裂纹沿裂纹面扯开 扩展

发表时间:2019-10-22

第一章 材料的力学行为和机能1_中职中专_职业教育_教育专区。第一章 材料的力学行为和机能1

从编:杨慧智 出书社:机械工业出书社 出书日期:2011年8月第三版 绪论 制备 材料 科学 材料理 论根本 常见工 程材料 材料基 本成形 工艺 第12 章机 械零 件用 材料 及成 形工 艺的 选择 第一章 材料的力学行为取机能 院系:机械工程学院 从讲人:张玉碧 联系体例: 邮箱: 第一章 材料的力学行为和机能 ? 本章沉点: 材料的强度、硬度、塑性、韧性等静态力学机能的根基 概念及使用。 ? 本章难点: 低应力脆断和材料的断裂韧性。 ? 进修方针: 熟悉常用力学机能目标的测试方式,控制材料力学机能 的暗示方式及其使用。 次要内容 第一节 正在载荷感化下的力学行为 第二节 材料的静态力学机能 第三节 材料的动态力学机能 第四节 断裂韧性 第五节 材料的高、低温机能 第一节 材料正在载荷感化下的力学行为 一、弹性变形、塑性变形和断裂 材料正在载荷感化下的行为,称之为力学行为。 (1)弹性变形:去除外力,物体发生变形消逝, 答复原状的变形。 (2)塑性变形:不克不及完全消逝而一部门保留,进 入塑性变形阶段。 (3)断裂:塑性变形发生的裂纹进一步扩展导致 断裂。 韧性断裂和脆性断裂 二、服役前提和应力和应变 1、服役前提:指零件正在工做 过程中承受的温度、介质、 加载速度和载荷感化体例。 材料的高、低温机能,电场、 、辐射机能。 二、服役前提和应力和应变 应力:单元面积上所受的力。 应变:单元长度的伸长量。 第二节 材料的静态力学机能 一、拉伸试验及材料的强度取塑性 左图为拉伸试验机 下图为拉伸试验过 程中试样的变形及 断裂。 由上图可知:正在拉伸载荷感化下,试样的变形 分为三个阶段:弹性变形阶段;塑性变形阶段; 断裂阶段。正在拉伸试验过程中,可测定的次要 力学机能目标有: (1)强度σs , (2)抗拉强度σb, (3)弹性模量E, (4)断面收缩率 , (5)断后伸长率δ。 Fs σS ? S0 ? Fs ? 试样时的载荷 ? N? ? ? S ? 试样原始横截面积mm 2 ? 0 ? ? ? ? ? ? Fb σb = S0 F0.2 σ0.2 = Fb 试样断裂前的最大载荷(N) ( M pa ) 2 试样原始横截面( mm ) S0 ψ= 试样发生0.2%塑性变 ( M pa ) 形时的载荷(N) 2 试样原始横截面( mm ) S0 - S k × 100% S0 L k– L 0 δ = 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 × 100% 低碳钢力-拉伸曲线示企图 低碳钢应力-应变曲线 (a)陶瓷 (b)低碳 钢(c)橡 皮的拉 伸应力 -应变 曲线 塑胶 件的 拉伸 应力应变 曲线 大理 岩的 三向 压缩 应力应变 曲线 混凝 土的 拉伸 应力应变 曲线 合成纤 维的拉 伸应力应变曲 线 铝合金 的拉伸 应力-应 变曲线 二、硬 度 ?硬度: 指材料抵当其他硬物体压入其概况的 能力。 1. 布氏硬度(HBW) 布氏硬度试验机 布氏硬度试验机测试道理 F 2F HBW ? ? 2 2 S ?D(D ? D ? d ) S ? 球冠概况积, F — 载荷 暗示方式:120HBW10/1000/30; 后面的数字顺次暗示: (1)曲径;(2)试验力; (3)试验力连结时间(10~15s不标注)。 次要用于测定组织粗大且不服均的金属材料 的硬度,如铸钢、铸铁、供应态钢材等。 2.洛氏硬度 硬度标尺:HRA、HRB、HRC。此中 C标尺最常 用 。 正在批量的成品或半成质量量查验中普遍利用. 2.洛氏硬度 洛氏硬度暗示方式: 50HRC,80HRB,60HRA 3.维氏硬度 3.维氏硬度 暗示方式: 如:640HV30/20 丈量精度高、范畴广, 但比力麻烦,次要用于 研究工做。 注: 各硬度值之间大致有以下关系: 布氏硬度值正在200-600范畴内, HBW≈10HRC; 布氏硬度值小于450HBS, HBW≈HV ? 参考书目: 1、材料力学机能,刘春廷化,学工业出书社, 2009年 2、材料力学机能,时海芳,任鑫,大学出书社, 2006年 3、GB/T 10623-2008 金属材料 力学机能试验术语, 2008年 ? 课后习题: 系统的领会各类金属材料的强度、硬度、的测试 仪器及测试方式。 欢送进入下一节的进修 感谢大师! 第三节 材料的动态力学机能 ?动载荷:指突加的、冲击性的及大小、标的目的随时间而变化的载荷。 ?静载荷:加载体例不影响材料的变形行为,加载速度较慢的载荷。 一、冲击韧性 ?韧性:材料正在断裂前接收变形能量的能力。 影响材料韧性的要素:材料本身、加载速度、应力形态、温度、介质 等。 ?冲击韧性:材料正在冲击载荷感化下抵当的能力。 工程中采用的表征方式:带缺口的试样,使之正在冲击载荷下折断,计较 其接收的能量。 第三节 材料的动态力学机能 试样冲断时所耗损的冲击接收功A k为: A k = m g H – m g h (J) 冲击韧度ak 就是试样缺口处单元截面积上所 耗损的冲击功。 AK a k= S0 (J/cm? ) 二、委靡强度 ? 委靡断裂:材料正在轮回载荷的感化下,即便所受应 力低于强度也常常发生断裂,这种现象称之疲 劳断裂。 ? 风险:没有较着的塑性变形,难以检测和防止。 ? 委靡强度:暗示材料经无数次应力轮回仍不竭裂的 最大应力值,用以表征材料抵当委靡断裂的能力。 ? 测试方式:扭转弯曲委靡试验。 二、委靡强度 工程上,材料正在轮回应力感化下达到某一基数 N 而不竭裂时,其最大应力就做为该材料的委靡极 限。滑腻试样测得的委靡强度用σ-1暗示。 委靡曲线:材料所承受的应力取其断裂前的应力循 环次数N的关系曲线称为委靡曲线。 钢材的轮回次数一般取 N = 107 有色金属的轮回次数一般取 N = 108 若何避免委靡断裂: 办法1:改善加载体例,加载正在金属上的强度不克不及忽 大忽小。 办法1:改善零件的布局形式,避免尖角、降低概况 粗拙度等避免应力集中。 办法2:概况强化,概况淬火,概况热处置,化学热 处置,喷丸,滚压,镀层等。 第四节 断裂韧性 ? 美国正在二和期间有5000艘全焊接的“轮”,此中有238 艘完全,有的以至断成两截。 ? 20世纪50年代,美国发射北极星导弹,其固体燃料策动机 壳体采用了高强度钢D6AC,强度为1400MPa,按照传 统的强度设想取验收时,其各项机能目标包罗强度取韧性都 合适要求,设想时的工做应力远低于材料的强度,但发 射焚烧不久,就发生了爆炸。 断裂是工程构件最的一种失效体例,特别是 脆性断裂,澳门网上电玩城,它是俄然发生的,断裂前没有明 显的征兆,这就常常惹起灾难性的变乱。 保守力学设想 工做应力σ许用应力[σ] 即认为是平安的 塑性材料 脆性材料 [σ]=σs/n 此中n为平安系数 [σ]=σb/n 无释为什么工做应力 远低于材料强度时会 发生所谓低应力脆断的现 象 典范强度理论 缘由是:保守力学是把材料当作平均的,没出缺陷的, 没有裂纹的抱负固体,可是现实 的工程材料,正在制备、 加工及利用过程中, 城市发生各类宏不雅缺陷甚至宏不雅 裂纹。 研究发觉低应力脆断老是和材料内部含有必然尺寸的 裂纹相联系 当裂纹正在给定的感化应力下扩展到一临界尺寸时 就会俄然分裂 保守力学或典范的强 度理论处理不了带裂 纹构件的断裂问题 断裂力学应运而生 一、低应力脆断 ? 断裂韧性:材料抵当裂纹扩展断裂的能力。 机械零件的保守强度设想为σ [σ ]=σ 0.2/n(n为平安系数 ),一般认为用此式设想的零件是平安的,不会发生塑性变形, 更不会断裂。可是,有些高强钢制制的零件或大型焊接构件如 桥梁、船舶、汽锅等,有时会正在工做应力远低于材料强度 以至低于许用应力的前提下俄然发生脆性断裂,这种工做应力 远低于材料强度的断裂叫低应力脆断。 图1 管材的 应力侵蚀开 裂 图2 压力容 器应力侵蚀 开裂 图3 应力侵蚀 开裂放大图 二、断裂韧性(度) (一)裂纹尖端应力场 ? 因为裂纹扩展是从尖端起头进 行的,所以该当阐发裂纹尖端 的应力、应变形态,成立裂纹 扩展的力学前提。 ? 欧文(G. R. Irwin)等人对张 开型裂纹尖端附近的应力应变 进行了阐发,成立了应力场、 位移场的数学解析式。 (一)裂纹尖端应力场(续) ? 对于张开型裂纹试样,拉伸或弯曲时,其裂纹尖端处于更复杂的应力 形态,最典型的是平面应力和平面应变两种应力形态。 平面应力:指所有的应力都正在一个平面内, ? 平面应力问题次要会商的对象是薄板,薄壁厚度远远小于布局 别的两个标的目的的标准。薄板的中面为平面,所受外力均平行于 中面面内,并沿厚度标的目的不变,并且薄板的两个概况不受外力 感化。 ? 平面应变:指所有的应变都正在一个平面内。 ? 平面应变问题好比压力管道、水坝等,这类弹性体是具有很长 的纵向轴的柱形物体,横截面大小和外形沿轴线长度不变,做 用外力取纵向轴垂曲,且沿长度不变,柱体的两头受固定束缚。 ? (二)裂纹扩展的根基形式 ? 1. 张开型(I型)裂纹扩展 拉 应力垂曲于裂纹扩展面,裂纹沿 感化力标的目的张开,沿裂纹面扩展, 如压力容器纵向裂纹正在内应力下 的扩展。 ? 2. 滑开型(II型)裂纹扩展切 应力平行感化于裂纹面,并且取 裂纹线垂曲,裂纹沿裂纹面平行 滑开扩展,如花键根部裂纹沿切 向力的扩展。 应力平行感化于裂纹面,并且取 裂纹线平行,裂纹沿裂纹面扯开 扩展,如轴的纵、横裂纹正在扭矩 感化下的扩展。 ? 3. 扯开型(III型)裂纹扩展切 a) 张开型 b) 滑开型 c) 扯开型 (三)应力场强度因子KI ? 裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定其外,尚取 强度因子KI相关。 ? 对于某一确定的点,其应力分量由KI决定,所以对于确 定的,KI间接影响应力场的大小,KI添加,则应力 场各应力分量也越大。 ? 因而,KI就能够暗示应力场的强弱程度,称为应力场强 度因子。 (三)应力场强度因子KI K I ? Y? a 式中:a——为裂纹尺寸的一半 σ——表面应力 Y——裂纹外形系数,一般Y=1~2 I——张开型裂纹扩展 (四)断裂韧度KIc和断裂韧度KI判据 ? KI是决定应力场强弱的一个复合力学参量,就可将它看做是 鞭策裂纹扩展的动力,以成立裂纹失稳扩展的力学判据取断 裂韧度。 ? 当σ和a零丁或配合增大时,KI和裂纹尖端的各应力分量随之 增大。 ? 当KI增大降临界值时,也就是说裂纹尖端脚够大的范畴内应 力达到了材料的断裂强度,裂纹便失稳扩展而导致断裂。 ? 这个临界或失稳形态的KI值就记做KIC或KC,称为断裂韧度。 (四)断裂韧度KIc和断裂韧度K判据(续) ? KIC:平面应变下的断裂韧度,暗示正在平面应变前提下材料抵 抗裂纹失稳扩展的能力。 ? KC:平面应力断裂韧度,暗示平面应力前提材料抵当裂纹失 稳扩展的能力。 ? 但KC值取试样厚度相关,当试样厚度添加,使裂纹尖端达到 平面应变形态时,断裂韧度趋于一个不变的最低值,就是KIC, 取试样厚度无关。 ? 正在临界形态下所对应的平均应力,称为断裂应力或裂纹体断裂 强度,记为σc,对应的裂纹尺寸称为临界裂纹尺寸,记做ac。 (五) 断裂韧度KIC的测试 一、试样的外形、尺寸及制备 二、断裂强度因子测试示企图 (六)KIC和KC的区别 ? 应力场强度因子KI增大降临界值KIC时,材料发生断裂,这个 临界值KIC称为断裂韧度。 ? KI是力学参量,取载荷、试样尺寸相关,而和材料本身无关。 ? KIC是力学机能目标,只取材料组织布局、成分相关,取试样 尺寸和载荷无关。 ? 按照KI和KIC的相对大小,能够成立裂纹失稳扩展脆断的断裂K 判据,因为平面应变断裂最,凡是以KIC为尺度成立: K I ? K IC 三、断裂韧度的使用 K1C 2 ac ? ( ) Y? K 1C ?c ? Y a 第五节 材料的凹凸温力学机能 一、材料的高温力学机能(续) 2、持久强度极限 定义:指试样正在恒定温度下,达到的持续时间而不竭裂的 最大应力。暗示为σtτ。 ? 用于不考虑变形,只考虑利用寿命零件设想。 3、高温韧性 一般用高温下冲击试验来测定。 目标:高温冲击功AtK和高温冲击韧度atK 。 4、高温委靡极限 高温委靡常常是委靡和蠕变配合感化成果。材料正在高温下抵 抗委靡的能力称为高温委靡极限, σtR,R为应力比。 二、材料的低温力学机能 常用“低温冲击试验”进行测定。 目标:低温冲击功和低温冲击韧度值 小结:材料力学七大机能目标 一:弹性目标 :1.弹性模量E 2.切变弹性模量3.比例极限 极限σe。 4.弹性 二:强度机能目标:1.强度极限 2.抗拉强度σb 3.抗弯强度 4.抗压强 度 5.抗剪强度 6.抗扭强度 7.极限σs(或者称点)8. 强度 σ0.2 9.持久强度 10.蠕变强度 三:硬度机能目标:1.布氏硬度HB 2.洛氏硬度 HR3. 维氏硬度HV 四:塑性目标:1:伸长率(延长率δ) 2:断面收缩率ψ 五:韧性目标:1.冲击韧度αK 2.冲击接收功AK 六:委靡机能目标:1.委靡强度(或者称委靡极限σ-1) 七:断裂韧度机能目标 :1.平面应变断裂韧度KIC2.前提断裂韧度KI 欢送进入下一章的进修 加 油!