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金属材料性能学资料整理
第一章撒材料单向静拉伸的力学性能
3种失效形式：
过量塑性变形、塑性变形和断裂
力-伸长曲线
Fp以下拉伸力F与ΔL呈直线关系，Fe以下卸载力后可完全恢复，e点以内的变形称为弹性变形，当力达到FA时，出现塑性变形。
此时，初期因局部产生不均匀屈服塑性变形，出现平台锯齿，直至C点。
接着进入均匀塑性变形，至Fb，后又出现不均匀塑性变形，局部缩颈，至Fk断裂。
四个阶段：
弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形
真应变总小于工程应变，且变形量越大，差距越大
真应力S大于工程应力
弹性模量是产生100%弹性变形所需的应力
影响弹性模数的影响因素（类似论述）：
1.键合方式和原子结构
共价键、离子键、金属键都有较高的弹性模量，分子键结合力较弱
2.晶体结构
沿原子排列最迷的晶向上弹性模数较大，反之则小
3.化学成分
材料化学成分的变化将引起原子间距或键合方式的变化
4.微观组织
作为金属材料刚度代表的檀香模数，是一个组织不敏感的力学性能指标
5.温度
温度越高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，使弹性模量降低
6.加载条件和符合持续时间
几乎没有影响，只有陶瓷材料的压缩弹性模数高于拉伸弹性模数，
四，比例极限和弹性极限
比例极限σp是保证材料的檀香变形按正比关系变化的最大应力，
弹性极限σe是材料有弹性变形过度到弹-塑性变形时的应力
σp和σe的工程意义：
对于要求服役是其应力应变关系严格遵守线性关系的机件，如测力计弹簧，是依靠弹性变形的应力正比应变的关系显示载荷大小的，则应以比例极限最为选择材料的依据；对于复习套件不允许产生未来娘塑性变形的机件，设计时应按弹性极限来选择材料
5、弹性比功
是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力；弹性的好坏，实质就是至材料弹性比功的大小
第3节非理想弹性与内耗
材料的非理想弹性行为：
滞弹性、粘弹性、伪弹性、包申格效应
第4节塑性变形及性能指标
一，塑性变形机理
常见塑性变形机理：
滑移和孪生
滑移：
金属晶体在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向的切边过程，二者构成滑移系，滑移系越多，金属塑性越好，但不绝对。
Fcc好于bcc
孪生：
也是金属晶体在切应力作用下产生的一种塑性变形方式。
Fcc低温；bcc冲击载荷或低温，hcp（密排六方）易产生孪生
孪生本身提供的把水箱两很小，但可以调整滑移面的方向，是闲的滑移系开动。
二，屈服现象与屈服强度
定义：
材料在拉伸时，到达不均匀塑性变形时，保持外力力恒定或达到一定数值后卸载，然后再外力不增加或上下波动的情况下可以继续伸长变形的现象
屈服是材料由弹性变形向弹-塑性变形过渡的标志；实质：
位错运动
材料屈服是缩对应的应力值就是材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力，这一应力值就是屈服强度或屈服点σs；残余伸长应力σr指试样标距不分的总伸长量达到规定的原始标距百分百时的应力；当百分比为0.05%、0.1%、0.2%时记为σr0.05、σr0.1、σr0.2（常用，σs和σ0.2来表示金属材料的屈服强度）.
影响金属材料了屈服强度的因素：
1.晶体结构：
屈服过程主要是位错的运动，位错运动的临界切应力受晶格阻力·位错建交互作用产生的阻力。
2.晶界与亚结构：
晶界对位错运动有重要阻碍，晶界越多，σs越高。
3.溶质元素：
形成点缺陷，阻碍位错运动。
4.第二相（尺寸、形状、数量、分布）：
能够阻碍位错运动。
5.温度（热振动效应）：
一般情况下，Ｔ↗，屈服强度σs↘．
6.应变速率与应力状态：
在应变速率较高的情况下，金属材料的屈服应力↗。
四，应变硬化
应变硬化或形变强化：
材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象。
应变机理普遍认为是塑性变形过程中的多系滑移和交滑移造成的。
应变强化是一种强化金属的重要手段。
（尤其是不能进行热处理的材料）
抗拉强度或者强度极限（σb）：
材料经过屈服阶段后进入强化阶段后随着横向截面尺寸明显缩小在拉断时所承受的最大力（Fb）除以试样原横截面积（So）所得的应力（σ）。
表示材料在车鬼手拉伸在和是的实际承载能力。
是材料重要力学性能指标之一
缩颈：
在应变硬化与截面共同作用下，应变硬化跟不上塑性变形的发展，是变形集中于试样局部区域儿产生的。
塑性：
材料断裂钱产生塑性变形的能力。
塑性指标包括拉伸伸长率δ和断面收缩率Ψ
L0=d0，所得伸长率用δ5表示
超塑性：
材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约100％）而不发生缩颈和断裂的现象。
产生超塑性的条件：
１.超细晶粒，尺寸达到微米级，且为等轴晶；
２．适当的变性条件，Ｔ在0.4Ｔm（熔点），应变速率一般大于或等于0.001/s；
３．应变速率敏感指高，0.3≤m《1.
第五节 断裂
固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂。
断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展；
按照宏观塑性变形程度：
韧性断裂是产生明显的宏观塑性变形的断裂过程。
脆性断裂是基本上不产生明显的宏观塑性变形，表现为突然快速断裂过程。
断口成放射状或结晶状。
按照断裂时裂纹扩展的途径：
穿晶断裂和沿晶断裂（一般为脆性断裂）；
按照微观断裂机理：
解理断裂和剪切断裂；
端口三要素：
纤维区、放射区和剪切唇。
一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于５％为脆性断裂，反之为韧性断裂。
第一章材料在其他静载荷下的力学性能
第一节应力状态软性系数
正应力容易导致脆性的解理断裂，切应力容易导致塑性变形和韧性断裂。
应力状态软性系数应力状态软性系数α：
由材料的加载方式决定。
Тmax：
最大切应力σmax：
最大正应力
α↗，力最大切应力分量越大，表示应力状态越软，越易塑性变形，反之，材料越容易脆性断裂。
单向拉伸时软性系数α为０.５，单向压缩是软性系数α为２.０。
规定得比例扭转应力тp
第二节 缺口试样静载力学性能
弹性状态下应力对缺口造成三个效应：
缺口造成应力集中、所受应力由原来的单向拉伸变为两向或三向拉伸、缺口使塑性材料“强化”现象。
第三节 硬度
硬度：
材料表面上不啊体积内抵抗变形或破裂的能力。
试验方法根据加载速率的不同分为动载压入法（超声波硬度、肖氏硬度）和静载压入法（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度）。
布氏硬度表示方法：
“数字（硬度值）+硬度符号（HBS或HBW）+数字/数字/数字
Eg.280HBS10（mm淬火钢球）/3000（kgf）/30（s）10~15s可不标
洛氏硬度表示：
GR
维氏硬度：
数字+HV+数字/数字eg.640（硬度值）HV30（kgf）/20（s）
肖氏硬度：
KS
第二章 材料的冲击韧性及低温脆性
第一节 冲击弯曲试验与冲击韧性
一．一次冲击试验
冲击吸收功Ａk：
样变性和断裂所吸收的功。
试验与方法可参考GB229-84和GB2106-80试验标准试样分别为夏比Ｕ和Ｖ型缺口。
吸收功Ａk虽可表示材料的变脆倾向，但不能整整反映材料的韧脆程度
冲击韧性аk：
冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面积所得的商。
与材料的强度和塑性有关，缺口截面上应力分布极不均匀的，故无明显的物理意义。
二．多次冲击试验
当冲击次数达到相当多次时，材料破坏后具有典型的疲劳断口特征。
多次冲击抗力的变化规律：
１．冲击能量高时，材料的多次冲击抗力主要取决于塑性，能量低时主要取决于强度。
２．不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。
３．高强度和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力有较大作用，而中、低强度钢对提高冲击疲劳抗力作用不大。
第二节 低温脆性
材料的冲击吸收功随温度降低而降低，当试验温度低于Tk（韧脆临界转变温度）时，冲击吸收功明显下降，材料由韧性状态变为脆性状态，这种现象称为低温脆性。
常见的低温脆性断裂大多数是沿解理面的穿晶断裂。
低温脆性的物理本质：
材料的屈服强度随温度下降而急剧增加
Tk（韧脆临界转变温度）通常只是根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的变化定义。
影响材料低温脆性的因素有：
１．晶体结构：
只有以体心立方金属为基的冷脆金属才具有明显的低温脆性。
２．化学成分：
间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高。
３．显微组织：
细化晶粒可使材料韧性增加（晶界是裂纹扩展的阻力）；球状第二相的韧性较好。
４．温度：
碳钢和某些合金钢在冲击荷载或静荷载作用下，在一定温度范围出现脆性－蓝脆（形变时效加速进行的结果）。
５．加载速率：
加载速率↗，Tk↗。
６．试样尺寸和形状：
缺口曲率半径越小，Tk越高。
第四章 材料的断裂韧性
在应力水平低于甚至于远低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象称为低应力脆断。
是由不可避免的宏观裂纹（工艺裂纹或使用裂纹）扩展引起的。
断裂在很大程度上决定于裂纹萌生抗力和扩展抗力，而不是总决定于用断面茨村计算的名义断裂应力和断裂应变。
第一节线弹性条件下的断裂韧性
裂纹扩展的基本方式：
张开型（最危险）、滑开型、撕开型。
裂纹尖端的应力场及应力场强度因子
（Ｙ为裂纹形状系数，与加载方式、试样几何尺寸等有关）：
反映裂纹尖端区域应力场的强度； 平面应变断裂韧度
：
表示材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力。
当ＫI≥
时，材料就会发生脆性断裂；
裂纹扩展的能量释放率
； 断裂韧度
：
表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。
当
≥
时，材料失稳。
Ｊ积分反映了裂纹尖端区的应变能，即应变应变的集中程度，不能处理裂纹的连续扩展问题，其临界值只是开裂点，不一定是失稳断裂点。
表示裂纹尖端附近应力应变场的强度； 临界值
也称为断裂韧度：
在平面应力状态下，当外力到达破坏载荷时，即应力应变的能量达到使裂纹开始扩展的临界状态；
，
≥
时裂纹就开始开裂；
裂纹尖端张开位移
：
裂纹体受载后，在裂纹尖端沿垂直裂纹方向锁产生的位移；
临界值δc是材料的断裂韧度——材料阻止当裂纹开始扩展的能力。
当δ》δc时，裂纹开始扩展。
第一节 影响材料断裂韧度的因素
１． 化学成分：
对于金属材料能细化晶粒的合金元素可使断裂韧度提高，强烈固溶强化的合金元素、形成金属间化合物并呈第二相析出的合金元素会使得断裂韧度下降。
２．基体结构和晶粒尺寸：
基体相晶体结构已发生塑性变形，其断裂韧度就高，细化晶粒可以提高断裂韧度。
３．夹杂和第二相：
对于金属材料，非金属夹杂物会使断裂韧度降低；脆性第二相的体积分数↗断裂韧度↘；韧性第二相当形态和数量适当时，会使断裂韧度↗。
４．显微组织：
显微组织的类型和亚结构将影响材料的断裂韧度。
５．温度：
对大多数材料，Ｔ降低会降低断裂韧度，中、低强度钢有明显的韧脆转变现象。
６．应变速率：
应变速率对断裂韧性类似于温度，增加应变速率相当于降低温度。
７．特殊改性处理：
亚温淬火——亚共析钢在双相区不完全奥氏体化后淬火的热处理工艺。
可以使强度和韧性提高。
超高温淬火——中碳合金结构钢，采用超高温淬火，可以使得奥氏体晶粒粗化，塑性和冲击吸收功降低，但断裂韧度提高。
形变热处理——无论是高温还是低温形变热处理都可以提高强度和韧性。
断裂韧度在工程中的应用可以概括为：
１.设计－结构设计和材料选择；
２.校核 ３.材料开发
第五章 材料的疲劳性能
工件在变动荷载和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。
疲劳的破环过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，崔健发生变化和损伤累积。
开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生濡染断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破环的过程，
疲劳破坏特点：
1是一种潜藏的突发性破坏
2.属于低应力循环延时断裂，
3.对缺陷（缺口、裂纹级组织）十分敏感
4.可按不同方法对疲劳形式分类
变动荷载在单位面积上的平均值——变动应力。
可分为规则周期变动应力（循环应力）－对称循环、不对称循环、脉动循环、波动循环、随机变动循环 和无规则随机变动应力。
疲劳损伤：
是一个从局部区域开始的损伤累计，最终引起整体破坏的过程。
会经历裂纹萌生和扩展的过程，其断口特征——疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区。
其特点有属低应力循环延时断裂，呈脆性断裂，对缺陷（缺口、裂纹及组织）十分敏感。
金属材料疲劳破坏机理：
１.裂纹萌生——在材料薄弱区或高应力去，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成。
２.裂纹扩展——第一阶段是沿最大切应力方向扩展，第二段沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直到形成剪切唇。
影响材料机件疲劳强度的因素：
１．荷载条件；
２．温度：
Ｔ降低，疲劳强度升高；
３．腐蚀介质：
是表面产生蚀坑，降低疲劳强度；
４．表面状态和尺寸因素：
机件表面缺口因应力集中往往是疲劳策源地；在变动载荷作用下，随机件尺寸增大使疲劳强度下降的现象——尺寸效应。
５．表面强化及残余应力：
提高机件表面塑变抗力（硬度和强度），降低表面的有效拉应力，即可一直表面疲劳裂纹的萌生和扩展。
热疲劳：
由周期变化的热应力或热应变引起的材料破坏。
热疲劳抗力常以在一定温度幅下产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数或在规定的循环周次下产生的裂纹长度表示。
次载锻炼：
材料特别是金属在低于疲劳强度的应力先运转一定周次，即经过次载锻炼，可以提高材料的疲劳强度
间歇效应：
对应变时效材料，在循环加载的运行中，瑞间歇空载一段时间或间隙适当加温，可提高疲劳，并延长疲劳寿命
第六章 材料的磨损性能
磨损实是在磨擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象。
可分为三个阶段：
跑合（磨合）阶段（磨损速率下降）、稳定磨损阶段（速率稳定）、剧烈磨损阶段（速率上升）。
磨损基本类型有：
粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损及接触磨损。
磨损类型在一定条件可以相互转化。
接触疲劳是两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，叫边界层压应力长期作用使材料表面疲劳损伤，局部区域出现小片或小块材料剥落，而使材料磨损的现象。
接触疲劳破坏分为麻点剥落（点蚀）、浅层剥落和深层剥落（表面压碎）。
接触疲劳裂纹的形成与扩展是接触综合切应变高于材料接触疲劳强度的结果。
耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，通常用磨损量表示，
第七章 材料的高温力学性能
约比温度：
Ｔ／Ｔm＞0.4~0,5时为高温，反之则为低温。
蠕变：
材料在长时间的恒温、恒荷载作用下缓慢地产生塑性变形的现象。
蠕变过程可分为——减速蠕变阶段、恒速蠕变阶段、加速蠕变阶段。
蠕变变形机理——位错滑移、原子扩散和晶界滑动。
蠕变断裂机理——晶间断裂。
蠕变性能指标：
１．蠕变极限——在给定的温度和时间的条件下，使试样产生规定的蠕变应变的最大应力（
）。
或者是，在给定温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力（
）。
２．持久强度（
）——材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力；
３．松弛稳定性：
材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐减低的现象称为应力松弛。
材料抵抗应力松弛的能力称为松弛稳定性。
应力松弛试样中，任一时间试样上所保持的应力称为剩余应力（
）。
表示材料在500℃,10000h产生1%的蠕变应变的蠕变极限为100MPa
600℃时工作1000h的持久强度为200MPa
影响蠕变性能的主要因素：
１．化学成分：
对金属材料设计耐热钢及耐热合金钢时，一般选用熔点高、自扩散激活能大和层错能的元素及合金。
２．晶粒大小：
粗化晶粒可以提高蠕变极限和持久强度。
３．应力：
高应力下蠕变速率高，低应力下蠕变速率低。
４．温度：
Ｔ升高，蠕变加剧。
第八章 材料的热学性能
晶格热振动：
固体材料由晶体或非晶体组成，点阵中的质点（原子、离子）总是围绕其平衡位置作微小振动。
本质：
晶格振动
如果振动着的质点中包括频率甚低的格波，类似于弹性体中的应变波称为“声频支振动”；格波中频率甚高的振动波称为“光频支振动”。
热膨胀：
物体的体积或长度随升高而增大的现象。
热膨胀系数越大，热稳定性越高。
固体材料受热引起的容积膨胀式晶格振动加剧的结果。
热传导：
当固体一端的温度比另一端时，热量就会热端自动地传向冷端。
第九章 材料的磁学性能
材料磁性的本质是材料内部电子的循轨和自旋运动。
材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁性，来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩；磁化矢量与外加磁场方向相同的称为顺磁性，来源于原子（离子）的固有磁矩。
金属
，产生的抗磁性大于自由电子的顺磁性，因此是抗磁性的，所有的碱金属都是顺磁性的，碱土金属（除Be）都是顺磁性的
3种纯铁磁金属饱和此话强度大小依次为Fe、Co、Ni
铁磁性的来源是原子未抵消的自旋磁矩和自发磁化，铁、钴、镍是铁磁性材料。
第十章 材料的电学性能
电阻率ρ只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸无关，电导率σ为电导率的倒数。
影响材料导电性的因素：
１．温度：
金属电阻率随温度升高而增大。
纯金属的电阻率与温度的关系
α电阻温度系数；
标准态（20℃）的电阻率
２．冷塑性变形和应力：
冷塑性变形使金属的电阻率增大；拉应力使电阻率上升，压应力相反。
３．合金化对导电性的影响：
形成固溶体时合金的电导率降低，电阻率增高；
介质的极化：
介质在电场作用下产生感应电荷的现象。
极化的基本形式：
位移极化、松弛极化、转向极化。
电介质的击穿：
当所承受的电压超过一临界值Ｖ时绝缘材料便丧失绝缘性能而击穿。
击穿形式：
电击穿、热击穿、化学击穿。
第2节热电性能
1.帕尔贴效应2.汤姆逊效应3.塞贝克效应当两种不同的金属或合金A.B联成闭合回路，且两接点处的温度不一样，则回路中将产生电流
第十三章 材料的耐腐蚀性能
腐蚀：
物质本身的“质”的变化－化学变化（电化学变化）。
腐蚀的类型：
根据金属腐蚀的机理——化学腐蚀、电化学腐蚀。
根据腐蚀破坏的外部特征——全面腐蚀、局部腐蚀、应力和环境介质共同作用下的腐蚀（应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳、氢损伤）。
金属的电化学腐蚀机理
电动势，两电极的氢标电位在两极之间产生电位差；
金属自溶解现象：
电池的负极（阳极）是锌不电极，其电极反应按氧化的方向进行，锌不断溶解。
金属的腐蚀破坏将集中地出现在阳极区，而在阴极区将不会发生可觉察的金属损失，它只起传递电子的作用。
极化作用：
消除或减弱阳极极化和阴极极化作用的电极过程。
能消除或减弱极化作用的物质——极化剂。
通过电流时，阳极电位向正方向移动的现象——阳极极化；阴极电位向负方向移动的现象——阴极极化。
钝化现象：
电化学腐蚀的阳极过程在某些情况下受到强烈的阻滞，使腐蚀速度急剧下降的现象， 钝化现象是自然作用而产生的称为化学钝化或自动钝化。
应力腐蚀断裂（SCC）：
金属材料在拉应力和特定介质的共同作用下所引起的断裂。
耐蚀性或抗蚀性：
金属材料在某一环境介质下所承受或抵抗腐蚀的能力。
影响金属材料耐蚀性的因素：
１．金属的化学稳定性——电位越正，材料的稳定性越高，金属离子化倾向越小，就越不易腐蚀。
２．合金成分——“８／ｎ”定律。
３．金属组织与热处理：
一般说来，组织越是细小、分散，耐蚀性越差。
４．表面状态：
粗糙表面比光滑表面易受腐蚀。
５．应力：
拉应力可加速腐蚀过程。
６.环境因素：
介质的Ｐｈ值降低会使腐蚀速度增加；压力增加、温度上升会使腐蚀速度增大；
腐蚀速度计算
S：
腐蚀面积，m（米）；t腐蚀时间，h（小时）；
为阳极电流密度，
F法拉第常数1F=26.8
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