材料力學性能總結

1、材料力學性能：材料在各種外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。屈服現(xiàn)象：外力不增加，試樣仍然繼續(xù)伸長，或外力增加到一定數(shù)值時突然下降，隨后在外力不增加或上下波動情況下，試樣繼續(xù)伸長變形。屈服過程：在上屈服點，呂德斯帶形成；在下屈服點，呂德斯帶擴展；當呂德斯帶掃過整個試樣時，屈服伸長結束。屈服變形機制：位錯運動與增殖的結果。屈服強度：開始產(chǎn)生塑性變形的最小應力。屈服判據(jù)：屈雷斯加最大切應力理論：在復雜應力狀態(tài)下，當最大切應力達到或超過相同金屬材料的 拉伸屈服強度時產(chǎn)生屈服。米賽斯畸變能判據(jù)：在復雜應力狀態(tài) 下，當比畸變能等于或超過相同金屬材料在單向拉伸 屈服時的比畸變能時，將產(chǎn)生屈服。消除辦法：加入少

2、量能奪取固溶體合金中溶質(zhì)原子的物質(zhì)，使之形成穩(wěn)定化合物的元素；通過預變形，使柯氏氣團被破壞。影響因素：1. 內(nèi)因：a）金屬本性及晶格類型：金屬本性及晶格類型不同，位錯運動所受的阻力不同。b）晶粒大小和亞結構：減小晶粒尺寸將使屈服強度提高。c）溶質(zhì)元素：固溶強化。d）第二相2. 外因：溫度（-）；應變速率（+）；應力狀態(tài)。第二相強化（沉淀強化+彌散強化）：通過第二相阻礙位錯運動實現(xiàn)的強化。強化效果：在第二相體積比相同的情況下，第二相質(zhì)點尺寸越小，強度越高，強化效果越好；在第二相體積比相同的情況下，長形質(zhì)點 的強化效果比球形質(zhì)點的強化效果好；第二相數(shù)量越多，強化效果越好。細晶強化：通過減小晶粒尺寸

3、增加位錯運動障礙的數(shù)目（阻力大），減小晶粒內(nèi)位錯塞積群的長度（應力?。?，從而使屈服強度提高的方法 。同時提高塑性及韌性的機理：晶粒越細，變形分散在更多的晶粒內(nèi)進行，變形較均勻，且每個晶粒中塞積的位錯少，因應力集中引起的開裂機會較少，有可能在斷裂之前承受較大的變形量，即表現(xiàn)出較高的塑性。細晶粒金屬中，裂紋不易萌生（應力集中少），也不易傳播（晶界曲折多），因而在斷裂過程中吸收了更多能量，表現(xiàn)出較高的 韌性。固溶強化：在純金屬中加入溶質(zhì)原子形成固溶合金，將顯著提高屈服強度。原因：溶質(zhì)原子與位錯的彈性相互作用，使溶質(zhì)原子擴散到位錯周圍，形成柯氏氣團；柯氏氣團釘扎位錯，提高位錯運動阻力。強化效果：間隙固

4、溶體的強化效果大于置換固溶體;溶質(zhì)和溶劑原子尺寸差越大,強化效果越好；溶質(zhì)濃度越大，強化效果越好。應變硬化（形變強化）：金屬材料塑性變形過程中所需要的外力不斷增大，表明金屬材料有一種阻止繼續(xù)塑性變形的能力。原因：塑性變形過程中，位錯不斷增殖，運動受阻所致。斷裂韌度：臨界或失穩(wěn)狀態(tài)下的應力場強度因子的大小。塑性變形：作用在物體上的外力取消后，物體的變形不完全恢復而產(chǎn)生的永久變形。1. 單晶體：滑移+孿生；2. 多晶體：各個晶粒塑性變形的綜合結果。特點：各晶粒變形的 不同時性；不均勻性；相互協(xié)調(diào)性。彈性變形：當外力去除后，能恢復到原來形狀或尺寸的變形。物理實質(zhì)：晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反

5、映。特點：可逆性；單值性；全程性；變形量很小。構件的剛度：構件產(chǎn)生單位彈性變形所需要的載荷。物理意義：表示構件的彈性穩(wěn)定性 的參量，剛度越大，構件工作時越穩(wěn)定。在工程上，為了減輕重量，必須 選擇E較大的材料。彈性極限：金屬產(chǎn)生彈性變形而不產(chǎn)生塑性變形時所受的最大應力。它表示材料發(fā)生彈性變形的極限抗力。縮頸：韌性金屬材料在拉伸試驗時變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象。原因：應變硬化與截面積減小共同作用的結果。當應變硬化引起的承載力增加不能補償截面_積減小引起的承載力減小時，就會產(chǎn)生縮頸?？s頸判據(jù)1 :當應變硬化速率等于該處的真應力時，發(fā)生縮頸?？s頸判據(jù)2:當應變硬化指數(shù)等于最大真實均勻塑性應變量時，發(fā)

6、生縮頸。為什么真實應力-應變曲線需要校正？因為縮頸產(chǎn)生后，應力狀態(tài)由單向應力變?yōu)槿驊?，為了求得仍然是均勻軸向應力狀態(tài)下的真實應力，以得到真正的真實應力-應變曲線。為什么校正后的曲線應力下降？因為三向應力狀態(tài)下， 材料塑性變形比較困難， 所以必須提高軸向應力，使塑性變形繼續(xù)發(fā)生。靜力韌度：金屬材料光滑試樣在靜載荷作用下拉伸至斷裂，單位體積材料所吸收的能量。韌度指能量，韌性指能力。韌度：指金屬材料拉伸斷裂前單位體積材料所吸收的能量。韌性：指金屬材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。純剪切斷裂：特征：在切應力作用下，金屬產(chǎn)生塑性變形，沿滑移面分離而造成的斷裂。試樣內(nèi)部不產(chǎn)生 孔洞，位錯只能從試

7、樣表面放出。微孔聚集型斷裂：1. 通過微孔形核、長大聚合 而導致材料分離的。2. 宏觀特征：杯錐狀斷口；微觀特征： 韌窩。3. 微孔形核：位錯運動到第二相與基體界面處，塞積產(chǎn)生應力集中 ，使第二相質(zhì)點與基 體分離，形成微孔。4. 長大與聚合：每個微型拉伸試樣產(chǎn)生縮頸而斷裂，相鄰微孔聚合，形成微裂紋。然后在裂紋尖端的三向拉應力區(qū)及應力集中區(qū)形成新的微孔，借助內(nèi)縮頸與裂紋連通， 如此擴展直到裂紋斷裂。5. 韌窩大小的影響因素：第二相質(zhì)點的大小和密度；應變硬化指數(shù)；基體材料的塑性變形能力。6. 韌窩形狀的影響因素： 正應力：等軸韌窩；切應力：拉長韌窩；撕裂應力：撕裂韌窩。解理斷裂：在一定條件下，當外

8、加正應力達到一定數(shù)值后，以極快速率沿解理面產(chǎn)生的穿晶斷裂?；疚⒂^特征：河流花樣，解理臺階，舌狀花樣。解理裂紋的形成和擴展：1. 甄納-斯特羅位錯塞積理論a）形成：一群刃型 位錯沿滑移面運動遇到晶界等障礙 而形成位錯塞積群，產(chǎn)生的應力集中有可能達到斷裂強度而在材料內(nèi)部沿某一晶體學平面拉出一個裂口。b）長大擴展：塑性變形形成裂紋；裂紋在同一晶粒內(nèi) 初期長大；裂紋越過晶界 向相鄰 晶粒擴展。晶粒尺寸小于臨界值時，材料受力后先屈服，后斷裂；晶粒尺寸大于臨界值時，材料受力后直接脆性斷裂。2. 柯垂爾位錯反應理論a）位錯反應必須滿足柏氏矢量守恒性和能量降低性。b）原理：通過各相交滑移面上的位錯滑移，相遇

9、后發(fā)生 反應形成新位錯，新位錯塞積產(chǎn)生應力集中，使解理面開裂。3. 相同點：都是由于位錯運動受阻產(chǎn)生應力集中，從而形成初始裂紋的，即裂紋形成前都有少量塑性變形；裂紋擴展力學條件相同。4. 不同點：甄納-斯特羅位錯塞積理論的位錯 在晶界處受阻，裂紋產(chǎn)生于晶界；柯垂爾位錯反應理論的位錯在 晶內(nèi)解理面處受阻，裂紋產(chǎn)生于晶內(nèi)。理論斷裂強度（理想晶體解理）：是指在正應力作用下，將晶體的兩個原子面沿垂直于外力方 向拉斷所需的應力。是晶體在彈性狀態(tài)下的最大結合力。其中.為表面能，E為彈性模量，一為原子間的平衡距離。適用于 脆性斷裂。 格雷菲斯公式（裂紋物體的實際斷裂強度）：叫-“丿其中.為表面能，a為裂紋的

10、半長度，只適用于薄板。適用于有裂紋試樣的脆性斷裂斷裂判據(jù)：外加應力大于時裂紋擴展；裂紋半長度大于時裂紋擴展。位錯塞積及位錯反應理論（解理裂紋斷裂應力）：其中g為切變模量，“為釘扎常數(shù)，d為晶粒直徑。適用于 塑性變形中的斷裂 及無裂紋的完 整試樣。金屬在單向靜拉伸載荷下的性能1. 名詞解釋a）彈性比功：金屬開始塑性變形前單位體積吸收的最大彈性變形功 。b）彈性模量E：表征材料對彈性變形的抗力，其值越大，則在相同應力下產(chǎn)生彈性變 形就越小。影響因素：原子本性 及晶格類型。c）滯彈性：在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時間延長產(chǎn)生附加彈性應變，即應變落后于應力的現(xiàn)象。d）循環(huán)韌性：金屬材料在交變載荷作

11、用下吸收不可逆變形功的能力。e）包申格效應：材料經(jīng)預先加載并產(chǎn)生少量塑性變形，卸載后，再同向加載，規(guī)定殘余伸長應力增加，反向加載規(guī)定殘余伸長應力降低的現(xiàn)象。f）塑性：金屬斷裂前發(fā)生塑性變形（不可逆永久變形）的能力 。意義：i. 延伸率和斷面收縮率是安全性能指標，一定的塑性可 緩和應力集中，避免脆性斷裂；ii. 金屬的塑變能力是壓力加工成型工藝的基礎 ；iii. 用縱橫向延伸率之差也 可評定鋼材的質(zhì)量。g）斷后伸長率S :試樣拉斷后標距的伸長與原始標距的百分比。h）斷面收縮率“：試樣拉斷后縮頸橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比 對于在單一拉伸條件下工作的 長形零件，用 斷后伸長率3評定其

12、塑性；對于非長形零件，用斷面收縮率”評定其塑性。i）脆性：材料在外力作用下產(chǎn)生很小的變形即斷裂破壞的能力。j）韌性：指金屬材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。k）解理臺階：相互平行且位于不同高度 的解理面連接形成的臺階。l）河流花樣：若干解理臺階匯合形成的花樣 。m）解理刻面：大致以晶粒大小為單位的解理面。解理裂紋的擴展：晶界應力集中t一系列相互平行而位于不同高度的解理面相互連接形成解理臺階t若干解理臺階匯合形成 河流狀花樣（支流匯合方向即為裂紋擴展方向）n）解理面：金屬材料在外力作用下嚴格沿著一定晶體學平面發(fā)生解理斷裂時的平面，一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面。o）穿晶斷裂：裂紋穿過晶

13、內(nèi)發(fā)生的斷裂；p）沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴展發(fā)生的斷裂；q）韌脆轉變：在一定溫度下，材料由韌性狀態(tài)轉變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象。r）二：規(guī)定殘余伸長率為 0.2%時的應力，用以表示材料的屈服強度。s）=:屈服狀態(tài)的金屬材料拉伸時，試樣在外力不增加仍能繼續(xù)伸長時的應力。t）抗拉強度，韌性金屬材料拉斷過程中最大載荷所對應的應力U)應變硬化指數(shù)n：表示金屬的應變硬化能力， 反映了金屬材料抵抗均勻塑性變形的S 二 Ken能力。（其值越大，曲線越陡， 抵抗均勻塑性變形的能力就越強，并不代表其塑 性差。）2. 金屬的彈性模量主要取決于什么？為什么說它是一個對結構不敏感的力學性能？彈性模量主要取決于 原子本性 及晶格

14、類型。由于彈性變形是原子間距在外力作用下可逆變化的結果,應力與應變關系實際上是原子間作用力與原子間距的關系，所以彈性模量與原子間作用力與原子間距有關，導致合金化， 熱處理，冷塑性變形對彈性模量的影響較小，因此說它對結構不敏感。3. 今有45、40Cr、35CrMo鋼和灰鑄鐵幾種材料，你選擇那種材料作為機床機身？為什么？機床床身需要良好的減震性能，即選擇高循環(huán)韌性的材料。而灰鑄鐵的循環(huán)韌性最高，消振性最好，因此選擇灰鑄鐵。4. 試舉出幾種能顯著強化金屬而又不降低其塑性的方法。a）細晶強化：通過減小晶粒尺寸增加位錯運動障礙的數(shù)目 _（阻力大），減小晶粒內(nèi)位錯塞積群的長度（應力?。?，從而使屈服強度提

15、高的方法。由于細化晶粒后晶界面積增大，而晶界是位錯運動的障礙，因此可以提高屈服強度。而且細晶可以使塑性變形分散到每 個晶粒內(nèi)進行，以此提高塑性和韌性。b）應變硬化：金屬材料塑性變形過程中所需要的外力不斷增大，因此可以通過使金屬材料發(fā)生塑性變形來強化金屬的方法。由于它只是提高了金屬抵抗均勻塑性變形的能力，并沒有影響金屬的塑性變形量，因此它可以在不影響塑性的情況下強化金屬。5. 為何工程應力-應變曲線上，塑性變形到一定程度時應力卻開始下降？因為工程應力-應變曲線上的應力和應變是用試樣原始截面積和原始標距長度來度量的, 并不代表實際瞬時的應力和應變。6. 如果工程應力-應變曲線與實際不符，那么為何還

16、要使用它？因為工程應力-應變曲線最重要的作用是可以表現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，可直觀地讀出縮頸點的位 置。7. 工程應力-應變曲線的下降是否說明應變硬化只發(fā)生在縮頸之前？否，應變硬化自塑性變形開始一直持續(xù)到塑性變形結束，真實應力-應變曲線可以很好地表現(xiàn)應變硬化現(xiàn)象。韌性斷裂：特征：斷裂前產(chǎn)生 明顯宏觀塑性變形，斷口形貌為 暗灰色纖維狀。脆性斷裂：特征：斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷裂面一般與正應力垂直，斷口呈平齊狀，可見明顯輻注意：任何材料在斷裂前都將產(chǎn)生塑性變形；一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5%為脆性斷裂，大于 5%為韌性斷裂；金屬材料的韌性與脆性是根據(jù)一定條件下的塑性變形量來規(guī)定的。穿晶可以是韌性

17、或脆性斷裂，但沿晶多為脆性斷裂。8.射狀線或結晶狀。何謂拉伸斷口三要素？影響宏觀拉伸斷口性態(tài)的因素有哪些？a）三要素指剪切唇，放射區(qū)及纖維區(qū)。b）影響因素有試樣的形狀尺寸，金屬材料的性能以及試驗溫度，加載速率，受力狀 態(tài)。當試樣含有缺口，越厚，強度越高，塑性越差，試驗溫度越低，加載速率越快， 受到三向應力作用時更容易出現(xiàn)脆斷的宏觀形貌。9.有一材料E = 2x 1011N/m2, 丫 s = 8N/m。試計算在7X 107 N/m 2的拉應力作用下，該材 料中能擴展的裂紋最小長度？由格里菲斯實際斷裂強度可知，-：嘗代入得裂紋半長度 a=0.2mm，即裂紋長度為 0.4mm。巧護 + kky =

18、 2Gysq試根據(jù)方程，討論下述因素對金屬材料韌脆轉變的影響。a）材料成分：合金元素引起單系滑移或?qū)\生，產(chǎn)生位錯釘扎，減小表面能及形成粗大的第二相都會增大脆性斷裂傾向；細化晶粒及獲得彌散第二相可以使脆斷傾向減小。b）雜質(zhì)：使釘扎常數(shù)增大，增大脆性斷裂傾向。10.c）溫度：溫度越高，位錯運動阻力越小，越容易發(fā)生韌性斷裂。d）晶粒大小：晶粒越細小，塑性韌性提高，脆斷傾向減小。e）應力狀態(tài)：切應力越大，正應力越小，脆斷傾向越小。f）加載速率：加載速率越高，位錯運動阻力越大，越容易發(fā)生脆斷。EX.內(nèi)部因素的影響：i. 切變模量G： G越高，脆斷傾向越?。籭i. 有效表面能表面能+塑性變形功）：fcc的

19、.更大，不易發(fā)生脆性斷裂；iii. 位錯在金屬中運動的阻力 （派納力）:越大則位錯越不易運動，脆性越大;iv. 晶粒尺寸d:見上；v. 釘扎常數(shù)X ：其越大，位錯越不易運動，越容易出現(xiàn)脆性斷裂。EX2.外部因素影響：應力狀態(tài)；溫度；應變速率：見上。1. 名詞解釋a）應力狀態(tài)軟性系數(shù) a:金屬的最大切應力 與最大正應力 的比值，即二者的相對大小 正應力促進脆性斷裂；切應力促進塑性變形和韌性斷裂。a越大，最大切應力越大，應力狀態(tài)越“軟”，越易產(chǎn)生塑性變形和韌性斷裂；a越小，最大正應力越大，應力狀態(tài)越“硬”，越易產(chǎn)生脆性斷裂。i. 壓縮實驗的特點：1. 單向壓縮試驗的應力狀態(tài)軟性系數(shù)a =2,主要用

20、于拉伸時呈脆性的金屬材料力學性能測定；時發(fā)生塑性變形而韌斷。2. 拉伸時塑性很好的材料，在壓縮時只發(fā)生壓縮變形而不斷裂；拉伸為脆性斷裂的材料，在壓縮ii. 彎曲實驗的特點：1. 試樣加工方便，試驗操作簡單，且不會出現(xiàn)拉伸試驗時加載偏心等困難；2. 試樣截面上的應力分布不均勻，表面應力最大，故可較靈敏地反映材料的表面缺陷iii. 彎曲實驗的用途：1. 測定彎曲力學性能指標；2. 用于反映材料的表面質(zhì)量和表面缺陷；3. 用于反映脆性或低塑性材料的強度和塑性。iv. 扭轉實驗的特點：應力對稱分布；應力狀態(tài)軟性系數(shù)a =0.8，比拉伸時的a大，易于顯示金屬的 塑性行為; 扭轉時塑性變形均勻，沒有縮頸現(xiàn)

21、象，所以能實現(xiàn)大塑性變形量下的試驗;. 能較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。5. 根據(jù)斷口的宏觀特征，明確區(qū)分最終斷裂方式。b）應力集中：應力分布不均勻并出現(xiàn)最大值的現(xiàn)象。c）應力集中系數(shù)K :表示缺口試樣的應力集中程度。（最大應力/平均應力）只取決于缺口的幾何形狀，與材料性質(zhì)無關。具有局部效應。d）缺口效應：由于缺口的存在引起應力集中，并引起兩向應力狀態(tài)或三向應力狀態(tài)， 使材料的強度增高，塑性下降，脆性增大的現(xiàn)象。薄板缺口前方為兩向應力狀態(tài)，厚板缺口前方為三向應變狀態(tài)。 彈性和塑性狀態(tài)的比較：相同點：彈性狀態(tài)下和塑性狀態(tài)下都會產(chǎn)生應力應變集中和三向應力狀態(tài)，從而導致

22、變脆。不同點：應力最大位置不同，且彈性狀態(tài)下，抗拉強度降低；塑性狀態(tài)下，屈服強度和抗拉強度增大。e) 缺口敏感性：因缺口存在造成兩向/三向應力狀態(tài)和應力應變集中而變脆的傾向。f) 缺口敏感度NSR缺口試樣的抗拉強度與等截面的光滑試樣的抗拉強度的比值。% NSR =脆性材料：NSR1,不敏感。NSR值越大，缺口敏感性越小。g) 布氏硬度HBW:用一定直徑的 硬質(zhì)合金球 作壓頭，施以一定的試驗力，將其壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，試樣表面將殘留壓痕。單位壓痕凹面積上承受的載荷值即為布氏硬度值HBW。優(yōu)點：壓痕面積較大，能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能，不受個別組成相及微小不均勻

23、性的影 響，且試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復性強。缺點：對HBW45以上的太硬材料不能使用；不宜于某些表面不允許有較大壓痕的成品或薄件檢驗；不同材料要換球體和載荷，d的測量也比較麻煩。h) 洛氏硬度HR?:以測量壓頭的壓痕深度來表示的材料硬度值。優(yōu)點：操作簡便、迅速，硬度值可直接讀出；壓痕小，不傷工件表面，可在工件上直接實驗；采用不同標尺 可測定各種軟硬不同的金屬和厚薄不一的試樣的硬度。缺點：壓痕較小，代表性差；所測硬度值重復性差，分散度大； 不同標尺測得的硬度值不能直接比較。i) 維氏硬度HV：根據(jù)壓痕單位面積上承受的試驗力作為硬度值，壓頭為兩相對面間 夾角為136的金剛石四棱錐體。優(yōu)點：不存在載荷和壓

24、頭直徑的約束，以及壓頭變形問題；不存在洛氏硬度值無法統(tǒng)一的問題；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。缺點：生產(chǎn)效率沒有洛氏高。j) 抗壓強度：試樣壓至破壞過程中的最大應力。k) 抗彎強度試樣彎曲至斷裂前達到的最大彎曲力。l) 抗扭強度“：試樣在扭斷前承受的最大扭矩。2. 試綜合比較單向拉伸，壓縮，彎曲及扭轉試驗的特點和應用范圍。a) 單向拉伸：i. 容易操作，應用廣泛；ii. 測試的是材料與時間無關的力學行為；iii. 采用的是光滑完整試樣；iv. 常溫、大氣介質(zhì)，單向靜拉伸載荷；v. 用于測定材料的彈性、強度和塑性性能 。b) 壓縮：i. 單向

25、壓縮試驗的應力狀態(tài)軟性系數(shù)a =2,主要用于拉伸時呈脆性的金屬材料力學性能的測定。ii. 拉伸時塑性很好的材料，在壓縮時只發(fā)生壓縮變形而不斷裂；拉伸為脆性斷裂的材料，在壓縮時發(fā)生塑性變形而韌斷。c) 彎曲：i. 特點：1. 試樣加工方便，試驗操作簡單，且不會出現(xiàn)拉伸試驗時加載偏心等困難；2. 試樣截面上的應力分布不均勻，表面應力最大，故可較靈敏地反映材料的 表面缺陷。ii. 應用：1. 測定彎曲力學性能指標；2. 用于反映材料的 表面質(zhì)量和表面缺陷；3. 用于反映脆性或低塑性材料的強度和韌性。d) 扭轉試驗i. 特點：1. 應力呈中心對稱分布；2. 應力狀態(tài)軟性系數(shù)a =0.8,比拉伸時大，易

26、于顯示金屬的塑性行為；3. 扭轉時塑性變形均勻，沒有縮頸 現(xiàn)象，所以能實現(xiàn)大塑性變形量下的試 驗。4. 能較敏感地反映出金屬 表面缺陷及表面硬化層 的性能。5. 可以根據(jù)斷口的宏觀特征，明確區(qū)分最終斷裂方式。ii. 應用：用于測定材料的 切斷強度和表面質(zhì)量。3. 試述脆性材料彎曲試驗的特點及應用。a) 特點：i. 試樣加工方便，試驗操作簡單，且不會出現(xiàn)拉伸試驗時加載偏心等困難；ii. 試樣截面上的應力分布不均勻，表面應力最大，故可較靈敏地反映材料的表面缺陷。b) 應用：i. 測定彎曲力學性能指標；ii. 用于反映材料的表面質(zhì)量和表面缺陷；iii. 用于反映其強度和韌性。金屬在沖擊載荷下的力學性

27、能沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點：1. 包括彈性變形、塑性變形、斷裂；2. 沖擊力時間短且測不準；3. 對金屬材料的彈性行為及彈性模量無影響。4. 滑移臨界切應力增大，金屬產(chǎn)生應變速率硬化。5. 塑性變形難以充分進行且極不均勻。1.名詞解釋a) 加載速率：載荷施加于試樣或機件時的速率，用單位時間內(nèi)應力增加的數(shù)值表示。b) 沖擊韌性：材料在沖擊載荷作用下，吸收塑性變形功和斷裂功的能力。c) 沖擊吸收功：試樣變形和斷裂所消耗的功 。Ak, ak值越大，材料的韌性越好。無論Ak還是ak均不能完全真正反映材料的韌脆程度(包括了部分彈性變形功)。用途：沖擊韌度可以作為零件工作時的安全性指標；能反映原材料

28、的冶金質(zhì)量和熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量；可以測定材料的韌脆轉變溫度，從而評定材料的低溫脆性傾向。d) 低溫脆性：BCC或HCP金屬及合金，在低于某一溫度時，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇?性狀態(tài)，斷裂機理由微孔聚集型變?yōu)榻饫硇停瑪嗫谔卣饔衫w維狀變?yōu)榻Y晶狀的特性面心立方 及高強度材料 不存在低溫脆性。e) 韌脆轉變溫度：沖擊韌性顯著下降時的溫度，是衡量材料冷脆轉化傾向的重要指標i. 意義：tk是材料的韌性指標，因為它反映了溫度對韌脆性的影響。tk是安全性指標，是從韌性角度選材的重要依據(jù)之一，可用于抗脆斷設計。 對于低溫下服役的機件，依據(jù)tk可以直接或間接地 估計最低使用溫度。ii. 能量定義法：以低階能定義tk(

29、NDT):低于NDT斷口由100%吉晶區(qū)組成。最危險以高階能定義t k(FTP):高于FTP，斷口由100%千維區(qū)組成。最保守以低階能和高階能平均值來定義t k(FTE)。iii. 斷口形貌定義法取結晶區(qū)面積占整個斷口面積 50%寸的溫度為tk，稱為50%FATTiv. 注意：由于定義方法不同， 同一材料所得到的tk不同；同一材料，使用同一定義方法 ，由于外界因素改變，如試樣尺寸、缺口尖銳程度和加載速 率發(fā)生變化，tk也發(fā)生變化；在一定條件下，用試樣測得的 tk不能說明該材料構成的機件一定在該溫度下脆斷。f) 韌性溫度儲備：材料的使用溫度與韌脆轉變溫度之差$，材料先屈服再斷裂，為韌性斷裂； 低

30、于tk時，oc片狀或網(wǎng)狀第二相的Ak；單相的Ak高于復相合金。第二相越細小，均勻分布，與基體性能越接近，韌脆轉變溫度低。iii. 內(nèi)部缺陷：降低Ak；iv. 表面狀態(tài)：AkvAku光滑試樣的Ak。d) 強度等級：高強度鋼不存在低溫脆性。3. 試述焊接船舶比鉚接船舶容易發(fā)生脆性破壞的原因。由于船舶長時間在低溫下航行，因此使用焊接結構很容易產(chǎn)生低溫脆性，導致脆性破壞。而鉚接結構則不存在這一缺陷。而且焊接過程中容易出現(xiàn)粗大的金相組織及氣孔，未熔合等 缺陷，增加裂紋敏感度，增加材料脆性，容易發(fā)生脆性斷裂。4. 下列三組試驗方法中，請舉出每一組中哪種試驗方法測得的tk較高？為什么？a）拉伸和扭轉拉伸測得

31、的tk較高。因為拉伸的應力狀態(tài)軟性系數(shù)更小，應力狀態(tài)更硬，更易顯 示材料的脆性性能，因此測得的tk更高。b）缺口靜彎曲和缺口沖擊彎曲缺口沖擊彎曲測得的tk較高。因為在沖擊狀態(tài)下會發(fā)生 應變速率硬化，材料會表現(xiàn)出脆性的力學性能，因此測得的tk更高。c）光滑試樣拉伸和缺口試樣拉伸缺口試樣拉伸測得的tk更高。因為在缺口狀態(tài)下會形成缺口效應，引起兩向或三向應力狀態(tài)，使塑性材料強度增高，塑性降低，顯示出脆性特征。因此測得的tk更高。影響金屬韌脆性的三大外部因素：沖擊，溫度，缺口 。金屬的斷裂韌度三種裂紋形式： 張開型，滑開型，撕開型。1. 名詞解釋：a）低應力脆斷：材料實際承受的應力小于斷裂極限甚至小于

32、屈服極限時發(fā)生的脆性斷 裂。b）張開型裂紋：拉應力垂直于裂紋擴展面，裂紋沿作用力方向張開， 沿裂紋面擴展的裂紋。c）滑開型：切應力平行于裂紋面，垂直于裂紋線，裂紋沿裂紋面平行滑開擴展。d）撕開型：切應力平行于裂紋面，平行于裂紋線，裂紋沿裂紋面撕開擴展e）應力場強度因子：對于給定材料及裂紋尖端附近確定點，決定裂紋尖端應力場的 大小或強弱程度的 Ki值。對于無限大板的穿透裂紋，a為半長度。lltr/iTHK =對于無限大板的表面半橢圓裂紋，a為裂紋深度，c為裂紋半長度。修正條件：當時，需要進行修正。用以計算圓筒表面應力:，P為圓筒內(nèi)部的壓強。其中，的單位為MPa意義：K表示應力場的強弱程度，K越大

33、，則應力場各應力分量越大；K是一個決定于b和 a的復合力學參量，可以把 K看成引起 裂紋擴展的動力。f）斷裂韌度：臨界或失穩(wěn)狀態(tài)下的應力場強度因子的大小。Kc是真正的材料常數(shù)，與試樣厚度無關，表示材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展（斷裂）的 能力。如果KiKc，因此該件不安全。5. 有一軸件平均軸向工作應力150MPa，使用中發(fā)生橫向疲勞脆性正斷，斷口分析表明有25mm深的表面半橢圓疲勞區(qū)，根據(jù)裂紋a/c得$ =1,測試材料的 ：，試估算材料的斷裂韌度 Kic是多少？首先，： -1 ,不需要修正。此處可以認為疲勞斷口正好處于臨界裂紋尺寸時發(fā)生斷裂。因此對于表面半橢圓裂紋，計算得Kic=62.2 1；。金屬的

34、疲勞1. 名詞解釋a）變動載荷：載荷大小甚至方向均隨時間變化的載荷稱為變動載荷。b）疲勞：金屬構件在變動應力和應變長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象c）應力幅：循環(huán)應力中應力變動部分的幅值；d）應力比：應力循環(huán)對稱系數(shù)，指應力循環(huán)的不對稱程度；按應力狀態(tài)分：彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、復合疲勞； 按環(huán)境和接觸情況分：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞； 按壽命、應力高低分：高周疲勞、低周疲勞。特點：疲勞是低應力循環(huán)延時斷裂；疲勞是脆性斷裂；疲勞對缺陷十分敏感。 斷口的宏觀特征:疲勞源、疲勞區(qū)、瞬斷區(qū) 。i. 疲勞源：光亮度大，是疲勞裂紋的萌生地；應力狀態(tài)及大小不同，可有一個

35、或幾個疲勞源。ii. 疲勞區(qū)：光滑，分布有貝紋線。貝紋線是疲勞區(qū)的最典型宏觀特征。是判斷疲勞斷裂的重要依據(jù)。貝紋線的意義：1. 是疲勞斷口最典型的 宏觀特征；其凹向為疲勞源，凸側指向裂紋擴展方向， 或者與此相反；2. 貝紋線的間距越小，說明材料韌性越好，說明疲勞裂紋的擴展速率越慢；3. 離疲勞源越近，貝紋線越密集。iii. 瞬斷區(qū)：粗糙，結晶狀或放射狀。是裂紋失穩(wěn)擴展形成的斷口區(qū)域。1. 裂紋長大達到臨界尺寸；2. 裂紋尖端應力集中達到斷裂強度；3. 裂紋尖端的應力場強度因子達到斷裂韌度。4. 一般在疲勞源的對側。疲勞過程：i. 疲勞裂紋的萌生a）表面滑移帶開裂；b）第二相、夾雜物或其界面開裂

36、；c）晶界或亞晶界開裂ii. 疲勞裂紋的亞穩(wěn)擴展a）第一階段：沿主滑移系成 45，以純剪切方式向內(nèi)擴展。b）第二階段：由于晶粒位向的不同和晶界的阻礙，裂紋方向轉向與外力軸垂直， 進入第二階段疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展的主要部分。c）塑性鈍化模型機理：拉應力下，裂紋張開且發(fā)生塑性變形， 拉應力達到最大值，裂紋尖端變?yōu)榘雸A形，發(fā)生鈍化，裂紋尖端應力集中減小，裂紋停止擴展，形成一個疲勞條帶。iii. 疲勞裂紋的失穩(wěn)擴展e）疲勞貝紋線:由載荷變動 在裂紋擴展前沿線 留下的宏觀弧狀臺階痕跡。貝紋線與疲勞條帶的區(qū)別：i. 疲勞條帶是疲勞斷口 微觀特征，一次應力循環(huán) 產(chǎn)生一條疲勞條帶；貝紋線是疲勞斷口宏觀特征，由大的

37、載荷變動引起。二者可以同時出現(xiàn)， 也可以不同時出 現(xiàn)；ii.相鄰貝紋線間可能有成千上萬條疲勞條帶；iii. 循環(huán)應力下疲勞條帶是相互平行、等間距的；貝紋線在疲勞源附近較密，偏離疲勞源時則較稀疏；判斷裂紋擴展方向通常利用貝紋線；f）疲勞曲線：疲勞應力與疲勞壽命的關系曲線。有應變時效的金屬材料的疲勞曲線有水平段。g）疲勞極限：材料能經(jīng)無限次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最大應力，也稱疲勞強度。h）條件疲勞極限：規(guī)定疲勞壽命下材料能承受的上限循環(huán)應力。疲勞斷裂的條件：對稱應力循環(huán)：-1 ；非對稱應力循環(huán)：r。i）擠出脊：隨駐留滑移帶的加寬，經(jīng)反復滑移，金屬從內(nèi)部擠出金屬表面；j）侵入溝：反復滑移將金屬擠

38、入內(nèi)部，在表面形成的溝槽。k）疲勞條帶：裂紋擴展時留下的微觀痕跡，每一條帶可以看作一次應力循環(huán)的擴展痕跡，是疲勞斷口最典型的微觀特征。l）疲勞裂紋擴展速率：在一個應力循環(huán)周期內(nèi)，疲勞裂紋向前擴展的距離。影響因素：應力比（-），過載峰，殘余拉應力（+），材料組織（晶粒直徑+）。m）過載損傷界：測出不同過載應力水平和相應的開始降低疲勞壽命的應力循環(huán)周次，連接各試驗點得到的直線 。n）過載持久值：金屬材料在高于疲勞極限的應力下運行時，發(fā)生疲勞斷裂的應力循環(huán)周次。0）過載損傷：在高于疲勞極限的應力水平下運轉一定周次后，其疲勞極限或疲勞壽命減小的現(xiàn)象。_音-1_疲勞缺口敏感度qf:，疲勞缺口系數(shù)意義：反

39、映了在疲勞過程中材料發(fā)生應力重新分布，降低應力集中的能力。 qf越小，其缺口敏感性越小。影響因素：i. 強度：qf隨材料強度的升高而增大，高強度材料的疲勞缺口敏感度較高；ii. 缺口半徑：曲率半徑較小時，缺口越尖銳，qf值越低；缺口曲率半徑較大時，缺口尖銳度對qf的影響不大。iii. 應力大?。焊咧芷跁r，qf值高；低周疲勞時，qf值低。p）駐留滑移帶：在循環(huán)應力作用下，永留或能再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶。 特點：低應力；不均勻性；持久駐留性。q）疲勞裂紋擴展門檻值 Kth :疲勞裂紋不擴展的應力強度因子幅的臨界值。意義：表示材料阻止疲勞裂紋開始擴展的性能，是材料的力學性能指標。 疲勞裂紋擴展速率曲線：

40、I區(qū)一疲勞裂紋初始擴展階段：擴展壽命不長； II區(qū)一疲勞裂紋擴展的主要階段：擴展壽命長； III區(qū)一疲勞裂紋擴展的最后階段：裂紋失穩(wěn)擴展。（7 -1 :光滑試樣的無限壽命疲勞強度，用于傳統(tǒng)的疲勞強度設計； 心:裂紋試樣 的無限壽命疲勞性能，適于裂紋體的設計。r）應力強度因子幅：在裂紋尖端控制裂紋擴展的復合力學參量； S）疲勞壽命：一定7 max時的應力循環(huán)次數(shù) N。t）熱疲勞：由溫度梯度和不均勻膨脹的循環(huán)變化產(chǎn)生的循環(huán)熱應力和熱應變作用下， 產(chǎn)生的疲勞。u）噴丸：用壓縮空氣將堅硬的小彈丸高速噴打向機件表面，使機件表面產(chǎn)生局部 形變強化，同時產(chǎn)生 殘余壓應力。V）低周疲勞：金屬在循環(huán)載荷作用下，

41、疲勞壽命為102105次的疲勞斷裂。低周疲勞存在 循環(huán)硬化與循環(huán)軟化現(xiàn)象。w）循環(huán)硬化：在恒定應變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應力不斷增加。X） 循環(huán)軟化：在循環(huán)過程中，應力逐漸減小。 影響疲勞強度的主要因素：a）表面狀態(tài)及尺寸因素的影響應力集中：缺口導致應力集中，產(chǎn)生微裂紋，7-1NJ；表面粗糙度：提高時，引起應力集中，使7-1下降；尺寸因素：尺寸增加，疲勞極限下降；原因：尺寸增大，表面積相應增加，表面含 宏觀、微觀缺陷的絕對量及幾率上升。彎、扭載荷時，若表面應力相同，試樣直徑大則應力梯度小，即高應力區(qū)體積大，損傷的區(qū)域大 。b）殘余應力及表面強化 的影響：表面疊加殘余壓應力，使總應力降

42、低，疲勞強度提高。 表面強化處理：目的：產(chǎn)生表面殘余壓應力；提高表面強度硬度。方法：表面噴丸和滾壓處理；表面化學熱處理；表面淬火。c）材料成分及組織的影響合金成分：碳元素形成固溶強化提高疲勞極限，過高會使其下降。顯微組織：細化晶粒提高疲勞極限，熱處理組織的球狀第二相優(yōu)于片狀；非金屬夾雜物及冶金缺陷：使疲勞強度下降。提高疲勞強度的途徑：減少夾雜物數(shù)量、減小尺寸；夾雜物表面改性。d）工作條件的影響2. 解釋下列疲勞性能指標的意義a）疲勞極限d -1：材料經(jīng)無限次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最大應力；b）疲勞缺口敏感度qf：反映了在疲勞過程中材料發(fā)生應力重新分布，降低應力集中的能力。c）過載損傷界：測

43、出不同過載應力水平和相應的開始降低疲勞壽命的應力循環(huán)周次， 連接各試驗點得到的直線。d）疲勞門檻值 Kth :表示材料阻止疲勞裂紋開始擴展的性能，是材料的力學性能指 標。3. 試述金屬疲勞斷裂的特點。a）疲勞是低應力循環(huán)延時斷裂；b）疲勞是脆性斷裂；c）疲勞對缺陷十分敏感。4. 試述疲勞斷口的主要特征及其形成模型。a）疲勞源：光亮度最大，是疲勞裂紋的萌生地；應力狀態(tài)及大小不同，可有一個或幾個疲勞源。是由于裂紋在亞穩(wěn)擴展中斷面不斷擠壓摩擦形成的。b）疲勞區(qū)：光滑，分布有貝紋線。是由于載荷變動引起的。c）瞬斷區(qū)：粗糙，結晶狀或放射狀。是裂紋失穩(wěn)擴展形成的斷口區(qū)域。5. 試述金屬表面強化對疲勞強度的

44、影響。金屬表面強化方式有 表面噴丸和滾壓處理，表面化學熱處理及表面淬火。它們可以使 表面產(chǎn)生殘余壓應力，提高表面強度硬度，借此提高金屬的疲勞強度。金屬的應力腐蝕和氫脆斷裂1. 名詞解釋a）應力腐蝕：金屬在拉應力和特定的化學介質(zhì) 共同作用下，經(jīng)過一段時間 后所產(chǎn)生 的低應力脆斷現(xiàn)象。產(chǎn)生條件：拉應力；特定的化學介質(zhì)；合金材料。i. 機理：滑移-溶解理論（鈍化膜破壞理論）1. 鈍化：在特定化學介質(zhì)中，表面形成一層鈍化膜；2. 滑移：拉應力作用下，局部塑性變形，產(chǎn)生滑移；3. 膜破：滑移臺階在表面露頭時鈍化膜破裂，露出新鮮表面；4. 陽極溶解：新鮮金屬為陽極，有鈍化膜的金屬為陰極，形成電化學腐蝕ii

45、.斷口特征1. 宏觀形貌：有亞穩(wěn)擴展區(qū)，最后瞬斷區(qū)（與疲勞裂紋相似）；斷口呈黑色或 灰色。2. 微觀形貌：顯微裂紋呈枯樹枝狀；沿晶斷裂和穿晶斷裂； 表面可見泥狀花 樣的腐蝕產(chǎn)物及腐蝕坑。b)c)i.ii.iii.iv.v.vi.vii.viii.d)e)應力腐蝕門檻值Klscc：將試樣放在特定化學介質(zhì)中永不斷裂的最大應力場強度因子斷裂判據(jù)：1. K初始Kscc時，在應力作用下，材料或零件可以長期處于腐蝕環(huán)境中而不發(fā)生 破壞。2. KsccW K初始Kc時，在腐蝕性環(huán)境和應力共同作用下，裂紋呈亞臨界擴展，隨 裂紋不斷增長，裂紋尖端 K 值不斷增大，達到 Kc 斷裂。3. K初始 Ki c時，加上

46、初始載荷后試樣立即斷裂。 意義：表示含有宏觀裂紋的材料，在應力腐蝕條件下的斷裂韌度。 應力腐蝕裂紋擴展速率 ： 單位時間內(nèi)裂紋的擴展量 。第 階段： K 剛超過 K scc 時，裂紋突然加速擴展；第n階段：裂紋尖端鈍化、分叉，曲線出現(xiàn)水平線段；第川階段：裂紋長度接近臨界尺寸，快速擴展失穩(wěn)斷裂。防止應力腐蝕的措施：1. 合理選擇金屬材料：選用Ki SCC較高的合金。2. 減少或消除機件中的殘余拉應力 ：主要是應力集中，注意工藝措施。3. 改善化學介質(zhì) ：減少和消除有害化學離子，添加緩蝕劑。4. 采用電化學保護小結：應力腐蝕造成應力腐蝕破壞的是 靜應力 ， 遠低于材料的屈服強度 ，而且一般是 拉伸

47、應 力；應力腐蝕造成的破壞是 脆性斷裂 ，沒有明顯的塑性變形。只有在 特定的合金成分與特定的介質(zhì) 相組合時才會造成應力腐蝕。 應力腐蝕的裂紋擴展 是漸進緩慢的 ，這種亞臨界的擴展狀況一直達到某一臨界 尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時，就突然發(fā)生斷裂。應力腐蝕的裂紋多 起源于表面蝕坑處 ，而裂紋的傳播途徑常 垂直于拉力軸 。 應力腐蝕破壞的斷口，其 顏色灰暗 ，表面常有 腐蝕產(chǎn)物 ，而疲勞斷口的表面， 如果是新鮮斷口常常較光滑，有光澤。應力腐蝕的主裂紋擴展一般有 分枝 。應力腐蝕引起的斷裂可以是 穿晶斷裂 ，也可以是 沿晶斷裂 。如果是穿晶斷裂， 其斷口是解理或準解理的。氫脆： 由于氫和應力的

48、共同作用而導致金屬材料產(chǎn)生 脆性斷裂 的現(xiàn)象。 按照氫脆的來源可將氫脆分為：內(nèi)部氫脆；環(huán)境氫脆。氫蝕 ：氫與金屬第二相作用生成高壓氣體， 使基體金屬晶界結合力減弱而導致金屬 脆化 。按照脆斷機制不同將氫脆分為：1. 氫蝕 ：高壓氣體使晶界結合力減弱而導致金屬脆化。2. 白點 ：聚集在缺陷處的 H2 發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力很大足以將金屬局部撕裂， 形成微裂紋，微裂紋的斷面呈圓形或橢圓形，顏色為銀白色。3. 氫化物致脆：I VB或VB族金屬與氫極易形成氫化物，使金屬脆化。4. 氫致延滯斷裂(H IC)特點：(1) 只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)。(2) 提高應變速率，材料對氫脆的敏感性降低。(3) 可顯著降

49、低3和(4) 高強度鋼的HIC具有可逆性。斷口特征：與脆性斷口相似，沿晶斷裂，晶界面上有許多撕裂棱。 斷裂機理：(1) 孕育階段；H進入鋼中，H在鋼中的遷移，氫的偏聚。(2) 裂紋亞穩(wěn)擴展階段；H向裂尖的塑性與彈性區(qū)界面處偏聚t脆化形成新裂紋，新裂紋與原裂 紋尖端匯合t裂紋擴展(3) 裂紋失穩(wěn)擴展階段；f) 白點：聚集在缺陷處的 H2發(fā)生急劇膨脹，很大的內(nèi)壓力將金屬局部撕裂，形成的圓形或橢圓形，顏色為銀白色的微裂紋。g) 氫化物致脆：IVB或VB族金屬與氫極易形成氫化物，使金屬脆化。h) 氫致延滯斷裂：由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象。應變速率大時：氫原子的運動跟不上位錯運動，無氫脆；溫度過高時：熱擴散作用增強，氫氣團難以形成，也無氫脆； 因