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从泰坦尼克号的沉没——谈材料力学性能
时间:2019-08-26  点击:154次   来源:网络

在人类文明发展的历史过程中,由于材料性能的不合格造成的大大小小的事故不胜枚举。像1912年泰坦尼克号的沉没,1938年二战前夕英国皇家空军Spitfire战斗机的坠落,1998年德国的铁路惨案……在早期时候是由于人类认知水平的不足而造成的,而在科学发达的今天,事故的发生更多是由于设计、制造工艺、使用环境等因素考虑不周,使用不当而造成的。因此,对材料性能的全面了解以及正确的使用合适的材料,变得非常的重要。材料的性能包括力学性能、物理化学性能及工艺性能等,本文主要介绍一下材料的力学性能。

金属材料的力学性能,是指金属材料在受到不同性质的载荷作用时,所表现出来的性能,它包括:强度、硬度、塑性、韧性和抗疲劳强度等性能指标。
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  强度  
相信大家对材料的强度这个词是耳熟能详了,平常中听的最多的也是这个。由于载荷的不同,强度也分为:抗拉、抗压、抗剪、抗扭、抗弯曲五种。我们所要关注的为抗拉强度,其他四种强度与抗拉强度存在一定的关系,可以用抗拉强度来推测。
 
图1 拉伸曲线
 
图1为材料进行拉伸试验时得到的曲线,这里我们不展开详细描述,需要的注意的是以下几点:
 
1. 脆性材料和塑性材料差异。
图1中曲线为塑性材料的拉伸曲线,对于脆性材料(没有明显屈服现象),将产生规定残余伸长率为0.2%时的应力值作为该材料的屈服强度,以σ0.2表示。
 
2. 计算时用屈服强度还是抗拉强度。
若不允许发生过量的塑性变形,以屈服强度σs 或σ0.2 为依据;若零件在使用时只要求不发生破坏,以抗拉强度σb 来设计。
 
3. 手册上给出的强度值是否可以直接使用。
一般的设计手册中给出的强度值为采用标准试棒拉伸得到的。这个标准试棒直径一般较小,通常16mm,而且表面粗糙度较好,没有应力集中区域。有些手册上针对不同的直径段,也给出了相应的强度值,但是依然比较笼统。正因如此,在中国通常我们使用“许用强度/应力”,它实际上是试棒试验的强度除以一个安全系数得到的数值。手册上给出的许用值通常会比较保守。如果需要精确计算,则需要考虑更多的因素,如尺寸大小、应力集中、表面处理、粗糙度等等,DIN743是个不错的参考资料。
 
4. 疲劳强度与抗拉强度的关系。
一般情况下,弯曲疲劳极限σbw=0.5σB,拉压疲劳极限σzdw=0.4σB,扭转疲劳极限σtw=0.3σB。
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  硬度  
硬度是指,金属表面上局部体积内抵抗塑性变形和破坏的能力。通常在做材料检测时,我们会打一下硬度,进而判断材料性能的好坏。实际上,硬度和强度并没有严格对应换算关系,虽然有些标准给出了这种对应关系,它只能说是大量实验得出的一种粗略换算关系。那为什么我们要用硬度呢?因为硬度检测设备简单,操作起来也比较方便,最重要的是它可以在不破坏零件的情况下进行测量。虽然和强度不能一一对应,但是大体上可以对材料进行判断。
 
(a)布氏硬度测量(HB);(b)维氏硬度测量(HV);(c)洛氏硬度测量(HR)
 
图2 常用的硬度测试方式
 
图2给出了三种硬度测试原理的示意图,更多信息大家可以通过教材得以了解。下面我们看一下需要注意的地方:
 
1. 为什么有些硬度的用HBW, HBS, HRA, HRB, HRC等来表示。
后缀字母的区别是由于采用压头的材料或标度不一样。不同的后缀测定的硬度范围是不一样的,适用的材料也是不一样的,需要注意。
 
2. 这三种硬度测试方法,什么时候应用什么硬度?
 
布氏硬度 (HB):适用于硬度较低和尺寸较大的材料,示值重复性好,一般不用于成品件测量。
 
洛氏硬度 (HR):压痕小,可用于成品件,较薄件的硬度测量,而且测量硬度范围广,但示值重复性较差,需多点取平均值,淬火钢硬度的测量多用洛氏硬度。
 
维氏硬度 (HV):可测量的硬度范围最广,而且不受试验力大小的影响,可用于测较薄的硬化层测量,但是由于其对试样和操作者要求较高,目前主要集中用于实验室中对材料研究以及科学试验方面。
 
表1 布氏硬度和抗拉强度的换算关系
 
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  塑性  
塑性是指,材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。良好的塑性有利于金属材料的冷冲压成型加工,材料塑性好不好,通常我们通过伸长率δ 和端面收缩率ψ 两个指标来衡量。当δ>ψ 时,无缩颈,为脆性材料表征;当ψ>δ 时,有缩颈,为塑性材料表征。更多信息这里就不展开了,我们来看看有关塑性的问题:
 
1. 材料塑性的意义是什么。
 
安全:防止产生突然破坏;
 
缓和:应力集中;
 
轧制:挤压等冷加工已变形,放开裂。
 
2. 材料塑性与强度的关系。
强度和塑性是一对矛盾的性能指标,要想提高强度就要牺牲一部分塑性,反之改善塑性就必须牺牲一部分强度。不过可以通过热处理,改善材料的金相组织来同时提高强度和塑性。
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  韧性  
我们实际中用到的很多零部件,有时会受到一个突然间的外力作用,我们称之为冲击载荷。在冲击载荷的情况下,材料不仅要有较高的强度和硬度,还要有足够的韧性,以防止冲击带来的破坏。
 
图3 泰坦尼克的沉没
 
正像文章的标题提到的,泰坦尼克号的沉没就是由于材料的冲击韧性不达标造成。这艘曾被称作为“永不沉没的船”和“梦幻之船”的豪轮,在其处女航时和冰川撞上之后开裂而进水沉没。
 
图4 摆锤冲击试验
 
材料的冲击韧性指标Ak 通常采用摆锤式的冲击功试验来验证,材料的Ak 值随温度的降低而减小,且在某一温度范围内,Ak 值发生急剧降低,这种现象称为冷脆,此温度范围称为“韧脆转变温度Tk。
 
图5 温度对冲击功的影响
 
Ak 值受到多种因素的影响,这里不作展开。考虑以下几个问题:
 
1. 什么时候需要做冲击功试验?
如果零部件实际使用工况中存在冲击性载荷,或在低温状态下使用时需要考虑冲击试验。冲击试验的温度根据实际情况选择,一般温度越低,冲击韧性越差。
 
2. Ak 值大的是不是一定比Ak 值小的冲击韧性好?
Ak  值是将零部件做成一定试样后来确定的,如果仅仅给出了Ak  值,但没有标明试样的类型和尺寸,其Ak  值是不能直接比较的。
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  疲劳  
处在交变应力下的零部件,在其应力值低于材料的抗拉强度,甚至有时低于屈服极限时就发生断裂,我们称之为疲劳。下图为疲劳曲线图。
 
图6 疲劳曲线图
 
影响材料的疲劳极限的因素有很多,包括:内在的材料本身的表面特征和内部缺陷,以及外部载荷力大小,循环次数等。一些内在的因素我们可以通过设计和制造工艺控制来提高,改善材料的疲劳应力。考虑以下问题:
 
1. 计算中疲劳应力如何取?
在前面第一部分中,我们简要的提到了疲劳强度和抗拉强度的关系。这只是一个粗略的关系,精确计算疲劳极限时还要考虑很多因素。另外如果我们可以计算其循环次数,则我们可以适当根据循环次数和疲劳曲线图选择较大的疲劳极限值,而不是一直用永久疲劳极限值。
 
2. 有哪些措施可以改善疲劳强度?
 
设计中避免尖角,缺口和截面突变;
 
提高表面加工质量;
 
表面强化处理,如淬火,喷丸等。
 
 
 
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