材料力学性能大纲(详细版)

一、考试要求1理解并掌握材料弹性变形、塑性变形与断裂等基本力学行为的宏观规律及微观本质，并进一步了解应力状态、试样几何因素以及环境因素对材料力学行为的影响；2熟悉材料常用力学性能指标的意义、测试原理、影响因素及其应用范围，具有按照实际工作条件正确选择试验方法和指标进行材料测试、评价及选择材料的能力，并了解改善材料力学性能的基本方法和途径。二、考试内容1材料基本力学性能试验1掌握静载拉伸试验方法与拉伸性能指标的含义及测定，熟悉典型材料拉伸变形断裂行为与应力应变曲线曲线分为弹性变形均匀塑性变形颈缩不均匀塑性变形断裂几个阶段。基本的力学状态参量包括应力和应变。应力包括工程应力和真应力。工程应力，0FP真应力，应变包括工程应变，真应变FP0L00LNDL力学状态参量的变化临界值为力学性能指标。比例极限、弹性极限、屈服强度、抗拉强度和延伸率，断面收缩率。比例极限应力与应变成正比的最大应力；曲线上开始偏离直线的点。弹性极限不产生塑性变形的最大应力。屈服强度开始塑性变形的最小应力。抗拉强度最大载荷对应的工程应力。延伸率0LK断面收缩率0AK处理物理意义，还应了解工程意义。延伸率和断面收缩率反映了材料断裂前发生塑性变形的能力。2熟悉压缩、弯曲、扭转试验原理、特点及应用，了解应力状态对材料力学行为的影响应力状态软性系数231MAXS第三强度理论，最大切应力引起材料屈服；3第二强度理论，最大相当正应力引起材料正向断裂。21MAX应力状态软性系数意义在于此值大，则切应力分量大，产生塑性变形的可能性大。名称加载方式指标应力状态及分布断裂形式及特征应用扭转弯曲压缩3掌握布氏、洛氏、维氏硬度试验原理、特点及应用范围。布氏硬度单位压痕面积上承受的载荷值。压头为球形，淬火钢或硬质合金压头。P/D2为定值。用于软金属、有色金属，铸铁、调质钢等硬度不太高的材料。洛氏硬度用压痕深度表示。120度金刚石圆锥压头。可测定各种金属材料。维氏硬度单位压痕面积上承受的载荷值。压头为金刚石正四棱锥体，适用材料较广。2材料变形行为与变形抗力1掌握弹性变形行为及其物理本质，熟悉材料的弹性常数及其工程意义；弹性变形具有可逆性、单值性、变形量小的特点。符合胡克定律，在弹性状态小变形范围内应力应变关系呈线性。物理本质可用双原子模型进行说明。弹性模量，剪切模量，泊松比的物理意义。刚度，构件抵抗弹性变形的能力。QEF；具有重要的工程意义。刚度不足，可能造成构件弹性失稳的现象。弹性材料或构件弹性变形的能力。可用最大弹性应变或弹性比功表示。弹性后效在弹性范围内应变落后于应力的现象。循环韧性弹性变形中，若施加交变载荷，且加载速度较快，应力应变曲线中正向滞后环与反向滞后环连通，形成一个封闭的滞后环。滞后环的面积代表一次交变应力循环周期中试样所消耗的能量，为循环韧性。代表材料吸收机械功的能力，即消震能力。2熟悉材料塑性变形行为及其微观机制，了解材料物理屈服现象；塑性变形的特点为外加应力足够大，不可逆性，应力应变为非线性，组织与性能也发生较大变化，性能指标比较敏感。微观机制为滑移和孪生。多晶体塑性变形的特点为不同时性和协调性，不均匀性。物理屈服现象及解释，解释从两方面进行。钉扎机制和位错运动机制。屈服延伸率的特点是（1）屈服延伸阶段变形时不均匀的，从应力集中部位开始，逐渐传播到整个试样。应力到达上屈服点的时候，试样局部表面开始出现与拉伸方向成45度的线条状痕迹，是开始宏观屈服的标志，成为LUDES带。随后应力下降到下屈服点，LUDES带开始沿试样长度方向扩展，直到整个试样。（2）屈服变形过程中已屈服的应变并不增加，屈服延伸率是依靠屈服区不断扩大实现的。一个新的LUDES带的产生，对应屈服平台的一次跳跃。LUDES带穿越了试样截面的各个晶粒。3了解材料的理论与实际屈服强度、微观与宏观屈服应力及宏观屈服判据；理论屈服强度相邻两层原子相对滑动所需要克服的原子间的最大作用力。GM102实际屈服强度微观看为临界分切应力C；宏观看为C。屈服判据为TRESCA准则和MISES准则。4了解材料强化的基本途径与常用方法。强化的基本途径包括（1）提高位错运动的阻力改变键合类型，提高派纳力；引入大量晶体缺陷；（2）金属非晶化；（3）制备无位错的理想晶体。常用方法有细晶强化；固溶强化；第二相强化；相变强化。3材料断裂行为1了解材料常见断裂形式及其分类方法；按断裂前是否存在宏观变形宏观塑性变形，宏观脆性变形；按断裂机制切离、微孔聚集型断裂、解离断裂、准解离断裂按断面与外载方向正断与切断按裂纹扩展路径穿晶与沿晶2熟悉金属延性断裂行为及微观机制；1纯剪切型断裂切应力作用下沿滑移面分离；刃型或尖锥状断口；2微孔聚集型杯锥状断口，分纤维区、放射区和剪切唇。微观上存在韧窝，内部存在第二相质点或其存在的痕迹；微孔萌生（分弱界面结合和强界面结合）聚集和长大（质点周围塑性变形有关），与第二相质点有关。3熟悉解理和沿晶断裂行为及微观机制；解离断裂断口特征宏观结晶状，闪光，垂直于最大正应力方向。微观存在河流花样；断口表层有塑性变形痕迹，滑移线或形变孪晶。存在舌状花样。临界裂纹形核通过位错反应，与局部塑性变形有关。解离裂纹扩展台阶机制穿越晶界，形成河流花样。台阶可有二次解离或塑性变形切离形成。沿晶断裂断口呈结晶状，无闪光；典型为冰糖块状。晶界弱化是基本条件；裂纹可以产生在初始缺陷（气孔、微裂纹等）处；位错塞积在晶界形成应力集中。晶界弱化时，直接导致晶界开裂。形成裂纹后延晶界扩展。4了解断裂的宏观强度理论。1第一强度理论最大正应力理论，最大正应力大于正断抗力，材料正断。FS2第二强度理论最大正应变理论。最大正应变大于单向拉伸时极限正应变。F1BIS324材料的脆性及脆化因素1了解材料脆性的本质及表现，熟悉微观脆性与宏观脆性的联系与区别；本质脆性塑性变形不是裂纹扩展的必需条件；半脆性存在塑性向脆性转化的过程。脆化因素包括缺口、冲击和低温脆性。2熟悉缺口顶端的应力和应变特征，了解缺口试样拉伸行为及缺口敏感性；存在应力集中、多向应力状态；应变集中。注意塑性材料，可能存在塑性变形区，使应力应变重新分布。分平面应力或平面应变状态考虑。缺口抗拉强度NBNFP缺强比衡量材料的缺口敏感性。BNSR脆性材料拉伸行为缺口顶端最大正应力达到断裂强度，缺口表面形成初始裂纹向心部扩展断裂（宏观脆性）中低塑性材料缺口顶端产生一定塑性变形裂纹萌生（微孔聚集）裂纹向中心扩展断裂高塑性材料不全面屈服，裂纹从试样中心萌生，向外扩展，形成杯锥状断口。3了解冲击载荷特征与冲击变形断裂特点，掌握缺口试样冲击试验与冲击韧性的意义及应用；冲击载荷特征；加载速率高，应变速率大；具有能量载荷的性质（与构件形状、体积和环境介质有关）冲击变形的特点应变速率对弹性变形无影响；使塑性变形滞后，屈服强度增加，变形不均匀，导致脆化。采用冲击试验。摆锤弯曲冲击，计算冲击功。冲击韧性一般认为是材料冲击载荷抗力及韧脆程度的度量。但无明确物理意义。21ADPAEK4了解材料低温脆性的本质及其评定方法。有关现象有关低温脆性的本质屈服强度随温度降低而增加的结果。断裂强度随温度降低变化不大。细化晶粒使临界温度下降，减小脆化倾向。采用系列冲击试验的方法。按AK值的变化确定TC；包括平均能量法和经验法（对应某一AK值的T）；按断口形貌断口形貌转变温度（FATT）脆性断口占50。5材料裂纹体的断裂及其抗力1了解材料的理论断裂强度,掌握GRIFFITH强度理论及应用；理论断裂强度；整体拉断。假定在断裂点附近满足胡克定律，C；C。根据弹性能和表面能的关系。得到2/10AEMGRIFFITH强度理论，引入裂纹。顶端应力集中使得裂纹在远低于M的条件下扩展以致断裂。条件单位厚无限大板，中间存在长度2A的穿透性裂纹。无应力区为长径4A，宽2A的椭圆。考虑初始弹性应变能密度，割开裂纹释放的应变能；割开裂纹新增表面能；系统总能量变化；求临界值，为脆性裂纹失稳扩展的条件。U在C附近具有极大值，CCE2处于不稳定平衡状态。2掌握线弹性断裂力学的基本概念与基本原理，了解裂纹尖端塑性区及其修正；线弹性力学；裂纹体。裂纹前端存在应力集中和三向应力条件。对于无限大平板I型裂纹，在均匀拉应力的作用下，裂纹前段任一点的应力分量。21XXFRKYYF21XYXYFRK，F（）方向因子。KI为应力场强度因子，复合参量MPAM1/2，力学参量，裂AI纹前端应力场强弱；KI达到临界点时裂纹失稳扩展。这时的KIC为断裂韧性；EAKCIC2KI是重要的力学性能指标。反映了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。应用作为判据可以（1）确定构建承载能力；（2）确定临界裂纹尺寸；（3）确定构件的安全性。3了解裂纹体的断裂过程与断裂韧性的测定及其影响因素。断裂过程；初始裂纹（A0）启裂（1）亚临界扩展（A0AAC）失稳扩展（A0AAC）（2）脆性固体（A0AC）失稳扩展（A0AAC）断裂韧性的测定采用三点弯曲试样或紧凑拉伸试样，多用前者；（1）试样满足小范围屈服和平面应变条件；（2）保证初始裂纹的尖锐性；（3）结果需要校核。影响因素包括表面能和塑性变形功。6材料的疲劳1熟悉高周、低周疲劳行为,SN与N疲劳曲线及其经验规律，掌握疲劳抗力的意义及表征；对于高周疲劳行为，MAXS，弹性变形，NF高，应力疲劳；疲劳极限和疲劳寿命；对于低周疲劳，塑性变形，NF低，应变疲劳2了解疲劳断裂过程、特征及微观机制；疲劳断裂特征低应力破坏；宏观脆性断裂；长期的过程；对表面敏感；具有统计性。断口特征从宏观看存在疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，存在疲劳线（海滩花样、贝纹线）；微观看，存在疲劳条纹（与应力循环）相对应。疲劳裂纹萌生一般源于零件表面，与局部往复塑性变形有关，产生驻留滑移带和滑移带挤入和挤出现象。裂纹扩展塑性材料钝化锐化机制。脆性材料裂纹扩展为解离面劈开方式进行。3掌握疲劳裂纹扩展的断裂力学处理思路与PARIS方程；应力强度因子幅。MINAXKACNKDN04了解材料疲劳抗力的影响因素。高周次载锻炼和过载损伤；表面状态（粗糙度，表面压应力）；组织结构（晶粒度、夹杂）；材料性能（对高周疲劳，高强度是有利的）；低周疲劳材料具有高塑性是有利的。7材料高温力学性能1了解高温下材料力学性能特点；产生蠕变和应力松弛现象；组织变化；环境介质作用。应力松弛是应力不断减小的蠕变过程。松弛稳定性指抗应力松弛的能力。恒温恒应变条件下的应力应变曲线为应力松弛曲线。2熟悉高温蠕变行为、断裂过程及其微观机制；持续载荷作用下随时间延长发生的缓慢而连续的塑性变形作用。一般分为减速蠕变阶段、恒速蠕变和加速蠕变。变形机制包括（1）热激活和应力作用下的位错运动；（2）晶界粘滞运动；（3）扩散蠕变；断裂特征包括（1）随应力降低，温度升高，从穿晶断裂转变为沿晶断裂，高温蠕变变为沿晶脆断。断裂过程包成（1）裂纹形核断口附近发现沿晶裂纹与晶界滑动；裂纹形成包括楔形裂纹和晶界空洞两种情况。（2）断裂过程包括形核、分散长大、横向裂纹的形成，曲折裂纹段的形成，曲折裂纹的连接乃至断裂的过程。3掌握蠕变极限与持久强度指标的含义、评价方法及影响因素。蠕变极限是高温持续载荷作用下的塑性变形抗力。为给定温度下产生一定蠕变速率TDT的应力值。为给定温度下一定时间内产生一定蠕变延伸率的应力值，用于高温下长期服TT/役要求限制变形的构件。持久强度给定温度下经过规定时间后产生断裂的最大应力，是高温持续载荷下的TT断裂抗力。（4）影响高温性能的主要因素基体材料与晶体结构