材料力學性能復習重點.doc

第一章包申格效應：指原先經過少量塑性變形，卸載后同向加載，彈性極限（P）或屈服強度（S）增加；反向加載時彈性極限（P）或屈服強度（S）降低的現象。解理斷裂：沿一定的晶體學平面產生的快速穿晶斷裂。晶體學平面解理面，一般是低指數，表面能低的晶面。解理面：在解理斷裂中具有低指數，表面能低的晶體學平面。韌脆轉變：材料力學性能從韌性狀態(tài)轉變到脆性狀態(tài)的現象（沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型轉變微穿晶斷裂，斷口特征由纖維狀轉變?yōu)榻Y晶狀）。靜力韌度：材料在靜拉伸時單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功叫做靜力韌度。是一個強度與塑性的綜合指標，是表示靜載下材料強度與塑性的最佳配合。 可以從河流花樣的反“河流”方向去尋找裂紋源。解理斷裂是典型的脆性斷裂的代表，微孔聚集斷裂是典型的塑性斷裂。5.影響屈服強度的因素與以下三個方面相聯系的因素都會影響到屈服強度位錯增值和運動晶粒、晶界、第二相等外界影響位錯運動的因素主要從內因和外因兩個方面考慮（一） 影響屈服強度的內因素1金屬本性和晶格類型（結合鍵、晶體結構）單晶的屈服強度從理論上說是使位錯開始運動的臨界切應力，其值與位錯運動所受到的阻力（晶格阻力派拉力、位錯運動交互作用產生的阻力）決定。派拉力：位錯交互作用力（a是與晶體本性、位錯結構分布相關的比例系數，L是位錯間距。）2晶粒大小和亞結構晶粒小晶界多（阻礙位錯運動）位錯塞積提供應力位錯開動 產生宏觀塑性變形 。晶粒減小將增加位錯運動阻礙的數目，減小晶粒內位錯塞積群的長度，使屈服強度降低（細晶強化）。屈服強度與晶粒大小的關系：霍爾派奇（Hall-Petch)s= i+kyd-1/23溶質元素加入溶質原子（間隙或置換型）固溶體（溶質原子與溶劑原子半徑不一樣）產生晶格畸變產生畸變應力場與位錯應力場交互運動 使位錯受阻提高屈服強度 （固溶強化） 。4第二相（彌散強化，沉淀強化） 不可變形第二相提高位錯線張力繞過第二相留下位錯環(huán) 兩質點間距變小 流變應力增大。不可變形第二相位錯切過（產生界面能），使之與機體一起產生變形，提高了屈服強度。彌散強化：第二相質點彌散分布在基體中起到的強化作用。沉淀強化：第二相質點經過固溶后沉淀析出起到的強化作用。（二） 影響屈服強度的外因素1.溫度一般的規(guī)律是溫度升高，屈服強度降低。原因：派拉力屬于短程力，對溫度十分敏感。2.應變速率應變速率大，強度增加。,t= C1()m3應力狀態(tài)切應力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強度越低。缺口效應：試樣中“缺口”的存在，使得試樣的應力狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響材料的力學性能的現象。9.細晶強化能強化金屬又不降低塑性。10.韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)別。為什么脆性斷裂更加危險？韌性斷裂：是斷裂前產生明顯宏觀塑性變形的斷裂特征：斷裂面一般平行于最大切應力與主應力成45度角。斷口成纖維狀（塑變中微裂紋擴展和連接），灰暗色（反光能力弱）。斷口三要素：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇這三個區(qū)域的比例關系與材料韌斷性能有關。塑性好，放射線粗大塑性差，放射線變細乃至消失。脆性斷裂：斷裂前基本不發(fā)生塑性變形的，突發(fā)的斷裂。特征：斷裂面與正應力垂直，斷口平齊而光滑，呈放射狀或結晶狀。注意：脆性斷裂也產生微量塑性變形。斷面收縮率小于5為脆性斷裂，大于5為韌性斷裂。23.斷裂發(fā)生的必要和充分條件之間的聯系和區(qū)別。格雷菲斯裂紋理論是根據熱力學原理，用能量平衡（彈性能的降低與表面能的增加相平衡）的方法推到出了裂紋失穩(wěn)擴展的臨界條件。該條件是是斷裂發(fā)生的必要條件，但并不意味著一定會斷裂。該斷裂判據為：裂紋擴展的充分條件是其尖端應力要大于等于理論斷裂強度。（是通過力學方法推到的斷裂判據）該應力斷裂判據為：對比這兩個判據可知：當3a0時，必要條件和充分條件相當 3a0時，滿足充分條件就可行（同時也滿足必要條件）25.材料成分：rs有效表面能，主要是塑性變形功，與有效滑移系數目和可動位錯有關具有fcc結構的金屬有效滑移系和可動位錯的數目都比較多，易于塑性變形，不易脆斷。凡加入合金元素引起滑移系減少、孿生、位錯釘扎的都增加脆性；若合金中形成粗大第二相也使脆性增加。雜質：聚集在晶界上的雜質會降低材料的塑性，發(fā)生脆斷。溫度：i-位錯運動摩擦阻力。其值高，材料易于脆斷。Bcc金屬具有低溫脆斷現象，因為i隨著溫度的減低而急劇增加，同時在低溫下，塑性變形一孿生為主，也易于產生裂紋。故低溫脆性大。晶粒大?。篸值小位錯塞積的數目少，而且晶界多。故裂紋不易產生，也不易擴展。所以細晶組織有抗脆斷性能。應力狀態(tài)：減小切應力與正應力比值的應力狀態(tài)都將增加金屬的脆性加載速度加載速度大，金屬會發(fā)生韌脆轉變。第二章應力狀態(tài)軟化系數：為了表示應力狀態(tài)對材料塑性變形的影響，引入了應力狀態(tài)柔度系數a，它的定義為：應力狀態(tài)柔度系數a，表征應力狀態(tài)的軟硬。表示材料塑性變形的難易程度。缺口效應：試樣中“缺口”的存在，使得試樣的應力狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響材料的力學性能的現象。缺口敏感度： 為 是有缺口試樣的抗拉強度與無缺口試樣的抗拉強度的比值。表示缺口的存在對試樣抗拉強度的影響程度或材料對缺口的敏感程度。 布氏硬度：洛氏硬度：維氏硬度：努氏硬度：肖氏硬度：里氏硬度：7.說明布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度的實驗原理和優(yōu)缺點。1、氏硬度試驗的基本原理 在直徑D的鋼珠（淬火鋼或硬質合金球）上，加一定負荷F，壓入被試金屬的表面，保持規(guī)定時間卸除壓力，根據金屬表面壓痕的陷凹面積計算出應力值，以此值作為硬度值大小的計量指標。優(yōu)點： 代表性全面，因為其壓痕面積較大，能反映金屬表面較大體積范圍內各組成相綜合平均的性能數據，故特別適宜于測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶粒或粗大組成相 的金屬材料。 試驗數據穩(wěn)定。試驗數據從小到大都可以統一起來。缺點： 鋼球本身變形問題。對HB450以上的太硬材料，因鋼球變形已很顯著，影響所測數據的正確性，因此不能使用。 由于壓痕較大，不宜于某些表面不允許有較大壓痕的成品檢驗，也不宜于薄件試驗。 不同材料需更換壓頭直徑和改變試驗力，壓痕直徑的測量也較麻煩。2、洛氏硬度的測量原理洛氏硬度是以壓痕陷凹深度作為計量硬度值的指標。洛氏硬度試驗的優(yōu)缺點洛氏硬度試驗避免了布氏硬度試驗所存在的缺點。它的優(yōu)點是： 1)因有硬質、軟質兩種壓頭，故適于各種不同硬質材料的檢驗，不存在壓頭變形問題； 2)壓痕小，不傷工件，適用于成品檢驗 ； 3)操作迅速，立即得出數據，測試效率高。 缺點是：代表性差，用不同硬度級測得的硬度值無法統一起來，無法進行比較。3、維氏硬度的測定原理維氏硬度的測定原理和布氏硬度相同,也是根據單位壓痕陷凹面積上承受的負荷，即應力值作為硬度值的計量指標。維氏硬度的優(yōu)缺點1、不存在布氏那種負荷F和壓頭直徑D的規(guī)定條件的約束，以及壓頭變形問題；2、也不存在洛氏那種硬度值無法統一的問題；3、它和洛氏一樣可以試驗任何軟硬的材料，并且比洛氏能更好地測試極薄件(或薄層)的硬度，壓痕測量的精確度高，硬度值較為精確。4、負荷大小可任意選擇。（維氏顯微硬度）唯一缺點是硬度值需通過測量對角線后才能計算(或查表)出來，因此生產效率沒有洛氏硬度高。8.今有如下零件和材料需要測定硬度，試說明選擇何種硬度實驗方法為宜。（1）滲碳層的硬度分布；（2）淬火鋼；（3）灰鑄鐵；（4）鑒別鋼中的隱晶馬氏體和殘余奧氏體；（5）儀表小黃銅齒輪；（6）龍門刨床導軌；（7）滲氮層；（8）高速鋼刀具；（9）退火態(tài)低碳鋼；（10）硬質合金。（1）滲碳層的硬度分布- HK或-顯微HV（2）淬火鋼-HRC（3）灰鑄鐵-HB（4）鑒別鋼中的隱晶馬氏體和殘余奧氏體-顯微HV或者HK（5）儀表小黃銅齒輪-HV（6）龍門刨床導軌-HS（肖氏硬度）或HL(里氏硬度)（7）滲氮層-HV（8）高速鋼刀具-HRC（9）退火態(tài)低碳鋼-HB（10）硬質合金- HRA第三章沖擊韌度：材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的大小，也即沖擊吸收功Ak。低溫脆性：在試驗溫度低于某一溫度tk時，會由韌性狀態(tài)轉變未脆性狀態(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型轉變微穿晶斷裂，斷口特征由纖維狀轉變?yōu)榻Y晶狀，這就是低溫脆性。 韌脆轉變溫度：材料在低于某一溫度tk時，會由韌性狀態(tài)轉變未脆性狀態(tài)，tk稱為韌脆轉變溫度。什么是低溫脆性、韌脆轉變溫度tk？產生低溫脆性的原因是什么？體心立方和面心立方金屬的低溫脆性有和差異？為什么？答：在試驗溫度低于某一溫度tk時，會由韌性狀態(tài)轉變未脆性狀態(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型轉變微穿晶斷裂，斷口特征由纖維狀轉變?yōu)榻Y晶狀，這就是低溫脆性。 tk稱為韌脆轉變溫度。低溫脆性的原因：低溫脆性是材料屈服強度隨溫度降低而急劇增加，而解理斷裂強度隨溫度變化很小的結果。如圖所示：當溫度高于韌脆轉變溫度時，斷裂強度大于屈服強度，材料先屈服再斷裂（表現為塑韌性）；當溫度低于韌脆轉變溫度時，斷裂強度小于屈服強度，材料無屈服直接斷裂（表現為脆性）。心立方和面心立方金屬低溫脆性的差異：體心立方金屬的低溫脆性比面心立方金屬的低溫脆性顯著。原因：這是因為派拉力對其屈服強度的影響占有很大比重，而派拉力是短程力，對溫度很敏感，溫度降低時，派拉力大幅增加，則其強度急劇增加而變脆。6.拉伸沖擊彎曲缺口試樣拉伸第四章KI稱為I型裂紋的應力場強度因子，它是衡量裂紋頂端應力場強烈程度的函數，決定于應力水平、裂紋尺寸和形狀。塑性區(qū)尺寸較裂紋尺寸a及靜截面尺寸為小時（小一個數量級以上），即在所謂的小范圍屈服裂紋的應力場強度因子與其斷裂韌度相比較，若裂紋要失穩(wěn)擴展脆斷，則應有：這就是斷裂K判據。應力強度因子K1是描寫裂紋尖端應力場強弱程度的復合力學參量，可將它看作推動裂紋擴展的動力。對于受載的裂紋體，當K1增大到某一臨界值時，裂紋尖端足夠大的范圍內應力達到了材料的斷裂強度，裂紋便失穩(wěn)擴展而導致斷裂。這一臨界值便稱為斷裂韌度Kc或K1c。意義：KC平面應力斷裂韌度（薄板受力狀態(tài)）KIC平面應變斷裂韌度（厚板受力狀態(tài)）16.有一大型板件，材料的0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探傷發(fā)現有20mm長的橫向穿透裂紋，若在平均軸向拉應力900MPa下工作，試計算KI及塑性區(qū)寬度R0，并判斷該件是否安全？解：由題意知穿透裂紋受到的應力為=900MPa根據/0.2的值，確定裂紋斷裂韌度KIC是否休要修正 因為/0.2=900/1200=0.750.7，所以裂紋斷裂韌度KIC需要修正對于無限板的中心穿透裂紋，修正后的KI為： = （MPa*m1/2）塑性區(qū)寬度為： =0.004417937(m)= 2.21(mm)比較K1與KIc：因為K1=168.13（MPa*m1/2）KIc=115（MPa*m1/2）所以：K1KIc ，裂紋會失穩(wěn)擴展 , 所以該件不安全。17.有一軸件平行軸向工作應力150MPa，使用中發(fā)現橫向疲勞脆性正斷，斷口分析表明有25mm深度的表面半橢圓疲勞區(qū)，根據裂紋a/c可以確定=1，測試材料的0.2=720MPa ，試估算材料的斷裂韌度KIC為多少？解： 因為/0.2=150/720=0.2081.4，表現為循環(huán)硬化；b / s1.2，表現為循環(huán)軟化；1.2b / s1.4，材料比較穩(wěn)定，無明顯循環(huán)硬化和軟化現象。也可用應變硬化指數n來判斷循環(huán)應變對材料的影響，n1硬化。退火狀態(tài)的塑性材料往往表現為循環(huán)硬化，加工硬化的材料表現為循環(huán)軟化。循環(huán)硬化和軟化與位錯的運動有關：退火軟金屬中，位錯產生交互作用，運動阻力增大而硬化。冷加工后的金屬中，有位錯纏結，在循環(huán)應力下破壞，阻力變小而軟化。14.試述低周疲勞的規(guī)律及曼森-柯芬關系。低周疲勞的應變-壽命曲線如圖5-34，曼森-柯芬等分析了低周疲勞的實驗結果，提出了低周疲勞壽命的公式：請結合該公式，分析圖5-34的變化規(guī)律，指出低周疲勞和高周疲勞的什么起主導作用，選材時應分別以什么性能為主？答：低周疲勞壽命的公式由彈性應變和塑性應變兩部分對應的壽命公式組成，其對應的公式分別為：將以上兩公式兩邊分別取對數，在對數坐標上，上兩公式就變成了兩條直線，分別代表彈性應變幅-壽命線和塑性應變幅-壽命線。兩條直線斜率不同，其交點對應的壽命稱為過渡壽命。在交點左側，即低周疲勞范圍內，塑性應變幅起主導作用，材料的疲勞壽命由塑性控制；在高周疲勞區(qū)，彈性應變幅起主導作用，材料的疲勞壽命由強度控制。選材時，高周疲勞主要考慮強度，低周疲勞考慮塑性。第六章名詞解釋：應力腐蝕：金屬在拉應力和化學介質的共同作用下引起的脆性斷裂叫應力腐蝕。氫蝕：氫與金屬中的第二相作用生成高壓氣體，使機體金屬晶界結合力減小而最終斷裂的現象。白點：在熔煉時，若鋼中含有過量的氫，且未能擴散逸出，這在冷卻時聚集到缺陷處，形成氫氣。在該處內壓力很大，足以將金屬局部撕裂，形成微裂紋。這種微裂紋的斷面呈銀白色圓或橢圓，故稱為白點。氫化物致脆：第四、五副族金屬易與氫形成脆性氫化物，使金屬脆化的現象。氫致延滯斷裂：高強度鋼中固溶一定量的氫，在低于屈服強度的應力持續(xù)作用下，經過一段孕育期后，金屬內部形成裂紋，發(fā)生斷裂。Iscc ：材料不發(fā)生應力腐蝕的臨界應力。KIscc：不發(fā)生應力腐蝕斷裂的最大應力場強度因子稱為應力腐蝕臨界應力場強度因子KIscc。KIscc表示含有宏觀裂紋的材料，在應力腐蝕條件下的斷裂韌度。6.何謂氫致延滯斷裂？為什么高強度鋼的氫致延滯斷裂是在一定的應變速率下和一定的溫度范圍內出現？答：高強度鋼中固溶一定量的氫，在低于屈服強度的應力持續(xù)作用下，經過一段孕育期后，金屬內部形成裂紋，發(fā)生斷裂。-氫致延滯斷裂。因為氫致延滯斷裂的機理主要是氫固溶于金屬晶格中，產生晶格膨脹畸變，與刃位錯交互作用，氫易遷移到位錯拉應力處，形成氫氣團。當應變速率較低而溫度較高時，氫氣團能跟得上位錯運動，但滯后位錯一定距離。因此，氣團對位錯起“釘扎”作用，產生局部硬化。當位錯運動受阻，產生位錯塞積，氫氣團易于在塞積處聚集，產生應力集中，導致微裂紋。若應變速率過高以及溫度低的情況下，氫氣團不能跟上位錯運動，便不能產生“釘扎”作用，也不可能在位錯塞積處聚集，產生應力集中，導致微裂紋。所以氫致延滯斷裂是在一定的應變速率下和一定的溫度范圍內出現的。第七章磨損：機件表面相互接觸并產生相對運動，表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸損失、造成表面損傷的現象。接觸疲勞：兩接觸面做滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應力長期作用下，材料表面因疲勞損傷，導致局部區(qū)域產生小片金屬剝落而使材料損失的現象。3.粘著磨損產生的條件、機理及其防止措施 - 又稱為咬合磨損，在滑動摩擦條件下，摩擦副相對滑動速度較小，因缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應力超過實際接觸點處屈服強度而產生的一種磨損。磨損機理：實際接觸點局部應力引起塑性變形，使兩接觸面的原子產生粘著。粘著點從軟的一方被剪斷轉移到硬的一方金屬表面，隨后脫落形成磨屑舊的粘著點剪斷后，新的粘著點產生，隨后也被剪斷、轉移。如此重復，形成磨損過程。改善粘著磨損耐磨性的措施1.選擇合適的摩擦副配對材料選擇原則：配對材料的粘著傾向小互溶性小表面易形成化合物的材料金屬與非金屬配對2.采用表面化學熱處理改變材料表面狀態(tài)進行滲硫、磷化、碳氮共滲等在表面形成一層化合物或非金屬層，即避免摩擦副直接接觸又減小摩擦因素。3.控制摩擦滑動速度和接觸壓力減小滑動速度和接觸壓力能有效降低粘著磨損。4.其他途徑改善潤滑條件，降低表面粗糙度，提高氧化膜與機體結合力都能降低粘著磨損。影響接觸疲勞壽命的因素？內因1.非金屬夾雜物脆性非金屬夾雜物對疲勞強度有害適量的塑性非金屬夾雜物（硫化物）能提高接觸疲勞強度塑性硫化物隨基體一起塑性變形，當硫化物把脆性夾雜物包住形成共生夾雜物時，可以降低脆性夾雜物的不良影響。生產上盡可能減少鋼中非金屬夾雜物。2.熱處理組織狀態(tài)接觸疲勞強度主要取決于材料的抗剪切強度，并有一定的韌性相配合。當馬氏體含碳量在0.40.5w%時，接觸疲勞壽命最高。馬氏體和殘余奧氏體的級別殘余奧氏體越多，馬氏體針越粗大，越容易產生微裂紋，疲勞強度低。未溶碳化物和帶狀碳化物越多，接觸疲勞壽命越低。3.表面硬度和心部硬度在一定硬度范圍內，接觸疲勞強度隨硬度的升高而增加，但并不保持正比線性關系。表面形成一層極薄的殘余奧氏體層，因表面產生微量塑性變形和磨損，增加了接觸面積，減小了應力集中，反而增加了接觸疲勞壽命。滲碳件心部硬度太低，表層硬度梯度過大，易在過渡區(qū)內形成裂紋而產生深層剝落。表面硬化層深度和殘余內應力硬化深度要適中，殘余壓應力有利于提高疲勞壽命。外因1.表面粗糙度減少加工缺陷，降低表面粗糙度，提高接觸精度，可以有效增加接觸疲勞壽命。接觸應力低，表面粗糙度對疲勞壽命影響較大接觸應力高，表面粗糙度對疲勞壽命影響較小2.硬度匹配兩個接觸滾動體的硬度和裝配質量等都應匹配適當。第八章蠕變：在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產生塑性變形的現象。等強溫度（TE）：晶粒強度與晶界強度相等的溫度。蠕變極限：在高溫長時間載荷作用下不致產生過量塑性變形的抗力指標。 該指標與常溫下的屈服強度相似。持久強度極限：在高溫長時載荷作用下的斷裂強度-持久強度極限。蠕變極限的兩種表達方式：1. 在規(guī)定溫度(t)下，使試樣在規(guī)定時間內產生的穩(wěn)態(tài)蠕變速率()不超過規(guī)定值的最大應力（t）。6001X10-5=60MPa表示溫度為600，穩(wěn)定蠕變速率為1X10-5%/h的蠕變極限為60MPa。2.在規(guī)定溫度(t)下和實驗時間()內，是試樣產生的蠕變總伸長率()不超過規(guī)定的最大值 t/。5001/105=100MPa，表示材料在500，105h后總的生產率位1%的蠕變極限為100MPa。持久強度極限的表達式在規(guī)定溫度(t)下，達到規(guī)定的持續(xù)時間()而不發(fā)生斷裂的最大應力（t ）。7001X103=30MPa表示溫度為700、1000h的持續(xù)強度極限為30MPa。四、影響金屬高溫力學性能的主要因素由蠕變斷裂機理可知要降低蠕變速度提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的速度；要提高斷裂抗力，即提高持久強度，必須抑制晶界的滑動，也就是說要控制晶內和