金属力学性能复习资料.doc

1 拉伸颈缩材料的应力应变曲线，拉伸时出现物理屈服和颈缩，拉伸时有塑性变形但不出现颈缩，拉伸时没有塑性变形。2 比例极限：试样应力和应变成正比的关系时所能承受的最大应力，他是应力应变曲线上开始偏离直线的点。3 弹性极限：他是由弹性变形过渡到塑性变形的临界应力，即产生弹性变形而又不产生塑性变形时所能承受的最大应力.4 屈服强度：金属开始产生塑性变形的最小应力。有屈服点，存在屈服平台。意义是描述材料塑性变形时的抗力大小。5 抗拉强度：试样断裂前所能承受的最大拉应力，是均匀塑性变形与非均匀塑性变形的分界点。6 真实断裂强度：拉伸断裂时的载荷处以端口处的真实截面积所得的应力值是真实断裂强度。7 延伸率：试样断裂时标注长度的相对伸长值，由均匀延伸性和集中延伸率组成。8 断面收缩率：试样断裂时断口横截面积的相对缩小率，有均匀断面收缩率和集中断面收索率组成。比较布氏，洛氏，韦氏硬度的异同点:不同点:1布氏硬度计用的是淬火钢和硬质合金的球形压头；2洛氏硬度计用的是金刚石圆锥形压头；3韦氏硬度计用的是金刚石四棱锥压头；4布氏硬度计是单位压痕面积上的载荷，测定的是压痕球冠的直径；5洛氏硬度计是单位压痕上的深度上的载荷，测定的是压痕的深度；6韦氏硬度计是单位压痕面积上的载荷，测定的是菱形两条对角线长；7布氏硬度计可测不太硬的材料：操作繁琐，测定结果稳定，波动小;硬度值与强度等成定量关系，有换算公式；8洛氏硬度计测量压痕小，近似无损；易于批量操作；应用范围小；数据分散，可靠性差；表面洛氏硬度可用测量极爆的工件或表面覆盖材料的硬度；9韦氏硬度不存在P/D2恒定的限制；d测量比较准确；不宜用于批量操作；可测量显微硬度；通过对测量压头的替换实现从软到硬材料的测量相同点：1都是采用压入法，都存在压痕；2压头的硬度都比被测工件的硬度高弹性变形：原子之间的距离发生相对的变化，从而改变了吸引力和排斥力的大小，以便于外力相平衡，这种受力后原子间距变化的宏观表现就是弹性变形弹性模量在本质上决定于金属的电子结构，而不依赖于金属材料的显微组织,弹性模量是应力和应变的比值，是原子间作用力曲线的斜率影响弹性模量的因素：纯金属单晶体沿不同晶体学方向的弹性模量不同；合金元素对合金的弹性模量影响很小；冷加工和热加工对弹性模量没有显著的影响9 弹性比功：是金属材料吸收弹性变形的能力，通常是塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功的表示，提高材料的弹性比功德方法是提高其弹性极限10 应力和应变不完全同步，与时间有关，这就是弹性不完整性11 弹性后效;这种加载时应变落后于应力的现象叫正弹性后效，这种卸载时应变落后于应力的现象叫后弹性后效。切应力引起的弹性后效比正应力的大，没有切应力分量的多向压应力不引起弹性后效12 循环韧性：弹性滞后环的面积所代表在一次交变应力循环周期中试样所吸收的能量，称为循环韧性，这种能量消耗，是金属有吸收外来机械功的能力13 塑性变形：金属受力后产生不可恢复的永久变形称为塑性变形。塑性变形是金属区别于非金属的重要特征14 金属的理论切变强度：如果外加切应力达到m，则能克服两层原子间的作用力而引起相对滑移，这就是金属的理论切变强度，理论切变强度时切变弹性模量的十分之一15 整体的滑移要同时克服上下两层所有原子的结合力，如果滑移不是整体进行，而是逐步进行，则只需要克服滑移面上下少数原子间的结合力就可以完成切变过程，切变强度很低，这种逐步滑移的构想呗试验证明，发现不是所有的滑移带均贯穿整个晶粒，其中有些滑移带中止于晶粒内部16 滑移变形的位错机制（1）塑性变形是不可逆的永久变形，（2）按此机制估算的金属屈服强度与试验相符。位错从金属的一侧运动到另一侧就引起金属的塑性变形，位错运动使滑移面上方的原子从一个平衡位置到另一个平衡位置；位错滑移过后，金属中的原子处于稳定状态，他所引起的变形被保留下来而不可能回复，这就是塑性变形17 塑性变形通过位错的滑移来实现，因而金属的屈服强度很低。如果认为位错滑移就标志着塑性变形的开始。那么，开动位错的力就等于金属塑性变形的临界切应力。在纯金属中，位错的启动和滑移时所遇到的阻力只有经历点阵的摩擦力。如果产生宏观可见的塑性变形必须大量位错穿过警惕运动。位错源在外力的作用下可以增值放出大量的位错，这些大量位错的运动可累计起来形成宏观可见的塑性变形。因此，塑性变形量必然和位错数目及位错的滑移量有关。位错滑移所引起的塑性变形量与位错密度和每个位错在晶体中走过的平均距离成正比，因此，产生一定量的塑性变形，必须要有足够数量的位错移动长度的距离18 金属塑性变形的特点：1，金属塑性变形一滑移方式进行时，滑移沿特定的晶面和晶向发生，滑移面通常是原子排列最紧密的晶面，滑移方向是原子排列最紧密的方向。2，塑性变形必须在特定的应力下发生，只有当作用在滑移面上沿着滑移方向的切应力达到特定的数值时，该滑移系才会开动。3，金属中各区域的塑性变形是不均匀的。4，金属塑性变形后的结构胞状亚结构。5，塑性变形后金属结构发生畸变，并存较多的能量，塑性变形时大部分能量转变成热能10%的能量储存在金属内部，就是点阵畸变弹性能，这与金属的性质，变形方式，变形温度和变形量有关。6，加工硬化，随着塑性变形量的增大，金属强度增高，是塑性变形的重要特点19 物理屈服现象：应力突然从A点下降到B点，而后试样继续产生塑性变形由B到C，但应力基本保持不变。这种塑性变形就是物理屈服。A点所对应的应力最大值称为上屈服点，反映物理屈服的线段BC成水平的锯齿状，称为屈服平台。屈服平台所对应的应力称为下屈服点。屈服平台的长度表示物理屈服过程中的应变量，称为屈服应变20 拉伸试样中的物理屈服变形是从试样上的应力集中部位开始，而后足部传播到整个试样。1，拉伸到上屈服点时在试样的肩部表面可以观察到与拉伸方向约45的线条状痕迹，这就是屈服变形的标志，随后，应力下降到下屈服点，同时变形向试样其他部位传播，直至遍布整个试样。2，屈服伸长量的增加是依靠屈服区的不断扩大来实现的21 物理屈服现象，首先要回答为什么屈服变形一旦开始，应力立刻下降，应力下降的原因是塑性应变速度迅速增加的结果。所以当屈服开始时金属内部可动位错数目很少，要产生足够大的塑性变形，必须要加较大的应力，就是看到的上屈服点。位错密度增加，引起形变强化，但这时的形变强化效应比位错运动速度降低的弱化效应要小很多，因此表现为应力的陡降。物理屈服现象中的另一个问题是为什么在屈服伸长变形时，试样上的变形.从局部开始而逐渐传播到整个试样，首先.这与多晶体变形的不均匀性有关.在试样应力集中处的应力值较高，先开动这部分晶粒中的可动位错.位错的开动及增值加速了塑性变形.应力开始下降.这就形成屈服平台上的一个齿。位错的继续增值在晶界里受阻成了密集的塞积群出现加工硬化，在晶界形成应力集中.当应力足够大时便可开动临近晶粒中的可动位错形成新的屈服区，表现为Luders带扩展，这些位错又增值，加速塑性变形，使5应力下降，便在屈服平台上又出现一个锯齿，如此不断重复，每一批晶粒中可动位错开动，就是屈服区的一次扩展，屈服平台中出砚一个屈服齿，直至屈服传遍整个试样，屈服伸长便告结束22 拉伸时则不出现物理屈服现象.将变形的低碳钢进行时效处理后再拉伸时，又重新出现物理屈服现象，但这时低碳钢的屈服点升高，塑性和韧性下降，这种变形后时效处理及其引起的性能变化称为应变时效,时效规程是室温下放置几天，或在100度下保温4小时。时效温度越高，则时间越短。应变时效时，随着时效时间的延长，屈服极限，抗拉强度和硬度增高，屈服伸长也增大，但极限塑性和冲击韧性降低，应变时效现象是位错与碳，氮原子相互作用的结果。变形后的时效，使碳，氮原子又回到位错周围形成钉扎，从而又减少可动位错。所以物理屈服现象又重新出现。形变引起的加工硬化再次屈服时屈服点升高。应变时效后金属的显微组织并无明显变化，但塑性和冲击韧性下降，这种现象应该避免。23 应力状态软化系数：是最大切应力与最大正应力的比值。前四章结束25 论述金属强化的机制。答:1)细晶强化晶粒越细，则晶界越多。由于晶界是位错运动的障碍，从而引起位错塞积;且晶界变形要满足连续性条件，故晶界的存在使变形抗力提高。有Hall一petch公式: d减小时，应力增大2)固溶强化1.固溶使材料的屈服极限增加:应力0为纯金属的强度;K为常数;c是溶质原子浓度;m=l或1/2。相同浓度条件下，强度的增加与溶解度的倒数成反比。强化机制:弹性交互作用:溶质原子造成弹性应力场，交互作用，钉扎位错，使应力升高，形成柯氏气团。 电子交互作用:电子易在位错张应力区集结，形成电偶极子，与各原子发生静电作用，阻碍位错移动化学交互作川 :铃木气团导致层错能下降，使宽度增加，层错难运动，导致a增大溶质原子的偏聚和有序化 3)第二相强化分为两类弥散性第二相强化:尺寸很小、弥散分布在基体上。时效强化:过饱和固溶体时效形成第三相;弥散强化:认为在基体中加入氧化物、氮化物等。聚集型第二相强化:第二相晶粒大小与基体晶粒具有可比性。相之间大小、分布、强度、塑性具有可比性。等应变模型:强相控制型，强化效果大:等应力模型:弱相控制型，强化效果最小;真正的模型介于以上两者之间。 4)形变强化金属存在加工硬化，是金属特有的，对所有金属都适用。又分为在服役过程中强化和预变形强化。形变强化的原因是金属在变形过程中位错密度增加，从而增加了位错运动的阻力。分为单晶系的形变强化和多晶系的形变强化。24 微观聚集性断裂的宏观断口特点、微观断口特征及其断裂微观机制。答:宏观特征1)纤维区:在断口中央，是显微孔洞聚集长大形成的区域;表面粗糙不平。2)剪切唇:与拉伸方向成45度角，是切应力作用下形成的，是裂纹扩展至表面附近的时候进入快速失稳阶段形成的。 3)星芒区:在拉应力作用一下形成的，具有放射状的芒线的过渡区。材料塑性越低，则放射区越大。微观形貌形成很多小的韧窝，伴有第二相粒子或夹杂物粒子存在的痕迹。1)正应力作用下的断裂 韧窝呈等轴状，在纤维区或放射区能看到韧窝。 2)切应力作用下的断裂韧窝取向相反;在剪切唇处能看到韧窝.3)撕裂应力作用下的断裂韧窝取向相同，应力分布不均匀，边缘处最大，裂纹由表面向心部扩展。存在于由缺口试样或有裂纹的试样。断裂的微观机制 1)微孔的形成 由于基体中存在第二相和夹杂物，当剧烈变形时，变形不协调引起塑性变形不均匀。由于晶界弹性应变大，使晶粒晶面处形成微孔。 2)微孔的聚集长大25 解理断裂特征及其机理。答:特征：(1)断面垂直于最大拉应力。 (2)断口有许多小晶面组成，每个小晶面对应一个解理面，大小与晶粒相对应。 (3)有河流花样，是解理台阶存在的标志。(4)舌状花样。解理面上存在舌状突起或凹陷，由孪晶引起。机理:1)裂纹的形成:裂纹的萌生发生在塑性变形区，与局部塑性变形有关，与位错有关。2)裂纹的扩展:裂纹扩展很难通过晶界，晶界阻碍了裂纹的扩展。裂纹扩展借助河流花样完成。 26 应力集中系数：力线也应是一条连续的通过缺口截面的线。这样一来.在缺口自由表面附近的材科.由于自由表面没有约束，而出现了一个力线不能到达的空白区。这个空白区是不受力的。缺口试样的应力集中程度用应力集中系数表示，是最大应力和截面平均应力的比值，系数受缺口几何形状的影响，缺口顶端曲率半径越小，缺口张角越小和缺口深度越大，都使应力集中系数增大。以上所述应力集中现象只限于弹性状恋.即试祥各部分，包括缺口顶端应力最大值处均未产生塑性交形。27 缺口顶端的应力集中使应力分布不均匀，同时应变分步也不均匀从而导致多向应力状态。每决体积沿x方向收缩变形量不等，必然引起相邻两块间界面分离.但实际上，材料是一个连续的整体，相临两块的界面不可分离.为了维持材料的连续性，必然存在一个力。引起那两块相邻间界面使之不分离.这个力就是拉应力x.拉应力的变化从零增值到某一最大值，然后在降低到零。28 平面应力状态：如果构件时薄板，z向尺寸小。当y向受拉力，试样沿y向伸长，同时沿z向收缩，由于构件很薄，沿z向能够自由收缩，没有z向约束，薄板缺口前方是两向拉应力状态。即平面应力状态。29 平面应变状态：如果构件是厚板，z向尺寸很大。当y向拉力时，在板厚的中部，前后两侧有大量的材料约束，从而z向不能收缩变形，z的变化时缓慢增加到某一最大值然后下降到零，厚板中部这种应力状态就是平面应变状态。厚板前后两个自由表面是平面应力状态，中间是平面应变状态。30 应变集中：平面应变条件下，在s加x时才会屈服，而屈服强度提高，当屈服应力超过材料抗拉强度时，材料不会产生塑性变形而重新断裂，使塑性变形材料转变为脆性材料，说明若是脆性材料，裂纹顶端不能产生塑性变形，则应力集中很严重，当应力达到材料断裂强度时，材料迅速断裂，而对于塑性变形，则可通过尖端塑性变形而削弱应力集中，使应力集中不易过大，材料也就不会断裂，因此，脆性材料对缺口更加敏感。31 冲击加载：是指一个一定量的物体以一定的速度冲撞试样所施加的载荷。其目的是实现高速加载习，即在极短的时间内将载荷加至特定的数值。加载速度的增高引起金属塑性变形和断裂行为的改变.金属受冲击时的应变速率也相应增高。因此，在金属材料的研究领域，通常材科的应变速率来描述加载的速度。冲击加载时，金属塑性变形应变率的增长落后于载荷速率的增长。32 冲击功Ak:冲击载荷冲断试样所傲的功.冲击功包括:Ac-弹性变形功:Ap一塑性变形功、裂纹形成功或形变强化功:Ad-裂纹扩展功。33 冲击韧性试验：冲击试验的基本原理是用一定质量的物体以一定的速度去冲击一定形状的试样，测量冲断试样所要的能量，以此能量表示材料的冲击韧性，试样的缺口有梅氏U型和夏氏V型两种，在冲击试验中，是利用了冲击加载和缺口两个使材料致脆的外部条件。34 冲击韧性k：冲击功Ak与断口截面积Sk的比值Ak/Sk，k没有明确的物理意义。只能定性的评价材料的韧性。35 冲击试样的断裂过程：包括弹性变形，塑性变形，裂纹形成和扩展几个阶段。对于韧性很高的材料，就应该采用尖锐的缺口试样，对于韧性很低的试样，应该采用钝缺口试样，有时甚至不开口。36 冲击试样裂纹形成和扩展机制：是微孔集聚型。当载荷达到Pr之前，级纹已扩展到缺口根部的整个宽度，向前扩展时中央部分扩展速度较快，从面形成图中所示的脚跟形纤维状区，随着裂纹尺寸的增大，当载荷达到Pr时，裂坟以脆性解理方式快速扩展，在断口中央形成结晶状区域.且沿裂纹扩展方向呈放射状.这时载荷迅速下降至Po，此时.试样的底部那尚未断裂开的截面积较小.应力状态较软.处于平面应力状态.于是，沿45方向v以撕裂方式断开，形成两侧的剪切唇，载荷下降至0。37 冷脆：当试验温度低于某一温度时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击韧性明显下降，断口特征由纤维状变为结晶状的，断裂机制由微孔聚集型变为船晶解离型，这就是低温脆性，即冷脆。38 冷脆的评定方法:1)系列冲击试验作出Ak随丁变化的曲线.平均能量法:求(Akmax+Akmin)/2对应的T即为To.制定某一Ak对应的温度是TT.2)断口形貌判断法由韧性断口面积和脆性断口的面积相对比例来判断。50%脆性断口和50%韧性断口处对应的沮度T2是断口形貌转变温度。物理意义明确但不易观察，误差很大。39 完整晶体的理论断裂强度：当原子间作用力减小到0，意味着晶体已断裂，因此，当外力达到m时，晶体就要断裂，他就是其理论断裂强度。40 criffith强度理论：是为解诀玻璃和陶瓷等脆性材料的断裂强度而提出的.认为一人物体受力后，体内贮存了一定的弹性能.当物体内出现一个裂纹时，内应力被松弛，物体便释故出一定量的弹性能。然而，另一方面裂纹的出现使物体中增加了两个新表面.因而引起表面能增加.如果释放出的弹性能足以补偿增加的表面能.裂纹的出现在能量上就是稳定得.井且裂纹的扩展会导致物体总能量的降低，从而使物体断裂.。41 受力板释放的弹性能Ue为无应力区的体积乘以弹性能密度，出现裂纹而增加的表面能W为裂纹表面积乘比表面积能，于是，系统的能量变化为U=Ue+W，当外加应力一定时，系统能量的变化与裂纹长度a有关。当dU/da0，裂纹长大使系统能量增高，裂纹不能扩展。裂纹越长，断裂应力越低。42 裂纹顶端的应力特征：在裂纹顶端附近区城，由于应力集中效应，当接近于裂纹顶点时，应力将趋于无穷大.这对于实际工程金属材料是不可能的.因为当应力值超过材料的屈服强度时.材料产主塑性变形，从而在裂纹顶端出现塑性区.塑性区内的应力.如果不考虑加工硬化效果，将等于在该三力状态下的屈服强度.43 平面应变状态的等效屈服应力是平面应力状态的三倍，在裂纹的顶端周围材料，达到或者超过等效屈服应力的部分，都将产生塑性变形，裂纹顶端ro范围内的塑性变形，降改变其应力分布。AB以上的应力由于塑性变形被松弛掉了。这部分的载荷值为AB以上JB一下的面积。这部分松弛的载荷必然转嫁到塑性区ro意外的临近材料，使尺寸扩大，最后Ro=2ro.44 疲劳:在交变载荷作用下，机械零件在工作应力低于材料屈服强度时发生断裂，成为疲劳。45 疲劳条纹:是一种微观特征，其间距代表裂纹扩展宽度。 46 疲劳线:是一种宏观特征，是一系列同心圆弧围绕裂纹源，存在贝纹线、海滩花样。是裂纹扩展过程中，裂