機械工程概論

Introductiontomechanicalengineering

張力菠zlbzhang@163.com南京航空航天大學經濟與管理學院課程的性質對象：從原材料到成品（零件和機器）的制造全過程；零件/機器制造全過程，包含哪些過程？采用適當的材料采用適當的工藝方法改變材料形狀和性能零件制造全過程的最終目的：得到合格的零件。2機器生產過程熱處理原材料毛坯機器零件熱處理鑄造鍛壓焊接裝配切削加工課程的性質機器生產過程：原材料——毛坯——零件——機器機器制造方法：原材料選取與改性（熱處理）、毛坯成形（鑄、鍛、焊等）、零件成形（切削加工等）與裝配。正確選擇原材料與成形方法、合理確定加工路線關系到產品的質量、使用壽命、生產成本、生產周期與經濟效益！3課程主要內容工程材料熱加工工藝機械加工工藝材料與毛坯選擇4學習本課程的必要性與本專業的關系繼續學習的基礎時代需求和責任5課程知識的特點基礎性、廣泛性、綜合性——機械工程基礎課；實踐性——與金工實習、生產實踐緊密聯系；離散性——屬離散型知識；抽象性——強調形象思維。一聽就懂、一看就煩、一放就忘、一用就錯！6第1章金屬力學性能與結構工程材料的分類工程材料的主要性能金屬的力學性能金屬的結構與結晶7工程材料的分類材料是現代文明三大支柱之一，發展工業國民經濟的重要物質基礎；科技進步推動了材料工業的發展，新材料不斷涌現：石油化工發展促進了合成材料的興起和應用；1980s特種陶瓷材料又有很大進展；工程材料按化學組成分為三大系列：金屬材料有機高分子材料（聚合物）無機非金屬材料8工程材料的分類制造一輛轎車，需用到800多種材料。9工程材料的分類工程材料按使用性能可分結構材料和功能材料兩類：結構材料：強調強度、硬度、塑性、韌性等力學性能，用來制造機器零件和工程構件的材料；功能材料：具有特殊的電、磁、光、熱、聲、力、化學性能和理化效應的各種材料；用于對信息和能量的感受、計測、傳導、顯示、發射轉換和變換的目的，是現代高新技術發展的物質基礎。10工程材料的發展趨勢美國汽車：1980年汽車平均質量為1500kg，1990年為1020kg；每臺車鑄鐵量由225kg降至112kg，由15%減至11%；鋁合金由4％增至9％；高分子材料由6％增至9％；汽車重量減輕10%可提高燃燒效率7%，減少污染10%；從福特公司新車型中使用的主要材料示意圖中可見，黑色金屬將大幅減少，鋁、鎂合金用量將大幅增加。11工程材料的發展趨勢12航空航天：航空航天材料減重獲得的效益更大，衛星減重1kg，可減少發射推力5kg；一枚小型洲際導彈，結構質量減少1kg，有效載荷不變，可增加射程約15km，可減輕導彈起飛質量約50kg

；航空器飛行速率與效益的關系示意圖導彈殼體材料與導彈射程的關系示意圖工程材料的發展趨勢13飛行速度與效益導彈的殼體材料與導彈射程的關系工程材料的發展趨勢14工程材料的主要性能——

案例：世貿大樓倒塌紐約世貿大樓曾是世界第一高樓，高411m，單個塔樓重量約5萬t；撞擊大樓的波音757飛機起飛重量104t，波音767起飛重量156t；其飛行速度大約是每小時1000km；從速度小得多的汽車相撞，可想象飛機對大樓的沖擊力非常巨大。紐約世貿大廈原貌第一次撞擊第二次撞擊15撞擊大樓的波音757大約可載35t燃油，波音767可載51t燃油，由于是從美國東部飛往西部的遠程航班，所以機上油箱估計裝滿了燃油；起飛后飛機很快改變航線撞擊世貿大樓，機上燃油消耗很少，幾乎將油箱里滿滿的優質航空燃油都撒到了大樓里，并燃起了熊熊大火；燃燒了一個多小時后，雙塔先后坍塌：南樓坍塌北樓坍塌——

案例：世貿大樓倒塌工程材料的主要性能16但據幸存者描述，撞擊使大樓晃動了近1m，但整幢大樓無論是內部還是外部并未嚴重塌落，這是大量樓內工作人員得以逃生的關鍵；客機撞擊大樓中上部，為何會造成整棟大樓完全倒塌？大樓為何會垂直塌落而不是傾倒？——

案例：世貿大樓倒塌這些問題的答案，部分牽涉到材料的力學性能問題，特別是高溫下的力學性能。工程材料的主要性能17——

案例：泰坦尼克號工程材料的主要性能1912年初，英國制造的“泰坦尼克號”超級豪華巨輪建成下水，首航途中撞擊冰山右舷破裂進水，船頭斜插入海，船尾翹上天，然后從半腰折斷沉入深海，其時巨響震天、濁浪排空、夜色沉沉浮冰閃爍、人聲驚恐夜色凄愴。幾十年之后，人們才尋覓到它的殘骸，拍攝幾萬張照片，收集船中物品和金屬碎片分析研究，企圖探索當年沉沒的詳細情景，可惜原始文獻太少，使深入研究困難重重。據說所用鋼材是當時最好的，是一種含S量高的鋼材，所用歐洲鐵礦90%以上含很難除去的有害雜質S、P。S使晶粒粗大變脆，增加鋼的熱脆性，P在鋼中生成低熔點共晶物增加鋼的冷脆性。18——

案例：泰坦尼克號工程材料的主要性能高強度合金鋼應含C量低，提高焊縫的韌性和硬度。添加微量元素可細化晶粒并提高強度和韌性。由此而采用快冷的熱軋工藝，嚴格控制夾雜物的形態和濃度。船用不銹鋼一般是含Cr11~12%的Fe基合金或Cr-Ni合金，一種馬氏體或奧氏體不銹鋼，只有它才能有效抵抗酸堿氣體和海水的腐蝕。但從打撈起來的船釘來看，其長10cm，端口有平行黑色條紋，呈玻璃顆粒狀夾雜，其雜質含量超過9%。冰山撞破船底及側舷板，同時劃裂6個缺口，海水洶涌灌入艙房，使船體迅速傾斜，船內人、重物因固定螺釘失效而滑向船頭。于是船頭重量驟增，船尾越翹越高，龐大的船體結構（龍骨）已經無法承受如此巨大的扭矩，于是頃刻崩斷，并非彎曲，因高S鋼缺少延展性，在冰冷（-2℃）的海水中不會收縮，一經冰山沖擊，立即如玻璃一樣迸裂四散，碎片如雨。僅僅在兩小時之內人船俱沉，一片凄涼。19使用性能物理性能化學性能力學性能（機械性能）高溫力學性能工藝性能工程材料的主要性能20工程材料的主要性能使用性能：為滿足零件工作中的功能要求，材料應具備的性能，或者說在零件使用條件下材料所表現出來的性能；主要：物理性能、化學性能、機械性能；工藝性能：材料在加工過程中所表現出的性能，即對某種加工方法的適應性及難易程度。焊接性、鑄造性能、切削加工性、鍛造性等；21——

使用性能工程材料的主要性能物理性能熔點密度熱膨脹性導熱性導電性磁性零件的使用場合和用途不同，對其物理性能要求亦不同：22化學性能：材料在常溫或高溫下抵抗各種介質侵蝕的能力，也稱化學穩定性；抗氧化性抵抗高溫氧化性氣氛腐蝕作用的能力；活塞發動機排氣閥工作溫度達850℃，噴氣發動機燃燒室工作溫度達1400℃；耐腐蝕性按工作介質不同，分耐銹蝕性、耐酸性和耐堿性等；耐銹蝕性，指金屬材料在大氣中的耐腐蝕性力?！?/p>

使用性能工程材料的主要性能23化學性能：抗氧化性和腐蝕性的評定：常用指標腐蝕速度：重量法或深度法表示；深度法：毫米／年為單位：≤0.1>0.1～1.0>1.0～3.0>3.0～10.0>10.0完全抗氧化性抗氧化性次抗氧化性弱抗氧化性不抗氧化性12345年腐蝕深度(毫米／年)分類抗氧化性級別——

使用性能工程材料的主要性能24金屬的力學性能概念：材料在外力作用下所表現出的抵抗能力，又稱機械性能；分類：強度剛度硬度韌性塑性疲勞強度外力即載荷，如拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉等。25各種外載荷金屬的力學性能26金屬的力學性能——

強度概念：在靜載荷的作用下，材料抵抗塑性變形及斷裂的能力；測定：拉伸試驗：按GB228-63標準制成拉伸試樣，裝夾在拉伸試驗機上緩慢加載拉伸，直至拉斷為止；27金屬的力學性能——

強度拉伸曲線：用低碳鋼試樣做拉伸試驗得到的外力-變形量關系圖；

載荷PS’。S。e。p。b。k。pppepspbpkΔlbΔluΔlk內力：在外力作用下，試樣內部產生一種與其平衡的力；應力：材料單位面積上的內力，單位MPa=1MN/m2，σ=P/F；應變：材料的伸長量與原長度的比，ε=Δl/l0

；根據拉伸試驗及拉伸曲線圖可得到應力-應變圖。28低碳鋼應力-應變圖金屬的力學性能——

強度29金屬的力學性能——

強度可以看出，在拉伸試驗過程中，低碳鋼試樣經過了以下幾個過程：彈性變形屈服強化頸縮斷裂σ——應力ε——

應變σP

——比列極限σe——彈性極限σs——屈服極限σb——強度極限30金屬的力學性能——

強度彈性變形：試樣加載后應力不超過σe，若卸載，試樣能恢復原狀；彈性：材料不產生永久變形的性能，稱為彈性；彈性極限：σe為材料不產生永久變形所能承受的最大應力，稱為彈性極限，即pe段的e點；比例極限：材料為保持載荷與伸長量成比例增長所能承受的最大應力，即σP

；31金屬的力學性能——

強度剛度：零件或構件抵抗彈性變形的能力，彈性模量是衡量金屬材料剛度的指標；彈性模量：op的斜率E稱為材料的彈性模量；按虎克定律，比例極限σP

范圍，應力σ與應變ε成正比，則：E是常數，取決材料本身，反比于△l

，即E越大，彈性變形量越小，則剛度越大，也可增加F0來提高剛度。32金屬的力學性能——

強度屈服：es段為微量塑性變形階段，ss’接近水平段，表載荷基本保持不變時，伸長量繼續增加，即材料的屈服現象；屈服極限：金屬材料開始屈服時的最小應力，或稱屈服強度：33金屬的力學性能——

強度條件屈服強度：大多數金屬拉伸時無明顯屈服，很難測定，故GB228-87取非比例伸長與原標距長度比（殘余應變量）為0.2％時的應力作屈服強度指標，稱條件屈服強度，即抗拉強度：所能承受的最大應力，即抵抗斷裂的能力，強度極限；ss’b段為大量塑變階段，塑變量大，且變形引起的強化作用使變形抗力增加，故欲增加Δl，須增加載荷P，到b點載荷P最大，試件出現局部縮頸，b點應力即抗拉強度；34金屬的力學性能——

強度35選材的兩個重要強度指標；若不允許產生塑性變形，則強度校核應選；若只要求使用時不斷裂，則強度校核應選；用作強度指標時，應采用較大的安全系數；脆性材料的強度校核必須用。金屬的力學性能——

強度抗拉強度與屈服強度的選擇：36與之比稱為屈強比。屈強比越小，可靠性越大，即使超載也能因塑性變形延長材料的安全使用，而不致立刻破斷；但比值越小，材料的利用率也越低。因此，對于不同鋼種屈強比要求不同：普通碳素結構鋼約為0.5~0.6；低合金結構鋼約為0.65~0.75；合金結構鋼約為0.7~0.8；彈簧鋼約為0.85~0.9。金屬的力學性能——

強度抗拉強度與屈服強度的選擇：37金屬的力學性能——

塑性塑變：載荷超過彈性極限后，卸載后變形不能全部消失，將保留部分殘余變形。這種不能恢復的殘余變形，即塑性變形；塑性：產生塑性變形而不斷裂的性能，常用指標有延伸率δ和斷面收縮率ψ：l0——試樣原始標距長度l1——試樣拉斷后標距長度F0——試樣原始橫截面積F1——試樣斷裂處的橫截面積38金屬的力學性能——

塑性特點：伸長率δ隨試樣原始長度增加而減小，故同一材料的短試樣（l0=5d0

）與長試樣（l0=10d0）的伸長率大20%左右；用短、長試樣測得的伸長率分別用δ5和δ10表示。斷面收縮率ψ與試樣尺寸無關，對塑性改變更敏感，能更客觀的反映材料的塑性；δ與ψ越大，材料塑性越好；金屬具有一定塑性才能進行各種變形加工，并使零件在偶然過載時，產生一定塑變，而不致突然斷裂，提高可靠性。39金屬的力學性能——

硬度概念：金屬材料的軟硬程度，表征其局部塑性變形抗力的指標，即抵抗硬物壓入或劃傷表面的能力；類型：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度，等；測定：壓入法、劃痕法、彈跳回彈法；多用壓入法，即用一定壓力把壓頭壓入材料表層，按壓力大小、壓痕面積或深度測定其硬度；幾種方法的壓頭類型和壓力大小不同。40金屬的力學性能——

硬度布氏硬度：HB，將直徑為D(10、5、2.5mm)的鋼球，置于布氏硬度機上，在一定載荷F下壓入所測材料表面，經規定的加載時間后卸除載荷，即得直徑為d之壓坑；HB值為F與壓坑球面積A的比值，以HBS(W)表示：41金屬的力學性能——

硬度布氏硬度：HB值越大，表示材料越硬；HBS值在450以下的材料，用普通淬火鋼球；HBW值在450~650的材料，用硬質合金球；HB值大于650時，壓頭可能變形，不宜用此法；廣泛用于各種退火狀態下的鋼材、有色金屬等；此法不宜檢測成品、小件、薄件。42金屬的力學性能——

硬度洛氏硬度：壓頭為120度金剛石圓錐或直徑1.588mm淬火鋼球，洛氏硬度機，HR；以壓頭在金屬表面形成的壓坑深度作為計量硬度大小之依據，具體步驟：加初載荷10kg，壓坑深度為h1，其目的是消除表面粗糙度對硬度的影響；再加上主載荷50或90或140kg，壓坑深度為h2；卸除主載荷，保留初載荷，此時由于彈性恢復，壓坑深度為h3。洛氏硬度視頻43金屬的力學性能——

硬度洛氏硬度：國標規定h3–h1=△h作為HR值的計算深度；若△h直接用作HR值，則△h數值越小，材料越硬；為與習慣相符，一般用一常數K減去△h來表示，并用每0.002毫米為一硬度單位；HR值的計算式：44標度壓頭類型載荷kg常數K測量范圍測試件舉例HRA金剛石圓錐600.270~85表面硬化層、硬質合金等HRB

Φ1.588mm淬火鋼球1000.2625~100鋁合金，鎂合金、退火鋼等HRC金剛石圓錐1500.220~67淬火鋼、調質鋼等硬零件金屬的力學性能——

硬度洛氏硬度：按材料硬度和厚度，采用不同類型的壓頭和載荷組成的15種（A-V）HR硬度標度，常用HRA、HRB和HRC：HR法簡便迅速，零件表面留下的壓坑小，多用于成品。45金屬的力學性能——

硬度維氏硬度：HV法與HB法基本相似，只是所加載荷F較小，壓頭是頂角為136°的金剛石棱錐體。在F作用下，被測試件表面上壓出一d1Xd2的方形壓痕：46金屬的力學性能——

硬度維氏硬度：HV值以單位壓痕表面積所承受的抗力表示，數值越大，材料越硬；HV試驗的載荷，可按試樣大小、厚度、硬化層深度、鍍層厚度從1~120kg任選，常用5、10、20、30kg等；由于測量精度高，壓痕淺，載荷調整范圍大，測量硬度范圍寬，HV法廣泛用于測定工件表面硬化層、金屬鍍層以及薄片金屬的硬度。47金屬的力學性能——

沖擊韌性概念：表示材料抵抗沖擊載荷的能力，一般也稱韌性；沖擊載荷不僅是力的作用，且伴有力的作用速度，故它是一種能量參數；目前沖擊韌性的測試方法有兩種：大能量一次沖擊試驗小能量多次沖擊試驗48金屬的力學性能——

沖擊韌性大能量一次沖擊試驗沖擊試驗是在擺錘式沖擊試驗機上進行：按GB229-94制成帶缺口的標準沖擊試樣，并將其安放在沖擊試驗機支架上；將重量為G的擺錘舉到高度H，使其具有位能GH；將擺錘放開，使之沖斷試樣，此時擺錘的高度為h，剩余位能為Gh。49擺錘的勢能變化擺錘式沖擊試驗金屬的力學性能——

沖擊韌性50金屬的力學性能——

沖擊韌性大能量一次沖擊試驗沖擊試驗過程中，擺錘沖斷試件所消耗的總能量為：則在其缺口處單位截面積F上所消耗的能量為：51ak

沒有確切的力學意義，它表明在高應變速率時，材料的脆性發展趨勢；沖擊試驗廣泛應用,但Ak

、ak

不能直接用于設計計算；對承受沖擊載荷的零件，應有一定的ak

要求，以保證零件使用的安全性；ak

對金屬材料淬火過熱、回火脆性、夾雜、裂紋等缺陷非常敏感，故常用于檢驗金屬材冶煉、熱加工、熱處理質量。金屬的力學性能——

沖擊韌性大能量一次沖擊試驗52金屬的力學性能——

沖擊韌性小能量多次沖擊試驗工程上許多承受沖擊載荷的零件，往往不是由于大能量一次沖擊而破壞，而是經過千百萬次小能量沖擊破壞；大量試驗證明，材料的成分及組織狀態對一次沖擊抗力(ak值)與小能量多次沖擊抗力的影響常呈相反的變化規律；一次大能量沖擊抗力主要取決于材料之塑性，而多次小能量沖擊抗力則主要取決于材料之強度；故ak

不能代表實際條件下小能量多次沖擊韌性，設計一般承受沖擊載荷的零件時，不能片面追求過高的ak值。53金屬的力學性能——

疲勞強度疲勞斷裂：彈簧、軸、齒輪等零件，工作時承受交變載荷，工作應力遠低于抗拉強度σb

，甚至小于屈服強度σ0.2

時，在長時間工作后發生突然斷裂的現象；交變載荷能產生重復應力或交變應力：重復應力：材料所承受的應力只有數量變化，沒有方向變化，如由小變大，再由大變?。唤蛔儜Γ翰牧纤惺苤畱扔袛盗孔兓?，又有方向變化，如由拉變壓，再由壓變拉。54金屬的力學性能——

疲勞強度疲勞斷裂的原因：在零件應力高度集中的部位；材料本身強度較低的部位，如原有的裂紋、夾雜、軟點、刀痕等缺陷處；在交變或重復應力的反復作用；產生疲勞裂紋，隨應力循環周次的增加，裂紋不斷擴展，使零件承受載荷的有效面積不斷減小，最終當減小到不能承受載荷的作用時，即發生突然斷裂。55金屬的力學性能——

疲勞強度疲勞強度：評定疲勞抗力的指標；可通過疲勞試驗測定，常用旋轉彎曲疲勞試驗方法：試驗裝置如圖，試樣的兩端夾持在轉筒內，載荷通過框架加在試樣上，電動機帶動試樣旋轉，從而使試樣承受對稱交變應力，不斷更換載荷，直到試樣斷裂;載荷越大交變應力越大，斷裂前循環次數越少，以應力σ作縱坐標，循環次數N作橫坐標，可繪出疲勞曲線。56金屬的力學性能——

疲勞強度57金屬的力學性能——

疲勞強度疲勞曲線的解讀：很明顯，試樣承受交變應力降低時，循環次數增加，當應力降低到某一定值后，曲線趨向水平，即表示在該應力作用下，試樣經無限多次循環仍不斷裂；疲勞強度，即試樣經無限多次應力循環，不致引起斷裂的最小應力，用符號σ-1表示；一般以疲勞曲線出現水平時，應力循環次數對應的最大應力作為材料的疲勞強度；一般鋼鐵材料應力循環107次，有色金屬則是108次。58疲勞斷裂特點應力水平低，往往遠低于σS

；斷裂前無明顯形變。疲勞極限σr

對稱彎曲循環疲勞極限用σ-1

表示；疲勞曲線(σ～N)有明顯的水平線段，則水平線段對應的應力為σ-1

；疲勞曲線沒有明顯的水平線段，則在規定的疲勞壽命內不發生疲勞破壞所對應的最大應力。金屬的力學性能——

疲勞強度59據統計機械零件斷裂有80％歸因于疲勞，提高零件疲勞強度很必要：金屬的力學性能——

疲勞強度措施：設計方面：避免尖角，注意保證零件的表面粗糙度；材料方面：保證冶金質量，減少夾雜疏松等缺陷；工藝方面：強化零件表面，如表面淬火，表面滲碳、表面氮化、噴丸處理、滾壓處理等。這些強化措施能提高表層硬度，減少劃傷，并增加表層的殘余壓應力，從而抵消部分拉應力，使疲勞裂紋不易產生或擴展。60金屬的力學性能——

斷裂韌度低應力脆斷與斷裂力學：傳統設計思想認為零件所承受的工作應力只要≤材料的許用應力[σ]，零件便能安全工作，即：n是安全系數，一般取1.5~2.0。但從上世紀初以來，生產實踐中按此設計的一些大型、重型或高強度材料零件或構件，如大型鐵橋、萬噸輪船、飛機機翼、高壓容器等突然斷裂或爆炸，導致了不少驚心動魄的事故：611938~1942年間，世界上有幾十座焊接鋼橋突然斷裂倒塌；1950s，美國北極星導彈固體燃料發動機殼體試飛時突然爆炸；1960s，美國F-111轟炸機俯沖拉起時左翼折斷，機毀人亡；1970s，美國DC-9民航機發動機低壓壓氣機軸斷裂，……；……金屬的力學性能——

斷裂韌度低應力脆斷與斷裂力學：622007年7月31日，美加利福尼亞一在建立交橋坍塌。金屬的力學性能——

斷裂韌度632007年8月1日，美國明尼阿波利斯市，密西西比河橋梁整體坍塌。金屬的力學性能——

斷裂韌度642007年8月13日，湖南鳳凰縣在建的堤溪沱江大橋整體坍塌。死36…金屬的力學性能——

斷裂韌度652007年9月9日，印度安得拉邦首府海得拉巴一在建立交橋部分坍塌…金屬的力學性能——

斷裂韌度66金屬的力學性能——

斷裂韌度2009-5-17，湖南株洲高架橋坍塌，6死17傷2009-7-13，印度在建地鐵高架橋發生坍塌事故，5死15傷2009-7-15，津晉高速公路匝道橋坍塌，6死4傷2009-9-25，印度電廠在建煙囪倒塌，超100人死亡2009-11-14，浙江溫州在建高架橋坍塌，死傷8人2010-1-4，昆明在建新機場立交橋垮塌，7死34傷2010-6-8，吉林省道302朝長公路錦江大橋坍塌，6傷2010-7-24，河南伊河湯營大橋垮塌已致37人死亡19人失蹤……類似的事故仍然一直在不斷上演：67斷裂應力均低于材料的屈服極限σ0.2

；即使是塑性材料，斷裂前也沒有塑性變形的征兆，而呈脆性斷裂；上述斷裂事故可統稱為“低應力脆斷”。傳統材料力學不能解釋低應力脆斷，為研究其機理與規律，防此類事故的發生，一門新的邊緣科學——斷裂力學應運而生。金屬的力學性能——

斷裂韌度金屬的力學性能——

斷裂韌度上述事故的共同點：68材料力學的觀點：金屬的力學性能——

斷裂韌度將金屬材料看成無缺陷的均勻體；斷裂力學的觀點：將金屬材料看成有許多宏觀裂紋的連續體；實踐證明，低應力脆斷總是由材料中宏觀裂紋的擴展引起；裂紋可能是氣孔、縮松、夾雜等冶金缺陷，也可能是在加工和使用過程中形成，因而是難以避免的；為此，斷裂力學提出新的強度韌性指標（如斷裂韌度），以解決零部件內存在裂紋情況下的安全和壽命問題。斷裂力學中表征材料脆性斷裂的一種重要抗力指標。69金屬的力學性能——

斷裂韌度裂紋：構件中有了宏觀裂紋，會降低實際的斷裂強度，裂紋在外力作用下的擴展方式主要分三種（實際不局限于此）張開型(I型)裂紋：火箭發動機殼體存在縱向裂紋時，在環向正應力的作用下，便屬于I型裂紋；最危險的類型；滑開型(Ⅱ型)裂紋：兩塊厚板用螺栓連接并承受拉力P，當AB面上的螺栓表面有一環向裂紋時，在一對剪應力的作用下，便屬于Ⅱ型裂紋；撕開型(Ⅲ型)裂紋：傳動軸工作時受扭轉力矩作用，軸上有一環向裂紋時，在一對剪應力作用下，便屬Ⅲ型裂紋。張開型裂紋Ⅰ滑開型裂紋Ⅱ撕開型裂紋Ⅲ70斷裂力學提出了一個描述裂紋尖端附近應力場強弱程度的參數——應力強度因子KI：Y——裂紋形狀系數，無量綱，1~2；σ——作用于工件的拉應力；

a——裂紋的半長；可見，隨著受載程度和裂紋尺寸的增加，即σ增大，或a增大，或σ、a同時增大時，KI也隨之增加；金屬的力學性能——

斷裂韌度裂紋尖端的實際應力（縱向）與KI成正比。71裂紋尖端應力場金屬的力學性能——

斷裂韌度72KI較小時，裂紋尖端實際應力小于材料強度極限，處于穩定狀態，此時裂紋也會由于交變載荷或腐蝕而擴展，但為穩定擴展；KI增大到某臨界值時，裂紋尖端應力會超過材料強度極限，使裂紋失穩自動擴展，a增大，使KI增大，實際應力進一步加大，裂紋迅速擴展，惡性循環，試樣斷裂，此為失穩擴展。KI的臨界值KIC

，即材料的斷裂韌度，此時應力稱臨界應力σC，裂紋長度a稱臨界裂紋長度，aC。金屬的力學性能——

斷裂韌度73KIC代表含裂紋材料抵抗宏觀裂紋失穩擴展能力的一個新的力學性能指標；KIC與KI的區別：不同的概念，與同的區別類似；KI同對應，只與載荷及試樣尺寸相關，與材料無關；KIC對應，只與材料成分、組織結構相關，是材料的力學性能指標，而與載荷及試樣尺寸無關；當時，均質材料斷裂；當時，裂紋失穩擴展，裂紋實體發生低應力脆斷。金屬的力學性能——

斷裂韌度74金屬的力學性能——

高溫力學性能材料在高溫下的力學性能與常溫下完全不同：一般隨溫度升高，彈性模量E、屈服強度σS、硬度將降低，塑性增加，還可能發生蠕變：高溫：高溫與低溫是相對于該材料熔點而言的，常用約比溫度來衡量，即T：試驗或工作溫度(絕對)；Tm

：金屬熔點，(絕對溫度)若其大于0.5，則當時溫度為高溫，反則為低溫。75金屬的力學性能——

高溫力學性能蠕變：材料長時間在一定溫度、壓力作用下，即使應力小于σ0.2，也會緩慢發生塑性變形直至斷裂的現象；