材料力学性能总结

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σp：应力与应变成直线关系的最大应力。

5.弹性极限σe：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：㈠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，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：①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变形的能力。②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ψ<5%

韧性断裂ψ>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（如低温），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂。

13.解理面：由于与大理石的断裂相似，所以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.α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。α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α＝2

2.

二节：压缩

1.力学性能指标规定非比例压缩应力σpc 。抗压强度σbc 。相对压缩率δck 和

相对断面扩胀率ψck.抗弯强度σbb 。弯曲模量E b 切变模量G扭转比例极限τp和扭转屈服强度τs 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 450~650

2.试样厚度：为h的10倍，d=0.25~0.6D在试件厚度足够时，应尽可能选用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)α-Fe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α-Fe中加入Ni和Mn，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KⅠ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，K IC 也愈高。

2）合金化固溶使得K IC 降低。弥散分布的第二相数量越多，其间距越小，K IC 越低; 第二相沿晶界网状分布，晶界损伤，K IC 降低；球状第二相的K IC ＞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K IC 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K IC

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，断裂韧性反而提高。

第五章金属的疲劳

一节：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.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、偏析、白点）时，因局部强度的降低，也会在材料内部产生疲劳源。

二节：高周疲劳

5.疲劳裂纹扩展可分为三个区域:I区为近门槛区,断口：解理花样，由断裂小面组成。II区为中部区或稳态扩展区.断口：疲劳条纹III区为裂纹快速扩展区，断口: 静载断裂机制。

疲劳裂纹扩展的门槛值，记为△K th，表示阻止裂纹开始扩展的能力

过载损伤：金属机件偶然过载，在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小。

适当的过载可以提高疲劳强度。

过载持久值：表征材料抵抗过载的能力。

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⊥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。 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. 夹杂物及冶金缺陷：作为裂纹核心，降低疲劳极限 。 选择机件材料和决定工艺时，要区分机件的服役条件是哪一类疲劳，如属高周疲劳，应主要考虑材料强度，如属低周疲劳，则应在保持一定强度基础上尽量选用塑性好的材料。

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S T M HRC '>'>'↑↑- 1

σ

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：磨损的基本概念

二节：磨损模型

1．粘着磨损：粘着磨损是接触表面相互运动时，因固相焊合作用使材料从一个表面脱落或转移到另一表面而形成的磨损，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

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，接触点发生塑性变形，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.特征：摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽

11.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、夹杂物等）时，易产生麻点剥落。2）浅层剥落：

裂纹常出现在非金属夹杂物附近，裂纹开始沿非金属夹杂物平行于表面扩展。3）深层剥落（压碎性剥落）：该处切应力虽不是最大，但因过渡区是弱区，切应力可能高于材料材料强度而在该处产生裂纹

6．影响接触疲劳寿命的因素：1）非金属夹杂物.

a. M 的含碳量。

b. M 和残余奥氏体的级别

c. 未溶碳化物的大小3） 表面硬度与心部硬度a. 表面硬度b. 心部硬度

4） 表面硬化层深度 第八章金属高温力学性能

一节：蠕变现象

1. 蠕变:材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢

地产生塑性变形的现象称为蠕变

2. 蠕变变形机理 ：主要有位错滑移、攀移、原子扩散和晶界滑动，对于高分子材

料还有分子链段沿外力的舒展。

3. 蠕变断裂机理 ：蠕变断裂主要是沿晶断裂。在裂纹成核和扩展过程中，晶界滑

动引起的应力集中与空位的扩散起着重要作用。由于应力和温度的不同，裂纹成核有两种类型。1)裂纹成核于三晶粒交会处 在高应力和低温下，持续的恒载持导致位于最大切应力方向的晶界滑动，这种滑动必然在三晶粒交界处形成应力集中。2)裂纹成核分散于晶界上 在较低应力和较高温度下，蠕变裂纹常分散在晶界各处，特别易产生在垂直于拉应力方向的晶界上

4. 金属材料蠕变断裂断口特征：宏观特征为：一是使断裂机件表面出现龟裂现象；

另一个特征是由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。

5. 蠕变极限的意义表示材料在高温下受到载荷长时间作用时，对于蠕变变形的抗

力。

6. 持久强度是材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力，

记作 7. 8. 提高蠕变的措施1,化学成分 在金属基体中加入铬、相、钨、铝等合金元素。加

入稀土元素稀土增加晶界激活能的元素。

9. 2.组织结构 珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺 奥氏体耐热钢采用

固溶时效处理 采用形变热处理改变晶界的形状 .晶粒度 对于金属材料，当使用温度低于等强温度时，细化晶粒可以提高钢的强度；当使用温度高于等强温度时，粗化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度，但是，晶粒太大会降低钢的高温塑性和韧性。

10. 降低蠕变速度必须控制位错攀移的速度；必须抑制晶界的滑动。 t τ

σt

τ

σ