會計學1材料性能學章電子會計學1材料性能學章電子2

二、本課程的學習目的1、

材料性能是評定材料質量優劣的重要依據評論材料的好與差，不能依靠組織成分，而應以性能來說話。2、

是科研和生產的主要手段和工具科研：開發新材料或研究新工藝，要不斷地測試各種性能指標；來滿足各種不同的需求。生產：生產中往往依靠性能選材來生產機械零件3、

進一步掌握材料各種主要性能的基本概念、物理本質、變化規律以及性能指標的工程意義，了解影響材料性能的主要因素及材料性能與其化學成分、組織結構之間的關系第1頁/共77頁2二、本課程的學習目的第1頁3三、本課程學習內容1、

材料在力的作用下所表現出的力學性能及力學性能指標2、

材料的斷裂特征及斷裂指標3、

材料的疲勞性能4、

材料的磨損性能5、

材料的高溫及熱學性能6、

材料的特殊性能及指標其中包括材料的磁學性能、電學性能、光學性能、腐蝕性能、壓電性能及老化與穩定性能等。

第2頁/共77頁3第2頁/共77頁4四、本課程的學習方法

以宏觀研究分析為主，由于是面面具到，而學時少，因而只是簡單介紹基本概念、基本原理、基本方法及一些較常用的性能指標。請同學們記好筆記，考試以課堂講授的內容為主。第3頁/共77頁4四、本課程的學習方法第3頁/共77頁5第一章材料單向靜拉伸的力學性能

概述材料力學性能研究的重要任務，就是研究材料在受載過程中變形和斷裂的規律．作為一種重要手段，單向靜拉伸試驗是工業生產和材料科學研究中應用最廣泛的材料力學性能試驗方法．通過拉伸試驗可以揭示材料在靜載作用下的應力應變關系及常見的3種失效形式（過量彈性變形、塑性變形和斷裂）的特點和基本規律，還可以評定出材料的基本力學性能指標，如屈服強度、抗拉強度、伸長率和斷面收縮率等．這些性能指標既是材料的工程應用、構件設計和科學研究等方面的計算依據，也是材料的評定和選用以及加工工藝選擇的主要依據．

第4頁/共77頁5第一章材料單向靜拉伸的力學性能第4頁/共77頁6

第一節力－伸長曲線和應力一應變曲線

一、力－伸長曲線（拉伸圖）

材料的單向靜拉伸試驗通常是在室溫下按常規的試驗標準，采用光滑圓柱試樣在緩慢加載和低的變形速率下進行的．試驗方法和試樣尺寸在試驗標準中有明確規定．在拉伸過程中，隨著載荷的不斷增加，圓柱試樣的長度將不斷的增加，這些量的變化可由試驗機上安裝的自動繪圖機構連續描繪出，拉伸力F和絕對伸長量ΔL的關系曲線，直至試樣斷裂．如圖1－1所示。第5頁/共77頁6第一節力－伸長曲線和應力一應變曲線第5頁/共77頁7第6頁/共77頁7第6頁/共77頁8拉伸開始后，試樣的絕對伸長量隨力F的增加而增大．1、彈性變形：在P點以下拉伸力F和伸長量ΔL呈直線關系．當拉伸力超過Fp后，力一伸長曲線開始偏離直線．拉伸力小于Fe時，試樣的變形在卸除拉伸力后可以完全恢復，因此e點以內的變形為彈性變形；2、塑性變形:當拉伸力達到FA后，試樣便產生不可恢復的永久變形，即出現塑性變形；3、屈服現象：塑性變形開始后，力一伸長曲線上出現平臺式鋸齒，直至C點結束．4、均勻變形（彈－塑性變形）：變形隨著外力的增大而均勻地增加5、不均勻變形（頸縮階段）及斷裂階段因此，在整個拉伸過程中的變形可分為彈性變形、塑性變形及斷裂三個基本階段。

第7頁/共77頁8拉伸開始后，試樣的絕對伸長量隨力F的增加而增大．第7頁/共96、拉伸圖的種類第8頁/共77頁96、拉伸圖的種類第8頁/共77頁10

曲線1為淬火、高溫回火后的高碳鋼的力－伸長曲線，只有彈性變形少量的均勻塑性變形；曲線2為低合金結構鋼（如16Mn）的力－伸長曲線，其特征與低碳鋼的曲線類似；曲線3為黃銅的力－伸長曲線，有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻塑性變形；曲線4為陶瓷、玻璃類材料的力－伸長曲線，只有彈性變形而沒有明顯的塑性變形；曲線5

為橡膠類材料的力－伸長曲線，其特點是彈性變形量很大，可高達1000％，且只有彈性變形而不產生或產生很微小的塑性變形；

曲線6

為工程塑料的力－伸長曲線，也有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻變形?！沧⒁狻?對于高分子聚合物材料，由于其在結構上的力學狀態差異及對溫度的敏感性，力－伸長曲線可有多種形式．不同的材料或同一材料在不同條件下可有不同形式的力一伸長曲線．這主要是由材料的鍵合方式、化學成分和組織狀態等因素決定的．有多種形式．不同的材料或同一材料在不同條件下可有不同形式的力一伸長曲線．這主要是由材料的鍵合方式、化學成分和組織狀態等因素決定的．

第9頁/共77頁10第9頁/共77頁11

二、應力一應變曲線

1、

（條件）應力與（條件）應變

應力：應變：

2、

應力－應變曲線（工程應力－應變曲線）工程應力一應變曲線對材料在工程中的應用是非常重要的，根據該曲線可獲得材料靜拉伸條件下的力學性能指標，如圖1－3中的比例極限σp、彈性極限σe、屈服點σs、抗拉強度σb等，可提供給工程設計或選材應用時參考．

第10頁/共77頁11二、應力一應變曲線第10頁/共77頁12３、各種性能指標（1）、強度指標①彈性極限：σe＝Fe/S0②比例極限：σp＝Fp/S0③屈服極限：σs＝Fs/S0；屈服強度σ0.2＝F0.2/S0④強度極限：σb＝Fb/S0⑤斷裂強度：σk

＝Fk/Sk（2）、塑性指標

①延伸率：δｋ＝(Ｌk-L0)/L0X100%②斷面收縮率：ψk＝（S0－Sk）/S0X100%根據試樣的大小，可將延伸率分為２種，一種是：δ5（標準短試樣：Ｌ0/d0=5）另一種是：δ10（標準長試樣：Ｌ0/d0=１０）第11頁/共77頁12３、各種性能指標第11頁/共77頁13４、真應力－真應變曲線（S－e曲線）實際上，在拉伸過程中，試棒的截面積和長度隨著拉伸力的增大是不斷變化的，工程應力一應變曲線并不能反映試驗過程中的真實情況．如果以瞬時截面積A除其相應的拉伸力F，則可得到瞬時的真應力S，同樣，當拉伸力F有一增量dF時，試樣在瞬時長度L的基礎上變為L＋dL，于是應變的微分增量應是de＝dL／L，則試棒自L0伸長至L后，總的應變量為：

真應力：其中，F－瞬時載荷，

A－瞬時面積真應變：則：又

第12頁/共77頁13４、真應力－真應變曲線（S－e曲線）第12頁/共77頁14則或因1＞ψ＞0,則有S＞σ說明真應力S永遠大于工程應力σ

第13頁/共77頁14則15

兩曲線比較階段變形性質σ－ε曲線表現S－e曲線表現OP段彈性變形直線關系曲線關系PB段彈－塑性變形曲線關系曲線關系BK段集中變形及頸縮曲線關系直線加曲線真應力S和真應變e作為坐標繪制的應力一應變曲線稱為真應力一真應變曲線（圖1-4）．與工程應力一應變曲線相比較，可以看出，在彈性變形階段，由于試棒的伸長和截面收縮都很小，兩曲線基本重合，真實屈服應力和工程屈服應力在數值上非常接近，但在塑性變形階段，兩者之間就出現了顯著的差異．在工程應用中，多數構件的變形量限制在彈性變形范圍內，二者的差別可以忽略，同時工程應力、工程應變便于測量和計算，因此，工程設計和材料選用中一般以工程應力、工程應變為依據．但在材料科學研究中，真應力與真應變將具有重要意義．第14頁/共77頁1516

第二節彈性變形及其實質

一、彈性變形的特點前已敘及，在單向拉伸過程中，絕大部分固體材料都首先產生彈性變形，外力去除后，變形消失而恢復原狀，對于金屬、陶瓷或結晶態的高分子聚合物在彈性變形范圍內，應力和應變之間可以看成具有1、可逆性；2、單值線性關系；3、彈性變形量較?。é牛?.5～1％）

對于橡膠態的高分子聚合物，則在彈性變形范圍內，應力和應變之間不呈線性關系，且變形量較大．無論變形量大小和應力與應變是否呈線性關系，凡彈性變形都是可逆變形．材料彈性變形的本質：概括說來，都是構成材料的原子（離子）或分子自平衡位置產生可逆位移的反映．金屬、陶瓷類晶體材料的彈性變形是處于晶格結點的離子在力的作用下在其平衡位置附近產生的微小位移；橡膠類材料則是呈卷曲狀的分子鏈在力的作用下通過鏈段的運動沿受力方向產生的伸展．第15頁/共77頁16第二節彈性變形及其實質第1517二、金屬、陶瓷類材料彈性變形的微觀過程的雙原子模型解釋．

在正常狀態下，晶格中的離子能保持在其平衡位置僅作微小的熱振動，這是受離子之間的相互作用力控制的結果．一般認為，這種作用力分為引力和斥力，引力是由正離子和自由電子間的庫侖力所產生，而斥力是由離子之間因電子殼層產生應變所致．引力和斥力都是離子間距的函數。圖1－5即為離子互相作用時的受力模型，圖沖N1、N2分別為兩離子的平衡位置，曲線1為引力，曲線2為斥力，曲線3為合力，引力斥力第16頁/共77頁17二、金屬、陶瓷類材料彈性變形的微觀過程的雙原子模型解釋．18在離子的平衡位置時合力為零．

當外力對離子作用時，合力曲線的零點位置改變，離子的位置亦隨之作相應的調整，即產生位移，離子位移的總和在宏觀上就表現為材料的變形．當外力去除后，離子依靠彼此間的作用力又回到原來的平衡位置，宏觀的變形也隨之消逝，從而表現了彈性變形的可逆性。

需要說明的是，根據上述模型導出的離子間相互作用力與離子間彈性位移的關系并非虎克定律所說的直線關系，而是拋物線關系．其合力的最大值為Fmax，如果外加拉應力大于Fmax，就意味著可以克服離子間的引力而使它們分離。因此，Fmax就是材料在彈性狀態下的理論斷裂抗力，此時相應的離子彈性變形量

εmax

可達

25％。實際上，因為在工程應用的材料中，不可避免地存在著各種缺陷、雜質、氣孔或微裂紋，因而實際斷裂抗力遠遠小于Fmax，材料就發生了斷裂或產生了塑性變形．實際材料的彈性變形只相當于合力曲線的起始階段，因此虎克定律所表示的外力和位移的線性關系是近似正確的。且變形量很小。

三、彈性模數（彈性模量）第17頁/共77頁18第17頁/共77頁19

正彈性模量（E）彈性模量即:

切彈性模量（G）彈性模量的物理意義：在工程上，表征材料對彈性變形的抗力，即材料的剛度，其值越大，表示在相同的應力作用下，材料的彈性變形量越小，使機械零件和工程構建不易發生塑性變形.影響因素：１．鍵合方式和原子結構（四種鍵和位置的影響）２．晶體結構（各向異性）３．化學成分（原子間距和鍵合方式的改變引起）４．微觀結構５．溫度（隨溫度升高而變小）６．加載條件和負荷持續時間

第三節彈性的不完整性與內耗通常，人們把材料受載后產生一定的變形，而卸載后這部分變形消逝，材料恢復到原來的狀態的性質稱為材料的彈性．根據材料在彈性變形過程中應力和應變的響應特點，彈性可以分為理想彈性（完全彈性）和非理想彈性（彈性不完整性）兩類．第18頁/共77頁19正彈性模量（E）第18頁/20

對于理想彈性材料

在外力作用下，應力和應變服從虎克定律，并同時滿足3個條件，即：

（１）應變對于應力是線性關系；（２）應力和應變同相位（同時性）；（３）應變是應力的單值函數（單值性）．實際上，絕大多數固體材料的彈性行為很難滿足上述條件，一般都表現出非理想彈性性質，非理想彈性行為大致可以分為滯彈性、粘彈性、偽彈性及包申格效應等幾種類型第19頁/共77頁20第19頁/共77頁21

一、滯彈性（彈性后效）第20頁/共77頁21一、滯彈性（彈性后效）第20頁/共77頁22一、滯彈性（彈性后效）

1．正彈性后效滯彈性的材料其應力一應變曲線與時間的關系如圖1－11所示，當突然施加一應力于拉伸試樣時，試樣立即沿OA線產生瞬時應變Oa．而應變aH是在σ0長期保持下逐漸產生的，這種加載時應變落后于應力而與時間有關的滯彈性也稱為正彈性后效或彈性蠕變（所謂蠕變，是指變形隨時間的延長而變化的現象）．2．反彈性后效．卸載時，則當應力下降為零時，只有應變eH部分立即消逝掉，而應變eo是在卸載后隨著時間逐漸去除的，我們把卸載時應變落后于應力的現象也稱為反彈性后效．

滯彈性在金屬材料和高分子材料中表現得比較明顯，其彈性后效速率和滯彈性應變量與材料成分、組織有關，也與試驗條件有關．材料組織越不均勻，滯彈性越明顯．鋼經淬火或塑性變形后，由于增加了組織不均勻性，滯彈性傾向加大．此外，溫度升高和切應力分量增大，滯彈性越強烈．而在沒有切應力的多向壓應力作用下，完全看不到滯彈性。第21頁/共77頁22一、滯彈性（彈性后效）第21頁/共77頁233．產生原因

金屬產生滯彈性的原因可能與晶體中點缺陷的移動有關，例如，α－Fe中的C原子處于八面體空隙及等效位置上，施加Z向拉應力后，x、y軸上的碳原子就會向Z軸方向擴散遷移，使Z軸方向繼續伸長變形，于是就產生了附加彈性變形．因擴散移動需要時間，故附加應變為滯彈性應變．卸載后Ｚ軸多余的碳原子又會擴散回到原來的X必軸上，使滯彈性應變消逝．４．危害材料的滯彈性對儀器儀表和精密機械中的重要傳感元件的測量精度有很大影響，因此選用材料時需要考慮滯彈性問題．如長期受載的測力彈簧、薄膜傳感器等，所選用材料的滯彈性較明顯時，會使儀表精度不足，甚至無法使用．５．應用利用彈性后效形成的滯后環可以消震器．６．消除的辦法

長時間的回火

第22頁/共77頁23第22頁/共77頁24二、粘彈性1.粘彈性：是指材料在外力作用下，彈性和粘性兩種變形機理同時存在的力學行為．其特征是應變對應力的響應（或反之）不是瞬時完成的，需要通過一個弛豫過程，但卸載后，應變恢復到初始值，不留下殘余變形。2.種類：恒應變下的應力松弛［圖1－13（a）］恒應力下的蠕變［圖1－13（b）］第23頁/共77頁24二、粘彈性第23頁/共77頁25三、偽彈性偽彈性：是指在一定的溫度條件下，當應力達到一定水平后金屬或合金將產生應力誘發馬氏體相變，伴隨應力誘發相變產生大幅度的彈性變形的現象．

偽彈性變形的量級大約在60％左右，大大超過正常彈性變形．圖1－15為偽彈性材料的應力一應變曲線示意圖。第24頁/共77頁25第24頁/共77頁26

圖中AB段為常規彈性變形階段，為應力誘發馬氏體相變開始的應力，C點處馬氏體相變結束，CD段為馬氏體的彈性應變階段．在CD段卸載，馬氏體作彈性恢復，表示開始逆向相變的應力，馬氏體相變回原來的組織，到G點完全恢復初始組織．GH為初始組織的彈性恢復階段，恢復到初始組織狀態，沒有任何殘留變形．形狀記憶合金就是利用了這一原理．

CD段：M彈性變形GH段：母相的恢復彈性變形母相→MM→母相第25頁/共77頁26CD段：M彈性變形母相→MM→母相第25頁/共27四、包申格效應包申格（Bauschinger）效應：

是指金屬材料經預先加載產生少量塑性變形（殘余應變小于4％），而后再同向加載規定殘余伸長應力（或彈性極限）增加，反向加載，規定殘余伸長應力（或彈性極限）降低的現象．σε原始σe1同向加載σe2反向加載σe30其中，σe2＞σe1＞σe3１、拉，(原始）得σe1２、拉→再拉，得σe2３、拉→再壓，得σe3第26頁/共77頁27四、包申格效應σε原始σe1同向加載σe2反向加載σe328

對與某些鈦合金，因包申格效應，可是規定殘余伸長應力降低，所以退火態和高溫回火太的金屬都有包申格效應，因此包申格效應是多晶體金屬具有的普遍現象。原因：包申格（Bauschinger）效應可能與第二類內應力有關；

危害：包申格（Bauschinger）效應可弱化材料，因而應予以消除；

消除辦法：

因包申格效應是一種材料微觀組織，結構變化的結果，所以可以通過熱處理加以消除；具體方法：對材料進行較大的塑性變形或對微量塑變形的材料進行再結晶退火．

第27頁/共77頁28對與某些鈦合金，因包申格效應，可是規定29五、內耗內耗

：在非理想彈性的情況下，由于應力和應變不同步，使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，這個封閉回線稱為彈性滯后環．存在彈性滯后環的現象說明加載時材料吸收的變形功大于卸載時材料釋放的變形功，有一部分加載變形功被材料所吸收．這部分被吸收的功稱為材料的內耗。其大小可用回線面積度量。第28頁/共77頁29五、內耗第28頁/共77頁30內耗是材料的一種重要的力學和物理性能．在力學性能上，內耗也稱為材料的循環韌性，表示材料在交變載荷（振動）下吸收不可逆變形功的能力，故又稱為消振性．材料循環韌性越高，則自身的消振能力就越好，例如鑄鐵因含有石墨不易傳遞機械振動，故具有很高的消振性．因此，高的循環韌性對降低機械噪聲，抑制高速機械的振動具有很重要的意義，汽輪機葉片用ICr13鋼制造，其中原因之一就是因為它有高的循環韌性．反之，對于儀表傳感元件選用循環韌性低的材料，可以提高其靈敏度樂器所用材料的循環韌性越低，則音質越好．在物理性能方面，可以利用材料內耗與其成分、組織結構及物理性能變化間的關系，進行材料科學研究．第29頁/共77頁30內耗是材料的一種重要的力學和物理性能．第29頁/共77頁31

第五節斷裂

斷裂：固體材料在力的作用下分成若干部分的現象稱為斷裂．材料的斷裂是力對材料作用的最終結果，它意味著材料的徹底失效．因材料斷裂與其他失效方式（如磨損、腐蝕等）相比危害性最大，可能出現災難性的后果．因此，研究材料斷裂的宏觀與微觀特征、斷裂機理、斷裂的力學條件，以及影響材料斷裂的各種因素不僅具有重要的科學意義，而且也有很大的實用價值．

第30頁/共77頁31

第30頁/共77頁32

一、斷裂的類型及斷口特征（一）、分類1、按照斷裂性態分：斷裂分為脆性斷裂與韌性斷裂；2、按照裂紋擴展途徑分：穿晶斷裂和沿晶（晶界）斷裂；3、按照微觀斷裂機理分：解理斷裂和剪切斷裂；4、按作用力的性質分:正斷和切斷斷口分析法：

材料的斷裂表面稱為斷口．用肉眼、放大鏡或電子顯微鏡等手段對材料斷口進行宏觀及微觀的觀察分析，以了解材料發生斷裂的原因、條件、斷裂機理以及與斷裂有關的各種信息的方法，稱為斷口分析法．斷口分析法在調查機件斷裂失效的原因及材料科學研究中是十分重要的．

第31頁/共77頁32一、斷裂的類型及斷口特征第31頁/共77頁33（二）關于各種斷裂

1、韌性斷裂與脆性斷裂韌性斷裂：是材料斷裂前及斷裂過程中產生明顯宏觀塑性變形的斷裂過程．韌性斷裂的特點：（1）

韌性斷裂時一般裂紋擴展過程較慢，而且要消耗大量塑性變形能．（2）

韌性斷裂的斷口用肉眼或放大鏡觀察時，往往呈暗灰色、纖維狀．（3）

不易造成重大事故，易被人察覺一些塑性較好的金屬材料及高分子材料在室溫下的靜拉伸斷裂具有典型的韌性斷裂特征．第32頁/共77頁33第32頁/共77頁34脆性斷裂：是材料斷裂前基本上不產生明顯的宏觀塑性變形，沒有明顯預兆，往往表現為突然發生的快速斷裂過程脆性斷裂的特點：（1）

因為沒有明顯的預兆，所以脆性斷裂具有很大的危險性．（2）

脆性斷裂的斷口，與正應力垂直，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結晶狀．（3）

裂紋擴展速度大，往往受到的應力低于設計要求的許用應力一般淬火鋼、灰鑄鐵、陶瓷、玻璃等脆性材料的斷裂過程的斷口常具有上述特征．第33頁/共77頁34第33頁/共77頁352、穿晶斷裂與沿晶斷裂第34頁/共77頁35第34頁/共77頁36

穿晶斷裂可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂；而沿晶斷裂則多數為脆性斷裂．沿晶斷裂是晶界上的一薄層連續或不連續的脆性第二相、夾雜物等破壞了材料的連續性造成的，是晶界結合力較弱的一種表現．例如共價鍵陶瓷晶界較弱，斷裂方式主要是晶界斷裂．離子鍵晶體的斷裂往往具有以穿晶解理為主的特征．

沿晶（晶界）斷裂的斷口形貌一般呈結晶狀．3、剪切斷裂與解理斷裂剪切斷裂與解理斷裂按不同的微觀斷裂方式，是材料斷裂的兩種重要微觀機理．（1）

剪切斷裂：剪切斷裂是材料在切應力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂．單晶楔形：某些純金屬尤其是單晶體金屬可產生純剪切斷裂，其斷口呈鋒利的楔形，如低碳鋼拉伸斷口上的剪切唇．微孔聚集型斷裂：剪切斷裂的另一種形式為微孔聚集型斷裂，其斷口在宏觀上常呈現暗灰色、纖維狀，微觀斷口特征花樣則是斷口上分布大量“韌窩”

第35頁/共77頁36穿晶斷裂可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂；而沿晶37第36頁/共77頁37第36頁/共77頁38（2）解理斷裂：在正應力作用下，由于原子間結合鍵的破壞而引起的沿特定晶面發生的脆性穿晶斷裂一般為解理斷裂．這種晶面稱為解理面解理裂紋的擴展往往是沿著晶面指數相同的一族相互平行，但位于“不同高度”的晶面進行的．不同高度的解理面之間存在臺階，眾多臺階的匯合便形成河流花樣．第37頁/共77頁38（2）解理斷裂：在正應力作用下，由于原子間結合鍵39（3）準解理斷裂準解理斷裂常見于淬火回火鋼和貝氏體鋼中，宏觀上屬脆性斷裂．準解理斷裂：由于回火后碳化物質點的作用，當裂紋在晶內擴展時，難以嚴格地沿一定晶面擴展．其微觀形態特征，似解理河流但又非真正解理，故稱為準解理．準解理與解理的不同點是：準解理小平面不是晶體學解理面．真正解理裂紋常源于晶界，而準解理裂紋則常源于晶內硬質點，形成從晶內某點發源的放射狀河流花樣．準解理不是一種獨立的斷裂機理，而是解理斷裂的變種．4．高分子材料的斷裂高分子材料的斷裂從宏觀上考慮與金屬材料相同，也可分為脆性斷裂和韌性斷裂兩大類．（1）

當溫度小于玻璃態聚合物在玻璃轉變溫度T＜Tg時,主要表現為脆性斷裂，（2）

當T＞Tg時,玻璃態聚合物以及通常使用的半晶態聚合物斷裂時伴隨有較大塑性變形，屬于韌性斷裂．第38頁/共77頁39（3）準解理斷裂第38頁/共77頁40

宏觀斷口:用肉眼或放大鏡觀察到的斷口形貌5.斷口分析

微觀斷口:借助于掃描電鏡或其它分析手段來研究的斷口形貌第39頁/共77頁40宏觀斷口:用肉眼或41第二章材料在其他靜載下的力學性能

一、概述

機器零件或建筑結構實際上往往承受不同形式和大小的外力，其內部的應力狀態一般也是十分復雜的，僅采用單向靜拉伸那樣的力學性能試驗，并不能完全反映材料在不同應力狀態下所表現的彈性變形、塑性變形以及斷裂行為等性能特點．在實際生產和材料研究過程中，為充分揭示材料的力學行為和性能特點，還常常采用模擬材料在實際應用時承受扭轉、彎曲、壓縮以及帶有臺階、孔洞、螺紋等情況下的拉伸等不同加載方式的試驗方法，以充分反映材料在不同應力狀態下的力學行為和性能特點，為合理選材和設計提供充分的試驗依據．二、分類

1、

靜扭轉及其性能指標

2、

靜彎曲及其性能指標

3、

靜壓縮及其性能指標

4、

缺口試樣靜載力學性能

5、

硬度試驗只講硬度試驗，其它的內容不講

第40頁/共77頁41第二章材料在其他靜載下的力學性能第40頁/共77頁42

第一節應力狀態軟性系數

對材料的單向靜拉伸試驗的分析研究表明，材料的塑性變形和斷裂方式主要與應力狀態有關．正應力容易導致脆性的解理斷裂，切應力容易導致材料的塑性變形和韌性斷裂，而實際應用中的材料，其變形和斷裂方式主要決定于承載條件下的應力狀態．材料力學表明，任何的復雜的應力狀態都可用三個主應力σ1、σ2、σ3來表示，其中，σ1＞σ2＞σ3，根據三個主應力可計算出最大切應力τmax和最大正應力σmax

則有：

稱α為應力狀態柔性系數，α越大，最大切應力分量越大，表示應力狀態越軟，材料越易于產生塑性變形．反之，α越小，表示應力狀態越硬，則材料越容易產生脆性斷裂．不同的靜載試驗方法，具有不同的應力狀態軟性系數．見表2－1。第41頁/共77頁42第一節應力狀態軟性系數第41頁/共43第42頁/共77頁43第42頁/共77頁44第二節硬度

一、硬度試驗的意義硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學性能．硬度試驗與靜拉伸試驗一樣也是一種應用十分廣泛的力學性能試驗方法．硬度試驗方法有十幾種，按加載方式基本上可分為動載壓人法：超聲波硬度、肖氏硬度和錘擊式布氏硬度壓人法靜載壓人法：布氏硬度、洛氏硬度、維氏

硬度硬度和顯微硬刻劃法：莫氏硬度順序法和挫刀法

硬度值的物理意義隨試驗方法的不同，其含義不同．壓人法的硬度值是材料表面抵抗另一物體局部壓入時所引起的塑性變形能力刻劃法硬度值表征材料表面對局部切斷破壞的抗力．壓力法硬度試驗的應力狀態最“軟”（a＞2），最大切應力遠大于最大正應力．所以，在此應力狀態下幾乎所有材料都會產生塑性變形．第43頁/共77頁44第二節硬度第43頁/共77頁45二、硬度試驗的優點1．硬度試驗所用設備簡單，操作方便快捷；2．不受場地條件等限制；3．基本上不破壞工件，可在成品上直接檢驗故被廣泛用來檢驗經熱處理的工件質量和進行材料研究．三、硬度試驗方法1、

布氏硬度（HB）（1）

測定原理：用一定大小的載荷(F)將淬火鋼球壓入工件表面，保持一定的時間后卸載，然后用載荷（F）除以壓痕的表面積（S）所得的值為布氏硬度，即：第44頁/共77頁45二、硬度試驗的優點第44頁/共77頁46（2）壓痕相似性原理：φ角相同時，只需要F/D2為一定值，就能使大小、薄厚不同的同一材料獲得相同的布氏硬度值，這就是壓痕相似性原理（3）、布氏硬度的優缺點優點：壓痕面積較大，其硬度值能反映材料在較大區域內各組成相的平均性能，試驗數據穩定，重復性強。缺點：因壓痕直徑較大，一般不宜在成品件上直接進行檢驗；對硬度不同的材料需要更換壓頭直徑D和載荷F，同時壓痕直徑的測量也比較麻煩，需查表計算。

第45頁/共77頁46（2）壓痕相似性原理：第45頁/共77頁472．洛氏硬度（HR）（1）測試原理洛氏硬度也是一種壓人硬度試驗方法，其原理不是通過測壓痕面積求得硬度值，而是以測量壓痕深度值的大小來表示材料的硬度值．洛氏硬度試驗所用的壓頭為圓錐角α為1200的金剛石圓錐或直徑為1．588㎜3．157㎜的淬火鋼球．載荷分先后兩次施加，先加初載荷F1

；，再加主載荷F2

，其總載荷為F（F＝F1＋F2）。

1-1加初載F12-2F=F1+F23-3F=F1

2-2F=F1+F21－1加初載F13-3F=F1第46頁/共77頁472．洛氏硬度（HR）2-2F=F1+F21－1加48則為洛氏硬度值，可直接從表盤上快速讀出數據。

第47頁/共77頁48則為洛氏硬度值，可直接49（2）洛氏硬度試驗的優缺點優點：A.

操作簡便迅速；壓痕小，可對工件直接進行檢驗；

B.

采用不同標尺，可測定各種軟硬不同和薄厚不一試樣的硬度．缺點：A.因壓痕較小，代表性差；尤其是材料中的偏析及組織不均勻等情況，使所測硬度值的重復性差、分散度大；

B.用不同標尺測得的硬度值既不能直接進行比較，又不能彼此互換．

C.預先載荷,可消除不平的影響

3．維氏硬度（HV）與顯微硬度（HM）布氏硬度試驗只能測定硬度值小于450HB（或650）的材料．洛氏硬度雖可測定各種材料的硬度，但由于在不同的硬度范圍所使用的標尺不同，所測硬度值不能直接換算．因此為了使軟硬不同的各種材料有一個連續一致的硬度指標，制定了維氏硬度試驗法．（1）

維氏硬度的測試原理

與布氏硬度基本相似，也是根據壓痕單位面積所承受的載荷來計算硬度值的．所不同的是維氏硬度試驗所用的壓頭是兩相對面夾角為1360的金剛石四棱錐體．

第48頁/共77頁49（2）洛氏硬度試驗的優缺點第48頁/共77頁50（2）優點：A.精確可靠B.載荷任選C.硬度可同一缺點：A.方法麻煩B.工作效率低C.代表性差第49頁/共77頁50（2）優點：第49頁/共77頁51

第三章材料的沖擊韌性及低溫脆性概述在實際的生產中很多機件和工具、模具受沖擊載荷的作用，如火箭的發射、飛機的起飛和降落、行駛的汽車通過道路上的凹坑，及材料的壓力加工（鍛造、沖裁、模鍛）等．為了評定材料承受沖擊載荷的能力，揭示材料在沖擊載荷下的力學行為，就需要進行相應的力學性能試驗(包括前面講到的)．本章主要介紹材料在沖擊載荷下的力學行為和性能特點以及金屬材料的低溫脆性．

第一節沖擊彎曲試驗與沖擊韌性一、沖擊彎曲試驗1．一次沖擊彎曲試驗

第50頁/共77頁51第三章材料的沖擊韌性及低溫脆性第50頁/共752第51頁/共77頁52第51頁/共77頁53缺口試樣一次沖擊彎曲試驗原理如圖3－1正所示．試驗在擺錘式沖擊試驗機上進行，將試樣水平放置于試驗機支座上，缺口位于沖擊相背方向．沖擊時將具有一定質量G的擺錘舉至具有一定高度H1的位置，使其獲得一定位能GH1；釋放擺錘沖斷試樣后擺錘的剩余能量為GH2，則擺錘沖斷試樣失去的位能約為GH1－GH2，此能量即為試樣變形和斷裂所吸收的功，稱為沖擊吸收功，以Ak表示，單位為焦耳（J）．即Ak＝GH1－GH2

（J）沖擊功Akak=Ak/FN

（J/cm2）FN---缺口處試樣的面積稱ak為沖擊韌性，它代表一種材料的韌性的好壞。具體的試驗與方法及操作規范可參考GB229—84和GB2106—80．測量陶瓷、鑄鐵或工具鋼等脆性材料的沖擊吸收功時，常采用10㎜X10㎜X55㎜的無缺口沖擊試樣第52頁/共77頁53缺口試樣一次沖擊彎曲試驗原理如圖3－1正所示．第52頁/542．小能量多次沖擊試驗小能量多次沖擊：大量實踐表明，即使那些通常認為承受劇烈沖擊載荷的機件，也很少有只經受一次或幾次沖擊就斷裂的．實驗表明，當試樣破壞前承受的沖擊次數少于500～1000次，試樣斷系的規律與一次沖擊相同；當沖擊次數N＞105時，破壞后具有典型的疲勞斷口特性，它是各次沖擊損傷積累的結果，根本不同于一次沖擊破壞的過程，所以多沖抗力不能用Ak值簡單代替．多次沖擊試驗在落錘式多次沖擊試驗機PC150上進行的，沖擊頻率為450周次／min和600周次／min．沖擊能量靠沖程調節而變換,可做多沖彎曲、拉伸和壓縮試驗．試驗后可繪制出沖擊功A---沖斷次數N曲線，如圖3－4所示．第53頁/共77頁542．小能量多次沖擊試驗第53頁/共77頁55第54頁/共77頁55第54頁/共77頁56從A—N多沖曲線不難看出，隨著沖擊功A的減少，沖斷次數N增加．

二、沖擊韌性及其工程意義1、一次沖擊韌性指標ak

長期以來，人們一直將ak視為材料抵抗沖擊載荷作用的力學性能指標，用來評定材料的韌脆程度，作為保證機件安全設計的指標．一次沖擊彎曲試驗主要有以下幾方面用途．（1）

它能反映出原始材料的冶金質量和熱加工產品的質量．通過測量ak值和對沖斷試樣的斷口分析，可揭示原材料中的氣孔、夾雜、偏析、嚴重分層和夾雜物超標等冶金缺陷；還可檢查過熱、過燒、回火脆性等鍛造或熱處理缺陷．（2）

測定材料的韌脆性轉變溫度．根據系列沖擊試驗（低溫沖擊試驗）可獲得ak與溫度的關系曲線，據此確定材料的韌脆轉變溫度，以供選材參考或抗脆斷設計．

(3)對屈服強度大致相同的材料,根據Ak值可以評定材料對大能量沖擊破壞的缺口敏感性

(4)對某些在特殊條件下服役的零件,具有參考價值.

(5)

評定低合金高強度鋼及其焊縫金屬的應變時效敏感性.

第55頁/共77頁56從A—N多沖曲線不難看出，隨著沖擊功A的減少，沖斷次數N572．多次沖擊（1）當沖擊功A高時（o點左側），材料的多沖抗力N主要取決于材料的韌性和塑性；當沖擊功A低時，材料的多沖抗力N主要取決于材料的強度（如下圖）

N材料1AAk２Ak1材料2O第56頁/共77頁572．多次沖擊N材料1AAk２Ak1材料2O第56頁/共758(2)不同的沖擊能量要求不同的強度與塑性配合．圖3－6為40鋼強度、塑性、沖擊韌性及不同能量下的沖斷次數與回火溫度的關系．由圖可見，40鋼的沖擊疲勞抗力隨回火溫度的變化不是單調的變化，而是在溫度下有一個峰值，且此峰值隨沖擊能量增加向高溫方向移動．這說明不同沖擊能量下，要求的強度與塑性配合不同．例如鍛錘錘桿，原用45Cr鋼油淬，650℃回火，ak值高，強度低，使用過程中常易折斷，壽命低．根據多沖疲勞抗力變化規律，改用鹽水淬火加中溫回火，強度提高，ak值降低，使用壽命明顯提高．

第57頁/共77頁58(2)不同的沖擊能量要求不同的強度與塑性配合．第57頁59（3）ak值對沖擊疲勞抗力的影響材料強度不同對沖擊疲勞抗力的影響不同．高強度鋼和超高強度鋼的塑性和沖擊韌性對提高沖擊疲勞抗力有較大作用；而中、低強度鋼的塑性和沖擊韌性對提高沖擊疲勞抗力作用不大．見圖3－7．第58頁/共77頁59（3）ak值對沖擊疲勞抗力的影響第58頁/共77頁60

第二節低溫脆性一、系列沖擊實驗與低溫脆性1、系列沖擊實驗：

對某些材料分別在低溫、室溫和高溫下進行一系列沖擊試驗，得到一系列沖擊值Ak（或ak），將這些沖擊值與所對應的實驗溫度在直角坐標系中作圖，然后用光滑曲線將這些實驗數據連接起來，可以得到這種材料沖擊韌性與溫度的關系曲線，即AK—t或aK—t曲線，稱為系列沖擊曲線，這種沖擊試驗稱為系列沖擊試驗。系列沖擊試驗可以評定材料的低溫脆性、藍脆和重結晶脆性等，而這些脆性是材料使用中力圖避兔出現的，因此系列沖擊試驗有一定的實用意義

2、低溫脆性：系列沖擊實驗證明，體心立方金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及合金，尤其是工程上常用的中、低強度結構鋼，當試驗溫度低于某一溫度tk時，材料由韌性狀態變為脆性狀態，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集變為穿晶解理，斷口特征由纖維狀變為結晶狀，這就是低溫脆性．轉變溫度tk稱為韌脆轉變溫度或冷脆轉變溫度．面心立方金屬及合金一般沒有低溫脆性現象

第59頁/共77頁60第二節低溫脆性第59頁/共77頁61二、韌脆轉化溫度及其評價方法（1）當低于某一溫度材料吸收的沖擊能量基本不隨溫度而變化，形成一平臺，該能量稱為“低階能”．以低階能開始上升的溫度定義tk，并記為NDT

（2）高于某一溫度材料吸收的能量也基本不變，形成一個上平臺，稱為“高階能”．以高階能對應的溫度為tk，記為FTP。（3）以低階能和高階能平均值對應的溫度定義，并記為FTE（4）沖擊試樣沖斷后，其斷口形貌如圖3－10圖所示．如同拉伸試驗一樣，沖擊試樣斷口也有纖維區、放射區（結晶區）和剪切唇幾部分，但在不同試驗溫度下，3個區之間的相對面積是不同的．通常取結晶區面積占整個斷口面積50％時的溫度為tk，并記為50％FATT。第60頁/共77頁61二、韌脆轉化溫度及其評價方法第60頁/共77頁62三、材料低溫脆性的影響因素1．晶體結構的影響體心立方金屬及其合金存在低溫脆性，面心立方金屬及其合金一般不存在低溫脆性．體心立方金屬的低溫脆性可能和遲屈服現象有密切關系．所謂遲屈服是指當用高于材料屈服極限的載荷以高加載速度作用于體心立方結構材料時，瞬間并不屈服，需在該應力下保持一定時間后才發生屈服．且溫度越低，持續的時間越長，這就為裂紋的發生和傳播造成有利條件．中、低強度鋼的基體是體心立方結構的鐵素體，都有明顯的低溫脆性．2．化學成分的影響間隙溶質元素含量增加，高階能下降，韌脆轉變溫度提高.3．顯微組織的影響（1）晶粒大小：細化晶?？墒共牧享g性增加．（2）金相組織：在較低強度水平，強度相同而組織不同的鋼，其沖擊吸收功和韌脆轉變溫度以回火索氏體最佳，貝氏體回火組織次之，片狀珠光體組織最差．此外，球化處理能改善鋼的韌性．4．溫度的影響第61頁/共77頁62三、材料低溫脆性的影響因素第61頁/共77頁63

碳鋼和某些合金鋼在沖擊載荷或靜載荷作用下，在一定溫度范圍內出現脆性。因為在該溫度范圍內加熱鋼時，表面氧化色為藍色，故此現象稱為藍脆，但二者的藍脆溫度范圍不同在靜拉伸時，藍脆的溫度范圍為230～370℃；在沖擊載荷作用下，藍脆最嚴重的溫度范圍為525～550℃。

5．加載速率的影響

提高加載速率如同降低溫度，使材料脆性增大，韌脆轉變溫度提高．加載速率對鋼脆性的影響與鋼的強度水平有關．一般，中、低強度鋼的韌脆轉變溫度對加載速率比較敏感，而高強度鋼和超高強度鋼的韌脆轉變溫度則對加載速率的敏感性較?。?.試樣形狀和尺寸的影響

缺口曲率半徑越小,tk越高,因此,V型缺口試樣的tk高于U型試樣的tk.具體的辦法:(1)降低鋼中的碳、磷含量，細化晶粒，熱處理成低碳馬氏體回火索氏體，可提高高階能；（２）增加鋼中碳、磷、氧含量，Ｓi、Al含量超過一定值以及應變時效等，降低高階能；（３）鋼中碳、磷、氧、氫含量高，硅、鋁含量超過一定值，晶粒粗大，形成上貝氏體以及應變時效，均提高韌脆轉化溫度；（４）增加鎳含量，細化晶粒，形成低碳馬氏體和回火索氏體，消除回火脆性等，將降低韌脆轉化溫度；（５）增加鋼中鎳、銅含量，有利于提高低階能。第62頁/共77頁63碳鋼和某些合金鋼在沖擊載荷或靜載荷作用下，在一定64

第四章材料的斷裂韌性概述

傳統的設計方法和規范是把材料和構件作為連續、均勻和各向同性的受載物體，進行力學分析，確定危險面的應力和應變，考慮安全系數后，對材料提出相應的強度、塑性和韌度的要求，如σ＜σs/n，n為安全系數，防止斷裂和其他失效形式的發生.但是，隨著現代生產的發展，新工藝、新材料的廣泛采用，結構在超高溫、超高壓、超高速等極限條件下服役，以及大型結構的日益增多，用傳統的強度理論設計的結構發生了很多斷裂事故，如高強度鋼、超高強度鋼的機件，中、低強度鋼的大型機件常常在工作應力并不高，甚至遠低于屈服極限（σs）的情況下，發生脆性斷裂現象，這就是所謂的低應力脆斷．

大量斷裂事例表明，低應力脆斷是由于宏觀裂紋的存在引起的．但裂紋的存在是很難避免的，它可以在材料的生產和機件的加工過程中產生，如冶金缺陷、鍛造裂紋、焊接裂紋、淬火裂紋、機加工裂紋等，也可以在使用過程中產生，如疲勞裂紋、腐蝕裂紋等．裂紋破壞了材料和構件的連續性和均勻性，使得傳統的設計方法無法定量計算裂紋體的應力和應變．經典的強度理論是在不考慮裂紋的萌生和擴展的條件下進行強度計算的，認為斷裂是瞬時發生的．然而實際上無論哪種斷裂都有裂紋萌生、擴展直至斷裂的過程.因此,裂紋在很大程度上決定于裂紋萌生的抗力和擴張力,而不是決定于斷面尺寸計算的名義第63頁/共77頁64第四章材料的斷裂韌性第63頁/共77頁65

應力和斷裂應變.

斷裂力學正是在這種背景下發展起來的一門新興斷裂強度科學．1922年Griffith首先在強度與裂紋尺度間建立了定量關系.1948年Irwin發表了經典性論文《FractureDynamics》，標志著斷裂力學成為了一門獨立的工程邊緣學科.1968年，Rice提出了J積分，Hutchinson證明J積分可以用來描述彈塑性體中裂紋的擴展.斷裂力學研究裂紋尖端的應力、應變和應變能的分布情況，建立了描述裂紋擴展的新的力學參量、斷裂判據和對應的材料力學性能指標——斷裂韌度，以此對機件進行設計和校核。

第一節線彈性條件下的斷裂韌性線彈性斷裂力學認為在脆性斷裂過程中，裂紋體各部分的應力和應變處于線彈性階段，只有裂紋尖端極小區域處于塑性變形階段．處理問題有兩種方法：一種是應力應變分析方法，研究裂紋尖端附近的應力應變場，提出應力場強度因子及對應的斷裂韌度和K判據；另一種是能量分析方法，研究裂紋擴展時系統能量的變化，提出能量釋放率及對應的斷裂韌度和G判據．

一、裂紋擴展的基本方式根據外加應力的類型及其與裂紋擴展面的取向關系，裂紋擴展的基本方式有3種，如圖4－1所示．第64頁/共77頁65第64頁/共77頁661.張開型（Ⅰ型）裂紋擴展拉應力垂直作用于裂紋面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴展．例如，容器縱向裂紋在內應力作用下的擴展．2．滑開型（Ⅱ型）裂紋擴展切應力平行作用于裂紋面，并且與裂紋前沿線垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開擴展．例如，花鍵根部裂紋沿切應力方向的擴展．3．撕開型（Ⅲ型）裂紋擴展切應力平行作用于裂紋面，并且與裂紋線平行，裂紋沿裂紋面撕開擴展．例如，軸類零件的橫裂紋在扭矩作用下的擴展．第65頁/共77頁661.張開型（Ⅰ型）裂紋擴展第65頁/共77頁67

實際裂紋的擴展過程并不局限于這3種形式，往往是它們的組合，在這些裂紋的不同擴展形式中，以Ⅰ型裂紋擴展最危險，最容易引起脆性斷裂．所以，在研究裂紋體的脆性斷裂問題時，總是以這種裂紋為對象．二、裂紋尖端的應力場及應力場強度因子KI

設有一承受均勻拉應力的無限寬板，含有長為2a的I型穿透裂紋，如圖4－2所示，其尖端附近（r,θ）處應力、應變和位移分量可以近似地表達如下．應力分量為:第66頁/共77頁67實際裂紋的擴展過程并不局限于這3種形式，往往是68第67頁/共77頁68第67頁/共77頁69從公式各項中發現，都存在一個KI,且，（所設定條件）一般表達式，Y為形狀因子裂紋尖端應力場強度因子KIc原始裂紋尺寸（a）和所受的應力（σ）越大，KI值也就越大，，則該點各應力、應變和位移分量之值愈高，因此，KI反映了裂紋尖端區域應力場的強度，故稱之為應力強度因子，它綜合反映了外加應力和裂紋位置、長度對裂紋尖端應力場強度的影響，其一般表達式為上式:三、斷裂韌度KIc及斷裂K判據1、斷裂韌度KIc

當應力或裂紋尺寸a增大到臨界值時，也就是在裂紋尖端足夠大的范圍內，應力達到了材料的斷裂強度，裂紋便失穩擴展而導致材料的斷裂，這時KI也達到了一個臨界值，這個臨界或失穩狀態的KI記為KIc或Kc，稱之為斷裂韌度.一種材料，若KIc越大，則材料斷裂時所需的應力或裂紋尺寸就越大，表明材料越難斷裂，所以，KIc和Kc表示材料抵抗斷裂的能力．第68頁/共77頁69從公式各項中發現，都存在一個KI,第68頁/共7770

一般把平面應變的應力條件下，裂紋尖端應力場強度因子的臨界值叫做斷裂韌性，表示材料在平面應變狀態下抵抗裂紋失穩擴展的能力；而Kc為平面應力應力條件下的斷裂韌度.1、KIc和KI的區別KIc和K1是兩個不同的概念，KI是一個力學參量，表示裂紋體中裂紋尖端的應力應變場強度的大小，它決定于外加應力、試樣尺寸和裂紋類型，而和材料無關；KIc是材料的力學性能指標，它決定于材料的成分、組織結構等內在因素，而與外加應力及試樣尺寸等外在因素無關．KIc和KI的關系類似于σ和σs之間的關系。

第69頁/共77頁70第69頁/共77頁71第二節影響材料斷裂韌度的因素

（書上的第三節）斷裂韌度作為評價材料抵抗斷裂的能力的力學性能指標，它取決于材料的化學成分、組織結構等內在因素，同時也受到溫度、應變速率等外部因素的影響．一、化學成分、組織結構對斷裂韌度的影響對于金屬材料、非金屬材料、高分子材料和復合材料，化學成分、基體相的結構和尺寸、第二相的大小和分布都將影響其斷裂韌度，并且影響的方式和結果既有共同點，也有差異之處．除金屬材料外，對其他材料的斷裂韌度的研究還比較少．第70頁/共77頁71第二節影響材料斷裂韌度的因素第70頁/共77頁72

1．化學成分的影響對于金屬材料，化學成分對斷裂韌度的影響類似于對沖擊韌度的影響．其大致規律是：（1）細化晶粒的合金元素因提高強度和塑性，可使斷裂韌度提高；（2）強烈固溶強化的合金元素因大大降低塑性而使斷裂韌度降低，并且隨合金元素的濃度的提高，降低的作用更加明顯；（3）形成金屬間化合物并呈第二相析出的合金元素，因降低塑性有利于裂紋擴展而使斷裂韌度降低．（4）瓷材料，提高材料強度的組元，都將提高斷裂韌度．（5）對于高分子材料，增強結合鍵的元素都將提高斷裂韌度．

2．基體相結構和晶粒尺寸的影響（1）一般來說，基體相晶體結構易于發生塑性變形，產生韌性斷裂，材料的斷裂韌度就高．如鋼鐵材料，基體可以是面心立方固溶體，也可以是體心立方固溶體，面心立方固溶體容易發生滑移塑性變形而不產生解理斷裂，并且形變硬化指數較高，其斷裂韌度較高.

又例如：奧氏體鋼的斷裂韌度高于鐵素體鋼和馬氏體鋼．對于陶瓷材料，可以通過改變晶體類型，調整斷裂韌度的高低．

第71頁/共77頁721．化學成分的影響第71頁/共77頁73（2）細化晶粒既可以提高強度，又可以提高塑性，那么斷裂韌度也可以得到提高．

3．夾雜和第二相的影響對于金屬材料，非金屬夾雜物和第二相的存在對斷裂韌度的影響可以歸納為：第一，非金屬夾雜物往往使斷裂韌度降低；第二，脆性第二相隨著體積分數的增加，使得斷裂韌度降低；第三，韌性第二相當其形態和數量適當時，可以提高材料的斷裂韌度．

4．顯微組織的影響

顯微組織的類型和亞結構將影響材料的斷裂韌度．如鋼鐵材料中，相同強度條件下，低碳鋼中的回火馬氏體的斷裂韌度高于貝氏體，高碳鋼中，回火馬氏體的斷裂韌度高于上貝氏體，但低于下貝氏體．板條馬氏體主要是位錯亞結構，具有較高的強度和塑性，裂紋擴展阻力較大，呈韌性斷裂，因而斷裂韌度較高；針狀馬氏體主要是孿晶亞結構，硬度高而脆性大，裂紋擴展阻力小，呈準解理或解理斷裂，因而斷裂韌度較低．

第72頁/共77頁73（2）細化晶粒既可以提高強度，又可以提高塑性，那么斷裂韌74二、外界因素對斷裂韌度的影響環境因素、加載條件對材料的斷裂韌度都有影響．．

1．溫度

對于大多數材料，溫度的降低通常會降低斷裂韌度，大多數結構鋼就是如此，在韌脆轉變溫度以上，材料主要是微孔聚集型的斷裂機制，發生韌性斷裂，KIc較高；在韌脆轉變溫度以下，材料主要是解理型斷裂機制，發生脆性斷裂，KIc較低。2，應變速率

應變速率對斷裂韌度的影響類似于溫度．增加應變速率相當于降低溫度，也可使KIc下降．一般認為應變速率每增加一個數量級，KIc約降低10％．但是，當應變速率很大時，形變熱量夾不及傳導．造成絕熱狀態，導致局部溫度升高，KIc又回升。第73頁/共77頁74二、外界因素對斷裂韌度的影響第73頁/共77頁75第三節斷裂韌性KIc的應用

因為：則有：所以，應用有三項內容

一確定構件的安全性材料的KIc是已知的，構件的形狀一定，Y已知，構件的受力σ也已知，只要通過超聲波探傷測出a，就可以求出K1，然后對KI和KIc進行比較，若KI＜KIc，構件是安全的，若KI＞KIc，構件是危險的

第74頁/共77頁75第三節斷裂韌性KIc的應用第74頁/共7776二確定構件的承載能力，即計算構件的斷裂強度（σc）

材料的K1c是已知的，通過超聲波探傷測出a，根據公式計算出斷裂強度即可。第75頁/共77頁76第75頁/共77頁77三

確定裂紋允許存在的最大尺寸（ac）若已知最大工作應力為σ，已知材料的KIc，根據公式可計算出ac

，然后，與實際探傷獲得的a相比較若a＜ac，構件是安全的；若a＞ac

，構件是危險的

第76頁/共77頁77第76頁/共77頁會計學78材料性能學章電子會計學1材料性能學章電子79

二、本課程的學習目的1、

材料性能是評定材料質量優劣的重要依據評論材料的好與差，不能依靠組織成分，而應以性能來說話。2、

是科研和生產的主要手段和工具科研：開發新材料或研究新工藝，要不斷地測試各種性能指標；來滿足各種不同的需求。生產：生產中往往依靠性能選材來生產機械零件3、

進一步掌握材料各種主要性能的基本概念、物理本質、變化規律以及性能指標的工程意義，了解影響材料性能的主要因素及材料性能與其化學成分、組織結構之間的關系第1頁/共77頁2二、本課程的學習目的第1頁80三、本課程學習內容1、

材料在力的作用下所表現出的力學性能及力學性能指標2、

材料的斷裂特征及斷裂指標3、

材料的疲勞性能4、

材料的磨損性能5、

材料的高溫及熱學性能6、

材料的特殊性能及指標其中包括材料的磁學性能、電學性能、光學性能、腐蝕性能、壓電性能及老化與穩定性能等。

第2頁/共77頁3第2頁/共77頁81四、本課程的學習方法

以宏觀研究分析為主，由于是面面具到，而學時少，因而只是簡單介紹基本概念、基本原理、基本方法及一些較常用的性能指標。請同學們記好筆記，考試以課堂講授的內容為主。第3頁/共77頁4四、本課程的學習方法第3頁/共77頁82第一章材料單向靜拉伸的力學性能

概述材料力學性能研究的重要任務，就是研究材料在受載過程中變形和斷裂的規律．作為一種重要手段，單向靜拉伸試驗是工業生產和材料科學研究中應用最廣泛的材料力學性能試驗方法．通過拉伸試驗可以揭示材料在靜載作用下的應力應變關系及常見的3種失效形式（過量彈性變形、塑性變形和斷裂）的特點和基本規律，還可以評定出材料的基本力學性能指標，如屈服強度、抗拉強度、伸長率和斷面收縮率等．這些性能指標既是材料的工程應用、構件設計和科學研究等方面的計算依據，也是材料的評定和選用以及加工工藝選擇的主要依據．

第4頁/共77頁5第一章材料單向靜拉伸的力學性能第4頁/共77頁83

第一節力－伸長曲線和應力一應變曲線

一、力－伸長曲線（拉伸圖）

材料的單向靜拉伸試驗通常是在室溫下按常規的試驗標準，采用光滑圓柱試樣在緩慢加載和低的變形速率下進行的．試驗方法和試樣尺寸在試驗標準中有明確規定．在拉伸過程中，隨著載荷的不斷增加，圓柱試樣的長度將不斷的增加，這些量的變化可由試驗機上安裝的自動繪圖機構連續描繪出，拉伸力F和絕對伸長量ΔL的關系曲線，直至試樣斷裂．如圖1－1所示。第5頁/共77頁6第一節力－伸長曲線和應力一應變曲線第5頁/共77頁84第6頁/共77頁7第6頁/共77頁85拉伸開始后，試樣的絕對伸長量隨力F的增加而增大．1、彈性變形：在P點以下拉伸力F和伸長量ΔL呈直線關系．當拉伸力超過Fp后，力一伸長曲線開始偏離直線．拉伸力小于Fe時，試樣的變形在卸除拉伸力后可以完全恢復，因此e點以內的變形為彈性變形；2、塑性變形:當拉伸力達到FA后，試樣便產生不可恢復的永久變形，即出現塑性變形；3、屈服現象：塑性變形開始后，力一伸長曲線上出現平臺式鋸齒，直至C點結束．4、均勻變形（彈－塑性變形）：變形隨著外力的增大而均勻地增加5、不均勻變形（頸縮階段）及斷裂階段因此，在整個拉伸過程中的變形可分為彈性變形、塑性變形及斷裂三個基本階段。

第7頁/共77頁8拉伸開始后，試樣的絕對伸長量隨力F的增加而增大．第7頁/共866、拉伸圖的種類第8頁/共77頁96、拉伸圖的種類第8頁/共77頁87

曲線1為淬火、高溫回火后的高碳鋼的力－伸長曲線，只有彈性變形少量的均勻塑性變形；曲線2為低合金結構鋼（如16Mn）的力－伸長曲線，其特征與低碳鋼的曲線類似；曲線3為黃銅的力－伸長曲線，有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻塑性變形；曲線4為陶瓷、玻璃類材料的力－伸長曲線，只有彈性變形而沒有明顯的塑性變形；曲線5

為橡膠類材料的力－伸長曲線，其特點是彈性變形量很大，可高達1000％，且只有彈性變形而不產生或產生很微小的塑性變形；

曲線6

為工程塑料的力－伸長曲線，也有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻變形?！沧⒁狻?對于高分子聚合物材料，由于其在結構上的力學狀態差異及對溫度的敏感性，力－伸長曲線可有多種形式．不同的材料或同一材料在不同條件下可有不同形式的力一伸長曲線．這主要是由材料的鍵合方式、化學成分和組織狀態等因素決定的．有多種形式．不同的材料或同一材料在不同條件下可有不同形式的力一伸長曲線．這主要是由材料的鍵合方式、化學成分和組織狀態等因素決定的．

第9頁/共77頁10第9頁/共77頁88

二、應力一應變曲線

1、

（條件）應力與（條件）應變

應力：應變：

2、

應力－應變曲線（工程應力－應變曲線）工程應力一應變曲線對材料在工程中的應用是非常重要的，根據該曲線可獲得材料靜拉伸條件下的力學性能指標，如圖1－3中的比例極限σp、彈性極限σe、屈服點σs、抗拉強度σb等，可提供給工程設計或選材應用時參考．

第10頁/共77頁11二、應力一應變曲線第10頁/共77頁89３、各種性能指標（1）、強度指標①彈性極限：σe＝Fe/S0②比例極限：σp＝Fp/S0③屈服極限：σs＝Fs/S0；屈服強度σ0.2＝F0.2/S0④強度極限：σb＝Fb/S0⑤斷裂強度：σk

＝Fk/Sk（2）、塑性指標

①延伸率：δｋ＝(Ｌk-L0)/L0X100%②斷面收縮率：ψk＝（S0－S