第二章 动载荷下材料的力学性能11
材料的力学行为和性能
四、 断裂韧性
（一）、低应力脆断 材料抵抗裂纹扩展断裂的能力叫断裂韧性。机械 零件的传统强度设计为σ <[σ ]=σ 0.2/n(n为安全 系数),一般认为用此式设计的零件是安全的,不会 产生塑性变形，更不会断裂。但是，有些高强钢 制造的零件或大型焊接构件如桥梁、船舶等，有 时会在工作应力远低于材料屈服强度甚至低于许 用应力的条件下突然发生脆性断裂，这种工作应 力远低于材料屈服强度的断裂叫低应力脆断。
S0
ψ=
S0 - S k × 100% S0
L k– L 0
δ = × 100%
L0
δ < 2 ~ 5% 属脆性材料，δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料，δ > 10% 属塑性材料 其断口特征如图所示。
（二）硬度
是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。 1. 布什硬度（HBW）
F 2F HBW S D（D D 2 d 2）
（二）、断裂韧度 裂纹扩展的基本形式
a) 张开型
b) 滑开型
c) 撕开型
应力场强度因子Ｋ1 裂纹尖端产生应力集中形成应力场，衡量裂纹尖端附近 应力场强弱程度的力学参量称为应力场强度因子，用KⅠ 表示。其表达式为：
K1 Y a
式中：a为裂纹尺寸。 断裂韧度KⅠC 裂纹扩展时的临界应力场强度因子值称为材料的断裂韧度， 用KⅠC表示，单位为MPa· m1/2。其为材料抵抗裂纹扩展 断裂的能力大小的表现，为材料的固有属性，与材料的成 分、组织、热处理以及加工工艺有关，与裂纹的大小、形 状、外加应力等无关。
K1C c Y a
1.2.1 金属材料的工艺性能
一.铸造性能
材料力学性能
材料力学性能材料力学性能是指材料在外力作用下所表现出的力学特性，包括材料的强度、韧性、硬度、塑性等。
这些性能直接影响着材料在工程领域的应用，因此对材料力学性能的研究和评价显得尤为重要。
首先，强度是材料力学性能中的重要指标之一。
材料的强度是指材料抵抗外力破坏的能力，通常用抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等来表示。
不同材料的强度差异很大，例如金属材料的强度通常较高，而塑料和橡胶等材料的强度相对较低。
材料的强度直接影响着材料在工程中的承载能力和使用寿命。
其次，韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。
韧性高的材料在受到外力作用时能够延展变形而不易断裂，这对于一些需要承受冲击或振动载荷的工程结构来说尤为重要。
例如，航空航天领域对材料的韧性要求较高，以确保飞行器在受到外部冲击时能够保持结构完整。
此外，硬度是材料力学性能中的重要参数之一。
材料的硬度是指材料抵抗划痕和压痕的能力，通常用洛氏硬度、巴氏硬度等来表示。
硬度高的材料通常具有较好的耐磨性和耐腐蚀性，适用于一些对材料表面要求较高的工程领域，例如汽车制造、船舶建造等。
最后，塑性是材料力学性能中的重要特性之一。
材料的塑性是指材料在受到外力作用时能够发生塑性变形而不断裂，这对于一些需要进行成形加工的工程材料来说尤为重要。
例如，金属材料的塑性使其能够通过锻造、轧制等工艺进行成形，从而制备出各种复杂的零部件。
综上所述，材料力学性能是材料工程领域中的重要研究内容，不同的材料力学性能对材料的应用具有重要的影响。
因此，对材料力学性能的研究和评价具有重要的意义，可以为工程领域的材料选择和设计提供重要的参考依据。
材料力学性能-第2版课后习题答案
第一章 单向静拉伸力学性能1、 解释下列名词。
1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形,卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面.6．塑性:金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性)变形的能力。
韧性:指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b 的台阶.8。
河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时，便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂,因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内,可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂.沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂.11。
韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时,可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。
弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等2、 说明下列力学性能指标的意义。
答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 【P15】3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标?答：主要决定于原子本性和晶格类型。
材料性能学课程教学大纲
《材料性能学》课程教学大纲课程名称（英文）：材料性能学（Properties of Materials）课程类型：学科基础课总学时： 72 理论学时： 60 实验（或上机）学时： 12学分：4.5适用对象：金属材料工程一、课程的性质、目的和任务本课程为金属材料工程专业的一门专业基础课，内容包括材料的力学性能和物理性能两大部分。
力学性能以金属材料为主，系统介绍材料的静载拉伸力学性能；其它载荷下的力学性能，包括扭转、弯曲、压缩、缺口、冲击及硬度等；断裂韧性；变动载荷下、环境条件下、高温条件下的力学性能；摩擦、磨损性能以及其它先进材料的力学性能等。
物理性能概括介绍常用物理性能如热学、电学、磁学等的基本参数及物理本质，各种影响因素，测试方法及应用。
通过本课程的学习，使学生掌握材料各种主要性能指标的宏观规律、物理本质及工程意义，了解影响材料性能的主要因素，了解材料性能测试的原理、方法和相关仪器设备，基本掌握改善或提高材料性能指标、充分发挥材料潜能的主要途径，初步具备合理的选材和设计，开发新型材料所必备的基础知识和基本技能。
在学习本课程之前，学生应学完物理化学、材料力学、材料科学基础、钢的热处理等课程。
二、课程基本要求根据课程的性质与任务，对本课程提出下列基本要求：1．要求学生在学习过程中打通与前期材料力学、材料科学基础等课程的联系，并注重建立与同期和后续其它专业课程之间联系以及在生产实际中的应用。
2．能够从各种机器零件最常见的服役条件和失效现象出发，了解不同失效现象的微观机理，掌握工程材料（金属材料为主）各种力学性能指标的宏观规律、物理本质、工程意义和测试方法，明确它们之间的相互关系，并能大致分析出各种内外因素对性能指标的影响。
3．掌握工程材料常用物理性能的基本概念及影响各种物性的因素，熟悉其测试方法及其分析方法，初步具备有合理选择物性分析方法，设计其实验方案的能力。
三、课程内容及学时分配总学时72，课堂教学60学时，实验12学时。
动载荷下材料的力学性能
2. 按断口形貌定义tk的方法
冲击试样冲断后，断口形貌见下图：
试验表明，在不同试验温度下， 纤维区、放射区与剪切唇三者 之间的相对面积（或线尺寸） 是不同的。
温度下降，纤维区面积突然减 少，结晶区面积突然增加，材 料由韧变脆。
通常取结晶区面积占整个断口 面积的50%时的温度为tk，记 为50%FATT或FATT50、t50。
落锤试验机实物图
TLC-300落锤冲击试验机适用于 热塑性塑料管材、管件和硬质塑 料板材的耐冲击试验。
最大冲击能量 300J 最大冲击高度 2m 标尺误差 ±１％ 落锤组合质量 最大组合质量15KG ±
0.1% 冲头规格： A R=10mm
B R=20m
C R= 5mm
BB R=30mm 冲击中心与夹具中心偏差不大于2mm 电动提升机构 最大提升力20kgf 牵引电磁铁最大吸力不小于20kgf 管材V型托板 200×300×25mm3 试样尺寸 直径20-400mm
三、缺口试样静弯曲试验
由于缺口和弯曲所引起的应力不均匀性叠加，使试样缺口弯曲的 应力应变分布的不均匀性较缺口拉伸时更厉害，但应力应变的多 向性则减少。
2.2 冲击韧性
冲击韧性的定义：
指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和 断裂功的能力，用标准试样的冲击吸收功Ak 表示。
意义：评定材料承受冲击载荷的能力 揭示材料在冲击载荷下的力学行为
所以碳含量正好为0.77%的钢叫做共析钢，它的组织结构 是珠光体。
1912年当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没 于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。
1985年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出 遗物。1995年2月美国《科学大众》（Popular Science）杂志发表了R Gannon 的文章，标题是『What Really Sank The Titanic』,付标题是 “为什么‘不会沉没的’船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的 科学研究回答了80年未解之谜“。
工程材料力学性能
TEM微观形貌（疲劳辉纹）， 显示疲劳断口光亮区裂纹缓 慢扩展过程
疲劳断裂实例
硬度
硬度——衡量材料软硬程度的性能指标，分压入法和刻划法两类 压入法硬度表征材料弹性、微量塑性变形抗力及形变强化能力等，常用的有布氏 硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）。 数值
HB P 0.204P F D ( D D 2 d 2 )
e de dl l ln ln(1 ) l0 l l0
l
S Ke n
其中，S为真应力，e为真应变，K为常数，n——形变强 化指数。 一些金属材料的形变强化指数 材料 n Al ~0.15 -Fe ~ 0.2 Cu ~ 0.30 18-8不锈钢 ~ 0.45
金属压力加工
硬度测试的优点：
制样简单，设备便宜；
基本上是非破坏性； 可大致预测其它一些力学性能。
冲击韧性
冲击韧性——表征材料抵抗冲击载荷的能力。 指标：冲击韧性（冲击值）KU（ KV ）
mg (h h) KU ( KV ) J/cm2 A • 冲击试验标准试样： • U型缺口（梅氏试样） • V型缺口（夏氏试样）
670℃加热（完全再结晶）
750℃加热（晶粒长大）
屈服强度——条件屈服强度
屈服强度s——材料开始产生塑性变形时的应力
条件屈服强度s：
产生0.2%残余变形
时的应力值
屈服强度
s
低碳钢的拉伸应力-应变曲线 以下屈服点的屈服应力为屈服强度
抗拉强度、断裂强度
抗拉强度（强度极限，UTS）
b——试样断裂前承受的最
c s cos cos
c称为晶体的临界分切应力，其数值取决于材料的本性、温
工程材料力学性能 第三版课后题答案(束德林)
工程材料力学性能课后题答案第三版（束德林）第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
（1）弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
（2）滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
（3）循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
（4）包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
（5）解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
（6）塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
脆性：指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。
韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
（7）解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶。
（8）河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
（9）解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
（10）穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。
（11）韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变。
2、说明下列力学性能指标的意义。
答：（1）E（G）分别为拉伸杨氏模量和切边模量，统称为弹性模量表示产生100％弹性变所需的应力。
σ规定残余伸长应力，试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。
（2）rσ名义屈服强度（点），对没有明显屈服阶段的塑性材料通常以产生0.2％的塑性形变对应的应力作为屈2.0服强度或屈服极限。
材料的力学性能
材料的力学性能mechanical properties of materials主要是指材料的宏观性能，如弹性性能、塑性性能、硬度、抗冲击性能等。
它们是设计各种工程结构时选用材料的主要依据。
各种工程材料的力学性能是按照有关标准规定的方法和程序，用相应的试验设备和仪器测出的。
表征材料力学性能的各种参量同材料的化学组成、晶体点阵、晶粒大小、外力特性（静力、动力、冲击力等）、温度、加工方式等一系列内、外因素有关。
材料的各种力学性能分述如下：弹性性能材料在外力作用下发生变形，如果外力不超过某个限度，在外力卸除后恢复原状。
材料的这种性能称为弹性。
外力卸除后即可消失的变形，称为弹性变形。
表示材料在静载荷、常温下弹性性能的一些主要参量可以通过拉伸试验进行测定。
拉伸试样常制成圆截面(图1之a)或矩形截面(图1之b)棒体,l为标距,d为圆形试样的直径,h和t分别为矩形截面试样的宽度和厚度,图中截面形状用阴影表示,面积记为A。
长度和横向尺寸的比例关系也有如下规定：对于圆形截面试样,规定l=10d或l=5d；对于矩形截面试样,按照面积换算规定或者。
试样两端的粗大部分用以和材料试验机的夹头相连接。
试验结果通常绘制成拉伸图或应力－应变图。
图2为低碳钢的拉伸图,横坐标表示试样的伸长量Δl(或应变ε=Δl/l)，纵坐标表示载荷P（或应力ζ＝P/A）。
图中的曲线从原点到点p为直线，pe段为曲线，载荷不大于点e所对应的值时,卸载后试样可恢复原状。
反映材料弹性性质的参量有比例极限、弹性极限、弹性模量、剪切弹性模量和泊松比等。
比例极限应力和应变成正比例关系的最大应力称为比例极限，即图中点p所对应的应力,以ζp表示。
在应力低于ζp的情况下，应力和应变保持正比例关系的规律叫胡克定律。
载荷超过点p对应的值后,拉伸曲线开始偏离直线。
弹性极限试样卸载后能恢复原状的最大应力称为弹性极限，即图中点e所对应的应力,以ζe表示。
若在应力超出ζe后卸载，试样中将出现残余变形。
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材料韧断评价方法
材料的力学性能与材料本身的性质有关 韧性材料、脆性材料
韧、脆的相对性
韧脆影响因素： （1）温度的影响 （1）应力状态的影响 （1）变形速度的影响
（低温脆性） （三向拉应力状态） （冲击韧断）
韧脆性评价方法：材料的缺口冲击弯曲实验，材料的冲击韧性
材料低温脆性事故举例
③冲击韧性反映着材料对一次和少数次大能量冲击断裂的抗 力，因而对某些在特殊条件下服役的零件，如弹壳、防弹甲 板等，具有参考价值。
④评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性。
第三节 低温脆性
一、低温脆性现象 1、定义
当温度低于某一温度时，材料由韧性状 态转变为脆性状态，冲击值明显下降，这 种随温度降低，材料的韧性状态转变为脆 性状态的现象称为低温脆性。
• 切口强度对抗拉强度的比值定义为切口强 度比（缺口敏感度），NSR = σbN／σb
• 若NSR＞1.0，表示材料对切口不敏感， 或者说 材料是切口韧性的；
• 若NSR＜1.0，则材料对切口敏感，材料 是切口脆性的。
3、 缺口偏斜拉伸试验
4、缺口静弯试验
三、 切口根部裂纹形成准则
切口零构件或试件的断裂可能包含三个阶段：在切口根部 形成裂纹，形成于切口根部裂纹的亚临界扩展，当裂纹达 到临界尺寸时发生断裂。裂纹在切口根部形成，可以假定 是由切口根部材料元的断裂引起的，如下图所示。
（1）泰坦尼克号的沉没事故 （2）Liberty ship/Victory ship 美国在
Wold Wor Ⅱ建造的约1万吨级的运输船 （welded liberty ship） （3）T-2 Tankers美国在Wold Wor Ⅱ的油 槽船冬天突然断裂。
第一节 缺口效应
• 生产上绝大多数机件或构件都是含有缺口 的，如键槽、油孔 、台阶、螺纹等,必须考 虑缺口对材料的性能影响。
事故举例
事故举例
冷脆现象的三种类型
图 冷脆现象的三种类型
材料两个强度指标的变化
低温脆性是材料屈 服强度随着温度的降 低急剧增加的结果。 见右图，屈服点随 着温度的下降而升高， 但材料的断裂强度随 着温度的变化很小。 两线的交点对应的 温度就是tK。
缺口对冷脆转变温度的影响
二、韧脆转化温度及落锤试验
(3) 高阶能与低阶能的平均值所对应的温度定义为韧脆 转 化 温 度 ， 记 为 FTE(Fracture Transition Elastic)．
2）按断口形貌定义tk的方法
冲击试样冲断后，断口形貌见下图：
试验表明，在不同的试验 温度下，纤维区、放射区与 剪切唇三者之间的相对面积 （或线尺寸）是不同的。 温度下降，纤维区面积突 然减少，结晶区面积突然增 加，材料由韧变脆。
影响冲击性能的微观因素
✓位错运动的速率提高，滑移临界切应力增加，材 料的冲击韧性提高。 ✓同时开动的位错源增加，屈服强度提高的较多。 ✓内部的塑性变形不均匀。
二、冲击韧性实验
2、冲击实验原理
3、缺口实验试样
4、切口冲击韧性用途
①评定原材料的冶金质量和热加工后的半成品质量，通过测 定冲击韧性和断口分析，可揭示原材料中夹渣、气泡、偏析、 严重分层等冶金缺陷和过热、过烧、回火脆性等锻造以及热 处理缺陷等； ②确定结构钢的冷脆倾向及韧脆转变温度；
图 零件中的切口根部塑性区（1）和虚拟的材料元（2）
缺口试样的力学行为
缺口试样的断口特征
第二节 冲击韧性
冲击韧性的定义 指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断 裂功的能力，用标准试样的冲击吸收功表示。 意义：评价材料承受冲击载荷的能力 揭示材料在冲击载荷下的力学行为
冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度 （幅度和频率）
1、冷脆转变温度
研究低温脆性的主要问题是确定韧脆-转化温度。 实验方法介绍：将试件冷却到不同的温度测定冲击功
AK，得到断口形貌特征与温度的关系曲 线，然后按一定的方法确定韧脆转化温度。
1）按能量定义tk的方法
当低于某一温度，材料吸 收的冲击能量基本不随温度 变化，形成一个平台，该能 量称为“低阶能”。 当高于某一温度时，材料 吸收的冲击能量基本不变， 出现一个上平台，称为“高 阶能”。
冲击载荷下的应力-应变曲线
• P36ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2.6
冲击失效的特点
➢与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。 ➢吸收的冲击能测不准。
时间短；机件；与机件连接物体的刚度。 通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，再按 能量守恒法计算。 ➢材料的弹性行为及弹性模量对应变速率无影响。 因为弹性变形的速率4928m/s，普通摆锤冲击实验的绝 对变形速率5-5.5m/s。
能量法确定冷脆温度有下列几种
(1) 将低阶能开始上升的温度定义为韧-脆转化温度， 记为NDT称为零塑性温度。在NDT以下，试件的断 口为100％的结晶状断。
(2) 将高阶能开始降低的温度定义为韧-脆转化温度。 记为FTP ( Fracture Transition Plastic)。当温度 高于FTP，试件的断口为100％的纤维状断口。
一、缺口试样的应力分布
1、缺口试样在弹性状态下的应力分布
缺口的应力集中
缺口的效应
(1)产生应力集中； (2)引起三向应力状态， 使材料脆化； (3)由应力集中带来应 变集中； (4)使缺口附近的应变 速率增高。
2、缺口试样在塑性状态下的应力分布
二、缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸
1、缺口试样
2、缺口敏感度
通常取结晶区面积占整个 断口面积的50%时的温度tk, 记为50%FATT或FATT50、 t50。
冷脆温度的应用
韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计、保证机件服役安 全，但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺 寸。 机件的最低使用温度必须高于tk，两者相差越大越安 全，所以选用的材料必须应该具有一定的韧性温度储备， 也就是说具有一定的温差。
冷脆温度的应用
同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素的变化 （如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率），tk也要变化。
所以，在一定条件下用试样测得的tk，由于和实际结构工 况之间无直接联系，所有不能说明该材料制成的机件一定 在该温度下脆断。