材料力学性能总结

1、材料力学性能第一章二节弹变1, 。弹性变形：材料 在外力 作用下产 生变形， 当外力 取消后， 材料变 形即可消 失并能 完全恢 复原来形状的性质 称为弹性。这种可 恢复的变形称为弹 性变形。2. 弹性模量：表征材料对弹性变形的抗力3. 弹性性能与特征是原子间结合力的宏观体现，本质上决定于晶体的电子结构， 而不依赖于显微组织，因此，弹性模量是对组织不敏感的性能指标。4. 比例极限（T P：应力与应变成直线关系的最大应力。5. 弹性极限T e：由弹性变形过渡到弹性塑性变形的应力。6. 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。7. 力学性能指标：反映材料某些力学行

2、为发生能力或抗力的大小。8. 弹性变形特点：应力与应变成比例，产生变形，当外力取消 后，材料变形即 可消失并能完全 恢复原来形状9. 滞弹性：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。10. 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 。11. 循 环韧性应用：减振 、消振元件。12. 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 ，称为包申格效应 。13. 包 申格应 变：指 在给定应 力下， 正向加载 与反向加 载两应 力应变

3、曲线之 间的应 变差。14. 消 除包申 格效应 ：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。三节： 塑性1. 塑性：金属材料 断裂前发生不可逆 永久 （塑性 ） 变形的能力 .2. 影响 材料屈 服强度的 因素： 内在因素 .1. 金属本 性及晶 格类型 .主滑移 面位错密度大，屈服强 度大。 2. 晶粒 大小和亚结构 . 晶 界对位错运动具有 阻碍作用。晶 粒小可 以产生细晶强化。都 会使强度增加。 3.溶质原子 : 溶质元素溶入金 属晶格 形成固 溶体，产生固溶强化。4,第二 相.a.不可变形的 第二相绕过机制.留下一 个位错 环

4、对后续位错产生 斥力，b.可以变形的第二相切过 机制.由于，质点 与基体 间晶格 错排及位错切过第二相质点产生新界 面需要做功,使 强度增加。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3. 细晶强化：晶界是位错运动 的阻碍,晶粒 小相界多。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 。4. 固溶强化：在纯金属中加入 溶质原子形成固溶 合金,将显著 提高屈服强度

5、,此即为 固溶强 化。溶质原子与基 体原子尺寸差别 越大,引起的弹 性畸变越大,溶质 原子浓度 越高, 引起的弹性畸变越 大,对位错的阻碍 作用越强,固溶强 化作用越大。5. 影响粒状第二 相强化效果的因素：当粒子体积分数f 一定时，粒子尺寸r越小、位错运动 障碍越多,位错的自由行程 越小,强比效果越显著。当粒子 尺寸一定时,体积分数 f 越大，强化效果 亦越好。网状分布时，位错堆积，应力不可 以松弛，脆性增加片状球状6. 珠光 体对第二 相的影 响： 1）片状 珠光体， 位错的 移动被限 制在渗碳 体片层 之间。 所以 渗碳体片层间 距越小，珠 光体越细，其 强度越高。 2）粒状 珠光体，位

6、 错钱与第 二相球 状粒子交会的机会 减少， 即位错运动受阻的 机会减少， 故强度降低， 塑性提高 3） 渗碳体以 连续网状分 布于铁素体晶 界上时，使 晶粒的变形受 阻于相界， 导致很大 的应力 集中，因此强度反 而下降，塑性明显 降低。7. 应变硬化：应变 硬化是位错增殖、 运动受阻所致8. n 表示材料的应 变强化能力或对进 一步塑性变形的 抗力。9. 影响 n 的因素： 1） 层错能 ：层错能低 ,则交滑 移难，加工硬化指 数高。 2） 冷热变 形 退火态 n 大，冷加工 n 小 3） 强度，强度高 n 低。10塑性的指标：延伸 率：试样拉断 时所测得的 条件延伸率主 要反映了材料均匀

7、变 形的能力。断面收缩率：断面收缩率主 要反映了材料局部 变形的能力11.韧 性：韧性是指材料 在断裂前吸收塑 性变形功和断裂功 的能力。四节： 金属的断裂1. 裂纹的基本形成 过程：裂纹形成和 扩展。2. 段裂类型：1）根据断裂 前金属是否有明显的塑性变形分：脆 性断裂“ <5%韧性断 裂“ >5% 2 ）从微观上 按照裂纹的走向分：穿晶断裂 沿晶断裂3. 磨损，腐蚀，断 裂是机件的三种失 效形式。4. 韧性 断裂宏观 断口： 断口粗糙 、呈纤维 状，灰 暗色。 1）中 、低强度 钢光滑 圆柱试 样拉伸 断口呈杯锥状。5. 宏观断口三要 素： 1）纤 维区 2）放射区 3） 剪切

8、 唇6. 塑性变形量越 大则放射线越粗 。温度降低 或材料强度增加 ，由于塑性降 低放射线 由粗变 细乃至消失。7. 影响断口三要素 的因素：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。8. 脆性断裂宏观断 口：脆性断 裂的断裂面一般与 正应力垂直，断口平齐而光亮 ，常呈 放射状 或结晶状。9. 沿晶断裂：当晶 界的强度小于屈服 强度时，晶界无 塑性变形，断裂呈 宏观脆性 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10. 微孔聚 集型断裂断口微 观特征 :韧窝。11. 微孔聚 集型断 裂的过

9、程：塑变 过程中 ，位错 运动遇 到第二相 颗粒形 成位错 环。切 应 力作用下 位错环堆 积 .位 错环移向 界面，界 面沿滑 移面分离 形成微孔 。位错 源重新 开动，释放 出新位错，不断进入 微孔，使微孔长大。在 外力的作用下产 生缩颈（内缩 颈） 而断裂（纤维 区）， 使微孔聚合， 形成裂纹； 裂纹尖端应力 集中，产生 极窄的与 径向大 致呈 45度 的剪切变形带，新的 微孔就在变形带 内成核、长大和聚合 ，与裂纹 连接时 ，裂纹扩展 。（大概说出）12. 解理断 裂：指金属材料 在一定条件下（如 以极快 速率沿一定晶体学 平面产生的穿晶断13. 解理面 ：由于与大理石的断裂相似，所以

10、低温），当 外加正应力达到 一定数值后， 裂。称这种晶体学平面 为解理面。14. 解理断裂过程分为三个阶段：a）塑性变形形成裂纹b）裂纹在同一晶粒内初期长大c）裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展15. 解理断 裂的微观断口特 征： 1）解理台阶及河流状 花样。 2）舌状花样16. 准解理 断裂：穿晶断裂 ；有小解理刻面； 有台阶或撕裂棱 及河流花样。第二章一节：材料的软性系数1. a值越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越“软”，越易于产生塑 性变形和韧性断裂。a值越小，最大正应力分量越大，应力状态越“硬”，越不易产生塑性变形而易于产生脆性断裂 。单向压缩试验的 应力状态系数 a = 22.二节：压

11、缩1. 力学性能指标 规定非比例压缩应力 d pc。抗压强度d be 。相对压缩 率3 ck和 相对断面扩胀率“ ck.抗弯强度d bb 。弯曲模量 E b 切变模量G扭转比例极 限t p和扭转屈服强度 t s 抗扭强度五节：缺口试样静载荷试 验1. 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。六节：硬度1. 压头材 质：淬火钢球HBS < 450 硬质合金球 HBW 4506502. 试样厚 度：为h的10倍，d=0.250.6 D在试件厚 度足够时，应

12、尽可能选用10 mm直径的压头。洛氏硬度：压痕深度来表 示材料的硬度。直 径为1/16 '（1.5875mm） ?' （12.70mm）的 钢球从材料角度看，淬火后经不同温度回火的 钢材、各种工模具钢及渗层厚度 大于 0.5mm 的渗碳层等较硬的材料， 常采用洛氏硬度 C 标尺法；如应 HRC 在 20 67 之间；若材料硬度小于 HRC20 ，则应选用 B 标尺；若大于 HRC67 ， 则应选用 A 标尺 .看课后第八题 维氏硬度：测量压痕两对 角线的长度后取平 均值 d。第三章 金属在冲击载荷下的力学性能三节：低温脆性1. 冲击韧性：是指 材料在冲击载荷作 用下吸收塑性变

13、形功和断裂功的能 力。 低温脆性：在试验温度低 于某一温度事，会由韧性状态变 为脆性状态，冲击 吸收功明 显下降，断裂机理由微孔 聚集型变为穿晶 解理型，断口特 征由纤维状变为结 晶状，这 就是低温脆性。3. 低温脆性的本 质：低温脆性是材 料屈服强度随温度 下降急剧增加的结 果。4. 影响冲击韧性和 韧脆转变温度的因 素：1.材料因 素：a）晶体结构 的影响。低、中强度的 bcc 金属及其合金 有冷脆现象。高强度的 bcc 金属，冷脆转变不明显。fcc 金属一般情况下可认为无冷脆 现象。 2）化学成分： a） 加入能形成 间隙固溶体的元素 ， 使冲击韧性减小，冷脆转 变温度提高 b）a -F

14、e 中加入能形成置换固溶 体的元素。 c） 杂质元素 S、 P、 Pb、Sn、 As 等，会降低钢的 韧性。 3）晶粒尺寸：细化晶 粒能使材 料的韧性增加，韧脆转变 温度降低。4）金相组织：强度相同时 S>B>P片>P球。2. 外在因素： 1）缺口越尖锐，三向应力状态 越严重脆性转变温 度的升高。 2）尺寸因素 试样尺寸增大，材 料的韧性下 降，断口中纤 维区减少，脆 性转变温度 升高。 3）加载 速度 外加冲击速度增加 ，使缺口处塑性 变形的应变率提高 ，促进材料的脆化 。5. Si、Cr等降低层错能，促进 位错扩展，形成 孪晶、交滑移困难 。在a -Fe中加入 Ni和Mn

15、，能显著地降低冷脆 转变温度并提高韧 断区的冲击值。（重点看合金的影响 ）第四章 金属的断裂韧度1. 裂纹扩 展的基本形式： 1）张开型裂纹 2）滑开型 裂纹 3）撕开 型裂纹2. 应力场强度因子 K I表示裂纹尖端应力场的强弱3. 这个临 界或失稳状态的 KI 值 就记作 KIC 或 KC 称为 断裂韧度。 表征材 料对宏观 裂纹失 稳扩展的抗力。4. 影响断 裂韧性 KIC 的 因素：一、内因： 1）晶粒尺寸晶粒 愈细， KIC 也愈高 。2）合金化固溶使得 KIC 降 低。 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

16、 KIC > 片状3）夹 杂 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 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 2）亚温淬火 3）超高温淬 火 都 使其提高 三 、外因： 1） 板厚随板材 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 2）温度金属材料断裂 韧性随着温度的降 低，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% 。很大时 ，绝热温度升高

17、，断裂韧 性反而 提高。第五章 金属的疲劳节： 金属疲劳现象及特 点1. 疲劳：由于承受变动载荷而导致裂 纹萌生和扩展以 至断裂失效的全过 程称为疲劳。2. 疲劳类别：按载荷类型分：弯曲、扭转、拉压、复合疲 劳等。按环境和接触 情况分 :大气疲 劳、腐蚀疲劳、高 温疲劳、热疲劳、 接触疲劳、冲击疲 劳等。按应力 大小和寿命分 : 高周疲劳 低周 疲劳4. 疲劳断裂有如 下的特点： 1）低应力循环延时 断裂，即有 寿命的断裂 。 2 ）是脆性 断裂。 3）对缺陷 （缺口、裂纹及组织缺陷 ），尤其是表面缺 陷十分敏感。 4） 疲劳分裂 纹萌生 和扩展两个阶段。 可见疲劳源疲劳 区瞬间断裂区。5.

18、疲劳源：形貌特点：光亮度大 6.疲劳 区：特征：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。8. 瞬时断裂区：特征：表面粗糙；脆性材料为结晶状，塑性材料为 纤维状。瞬断区位置一般 应在疲劳源的对侧 。裂纹萌 生的地方，常处于机 件的表面或缺口、裂 纹、刀痕、蚀坑等缺陷 处，或机件截 面尺 寸不连续的区 域（有应力 集中）。 当材料内部 存在严重冶金 缺陷（夹杂 、缩孔、5. 疲劳裂纹扩展 可分为三个区域 : 组成。 II 区为 中部区或稳态扩 展区 . 口 : 静载断裂机制。疲劳裂 过载损 劳极限 适当的 过载持纹扩展的门槛值， 伤：金属机件偶然 或疲劳寿命减小。 过载可

19、以提高疲劳 久值：表征材料抵I 区 为近门槛区 , 断口：解理 花样，由断裂小面 断口：疲劳 条纹III 区为裂纹快速扩 展区，断记为 Kth,表示阻止裂纹开始过载，在高于疲 劳极限的应力水扩展的能力平下运转一定周次 后，其疲强度。 抗过载的能力。偏析、 二节：白点）时，因局部 强度的降低，也会 在材料内部产生疲 劳源。 高周疲劳7. 引入残余压应 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。8. 疲劳裂纹萌生过程及机理：1）滑移带开裂产生裂纹提高材料的滑移抗力，可阻止裂纹的萌生，增强材料的疲劳抗力。2）相界面开裂 产生裂纹第二相、夹杂物应少、圆、小、匀”以提高疲劳抗

20、力。3）晶界、亚晶界开裂产生裂纹。强化、净化、细化晶界，可提高材料的疲劳抗力。4）材料内部的缺陷如气 孔、夹杂、分层各向异性、相变或晶粒不均匀等，都会因局 部的应力集中而引发裂纹。9. 疲劳裂纹扩展 及断口微观特征 ：第一阶段：从表面个别侵入 沟（或挤出脊）先形成微 裂纹，然后 裂纹主要沿 主滑移系方 向，以纯剪 切方式沿 45。向内扩展。 断口上 无明显的特征，只有一些擦伤的痕迹。在一些强化材料中，有时存在周期性解理或者 准解理 花样第二阶段：裂纹丄拉应力。第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲 并相互平行的沟 槽花样，称为疲劳 条带（条纹、辉纹 ）。疲劳缺口敏感因子（度）:qf值随材料强 度的升

21、高而增大，qf值能反映在疲 劳过程中材料发 生应力重新分布，降低应力集中的能 力。10. 影响疲劳强度 的主要因素：一、加载规 范及环境的 影响1.载荷频率2.次载锻炼3.间歇 4.温度 温度升高，疲 劳极限下降5.介质：腐 蚀介质表面蚀坑，疲劳极 限下降 二、表面 状态与尺寸因素：1.表面状 态：缺口：因应力集中会降低材料的 疲劳强度。 越粗糙，材料的疲劳 强度越低表面强度越高，疲劳强度越高。2. 尺寸效应 尺寸 增加，疲 劳强度 降低。三、表面 强化及 残余应 力的影响 1.表面 喷丸及 滚压 2.表面热处理及化 学热处理提高 疲劳强度；3.残余应力，残余压应力提高疲劳强度；残余拉应力降低

22、疲劳强度。四、材料成 分及组织 含碳形成抗力增加 合金元素 提高淬透性，改善韧性2.显微组织细化晶粒，可以 提高材料强韧性，疲劳极限提高。HRC 二丄 M .T .S杂物及冶金缺陷：作为裂选择机件材料和决定工艺2）组织 正火组织：片状K,疲劳极限低 淬火回火组织： 等温 淬火组织：硬度相同，韧性淬火回火组 织 3.夹 纹核心，降低疲劳 极限 。时，要区分机件的 服役条件是哪一类疲劳，如属高周疲劳，度基础上尽量选用 塑性好的应主要考虑材料强度，如属低周疲劳，则应在保持一定强 材料。第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂一节：应力腐蚀1. 应力腐蚀现象：材料或零件在应力和腐蚀 环境的共同作用下，经过一段时

23、间后所产生的 低应力脆断现象。2. 产生条件：应力、环境（介质）和材料三者共存是产生应力腐蚀的必要条件。应力为拉 应力而且很低。特定材料只有在特定的介质中产生应 力腐蚀。纯金属一般无应力腐蚀现象。合金一般都 具有应力腐蚀，而且有一定敏感成 分。4. 应力 腐蚀的 特征：1）造成 应力腐 蚀破坏 的是静 应力，远低于 材料的 屈服强 度，而 且一般是拉伸应力 2）应力腐蚀造成的破 坏是脆性断裂3）对每一种金属或 合金，只有在特定的介质中才会发生 4）应力腐蚀远大于腐蚀速度、但远小于单纯力学的断 裂速度。5）裂纹的传播途径常垂直于拉力的 方向；6）应力腐蚀破坏的断口 ，宏观特 征与疲劳断口相似，也

24、 有亚稳扩 展区和最后 瞬断区。7）应力腐蚀的 主裂纹扩 展时， 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 8）应 力腐蚀 引起的断裂可以是 穿晶断裂，也可以是沿晶断裂，甚至是兼有这两种形式的混合断裂 。6. 防止应力腐蚀 的措施：1)降低或消除 应力：a)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2)控制环境： a)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 耐应力腐蚀新材料 c) 改变组织和减 少杂质二节： 氢脆1 由于氢与 应力的共同

25、 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。2 氢脆类型 1.白点 2.氢蚀 3. 氢化物致脆 4. 氢致延滞 断裂3. 防止氢 脆的措施： 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。第七章金属磨损和接触疲劳一节：

26、磨损的基本概念二节：磨损模型1 粘着磨损 ：粘着磨损 脱落或 转移到另一表面而用使材料从 一个表面是接触表面相 互运动时， 因固相焊合作形成的磨损，又称 咬合磨损。2 产生的条 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，接触点发 生塑性变3. 产生过程 ：表面局部凸起 ，载荷很 小时，接触 面局部应力很大 形， 若表面洁净， 原子彼此接 触很近，产生 粘着(冷焊 )，相对 运动产生剪 切力，导致粘着 点断裂，发生材料转移或磨 屑，粘着、剪切、再粘着的交替过程就形成了粘着 磨损。6. 减轻粘着磨 损的主要措施 ： (1) 合理选择摩 擦副材料。尽 量选择

27、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)控制 摩擦滑 动速度和接触压应力，可使粘着磨损大为减轻 。( 4)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。7. 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 时产生 的磨损。9. 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。10

28、. 特征 ：摩擦面上有擦伤 或因明显犁皱形成 的沟槽1 1 .减轻磨粒磨损的主要措施： (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) 就 合金钢而言，控制和改变 碳化物数量、分布、形 态 对提高 抗磨粒 磨损能力 起着决 定性影 响。 (6)钢 中适量 残余奥 氏体组 织能增 加基体 韧性。 (7) 经 常注意机件防尘 和清洗四节：金属接触疲劳1. 分类：麻点剥落 （点蚀）浅层剥落 深层剥落（表面压碎）:2. 接触应力：两物体相互接 触时在局部表面产生的压应力称为 接触应力，也叫赫兹应力3. 疲劳磨损：在交变剪应力的影响下，裂纹 容易在最大剪应力处成核，并扩 展到表面而产生 剥落，在零件表面 形成 针状或豆状 凹坑，造成疲劳磨损。4. 分类：（1）线接触应力 （2）点接触应力5. 疲劳磨损机理：（1）麻点磨损：表面接触应力较小，摩擦力较大、或表面质量较差（如表面有脱碳、烧伤、淬火不足、夹杂