材料性能学复习总结王从曾版l力学部分文档格式.docx
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比例极限是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力，其表达式为
弹性极限是材料由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力，其表达式为
sp、se的工程意义：
对于要求服役时其应力应变关系严格遵守线性关系的机件，应以比例极限作为选择材料的依据；
对于服役条件不允许产生微量塑性变形的机件，设计时应按弹性极限来选择材料。
5.熟悉影响弹性模量的主要因素
l键合方式和原子结构
共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数；
对于金属元素：
E=k/rmk，m>
1特征常数，r原子半径，r增加，E减小
l晶体结构
单晶体材料：
各向异性，最密晶向上E较大，反之则小。
多晶体材料：
各晶粒的统计平均值，表现为各向同性，但称为伪各向同性。
介于单晶体最大值与最小值之间。
非晶态材料：
各向同性。
l微观组织对金属材料来说E是一个组织不敏感的力学性能指标，而对高分子和陶瓷E对结构和组织敏感。
l温度TT↑原子结合力下降，E↓。
l加载条件金属、陶瓷E影响不大，对高分子E有影响。
6.掌握几种非理想弹性行为的定义、物理意义以及工程上的利弊。
l滞弹性：
材料在快速加载或则卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变得性能。
l粘弹性定义：
材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机制同时存在的力学行为。
表现为应变对应力的响应（或反之）不是瞬时完成，而需要通过一个馳豫过程，但卸载后应变逐渐恢复，不留残余变形。
表现形式：
应力松驰：
恒定温度和形变作用下，材料内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。
蠕变：
恒定应力作用下，试样应变随时间变化的现象。
高分子材料当外力去除后，这部分蠕变可缓慢恢复。
l伪弹性定义：
在一定温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将由应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度弹性变形的现象。
伪弹性变形量60%左右。
工程应用：
形状记忆合金
l包申格效应：
定义：
金属材料经预先加载，产生少量塑性变形（1-4%），然后再同向加载，弹性极限（屈服极限）增加，反向加载，σe降低的现象。
工程上：
材料加工工艺时，需注意或考虑包申格效应，输油管UOE工艺包申格效应大的材料，内应力较大。
包申格效应和材料的疲劳强度也有密切关系。
（书12）
7.掌握塑性变形的机理。
（书本15页）
结晶态高分子材料:
塑变机制：
塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程；
非晶态高分子材料：
在正应力作用下形成银纹或在切应力作用下无取向分子链局部转变为排列的纤维束。
8.掌握塑性变形指标（屈服强度，延伸率，伸长率）的测定方法。
l载荷增加到一定时,突然下降后,载荷不变,试样继续塑变出现一锯齿平台.屈服下限应力为屈服强度σS.定义：
材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力，用σS.表示。
有屈服平台的材料：
用σsl作为σS。
没有明显屈服的材料：
条件屈服强度。
工程意义（书本17页）：
1）塑性材料设计及选材标准塑性材料:
[σ]=σs/nn≥2,脆性[σ]=σb/nn=62）冷变形依据
l断后延伸率材料的延伸率与试样的尺寸有关。
δk=△LK/L0×
100%
△LK＝△Lgt+△LN=βL0+γ√A0
δk=△LK/L0=β+γ√A0/L0
l断面收缩率Ψ=（A0-A1）/A0×
9.了解影响屈服强度的主要因素
屈服变形是位错增殖和运动的结果,凡影响位错运动的内外因都影响屈服强度。
内因:
结合键组织结构原子本性.外因:
温度应变速率应力状态
10.了解断裂的基本概念、断裂的基本方式
材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。
微孔形核长大和聚合是韧性断裂的主要过程.断裂过程中塑性变形起主导作用的断裂形式，断裂机制为剪切断裂。
包括切离和微孔聚型断裂。
杯锥状断口----韧性材料断裂特征。
三区：
中心纤维区放射区剪切唇
纤维区、放射区、剪切唇是韧性材料断口三要素,各区大小取决于材料韧性程度、应力条件、温度、加载速度、试样大小;
在其它条件一定时,韧性高,纤维区大;
温度低、加载速度大、试样尺寸大,放射区大,脆性大.
常见脆性断裂机制:
解理（准解理）断裂、沿晶断裂.宏观断口:
光亮、结晶状.
解理和晶间断裂有时也有塑性变形,所以解理和沿晶断裂未必是脆性断裂（判断）。
从力学上分，断裂分为正断、切断、混合断口;
从工程上来说，分为脆断和韧断。
但是正断不一定是脆断，也有明显的塑性变形。
切断是韧断，但是反之却不一定成立。
（判断）
11.掌握断裂的机理（书本28页）
T<
Tg脆性断裂；
T>
Tg韧性断裂
非晶态聚合物断裂过程：
银纹的形成、银纹质的断裂、微裂纹的形成、裂纹扩展、断裂。
晶态及半晶态高分子材料，断裂过程取决于应力与分子链的相对取向。
12.了解内耗的基本概念
内耗：
材料由于弹性滞后使加载时材料吸收的弹性变形能大于卸载时所释放的弹性变形能，即部分能量被材料吸收，就是内耗.
加载和卸载时的应力应变曲线不重合形成一封闭回线------弹性滞后环
优点：
滞后环面积，它可以减少振动，使振动幅度很快衰减下来。
缺点：
精密仪器不希望有滞后现象。
第二章
1.掌握应力状态软化系数的概念
应力状态软性系数：
最大切应力与最大正应力的比值。
（书本38页）
2.熟悉应力状态软性系数在试验设计中的应用（书本38页）
3.熟悉扭转、弯曲与压缩试验的测试方法
l扭转试验采用圆柱形（实心或空心）试件,在扭转试验机上进行。
标距为100mm；
有时也采用标距为50mm的短试件。
l弯曲试验：
通常用弯曲试件的最大挠度fmax表征材料的变形性能。
试验时，在试件跨距的中心测定挠度，绘成P-fmax关系曲线，称为弯曲图。
l常用的压缩试件为圆柱体。
试件的高度和直径之比A0／d0应取1.5-2.0
4.熟悉扭转、弯曲与压缩试验测试的力学性能指标分析（40页）
l利用扭转图，确定材料的切变模量G，扭转比例极限τp,扭转屈服强度τ0.3,和抗扭强度切变模量G=τ/γ=32Ml0／（πΦd04）扭转比例极限τpτp=Mp/W式中Mp为扭转曲线开始偏离直线时的扭矩。
扭转屈服强度τ0.3τ0.3=M0.3/W式中M0.3为残余扭转切应变为0.3%时的扭矩。
抗扭强度τb=Mb/W式中Mb为试件断裂前的最大扭矩。
（1）扭转时应力状态的柔度系数较大，因而可用于测定那些在拉伸时表现为脆性的材料，如淬火低温回火工具钢的塑性。
（2）圆柱试件在扭转试验时，整个长度上的塑性变形始终是均匀的，其截面及标距长度基本保持不变，不会出现静拉伸时试件上发生的颈缩现象。
因此，可用扭转试验精确地测定高塑性材料的变形抗力和变形能力，而这在单向拉伸或压缩试验时是难以做到的。
（3）扭转试验可以明确地区分材料的断裂方式，正断或切断。
4）扭转试验时，试件截面上的应力应变分布表明，它将对金属表面缺陷显示很大的敏感性．因此，可利用扭转试验研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。
（5）扭转试验时，试件受到较大的切应力，因而还被广泛地应用于研究有关初始塑性变形的非同时性的问题，如弹性后效、弹性滞后以及内耗等．
综上所述，扭转试验可用于测定塑性材料和脆性材料的剪切变形和断裂的全部力学性能指标，并且还有着其它力学性能试验方法所无法比拟的优点。
因此，扭转试验在科研和生产检验中得到较广泛地应用。
然而，扭转试验的特点和优点在某些情况下也会变为缺点，例如，由于扭转试件中表面切应力大，越往心部切应力越小，当表层发生塑性变形时，心部仍处于弹性状态（见图3-1（c））。
因此，很难精确地测定表层开始塑性变形的时刻，故用扭转试验难以精确地测定材料的微量塑性变形抗力。
l弯曲试验对于脆性材料，可根据弯曲图（见图3-7（c）），用下式求得抗弯强度σbbσbb=Mb/W
式中Mb为试件断裂时的弯矩，W为截面抗弯系数，可根据弯曲图上的最大载荷Pb,按下式计算：
对三点弯曲试件:
Mb=PbL／4.对四点弯曲试件:
Mb=PbK／2
应用：
用于测定灰铸铁的抗弯强度，灰铸铁的弯曲试件一般采用铸态毛坯圆柱试件。
用于测定硬质合金的抗弯强度，硬质合金由于硬度高，难以加工成拉伸试件，故常做弯曲试验以评价其性能和质量。
陶瓷材料的抗弯强度测定。
（a）塑性材料，（b）中等塑性材料，（c）脆性材料
l压缩试验根据压缩曲线，可以求出压缩强度和塑性指标。
对于低塑性和脆性材料，一般只测抗压强度σbc，相对压缩εck和相对断面扩胀率ψck。
抗压强度σbcσbc=Pbc/A0（3-13）
相对压缩εckεck=（h0-hk）/h0×
100％（3-14）
相对断面扩胀率ψckψck=（Ak-A0）/A0×
100％（3-15）
式中Pbc为试件压缩断裂时的载荷;
h0和hk分别为试件的原始高度和断裂时的高度；
A0和Ak分别为试件的原始截面积和断裂时的截面积。
压缩载荷变形曲线,1-塑性材料，2-脆性材料
5.熟悉缺口对应力状态的影响（书本43页）
弹性状态下的应力分布
缺口试样的应力集中，根部产生三向应力状态，是材料屈服变形困难，导致材料脆化；
塑性状态下的应力分布
在有缺口条件下，由于出现了三向应力，试样的屈服应力比单向拉伸时要高，即产生了所谓缺口“强化”现象．缺口使塑性材料得到“强化”，这是缺口的第三个效应．
6.了解缺口试样的测试方法（概念）
静拉伸和偏斜拉伸，缺口弯曲
7.了解硬度测试的物理意义、工程意义
目前还没有统一而确切的关于硬度的物理定义，硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。
8.熟悉几种常用的硬度的测试方法（布氏硬度）
l布氏硬度：
施加压力P,压头直径D,压痕深度h或直径d,计算出布氏硬度值，单位为kgf/mm2。
公式表明，当压力和压头直径一定时，压痕直径越大，布氏硬度值越低，即变形抗力越小；
反之，布氏硬度值越高。
布氏硬度的特点和适用范围：
压痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能，不受个别相和微区不均匀性的影响。
布氏硬度分散性小，重复性好适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度，象灰铸铁和轴承合金等。
压痕较大，不宜在实际零件表面、薄壁件、表面硬化层上测定布氏硬度。
淬火钢球作压头，测定HB＜450的材料的硬度；
硬质合金球作压头，测定的硬度可达650HB．
压头直径选定:
试件的厚度应大于压痕深度的10倍。
尽可能选用大直径的压头。
测试加载压力与试件表面垂直，均匀平稳，无冲击。
要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形状必须几何相似，压入角应相等。
布氏硬度相同时，要保证压入角相等，则P/D2应为常数。
l洛氏硬度试验方法洛氏硬度是直接测量压痕深度，压痕愈浅表示材料愈硬
常用的压头：
顶角为1200的金刚石圆锥体，直径为Φ1.588mm（1／16英寸）的钢球压头
l维氏硬度测定的原理与方法基本上与布氏硬度的相同，根据单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值。
测定维氏硬度所用的压头为金刚石制成的四方角锥体，两相对面间的夹角为136°
，所加的载荷较小。
已知载荷P，测得压痕两对角线长度后取平均值d，计算维氏硬度值，单位为kgf/mm2
HV=1.8544P/d2
9.了解缺口对材料力学性能的影响
第三章材料的冲击韧性及低温脆性
1.熟悉多冲和单冲试验的测试方法、物理意义以及工程工厂意义
一次冲击弯曲试验：
质量m的摆锤，举至高度H，势能mgH1；
锤释放，将试件冲断。
摆锤失去一部分能量，这部分能量就是冲断试件所作的功，称为冲击功，以Ak表示。
剩余的能量使摆锤扬起高度H2，故剩余的能量即为mgH2。
Ak=mgH1-mgH2=mg（H1-H2）Ak的单位为Kgf.m或J。
用试样缺口处截面FN（cm2）去除AKV（AKU），便得到冲击韧度或冲击值aKV（aKU），即
aKV（aKU）=AKV（AKU）/FN
aKV（aKU）是一个综合性的力学性能指标，与材料的强度和塑性有关，单位为J／cm2
多次冲击实验：
多次冲击试验在落锤式多次冲击试验机PC-150上进行，冲击频率为450周次／min和600周次／min。
冲击能量靠冲程调节而变换（0.1～1.5J），可做多冲弯曲、拉伸和压缩试验．试验后可绘制出冲击功A—N曲线，从A—N多冲曲线不难看出，随冲击功A的减少，冲断次数N增加。
2.掌握低温脆性的工程意义（62页）
3.了解韧脆转化温度的测试方法以及对其的影响因素
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tk。
为此，需要在不同温度下进行冲击弯曲试验，根据试验结果作出冲击吸收功—温度曲线、试样断裂后塑性变形量和温度的关系曲线、断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线等，根据这些曲线求tk。
4.系列冲击实验与材料韧性的关系
5.韧脆转化温度tk的评定方法
按能量法定义tk的方法：
（1）当低于某一温度材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称为“低阶能”。
以低阶能开始上升的温度定义tk，并记为NDT（nilductilitytemperature），称为无塑性或零塑性转变温度，
（2）高于某一温度材料吸收的能量也基本不变，形成一个上平台，称为“高阶能”。
以高阶能对应的温度为tk,记为FTP（fracturetransitionplastic）。
高于FTP的断裂，将得到100％的纤维状断口。
（3）以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义，并记为FTE（fracturetransitionelastic）。
（4）以Akv＝15呎磅（20.3N·
m）对应的温度定义，并记为V15TT。
这个规定是根据大量实践经验总结出来的。
实践表明，低碳钢船用钢板服役时若冲击韧性大干15呎磅或在V15TT以上工作就不致于发生脆性断裂。
（5）温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大，材料由韧变脆．通常取结晶区面积占整个断口面积50％时的温度为tk，并记为50％FATT（fractureappearancetransitiontemperature）或FATT50、t50。
6.影响材料低温脆性的因素的分析
影响材料低温脆性的因素：
1晶体结构的影响：
体心立法金属及其合金存在低温脆性，而面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性。
2化学成分的影响：
间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高。
加入置换型溶质元素（Ni、Mn例外），一般也降低高阶能，提高韧脆转变温度，但是效果不明显。
杂质元素S、P、Pb等使钢的韧性下降。
3.显微组织的影响
（1）细化晶粒提高韧性
（2）金相组织有影响4.温度的影响
主要是“蓝脆”的影响5.加载速率的影响，提高加载速率如同降低温度，使材料脆性增大，韧脆转变温度提高。
加载速率对钢脆性的影响与钢的强度有。
6．试样形状和尺寸的影响，缺口曲率半径越小，tk，因此，V型缺口试样的tk高于U型试样的tk。
当不改变缺口尺寸而只增加试样宽度（或厚度）时，tk升高．若试样各部分尺寸按比例增加时，tk也升高．这是由于试样尺寸增加时应力状态变硬，且缺陷几率增大，故脆性增大。
第四章材料的断裂韧性
1.了解材料裂纹的基本方式
（a）张开型（Ⅰ型）;
（b）滑开型（Ⅱ型）;
（c）撕开型（Ⅲ）型
2.熟悉线弹性条件下的I型裂纹大板的应力应变状态
拉应力垂直作用于裂纹面，裂纹沿作用方向张开，沿裂纹面扩展。
3.掌握KIC的基本概念、物理意义
当应力和裂纹尺寸a单独或同时增大时，KI和裂纹尖端的各应力分量也随之增大。
当应力或裂纹尺寸a增大到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范围内，应力达到材料的断裂韧性，裂纹便失稳扩展而导致材料的断裂，这时KI也达到了一个临界值，这个临界KI记为KIC或KC,称为断裂韧性（概念），单位为Mpa·
m1/2或KN·
m-3/2，物理意义，其是一个表示材料抵抗断裂的能力。
（KC为平面应力断裂韧度,KIC为平面应变断裂韧度.同一种材料KC>
KIC
KIC：
表示材料抵抗断裂的能力，材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力。
4.了解弹塑性条件下的断裂韧性（基本概念）
5.掌握影响材料断裂韧度的因素
断裂韧度作为评价材料抵抗断裂能力的力学性能指标，它取决于材料的化学成分、组织结构等内在因素，同时也受到温度、应变速率等外部因素的影响。
一、化学成分、组织结构对断裂韧度的影响
（1）．化学成分的影响，对于金属材料，a．细化晶粒的合金元素：
因提高强度和塑性，可使断裂韧度提高；
b．强烈固溶强化的合金元素：
因大大降低塑性而使断裂韧度降低，并且随合金元素的浓度的提高，降低的作用更加明显；
c．形成金属间化合物并呈第二相析出的合金元素：
因降低塑性有利于裂纹扩展而使断裂韧度降低。
对于陶瓷材料，提高材料强度的组元，都将提高断裂韧度。
对于高分子材料，增强结合键的元素都将提高断裂韧度。
（2）．基体相结构和晶粒尺寸的影响，一般而言，基体相晶体结构易于发生塑性变形，产生韧性断裂，材料的断裂韧度就高。
对于陶瓷材料，可以通过改变晶体类型，调整断裂韧度的高低。
细化晶粒既可以提高强度，又可以提高塑性，那么断裂韧度也可以得到提高。
3．夹杂和第二相的影响，对于金属材料，非金属夹杂物的第二相的存在对断裂韧度的影响可以归纳为：
A.非金属夹杂物往往使断裂韧度降低；
（AB原因）B.脆性第二相随着体积分数的增加，使得断裂韧度降低；
C.韧性第二相当其形态和数量适当时，可以提高材料的断裂韧度。
对于陶瓷材料和复合材料，目前常利用适当的第二相提高其断裂韧度，第二相可以是添加的，也可以是在成型时自蔓延生成的．如在SiC、SiN陶瓷中添加碳纤维，或加入非晶碳，烧结时自蔓延生成碳晶须，可以使断裂韧度提高。
4．显微组织的影响，相同强度条件下，断裂韧度的大小:
１）在低碳钢中，回火马氏体≥贝氏体２）在高碳钢中，上贝氏体≤回火马氏体≤下贝氏体。
二、特殊改性处理对断裂韧度的影响
（1）．亚温淬火，获得不同形态和数量的未溶铁索体+马氏体的复相组织，由于晶粒的细化、相界面积的增加、单位面积杂质浓度的降低、铁素体对裂纹尖端应力集中的松弛作用、裂纹沿相界面扩展途径的延长等，使得强度和韧性得到提高。
（2）．超高温淬火，对于中碳合金结构钢，采用超高温淬火，虽然奥氏体晶粒显著粗化，塑性和冲击吸收功降低，但断裂韧度提高．6．形变热处理，高温形变热处理由于动态再结晶，可以细化奥氏体晶粒，因而细化了淬火后的马氏体，使强度和韧性都提高。
低温形变热处理除了细化奥氏体晶粒外，还可增加位错密度，促进合金碳化物弥散沉淀，降低奥氏体含碳量和增加细小板条马氏体的数量，因而提高强度和韧性。
对于大多数材料，温度的降低通常会降低断裂韧度。
三、外界因素对断裂韧度的影响应变速率对断裂韧度的影响类似于温度。
增加应变速率相当于降低温度，也可使KIC下降。
6.熟悉断裂韧度在工程中的基本应用
断裂韧度在工程中的应用可以概括为三方面：
第一就是设计:
包括结构设计和材料选择，可以根据材料的断裂韧度，计算结构的许用应力，针对要求的承载量，设计结构的形状和尺寸；
可以根据结构的承载要求、可能出现的裂纹类型，计算可能的最大应力强度因子，依据材料的断裂韧性进行选材；
第二就是校核，可以根据结构要求的承载能力、材料的断裂韧度，计算材料的临界裂纹尺寸，与时测的裂纹尺寸相比较。
校核结构的安全性，判断材料的脆断趋向；
第三就是材料开发，可以根据对断裂韧度的影响因素，有针对性地设计材料的组织结构，开发新材料。
第五章材料的疲劳性能
1、了解疲劳破坏的一般规律
（87页）
2、掌握疲劳破坏的机理（高分子）
（1）易产生银纹的非晶态聚合物的疲劳破坏过程主要决定于外加名义应力：
A：
高循环应力时，应力很快便达到或超过材料银纹的引发应力，产生银纹，并随之转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳破坏；
B：
中应力循环时也会引发银纹，并转变为裂纹，裂纹扩展速度比高应力区低，但机理、过程相同；
C：
低应力循环时因难以引发银纹，由材料微损伤累积及微观结构变化产生微孔洞及微裂纹，并导致宏观破坏。
（2）对于因低应力或本身不易产生银纹的结晶态聚合物，其疲劳过程可出现以下现象：
1）整个过程，疲劳应变软化而不出现硬化；
2）分子链间剪切滑移，分子链断裂，结晶损伤及晶体精细结构发生变化；
3）产生显微孔洞（micryoid），微孔洞聚合成微裂纹，并扩展成宏观裂纹；
4）断口呈裂纹扩展形成的肋状形态，材料呈被拉拔出的丛生簇状结构，每肋条间次级裂纹源显示出细砂结构。
热疲劳是聚合物疲劳失效的主要原因。
但有时也可修补高分子的微结构损伤。
（3）聚合物疲劳断口上可有两种特征的条纹：
疲劳辉纹（fitiguestriation）和疲劳斑纹（marking）。
A:
前者是每周期变动应力作用时引起的裂纹扩展，间距为10um左右；
后者是不连续的、跳跃式的变动应力引起的裂纹扩展，间距为50um左右。
B:
较低分子量和低应力强度因子有利于疲劳斑纹的产生；
C:
高分子量在所有的应力强度因子条件下皆可形成疲劳辉纹。
3、熟悉疲劳抗力指标的意义以及测试方法（97页）
疲劳抗力指标:
1）疲劳强度2）过载持久值3）疲劳缺口敏感度4）疲劳裂纹扩展速度
测定疲劳曲线的方法是，按标准（GB4337-84）的规定先准备若干个尺寸相同的试样，从0.67σb到0.4σb，选择几个不同的最大循环应力σ1，σ2，…，σn，分别对每个试样进行循环加载试验，测定它们从加载开始到试样断裂所经历的应力循环数N1，N2，…，Nn，然后在直角坐标图上将这些数据绘制成σ-N曲线，或σmax—lgN曲线。
4、掌握影响材料及机件疲劳强度的因素
一、工作条件的影响，1.载荷条件，
（1）应力状态和平均应力，应力比的影响在第三节中叙述。
（2）在过载损伤区内的过载将降低材料的疲劳强度或寿命。
（3）次载锻炼：
低于疲劳极限的应力称为次载。
材料特别是金属在低于疲劳强度
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