金属力学性能.docx

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金属力学性能

疲劳定义：

金属机件或构件在变动应力应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。

疲劳的特点：

（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂，σ↓，Nf↑.

（2）疲劳是脆性断裂，是一种潜在的突发性断裂。

（3）疲劳对缺陷十分敏感。

疲劳的断口特征：

（三个区）：

疲劳源，疲劳区，瞬断区，疲劳宏观特征：

贝纹线（沙滩状花样），微观特征：

疲劳韧带

疲劳裂纹在表面形成的原因：

（1）表面晶粒受周围介质约束小

（2）表面晶粒不完全被其他晶粒包围，塑性变形约束小（3）表面晶粒易受损伤（4）弯曲，扭转载荷作用在表面应力最大。

疲劳强度影响因素

表面强化：

化学热处理：

渗碳，氮;

表面淬火

表面塑变：

喷丸;

表面滚压表面强度增加（抵抗表面滑移，σ-1提高），表面产生残余压应力（降低拉应力峰，σ-1提高）

残余压应力的有利影响与外加应力的应力状态有关：

机件承受弯曲疲劳时，残余压应力效果比扭转疲劳大；承受拉压疲劳时，影响小，这是不同应力状态下，机件表面应力梯度不同所致。

只要提高材料的滑移抗力，如果用固溶强化，细晶强化等手段，均可以阻止疲劳裂纹的萌生，提高疲劳强度——只适用于高周疲劳。

高周疲劳特点：

断裂寿命较长，Nf>105周次；断裂应力水平较低，σ<σs,低应力疲劳。

应力腐蚀

产生条件：

应力；化学介质；金属材料

应力腐蚀断口特征.宏观：

灰黑色—亚稳扩展区，亮色—瞬间断口区微观：

显微断裂呈枯树枝状，表面可见到“泥状花样”的腐蚀产物及腐蚀坑。

防止应力腐蚀方法：

，合理选择金属材料

，减少或清除机件中的残余拉应力

，改善化学介质

，采用电化学保护

为什么bcc易于产生低温脆性，而fcc不易产生？

加入Ni,Mn合金元素对韧性的影响？

答：

（1）σs=σi+kyd-1/2,bcc对温度变化更为敏感，与温度下降时，σi急剧增加，故σs急剧增加，从而易于产生低温脆性

（2）bcc与迟屈服现象有关，迟屈服即对低碳钢施加一高速载荷到高于σs材料并不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期才开始塑性变形。

在孕育期中只产生弹性变形，由于没有塑性变形消耗能量故有利于裂纹的扩展，从而易于表现为脆性破坏。

钢中加入置换型溶质元素一般能提高tk但是Ni和Mn例外，Ni和Mn减小低温时位错运动的摩擦阻力，还增加层错能，故提高低温韧性

对于原始组织为珠光体的钢经过等温淬火后得到下贝氏体组织强度明显提答：

（一）贝氏体中铁素体的影响1下贝氏体中铁素体晶粒细小，强度高，即结晶强度2下贝氏体中形成强度低碳的过饱和度大，强度大，即固溶强化。

3下贝氏体中亚结构为缠结位错，因下贝氏体形成强度低，位错密度增长强度，韧性增高，即位错强化。

（二）贝氏体中渗碳体的影响，渗碳体颗粒均匀，颗粒细小分布于铁素体中，所以强度高，即析出强化。

某工件经过滚压后其表面硬度较滚压前有明显的提高？

答：

表面滚压能够增加表面位错密度，位错间相互作用力增大，硬度增大，表面滚压因塑变层走位的弹力约束，又在塑变层内产生残余压应力。

某工件经喷丸后其表面硬度较喷丸前有明显提高？

答：

表面喷丸是用压缩空气将坚硬的小弹丸高速喷打向机件表面，产生局部形变强化，同时因塑变层周围的弹性约束，又在塑变层内产生残余压应力。

有一弹簧由于产生塑性变形导致其不能正常工作，试分析是什么力学性能指标不足导致其失效，可以采取那些措施防止失效？

答：

ae=σe2/2E弹簧发生塑性变形，发生了加工硬化使得σe减小，而ae表示吸收弹力变形功的能力在相同外力载荷作用下，弹簧形变量小，故不能工作。

方法：

进行渗碳，使含碳量升高，加入Si、Mn等合金元素，以强化铁素体基体进行淬火加中温回火，可以有效提高σeae；将该弹簧在一定温度下加温保温，使之发生回复再结晶。

屈服现象与三个有关因素：

1.滑移：

是金属材料在切应力作用下沿滑移面和滑移方向进行的均变过程；2随塑性变形发生位错能快速增殖；3位错运到速率与外加应力有强烈依存关系

塑性影响因素：

强度↑δs↓,σs/σb↓δ↓;第二相形状：

球状δ>片状δ；晶粗尺寸：

d↓，δ↑

细晶提高δ（强韧化）的机理：

晶粒尺度d下降，δ↑，σs↑。

1.d下降，位错运动阻碍增加；2.d下降，晶粒内部位错堆积群位错数目下降，位错塞积群前端应力下降；3.d下降，晶界面积升高，分布于晶界附近的杂质浓度下降，晶界强度升高。

由1、2、3得晶界不易开裂，所以晶粒越细，σs↑；4.晶粒越细，一定体积金属内部的晶粒数目越多，晶粒之间的位相差可能减小，加之晶界不易开裂，塑性变形可以被更多的晶粒所分担，所以塑性提高。

金属断裂的分类：

1.大多金属材料的断裂过程包括裂纹形成与扩展；2.韧性断裂-断裂前产生明显宏观塑变，断口呈纤维状，灰暗色。

宏观断口呈杯锥状。

断口特征三要素：

纤维区，放射区，剪切唇；脆性断裂-突塑发生，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状，人字纹（矩形）；3穿晶断裂-可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂；沿晶断裂-一般是脆性断裂，断口形貌呈冰糖状，例如应力腐蚀，氢脆，回火脆性，淬火裂纹，磨削裂纹等。

4.解理断裂（是脆性断裂）-微观断口特征：

解理台阶，河流花样，舌状花样。

微孔聚集型断裂（是韧性断裂）-微观断口特征：

韧窝。

低温脆性：

现象：

试样由韧性状态变为脆性状态，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状。

机理：

1.低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加的结果-σs=σ1=kyd-1/2;2.bcc的低温脆性与迟屈服现象有关。

影响韧脆转变温度（tk）因素:

1.晶体结构：

bcc金属及其合金存在低温脆性，如普通中、低强度钢；2.化学成分：

Mn,Ni,降低tk;杂质元素：

S,P,As,Sn,Sb升高tk,由于它们偏聚于晶界，降低晶界表面能，产生沿晶脆性断裂，同时降低脆断应力所致。

3.晶粒大小：

细化晶粒使材料韧性增加，细化晶粒提高韧性的原因是晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆断。

4.金相组织:

钢中杂质物，碳化物等第二相质点。

缩颈：

拉伸时局部集中塑性变形现象，由于加工硬化落后于截面缩小，使材料承载力下降。

δC—表示裂纹扩展所需应力或裂纹体的实际断裂强度。

δe—由弹性变形过渡到弹性塑性变形的应力。

δp——比例极限，应力与应变成直线关系的最大应力。

缩颈：

拉伸时局部集中塑性变形现象，由于加工硬化落后于截面缩小，使材料承载力下降。

NSR：

静拉伸缺口敏感度，金属材料的缺口敏感性指标用缺口试样的抗拉强度δbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度δb比值表示，称为缺口敏感强度。

ae弹性比功，单位体积材料吸收弹性功，减振储能的能力。

W18Cr4V钢经过1280℃加热淬火后的硬度约为HRC3～64，而经过560℃三次回火后的硬度升高到HRC65～66.回火使刚弥散析出M2C及MC型C化物，产生二次硬化，硬度升高，淬火后的残余A氏体的合金度也比较高，560℃回火也析出合金C化物，使残余A氏体的合金度降低，Ms点升高，在后续冷却过程中，残余A发生M转变，从而发生相变强化，根据τ=αGbρ0.5由于ρ增加，τ也增加，所以屈服强度随之提高。

亚共析钢的淬火前组织为F+P淬火后的M发生相变强化，在转变过程中钢中固溶的C原子与位错交互作用形成柯氏气团对位错有钉扎作用，位错运动变得困难从而使材料强度上升，急冷过程中会有C化物的析出，作为硬质相会起到强化的作用

奥氏体向马氏体转变为什么强度会提高：

体心立方变为体心正方，使强度也增加，再者马氏体是低碳板条马氏体亚结构是位错，相变过程中，奥氏体转变为马氏体达到相变强化效果还有加工硬化的过程，加变共析体积膨胀产生位错，此外虽然第二相缺失，使强度降低，但是小于固溶强化，故σb升高

用何种硬度试验方法1渗碳层的硬度分布HK2淬火钢HRC3灰铸铁HB4鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体HRC5仪表小黄铜齿轮HK6农门刨床导轨HS7渗氮层HRC8高速钢刀具HB9退火态低碳钢HB10硬质合金HRA

强化机理：

细晶强化：

晶粒大小的影响是晶界影响的反映，因为晶界是位错运动的障碍，在一个晶粒内部，必须塞积足够数量的位错才能提供必须的应力，使相邻经历中的位错源开动并产生宏观可见的塑性变形，因而，减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度提高。

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的现象，原理：

在固溶合金中，由于溶质原子和溶剂原子直径不同，在溶质原子周围形成了晶格畸变应力场，该应力场和位错应力场产生交互作用，使位错运动受阻，从而提高屈服强度。

应用：

Al合金F+P加热到ν温度降温形成M

第二相强化：

用粉末冶金法获得较小的第二相质点——弥散强化用固溶处理喝随后的沉淀析出获得较小的第二相质点——沉淀强化。

机理：

对于不可变形的第二相质点，位错线只能绕过，为此，必须克服弯曲位错的线张力，随着绕过质点的位错数量增加，留下的位错环增多，相当于质点间距减小，流变应力就增大。

对于可变形的第二相质点，未作可以切过，使之间基体一起产生变形，产生新的界面需要作功，从而提高σs

相变强化：

位错增殖，运动受阻τP-N——晶格阻力应用：

高速钢M+A′+K→M′+M+KM-M′（→上面是三次回火）:

析出粒状珠光体—第二相强化A′-M:

由体心立方—体心正方，产生τP-N（派纳力）σs↑

加工强化：

位错密度ρ↑形成亚晶界，晶粒碎化，影响σs的外在因素：

1温度2应变速率3应力状态

高分子

陶瓷热震性断裂与热震性损伤的区别？

答：

热震性断裂：

由热震引起的瞬时断裂；热震性损伤：

在热冲击循环作用下，材料先出现开裂，随之裂纹扩展，导致材料强度降低，最终整体破坏，称为热震性损伤。

复合材料的组成？

特点？

答：

由两种或两种以上异质、异性、异性的材料复合形成的新型材料。

复合材料中通常有一相为连续相称为基体；有一种或几种不连续相分布于基体中，强度硬度比连续相高，称为增强体。

其结构特点：

可设计性；材料与结构具有同性；复合材料结构设计包含材料设计；材料性能对复合工艺的依赖性；复合材料具有各向异性和非均匀的力学性能特点。

其性能特点：

比强度、比模量高；抗疲劳性能良好；减震性能良好；耐高温性能好；断裂安全性能好。

银纹？

银纹与裂纹的区别？

答：

银纹即在拉应力作用下，非晶态聚合物的某些薄弱地区，因应力集中产生局部塑性，结果在其表面和内部会产生闪亮的、细长形的“类裂纹”，称为银纹。

与裂纹的区别：

（1）裂纹是空的而银纹中含有约40%的空体积；

（2）银纹仍具有一定柔韧和力学强度；（3）银纹与裂纹不同，它具有可逆性，在压力或Tg点以上退火，银纹能回缩和愈合，回复到未开裂时的均一状态。

结晶聚合物应力应变曲线？

（203页图9-14）

答：

当结晶聚合物出现屈服（曲线最高点）后，原有的结构开始破坏，试样上出现缩颈，并沿长度方向不断扩展。

此种现象在玻璃态聚合物拉伸变形时也有，但与金属材料的拉伸缩颈现象不同。

金属材料的缩颈不扩展，是试样上局部塑性变形集中区。

与此同时载荷下降。

曲线的最低点表示原有结构完全破坏。

如果在缩颈开始后不迅速发生断裂，则随应变增加，被破坏的晶体结构又重新组成方向性好、强度高的微纤维新结构。

每个微纤维都有很高的强度，再加上微纤维间的联系分子进一步伸展，新结构聚合物的抗变形能力增大。

由于应变硬化，应力-应变曲线再度上升，直至达到断裂应力—断裂。

随温度变化聚合物内部结构变化？

（202页图9-12）

答：

结晶态聚合物由于晶区内的链段无法运动，因此结晶度搞的聚合物不存在高弹性，但具有较高的强度和硬度。

结晶态聚合物的力学状态与相对分子质量和温度有关。

由图可见，在tg

当t>tm时，晶体相熔化，聚合物全部由非晶区组成，转化成为高弹性的橡胶态。

ZrO2相变增韧？

答：

相变增韧是通过四方相转变成单斜相来实现的，是ZrO2陶瓷的典型增韧机理。

ZrO2陶瓷有三种晶型，从高温冷至室温时将发生如下转变：

C-ZrO2（立方相）在2370°C时转变成t-ZrO2（四方相）在1170°C时转变成m-ZrO2（单斜相）。

t-ZrO2转变为m-ZrO2属于马氏体相变，相变时伴有4%-5%体积膨胀。

在制备ZrO2陶瓷时，若加入少量稳定剂，如Y2O3、CaO、MgO、CeO等，并且ZrO2粒子尺寸达到一定大小，则t-ZrO2→m-ZrO2相变点Ms降到室温以下。

在外力作用下，诱发亚稳t-ZrO2转变为m-ZrO2，消耗一部分外加能量，使材料增韧。

例如：

热压烧结含钇四方氧化锆多晶体（Y-TZP），K1c可达15.3MPa.m1/2。

相变增韧受到使用温度限制，当温度超过800°C时，t-ZrO2由亚稳态变成稳定态，t-ZrO2→m-ZrO2相变不再发生，故相变增韧失去作用。

说明图中各线含义，Vfmin符号数字含义？

（239页图11-12）

答：

此图是单向复合材料纵向抗拉强度δcLu与纤维体积分数Vf的关系。

图中ABC线即为δcLu=δfuVf+δm*（1-Vf）；OC线和DF线分别是复合材料中纤维承受的载荷和基体承受的载荷与Vf的关系；B点称为等破坏点，在该点处δcLu=δmu，相应的纤维体积分数就是Vfcr；E点对应的Vf为纤维最小体积分数Vfmin。

当Vf

在这样的体积分数下，纤维对抑制基体的伸长是无效的，以至纤维迅速拉长达到它们的断裂应变，全部纤维破坏不会导致复合材料立即破坏。

复合材料在应力为δmuVm时断裂，因此当纤维体积分数小于Vfmin时，复合材料的抗拉强度按下式计算δcLu=δmu（1-Vf）。

用δmu（1-Vf）代替ABC式子中的δcLu，则得到Vfmin=（δmu-δm*）/（δfu+δmu-δm*）。

弹性比功：

又称弹性比能，应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。

一班用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。

αe=1/2（δeεe）=δe2/2E。

滞弹性：

这种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的现象。

循环韧性：

金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为金属的循环韧性，也叫内耗。

包申格效应：

金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，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。

解理刻面：

实际的解理断裂断口中大致以晶粒大小为单位的解理面。

塑性：

是指金属材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。

脆性：

金属材料在外力作用下（如拉伸、冲击等）仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。

韧性：

是指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力。

解理面：

是金属材料在一定条件下，当外力正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此晶体学平面为解理面。

穿晶断裂：

裂纹穿过晶内的断裂；沿晶断裂：

裂纹沿晶界扩展的断裂。

E：

描述材料在滞弹性范围内应力之比，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的弹性变形就越大。

E—弹性模量δ=εE，G—切变模量τ=Gγ，G=E/2（1+ν）。

δ0.2--条件屈服强度：

试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距0.2%时的应力。

δs—屈服强度（屈服点）：

呈现屈服现象的金属材料拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力。

δb—抗拉强度：

韧性金属试样拉断过程中最大试验力所对应的应力。

δb=Fb/A0。

δ—断后伸长率：

是试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。

δ=（L1-L0）/L0*100%。

ψ—断面收缩率：

是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。

ψ=（A0-A1）/AO*100%。

缺口效应：

由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的“缺口效应”。

缺口敏感度：

金属材料的缺口敏感性指标用缺口试样的抗拉强度δbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度δb的比值表示，称为缺口敏感度。

NSR=δbn/δb。

δbc—脆性材料的抗拉强度，试样压至破坏过程中的最大应力。

δbc=Fbc/A0。

δbb—抗弯强度，试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力。

τs—扭转屈服点=Ts/W；τb—抗扭强度=Tb/W。

冲击韧性：

是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。

△K（T）--冲击吸收功：

摆锤冲断试样失去的位能mgH1-mgH2，即为试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功。

低温脆性：

中、低强度结构钢，在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。

韧脆性温度储备：

机件的最低使用温度与韧脆转变温度的差值。

△=t0-tk。

低应力脆断：

对高强度、越高强度钢的机件，中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力一下发生低应力脆性断裂的现象。

张开型（I型）裂纹：

拉应力重点作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展。

KI—应力强度因子：

表示应力场的强弱程度，可看作是推动裂纹扩展的动力。

KIC—平面应变下的断裂韧度：

表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。

KC—平面应变断裂韧度：

表示平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。

疲劳源：

是疲劳裂纹萌生的策源地。

疲劳贝纹线：

由载荷变动引起的，使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹，是疲劳区的最大特征。

△Kth—疲劳裂纹扩展门槛值：

表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力。

δ-1—疲劳极限：

对于一般具有应变时效的金属材料，当循环应力水平降低到某一临界值时，低应力段变为水平线段，表明试样经过无限次循环不发生疲劳断裂，故将对应的应力称为（对称应力循环下的弯曲）疲劳极限。

过度寿命：

在双对数坐标图上，两条不同斜率直线交点对应的寿命。

热疲劳：

机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下发生的疲劳。

过载损伤：

倘若金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小，这就造成了过载损伤。

δ-1p—对称拉压疲劳极限；δ-1—对称弯曲疲劳极限；τ-1—对称扭转疲劳极限；δ-1N—缺口试样疲劳极限。

qp—缺口疲劳敏感度，表征金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性。

过载损伤界：

表示金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力。

应力腐蚀：

金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后，所朝上的低应力脆断现象，称为应力腐蚀断裂。

氢蚀：

由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化的现象。

白点：

当钢中含有过量的氢时，随着温度降低氢在钢中的溶解度减小。

如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成氢分子。

此时，氢的体积发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕裂，而形成微裂纹。

氢化物致脆：

由于上VB或VB族金属与氢有较大的亲和力，记忆生成脆性氢化物，使金属脆化。

氢致延滞断裂：

由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。

KIHFC—氢脆临界应力场强度因子（氢脆门槛值）；表示材料阻止氢脆裂纹开始扩展的能力。

接触疲劳：

是机件两接触面左滚动或滚动加滑动摩擦时，两交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小片状物质剥落而使物质损失的现象。

等强温度：

晶粒与晶界两者强度相等的温度。

约比温度：

T/TmT-试验温度，Tm-金晶温度T/Tm>0.5为“高”温，否则为“低”温。

蠕变：

就是金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢的产生塑性变形的现象。

稳态蠕变：

蠕变速率几乎保持不变。

扩散蠕变：

在较高温度下，晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则朝相反方向流动，致使晶体逐渐产生伸长的蠕变。

松弛稳定性：

金属材料抵抗应力松弛的性能。

δεt—蠕变极限：

在规定温度t下，使试样在规定时间内产生的稳态蠕变速率ε不超过规定值的最大应力。

δtε/τ—蠕变极限：

在规定温度t下和在规定的实验时间τ内，使试样产生的蠕变总伸长率δ不超过规定值的最大应力。

δtτ—持久强度极限：

在规定温度t下，达到规定的持续时间τ而不发生断裂的最大应力。

δsh—剩余应力：

在应力松弛试验中，任一时间是养伤所保持的应力。

粘性：

是流体内部质点间因相互运动而产生的内摩擦力。

弹性：

具有一定形状的物体，施加外力时其形状发生变化，移去外力后物体恢复原有形状的性能被称为物体的弹性。

粘弹性：

对于聚合物，当外力消除后经过弹性恢复，仍然保留有随时间上升而逐渐恢复的滞后形变存在，显然这滞后形变兼有弹性和粘性两者的特点，故称之为粘弹性。