材料力学性能学习要点-(2)

材料力学性能知识框架不同材料〔金属、高分子、陶瓷基复合材料〕具有怎样的力学性能特点；结合成型与加工、选材和材料改质、改性等项要求，理解各材料力学性能指标〔复习不再列出〕的含义、物理及技术意义；材料变形与断裂的基本特征〔金属为主，了解高分子、陶瓷及复合材料〕；结合工件服役〔受载、环境因素〕条件和材料断口形貌特征，判断材料失效及断裂类型；了解主要力学性能指标的测试方法；分析、把握影响材料主要力学性能指标的主要因素。

1．拉伸力学性能强度、塑性、韧性；〔1〕强度：金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。

强度是衡量零件本身承载能力〔即抵抗失效能力〕的重要指标。

〔2〕塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质〔能力〕。

“δ”-伸长率，“ψ”-断面收缩率。

意义：a. 确保安全，防止产生突然破坏；b. 缓和应力集中；c. 是轧制、挤压等冷热加工变形的必要条件；影响因素：a. 细化晶粒，塑性↑；b. 软的第二相，塑性↑；c. 温度提高，塑性↑；d. 固溶、硬的第二相等，塑性↓〔3〕韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

〔或者材料抵抗裂纹扩展的能力，J/m3〕，是材料的力学性能。

退火低碳钢静拉伸曲线特征；断口形貌特点；退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形和断裂几个阶段。

弹性变形、塑性变形；〔1〕弹性变形：定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹性变形。

特点：单调、可逆、变形量很小〔＜0.5～1.0%〕〔2〕塑性变形：定义：外载荷卸去后，不能恢复的变形。

特点：各晶粒变形的不同时性和不均匀性、变形的相互协调性屈服〔不均匀塑性变形〕、均匀塑性变形、集中塑性变形(缩颈)；〔1〕屈服〔不均匀塑性变形〕：在金属塑性变形开始阶段，外力不增加、甚至下降时，变形继续进行的现象，称为屈服。

特点：上屈服点、下屈服点〔吕德丝带〕〔2〕均匀塑性变形：屈服之后，缩颈之前的阶段〔在这一阶段，塑性变形并是能像屈服平台那样连续流变先去，而需要不断增加外力才能进行，〕〔3〕集中塑性变形(缩颈)：a. 意义变形集中于局部区域b. 缩颈的判据〔塑性变形时，体积不变的条件〕e B = n结论：当金属材料真实均匀塑性应变量等于应变硬化指数时，便产生缩颈。

所以，n值大时，材料的均匀塑性变形能力强！c. 颈部的三向拉应力状态承受三向拉应力〔相当于厚板单向拉伸，平面应变状态〕产生屈服的原因，影响因素分析；机理：外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动的过程。

影响屈服强度因素：1〕内因a. 金属本性及晶格类型位错运动的阻力：晶格阻力〔P-N力〕；位错交互作用产生的阻力。

b. 溶质原子和点缺陷形成晶格畸变〔间隙固溶，空位〕c. 晶粒大小和亚结构晶界是位错运动的障碍。

要使相邻晶粒的位错源开动，须加大外应力。

d. 第二相不可变形第二相，位错只能绕过它运动。

可变形第二相，位错可切过。

第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有关；同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。

2〕外因温度提高，位错易运动，σs↓。

例：高温锻造，“乘热打铁”应变速率提高，σs↑。

应力状态切应力τ↑，σs↓。

应变硬化，静力韧度；〔1〕应变硬化或称形变强化，加工硬化1〕意义a. 应变硬化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。

b.使构件具有一定的抗偶然过载能力。

c. 强化金属，提高力学性能。

d.提高低碳钢的切削加工性能。

2〕应变硬化机理a. 三种单晶体金属的应力b. 应变硬化机理易滑移阶段：单系滑移hcp金属〔Mg、Zn〕不能产生多系滑称，∴易滑移段长。

线性硬化阶段：多系滑移位错交互作用，形成割阶、面角位错、胞状结构等；位错运动的阻力增大。

抛物线硬化阶段：交滑移，或双交滑移，刃型位错不能产生交滑移。

多晶体，一开动便是多系滑移，∴无易滑移阶段〔2〕静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断裂所吸收的功〔是强度和塑性的综合指标〕。

J/m3 工程意义：对按照屈服强度设计、有偶而过载的机件必须考虑。

断裂类型〔韧性、脆性，沿晶、穿晶，微孔聚合、解理〕；断裂分类及特征〔表1-7〕韧性断裂与脆性断裂的区别与联系； 区别：〔1〕 韧性断裂断裂特点：断裂前，宏观变形明显；过程缓慢；断裂面一般平行于最大切应力，并与主应力成45o 角。

〔2〕脆性断裂 断裂特点断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆； 断口与正应力垂直。

联系：通常，脆断前也产生微量的塑性变形，一般规定： Ψ < 5%为脆性断裂；> 5％时为韧性断裂。

可见，金属材料的韧性与脆性是根据一定条件下的塑性变形量来规定的。

条件改变，材料的韧性与脆性行为会随之而改变。

格里菲斯断裂理论之裂纹扩展力学表达式〔表1-8〕的数学、物理含义。

2．应力状态软性系数；应力状态软性系数α 的定义：最大切应力与最大正应力之比）＋（－－＝＝32131max max 22σσνσσσστα 式中 最大切应力τmax 按第三强度理论计算，即 τmax= (σ1-σ3) /2 σ1，σ3分别为最大和最小主应力。

最大正应力 σmax 按第二强度理论计算，即,)(321max σσνσσ--= ν——泊松比。

单向拉伸 α = 1/2扭 转 α = 1 /〔1+ν〕≈单向压缩α= 1 /〔2ν〕≈2应力状态系数α的技术意义——表示在不同试验方法下〔即不同应力状态下〕材料塑性变形的难易程度α越大，表示该应力状态下切应力分量越大，材料就越易塑变。

∴把α值较大的称做软的应力状态，α值较小的称做硬的应力状态。

缺口试样静弯曲曲线，缺口效应；缺口式样静弯曲曲线：曲线下所包围的面积，表示试样从变形到断裂的总功。

总功由三部分组成：(1)只发生弹性变形的弹性功Ｉ;(2)发生塑性变形的变形功以面积Ⅱ表示；(3)在到达最大载荷Pmax时试样即出现裂纹。

如果裂纹到截荷P1点时开始迅速扩展，直至试样完全破断。

这一部分功以面积Ⅲ表示，叫作撕裂功。

可用断裂功，或Pmax/P1,来表示材料的缺口敏感度。

P1 —试样发生断裂所对应的作用力。

Pmax/P1 =1时，裂纹扩展极快，缺口敏感度最大。

缺口效应：理论应力集中系数Kt = σmax/σKt值与材料性质无关，只取决于缺口的几何形状。

拉伸时，缺口试样上的应力分布弹性状态下:(a)薄板缺口下的弹性应力(平面应力)缺口根部为单向拉应力状态σy，内部为两向拉应力状态，σz等于0 。

(b)厚板缺口下的弹性应力(平面应变)缺口根部为两向拉应力状态，内部为三向拉应力状态。

(c) 平面应变时的应力分布在材料内部，沿厚度方向，σz不等于0。

(d)平面应变时,局部屈服后的应力分布塑性状态下：塑性较好的材料，假设根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大，塑性区逐渐扩大，直至整个截面。

应力最大处则转移到离缺口根部ry距离处，该处σy，σx，σz均为最大值。

随塑性变形逐步向试样内部转移，各应力峰值越来越大。

试样中心区的σy最大。

∴出现“缺口强化”〔三向拉应力约束了塑性变形〕塑性降低，影响材料的安全使用。

常规硬度指标标准〔HRA、HRB、HRC〕及适用场合。

标尺硬度符号压头类型初始实验力F0/N主试验力F1/N总试验力F/N测量硬度范围应用举例A HRA 金刚石圆锥20~88硬质合金、硬化薄钢板、外表薄层硬化钢B HRB Φ20~100 低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁C HRC 金刚石圆锥1373 1471 20~70淬火钢、高硬度铸件、珠光体可锻铸铁3．冲击弯曲试验冲击韧度、试样标准及断口形貌特征、低温脆性、韧脆转变温度t K及影响因素。

断裂分析图〔FAD〕，技术意义和用途，NDT、FTE和FTP的含义和定量关系：技术意义：对低强度钢板进行落锤试验求得NDT温度，可建立断裂分析图。

该图是表示许用应力、缺陷〔裂纹〕和温度之间关系的综合图。

它明确提供了低强度钢构件在温度、应力和缺陷〔裂纹〕联合作用下脆性断裂开始和终止的条件。

对低强度钢构件防止脆断设计和选材提供了一个有效方法；可分析断裂事故，帮助积累防止脆性断裂的经验。

NDT：零塑性、或无塑性断裂温度；FTE：弹性断裂转变〔/折〕温度〔数值上= NDT+33℃〕FTP：100%纤维断口的断裂温度〔数值上= NDT+67℃〕，即塑性断裂转变温度。

4．断裂韧度裂纹尖端应力强度因子K I、塑性区修正的意义；断裂韧度的影响因素；断裂韧度的实质：〔K IC〕是材料强度、塑性和结构参量〔基体相的强化程度、第二相的大小、数量与分布，晶粒尺寸，裂纹等〕的综合性能。

K IC应用、计算〔本章例一、例二，本章思考习题17，〕，有关塑性区修正的问题、外表半椭圆形裂纹形状系数；K IC、K C，有何异同？断裂韧度J IC和G IC、裂纹尖端张开位移δC的技术含义〔Esp：量纲和断裂条件上理解〕5．疲劳疲劳概念及其特点，概念：材料在交变应力的作用下，经过一段时间，而发生断裂的现象，叫疲劳。

疲劳破坏时无明显的塑性变形，呈现脆性的突然断裂。

疲劳断裂是一种非常危险的断裂。

疲劳的分类及其特点：〔1〕分类1〕按应力状态弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。

2〕按环境腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。

3〕按循环周期高周疲劳、低周疲劳。

4〕按破坏原因机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳〔2〕疲劳的特点1〕断裂应力<σb，甚至<σs；2〕出现脆性断裂；3〕对材料的缺陷十分敏感；4〕疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展，断裂。

疲劳曲线，疲劳断口宏观形貌特征，疲劳裂纹形成、扩展和断裂，微观特征；〔1〕疲劳端口宏观形貌特征：断口拥有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区、瞬断区。

随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。

疲劳裂纹扩展速率曲线；疲劳门槛值〔概念〕、疲劳寿命估算Paris公式、疲劳过程及裂纹形成与扩展的机理；疲劳门槛值△K th：是阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，也是材料力学性能指标常选用Paris公式：da/dN = C(△K)n疲劳过程：裂纹萌生→亚稳扩展→失稳扩展→断裂裂纹萌生的原因：应力集中、不均匀塑性形变。

方式：外表滑移带开裂；晶界或其他界面开裂。

裂纹扩展的两个阶段：第一阶段μm 数量级。

第二阶段疲劳裂纹亚稳扩展；扩展速率达μm级。

疲劳强度影响因素；〔1〕材料内因：①化学成分②显微组织③非金属夹杂及冶金缺陷〔2〕材料外表状态和工件结构：①外表状态应力集中；外表粗糙度②残余应力及外表强化〔喷丸与滚压〕③外表及化学热处理低周疲劳和热疲劳的概念低周疲劳：疲劳寿命为102～105次的疲劳断裂，称为低周疲劳〔在应力较高、循环次数较少的疲劳断裂〕特点：(1)局部产生宏观变形，应力与应变之间呈非线性。

(2)裂纹成核期短，有多个裂纹源；断口呈韧窝状、轮胎把戏状。