材料性能知識大匯總

1、1、關(guān)于拉伸力-伸長曲線和應力-應變曲線的問題 低碳鋼的應力應變曲線 a、拉伸過程的變形： 彈性變形，屈服變形，加工硬化（均勻塑性變形），不均勻集中塑性變形。 b、相關(guān)公式： 工程應力 =F/A0 ；工程應變=L/L0；比例極限P；彈性極限；屈服點S；抗拉強度b；斷裂強度k。 真應變 e=ln(L/L0)=ln(1+) ；真應力 s=(1+)= *e 指數(shù)e為真應變。 c、相關(guān)理論： 真應變總是小于工程應變，且變形量越大，二者差距越大；真應力大于工程應力。 彈性變形階段，真應力真應變曲線和應力應變曲線基本吻合；塑性變形階段兩者出線顯著差異。   2、關(guān)于彈性變形的問題 a、相關(guān)概念

2、彈性：表征材料彈性變形的能力 剛度：表征材料彈性變形的抗力 彈性模量：反映彈性變形應力和應變關(guān)系的常數(shù)， E=/ ；工程上也稱剛度，表征材料對彈性變形的抗力。 彈性比功：稱彈性比能或應變比能，是材料在彈性變形過程中吸收變形功的能力，評價材料彈性的好壞。 包申格效應：金屬材料經(jīng)預先加載產(chǎn)生少量塑性變形，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。 滯彈性：（彈性后效）是指材料在快速加載或卸載后，隨時間的延長而產(chǎn)生的附加彈性應變的性能。 彈性滯后環(huán)：非理想彈性的情況下，由于應力和應變不同步，使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線。 金屬材料在交變載荷作用下吸收不可逆變形

3、功的能力，稱為金屬的循環(huán)韌性，也叫內(nèi)耗 b、相關(guān)理論： 彈性變形都是可逆的。 理想彈性變形具有單值性、可逆性，瞬時性。但由于實際金屬為多晶體并存在各種缺陷，彈性變形時，并不是完整的。 彈性變形本質(zhì)是構(gòu)成材料的原子或離子或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆變形的反映 單晶體和多晶體金屬的彈性模量，主要取決于金屬原子本性和晶體類型。 包申格效應；滯彈性；偽彈性；粘彈性。 包申格效應消除方法：預先大塑性變形，回復或再結(jié)晶溫度下退火。 循環(huán)韌性表示材料的消震能力。   3、關(guān)于塑形變形的問題 a、相關(guān)概念 滑移：滑移系越多，塑性越好；滑移系不是唯一因素（晶格阻力等因素）；滑移面受溫度、成分和變形的影響；

4、滑移方向比較穩(wěn)定 孿生：fcc、bcc、hcp都能以孿生產(chǎn)生塑性變形；一般在低溫、高速條件下發(fā)生；變形量小，調(diào)整滑移面的方向 屈服現(xiàn)象：退火、正火、調(diào)質(zhì)的中、低碳鋼和低合金鋼比較常見，分為不連續(xù)屈服和連續(xù)屈服； 屈服點：材料在拉伸屈服時對應的應力值，s； 上屈服點：試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最大應力值，su； 下屈服點：試樣屈服階段中最小應力，sl； 屈服平臺（屈服齒）：屈服伸長對應的水平線段或者曲折線段； 呂德斯帶：不均勻變形；對于沖壓件，不容許出現(xiàn)，防止產(chǎn)生褶皺。 屈服強度：表征材料對微量塑性變形的抗力 連續(xù)屈服曲線的屈服強度：用規(guī)定微量塑性伸長應力表征材料對微量塑性變形的抗力 （1）規(guī)

5、定非比例伸長應力p： （2）規(guī)定殘余伸長應力r：試樣卸除拉伸力后，其標距部分的殘余伸長達到規(guī)定的原始標距百分比時的應力；殘余伸長的百分比為0.2%時，記為r0.2 （3）規(guī)定總伸長應力t：試樣標距部分的總伸長（彈性伸長加塑性伸長）達到規(guī)定的原始標距百分比時的應力。 晶格阻力（派納力）；位錯交互作用阻力 Hollomon公式： S=Ken ，S為真應力，e為真應變；n硬化指數(shù)0.10.5，n=1,完全理想彈性體，n=0，沒有硬化能力；K硬化系數(shù) 縮頸是：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。 抗拉強度：韌性金屬試樣拉斷過程中最大試驗力所對應的應力。代表金屬材料所能承受的

6、最大拉伸應力，表征金屬材料對最大均勻塑性變形的抗力。與應變硬化指數(shù)和應變硬化系數(shù)有關(guān)。等于最大拉應力比上原始橫截面積。 塑性是指金屬材料斷裂前發(fā)生不可逆永久（塑性）變形的能力。 b、相關(guān)理論 常見的塑性變形方式：滑移，孿生，晶界的滑動，擴散性蠕變。 塑性變形的特點：各晶粒變形的不同時性和不均勻性（取向不同；各晶粒力學性能的差異）；各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性（金屬是一個連續(xù)的整體，多系滑移；Von Mises 至少5個獨立的滑移系）。 硬化指數(shù)的測定：試驗方法；作圖法lgS=lgK+nlge 硬化指數(shù)的影響因素：與層錯能有關(guān),層錯能下降，硬化指數(shù)升高；對金屬材料的冷熱變形也十分敏感；與應變硬化速率并

7、不相等。 縮頸的判據(jù)（失穩(wěn)臨界條件）拉伸失穩(wěn)或縮頸的判據(jù)應為dF=0 兩個塑性指標：斷后伸長率=(L1-L0)/LO*100%； 斷后收縮率：=(A0-A1)/A0*100% >，形成為縮頸 =或<，不形成縮頸   4、關(guān)于金屬的韌度斷裂問題 a、相關(guān)概念 韌性：斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力 韌度：單位體積材料斷裂前所吸收的功 韌性斷裂：裂紋緩慢擴展過程中消耗能量；斷裂最先發(fā)生在纖維區(qū)，然后快速擴展形成放射最后斷裂形成剪切唇，放射區(qū)在裂紋快速擴展過程中形成，一般放射區(qū)匯聚方向指向裂紋源。 脆性斷裂：基本不產(chǎn)生塑性變形，危害性大。低應力脆斷，工作應力很低，一般低于屈服

8、極限；脆斷裂紋總是從內(nèi)部的宏觀缺陷處開始；溫度降低，應變速度增加，脆斷傾向增加。 穿晶斷裂：裂紋穿過晶內(nèi)，可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂，斷口明亮。 沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴展，都是脆性斷裂，由晶界處的脆性第二相等造成，斷口相對灰暗。穿晶斷裂和沿晶斷裂可混合發(fā)生。高溫下，多由穿晶斷裂轉(zhuǎn)為沿晶韌性斷裂。 沿晶斷裂斷口：斷口冰糖狀；若晶粒細小，斷口呈晶粒狀。 剪切斷裂：材料在切應力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂。（滑斷、微孔聚集型斷裂） 解理斷裂：材料在正應力作用下，由于原于間結(jié)合鍵的破壞引起的沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂。 金屬的強度就是指金屬材料原子間結(jié)合力的大小，一般說金屬熔點高，彈性模

9、量大，熱膨脹系數(shù)小則其原子間結(jié)合力大，斷裂強度高。斷裂的實質(zhì)就是外力作用下材料沿某個原子面分開的過程。 格里菲思理論：從熱力學觀點看，凡是使能量減低的過程都將自發(fā)進行，凡使能量升高的過程必將停止，除非外界提供能量。Griffth指出，由于裂紋存在，系統(tǒng)彈性能降低，與因存在裂紋而增加的表面能平衡。如彈性能降低足以滿足表面能增加，裂紋就會失穩(wěn)擴展，引起脆性破壞。 b、相關(guān)理論 斷裂三種主要的失效形式：磨損、腐蝕、斷裂 多數(shù)金屬的斷裂包括裂紋的形成和擴展兩個階段。 按斷裂的性態(tài)：韌性斷裂和脆性斷裂；按裂紋擴展路徑：穿晶斷裂和沿晶斷裂；按斷裂機制：解理斷裂和剪切斷裂 韌性斷裂和脆性斷裂：根據(jù)材料斷裂前

10、產(chǎn)生的宏觀塑性變形量的大小來確定。通常脆性斷裂也會發(fā)生微量的塑性變形，一般規(guī)定斷面收縮率小于5則為脆性斷裂。反之大于5的為韌性斷裂。 脆性斷口平齊而光亮，與正應力垂直，斷口常呈人字紋或放射花樣。 解理斷裂是沿特定的晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂，通?？傃匾欢ǖ木娣蛛x。 解理斷裂總是脆性斷裂，但脆性斷裂不一定是解理斷裂。 常見的裂紋形成理論：位錯塞積理論 位錯反應理論 解理與準解理 共同點：穿晶斷裂；有小解理刻面；臺階及河流花樣 不同點：準解理小刻面不是晶體學解理面解理裂紋常源于晶界，準解理裂紋常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點。準解理不是一種獨立的斷裂機理，而是解理斷裂的變種。 格雷菲斯理論是根據(jù)熱力學原理得出的斷裂

11、發(fā)生的必要條件，但并不意味著事實上一定斷裂。裂紋自動擴展的充分條件是尖端應力等于或大于理論斷裂強度。 5、關(guān)于硬度的問題  a、硬度概念 硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標。 b、硬度試驗方法: 劃痕法表征金屬切斷強度 回跳法表征金屬彈性變形功 壓入法表征塑性變形抗力及應變硬化能力 布氏硬度 壓頭：淬火鋼球（HBS），硬質(zhì)合金球（HBW） 載荷：3000Kg 硬質(zhì)合金，500Kg 軟質(zhì)材料 保載時間：10-15s 黑色金屬，30s 有色金屬 壓痕相似原理 只用一種標準的載荷和鋼球直徑,不能同時適應硬的材料或者軟的材料。為保證不同載荷和直徑測量的 硬度值之間可比，壓痕必須滿足幾何

12、相似。 布氏硬度表示方法：600HBW1/30/20 度值，符號HBW，球直徑，試驗力(1kgf=9.80665N)，試驗力保持時間 布氏硬度試驗的優(yōu)缺點： 優(yōu)點：壓頭直徑較大壓痕面積較大硬度值可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 相及微小不均勻性的影響。 缺點：對不同材料需更換壓頭直徑和改變試驗力，壓痕測量麻煩，自動檢測受到限制；壓痕較大時不宜在成品上試驗 洛氏硬度 以測量壓痕深度表示材料硬度值。 壓頭有兩種：120°的金剛石圓錐體，一定直徑的淬火鋼球。 洛氏硬度試驗優(yōu)缺點： 優(yōu)點：操作簡便、迅速，硬度可直接讀出；壓痕較小，可在工件上試驗；用不同標尺可測定軟硬不同

13、和厚薄不一的試樣。 缺點：壓痕較小，代表性差；材料若有偏析及組織不均勻等缺陷，測試值重復性差，分散度大；用不同標尺測得的硬度值沒有聯(lián)系，不能直接比較。 維氏硬度 原理與布氏硬度試驗相同，根據(jù)單位面積所承受的試驗力計算硬度值。不同的是維氏硬度的壓頭是兩個相對面夾角為136°的金剛石四棱錐體。 努氏硬度 與維氏硬度的區(qū)別1）壓頭形狀不同；2）硬度值不是試驗力除以壓痕表面積，而是除以壓痕投影面積 肖氏硬度 一種動載荷試驗法，原理是將一定質(zhì)量的帶有金剛石圓頭或鋼球的重錘，從一定高度落于金屬試樣表面，根據(jù)重錘回跳的高度來表征金屬硬度值大小，也稱回跳硬度。用HS表示。 里氏硬度 動載荷試驗法，用

14、規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定的速度沖擊試樣表面，用沖頭的回彈速度表征金屬的硬度值。用HL表示。  6、關(guān)于金屬在沖擊載荷下的力學性能 a、相關(guān)概念 沖擊韌性：指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，常用標準試樣的沖擊吸收功AK表示。 沖擊測量參數(shù)：測量沖擊脆斷后的沖擊吸收功（AkU或AKV），沖擊吸收功并不能真正反映材料的韌脆程度（沖擊吸收功 并非完全用于試樣變形和破壞） 低溫脆性:體心立方或某些密排六方晶體金屬及合金，當試驗溫度低于某一溫度tk或溫度區(qū)間時，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫恚瑪嗫谔卣饔衫w維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀。

15、tk或溫度區(qū)間稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，又稱冷脆轉(zhuǎn)變溫度。 b、相關(guān)理論 韌脆的評價方法：材料的缺口沖擊彎曲試驗，材料的沖擊韌性 韌脆的影響因素：溫度（低溫脆性）；應力狀態(tài)（三向拉應力狀態(tài)）；變形速度的影響（沖擊脆斷） 低溫脆性的本質(zhì)：低溫脆性是材料屈服強度隨溫度降低急劇增加的結(jié)果。屈服強度s的隨溫度降低而升高，而斷裂強度c隨溫度變化很小。 t>tk ,c >s ,先屈服再斷裂；t<tk ,c <s ,脆性斷裂 韌脆轉(zhuǎn)變溫度是金屬材料的韌性指標，它反映了溫度對韌脆性的影響。 影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素： 晶體結(jié)構(gòu)：體心立方金屬及其合金存在低溫脆性。普通中、低強度鋼的基體是體心立

16、方點陣的鐵素體，故這類鋼 有明顯的低溫脆性。 化學成分：間隙溶質(zhì)元素溶入鐵素體基體中，偏聚于 位錯線附近，阻礙位 錯運動，致s升高， 鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。 顯微組織：晶粒大小，細化晶粒使材料韌性增加；減小亞晶和胞狀結(jié)構(gòu)尺寸也能提高韌性。 細化晶粒提高韌性的原因：晶界是裂紋擴展的阻力；晶界前塞積的位錯數(shù)減少，有利于降低應力集中；晶界總面積 增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿 晶脆性斷裂。 金相組織 7、關(guān)于金屬疲勞的問題 a、金屬疲勞現(xiàn)象 疲勞：金屬機件在變動應力和應變長期作用下，由于積累損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。 疲勞的破壞過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織在變動應力作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積

17、、開裂，當裂紋擴展達到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，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。 循環(huán)應力的波形：正弦波、矩形波和三角波等。 表征應力循環(huán)特征的參量有： 最大循環(huán)應力max，最小循環(huán)應力min；平均應力:m=(max+min)/2；應力幅或應力范圍:a=(max-min)/2；應力比:r=min/max 疲勞按應力狀態(tài)分：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復合疲勞； 疲勞按環(huán)境和接觸情況分：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞及接觸疲勞等。 疲勞按應力高低和斷裂壽命分：高周疲勞和低周疲勞。 b、金屬疲勞特點 疲勞的特點：該破壞是一種潛藏的突發(fā)性破壞，在靜載下顯

18、示韌性或脆性破壞的材料在疲勞破壞前均不會發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂。 疲勞對缺口、裂紋及組織等缺陷十分敏感，即對缺陷具有高度的選擇性。因為缺口或裂紋會引起應力集中，加大對材料的損傷作用；組織缺陷(夾雜、疏松、白點、脫碳等)，將降低材料的局部強度，二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。 c、金屬疲勞宏觀斷口 疲勞宏觀斷口的特征：疲勞斷裂經(jīng)歷了裂紋萌生和擴展過程。由于應力水平較低，因此具有較明顯的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴展階段，相應的斷口上也顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)與瞬時斷裂區(qū)的特征。 疲勞源：是疲勞裂紋萌生的策源地。 位置：多出現(xiàn)在機件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。但若材料內(nèi)部存在嚴

19、重冶金缺陷(夾雜、縮孔、伯析、白點等)，也會因局部材料強度降低而在機件內(nèi)部引發(fā)出疲勞源。 特點：因疲勞源區(qū)裂紋表面受反復擠壓，摩擦次數(shù)多，疲勞源區(qū)比較光亮，而且因加工硬化，該區(qū)表面硬度會有所提高。 數(shù)量：機件疲勞破壞的疲勞源可以是一個，也可以是多個，它與機件的應力狀態(tài)及過載程度有關(guān)。如單向彎曲疲勞僅產(chǎn)生一個源區(qū)，雙向反復彎曲可出現(xiàn)兩個疲勞源。過載程度愈高，名義應力越大，出現(xiàn)疲勞源的數(shù)目就越多。 產(chǎn)生順序：若斷口中同時存在幾個疲勞源，可根據(jù)每個疲勞區(qū)大小、源區(qū)的光亮程度確定各疲勞源產(chǎn)生的先后，源區(qū)越光亮，相連的疲勞區(qū)越大，就越先產(chǎn)生；反之，產(chǎn)生的就晚。 疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展形成的區(qū)域。 宏觀

20、特征：斷口較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣)，有時還有裂紋擴展臺階。 斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴展逐漸減弱，反映裂紋擴展快饅、擠壓摩擦程度上的差異。 貝紋線疲勞區(qū)的最典型特征：產(chǎn)生原因:一般認為是因載荷變動引起的，因為機器運轉(zhuǎn)時常有啟動、停歇、偶然過載等，均要在裂紋擴展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡。 形貌特點：疲勞區(qū)的每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴展方向。近疲勞源區(qū)貝紋線較細密，表明裂紋擴展較慢；遠離疲勞源區(qū)貝紋線較稀疏、粗糙，表明此段裂紋擴展較快。 影響因素:貝紋區(qū)的總范圍與過載程度及材料的性質(zhì)有關(guān)。若機件名義應力較高或材料韌性較差，

21、則疲勞區(qū)范圍較小，貝紋線不明顯；反之，低名義應力或高韌性材科，疲勞區(qū)范圍較大，貝紋線粗且明顯。貝紋線的形狀則由裂紋前沿線各點的擴展速度、載荷類型、過載程度及應力集中等決定。 瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴展形成的區(qū)域。在疲勞亞臨界擴展階段，隨應力循環(huán)增加，裂紋不斷增長，當增加到臨界尺寸ac時，裂紋尖端的應力場強度因子KI達到材料斷裂韌性KIc(Kc)時。裂紋就失穩(wěn)快速擴展，導致機件瞬時斷裂。 瞬斷區(qū)的斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載，隨材料性質(zhì)而變。 脆性材料斷口呈結(jié)晶狀； 韌性材料斷口，在心部平面應變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。 位置：瞬斷區(qū)一般應在疲勞源對側(cè)。但對旋轉(zhuǎn)彎曲來

22、說，低名義應力時，瞬斷區(qū)位置逆旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)一角度；高名義應力時，多個疲勞源同時從表面向內(nèi)擴展，使瞬斷區(qū)移向中心位置。 大?。核矓鄥^(qū)大小與機件承受名義應力及材料性質(zhì)有關(guān)，高名義應力或低韌性材科，瞬斷區(qū)大；反之。瞬斷區(qū)則小。 d、疲勞曲線及基本疲勞力學性能 疲勞曲線：疲勞應力與疲勞壽命的關(guān)系曲線，即SN曲線。 用途：它是確定疲勞極限、建立疲勞應力判據(jù)的基礎(chǔ)。 有水平段（碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、球鐵等）：經(jīng)過無限次應力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，將對應的應力稱為疲勞極限，記為-1（對稱循環(huán)） 無水平段（鋁合金、不銹鋼、高強度鋼等）：只是隨應力降低，循環(huán)周次不斷增大。此時，根據(jù)材料的使用要求規(guī)定某一循環(huán)周次下不發(fā)

23、生斷裂的應力作為條件疲勞極限。 疲勞曲線的測定升降法測定疲勞極限 d、疲勞過程及機理 疲勞過程：裂紋萌生、亞穩(wěn)擴展、失穩(wěn)擴展三個過程。 疲勞壽命Nf萌生期N0亞穩(wěn)擴展期Np 金屬材料的疲勞過程也是裂紋萌生相擴展的過程。 裂紋萌生往往在材料薄弱區(qū)或高應力區(qū)，通過不均勻滑移、微裂紋形成及長大而完成。 疲勞微裂紋常由不均勻滑移和顯微開裂引起。主要方式有：表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂；晶界或亞晶界處開裂。 e、如何提高疲勞強度 如何提高疲勞強度滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋角度 從滑移開裂產(chǎn)生疲勞裂紋形成機理看，只要能提高材料滑移抗力（固溶強化、細晶強化等），均可阻止疲勞裂紋萌生，提高

24、疲勞強度。 如何提高疲勞強度相界面開裂產(chǎn)生裂紋角度 從第二相或夾雜物可引發(fā)疲勞裂紋的機理來看，只要能降低第二相或夾雜物脆性，提高相界面強度，控制第二相或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布、使之“少、圓、小、勻”，均可抑制或延緩疲勞裂紋在第二相或夾雜物附近萌生，提高疲勞強度。 如何提高疲勞強度晶界開裂產(chǎn)生裂紋 從晶界萌生裂紋來看，凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔點夾雜物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氫及晶粒粗化等，均易產(chǎn)生晶界裂紋、降低疲勞強度；反之，凡使晶界強化、凈化和細化晶粒的因素，均能抑制晶界裂紋形成，提高疲勞強度。 f、影響疲勞強度的主要因素 表面狀態(tài)的影響：應力集中機件表面缺口因應力集中往往是疲勞策源地，引起疲勞斷裂，可用Kf與qf表征缺