材料力学性能学习要点2.docx

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材料力学性能学习要点2

材料力学性能学习要点-

（2）

材料力学性能知识框架

不同材料（金属、高分子、陶瓷基复合材料）具有怎样的力学性能特点；

结合成型与加工、选材和材料改质、改性等项要求，理解各材料力学性能指标（复习不再列出）的含义、物理及技术意义；

材料变形与断裂的基本特征（金属为主，了解高分子、陶瓷及复合材料）；

结合工件服役（受载、环境因素）条件和材料断口形貌特征，判断材料失效及断裂类型；

了解主要力学性能指标的测试方法；

分析、把握影响材料主要力学性能指标的主要因素。

1．拉伸力学性能

强度、塑性、韧性；

（1）强度：

金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。

强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。

（2）塑性：

材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质（能力）。

“δ”-伸长率，“ψ”-断面收缩率。

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：

定义：

外载荷卸去后，不能恢复的变形。

特点：

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。

特点：

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

金刚石圆锥

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）

特点：

（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）疲劳寿命取决于塑性应变幅△εp。

热疲劳：

在循环热应力和热应变作用下，产生的疲劳称为热疲劳。

热疲劳属低周疲劳。

6．应力腐蚀与氢脆概念

应力腐蚀：

金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象。

氢脆：

由于氢和应力共同作用而导致的金属材料产生脆性断裂的现象。

断口形貌特征

应力腐蚀：

宏观：

枯树枝状、分叉，主裂纹扩展较快，分支裂纹扩展较慢。

微观沿晶断裂和穿晶断裂

氢脆：

宏观：

呈氧化色，颗粒状（沿晶）

微观：

沿原奥氏体晶界的沿晶断裂，晶界上常有撕裂棱。

破坏机理

应力腐蚀：

滑移——溶解理论（钝化膜破坏理论）

氢脆：

在金属凝固的过程中，溶入其中的氢没能及时释放出来，向金属中缺陷附近扩散，到室温时原子氢在缺陷处结合成分子氢并不断聚集，从而产生巨大的内压力，使金属发生裂纹。

防治措施

应力腐蚀：

（1）合理选材（原则：

选材时，考虑耐应力腐蚀性能；在成本和采购便利下，尽量选KISCC较高的材料）；

（2）减少拉应力（降低应力集中，退火，喷丸及其他表面处理）；

（3）改善化学介质（水净化、添加缓蚀剂）；

（4）采用电化学保护，使金属远离电化学腐蚀区域（外加电位、阴极保护）。

氢脆：

（1）材料降低含氢量，细化组织，降低S、P含量。

显微组织对氢脆的敏感性，由低→高

排序：

球状P、片状P、回火M或B、未回火M。

（2）环境减少吸氢的可能性，含氢介质中加入抑制剂，表面涂层。

（3）力学因素减小残余拉应力，降低应力集中。

应力腐蚀裂纹的da/dt~KI关系曲线、裂纹形成与扩展、断裂过程。

应力腐蚀裂纹的扩展速度da/dt

KI>KISCC，裂纹扩展。

扩展速率da/dt——单位时间内的裂纹扩展量。

da/dt~KI曲线（图6-7，P132）的三个阶段（初始、稳定、失稳）。

第一阶段：

当KI刚超过KIscc时，裂纹经过一段孕育后突然加速扩展，曲线几乎与纵坐标轴平行。

第二阶段：

曲线出现水平线段，da/dt与KI几乎无关。

因为这时裂纹尖端发生分叉现象，裂纹扩展主要受电化学过程控制，故与材料和环境密切相关。

第三阶段：

裂纹长度已经接近临界尺寸，da/dt又明显的依赖于KI，随其增大而急剧增大，这时材料进入失稳扩展的过渡区。

当KI达到KIC时便失稳扩展而断裂。

第二阶段时间越长，材料抗应力腐蚀开裂性能越好。

如果测出KISCC及第二阶段的da/dt，就可估算机件在应力腐蚀条件下的剩余寿命。

7．磨损和接触疲劳

磨损：

机件表面相接触并作相对运动，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐流失，造成表面损伤的现象。

接触疲劳：

机件（如轴承、齿轮等）两接触表面作滚动、滑动，或滚滑时，在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块状金属剥落导致的材料流失现象。

磨损量与时间的关系曲线：

p140

耐磨性：

通常是用磨损量来表示耐磨性，磨损量越小，耐磨性越高

相对耐磨性系数ε=△w标/△w测。

粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损，及微动磨损的概念

粘着磨损（咬合磨损）：

滑动条件下，摩擦副相对运动速度较小（钢：

<1m/s）时发生的磨损。

磨粒磨损：

当摩擦副一方面存在坚硬的细微突起，或者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一种磨损。

冲蚀磨损：

流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击造成的损伤。

进一步分又有固气冲蚀磨损、流体冲蚀磨损、液滴冲蚀磨损和气蚀等。

腐蚀磨损：

摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，进而脱落造成表面材料损失的过程。

腐蚀磨损+粘着磨损或磨粒磨损——腐蚀机械磨损。

微动磨损：

接触表面之间因存在小振幅相对运动或往复运动而产生的磨损（也叫微动腐蚀）。

特征：

摩擦副接触区有大量红色Fe2O3磨屑。

该磨损兼有粘着磨损、氧化磨损及磨粒磨损。

接触疲劳概念、破坏形式（麻点、浅层剥落、深层剥落）。

（1）麻点剥落

局部塑性变形，产生裂纹、扩展（滑移带开裂），在连续滚滑作用下，润滑油挤入裂纹并封闭其间，产生高压冲击波，剥落下一块金属而形成一凹坑。

摩擦力较大及表面质量差时，易产生麻点剥落。

（2）浅层剥落

最大切应力处，塑性变形最剧烈,且反复进行，导致材料局部弱化，非金属夹杂物附近萌生裂纹。

表层、次表层产生了加工硬化。

（3）深层剥落

过渡区是薄弱区，萌生裂纹，先平行于表面扩展，后垂直于表面扩展，最后形成大的剥落坑。

8．材料在高温下的失效，力学性能指标表征

常见高温性能：

（1）抗（高温）氧化性

（2）热强性材料在高温、长时间和应力的作用下，抵抗变形和断裂的能力。

等强温度TE反映的曲线、蠕变曲线；

蠕变极限、持久强度

蠕变极限：

例如：

表示：

在600℃，稳态蠕变速率=1×10-5%/h的强度60MPa。

又如（规定温度t、时间τ，蠕变总伸长δ）

表示：

500℃，10万小时，总伸长率为ε=1%的蠕变极限为100MPa。

持久强度：

在规定温度（t），达到规定的持续时间（τ）而不发生断裂的应力值

9．高分子材料

结构特点：

⑴聚合物为复合物（∵各个巨分子的分子量不一定相同）；

⑵聚合物有构型、构象的变化；

⑶分子之间可以有各种相互排列。

线型非晶态聚合物的变形－温度曲线，VS结晶聚合物的力学性能特点比较

强度与硬度、银纹与断裂、摩擦与磨损

强度比金属低得多（约20～80MPa），比强度较金属的高。

实际强度仅为其理论值的1／200。

硬度聚合物的硬度也比金属低得多。

由于聚合物具有较大的柔性和弹性，故在不少场合下显示出较高的抗划伤能力。

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变形，结果在其表面和内部会出现闪亮的、细长形的“类裂纹”，称为银纹。

在干摩擦条件下，聚合物一金属摩擦副的耐磨性通常优于大多数金属与金属配对的摩擦副。

大多数液体对塑料具有润滑减摩作用。

特有的高弹性，可使接触表面产生变形而不是切削犁沟损伤，故具有较好的抗磨粒磨损能力。

但在凿削式磨粒磨损情况下，聚合物的耐磨性比较差。

10．陶瓷

结构特点、变形与断裂（E，强度、塑性、耐磨性）特点；

陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。

可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。

塑性变形：

室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小，1000℃以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形，超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在无定形相。

断裂：

以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，裂纹扩展，瞬时脆断。

陶瓷的断裂韧度及增韧措施；

陶瓷的断裂韧度：

比金属的低1～2个数量级。

陶瓷材料的增韧：

（1）改善组织（细密、纯、匀）；

（2）相变增韧；（3）微裂纹增韧。

热震断裂VS热震损伤，抗热震性。

抗热震断裂参数R：

急剧加热和冷却

缓慢加热和冷却

抗热震损伤：

气孔可钝化裂纹尖端；减小应力集中；降低热导率。

反复加热冷却产生的弹性变能是陶瓷材料热震损伤的动力（裂纹扩展的动力）。

提高热震损伤抗力，需使用弹性模量大，强度低的材料。

11．复合材料

概念、纤维增强复合材料力学性能特点。

定义：

由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。

分类：

按基体分：

金属基复合材料；无机非金属复合材料；聚合物复合材料。

按增强体分：

连续纤维复合材料；短纤维复合材料；颗粒复合材料；层合板复合材料。

按用途分：

结构复合材料；功能复合材料。

复合材料力学性能特点：

1、高比强度、比弹性模量；

2、各向异性；

3、抗疲劳性能好；

4、减振性能好；

5、可设计性强。

名词概念：

穿晶断裂和沿晶断裂：

穿晶断裂→裂纹穿过晶界。

沿晶断裂→裂纹沿晶扩展。

穿晶断裂，可以是韧性或脆性断裂；两者有时可混合发生。

沿晶断裂（断口形貌呈冰糖状），多数是脆性断裂。

KIC:

平面应变断裂韧度（厚板受力状态）

KC：

平面应力断裂韧度（薄板受力状态）

解理断裂、微孔聚合断裂

应力状态软性系数：

最大切应力与最大正应力之比。

缺口敏感度：

试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值。

比值越大，缺口敏感性越小，越容易发生塑性变形。

*强度、塑性、韧性，

强度：

金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。

强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。

塑性：

材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质（能力）。

韧性：

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

弹性比功：

物理意义：

吸收弹性变形功的能力。

几何意义：

应力-应变曲线上弹性阶段下的面积

低温脆性：

低温下，材料的脆性急剧增加。

静力韧度：

材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。

冲击韧度：

材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。

断裂韧度：

在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂

冲击吸收功：

冲击弯曲试验中试样变形和断裂所消耗的功

驻留滑移带：

交变载荷作用，通过位错的交滑移，使驻留滑移带加宽（Note：

永留或能再现的循环滑移带，称为驻留滑移带。

张开型（I型）裂纹：

拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展。

应力腐蚀断裂：

金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象。

氢脆断裂：

由于氢和应力共同作用而导致的金属材料产生脆性断裂的现象。

等强温度：

晶粒强度与晶界强度相等的温度。

持久强度

：

在高温长时载荷作用下的断裂强度---持久强度极限。

热疲劳：

当容器或构件由于其温度的反复变化而引起其金属材料的疲劳现象称为热疲劳

热震断裂：

陶瓷材料承受温度骤变产生瞬时断裂，称之为热震断裂。

热震损伤：

陶瓷材料在热冲击循环作用下，材料先出现开裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体破坏，称之为热震损伤。

玻璃态：

温度低于玻璃化温度时，聚合物所处于的状态即为玻璃态。