力學(xué)性能總結(jié)考點(diǎn)考綱精析

1、一、要求(1) 理解并掌握材料彈性變形、塑性變形與斷裂等基本力學(xué)行為的宏觀規(guī)律及微觀本質(zhì)，并進(jìn)一步了解應(yīng)力狀態(tài)、試樣幾何因素以及環(huán)境因素對材料力學(xué)行為的影響；(2) 熟悉材料常用力學(xué)性能指標(biāo)的意義、測試原理、影響因素及其應(yīng)用范圍，具有按照實(shí)際工作條件正確選擇試驗(yàn)方法和指標(biāo)進(jìn)行材料測試、評價(jià)及選擇材料的能力，并了解材料力學(xué)性能的基本方法和途徑。二、內(nèi)容1. 材料基本力學(xué)性能試驗(yàn):(1) 掌握靜載拉伸試驗(yàn)方法與拉伸性能指標(biāo)的含義及測定，熟悉典型材料拉伸變形斷裂行為與應(yīng)力應(yīng)變曲線;曲線分為彈性變形-均勻塑性變形-頸縮-不均勻塑性變形-斷裂幾個(gè)階段。P基本的力學(xué)狀態(tài)參量包括應(yīng)力和應(yīng)變。應(yīng)力包括工程應(yīng)力

2、和真應(yīng)力。工程應(yīng)力s=，F(xiàn)0Dl真應(yīng)力s = P ，應(yīng)變包括工程應(yīng)變d =，真應(yīng)變e =dll= ln l l 0lòFl0l 0力學(xué)狀態(tài)參量的變化臨界值為力學(xué)性能指標(biāo)。比例極限、彈性極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率，斷面收縮率。比例極限：應(yīng)力與應(yīng)變成正比的最大應(yīng)力；s-e曲線上開始偏離直線的點(diǎn)。彈性極限：不產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力。屈服強(qiáng)度：開始塑性變形的最小應(yīng)力?？估瓘?qiáng)度：最大載荷對應(yīng)的工程應(yīng)力。= lk - l0延伸率： dkl01A0 - Ak斷面收縮率：j =A0處理物理意義，還應(yīng)了解工程意義。延伸率和斷面收縮率反映了材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。(2) 熟悉壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)

3、試驗(yàn)原理、特點(diǎn)及應(yīng)用，了解應(yīng)力狀態(tài)對材料力學(xué)行為的影響;應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)aa = t maxs1 - s 32s1 - 2n (s 2 + s 3 )=S maxt= 1 (s - s )第三強(qiáng)度理論，最大切應(yīng)力引起材料屈服；max132= s1 -n (s 2 + s 3 )S max第二強(qiáng)度理論，最大相當(dāng)正應(yīng)力引起材料正向斷裂。應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)a意義在于此值大，則切應(yīng)力分量大，產(chǎn)生塑性變形的可能性大。(3) 掌握布氏、洛氏、維氏硬度試驗(yàn)原理、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。布氏硬度：壓痕面積上承受的載荷值。壓頭為球形，淬火鋼或硬質(zhì)合金壓頭。P/D2為定值。用于軟金屬、有色金屬，鑄鐵、調(diào)質(zhì)鋼等硬度不太高的材

4、料。洛氏硬度：用壓痕深度表示。120 度石圓錐壓頭?？蓽y定各種金屬材料。維氏硬度：壓痕面積上承受的載荷值。壓頭為石正四棱錐體，適用材料較廣。2.材料變形行為與變形抗力:(1)掌握彈性變形行為及其物理本質(zhì)，熟悉材料的彈性常數(shù)及其工程意義；彈性變形具有可逆性、單值性、變形量小的特點(diǎn)。符合胡克定律，在彈性狀態(tài)小變形范圍內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈線性。物理本質(zhì)可原子模型進(jìn)行說明。彈性模量，剪切模量，泊松比的物理意義。剛度，構(gòu)件抵抗彈性變形的能力。Q=EF；具有重要的工程意義。剛度不足，可能造成構(gòu)件彈性失穩(wěn)的現(xiàn)象。2名稱加載方式指標(biāo)應(yīng)力狀態(tài)及分布a斷裂形式及特征應(yīng)用扭轉(zhuǎn)彎曲壓縮彈性：材料或構(gòu)件彈性變形的能力?？捎?/p>

5、最大彈性應(yīng)變或彈性比功表示。彈性后效：在彈性范圍內(nèi)應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象。循環(huán)韌性：彈性變形中，若施加交變載荷，且加載速度較快，應(yīng)力應(yīng)變曲線中正向滯后環(huán)與反向滯后環(huán)連通，形成一個(gè)封閉的滯后環(huán)。滯后環(huán)的面積代表一次交變應(yīng)力循環(huán)周期中試樣所消耗的能量，為循環(huán)韌性。代表材料吸收機(jī)械功的能力，即消震能力。(2)熟悉材料塑性變形行為及其微觀機(jī)制，了解材料物理屈服現(xiàn)象；塑性變形的特點(diǎn)為外加應(yīng)力足夠大，不可逆性，應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榉蔷€性，組織與性能也發(fā)生較大變化，性能指標(biāo)比較敏感。微觀機(jī)制為滑移和孿生。多晶體塑性變形的特點(diǎn)為不同時(shí)性和協(xié)調(diào)性，不均勻性。物理屈服現(xiàn)象及解釋，解釋從兩方面進(jìn)行。釘扎機(jī)制和位錯(cuò)運(yùn)制。屈服延伸

6、率的特點(diǎn)是：（1）屈服延伸階段變形時(shí)不均勻的，從應(yīng)力集中部位開始，逐漸到整個(gè)試樣。應(yīng)力到達(dá)上屈服點(diǎn)的時(shí)候，試樣局部表面開始出現(xiàn)與拉伸方向成 45 度的線條狀痕跡，是開始宏觀屈服的標(biāo)志，成為 ludes 帶。隨后應(yīng)力下降到下屈服點(diǎn)，ludes 帶開始沿試樣長度方向擴(kuò)展，直到整個(gè)試樣。（2）屈服變形過程中已屈服的應(yīng)變并不增加，屈服延伸率是依靠屈服區(qū)不斷擴(kuò)大實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)新的 ludes 帶的產(chǎn)生，對應(yīng)屈服平臺的一次跳躍。ludes 帶穿越了試樣截面的各個(gè)晶粒。(3)了解材料的理論與實(shí)際屈服強(qiáng)度、微觀與宏觀屈服應(yīng)力及宏觀屈服判據(jù)；理論屈服強(qiáng)度：相鄰兩層原子相對滑動(dòng)所需要克服的原子間的最大作用力。Gt=

7、 0.1Gm2p實(shí)際屈服強(qiáng)度微為臨界分切應(yīng)力tc；宏屈服判據(jù)為 Tresca 準(zhǔn)則和 Mises 準(zhǔn)則。為sc。(4)了解材料強(qiáng)化的基本途徑與常用方法。強(qiáng)化的基本途徑包括：（1）提錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力：改變鍵合類型，提高派納力；引入大量晶體缺陷；（2）金屬非晶化；（3）無位錯(cuò)的理想晶體。常用方法有細(xì)晶強(qiáng)化；固溶強(qiáng)化；第二相強(qiáng)化；相變強(qiáng)化。33.材料斷裂行為:(1)了解材料常見斷裂形式及其分類方法；按斷裂前是否存在宏觀變形：宏觀塑性變形，宏觀脆性變形；按斷裂機(jī)制：切離、微孔型斷裂、解離斷裂、準(zhǔn)解離斷裂按斷面與外載方向：正斷與切斷按裂紋擴(kuò)展路徑：穿晶與沿晶(2)熟悉金屬延性斷裂行為及微觀機(jī)制；1 純剪切型

8、斷裂切應(yīng)力作用下沿滑移面分離；刃型或尖錐狀斷口；2 微孔型：杯錐狀斷口，分區(qū)、放射區(qū)和剪切唇。微觀上存在韌窩，內(nèi)部存在第二相質(zhì)點(diǎn)或其存在的痕跡；微孔萌生（分弱界面結(jié)合和強(qiáng)界面結(jié)合）和長大（質(zhì)點(diǎn)周圍塑性變形有關(guān)），與第二相質(zhì)點(diǎn)有關(guān)。(3)熟悉解理和沿晶斷裂行為及微觀機(jī)制；解離斷裂斷口特征：宏觀結(jié)晶狀，閃光，垂直于最大正應(yīng)力方向。微觀存在河流花樣；斷口表層有塑性變形痕跡，滑移線或形變孿晶。存在舌狀花樣。臨界裂紋形核：通過位錯(cuò)反應(yīng)，與局部塑性變形有關(guān)。解離裂紋擴(kuò)展：臺階機(jī)制穿越晶界，形成河流花樣。臺階可有二次解離或塑性變形切離形成。沿晶斷裂： 斷口呈結(jié)晶狀，無閃光；典型為冰糖塊狀。晶界弱化是基本條件

9、；裂紋可以產(chǎn)生在初始缺陷（氣孔、微裂紋等）處；位錯(cuò)塞積在晶界形成應(yīng)力集中。晶界弱化時(shí)，直接導(dǎo)致晶界開裂。形成裂紋后延晶界擴(kuò)展。(4)了解斷裂的宏觀強(qiáng)度理論。1 第一強(qiáng)度理論：最大正應(yīng)力理論，最大正應(yīng)力大于正斷抗力，材料正斷。S1 = s1 ³ s f42 第二強(qiáng)度理論：最大正應(yīng)變理論。最大正應(yīng)變大于單向拉伸時(shí)極限正應(yīng)變。e1 ³ e f= s1 -n (s 2 + s 3) ³ s bSII4.材料的脆性及脆化因素:(1)了解材料脆性的本質(zhì)及表現(xiàn)，熟悉微觀脆性與宏觀脆性的與區(qū)別；本質(zhì)脆性：塑性變形不是裂紋擴(kuò)展的必需條件；半脆性：存在塑性向脆性轉(zhuǎn)化的過程。脆化因素包

10、括：缺口、沖擊和低溫脆性。(2)熟悉缺口頂端的應(yīng)力和應(yīng)變特征，了解缺口試樣拉伸行為及缺口敏感性；存在應(yīng)力集中、多向應(yīng)力狀態(tài)；應(yīng)變集中。注意塑性材料，可能存在塑性變形區(qū)，使應(yīng)力應(yīng)變重新分布。分平面應(yīng)力或平面應(yīng)變狀態(tài)考慮。PN Fs=缺口抗拉強(qiáng)度bnNNSR = s bn缺強(qiáng)比衡量材料的缺口敏感性。s b脆性材料拉伸行為：缺口頂端最大正應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度， 缺口表面形成初始裂紋-向心部擴(kuò)展-斷裂（宏觀脆性）中低塑性材料：缺口頂端產(chǎn)生一定塑性變形-裂紋萌生（微孔）-裂紋向中心擴(kuò)展-斷裂高塑性材料：不全面屈服，裂紋從試樣中心萌生，向外擴(kuò)展，形成杯錐狀斷口。5(3)了解沖擊載荷特征與沖擊變形斷裂特點(diǎn)，掌握

11、缺口試樣沖擊試驗(yàn)與沖擊韌性的意義及應(yīng)用；沖擊載荷特征； 加載速率高，應(yīng)變速率大；具有能量載荷的性質(zhì)（與構(gòu)件形狀、體積和環(huán)境介質(zhì)有關(guān)）沖擊變形的特點(diǎn)：應(yīng)變速率對彈性變形無影響；使塑性變形滯后，屈服強(qiáng)度增加，變形不均勻，導(dǎo)致脆化。采用沖擊試驗(yàn)。擺錘彎曲沖擊，計(jì)算沖擊功。沖擊韌性一般認(rèn)為是材料沖擊載荷抗力及韌脆程度的度量。但無明確物理意義。Ak = Ae + Ap + Ad1 + Ad 2(4)了解材料低溫脆性的本質(zhì)及其評定方法。有關(guān)現(xiàn)象：有關(guān)低溫脆性的本質(zhì)：屈服強(qiáng)度隨溫度降低而增加的結(jié)果。斷裂強(qiáng)度隨溫度降低變化不大。細(xì)化晶粒使臨界溫度下降，減小脆化傾向。采用系列沖擊試驗(yàn)的方法。6按 Ak 值的變化

12、確定 Tc；包括平均能量法和經(jīng)驗(yàn)法（對應(yīng)某一 Ak 值的 T）；按斷口形貌：斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度（FATT）脆性斷口占 50%。5.材料裂紋體的斷裂及其抗力(1)了解材料的理論斷裂強(qiáng)度,掌握 Griffith 強(qiáng)度理論及應(yīng)用；理論斷裂強(qiáng)度；整體拉斷。假定在斷裂點(diǎn)附近滿足胡克定律，e=ec；s=sc。根據(jù)彈性能= ( Eg )1 / 2和表面能的關(guān)系。得到：sma0Griffith 強(qiáng)度理論，引入裂紋。頂端應(yīng)力集中使得裂紋在遠(yuǎn)低于sm 的條件下擴(kuò)展以致斷裂。條件：厚無限，中間存在長度 2a 的穿透性裂紋。無應(yīng)力區(qū)為長徑 4a，寬 2a的橢圓?？紤]初始彈性應(yīng)變能密度，割開裂紋的應(yīng)變能；割開裂紋新增表面

13、能；系統(tǒng)總2Eg能量變化；求臨界值，s =為脆性裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的條件。U 在ac 附近具有極大值，pacc處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。(2)掌握線彈性斷裂力學(xué)的基本概念與基本原理，了解裂紋尖端塑性區(qū)及其修正；線彈性力學(xué)；裂紋體。裂紋前端存在應(yīng)力集中和三向應(yīng)力條件。對于無限大平板 I 型裂紋，在均勻拉應(yīng)力s 的作用下，裂紋前段任一點(diǎn)的應(yīng)力分量。7K1s=f (q )xx2prK1s=f (q )yy2prK1t=f (q )xyxy2prKI = s pa ， f（q）-方向因子。KI 為應(yīng)力場強(qiáng)度因子，復(fù)合參量 Mpa×m ，力學(xué)參量，裂紋1/2前端應(yīng)力場強(qiáng)弱；KI 達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。

14、這時(shí)的 KIC 為斷裂韌性； KIc = s c pacKI 是重要的力學(xué)性能指標(biāo)。反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。=2Eg應(yīng)用：作為判據(jù)可以（1）確定構(gòu)建承載能力；（2）確定臨界裂紋；（3）確定構(gòu)件的安全性。(3)了解裂紋體的斷裂過程與斷裂韌性的測定及其影響因素。斷裂過程； 初始裂紋（a0）-啟裂-（1）亞臨界擴(kuò)展（a0+Da£ac）-失穩(wěn)擴(kuò)展（a0+Da³ac）（2）脆性固體（a0³ac）-失穩(wěn)擴(kuò)展（a0+Da³ac） 斷裂韌性的測定采用三點(diǎn)彎曲試樣或緊湊拉伸試樣，多用前者；（1）試樣滿足小范圍屈服和平面應(yīng)變條件；（2）保證初始裂紋的性；（3）結(jié)果

15、需要校核。影響因素包括表面能和塑性變形功。6.材料的疲勞(1)熟悉高周、低周疲勞行為,s-N 與e-N 疲勞曲線及其經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，掌握疲勞抗力的意義及表征；對于高周疲勞行為，smax<ss，彈性變形，Nf 高，應(yīng)力疲勞；疲勞極限和疲勞；對于低周疲勞，塑性變形，Nf 低，應(yīng)變疲勞8(2)了解疲勞斷裂過程、特征及微觀機(jī)制；疲勞斷裂特征：低應(yīng)力破壞；宏觀脆性斷裂；長期的過程；對表面敏感；具有統(tǒng)計(jì)性。斷口特征：從宏存在疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)，存在疲勞線（海灘花樣、貝紋線）；微，存在疲勞條紋（與應(yīng)力循環(huán)）相對應(yīng)。疲勞裂紋萌生：一般源于零件表面，與局部往復(fù)塑性變形有關(guān)，產(chǎn)生駐留滑移帶和滑移帶

16、擠入和擠出現(xiàn)象。裂紋擴(kuò)展：塑性材料鈍化-銳化機(jī)制。脆性材料裂紋擴(kuò)展為解離面劈開方式進(jìn)行。(3)掌握疲勞裂紋擴(kuò)展的斷裂力學(xué)處理思路與 Paris 方程；DK= K max - K min應(yīng)力強(qiáng)度因子幅。9acda= ò dn = ò c(DK )nNa 0(4)了解材料疲勞抗力的影響因素。高周：次載鍛煉和過載損傷；表面狀態(tài)（粗糙度，表面壓應(yīng)力）；組織結(jié)構(gòu)（晶粒度、夾雜）；材料性能（對高周疲勞，高強(qiáng)度是有利的）；低周疲勞：材料具有高塑性是有利的。7.材料高溫力學(xué)性能(1)了解高溫下材料力學(xué)性能特點(diǎn)；產(chǎn)生蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象；組織變化；環(huán)境介質(zhì)作用。應(yīng)力松弛是應(yīng)力不斷減小的蠕變過程

17、。松弛穩(wěn)定性指抗應(yīng)力松弛的能力。恒溫恒應(yīng)變條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)力松弛曲線。(2)熟悉高溫蠕變行為、斷裂過程及其微觀機(jī)制；持續(xù)載荷作用下隨時(shí)間延長發(fā)生的緩慢而連續(xù)的塑性變形作用。一般分為蠕變階段、恒速蠕變和蠕變。變形機(jī)制包括（1）熱激活和應(yīng)力作用下的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；（2）晶界粘滯運(yùn)動(dòng)；（3）擴(kuò)散蠕變；斷裂特征包括：（1）隨應(yīng)力降低，溫度升高，從穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐嗔?，高溫蠕變變?yōu)檠鼐Т鄶?。斷裂過程包成（1）裂紋形核：斷口附近發(fā)現(xiàn)沿晶裂紋與晶界滑動(dòng)；裂紋形成包括楔形裂紋和晶界空洞兩種情況。（2）斷裂過程包括形核、分散長大、橫向裂紋的形成，曲折裂紋段的形成，曲折裂紋的連接乃至斷裂的過程。(3)掌握蠕變極限與持久強(qiáng)度指標(biāo)的含義、評價(jià)方法及影響因素。蠕變極限是高溫持續(xù)載荷作用下的塑性變形抗力。s T為給定溫度下產(chǎn)生一定蠕變速率de dt的應(yīng)力值。s T 為給定溫度下一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定蠕變延伸率的應(yīng)力值，用于高溫下長期服d / t役要求限制變形的構(gòu)件。持久強(qiáng)度： d T 給定溫度下經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后產(chǎn)生斷裂的最大應(yīng)力，是高溫持續(xù)載荷下的t斷裂抗力。（4）影響高溫性能的主要因素10基體材