第一節(jié)材料承受靜載荷時的力學(xué)性能第二節(jié)材料承受沖擊載荷時的力學(xué)性能第三節(jié)材料的疲勞第四節(jié)材料的斷裂韌性第五節(jié)材料的磨損性能第六節(jié)材料的蠕變性能第三章材料的力學(xué)性能第一節(jié)材料承受靜載荷時的力學(xué)性能

、材料的拉伸曲線二、材料的變形及其性能指標(biāo)

三、材料的斷裂及其性能指標(biāo)

四、材料的彎曲及其性能指

五、材料的硬度、材料的拉伸曲線1：高碳鋼淬火+低溫回火2：退火后低碳低合金結(jié)構(gòu)鋼3：黃銅（中碳結(jié)構(gòu)鋼淬火+中高溫回火）4-：陶瓷、玻璃等脆性材料5：橡膠6：工程塑料二、材料的變形及其性能指標(biāo)（一）材料變形的實(shí)質(zhì)（二）材料變形的性能指標(biāo)1、彈性模量E工程上稱做材料的剛度。它表示材料在外載荷下抵抗彈性變形的能力。主要取決于結(jié)合鍵的本性和原子間的結(jié)合力，而材料的成分和組織對它的影響不大，是一個對組織不敏感的性能指標(biāo)。2、屈服強(qiáng)度上屈服強(qiáng)度ReH、下屈服強(qiáng)度ReL規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度RP

：試樣在加載過程中，標(biāo)距部分的非比例伸長達(dá)到規(guī)定比例(以％表示)的應(yīng)力。例如Rp

0.01。

規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt：試樣標(biāo)距部分的總伸長(彈性伸長加塑性伸長)達(dá)到規(guī)定比例時的應(yīng)力，如Rt0.5。

規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度Rr：試樣在卸載后，其標(biāo)距部分的殘留伸長達(dá)到規(guī)定比例時的應(yīng)力，常用的為Rr0.2

3、抗拉強(qiáng)度Rm4、伸長率A5、斷面收縮率Z三、材料的斷裂（一）斷裂的類型及斷口特征1、韌性斷裂與脆性斷裂韌性斷裂：斷裂前產(chǎn)生明顯塑性變形（Z＞5%）斷口：斷口較平坦，往往呈暗灰色、纖維狀。如：塑性較好的金屬材料和高分子材料。脆性斷裂：斷裂前不產(chǎn)生明顯的塑性變形（Z＜5%）

斷口：一般與正應(yīng)力垂直，宏觀上比較齊平光亮，呈放射狀或結(jié)晶狀。如：淬火鋼、灰鑄鐵、陶瓷、玻璃等脆性材料。72、穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂；沿晶斷裂則多為脆性斷裂，斷口呈結(jié)晶狀，斷裂方式主要是晶界斷裂。

穿晶斷裂與沿晶斷裂示意圖3、剪切斷裂和解理斷裂微孔聚集型斷裂是材料韌性斷裂的普遍方式。其斷口在宏觀上常呈現(xiàn)暗灰色、纖維狀，微觀特征是斷口上分布大量“韌窩”。剪切斷裂：材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面分離而造成的斷裂稱為剪切斷裂。又分為滑斷（純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。斷口微觀特征：解理臺階、河流花樣和舌狀花樣解理斷裂：在正應(yīng)力作用下，沿特定晶面發(fā)生的穿晶斷裂稱為解理斷裂。該晶面稱為解理面。通常是宏觀脆性斷裂。準(zhǔn)解理斷裂：與解理斷裂有些相似，有相同的解理面，也有河流花樣，但形貌上有些不同。斷口形貌常見于淬火回火的高強(qiáng)度鋼或組織為貝氏體的鋼中。表現(xiàn)在：（1）主裂紋的走向不太清晰，主裂紋前方常產(chǎn)生許多二次裂紋，這些二次裂紋彼此連接或與主裂紋相連。（2）在晶粒內(nèi)部有許多撕裂棱。（3）裂紋多萌生于晶粒內(nèi)部。1、彎曲試驗(yàn)測定的力學(xué)性能指標(biāo)對于脆性材料，可根據(jù)彎曲圖計算抗彎強(qiáng)度:式中：Mb

為試樣斷裂時的彎矩，W為試樣抗彎截面系數(shù)。對于直徑為d0

的圓柱試樣對于寬度為b，高度為h的矩形試樣四、材料的彎曲及其性能指標(biāo)材料的塑性用最大彎曲撓度fmax

表示，fmax

值可由百分表或撓度計直接讀出。從彎曲-撓度曲線上還可測算彎曲彈性模量Eb。2、彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用對于難以加工成拉伸試樣的硬脆材料，可用彎曲試驗(yàn)測定斷裂強(qiáng)度，并能顯示出它們的塑性差別。彎曲試驗(yàn)時，試樣截面上的應(yīng)力分布是表面上應(yīng)力最大，故可靈敏地反映材料的表面缺陷。因此，常用來比較和評定材料表面處理層的質(zhì)量，例如檢驗(yàn)滲碳層的質(zhì)量和性能。主要用于測定灰鑄鐵、硬質(zhì)合金、陶瓷等材料的抗彎強(qiáng)度。五、材料的硬度（一）硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)硬度試驗(yàn)方法大體上分為彈性回跳法（如肖氏硬度）、壓入法（如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等）和劃痕法（如莫氏硬度）三類。硬度是材料抵抗局部變形的能力。表征金屬材料軟硬程度的一種性能，優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，操作方便、迅速，同時又能敏感地反映出金屬材料的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的差異。生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是壓入法硬度，如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等。(二)布氏硬度1、原理：FDdHB值的大小取決于壓痕直徑d，d值越大表明金屬材料的變形抗力越低，即硬度越低，反之硬度越高。布氏硬度表示方法：200HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf的載荷下保持30s時測得硬度值為200。符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。根據(jù)壓頭材料不同，兩種符號：HBS（淬火鋼球)、HBW（硬質(zhì)合金球）測量比較軟的材料。如：灰鑄鐵、軸承合金、有色金屬及其合金、鋼件退火、正火和調(diào)質(zhì)狀態(tài)下硬度。測量范圍HBS<450、HBW<650。2、應(yīng)用范圍3.優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：代表性全面，主要用于組織不均勻的鍛鋼和鑄鐵的硬度測試，特別適宜于測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶粒或粗大組成相的金屬材料；試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：對不同材料需要更換壓頭直徑和改變試驗(yàn)力；壓痕直徑的測量也比較麻煩，用于自動檢測受到限制；另外當(dāng)壓痕直徑較大時不宜在成品上進(jìn)行試驗(yàn)，也不宜于薄件試驗(yàn)。(三)洛氏硬度加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值1、原理：k=0.2（金剛石）或0.26（淬火鋼球）0-0為壓頭與試樣不接觸位置；1-1為壓頭受初載P0后壓入試樣深度h0的位置；2-2為加主載P1后壓頭壓入試樣的位置；3-3為去主載荷后壓頭由于試樣彈性變形的恢復(fù)而略提高的位置，此時實(shí)際壓入試樣深度為h1，則壓頭受主載荷而壓入試樣深度為h1-h0。h1-h0的數(shù)值越大，表示試樣越軟，反之越硬。2、應(yīng)用范圍常用于檢測淬火后鋼件的硬度。根據(jù)試樣的硬度，按下表選擇載荷及壓頭。硬度符號壓頭總載荷（kg）常用范圍應(yīng)用舉例HRA金剛石圓錐6070～85碳化物、硬質(zhì)合金、表面淬火鋼等高硬度材料HRBΦ1.588mm鋼球10025～100退火鋼、銅合金等低硬度材料HRC金剛石圓錐15020～67淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等中等硬度材料優(yōu)點(diǎn)：1)因有硬質(zhì)、軟質(zhì)兩種壓頭，故適于各種不同硬質(zhì)材料的檢驗(yàn)，不存在壓頭變形問題；

2)壓痕小，不傷工件表面；

3)操作迅速，立即得出數(shù)據(jù)，生產(chǎn)效率高，適用于大量生產(chǎn)中的成品檢驗(yàn)。缺點(diǎn)：壓痕較小，代表性差；若材料中有偏析及組織不均勻等缺陷，則所測硬度值重復(fù)性差，分散度大；用不同標(biāo)尺測得的硬度值彼此沒有聯(lián)系，不能直接比較。3、優(yōu)缺點(diǎn)(四)維氏硬度其原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗(yàn)力計算硬度值。壓頭為兩相對面間夾角為136°的金剛石四棱錐體。壓頭在試驗(yàn)力F（N）作用下將試樣表面壓出一個四方錐形的壓痕，經(jīng)一定保持時間后卸除試驗(yàn)力，測量壓痕對角線平均長度d，用以計算壓痕面積A，試驗(yàn)力F除以壓痕表面積A即為維氏硬度。因?yàn)閴汉鄢叽巛^小，為了提高測量精度，需要配用顯微放大裝置，這就是顯微維氏硬度（顯微硬度）。優(yōu)點(diǎn)：具有另外兩種試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)而摒棄了它們的缺點(diǎn)（不存在布氏硬度試驗(yàn)時要求試驗(yàn)力F與壓頭直徑D之間所規(guī)定條件的約束，也不存在洛氏硬度試驗(yàn)時不同標(biāo)尺的硬度值無法統(tǒng)一的弊端）；試驗(yàn)力可任意選?。粔汉蹨y量的精度較高，硬度值較為精確。壓痕深度淺，適于測定經(jīng)表面處理零件表面層的硬度或薄件硬度。缺點(diǎn)：硬度值需要通過測量壓痕對角線長度后才能進(jìn)行計算或查表，工作效率比洛氏硬度法低得多。第二節(jié)材料承受沖擊載荷時的力學(xué)性能一、缺口試樣的沖擊試驗(yàn)二、多次沖擊試驗(yàn)（一)缺口效應(yīng)缺口的存在會造成材料的應(yīng)力集中，降低材料的韌性。截面急劇變化均可視作缺口，如機(jī)件的軸肩、螺紋、油孔、倒角、退刀槽及焊縫等。1、應(yīng)力集中集中應(yīng)力的大小決定于缺口的幾何參數(shù)（形狀、深度、角度及根部曲率半徑等）。缺口越尖，集中應(yīng)力越大。應(yīng)力集中系數(shù)Kt=max/max一、缺口試樣的沖擊試驗(yàn)2、造成兩向或三向應(yīng)力yxz、xzyPP3.屈服強(qiáng)度提高、塑性降低——缺口強(qiáng)化（非強(qiáng)化金屬手段）max=z-x=syxz、zxy沖擊試驗(yàn)過程示意圖沖擊試樣(二)沖擊彎曲試驗(yàn)

擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)1、沖擊韌性（沖擊值）定義：金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak）等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。計算公式：

Ak=GH

–Gh

=G（H-h）

沖擊韌度=

AK/FN（公斤力·米/厘米2）式中：AK——沖擊功（試樣斷裂前吸收的能量）；FN

——缺口處截面積

G——擺錘重量（Kg）；H－h(huán)——沖斷試樣前后擺錘的高度差（cm）2、低溫脆性當(dāng)試驗(yàn)溫度低于某一溫度tk時，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊功明顯下降的現(xiàn)象稱為低溫脆性。tk稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。低溫下使用的機(jī)件要求具有更高的韌性和低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。tk影響tk的因素：(1)晶體結(jié)構(gòu)體心立方及某些密排六方金屬表現(xiàn)有低溫脆性。面心立方及大部分密排六方金屬在很寬的溫度范圍內(nèi)沖擊功都很高，基本不存在低溫脆性。（2）成分含碳量：隨含碳量增加，沖擊功上平臺下移，脆性轉(zhuǎn)變溫度向高溫推移，轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間變寬。（3）晶粒尺寸細(xì)化晶粒降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。（4）顯微組織鋼中各種組織按tk由高到低的順序依次為：P→上B→F→下B→回火M脆性斷裂1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂二、多次沖擊試驗(yàn)當(dāng)試樣于破壞前承受的沖擊次數(shù)較少時（500~1000次），試樣斷裂的原因與一次沖擊相同；當(dāng)沖擊次數(shù)N>105時，破壞后具有典型的疲勞斷口，屬于疲勞斷裂，即為沖擊疲勞。為了解決材料多沖斷裂失效問題，應(yīng)對材料進(jìn)行小能量的多次沖擊試驗(yàn)。沖斷次數(shù)沖擊功第三節(jié)疲勞、疲勞現(xiàn)象二、疲勞曲線及疲勞極限三、影響疲勞強(qiáng)度的因素、疲勞現(xiàn)象金屬機(jī)件或構(gòu)件在變動載荷長期作用下，由于累積損傷導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展而引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞。按照應(yīng)力狀態(tài)：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、復(fù)合疲勞按照環(huán)境和接觸情況：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞按照斷裂壽命和應(yīng)力高低：高周疲勞（疲勞斷裂壽命≥105周次）、低周疲勞。

疲勞分類：疲勞的特點(diǎn)（1）疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂。（2）疲勞斷裂是脆性斷裂。（3）疲勞對缺陷（缺口、裂紋和組織缺陷）十分敏感。（4）疲勞斷裂也是裂紋萌生、擴(kuò)展和最終斷裂的過程。在斷口上有疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)。疲勞源往往在表面及缺陷處。疲勞源疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)貝紋線終斷區(qū)裂紋擴(kuò)展方向軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）二、疲勞曲線及疲勞極限疲勞曲線（

-N曲線）：最大應(yīng)力max與斷裂循環(huán)周次N之間的關(guān)系曲線

經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生疲勞斷裂的最大應(yīng)力或規(guī)定某一循環(huán)周次N0（106、107或108）對應(yīng)的應(yīng)力。疲勞極限r(nóng)：疲勞曲線類型：（1）水平部分（2）無水平部分疲勞斷裂條件：

max>rlgNmaxrarN0b疲勞極限與靜強(qiáng)度之間存在較好的對應(yīng)關(guān)系結(jié)構(gòu)鋼-1p=0.23（s+b）-1=0.27（s+b）鑄鐵-1p=0.4b

-1=0.45b

-1p－對稱循環(huán)下拉壓疲勞極限-1

－對稱循環(huán)下旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限r(nóng)=-1對稱循環(huán)應(yīng)力r=0脈動循環(huán)應(yīng)力r=1靜應(yīng)力三、影響疲勞強(qiáng)度的因素材料和機(jī)件的疲勞強(qiáng)度不僅與材料成分、組織結(jié)構(gòu)及夾雜物有關(guān)，而且還受載荷條件、工作環(huán)境及表面處理條件的影響。應(yīng)力集中如缺口；表面粗糙度表面粗糙度越低，疲勞極限越高。2.殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響1.表面狀態(tài)影響

殘余壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度，殘余拉應(yīng)力則降低疲勞強(qiáng)度。3、材料成分及組織的影響

合金成分：碳是影響結(jié)構(gòu)鋼疲勞強(qiáng)度的主要元素。合金元素對鋼的疲勞極限沒有明顯影響，其在鋼中主要是通過提高鋼的淬透性和改善鋼的組織來影響疲勞強(qiáng)度。固溶于奧氏體的合金元素能提高鋼的淬透性，因而可以提高疲勞強(qiáng)度。顯微組織：用細(xì)化晶粒的方法，可以提高材料的疲勞強(qiáng)度。非金屬夾雜物和冶金缺陷：減少夾雜物的數(shù)量及尺寸都能有效地提高疲勞強(qiáng)度。第四節(jié)材料的斷裂韌性應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強(qiáng)度的指標(biāo)。一個有裂紋的機(jī)件（試樣）上的拉力逐漸加大，或裂紋逐漸擴(kuò)展時，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ(表示應(yīng)力場的強(qiáng)弱程度）也隨之逐漸增大，當(dāng)KⅠ達(dá)到臨界值時，機(jī)件中的裂紋將產(chǎn)生突然的失穩(wěn)擴(kuò)張，這個應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ的臨界值，稱為臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，也就是材料的斷裂韌性。KⅠc反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展即抵抗脆性斷裂的能力，是材料的一個力學(xué)性能指標(biāo)。它和裂紋本身的大小、形狀及外加應(yīng)力大小無關(guān)。是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關(guān)。

斷裂韌性KⅠc

：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。C為斷裂應(yīng)力，aC為臨界裂紋半長，單位為斷裂判據(jù)：

KⅠ≥KⅠC影響斷裂韌性的因素化學(xué)成分提高韌性的元素可提高斷裂韌性。晶粒尺寸細(xì)化晶粒是提高低、中強(qiáng)度鋼低溫斷裂韌性的有效措施之一。雜質(zhì)及第二相脆性第二相的存在降低斷裂韌性。溫度和加載速度隨著溫度降低，斷裂韌性有一急劇降低的溫度范圍。應(yīng)變速率的影響和溫度的影響相似。增加應(yīng)變速率和降低溫度的影響是一致的。

第五節(jié)材料的磨損性能、摩擦磨損現(xiàn)象二、磨損分類三、提高耐磨性的途徑、摩擦磨損現(xiàn)象表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑，造成表面損傷的現(xiàn)象。磨損：磨損是產(chǎn)生振動、噪聲、機(jī)械效率降低（阻力大）、機(jī)件斷裂的主要原因。摩擦：指兩個相互接觸的物體發(fā)生相對運(yùn)動（或具有相對運(yùn)動的趨勢）時，在接觸面間產(chǎn)生切向運(yùn)動阻力的現(xiàn)象。該阻力稱為摩擦力。雙列圓錐滾子軸承內(nèi)圈微振磨損

向心推力球軸承內(nèi)圈微振磨損

機(jī)件正常運(yùn)行的磨損過程一般分為三個階段：1、跑合階段（磨合階段）。2、穩(wěn)定磨損階段（正常工作階段）通常根據(jù)該階段評定材料的耐磨性能3、劇烈磨損階段。磨損量時間磨合穩(wěn)定磨損劇烈磨損二、磨損分類粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、接觸疲勞磨損可分為：1、粘著磨損（咬合磨損）在滑動摩擦條件下，當(dāng)摩擦副相對滑動較小時發(fā)生。因?yàn)槿狈櫥停Σ帘砻鏌o氧化膜，且單位法向載荷很大，以至接觸應(yīng)力超過實(shí)際接觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的一種磨損。磨損速度大，破壞嚴(yán)重。塑性區(qū)粘著轉(zhuǎn)移，有可能形成磨屑局部粘合粘著→剪斷→轉(zhuǎn)移→再粘著粘著磨損體積為：式中：——系數(shù)

K——磨屑形成幾率

F——表面上的法向力

l——磨損距離

H——材料硬度（軟方材料的硬度）粘著磨損磨痕2、磨粒磨損

磨粒磨損是當(dāng)摩擦副一方表面存在堅硬的細(xì)微凸起，或者在接觸面之間存在硬質(zhì)粒子時所產(chǎn)生的磨損。F切削掉的體積磨粒磨損示意圖顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖——典型的磨粒磨損白色塊狀為WC質(zhì)點(diǎn)磨粒磨損表面形貌3、腐蝕磨損

在摩擦過程中，摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的形成和脫落引起腐蝕磨損。腐蝕磨損包括各類機(jī)械中普遍存在的氧化磨損；在機(jī)械零件嵌合部位出現(xiàn)的微動磨損；在水利機(jī)械中出現(xiàn)的沖蝕磨損；在化工機(jī)械中因特殊腐蝕氣氛而產(chǎn)生的特殊介質(zhì)腐蝕磨損等。在機(jī)器的嵌合部位（如齒輪與軸、軸承與軸）和緊配合處，接觸表面雖然沒有宏觀相對位移，但在外部變動載荷或振動的影響下，卻能產(chǎn)生微小滑動。此時表面上產(chǎn)生大量的微小氧化物磨損粉末，由此造成的磨損稱為微動磨損。微動磨損最終導(dǎo)致疲勞斷裂。微動磨損——接觸表面之間因存在小振幅相對振動而產(chǎn)生的磨損。微動磨損發(fā)生處4、接觸疲勞

接觸疲勞是機(jī)件兩個接觸面作滾動或滾動加滑動摩擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力長期作用下，材料表面因疲勞損傷，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落而使材料損失的現(xiàn)象。例如：滾動軸承、齒輪常常因接觸疲勞而失效。接觸疲勞破壞分麻點(diǎn)剝落（點(diǎn)蝕）、淺層剝落和深層剝落（表面壓碎）表面疲勞源接觸疲勞的表面形貌表面淬火齒輪沿過渡區(qū)深層剝落深層剝落坑