金屬材料的力學(xué)性能.ppt

航空工程材料,第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能,教學(xué)目標(biāo):了解材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性等力學(xué)性能及其測(cè)試原理；強(qiáng)調(diào)各種力學(xué)性能指標(biāo)的生產(chǎn)實(shí)際意義；了解工程材料的物理性能、化學(xué)性能及工藝性能。,金屬的力學(xué)性能,定義:金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。指標(biāo):彈性、剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌度和疲勞強(qiáng)度等。,材料的其他性能,物理性能：密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性、磁性等；化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性等；工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性、熱處理工藝性等。,一、剛度和彈性,評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能最簡(jiǎn)單和最有效的方法就是測(cè)定材料的拉伸曲線，在GB/T63971986金屬拉伸試驗(yàn)試樣中對(duì)試樣的形狀、尺寸及加工要求均有明確的規(guī)定，如圖1-1所示。,圖1-1圓形標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（a）拉伸前；（b）拉伸后,一、剛度和彈性,一、拉伸實(shí)驗(yàn)與拉伸曲線1.拉伸試樣GB6397-86規(guī)定金屬拉伸試樣有：圓形、矩形、異型及全截面常用標(biāo)準(zhǔn)圓截面試樣。長(zhǎng)試樣：L0=10d0;短試樣：L0=5d0,拉伸試樣,2.拉伸過(guò)程,一、剛度和彈性,拉伸試驗(yàn)機(jī),op段：比例彈性變形階段；pe段：非比例彈性變形階段；平臺(tái)或鋸齒（s段）：屈服階段；sb段：均勻塑性變形階段，是強(qiáng)化階段。b點(diǎn)：形成了“縮頸”。bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點(diǎn)斷裂。斷裂總伸長(zhǎng)為Of，其中塑形變形Og(試樣斷后測(cè)得的伸長(zhǎng))，彈性伸長(zhǎng)gf。,k,o,g,f,3.拉伸曲線,圖1-2拉伸曲線,(1)應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S0表示:載荷(N)(Mpa)原始橫截面積(mm2)(2)應(yīng)變：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。這里用試樣的伸長(zhǎng)量除以試樣的原始標(biāo)距表示:伸長(zhǎng)量(mm)原始長(zhǎng)度(mm)(3)應(yīng)力應(yīng)變曲線（-曲線）:形狀和拉伸曲線相同，單位不同,4.應(yīng)力與應(yīng)變曲線,退火低碳鋼,低、中回火鋼,淬火鋼及鑄鐵,中碳調(diào)質(zhì)鋼,5.不同材料的拉伸曲線,二、強(qiáng)度與塑性,1、強(qiáng)度材料在外力作用下抵抗破壞的能力稱為強(qiáng)度。根據(jù)加載方式不同，強(qiáng)度指標(biāo)有許多種，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等。其中以拉伸試驗(yàn)測(cè)得的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)應(yīng)用最多。,二、強(qiáng)度與塑性,屈服強(qiáng)度在圖1-2中，進(jìn)程超過(guò)s點(diǎn)后，材料將發(fā)生塑性變形。在BC段，持續(xù)發(fā)生塑性變形而應(yīng)力卻不增加，材料的這種現(xiàn)象稱為屈服。s點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，用s表示，屈服強(qiáng)度反映材料抵抗永久變形的能力。實(shí)際上，多數(shù)材料的屈服階段不很明顯或從拉伸曲線上看不出這一階段，因此規(guī)定用拉伸時(shí)產(chǎn)生0.2殘余變形所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為材料的屈服應(yīng)力，稱為條件屈服強(qiáng)度或名義屈服強(qiáng)度，記為0.2，如圖1-3所示。,圖1-3名義屈服強(qiáng)度的確定,2、塑性:是指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。,(1)斷面收縮率:是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量S與原始橫截面積S0之比。,(2)伸長(zhǎng)率:是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量L與原始標(biāo)距L0之比。,S0-S1=-100%S0,l1-l0=-100%l0,二、強(qiáng)度與塑性,二、強(qiáng)度與塑性,與的數(shù)值越大，材料在斷裂前發(fā)生的變形越大，說(shuō)明材料的塑性越好。由于有些材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部頸縮，而有些材料則不會(huì)，因此用表示材料的塑性比用表示更接近真實(shí)情況。由于不同長(zhǎng)度的試樣所得伸長(zhǎng)率不同，長(zhǎng)度越大，伸長(zhǎng)率越小。采用長(zhǎng)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，所得伸長(zhǎng)率用10表示，而用短試樣所得伸長(zhǎng)率用5表示，顯然有510。,二、強(qiáng)度與塑性,材料的塑性指標(biāo)具有重要的實(shí)際意義。塑性良好的材料，冷壓成型好。飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)上的許多薄壁零件，如蒙皮、翼肋、燃燒室零件等都是冷壓成型的，使用的材料都應(yīng)具有良好的塑性。此外，具有一定塑性的零件，在使用過(guò)程中萬(wàn)一超載或形成應(yīng)力集中，它可產(chǎn)生少量塑性變形，由于加工硬化效應(yīng)而使它的強(qiáng)度提高，不致突然斷裂。如果塑性不夠而產(chǎn)生脆性的突然斷裂，這在工程上是很危險(xiǎn)的。,三、硬度,布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV銼刀法,硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力常用測(cè)量硬度的方法,(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness),三、硬度,布氏硬度的試驗(yàn)原理如圖1-4所示。將直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球，在一定載荷P的作用下壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為布氏硬度。實(shí)際操作時(shí)，先測(cè)量壓痕平均直徑d，然后查表得到材料的布氏硬度值。,布氏硬度的試驗(yàn)原理圖,(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness),適用范圍:,450，HBS;,650，HBW;,(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness),符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。,(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness),10HRCHBS,洛氏硬度的試驗(yàn)原理如圖所示，根據(jù)壓痕深度大小表示材料的硬度值，壓坑越深，硬度越低。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)材料硬度選擇相應(yīng)的壓頭。當(dāng)測(cè)定硬度較高的材料時(shí)，選用120的金剛石圓錐壓頭；測(cè)定硬度較低的材料時(shí)，選用淬火鋼球壓頭。硬度計(jì)上有一個(gè)表頭，測(cè)量時(shí)表頭上可直接讀出被測(cè)件的硬度值，故比布氏法方便，而且壓痕小，可以直接在成品零件上測(cè)試。,洛氏硬度的試驗(yàn)原理,洛氏法根據(jù)測(cè)量時(shí)選用載荷與壓頭的不同，分為9個(gè)標(biāo)尺，常用的有A、B、C三個(gè)，并將標(biāo)尺代號(hào)標(biāo)注在符號(hào)HR的右邊。如HRA、HRB、HRC等，硬度值仍寫在符號(hào)HR的前面，如50HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度為50。應(yīng)當(dāng)注意：不同級(jí)別的硬度值不能直接相互比較。洛氏法的缺點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果分散度大。,(3)維氏硬度HV(diamondpenetratorhardness),適用范圍:,測(cè)量薄板類;,HVHBS;,維氏硬度的試驗(yàn)原理如圖所示。將頂部?jī)上鄬?duì)面具有規(guī)定角度（136）的正四棱錐體金剛石壓頭在一定載荷P的作用下壓入試樣表面，并保持一定時(shí)間后卸載，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為維氏硬度。維氏硬度可通過(guò)測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d查表得到。維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。如640HV3020表示在30kgf（294.2N）載荷作用下保壓時(shí)間為20s測(cè)定的維氏硬度值為640。,四、韌性,1、沖擊韌性材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。,試驗(yàn)時(shí)，將帶有缺口的試件安裝在試驗(yàn)機(jī)的支座上，擺錘由規(guī)定高度落下，并從試件缺口背面打斷試件，同時(shí)推動(dòng)刻度盤上的指針轉(zhuǎn)動(dòng)。顯然試件吸收的能量不同，擺錘所能達(dá)到的高度不同。韌性越好的材料，斷裂時(shí)吸收的能量越大，擺錘達(dá)到的高度越小。最終刻度盤上的指針?biāo)甘镜臄?shù)值便是擺錘打斷試件時(shí)消耗的能量，以Ak表示。而材料的沖擊韌性值ak以試件缺口處單位截面面積的能量表示，即ak=Ak/A(kgm/cm2)。式中A表示試件缺口外的橫截面面積。,沖擊試驗(yàn)機(jī),沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖,試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為:,Ak=mgHmgh(J),沖擊韌性值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。,四、韌性,2、斷裂韌性“脆斷”是一種最危險(xiǎn)的斷裂，因?yàn)闃?gòu)件在斷裂前幾乎不產(chǎn)生明顯的塑性變形，很難預(yù)先發(fā)現(xiàn)征兆而加以預(yù)防，從而釀成重大事故。如1943年1月，美國(guó)一艘T-2油輪停泊在裝貨碼頭時(shí)，竟發(fā)生突然斷裂成兩截的慘禍。而據(jù)計(jì)算，斷裂時(shí)船體承受的應(yīng)力僅為68.6MPa，遠(yuǎn)低于船體鋼材的強(qiáng)度極限300MPa400MPa，甚至遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度245MPa。這種低應(yīng)力脆斷的現(xiàn)象很難用經(jīng)典力學(xué)來(lái)解釋。,1943年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂,經(jīng)長(zhǎng)期研究，人們認(rèn)識(shí)到，過(guò)去把材料看作毫無(wú)缺陷的連續(xù)均勻介質(zhì)是不準(zhǔn)確的。材料內(nèi)部在冶煉、軋制、熱處理等各種制造過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生某種微裂紋，而且在無(wú)損檢測(cè)時(shí)又沒有被發(fā)現(xiàn)。所以在使用過(guò)程中，由于應(yīng)力集中、疲勞、腐蝕等原因，裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界尺寸時(shí)就會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆斷的事故。在裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中，按裂紋的力學(xué)特征可將其分為以下三類,第一類為張開型裂紋，如圖1-9(a)所示。構(gòu)件承受垂直于裂紋面的拉力作用，裂紋表面的相對(duì)位移沿著自身平面的法線方向，若受拉板上有一條垂直于拉力方向而貫穿于板厚的裂紋，則該裂紋就是張開型裂紋。第二類為滑開型裂紋，如圖1-9(b)所示。構(gòu)件承受平行裂紋面而垂直于裂紋前緣的剪力作用，裂紋表面的相對(duì)位移在裂紋面內(nèi)，并且垂直于裂紋前緣，如齒輪或花鍵根部沿切線方向的裂紋就是滑開型裂紋。第三類為撕開型裂紋，如圖1-9(c)所示。構(gòu)件承受平行于裂紋前緣的剪力作用，裂紋表面的相對(duì)位移在裂紋面內(nèi)，并平行于裂紋前緣的切線方向，如扭矩作用下圓軸的環(huán)形切槽或表面環(huán)形裂紋就是撕開型裂紋。,圖1-9裂紋表面三種位移形式(a)張開型裂紋；(b)滑開型裂紋；(c)撕開型裂紋。,為了研究裂紋對(duì)材料斷裂強(qiáng)度的影響，把刻有不同深度刻痕的試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，畫出如圖1-10所示的裂紋深度a與實(shí)際斷裂強(qiáng)度的關(guān)系曲線，且有公式K=c成立。對(duì)某種材料來(lái)說(shuō)，K是一個(gè)常數(shù)，也是材料力學(xué)性能的指標(biāo)，表示材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，稱為斷裂韌性。,圖1-10斷裂強(qiáng)度與裂紋深度的關(guān)系曲線示意圖,斷裂韌性,五、疲勞強(qiáng)度(fatiguestrength),表示材料經(jīng)無(wú)數(shù)次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力值。,五、疲勞強(qiáng)度(fatiguestrength),疲勞斷裂特征許多零件，如直升飛機(jī)的旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)的軸和葉片、各種齒輪、彈簧等，在工作中受到反復(fù)改變大小或同時(shí)改變大小和方向的“交變載荷”。零件在交變載荷作用下，雖然其應(yīng)力比材料的抗拉強(qiáng)度小，甚至比屈服強(qiáng)度還小，但是在長(zhǎng)期使用的某一時(shí)刻也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。,如圖1-11所示，零件在一定特征的交變載荷作用下，首先在零件的薄弱環(huán)節(jié)，如應(yīng)力集中或缺陷（劃傷、夾渣、顯微裂紋等）處產(chǎn)生微細(xì)的裂紋，這種微細(xì)裂紋稱為疲勞源。隨著交變載荷循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞源裂紋不斷開合，同時(shí)裂紋逐步扇形擴(kuò)展，形成疲勞擴(kuò)展區(qū)。由于裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中反復(fù)開合，兩個(gè)裂紋面相互擠壓和摩擦，所以疲勞擴(kuò)展區(qū)的形貌比較光亮，很像貝殼的內(nèi)表面，所以也叫光滑區(qū)，這是疲勞擴(kuò)展區(qū)的最明顯特征。,圖1-11疲勞斷裂斷口照片,疲勞斷裂特征,鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107,有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108,鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系:-1=(0.450.55)b,1.6蠕變及蠕變疲勞斷裂,蠕變斷裂是材料在應(yīng)力和溫度共同作用下發(fā)生的一種斷裂方式。而有些高溫部件在工作條件下同時(shí)承受恒定載荷和交變載荷的作用（如燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪盤），這種情況下發(fā)生的斷裂方式稱為蠕變疲勞斷裂。它們是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件（如渦輪葉片、渦輪盤等）的主要失效形式之一。,所謂金屬材料的蠕變，就是材料在一定的應(yīng)力和溫度下其長(zhǎng)度隨時(shí)間的緩慢變化過(guò)程。廣義地說(shuō)，是材料在應(yīng)力和溫度的作用下發(fā)生的緩慢變形與時(shí)間的關(guān)系。金屬之所以能產(chǎn)生蠕變，是因?yàn)樵诟邷貤l件下，金屬原子之間的距離增加，原子間結(jié)合力減小，故變形抗力小，在一定載荷作用下易于發(fā)生緩慢變形。同時(shí)在變形過(guò)程中，因溫度較高，不會(huì)發(fā)生加工硬化，變形抗力不會(huì)自動(dòng)提高，故變形可持續(xù)緩慢地進(jìn)行下去。材料在蠕變過(guò)程中所發(fā)生的斷裂稱為蠕變斷裂。與靜強(qiáng)度下發(fā)生的斷裂相比，它有以下特點(diǎn)。,1.6蠕變及蠕變疲勞斷裂,（1）在一般的靜強(qiáng)度試驗(yàn)中，材料的塑性通常是隨試驗(yàn)溫度的升高而增大，但在高溫下以很緩慢的速率變形時(shí)（即蠕變?cè)囼?yàn)條件），即使在室溫下為高延性的材料，它也可能發(fā)生低延性斷裂。（2）蠕變斷裂過(guò)程中的變形隨時(shí)間的變化曲線，通常分為三個(gè)階段（圖1-13）：第階段應(yīng)變隨時(shí)間而遞增，但應(yīng)變速率隨時(shí)間呈現(xiàn)非穩(wěn)定遞減狀態(tài)（減速蠕變階段）；第階段是應(yīng)變隨時(shí)間恒定變化的穩(wěn)定階段，即應(yīng)變速率基本保持不變（恒速蠕變階段）；第階段是應(yīng)變速率隨時(shí)間而遞增的非穩(wěn)定階段（加速蠕變階段），最后導(dǎo)致斷裂。,1.6蠕變及蠕變疲勞斷裂,圖1-13蠕變斷裂的三個(gè)過(guò)程,1.6蠕變及蠕變疲勞斷裂,圖1-13是一種典型的蠕變曲線，但并非在所有情況下材料的蠕變曲線均由三個(gè)階段組成。如在高溫或高應(yīng)力下，材料沒有第階段而只有第、階段，或只有第階段就很快發(fā)生斷裂；而在有些情況下，材料只有第、階段，隨后便發(fā)生斷裂。（3）對(duì)于同一種材料，發(fā)生蠕變的變形速率隨外加應(yīng)力和溫度的增加而增加。（4）蠕變斷裂主要是沿晶斷裂，即裂紋沿著材料晶界擴(kuò)展。,1.6蠕變及蠕變疲勞斷裂,