材料力学性能复习.ppt

1 材料的常规力学性能,1）. 熟悉力拉伸曲线和应力应变曲线,单向静拉伸试验及试样（l0/A01/2= 5.65或11.3;保证伸长率测试时的几何形状相似。）,掌握应力应变曲线上各特征点的物理意义（弹性模量E、比例极限p、弹性极限e 、屈服强度s 、抗拉强度b 、延伸率）,了解几类典型的应力应变曲线(无塑性、低塑性、高塑性）,弹性变形（O-e）,塑性变形（e-k）,断裂(k点),2）. 应力应变曲线与真应力应变曲线的关系,真应力总是大于工程应力；而真应变总是小于工程应变。并且，随变形量增大，二者的差距也增大。,3）.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。,4）.熟悉缺口效应,缺口顶端应力集中； 近缺口顶端区产生两向应力状态（对薄板）或三向应力状态（对厚板）； 缺口强化。,5）.了解硬度测试的物理意义、工程意义,硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。一般指材料表面上不大体积内抵抗变形或破裂的能力。 静载压入法，试验设备简单，操作方便、快捷，不损坏部件，应力状态较软，一定条件下与材料的抗拉强度有正比关系。,6）.熟悉几种常用的硬度的测试方法（布、洛、维氏硬度）, 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（HBS），测定HB450的材料的硬度；硬质合金球作压头（HBW），测定的硬度可达650HB 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。 金属材料中，与抗拉强度有正比关系。, 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120的金刚石圆锥体，直径为1.588mm(116英寸)的钢球压头 多种标尺：HRA、HRB、HRC 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 在较低硬度时，其硬度值与布氏硬度值相等或相近。,7）.熟悉夏比缺口冲击试验的测试方法、物理意义以及工程意义,大能量一次冲击弯曲试验：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。,冲击试验的应用：评定材料在不同温度下的脆性转化趋势（采用系列冲击试验）。,韧性：材料断裂前吸收变形功和断裂功的能力 韧度：衡量材料韧性大小；应力-应变曲线下的面积。 刚度：材料对弹性变形的抗力，弹性模量E越高，刚度越高，弹性变形愈困难。 弹性：材料弹性变形的能力。通常以弹性比功的高低来区分。 塑性：断裂前发生塑性变形的能力。伸长率和断面收缩率表征。,8）.掌握韧性、塑性、刚度、弹性的物理意义及表征,2 材料的变形,1）.掌握弹性变形的实质,构成材料的原子或分子自平衡位置产生可逆位移的反应。,=E E = 2 (1+v )G E： 正弹性模量（杨氏摸量）v：柏松比 G：切弹性模量 物理意义：产生100弹性变形所需的应力。 工程意义：工程上把弹性模量E、G称做材料的刚度，它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力。,2）.掌握弹性变形的性能指标,3）.熟悉影响弹性模量的主要因素, 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； 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。 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。 温度T T原子结合力下降，E 。 加载条件 金属、陶瓷E影响不大，对高分子E有影响。,4）.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。, 滞弹性：材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。 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 内耗：存在滞后环（加载和卸载时的应力应变曲线不重合）说明加载时吸收的变形功大于卸载时释放的变形功，因而有一部分变形功被材料所吸收，称为内耗，其值用滞后环面积度量。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。,5）.掌握黏弹性行为及其力学松弛。,黏弹性变形定义：一些材料在受载荷时，会表现出类似于液体的黏性流动和弹性变形的混合特征，一般称为黏弹性变形。 黏弹性行为的三种响应机制：普弹性、高弹性、黏性流动。 力学松驰：由于粘弹性的存在，高聚物的力学性质会随时间的变化而变化， 力学松驰现象： 蠕变：在一定温度和较小的恒定外力作用下，材料的变形随时间的增加而逐渐增大的现象。 应力松弛：在恒定温度和变形保持不变的情况下，材料内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。 力学损耗（动态黏弹性）：在交变应力下，由于应变滞后于应力，会发生内耗，高聚物中滞后现象更为严重。,6）.掌握塑性变形的机理。,晶态材料：滑移 临界分切应力：当外力在某一滑移系中的分解切应力达到一个临界值时，该滑移系方可开始滑移。 与结构和滑移系组合有关，和温度及加载速率有关 取向因子：coscos（大为软位向，小为硬位向） 理论屈服应力 位错运动阻力：点阵摩擦阻力；位错本身之间的交互作用 强化方法 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； 非晶态高分子材料塑变机制：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。,7）.掌握金属的屈服及影响屈服强度的主要因素,屈服的显著特点是拉伸曲线上有显著的载荷降落,并在某一接近恒定的载荷值附近起伏。,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,解释屈服的理论：Crttrell气团钉扎模型 位错增殖动力学理论。,8）.掌握应变硬化现象、表征、工程意义,材料在外力作用下屈服后进入均匀塑性变形阶段，随变形量增大其形变应力（流变应力）不断提高的现象称为应变硬化，或形变强化或加工硬化或冷作硬化。,应变硬化的本质是：随变形量增加，位错密度增加，使位错之间交互作用增加，从而导致屈服强度增加。,n应变硬化指数，表征材料抵抗继续塑性变形的能力。,（1）应变硬化可使金属构件具有一定的抗偶然过载能力，保证构件的安全。 （2）应变硬化和塑性的适当配合可使金属进行均匀塑性变形，保证冷变形工艺顺利实施。 （3）应变硬化是强化金属的重要工艺手段之一。,3 材料的断裂,1）.了解断裂的类型及概念,1 按断裂前应变量分类 （1）韧性断裂（2）脆性断裂,2 按断裂路径分类 （1）穿晶断裂（2）沿晶断裂,3 按断裂微观机制分类 （1）解理断裂（2）纯剪切断裂（3）微孔聚集型断裂,4 按宏观断面取向分为 （1）正断（2）切断,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）,2）.了解断裂的宏观断口特征,脆性（解理）断裂,断裂面垂直于拉应力且非常光滑平整。 断口比较光亮。,韧性（微孔聚集）断裂,杯锥状断口,杯锥状断口上分三个典型的区域：纤维区、放射区和剪切唇，此即典型的断口三要素。,3）.了解断裂的微观断口特征,解理断裂,河流花样（解理台阶）,韧窝,韧窝: 材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞,经形核、长大、聚集，最后相互连接而导致断裂后，在断口表面所留下的痕迹。,韧性（微孔聚集型）断裂,相互平行但位于不同高度的解理面相遇形成台阶，而当台阶相互汇合时就形成了河流花样。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。,4）.了解理论断裂强度和实际断裂强度,理论断裂强度：,近似：,Griffith应力：,Griffith模型的适用,脆性材料，即裂纹前缘的塑性变形可以忽略不计的情况。,发生塑性变形，因不可逆的损伤的积累而破坏（塑性较好的金属材料）。 存在材料缺陷和加工缺陷，发展成裂纹并长大导致断裂,实际强度远远低于理论强度的原因：,5）.掌握断裂过程及机制,断裂一般包括裂纹萌生和裂纹扩展两个基本过程。裂纹扩展又可能分为稳态扩展和失稳扩展。,解理断裂,材料在一定的主应力作用下，由于原子结合键的破坏而造成的沿特定晶体学平面（即解理面）快速分离的过程。（玻璃、陶瓷等极脆材料）,韧性（微孔聚集型）断裂,在应力作用下，材料内部存在的第二相粒子或夹杂物与基体脱粘，或者第二相粒子、夹杂物本身断裂，从而形成空洞。当提高应力水平时，这些微空洞逐渐长大，并连接（聚合）成一个较宽的裂纹。当这个扩展的裂纹达到临界尺寸时，构件总体破坏就发生了。,6）.韧脆转化现象及韧脆转化温度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，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 。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 。 (4)以Akv15 呎磅(20.3Nm)对应的温度定义，并记为V15TT。 (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50FATT或 FATT50、t50。,当温度低于某一温度时： 由韧性断裂脆性断裂；冲击吸收功明显下降； 断裂机理由微孔聚集型解理断裂断口特征由纤维状结晶状 则将此现象称为低温脆性。而对应的温度称为韧脆转变温度。,7）.掌握陶瓷材料断裂强度特点及原因,（1）陶瓷的实际强度与理论强度之比远低于金属（实际强度远低于理论强度）,（2）陶瓷的压缩强度与抗拉强度之比高于金属（压缩强度远高于拉伸强度）,（3）强度的分散性大,陶瓷材料的断裂过程都是以其内部或表面存在的缺陷为起点而发生的，而缺陷的存在是概率性的，随试样体积增大，缺陷存在的概率也增大，材料的强度就下降。,在压缩时，由于裂纹类缺陷可以闭合，对抗压强度影响较小。因此陶瓷材料的抗压强度比抗拉强度大的多，其差别程度大大超过金属。,陶瓷材料是由固体粉末烧结成形，在粉末成形、烧结反应过程中，不仅存在大量的气孔，而且这种气孔有很多呈不规则形状，其作用相当于裂纹，因此陶瓷材料中裂纹或类裂纹缺陷比金属既多且大）,8）.了解材料裂纹的基本方式,(a)张开型(型); (b)滑开型(型); (c)撕开型()型,9）.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Mpam1/2或KNm-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KCKIC 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。,10）.掌握KIC和应力强度因子K的异同,断裂韧度KC是应力强度因子K的临界值，两者物理意义不同。 K 是一个描述裂纹前端应力场强弱的力学参量，它与裂纹及物体大小、形状、外加应力等参数有关； KC是评定材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的一种力学性能指标，它是材料常数，只与材料成分、热处理及加工工艺有关，而与裂纹本身大小，形状以及外应力大小无关。,11）.熟悉断裂韧度在工程中的基本应用,计算结构许用应力,计算可能的最大应力场强度因子,计算材料的临界裂纹尺寸,4 材料的疲劳（Fatigue）性能,1）.了解疲劳破坏的特点,微观上看，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程，包括裂纹萌生和裂纹稳态扩展两个阶段； 断口具有明显特征：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区； 宏观上看，属潜在突发性破坏，脆性，易引起事故造成经济损失； 属低应力（-1s ）延时破坏，寿命预测很重要； 疲劳性能对缺陷十分敏感。,2）.掌握疲劳应力的特征参数及其所对应的疲劳类型,表示循环应力特征的参量： （1）最大循环应力 （2）最小循环应力 （3）平均应力 （4）应力幅a 或应力范围: （5）应力比 r :,拉脉动循环,对称循环,压脉动循环,根据参量评判疲劳应力的强弱程度和对材料疲劳损害程度的大小。,各种循环应力的特征,3）.疲劳断口 的宏观特征及贝纹线的形成,贝纹线是以疲劳源为中心的近于平等的一簇向外凸的同心圆，它们是疲劳裂纹扩展时前沿线的痕迹，一般认为是由载荷大小或应力状态的变化、频率变化或机器运行中途停车、启动等原因造成裂纹扩展产生相应微小变化所导致的。,4）.熟悉疲劳抗力指标的意义,疲劳抗力指标: 1)疲劳极限：疲劳曲线水平部分所对应的应力，它表示材料能经受无限次应力循环而不发生断裂的最大应力。 2)过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力下循环时，发生疲劳断裂的循环周次。 3)疲劳缺口敏感度：材料在交变载荷作用下的缺口敏感性。 4)疲劳裂纹扩展速率：疲劳裂纹稳态扩展阶段每一循环下所扩展的距离。 5)疲劳裂纹扩展门槛值：该区是初始扩展阶段，da/dN值很小，约10-810-6mm/周。此区中有一关键参数Kth ，其含义是当K Kth 时，疲劳裂纹永远不扩展，故称为疲劳裂纹扩展门槛值，它表征了带裂纹体不疲劳断裂（无限寿命）的性能。,5）.熟悉疲劳的微观过程,循环应力下组织的变化：位错密度增加，趋于饱和后，形成带状或胞状结构。,驻留滑移带：疲劳反复进行，会发现有些部位的滑移带反复在原位出现，就像驻扎在那里一样，永远也不消失，把这样的滑移带称为驻留滑移带（PSB）。,裂纹萌生：表面（提高表面光洁度、表面强化处理可提高疲劳寿命） 内部缺陷（降低材料中夹杂物的含量可提高疲劳性能。,裂纹扩展：第阶段：表面裂纹沿最大切应力方向扩展，可延伸几十m（25个晶粒）。 第阶段：沿垂至于拉应力方向向前扩展成主裂纹，直至最后形成剪切唇为止。微观断口最典型特征为“疲劳条带”（疲劳辉纹）。,6）.掌握疲劳条带的类型、成因、尺寸,疲劳裂纹扩展第二阶段的一个显著物理是在高倍微观断口上常常可以看到平行排列的条带简称疲劳条带，它分为韧性条带和脆性条带两类。,韧性条带：平行排列的条带,脆性条带：裂纹扩展不是塑性变形，而是解理断裂，因此断口上有细小的结晶解理平面或河流花样，但裂纹尖端又有塑性钝化，因之又具有条带特征。,疲劳条带是交变应力每循环一次裂纹留下的痕迹。,5材料在不同工程环境下的力学性能,1）.了解蠕变曲线的特点,在恒载荷（或恒应力）作用下，应变量随时间发展的关系曲线。 分为三个阶段：减速蠕变（过渡蠕变）、 恒速蠕变（稳定蠕变）、 加速蠕变（失稳蠕变） 应力大小及温度对蠕变曲线的影响 当减小应力或降低温度时，蠕变第阶段延长，甚至不出现第阶段；当增加应力或提高温度时，蠕变第阶段缩短，甚至消失，试样经减速蠕变阶段后很快进入加速蠕变阶段而断裂。,2）.掌握高温蠕变性能的表征,蠕变极限：表征材料抵抗蠕变变形的抗力 在给定温度下，使试样在蠕变第阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力； 在给定温度和时间条件下，使试样产生规定蠕变应变的最大应力，,持久强度：高温长期载荷下抵抗断裂的能力 在给定温度及规定时间内，不发生蠕变断裂的最大应力；,持久塑性：衡量材料蠕变脆性的指标 用持久实验试样断裂以后的延伸率和断面收缩率；,松弛稳定性：材料抵抗应力松弛的能力 材料在恒变形条件下随时间延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛,3）.了解蠕变变形机制和蠕变断裂机制,材料蠕变变形机理主要有位错滑移、原子扩散、晶界滑动。,沿晶