材料力學性能復習

關于材料力學性能復習第1頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四2）.應力—應變曲線與真應力應變曲線的關系

真應力總是大于工程應力；而真應變總是小于工程應變。并且，隨變形量增大，二者的差距也增大。第2頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四3）.掌握應力狀態(tài)軟化系數(shù)的概念應力狀態(tài)軟性系數(shù)：最大切應力與最大正應力的比值。第3頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四4）.熟悉缺口效應

缺口頂端應力集中；近缺口頂端區(qū)產生兩向應力狀態(tài)（對薄板）或三向應力狀態(tài)（對厚板）；缺口強化。第4頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四5）.了解硬度測試的物理意義、工程意義硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學性能。一般指材料表面上不大體積內抵抗變形或破裂的能力。靜載壓入法，試驗設備簡單，操作方便、快捷，不損壞部件，應力狀態(tài)較軟，一定條件下與材料的抗拉強度有正比關系。第5頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四6）.熟悉幾種常用的硬度的測試方法（布、洛、維氏硬度）

①布氏硬度：施加壓力P,壓頭直徑D,壓痕深度h或直徑d,計算出布氏硬度值，單位為kgf/mm2。公式表明，當壓力和壓頭直徑一定時，壓痕直徑越大，布氏硬度值越低，即變形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。布氏硬度的特點和適用范圍：壓痕面積大，能反映出較大范圍內材料各組成相的綜合平均性能，不受個別相和微區(qū)不均勻性的影響。布氏硬度分散性小，重復性好適合于測定粗大晶?；虼执蠼M成相的材料的硬度，象灰鑄鐵和軸承合金等。壓痕較大，不宜在實際零件表面、薄壁件、表面硬化層上測定布氏硬度。淬火鋼球作壓頭（HBS），測定HB＜450的材料的硬度；硬質合金球作壓頭（HBW），測定的硬度可達650HB．壓痕的形狀必須幾何相似，壓入角應相等。布氏硬度相同時，要保證壓入角相等，則P/D2應為常數(shù)。

金屬材料中，與抗拉強度有正比關系。第6頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四②洛氏硬度試驗方法洛氏硬度是直接測量壓痕深度，壓痕愈淺表示材料愈硬常用的壓頭：頂角為120°的金剛石圓錐體，直徑為Φ1.588mm(1／16英寸)的鋼球壓頭多種標尺：HRA、HRB、HRC維氏硬度測定的原理與方法基本上與布氏硬度的相同，根據(jù)單位壓痕表面積上所承受的壓力來定義硬度值。測定維氏硬度所用的壓頭為金剛石制成的四方角錐體，兩相對面間的夾角為136°，所加的載荷較小。已知載荷P，測得壓痕兩對角線長度后取平均值d，計算維氏硬度值，單位為kgf/mm2

在較低硬度時，其硬度值與布氏硬度值相等或相近。第7頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四7）.熟悉夏比缺口沖擊試驗的測試方法、物理意義以及工程意義大能量一次沖擊彎曲試驗：質量m的擺錘，舉至高度H，勢能mgH1；錘釋放，將試件沖斷。擺錘失去一部分能量，這部分能量就是沖斷試件所作的功，稱為沖擊功，以Ak表示。剩余的能量使擺錘揚起高度H2，故剩余的能量即為mgH2。Ak=mgH1-mgH2=mg(H1-H2)Ak的單位為Kgf.m或J。沖擊試驗的應用：評定材料在不同溫度下的脆性轉化趨勢（采用系列沖擊試驗）。第8頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四韌性：材料斷裂前吸收變形功和斷裂功的能力韌度：衡量材料韌性大?。粦?應變曲線下的面積。剛度：材料對彈性變形的抗力，彈性模量E越高，剛度越高，彈性變形愈困難。彈性：材料彈性變形的能力。通常以彈性比功的高低來區(qū)分。塑性：斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。伸長率和斷面收縮率表征。8）.掌握韌性、塑性、剛度、彈性的物理意義及表征第9頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四2材料的變形1）.掌握彈性變形的實質構成材料的原子或分子自平衡位置產生可逆位移的反應。σ=Eε

E=2(1+v)G

E：正彈性模量（楊氏摸量）v：柏松比G：切彈性模量

物理意義：產生100％彈性變形所需的應力。

工程意義：工程上把彈性模量E、G稱做材料的剛度，它表示材料在外載荷下抵抗彈性變形的能力。

2）.掌握彈性變形的性能指標第10頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四3）.熟悉影響彈性模量的主要因素①鍵合方式和原子結構共價鍵、離子鍵和金屬鍵都有較高的彈性模數(shù)；②晶體結構單晶體材料：各向異性，最密晶向上E較大，反之則小。多晶體材料：各晶粒的統(tǒng)計平均值，表現(xiàn)為各向同性，但稱為偽各向同性。介于單晶體最大值與最小值之間。非晶態(tài)材料：各向同性。微觀組織對金屬材料來說E是一個組織不敏感的力學性能指標，而對高分子和陶瓷E對結構和組織敏感。④溫度TT↑原子結合力下降，E↓。加載條件

金屬、陶瓷E影響不大，對高分子E有影響。

第11頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四4）.掌握幾種非理想彈性行為的定義、物理意義以及工程上的利弊。①滯彈性：材料在快速加載或卸載后，隨時間的延長而產生的附加彈性應變的性能。③偽彈性

定義：在一定溫度條件下，當應力達到一定水平后，金屬或合金將由應力誘發(fā)馬氏體相變，伴隨應力誘發(fā)相變產生大幅度彈性變形的現(xiàn)象。偽彈性變形量60%左右。工程應用：形狀記憶合金

④內耗：存在滯后環(huán)（加載和卸載時的應力應變曲線不重合）說明加載時吸收的變形功大于卸載時釋放的變形功，因而有一部分變形功被材料所吸收，稱為內耗，其值用滯后環(huán)面積度量。優(yōu)點：滯后環(huán)面積，它可以減少振動，使振動幅度很快衰減下來。缺點：精密儀器不希望有滯后現(xiàn)象。第12頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四5）.掌握黏彈性行為及其力學松弛。黏彈性變形定義：一些材料在受載荷時，會表現(xiàn)出類似于液體的黏性流動和彈性變形的混合特征，一般稱為黏彈性變形。黏彈性行為的三種響應機制：普彈性、高彈性、黏性流動。力學松馳：由于粘彈性的存在，高聚物的力學性質會隨時間的變化而變化，力學松馳現(xiàn)象：蠕變：在一定溫度和較小的恒定外力作用下，材料的變形隨時間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。應力松弛：在恒定溫度和變形保持不變的情況下，材料內部的應力隨時間增加而逐漸衰減的現(xiàn)象。力學損耗（動態(tài)黏彈性）：在交變應力下，由于應變滯后于應力，會發(fā)生內耗，高聚物中滯后現(xiàn)象更為嚴重。第13頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四6）.掌握塑性變形的機理。晶態(tài)材料：滑移臨界分切應力：當外力在某一滑移系中的分解切應力達到一個臨界值時，該滑移系方可開始滑移。與結構和滑移系組合有關，和溫度及加載速率有關取向因子：cosφcosλ（大為軟位向，小為硬位向）理論屈服應力位錯運動阻力：點陣摩擦阻力；位錯本身之間的交互作用強化方法結晶態(tài)高分子材料塑變機制：塑性變形是由薄晶轉變?yōu)檠貞Ψ较蚺帕械奈⒗w維束的過程；非晶態(tài)高分子材料塑變機制：在正應力作用下形成銀紋或在切應力作用下無取向分子鏈局部轉變?yōu)榕帕械睦w維束。第14頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四7）.掌握金屬的屈服及影響屈服強度的主要因素

屈服的顯著特點是拉伸曲線上有顯著的載荷降落,并在某一接近恒定的載荷值附近起伏。

屈服變形是位錯增殖和運動的結果，凡影響位錯運動的內外因都影響屈服強度。內因:

結合鍵組織結構原子本性.

外因:

溫度

應變速率

應力狀態(tài)

解釋屈服的理論：Crttrell氣團釘扎模型位錯增殖動力學理論。第15頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四8）.掌握應變硬化現(xiàn)象、表征、工程意義

材料在外力作用下屈服后進入均勻塑性變形階段，隨變形量增大其形變應力（流變應力）不斷提高的現(xiàn)象稱為應變硬化，或形變強化或加工硬化或冷作硬化。

應變硬化的本質是：隨變形量增加，位錯密度增加，使位錯之間交互作用增加，從而導致屈服強度增加。n－應變硬化指數(shù)，表征材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。（1）應變硬化可使金屬構件具有一定的抗偶然過載能力，保證構件的安全。（2）應變硬化和塑性的適當配合可使金屬進行均勻塑性變形，保證冷變形工藝順利實施。（3）應變硬化是強化金屬的重要工藝手段之一。

第16頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四3材料的斷裂1）.了解斷裂的類型及概念1按斷裂前應變量分類（1）韌性斷裂（2）脆性斷裂2按斷裂路徑分類（1）穿晶斷裂（2）沿晶斷裂3按斷裂微觀機制分類（1）解理斷裂（2）純剪切斷裂（3）微孔聚集型斷裂4按宏觀斷面取向分為（1）正斷（2）切斷

解理和晶間斷裂有時也有塑性變形，所以解理和沿晶斷裂未必是脆性斷裂（判斷）。從力學上分，斷裂分為正斷、切斷、混合斷口；從工程上來說，分為脆斷和韌斷。但是正斷不一定是脆斷，也有明顯的塑性變形。切斷是韌斷，但是反之卻不一定成立。（判斷）第17頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四2）.了解斷裂的宏觀斷口特征脆性（解理）斷裂斷裂面垂直于拉應力且非常光滑平整。斷口比較光亮。韌性（微孔聚集）斷裂杯錐狀斷口杯錐狀斷口上分三個典型的區(qū)域：纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇，此即典型的斷口三要素。3）.了解斷裂的微觀斷口特征解理斷裂河流花樣（解理臺階）韌窩韌窩:

材料在微區(qū)范圍內塑性變形產生的顯微空洞,經形核、長大、聚集，最后相互連接而導致斷裂后，在斷口表面所留下的痕跡。韌性（微孔聚集型）斷裂相互平行但位于不同高度的解理面相遇形成臺階，而當臺階相互匯合時就形成了河流花樣。河流的流向恰好與裂紋擴展方向一致。第18頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四4）.了解理論斷裂強度和實際斷裂強度理論斷裂強度：近似：Griffith應力：Griffith模型的適用脆性材料，即裂紋前緣的塑性變形可以忽略不計的情況。

發(fā)生塑性變形，因不可逆的損傷的積累而破壞（塑性較好的金屬材料）。存在材料缺陷和加工缺陷，發(fā)展成裂紋并長大導致斷裂實際強度遠遠低于理論強度的原因：第19頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四5）.掌握斷裂過程及機制

斷裂一般包括裂紋萌生和裂紋擴展兩個基本過程。裂紋擴展又可能分為穩(wěn)態(tài)擴展和失穩(wěn)擴展。解理斷裂

材料在一定的主應力作用下，由于原子結合鍵的破壞而造成的沿特定晶體學平面（即解理面）快速分離的過程。（玻璃、陶瓷等極脆材料）韌性（微孔聚集型）斷裂

在應力作用下，材料內部存在的第二相粒子或夾雜物與基體脫粘，或者第二相粒子、夾雜物本身斷裂，從而形成空洞。當提高應力水平時，這些微空洞逐漸長大，并連接（聚合）成一個較寬的裂紋。當這個擴展的裂紋達到臨界尺寸時，構件總體破壞就發(fā)生了。第20頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四6）.韌脆轉化現(xiàn)象及韌脆轉化溫度tk的評定方法

按能量法定義tk的方法：(1)當?shù)陀谀骋粶囟炔牧衔盏臎_擊能量基本不隨溫度而變化，形成一平臺，該能量稱為“低階能”。以低階能開始上升的溫度定義tk，并記為NDT，稱為無塑性或零塑性轉變溫度，(2)高于某一溫度材料吸收的能量也基本不變，形成一個上平臺，稱為“高階能”。以高階能對應的溫度為tk,記為FTP。高于FTP的斷裂，將得到100％的纖維狀斷口。(3)以低階能和高階能平均值對應的溫度定義，并記為FTE。(4)以Akv＝15呎磅(20.3N?m)對應的溫度定義，并記為V15TT。(5)溫度下降，纖維區(qū)面積突然減少，結晶區(qū)面積突然增大，材料由韌變脆．通常取結晶區(qū)面積占整個斷口面積50％時的溫度為tk，并記為50％FATT或FATT50、t50。

當溫度低于某一溫度時：由韌性斷裂→脆性斷裂；沖擊吸收功明顯下降；斷裂機理由微孔聚集型→解理斷裂斷口特征由纖維狀→結晶狀

則將此現(xiàn)象稱為低溫脆性。而對應的溫度稱為韌脆轉變溫度。第21頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四7）.掌握陶瓷材料斷裂強度特點及原因

（1）陶瓷的實際強度與理論強度之比遠低于金屬（實際強度遠低于理論強度）（2）陶瓷的壓縮強度與抗拉強度之比高于金屬（壓縮強度遠高于拉伸強度）（3）強度的分散性大

陶瓷材料的斷裂過程都是以其內部或表面存在的缺陷為起點而發(fā)生的，而缺陷的存在是概率性的，隨試樣體積增大，缺陷存在的概率也增大，材料的強度就下降。

在壓縮時，由于裂紋類缺陷可以閉合，對抗壓強度影響較小。因此陶瓷材料的抗壓強度比抗拉強度大的多，其差別程度大大超過金屬。

陶瓷材料是由固體粉末燒結成形，在粉末成形、燒結反應過程中，不僅存在大量的氣孔，而且這種氣孔有很多呈不規(guī)則形狀，其作用相當于裂紋，因此陶瓷材料中裂紋或類裂紋缺陷比金屬既多且大）第22頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四8）.了解材料裂紋的基本方式

(a)張開型(Ⅰ型);(b)滑開型(Ⅱ型);(c)撕開型(Ⅲ)型9）.掌握KIC的基本概念、物理意義當應力和裂紋尺寸a單獨或同時增大時，KI和裂紋尖端的各應力分量也隨之增大。當應力或裂紋尺寸a增大到臨界值時，也就是在裂紋尖端足夠大的范圍內，應力達到材料的斷裂韌性，裂紋便失穩(wěn)擴展而導致材料的斷裂，這時KI也達到了一個臨界值，這個臨界KI記為KIC或KC,稱為斷裂韌性(概念)，單位為Mpa?m1/2或KN?m-3/2，物理意義，其是一個表示材料抵抗斷裂的能力。(KC為平面應力斷裂韌度,KIC為平面應變斷裂韌度.同一種材料KC>KICKIC：表示材料抵抗斷裂的能力，材料在平面應變狀態(tài)下抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。

第23頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四

10）.掌握KIC和應力強度因子KⅠ的異同

斷裂韌度KⅠC是應力強度因子KⅠ的臨界值，兩者物理意義不同。

KⅠ是一個描述裂紋前端應力場強弱的力學參量，它與裂紋及物體大小、形狀、外加應力等參數(shù)有關；

KⅠC是評定材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴展能力的一種力學性能指標，它是材料常數(shù)，只與材料成分、熱處理及加工工藝有關，而與裂紋本身大小，形狀以及外應力大小無關。第24頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四11）.熟悉斷裂韌度在工程中的基本應用

計算結構許用應力計算可能的最大應力場強度因子計算材料的臨界裂紋尺寸第25頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四4材料的疲勞（Fatigue）性能1）.了解疲勞破壞的特點微觀上看，是一個從局部區(qū)域開始的損傷累積，最終引起整體破壞的過程，包括裂紋萌生和裂紋穩(wěn)態(tài)擴展兩個階段；斷口具有明顯特征：疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬時斷裂區(qū)；宏觀上看，屬潛在突發(fā)性破壞，脆性，易引起事故造成經濟損失；屬低應力（σ-1＜σs）延時破壞，壽命預測很重要；疲勞性能對缺陷十分敏感。第26頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四2）.掌握疲勞應力的特征參數(shù)及其所對應的疲勞類型

表示循環(huán)應力特征的參量：（1）最大循環(huán)應力（2）最小循環(huán)應力（3）平均應力（4）應力幅σa

或應力范圍Δσ:（5）應力比r:拉脈動循環(huán)對稱循環(huán)壓脈動循環(huán)根據(jù)參量評判疲勞應力的強弱程度和對材料疲勞損害程度的大小。各種循環(huán)應力的特征第27頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四3）.疲勞斷口的宏觀特征及貝紋線的形成

疲勞源疲勞區(qū)瞬斷區(qū)貝紋線（海灘花樣）

貝紋線是以疲勞源為中心的近于平等的一簇向外凸的同心圓，它們是疲勞裂紋擴展時前沿線的痕跡，一般認為是由載荷大小或應力狀態(tài)的變化、頻率變化或機器運行中途停車、啟動等原因造成裂紋擴展產生相應微小變化所導致的。第28頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四4）.熟悉疲勞抗力指標的意義

疲勞抗力指標:

1)疲勞極限：疲勞曲線水平部分所對應的應力，它表示材料能經受無限次應力循環(huán)而不發(fā)生斷裂的最大應力。

2)過載持久值：材料在高于疲勞極限的應力下循環(huán)時，發(fā)生疲勞斷裂的循環(huán)周次。

3)疲勞缺口敏感度：材料在交變載荷作用下的缺口敏感性。

4)疲勞裂紋擴展速率：疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴展階段每一循環(huán)下所擴展的距離。

5)疲勞裂紋擴展門檻值：該區(qū)是初始擴展階段，da/dN值很小，約10-8~10-6mm/周。此區(qū)中有一關鍵參數(shù)ΔKth

，其含義是當ΔK≤ΔKth

時，疲勞裂紋永遠不擴展，故稱為疲勞裂紋擴展門檻值，它表征了帶裂紋體不疲勞斷裂（無限壽命）的性能。第29頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四5）.熟悉疲勞的微觀過程

循環(huán)應力下組織的變化：位錯密度增加，趨于飽和后，形成帶狀或胞狀結構。駐留滑移帶：疲勞反復進行，會發(fā)現(xiàn)有些部位的滑移帶反復在原位出現(xiàn)，就像駐扎在那里一樣，永遠也不消失，把這樣的滑移帶稱為駐留滑移帶（PSB）。裂紋萌生：表面（提高表面光潔度、表面強化處理可提高疲勞壽命）

內部缺陷（降低材料中夾雜物的含量可提高疲勞性能。

裂紋擴展：第Ⅰ階段：表面裂紋沿最大切應力方向擴展，可延伸幾十μm（2～5個晶粒）。第Ⅱ階段：沿垂至于拉應力方向向前擴展成主裂紋，直至最后形成剪切唇為止。微觀斷口最典型特征為“疲勞條帶”（疲勞輝紋）。第30頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四6）.掌握疲勞條帶的類型、成因、尺寸

疲勞裂紋擴展第二階段的一個顯著物理是在高倍微觀斷口上常?？梢钥吹狡叫信帕械臈l帶簡稱疲勞條帶，它分為韌性條帶和脆性條帶兩類。韌性條帶：平行排列的條帶脆性條帶：裂紋擴展不是塑性變形，而是解理斷裂，因此斷口上有細小的結晶解理平面或河流花樣，但裂紋尖端又有塑性鈍化，因之又具有條帶特征。疲勞條帶是交變應力每循環(huán)一次裂紋留下的痕跡。第31頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四5材料在不同工程環(huán)境下的力學性能1）.了解蠕變曲線的特點在恒載荷（或恒應力）作用下，應變量隨時間發(fā)展的關系曲線。分為三個階段：減速蠕變（過渡蠕變）、恒速蠕變（穩(wěn)定蠕變）、加速蠕變（失穩(wěn)蠕變）應力大小及溫度對蠕變曲線的影響當減小應力或降低溫度時，蠕變第Ⅱ階段延長，甚至不出現(xiàn)第Ⅲ階段；當增加應力或提高溫度時，蠕變第Ⅱ階段縮短，甚至消失，試樣經減速蠕變階段后很快進入加速蠕變階段而斷裂。第32頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四2）.掌握高溫蠕變性能的表征蠕變極限：表征材料抵抗蠕變變形的抗力在給定溫度下，使試樣在蠕變第Ⅱ階段產生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應力；在給定溫度和時間條件下，使試樣產生規(guī)定蠕變應變的最大應力，持久強度：高溫長期載荷下抵抗斷裂的能力在給定溫度及規(guī)定時間內，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應力；持久塑性：衡量材料蠕變脆性的指標用持久實驗試樣斷裂以后的延伸率和斷面收縮率；松弛穩(wěn)定性：材料抵抗應力松弛的能力材料在恒變形條件下隨時間延長，彈性應力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應力松弛第33頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四3）.了解蠕變變形機制和蠕變斷裂機制材料蠕變變形機理主要有位錯滑移、原子擴散、晶界滑動。

沿晶蠕變斷裂

穿晶蠕變斷裂

延縮性斷裂第34頁，共39頁，2023年，2月20日，星期四4）.掌握三種典型材料蠕變性能的比較金屬材料（蠕變抗力中）選擇熔點高、自擴散激活能大、層錯能低的元素及合金；添加起固溶