《金属材料力学特性》课件

金属材料力学特性力学特性是金属材料最重要的性能指标广泛应用于工程结构设计和材料选择金属材料力学性能研究的意义结构安全可靠性保障材料选择确保工程结构不会过早失效延长设备使用寿命为不同应用场合选择合适材料预防灾难性事故发生降低维护成本提高产品性能指标力学特性分类静力学性能材料在静态载荷下的行为特征动力学性能材料在动态载荷下的响应温度相关性能材料在不同温度环境下的性能变化时间相关性能材料性能随时间变化的特性基本力学性能概述强度材料抵抗变形和断裂的能力重要参数抗拉强度、屈服强度塑性材料产生永久变形而不断裂的能力重要参数伸长率、断面收缩率韧性材料吸收能量而不破坏的能力重要参数冲击韧性、断裂韧性硬度材料抵抗局部变形的能力重要参数布氏硬度、洛氏硬度强度概念与分类抗拉强度屈服强度抗压强度材料抵抗拉伸变形材料开始产生塑性材料抵抗压缩变形的能力变形的应力的能力抗剪强度材料抵抗剪切变形的能力塑性定义与意义永久变形能力延展性可在外力移除后保持变形状态材料被拉伸成丝的能力可加工性展性决定材料成型难易程度材料被锤击或轧制成薄片的能力韧性的基本概念2能量吸收抗冲击性断裂抗力安全保障材料断裂前吸收的能量多材料抵抗瞬时载荷的能力阻止裂纹扩展的能力防止突发断裂事故少硬度及其测量意义抗变形能力材料表面抵抗压痕的能力耐磨性指标硬度越高，耐磨性通常越好强度关联硬度与强度有一定的相关性简便测试无需破坏整个构件即可测量金属的弹性性能胡克定律应力与应变成比例弹性模量反映材料抵抗弹性变形的刚度可恢复性移除外力后恢复原形弹性应变与弹性极限弹性应变材料内原子间距离的可恢复变化弹性极限保持弹性行为的最大应力永久变形超过弹性极限出现不可恢复变形塑性变形及其机制滑移孪生晶体内原子沿特定晶面错动晶体内原子形成镜像排列晶界影响位错运动晶界阻碍位错运动晶体缺陷移动导致宏观塑性强度、塑性、韧性的关系提升方法折中策略组织细化提高强度和韧性性能互斥性根据使用需求优先选择关键性能热处理调控强韧性配合高强度材料往往塑性较差通过微观结构调控平衡各项性能塑性好的材料强度通常较低金属的拉伸性能100-1000MPa抗拉强度常见金属材料的强度范围5-50%伸长率反映材料的塑性程度200GPa弹性模量钢材的典型弹性模量值

0.3泊松比横向应变与轴向应变之比屈服现象及应力松弛脆性延性断裂脆性断裂延性断裂微观形貌断口平整光亮断口呈杯锥状脆性解理面或晶界断裂几乎无塑性变形有明显颈缩现象延性形成微空洞和韧窝冲击韧性冲击韧性反映材料抵抗冲击载荷的能力低温会导致许多金属材料冲击韧性急剧下降硬度的种类硬度类型压头形状适用范围优点布氏硬度钢球各种金属材料结果稳定可靠洛氏硬度钢球/金刚石热处理件操作简便快速维氏硬度金刚石四棱锥精密零件测量范围广金属的疲劳性能疲劳试验方法旋转弯曲拉压疲劳裂纹扩展样品旋转受弯轴向拉压循环研究裂纹生长速率应力循环交变适用多种材料评估使用寿命金属的蠕变性能一阶段蠕变蠕变速率逐渐降低的瞬时蠕变二阶段蠕变蠕变速率保持恒定的稳态蠕变三阶段蠕变蠕变速率加速直至断裂蠕变在恒定应力下，材料随时间逐渐变形的现象金属的断裂韧性应力强度因子临界值KIC表征裂尖应力场强度材料特性值材料韧性裂纹扩展KIC值越高材料越韧当KKIC时裂纹失稳扩展金属的高温性能热强性高温下保持强度的能力热稳定性高温下组织不发生显著变化抗氧化性高温下抵抗氧化的能力抗蠕变性高温长期载荷下变形抵抗金属的低温性能应力应变曲线分析-弹性区线性阶段，遵循胡克定律屈服区材料开始产生塑性变形强化区变形抗力随变形增加颈缩区局部变形导致断裂真应力与工程应力工程应力真应力应用场合力除以原始截面积力除以实际截面积工程设计常用工程应力计算简便，测试常用反映材料真实强度材料研究常用真应力忽略了实际截面变化需要实时测量截面积塑性分析必须用真应力金属的微观结构与力学性能晶格缺陷（点缺陷、线缺陷、面缺陷）影响力学性能晶界阻碍位错运动，提高材料强度晶粒度对性能的影响固溶强化原理晶格畸变1溶质原子导致晶格扭曲位错阻力畸变场阻碍位错运动强度提升3提高金属屈服强度常见固溶强化合金铜锌合金、铝铜合金、镍铬合金合金元素种类、含量和分布对强化效果影响显著位错与强化机制固溶强化溶质原子阻碍位错运动晶格畸变产生阻力析出强化第二相颗粒钉扎位错奥罗万机制绕过障碍形变强化位错之间相互纠缠位错密度增加提高强度晶界强化晶界阻碍位错运动细晶提高屈服强度金属的环境敏感性腐蚀破坏应力腐蚀开裂氢脆电化学反应导致材料损失应力与腐蚀共同作用氢原子扩散进入金属强度大幅下降沿晶界开裂导致突然脆性断裂拉伸实验步骤样品制备按标准尺寸加工试样测量原始尺寸并标记设备调试校准拉伸机设置拉伸速率实验操作固定试样并施加载荷记录力-位移数据数据处理计算应力-应变值确定各特征参数硬度测试标准流程1布氏硬度钢球压头，500-3000kgf载荷2洛氏硬度分A、B、C等多种标尺3维氏硬度136°金刚石四棱锥压头4显微硬度小于200gf载荷，测微区硬度冲击实验及数据分析试样要求测试过程数据分析标准V形或U形槽口样品放置在支架上计算单位面积吸收能量尺寸10×10×55mm摆锤从固定高度释放观察断口形貌特征槽口方向与材料组织有关记录吸收的能量值绘制温度-吸收能量曲线疲劳实验与寿命评估样品制备1表面抛光，去除应力集中试验设置选择合适载荷范围和频率监测过程检测裂纹萌生和扩展数据分析绘制S-N曲线并确定疲劳限断口分析5识别疲劳源和疲劳纹蠕变实验方法样品装配温度控制固定试样并安装引伸计将试样加热至测试温度载荷施加数据记录施加恒定载荷并开始计时监测变形量随时间变化金属失效案例分析失效分析步骤信息收集、断口观察、金相分析、成分检测常见失效原因过载、疲劳、腐蚀、蠕变、氢脆、应力腐蚀典型钢铁材料力学性能钢种类型抗拉强度屈服强度伸长率%MPa MPa低碳钢400-500240-30025-30中碳钢600-700350-45015-20合金结构钢700-900500-70010-15不锈钢500-700200-45030-40有色金属力学性能铝合金钢铁性能对比vs钢铁优势铝合金优势应用选择强度高，可达1000MPa以上密度低，约为钢的1/3钢铁承重结构、耐磨部件成本低，易于加工比强度高，适合轻量化铝合金轻量化、散热部件耐磨性好，硬度高耐腐蚀性好，无需涂层混合使用优化设计金属材料的选择与应用航空航天汽车工业高强铝合金、钛合金高强钢、铝合金、镁合金电子设备建筑工程铜合金、低膨胀合金结构钢、不锈钢热处理对力学性能的影响材料缺陷与失效模式裂纹应力集中导致断裂分为疲劳裂纹、热裂纹气孔降低承载面积引起应力集中夹杂成为应力集中源引发裂纹萌生偏析导致性能不均匀降低使用可靠性新型金属材料力学特性超高强钢1强度1500MPa，汽车减重首选非晶合金2硬度高，弹性好，耐腐蚀纳米结构材料3强度高，韧性好，界面效应显著绿色制造与力学性能回收再利用清洁生产能源效率降低能耗和污染排放减少有害物质使用降低生产能耗全生命周期考虑材料全周期影响影响金属力学性能的因素最终性能综合各种因素影响加工与处理2热处理、机械加工微观结构晶粒大小，相组成化学成分4元素含量及分布实验室安全注意事项个人防护佩戴防护眼镜、手套、工作服设备操作严格按照操作规程使用设备材料处理正确存放和处理化学试剂应急预案熟悉紧急情况处理流程力学性能数据库与表格查阅材料手册数字数据库计算软件各类金属详细数据在线查询系统性能预测模型标准参考资料实时更新数据辅助材料设计金属材料力学性能发展前沿智能制造人工智能预测材料性能数字孪生虚拟模拟实际材料行为性能定制按需设计材料微结构极端环境研发高可靠性材料系统总结与复习测试方法作用机理拉伸、硬度、冲击、疲劳微观结构与宏观性能基本概念应用领域强度、塑性、韧性、硬度材料选择与设计原则1课后思考与展望实际应用研究前沿工程案例深入分析思考方向多尺度模拟预测性能学以致用解决实际问题如何提高材料综合性能新型金属材料开发方向性能与微结构的定量关系。