材料力学性能重点总结.docx

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材料力学性能重点总结

名词解释：

1加工硬化：

试样发生均匀塑性变形，欲继续变形则必须不断增加载荷，这种随着随性变形的增大形变抗力不断增大的现象叫加工硬化。

2弹性比功：

表示金属材料吸收弹性变形功的能力。

3滞弹性：

在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生附加弹性应变的现象。

4包申格效应：

金属材料通过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于1%-4%），而后再同向加载，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。

5塑性：

金属材料断裂前发生塑性变形的能力。

常见塑性变形方式：

滑移和孪生

6弹性极限：

以规定某一少量的残留变形为标准，对应此残留变形的应力。

7比例极限：

应力与应变保持正比关系的应力最高限。

8屈服强度：

以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%的残留变形的应力作为屈服强度。

9韧性断裂是材料断裂前发生产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的断裂过程，在裂纹扩展过程中不断的消耗能量。

韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并于主应力成45度角。

10脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑形变形，没有明显征兆，危害性很大。

断裂面一般与主应力垂直，端口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。

11剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿着滑移面分离而造成的断裂，又分滑断和微孔聚集性断裂。

12解理断裂：

是金属材料在一定条件下，当外加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，总是脆性断裂。

13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发生变化，产生所谓“缺口效应“

①缺口引起应力集中，并改变了缺口应力状态，使得缺口试样或机件中所受的应力由原来的

单向应力状态改变为两向或者三向应力状态。

②缺口使得材料的强度提高，塑性降低，增大材料产生脆断的倾向。

8缺口敏感度：

有缺口强度的抗拉强度σbm与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值.NSR=σbn/σsNSR越大缺口敏感度越小

9冲击韧性：

Ak除以冲击式样缺口底部截面积所得之商

10冲击吸收功：

式样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功以Ak表示，单位J

11低温脆性：

一些具有体心立方晶格或某些秘排立方晶格的金属，当温度降低到、某一温度时，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变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这种现象称为低温脆性

12脆性转变温度：

当温度降低时，材料屈服强度急剧增加，而塑形和冲击吸收功急剧减小。

材料屈服强度急剧升高的温度，或断后延伸率，断后收缩率，冲击吸收功急剧减小的温度就是韧脆转变温度tk，tk是一个温度区间

16应力场强度因子KI：

表示应力场的强弱程度，对于某一确定的点的大小直接影响应力场的大小，KI越大，则应力场各应力分量也越大

17应力腐蚀：

金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后产生的低应力脆断现象

第一章

3.金属的弹性模量主要取决于什么因素？

为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？

答：

由于弹性变形时原子间距在外力作用下可逆变化的结果，应力与应变关系实际上是原子间作用力与原子间距的关系，所以弹性模量与原子间作用力有关，与原子间距也有一定关系，原子间作用力决定于金属原子本性和晶格类型，故弹性模量也主要决定于金属原子本性和晶格类型。

合金化，热处理，冷塑性变形对弹性模量的影响较小，所以金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，温度加载速率等外在因素对其影响也不大

7．决定金属屈服强度的因素有哪些？

1）影响屈服强度的内在因素：

1、结合键2、组织结构：

固溶强化、形变强化、沉淀强化及弥散强化、晶界和亚晶强化，前3个提高强度的同时降低了塑性，最后一个既可以提高强度又可以提高塑性3原子本性

2）影响屈服强度的外因：

温度，应变速率、应力状态。

一般的，升高温度，强度降低；应变速率增大，强度增加；应力状态也影响屈服强度，切应力分量越大，强度越低。

13.何谓拉伸断口三要素？

影响宏观拉伸断口形态的因素有哪些？

答：

拉伸断口三要素是纤维区、放射区、剪切唇

宏观拉伸断口性态因试样形状、尺寸金属材料的性能以及试样温度、加载速度和受力状态不同而变化，一般来说，材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大，试样尺寸加大，放射区增大明显而纤维区变化不大

试述韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么脆断更危险？

金属材料的脆性和韧性是金属材料在不同条件下表现的力学行为或力学状态，两者是相对的并可以相互转化，在一定条件下，金属材料为脆性还是韧性取决于裂纹扩展过程，如果裂纹扩展时，其前沿地区能产生显著塑性变形或受某种障碍所阻，使断裂判据中表面能最大，则裂纹扩展便会停止下来，材料遂显示为韧性，反之。

若在裂纹扩展中始终能满足脆性断裂判据的要求，则材料便显示为脆性。

第四章金属的断裂韧度

2说明下列断裂韧度指标的意义及相互关系

KIC和KI

KIC为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。

KI为平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。

KIC和KI都是I型裂纹的材料断裂韧度指标，但KI值与试样厚度有关。

当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一稳定的最低值，即为KIC。

它与试样厚度无关，而是真正的材料常数。

6、试述K判据的意义及用途

KI≥KICYδ√a≥KIC

裂纹体在受力时，只要满足上述条件，就会发生脆性断裂，反之，即使存在裂纹，若

KI＜KIC或Yδ√a＜KIC也不会断裂，这种情况成为破损安全。

K判据将材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量的联系起来了，因此可以直接用于设计计算，如用以估算裂纹体的最大承载能力的δ，语序裂纹尺寸a。

以及用于正确选择机件材料，优化工艺等。

第五章

2.解释下列疲劳性能指标的意义

2）疲劳缺口敏感度qf=（kf-1）/（kt-1）kf—理论应力集中系数，kt—疲劳缺口系数

3.试叙述金属疲劳断裂的特点

（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂

（2）.疲劳是脆性断裂。

（3）疲劳对缺陷（缺口，裂纹及组织缺陷）十分敏感

（4）疲劳断裂也是裂纹萌生与扩展的过程。

7.试述疲劳裂纹的形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法

形成机理：

疲劳微观裂纹都是有不均匀的局部滑移和显微开裂引起的。

主要方式有表面滑移带开裂，第二相，夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂等。

措施

（1）提高材料的滑移抗力（采用固溶强化，细晶强化）

（2）降低第二相或夹杂物的脆性

（3）凡使晶界强化，净化和细化晶粒的因素，均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳强度。

金属材料的失效形式：

变形、断裂（含疲劳断裂）、磨损、腐蚀，以及加工失误

第一章：

金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

单向应力、静拉伸

§1-1应力应变曲线

应力应变曲线的几个阶段：

弹性变形、均匀塑变（弹塑性变形）、集中塑变（缩颈）、断裂

§1-2弹性变形弹性变形的力学性能指标

材料的弹性模量又称为刚度，但与工程构件的刚度不同,工程上：

构件刚度=材料刚度E×构件截面积

弹性模量是组织不敏感因素指标，仅与原子间作用力有关

四、弹性比功：

应力-应变曲线下弹性范围内所吸收的变形功

表征材料吸收弹性变形能的能力，可作储能减震材料的力学指标。

因弹性模量E是对组织不敏感的常数指标，故需提高材料的弹性极限σe才能提高弹性比功Ae

五、弹性不完整性：

1）包申格效应：

先加载致少量塑变，卸载，然后在再次加载时，出现σe（残余伸长应力）升高或降低的现象。

一般认为与位错运动受阻有关。

2）弹性后效----滞弹性、弹性蠕变

指加卸载速度相对较快时，应变落后于应力的现象。

弹性后效可有两种表现：

①快速加载后保持应力不变，应变滞后并逐渐增加

②快速加载后保持应变不变，应力逐渐松驰

§1-3塑性变形

一、塑性变形的定义和机理：

1）定义：

指撤去外力后仍不能回复的变形部份

2）机理：

滑移孪生高温蠕变晶界滑移（动）

二、塑性变形的两个阶段：

均匀变形阶段：

材料抗力的增加跟得上应变的增加，也称为形变强化阶段

集中变形阶段：

材料抗力的增加跟不上应变的增加，也称为颈缩阶段

三、屈服现象：

泛指：

金属材料开始发生明显塑性变形

四、四大强化机理：

形变、固溶、细化晶粒（组织）、弥散强化。

九、颈缩现象及判据：

当材料的加工硬化率等于该处的真应力S时，材料发生颈缩。

§1-4金属的断裂

一、分类：

1、按断裂时的塑性变形量：

1、脆性及韧性：

塑性变形量是否达到5%

2、按裂纹扩展途径：

穿晶或沿晶：

裂纹扩展途径是否沿晶界进行；

3、按断裂机理：

解理断裂及微孔聚集型断裂、纯剪切断裂。

韧性断裂：

断裂前有明显塑性变形，断口呈纤维状，呈暗灰色，危害相对较轻。

脆断断裂：

断裂前无明显塑性变形，断口平整光亮，有放射状花样，危害相对较重。

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

二、断口的宏观特征

1．光滑圆柱形试样的静拉伸断口：

分三区：

纤维区、放射区、剪切唇区；

2．板状试样：

也分为三区，只是其放射区的花纹为人字纹，裂纹源区为椭圆形

纤维状花样。

3．沿晶断口：

断口显现冰糖状晶体特征，有闪烁状光泽；为极脆的脆性断裂断口。

一般认为与第二类回火脆有关。

三、解理断裂：

1、定义：

金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，沿解理平面快速分离的穿晶断裂。

3、宏观形貌：

严格地沿一定平面（解理面）分离，断口即为这些多个小解理平面的组合，为脆性断裂，与大理石断裂时的机理相似，故叫解理断裂；

4、微观形貌：

————解理台阶：

河流花样，舌状花样

四、微孔聚集断裂：

——塑性断裂

1、机理：

成核→长大→聚合→断裂

由晶内的微孔长大聚合所致，又叫韧窝断裂

3、微观形貌：

断口表现为韧窝

五、断裂强度

1、理想断裂强度：

σm=（Eγs）1/2σm>>σs

αo1/2

αo:

晶格常数或原子间距E：

弹性模量γs：

表面能

2.格理菲斯理论：

1）前提：

①脆性材料；②材料内部有微裂纹存在

2）格理菲斯公式：

格理菲斯公式只适用于如玻璃、超高强度钢等脆性材料，对于大多数材料尤其是金属，裂纹尖端会产生较大的塑性变形，会消耗大量的塑性功，远大于材料的表面能，此时需对之进行修正：

3）格理菲斯—奥罗万—欧文公式：

奥罗万与欧文认为：

格理菲斯公式中的表面能2γs项此时应由（2γs+γp）构成：

即：

σc[E（γs+γp）]1/2

（πα）1/2

γp为形成单位面积裂纹表面所需消耗的塑性功，（γs+γp）称为有效表面能

第三章金属缺口试样的力学性能

§3-1缺口效应

一、缺口及缺口效应：

缺口：

一般指试样或工件的截面急剧变化处；

缺口效应：

在缺口处由于缺口的存在，影响了应力的分布状态，使之：

①应力状态变硬（由单向拉应力变为三向拉应力）；

②产生应力集中；促发裂纹的生成与扩展，不利于材料的塑变（位错运动），使材料在该处处于脆性状态（即使该材料为塑性材料），易于发生脆性断裂；

此应力分布状态的改变，即缺口效应。

二、弹性状态下的缺口应力分布：

圆柱型缺口试样，单向拉伸：

1、在远离缺口处，仅有轴向应力σL，且其应力线分布均匀；切向应力σt和法向应力σr均为零；tr

2、在缺口附近，轴向应力的应力线在缺口根部发生弯曲，变成非均匀分布（于近根部处分布较密），形成应力集中，并产生三向拉应力：

轴向应力σL、法向应力σr、切向应力σt；在缺口根部：

σL分布不均匀，且由于缺口上下出现无应力区，将阻止缺口附近截面的正常收缩，因而出现了σr、σt，其分布见上图左半部，图的右半部为应力状态柔性系