钢结构材料的力学性能讲义.docx

第1章 材料的力学性能
金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。大多数情况下金属出现变形和断裂，金属的力学性能理解为金属受力时，对变形与断裂的抵抗能力及发生变形的能力。
在机械制造业中，大多数机器零件或构件多使用金属材料制造的，在不同的载荷下工作，并根据工作条件及力学性能选择材料。某企业老板，当他看到一厂家用铝箔切割机切铝箔时，他想到可以用它来切割钢板，于是试了刀具，感觉没什么问题就买了机器。等安装调试好以后，工人将钢卷一放，意外出现了：机器被压断了。为什么？
常用的力学性能有：强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。
1.1 强度与塑性
1.1.1拉伸曲线与应力应变曲线
图1-1 圆形拉伸试样示意图
1．拉伸曲线
用拉伸试验可以测定金属的强度和塑性指标，GB228-87规定了拉伸试验的方法和拉伸试验的制作标准。在试验时，金属材料制作成一定的尺寸和形状（如图1-1所示），将拉伸试样装夹在拉伸试验机上，对试样施加拉力，在拉力不断增加的过程中，观察试样的变化，直至把试样拉断。
根据拉伸过程中载荷（F）与试样的伸长量（Δl）之间的关系，可以绘制出金属的拉伸曲线。如图1-2所示低碳钢的拉伸曲线，拉伸过程可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。具体分析如下：
op段：试样的伸长量与载荷呈直线关系,完全符合虎克定律，试样处于弹性变形阶段。
pe段：伸长量与载荷不再成正比关系,拉伸曲线不成直线，试样仍处于弹性变形阶段。
s段（e点后的平台或锯齿）：外力不增加或变化不大，试样仍继续伸长，出现明显的塑性变形，这种现象称为屈服现象。
sb段：这个阶段，载荷增加，伸长沿整个试样长度均匀伸长，称均匀塑性变形阶段；同时，随着塑性变形不断增加，试样的变形抗力也逐渐增加，这个阶段是材料的强化阶段。
b点：载荷达到最大，试样局部面积减小，伸长增加，形成了“缩颈”。
bk段：随着缩颈处截面不断减小（非均匀塑性变形阶段），承载能力不断下降，到k点时，试样发生断裂。
拉伸曲线中，断裂总伸长为Of，其中塑形变形伸长为Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长为gf。
P
e
s
b
k
Fb
Fk
Fs
Fe

伸长ΔL
载荷F
O

Δlb
Δlu
Δlk
h g f
图1-2 低碳钢的拉伸曲线
P
e
s
b
k

应力σ

O
σb
σk
σs
σe
应变ε
δb
δu
δk
图1-3 应力-应变曲线

2．应力－应变曲线（σ-ε曲线）
应力：试样单位面积上承受的载荷。这里用承受的载荷F除以试样的原始横截面积S0表示。即
（MPa） 式中，F—试样所承受的载荷；S0—试样的原始横截面积。
应变：试样单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量Δl除以试样的原始标距l0表示。即
式中，Δl—试样标距长度的伸长量；l0—试样的原始标距长度。
图1-3是低碳钢的应力—应变曲线，即σ-ε曲线。应力－应变的形状与拉伸曲线形状相同，只是坐标数值不同。
不同材料的拉伸曲线形状有很大差别。像低碳钢这样，材料在断裂前有明显塑性变形的断裂称为韧性断裂；而灰口铸铁、淬火高碳钢等材料，在断裂前塑性变形量很小，甚至不发生塑性变形的断裂称为脆性断裂。
1.1.2刚度与强度
1．刚度
刚度是指材料抵抗弹性变形的能力，刚度的大小一般用弹性模量E表示。弹性模量指材料在弹性状态下的应力与应变的比值。即
（MPa） 式中，σ—试样承受的应力；ε—试样的应变。
在应力—应变曲线上，弹性模量就是直线部分的斜率。对于材料而言，弹性模量E越大，其刚度越大。E主要取决于各种金属材料的本性，是一个对组织不敏感的力学性能指标。对钢进行热处理、微量合金化及塑性变形等，其弹性模量变化很小。
机械零件大多都是在弹性状态下工作的，零件对刚度都有一定的要求，一般不允许有过量的弹性变形，因为过量的弹性变形会使机器的精度下降。零件的刚度主要有材料的刚度决定，另外还与零件的形状、截面尺寸有关。例如镗床镗杆，为了保证高的加工精度，要选刚度较大的材料，另外还必须有足够的截面尺寸。
比弹性模量是单位质量的弹性模量。航天飞行器上的许多零件及一些体育器材对比弹性模量都有很高的要求。
表1-1 常用材料的弹性模量及比弹性模量
材料
陶瓷
钢
铝
铜
钛
铍
聚酯
塑料
玻璃
木材
混凝土
碳纤维强化复合材料
E(GPa)
400
200
69
110
117

1~5
69
12
47
270
E/ρ

25.3
25.6
12.4
27
168

27.6
20
18.8
180

2．弹性极限弹性极限具有理论意义，目前难以测出真正的弹性极限。工程中用规定非比例伸长应力表示材料的弹性极限。例如：σP0.005表示规定非比例伸长率为0.005%时对应的应力。

弹性极限σe是材料开始产生塑性变形时所承受的最大应力值。按照GB 228-87规定，弹性极限和屈服极限已经取消，两者统称为规定为微量塑形伸长的应力。由于其物理意义及工程中仍有应用，这里仍保留。
（MPa） 式中，Fe—试样不发生塑性变形的最大载荷；S0—试样的原始横截面积。
一些在工作中不允许有微量塑性变形的零件（精密的弹性元件、炮筒等）在设计和选材时，弹性极限是重要的依据。
3．强度
强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。工程上常用的强度指标有：规定残余伸长应力、屈服点（屈服强度）、抗拉强度。
（1）屈服点和屈服强度
在1-3图中，屈服点σs是指应力-应变曲线中平台对应的应力值,表示材料开始产生明显塑性变形的最小应力值。即
（MPa） 式中，Fs—试样发生屈服现象时的载荷；S0—试样的原始横截面积。

对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点。国标规定，一般以规定残余伸长率为0.2%时对应的应力σr0.2作为材料的屈服强度，通常记作σ0.2。即
（MPa） 式中，F0.2—试样标距发生0.2%残余伸长时的载荷。
屈服点σs和屈服强度σ0.2通常是机器零件设计的主要强度指标，也是评定金属材料强度的重要指标之一。我们知道，工程上各种机器零件工作时是不允许发生过量残余变形而失效的，设计的许用应力以σs或σ0.2来确定。
（2）抗拉强度
抗拉强度σb是指材料在断裂前所承受的最大应力值。即
（MPa） 式中，Fb—试样拉断前承受的最大载荷。
试样在拉伸过程中，达到最大载荷之前是均匀塑性变形，因此抗拉强度σb是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。塑性材料的σb没有直接意义；铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度，脆性材料制成的零件是以σb确定其许用应力。
1.1.3塑性
塑性是材料在断裂前产生塑性变形的能力。常用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示材料塑性好坏的指标。
1．断后伸长率
断后伸长率是指拉断后标距的伸长量l1-l0与原始标距l0的比值，即
式中，l1—试样拉断后标距的长度；l0—试样的原始标距。
同一材料长试样　长试样指标距长度是直径的10倍的试样。
和短试样　短试样指标距长度是直径的5倍的试样。
测得的断后伸长率是不相等的，测得的结果分别用δ10和δ5表示，且δ5>δ10，长试样测得断后伸长率可以不加下标。
2．断面收缩率
断面收缩率ψ是指试样拉断处横截面积的减小量S0-S1与原始横截面积S0的比值，即
式中，S1—试样拉断后断裂处的最小横截面积。
很显然，伸长率δ和断面收缩率ψ越大，说明材料的塑性变形量越大，也就是材料的塑性越好。
在零件设计时，塑性指标不是计算出来的，但任何零件都要求材料具有一定的塑性。主要是由于机械零件在使用过程中虽然不允许发生塑性变形，但在偶然过载时，塑性好的材料发生一定的塑性变形而不致于突然断裂；再者，材料塑性变形可以减弱应力集中、消减应力峰值，零件在使用时更显安全。对于进行压力加工（锻造、轧制、冷冲压等）的型材或零件，材料必须具有良好的塑性。
1.2 硬度
硬度是衡量金属材料软硬的指标，是力学性能中最常用的性能之一。材料在表面局部体积内抵抗变形、特别是塑性变形、压痕或划痕的能力成为硬度。硬度的测定方法有一般分为压入法、刻划法、回跳法三类。压入法包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度等；刻划法包括莫氏硬度等；回跳法包括肖氏硬度等。
生产中常用的是压入法，它是将一定形状的压头，在一定的载荷下，压入被测的金属材料表面，根据压入程度来测定其硬度值。在同样的实验条件下（压头相同、载荷相同），若压入的程度越大，则材料的硬度越低，反之越高。生产中应用广泛的硬度测试方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。
硬度是一个由材料的弹性、强度、塑性、韧性等一系列不同力学性能组成的综合性能指标。硬度试验设备简单，操作迅速方便，是常用的作为产品质量检查、制定合理加工工艺的试验方法。
1.2.1布氏硬度
图1-4布氏硬度试验原理示意图
布氏硬度试验法的测试原理：在一定的载荷F作用下，将一定直径D的淬火钢球或硬质合金球压压入到被测材料的表面，保持一定的时间t后将载荷卸掉，测量被测材料表面留下压痕的直径d，根据d计算出压痕球缺的面积S，最后求出压痕单位面积上承受的平均压力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值。(如图1-4所示)
不适硬度值(HBS或HBW)的计算公式为：
当载荷F的单位为公斤力( kgf kgf为非法定计量单位，目前硬度试验仍保留，1kgf=9.8N。
)时,
当载荷F的单位为牛顿时( N )时,
式中，F表示载荷大小，D表示压头的直径(mm)，d表示压痕表面的直径(mm)， S表示压痕的面积 (mm2)，布氏硬度值的单位为kgf / mm2或者N / mm2，习惯上布氏硬度是不标单位的。布氏硬度实际测试时，硬度值是不用计算的，利用刻度放大镜测出压痕直径d，根据值d查附录表Ⅰ即可查出硬度值。
布氏硬度试验时，当用淬火钢球作为压头时，用HBS表示，适用于布氏硬度低于450的材料；当用硬质合金球作为压头时，用HBW表示，适用于硬度值在450~650的材料。
布氏硬度的表示方法如下：硬度值＋硬度符号＋试验条件。例如210HBS10/1000/30表示用10mm直径的淬火钢球作为压头，在1000 kgf作用下，保持时间为30秒，测得的布氏硬度值为210；500HBW5/750表示用5mm直径的硬质合金球压头，在750 kgf作用下，保持10~15秒（持续时间10~15秒时，可以不标注），测得的布氏硬度值为500。
在进行布氏硬度试验时，GB231—1984做出了规定，常用的0.102F/D2比例为30、10、2.5三种。根据金属材料的种类、试样厚度及试样的硬度范围，按照表1-2的规范选择合适的试验条件。
布氏硬度的优点：压痕面积较大，能较好反映材料的平均硬度；数据较稳定，重复性好。缺点是：测试麻烦，压痕较大，不适合测量成品及薄件材料。目前，布氏硬度主要用于铸铁、非铁金属（如滑动轴承合金等）及经过退火、正火和调质处理的钢材。
表1-2 布氏硬度试验规范
材料
种类
布氏硬度值范围
球直径
D(mm)
0.102F/D2
试验力F
(N或kgf)
保持时间(s)
备 注
钢、
铸铁
≥140
10
5
2.5
30
29420(3000)
7355(750)
1839(187.5)
10
压痕中心距试样边沿距离不应小于压痕平均直径的2.5倍
相邻压痕中心距离不应小于压痕平均直径的4倍
试样厚度至少应为压痕深度的10倍．试验后，试样支撑面应无明显变形痕迹
＜140
10
5
2.5
10
9807 (1000)
2452(250)
613(62.5)
10~15
非铁金属材料
≥130
10
5
2.5
30
29420(3000)
7355(750)
1839(187.5)
30
55~130
10
5
2.5
10
9807(1000)
2452(250)
613(62.5)
30
＜35
10
5
2.5
2.5
2452(250)
613(62.5)
153(15.5)
60
1.2.2洛氏硬度
洛氏硬度试验法是目前应用最广泛的硬度测试方法，它是直接用压痕深度来确定硬度值的。试验时，用顶角为120°金刚石圆锥体或者用直径为1.588mm的淬火钢球作为压头，先加初载荷为98.07N(10kgf)，再加规定的主载荷，将压头压入金属材料的表面，卸去主载荷后，根据压头压入的深度最终确定其硬度值。图1-5 洛氏硬度试验原理示意图

试验原理如图1-5所示，先加初载荷，使压头与试样表面之间有良好的接触，并以此作为测量的基准；再施加主载荷，试样压到最深处；卸去主载荷后，被测试样的弹性变形恢复，压头略微抬高。测得的深度就是基准与压头顶点最后位置之间的距离e。e越大，被测金属的硬度越低，为了和习惯（数值越大，硬度越高）相符，用常数k减e来表示硬度大小，用0.002mm表示一个硬度单位，洛氏硬度值的计算公式为： 。式中，k—为常数，用金刚石圆锥体压头时，k=0.2mm；用淬火钢球作为压头时，k=0.26mm；e—为卸去主载荷后测得的压痕深度。
洛氏硬度没有单位，是一个无量纲的力学性能指标。为了能用同一硬度计测定从软到硬的材料硬度，就需要不同的压头和载荷组成不同的洛氏硬度标尺，最常用的是A、B、C三种标尺，分别记作HRA、HRB、HRC。表1-3给出了三种标尺的实验规范及应用范围。
表1-3 常用三种洛氏硬度的试验条件及应用范围
标尺
硬度符号
压头类型
总载荷
(N或kgf)
测量范围
应 用 范 围
A
HRA
金刚石圆锥体
588.4(60)
20~88
硬质合金、表面硬化层、淬火工具钢等
B
HRB
ø1.588mm钢球
980.7(100)
20~100
低碳钢、铜合金、铝合金、铁素体可锻铸铁
C
HRC
金刚石圆锥体
1471(150)
20~70
淬火钢、调质钢、高硬度铸铁

实际测量时，洛氏硬度是在硬度计上直接读出硬度值的。洛氏硬度的表示方法为：硬度值+硬度符号。例如，60HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为60。
洛氏硬度试验的优点：测量迅速简便，压痕较小，可用于测量成品零件；缺点是：压痕较小，测得的硬度值不够准确，并且各硬度标尺之间没有联系，不同标尺硬度值之间不能直接比较大小。洛氏硬度C标尺应用最广泛。
对于极薄工件和化学热处理后的表面层，在硬度测定时，由于常用洛氏硬度法施加的载荷较大，不适合这类材料的表面硬度测定。为此，根据洛氏硬度试验原理，设计出了载荷较小的表面洛氏硬度试验。其初载荷为29.4N(3kgf)，总载荷有147.1N(15kgf)、249.3N(30kgf)、441.3N(45kgf)三种，如果用金刚石圆锥压头，常用来测量渗氮钢、渗碳钢、刀刃、零件边缘部分等，硬度符号表示为HR15N、
HR30N、HR45N；如果用淬火钢球压头，常测量低碳钢、铜合金、铝合金等薄板，硬度符号表示为HR15T、HR30T、HR45T。
1.2.3维氏硬度
图1-6 维氏硬度试验法原理
为了在同一种硬度标尺上，测定从极软到极硬金属材料的硬度，特制定了维氏硬度试验法。
维氏硬度试验法原理与布氏硬度基本相同，如图1-6中所示，用一个相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷的作用下压入被测金属的表面，保持一定时间后卸除载荷，用压痕单位面积上承受的载荷（F/S）来表示硬度值，维氏硬度的符号为HV。
当载荷的单位是公斤力（kgf）时，
当载荷的单位是牛顿（N）时，
式中，F为试验所加载荷；S为压痕的面积；d为两对角线的平均长度。维氏硬度的面积S是通过测定压痕表面的对角线平均长度d来计算的。
计算出的维氏硬度值有单位(kgf / mm2或者N / mm2)，但通常不标单位。实际测定时，测出压痕对角线长度，通过查表即可查出维氏硬度值。
测出维氏硬度的表式方法为：硬度值＋硬度符号＋测试条件。例如，620HV30/20表示在30kgf (249.3N)载荷作用下，保持20秒测得的维氏硬度值为620，如果保荷时间10~15秒可以不标注，如620HV30。
维氏硬度常用的载荷包括49.1(5)、98.1(10)、196.2(20)、294.3(30)、490.5(50)、981(100) N (kgf)等。测量时，如果厚度允许的话，尽量用较大的载荷，以便获得较大的压痕，提高测量精度。
维氏硬度的优点是：试验载荷小，压痕较浅，适合测定零件表面淬硬层及化学热处理的表面层等；可以测量极软到极硬的材料，由于维氏硬度只用一种标尺，材料的硬度可以直接通过维氏硬度值比较大小；由于测量载荷可任意选择，所以既可测尺寸厚大的材料，又能测很薄的材料。缺点是：试样表面要求高，硬度值的测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。
维氏显微硬度试验用于定显微组织硬度。维氏显微硬度计施加的载荷为0.0981(0.01)、0.1961(0.02)、0,4903(0.05)、0．9807(0.1)、1.961(0.2)N(kgf)，测量压痕对角线长度用μm做单位，符号仍用HV表示。由于显微硬度载荷小、压痕很小，可以测定金属箔、金属粉末、极薄表层及金属组织中的晶粒及合金组成相的硬度值。
由于各种硬度试验的条件不同，因此相互之间没有理论换算关系。但根据试验数据分析，得到
粗略换算公式：当硬度在200~600HBS(HBW)范围内时，HRC≈1/10HBS(HBW)；当硬度小于450HBS时，HBS=HV。
附录中列出了黑色金属各种硬度之间的换算和硬度与强度的换算。
1.3 韧性
金属材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，称为金属材料的韧性。常用韧度来衡量金属材料的韧性好坏，但习惯上，韧性和韧度不加严格区分。由于断裂前金属材料所受力的类型、大小不同，材料的韧性也表现为不同的形式，这里介绍冲击韧性和断裂韧性。
1.3.1冲击韧性
材料不仅受静载荷的作用，在工作中，往往也受到冲击载荷（以很大的速率作用于工件上的载荷）的作用。例如，锻锤和锻模、冲头和冲模、活塞和连杆、铆钉枪等，材料在受到冲击时，由于时间短，速度快，应力集中，因此这些零件和工具在设计和制造时，不能只考虑静载荷强度指标，必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。
金属材料在冲击载荷作用下，抵抗变形、破坏的能力叫做冲击韧性。材料冲击韧性通常用一次冲击试验来测定，用冲击吸收功表示冲击韧性的大小。
1．摆锤式一次冲击弯曲试验
图1-7 摆锤式冲击试验原理
摆锤式冲击试验原理如图1-7所示，试验时，将标准试样 按照国标GB/T229-1994规定，冲击标准试样有夏比U型缺口试样和夏比V型缺口试样两种类型。
放在试验机的支座上，把质量为m的摆锤抬升到一定高度H1，然后释放摆锤、冲断试样，摆锤依靠惯性运动到高度H2。
冲击过程中如果忽略各种能量损失（空气阻力及摩擦等），摆锤的位能损失mgH1-mgH2＝mg（H1-H2）就是冲断试样所需要的能量，即是试样变形和断裂所消耗的功，也就称为冲击吸收功AK。即AK＝mg（H1-H2）。式中，G表示摆锤的重量；AK表示冲击吸收功。U型缺口试样和V型缺口试样分别表示为AKU和AKV，其单位是焦耳（J）。冲击吸收功的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。
冲击韧度用αK=AK/S来计算。式中，S表示试样缺口处的横截面积（cm2）。
把冲击吸收功值低的材料称为脆性材料，冲击吸收功高的材料称为韧性材料。脆性材料在断裂前没有明显的塑性变形，断口较平直、呈晶状或瓷状，有金属光泽；而韧性材料在断裂前有明显的
塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。
2．低温脆性
有些金属材料，如工程上用的中低强度钢，当温度降低到某一程度时，会出现冲击吸收功明显下降的现象，这种现象称为冷脆现象。历史上曾经发生过多次由于低温冷脆造成的船舶、桥梁等大型结构脆断的事故，造成巨大损失。
通过测定材料在不同温度下的冲击吸收功，就可测出某种材料冲击吸收功与温度的关系曲线。如图1-8所示，冲击吸收功随温度降低而减小，在某个温度区间，冲击吸收功发生急剧下降，试样断口由韧性断口过渡为脆性断口，这个温度区间就称为韧脆转变温度范围。
温度 T
冲击吸收功Ak
图1-8 冲击吸收功-温度曲线
韧脆转变温度范围
上平台
下平台
韧脆转变温度越低，材料的低温冲击性能就越好。例如，我国的南极科学考察所用的设备、工具等，工作的温度可能在-50℃以下，要求材料必须有更低的韧脆转变温度，才能保证正常工作。
3．冲击韧性的用途
AK是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，零件设计时，虽不能直接计算，但它是一个重要参考。由于冲击吸收功对材料内部组织十分敏感，因此在生产、科研中得到应用。主要应用如下：
（1）评定材料的低温脆性情况，可以测定材料的韧脆转变温度。
（2）评定材料的冶金质量和热加工产品质量。通过测定AK和对试样断口分析，能揭示材料的内部缺陷，如气泡、夹渣、偏析等冶金缺陷和过热、过烧、回火脆性等热加工缺陷。这些缺陷使材料的冲击吸收功明显下降，因此，目前用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。
（3）评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。实践表明，塑性、韧性越高，材料抵抗大能量冲击的能力越强；但在小能量多次冲击的情况下，决定材料抗冲击能力的主导作用是强度，提高材料的冲击吸收功值并不能有效提高使用寿命。
1.3.2断裂韧性
为了防止零件发生断裂失效（有关失效，可参阅课本第12章），传统方法是以材料的屈服强度为依据，同时对材料的塑性指标、冲击吸收功等提出一定的要求。即
式中，σ—工作应力；[σ]—许用应力；σ0.2—材料的屈服强度；—安全系数。
一般认为，零件在工作时的应力小于许用应力，就不会发生塑性变形而失效，更不会发生断裂。但在一些高强度钢和超高强度钢制造的零件（或构件）或中、低强度钢制造的大型件中，出现了脆性断裂，而工作应力却远小于材料的屈服强度。我们把这种在屈服强度以下发生的脆性断裂称为低
应力脆断。
图1-9 裂纹扩展的三种基本形式
什么原因造成低应力脆断呢？20世纪50年代发展起来的断裂力学对此进行了研究。大量事实分析表明，低应力脆断是由于材料中宏观裂纹扩展引起的，而传统设计是在假设材料中不存在宏观裂纹的基础上进行的，但实际材料在冶炼、加工及零件使用工程中，宏观裂纹往往是不可避免的。零件工作时，裂纹尖端处于应力集中状态，尽管工作应力远小于屈服强度，但裂纹尖端的应力处于相当高的水平，当尖端应力超过原子间结合力时，裂纹就会扩展，从而导致低应力脆断。因此，裂纹是否易于扩展，就成为材料是否易于断裂的一种重要指标。
1．应力场强度因子KI
根据应力与裂纹扩展面的相互关系，裂纹扩展可分为三种基本形式（如图1-9所示）：张开型（Ⅰ型）、滑开型（Ⅱ型）和撕开型（Ⅲ型）。实际裂纹的扩展经常是几种方式的组合，张开型（Ⅰ型）最危险，最容易扩展而发生脆性断裂。因此，这里就以这种方式来讨论断裂韧性。
由于材料内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。用来衡量应力场强弱的参数称为“应力场强度因子KI”。
式中，KI—应力场强度因子，单位为MPa·m1/2；Y—与裂纹形状、加载方式及试样类型有关的系数，一般Y=1～2；a—裂纹长度的一半，Ⅰ型裂纹长度为２a。对中心有穿透裂纹的无限大平板，。
2．断裂韧度KIc
应力场强度因子KI是一个与应力σ和裂纹半长a有关的复合参数。对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子KI也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时，就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧度，用KIc表示。它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。
式中，σc—断裂应力，是裂纹扩展的临界状态所对应的应力；ac—临界裂纹尺寸，是裂纹扩展的临界状态所对应的裂纹尺寸。
当KI>KIc时，裂纹失稳扩展，发生脆断；KI＝KIc时，裂纹处于临界状态；KI<KIc时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。断裂韧度KIc是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。KIc越大，材料抵抗裂纹失稳扩展的能力越强，裂纹不易扩展，材料的断裂韧性越好。
断裂韧度KIc可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。断裂韧度KIc是材料的一种固有特性，与外加载荷大小、裂纹本身的大小、试样尺寸等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。对于一定状态下的材料而言，KIc是一个固定的常数，而KI则是变
化的，它随着载荷和裂纹尺寸的变化而变化，当载荷为零时，KI=0。
3．断裂韧度的应用
断裂韧性是强度和韧性的综合体现，KIc是工程安全设计中防止低应力脆断的重要依据，根据计算公式，它可以解决如下工程实际问题。
(1) 确定零件（或构件）的最大承载能力。如果探测出零件（或构件）裂纹尺寸，根据试验测定的，可以计算出最大承载能力σc，为设计提供依据。
(2)允许的最大裂纹尺寸。根据材料的断裂韧度KIc和工作情况得到零件（或构件）的工作应力σc，就可确定计算出临界裂纹尺寸ac，为制定裂纹探伤标准提供依据。
(3)确定零件（或构件）的安全性。已知工作应力和探伤得到的裂纹尺寸，就可计算出KI；这样，在选择材料时，材料的断裂韧度KIc＞KI，为选材提供依据，也保证了零件（或构件）的安全性。
1.4 疲劳强度
1.4.1疲劳及疲劳强度
1．疲劳现象

时间 t
应力σ
σmax
+
-
图1-10 交变应力示意图
疲劳断裂是指在变动载荷的作用下，零件（后构件）经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的突然断裂现象。许多零件，如齿轮、曲轴、弹簧和滚动轴承等等，都是在交变应力下工作的。据统计，各类断裂失效中，80%时由于各种不同类型的疲劳破坏所造成的。
零件承受的应力分为交变应力和重复应力。交变应力(如图1-10所示)是指应力的大小和方向随着时间变化得的应力。变动应力的变化可以是周期性的、规律的变化，也可以无规律变化。
图1-11 疲劳断口示意图
1-疲劳源 2-扩展区 3-瞬时断裂
疲劳断裂具有突然性，危害很大。对于疲劳的研究，已经有了很大的进展，疲劳断裂的特点如下：①疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限；②断裂前，零件没有明显的塑性变形，即使伸长率δ和断面收缩率ψ很高的塑性材料也是如此；③疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感，疲劳裂纹常在表面缺口（如螺纹、刀痕、油孔等）、脱碳层、夹渣物、碳化物及孔洞等处形成；④实验数据分散性较大（手册上的数据是统计数据）。
产生疲劳的原因，一般认为是由于零件应力高度集中的部位或材料本身强度较低的部位，在交变应力作用下产生了疲劳裂纹，并随着应力循环周次的增加，
裂纹不断扩展使零件有效承载面积不断减小，最后突然断裂。零件疲劳失效的过程可分为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。疲劳断口一般可明显地分成三个区域，即疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，如图1-11所示。
疲劳源多位于零件的表面；疲劳裂纹扩展区具有海滩状条纹，称为贝文线；瞬时断裂区形貌与材料的塑性有关，塑性材料呈纤维状，脆性材料则呈结晶状。
2．疲劳强度
循环周次N
应力σmax
O
N0
107
σ-1
σr
2
1
图1-12 疲劳曲线示意图
1——低、中碳钢
2——非铁金属（有色金属）
大量实验表明，材料所受的交变应力的最大值σmax越大，则疲劳断裂前所经历的应力循环次N数越低，反之越高。根据交变应力σmax和应力循环次N建立起来的曲线，称作疲劳曲线，或称S-N曲线，如图1-12所示。
疲劳强度是指材料经受无限次循环应力也不发生断裂的最大应力值，记作σD，就是疲劳曲线中的平台位置对应的应力。通常，材料的疲劳强度是在对称弯曲条件下测定的，对称弯曲疲劳强度记作σ-1。实践表明，如果107周次应力循环下，仍不发生疲劳断裂，则在经过相当多次的应力循环后一般也不会疲劳断裂。GB4337—84规定，一般钢铁材料循环周次取107次时能承受的最大循环应力为疲劳强度。
一般非铁金属（有色金属）、高强度钢和腐蚀介质作用下的钢铁材料的疲劳曲线没有平台，见图1-12。这类材料的疲劳强度定义为：在规定循环周次N0下，不发生疲劳断裂的最大循环应力值，称为条件疲劳强度，记作σr(N0)。一般规定非铁金属N0取次，腐蚀介质作用下的N0取106次。
金属材料的疲劳强度受到很多因素的影响，如材料本质、材料的表面质量、工作条件、零件的形状、尺寸及表面残余压应力等。
3． 提高疲劳强度的途径
（1）合理的选择材料。实践证明，金属材料在其他条件相同的情况下，疲劳强度随抗拉强度的增加而增加。因此，那些能提高金属材料抗拉强度的因素，一般也能提高疲劳强度。例如，结构钢中的含碳量，通常，含碳量越高，抗拉强度越高；结构钢中合金元素主要通过提高淬透性和改善组织来提高疲劳强度；细化晶粒、获得下贝氏体及回火马氏体等也可以提高疲劳强度。
（2）零件设计时形状、尺寸合理。尽量避免尖角、缺口和截面突变，这些地方容易引起应力集中从而导致疲劳裂纹；另外，伴随着尺寸的增加，材料的疲劳强度降低，强度越高，疲劳强度下降越明显。
（3）降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量。因为疲劳源多数位于零件的表面，应尽量减少表面缺陷（氧化、脱碳、裂纹、夹杂等）和表面加工损伤（刀痕、磨痕、擦伤等）。
（4）采用各种表面强化处理。如渗碳、渗氮、表面淬火、喷丸和滚压等都可以有效地提高疲劳强度。这是因为表面强化处理不仅提高了表面疲劳强度，而且还在材料表面形成一定深度的残余压应力；在工作时，这部分压应力可以抵消部分拉应力，使零件实际承受的拉应力降低，提高了疲劳强度。

图1-13 表面强化提高疲劳强度示意图
如图1-13所示，在弯曲疲劳试验中，未强化表面的应力分布，距表面一定距离内，交变应力大于疲劳强度，该区域产生疲劳破坏；在图中，表面的残余压应力抵消了部分交变应力，其合力用箭头表示，这是的合力小于材料的疲劳强度，因此不会发生疲劳断裂。
1.4.2不同形式的疲劳
上述疲劳是指在交变应力较低、循环周次高（大于次105）的情况下发生的疲劳现象，也称高周疲劳。除此之外，还有其他形式的疲劳。
1．低周疲劳
低周疲劳是指零件或构件在较大应力（接近、甚至于超过屈服强度）作用下，导致在循环周次较低的情况下造成疲劳断裂，一般为周10２～105次，甚至几十周次。
低周疲劳在应力集中处会发生一定的塑性变形并不断扩张直至断裂。因此，提高低周疲劳寿命，应在满足强度的要求下，设法提高材料的塑性，不能一味提高材料的强度。另外，表面强化对提高低周疲劳并不明显。
工程中有许多机件是由于低周疲劳而破坏的。例如，飞机起落架、常年阵风吹刮的桥梁、风暴席卷海船的壳体、经常充气的高压容器等发生的疲劳常为低周疲劳。
2．热疲劳
零件工作时温度循环变化而产生热应力循环变化，热应力循环变化造成的疲劳破坏称为热疲劳。工程上许多零件由于热疲劳而失效，例如，热锻模、热挤压模、压铸模、热轧辊、汽轮机叶片 、加热炉零件、热处理夹具等常产生热疲劳。
热应力产生的原因是由于温度变化时，材料不能自由收缩或膨胀导致热应力的产生；如果零件整体可以自由收缩或膨胀，则不会产生热应力。实际工作时，零件往往受热不均匀，零件截面内存在温度差，一部分材料约束另一部分材料，于是就产生了热应力。当热应力超过材料的高温弹性极限时，就会产生局部塑性变形，经过一定的循环次数之后，这种循环的塑性变形就导致了零件的热疲劳。
提高热疲劳的途径：提高材料的塑韧性和高温强度；降低材料的线膨胀系数；提高材料的导热性；尽量避免零件工作时的应力集中等。
3．冲击疲劳
工程上受冲击载荷的零件，很少只经过一次或几次冲击就断裂，很多是承受小能量多次冲击的
断裂，一般大于次105。冲击疲劳是指小能量多次冲击导致的断裂。冲击疲劳不能用冲击吸收功AKU或AKV来衡量，应采用冲击疲劳抗力指标。
大量试验表明：冲击能量低时，提高材料的强度，可使冲击疲劳抗力明显提高；冲击能量较大时，冲击疲劳抗力主要决定与材料的塑性和韧性。例如，某锻锤锤杆用40Cr钢油淬+高温回火，使用中常发生早期疲劳断裂；后来改用盐水淬火+中温回火，提高了强度，结果锤杆寿命明显延长。
4．接触疲劳
接触疲劳（也称疲劳磨损）是指滚动轴承、齿轮及钢轨等零件的接触表面在交变压应力长期作用下，引起零件表面疲劳剥落现象。接触疲劳大多位于表层一定深度下，在材料的缺陷或薄弱处产生，也包括疲劳裂纹的产生和疲劳裂纹的扩展。
接触疲劳破坏形式有麻点剥落（点蚀）、浅层剥落和深层剥落三种形式。深度在0.1～0.2mm以下的针状或痘状凹坑,称为麻点剥落；深度在0.2～0.4mm的小片剥落称为浅层剥落，剥块底部大致和表面平行；深层剥落面积较大，剥落深度和表面强化层深度相当。
提高接触疲劳强度的途径有：尽可能减少材料中的非金属夹杂物；获得适当的心部硬度和表层硬度，适当的强化层深度；使表面强化层中的化合物形态、大小、数量分布合理；提高表面加工质量并保持良好的润滑状态。
5．腐蚀疲劳
腐蚀疲劳是零件在腐蚀环境中承受变动载荷所产成的一种疲劳破坏现象。腐蚀疲劳是由于循环应力和腐蚀介质共同作用造成的，比这两个因素单独作用时的危害性大得多。腐蚀疲劳是很多部门经常遇到的问题 ，例如，舰船中的推进器、轴、车辆弹簧、压缩机叶片等。
腐蚀疲劳是一个很复杂的问题，腐蚀疲劳强度和抗拉强度之间不存在比例关系，提高材料的抗拉强度对提高腐蚀疲劳没有多大影响，腐蚀的影响较大。
可通过如下途径提高腐蚀疲劳抗力：选择在预定环境介质中耐腐蚀的材料；在腐蚀介质中加入缓蚀剂；采用电化学保护；表面涂层提高耐腐蚀性；通过表面强化处理，使零件产生表面残余压应力等。
知识窗——材料的性能
金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两个方面。其中，使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，包括物理性能、化学性能和力学性能；工艺性能是指金属材料在加工过程中的性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。
1．物理性能
密度：单位体积的质量，ρ＝m/V。
熔点：金属或合金从固态向液态转变的温度。
导热性：金属材料传导热量的性能。通常用热导率来衡量。
导电性：金属材料传导电流的性能。通常用电阻率来衡量。
热膨胀型：金属材料随温度的变化而膨胀或收缩的性能。通常用线膨胀系数或体膨胀系数来表
示。
磁性：金属材料在磁场中受到磁化的性能。根据磁化程度不同，金属材料可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料三类。
2．化学性能
耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗氧、水蒸汽和其他化学介质腐蚀破坏的性能。
抗氧化性：金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。
化学稳定性：是对金属材料耐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为“热稳定性”。
3．工艺性能
铸造性能：材料在铸造过程中呈现出的工艺性能。包括流动性、收缩性等。