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材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能

1.1 拉伸試驗(yàn)

1.1.1 概述

拉伸試驗(yàn)是標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣在靜態(tài)軸向拉伸力不斷作用下以規(guī)定的拉伸速度拉至斷裂,，并在拉伸過程中連續(xù)記錄力與伸長(zhǎng)量，從而求出其強(qiáng)度判據(jù)和塑性判據(jù)的力學(xué)性能試驗(yàn),。

強(qiáng)度指標(biāo)：彈性極限,、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度；

塑性指標(biāo)：斷后伸長(zhǎng)率,、斷面收縮率,。

1.1.2 概念

應(yīng)力：應(yīng)力是在它所作用面積上的力，用N/mm²表示,，在米制單位中,，用千帕（kPa）或兆帕（MPa）表示。    

應(yīng)變：是被測(cè)試材料尺寸的變化率,，它是加載后應(yīng)力引起的尺寸變化,。由于應(yīng)變是一個(gè)變化率，所以它沒有單位,。

原始標(biāo)距(L_o)：施力前的試樣標(biāo)距,。

斷后標(biāo)距(L_u)：試樣斷裂后的標(biāo)距。

平行長(zhǎng)度(L_c)：試樣兩頭部或兩夾持部分(不帶頭試樣)之間平行部分的長(zhǎng)度,。

斷后伸長(zhǎng)率(A)：是斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)(L_u-L_o)與原始標(biāo)距(L_o)之比的百分率。

斷面收縮率(Z)：斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量(S_o-S_u)與原始橫截面積(^So)之比的百分率,。

最大力(F_m)：試樣在屈服階段之后所能抵抗的最大力,。

屈服強(qiáng)度：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn),。

上屈服強(qiáng)度：試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應(yīng)力,。

下屈服強(qiáng)度：在屈服期間，不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低應(yīng)力,。

1.1.3 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

以低碳鋼的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線為例,。

OB—彈性階段，BC—屈服階段

CD—強(qiáng)化階段,，DE—頸縮階段

試樣在各階段變化的示意圖

a是低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,，它有鋸齒狀的屈服階段,，分上下屈服，均勻塑性變形后產(chǎn)生縮頸,，然后試樣斷裂,；

b是中碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，它有屈服階段,，但波動(dòng)微小,，幾乎成一條直線，均勻塑性變形后產(chǎn)生縮頸,，然后試樣斷裂,。

c是淬火后低、中溫回火鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,，它無可見的屈服階段,，均勻塑性變形后產(chǎn)生縮頸，然后試樣斷裂,；

d是鑄鐵,、淬火鋼等較脆材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，它不僅無屈服階段,，而且在產(chǎn)生少量均勻塑性變形后就突然斷裂,。

1.1.4 拉伸試樣形狀及尺寸

拉伸試樣的一般形狀

圓形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號(hào)

矩形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號(hào)

矩形截面非比例試樣

薄板非比例試樣

經(jīng)過機(jī)加工試樣

不經(jīng)機(jī)加工試樣

1.1.5 拉伸試驗(yàn)前的準(zhǔn)備

（1）取樣與制樣

取樣部位,、取樣方向,、取樣數(shù)量是對(duì)材料性能試驗(yàn)結(jié)果影響較大的3個(gè)因素，被稱為取樣三要素,。

樣坯的切取部位,、方向和數(shù)量應(yīng)按照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T2975-2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能取樣位置及試樣制備》或協(xié)議的規(guī)定。

取樣方法

從原材料（型材,、棒材,、板材、管材,、絲材,、帶材等）上直接取樣試驗(yàn)；

從產(chǎn)品上的重要部位（最薄弱,、最危險(xiǎn)的部位）取樣試驗(yàn),；

以實(shí)物零件直接試驗(yàn)，如,、鋼筋,、螺栓、螺釘或鏈條等,；

以澆注的鑄件試樣直接試驗(yàn)或經(jīng)加工成試樣進(jìn)行試驗(yàn),。

（2）試樣加工

防止冷變形或受熱而影響其力學(xué)性能。通常以切削加工為宜,。

平行段應(yīng)光滑,，無加工硬化，無缺口,、刀痕,、毛刺等缺陷；

脆性材料夾持部分與平行段應(yīng)有較大半徑的圓弧過渡,；

不經(jīng)機(jī)加工鑄件試樣表面上的夾砂,、夾渣、毛刺,、飛邊等必須加以清除,。

（3）試樣檢查、標(biāo)記

試驗(yàn)前應(yīng)先檢查試樣外觀是否符合要求,。

試樣原始標(biāo)距一般采用細(xì)劃線或墨線進(jìn)行標(biāo)定,，所采用的方法不能影響試樣過早斷裂,。

對(duì)于特薄或脆性材料，可在試樣平行段內(nèi)涂上快干著色涂料,，再輕輕劃上標(biāo)線,。

（4）尺寸測(cè)量（試樣的原始橫截面積）

圓形截面試樣：圓形在標(biāo)距兩端及中間三處橫截面上相互垂直兩個(gè)方向測(cè)量直徑，以各處兩個(gè)方向測(cè)量的直徑的算術(shù)平均值計(jì)算橫截面積;取三處測(cè)得橫截面積平均值作為試樣原始橫截面積,。（S₀=1/4πd₀²）

矩形截面試樣：在標(biāo)距兩端及中間三處橫截面上測(cè)量寬度和厚度,，取三處測(cè)得橫截面積平均值作為試樣原始橫截面積。（S₀=a₀×b₀）

1.1.6 拉伸試驗(yàn)設(shè)備

拉力試驗(yàn)機(jī)又名萬能材料試驗(yàn)機(jī),。

萬能試驗(yàn)機(jī)是用來針對(duì)各種材料進(jìn)行儀器設(shè)備靜載,、拉伸、壓縮,、彎曲,、剪切、撕裂,、剝離等力學(xué)性能試驗(yàn)用的機(jī)械加力的試驗(yàn)機(jī),。萬能試驗(yàn)機(jī)組成：加載機(jī)構(gòu)、夾樣機(jī)構(gòu),、記錄機(jī)構(gòu),、測(cè)力機(jī)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)：《GB/T 16491-2008 電子萬能試驗(yàn)機(jī)》

夾持裝置用于對(duì)不同形狀,、尺寸和材質(zhì)的試樣能順利進(jìn)行試驗(yàn),。引伸計(jì)用于測(cè)定微小塑性變形的長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x。

試驗(yàn)設(shè)備校驗(yàn)：

電子萬能試驗(yàn)機(jī)：《GB/T 16825.1-2008 靜力單軸試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn) 第1部分：拉力和壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)力系統(tǒng)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》,、《GB/T 16825.2-2005靜力單軸試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn) 第2部分：拉力蠕變?cè)囼?yàn)機(jī) 施加力的檢驗(yàn)》

引伸計(jì)：《GB/T 12160-2002 單軸試驗(yàn)用引伸計(jì)的標(biāo)定》

電子萬能試驗(yàn)機(jī)及其構(gòu)造

氣動(dòng)夾具（左）,、液壓夾具（右）

CSS2210 電子萬能試驗(yàn)機(jī)引伸計(jì)（左）、WDW-100 電子萬能試驗(yàn)機(jī)引伸計(jì)（右）

1.1.7 拉伸試驗(yàn)步驟

1.2 性能指標(biāo)

1.2.1 彈性

彈性模量E（E=σ/ε）表征材料抵抗正應(yīng)變的能力,。工程上彈性模量被稱為材料的剛度,，表征金屬材料對(duì)彈性變形的抗力,，其值越大,，則在相同的應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生的彈性變形量越小。

比彈性模量為彈性模量與密度的比值,。

1.2.2 強(qiáng)度

材料強(qiáng)度的大小通常用單位面積上所承受的力來表示,。（單位：Pa、MPa,、N/m²）

抗拉強(qiáng)度（或強(qiáng)度極限）是指試件斷裂前所能承受的最大工程應(yīng)力,，用來表征材料對(duì)最大均勻塑性變形的抗力。

上屈服強(qiáng)度：R_eH=F_eH/S₀

下屈服強(qiáng)度：R_eL=F_eL/S₀

抗拉強(qiáng)度：R_m=F_m/S₀

oa——總變形,；ba—彈性變形99.8%,；塑性變形0.2%

（條件屈服強(qiáng)度： R_p0.2表示規(guī)定塑性延伸率為0.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力）

硬鋼（高碳鋼）強(qiáng)度高,，塑性差，拉伸過程無明顯屈服階段,，無法直接測(cè)定屈服強(qiáng)度,，用條件屈服強(qiáng)度來代替屈服強(qiáng)度。

1.2.3 塑性

金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分組成,。試樣拉伸至頸縮前的塑性變形是均勻塑性變形,，頸縮后頸縮區(qū)的塑性變形是集中塑性變形。

試件拉斷后,，彈性變形消失,，但塑性變形仍保留下來。工程上用試件拉斷后遺留下來的變形表示材料的塑性指標(biāo),。

常用的塑性指標(biāo)有兩個(gè)：斷后伸長(zhǎng)率A=[(L_u-L₀)/L₀]×100%,，斷面收縮率Z=[(S₀-S_u)/S₀] ×100%。

1.2.4 應(yīng)變硬化

在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線中,，應(yīng)力與應(yīng)變之間符合Hollomon關(guān)系,，即S=Keⁿ（n為加工硬化指數(shù)或應(yīng)變硬化指數(shù)）。

應(yīng)變硬化指數(shù)n反映了材料開始屈服后,，繼續(xù)變形時(shí)材料的應(yīng)變硬化情況,，它決定了材料開始發(fā)生緊縮時(shí)的最大應(yīng)力σ_b。形變硬化是提高材料強(qiáng)度的重要手段,。

工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線與真應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比

1.2.5 韌性

韌性是指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力,。

韌度是度量材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)，分為靜力韌度,、沖擊韌度和斷裂韌度,。

靜力韌度是指金屬材料在靜拉伸時(shí)單位體積材料斷裂前所吸收的功，是強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo),。韌度為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積,。

1.3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

材料在其他靜載荷下的力學(xué)性能

2.1 壓縮試驗(yàn)

2.1.1 概述

壓縮試驗(yàn)是測(cè)定材料在軸向靜壓力作用下的力學(xué)性能的試驗(yàn)，是材料機(jī)械性能試驗(yàn)的基本方法之一,。主要用于測(cè)定金屬材料在室溫下單向壓縮的屈服點(diǎn)和脆性材料的抗壓強(qiáng)度,。

壓縮性能是指材料在壓應(yīng)力作用下抗變形和抗破壞的能力。

工程實(shí)際中有很多承受壓縮載荷的構(gòu)件,，如大型廠房的立柱,、起重機(jī)的支架、軋鋼機(jī)的壓緊螺栓等,。這就需要對(duì)其原材料進(jìn)行壓縮試驗(yàn)評(píng)定,。

2.1.2 概念

壓縮屈服強(qiáng)度：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，試樣在試驗(yàn)過程中達(dá)到力不在增加而繼續(xù)變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓縮應(yīng)力,。

上壓縮屈服強(qiáng)度：試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高壓縮應(yīng)力,。

下壓縮屈服強(qiáng)度：屈服期間不計(jì)瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低壓縮應(yīng)力,。

抗拉強(qiáng)度：對(duì)于脆性材料，試樣壓至破壞過程中的最大壓縮應(yīng)力,。

壓縮彈性模量：試驗(yàn)過程中,，軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變呈線性比例關(guān)系范圍內(nèi)的軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變的比值。

2.1.3 試驗(yàn)設(shè)備儀器及試樣

設(shè)備儀器：（1）材料萬能試驗(yàn)機(jī),；（2）游標(biāo)卡尺,。

壓縮試樣通常為柱狀，橫截面有圓形和方形兩種,。

試樣受壓時(shí),，兩端面與試驗(yàn)機(jī)壓頭間的摩擦力會(huì)約束試樣的橫向變形，且試樣越短,，影響越大,；但試樣太長(zhǎng)容易產(chǎn)生縱向彎曲而失穩(wěn)。

2.1.4 壓縮試驗(yàn)的力學(xué)分析

低碳鋼試樣裝在試驗(yàn)機(jī)上,，受到軸向壓力F作用,，試樣產(chǎn)生變形量△l兩者之間的關(guān)系如圖。

低碳鋼壓縮時(shí)也有彈性階段,、屈服階段和強(qiáng)化階段,。低碳鋼壓縮變形，不會(huì)斷裂,，由于受到上下兩端摩擦力影響,，形成“鼓形”。

試樣直徑相同時(shí),，低碳鋼壓縮曲線和拉伸曲線的彈性階段幾乎重合,，屈服點(diǎn)也基本一致。

低碳鋼是塑性材料,，試樣屈服后,，塑性變形迅速增長(zhǎng)，其橫截面積也隨之增大,，增加的面積又能承受更大的載荷,，所以只能測(cè)得屈服極限，無法測(cè)得強(qiáng)度極限,。

鑄鐵試樣裝在試驗(yàn)機(jī)上,，受到軸向壓力F作用,，試樣產(chǎn)生變形量△l兩者之間的關(guān)系如圖,。

灰鑄鐵的抗壓強(qiáng)度是其抗拉強(qiáng)度的3-4倍,。

鑄鐵在較小變形下出現(xiàn)斷裂,，略成“鼓形”,，斷面的法線與軸線成45—55度,；

試樣直徑相同時(shí)，鑄鐵壓縮曲線和拉伸曲線差異較大,，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度,。

2.2  彎曲試驗(yàn)

2.2.1 概述

彎曲性能指材料承受彎曲載荷時(shí)的力學(xué)性能。

彎曲試驗(yàn)檢驗(yàn)材料在受彎曲載荷作用下的性能,，許多機(jī)器零件（如脆性材料制作的刀具,、橫梁、車軸等）是在彎曲載荷下工作的,，主要用于測(cè)定脆性和低塑性材料(如鑄鐵,、高碳鋼、工具鋼等)的抗彎強(qiáng)度并能反映塑性指標(biāo)的撓度,；彎曲試驗(yàn)還可用來檢查材料的表面質(zhì)量,。

試驗(yàn)一般在室溫下進(jìn)行，所以也稱為冷彎試驗(yàn),。

2.2.2 概念

撓度：彎曲變形時(shí)橫截面形心沿與軸線垂直方向的線位移,；

彎曲應(yīng)力：彎曲時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力；

彎曲應(yīng)變：試樣跨度中心外表面上單元長(zhǎng)度的微量變化,；

彎曲彈性模量：彎曲應(yīng)力與彎曲應(yīng)變呈線性比例關(guān)系范圍內(nèi)的彎曲應(yīng)力與應(yīng)變之比,。

彎曲強(qiáng)度：在達(dá)到規(guī)定撓度值時(shí)或之前，負(fù)荷達(dá)到最大值時(shí)的彎曲應(yīng)力,；

2.2.3 彎曲試驗(yàn)原理

將一定形狀和尺寸的試樣放置于一定跨距L的支座上,，并施加一集中載荷，使試樣產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和變形,。

彎曲試驗(yàn)分為三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲,，三點(diǎn)彎曲是最常用的試驗(yàn)方法。

2.2.4 彎曲試樣及試驗(yàn)裝置

彎曲試驗(yàn)試樣的橫截面形狀可以為圓形,、方形,、矩形和多邊形，但應(yīng)參照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)協(xié)議的規(guī)定,；

室溫下可用鋸,、銑、刨等加工方法截取,，試樣受試部位不允許有任何壓痕和傷痕,，棱邊必須銼圓，其半徑不應(yīng)大于試樣厚度的1/10,；

彎曲試驗(yàn)通常在萬能材料試驗(yàn)機(jī)或壓力機(jī)上進(jìn)行,；常用的彎曲裝置有支輥式、V型模具式、虎鉗式,、板式等,。

2.2.5 彎曲試驗(yàn)的力學(xué)分析

彎曲曲線是通過彎曲試驗(yàn)得到的彎曲載荷和試樣彎曲撓度的關(guān)系曲線。

試樣彎曲時(shí),，受拉側(cè)表面的最大正應(yīng)力：σ=M/W,。（M—最大彎矩，三點(diǎn)彎曲：M=FLs/4,；四點(diǎn)彎曲：M=Fa/2,；W—抗彎截面系數(shù)，對(duì)于直徑為d的圓形試樣：W=πd³/32,；對(duì)于寬帶為b,，高為h的矩形試樣：W=bh²/6。

2.2.6 性能指標(biāo)

抗彎強(qiáng)度——試樣彎曲至斷裂前達(dá)到的,，按彈性彎曲應(yīng)力公式計(jì)算得到的最大彎曲應(yīng)力,，用符號(hào)σ_bb表示：σ_bb=M_b/W（M_b—斷裂時(shí)的彎矩）

灰鑄鐵的抗彎性能優(yōu)于抗拉性能。

斷裂撓度f_bb——將試樣對(duì)稱地安放在彎曲試驗(yàn)裝置上,，撓度計(jì)裝在試樣中間的測(cè)量位置上,，對(duì)試樣連續(xù)施加彎曲力，直至試樣斷裂,，測(cè)量試樣斷裂瞬間跨距中點(diǎn)的撓度,。

2.3 剪切試驗(yàn)

2.3.1 概述

剪切試驗(yàn)用于測(cè)試材料的剪切強(qiáng)度，剪切試驗(yàn)實(shí)際上就是測(cè)定試樣剪切破壞時(shí)的最大錯(cuò)動(dòng)力,。

受剪切力作用的工程結(jié)構(gòu)件有螺栓,、銷釘、鉚釘?shù)取?/span>

作用在試樣兩個(gè)側(cè)面的載荷,，其合力為大小相等,、方向相反、作用線相距很近的一對(duì)力,，如圖所示：

2.3.2 剪切試驗(yàn)分類

一般分為單剪試驗(yàn),、雙剪試驗(yàn)、沖孔試驗(yàn),、開縫剪切試驗(yàn)和復(fù)合鋼板剪切試驗(yàn)等,。

2.3.4 試樣及試驗(yàn)裝置

剪切試樣根據(jù)剪切試驗(yàn)方法和夾具確定。

圓柱形試樣：試樣直徑和長(zhǎng)度根據(jù)夾具確定,，一般取直徑為5,，10，15mm,。沖孔板狀試樣：薄板不能做成圓柱形試樣時(shí),，可用沖孔剪切試樣，板狀試樣厚度一般小于5mm。實(shí)際零件剪切試樣：用實(shí)際零件如鉚釘,、螺栓等。

2.3.5 剪切性能的測(cè)定

室溫剪切試驗(yàn)應(yīng)在10~35℃下進(jìn)行,；

對(duì)不同的試樣,，選擇合適的裝置，裝置安裝時(shí),，與試驗(yàn)機(jī)的壓頭中心線一致,，不   得偏心；

剪切試驗(yàn)速度≯15mm/min,，高溫≯5mm/min,；

高溫剪切試驗(yàn)：試驗(yàn)升溫時(shí)間≯1h，保溫時(shí)間為15～30min,。

2.3.6 剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試樣剪斷后,，記下剪切試驗(yàn)過程的最大試驗(yàn)力F。按以下公式計(jì)算抗剪強(qiáng)度τ_b,，MPa,。

單剪抗剪強(qiáng)度：τ_b=F/S₀（S₀—試樣原始橫截面積，mm²）

雙剪抗剪強(qiáng)度：τ_b=F/2S₀=2F/(πd²)（S₀—試樣原始橫截面積,，mm²）

雙剪抗剪強(qiáng)度：τ_b=F/(πd₀t)（d₀—沖孔直徑,，mm²；t——試樣厚度,，mm）

抗剪強(qiáng)度的計(jì)算精確到3位有效數(shù),。

剪斷后發(fā)生彎曲、斷口出現(xiàn)鍥形,、橢圓形等剪切截面,，結(jié)果無效，應(yīng)重做,。

2.4    扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

2.4.1 概述

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是測(cè)定材料抵抗扭矩作用的一種試驗(yàn),，是材料機(jī)械性能試驗(yàn)的基本試驗(yàn)方法之一。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是對(duì)試樣施加扭矩T,，測(cè)量扭矩T及相應(yīng)的扭角φ ,，繪制出扭轉(zhuǎn)曲線圖，一般扭至斷裂,，以便測(cè)定金屬材料的各項(xiàng)扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能指標(biāo),。

在機(jī)械、石油,、冶金等工程中有許多機(jī)械零部件承受扭轉(zhuǎn)載荷作用的實(shí)例,，如如軸、彈簧等需進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

扭轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力狀態(tài)的柔度系數(shù)較大,，因而可用于測(cè)定那些在拉伸時(shí)表現(xiàn)為脆性的材料,。如：淬火低溫回火工具鋼的塑性。

圓柱試件在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí),，整個(gè)長(zhǎng)度上的塑性變形始終是均勻的,。試件截面及標(biāo)距長(zhǎng)度基本保持不變，不會(huì)出現(xiàn)靜拉伸時(shí)試件上發(fā)生的頸縮現(xiàn)象,。

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以明確地區(qū)分材料的斷裂方式,，正斷或切斷。對(duì)于塑性材料,，斷口與試件的軸線垂直,，斷口平整并有回旋狀塑性變形痕跡。

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí),，試件截面上的應(yīng)力應(yīng)變分布表明,，該試驗(yàn)對(duì)金屬表面缺陷顯示很大的敏感性。因此,，可利用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究或檢驗(yàn)工件熱處理的表面質(zhì)量和各種表面強(qiáng)化工藝的效果,。

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，試件受到較大的切應(yīng)力,，因而還被廣泛地應(yīng)用于研究有關(guān)初始塑性變形的非同時(shí)性的問題,。如彈性后效、彈性滯后以及內(nèi)耗等,。

2.4.2 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的應(yīng)用

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可用于測(cè)定塑性材料和脆性材料的剪切變形和斷裂的全部力學(xué)性能指標(biāo),，并且還有著其他力學(xué)性能試驗(yàn)方法所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

扭轉(zhuǎn)斷口形態(tài)

（a—切斷斷口,，b—正斷斷口,，c—層狀斷口）

塑性材料斷口與試件的軸線垂直，斷口平整并有回旋狀塑性變形痕跡（圖a）,，這是由切應(yīng)力造成的切斷,；

脆性材料斷口約與試件軸線成45度成螺旋狀（圖b）；
如果材料的軸向切斷抗力比橫向的低,，扭轉(zhuǎn)斷裂時(shí)可能出現(xiàn)層狀或木片狀斷口（圖c）,。

可以根據(jù)斷口特征，判斷產(chǎn)生斷裂的原因以及材料的抗扭強(qiáng)度和抗拉（壓）強(qiáng)度相對(duì)大小,。

2.4.3 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的原理

在試驗(yàn)過程中,，隨著扭矩的增大，試件標(biāo)距兩端截面不斷產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),，使扭轉(zhuǎn)角的增大,，利用試驗(yàn)機(jī)的繪圖裝置繪出曲線,，即M_n—φ曲線（又稱扭轉(zhuǎn)圖）來描述。

根據(jù)材料性能的不同,，扭轉(zhuǎn)曲線可以分為兩種典型——低碳鋼和鑄鐵,。

扭轉(zhuǎn)圖與拉伸試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力—應(yīng)變曲線相似，這是因?yàn)樵谂まD(zhuǎn)時(shí)試件的形狀不變,，其變形始終是均勻的,，即使進(jìn)入塑性變形階段，扭矩仍隨變形的增大而增加,，直至試件斷裂,。

屈服強(qiáng)度τ_s=(3/4)(M_s/W_n)

抗扭強(qiáng)度極限τ_b=(3/4)(M_b/W_n)

鑄鐵的M_n—φ 曲線加載到一定程度就較明顯地偏離了直線直至斷裂,。說明鑄鐵扭斷前的塑性變形較拉伸時(shí)明顯,。鑄鐵斷裂時(shí)的最大剪應(yīng)力定義為強(qiáng)度極限記作τ_b。

τ_b=(3/4)(M_b/W_n)

2.4.4 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的試樣

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,，分為圓柱形試樣和管形試樣兩類,。

圓柱形試樣推薦采用直徑為10mm,，標(biāo)距分別為50mm和10mm，平行長(zhǎng)度分別為70mm和120mm的試樣,。如采用其他直徑的試樣,，其平行長(zhǎng)度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍直徑。

管形試樣的平行長(zhǎng)度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍外直徑,。

2.3.5 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的儀器設(shè)備

允許使用不同類型的機(jī)械式或電子式扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī),。試驗(yàn)機(jī)扭矩示值相對(duì)誤差應(yīng)不大于士1%,，應(yīng)由計(jì)量部門定期進(jìn)行檢定,；

試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)機(jī)兩夾頭中之一應(yīng)能沿軸向自由移動(dòng),，對(duì)試樣無附加軸向力,，兩夾頭保持同軸；

試驗(yàn)機(jī)應(yīng)能對(duì)試樣連續(xù)施加扭矩,，無沖擊和震動(dòng),，在30s內(nèi)保持扭矩恒定。

允許使用不同類型的扭轉(zhuǎn)計(jì)測(cè)量扭角,，如鏡式扭轉(zhuǎn)計(jì),、表式扭轉(zhuǎn)計(jì)、電子型扭轉(zhuǎn)計(jì)等,，推薦使用電子型扭轉(zhuǎn)計(jì)。

1—試樣,；2—固定夾塊,；3—緊定螺母,；

4—旋轉(zhuǎn)夾塊,；5—標(biāo)距標(biāo)尺；6—數(shù)字百分表

2.3.6 相關(guān)力學(xué)性能

試驗(yàn)條件：試驗(yàn)應(yīng)在室溫10～35℃下進(jìn)行,；扭轉(zhuǎn)速度:屈服前應(yīng)在3°～30°/min范圍內(nèi),，屈服后不大于720°/min,。速度的改變應(yīng)無沖擊,。

（1）剪切模量的測(cè)定

用自動(dòng)記錄方法記錄扭矩—扭角曲線。在曲線的彈性直線段上讀出扭矩增量和扭角增量,。

扭矩—扭角曲線

剪切模量：G=(△TL_e)/(△ΦI_p)

L_e—扭轉(zhuǎn)計(jì)標(biāo)距,；I_p—極慣性矩

在彈性直線段范圍內(nèi)，用不少于5級(jí)等扭矩對(duì)試樣加載,。記錄每級(jí)扭矩和相應(yīng)的扭角,，計(jì)算出平均每級(jí)扭角增量，按圖解法中公式計(jì)算剪切模量G,。

（2）規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的測(cè)定

用自動(dòng)記錄方法記錄扭矩—扭角曲線,。在曲線上延長(zhǎng)彈性直線段交扭角軸于O點(diǎn),，截取OC段，過C點(diǎn)作彈性直線段的平行線CA交曲線于A點(diǎn),，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的扭矩為T_p,。

規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度：τ_b=T_p/W

（3）上、下屈服強(qiáng)度的測(cè)定

采用圖解法或指針法測(cè)定,，試驗(yàn)時(shí)用自動(dòng)記錄方法記錄扭轉(zhuǎn)曲線,，或直接觀測(cè)試驗(yàn)機(jī)扭矩度盤指針的指示。

首次下降前的最大扭矩為上屈服扭矩,，屈服階段中不計(jì)初始瞬間效應(yīng)的最小扭矩為下屈服扭矩,。

上屈服強(qiáng)度：τ_eH=T_eH/W

下屈服強(qiáng)度：τ_eL=T_eL/W

（4）扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的測(cè)定

對(duì)試樣連續(xù)施加扭矩，直至扭斷,。從記錄的扭轉(zhuǎn)曲線或試驗(yàn)機(jī)扭矩度盤上讀出試樣扭斷前所承受的最大扭矩,，用公式計(jì)算抗扭強(qiáng)度。

抗扭強(qiáng)度：τ_m=T_m/W

(τ_m—抗扭強(qiáng)度,；T_m—最大扭矩,；W—截面系數(shù))

2.3.7 試樣斷口分析

碳鋼破壞斷口形狀：平面斷口

表明斷裂是由剪應(yīng)力引起的。斷面上可看出回旋狀塑性變形的痕跡,，是典型的韌狀斷口,。斷裂時(shí)的剪應(yīng)力定義為強(qiáng)度極限記作τ_b 。

鑄鐵破壞斷口形狀：45°螺旋斷口

表明斷裂是由最大拉應(yīng)力引起的,。而最大拉應(yīng)力先于最大剪應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限后發(fā)生斷裂又說明了鑄鐵的抗拉能力弱于其抗剪能力,。

純扭轉(zhuǎn)時(shí)圓試樣的表面處于純剪應(yīng)力狀態(tài)，與桿軸成±45o角的螺旋面上分別作用著兩個(gè)主應(yīng)力:  σ₁,、σ₃ 并與最大剪應(yīng)力τmax絕對(duì)值數(shù)值相等,。因此試樣的斷口角度直接顯示材料是拉斷還是剪斷、材料自身抗拉,、抗剪能力的強(qiáng)弱由此得到直接地比較,。

純扭轉(zhuǎn)時(shí)圓試樣的表面處于純剪應(yīng)力狀態(tài)

2.5 硬度試驗(yàn)

2.5.1 概述

硬度表征的是固體材料抵抗局部變形，特別是塑性變形,、壓痕或劃痕的能力,，反映了材料的軟硬程度。

硬度不是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理概念,，而是材料彈性,、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo),。如刻劃法型硬度試驗(yàn)表征金屬抵抗破裂的能力,，而壓入法型硬度試驗(yàn)表征金屬抵抗變形的能力。

硬度數(shù)據(jù)與其他力學(xué)性能存在一定關(guān)系，如抗拉強(qiáng)度,。原因在于硬度和抗拉強(qiáng)度都與大塑性變形抗拉有關(guān),。

2.5.2 硬度的測(cè)試方法及分類

硬度試驗(yàn)是應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn)，根據(jù)受力方式,，可分為壓人法和劃痕法,。在壓入法中，按照加力速度不同又可分為靜態(tài)力試驗(yàn)法和動(dòng)態(tài)力試驗(yàn)法,。通常所采用的布氏硬度,、洛氏硬度和維氏硬度等均屬于靜態(tài)力試驗(yàn)法，肖氏硬度,、里氏硬度和錘擊布氏硬度等屬于動(dòng)態(tài)力試驗(yàn)法,。

硬度測(cè)試方法的分類

硬度測(cè)量方法的使用范圍

其中肖氏硬度也稱為回跳法，所以又可以分為：壓入法,、彈性回跳法和劃痕法,。

同一類方式的硬度可以換算；不同類方式則只能采用同一種材料進(jìn)行標(biāo)定,。

實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單,，無須加工試樣；

造成的表面損傷小,，基本屬于“無損”或微損檢測(cè)范圍,；

與其他靜載荷下的力學(xué)性能指標(biāo)之間存在一定關(guān)系，如可以由硬度大致推測(cè)強(qiáng)度值,；

測(cè)量范圍大可至多個(gè)晶粒,，小可測(cè)單個(gè)晶粒，甚至幾個(gè)原子范圍（納米壓痕儀(NanoIndenter)）,。

2.5.3 概念

布氏硬度（HB）：材料抵抗通過硬質(zhì)合金球壓頭施加試驗(yàn)力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位,。

努氏硬度（HK）：材料抵抗通過金剛石菱形錐體壓頭施加試驗(yàn)力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。

肖氏硬度（HS）：應(yīng)用彈性回跳法將撞銷（具有尖端的小錐,，尖端上鑲有金剛鉆）從一定高度落到所測(cè)試材料的表面上而發(fā)生回跳,，用測(cè)得的撞銷回調(diào)高度來表示的硬度。

洛氏硬度（HR）：材料抵抗通過硬質(zhì)合金,，或?qū)?yīng)某一標(biāo)尺的金剛石圓錐體壓頭施加試驗(yàn)力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。

維氏硬度（HV）：材料抵抗通過金剛石正四棱錐體壓頭施加試驗(yàn)力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位,。

里氏硬度（HL）：將規(guī)定質(zhì)量的沖擊體,，在彈性力作用下以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值計(jì)算的硬度值,。

標(biāo)準(zhǔn)塊：用于壓痕硬度計(jì)間接檢驗(yàn),、帶有檢定合格的壓痕值得標(biāo)準(zhǔn)塊狀物質(zhì)。

硬度測(cè)試試驗(yàn)

2.5.4 硬度與材料抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

金屬的壓入硬度與抗拉強(qiáng)度成正比例關(guān)系：

σ_b=kHB

其中k為比例系數(shù)，不同金屬材料的k值不同,，同一種類的金屬經(jīng)過熱處理后,，硬度和強(qiáng)度發(fā)生變化，但k值基本保持不變,；

經(jīng)過冷變形后,，金屬材料的k值不再是常數(shù)；

鋼鐵材料的k大約是3.3,；

精確的強(qiáng)度數(shù)據(jù)要靠直接測(cè)量得到,。

2.5.5 布氏硬度

原理：用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面,，保持規(guī)定時(shí)間卸載后,，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以此計(jì)算出硬度值,。

壓頭：淬火鋼球或硬質(zhì)合金鋼球,。

載荷、壓頭直徑,、保持時(shí)間是布氏硬度試驗(yàn)三要素,。

布氏硬度的表示方法

布氏硬度值單位為公斤力/mm²（N/mm²）；布氏硬度上限值為HB650,，不能高于此值,。

優(yōu)點(diǎn)：壓痕面積大，反映較大范圍內(nèi)材料的硬度性能,；試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定,，重復(fù)性好，應(yīng)用廣泛,；適用于晶粒粗大,、相組成復(fù)雜、相尺寸較大的材料,。

缺點(diǎn)：屬于有損檢測(cè),，壓痕較大，不能在成品表面進(jìn)行檢測(cè),；操作復(fù)雜,，效率低，不能連續(xù)檢測(cè),。

布氏硬度測(cè)試設(shè)備

2.5.6  洛氏硬度

原理：用金剛石圓錐或淬火鋼球壓頭,，在試驗(yàn)壓力F的作用下，將壓頭壓入材料表面,，保持規(guī)定時(shí)間后,，去除主試驗(yàn)力，保持初始試驗(yàn)力，用殘余壓痕深度增量計(jì)算硬度值,，實(shí)際測(cè)量時(shí),，可通過試驗(yàn)機(jī)的表盤直接讀出洛氏硬度的數(shù)值。

洛氏硬度載荷較大,，不宜用于測(cè)量極薄試樣和表面硬化層,，采用表面洛氏硬度測(cè)量。

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單迅速,，效率高,，可直接讀出硬度值；壓痕小,，可測(cè)量成品或較薄工件,；可測(cè)量軟硬不同的材料硬度。

缺點(diǎn)：壓痕較小,，代表性差,；材料有偏析或組織不均勻時(shí)，數(shù)據(jù)重復(fù)性差,；不同等級(jí)的洛氏硬度數(shù)據(jù)不具可比性,。

壓頭—頂角120°金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球

1-1 —加上初載荷后壓頭的位置；

2-2 —加上初載荷+主載荷后壓頭的位置,；

3-3 —卸去主載荷后壓頭的位置,；

he —卸去主載荷的彈性恢復(fù)；

洛氏硬度標(biāo)尺

洛氏硬度的表示方法

洛氏硬度試驗(yàn)設(shè)備

2.5.7  維氏硬度

原理：在一定的靜檢測(cè)力作用將壓頭下壓入試樣的表面,，保持規(guī)定時(shí)間后卸除檢測(cè)力,，試樣表面留下四方錐形的壓痕。計(jì)算出壓痕凹印面積,，維氏硬度是檢測(cè)力除以壓痕表面積所得的商,。

壓頭——金剛石材質(zhì)，正四棱錐體,，面角為136°

維氏硬度檢測(cè)時(shí)對(duì)于硬度均勻的材料可以任意選擇檢測(cè)力,，其硬度值不變，這是維氏硬度檢測(cè)法最大的優(yōu)點(diǎn),。

選擇面角為136°的角錐體,，是為了使維氏硬度和布氏硬度有相近的示值以便進(jìn)行比較。

表示方法：HV前面的數(shù)值為硬度值,，后面為試驗(yàn)力值,。標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)保持時(shí)間為10 ~ 15s，超出范圍需要標(biāo)注上保持時(shí)間,。600HV30—表示采用30kgf的試驗(yàn)力，保持10 ~ 15s得到的硬度值為600；600HV30/20—表示采用30kgf的試驗(yàn)力,，保持20s得到的硬度值為600,。

適用范圍：按試驗(yàn)力的大小，分為維氏硬度,、小負(fù)荷維氏硬度,、顯微維氏硬度。維氏硬度檢測(cè)：除特別小和薄試樣層的樣品外,，測(cè)量范圍可覆蓋所有金屬,。小負(fù)荷維氏硬度檢測(cè)：特別適宜于測(cè)量鋼表面強(qiáng)化層及化學(xué)熱處理表面層以及各種滲層、渡層等的表面硬度,。顯微維氏硬度檢測(cè)：除用于產(chǎn)品的硬度檢驗(yàn)外,，在金屬學(xué)、金相學(xué)研究方面也是最常用的試驗(yàn)方法之一,。

優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣,，從極軟到極硬材料都可測(cè)量；測(cè)量精度高,，可比性強(qiáng),；硬度值與試驗(yàn)力大小無關(guān)。

缺點(diǎn)：測(cè)量操作較麻煩,，測(cè)量效率低,；不適于大批生產(chǎn)和測(cè)量組織不均勻材料。

維氏硬度試驗(yàn)設(shè)備

2.5.8 顯微硬度

顯微硬度是指一般指加載小于0.2kgf的硬度試驗(yàn),，分為顯微維氏硬度和顯微努氏硬度,。

顯微硬度測(cè)定極小范圍內(nèi)的硬度，幾乎不損壞試樣,，例如某個(gè)晶粒,、組成相或夾雜物的硬度，顯微硬度可測(cè)陶瓷,、玻璃,、瑪瑙等脆性材料的硬度，且靈敏度高,，適合評(píng)定細(xì)線材的加工硬化程度,。

維氏壓頭壓痕（左）、努氏壓頭壓痕（右）

（1）金屬材料和金相的研究：廣泛用于測(cè)定金屬及合金中各組成相的硬度,，剖析其對(duì)合金性能的供獻(xiàn),，為合金的正確設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）金屬表面層性能的研究：擴(kuò)散層性能的研究,，例如滲碳層,，氮化層,，金屬擴(kuò)散層等；（表面加工硬化層性能的研究,。如金屬表層受機(jī)械加工,，熱加工的影響。

（3）晶粒內(nèi)部不均勻性的研究,；

（4）極細(xì)薄金屬制成品硬度的測(cè)量,。

2.5.9 肖氏硬度

原理：將規(guī)定形狀的金剛石沖頭從固定的高度h₀落在試樣表面上，沖頭彈起一定高度h,，用h與h₀的比值計(jì)算肖氏硬度值（材料的硬度與回調(diào)高度成正比）,。與前面三種靜態(tài)壓入法硬度不同，肖氏硬度是一種動(dòng)態(tài)力試驗(yàn)法,。

肖氏硬度計(jì)及結(jié)構(gòu)圖

試樣要求：試樣的質(zhì)量應(yīng)至少在0.1kg以上,，厚度一般應(yīng)在10mm以上；試樣的試驗(yàn)面積應(yīng)盡可能大,；表面應(yīng)無氧化皮及外來污物,，不應(yīng)帶有磁性。

表示方法：HS前數(shù)字表示硬度數(shù)值,，HS后表示硬度標(biāo)尺類型,。45HSC—表示C型硬度計(jì)測(cè)定的硬度值為45；45HSD—表示D型硬度計(jì)測(cè)定的硬度值為45,。

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單,、效率高；試驗(yàn)后幾乎不產(chǎn)生壓痕,，可在成品件上試驗(yàn)

缺點(diǎn)：測(cè)量精度低,、重復(fù)性差，適合精度要求高的測(cè)試,。

2.6 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

 材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能

3.1 概述

沖擊試驗(yàn)是利用能量守恒原理,，將具有一定形狀和尺寸的帶有V型或U型缺口的試樣，在沖擊載荷作用下沖斷,，以測(cè)定其吸收能量的一種試驗(yàn)方法,。沖擊試驗(yàn)對(duì)材料的缺陷很敏感，能靈敏地反映出材料的宏觀缺陷,、顯微組織的微小變化和材料質(zhì)量,。

材料抵抗沖擊載荷的能力稱為材料的沖擊性能。沖擊載荷是指以較高的速度施加到零件上的載荷,，當(dāng)零件在承受沖擊載荷時(shí),，瞬間沖擊所引起的應(yīng)力和變形比靜載荷時(shí)要大的多。

沖擊載荷和靜載荷的區(qū)別在于加載速率不同,。加載速率是指載荷施加于試樣或機(jī)件的速率,，用單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力增加的數(shù)值表示,。 用形變速率（又分為絕對(duì)形變速率和相對(duì)形變速率）間接反映加載速率的變化。

工程中,，還有許多機(jī)件是快速加載即沖擊載荷及低溫條件下工作的,，如：汽車在凸凹不平的道路上行駛,；飛機(jī)的起飛和降落,；材料的壓力加工等；其性能將與常溫,、靜載的不同,。

3.2 概念

夏比沖擊試驗(yàn)：用規(guī)定高度的擺錘對(duì)處于簡(jiǎn)支梁狀態(tài)的缺口試樣進(jìn)行一次性沖擊，并測(cè)量試樣折斷時(shí)的吸收能量的試驗(yàn),。V形缺口由于應(yīng)力集中較大,，應(yīng)力分布對(duì)缺口附近體積塑性變形的限制較大而使塑性變形更難進(jìn)行。

不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力：力-位移曲線急劇下降開始時(shí)的力,。

不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止力：力-位移曲線繼續(xù)下降終止時(shí)的力,。

沖擊試樣斷口：沖擊試樣沖斷口的斷裂表面及臨近表面的區(qū)域。其宏觀外貌一般呈晶狀,，纖維狀或混合狀,。

晶狀斷面：斷裂表面一般呈現(xiàn)金屬光澤的晶狀顆粒，無明顯塑性變形的齊平斷面,。

纖維狀斷面：斷口中纖維區(qū)的總面積與缺口下方原始截面面積的百分比,。

側(cè)膨脹值：斷裂試樣缺口側(cè)面每側(cè)寬度較大增加量之和。

3.3 沖擊載荷下材料變形斷裂特點(diǎn)

沖擊載荷下,，機(jī)件,、與機(jī)件相連物體的剛度都直接影響沖擊過程的時(shí)間，從而影響加速度和慣性力的大小,。

沖擊過程時(shí)間短,，測(cè)量不準(zhǔn)確，通常假定沖擊能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)件內(nèi)的彈性能,，再按能量守恒法計(jì)算,。

金屬材料在沖擊載荷作用下塑性變形難以充分進(jìn)行。

靜載荷作用時(shí)：塑性變形比較均勻的分布在各個(gè)晶粒中,；

沖擊載荷作用時(shí)：塑性變形則比較集中于某一局部區(qū)域,，反映了塑性變形不均勻

這種不均勻限制了塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致了屈服強(qiáng)度,、抗拉強(qiáng)度的提高,。

純鐵的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1—沖擊載荷；2—靜載荷

塑性,、韌性隨應(yīng)變率的增加而變化的特征與斷裂方式有關(guān)：如果在一定加載條件及溫度下,，材料產(chǎn)生正斷,，則斷裂應(yīng)力變化不大，塑性隨著應(yīng)變率的增加而減??；

如果材料產(chǎn)生切斷，則斷裂應(yīng)力隨著應(yīng)變率提高顯著增加,，塑性的變化不一定,，可能不變或提高。

韌性材料沖擊試樣斷口示意圖

同樣也為纖維區(qū),、放射區(qū),、剪切唇三個(gè)區(qū)；

若試驗(yàn)材料具有一定的韌性,，可形成兩個(gè)纖維區(qū)即： 纖維區(qū)—放射區(qū)—纖維區(qū)—剪切唇,；

裂紋快速擴(kuò)展形成結(jié)晶區(qū)，到了壓縮區(qū)后,，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,，裂紋擴(kuò)展速度再次減小，形成纖維區(qū),。

3.4 沖擊彎曲與沖擊韌性

（1）沖擊韌性

沖擊韌性是指材料在沖擊載荷作用下吸收（彈性變形功）塑性變形功和斷裂功的能力,。常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功A_K來表示。

作用：揭示冶金缺陷的影響,；對(duì)σ_s大致相同的材料,，評(píng)定缺口敏感性；評(píng)定低溫脆性傾向,。

試樣尺寸：10mm×10mm×55mm

試樣分為缺口試樣和無缺口試樣,。缺口試樣又分為夏比V型缺口沖擊試樣和夏比U型缺口沖擊試樣。無缺口試樣適用于脆性材料（球鐵,、工具鋼,、淬火鋼等）

沖擊試樣開缺口的目的：使缺口附近造成應(yīng)力集中，保證試樣一次就被沖斷且使斷裂發(fā)生在缺口處,。缺口的深度和尖銳程度對(duì)沖擊吸收功影響顯著,。缺口越深、越尖銳,，A_k值越小,，材料表現(xiàn)的脆性越大。所以,，不同類型和尺寸的試樣的A_k值不能相互換算和直接比較,。

（2）沖擊彎曲

試驗(yàn)在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

試驗(yàn)過程：將樣品水平放在試驗(yàn)機(jī)的支座上,，缺口位于沖擊相背的方向,。然后將具有一定質(zhì)量m的擺錘舉至一定高度H1,，使其獲得一定位能mgH1

釋放擺錘沖斷試樣，擺錘的剩余能量為mgH2,，則擺錘沖斷試樣失去的位能為mgH1-mgH2,，這就是試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收功,，以A_K表示,，單位為J,。

對(duì)采用U型缺口和V型缺口的試樣,，其沖擊功分別用A_ku 和A_kv來表示。試驗(yàn)前需對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行校核,。

在最新現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T229-2007《金屬材料  夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》中規(guī)定：沖擊吸收能量k代替沖擊吸收功A_k,。

JB-S300數(shù)顯沖擊試驗(yàn)機(jī)

(擺錘預(yù)揚(yáng)角：150°；擺軸中心至打擊中心的距離：750mm,、800mm,；沖擊速度：5.2m/s~5.4m/s；最大沖擊能量：300J/500J,、500J/250J)

JB-300/500W微機(jī)控制沖擊試驗(yàn)機(jī)

(沖擊能量：300J、150J/500J,、250J；擺錘預(yù)揚(yáng)角：150°,；沖擊速度：5.2m/s~/5.4m/s,；試樣支座跨距：40mm)

3.5 沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用

沖擊試驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)就是測(cè)量迅速簡(jiǎn)便。沖擊吸收能量K的大小對(duì)材料的組織十分敏感,，能反映出材料品質(zhì),、宏觀缺陷和顯微組織的微小變化,。

沖擊試驗(yàn)主要應(yīng)用在以下兩個(gè)方面：

（1）控制材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的質(zhì)量

通過測(cè)量K值和對(duì)樣品進(jìn)行斷口分析,，可以：檢驗(yàn)冶金缺陷——夾渣、氣泡,、嚴(yán)重分層,、偏析以及夾雜物超級(jí)等缺陷；檢驗(yàn)熱加工后質(zhì)量——鑄造,、鍛造,、焊接及熱處理后過熱、過燒,、回火脆性,、淬火和鍛造裂紋等缺陷；

（2）評(píng)定材料的冷脆傾向

根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)（低溫沖擊試驗(yàn)）可得K與溫度的關(guān)系曲線,，測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,，可以評(píng)定材料的低溫脆性傾向。

三種不同冷脆傾向的材料

3.6 低溫脆性現(xiàn)象

體心立方晶體金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及其合金,，特別是工程上常用的中,、低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（鐵素體-珠光體鋼），在試驗(yàn)溫度低于某一溫度t_k時(shí),，會(huì)由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài),，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀,，這就是低溫脆性，又稱為冷脆,。這種轉(zhuǎn)變稱為韌脆轉(zhuǎn)變,。轉(zhuǎn)變溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，又稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度,。

Titanic號(hào)鋼板(左圖)和近代船用鋼板(右圖)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

Titanic號(hào)采用了含硫高的鋼板,，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以,，沖擊試樣是典型的脆性斷口,。

斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨時(shí)間變化示意圖

低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨著溫度的降低急劇增加的結(jié)果；見右圖,，屈服點(diǎn)隨著溫度的下降而升高,，但材料的斷裂強(qiáng)度隨著溫度的變化很小,；兩線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度就是t_k,。

3.7 韌脆轉(zhuǎn)變溫度

常用根據(jù)能量、塑性變形或斷口形貌隨溫度的變化來定義韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k,。

低溫脆性金屬材料的系列沖擊結(jié)果

沖擊功隨溫度的變化而變化,，能量法有三種:(1)以低階能開始上升的溫度定義為t_k，記為NDT（Nil Ductility Temperature）稱為無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度;(2)以高階能對(duì)應(yīng)的溫度定義為t_k,，記為FTP(Fracture Transition Plastic),，較為保守的方法;(3)以低階能和高階能平均值對(duì)應(yīng)的溫度定義為t_k，記為FTE(Fracture Transition Elastic),。

試驗(yàn)表明,，在不同試驗(yàn)溫度下，纖維區(qū),、放射區(qū)與剪切唇三者之間的相對(duì)面積（或線尺寸）是不同的。

溫度下降,，纖維區(qū)面積突然減少,，結(jié)晶區(qū)面積突然增加，材料由韌變脆,。

通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個(gè)斷口面積的50%時(shí)的溫度為t_k,，記為50%FATT或FATT₅₀、t₅₀,。

韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k可用于抗脆斷設(shè)計(jì),、保證機(jī)件服役安全，但不能直接用來設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)件的承載能力或截面尺寸,；機(jī)件的最低使用溫度必須高于t_k,，兩者相差越大越安全，所以選用的材料應(yīng)該具有一定的韌性溫度儲(chǔ)備,，也就是說具有一定的△值,，△=t₀-t_k。

3.8 落錘試驗(yàn)

50年代初,，美國(guó)海軍研究所派林尼（W.S.Pellini）等人提出了落錘試驗(yàn)方法,，用于測(cè)定全厚鋼板的零塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT，以作為評(píng)定材料的性能標(biāo)準(zhǔn)。

落錘試驗(yàn)示意圖

（重錘錘頭是一個(gè)半徑為25mm的鋼制圓柱,，硬度不小于50HRC,。重錘可升到不同高度，以獲得340-1650J的能量,。）

試樣冷卻到一定溫度后放在砧座上,，使有焊肉的軋制面向下處于受拉側(cè)，然后落下重錘進(jìn)行打擊,。隨著試樣溫度的下降,，其力學(xué)行為發(fā)生如下變化：

不裂→拉伸側(cè)表面形成裂紋，但未發(fā)展到邊緣→拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊→斷裂,。

一般取拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊的最高溫度為——NDT,。

NDT設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：保證承載時(shí)鋼的NDT＜工作溫度，此時(shí)高應(yīng)力區(qū)的小裂紋處不會(huì)造成脆性斷裂,；

NDT+33℃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)結(jié)構(gòu)鋼而言,，FTE≈NDT+33℃，適用于原子能反應(yīng)堆壓力容器標(biāo)準(zhǔn),；

NDT+67℃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：適用于全塑性斷裂,，在塑性超載條件下，仍能保證最大限度的抗斷能力,，也適用于原子能反應(yīng)堆壓力容器標(biāo)準(zhǔn),。

TLC-300落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)

3.9 斷裂分析圖

斷裂分析圖通過落錘試驗(yàn)所得NDT可以建立斷裂分析圖Fracture Analysis Diagram,，表示許用應(yīng)力,、缺陷（裂紋）和溫度之間的關(guān)系曲線,。

斷裂分析圖

A’BC線，又稱為斷裂終止線(CAT),，表示不同應(yīng)力水平下脆性裂紋擴(kuò)展的終止溫度,。

3.10 影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素

材料的脆性傾向本質(zhì)上是其塑性變形能力對(duì)低溫和高加載速率的適應(yīng)性的反映。

材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響因素主要有：化學(xué)成分,、晶粒尺寸,、顯微組織。

合金元素對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響

間隙溶質(zhì)元素含量增加,，高階能下降,，韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k提高；置換原子只有Ni,、Mn降低t_k ,；S、P,、As等偏聚與晶界,，降低材料韌性,。

韌脆轉(zhuǎn)變溫度與鐵素體晶粒直徑的關(guān)系

（細(xì)化晶粒，材料的韌性增加,，韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k降低）

分析：晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力,；晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中,；晶界總面積增加,，使晶界上雜質(zhì)濃度減小，避免了產(chǎn)生沿晶脆性斷裂,。

顯微組織的韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k由高到低：珠光體>上貝氏體>鐵素體>下貝氏體>回火馬氏體,。

球化處理可改善鋼的韌性；在某些馬氏體鋼中存在奧氏體,，可以抑制解理斷裂,；鋼中夾雜物、碳化物等第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)鋼的脆性有重要影響,，無論第二相位于晶界還是獨(dú)立于基體中,，當(dāng)尺寸增大時(shí)材料韌性下降，t_k升高,。

3.11 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

材料在變動(dòng)載荷下的力學(xué)性能

4.1 概述

工程中很多機(jī)件和構(gòu)件都是在變動(dòng)載荷下工作,，如曲軸、連桿,、齒輪,、彈簧、輥?zhàn)?、葉片及橋梁等,，其失效形式主要是疲勞斷裂。

疲勞是指機(jī)件和構(gòu)件在服役過程中,，由于承受變動(dòng)載荷而導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展以致斷裂失效的全過程。變動(dòng)載荷是引起疲勞破壞的外力,，是指載荷大小甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷,，其在單位面積上的平均值為變動(dòng)應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力分為循環(huán)應(yīng)力和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力,。循環(huán)應(yīng)力的波形有正弦波,、矩形波和三角形波等。

疲勞的特點(diǎn)：疲勞是具有壽命的斷裂,，其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料抗拉強(qiáng)度,，甚至低于屈服強(qiáng)度；疲勞是脆性斷裂（突發(fā)性）,；對(duì)缺陷（缺口,、裂紋及組織缺陷）十分敏感。

在載荷下進(jìn)行試驗(yàn)以提供材料或零部件的某種疲勞數(shù)據(jù)的試驗(yàn)稱為疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)按失效循環(huán)次數(shù)可分為高周疲勞試驗(yàn)和低周疲勞試驗(yàn),。高周疲勞試驗(yàn)以應(yīng)力為基本控制參數(shù),，低周疲勞試驗(yàn)以應(yīng)變?yōu)榛究刂茀?shù)。疲勞試驗(yàn)按載荷和環(huán)境可分為室溫疲勞試驗(yàn),、高溫疲勞試驗(yàn),、低溫疲勞試驗(yàn)、熱疲勞試驗(yàn),、腐蝕疲勞試驗(yàn),、接觸疲勞試驗(yàn)和沖擊疲勞試驗(yàn)。

4.2 疲勞斷口

疲勞斷裂經(jīng)歷了裂紋萌生和擴(kuò)展過程,。由于應(yīng)力水平較低,，因此具有較明顯的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個(gè)區(qū)域組成,，即疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)（裂紋源）,、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。

疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線

I區(qū)：裂紋初始擴(kuò)展階段,，10^-8~10^-6mm/周次,，快速提高，但△K變化范圍很小所以提高有限,；

II區(qū)：裂紋擴(kuò)展主要階段,，10-5~10-2mm/周次，da/dN~△K呈冪函數(shù)關(guān)系,，△K變化范圍很大,，擴(kuò)展壽命長(zhǎng)。

Ⅲ區(qū)：裂紋擴(kuò)展最后階段,，da/dN很大,，并隨△K增加而很快地增大，只需擴(kuò)展很少周次即會(huì)導(dǎo)致材料失穩(wěn)斷裂,。

該區(qū)最光亮（該斷面經(jīng)多次摩擦擠壓）,；裂紋源位于裂紋擴(kuò)展區(qū)的貝紋弧線凹向一側(cè)的焦點(diǎn)位置；可以有一個(gè)或者多個(gè)（與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)）,；對(duì)于多個(gè)裂紋源,，一般源區(qū)越亮、裂紋擴(kuò)展區(qū)越大,、貝紋線越密,，則該裂紋源越早產(chǎn)生。

是裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域,；斷口比較光滑并分布有貝紋線（或海灘花樣）,，有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階,；貝紋線是載荷變動(dòng)引起的，貝紋線是一簇以裂紋源為圓心的平行弧線,，近源處則貝紋線距越密,，遠(yuǎn)離源處則貝紋線距越疏。

是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域,；該斷口區(qū)比疲勞區(qū)粗糙,，與靜載的斷口相似（脆性材料斷口呈結(jié)晶狀，韌性材料斷口在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀,，邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在）,；位置一般處于裂紋源的對(duì)側(cè)；區(qū)域大小與材料承受名義應(yīng)力及材料性質(zhì)有關(guān),，高名義應(yīng)力或低韌性材料,，最后斷裂區(qū)大，反之,，最后斷裂區(qū)小,。

4.3 疲勞曲線與疲勞極限

疲勞曲線是疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線，即S-N曲線,，用于確定疲勞極限,、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。

典型的金屬材料疲勞曲線

疲勞極限指材料抵抗無限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的強(qiáng)度指標(biāo),。條件疲勞極限指材料抵抗有限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的強(qiáng)度指標(biāo),。二者統(tǒng)稱為疲勞強(qiáng)度。

對(duì)稱循環(huán)載荷是一種常規(guī)載荷,，有對(duì)稱彎曲,、對(duì)稱扭轉(zhuǎn)及對(duì)稱拉壓等。其對(duì)應(yīng)的疲勞極限稱為σ_－1,、τ_－1,、σ_－1p。其中σ_－1是最常用的對(duì)稱循環(huán)疲勞極限,。

抗拉強(qiáng)度越大,，疲勞極限越大。

鋼的疲勞極限σ_－1與抗拉強(qiáng)度σ_b的關(guān)系

4.4 疲勞試驗(yàn)方法

金屬材料疲勞極限試驗(yàn),，是通過模擬結(jié)構(gòu)或部件的實(shí)際工作情況，在試驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定材料的疲勞曲線,，用以估計(jì)結(jié)構(gòu)或部件的疲勞特性,。

一般該類試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，所需設(shè)備比較復(fù)雜,，但是由于一般的力學(xué)試驗(yàn)如靜力拉伸,、硬度和沖擊試驗(yàn),，都不能夠提供材料在反復(fù)交變載荷作用下的性能，因此對(duì)于重要的零構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)是必須的,。

常用試驗(yàn)方法及其特點(diǎn)

單點(diǎn)疲勞試驗(yàn)法適用于金屬材料構(gòu)件在室溫,、高溫或腐蝕空氣中旋轉(zhuǎn)彎曲載荷條件下服役的情況。

試驗(yàn)設(shè)備：彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī),、抗壓試驗(yàn)機(jī),。

試樣要求：（1）試樣數(shù)量為8 ~ 10根；試樣尺寸要求最小截面直徑d一般取6,，7.8,，9mm，偏差小于0.005d,。

試樣形狀示意圖

試驗(yàn)步驟：（1）安裝試樣,；（2施加載荷P（一般是根據(jù)材料的抗拉強(qiáng)計(jì)算出應(yīng)該施加的載荷大小P），第1根試樣的最大應(yīng)力約為σ₁=（0.6 ~0.7）σ_b,；(3)試樣斷裂后記下壽命N1,，取下試樣描繪疲勞斷口的特征；(4)取另一試樣使其最大應(yīng)力σ₂=（0.40 ~0.45）σ_b ,，重復(fù)步驟①到③測(cè)得疲勞壽命N₂,，若N₂＜10⁷次，則應(yīng)降低應(yīng)力再重復(fù)步驟①到③,，直至N₂＞ 10⁷次,；(5)在σ₁與σ₂之間插入4個(gè)等差應(yīng)力水平，分別為σ₃,，σ₄,，σ₅，σ₆,，逐級(jí)遞減進(jìn)行以上試驗(yàn),，相應(yīng)的壽命分別為N₃，N₄,，N₅,，N₆。

數(shù)據(jù)處理：當(dāng)N₆＜10⁷次,，疲勞極限在σ₂與σ₆之間,，這時(shí)取σ₇=1/2（σ₂+σ₆）再進(jìn)行試驗(yàn)；當(dāng)N₆＞10⁷次,，取σ₇=1/2（σ₅+σ₆）再進(jìn)行試驗(yàn),。

升降法疲勞試驗(yàn)主要用于測(cè)定中、長(zhǎng)壽命區(qū)材料或結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的隨機(jī)特性,。在常規(guī)疲勞試驗(yàn)方法測(cè)定疲勞強(qiáng)度的基礎(chǔ)上或在指定壽命的材料或結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度無法通過試驗(yàn)直接測(cè)定的情況下,，一般采用升降法疲勞試驗(yàn)間接測(cè)定疲勞強(qiáng)度,。

試驗(yàn)設(shè)備：抗壓疲勞試驗(yàn)機(jī)。

試樣形狀示意圖

（試樣數(shù)量：約16根）

升降法示意圖

試驗(yàn)方法：（1）試驗(yàn)從高于疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力水平開始,，然后逐級(jí)降低（如疲勞強(qiáng)度未知,，可選用材料的靜態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度R_p0.2或R_eL）；（2）在應(yīng)力水平下進(jìn)行第一根試驗(yàn),，如果在指定壽命N=10⁷次之前發(fā)生破壞,，則下一根試樣就要在低一級(jí)的應(yīng)力水平下進(jìn)行，反之,，則要在高一級(jí)的應(yīng)力水平下進(jìn)行,，直至完成全部試樣；（3）各級(jí)應(yīng)力水平之差叫做“應(yīng)力增量”,，在整個(gè)試驗(yàn)過程中,，應(yīng)力增量應(yīng)保持不變。

試樣步驟：（1）安裝試樣,；（2）參數(shù)設(shè)置,，在電腦界面設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，如動(dòng)載荷,、頻率,、循環(huán)次數(shù)、試樣工作部分的直徑和橫截面積等,；（3）施加載荷,，所施加的動(dòng)載荷一般為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，波形為正弦波,；（4）終止試驗(yàn),，試樣在規(guī)定循環(huán)應(yīng)力下，通常一直連續(xù)試驗(yàn)至試樣失效或規(guī)定循環(huán)次數(shù),。

數(shù)據(jù)處理：將出現(xiàn)第一對(duì)相反結(jié)果以前的數(shù)據(jù)舍棄,；以V_i表示在第i級(jí)應(yīng)以水平σ_i下進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)，n表示有效試驗(yàn)總次數(shù),，m表示升降應(yīng)力水平的級(jí)數(shù),。

高頻振動(dòng)試驗(yàn)利用試驗(yàn)器材產(chǎn)生含有循環(huán)載荷頻率為1000Hz左右特性的交變慣性力作用于疲勞試樣上，可以滿足在高頻,、低幅,、高循環(huán)環(huán)境條件下服役金屬材料的疲勞性能研究。高頻振動(dòng)試驗(yàn)主要用于軍民機(jī)械工程的需要,。

高頻振動(dòng)試驗(yàn)裝置示意圖

試樣要求：試樣形狀同單點(diǎn)疲勞試樣相同,；試樣材料一般選用高強(qiáng)度鋼。

試驗(yàn)步驟：（1）安裝試樣；（2）安裝控制與測(cè)量的加速度傳感器,，并進(jìn)行500~2000Hz的正弦掃頻試驗(yàn)，根據(jù)掃頻結(jié)果選取試驗(yàn)頻率,；（3）以選取的試驗(yàn)頻率,、控制加速度進(jìn)行正弦高頻振動(dòng)環(huán)境疲勞試驗(yàn)，調(diào)整試驗(yàn)應(yīng)力水平為σ=ma/S,。（m為配重質(zhì)量,，a為配重的加速度，S為試樣橫截面積）

數(shù)據(jù)處理：將獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以試驗(yàn)應(yīng)力σ為縱坐標(biāo),，以疲勞壽命的對(duì)數(shù)lgN為橫坐標(biāo),，由如下公式按照最小二乘法擬合直線的原理，使各數(shù)據(jù)點(diǎn)到直線的水平距離的平方和為最?。?/span>lgN=a+b(σ-σ₀),。

超聲法疲勞試驗(yàn)是一種加速共振式的疲勞試驗(yàn)方法，其測(cè)試頻率（20kHz）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)疲勞測(cè)試頻率（小于200Hz）,。超聲法疲勞試驗(yàn)一般用于超高周疲勞試驗(yàn),，主要針對(duì)10⁹以上周次疲勞試驗(yàn)。

試驗(yàn)裝置主要包括：（1）超聲頻率發(fā)生器（將超聲正弦波電信號(hào)由50Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>20kHz）,；（2）壓力陶瓷換能器（將電源提供的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成機(jī)械振動(dòng)信號(hào)）,；（3）位移放大器（放大位移振幅使試樣獲得所需的應(yīng)變振幅）。試驗(yàn)裝置原理：由壓電陶瓷換能器,、位移放大器和試樣組成的超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)構(gòu)成了一個(gè)力學(xué)振動(dòng)系統(tǒng),，試樣的加載是由外加信號(hào)激勵(lì)試樣發(fā)生諧振，在試樣中產(chǎn)生諧振波來實(shí)現(xiàn),。

超聲法疲勞試驗(yàn)裝置示意圖

試樣分為拉壓試樣和三點(diǎn)彎曲試樣,。

試樣示意圖

試驗(yàn)步驟：（1）對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)；（2）安裝試樣,，對(duì)稱拉壓試驗(yàn)中,，試樣的一端固定放大器末端，另一端自由,，非對(duì)稱拉壓試驗(yàn)中,，試樣兩端分別固定在兩個(gè)放大器；（3）對(duì)所加載荷和試驗(yàn)頻率進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,；（4）開始試驗(yàn),，并記錄數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理：試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Basquin方程描述：σ_a=σ_f ^’(2N_f)^bλ,。其中σ_a表示應(yīng)力幅,，σ_f表示應(yīng)表示疲勞強(qiáng)度系數(shù)，N_f表示試驗(yàn)所得疲勞壽命,，以 N_f為橫坐標(biāo),，以σ_a為縱坐標(biāo)繪制超聲疲勞S-N曲線,。

4.5 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

材料在環(huán)境條件下的力學(xué)性能

前幾節(jié)主要介紹材料在外力作用下所表現(xiàn)的力學(xué)行為規(guī)律，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)或零件,，都是在一定環(huán)境或介質(zhì)下工作,，材料在環(huán)境介質(zhì)中的力學(xué)行為是介質(zhì)和應(yīng)力共同作用的結(jié)果。本節(jié)主要介紹應(yīng)力腐蝕的試驗(yàn)方法,。

5.1 概述

應(yīng)力腐蝕是指材料,、機(jī)械零件或構(gòu)件在靜應(yīng)力（主要是拉應(yīng)力）和腐蝕的共同作用下產(chǎn)生的失效現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕是危害最大的腐蝕形態(tài)之一,。

應(yīng)力腐蝕斷裂（stress corrosion cracking, SCC） 是一種“災(zāi)難性的腐蝕”,，如橋梁坍塌，飛機(jī)失事,，油罐爆炸,，管道泄漏都造成了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。

5.2 應(yīng)力腐蝕條件和特征

應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的條件：敏感的金屬材料,、特定的腐蝕介質(zhì),、足夠大的應(yīng)力。

敏感材料：一般情況純金屬不會(huì)發(fā)生SCC,，含雜質(zhì)的或者合金才能發(fā)生SCC,；高強(qiáng)度合金鋼腐蝕開裂抗力受化學(xué)成分和顯微組織控制；

特定介質(zhì)：特定組織環(huán)境（包括腐蝕介質(zhì)性質(zhì),、濃度,、溫度），特定材料對(duì)于特定的溶液介質(zhì),，才能發(fā)生應(yīng)力腐蝕,。 例如，奧氏體不銹鋼—Cl離子溶液,、低合金高強(qiáng)度鋼—潮濕大氣中,。

應(yīng)力來源：機(jī)件所承受的應(yīng)力包括工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力。工作狀態(tài)下構(gòu)件所承受的外加載荷形成的抗力,；加工,，制造，熱處理引起的內(nèi)應(yīng)力,；裝配,，安裝形成的內(nèi)應(yīng)力；溫差引起的熱應(yīng)力,；裂紋內(nèi)因腐蝕產(chǎn)物的體積效應(yīng)造成的楔入作用也能產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展所需要的應(yīng)力,。

不同合金腐蝕介質(zhì)表

應(yīng)力腐蝕特征：典型的滯后破壞；裂紋分為晶間型、穿晶型和混合型,；裂紋擴(kuò)散速度比均勻腐蝕快約10⁶倍,；低應(yīng)力的脆性斷裂。

孕育期：裂紋萌生階段,，即裂紋源成核所需時(shí)間,，約占整個(gè)時(shí)間的90％左右；

裂紋擴(kuò)展期：裂紋成核→臨界尺寸,；

快速斷裂期：裂紋達(dá)到臨界尺寸后，由純力學(xué)作用裂紋失穩(wěn)瞬間斷裂,。

整個(gè)斷裂時(shí)間與材料,、介質(zhì)、應(yīng)力有關(guān)（短則幾分鐘,，長(zhǎng)可達(dá)若干年,，應(yīng)力降低，斷裂時(shí)間延長(zhǎng),。

臨界應(yīng)力σ_th（臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K_ISCC）,，在此臨界值以下，不發(fā)生SCC,。

SCC裂紋分為三種：晶間型,、穿晶型、混合型,。晶間型：裂紋沿晶界擴(kuò)展,，如軟鋼、鋁合金,、銅合金,、鎳合金；穿晶型：裂紋穿越晶粒擴(kuò)展,，如奧氏體不銹鋼,、鎂合金；混合型：鈦合金,。

裂紋的途徑取決于材料與介質(zhì),。同一材料因介質(zhì)變化，裂紋途徑也可能改變,。

應(yīng)力腐蝕裂紋的主要特點(diǎn)是：裂紋起源于表面,；裂紋的長(zhǎng)寬不成比例，相差幾個(gè)數(shù)量級(jí),；裂紋擴(kuò)展方向一般垂直于主拉伸應(yīng)力的方向,；裂紋一般呈樹枝狀。

裂紋擴(kuò)展方向與應(yīng)力方向（垂直）

應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率的特點(diǎn)：擴(kuò)展速度較快；10^-6~10^-3mm/min,；比均勻腐蝕快約10⁶倍,；僅為純機(jī)械斷裂速度的10^-10。

應(yīng)力腐蝕裂紋的da/dt-K₁

當(dāng)裂紋尖端的K_I＞K_ISCC時(shí),，裂紋就會(huì)不斷擴(kuò)展,。單位時(shí)間內(nèi)裂紋的擴(kuò)展量叫做應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率，用da/dt表示,。裂紋的擴(kuò)展速率da/dt隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子K₁而變化,。

I區(qū)：當(dāng)K₁稍大于K_1SCC時(shí)，裂紋經(jīng)過一段孕育突然加速發(fā)展,，即在I區(qū)內(nèi),，裂紋生長(zhǎng)速率對(duì)K₁較敏感；

II區(qū)：da/dt與K₁無關(guān),，通常說的裂紋擴(kuò)展速率就是指該區(qū)速率,，因?yàn)樗饕呻娀瘜W(xué)過程控制，較強(qiáng)烈地依賴于溶液的pH值,，粘度和溫度,；

Ⅲ區(qū)：失穩(wěn)斷裂區(qū)，裂紋深度已接近臨界尺寸a_cr , 當(dāng)超過這個(gè)值時(shí),，應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到K_1c時(shí),，裂紋生長(zhǎng)率迅速增加直至發(fā)生失穩(wěn)斷裂。

應(yīng)力腐蝕破壞的斷口,，斷口表面顏色暗淡,，腐蝕坑和二次裂紋；應(yīng)力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂,，也可以是沿晶斷裂,。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準(zhǔn)解理的,，其裂紋有似人字形或羽毛狀的標(biāo)記,。

沿晶斷裂圖

穿晶斷裂圖

5.3 應(yīng)力腐蝕影響因素

應(yīng)力腐蝕影響因素——環(huán)境、電化學(xué),、力學(xué),、冶金。

應(yīng)力腐蝕影響因素示意圖

5.4 應(yīng)力腐蝕防治措施

材料在高溫條件下的力學(xué)性能

6.1 概述

高溫下金屬及合金中出現(xiàn)的擴(kuò)散,、回復(fù),、再結(jié)晶等現(xiàn)象，會(huì)使其組織發(fā)生變化,。金屬材料長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫下,，也會(huì)使其性能受到破壞。

在高壓蒸汽鍋爐,、汽輪機(jī),、柴油機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī),、化工設(shè)備中高溫高壓管道等設(shè)備中,，很多機(jī)件長(zhǎng)期在高溫下服役。對(duì)于這類機(jī)件的材料,，只考慮常溫短時(shí)靜載時(shí)的力學(xué)性能還不夠,。

如化工設(shè)備中高溫高壓管道，雖然承受的應(yīng)力小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度,，但在長(zhǎng)期使用過程中會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形,，使管徑逐步增大，甚至?xí)?dǎo)致管道破裂,。

溫度的“高”或“低”是相對(duì)該金屬的熔點(diǎn)來講的,，一般采用約比溫度T/T_m（T_m表示材料熔點(diǎn)），T/T_m＞0.4~0.5,，則算是高溫,。

民用機(jī)接近1500℃,，軍用機(jī)在2000℃左右，航天器的局部工作溫度可達(dá)2500℃

6.2 影響因素

溫度對(duì)材料的力學(xué)性能影響很大,。在高溫下載荷持續(xù)時(shí)間對(duì)力學(xué)性能也有很大影響,。

材料的高溫力學(xué)性能≠室溫力學(xué)性能

一般隨溫度升高，金屬材料的強(qiáng)度降低而塑性增加,。

載荷持續(xù)時(shí)間的影響：σ<>σ_s ,，長(zhǎng)期使用過程中，會(huì)產(chǎn)生蠕變 ,，可能最終導(dǎo)致斷裂,；隨載荷持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，高溫下鋼的抗拉強(qiáng)度降低,；在高溫短時(shí)拉伸時(shí),，材料的塑性增加；但在長(zhǎng)時(shí)載荷作用下,，金屬材料的塑性卻顯著降低,，缺口敏感性增加，往往呈現(xiàn)脆性斷裂,；溫度和時(shí)間的聯(lián)合作用還影響材料的斷裂路徑,。

溫度升高時(shí)，晶粒強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度均會(huì)降低,，但是由于晶界上原子排列不規(guī)則,，擴(kuò)散容易通過晶界進(jìn)行，因此,，晶界強(qiáng)度下降較快,。

晶粒與晶界兩者強(qiáng)度相等的溫度稱為“等強(qiáng)溫度”T_E。

當(dāng)材料在T_E以上工作時(shí),，材料的斷裂方式由常見的穿晶斷裂過渡到晶間斷裂,。材料的T_E不是固定不變的，變形速率對(duì)它有較大影響,。因晶界強(qiáng)度對(duì)形變速率敏感性比晶粒大得多,，因此T_E隨變形速度增加而升高。

綜上所述,，研究材料在高溫下的力學(xué)性能,，必須加入溫度和時(shí)間兩個(gè)因素。

6.3 蠕變現(xiàn)象

金屬在長(zhǎng)時(shí)間恒溫,、恒載荷（即使應(yīng)力小于該溫度下的屈服強(qiáng)度）作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變,。

由蠕變變形導(dǎo)致的材料的斷裂，稱為蠕變斷裂,。

蠕變?cè)诘蜏叵乱矔?huì)產(chǎn)生,，但只有當(dāng)約比溫度大于0.3時(shí)才比較顯著,。如碳鋼超過300℃、合金鋼超過400℃時(shí)就必須考慮蠕變的影響,。

同種材料的蠕變曲線隨應(yīng)力的大小和溫度的高低而不同,。

典型的蠕變曲線

第一階段ab為減速蠕變階段又稱過渡蠕變階段，這一階段開始的蠕變速率很大,，隨著時(shí)間延長(zhǎng)蠕變速率逐漸減小,，到b點(diǎn)蠕變速率達(dá)到最小值；

第二階段bc為恒速蠕變階段又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段,，這一階段的特點(diǎn)是蠕變速率幾乎保持不變,。一般所指的金屬蠕變速率，就是以這一階段的蠕變速率ε表示的,。

第三階段cd為加速蠕變階段隨著時(shí)間的延長(zhǎng),，蠕變速率逐漸增大，到d點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生蠕變斷裂,。

應(yīng)力,、溫度不同的蠕變曲線變化圖

由圖可見，當(dāng)應(yīng)力較小或溫度較低時(shí),，蠕變第二階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),，甚至可能不產(chǎn)生第三階段；相反,，應(yīng)力較大或溫度較高時(shí)，蠕變第二階段很短,，甚至完全消失,，試樣很短時(shí)間內(nèi)斷裂。

6.4 蠕變斷裂斷口特征

斷口宏觀特征

斷口附近產(chǎn)生塑性變形,，在變形區(qū)附近有很多裂紋（斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象）,；

高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋,。

斷口微觀特征

冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌

6.5 性能指標(biāo)及測(cè)定

材料的蠕變性能常采用蠕變極限,、持久強(qiáng)度、松弛穩(wěn)定性等力學(xué)性能指標(biāo),。

6.5.1 蠕變極限

蠕變極限是金屬材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo),，是高溫材料、設(shè)計(jì)高溫下服役機(jī)件的主要依據(jù)之一,。

蠕變極限（MPa）表示方法有兩種,，一種是在規(guī)定溫度下，使試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力,；一種是在規(guī)定溫度和時(shí)間下,，使試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定蠕變伸長(zhǎng)率的最大應(yīng)力,。

示例1表示在溫度為500℃、穩(wěn)態(tài)蠕變速率為1×10-5%/h時(shí)該材料的蠕變極限為80MPa,；

示例2表示在溫度為500℃,、10萬小時(shí)、蠕變伸長(zhǎng)率為1%時(shí)該材料的蠕變極限為100 MPa,。

蠕變測(cè)試設(shè)備及示意圖

在同一 溫度,、不同應(yīng)力條件下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，測(cè)出不少于4條蠕變曲線,，根據(jù)測(cè)定結(jié)果作出蠕變曲線,，曲線上直線部分的斜率即是蠕變速率；

根據(jù)獲得的應(yīng)力-蠕變速率數(shù)據(jù),，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作出關(guān)系曲線,；

可采用較大的應(yīng)力，以較短的試驗(yàn)時(shí)間作出幾條蠕變曲線,，根據(jù)所測(cè)定的蠕變速率,，用內(nèi)插法或外推法求出規(guī)定蠕變速率的應(yīng)力值，即得到蠕變極限,。

同一溫度下,，蠕變第二階段應(yīng)力σ與穩(wěn)態(tài)蠕變速率ε之間，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈線性經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,。

S-590合金的σ- ε曲線

(20.0% Cr, 19.4 %Ni, 19.3%Co, 4.0%W, 4.0%Nb, 3.8%Mo, 1.35%Mn, 0.43%C)

6.5.2 持久強(qiáng)度

持久強(qiáng)度是指材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下抵抗斷裂的能力,，即材料在一定溫度和時(shí)間條件下，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力（蠕變極限指材料的變形抗力,，持久強(qiáng)度表示材料的斷裂抗力）,。

某些材料與機(jī)件，蠕變變形很小,，只要求在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂（如鍋爐的過熱蒸汽管）,。這時(shí)，就要用持久強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)材料,、機(jī)件使用的主要依據(jù),。

S-590合金持久強(qiáng)度曲線

金屬材料的持久強(qiáng)度是通過做高溫拉伸持久試驗(yàn)測(cè)定的；

試驗(yàn)過程中,，不需要測(cè)定試樣的伸長(zhǎng)量,，只要測(cè)定試樣在規(guī)定溫度和一定應(yīng)力作用下直至斷裂的時(shí)間；

對(duì)于設(shè)計(jì)壽命較長(zhǎng)（數(shù)萬~數(shù)十萬小時(shí)以上）的機(jī)件,，長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)十分困難,，所以一般作出應(yīng)力較大、斷裂時(shí)間較短的試驗(yàn)數(shù)據(jù),，采用外推法求出材料的持久強(qiáng)度,。

外推經(jīng)驗(yàn)公式：t=Aσ^-B

(t—斷裂時(shí)間,，σ—應(yīng)力，A,、B—與試驗(yàn)溫度及材料有關(guān)的常數(shù))

對(duì)上面公式取對(duì)數(shù),，得到：

logt=logA-Blogσ

作出logt-logσ圖，由直線關(guān)系可從斷裂時(shí)間短的數(shù)據(jù),，外推到長(zhǎng)時(shí)間的持久強(qiáng)度,。

6.5.3 剩余應(yīng)力

材料在恒變形條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng),，彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛,。

金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性，可以通過應(yīng)力松弛試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力松弛曲線來評(píng)定,。

剩余應(yīng)力是評(píng)定金屬材料應(yīng)力松弛穩(wěn)定性的指標(biāo),。

剩余應(yīng)力越高，松弛溫度性越好,。

應(yīng)力松弛曲線

第1階段：開始階段應(yīng)力下降很快,；

第2階段：應(yīng)力下降逐漸減緩的階段；

松弛極限：在一定的初應(yīng)力和溫度下,，不再繼續(xù)發(fā)生松弛的剩余應(yīng)力,。

6.5.4 高溫力學(xué)性能的影響因素

由蠕變變形和斷裂機(jī)理可知，要提高蠕變極限,，必須控制位錯(cuò)攀移的速率,；提高持久強(qiáng)度，則必須控制晶界的滑動(dòng)和空位擴(kuò)散,。

高溫力學(xué)性能的影響因素：化學(xué)成分,、冶煉工藝、熱處理工藝,、晶粒度。

6.6 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

材料的磨損性能

7.1 概述

磨損是由于機(jī)械作用、化學(xué)反應(yīng)(包括熱化學(xué),、電化學(xué)和力化學(xué)等反應(yīng)),，材料表面物質(zhì)不斷損失或產(chǎn)生殘余變形和斷裂的現(xiàn)象。

磨損是發(fā)生在物體上的一種表面現(xiàn)象,，其接觸表面必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng),。磨損必然產(chǎn)生物質(zhì)損耗(包括材料轉(zhuǎn)移)，而且它是具有時(shí)變特征的漸進(jìn)的動(dòng)態(tài)過程,。

磨損的危害:(1)影響機(jī)器的質(zhì)量,，減低設(shè)備的使用壽命，如齒輪齒面的磨損、機(jī)床主軸軸承磨損等,；(2)降低機(jī)器的效率,，消耗能量，如柴油機(jī)缸套的磨損等,；(3)減少機(jī)器的可靠性,，造成不安全的因素，如斷齒,、鋼軌磨損,；(4)消耗材料，造成機(jī)械材料的大面積報(bào)廢,。

磨損曲線

跑和階段：表面被磨平,，實(shí)際接觸面積不斷增大，表面應(yīng)變硬化,，形成氧化膜,，磨損速率減小,；

穩(wěn)定磨損階段：斜率就是磨損速率,，唯一穩(wěn)定值；大多數(shù)機(jī)件在穩(wěn)定磨損階段（AB段）服役,；

劇烈磨損階段：隨磨損的增長(zhǎng),，磨耗增加，表面間隙增大,，表面質(zhì)量惡化,，機(jī)件快速失效。

7.2 磨損的評(píng)定

磨損時(shí)零件表面的損壞是材料表面單個(gè)微觀體積損壞的總和,。目前對(duì)磨損評(píng)定方法還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),。這里主要介紹三種方法：磨損量、耐磨性和磨損比,。

磨損量分為長(zhǎng)度磨損量W_l,、體積磨損量W_v、重量磨損量W_w,。

耐磨性是指在一定工作條件下材料耐磨損的特性,。耐磨性使用最多的是體積磨損量的倒數(shù)。

材料耐磨性分為相對(duì)耐磨性和絕對(duì)耐磨性兩種,。材料的相對(duì)耐磨性ε是指兩種材料A與B在相同的外部條件下磨損量的比值,，其中材料之一的A是標(biāo)準(zhǔn)(或參考)試樣,。

ε_A＝W_A/W_B

磨損比用于度量沖蝕磨損過程中的磨損,。（磨損比=材料的沖蝕磨損量/造成該磨損量所用的磨料量）

7.3 磨損類型

磨損按磨損機(jī)理可分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損,、腐蝕磨損,、沖蝕磨損、微動(dòng)磨損,，按環(huán)境介質(zhì)可分為干磨損,、濕磨損、流體磨損,。

7.3.1 粘著磨損

當(dāng)摩擦副相對(duì)滑動(dòng)時(shí), 由于粘著效應(yīng)所形成結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂,，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面,，此類磨損稱為粘著磨損,。

磨損過程：粘著→剪斷→轉(zhuǎn)移→再粘著。

粘著磨損示意圖

粘著磨損類別,、現(xiàn)象及原因

粘著磨損的改善措施：提高硬度、采用互溶性小的金屬,、耐磨鍍層,、加油性和極壓添加劑。

7.3.2 磨粒磨損

外界硬顆?；蛘邔?duì)磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦過程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象, 稱為磨粒磨損（又稱磨料磨損）,。磨粒是摩擦表面互相摩擦產(chǎn)生或由介質(zhì)帶入摩擦表面。

磨粒磨損是最普遍的一種形式，主要出現(xiàn)在采礦,、鉆探,、建筑、運(yùn)輸與農(nóng)業(yè)等機(jī)械相關(guān)零部件,，據(jù)統(tǒng)計(jì),，工業(yè)中磨粒磨損造成的損失約占總的50%左右。

磨粒磨損的影響因素

磨礪磨損的改善措施：（1）對(duì)于以切削作用為主要機(jī)理的磨粒磨損應(yīng)增加材料硬度,；（2）根據(jù)機(jī)件的服役條件,，合理選擇相應(yīng)的耐磨材料；（3）采用滲碳,、滲氮共滲等化學(xué)熱處理提高表面硬度,；（4）機(jī)件的防塵和清洗。

7.3.3 疲勞磨損

兩接觸表面作純滾動(dòng)或滾動(dòng)與滑動(dòng)復(fù)合摩擦?xí)r,，在高接觸壓應(yīng)力的作用下,，經(jīng)過多次應(yīng)力循環(huán)后，在其相互作用表面的局部地區(qū)產(chǎn)生小塊材料剝落,，形成麻點(diǎn)或凹坑,，這種磨損稱為疲勞磨損，又稱為接觸疲勞,。

疲勞磨損與材料疲勞破壞的主要區(qū)別：磨損的產(chǎn)生與摩擦力有關(guān),；磨損往往發(fā)生在材料的表層或次表層。

疲勞磨損類型：麻點(diǎn)剝落,、淺層剝落,、深層剝落。

麻點(diǎn)剝落: 是指深度在0.1~0.2mm以下的小塊剝落,，裂紋一般起源于表面,，剝落坑呈針狀或痘狀。

淺層剝落: 其剝落深度一般為0.2~0.4 mm,。多出現(xiàn)在機(jī)件表面粗糙度低,、相對(duì)滑動(dòng)小的場(chǎng)合。

深層剝落: 這類剝落坑較深(＞0.4mm),、塊大,。一般發(fā)生在表面強(qiáng)化的材料中，如滲碳鋼中,。

疲勞磨損影響因素

疲勞磨損的改善措施：提高摩擦面硬度,、采用表面強(qiáng)化工藝、提高冶金質(zhì)量,、減少缺陷,、提高潤(rùn)滑劑粘度,、增大膜厚比，消除水分,。

7.3.4 腐蝕磨損

材料在摩擦過程中與周圍的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起的物質(zhì)從表面損失的現(xiàn)象，稱為腐蝕磨損,。

腐蝕磨損按腐蝕介質(zhì)的性質(zhì),，腐蝕磨損可分為兩類，即化學(xué)腐蝕磨損和電化學(xué)腐蝕磨損,?；瘜W(xué)腐蝕磨損指金屬材料在氣體介質(zhì)或非電解質(zhì)溶液中的磨損，其中最重要的一種是氧化磨損,。電化學(xué)腐蝕磨損指金屬材料在導(dǎo)電性電解質(zhì)溶液中的磨損,。

氧化磨損指金屬表面與氣體介質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，在表面生成氧化膜,，隨后在磨料或微凸體作用下被去除,，新暴露的表面又重新被氧化、磨去的過程中形成的磨損,。

氧化磨損條件：摩擦表面氧化的速率大于氧化膜被磨損的速率,，氧化膜與基體結(jié)合的強(qiáng)度大于摩擦表面的剪切應(yīng)力，氧化膜厚度大于表面磨損破壞的深度,。

氧化磨損影響因素：氧化膜性質(zhì),、載荷、滑動(dòng)速度,、金屬表面狀態(tài),。

電化學(xué)腐蝕磨損是指摩擦副工作在電解質(zhì)溶液（如酸、堿,、鹽等）中,，并和它們發(fā)生作用形成各種不同的產(chǎn)物，又在摩擦中被去除的過程,。

摩擦表面遍布點(diǎn)狀或絲狀腐蝕痕跡,，磨損產(chǎn)物是酸、堿,、鹽的金屬化合物,。

電化學(xué)腐蝕磨損的影響因素：（1）腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)，同種材質(zhì)在不同介質(zhì)中的腐蝕磨損行為是不同的,，另外,，介質(zhì)濃度、pH值和溫度也會(huì)影響腐蝕磨損,；（2）材料性質(zhì),，在強(qiáng)磨損—弱腐蝕條件下,，含碳量提升——耐磨蝕性提高，反之在弱磨損—強(qiáng)腐蝕條件下則耐磨蝕性降低,。不同熱處理后鋼的組織差異也會(huì)對(duì)鋼的耐磨性有影響,；（3）機(jī)械因素，外加載荷的大小及其作用頻率也會(huì)對(duì)材料耐磨蝕性產(chǎn)生影響,。

7.3.5 其他磨損形式

沖蝕磨損是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損,。

根據(jù)顆粒及其攜帶介質(zhì)的不同，沖蝕磨損又可分為氣固沖蝕磨損,、流體沖蝕磨損,、液滴沖蝕和氣蝕等。

對(duì)于沖蝕磨損通常采用涂抹預(yù)保護(hù)涂層,，根據(jù)磨損情況的不同選擇不同的保護(hù)層。主要有以下三種：采用耐磨涂層膠,，耐磨修補(bǔ)劑進(jìn)行預(yù)保護(hù),；采用耐磨陶瓷膠粘貼特種耐磨陶瓷片進(jìn)行預(yù)保護(hù)；采用聚氨酯彈性涂層,。

微動(dòng)磨損指受壓配合面在微小幅度的振動(dòng)下發(fā)生的磨損現(xiàn)象，是一種復(fù)合磨損（粘著,、磨粒、疲勞,、腐蝕）,。

金屬表面的微動(dòng)磨損原理示意圖

微動(dòng)磨損的控制措施：消除振動(dòng),，增加接合面上的正壓力，增大接合面間的摩擦力，采用良好的潤(rùn)滑,，采用潤(rùn)滑脂,，采用固體潤(rùn)滑劑,。

7.4 磨損試驗(yàn)

測(cè)定材料抵抗磨損能力的一種材料試驗(yàn),。通過這種試驗(yàn)可以比較材料的耐磨性優(yōu)劣,。

磨損試驗(yàn)比常規(guī)的材料試驗(yàn)要復(fù)雜,。首先需要考慮零部件的具體工作條件并確定磨損形式,，然后選定合適的試驗(yàn)方法，以便使試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較為吻合,。

磨損試驗(yàn)方法比較

磨損試驗(yàn)儀器：滾子式磨損試驗(yàn)機(jī)、環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī),、旋轉(zhuǎn)圓盤一銷式磨損試驗(yàn)機(jī),、往復(fù)式摩擦-磨損試驗(yàn)機(jī),、四球式摩擦-磨損試驗(yàn)機(jī),、接觸疲勞試驗(yàn)機(jī),、濕磨科磨試驗(yàn)機(jī),。

磨損量的測(cè)量方法

7.5 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)