材料力学性能（2023秋）

东北大学 王磊

目录

  • 1 材料在静载荷下的力学性能
    • 1.1 本章介绍
    • 1.2 材料的拉伸性能
    • 1.3 材料在其他静载荷下的力学性能
  • 2 材料的变形
    • 2.1 本章介绍
    • 2.2 材料的弹性变形
    • 2.3 材料的塑性变形
  • 3 材料的强化与韧化
    • 3.1 本章介绍
    • 3.2 材料强韧化的重要性
    • 3.3 均匀强化
    • 3.4 非均匀强化
    • 3.5 细晶强化
    • 3.6 第二相强化
    • 3.7 其他强化方法
    • 3.8 陶瓷材料的强化与韧化
    • 3.9 高分子材料的强化与韧化
    • 3.10 复合材料的强化与韧化
    • 3.11 三大材料的强韧化比较
    • 3.12 材料强韧化过程的力学计算
  • 4 材料的断裂
    • 4.1 本章介绍
    • 4.2 断裂分类及断裂强度
    • 4.3 材料的低温脆性
  • 5 材料的断裂韧性
    • 5.1 本章介绍
    • 5.2 断裂韧性的基本概念
    • 5.3 影响材料断裂韧性的因素
  • 6 材料的疲劳
    • 6.1 本章介绍
    • 6.2 疲劳现象及疲劳过程
    • 6.3 疲劳强度指标及影响疲劳性能的因素
  • 7 环境下的材料力学性能
    • 7.1 本章介绍
    • 7.2 材料的蠕变及应力松弛
    • 7.3 热疲劳及应力松弛
    • 7.4 环境介质作用下材料的力学性能
本章介绍
  • 1 学习目标
  • 2 学习指南
  • 3 知识内容
  • 4 练习
  • 5 作业
  • 6 案例

一、断裂分类及断口特征 
1、材料完全破断为两个部分以上的现象，叫断裂。断裂是材料的三大失效形式之一。（三大失效形式：断裂、腐蚀、磨损） 
2、断裂的过程：裂纹的萌生——>裂纹的扩展——>断裂 
  裂纹萌生就是金属材料本身的缺陷产生裂纹源。 
  其中包括冷、热加工的缺陷,铸造缺陷，服役条件等。 
  裂纹扩展的原因是受到了应力，或者环境等因素的影响。 
按照不同的分类方法，将断裂分为以下几种： 
1）按塑性变形程度：韧性断裂、脆性断裂。 
2）按断裂机理分类：纯剪切断裂、微孔聚集型、解理断裂。 
3）按裂纹扩展途径：穿晶断裂、沿晶断裂。 
4）按断裂面取向分类：正断；切断。 
一、脆性断裂 
脆性断裂：材料断裂前基本不产生明显宏观塑性变形，无明显预兆，表现为突然发生的快速断裂，故具有很大危险性。 
特点：断裂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。矩形截面板状试样脆性断口可见“人字纹花样”，其尖顶指向裂纹源。 
二、韧性断裂 
   一般来说光滑拉伸试样断面收缩率 <5%为脆断；> 5%为韧断。 
韧性断裂：材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂。 
特点： 
   1）断裂有一个缓慢撕裂过程，且消耗大量塑性变形能。 
   2）断口呈纤维状，灰暗色。 
   3）典型宏观断口特征呈杯锥状。 
一、纯剪切断裂 
剪切断裂：金属材料在切应力作用下，沿滑移面滑移分离而造成的断裂。分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。 
纯剪切断裂：(滑断)完全由滑移流变造成断裂，某些纯金属尤其是单晶体金属可产生。 
二、微孔聚集型断裂 
微孔聚集型断裂：通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离，是韧性断裂的普遍方式。 
断裂特点：断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢。 
宏观断口：常呈现暗灰色、纤维状。 
微观断口特征：则是断口上分布大量“韧窝”。韧窝形貌取决于应力状态。分为等轴韧窝、撕裂韧窝、拉长韧窝。 
三、解理断裂 
解理断裂：裂纹沿解理面形核、扩展而导致的脆性断裂。解理断裂常见于体心立方和密排六方金属及合金，低温、冲击载荷和应力集中常促使解理断裂的发生。 
解理面：一般是低指数或表面能最低的晶面。 
宏观断口：平齐光亮，常呈放射状 或结晶状； 
微观断口特征：解理台阶、河流花样、舌状花样。微观断口由许多 
  大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的。 
解理台阶是因为裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。 
河流花样则是当台阶高度足够大形成。 
舌状花样解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌状凹坑或凸台。

二、冲击韧性及其工程意义 
冲击功AK虽可表示材料的变脆倾向，但不能真正反映材料的韧脆程度。因为用于冲断试样的冲击功AK并非完全被试样的变形和断裂过程所吸收，其中有一部分功消耗子空气阻力、机身振动、轴承与测量机构的摩擦及冲断试样的飞出等。 
尽管冲击吸收功不能真正代表材料的韧性程度，但由于它对材料成分、内部组织变化十分敏感，而且一次冲击弯曲试验方法简便易行，所以仍被广泛采用。 
三、低温脆性 
系列冲击实验证明：体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。转变温度tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。面心立方金属及合金一般没有低温脆性现象，但在20-42K极低温度下奥氏体钢及铝合金有冷脆性。高强度钢及超高强度钢在很宽温度范围内冲击吸收功均较低，故韧脆转变不明显。 
从宏观角度分析，材料低温跪性的产生与其屈服强度σs和断裂强度σc随温度的变化有关．因热激活对裂纹扩展的力学条件没有明显作用，故断裂强度σc随温度的变化很小．屈服强度σs随温度的变化情况与材料的本性有关。 
具有面心立方结构材料的σ’s随温度的下降变化不大．近似为水平线，即使在很低的温度仍未与σc曲线相交，故其脆性断裂现象不明显。 

影响材料低温脆性的因素 
1、晶体结构的影响  
体心立方金属及其合金存在低温脆性，面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性。体心立方金属的低温脆性可能和迟屈服现象有密切关系。所谓迟屈服是指当用高于材料屈服极限的载荷以高加载速度作用于体心立方结构材料时，瞬间并不屈服，需在该应力下保持一定时间后才发生屈服。且温度越低，持续的时间越长，这就为裂纹的发生和传播造成有利条件。中、低强度钢的基体是体心立方结构的快素体，故都有明显的低温脆性。 
2、化学成分的影响 
间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高。这是由于间隙溶质元素溶入基体金属品格中，通过与位借的交互作用偏聚于位借线附近形成柯氏气团，既增加σ i，又使ky增加，致使σs升高，所以钢的脆性增大，杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界表面能，产生沿晶脆性断裂，同时降低脆断应力所致。 
3、显微组织的影响  
金相组织  
在较低强度水平，强度相同而组织不同的钢，其冲击吸收功和韧脆转变温度以回火索氏体最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。此外，球化处理能改善钢的韧性。 
在较高强度水平时。中、高碳钢经等温淬火获得下贝氏体组织，其冲击吸收功和韧脆转变温度优于同强度的淬火马氏体并回火的组织。 
在相同强度水平，典型上贝氏体的韧脆转变温度高于下贝氏体的韧脆转变温度。但低碳钢低温上贝氏体(B1)的韧性却高于回火马氏体的韧性，这是由于在低温上贝氏体中渗碳体沿奥氏体晶界的析出受到抑制，减少了晶界裂纹所致。 
4、温度的影响  
碳钢和某些合金钢在冲击载荷或静载荷作用下，在一定温度范围内出现脆性。因为在该温度范围内加热钢时，表面氧化色为蓝色，故此现象称为蓝脆。 但二者的蓝脆温度范围不同。在静拉伸时，蓝脆的温度范围为230-370℃；在冲击载荷作用下，蓝脆最严重的温度范围为525-550℃。 
5、加载速率的影响  
提高加载速率如同降低温度，使材料脆性增大，韧脆转变温度提高。 
中、低强度钢的韧脆转变温度对加载速率比较敏感，而高强度钢和超高强度钢的韧脆转变温度则对加载速率的敏感性较小。 
6、试样性状和尺寸的影响  
缺口曲率半径越小，tk越高，因此，V型缺口试样的tk高于U型试样的tk。当不改变缺口尺寸而只增加试样宽度(或厚度)时，tk升高。若试样各部分尺寸按比例增加时，tk也升高。这是出于试样尺寸增加时应力状态变硬，且缺陷几率增大，故脆性增大。