材料力学性能

第一章一.静载拉伸实验拉伸试样一般为光滑圆柱试样或板状试样。若采用光滑圆柱试样，试样工作长度（标长）l0=5d0或l0=10d0，d0为原始直径。二.工程应力：载荷除以试件的原始截面积。σ=F/A0工程应变：伸长量除以原始标距长度。ε=ΔL/L0低碳钢的变形过程：弹性变形、不均匀屈服塑性变形(屈服)、均匀塑性变形(明显塑性变形)、不均匀集中塑性变形、断裂。三.低碳钢拉伸力学性能1．弹性阶段（Ob）（1）直线段（Oa）：线弹性阶段，E=σ/ε（弹性模量，比例常数）σp—比例极限（2）非直线段（ab）：非线弹性阶段σe—弹性极限2.屈服阶段（bc）屈服现象：当应力超过b点后，应力不再增加，但应变继续增加，此现象称为屈服。σs—屈服强度（下屈服点），屈服强度为重要的强度指标。3.强化阶段（ce）材料抵抗变形的能力又继续增加，即随试件继续变形，外力也必须增大，此现象称为材料强化。σb—抗拉强度，材料断裂前能承受的最大应力4．局部变形阶段（颈缩）（ef）试件局部范围横向尺寸急剧缩小，称为颈缩。四.主要力学性能指标弹性极限（σe）：弹性极限即指金属材料抵抗这一限度的外力的能力屈服强度（σs）：抵抗微量塑性变形的应力五.铸铁拉伸力学性能特点：（1）较低应力下被拉断（2）无屈服，无颈缩（3）延伸率低（4）σb—强度极限（5）抗压不抗拉讨论1：σs、σr0.2、σb都是机械设计和选材的重要论据。实际使用时怎么办？塑性材料：σs、σr0.2脆性材料：σb屈强比：σs/σb讨论2：屈强比σs/σb有何意义？屈强比s/b值越大，材料强度的有效利用率越高，但零件的安全可靠性降低。六.弹性变形及其实质定义：当外力去除后，能恢复到原来形状和尺寸的变形。特点：单调、可逆、变形量很小(0.5~1.0%)2E21a2eeee七.弹性模量1、物理意义：材料对弹性变形的抗力。工程上E称做材料的刚度。其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形越小。零件的刚度与材料的刚度不同，它除了决定于材料的刚度外，还与零件的尺寸与形状，以及载荷作用方式有关。2、用途：计算梁或其他构件挠度时的重要力学性能指标。八、弹性比功ae又称弹性比能、应变比能，是指材料吸收变形功而不发生永久变形的能力，它标志着单位体积材料所吸收的最大弹性变形功。实际意义：（1）弹簧零件要求其在弹性范围内(弹性极限以下)有尽可能高的弹性比功ae和低的E。（2）成分和热处理对σe影响大，对E影响不大。（3）仪表用铍青铜，磷青铜等软弹簧材料，其σe较高，E较低，ae较高。九、滞弹性(弹性后效)定义：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变，即应变落后于应力的现象。重点十：弹性滞后环和循环韧性(1)弹性滞后环：金属在弹性区内加载，由于应变落后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后环。(2)内耗：弹性滞后环的存在，说明加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属放出的变形功，有一部分变形功为金属所吸收，这部分功称之为内耗。(3)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，叫做循环韧性。(4)循环韧性与内耗的区别循环韧性指金属在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。内耗指金属在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。(5)循环韧性(内耗)的意义循环韧性是金属的力学性能，它表示材料吸收不可逆变形功的能力，又称消振性。循环韧性越高，消振性越好十一.塑性变形方式1.滑移：最主要的变形机制2.孪生：重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形变时；十二、屈服机理外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动过程。十二、影响屈服强度的因素内在因素(1)金属本性及晶格类型位错运动的阻力：晶格阻力(P-N力)、位错交互作用产生的阻力（平行位错间交互作用；运动位错与林位错交互作用）。(2)晶粒大小和亚结构晶界是位错运动的障碍。要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。(3)溶质元素形成晶格畸变，塑性变形抗力增大—固溶强化间隙固溶体的强化效果高于置换固溶体。溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小，固溶强化越明显。(4)第二相不可变形的第二相：位错绕过机制。可变形的第二相：位错切过机制。外在因素1.温度提高，位错运动容易，σs↓。2.应变速率提高，σs↑——应变速率硬化3.应力状态：分切应力τ↑，σs↓。扭转拉伸弯曲十三、应变硬化(形变强化)基本概念定义：随变形量的增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象。或称形变硬化，加工硬化。原因：位错增殖、缠结、运动受阻——位错运动困难十四、包申格效应概念材料经过预先加载并产生少量塑性变形(残余应变为1%~4%)，卸载后再同向加载，屈服强度增加，反向加载，屈服强度降低的现象。原因包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某滑移面运动，遇到林位错而弯曲。结果，在位错前方，林位错密度增加，形成位错缠结或胞状组织。这种位错结构在力学上是相当稳定的，因此，如果此时卸载并随后同向加载，位错线不能作显著运动，宏观上表现为规定残余伸长应力增加。但如卸载后施加反向力，位错被迫作反向运动，因为在反向路径上，像林位错这类障碍数量较少，而且也不一定恰好位于滑移位错运动的前方，故位错可以再较低应力下移动较大距离，即第二次反向加载，规定残余伸长应力降低。十五、断裂的类型1.韧性断裂和脆性断裂(宏观)韧性断裂断口分区：纤维区（裂纹形成和缓慢扩展。颜色灰暗，如山脊）放射区（裂纹快速扩展。表面光亮平坦，细放射条纹。）剪切唇（剪切唇：试样边缘，剪切断裂，表面光滑）一般试样的强度提高，塑性降低时，断口中放射区的比列增大2.穿晶断裂与沿晶断裂(微观)沿晶断裂一般是脆性断裂，而穿晶断裂既有脆性断裂又有韧性断裂3、纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂(机理)普通常用金属——微孔聚集型断裂解理断裂在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。bcc的Fe——{001}hcp的Mg——{0001}fcc金属一般不发生解理断裂。十六、解理断裂的微观断口特征河流花样、舌状花样河流花样①是解理断裂最典型的微观特征；②判断是否解理断裂的重要微观依据；③顺河流反方向可找到裂纹源。舌状花样解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌状凹坑或凸台。十七、准解理与解理的不同点①准解理小刻面不是晶体学解理面；②真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点；③准解理不是一种独立的断裂机理，而是解理断裂的变种。十八、微孔聚集断裂的微观断口特征韧窝—微孔聚集断裂的断口特征等轴韧窝：正应力⊥微孔的平面，形成等轴韧窝；拉长韧窝：扭转、或双向不等应力状态；切应力，形成拉长韧窝；撕裂韧窝：拉、弯应力状态。作业1、画出典型的低碳钢拉伸曲线，并指出其各变形阶段和主要强度指标和塑性指标2、什么是滞弹性？说明循环韧性与内耗的区别和实际意义。（1）在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变，即应变落后于应力的现象（2）循环韧性指金属在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。内耗指金属在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。（3）循环韧性是金属的力学性能，它表示材料吸收不可逆变形功的能力，又称消振性。循环韧性越高，消振性越好。3、详细说明影响屈服强度的因素有哪些？内在因素(1)金属本性及晶格类型(2)晶粒大小和亚结构(3)溶质元素(4)第二相外在因素1.温度提高2.应变速率提高3.应力状态第二章一、正应力与切应力正应力容易导致脆性的解理断裂，切应力容易导致材料的塑性变形和韧性断裂二、应力状态软性系数α越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形。反之，α越小，表示应力状态越硬，材料越容易产生脆性断裂。低塑性材料只有采用α大的加载方式，才能表现出塑性单向拉伸：0.5扭转：0.8单向压缩：2三、铸铁压缩试验压缩过程可以看成是反向拉伸。铸铁受压没有比例极限，只有强度极限σbc铸铁抗压不抗拉，其受压强度极限σbc较大。四、低碳钢压缩试验塑性较好材料（退火钢、黄铜）只能被压扁，一般不会破坏。压缩试验时，试样端面存在很大的摩擦力，L/do↓摩擦力↑，影响试验结果的准确性；试验时尽量减小摩擦力，但L/do太大易造成失稳。五、弯曲试样尺寸要求跨距L为直径d或高度h的16倍。六、扭转试样尺寸七、抗扭强度八、扭转试验的特点1、扭转试验的应力状态软性系数为0.8，比拉伸的大，易于显示金属的塑性行为。2、圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有颈缩现象。3、较灵敏地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。九、断口判断缺口最大的影响是应力集中。缺口根部的应力最大，离开缺口根部，应力逐渐减小，一直减小到某一恒定数值，这时缺口的影响便消失了。十、缺口的效应①产生应力集中或局部应力升高；②改变了缺口前方（附近局部区域）的应力状态十一、缺口试样进行拉伸试验时，有以下3种情况(1)缺口根部只有弹性变形。(2)在缺口根部可发生少量塑性变形，最大轴向应力已不在缺口顶端的表面处，而是位于塑性变形区和弹性区的交界处。(3)断裂抗力远高于屈服强度。十二、硬度试验1.布氏硬度用直径为D（mm）的钢球或硬质合金球的压头，加一定的试验力F（N），将其压入试样表面，经过规定的保持时间t（s）后卸除试验力，试样表面将残留压痕，然后测量压痕的平均直径d（mm），求得压痕的球形面积A（mm2）当压头为淬火钢球时，其符号为HBS（适用于布氏硬度值在450以下的材料）；当压头为硬质合金球时，其符号为HBW（适用于布氏硬度值为450～650的材料）。按照最新国家标准：压头统一使用硬质合金球压头直径D有10、5、2.5和1mm四种。主要根据试样厚度来选择，应使压痕深度h小于试样厚度的1/10。2.维氏硬度基本原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积上的载荷来计量硬度值。3.肖氏硬度是一种动载荷试验法，其原理是将一定重量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落于金属试件表面，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值的大小，因而也称回跳硬度。第三章一、冲击弯曲试验1、试样尺寸：采用10mm×10mm×55mm的缺口试样2、试验原理利用摆锤的势能，测量试样变形和断裂所吸收的冲击吸收功。用AK表示，AK＝mg（H1-H2），单位J3.试样开缺口的目的：在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近，保证试样一次就被冲断且使断裂发生在缺口处。4.试验特点（1）冲击载荷作用力在极短时间内有很大变化幅度（2）缺口试样（有缺口效应）（3）低温都是致脆因素下测定试样的冲击功。5.应用（1）原理：缓冲，塑性变形，延长受力时间（2）测试材料低温脆性低温脆性－材料的强度随温度的降低而升高，而塑性则相反，冲击吸收功明显下降，称为低温脆性或冷脆。6.测试方法：系列冲击试验—将某一材料制成的冲击试样冷却到不同的温度测定冲击功，可得到这种材料冲击韧性与温度的关系曲线。二、产生低温脆性的机理材料低温脆性的产生与其屈服强度和断裂强度随温度的变化有关。三、韧脆转化温度及应用（重点）韧脆转化温度——由韧性状态（发生塑性变形而断裂）转变为脆性状态（发生弹性变形而断裂）的温度定义为韧脆转化温度，用tk表示。韧脆转化温度的用途：在进行工程设计时，了解这一温度可以确定材料在某温度下工作时是否安全，当使用温度大于它时，脆性断裂不会发生。四、韧脆转化温度评价方法1.能量法采用系列低温冲击试验确定冲击功与温度的关系曲线。2.断口形貌特征法依据断口形貌特征法确定的韧脆转化温度称为FATT。断口上出现50％纤维状韧性断口和50％脆性结晶状断口的试样所对应的温度。五、影响材料韧脆转化温度的因素1.晶体结构bcc有冷脆，fcc无冷脆2化学成分间隙溶质元素含量增加，韧脆转化温度升高，如含碳量增加，钢的韧脆转化温度升高；杂质元素含量增加，容易偏聚在晶界附近，产生沿晶脆性断裂（Ni和Mn除外）。3晶粒大小βtk=lnB-lnC-lnd-1/2韧脆转化温度与晶粒直径d-1/2成线性关系。随晶