材料性能学_总结

比例极限是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力 即在拉伸应力 应变曲线 p 上开始偏离直线时的应力值 弹性极限是材料发生弹性变形的最大应力 在撤消这个应力后 材料能完全恢复 e 屈服极限 屈服强度 Fs A0 材料屈服时对应的应力值也就是材料抵 s s 抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力 这一应力值称为材料的屈服强度 抗拉强度 断裂抗力 试样拉断过程中最大实验力所对应的力 b 0 A Fb b 弹性比功弹性比功 弹性变形过程中吸收变形功的能力 e a 滞弹性滞弹性 快速加载或者卸载后 材料随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能 伪弹性伪弹性是指在一定的温度条件下 当应力达到一定水平后 金属或合金将产生应力诱发马 氏体相变 伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形的现象 包申格效应包申格效应是指 金属材料经预先加载产生少量塑性变形 残余应变小于 4 而后再同 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 粘弹性粘弹性是指材料在外力作用下 弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为 其特征是 应变对应力的响应 或反之 不是瞬时完成的 需要一个弛豫过程 但卸载后 应变恢复 到初始值 不留下残余变形 式中的 e 为真应变 于是 工程应变和真应变之间的关系为 1ln ln 0 L L e 金属材料常见的塑性变形机理为晶体的滑移和孪生两种 多晶体金属材料 由于各晶粒的 位向不同和晶界的存在 塑性变形复杂 有如下特点 1 各晶粒变形的不同时性和不均匀性 2 各晶粒变形的相互协调性 影响金属材料屈服强度的因素 1 晶体结构 2 晶界与亚结构 3 溶质元素 4 第二相 5 温度 6 应变速率与应力状态 金属材料应变硬化金属材料应变硬化的机理 是塑性变形过程中的多系滑移和交滑移造成的 应变硬化指数 n S 真应力 e 真应变 K 硬化系数 n KeS 缩颈缩颈是变形集中于局部区域的特殊状态 拉伸断裂拉伸断裂 分类 脆性与韧性断裂 按宏观塑性变形的程度 穿晶和沿晶断裂 按裂纹扩展的途径 解理和剪切断裂 按微观断裂机理 正断和切断 按作用力的性质 断口特征三要素 纤维区 F 放射区 R 剪切唇 S 组成 不同高度的解理面之间存在台阶 众多台阶的汇合便形成河流花样河流花样 准解理断裂准解理断裂常见于淬火回火钢中 宏观上属脆性断裂 由于回火后碳化物质点的作用 当 裂纹在晶内扩展时 难以严格地沿一定晶面扩展 其微观形态特征 似解理河流但又非真 正解理 故称为准解理断裂 韧窝 韧窝 试样的拉伸力达到力 伸长曲线的最高点时 产生缩颈 其缩颈部分中心的应力状态 由单向变为三向 样品中心的夹杂物或硬质第二相质点破裂或与基体界面脱离而形成微孔 微孔不断长大 拓展 形成纤维区 其微观断口特征为韧窝 理想晶体脆性 解理 断裂的理论断裂强度 0 ms Ea E 杨氏模数 原子间距 m 表面能 pa M 0 a s 2 mj 韧度韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标 其中又分为静力韧度 冲击韧度和断裂韧度 韧性韧性是材料的力学性能 它是指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力 应力状态软性系数 2 321 31 max max 加载方式软性系数 扭转0 8 单向拉伸0 5 单向压缩2 两向压缩1 扭转 扭转的应力状态软性系数比拉伸的应力状态 软性系数高 测定拉伸时呈脆性的材料 试样截面的应力分布为表面最大 愈往心部 愈小 对材料表面硬化及表面缺陷的反映十分敏感 圆柱形试样在试验过程中不会产生颈缩现象可精确评定那些拉伸时出现颈缩的高塑性材 料的形变能力和形变抗力 正应力与切应力大致相等测定切断强度 弯曲 受拉一侧的应力状态基本与静拉伸时相同用于测定难加工成试样的脆性材料 截面上的应力分布是表面上应力最大反映材料的表面缺陷 比较和评定材料表面 处理层的质量 压缩 单向压缩的应力状态软性系数 2 主要用于脆性材料 不能使塑性材料断裂塑型材料不适用压缩方法检验 多向不等压缩的应力状态软性系数 2 适用于脆性更大的材料 缺口效应缺口效应 缺口造成应力应变集中 缺口改变了缺口前方的应力状态 使平板中材料所受 的应力由原来的单向拉伸改变为两向或三向拉伸 缺口使塑性材料得到 强化 试验时常用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值作为材料 bN b 的缺口敏感性指标 并称为缺口敏感度 用或 NSR 表示 e q b bN e q 材料缺口敏感性除与材料本身性能 应力状态 加载方式 有关外 还与缺口形状 尺寸 试验温度有关 缺口尖端的曲率半径越小 缺口越深 材料对缺口的敏感性越大 缺口相 同 试样截面尺寸越大 缺口敏感性也越大 硬度试验方法有十几种 按加载方式基本上可分为压入法和刻划法两大类 在压入法中 根据加载速率的不同分为动载压入法动载压入法和静载压入法静载压入法 超声波硬度 肖氏硬度和捶击式布氏 硬度属于动载试验法 布氏硬度 洛式硬度 维氏硬度和显微硬度属于静载压入法 刻划 法包括莫氏硬度顺序法和锉刀法等 布氏硬度布氏硬度 用钢球或硬质合金球作为压头 计算单位面积所承受的试验力 22 2 dDDD F S F HB 压痕面积大 反映较大区域内各组成相 的平均性能 适合灰铸铁 轴承合金等 测量 试验数据稳定 重复性高 压痕直径大 不宜在成品件上直接进行 检验 硬度不同 更换压头直径 D 和载 荷 F 压痕直径的测量也比较麻烦 洛氏硬度洛氏硬度 采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头 以测量压痕深度 002 0 hk HR k 0 2 压头为金刚石 k 0 26 压头为淬火钢球 压痕小 采用不同标尺 可测定各种软硬不 同和薄厚不一试样的硬度 压痕小 可对 工件直接进行检验 操作简便迅速 压痕较小 代表性差 尤其是材料中 的偏析及组织不均匀等情况 使所测硬度值 的重复性差 分散度大 用不同标尺测 得的硬度值既不能直接进行比较 又不能彼 此互换 不宜在极薄工件上直接进行检验 维氏硬度维氏硬度 以两相对面夹角为 136 的金刚石四棱锥作压头 计算单位面积所承受的试验 力 载荷单位为 kgf 时 载荷单位为 N 时 2 8544 1 d F HV 2 1891 0 d F HV 采用对角线长度计量 精确可靠 可以 任意选择载荷 比洛氏硬度所测试件更薄 测定方法较麻烦 工作效率低 压痕面 积小 代表性差 不宜用于成批生产的常规 检验 低温脆性低温脆性 材料在某一温度下由韧变脆 冲击功明显下降 断裂机理由微孔聚集变为 K t 穿晶解理 断口由纤维状变为结晶状的现象 按能量法定义韧脆转变温度的方法 以 AKV 15 尺磅 20 3N m 对应的 温度并记 K t 为 V15TT 低碳钢船用钢板服役时若冲击韧性大于 15 尺磅或在 V15TT 以上工作就不致于发 生脆性断裂 影响材料低温脆性的因素 晶体结构的影响 化学成分的影响 显微组织的影响 晶粒 大小 金相组织 温度的影响 加载速率的影响 试样形状和尺寸的影响 低应力脆断低应力脆断 中 低强度钢的大型机件常常在工作应力不高于 甚至远低于屈服极限的 情况下发生的脆性断裂现象 可以表示裂纹尖端区域应力场的强弱程度 称为应力场强度因子 I 表示 I 型裂纹 K K a 裂纹长度的一半 单位 maYK 断裂韧性的影响因素有哪些 如何提高材料的断裂韧性 断裂韧性的影响因素有哪些 如何提高材料的断裂韧性 一 外因 板厚 温度 应变速率 二 内因 化学成分 晶粒尺寸和相结构 夹杂和第二相 显微组织 金属材料通过一些特殊的热处理工艺 可以改变其组织 从而提高断裂韧度 1 亚温淬火 2 超高温淬火 3 形变热处理 提高材料的断裂韧性可以通过亚温淬火超高温淬火形变热处理等方法实现 1 2 3 典型疲劳断口典型疲劳断口具有 3 个特征区 疲劳源 疲劳裂纹扩展区 疲劳区 瞬断区 贝纹线贝纹线 是疲劳区的最大特征 一般认为它是由载荷变动引起的 是裂纹前沿线留下的弧 状台阶痕迹 呈一簇平行的圆弧线 疲劳微裂纹疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起 表面滑移带开裂 第二相 夹杂物与基体相界 面或夹杂物本身断裂 晶界或亚晶界处开裂 疲劳条带疲劳条带 是具有略程弯曲并相互平行的沟槽花样 与裂纹拓展方向垂直 是裂纹拓展时 留下的围观痕迹 为疲劳断口最典型的微观特征 疲劳强度疲劳强度 在指定疲劳寿命下 材料能承受的上限循环应力 1 对称弯曲疲劳极限 p 对称拉压疲劳极限 1 对称扭转疲劳极限 1N 缺口试样疲劳极限 过载持久值过载持久值 长久过载 有限疲劳寿命 材料在高于疲劳强度的一定应力 1 下工 作 发生疲劳断裂的应力循环周次 影响材料及机件疲劳强度的因素 摩擦摩擦 是接触物体间的一种阻碍运动的现象 这种阻力为摩擦力 它同接触面法向压力 p 及摩擦系数 成正比 F p 磨损磨损是在摩擦作用下物体相对运动时 表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象 书书 p111p111 图图 6 16 1 机件正常运行的磨损过程如右图 磨损分 4 类 粘着磨损 磨料磨损 腐蚀磨损及麻点疲劳磨损 接触疲劳 粘着磨损粘着磨损又称咬合磨损 是因两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度 发生粘合并拽开而产生的一种表面损伤磨损 多发生在摩擦副相对滑动速度小 接触面氧 化膜脆弱 润滑条件差 以及接触应力大的滑动摩擦条件下 磨粒磨损磨粒磨损又称磨料磨损或研磨磨损 是摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面 间存在硬质粒子 从外界进入或从表面剥落 时产生的磨损 前者称两体磨粒磨损 如锉 削过程 后者称三体磨粒磨损 如抛光过程 腐蚀磨损腐蚀磨损是摩擦表面和周围介质发生化学或电化学反应所形成的腐蚀产物 在摩擦过程中 被剥离出来而造成的磨损 实际上 可以认为它是同时发生了两个过程 腐蚀和机械磨损 接触疲劳接触疲劳是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 故又称表面疲劳 磨损或麻点磨损 是齿轮 滚动轴承等工件常见的磨损失效形式 磨损量的测量有称重法称重法和尺寸法尺寸法两种 称重法是用精密分析天平称量试样试验前后的质量 变化确定磨损量 尺寸法是根据表面法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量 粘着磨损 合理选用摩擦副材料 避免或阻止两摩擦副间直接接触 进行渗氮等表面处理 磨料磨损 提高表面硬度 基体材料组织选用贝氏体 控制合金钢的碳化物的分布及含量 对表面硬度高的机件及其润滑油进行防尘过滤 蠕变过程可以用蠕变曲线来描述 金属材料的典型蠕变曲线如下图 OA 线段是施加载荷后 试样产生的瞬时应变 0 不属于蠕变 从 A 点开始随时间的延长而产生的应变属于蠕变 图中的 ABCD 曲线即为蠕变曲线 AB 减速蠕变阶段 BC 恒速蠕变阶段 CD 加速蠕变阶段 高温蠕变变形的机理有哪几种 高温蠕变变形的机理有哪几种 1 位错滑移蠕变机理 2 扩散蠕变机理 3 晶界 滑动蠕变机理 4 粘弹性机理 蠕变性能指标 蠕变性能指标 1 蠕变极限表示材料对高温蠕变变形的抗力 是选用高温材料 设计高温 下服役机件的主要依据之一 2 持久强度是材料在一定的温度下和规定的时间内 不发 生蠕变断裂能承受的最大应力 记作 3 松弛稳定性 材料在恒变形的条件下 MPa T t 随着时间的延长 弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛 而材料抵抗应力松弛的能力称 为松弛稳定性 影