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1、第一章：金属的力学性能概 述力学性能力学性能 指材料受外力作用时所表现的能力。指材料受外力作用时所表现的能力。力学性能指标力学性能指标刚度、强度、硬度、塑性、韧性、疲劳及蠕变等。金属材料的力学性能是进行航空金属零件结金属材料的力学性能是进行航空金属零件结构设计和维修时必须考虑的一项重要因素。构设计和维修时必须考虑的一项重要因素。在在GB/T 63971986金金属属拉拉伸伸试试验验试试样样规规定定，如如图图1-1所示。所示。若若以以A0表表示示试试样样的的原原始始横横截截面面积积，以以d0表表示示试试样样的的原原始始直径。直径。长试样长试样： L10d11.3 ；短试样短试样： 5d5.65
2、。图图1-1 圆形标准拉伸试样圆形标准拉伸试样（a）拉伸前；（）拉伸前；（b）拉伸后）拉伸后如何评价材料的力学性能？如何评价材料的力学性能？测定材料的拉伸曲线测定材料的拉伸曲线1.1 刚度与弹性刚度与弹性将标准试样施加轴向拉伸载荷，使之发生变形直将标准试样施加轴向拉伸载荷，使之发生变形直至断裂，便可得到试样应变至断裂，便可得到试样应变随应力随应力变化的关变化的关系曲线。系曲线。图图1-21-2为低碳钢的应力为低碳钢的应力应变曲线。应变曲线。图1-2 低碳钢的应力应变曲线拉伸曲线拉伸曲线的获得的获得 应力应力应变曲线应变曲线应变应变= l/ l0 = (ll0) / l0 试样原始标距增量与原始
3、标距之试样原始标距增量与原始标距之比比应力应力=F / A外力与试样原始横截面积之比外力与试样原始横截面积之比退火低碳钢退火低碳钢低、中回火钢低、中回火钢淬火钢及铸铁淬火钢及铸铁中碳调质钢中碳调质钢5.不同材料的拉伸曲线不同材料的拉伸曲线弹性变形：弹性变形：此阶段内卸掉载荷，试样恢复到原来尺寸；此阶段内卸掉载荷，试样恢复到原来尺寸；塑性变形：塑性变形：形变不随外力的撤去而消失；形变不随外力的撤去而消失；比例极限：比例极限：用用p 表示，其中表示，其中OA部分为一斜直线；部分为一斜直线；A点和点和A点可近似视为一点。点可近似视为一点。试样受到外力试样受到外力弹弹性性极极限限：用用e 表表示示，A
4、点点所所对对应应的的应应力力为为材材料料承承受受最最大大弹弹性变形时的应力；性变形时的应力；塑性变形部分：塑性变形部分：A-E阶段；阶段；试样断裂前所发生的总变形试样断裂前所发生的总变形E=弹性变形弹性变形+塑性变形塑性变形断断裂裂时时弹弹性性变变形形部部分分仍仍然然会会做做弹弹性性恢恢复复，保保留留下下来来的的变变形形部部分分为为塑塑性性变变形形，称称为为残残余余变变形形，如如图图1-2中中E所示。所示。断断裂裂后后，弹弹性性变变形形部部分分会会做做弹弹性性恢恢复复还还是是会会保保留下来？留下来？刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力刚度指标：弹性模量（刚度指标
5、：弹性模量（E E）弹性模量弹性模量E E：在弹性变形范围内，应力与应变的比值。：在弹性变形范围内，应力与应变的比值。1.1 1.1 刚度与弹性刚度与弹性 tantan /（ 单单 位位 为为MPaMPa）其其物物理理意意义义是是产产生生单单位位弹弹性性变变形形时所需应力的大小。时所需应力的大小。对对于于具具体体零零件件，其其刚刚度度不不仅仅与与材材料料的的弹弹性性模模量量有有关关，还还可可以以通通过过增增加加横横截截面面积积或或改改善善截截面面形形状状的的方法来提高零件的刚度。方法来提高零件的刚度。 弹性模量弹性模量是材料的本性是材料的本性随温度升高而逐渐降低外，其他的材料强化随温度升高而逐
6、渐降低外，其他的材料强化手段（如热处理、冷热加工、合金化等）对手段（如热处理、冷热加工、合金化等）对弹性模量的影响很小。弹性模量的影响很小。1.2 1.2 强度与塑性强度与塑性 1.2.1 1.2.1 强度强度定义：材料定义：材料在外力作用下抵抗破坏的在外力作用下抵抗破坏的能力。能力。强强度度指指标标有有许许多多种种，如如屈屈服服强强度度、抗抗拉拉强强度度、抗抗压压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。以以拉拉伸伸试试验验测测得得的的屈屈服服强强度度和和抗抗拉拉强强度度两两个个指指标标应应用最多。用最多。1. 1. 屈服强度屈服强度什么是材料的屈服？什么是材
7、料的屈服？材料持续发生塑性变形而应力却不增加的这种现象称为材料持续发生塑性变形而应力却不增加的这种现象称为屈服。屈服。在图中屈服阶段为在图中屈服阶段为BCBC段。段。屈服强度屈服强度指指B B点所对应的应力，点所对应的应力，用用s s 表示。表示。屈服强度反映材料抵屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力。抗永久变形的能力。实际上，多数材料的屈服阶段不很明显或从拉伸曲线上看不实际上，多数材料的屈服阶段不很明显或从拉伸曲线上看不出这一阶段；出这一阶段；用拉伸时产生用拉伸时产生0.20.2残余变形所对应的应力为材料的屈服应残余变形所对应的应力为材料的屈服应力，称为条件屈服强度或名义屈服强度，记为力，称为
8、条件屈服强度或名义屈服强度，记为0.20.2。图图1-3 名义屈名义屈服强度的确定服强度的确定在在图图1-21-2中中，CDCD段段均均匀匀塑塑性性变变形形应变强化。应变强化。变变形形超超过过D D点点后后，试试样样开开始始发发生生局局部部塑性变形，即出现颈缩。塑性变形，即出现颈缩。随随应应变变增增加加，应应力力明明显显下下降降，并并迅迅速在速在E E点断裂。点断裂。 2. 2. 抗拉强度抗拉强度抗拉强度：为材料断裂前所承受的最大应力，抗拉强度：为材料断裂前所承受的最大应力，即即D D点所对应的应力，用点所对应的应力，用b b 表示。表示。抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，抗拉强度反映材料抵
9、抗断裂破坏的能力，是零件设计和材料评价的重要指标。是零件设计和材料评价的重要指标。塑性塑性: :指材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力指材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力塑性指标塑性指标: :伸长率和断面收缩率。伸长率和断面收缩率。1.2.2 1.2.2 塑性塑性如如图图1-11-1所示所示伸长率伸长率: :ll/l100%；断面收缩率断面收缩率: :/100%。塑性的意义塑性的意义塑塑性性良良好好的的材材料料，冷冷压压成成型型好好。飞飞机机和和发发动动机机薄薄壁壁零零件件，如如蒙蒙皮皮、翼翼肋肋、燃燃烧烧室室零零件件等等都都是是冷冷压压成成型型的的，使用的材料都应具有良好的塑性。使用的材料
10、都应具有良好的塑性。超载或应力集中超载或应力集中加工硬化效应加工硬化效应塑性变形塑性变形强度提高强度提高脆性断裂脆性断裂避免避免思考题：思考题：1 1、 与与的数值越大，材料的塑性越好还是越坏？的数值越大，材料的塑性越好还是越坏？1.3 1.3 硬度硬度硬度：材料局部抵抗硬物压入其表面的能力硬度：材料局部抵抗硬物压入其表面的能力弹性、塑性、强度和韧性等弹性、塑性、强度和韧性等综合指标。综合指标。硬硬度度与与强强度度之之间间有有一一定定的的内内在在联联系系，但但测测硬硬度度比比较较简简便迅速；便迅速；而而且且测测量量硬硬度度可可以以在在零零件件的的非非工工作作面面上上直直接接测测量量，不不会损坏
11、零件。会损坏零件。1.3.1 1.3.1 布氏硬度布氏硬度1.3.2 1.3.2 洛氏硬度洛氏硬度1.3.3 1.3.3 维氏硬度维氏硬度1 1、试验原理、试验原理2 2、表示方法、表示方法3 3、优缺点、优缺点硬度测试方法：硬度测试方法： 静压法静压法( (如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等) )试试验验原原理理:如如图图1-4所所示示。将将直直径径为为D的的钢钢球球或或硬硬质质合合金金球球，在在一一定定载载荷荷P的的作作用用下下压压入入试试样样表表面面，保保持持一一定定时时间间后后卸卸除除载载荷荷，所所施施加加的的载载荷荷与与压压痕痕表表面面积积的的比比值值即
12、即为为布布氏氏硬硬度度。实实际际操操作作时时，先先测测量量压压痕痕平平均均直直径径d，然然后后查查表得到材料的布氏硬度值。表得到材料的布氏硬度值。1.3.11.3.1布氏硬度布氏硬度图1-4布氏硬度的试验原理图Company Logo布氏硬度布氏硬度计 钢球钢球HBS表示表示450以下的材料。以下的材料。硬质合金硬质合金HBW表示表示650以下的材料。以下的材料。如如120HBS10100030表表示示直直径径为为10mm的的钢钢球球在在1000kgf(9.807kN）载载荷荷作作用用下下保保持持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。优点：优点：测量误差小，数据稳定；测量误差小，数
13、据稳定；缺点：缺点：压痕大。压痕大。最最常常用用的的钢钢球球压压头头适适于于测测定定退退火火钢钢、正正火火钢钢、调调质质钢钢、铸铸铁铁及有色金属的硬度。及有色金属的硬度。 布氏硬度表示方法及优缺点布氏硬度表示方法及优缺点1.3.2 洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度的试验原理洛氏硬度的试验原理如图如图1-5所示，所示，当测定硬度较高的材料时，选用当测定硬度较高的材料时，选用120的金刚石圆锥压头；的金刚石圆锥压头；测定硬度较低的材料时，选用淬火钢球压头。测定硬度较低的材料时，选用淬火钢球压头。硬度计上有一个表头，测量时表头上可直接读出被测件的硬度值硬度计上有一个表头，测量时表头上可直接读出被测件的硬度
14、值h1-h0洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计洛氏硬度表示方法及优缺点洛氏硬度表示方法及优缺点 洛洛氏氏法法根根据据测测量量时时选选用用载载荷荷与与压压头头的的不不同同，分分为为9个个标标尺尺，常常用用的的有有A、B、C三三个个，并并将将标标尺尺代代号号标标注注在在符符号号HR的的右右边边。如如HRA、HRB、HRC等等，硬硬度度值值仍仍写写在在符符号号HR的的前前面面，如如50HRC表表示示用用C标标尺尺测测定定的的洛洛氏氏硬硬度度为为50。应应当当注注意意：不不同同级级别别的的硬硬度度值值不不能能直直接相互比较。洛氏法的缺点是测量结果分散度大。接相互比较。洛氏法的缺点是测量结果分散度大。
15、如如图图1-6所示。所示。136正四棱锥体正四棱锥体金刚石压头金刚石压头载荷载荷F+时间时间施加的载荷施加的载荷F与压痕表面积的比值即为维氏硬度。与压痕表面积的比值即为维氏硬度。测量压痕对角线长度测量压痕对角线长度d查表得到。查表得到。1.3.3 维氏硬度维氏硬度维氏硬度表示方法及优缺点维氏硬度表示方法及优缺点 640HV3020表表示示在在30kgf（294.2N）载载荷荷作作用用下下保保压压时时间间为为20s测定的维氏硬度值为测定的维氏硬度值为640。优优点点：极极软软到到极极硬硬的的材材料料皆皆可可测测，又又能能互互相相比比较较;既既可可测测量量大大块块材材料料、表表面面硬硬化化层层的的
16、硬硬度度，又又可可测测量量金金相组织中不同相的硬度。相组织中不同相的硬度。1.4 1.4 韧性韧性韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。量的能力。韧性越好，则材料发生脆性断裂的可能性越小。韧性越好，则材料发生脆性断裂的可能性越小。韧性材料比较柔软，它的拉伸断裂伸长率、抗冲韧性材料比较柔软，它的拉伸断裂伸长率、抗冲击强度较大；硬度、抗拉强度和弹性模量相对较击强度较大；硬度、抗拉强度和弹性模量相对较小。小。刚性材料它的硬度、抗拉强度较大；断裂伸长率刚性材料它的硬度、抗拉强度较大；断裂伸长率和冲击强度就可能低一些；弹性模量就较大。和冲击强度就可
17、能低一些；弹性模量就较大。1.4.1 1.4.1 冲击韧性冲击韧性1.4.2 1.4.2 断裂韧性断裂韧性 定定义义：材材料料抵抵抗抗冲冲击击载载荷荷作作用用而而不不破破坏坏的的能能力力称称为为冲冲击击韧韧性。性。 测定材料冲击性能的测定材料冲击性能的方法方法：普遍采用弯曲冲击试验，：普遍采用弯曲冲击试验，在在图图1-7所示的摆锤式冲击试验机上进行。所示的摆锤式冲击试验机上进行。摆锤打断试件时消耗的能量，以摆锤打断试件时消耗的能量，以Ak表示。表示。材料的冲击韧性值材料的冲击韧性值ak以试件缺口处单位截面面积的能量表示，以试件缺口处单位截面面积的能量表示，即即ak=Ak/A (kgm/cm2)
18、。式中。式中A表示试件缺口处的横截面面积。表示试件缺口处的横截面面积。1.4.1 冲击韧性冲击韧性图图1-7摆锤式冲击试验机摆锤式冲击试验机1.4.1 冲击韧性冲击韧性材料的材料的ak值与材料的成分和组织有关，值与材料的成分和组织有关，与与试试件件形形状状、尺尺寸寸及及试试验验温温度度等等因因素素密密切切相相关关，所所以以不同试验条件下测得的值无法进行比较。不同试验条件下测得的值无法进行比较。小能量多次冲击试验来测定材料的小能量多次冲击试验来测定材料的抗冲击性能抗冲击性能即即测测定定材材料料的的冲冲击击循循环环次次数数N与与冲冲击击能能量量Ak之之间间的的关关系曲线系曲线1.4.1 冲击韧性冲
19、击韧性 “脆断脆断”最危险的断裂最危险的断裂无明显的塑性变形无明显的塑性变形如如1943年年1月月，美美国国一一艘艘T-2油油轮轮停停泊泊在在装装货货码码头头时时，竟发生突然断裂成两截的惨祸（竟发生突然断裂成两截的惨祸（图图1-8）。）。据计算，断裂时船体承受的应力仅为据计算，断裂时船体承受的应力仅为68.6MPa，材料的强度极限材料的强度极限300MPa400MPa，屈服强度屈服强度245MPa。1.4.2 断裂韧性断裂韧性原因：原因： 材料内部毫无缺陷材料内部毫无缺陷组织连续均匀介质组织连续均匀介质可能吗？可能吗？存在存在微裂纹微裂纹，由于应力集中、疲劳、腐蚀等原因，由于应力集中、疲劳、腐
20、蚀等原因，裂纹会扩展，当裂纹尺寸达到临界尺寸时就会发生裂纹会扩展，当裂纹尺寸达到临界尺寸时就会发生低应力脆断的事故。低应力脆断的事故。 图1-8发生断裂的T-2油轮1.4.2 断裂韧性断裂韧性 表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。韧性好坏的一个定量指标。（指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是（指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。）材料抵抗脆性破坏的韧性参数。） 它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及
21、加工是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。是应力强度因子的临界值。常用断裂前工艺有关。是应力强度因子的临界值。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。例如物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。例如应力应力- -应变曲线下的面积。应变曲线下的面积。1.4.2 断裂韧性断裂韧性（fracture toughness） 测定：把刻有不同深度刻痕的试件进行拉伸试验，测定：把刻有不同深度刻痕的试件进行拉伸试验，如如图图1-10所示所示公式公式K=c 成立。成立。a1.4.2 断裂韧性断裂韧性图图1-10断裂强度与裂纹深度的关系曲线示意图断裂强度与裂纹深度的关系曲线示意图对某种
22、材料来说，对某种材料来说，K是一个常数是一个常数表示材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力，称为断裂韧性。表示材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力，称为断裂韧性。在在裂裂纹纹扩扩展展的的过过程程中中，按按裂裂纹纹的的力力学学特特征征可可将将其其分分为为以下三类以下三类1.4.2 断裂韧性断裂韧性图图1-9裂纹表面三种位移形式裂纹表面三种位移形式(a) 张开型裂纹；张开型裂纹； (b) 滑开型裂纹；滑开型裂纹； (c) 撕开型裂纹。撕开型裂纹。 第第一一类类为为张张开开型型裂裂纹纹，如如图图1-9(a)所所示示。构构件件承承受受垂垂直直于于裂裂纹纹面面的的拉拉力力作作用用，裂裂纹纹表表面面的的相相对对位位移移
23、沿沿着着自自身身平平面面的的法法线线方方向向，若若受受拉拉板板上上有有一一条条垂垂直直于于拉拉力力方方向向而而贯贯穿穿于于板板厚厚的的裂裂纹纹，则该裂纹就是张开型裂纹。则该裂纹就是张开型裂纹。1.4.2 断裂韧性断裂韧性第第二二类类为为滑滑开开型型裂裂纹纹，如如图图1-9(b)所所示示。构构件件承承受受平平行行裂裂纹纹面面而而垂垂直直于于裂裂纹纹前前缘缘的的剪剪力力作作用用，裂裂纹纹表表面面的的相相对对位位移移在在裂裂纹纹面面内内，并并且且垂垂直直于于裂裂纹纹前前缘缘，如如齿齿轮轮或或花花键键根根部部沿沿切切线线方方向向的的裂裂纹就是滑开型裂纹。纹就是滑开型裂纹。第第三三类类为为撕撕开开型型裂
24、裂纹纹，如如图图1-9(c)所所示示。构构件件承承受受平平行行于于裂裂纹纹前前缘缘的的剪剪力力作作用用，裂裂纹纹表表面面的的相相对对位位移移在在裂裂纹纹面面内内，并并平平行行于于裂裂纹纹前前缘缘的的切切线线方方向向，如如扭扭矩矩作作用用下下圆圆轴轴的的环环形形切切槽槽或或表表面面环环形裂纹就是撕开型裂纹。形裂纹就是撕开型裂纹。 在在一一般般情情况况下下，裂裂纹纹通通常常属属于于复复合合型型裂裂纹纹，可可以以同同时时存存在在三三种种位位移移分分量量，也也可可以以是是任任何何两两个个位位移移分分量量的的组组合合。在在工工程程结结构构中中，第一类裂纹最危险，也最常见。第一类裂纹最危险，也最常见。1.
25、5 1.5 疲疲 劳劳 强强 度度1.5.1 疲劳断裂特征疲劳断裂特征 “交变载荷交变载荷” 零零件件在在交交变变载载荷荷作作用用下下，虽虽然然其其应应力力比比材材料料的的抗抗拉拉强强度度小小，甚甚至至比比屈屈服服强强度度还还小小，但但是是在在长长期期使使用用的的某某一一时时刻刻也也会会发发生生突突然然断断裂裂，这这种种现现象象称称为为疲劳断裂疲劳断裂。疲劳源疲劳源疲劳扩展区疲劳扩展区光滑区光滑区粗糙区粗糙区1.5.1 疲劳断裂特征疲劳断裂特征图1-11疲劳断裂断口照片如图如图1-111-11所示所示 当当扩扩展展区区达达到到一一定定的的临临界界尺尺寸寸时时，构构件件剩剩余余截截面面面面积积较
26、较小小，在在交交变变载载荷荷的的某某次次拉拉伸伸力力的的作作用用下下，材材料料应应力力超超过过抗抗拉拉强强度度，这这时时零零件件会会发发生生突突然然的的脆脆性性断断裂裂，最最后后脆脆断断的的区区域域称称为为瞬瞬间间断断裂裂区区，由由于于这这一一区区域域断断口口表表面面比比较较粗粗糙糙，所所以以也也叫叫粗粗糙糙区区。多多数数情情况况下下，疲疲劳劳裂裂纹纹源源位位于于构构件件表表面面，如如图图1-11(a)所所示示。但但有有些些情情况况下下，裂裂纹纹源源会会在在构构件件内内部部，同同样样断断口口也也存存在在上上述述三三个个区域，如图区域，如图1-11(b)所示。所示。1.5.1 疲劳断裂特征疲劳断
27、裂特征 材材料料的的疲疲劳劳强强度度是是由由疲疲劳劳试试验验测测定定的的。由由于于疲疲劳劳试试验验的的分分散散度度较较大大，试试验验时时要要用用较较多多的的试试样样，在在不不同同交交变变载载荷荷的的作作用用下下，测测定定其其发发生生断断裂裂时时的的载载荷荷循循环环次次数数N，最最后后将将试试验验结结果果绘绘成成如如图图1-12所示的应力与次数的关系曲线，称为疲劳曲线。所示的应力与次数的关系曲线，称为疲劳曲线。 从从疲疲劳劳曲曲线线上上可可知知，试试验验应应力力降降低低，循循环环次次数数N增增加加。当当应应力力降降至至某某一一数数值值时时，曲曲线线变变成成水水平平直直线线，即即表表示示材材料料若
28、若承承受受低低于于该该水水平平线线所所对对应应的的应应力力值值时时，便便可可以以经经受受无无限限次次循循环环载载荷荷也也不不发发生生疲疲劳劳断断裂裂。把把试试样样承承受受无无限限次次应应力力循循环环仍仍不不断断裂裂时时的的最大应力作为材料的最大应力作为材料的疲劳强度疲劳强度。1.5.2 疲劳强度的测定及其影响因素疲劳强度的测定及其影响因素图图1-12疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图 而而对对于于航航空空领领域域常常用用的的硬硬铝铝、镁镁合合金金等等有有色色金金属属及及其其合合金金材材料料，即即使使应应力力循循环环的的最最大大应应力力值值很很低低，经经一一定定应应力力循循环环次次数数后后也也会会断断
29、裂裂，不不存存在在真真正正意意义义上上的的疲疲劳劳极极限限。因因此此，对对于于这这一一类类材材料料，常常根根据据构构件件使使用用寿寿命命的的要要求求，取取在在某某一一规规定定应应力力循循环环次次数数下下（如如107次次），材材料料所所能能承承受受的的最最大应力值作为大应力值作为名义疲劳极限名义疲劳极限。 影影响响零零件件疲疲劳劳寿寿命命的的因因素素很很多多，因因此此，提提高高构构件件疲疲劳劳强强度度的的措措施施也也是是多多方方面面的的。构构件件的的疲疲劳劳破破坏坏总总是是从从构构件件中中应应力力最最大大的的部部位位产产生生疲疲劳劳裂裂纹纹开开始始的的，在在一一般般情情况况下下，构构件件中中应应
30、力力最最大大部部位位都都在在构构件件横横截截面面的的最最外外边边缘缘，或或在在有有应应力集中的地方。力集中的地方。1.5.2 疲劳强度的测定及其影响因素疲劳强度的测定及其影响因素 因因此此，要要合合理理设设计计构构件件的的形形状状，尽尽量量避避免免在在构构件件上上开开出出方方形形或或带带尖尖角角的的孔孔槽槽，设设法法避避免免构构件件外外形形急急剧剧改改变变，尽尽可可能能地地使使其其改改变有一缓和的过渡，从而变有一缓和的过渡，从而降低应力集中系数降低应力集中系数。 同同时时，降降低低构构件件表表面面的的粗粗糙糙度度，也也可可减减小小在在表表面面上上因因加加工工时时刀刀具具切切削削伤伤痕痕所所造造
31、成成的的应应力力集集中中的的影影响响，从从而而提提高高构构件件的的疲疲劳劳极极限。限。 此此外外，在在运运输输、装装配配，特特别别是是在在飞飞机机检检修修过过程程中中，应应尽尽量量避避免在构件表面造成伤痕，免在构件表面造成伤痕，以减小产生应力集中的可能性以减小产生应力集中的可能性。 还还可可以以通通过过对对构构件件中中最最大大应应力力所所在在的的表表层层采采取取表表面面强强化化工工艺艺措措施施，例例如如通通过过滚滚压压、喷喷丸丸、表表面面淬淬火火、渗渗碳碳和和渗渗氮氮等等方方法法使使构构件表层强度增加，这对提高构件的疲劳极限会有显著的效果。件表层强度增加，这对提高构件的疲劳极限会有显著的效果。
32、1.5.2 疲劳强度影响因素疲劳强度影响因素1.6 1.6 蠕变及蠕变蠕变及蠕变疲劳断裂疲劳断裂有有些些高高温温部部件件在在工工作作条条件件下下同同时时承承受受恒恒定定载载荷荷和和交交变变载载荷荷的的作作用用（如如燃燃气气轮轮机机的的涡涡轮轮盘盘），这这种种情情况况下下发发生生的的断断裂裂方方式式称称为为蠕蠕变变疲疲劳劳断断裂裂。它它们们是是燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机高高温温部部件件（如如涡涡轮轮叶叶片片、涡涡轮轮盘盘等等）的的主主要要失失效效形形式之一。式之一。蠕蠕变变:就就是是材材料料在在一一定定的的应应力力和和温温度度下下其其长长度度随随时时间间的的缓缓慢慢变化过程。变化过程。蠕蠕变变
33、的的原原因因：是是因因为为在在高高温温条条件件下下，金金属属原原子子之之间间的的距距离离增增加加，原原子子间间结结合合力力减减小小，故故变变形形抗抗力力小小，在在一一定定载载荷荷作作用用下下易易于于发发生生缓缓慢慢变变形形。同同时时在在变变形形过过程程中中，因因温温度度较较高高，不不会会发发生生加加工工硬硬化化，变变形形抗抗力力不不会会自自动动提提高高，故故变变形形可可持持续缓慢地进行下去。续缓慢地进行下去。蠕蠕变变断断裂裂：材材料料在在蠕蠕变变过过程程中中所所发发生生的的断断裂裂称称为为蠕蠕变变断断裂裂，即是是材料在应力和温度共同作用下发生的一种断裂方式。即是是材料在应力和温度共同作用下发生
34、的一种断裂方式。1.6 1.6 蠕变及蠕变蠕变及蠕变疲劳断裂疲劳断裂（2）蠕蠕变变断断裂裂过过程程中中的的变变形形随随时时间间的的变变化化曲曲线线，通通常常分分为为三三个个阶阶段段（图图1-13）：第第阶阶段段应应变变随随时时间间而而递递增增，但但应应变变速速率率随随时时间间呈呈现现非非稳稳定定递递减减状状态态（减减速速蠕蠕变变阶阶段段）；第第阶阶段段是是应应变变随随时时间间恒恒定定变变化化的的稳稳定定阶阶段段，即即应应变变速速率率基基本本保保持持不不变变（恒恒速速蠕蠕变变阶阶段段）；第第阶阶段段是是应应变变速速率率随随时时间间而而递递增增的的非非稳稳定定阶阶段段（加加速速蠕蠕变变阶阶段段），
35、最最后后导致断裂。导致断裂。蠕变及蠕变蠕变及蠕变疲劳断裂的特点疲劳断裂的特点图1-13蠕变断裂的三个过程与静强度下发生的断裂相比，它有以下特点。与静强度下发生的断裂相比，它有以下特点。 （1）在在一一般般的的静静强强度度试试验验中中，材材料料的的塑塑性性通通常常是是随随试试验验温温度度的的升升高高而而增增大大，但但在在高高温温下下以以很很缓缓慢慢的的速速率率变变形形时时（即即蠕蠕变变试试验验条条件件），即即使使在在室室温下为高延性的材料，它也可能发生低延性断裂。温下为高延性的材料，它也可能发生低延性断裂。 图图1-13是是一一种种典典型型的的蠕蠕变变曲曲线线，但但并并非非在在所所有有情情况况下
36、下材材料料的的蠕蠕变变曲曲线线均均由由三三个个阶阶段段组组成成。如如在在高高温温或或高高应应力力下下，材材料料没没有有第第阶阶段段而而只只有有第第、阶阶段段，或或只只有有第第阶阶段段就就很很快快发发生生断断裂裂；而而在在有有些些情情况况下下，材材料只有第料只有第、阶段，随后便发生断裂阶段，随后便发生断裂。 （3）对对于于同同一一种种材材料料，发发生生蠕蠕变变的的变变形形速速率率随随外外加应力和温度的增加而增加。加应力和温度的增加而增加。 （4）蠕蠕变变断断裂裂主主要要是是沿沿晶晶断断裂裂，即即裂裂纹纹沿沿着着材材料料晶界扩展。晶界扩展。习题和思考题习题和思考题1.1 金属材料的力学性能指的是什
37、么性能？常用的力学性能包括哪些方面的内容？1.2 衡量金属材料强度、塑性及韧性用哪些性能指标？各用什么符号和单位表示？1.3 什么情况下使用材料的名义屈服强度概念，它是如何定义的？1.4 伸长率和断面收缩率，哪个更能准确反映材料的塑性？为什么？1.5 强度和硬度分别是从什么角度衡量材料的性能的？1.6 可否通过增加零件的尺寸来提高其弹性模量？1.7 什么叫做材料的冲击韧性，它是如何测量的？什么叫做材料的冲击韧性，它是如何测量的？1.8 研研究究材材料料断断裂裂韧韧性性所所涉涉及及的的三三种种基基本本裂裂纹纹类类型型是是什什么？它们分别具有怎样的特征？么？它们分别具有怎样的特征？1.9 什什么么叫叫做做疲疲劳劳断断裂裂？导导致致疲疲劳劳断断裂裂的的载载荷荷具具有有怎怎样样的特征？的特征？1.10 疲疲劳劳断断口口一一般般具具有有几几个个区区域域？分分别别具具有有怎怎样样的的特特征？这些特征又是怎样产生的？征？这些特征又是怎样产生的？1.11 什么叫做疲劳极限？怎样提高构件的疲劳强度？什么叫做疲劳极限？怎样提高构件的疲劳强度？1.12 什什么么是是金金属属材材料料的的蠕蠕变变断断裂裂？它它一一般般分分为为哪哪几几个个过程？过程？习题和思考题习题和思考题
