材料力学性能大纲(详细版).doc

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，真应力，应变包括工程应变，真应变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；s-e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：断面收缩率： 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a 第三强度理论，最大切应力引起材料屈服； 第二强度理论，最大相当正应力引起材料正向断裂。应力状态软性系数a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a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。Q=EF；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。 实际屈服强度微观看为临界分切应力tc；宏观看为sc。 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。2 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。 4.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 缺强比 衡量材料的缺口敏感性。 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。(4)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，e=ec；s=sc。根据弹性能和表面能的关系。得到：Griffith强度理论，引入裂纹。顶端应力集中使得裂纹在远低于sm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ac附近具有极大值，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s的作用下，裂纹前段任一点的应力分量。， f（q）-方向因子。KI为应力场强度因子，复合参量Mpam1/2，力学参量，裂纹前端应力场强弱；KI达到临界点时裂纹失稳扩展。这时的KIC为断裂韧性；KI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（a0+Daac）-失稳扩展（a0+Daac） （2）脆性固体（a0ac）-失稳扩展（a0+Daac） 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,s-N与e-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，smaxss，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。(4)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；溶质原子的影响；第二相质点影响；晶粒