金属力学性能难点.docx

1.弹性变形：拉伸条件：室温下，单向载荷，静拉伸；试样：比例试样，非比例试样；实质：在外力作用下金属原子紫平衡位置发生可逆性位移的结果特点：（1）=E*（2）可逆性（3）变形量很小1%（4）变形速率非常快，接近声速力学性能指标比例极限p：应力与应变成直线关系的最大应力弹性极限e：由弹性变形过渡到弹性塑性变形的应力。 弹性模量（E）表征材料对弹性变形的抗力(刚度)弹性比功（e）：表示单位体积金属材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比应变能弹性模量E取决于金属原子本性和晶格类型，对组织不敏感弹性变形的不完整性：滞弹性包申格效应2.塑形变形：位错增殖运动的结果；驱动力：切应力；特点：1) 切应力导致塑性变形2) 加工硬化3) 不可逆4) 多晶体材料各晶粒塑性变形的不同时性和不均匀性5) 多晶体材料各晶粒各晶粒塑性变形的相互制约与协调性能指标：强度：s：有明显屈服平台或屈服齿下，测得的屈服强度，表征材料对微量塑形变形的抗力0.2：没有明显屈服平台或屈服齿下，测得的屈服强度，表示规定残余伸长率为0.2%是的应力。n：反映金属材料抵抗均匀塑形变形的能力抗拉强度b：金属试样拉断过程中最大试验力所对应的应力称为抗拉强度塑形指标：断后伸长率：反映均匀塑性变形能力断面伸长率：反映材料局部变形能力影响塑形的因素：除了细晶强化，其他强化同时降低塑形金属拉伸形成缩颈第一章1.金属材料和高分子材料发生的弹性形变是不同的：金属材料的弹性变形是原子间距在外力作用下可逆变性的结果。高分子材料普弹性是靠主键角键长的微量伸缩的微小键角变化的结果；高弹性变形是分子链段运动，链卷曲变直，伸长2.包申格效应的消除方法预先进行较大的塑性变形 在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火3.影响屈服强度的因素 内在因素（1） 金属本性及晶格类型纯金属单晶体的屈服强度从理论上来说是使位错开始运动的临界内应力，其值由位错运动所受的各种阻力决定。（2）晶粒大小和亚结构减少晶粒尺寸会减少晶粒内部位错塞积的数量，减少位错塞积群的长度，降低塞积点处的应力，相邻晶粒中位错源开动所需的外加切应力提高，屈服强度增加。细晶强化（3）溶质元素溶质元素溶入金属晶格形成固溶体，形成所谓科垂耳气团钉扎位错，使强度提高，从而产生固溶强化 （4）第二相对于不可变形第二相，位错克服弯曲位错的线张力，绕过第二相，留下位错环，两质点间距减少，流变应力增大，屈服强度提高对于可变形第二相，位错切过，同基体一起产生变形，提高屈服强度弥散强化：第二相之巅弥散分布在基体中起到强化作用沉淀强化：第二相之巅经过固溶后沉淀析出起到的强化作用（二） 外在因素（1）温度：温度越高，原子间作用越小，位错运动阻力越低（2）应变速率：应变速率越高，强度越高（3）应力状态：切应力分量越大，强度越低4.韧性断裂宏观断口：断口粗糙、呈纤维状，灰暗色5.韧性断裂宏观断口三要素以及影响因素纤维区，放射区，剪切唇材料脆性越大，放射区越大，纤维区越小，剪切唇越小。材料尺寸越大，放射区越大，纤维区基本不变。6.脆性断裂断口：平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。 7.沿晶断裂断口：当晶界的强度小于屈服强度时，晶界无塑性变形，产生冰糖状断口当晶界的强度大于屈服强度时，晶界有塑性变形，产生石状断口 8.纯剪切断裂断口：单晶体金属剪切断裂断口呈锋利的楔形 多晶体金属的完全韧性断裂断口呈刀尖形 9.微孔聚集型断裂断口：韧窝10.解理断裂的微观断口特征：解理台阶和河流花样以及舌状花样11.准解理与解理异同相同：穿晶断裂；有小解理刻面； 有台阶或撕裂棱及河流花样。不同：1解理刻面不是真正的晶体学平面，扩展路径与第二相粒子有关;2裂纹源为刻面内的硬质点而不是晶界;3准解理包含更多的撕裂4主裂纹的走向不太清晰，原因是主裂纹前方常产生许多二次裂纹，裂纹多萌芽于晶粒内部第二章1.应力状态软性系数：利用max 与max 的比值表示它们的相对大小，称为应力状态软性系数，切应力主要引起材料的塑性变形和韧性断裂； 而正应力容易导致材料的脆性断裂。拉伸0.5压缩2扭转0.82.单向静拉伸的应力状态较硬，正应力分量较大，切应力分量较小，一般适用于那些塑性变形抗力与切断抗力较低的、所谓塑性材料的试验3.压缩试验的特点单向压缩试验的应力状态系数2，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软。主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能的测定拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩而不会断裂，因此塑性材料很少进行压缩试验。脆性材料的压缩强度一般高于其抗拉强度，尤其是陶瓷材料的压缩强度约高于其抗拉强度一个数量级;其压缩断裂面与载荷呈454.弯曲试验的特点1）试样形状简单、操作方便，不存在拉伸试验时的试样偏斜对试验结果的影响，并可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。2）弯曲试样一侧受拉，一侧受压，表面应力最大，故可较灵敏地反映材料的表面缺陷。3）对于脆性难加工的材料，可用弯曲代替拉伸主要测定测定脆性或低塑性材料的抗弯强度。弯曲试验难以测得塑性材料的强度。5.扭转试验的特点与应用a) 扭转的应力状态系数比拉伸大，故可用来测定那些在拉伸时呈现脆性或低塑性材料（如淬火低碳钢、工具钢、灰铸铁和球墨铸铁等）的强度和 塑性。b) 试样截面的应力分布不均匀，表面最大，愈往心部愈小。因此能较敏感地反映出材料表面缺陷及表 面硬化层的性能。可对表面强化工艺进行研究和对机件热处理表面质量进行检验。c) 圆柱形试样扭转时，整个试样长度上的塑性变形是均匀的， 试样的标距长度和截面积基本保持不变，不会出颈缩现象。可用于评定那些拉伸时出现颈缩的高塑性的形变能力和变形抗力。d) 扭转时最大正应力与最大切应力在数值上大体相等，而生产实际上所使用的大部分金属材料的正断强度大于切 断强度。扭转试验是测定材料切断强度的最可靠方法6.缺口效应：效应1：缺口引起应力集中，改变了缺口前方应力状态。由单向应力状态变为两向或三向应力状态缺口。效应2：缺口使塑性材料产生缺口附加强化，使强度增加，塑性降低。 7.NSR缺口敏感度：缺口试样的抗拉强度与等界面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值NSR越大，缺口敏感性越小8.硬度。布氏硬度HWB：灰口铸铁，轴承合金等具有粗大晶粒火组成相的金属材料洛氏硬度HR :常用的为HRA HRB HRCHRA:硬质合金，硬化薄钢板，表面薄层硬化钢HRB：低碳钢，铜合金，铁素体可断铸铁HRC：淬火刚，高硬度铸件，珠光体可断铸铁。维氏硬度HV：测薄件或薄层的硬度，表面硬化层及仪表零件（1）渗碳层的硬度分布- HK或-显微HV（2）淬火钢-HRC（3）灰铸铁-HB（4）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体-显微HV或者HK（5）仪表小黄铜齿轮-HV（6）龙门刨床导轨-HS（肖氏硬度）或HL(里氏硬度)（7）渗氮层-HV（8）高速钢刀具-HRC（9）退火态低碳钢-HB（10）硬质合金- HRA第三章1.冲击试样开缺口的目的：使试样在承受冲击时在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近不大的体积范围 内，并保证试样一次就被冲断且使断裂就发生在缺口处。缺口 愈深、愈尖锐，冲击吸收功愈低。1.影响材料低温脆性的因素一.材料因素：（1）晶体结构：对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高，材料脆性断裂趋势明显，塑性差。（2）化学成分：能够使材料硬度，强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差，材料脆性提高。（3）晶粒大小，细化晶粒可以同时提高材料的强度和塑韧性。因为 晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒细小，晶界总面积增加，晶界处塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；同时晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂（4）金相组织：较低强度水平时强度相等而组织不同的钢，冲击吸收功和韧脆转变温度以马氏体高温回火最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，当其尺寸增大时均使材料韧性下降，韧脆转变温度升高。二外在因素：（1）缺口尖锐度：缺口越尖锐，三向应力状态越严重，裂纹形成之前的塑性变形区域就越小，塑性变形量越小，Tk升高（2）尺寸因素：试样尺寸增大，材料的韧性下降，断口中纤维区域减少。Tk升高（3）家在速度：外加冲击速度增加，使缺口处理变形应变率提高，使材料脆化2.试说明低温脆性的物理本质 低温脆性的物理本质：宏观上对于那些有低温脆性现象的材料，它们的屈服强度会随温度的降低急剧增加，而断裂强度随温度的降低而变化不大。当温度降低到某一温度时，屈服强度增大到高于断裂强度时，在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大，因此材料在受力时还未发生屈服便断裂了，材料显示脆性。从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关，当温度降低时，位错运动阻力增大，原子热激活能力下降，因此材料屈服强度增加第四章1.影响断裂韧度的因素一、内因（材料因素）：1）晶粒尺寸：晶粒愈细，晶界总面积愈大，裂纹顶端附近从产生一定尺寸的塑性区到裂纹扩展所消耗 的能量也愈大，因此KIC 也愈高。2）合金化：a、固溶使得KIC 降低。b、第二相对材料断裂韧性的作用常与具体的材料体系及其工艺因素有关：弥散分布的第二相数量越多，其间距越小，KIC 越低；第二相沿晶界网状分布，晶界损伤， KIC 降低；球状第二相的KIC 片状3）夹杂：夹杂物偏析于晶界，晶界弱化，增大沿晶断裂的倾向性；在晶内分布的夹杂物 起缺陷源的作用，都使材料 的KIC 值下降。4）显微组织：1）M组织 A.板条M：精细结构位错具有较高强度和塑性，裂纹扩展阻力大， KIC高B.针状M：孪晶使滑移系减少4倍，并易感应裂纹硬而脆， KIC低 （2）M回火组织 A.回火马氏体：基体为过饱和F，塑性差，质点小且弥散，间距小，裂纹扩展阻力小， KIC 低B.回火索氏体：基体为再结晶F，K粒子为粒状，间距大， KIC高 C.回火屈氏体：介于二者之间 （3）贝氏体组织 A.上贝氏体：F片层间分布有断续K，裂纹扩展阻力小， KIC低 B.下贝氏体：过饱和针状F中弥散K，裂纹扩展阻力大， KIC高 （4）B与M （5）残余奥氏体：塑性高，松弛应力、裂纹扩展阻力大，可以提高KIC二.特殊热处理对断裂韧度的影响 1） 形变热处理 A.高温形变热处理细化奥氏体亚结构，细化淬火马氏体，强度、韧性提高，KIC提高。 B.低温形变热处理细化A亚结构，增加位错密度，促进碳化物弥散沉淀，降低A质量分数，板条M增加， KIC提高。 2）亚温淬火 A.提高低温韧性，降低高温韧性三、外因（板厚和实验条件）;1）板厚 材料的断裂韧性随板材厚度或构件截面尺寸的增加而减小，最终趋于一个稳定的最低值，即平面应 变断裂韧度2）温度 金属材料断裂韧性随着温度的降低，有一急剧降低的温度范围（-200200），低于此温度范围，断裂韧度保持在一个稳定的水平（下平台）3）应变速率 应变速率每提高一个数量级， 断裂韧性将降低10%。2.试述K判据的意义及用途。答： K判据解决了经典的强度理论不能解决存在宏观裂纹为什么会产生低应力脆断的原因。K判据将材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来，可直接用于设计计算，估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹最大尺寸，以及用于正确选择机件材料、优化工艺等。3.试述低应力脆断的原因及防止方法。答：低应力脆断的原因：在材料的生产、机件的加工和使用过程中产生不可避免的宏观裂纹，从而使机件在低于屈服应力的情况发生断裂。 预防措施：将断裂判据用于机件的设计上，在给定裂纹尺寸的情况下，确定机件允许的最大工作应力，或者当机件的工作应力确定后，根据断裂判据确定机件不发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸。第五章疲劳断口三要素：疲劳源；疲劳区；瞬断区拉伸端口三要素：纤维区；放射区；剪切唇区疲劳端口特征：疲劳区：比较光滑并分布有贝纹线（海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶 瞬时断裂区：表面粗糙，脆性材料为结晶状，塑性材料为纤维区1.试述疲劳裂纹的形成机理及组织疲劳裂纹萌生的一般办法？答：机理：1）滑移带开裂产生的裂纹：金属在循环应力长期作用下，即使其应力低于屈服应力，也会发生循环位移并形成循环滑移带。随着加载周次的增加，循环滑移带不断加宽，当加宽到一定程度时，由于位错的塞积和交割作用，便在驻留滑移带形成微裂纹。（2）相界面开裂产生裂纹：材料中的第二相或夹杂物容易引起疲劳裂纹。（3）晶界开裂产生裂纹：多晶体材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在某一晶粒内的运动时受到晶界阻碍作用，在晶界处发生位错塞积和应力集中现象。在应力不断循环下晶界处的应力集中得不到松弛时，则应力峰越来越高，当超过晶界强度时，就会在界处产生裂纹 防止方法：(1)固溶强化，细晶强化提高材料的滑移抗力，可以阻止疲劳裂纹的萌生，提高疲劳强度（2）控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布，使之“少，圆，小，匀”，即可一直或延缓疲劳裂纹在第二相或杂质物处萌生（3）晶界强化净化和细化晶粒均可抑制晶界裂纹的形成2.试述疲劳裂纹的扩展速率的主要因素，并和疲劳裂纹萌生的影响因素进行对比？答:疲劳裂纹扩展的主要影响因素：（1）平均应力比升高，扩展曲线向左上方移动，KTH 降低，疲劳抗力降低，提高材料的韧性，有利于见减小疲劳裂纹的扩展（2）过程峰及裂纹塑性区的影响：偶然过载进入过载损伤区，将使材料受损，降低疲劳寿命，如果适量过载在拉应力区产生较大的塑性区，在循环负半周时，会阻止周围弹性变形回复而产生残余应力（3）材料的组织和性能：在材料裂纹扩展时，材料组织、区影响较大，区不明显疲劳裂纹萌生影响因素主要针对疲劳裂纹扩展速率减慢，KTH 的大小进行研究:1、平均应力产生残余压应力因会减小r使裂纹扩展速率减慢，KTH 升高，对疲劳寿命有利2、表面处理：表面淬火或氮化会使材料表面滑移抗力提高，且产生残余压应力而提高KTH 3、减少材料内部缺陷，防止材料局部应力集中，而导致KTH 降低，如降低表面粗糙度4、强化、细化、净化晶界可提高KTH ，第二相夹杂物“少、圆、小、匀”3-1和 kth的异同及强化方法影响的异同。答：-1：疲劳极限，经无限次应力循环也不发生疲劳断裂时对应的应力。KTH：疲劳裂纹扩展门槛值，材料阻止裂纹扩展的性能。异同：两者都表示无线寿命的疲劳性能，是材料成分，组织，载荷以及环境因素等影响。但-1是光滑试样无限寿命疲劳强度，用于传统的疲劳强度设计和校核，KTH是裂纹下的，适于裂纹件的设计和校核。异同：a表面喷丸及滚压使表面局部形变强化，在塑变层内产生残余压应力，使缺口应力集中系数和缺口敏感度降低。B表面热处理及化学热处理使机件表面获得高强度和残余压应力有效提高机件疲劳强度，疲劳寿命。第六章1.应力腐蚀断口特征：宏观断口与疲劳断口相似，有亚稳扩散区和最后瞬断区。应力腐蚀主裂纹扩散时，常有分枝。微观裂纹分叉，呈枯树枝状，表面可见“泥状花样”腐蚀产物及腐蚀坑2.防止应力腐蚀的措施1）降低或消除应力:a) 改进结构设计，避免或减少局部应力集中b) 进行消除应力处理c)采用喷丸或其它表面处理方法，使机件表层中产生一定的残余压应力。2）控制环境:a) 改善材料使用条件(避免在敏感介质中使用)b) 加入缓蚀剂c) 保护涂层d) 电化学保护3）改善材质:a) 正确选材b) 开发耐应力腐蚀或KISCC较高的新材料c) 改进冶炼和热处理工艺3.防止氢脆措施：1. 环境因素:设法切断氢进入金属的途径，如采用表面涂层，使机件表面与环境介质中的氢隔离。2. 力学因素:在机件设计和加工过程中，应排除各种产生残余拉应力的因素，相反，采用表面处理使表面获得残余压应力层，对防止氢致延滞断裂有良好的作用。3. 材质因素:含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性较低。钢的强度越高，对氢脆越敏感。因此，对在含氢介质中工作的高强度钢的强度应有所限制。第七章1.粘着磨损产生条件：滑动摩擦，相对滑动速度较小缺乏润滑油，表面没有氧化膜单位法向载荷很大2.减轻粘着磨损措施(1) 合理选择摩擦副材料。尽量选择互溶性少，粘着倾向小的材料配对(2) 避免或阻止两摩擦副间直接接触，改善表面润滑条件。 (3) 为使磨屑多沿接触面剥落，以降低磨损量，可采用表面渗硫、渗磷、渗氮等表面处理工艺，使磨损发生在较软方材料表层，可采用渗碳、渗氮共渗、碳氮硼三元共渗等工艺以提高另一方的硬度。(4)控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损大为减轻。3.磨粒磨损的过程与机理：:磨粒对摩擦表面产生的微切削作用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂产生的，或是它们综合作用的结果。4.减轻磨粒磨损措施(1) 对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度，这是提高耐磨性最有效的措施。（2）对于以塑性变形、塑性变形后疲劳破坏、脆性断裂主要机理的磨粒磨损应增加材料韧性对耐磨性有益。(3) 根据机件服役条件，合理选择耐磨材料：(4) 采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度，也能有效提高磨粒磨损耐磨性。(5) 经常注意机件防尘和清洗5.接触疲劳特征：接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑(麻坑)，有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。分类：麻点剥落、浅层剥落、深层剥落 第八章1.蠕变变形机理 ：主要有位错滑移、攀移、原子扩散和晶界滑动，对于高分子材料还有分子链段沿外力的舒展。2.蠕变极限：表示材料在高温下受到载荷长时间作用时，对于蠕变变形的抗力表示方法：1) 在给定温度下，使试样产生规定蠕变速度的应力值2) 在规定温度与试验时间内，使试样产生的蠕变总伸长率不超过规定值的最大应力材料的性能：表征材料在外界条件作用下所发生行为的大小及难易程度的参量。行为：材料在外界条件作用下从一个状态到另一状态的变化过程材料的力学性能：是对材料发生的力学行为定量的表征或描述。力学行为：材料在外加载荷、环境条件及其综合作用下所表现出的行为和特征。失效：材料的力学性能（使用性能）不能满足服役条件的要求而失去原有功能的现象。强度：对于变形或者断裂的抵抗能力比例极限p：应力与应变成直线关系的最大应力弹性极限e：由弹性变形过渡到弹性塑性变形的应力。 弹性模量（E）表征材料对弹性变形的抗力(刚度)弹性比功：表示单位体积金属材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比应变能滞弹性（弹性后效）在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象，称为滞弹性循环韧性：指在塑性区加载时材料吸收不可逆变形功的能力包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载规定残余伸长应力降低的现象屈服强度：是表征材料对微量塑形变形的抗力s：有明显屈服平台或屈服齿下，测得的屈服强度，表征材料对微量塑形变形的抗力0.2：没有明显屈服平台或屈服齿下，测得的屈服强度，表示规定残余伸长率为0.2%是的应力。应变硬化：材料在塑变过程中，随着变形量的增加要求外力增加抗拉强度b：金属试样拉断过程中最大试验力所对应的应力称为抗拉强度b：抗扭强度塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久 (塑性) 变形的能力.韧性：指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。韧度：度量材料韧性的力学性能指标静力韧度：指在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功断后伸长率：反映均匀塑性变形能力断面伸长率：反映材料局部变形能力穿晶断裂：裂纹穿过境内，可以是韧性断裂，也可以使塑性断裂沿晶断裂：由晶界上的以薄层连续不连续脆性第二相，夹杂物，破坏了晶界内连续性所造成，也可能是杂质向晶界偏聚引起的断裂纯剪切断裂：指金属在切应力的作用下沿滑移面分离造成的滑移面分离断裂 。解理断裂：指金属材料在一定条件下（如低温），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂。这种晶体学平面为解理面解理刻面：大致以晶粒大小为单位的解理面。解理台阶：沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交形成的。准解理断裂 ：在淬火回火钢中，当裂纹在晶粒内部扩展时，难于严格的沿一定晶体学平面扩展，断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小的碳化物质点有关，其微观形态，与解理河流相似，但又不是真正的解理，所以称为准解理。：应力状态软性系数抗压强度bc :试样压至破坏过程的最大应力。bb：抗弯强度：应变速率缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面的应力状态发生变化，产生缺口效应。应力集中：由于缺口所造成的局部应力增大的现象称为应力集中集中系数: Kt=max/NSR:缺口敏感度冲击吸收功AK指冲击式样消耗的总能量或式样断裂过程中吸收的总能量。AK相同的材料，其韧性不一定相同低温脆性：材料的冲击韧度值随温度的降低而减小，当温度降低到某一温度范围时，冲击韧度急剧下降，材料由韧性状态转变为脆性状态冲击韧性:材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。冲击韧度: :U形缺口冲击吸收功AKu除以冲击试样缺口底部截面积所得之商，称为冲击韧度，ku=Aku/S （J/cm2）, 反应了材料抵抗冲击载荷的能力,用ku表示。韧性温度储备:材料使用温度和韧脆转变温度的差值，保证材料的低温服役行为。KI:应力场强度因子KIc：平面应变下的断裂韧度GI:能量释放率JI:能量线积分GIc：断裂韧度JIc：断裂韧度低应力脆断：高强度、超高强度钢的机件 ，中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下发生的断裂。COD:裂纹尖端张开位移高周疲劳：断裂寿命较长，Nf十的五次幂周次，断裂应力水平较低，s也称高应力疲劳Kth: 疲劳裂纹扩展门槛值,表示材料对疲劳裂纹开始扩展的抗力疲劳：金属机件或构件在变动的应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂的现象。-1：疲劳极限，在循环应力水平降低到某一临界值时，低应力段变为水平线段，表明试样可以经无限次应力循力循环也不发生疲劳断裂，此时所对应的应力即-1接触疲劳：机件两接触面做滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压力长期作用下，材料表面因疲劳损伤导致局部区域产生小片或大块金属剥落使材料流失的现象疲劳源：常处于机件的表面或缺口，裂纹，刀痕，蚀坑等缺陷处，或截面尺寸不连续区域，当材料内部存在严重冶金缺陷（夹杂，缩孔，偏析，白点）时因局部强度降低，也会产生引入残余应力降低平均应力如表面喷丸，滚压，淬火处理等，可以提高材料的疲劳抗力，疲劳裂纹扩展门栏值增高，对于光滑式样，应防止裂纹产生，提高强度，对于缺口试样，应防止裂纹扩展，提高韧性应力腐蚀: 材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象氢脆:由于氢与应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂或氢致断裂，简称氢脆白点：是钢在冷却过程中产生的一种内部缺陷。在钢坯的纵向试样上呈圆形有椭圆形的银白色斑点。粘着磨损：粘着磨损是接触表面相互运动时，因固相焊合作用使材料从一个表面脱落或转移到另一表面而形成的磨损，又称咬合磨损。磨粒磨损 ：摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面向存在硬质粒子(从外界进入或从表面剥落)时产生的磨损。接触疲劳：两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使材料表面疲劳损伤，局部区域出现小片或小块状材料剥落，而使材料磨损的现象，蠕变:材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变蠕变断裂：由于蠕变变形导致的断裂，称为蠕变断裂qf：疲劳缺口敏感度蠕变极限：表示材料在高温下受到载荷长时间作用时，对于蠕变变形的抗力持久强度t(t在上，在下) ：材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力玻璃态：温度低于玻璃化温度时，聚合物所处于的状态即为玻璃态高弹态：温度处于玻璃化温度和粘流温度时，聚合物所处于的状态即为高弹态受迫高弹性：玻璃态聚合物在大外力作用下，迫使链段运动产生变形的能力粘流态：温度高于粘流温度时，聚合物所处于的状态即为玻璃态粘性：无屈服应力，出现流动变形粘性变形：粘流态下的永久变形粘弹性：塑料对应力的影响应兼有弹性固体和粘性流体的双重特性银纹：非晶态聚合物的某些薄弱区因拉应力塑性变形在其表面和内部出现闪亮的细长型的类裂纹冲击强度：材料在冲击载荷作用下抵抗拉断的能力1.弹性变形：拉伸条件：室温下，单向载荷，静拉伸；试样：比例试样，非比例试样；实质：在外力作用下金属原子紫平衡位置发生可逆性位移的结果特点：（1）=E*（2）可逆性（3）变形量很小1%（4）变形速率非常快，接近声速力学性能指标比例极限p：应力与应变成直线关系的最大应力弹性极限e：由弹性变形过渡到弹性塑性变形的应力。 弹性模量（E）表征材料对弹性变形的抗力(刚度)弹性比功（e）：表示单位体积金属材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比应变能弹性模量E取决于金属原子本性和晶格类型，对组织不敏感弹性变形的不完整性：滞弹性包申格效应2.塑形变形：位错增殖运动的结果；驱动力：切应力；特点：1) 切应力导致塑性变形2) 加工硬化3) 不可逆4) 多晶体材料各晶粒塑性变形的不同时性和不均匀性5) 多晶体材料各晶粒各晶粒塑性变形的相互制约与协调性能指标：强度：s：有明显屈服平台或屈服齿下，测得的屈服强度，表征材料对微量塑形变形的抗力0.2：没有明显屈服平台或屈服齿下，测得的屈服强度，表示规定残余伸长率为0.2%是的应力。n：反映金属材料抵抗均匀塑形变形的能力抗拉强度b：金属试样拉断过程中最大试验力所对应的应力称为抗拉强度塑形指标：断后伸长率：反映均匀塑性变形能力断面伸长率：反映材料局部变形能力影响塑形的因素：除了细晶强化，其他强化同时降低塑形金属拉伸形成缩颈第一章1.金属材料和高分子材料发生的弹性形变是不同的：金属材料的弹性变形是原子间距在外力作用下可逆变性的结果。高分子材料普弹性是靠主键角键长的微量伸缩的微小键角变化的结果；高弹性变形是分子链段运动，链卷曲变直，伸长2.包申格效应的消除方法预先进行较大的塑性变形 在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火3.影响屈服强度的因素 内在因素（1） 金属本性及晶格类型纯金属单晶体的屈服强度从理论上来说是使位错开始运动的临界内应力，其值由位错运动所受的各种阻力决定。（2）晶粒大小和亚结构减少晶粒尺寸会减少晶粒内部位错塞积的数量，减少位错塞积群的长度，降低塞积点处的应力，相邻晶粒中位错源开动所需的外加切应力提高，屈服强度增加。细晶强化（3）溶质元素溶质元素溶入金属晶格形成固溶体，形成所谓科垂耳气团钉扎位错，使强度提高，从而产生固溶强化 （4）第二相对于不可变形第二相，位错克服弯曲位错的线张力，绕过第二相，留下位错环，两质点间距减少，流变应力增大，屈服强度提高对于可变形第二相，位错切过，同基体一起产生变形，提高屈服强度弥散强化：第二相之巅弥散分布在基体中起到强化作用沉淀强化：第二相之巅经过固溶后沉淀析出起到的强化作用（二） 外在因素（1）温度：温度越高，原子间作用越小，位错运动阻力越低（2）应变速率：应变速率越高，强度越高（3）应力状态：切应力分量越大，强度越低4.韧性断裂宏观断口：断口粗糙、呈纤维状，灰暗色5.韧性断裂宏观断口三要素以及影响因素纤维区，放射区，剪切唇材料脆性越大，放射区越大，纤维区越小，剪切唇越小。材料尺寸越大，放射区越大，纤维区基本不变。6.脆性断裂断口：平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。 7.沿晶断裂断口：当晶界的强度小于屈服强度时，晶界无塑性变形，产生冰糖状断口当晶界的强度大于屈服强度时，晶界有塑性变形，产生石状断口 8.纯剪切断裂断口：单晶体金属剪切断裂断口呈锋利的楔形 多晶体金属的完全韧性断裂断口呈刀尖形 9.微孔聚集型断裂断口：韧窝10.解理断裂的微观断口特征：解理台阶和河流花样以及舌状花样11.准解理与解理异同相同：穿晶断裂；有小解理刻面； 有台阶或撕裂棱及河流花样。不同：1解理刻面不是真正的晶体学平面，扩展路径与第二相粒子有关;2裂纹源为刻面内的硬质点而不是晶界;3准解理包含更多的撕裂4主裂纹的走向不太清晰，原因是主裂纹前方常产生许多二次裂纹，裂纹多萌芽于晶粒内部第二章1.应力状态软性系数：利用max 与max 的比值表示它们的相对大小，称为应力状态软性系数，切应力主要引起材料的塑性变形和韧性断裂； 而正应力容易导致材料的脆性断裂。拉伸0.5压缩2扭转0.82.单向静拉伸的应力状态较硬，正应力分量较大，切应力分量较小，一般适用于那些塑性变形抗力与切断抗力较低的、所谓塑性材料的试验3.压缩试验的特点单向压缩试验的应力状态系数2，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软。主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能的测定拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩而不会断裂，因此塑性材料很少进行压缩试验。脆性材料的压缩强度一般高于其抗拉强度，尤其是陶瓷材料的压缩强度约高于其抗拉强度一个数量级;其压缩断裂面与载荷呈454.弯曲试验的特点1）试样形状简单、操作方便，不存在拉伸试验时的试样偏斜对试验结果的影响，并可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。2）弯曲试样一侧受拉，一侧受压，表面应力最大，故可较灵敏地反映材料的表面缺陷。3）对于脆性难加工的材料，可用弯曲代替拉伸主要测定测定脆性或低塑性材料的抗弯强度。弯曲试验难以测得塑性材料的强度。5.扭转试验的特点与应用a) 扭转的应力状态系数比拉伸大，故可用来测定那些在拉伸时呈现脆性或低塑性材料（如淬火低碳钢、工具钢、灰铸铁和球墨铸铁等）的强度和 塑性。b) 试样截面的应力分布不均匀，表面最大，愈往心部愈小。因此能较敏感地反映出材料表面缺陷及表 面硬化层的性能。可对表面强化工艺进行研究和对机件热处理表面质量进行检验。c) 圆柱形试样扭转时，整个试样长度上的塑性变形是均匀的， 试样的标距长度和截面积基本保持不变，不会出颈缩现象。可用于评定那些拉伸时出现颈缩的高塑性的形变能力和变形抗力。d) 扭转时最大正应力与最大切应力在数值上大体相等，而生产实际上所使用的大部分金属材料的正断强度大于切 断强度。扭转试验是测定材料切断强度的最可靠方法6.缺口效应：效应1：缺口引起应力集中，改变了缺口前方应力状态。由单向应力状态变为两向或三向应力状态缺口。效应2：缺口使塑性材料产生缺口附加强化，使强度增加，塑性降低。 7.NSR缺口敏感度：缺口试样的抗拉强度与等界面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值NSR越大，缺口敏感性越小8.硬度。布氏硬度HWB：灰口铸铁，轴承合金等具有粗大晶粒火组成相的金属材料洛氏硬度HR :常用的为HRA HRB HRCHRA:硬质合金，硬化薄钢板，表面薄层硬化钢HRB：低碳钢，铜合金，铁素体可断铸铁HRC：淬火刚，高硬度铸件，珠光体可断铸铁。维氏硬度HV：测薄件或薄层的硬度，表面硬化层及仪表零件（1）渗碳层的硬度分布- HK或-显微HV（2）淬火钢-HRC（3）灰铸铁-HB（4）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体-显微HV或者HK（5）仪表小黄铜齿轮-HV（6）龙门刨床导轨-HS（肖氏硬度）或HL(里氏硬度)（7）渗氮层-HV（8）高速钢刀具-HRC（9）退火态低碳钢-HB（10）硬质合金- HRA第三章1.冲击试样开缺口的目的：使试样在承受冲击时在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近不大的体积范围 内，并保证试样一次就被冲断且使断裂就发生在缺口处。缺口 愈深、愈尖锐，冲击吸收功愈低。1.影响材料低温脆性的因素一.材料因素：（1）晶体结构：对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高，材料脆性断裂趋势明显，塑性差。（2）化学成分：能够使材料硬度，强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差，材料脆性提高。（3）晶粒大小，细化晶粒可以同时提高材料的强度和塑韧性。因为 晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒细小，晶界总面积增加，晶界处塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；同时晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂（4）金相组织：较低强度水平时强度相等而组织不同的钢，冲击吸收功和韧脆转变温度以马氏体高温回火最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，当其尺寸增大时均使材料韧性下降，韧脆转变温度升高。二外在因素：（1）缺口尖锐度：缺口越尖锐，三向应力状态越严重，裂纹形成之前的塑性变形区域就越小，塑性变形量越小，Tk升高（2）尺寸因素：试样尺寸增大，材料的韧性下降，断口中纤维区域减少。Tk升高（3）家在速度：外加冲击速度增加，使缺口处理变形应变率提高，使材料脆化2.试说明低温脆性的物理本质 低温脆性的物理本质：宏观上对于那些有低温脆性现象的材料，它们的屈服强度会随温度的降低急剧增加，而断裂强度随温度的降低而变化不大。当温度降低到某一温度时，屈服强度增大到高于断裂强度时，在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大，因此材料在受力时还未发生屈服便断裂了，材料显示脆性。从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关，当温度降低时，位错运动阻力增大，原子热激活能力下降，因此材料屈服强度增加第四章1.影响断裂韧度的因素一、内因（材料因素）：1）晶粒尺寸：晶粒愈细，晶界总面积愈大，裂纹顶端附近从产生一定尺寸的塑性区到裂纹扩展所消耗 的能量也愈大，因此KIC 也愈高。2）合金化：a、固溶使得KIC 降低。b、第二相对材料断裂韧性的作用常与具体的材料体系及其工艺因素有关：弥散分布的第二相数量越多，其间距越小，KIC 越低；第二相沿晶界网状分布，晶界损伤， KIC 降低；球状第二相的KIC 片状3）夹杂：夹杂物偏析于晶界，晶界弱化，增大沿晶断裂的倾向性；在晶内分布的夹杂物 起缺陷源的作用，都使材料 的KIC 值下降。4）显微组织：1）M组织 A.板条M：精细结构位错具有较高强度和塑性，裂纹扩展阻力大， KIC高B.针状M：孪晶使滑移系减少4倍，并易感应裂纹硬而脆， KIC低 （2）M回火组织 A.回火马氏体：基体为过饱和F，塑性差，质点小且弥散，间距小，裂纹扩展阻力小， KIC 低B.回火索氏体：基体为再结晶F，K粒子为粒状，间距大， KIC高 C.回火屈氏体：介于二者之间 （3）贝氏体组织 A.上贝氏体：F片层间分布有断续K，裂纹扩展阻力小， KIC低 B.下贝氏体：过饱和针状F中弥散K，裂纹扩展阻力大， KIC高 （4）B与M （5）残余奥氏体：塑性高，松弛应力、裂纹扩展阻力大，可以提高KIC二.特殊热处理对断裂韧度的影响 1） 形变热处理 A.高温形变热处理细化奥氏体亚结构，细化淬火马氏体，强度、韧性提高，KIC提高。 B.低温形变热处理细化A亚结构，增加位错密度，促进碳化物弥散沉淀，降低A质量分数，板条M增加， KIC提高。 2）亚温淬火 A.提高低温韧性，降低高温韧性三、外因（板厚和实验条件）;1）板厚 材料的断裂韧性随板材厚度或构件截面尺寸的增加而减小，最终趋于一个稳定的最低值，即平面应 变断裂韧度2）温度 金属材料断裂韧性随着温度的降低，有一急剧降低的温度范围（-200200），低于此温度范围，断裂韧度保持在一个稳定的水平（下平台）3）应变速率 应变速率每提高一个数量级， 断裂韧性将降低10%。2.试述K判据的意义及用途。答： K判据解决了经典的强度理论不能解决存在宏观裂纹为什么会产生低应力脆断的原因。K判据将材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来，可直接用于设计计算，估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹最大尺寸，以及用于正确选择机件材料、优化工艺等。3.试述低应力脆断的原因及防止方法。答：低应力脆断的原因：在材料的生产、机件的加工和使用过程中产生不可避免的宏观裂纹，从而使机件在低于屈服应力的情况发生断裂。 预防措施：将断裂判据用于机件的设计上，在给定裂纹尺寸的情况下，确定机件允许的最大工作应力，或者当机件的工作应力确定后，根据断裂判据确定机件不发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸。第五章疲劳断口三要素：疲劳源；疲劳区；瞬断区拉伸端口三要素：纤维区；放射区；剪切唇区疲劳端口特征：疲劳区：比较光滑并分布有贝纹线（海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶 瞬时断裂区：表面粗糙，脆性材料为结晶状，塑性材料为纤维区1.试述疲劳裂纹的形成机理及组织疲劳裂纹萌生的一般办法？答：机理：1）滑移带开裂产生的裂纹：金属在循环应力长期作用下，即使其应力低于屈服应力，也会发生循环位移并形成循环滑移带。随着加载周次的增加，循环滑移带不断加宽，当加宽到一定程度时，由于位错的塞积和交割作用，便在驻留滑移带形成微裂纹。（2）相界面开裂产生裂纹：材料中的第二相或夹杂物容易引起疲劳裂纹。（3）晶界开裂产生裂纹：多晶体材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在某一晶粒内的运动时受到晶界阻碍作用，在晶界处发生位错塞积和应力集中现象。在应力不断循环下晶界处的应力集中得不到松弛时，则应力峰越来越高，当超过晶界强度时，就会在界处产生裂纹 防止方法：(1)固溶强化，细晶强化提高材料的滑移抗力，可以阻止疲劳裂纹的萌生，提高疲劳强度（2）控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布，使之“少，圆，小，匀”，即可一直或延缓疲劳裂纹在第二相或杂质物处萌生（3）晶界强化净化和细化晶粒均可抑制晶界裂纹的形成2.试述疲劳裂纹的扩展速率的主要因素，并和疲劳裂纹萌生的影响因素进行对比？答:疲劳裂纹扩展的主要影响因素：（1）平均应力比升高，扩展曲线向左上方移动，KTH 降低，疲劳抗力降低，提高材料的韧性，有利于见减小疲劳裂纹的扩展（2）过程峰及裂纹塑性区的影响：偶然过载进入过载损伤区，将使材料受损，降低疲劳寿命，如果适量过载在拉应力区产生较大的塑性区，在循环负半周时，会阻止周围弹性变形回复而产生残余应力（3）材料的组织和性能：在材料裂纹扩展时，材料组织、区影响较大，区不明显疲劳裂纹萌生影响因素主要针对疲劳裂纹扩展速率减慢，KTH 的大小进行研究:1、平均应力产生残余压应力因会减小r使裂纹扩展速率减慢，KTH 升高，对疲劳寿命有利2、表面处理：表面淬火或氮化会使材料表面滑移抗力提高，且产生残余压应力而提高KTH 3、减少材料内部缺陷，防止材料局部应力集中，而导致KTH 降低，如降低表面粗糙度4、强化、细化、净化晶界可提高KTH ，第二相夹杂物“少、圆、小、匀”3-1和 kth的异同及强化方法影响的异同。答：-1：疲劳极限，经无限次应力循环也不发生疲劳断裂时对应的应力。KTH：疲劳裂纹扩展门槛值，材料阻止裂纹扩展的性能。异同：两者都表示无线寿命的疲劳性能，是材料成分，组织，载荷以及环境因素等影响。但-1是光滑试样无限寿命疲劳强度，用于传统的疲劳强度设计和校核，KTH是裂纹下的，适于裂纹件的设计和校核。异同：a表面喷丸及滚压使表面局部形变强化，在塑变层内产生残余压应力，使缺口应力集中系数和缺口敏感度降低。B表面热处理及化学热处理使机件表面获得高强度和残余压应力有效提高机件疲劳强度，疲劳寿命。第六章1.应力腐蚀断口特征：宏观断口与疲劳断口相似，有亚稳扩散区和最后瞬断区。应力腐蚀主裂纹扩散时，常有分枝。微观裂纹分叉，呈枯树枝状，表面可见“泥状花样”腐蚀产物及腐蚀坑2.防止应力腐蚀的措施1）降低或消除应力:a) 改进结构设计，避免或减少局部应力集中b) 进行消除应力处理c)采用喷丸或其它表面处理方法，使机件表层中产生一定的残余压应力。2）控制环境:a) 改善材料使用条件(避免在敏感介质中使用)b) 加入缓蚀剂c) 保护涂层d) 电化学保护3）改善材质:a) 正确选材b) 开发耐应力腐蚀或KISCC较高的新材料c) 改进冶炼和热处理工艺3.防止氢脆措施：1. 环境因素:设法切断氢进入金属的途径，如采用表面涂层，使机件表面与环境介质中的氢隔离。2. 力学因素:在机件设计和加工过程中，应排除各种产生残余拉应力的因素，相反，采用表面处理使表面获得残余压应力层，对防止氢致延滞断裂有良好的作用。3. 材质因素:含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性较低。钢的强度越高，对氢脆越敏感。因此，对在含氢介质中工作的高强度钢的强度应有所限制。第七章1.粘着磨损产生条件：滑动摩擦，相对滑动速度较小缺乏润滑油，表面没有氧化膜单位法向载荷很大2.减轻粘着磨损措施(1) 合理选择摩擦副材料。尽量选择互溶性少，粘着倾向小的材料配对(2) 避免或阻止两摩擦副间直接接触，改善表面润滑条件。 (3) 为使磨屑多沿接触面剥落，以降低磨损量，可采用表面渗硫、渗磷、渗氮等表面处理工艺，使磨损发生在较软方材料表层，可采用渗碳、渗氮共渗、碳氮硼三元共渗等工艺以提高另一方的硬度。(4)控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损大为减轻。3.磨粒磨损的过程与机理：:磨粒对摩擦表面产生的微切削作用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂产生的，或是它们综合作用的结果。4.减轻磨粒磨损措