13 材料性能研究中的其他问题

标准试样：两端简支的弯曲试样，分为U形切槽试样与V形切 槽试样。
切槽越尖锐，应力集中程度就越高，也就越能反映出材料阻 止裂纹扩展的能力。 V形切槽试样测定冲击韧度更可靠。
20
13.2 材料在动荷载作用下的力学性能
对U形切槽试样，用冲击韧度表征材料在冲击荷载下力学性能
W ακ = A
α κ 为冲击韧度，单位为J/mm2
(a) 对称循环
σ 上图(a)为转动的车轴中截面边缘上的点的应力， max 和 σ min 大 小相等，方向相反，此时
r = −1, σ m = 0, σ a = σ max
σ max = σ m + σ a , σ min = σ m − σ a
8
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限
(b) 脉动循环 应力循环中的，表示交变应力变动于某一应力与零之间，这种 情况称为脉动循环。 循环特征： 应力幅： 平均应力：
24
13.3 材料在长期荷载作用下的蠕变现象
1. 蠕变的概念 材料在名义应力不变、超过一定温度的高温下，塑性变 形随着时间的增长而不断发展，这种现象称为蠕变。 2. 蠕变曲线的四个阶段 AB：不稳定阶段 BC：稳定阶段 CD：加速阶段 DE：破坏阶段
25
13.3 材料在长期荷载作用下的蠕变现象
3. 蠕变的影响因素
2.材料在对称与非对称循环交变应力下的耐劳极限 2.材料在对称与非对称循环交变应力下的耐劳极限
（1）材料在对称循环下的耐劳极限 疲劳试验： 疲劳试验：
12
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限
试验表明，当应力降到某一极限时，循环次数N可无限增大， 即试样可以经历无限次循环而不发生疲劳破坏，交变应力下的 这一极限称为耐劳极限，记为 σ r ，下标r表示循环特征。 与耐劳极限对应的循环次数称为循环基数。
(1) 工作温度 构件工作温度越高，蠕变速率越大。
温度超过某一界限值后，发生明显的蠕变 变形，这一温度的界限值称为蠕变临界温 度，其通常约为材料熔点的一半。
(2) 应力水平 应力水平越高，蠕变越大。
4. 应力松弛
当构件发生蠕变时，若保持应变不变，则构件中的应力会随着 蠕变的发展而逐渐减小，这种现象称为应力松弛。
r = +1, σ m = σ max , σ a = 0
表明与静载对应的点都在横轴上。 对于脉动循环，
r = 0, tan α = 1
表明与脉动循环对应的点都在 α = 45 o 的射线上。
16
13.2 材料在动荷载作用下的力学性能 1.应变速率及应力速率对材料力学性能的影响 1.应变速率及应力速率对材料力学性能的影响
耐劳极限曲线
15
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限
σ 对于循环特征r，已知最大应力和最小应力， min = rσ max ， 则
1 1 σ a = (σ max − rσ max ), σ m = (σ max + rσ max ) 2 2
对于对称循环，r = −1, σ m = 0, σ a = σ max 表明与对称循环对应的点都在纵轴上。 对于静载，
13 一个循环基数对应的最大应力作为这类材料的条件持久极限。
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限
（2）非对称循环下的耐劳极限
不同循环特征的S-N曲线
14
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限
σ a σ max − σ min 1 − r tan α = = = σ m σ max + σ min 1 + r
H = sin ωt
以σ max 和 min 分别表示循环中的最大和最小应力，比值 σ 应力谱
σ min r = σ max
称为交变应力的循环特征，平均应力 σ m
σm =
1 (σ max + σ min ) 2
7
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限
应力幅 σ a
σa =
1 (σ max − σ min ) 2
衡量材料在冲击荷载下力学性能好坏的指标： 冲击功、冲击韧度。 材料破坏时冲击力所做的功W，称为材料的冲击功； 每单位断口面积冲击力所做的功，称为材料的冲击韧度。
18
13.2 材料在动荷载作用下的力学性能
冲击试验:
结论：塑性材料的抗冲击能力远高于脆性材料。
19
13.2 材料在动荷载作用下的力学性能
10
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限
（3）耐劳极限
试样疲劳破坏所经历的应力循环次数，称为材料的疲劳 寿命。 降低交变应力中的最大应力，疲劳寿命将会提高，当最 大应力降低到某一值时，试样可经历任意多次应力循环 σ max 而不发生疲劳破坏，相应的最大应力值 称为材料的 疲劳极限
11
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限
W ακ = A
27
3. 蠕变与松弛 在名义应力较高且恒定的情况下， 在名义应力较高且恒定的情况下，蠕变变形随 时间而增加， 时间而增加，真应力不断增加到极限应力而发生 破坏。 破坏。 在保持应变不变的情况下， 在保持应变不变的情况下，蠕变变形逐渐代替 构件初始的弹性变形，从而其应力不断减小， 构件初始的弹性变形，从而其应力不断减小，达 不到规定的应力水平，即产生应力松弛。 不到规定的应力水平，即产生应力松弛。
26
小结
材料在交变应力作用下会发生疲劳破坏， 1. 材料在交变应力作用下会发生疲劳破坏，材料发 生疲劳破坏的应力低于静荷载作用下的极限应力。 生疲劳破坏的应力低于静荷载作用下的极限应力。 耐劳极限与构件的外形或应力集中程度、构件尺寸、 耐劳极限与构件的外形或应力集中程度、构件尺寸、 构件表面质量和腐蚀性环境等因素有关。 构件表面质量和腐蚀性环境等因素有关。 材料在动荷载作用下力学性能有所改变， 2. 材料在动荷载作用下力学性能有所改变，当应变 速率大于3mm/mm/s 3mm/mm/s后 塑性性能降低， 速率大于3mm/mm/s后，塑性性能降低，而在冲击荷 载作用下塑性性能下降得更明显。 载作用下塑性性能下降得更明显。 冲击韧度
(a) 疲劳破坏断面照片
(b) 疲劳破坏断面分区示意图 5
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限
疲劳破坏的机理分析： (1)疲劳裂纹源的形成； (2)疲劳裂纹扩展的过程； (2)最后的断裂。
疲劳裂纹形成过程
6
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限
（2）交变应力的基本参量、耐劳极限的概念 交变应力的基本参量、
28
r = 0,
1 σ a = σ max , 2 1 σ m = σ max 2
9
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限
在静应力下，各点处的应力保持恒定，即 σ max = σ min ，该特殊 情况下 循环特征： 应力幅： 平均应力：
r = 1,
σ a Байду номын сангаас 0, σ m = σ max = σ min
(3) 冲击韧度随温度的降低而减小。
22
13.2 材料在动荷载作用下的力学性能
随着温度的降低，在某一狭窄的 温度区间内，α κ 的数值骤然下降， 材料变脆，这就是冷脆现象。
使冲击韧度骤然下降的温度为转 变温度。
23
13.2 材料在动荷载作用下的力学性能
确定转变温度的标准： （1）由V形切槽试样断口外观分析确定。 呈晶粒状的断口部分，此为脆性断口； 呈纤维状的断口部分，此为塑性断口。 一般把晶粒断口面积占整个断面面积50%时的温度，规定为转 变温度，记为FATT。 （2） 用U形切槽试样的 值来确定。 ακ 以一组试样中的最大α κ值的40%或最大与最小α κ值的算 术平均值所对应的温度作为转变温度。
& 使构件的应变速率ε 超过3mm/mm/s的荷载，通常称为动 荷载。
ε 应变速率 &超过3mm/mm/s后，低碳钢的屈服阶段就变得不 17 明显，同时其强度极限也有所提高。
13.2 材料在动荷载作用下的力学性能
2.冲击荷载作用下材料的力学性能 2.冲击荷载作用下材料的力学性能 冲击韧度、 冲击韧度、转变温度
13 材料性能研究中的 其他问题
1
13
材料性能研究中的其他问题
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限 13.2 材料在动荷载作用下的力学性能 13.3 材料在长期荷载作用下的蠕变现象
2
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限 1.材料的疲劳破坏与耐劳极限的概念 1.材料的疲劳破坏与耐劳极限的概念
（1）金属材料的疲劳破坏 随时间作交替变化的应力，统称为交变应力。
如桥梁或吊车梁在活荷载作用下，构件应力随时间而 交替变化；旋转的车轴横截面上除轴心外任一点的位 置随时间而交替变化。
3 7-2
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限
金属材料长期处于交变应力下，在最大工作应力远低于材 料的屈服强度，且不产生明显的塑性变形情形下，也有可 能发生突然的断裂，这种破坏，习惯上称为疲劳破坏。
对V形切槽试样，用冲击功W表征材料在冲击荷载下力学性能。
21
13.2 材料在动荷载作用下的力学性能
温度对材料力学性能的影响： (1) 在室温下的塑性材料的塑性指标随温度降低而减小，直至 转化为脆性材料；随温度的增加，塑性指标则显著增大； (2) 屈服极限和强度极限随温度的降低而增大，随温度的增高 而减小；
(a)气门弹簧疲劳破坏断面
(b)钢轨疲劳破坏断面
4
13.1 材料的疲劳破坏与耐劳极限
疲劳破坏的特征： (1) 构件内的最大工作应力远低于静荷载下材料的极限应力； (2) 即使是塑性较好的材料，疲劳破坏也是在完全没有明显塑性 变形的情况下突然发生的； (3) 疲劳破坏的断口表面呈现两个截然不同的区域，其一是光滑 区，另一是晶粒状的粗糙区；