工程材料與熱加工技術(shù)第1章

1、1.1 強?度?與?塑?性,1.1.1 拉伸曲線與應(yīng)力—應(yīng)變曲線　　1．拉伸曲線 GB 228—87規(guī)定了拉伸試驗的方法和拉伸試驗試樣的制作標(biāo)準(zhǔn)。在試驗時，金屬材料制作成一定的尺寸和形狀(如圖1-1所示)，將拉伸試樣裝夾在拉伸試驗機上，對試樣施加拉力，在拉力不斷增加的過程中觀察試樣的變化，直至把試樣拉斷。,圖1-1 圓形拉伸試樣示意圖,根據(jù)拉伸過程中載荷(F)與試樣的伸長量(Δl)之間的關(guān)系，可以繪制出金屬的拉伸

2、曲線。如圖1-2所示為低碳鋼的拉伸曲線，拉伸過程可分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段。具體分析如下：,圖1-2 低碳鋼的拉伸曲線,Op段：試樣的伸長量與載荷呈直線關(guān)系，完全符合虎克定律，試樣處于彈性變形階段?！　e段：伸長量與載荷不再成正比關(guān)系，拉伸曲線不成直線，試樣仍處于彈性變形階段。　　ss′段(拉伸曲線中的平臺或鋸齒)：外力不增加或變化不大，試樣仍繼續(xù)伸長，出現(xiàn)明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象?！　′b段：這個階

3、段，載荷增加，伸長沿整個試樣長度均勻伸長，同時，隨著塑性變形不斷增加，試樣的變形抗力也逐漸增加，這個階段是材料的強化階段。,b點：載荷達到最大，試樣局部面積減小，伸長增加，形成了“縮頸”。　　bk段：隨著縮頸處截面不斷減小(非均勻塑性變形階段)，承載能力不斷下降，到k點時試樣發(fā)生斷裂。　　拉伸曲線中，斷裂總伸長為Of，其中塑形變形伸長為Og(試樣斷后測得的伸長Δlk)，彈性伸長為gf。,2．應(yīng)力—應(yīng)變曲線(σ-ε曲線)應(yīng)力：用承受

4、的載荷F除以試樣的原始橫截面積S0表示，即,式中，F(xiàn)為試樣所承受的載荷；S0為試樣的原始橫截面積。 應(yīng)變：用試樣的伸長量Δl除以試樣的原始標(biāo)距l(xiāng)0表示，即,式中，Δl為試樣標(biāo)距長度的伸長量；l0為試樣的原始標(biāo)距長度。,應(yīng)力—應(yīng)變曲線的形狀與拉伸曲線形狀相同，只是坐標(biāo)數(shù)值不同。圖1-3所示是低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，即σ-?ε曲線。,圖1-3 應(yīng)力—應(yīng)變曲線,1.1.2 剛度與強度 　 1．剛度　　剛度是指材料抵抗彈性變形

5、的能力，剛度的大小一般用彈性模量E表示。彈性模量是指材料在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力與應(yīng)變的比值，即,式中，σ為試樣承受的應(yīng)力；ε為試樣的應(yīng)變。,在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上，彈性模量就是直線部分的斜率。對于材料而言，彈性模量E越大，其剛度越大。E主要取決于各種金屬材料的本性，是一個對組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。對鋼進行熱處理、微量合金化及塑性變形等，其彈性模量變化很小。　　機械零件大多都是在彈性狀態(tài)下工作的，零件對剛度都有一定的要求，一般不允許有過量的彈

6、性變形，因為過量的彈性變形會使機器的精度下降。零件的剛度主要由材料的剛度決定，另外還與零件的形狀、截面尺寸有關(guān)。例如鏜床的鏜桿，為了保證高的加工精度，要選剛度較大的材料，另外還必須有足夠的截面尺寸。,表1-1 常用材料的彈性模量及比彈性模量,2．彈性極限　　彈性極限σe是材料開始產(chǎn)生塑性變形時所承受的最大應(yīng)力值。按照GB 228—87規(guī)定，彈性極限和屈服極限已經(jīng)取消，兩者統(tǒng)稱為規(guī)定微量塑形伸長的應(yīng)力。由于其物理意義及工程中仍有應(yīng)用，

7、這里仍保留。,式中，F(xiàn)e為試樣不發(fā)生塑性變形的最大載荷；S0為試樣的原始橫截面積?！　∫恍┰诠ぷ髦胁辉试S有微量塑性變形的零件(精密的彈性元件、炮筒等)，在設(shè)計和選材時，彈性極限是重要的依據(jù)。,3．強度　　強度是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。工程上常用的強度指標(biāo)有規(guī)定殘余伸長應(yīng)力、屈服點(屈服強度)、抗拉強度等?！　?) 屈服點和屈服強度　　在圖1-3中，屈服點σs是指應(yīng)力—應(yīng)變曲線中平臺對應(yīng)的應(yīng)力值，表示材料

8、開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力值，即,式中，F(xiàn)s為試樣發(fā)生屈服現(xiàn)象時的載荷；S0為試樣的原始橫截面積。,對于高碳淬火鋼、鑄鐵等材料，在拉伸試驗中沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法確定其屈服點。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一般以規(guī)定殘余伸長率為0.2%時對應(yīng)的應(yīng)力σr0.2作為材料的屈服強度，通常記作σ0.2，即,式中，F(xiàn)0.2為標(biāo)距發(fā)生0.2%殘余伸長時的載荷。　　屈服點σs和屈服強度σ0.2通常是機器零件設(shè)計的主要強度指標(biāo)，也是評定金屬材料強度的重要指標(biāo)之

9、一。我們知道，工程上各種機器零件工作時是不允許發(fā)生過量殘余變形而失效的，設(shè)計的許用應(yīng)力以σs或σ0.2來確定。,2) 抗拉強度　　抗拉強度σb是指材料在斷裂前所承受的最大應(yīng)力值，即,式中，F(xiàn)b為試樣拉斷前承受的最大載荷?！　≡嚇釉诶爝^程中，達到最大載荷之前是均勻塑性變形，因此抗拉強度σb是塑性材料抵抗大量均勻塑性變形的能力。塑性材料的σb沒有直接意義；鑄鐵等脆性材料在拉伸過程中一般不出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，抗拉強度就是材料的斷裂強度，脆性材

10、料制成的零件以σb確定其許用應(yīng)力。,1.1.3 塑性　　1．?dāng)嗪笊扉L率　　斷后伸長率是指拉斷后標(biāo)距的伸長量l1?-?l0與原始標(biāo)距l(xiāng)0的比值，即,式中，l1為試樣拉斷后標(biāo)距的長度；l0為試樣的原始標(biāo)距?！　⊥徊牧祥L試樣和短試樣測得的斷后伸長率是不相等的，測得的結(jié)果分別用δ10和δ5表示，且δ5>δ10，長試樣的斷后伸長率也可以不加下標(biāo)。,2．?dāng)嗝媸湛s率　　斷面收縮率ψ是指試樣拉斷處橫截面積的減小量S0- S1與原始橫截

11、面積S0的比值，即,式中，S1為試樣拉斷后斷裂處的最小橫截面積。,,1.2 硬 度,1.2.1 布氏硬度　　布氏硬度試驗法的測試原理：在一定的載荷F作用下，將一定直徑D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入到被測材料的表面，保持一定的時間t后將載荷卸掉，測量被測材料表面留下壓痕的直徑d，根據(jù)d計算出壓痕的面積S，最后求出壓痕單位面積上承受的平均壓力，以此作為被測金屬材料的布氏硬度值，如圖1-4所示。,圖1-4 布氏硬度試驗原理示意圖,

12、布氏硬度值(HBS或HBW)的計算公式為：當(dāng)載荷F的單位為千克力(kgf?)時，,當(dāng)載荷F的單位為牛頓(N)時，,式中，F(xiàn)表示載荷大小，D表示壓頭的直徑(單位為mm)，d表示壓痕表面的直徑(單位為mm)，S表示壓痕的面積(單位為mm2)，布氏硬度值的單位為kgf / mm2或者N / mm2，習(xí)慣上布氏硬度是不標(biāo)單位的。實際測試布氏硬度時，硬度值是不用計算的，利用刻度放大鏡測出壓痕直徑d，根據(jù)值d查附錄A即可查出硬度值。,進行布氏硬

13、度試驗時，當(dāng)用淬火鋼球作為壓頭時，用HBS表示，適用于布氏硬度低于450的材料；當(dāng)用硬質(zhì)合金球作為壓頭時，用HBW表示，適用于硬度值為450～650的材料?！　〔际嫌捕鹊谋硎痉椒椋河捕戎担捕确枺囼灄l件。例如，210HBS10/1000/30表示用10 mm直徑的淬火鋼球作為壓頭，在1000 kgf作用下，保持時間為30 s，測得的布氏硬度值為210；500HBW5/750表示用5 mm直徑的硬質(zhì)合金球壓頭，在750 kgf作用

14、下，保持10～15 s(持續(xù)時間10～15 s時，可以不標(biāo)注)，測得的布氏硬度值為500。　　在進行布氏硬度試驗時，GB 231—1984做出了規(guī)定，0.102F/D2常用30、10、2.5三種。,表1-2 布氏硬度試驗規(guī)范,1.2.2 洛氏硬度　　洛氏硬度試驗法是目前應(yīng)用最廣泛的硬度測試方法，它是直接用壓痕深度來確定硬度值的。試驗時，用頂角為120°的金剛石圓錐體或者用直徑為1.588 mm的淬火鋼球作為壓頭，先加初

15、載荷為98.07 N(10 kgf)，再加規(guī)定的主載荷，將壓頭壓入金屬材料的表面，卸去主載荷后，根據(jù)壓頭壓入的深度最終確定其硬度值。,洛氏硬度試驗原理如圖1-5所示，先加初載荷，使壓頭與試樣表面之間有良好的接觸，并以此作為測量的基準(zhǔn)；再施加主載荷，試樣壓到最深處；卸去主載荷后，被測試樣的彈性變形恢復(fù)，壓頭略微抬高，測得的深度就是基準(zhǔn)與壓頭頂點最后位置之間的距離e。e越大，被測金屬的硬度越低，為了和習(xí)慣(數(shù)值越大，硬度越高)相符，用常數(shù)k

16、減e來表示硬度大小，用0.002 mm表示一個硬度單位，洛氏硬度值的計算公式為,式中，k為常數(shù)，用金剛石圓錐體壓頭時，k=0.2 mm；用淬火鋼球作為壓頭時，k=0.26 mm；e為卸去主載荷后測得的壓痕深度。,圖1-5 洛氏硬度試驗原理示意圖,洛氏硬度沒有單位，是一個無量綱的力學(xué)性能指標(biāo)。為了能用同一硬度計測定從軟到硬的材料硬度，就需要不同的壓頭和載荷組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺，最常用的是A、B、C三種標(biāo)尺，分別記作HRA、HRB、HR

17、C。表1-3給出了三種標(biāo)尺的實驗規(guī)范及應(yīng)用范圍。,表1-3 常用三種洛氏硬度的試驗條件及應(yīng)用范圍,實際測量時，洛氏硬度是在硬度計上直接讀出硬度值的。洛氏硬度的表示方法為：硬度值＋硬度符號。例如，60HRC表示用C標(biāo)尺測得的洛氏硬度值為60?！　÷迨嫌捕仍囼灥膬?yōu)點是測量迅速簡便，壓痕較小，可用于測量成品零件；缺點是壓痕較小，測得的硬度值不夠準(zhǔn)確，并且各硬度標(biāo)尺之間沒有聯(lián)系，不同標(biāo)尺硬度值之間不能直接比較大小。洛氏硬度C標(biāo)尺應(yīng)用最廣泛。

18、,對于極薄工件和化學(xué)熱處理后的表面層，在測定硬度時，由于常用洛氏硬度法施加的載荷較大，不適合這類材料的表面硬度測定。為此，根據(jù)洛氏硬度試驗原理，設(shè)計出了載荷較小的表面洛氏硬度試驗。其初載荷為29.4 N(3 kgf)，總載荷有147.1 N(15 kgf)、249.3 N(30 kgf)、441.3 N(45 kgf)三種，如果用金剛石圓錐壓頭，常用來測量滲氮鋼、滲碳鋼、刀刃、零件邊緣部分等，硬度符號表示為HR15N、HR30N、HR4

19、5N；如果用淬火鋼球壓頭，常測量低碳鋼、銅合金、鋁合金等薄板，硬度符號表示為HR15T、HR30T、HR45T。,1.2.3 維氏硬度　　為了在同一種硬度標(biāo)尺上測定從極軟到極硬金屬材料的硬度，特制定了維氏硬度試驗法。　　維氏硬度試驗法原理與布氏硬度的基本相同，如圖1-6所示。用一個相對面夾角為136°的金剛石正四棱錐體壓頭，在規(guī)定載荷的作用下壓入被測金屬的表面，保持一定時間后卸除載荷，用壓痕單位面積上承受的載荷(F/S)

20、來表示硬度值，維氏硬度的符號為HV。,圖1-6 維氏硬度試驗原理示意圖,當(dāng)載荷的單位是千克力(kgf)時，,當(dāng)載荷的單位是牛頓(N)時，,式中，F(xiàn)為試驗所加載荷；S為壓痕的面積；d為兩對角線的平均長度。維氏硬度的面積S是通過測定壓痕表面的對角線平均長度d來計算的。,計算出的維氏硬度值有單位(kgf / mm2或者N / mm2)，但通常不標(biāo)單位。實際測定時，測出壓痕對角線長度，然后通過查表即可查出維氏硬度值。　　維氏硬度的表示方法為

21、：硬度值＋硬度符號＋測試條件。例如，620HV30/20表示在30 kgf(249.3 N)載荷作用下，保持20 s測得的維氏硬度值為620，如果保荷時間10～15 s可以不標(biāo)注，如620HV30。,維氏硬度常用的載荷包括49.1(5)、98.1(10)、196.2(20)、294.3(30)、490.5(50)、981(100)等，單位為N(kgf)。測量時，如果厚度允許的話，盡量用較大的載荷，以便獲得較大的壓痕，提高測量精度。 　

22、　維氏硬度的優(yōu)點是試驗載荷小，壓痕較淺，適合測定零件表面淬硬層及化學(xué)熱處理的表面層等；可以測量極軟到極硬的材料，由于維氏硬度只用一種標(biāo)尺，材料的硬度可以直接通過維氏硬度值比較大小；由于測量載荷可任意選擇，因此既可測尺寸厚大的材料，又能測很薄的材料。缺點是試樣表面要求高，硬度值的測定較麻煩，工作效率不如洛氏硬度高。,維氏顯微硬度試驗用于測定顯微組織硬度。維氏顯微硬度計施加的載荷為0.0981(0.01)、0.1961(0.02)、0.49

23、03(0.05)、0.9807(0.1)、1.961(0.2)等，單位為N(kgf)。測量壓痕對角線長度用μm做單位，符號仍用HV表示。由于顯微硬度載荷小，壓痕很小，可以測定金屬箔、金屬粉末、極薄表層及金屬組織中的晶粒及合金組成相的硬度值。 　　由于各種硬度試驗的條件不同，因此相互之間沒有理論換算關(guān)系。但根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，得到粗略換算公式為：當(dāng)硬度在200～600HBS(HBW)范圍內(nèi)時，HRC≈1/10HBS(HBW)；當(dāng)硬度小于4

24、50HBS時，HBS=HV。,,1.3 韌 性,1.3.1 沖擊韌性,1．?dāng)[錘式一次沖擊彎曲試驗　　擺錘式?jīng)_擊試驗原理如圖1-7所示，試驗時，將標(biāo)準(zhǔn)試樣[1]放在試驗機的支座上，把質(zhì)量為m的擺錘抬升到一定高度H1，然后釋放擺錘、沖斷試樣，擺錘依靠慣性運動到高度H2。,沖擊過程中如果忽略各種能量損失(空氣阻力及摩擦等)，擺錘的位能損失mgH1-mgH2＝mg(H1-H2)就是沖斷試樣所需要的能量，即試樣變形和斷裂所消耗的功，也

25、稱為沖擊吸收功AK，即AK=mg(H1-H2)。其中，G表示擺錘的重量；AK表示沖擊吸收功。U型缺口試樣和V型缺口試樣分別表示為AKU和AKV，其單位是焦耳(J)。沖擊吸收功的大小直接由試驗機的刻度盤上直接讀出。,圖1-7 擺錘式?jīng)_擊試驗原理示意圖,沖擊韌度用αK=AK/S來計算。其中，S表示試樣缺口處的橫截面積(單位為cm2)?！　“褯_擊吸收功值低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收功值高的材料稱為韌性材料。脆性材料在斷裂前沒有明顯的塑性

26、變形，斷口較平直，呈晶狀或瓷狀，有金屬光澤；而韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形，斷口呈纖維狀，無光澤。,2．低溫脆性　　有些金屬材料，如工程上用的中低強度鋼，當(dāng)溫度降低到某一程度時，會出現(xiàn)沖擊吸收功明顯下降的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為冷脆現(xiàn)象。歷史上曾經(jīng)發(fā)生過多次由于低溫冷脆造成的船舶、橋梁等大型結(jié)構(gòu)脆斷的事故。例如，1965年，英國北海油田海上鉆井平臺由于溫度突然下降而斷裂，造成巨大損失?！　⊥ㄟ^測定材料在不同溫度下的沖擊吸收功，就可測出

27、某種材料沖擊吸收功與溫度的關(guān)系曲線。如圖1-8所示，沖擊吸收功隨溫度降低而減小，在某個溫度區(qū)間，沖擊吸收功發(fā)生急劇下降，試樣斷口由韌性斷口過渡為脆性斷口，這個溫度區(qū)間就稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍。,圖1-8 沖擊吸收功—溫度曲線,3．沖擊韌性的用途　　AK是一個由強度和塑性共同決定的綜合性力學(xué)性能指標(biāo)，零件設(shè)計時，雖不能直接計算，但它是一個重要參考。由于沖擊吸收功對材料內(nèi)部組織十分敏感，因此在生產(chǎn)、科研中得到廣泛應(yīng)用。其主要應(yīng)用如下：　

28、　(1) 評定材料的低溫脆性情況，可以測定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍。,(2) 評定材料的冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品質(zhì)量。通過測定AK和對試樣斷口進行分析，能揭示材料的內(nèi)部缺陷，如氣泡、夾渣、偏析等冶金缺陷和過熱、過燒、回火脆性等熱加工缺陷。這些缺陷使材料的沖擊吸收功明顯下降，因此，目前用沖擊試驗來檢驗冶煉、熱處理及各種熱加工工藝和產(chǎn)品的質(zhì)量?！　?3) 評定材料對大能量沖擊載荷的抵抗能力。實踐表明，塑性、韌性越高，材料抵抗大能量沖擊的能力越強

29、；但在小能量多次沖擊的情況下，決定材料抗沖擊能力的主導(dǎo)作用是強度，提高材料的沖擊吸收功值并不能有效提高使用壽命。,1.3.2 斷裂韌性　　為了防止零件發(fā)生斷裂失效(有關(guān)失效，可參閱本書第12章)，通常以材料的屈服強度為依據(jù)，同時對材料的塑性指標(biāo)、沖擊吸收功等提出一定的要求，即,式中，σ為工作應(yīng)力；[σ]為許用應(yīng)力；為安全系數(shù)。,1．應(yīng)力場強度因子KI　　根據(jù)應(yīng)力與裂紋擴展面的相互關(guān)系，裂紋擴展可分為三種基本形式(如圖1-9所示)：

30、張開型(Ⅰ型)、滑開型(Ⅱ型)和撕開型(Ⅲ型)。實際裂紋的擴展經(jīng)常是幾種方式的組合，張開型(Ⅰ型)最危險，最容易擴展而發(fā)生脆性斷裂。因此，這里就以這種方式來討論斷裂韌性。,圖1-9 裂紋擴展的三種基本形式,材料內(nèi)部不可避免地存在各種缺陷(夾雜、氣孔等)，使材料內(nèi)部不連續(xù)，這些不連續(xù)處可看成材料的裂紋，在裂紋尖端前沿有應(yīng)力集中產(chǎn)生，形成一個裂紋尖端應(yīng)力場。用來衡量應(yīng)力場強弱的參數(shù)稱為應(yīng)力場強度因子KI，即,式中，KI為應(yīng)力場強度因子，單

31、位為MPa·m1/2；Y為與裂紋形狀、加載方式及試樣類型有關(guān)的系數(shù)，一般Y=1～2；a為裂紋長度的一半，Ⅰ型裂紋長度為2a。對中心有穿透裂紋的無限大平板，,2．?dāng)嗔秧g度KIC　　應(yīng)力場強度因子KI是一個與應(yīng)力σ和裂紋半長a有關(guān)的復(fù)合參數(shù)。對于一個有裂紋的試樣，在拉伸載荷作用下，Y值是一定的，當(dāng)外力逐漸增大或裂紋長度逐漸擴展時，應(yīng)力場強度因子KI也不斷增大，當(dāng)應(yīng)力場強度因子KI增大到某一值時，就可使裂紋前沿某一區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力大到

32、足以使材料產(chǎn)生分離，從而導(dǎo)致裂紋突然失穩(wěn)擴展，即發(fā)生脆斷。這個應(yīng)力場強度因子的臨界值稱為材料的斷裂韌度，用KIC表示。它表明了材料有裂紋存在時抵抗脆性斷裂的能力。,式中，σc為斷裂應(yīng)力，是裂紋擴展的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)力；ac為臨界裂紋尺寸，是裂紋擴展的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的裂紋尺寸。,當(dāng)KI＞KIC時，裂紋失穩(wěn)擴展，發(fā)生脆斷；KI=KIC時，裂紋處于臨界狀態(tài)；KI＜KIC時，裂紋擴展很慢或不擴展，不發(fā)生脆斷。斷裂韌度KIC是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴

33、展的能力。KIC越大，材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力越強，裂紋不易擴展，材料的斷裂韌性越好?！　嗔秧g度KIC可通過實驗測得，它是評價阻止裂紋失穩(wěn)擴展能力的力學(xué)性能指標(biāo)。斷裂韌度KIC是材料的一種固有特性，與外加載荷大小、裂紋本身的大小、試樣尺寸等無關(guān)，而與材料本身的成分、熱處理及加工工藝有關(guān)。對于一定狀態(tài)下的材料而言，KIC是一個固定的常數(shù)，而KI則是變化的，它隨著載荷和裂紋尺寸的變化而變化，當(dāng)載荷為零時，KI=0。,3．?dāng)嗔秧g度的應(yīng)用

34、　　斷裂韌性是強度和韌性的綜合體現(xiàn)，KIC是工程安全設(shè)計中防止低應(yīng)力脆斷的重要依據(jù)，根據(jù)計算公式，它可以解決如下工程實際問題：　　(1) 確定零件(或構(gòu)件)的最大承載能力。如果探測出零件(或構(gòu)件)裂紋尺寸2a，根據(jù)試驗測定的KIC，可以計算出最大承載能力σc，為設(shè)計提供依據(jù)。,(2) 確定零件允許的最大裂紋尺寸。根據(jù)材料的斷裂韌度KIC和工作情況得到零件(或構(gòu)件)的工作應(yīng)力σ，就可確定計算出臨界裂紋尺寸ac，為制定裂紋探傷標(biāo)準(zhǔn)提供依

35、據(jù)。　　(3) 確定零件(或構(gòu)件)的安全性。已知工作應(yīng)力σ和探傷得到的裂紋尺寸2a，就可計算出KI。這樣，在選擇材料時，材料的斷裂韌度KIC＞KI，為選材提供依據(jù)，也保證了零件(或構(gòu)件)的安全性。,,1.4 疲 勞 強 度,1.4.1 疲勞及疲勞強度　　1．疲勞現(xiàn)象　　疲勞斷裂是指在變動載荷的作用下，零件經(jīng)過較長時間工作或多次應(yīng)力循環(huán)后所發(fā)生的突然斷裂現(xiàn)象。變動應(yīng)力通常包括交變應(yīng)力和重復(fù)應(yīng)力。交變應(yīng)力(如圖1-10所示)是指應(yīng)

36、力的大小和方向隨著時間周期性變化的應(yīng)力。變動應(yīng)力的變化可以是周期性的、規(guī)律的變化，也可以是無規(guī)律的變化。許多零件，如齒輪、曲軸、彈簧和滾動軸承等，都是在交變應(yīng)力下工作的。據(jù)統(tǒng)計，各類斷裂失效中，80%是由于各種不同類型的疲勞破壞所造成的。,圖1-10 交變應(yīng)力示意圖,疲勞斷裂具有突然性，危害很大。人們對于疲勞的研究已經(jīng)有了很大的進展。疲勞斷裂的特點如下：　　(1) 疲勞斷裂是一種低應(yīng)力脆斷，斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強度，甚至低于材料的

37、彈性極限。　　(2) 斷裂前，零件沒有明顯的塑性變形，即使伸長率δ和斷面收縮率ψ很高的塑性材料也是如此。 　　(3) 疲勞斷裂對材料的表面和內(nèi)部缺陷非常敏感，疲勞裂紋常在表面缺口(如螺紋、刀痕、油孔等)、脫碳層、夾渣物、碳化物及孔洞等處形成?！　?4) 實驗數(shù)據(jù)分散性較大(手冊上的數(shù)據(jù)是統(tǒng)計數(shù)據(jù))。,產(chǎn)生疲勞的原因，一般認(rèn)為是由于零件應(yīng)力高度集中的部位或材料本身強度較低的部位，在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生了疲勞裂紋，并隨著應(yīng)力循環(huán)周次的增

38、加，裂紋不斷擴展使零件有效承載面積不斷減小，最后突然斷裂。零件疲勞失效的過程可分為疲勞裂紋產(chǎn)生、疲勞裂紋擴展和瞬時斷裂三個階段。疲勞斷口一般可明顯地分成三個區(qū)域，即疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)，如圖1-11所示。,圖1-11 疲勞斷口示意圖,2．疲勞強度 　　大量實驗表明，材料所受的交變應(yīng)力的最大值σmax越大，則疲勞斷裂前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越低，反之越高。根據(jù)交變應(yīng)力σmax和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N建立起來的曲線稱作疲勞曲線，如

39、圖1-12所示?！　∑趶姸仁侵覆牧辖?jīng)受無限次循環(huán)應(yīng)力也不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力值，記作σD，就是疲勞曲線中的平臺位置對應(yīng)的應(yīng)力。通常，材料的疲勞強度是在對稱彎曲條件下測定的，對稱彎曲疲勞強度記作σ－1。實踐表明，如果107周次應(yīng)力循環(huán)下，仍不發(fā)生疲勞斷裂，則在經(jīng)過相當(dāng)多次的應(yīng)力循環(huán)后一般也不會疲勞斷裂。GB 4337—84規(guī)定，一般鋼鐵材料循環(huán)周次取107周次時能承受的最大循環(huán)應(yīng)力為疲勞強度。,圖1-12 疲勞曲線示意圖,一般非鐵金

40、屬(有色金屬)、高強度鋼和腐蝕介質(zhì)作用下的鋼鐵材料的疲勞曲線沒有平臺，見圖1-12。這類材料的疲勞強度定義為：在規(guī)定循環(huán)周次N0下，不發(fā)生疲勞斷裂的最大循環(huán)應(yīng)力值稱為條件疲勞強度，記作 ?。一般規(guī)定非鐵金屬N0取108，腐蝕介質(zhì)作用下的N0取106。　　金屬材料的疲勞強度受到很多因素的影響，如材料本質(zhì)、材料的表面質(zhì)量、工作條件、零件的形狀、尺寸及表面殘余壓應(yīng)力等。,3．提高疲勞強度的途徑　　提高疲勞強度有以下途徑：　　(1)

41、 合理地選擇材料。實踐證明，金屬材料在其他條件相同的情況下，疲勞強度隨抗拉強度的增加而增加。因此，那些能提高金屬材料抗拉強度的因素，一般也能提高疲勞強度。例如，結(jié)構(gòu)鋼中的含碳量，通常，含碳量越高，抗拉強度越高；結(jié)構(gòu)鋼中合金元素主要通過提高淬透性和改善組織來提高疲勞強度；細(xì)化晶粒、獲得下貝氏體及回火馬氏體等也可以提高疲勞強度。,(2) 零件設(shè)計時形狀、尺寸合理。盡量避免尖角、缺口和截面突變，這些地方容易引起應(yīng)力集中從而導(dǎo)致疲勞裂紋；另外，

42、伴隨著尺寸的增加，材料的疲勞強度降低，強度越高，疲勞強度下降越明顯?！　?3) 降低零件表面粗糙度，提高表面加工質(zhì)量。因為疲勞源多數(shù)位于零件的表面，應(yīng)盡量減少表面缺陷(氧化、脫碳、裂紋、夾雜等)和表面加工損傷(刀痕、磨痕、擦傷等)。,(4) 采用各種表面強化處理。如滲碳、滲氮、表面淬火、噴丸和滾壓等都可以有效地提高疲勞強度。這是因為表面強化處理不僅提高了表面疲勞強度，而且還在材料表面形成一定深度的殘余壓應(yīng)力；在工作時，這部分壓應(yīng)力可以

43、抵消部分拉應(yīng)力，使零件實際承受的拉應(yīng)力降低，提高了疲勞強度。　　如圖1-13(a)所示，在彎曲疲勞試驗中，未強化表面的應(yīng)力分布距表面一定距離內(nèi)，交變應(yīng)力大于疲勞強度，該區(qū)域產(chǎn)生疲勞破壞；在圖1-13(b)中，表面的殘余壓應(yīng)力抵消了部分交變應(yīng)力，其合力用箭頭表示，這時的合力小于材料的疲勞強度，因此不會發(fā)生疲勞斷裂。,圖1-13 表面強化提高疲勞強度示意圖,1.4.2 不同形式的疲勞　　1．低周疲勞　　低周疲勞是指零件或構(gòu)件在較

44、大應(yīng)力(接近、甚至于超過屈服強度)作用下，導(dǎo)致在循環(huán)周次較低的情況下造成疲勞斷裂，一般為102～105周次，甚至幾十周次?！　〉椭芷谠趹?yīng)力集中處會發(fā)生一定的塑性變形并不斷擴張直至斷裂。因此，提高低周疲勞壽命，應(yīng)在滿足強度的要求下，設(shè)法提高材料的塑性，不能一味提高材料的強度；另外，表面強化對提高低周疲勞并不明顯?！　」こ讨杏性S多機件是由于低周疲勞而破壞的。例如，飛機起落架、常年陣風(fēng)吹刮的橋梁、風(fēng)暴席卷海船的殼體、經(jīng)常充氣的高壓容器等

45、發(fā)生的疲勞常為低周疲勞。,2．熱疲勞　　零件工作時溫度循環(huán)變化而產(chǎn)生熱應(yīng)力循環(huán)變化，熱應(yīng)力循環(huán)變化造成的疲勞破壞稱為熱疲勞。工程上許多零件會由于熱疲勞而失效，例如，熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模、熱軋輥、汽輪機葉片、加熱爐零件、熱處理夾具等常產(chǎn)生熱疲勞。,熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因是由于溫度變化時，材料不能自由收縮或膨脹而導(dǎo)致的。如果零件整體可以自由收縮或膨脹，則不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。實際工作時，零件往往受熱不均勻，零件截面內(nèi)存在溫度差，一部分材料約束另一

46、部分材料，于是就產(chǎn)生了熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的高溫彈性極限時，就會產(chǎn)生局部塑性變形，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)之后，這種循環(huán)的塑性變形就導(dǎo)致了零件的熱疲勞?！　√岣邿崞诘耐緩接校禾岣卟牧系乃茼g性和高溫強度；降低材料的線膨脹系數(shù)；提高材料的導(dǎo)熱性；盡量避免零件工作時的應(yīng)力集中等。,3．沖擊疲勞　　工程上受沖擊載荷的零件，很少只經(jīng)過一次或幾次沖擊就斷裂，大多是承受小能量多次沖擊的斷裂，一般大于105次。沖擊疲勞是指小能量多次沖擊導(dǎo)致的斷裂。

47、沖擊疲勞不能用沖擊吸收功AKU或AKV來衡量，應(yīng)采用沖擊疲勞抗力指標(biāo)?！　〈罅吭囼灡砻鳎簺_擊能量低時，提高材料的強度，可使沖擊疲勞抗力明顯提高；沖擊能量較大時，沖擊疲勞抗力主要取決于材料的塑性和韌性。例如，某鍛錘錘桿用40Cr鋼油淬＋高溫回火，使用中常發(fā)生早期疲勞斷裂；后來改用鹽水淬火＋中溫回火，提高了強度，結(jié)果錘桿壽命明顯延長。,4．接觸疲勞　　接觸疲勞(也稱疲勞磨損)是指滾動軸承、齒輪及鋼軌等零件的接觸表面在交變壓應(yīng)力長期作用下

48、，引起零件表面疲勞剝落現(xiàn)象。接觸疲勞大多位于表層一定深度下，在材料的缺陷或薄弱處產(chǎn)生，也存在疲勞裂紋的產(chǎn)生和疲勞裂紋的擴展?！　〗佑|疲勞破壞形式有麻點剝落(點蝕)、淺層剝落和深層剝落三種形式。深度在0.1～0.2 mm以下的針狀或痘狀凹坑稱為麻點剝落；深度在0.2～0.4 mm的小片剝落稱為淺層剝落，剝塊底部大致和表面平行；深層剝落面積較大，剝落深度和表面強化層深度相當(dāng)。,提高接觸疲勞強度的途徑有：盡可能減少材料中的非金屬夾雜物；獲得

49、適當(dāng)?shù)男牟坑捕群捅韺佑捕龋m當(dāng)?shù)膹娀瘜由疃?；使表面強化層中的化合物形態(tài)、大小、數(shù)量分布合理；提高表面加工質(zhì)量并保持良好的潤滑狀態(tài)。,5．腐蝕疲勞　　腐蝕疲勞是零件在腐蝕環(huán)境中承受變動載荷所產(chǎn)成的一種疲勞破壞現(xiàn)象。腐蝕疲勞是由于循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用造成的，比這兩個因素單獨作用時的危害性大得多。腐蝕疲勞是很多零件經(jīng)常遇到的問題，例如，艦船中的推進器、軸、車輛彈簧、壓縮機葉片等?！　「g疲勞是一個很復(fù)雜的問題，腐蝕疲勞強度和抗拉強度

50、之間不存在比例關(guān)系，提高材料的抗拉強度對提高腐蝕疲勞沒有多大影響，腐蝕的影響較大。,可通過如下途徑提高腐蝕疲勞抗力：選擇在預(yù)定環(huán)境介質(zhì)中耐腐蝕的材料；在腐蝕介質(zhì)中加入緩蝕劑；采用電化學(xué)保護；采用表面涂層提高耐腐蝕性；通過表面強化處理，使零件產(chǎn)生表面殘余壓應(yīng)力等。,,知識窗——材料的性能,1．物理性能　　密度：單位體積的質(zhì)量，ρ＝m/V?！　∪埸c：金屬或合金從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度?！　?dǎo)熱性：金屬材料傳導(dǎo)熱量的性能。通常用熱導(dǎo)率來衡

51、量。　　導(dǎo)電性：金屬材料傳導(dǎo)電流的性能。通常用電阻率來衡量?！　崤蛎浶裕航饘俨牧想S溫度的變化而膨脹或收縮的性能。通常用線膨脹系數(shù)或體膨脹系數(shù)來表示?！　〈判裕航饘俨牧显诖艌鲋惺艿酱呕男阅?。根據(jù)磁化程度不同，金屬材料可分為鐵磁性材料、順磁性材料和抗磁性材料三類。,2．化學(xué)性能　　耐腐蝕性：金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣和其他化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞的性能?！　】寡趸裕航饘俨牧显诩訜釙r抵抗氧化作用的能力?！　』瘜W(xué)穩(wěn)定性：對金屬材料

52、耐蝕性和抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為“熱穩(wěn)定性”。,3．工藝性能　　鑄造性能：材料在鑄造過程中呈現(xiàn)出的工藝性能，包括流動性、收縮性等?！　″懺煨阅埽翰牧显阱憠哼^程中表現(xiàn)出的工藝性能，包括可鍛性、沖壓性、冷鐓性等。　　焊接性能：材料在一定生產(chǎn)條件下接受焊接的能力?！　∏邢骷庸ば裕翰牧夏軌蜻M行切削加工的能力。用切削抗力、刃具磨損等衡量?！　崽幚硇裕翰牧显跓崽幚磉^程中的工藝性能，包括淬透性、回火脆性等。,4．力

53、學(xué)性能除了前面所學(xué)的力學(xué)性能之外，還包括以下常用力學(xué)性能：抗彎強度 ：試樣彎曲至斷裂前所達到的最大彎應(yīng)力?？箟簭姸??：試樣在壓縮破壞過程中承受的最大應(yīng)力。 抗扭強度 ?：試樣在扭斷前承受的最大扭矩。,蠕變：在一定溫度(金屬通常在高溫)下的材料，即使作用的應(yīng)力小于屈服強度，也會隨時間的增長而緩慢地產(chǎn)生塑性變形，這種現(xiàn)象稱為蠕變。蠕變強度用 ?或 ??來表示。 表示一定溫度t下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速率ε的應(yīng)力值；

54、 表示在一定溫度t和規(guī)定時間τ內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變伸長率δ時的最大應(yīng)力值，如 表示在600℃時、10 000 h內(nèi)產(chǎn)生2%變形量的應(yīng)力。,,自 測 習(xí) 題,一、選擇題1．表示金屬材料屈服強度的符號是___________。σeB. σs C.σbD. σ－12．金屬材料在靜載荷作用下，抵抗變形和破壞的能力稱為___________。塑性B. 硬度C. 強度D. 彈性3．在測

55、量薄片工件的硬度時，常用的硬度測試方法的表示符號是___________?！　. HBSB. HRCC. HVD. HBW4．做疲勞試驗時，試樣承受的載荷為___________。A. 靜載荷B. 交變載荷C. 沖擊載荷D. 動載荷,二、填空題　　1．材料的力學(xué)性能通常是指在載荷作用下材料抵抗__________或___________的能力?！　?．金屬塑性的指標(biāo)主要有___________和________

56、___兩種?！　?．金屬的性能包括___________性能、___________性能、___________性能和___________性能。 　　4．常用測定硬度的方法有___________、___________和維氏硬度測試法?！　?．疲勞強度是表示材料經(jīng)___________作用而___________的最大應(yīng)力值。,6．材料的工藝性能包括___________、___________、___________、___

57、________、___________等?！　?．零件的疲勞失效過程可分為___________、___________、___________三個階段。,三、判斷題　　1．拉伸試驗可以測定材料的強度、塑性等性能指標(biāo)，因此材料的力學(xué)性能都可以通過拉伸試驗測定。( )　　2．用布氏硬度測試法測量硬度時，壓頭為鋼球，用符號HBS表示。( )　　3．金屬材料的力學(xué)性能可以理解為金屬材料的失效抗力。( )　　4

58、．材料的斷裂韌度大于材料的應(yīng)力場強度因子的，材料的宏觀裂紋就會擴展而導(dǎo)致材料的斷裂。( ),四、練習(xí)與思考　　1．說明下列符號的意義和單位?！　?1) σe　(2) σs或σ0.2　(3) σb(4) δ　　(5) ψ　　(6) σ－1(7) AK 　　2．在測定強度指標(biāo)時，σ0.2和σs有什么不同？　　3．拉伸試樣的原標(biāo)距長度為50 mm，直徑為10 mm。試驗后，將已斷裂的試樣對接起來測量，標(biāo)距長度為73

59、 mm，頸縮區(qū)的最小直徑為5.1 mm。試求該材料的延伸率和斷面收縮率的值。,精品課件！,精品課件！,4．材料的彈性模量E的工程含義是什么？它和零件的剛度有何關(guān)系？　　5．將6500 N的力施加于直徑為10 mm、屈服強度為520 MPa的鋼棒上，試計算并說明鋼棒是否會產(chǎn)生塑性變形?！　?．塑性指標(biāo)在工程上有哪些實際意義？　　7．下列材料或零件采用什么硬度測試法較合適？(1) 銼刀 (2) 黃銅軸套 (3) 硬質(zhì)合金刀片