第一章材料的效能
教學重點：
材料的力學效能指標及其物理意義；
重點：材料的力學效能指標及其物理意義
一、彈性與剛度
評價材料力學效能最簡單和最有效的辦法就是測定材料的拉伸曲線。將標準試樣(見圖1-1)施加一單軸拉伸載荷，使之發生變形直至斷裂，便可得到試樣伸長率 (試樣原始標距的伸長與原始標距之比的百分率）隨應力(試驗期間任一時刻的力除以試樣原始橫截面積之商）變化的關係曲線，稱為應力-應變曲線,圖1-2為低碳鋼的應力-應變曲線。
圖1-1 圓形標準拉伸試樣
圖1-2 低碳鋼的應力-應變曲線
在應力-應變曲線中，oa段為彈性變形階段，此時卸掉載荷，試樣恢復到原來尺寸。a點所對應的應力為材料承受最大彈性變形時的應力，稱為彈性極限。其中oa』部分為一斜直線，應力與應變呈比例關係，a』點所對應的應力為保持這種比例關係的最大應力，稱為比例極限。
由於大多數材料的a點和a』點幾乎重合在一起，一般不作區分。
在彈性變形範圍內，應力與伸長率的比值稱為彈性模量e。e實際上是oa線段的斜率：(mpa)，其物理意義是產生單位彈性變形時所需應力的大小。
彈性模量是材料最穩定的性質之一，它的大小主要取決於材料的本性，除隨溫度公升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小。材料受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛度，其指標即為彈性模量。可以通過增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。
二、強度與塑性
1、強度
材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力稱為強度。根據載入方式不同，強度指標有許多種，如抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、抗扭強度等。其中以拉伸試驗測得的屈服強度和抗拉強度兩個指標應用最多。
⑴ 屈服強度
在圖1-2中, 應力超過b點後, 材料將發生塑性變形。在bc段，塑性變形發生而力不增加，這種現象稱為屈服。b點所對應的應力稱為屈服強度（ s）。
屈服強度反映材料抵抗永久變形的能力，是最重要的零件設計指標之一。實際上多數材料的屈服強度不是很明顯的，
因此規定拉伸時產生0.2% 殘餘延伸率所對應的應力為規定殘餘延伸強度，記為rr0.2( 0.2)，如圖1-3所示。(注：括弧內為舊標準符號，下同）
⑵ 抗拉強度rm（b）
圖1-3 條件屈服強度的確定
圖1-2中的cd段為均勻塑性變形階段。在這一階段，應力隨應變增加而增加，產生應變強化。變形超過d點後，試樣開始發生區域性塑性變形，即出現頸縮，隨應變增加，應力明顯下降，並迅速在e點斷裂。
d點所對應的應力為材料斷裂前所承受的最大應力，稱為抗拉強度rm。抗拉強度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，也是零件設計和評價材料的重要指標。
2、塑性
塑性是指材料受力破壞前承受最大塑性變形的能力，指標為斷後伸長率和斷面收縮率。
試樣被拉斷後，標距部分的殘餘伸長與原始標距之比的百分率稱為斷後伸長率a()。()。式中，為原始標距，為斷後標距。
試樣斷裂後，斷口處橫截面積的減少值與原始橫截面積的比值稱為斷面收縮率z()。()。式中，為原始橫截面積，為斷後最小橫截面積。
顯然，a與z值越大，材料的塑性越好。兩者相比，用z 表示塑性比a 更接近於真實應變。當a＞z時，試樣無頸縮，是脆性材料的表徵，反之，a＜z時，試樣有頸縮，是塑性材料的表徵。
試樣d()不變時，隨增加，a下降，只有當為常數時，不同材料的伸長率才有可比性。當時，斷後伸長率用(10) 表示，當時，斷後伸長率用a()表示，很明顯，a＞。
從拉伸曲線我們還可以得到材料韌性的資訊，所謂材料的韌性是指材料從變形到斷裂整個過程所吸收的能量，具體地說就是拉伸曲線與橫座標所包圍的面積。
三、硬度
硬度是指材料抵抗區域性塑性變形的能力，現在多用壓入法測定。根據測量方法不同，常用的硬度指標有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。用各種方法所測得的硬度值不能直接比較，可通過硬度對照表換算。
1、布氏硬度
布氏硬度的試驗原理如圖1-4所示。將直徑為d的鋼球或硬質合金球，在一定載荷p的作用下壓入試樣表面，保持一定時間後卸除載荷，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為布氏硬度。布氏硬度值可通過測量壓痕平均直徑d查表得到。
當壓頭為鋼球時,布氏硬度用符號hbs表示，適用於布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質合金時用符號hbw表示，適用於布氏硬度在650以下的材料。符號hbs或hbw之前的數字表示硬度值，符號後面的數字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。
如120hbs10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kn）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。
布氏硬度的優點是測量誤差小、資料穩定；缺點是壓痕大，不能用於太薄件或成品件。最常用的鋼球壓頭適於測定退火鋼、正火鋼、調質鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。
材料的rm（b）與hb之間的經驗關係為：
對於低碳鋼：rm（mpa）≈3.6hb
對於高碳鋼：rm（mpa）≈3.4hb
對於灰鑄鐵：rm（mpa）≈1hb
或 rm（mpa）≈0.6（hb-40）
圖1-4 布氏硬度的試驗原理
2、洛氏硬度
洛氏硬度的試驗原理如圖1-5所示。在初載荷和總載荷（初載荷與主載荷之和）的先後作用下，將壓頭（金剛石圓錐體或鋼球）壓入試樣表面，保持一定時間後卸除主載荷，用測量的殘餘壓痕深度增量計算硬度值（為初載荷壓入的深度，為卸除主載荷後殘餘壓痕的深度）。洛氏硬度用符號hr表示，根據壓頭型別和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為a、b、c，如表1-1所示。
符號hr前面的數字為硬度值，後面為使用的標尺，如50hrc表示用c標尺測定的洛氏硬度值為50。
圖1-5 洛氏硬度的試驗原理
表1-1 常用洛氏硬度的符號、試驗條件及應用
實際測量時，硬度值可直接從洛氏硬度計的表盤上直接讀出。洛氏硬度的優點是操作簡便、壓痕小、適用範圍廣。缺點是測量結果分散度大。
3、維氏硬度
維氏硬度的試驗原理如圖1-6所示。將頂部兩相對面具有規定角度（136）的正四稜錐體金剛石壓頭在載荷p的作用下壓入試樣表面，保持一定時間後卸除載荷，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為維氏硬度。維氏硬度可通過測量壓痕對角線長度d查表得到。
維氏硬度用符號hv表示，符號前的數字為硬度值，後面的數字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。如640hv30/20表示在294.2n載荷作用下保持20s測定的維氏硬度值為640。
根據施加的載荷範圍不同，規定了三種維氏硬度的測定方法，如表1-2所示。
圖1-6 維氏硬度的試驗原理
維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優點，既可測量由極軟到極硬的材料的硬度，又能互相比較。既可測量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測量金相組織中不同相的硬度。
表1-2 維氏硬度的測定方法(gb/t 4340.1-1999)
四、衝擊韌性
許多機械零件、構件或工具在服役時，會受到衝擊載荷的作用，如活塞銷、衝模和鍛模等。材料抵抗衝擊載荷作用而不破壞的能力稱為衝擊韌性。可用一次擺錘實驗測得衝擊吸收功（單位為j），用ak 表示。
試樣缺口處單位橫截面積上的衝擊吸收功稱為衝擊韌性值, 用表示。衝擊試驗所用試樣為標準夏比缺口試樣。
材料的衝擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度範圍內ak值發生急劇下降的現象稱為韌脆轉變，發生韌脆轉變的溫度範圍稱為韌脆轉變溫度，如圖1- 9所示。常在低溫下服役的船舶、橋梁等結構材料的使用溫度應高於其韌脆轉變溫度，如果使用溫度低於韌脆轉變溫度，則材料處於脆性狀態，可能發生低應力脆性破壞。
應當指出的是，並非所有材料都有韌脆轉變現象，如鋁和銅合金等就沒有韌脆轉變。
圖1-9 韌脆轉變溫度曲線示意圖
五、疲勞
實際工作中的構件常常是在交變載荷的作用下。所謂交變載荷是指大小或方向隨時間而變化的載荷。在這種載荷的作用下，材料常常在遠低於其屈服強度的應力下發生斷裂，這種現象稱為疲勞。
如發動機的軸、齒輪等均受交變載荷作用。實際服役的金屬材料有90%是因為疲勞而破壞。疲勞破壞是脆性破壞，它的乙個重要特點是具有突發性，因而更具災難性。
材料承受的交變應力σ與斷裂時應力迴圈次數n之間的關係可用疲勞曲線來描述（見圖1-10）。隨σ下降，n值增加，材料經無數次應力迴圈後仍不發生斷裂時的最大應力稱為疲勞極限。對於對稱迴圈交變應力的疲勞極限用σ-1表示。
實際當中，作無限次應力迴圈的疲勞試驗是不可能的，對於鋼鐵材料，一般規定疲勞極限對應的應力迴圈次數為107，有色金屬為108。
圖1-10 疲勞曲線示意圖
提高零件的疲勞抗力，除應合理選材外，還應注意其結構形狀，避免應力集中，減少缺陷，還可採用提高表面光潔度和表面強化等方法。
六、斷裂韌性
工程上有時會出現材料在遠低於σb的情況下發生斷裂的現象。
斷裂力學認為，材料中存在缺陷是絕對的，常見的缺陷是裂紋。在應力的作用下，這些裂紋將發生擴充套件，一旦擴充套件失穩，便會發生低應力脆性斷裂。材料抵抗內部裂紋失穩擴充套件的能力稱為斷裂韌性。
研究表明，斷裂應力與裂紋長度2之間的關係為，因此便提出乙個描述裂紋尖端附近應力場強度的指標—應力強度因子：（）。式中，y是與裂紋形狀、載入方式及試樣幾何尺寸有關的係數，可查手冊得到，為名義外加應力（mpa），為裂紋的半長（m）。
隨或增加或兩者同時增加，也增加，當增大到某一定值時，裂紋便失穩擴充套件而發生斷裂。這個的臨界值就稱作斷裂韌性，用表示，（為斷裂應力，為臨界裂紋半長）。
與的關係，相同於σ與rm的關係。因此與rm一樣都是材料本身的一種力學效能指標。
七、高溫蠕變
所謂高溫蠕變是指在高於0.5t熔的溫度及遠低於屈服強度的應力下，材料隨載入時間的延長緩慢地產生塑性變形的現象。可利用變形量隨時間變化的蠕變曲線來描述蠕變過程，如圖1-11所示。
可以看出，蠕變分為三個階段，第ⅰ階段為減速蠕變階段，第ⅱ階段為穩態蠕變階段，此時變形速率恆定，第ⅲ階段為加速蠕變階段。
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