數：a = 4=（叮評2叮2 X叮哄maxa越大，最大切應力分量越大，表示

24、應力狀態越軟，材料越易于產生塑性變形；a越小，表示應力狀態越硬，金屬越不容易產生塑性變形而易于產生脆性斷裂。2.2 材料的壓縮壓縮試驗的特點圖宜4喘性金期材蚪在拉悼和 壓縮栽荷下的力學行為1 搶忡力忡拴溜線*2 卍嚅力瓷於曲線團2.占 金J壓縮力-變飛曲藝 壓堀曲域】一脆性材料；2刻性材料1、單向壓縮試驗的應力狀態軟性系數a = 2，比拉伸、扭轉、彎曲的應力狀態都軟，所以單 向壓縮試驗主要用于拉伸時呈脆性的金屬材料力學性能的測定，以顯示這類材料在塑性狀態下的 力學行為（圖2.4）2、拉伸時塑性很好的材料在壓縮時只發生壓縮變形而不會斷裂（圖 2.5）脆性材料在拉伸時產生垂直于載荷軸向的正斷，塑性

25、變形量幾乎為零；而在壓縮時除能產生定的塑性變形外，常沿與軸線呈 45。方向產生斷裂，具有切斷特征2.3 材料的彎曲彎曲試驗的特點1、彎曲試驗不存在拉伸試驗時的試件偏斜（力的作用線不能準確通過拉伸試件的軸線而產 生附加彎曲應力)對試驗結果的影響，可以穩定地測定脆性材料和低塑性材料的抗彎強度，并能 由撓度明顯地顯示脆性和低塑性材料的塑性。如鑄鐵、工具鋼、陶瓷等。2、彎曲試驗不能使塑性很好的材料破壞，不能測定其斷裂彎曲強度，但可以比較一定彎曲 條件下材料的塑性。3、彎曲試驗時試樣斷面上的應力分布是不均勻的，表面應力最大，依此可以較靈敏地反映 材料的表面缺陷，以檢查材料的表面質量。2.5 材料的硬度硬

26、度并不是金屬獨立的基本性能，它是指金屬在表面上的不大體積內抵抗變形或者破裂的能 力。硬度的種類： 壓入法一一布氏硬度、洛氏、維氏、普氏等。表征材料的塑性變形抗力及應 變硬化能力。應力狀態軟性系數最大，a 2，幾乎所有的材料都能產生塑性變形。 刻劃法- 莫氏硬度。表征材料對切斷的抗力。 回跳法一一肖氏硬度。表征金屬彈性變形功的大小。同一 類方式的硬度可以換算；不同類方式則只能采用同一材料進行標定。 壓入法是最主要的試驗方法。布氏硬度原理：在直徑D的鋼珠上，加一定載荷p，壓在被試金屬的表面，根據金屬表面壓痕的陷凹面積F計算出應力值，以此值作為硬度值大小的計量指標。布氏硬度值的符號以HB( kgf/

27、mm 2， 1kgf=9.80665N )標記，貝UHBp =，式中，t為壓痕陷凹深度；nDt為壓痕陷凹面積。F n Dt在p和D一定時，t大，則說明材料的形變抗力低，硬度值小；反之則說明材料的形變抗力高，硬度值大。直觀上，測量壓痕直徑比測量壓痕陷凹深度要容易，由D、d、t三者之間的幾何關系可得：HB .D-(D2Pd2)1?2。讀數：載荷、壓頭直徑、保持時間是布氏硬度試驗的三要素。150HBS10/1000/30 表示采用淬火鋼球，壓頭直徑10mm，載荷1000kg，載荷保持時間30s測得的布氏硬度值為150 ;200HBW10/3000/10表示采用硬質合金鋼球，壓頭直徑 10mm，載荷3

28、000kg，載荷保持時間10s測得的布氏硬度值為200優點： 壓痕面積大，能反映金屬表面較大體積范圍內各組成相綜合平均的性能數據；試驗數據穩定，重復性好，試驗數據從小到大都可以統一起來；特別適宜于測得灰鑄鐵、軸承合金、等具有粗大晶粒或粗大組成相的金屬材料。缺點：對于450HB以上的硬材料，因鋼球變形已很顯著，影響所測數據的正確性，因此 不能使用；由于此法產生的壓痕較大，故不宜于某些表面不允許有較大壓痕的成品檢驗，也不宜于薄件試驗；因需測量d值，故被測處要求平穩，操作和測量都需較長時間，在要求迅速檢定大量成品時不適合。洛氏硬度洛氏硬度試驗是目前應用最廣泛的一種方法，它是測定壓痕深度來表征材料的硬

29、度值。原理：洛氏硬度以壓痕陷凹深度t作為計量硬度值的指標，所以在同一硬度級下，金屬越硬 則壓痕深度t越小，越軟則t越大。如果直接以t的大小作為指標，則將出現硬金屬t值小從而 硬度值小，軟金屬的t值大從而硬度值大的現象。為此，只能采取一個不得已的措施，即用選定 的常數來減去所得t值，以其差值來標志洛氏硬度值。此常數規定為0.2mm （用于HRC、HRA） 和0.26mm （用于HRB），此外在讀數上再規定0.002mm 為一度，這樣前一常數為100度（在 試驗機表盤上為100格（一圈），后一常數為130度（在表盤上為一圈再加30格，為130 格）， 因此t HRC = 0.2 - t = 100

30、 -0.002 tHRB = 0.26 - t = 130 -0.002壓頭與載荷的搭配：洛氏硬度的壓頭分硬質和軟質兩種。硬質的由頂角120。的金剛石圓錐體 制成，適用于測定淬火鋼等較硬的金屬材料；軟質的為直徑1/16 （1.875mm ）或1/8（3.175mm） 鋼球，適用于退火鋼、有色金屬等較軟材料硬度值的測定。生產上用得最多的是 A級、B級和C 級，即HRA （金剛石圓錐壓頭、60kgf載荷），HRB （1/16 鋼球壓頭100kgf載荷）和HRC（金剛石圓錐壓頭、150kgf載荷），而其中又以HRC用的最普遍。優點： 有硬質、軟質兩種壓頭，適用于各種不同硬質材料的檢驗，不存在壓頭變形

31、問題； 壓痕小，不傷工件表面；操作迅速，立即得出數據，生產效率高，適用于大量生產中的成品檢驗。缺點：不同硬度級測得的硬度值無法統一起來， 如HRA , HRB，HRC數據不具有可比性； 對組織結構不一致，特別是具有粗大組成相或粗大晶粒的金屬材料，因壓痕太小，可能正好壓 在個別組成相上，缺乏代表性；材料中有偏析或組織不均勻時，數據重復性差，分散度大。維氏硬度原理：與布氏硬度相同，也是根據單位壓痕陷凹面積上承受的載荷，即應力值作為硬度值的 計量指標。所不同的是，維氏硬度采用錐面夾角為136。的四方角錐體，有金剛石制成。計算公式：HV= p = 1.854氣Fd優點： 不存在布氏硬度試驗載荷p和壓頭

32、直徑D的規定條件的約束，以及壓頭變形問題， 且通過維氏硬度試驗所得到的硬度值和通過布氏硬度試驗所得到的硬度值能完全相等；不存在洛氏硬度試驗那種硬度值無法統一的問題，維氏硬度試驗和洛氏硬度試驗一樣可以試驗任何軟硬 的材料，并且比洛氏硬度試驗能更好地測試極薄件的硬度；采用四方角錐，當載荷改變時壓入角不變，因此載荷可以任意選擇。缺點：硬度值需通過測量對角線后才能計算（或查表）出來，生產效率沒有洛氏硬度試驗高， 不適宜成批生產的質量檢驗。讀數：640HV30/20 （維氏硬度值HV試驗載荷/加載時間）顯微硬度顯微硬度是用來測量尺寸很小或很薄零件的硬度，或者是用來測量各種顯微組織的硬度。其 試驗原理與維

33、氏硬度相同。所不同的是，載荷以 gf計量，壓痕對角線長度以微米計量。壓頭：一種是維氏壓頭，和宏觀的維氏硬度壓頭一樣，只是在金剛石四方錐的制造上和測量 上更加嚴格；另一種是努氏壓頭，它是一菱形的金剛錐體。努氏硬度的計算公式：HK= A =彩努氏硬度和維氏顯微硬度的比較：在測量滲碳（或氮化）淬硬層的硬度分布時，努氏壓痕的排列與分布較維氏壓痕更緊湊；在相同的對角線長度下（努氏壓痕以長對角線計），努氏壓痕的深度與面積只有維氏壓痕的15%，這對測量薄層硬度如電鍍層特別適宜。2.6 缺口試樣在靜載荷下的力學性能缺口效應：實際機件不是橫截面均勻無變化的光滑體，往往存在截面的急劇變化，這些截面變化的部位可視為

34、缺口，由于缺口的存在，在靜載荷作用下缺口截面上的應力狀態將發生變化， 產生缺口效應。缺口效應的影響：引起應力集中；應力狀態由單向改變為兩向或三向應力狀態應變集中；局部 應變速率增大；腐蝕傾向加大。金屬材料的缺口敏感性指標用缺口試件的抗拉強度c與等截面尺寸光滑試件的抗拉強度cbnb的比值表示，稱為缺口敏感度，記為 NSR，即NSR=直。NSR越大，缺口敏感性越小。脆性材cb料的NSR總是小于1，表明缺口根部尚未發生明顯塑性變形時就已經斷了，對缺口很敏感。高強度材料的NSR 般也小于1，塑性材料的NSR 般大于1。實用標準文案第三章材料在沖擊載荷下的力學性能3.3低溫脆性低溫脆性：隨溫度降低金屬材

35、料由韌性斷裂轉變為脆性斷裂的現象。發生脆性轉變的溫度稱為脆性轉變溫度。什么材料容易發生低溫脆斷?c s和c c隨溫度變化示意圖溫度T-當溫度高于T k時，c c材料受載后先屈服再斷裂為韌性斷裂；低于T k時，外加應力先 c s達到c，材料表現為脆性斷裂。c低溫脆性的本質柯垂爾提出的脆斷條件，即公式（cd + ky） ky = a Gy只要公式左端大于右端之值，即isc c,就可發生脆斷。G是組織結構不敏感的性能，凡是增加c、ky和d的因素都將促進脆斷, y fi使冷脆斷轉化溫度升高；凡使a和丫值減小的也將促使脆斷，使冷脆斷轉化溫度升高。sc位錯在晶體中運動的點陣摩擦阻力，包括派納力、溶質原子以

36、及第二相對位錯運動i的阻力。對體心立方金屬，派納力隨溫度的降低而急劇升高，這是體心立方金屬產生冷脆的主要 原因ky 反映位錯被原子或第二相釘扎運動難易程度的參量，ky值越大，位錯運動越困難。ky值并不因為溫度降低而顯著增加。d晶粒直徑。細化晶粒既提高斷裂強度也提高屈服強度，但斷裂強度相對提高較多， 因此細化晶粒總是使冷脆轉化溫度降低。a表示在外加載荷下切應力和正應力之比。丫一一材料的有效表面能。s影響韌脆轉變溫度？的主?要因素1、材料晶格類型的影響：體心立方金屬在溫度較高時，變形能力尚好，在低溫下，脆性增加。2、合金成分的影響：鋼中的 C、P、0、H、N、Mo、Al、Si都使T k上升；Ni、

37、Mn、Ti、V 都使Tk下降。3、晶粒尺寸的影響：細化晶粒使T k下降，同時還可以改善塑性韌性。4、 顯微組織的影響：冷作時效、上貝氏體使T k上升；低溫馬氏體、奧氏體、高溫回火組織 都 使Tk下降。第四章材料的斷裂韌性4.1 概述斷裂是工程構件最危險的一種失效方式，尤其是脆性斷裂，它是突然發生的破壞，斷裂前沒 有明顯的征兆，常常引起災難性的破壞事故并造成巨大的經濟損失。4.2 裂紋尖端的應力場i型（張開型）裂紋形式三種斷裂類型下的擴展、容器縱向裂紋在內壓力下的擴展。I型裂紋（張開型）：拉應力垂直于裂紋面 擴展面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴 展。如軸的橫向裂紋在軸向拉力或彎曲力作用II型

38、裂紋（滑開型）：切應力平行于裂紋面, 而且與裂紋垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開擴展。如輪齒或花鍵根部沿切線方向的裂紋，或者受扭轉的薄壁圓筒上的環形裂紋ii型（滑開型）裂紋形式III型裂紋（撕開型）：切應力平行作用于 裂紋面，而且與裂紋線平行，裂紋沿裂紋面撕 開擴展。如圓周上有一環形切槽，受到扭轉作 用引起的斷裂。應力強度因子Ki :表征裂紋尖端應力場特性。裂紋尖端區域的確定點，其應力分量就由Ki決定，Ki越大應力場各應力分量也越大。任何I型斷裂的應力場強度因子的一般形式為K i = 丫 霸，丫為裂紋的形狀系數，與裂紋幾何形狀及加載方式有關，一般丫=12 ;同理，K ii = 丫恥，Km = Y r

39、va。4.3 斷裂韌性和斷裂判據裂紋體發生失穩斷裂的臨界K I值記作K c或Kic,稱為斷裂韌性。K C是平面應力狀態下的斷裂韌性，表示平面應力條件下材料抵抗裂紋失穩擴展的能力。Kic為平面應變下的斷裂韌性，表示在平面應變條件下材料抵抗裂紋失穩擴展的能力。Kc與Kc的區別：K c與板材或試樣厚度有關，而當板材厚度增加到平面應變狀態時，斷裂韌 性就趨于一穩定的最低值，即為K ic （與厚度無關）。Kic是Kc的最低值，它是真正反映材料裂紋擴展抗力的材料常數。所以臨界應力場強度因子K ic 稱為材料的斷裂韌性。在臨界狀態下所對應的平均應力，稱為斷裂應力或裂紋體實際斷裂強度，記作c;對應的裂c紋尺寸

40、稱為臨界裂紋尺寸，記作a c，有如下關系K ic = Ycf。可見，材料的K ic越高，則裂紋體 c的斷裂應力或臨界裂紋尺寸就越大，表面材料越難斷裂。因此Kic表示材料抗斷裂的能力。斷裂判據：裂紋體在受力時，若K i Kic或丫朮 Kic，就會發生脆性斷裂。反之，即使存 在裂紋，若K i Kic或丫蚌（ r為應力比）。-1r疲勞極限與靜強度間的關系：金屬材料的抗拉強度越大，其疲勞極限也越大。對于中、低強度鋼，疲勞極限與抗拉強度之間大體呈線性關系。低周疲勞的特點低周疲勞時，局部區域產生宏觀塑性變形，應力與應變呈非線性關系，形成滯后回線。總應變？ = ? + ? otpe低周疲勞試驗時，或者控制急

41、應變范圍，或者控制塑性應變范圍，在給定的？ 或？ 下測t P定疲勞壽命。試驗結果處理不用 S-N曲線，而要改用？ ?2- 2Nf或？ ?2- 2Nf曲線，以描述tp材料的低周疲勞規律。 ?2和 ?2分別為總應變幅和塑性應變幅。tp裂紋成核期短，有多個裂紋源；微觀斷口的疲勞條帶較粗，間距也較寬；斷口呈韌窩狀、 輪胎花樣狀。低周疲勞壽命取決于塑性應變幅。低周疲勞與高周疲勞的區別相同點：都是循環塑性變形累積損傷的結果。不同點：高周疲勞壽命取決于應力幅或應力強度因子范圍；低周疲勞壽命取決于塑性應變幅。在低周疲勞的循環加載初期，材料對循環加載的響應有一個由不穩定向穩定過渡的過程。材 料對循環加載的初期響

42、應過程可表現為循環硬化和循環軟化。若金屬材料在恒定應變范圍循環作用下，隨循環周次增加其應力（形變抗力）不斷增加，即 為循環硬化；若在循環過程中，應力逐漸減小，則為 循環軟化。金屬材料產生循環硬化還是循環軟化取決于材料的初始狀態、結構特性以及應變幅和溫度等。 其中，退火狀態的塑性材料往往表現為循環硬化，而加工硬化的材料則往往表現為循環軟化。循環硬化產生的原因：位錯運動。熱疲勞：機件在由溫度循環變化時產生的循環熱應力及熱應變作用下發生的疲勞。5.3 疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展曲線的斜率即表示 裂紋擴展速率da/dN，即每循環一次裂紋擴展的距離。疲勞裂紋擴展速率曲線：材料的疲勞裂紋擴展速率da/dN不

43、僅與應力水平Ac有關，而且與當時的裂紋尺寸a有關，將兩者復合為應力強度因子厶K，4=K max -Kmin =Y a1/2。I區（初始段）：俠也， t, da/dN T，裂紋擴 展但不快。I區所占壽命不長。II區（主要段）：AKt, da/dN較大，裂紋亞穩擴展，是決定疲勞裂紋擴展壽命的主要段。III區（最后段）： t, da/dN tt,裂紋失穩擴展。謳m3 J/ ./ 7106心（噸5-16幀勞裂紋擴豐邃舉線疲勞裂紋擴展門檻值：確定AKth為裂紋疲勞不擴展的AK臨界值，稱為疲勞裂紋擴展門檻值。表示材料阻止疲勞裂紋開始擴展的性能，其值越大，阻止疲勞裂紋開始擴展的能力就越大，材料就越好。 單位

44、為MN m-3/2或MPa m1/2th與e的區別：0-1是光滑試樣的無限壽命疲勞強度，用于傳統的疲勞強度設計和校核;th是裂紋試樣的無限壽命疲勞性能，適合裂紋件的設計和校核。影響疲勞裂紋擴展速率的因素應力比的影響：應力比rT曲線向左上方移動，使da/dNitr1 升高，而且在I、山區的影響比II區的大。.實際機件在工作時很難一直是恒載，往往會有偶然過載 現象。偶然過載進入過載損傷區，將使材料受到損傷并降低疲 勞壽命，但若過載適當，有時反而是有益的。在恒載裂紋疲勞 擴展期內，適當的過載峰會使裂紋擴展減慢或停滯一段時間， 發生裂紋擴展過載停滯現象，并延長疲勞壽命。材料組織的影響：對I、III區的da?dN影響比較明顯,10IOOffi 5.23 庫力比F對嗟勞裂恢擴展建皐的總羞l(r而對II區的影響不太明顯。通常，晶粒粗大，？Kth值越高,daN值越低。當鋼的淬火組織中存在一定量的殘余奧氏體和貝氏體等韌性組織時，可以提高鋼的，降低daN。鋼的高溫回火的組織韌性好，強度低，其？Kth較高；低溫回火的組織韌性差，強度高，其 ？Kth較低；中溫回火 的?Kth則介于兩者之間。5.4 疲勞過程及機理疲勞過程包括疲勞裂紋萌生、裂紋亞穩擴展、失穩擴展及斷裂四個階段。疲勞裂紋的萌生常將0.050.1mm