材料力学性能总结

材料力学性能：材料在各种外力作用下抵抗变形和断裂的能力。屈服现象：外力不增加，试样仍然继续伸长，或外力增加到一定数值时突然下降，随后在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形。屈服过程：在上屈服点，吕德斯带形成；在下屈服点，吕德斯带扩展；当吕德斯带扫过整个试样时，屈服伸长结束。屈服变形机制：位错运动与增殖的结果。屈服强度：开始产生塑性变形的最小应力。屈服判据：屈雷斯加最大切应力理论：在复杂应力状态下，当最大切应力达到或超过相同金属材料的拉伸屈服强度时产生屈服。米赛斯畸变能判据：在复杂应力状态下，当比畸变能等于或超过相同金属材料在单向拉伸屈服时的比畸变能时，将产生屈服。消除办法：加入少量能夺取固溶体合金中溶质原子的物质，使之形成稳定化合物的元素；通过预变形，使柯氏气团被破坏。影响因素：1.内因：a)金属本性及晶格类型：金属本性及晶格类型不同，位错运动所受的阻力不同。b)晶粒大小和亚结构：减小晶粒尺寸将使屈服强度提高。c)溶质元素：固溶强化。d)第二相2.外因：温度(-)；应变速率(+)；应力状态。第二相强化(沉淀强化+弥散强化)：通过第二相阻碍位错运动实现的强化。强化效果：在第二相体积比相同的情况下，第二相质点尺寸越小，强度越高，强化效果越好；在第二相体积比相同的情况下，长形质点的强化效果比球形质点的强化效果好；第二相数量越多，强化效果越好。细晶强化：通过减小晶粒尺寸增加位错运动障碍的数目(阻力大)，减小晶粒内位错塞积群的长度(应力小)，从而使屈服强度提高的方法。同时提高塑性及韧性的机理：晶粒越细，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量，即表现出较高的塑性。细晶粒金属中，裂纹不易萌生（应力集中少），也不易传播（晶界曲折多），因而在断裂过程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。固溶强化：在纯金属中加入溶质原子形成固溶合金，将显著提高屈服强度。原因：溶质原子与位错的弹性相互作用，使溶质原子扩散到位错周围，形成柯氏气团；柯氏气团钉扎位错，提高位错运动阻力。强化效果：间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体；溶质和溶剂原子尺寸差越大，强化效果越好；溶质浓度越大，强化效果越好。应变硬化(形变强化)：金属材料塑性变形过程中所需要的外力不断增大，表明金属材料有一种阻止继续塑性变形的能力。原因：塑性变形过程中，位错不断增殖，运动受阻所致。断裂韧度：临界或失稳状态下的应力场强度因子的大小。塑性变形：作用在物体上的外力取消后，物体的变形不完全恢复而产生的永久变形。1.单晶体：滑移+孪生；2.多晶体：各个晶粒塑性变形的综合结果。特点：各晶粒变形的不同时性；不均匀性；相互协调性。弹性变形：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形。物理实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。特点：可逆性；单值性；全程性；变形量很小。构件的刚度：构件产生单位弹性变形所需要的载荷。物理意义：表示构件的弹性稳定性的参量，刚度越大，构件工作时越稳定。在工程上，为了减轻重量，必须选择E较大的材料。弹性极限：金属产生弹性变形而不产生塑性变形时所受的最大应力。它表示材料发生弹性变形的极限抗力。缩颈：韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象。原因：应变硬化与截面积减小共同作用的结果。当应变硬化引起的承载力增加不能补偿截面积减小引起的承载力减小时，就会产生缩颈。缩颈判据1：当应变硬化速率等于该处的真应力时，发生缩颈。缩颈判据2：当应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时，发生缩颈。为什么真实应力-应变曲线需要校正？因为缩颈产生后，应力状态由单向应力变为三向应力，为了求得仍然是均匀轴向应力状态下的真实应力，以得到真正的真实应力-应变曲线。为什么校正后的曲线应力下降？因为三向应力状态下，材料塑性变形比较困难，所以必须提高轴向应力，使塑性变形继续发生。静力韧度：金属材料光滑试样在静载荷作用下拉伸至断裂，单位体积材料所吸收的能量。韧度指能量，韧性指能力。韧度：指金属材料拉伸断裂前单位体积材料所吸收的能量。韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。纯剪切断裂：特征：在切应力作用下，金属产生塑性变形，沿滑移面分离而造成的断裂。试样内部不产生孔洞，位错只能从试样表面放出。微孔聚集型断裂：1.通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离的。2.宏观特征：杯锥状断口；微观特征：韧窝。3.微孔形核：位错运动到第二相与基体界面处，塞积产生应力集中，使第二相质点与基体分离，形成微孔。4.长大与聚合：每个微型拉伸试样产生缩颈而断裂，相邻微孔聚合，形成微裂纹。然后在裂纹尖端的三向拉应力区及应力集中区形成新的微孔，借助内缩颈与裂纹连通，如此扩展直到裂纹断裂。5.韧窝大小的影响因素：第二相质点的大小和密度；应变硬化指数；基体材料的塑性变形能力。6.韧窝形状的影响因素：正应力：等轴韧窝；切应力：拉长韧窝；撕裂应力：撕裂韧窝。解理断裂：在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿解理面产生的穿晶断裂。基本微观特征：河流花样，解理台阶，舌状花样。解理裂纹的形成和扩展：1.甄纳-斯特罗位错塞积理论a)形成：一群刃型位错沿滑移面运动遇到晶界等障碍而形成位错塞积群，产生的应力集中有可能达到断裂强度而在材料内部沿某一晶体学平面拉出一个裂口。b)长大扩展：塑性变形形成裂纹；裂纹在同一晶粒内初期长大；裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展。晶粒尺寸小于临界值时，材料受力后先屈服，后断裂；晶粒尺寸大于临界值时，材料受力后直接脆性断裂。2.柯垂尔位错反应理论a)位错反应必须满足柏氏矢量守恒性和能量降低性。b)原理：通过各相交滑移面上的位错滑移，相遇后发生反应形成新位错，新位错塞积产生应力集中，使解理面开裂。3.相同点：都是由于位错运动受阻产生应力集中，从而形成初始裂纹的，即裂纹形成前都有少量塑性变形；裂纹扩展力学条件相同。4.不同点：甄纳-斯特罗位错塞积理论的位错在晶界处受阻，裂纹产生于晶界；柯垂尔位错反应理论的位错在晶内解理面处受阻，裂纹产生于晶内。理论断裂强度(理想晶体解理)：是指在正应力作用下，将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力。是晶体在弹性状态下的最大结合力。𝝈𝒎=(𝑬𝜸𝒔𝒂𝟎)𝟏𝟐其中𝛾𝑠为表面能，E为弹性模量，𝑎0为原子间的平衡距离。适用于脆性断裂。格雷菲斯公式(裂纹物体的实际断裂强度)：𝝈𝒄=(𝟐𝑬𝜸𝒔𝝅𝒂)𝟏𝟐其中𝛾𝑠为表面能，a为裂纹的半长度，只适用于薄板。适用于有裂纹试样的脆性断裂。断裂判据：外加应力大于σc时裂纹扩展；裂纹半长度大于ac时裂纹扩展。位错塞积及位错反应理论(解理裂纹断裂应力)：𝝈𝒄=𝟐𝑮𝜸𝒔𝒌𝒚√𝒅其中G为切变模量，𝒌𝒚为钉扎常数，d为晶粒直径。适用于塑性变形中的断裂及无裂纹的完整试样。金属在单向静拉伸载荷下的性能1.名词解释a)弹性比功：金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功。b)弹性模量E：表征材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同应力下产生弹性变形就越小。影响因素：原子本性及晶格类型。c)滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变，即应变落后于应力的现象。d)循环韧性：金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力。e)包申格效应：材料经预先加载并产生少量塑性变形，卸载后，再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载规定残余伸长应力降低的现象。f)塑性：金属断裂前发生塑性变形（不可逆永久变形）的能力。意义：i.延伸率和断面收缩率是安全性能指标，一定的塑性可缓和应力集中，避免脆性断裂；ii.金属的塑变能力是压力加工成型工艺的基础；iii.用纵横向延伸率之差也可评定钢材的质量。g)断后伸长率δ：试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。h)断面收缩率ψ：试样拉断后缩颈横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。对于在单一拉伸条件下工作的长形零件，用断后伸长率δ评定其塑性；对于非长形零件，用断面收缩率ψ评定其塑性。i)脆性：材料在外力作用下产生很小的变形即断裂破坏的能力。j)韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。k)解理台阶：相互平行且位于不同高度的解理面连接形成的台阶。l)河流花样：若干解理台阶汇合形成的花样。m)解理刻面：大致以晶粒大小为单位的解理面。解理裂纹的扩展：晶界应力集中→一系列相互平行而位于不同高度的解理面相互连接形成解理台阶→若干解理台阶汇合形成河流状花样(支流汇合方向即为裂纹扩展方向)n)解理面：金属材料在外力作用下严格沿着一定晶体学平面发生解理断裂时的平面，一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。o)穿晶断裂：裂纹穿过晶内发生的断裂；p)沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展发生的断裂；q)韧脆转变：在一定温度下，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。r)𝝈𝟎.𝟐：规定残余伸长率为0.2%时的应力，用以表示材料的屈服强度。s)屈服点𝝈𝒔：屈服状态的金属材料拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力。t)抗拉强度𝝈𝒃：韧性金属材料拉断过程中最大载荷所对应的应力。u)应变硬化指数n：表示金属的应变硬化能力，反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力。(其值越大，曲线越陡，抵抗均匀塑性变形的能力就越强，并不代表其塑性差。)2.金属的弹性模量主要取决于什么？为什么说它是一个对结构不敏感的力学性能？弹性模量主要取决于原子本性及晶格类型。由于弹性变形是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与原子间距有关，导致合金化，热处理，冷塑性变形对弹性模量的影响较小，因此说它对结构不敏感。3.今有45、40Cr、35CrMo钢和灰铸铁几种材料，你选择那种材料作为机床机身？为什么？机床床身需要良好的减震性能，即选择高循环韧性的材料。而灰铸铁的循环韧性最高，消振性最好，因此选择灰铸铁。4.试举出几种能显著强化金属而又不降低其塑性的方法。a)细晶强化：通过减小晶粒尺寸增加位错运动障碍的数目(阻力大)，减小晶粒内位错塞积群的长度(应力小)，从而使屈服强度提高的方法。由于细化晶粒后晶界面积增大，而晶界是位错运动的障碍，因此可以提高屈服强度。而且细晶可以使塑性变形分散到每个晶粒内进行，以此提高塑性和韧性。b)应变硬化：金属材料塑性变形过程中所需要的外力不断增大，因此可以通过使金属材料发生塑性变形来强化金属的方法。由于它只是提高了金属抵抗均匀塑性变形的能力，并没有影响金属的塑性变形量，因此它可以在不影响塑性的情况下强化金属。5.为何工程应力-应变曲线上，塑性变形到一定程度时应力却开始下降？因为工程应力-应变曲线上的应力和应变是用试样原始截面积和原始标距长度来度量的，并不代表实际瞬时的应力和应变。6.如果工程应力-应变曲线与实际不符，那么为何还要使用它？因为工程应力-应变曲线最重要的作用是可以表现缩颈现象，可直观地读出缩颈点的位置。7.工程应力-应变曲线的下降是否说明应变硬化只发生在缩颈之前？否，应变硬化自塑性变形开始一直持续到塑性变形结束，真实应力-应变曲线可以很好地表现应变硬化现象。韧性断裂：特征：断裂前产生明显宏观塑性变形，断口形貌为暗灰色纤维状。脆性断裂：特征：断裂前没有明显的塑性变形，断裂面一般与正应力垂直，断口呈平齐状，可见明显辐射状线或结晶状。注意：任何材料在断裂前都将产生塑性变形；一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5%为脆性断裂，大于5%为韧性断裂；金属材料的韧性与脆性是根据一定条件下的塑性变形量来规定的。穿晶可以是韧性或脆性断裂，但沿晶多为脆性断裂。nKeS8.何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？a)三要素指剪切唇，放射区及纤维区。b)影响因素有试样的形状尺寸，金属材料的性能以及试验温度，加载速率，受力状态。当试样含有缺口，越厚，强度越高，塑性越差，试验温度越低，加载速率越快，受到三向应力作用时更容易出现脆断的宏观形貌。9.有一材料E=2×1011N/m2，γs=8N/m。试