材料力学性能学习要点2Word格式文档下载.docx

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材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

（或者材料抵抗裂纹扩展的能力，J/m3），是材料的力学性能。

退火低碳钢静拉伸曲线特征；

断口形貌特点；

退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形和断裂几个阶段。

弹性变形、塑性变形；

（1）弹性变形：

定义：

当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹性变形。

特点：

单调、可逆、变形量很小（＜0.5～1.0%）

（2）塑性变形：

外载荷卸去后，不能恢复的变形。

各晶粒变形的不同时性和不均匀性、变形的相互协调性

屈服（不均匀塑性变形）、均匀塑性变形、集中塑性变形（缩颈）；

（1）屈服（不均匀塑性变形）：

在金属塑性变形开始阶段，外力不增加、甚至下降时，变形继续进行的现象，称为屈服。

上屈服点、下屈服点（吕德丝带）

（2）均匀塑性变形：

屈服之后，缩颈之前的阶段（在这一阶段，塑性变形并是能像屈服平台那样连续流变先去，而需要不断增加外力才能进行，）

（3）集中塑性变形（缩颈）：

a.意义变形集中于局部区域

b.缩颈的判据（塑性变形时，体积不变的条件）eB=n

结论：

当金属材料真实均匀塑性应变量等于应变硬化指数时，便产生缩颈。

所以，n值大时，材料的均匀塑性变形能力强！

c.颈部的三向拉应力状态

承受三向拉应力（相当于厚板单向拉伸，平面应变状态）

产生屈服的原因，影响因素分析；

机理：

外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动的过程。

影响屈服强度因素：

1）内因

a.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。

b.溶质原子和点缺陷

形成晶格畸变（间隙固溶，空位）

c.晶粒大小和亚结构

晶界是位错运动的障碍。

要使相邻晶粒的位错源开动，须加大外应力。

d.第二相

不可变形第二相，位错只能绕过它运动。

可变形第二相，位错可切过。

第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有关；

同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。

2）外因

温度提高，位错易运动，σs↓。

例：

高温锻造，“乘热打铁”

应变速率提高，σs↑。

应力状态切应力τ↑，σs↓。

应变硬化，静力韧度；

（1）应变硬化或称形变强化，加工硬化

1）意义

a.应变硬化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。

b.使构件具有一定的抗偶然过载能力。

c.强化金属，提高力学性能。

d.提高低碳钢的切削加工性能。

2）应变硬化机理

a.三种单晶体金属的应力

b.应变硬化机理

易滑移阶段：

单系滑移hcp金属（Mg、Zn）不能产生多系滑称，∴易滑移段长。

线性硬化阶段：

多系滑移位错交互作用，形成割阶、面角位错、胞状结构等；

位错运动的阻力增大。

抛物线硬化阶段：

交滑移，或双交滑移，刃型位错不能产生交滑移。

多晶体，一开动便是多系滑移，∴无易滑移阶段

（2）静力韧度：

静拉伸时，单位体积材料断裂所吸收的功（是强度和塑性的综合指标）。

J/m3

工程意义：

对按照屈服强度设计、有偶而过载的机件必须考虑。

断裂类型（韧性、脆性，沿晶、穿晶，微孔聚合、解理）；

断裂分类及特征（表1-7）

韧性断裂与脆性断裂的区别与联系；

区别：

（1）韧性断裂

断裂特点：

断裂前，宏观变形明显；

过程缓慢；

断裂面一般平行于最大切应力，并与主应力成45o角。

（2）脆性断裂

断裂特点

断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆；

断口与正应力垂直。

联系：

通常，脆断前也产生微量的塑性变形，一般规定：

Ψ<

5%为脆性断裂；

>

5％时为韧性断裂。

可见，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。

条件改变，材料的韧性与脆性行为会随之而改变。

格里菲斯断裂理论之裂纹扩展力学表达式（表1-8）

的数学、物理含义。

2．应力状态软性系数；

应力状态软性系数α 

的定义：

最大切应力与最大正应力之比

式中最大切应力τmax按第三强度理论计算，即

τmax=（σ1-σ3）/2

σ1，σ3分别为最大和最小主应力。

最大正应力σmax按第二强度理论计算，即,

ν——泊松比。

单向拉伸α=1/2

扭转α=1/（1+ν）≈0.8

单向压缩α=1/（2ν）≈2 

应力状态系数α的技术意义——表示在不同试验方法下（即不同应力状态下）材料塑性变形的难易程度

α越大，表示该应力状态下切应力分量越大，材料就越易塑变。

∴把α值较大的称做软的应力状态，α值较小的称做硬的应力状态。

缺口试样静弯曲曲线，缺口效应；

缺口式样静弯曲曲线：

曲线下所包围的面积，表示试样从变形到断裂的总功。

总功由三部分组成：

（1）只发生弹性变形的弹性功Ｉ;

（2）发生塑性变形的变形功以面积Ⅱ表示；

（3）在达到最大载荷Pmax时试样即出

现裂纹。

如果裂纹到截荷P1点时开始迅

速扩展，直至试样完全破断。

这一部分

功以面积Ⅲ表示，叫作撕裂功。

可用断裂功，或Pmax/P1,来表示材料的缺口敏感度。

P1—试样发生断裂所对应的作用力。

Pmax/P1=1时，裂纹扩展极快，缺口敏感度最大。

缺口效应：

理论应力集中系数

Kt=σmax/σ

Kt值与材料性质无关，只取决于缺口的几何形状。

拉伸时，缺口试样上的应力分布

弹性状态下:

（a）薄板缺口下的弹性应力（平面应力）

缺口根部为单向拉应力状态σy，内部为两向拉应力状态，σz等于0。

（b）厚板缺口下的弹性应力（平面应变）

缺口根部为两向拉应力状态，内部为三向拉应力状态。

（c）平面应变时的应力分布

在材料内部，沿厚度方向，σz不等于0。

（d）平面应变时,局部屈服后的应力分布

塑性状态下：

塑性较好的材料，若根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大，塑性区逐渐扩大，直至整个截面。

应力最大处则转移到离缺口根部ry距离处，该处σy，σx，σz均为最大值。

随塑性变形逐步向试样内部转移，各应力峰值越来越大。

试样中心区的σy最大。

∴出现“缺口强化”（三向拉应力约束了塑性变形）

塑性降低，影响材料的安全使用。

常规硬度指标规范（HRA、HRB、HRC）及适用场合。

标尺

硬度符号

压头类型

初始实验力F0/N

主试验力F1/N

总试验力F/N

测量硬度范围

应用举例

A

HRA

金刚石圆锥

98.07

490.3

588.4

20~88

硬质合金、硬化薄钢板、表面薄层硬化钢

B

HRB

Φ1.588mm球

882.6

980.7

20~100

低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁

C

HRC

1373

1471

20~70

淬火钢、高硬度铸件、珠光体可锻铸铁

3．冲击弯曲试验

冲击韧度、试样规范及断口形貌特征、低温脆性、韧脆转变温度tK及影响因素。

断裂分析图（FAD），技术意义和用途，NDT、FTE和FTP的含义和定量关系：

技术意义：

对低强度钢板进行落锤试验求得NDT温度，可建立断裂分析图。

该图是表示许用应力、缺陷（裂纹）和温度之间关系的综合图。

它明确提供了低强度钢构件在温度、应力和缺陷（裂纹）联合作用下脆性断裂开始和终止的条件。

对低强度钢构件防止脆断设计和选材提供了一个有效方法；

可分析断裂事故，帮助积累防止脆性断裂的经验。

NDT：

零塑性、或无塑性断裂温度；

FTE：

弹性断裂转变（/折）温度（数值上=NDT+33℃）

FTP：

100%纤维断口的断裂温度（数值上=NDT+67℃），即塑性断裂转变温度。

4．断裂韧度

裂纹尖端应力强度因子KI、塑性区修正的意义；

断裂韧度的影响因素；

断裂韧度的实质：

（KIC）是材料强度、塑性和结构参量（基体相的强化程度、第二相的大小、数量与分布，晶粒尺寸，裂纹等）的综合性能。

KIC应用、计算（本章例一、例二，本章思考习题17，），有关塑性区修正的问题、表面半椭圆形裂纹形状系数；

KIC、KC，有何异同？

断裂韧度JIC和GIC、裂纹尖端张开位移δC的技术含义（Esp：

量纲和断裂条件上理解）

5．疲劳

疲劳概念及其特点，

概念：

材料在交变应力的作用下，经过一段时间，而发生断裂的现象，叫疲劳。

疲劳破坏时无明显的塑性变形，呈现脆性的突然断裂。

疲劳断裂是一种非常危险的断裂。

疲劳的分类及其特点：

（1）分类

1）按应力状态弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。

2）按环境腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。

3）按循环周期高周疲劳、低周疲劳。

4）按破坏原因机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳

（2）疲劳的特点

1）断裂应力<

σb，甚至<

σs；

2）出现脆性断裂；

3）对材料的缺陷十分敏感；

4）疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展，断裂。

疲劳曲线，

疲劳断口宏观形貌特征，疲劳裂纹形成、扩展和断裂，微观特征；

（1）疲劳端口宏观形貌特征：

断口拥有三个形貌不同的区域：

疲劳源、疲劳区、瞬断区。

随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。

疲劳裂纹扩展速率曲线；

疲劳门槛值（概念）、疲劳寿命估算Paris公式、疲劳过程及裂纹形成与扩展的机理；

疲劳门槛值△Kth：

是阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，也是材料力学性能指标

常选用Paris公式：

da/dN=C（△K）n

疲劳过程：

裂纹萌生→亚稳扩展→失稳扩展→断裂

裂纹萌生的原因：

应力集中、不均匀塑性形变。

方式：

表面滑移带开裂；

晶界或其他界面开裂。

裂纹扩展的两个阶段：

第一阶段沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；

扩展速率仅0.1μm数量级。

第二阶段疲劳裂纹亚稳扩展；

扩展速率达μm级。

疲劳强度影响因素；

（1）材料内因：

①化学成分②显微组织③非金属夹杂及冶金缺陷

（2）材料表面状态和工件结构：

①表面状态应力集中；

表面粗糙度②残余应力及表面强化（喷丸与滚压）③表面及化学热处理

低周疲劳和热疲劳的概念

低周疲劳：

疲劳寿命为102～105次的疲劳断裂，称为低周疲劳（在应力较高、循环次数较少的疲劳断裂）

（1）局部产生宏观变形，应力与应变之间呈非线性。

（2）裂纹成核期短，有多个裂纹源；

断口呈韧窝状、轮胎花样状。

（3）疲劳寿命取决于