材料力学性能重点总结Word下载.doc
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3.金属的弹性模量主要取决于什么因素？
为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？
答：
由于弹性变形时原子间距在外力作用下可逆变化的结果，应力与应变关系实际上是原子间作用力与原子间距的关系，所以弹性模量与原子间作用力有关，与原子间距也有一定关系，原子间作用力决定于金属原子本性和晶格类型，故弹性模量也主要决定于金属原子本性和晶格类型。
合金化，热处理，冷塑性变形对弹性模量的影响较小，所以金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，温度加载速率等外在因素对其影响也不大
7．决定金属屈服强度的因素有哪些？
1）影响屈服强度的内在因素：
1、结合键2、组织结构：
固溶强化、形变强化、沉淀强化及弥散强化、晶界和亚晶强化，前3个提高强度的同时降低了塑性，最后一个既可以提高强度又可以提高塑性3原子本性
2）影响屈服强度的外因：
温度，应变速率、应力状态。
一般的，升高温度，强度降低；
应变速率增大，强度增加；
应力状态也影响屈服强度，切应力分量越大，强度越低。
13.何谓拉伸断口三要素？
影响宏观拉伸断口形态的因素有哪些？
拉伸断口三要素是纤维区、放射区、剪切唇
宏观拉伸断口性态因试样形状、尺寸金属材料的性能以及试样温度、加载速度和受力状态不同而变化，一般来说，材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大，试样尺寸加大，放射区增大明显而纤维区变化不大
试述韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么脆断更危险？
金属材料的脆性和韧性是金属材料在不同条件下表现的力学行为或力学状态，两者是相对的并可以相互转化，在一定条件下，金属材料为脆性还是韧性取决于裂纹扩展过程，如果裂纹扩展时，其前沿地区能产生显著塑性变形或受某种障碍所阻，使断裂判据中表面能最大，则裂纹扩展便会停止下来，材料遂显示为韧性，反之。
若在裂纹扩展中始终能满足脆性断裂判据的要求，则材料便显示为脆性。
第四章金属的断裂韧度
2说明下列断裂韧度指标的意义及相互关系
KIC和KI
KIC为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。
KI为平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。
KIC和KI都是I型裂纹的材料断裂韧度指标，但KI值与试样厚度有关。
当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一稳定的最低值，即为KIC。
它与试样厚度无关，而是真正的材料常数。
6、试述K判据的意义及用途
KI≥KICYδ√a≥KIC
裂纹体在受力时，只要满足上述条件，就会发生脆性断裂，反之，即使存在裂纹，若
KI＜KIC或Yδ√a＜KIC也不会断裂，这种情况成为破损安全。
K判据将材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量的联系起来了，因此可以直接用于设计计算，如用以估算裂纹体的最大承载能力的δ，语序裂纹尺寸a。
以及用于正确选择机件材料，优化工艺等。
第五章
2.解释下列疲劳性能指标的意义
2）疲劳缺口敏感度qf=（kf-1）/（kt-1）kf—理论应力集中系数，kt—疲劳缺口系数
3.试叙述金属疲劳断裂的特点
（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂
（2）.疲劳是脆性断裂。
（3）疲劳对缺陷（缺口，裂纹及组织缺陷）十分敏感
（4）疲劳断裂也是裂纹萌生与扩展的过程。
7.试述疲劳裂纹的形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法
形成机理：
疲劳微观裂纹都是有不均匀的局部滑移和显微开裂引起的。
主要方式有表面滑移带开裂，第二相，夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂等。
措施
（1）提高材料的滑移抗力（采用固溶强化，细晶强化）
（2）降低第二相或夹杂物的脆性
（3）凡使晶界强化，净化和细化晶粒的因素，均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳强度。
金属材料的失效形式：
变形、断裂（含疲劳断裂）、磨损、腐蚀，以及加工失误
第一章：
金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
单向应力、静拉伸
§
1-1应力应变曲线
应力应变曲线的几个阶段：
弹性变形、均匀塑变（弹塑性变形）、集中塑变（缩颈）、断裂
1-2弹性变形弹性变形的力学性能指标
材料的弹性模量又称为刚度，但与工程构件的刚度不同,工程上：
构件刚度=材料刚度E×
构件截面积
弹性模量是组织不敏感因素指标，仅与原子间作用力有关
四、弹性比功：
应力-应变曲线下弹性范围内所吸收的变形功
表征材料吸收弹性变形能的能力，可作储能减震材料的力学指标。
因弹性模量E是对组织不敏感的常数指标，故需提高材料的弹性极限σe才能提高弹性比功Ae
五、弹性不完整性：
1）包申格效应：
先加载致少量塑变，卸载，然后在再次加载时，出现σe（残余伸长应力）升高或降低的现象。
一般认为与位错运动受阻有关。
2）弹性后效----滞弹性、弹性蠕变
指加卸载速度相对较快时，应变落后于应力的现象。
弹性后效可有两种表现：
①快速加载后保持应力不变，应变滞后并逐渐增加
②快速加载后保持应变不变，应力逐渐松驰
1-3塑性变形
一、塑性变形的定义和机理：
1）定义：
指撤去外力后仍不能回复的变形部份
2）机理：
滑移孪生高温蠕变晶界滑移（动）
二、塑性变形的两个阶段：
均匀变形阶段：
材料抗力的增加跟得上应变的增加，也称为形变强化阶段
集中变形阶段：
材料抗力的增加跟不上应变的增加，也称为颈缩阶段
三、屈服现象：
泛指：
金属材料开始发生明显塑性变形
四、四大强化机理：
形变、固溶、细化晶粒（组织）、弥散强化。
九、颈缩现象及判据：
当材料的加工硬化率等于该处的真应力S时，材料发生颈缩。
1-4金属的断裂
一、分类：
1、按断裂时的塑性变形量：
1、脆性及韧性：
塑性变形量是否达到5%
2、按裂纹扩展途径：
穿晶或沿晶：
裂纹扩展途径是否沿晶界进行；
3、按断裂机理：
解理断裂及微孔聚集型断裂、纯剪切断裂。
韧性断裂：
断裂前有明显塑性变形，断口呈纤维状，呈暗灰色，危害相对较轻。
脆断断裂：
断裂前无明显塑性变形，断口平整光亮，有放射状花样，危害相对较重。
穿晶断裂：
裂纹穿过晶内的断裂
沿晶断裂：
裂纹沿晶界扩展的断裂
二、断口的宏观特征
1．光滑圆柱形试样的静拉伸断口：
分三区：
纤维区、放射区、剪切唇区；
2．板状试样：
也分为三区，只是其放射区的花纹为人字纹，裂纹源区为椭圆形
纤维状花样。
3．沿晶断口：
断口显现冰糖状晶体特征，有闪烁状光泽；
为极脆的脆性断裂断口。
一般认为与第二类回火脆有关。
三、解理断裂：
1、定义：
金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，沿解理平面快速分离的穿晶断裂。
3、宏观形貌：
严格地沿一定平面（解理面）分离，断口即为这些多个小解理平面的组合，为脆性断裂，与大理石断裂时的机理相似，故叫解理断裂；
4、微观形貌：
————解理台阶：
河流花样，舌状花样
四、微孔聚集断裂：
——塑性断裂
1、机理：
成核→长大→聚合→断裂
由晶内的微孔长大聚合所致，又叫韧窝断裂
3、微观形貌：
断口表现为韧窝
五、断裂强度
1、理想断裂强度：
σm=（Eγs）1/2σm>
>
σs
αo1/2
αo:
晶格常数或原子间距E：
弹性模量γs：
表面能
2.格理菲斯理论：
1）前提：
①脆性材料；
②材料内部有微裂纹存在
2）格理菲斯公式：
格理菲斯公式只适用于如玻璃、超高强度钢等脆性材料，对于大多数材料尤其是金属，裂纹尖端会产生较大的塑性变形，会消耗大量的塑性功，远大于材料的表面能，此时需对之进行修正：
3）格理菲斯—奥罗万—欧文公式：
奥罗万与欧文认为：
格理菲斯公式中的表面能2γs项此时应由（2γs+γp）构成：
即：
σc[E（γs+γp）]1/2
（πα）1/2
γp为形成单位面积裂纹表面所需消耗的塑性功，（γs+γp）称为有效表面能
第三章金属缺口试样的力学性能
3-1缺口效应
一、缺口及缺口效应：
缺口：
一般指试样或工件的截面急剧变化处；
缺口效应：
在缺口处由于缺口的存在，影响了应力的分布状态，使之：
①应力状态变硬（由单向拉应力变为三向拉应力）；
②产生应力集中；
促发裂纹的生成与扩展，不利于材料的塑变（位错运动），使材料在该处处于脆性状态（即使该材料为塑性材料），易于发生脆性断裂；
此应力分布状态的改变，即缺口效应。
二、弹性状态下的缺口应力分布：
圆柱型缺口试样，单向拉伸：
1、在远离缺口处，仅有轴向应力σL，且其应力线分布均匀；
切向应力σt和法向应力σr均为零；
tr
2、在缺口附近，轴向应力的应力线在缺口根部发生弯曲，变成非均匀分布（于近根部处分布较密），形成应力集中，并产生三向拉应力：
轴向应力σL、法向应力σr、切向应力σt；
在缺口根部：
σL分布不均匀，且由于缺口上下出现无应力区，将阻止缺口附近截面的正常收缩，因而出现了σr、σt，其分布见上图左半部，图的右半部为应力状态柔性系数α的分布曲线（α<
0.5）
而应力分布的不均匀程度可用应力分配系数K表示。
综上分析所述，缺口：
1）引起应力集中（或分布不均匀）：
包括轴向应力σL，法向应力σr和切向应力σt；
2）引起三向拉应力；
此即为缺口效应之二个方面的表现
三、塑性状态下缺口的应力分布：
由于应力分布不均匀，在拉伸过程中屈服时的塑性变形将不会在材料内部同时均匀进行，是由缺口根部先局部进行并逐渐过度到材料内部τmax=（σ1-σ3）/2=（σL-σr）/2表面τmax仍为最大；
当τmax>
τs=σs/2，即σL-σr>
σs（表面σr=0）时，材料发生屈服并使表面的应力发生松驰，σL应力峰值向内移动；
由于τmax=（σL-σr）/2，而在表面σr=0，并在一定深度
σr达到最大值，即开始时σr是增加的，故σL也须增加才能使屈服和塑性变形继续向内移，即需提高P。
但提高P也会使得σr增加，且塑性变形时变形量远较弹性变形的变形量大，为维持整体的连续变形，σr须增加较多。
也必然使σL的峰值大大增加。
随着外力P的继续增加，屈服也由表及里地进行着，σL
分布则出现最大值，并且该最大值随着应力的增加而也由表及里地移动着，并标志着屈服区与纯弹性变形区的分界，并最终可能使得缺口试样总的σs（记为σsN）大幅提高并超过光滑位伸试样的σs，且σb也可有同样现象出现：
σsN>
σs；
σbN>
σb；
又叫“缺口强化”，此即为缺口效应的第三种表现。
3-4低温脆性
一、冷脆转变：
现象：
当试验温度T℃低于某一温度TK时，材料将由韧性状态转变为脆性状态，断口机理由微孔聚集型转变为穿晶解离型，断口形状也由纤维状转变为结晶状。
该现象称为冷脆转变或低温脆性，TK为冷（韧）脆转变温度。
物理本质：
——σs和σb与温度T℃的关系曲线：
σs和σb均是T℃的减函数，随着T℃的增加而降低，但σs受T℃
影响变化更大一些，故二者将会有一个交叉点K：
其温度T℃=TK，
当T℃<
TK时，将会出现：
σb<
σs的现象，即材料没有先屈服变形
就直接发生了断裂，即为脆性断裂。
二、冷脆转变温度TK：
3-5冲击韧性及冷脆转变温度的影响因素
一、材质因素：
化学成分、晶粒尺寸、显微组织
二、外界因素：
1．温度T℃：
2．加载速度V加：
一般地：
V加↗，使材料脆性倾向↗，但对TK影响不大；
3．试样尺寸大小和形状：
试样尺寸↗==>
αK↘，且TK↗
工件缺口半径↘==>
αK↘↘和TK↗
尺寸效应：
——尺寸的增加，将会使得构件的力学性能下降。
尺寸的增加：
①将使得缺陷出现的机率增加；
②使应力集中程度增加；
③使构件易于出现平面应变状态，使其应力状态变硬（约束作用加大）。
4．取样部位
第四章：
金属的断裂韧性
4-1线弹性条件下断裂韧性KIC
1、裂纹扩展的三种基本方式
裂纹沿裂纹面扩展方式：
张开型（Ⅰ型）滑（移）推开型（Ⅱ型）撕开型（Ⅲ型）
引起裂纹扩展的应力：
拉应力切应力剪切应力
其中：
Ⅰ型扩展方式最为危险，最易引起低应力脆断，材料对该型裂纹扩展的抗力最低，故其它型式或混合型式的裂纹扩展也常按Ⅰ型裂纹处理，会更安全。
2、裂纹尖端应力场强度因子K1：
对于裂纹尖端区某一确定的点，其应力分量就由Ki决定，这样，Ki就可以表示应力场的强弱程度，所以称为应力场强度因子。
KI的量纲为：
kgf/mm3/2或kgf.mm-3/2
对应地，对于Ⅱ、Ⅲ型扩展裂纹，其对应的应力场强度因子为KⅡ、KⅢ
对于一般情况：
K1=Yσ√α，其中：
α=1/2裂纹长度；
而Y为常数，与裂纹形状，加载方式、含裂纹的构件的几何因素等有关，无量纲；
对于中心有穿透裂纹的无限宽板：
Y=√π
3、平面应力及平面应变：
平面应力：
是两向拉应力状态，一般为薄板的应力表现状态；
平面应变：
为三向拉应力状态，为厚板的应力表现状态。
4、临界裂纹尖端应力场强度因子——断裂韧性KIC
K1=Yσ√α
对于带有裂纹的构件在受力时，当应力增大，KI也随之增大，当KI达到一个临界值KIC时，构件会突然断裂。
该临界值KIC则被称之为临界应力场强度因子KIC，即断裂韧性KIC
断裂韧性KIC综合了应力σ及裂纹尺寸α两方面的因素，是仅与材料的内部品质如成分、相结构与组织结构、压力加工状态与热处理状态等相关的常数，与构件的尺寸、构件所受到的应力，构件内部所含的裂纹尺寸无关；
表征材料抗裂纹失稳扩展的最大能力，也可认为是裂纹扩展的阻力（裂纹扩展的动力即是外加应力σ或裂纹尖端应力场强度因子KI）
平面应变条件下该临界值称为KIC；
平面应力条件下临界值则称为KC；
且有：
KC>
KIC
对于Ⅱ、Ⅲ型扩展裂纹，其对应的临界裂纹尖端应力场强度因子为KⅡC、KⅢC，且有：
KIC>
KⅢC>
KⅡC
一般地，只讨论KIC，其状态较为危险。
当K1≥KIC时，裂纹将失稳快速扩展，材料将发生断裂；
——裂纹失稳扩展判据
该判据成为描述脆性材料断裂的力学条件
5、裂纹失稳扩展的判据成为：
① K1≥KIC；
②σ≥σC；
③α≥αC
三者均是一个判据的三个表现方面，具有同等的效应。
αC与σC是相互对应的，在一定条件下：
KIC=YσC√α=Yσ√αC
由此可见，KIC越高，则材料断裂的临界应力和临界裂纹尺寸越大，裂纹扩展时所需要的外力或其内部所允许含有裂纹尺寸就越大，该材料抵抗断裂的能力就越强。
4-2裂纹扩展能量释放率GI及断裂韧性GIC
一、裂纹扩展能量释放率GI
1．裂纹扩展的能量分析
线弹性断裂力学处理带裂纹体构件的裂纹扩展判据问题，有两种方式：
①应力场的应力应变分析；
②能量分析。
格里菲斯公式：
σc=（2Eγ/πα）1/2===>
σc√πα=常数γ：
就是在能量平衡的基础上建立的，它将材料断裂后新增加的表面能作为裂纹扩展的阻力，与通过裂纹尖端的应力场的应力分析而得出的结论：
σc√πα=KIC=常数完全吻合
2．裂纹扩展能量释放率GI
根据弹性理论结论，单位厚度的无限宽板，在受单向拉应力σ时，如出现长度为2α的裂纹，则其释放出来的弹性应变能为：
U=-σ²
πα²
/E
U’=-（1-μ²
）σ²
/E
二、临界裂纹扩展能量释放率——断裂韧性GIC
2．裂纹的失稳扩展判据：
裂纹发生失稳扩展的条件为：
GI≥GIC
同样也有相应的临界应力σc和临界裂纹尺寸αc:
其σc或αc也对应地有裂纹失稳扩展判据：
①σ≥σc；
②α≥αc
三、G1与K1，GIC与KIC关系
GI=σ²
πα/E=KI²
/EGIC=KIC²
/E
GI’=（1-μ²
πα/E=（1-μ²
）KI²
/EGIC’=（1-μ²
）KIC²
4-5断裂韧性的测试
断裂韧性KIC——GB4161-84（平面应变）
一、试样：
分三点弯曲试样，紧凑拉伸试样（图）
试样要求：
1）加工：
①对四个加工面有平行度及垂直度的要求；
②开缺口：
一般为线切割（1/4W）
2）预制疲劳裂纹：
在高频疲劳试验机上进行，产生于线切割缺口的根部，裂纹尺寸α=½
（W±
0.10mm）；
3）为满足小范围屈服及平面应变，须要求：
①B≥2.5（KIC/σs）²
；
②α≥2.5（KIC/σs）²
③W-α≥2.5（KIC/σs）²
B：
试样厚度，W：
试样宽度或高度，α：
预制疲劳裂纹长度
二、测试：
万能材料试验机
试样长：
S=4W±
2mm
并在裂纹两端贴上刃口，以便于安放引伸仪，
测量裂纹张开位移V及压力P（或拉力P）之间的的关系曲线（由动态应变仪及x-y函数记录仪记录绘制）。
第五章金属的疲劳
过载持久值：
材料在高于σ-1的工作应力下工作，其工作的极限循环周次（至断裂时为止）即为其过载持久值。
它表示了材料在超过疲劳极限的应力下工作直到断裂所能承受的循环周次，表现为σ-N曲线的倾斜部分，也称之为有限疲劳寿命；
当σ=σ-1时，该持久值即为疲劳极限。
该倾斜线的倾斜度越高、越陡，则其持久值越高，表示材料的抗过载能力越强。
次负荷锻炼：
发现新制造的金属构件首先在低于σ-1的应力下循环一定周次后，其疲劳极限将会提高，该现象称为次负荷锻炼。
故新车空载饱合、新机器空载跑合均可使其齿轮系统啮合得更好；
影响疲劳强度的因素
外部因素
一、工作条件：
1．载荷特性：
载荷频率、次载锻炼、间歇
2．环境温度
4．环境介质
二、表面状态及构件尺寸：
1．表面状态：
表现粗糙度、缺口效应
2．构件尺寸：
尺寸效应
三、表面强化：
提高表面组织强度水平或在表面形成一定的残余压应力。
强化手段：
表面热处理、表面加工硬化、表面化学热处理、表面涂层
内部因素
化学成分、显微组织、内部缺陷等
第七章金属的磨损
一、磨擦与磨损
磨损：
分三个阶段①跑合阶段；
②稳定磨损阶段；
③剧烈磨损阶段。
开始磨损时，因接触表面刚接触间凹凸不平，接触面积较小，局部压应力较大，故磨损量较大；
随磨损时间的增加，接触面之间相互啮合，接触面积增大，使磨损量（速率）降低，而进入稳定磨损阶段；
稳定磨损阶段：
该阶段磨损速率决定了材料的耐磨性能（为机件正常服役阶段）。
其它的如测量润滑性能，改进工艺求改善耐磨性的评估也要求在此阶段进行；
随机件工作时间的增加，磨擦面间距也增加，磨擦表面的啮合性降低，磨擦表面质量下降，机件传动工作质量变坏，磨损速率大大增加，机件很快失效；
机件如：
工作环境恶劣、跑合不良或质量太差，在跑合阶段就发生强烈粘着。
此时只有激烈磨损阶段（无合阶段后期稳定磨损阶段）。
二、磨损类型以及耐磨性：
磨损类型：
按磨损机理来分有：
粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损
用磨损量来表示，只有相互比较意义：
用相同材料作成摩擦副。
相对耐磨性ε标准试样磨损量
被测试样磨损量
一般用耐磨性提高几倍（即：
相对耐磨性）来描述
三、磨损机理：
分粘着磨损及磨粒磨损二种，常同时发生
1．粘着磨损：
定义：
是通过接触面局部发生粘着，在相对运动时粘着又分开，导致接触面上有小颗粒被拉拽出来，如此反复多次而导致机件产生磨损失效。
影响因素：
材料特性的影响：
互溶性大、塑性材料较脆性、单相较多相更一粘着；
接触压力的影响：
在摩擦速度一定时，法向应力越大，磨损越大；
滑动速度：
当接触压力一定时，磨损先随滑动速度的增大而增加，后随之而减小。
机件表面的光洁度、摩擦面的温度以及润滑状态也对粘着磨损有影响。
2．磨粒磨损：
由于硬颗粒或硬突起物使材料产生迁移而造成的一种磨损。
特点：
有明显划痕（沟槽）（与咬合不同），其磨损机理为切削为主。
磨粒磨损的机制有：
微观切削、微观犁沟、微观剥落
材料性能的影响：
如材料成分、显微组织、力学性能等
磨粒性能：
包括磨粒的形状、大小、硬度、强度。
工作条件：
荷载
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