重點材料性能學(xué)

1、力一伸長曲線和應(yīng)力一應(yīng)變曲線，真應(yīng)力一真應(yīng)變曲線在整個拉伸過程中的變形可分為彈性變形、屈服變形、均勻塑性變形及不均勻集中塑性變形4個階段將力一伸長曲線的縱，橫坐標(biāo)分別用拉伸試樣的標(biāo)距處的原始截面積Ao和原始標(biāo)距長度Lo相除，則得到與力一伸長曲線形狀相似的應(yīng)力（。=F/Ao）—應(yīng)變（￡=△L/Lo）曲線比例極限。p，彈性極限。e，屈服點。s，抗拉強(qiáng)度。b如果以瞬時截面積A除其相應(yīng)的拉伸力F，則可得到瞬時的真應(yīng)力S（S=F/A）。同樣，當(dāng)拉伸力F有一增量dF時，試樣瞬時長度L的基礎(chǔ)上變?yōu)長+dL，于是應(yīng)變的微分增量應(yīng)是de=dL/L，則試棒自L0伸長至L后，總的應(yīng)變量為：e=JedeJ匹=In—0LLL00式中的e為真應(yīng)變。于是，工程應(yīng)變和真應(yīng)變之間的關(guān)系為Le=ln—=ln（1+￡）L02、彈性模數(shù)在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的意義上，當(dāng)應(yīng)變?yōu)橐粋€單位時，彈性模數(shù)在數(shù)值上等于彈性應(yīng)力，即彈性模數(shù)是產(chǎn)生100%彈性變形所需的應(yīng)力。在工程中彈性模數(shù)是表征材料對彈性變形的抗力，即材料的剛度，其值越大，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形就越小。比彈性模數(shù)是指材料的彈性模數(shù)與其單位體積質(zhì)量（密度）的比值，也稱為比模數(shù)或比剛度。3、影響彈性模數(shù)的因素（1）鍵合方式和原子結(jié)構(gòu)（不大）（2）晶體結(jié)構(gòu)（較大）（3）化學(xué)成分（間隙大于固溶）（4）微觀組織（不大）（5）溫度（很大）（6）加載條件和負(fù)荷持續(xù)時間（不大）4、比例極限和彈性極限比例極限。是保證材料的彈性變形按正比關(guān)系變化的最大應(yīng)力，即在拉伸應(yīng)力一p應(yīng)變曲線上開始偏離直線時的應(yīng)力值。彈性極限。試樣加載后再卸載，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標(biāo)準(zhǔn)，材料能夠完全e彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力值。5、彈性比功又稱為彈性比能或應(yīng)變比能，用ae表示，是材料在彈性變形過程中吸收變形功的能力。一般可用材料彈性變形達(dá)到彈性極限時單位體積吸收的彈性變形功表示。6、根據(jù)材料在彈性變形過程中應(yīng)力和應(yīng)變的響應(yīng)特點，彈性可以分為理想彈性（完全彈性）和非理想彈性（彈性不完整性）兩類。對于理想彈性材料，在外載荷作用下，應(yīng)力和應(yīng)變服從虎克定律a=M&并同時滿足3個條件，即：應(yīng)變對于應(yīng)力的響應(yīng)是線性的；應(yīng)力和應(yīng)變同相位；應(yīng)變是應(yīng)力的單值函數(shù)。材料的非理想彈性行為大致可以分為滯彈性、粘彈性、偽彈性及包申格效應(yīng)等類型。7、滯彈性（彈性后效）是指材料在快速加載或卸料后，隨時間的延長而產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的性能。8、包申格效應(yīng)材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（小于4%），而后同向加載則彈性極限楫升高，反向加載則彈性極限b下降。此現(xiàn)象稱之為包申格效應(yīng)。（經(jīng)過預(yù)加載變形然后再反向加載變形e時彈性極限（屈服強(qiáng)度）降低的現(xiàn)象。）預(yù)塑性變形，位錯增殖、運動、纏結(jié)；同相加載，位錯運動受阻，殘余伸長應(yīng)力增加；反向加載，位錯被迫作反向運動，運動容易殘余伸長應(yīng)力降低。9、在非理想彈性情況下，由于應(yīng)力和應(yīng)變不同步，使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，這個封閉回線稱為彈性滯后環(huán)、加載時材料吸收的變形功大于卸載時材料釋放的變形功，有一部分加載變形功被材料所吸收。這部分在變形過程中被吸收的功稱為材料的內(nèi)耗。10、屈服現(xiàn)象在拉伸實驗出現(xiàn)平臺或鋸齒時，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的情況下試樣可以繼續(xù)伸長變形，這種現(xiàn)象稱為材料在拉伸實驗時的屈服現(xiàn)象11、屈服強(qiáng)度材料屈服時所對應(yīng)的應(yīng)力值也就是材料抵抗起始塑性變形或產(chǎn)生微量的塑性變形的能力，這一應(yīng)力值稱為材料的屈服強(qiáng)度（屈服點）12、影響金屬材料屈服強(qiáng)度的因素（1）晶體結(jié)構(gòu)（2）晶界與亞結(jié)構(gòu)（3）溶質(zhì)元素⑷第二相（5）溫度（6）應(yīng)變速率與應(yīng)力狀態(tài)13、應(yīng)變硬化材料在應(yīng)力作用下進(jìn)入塑性變形階段后，隨著變形量的增大，形變應(yīng)力不斷提高的現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化或形變強(qiáng)化。14、應(yīng)變硬化指數(shù)Hollomon公式S=Ken式中：S為真應(yīng)力；e為真應(yīng)變；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；K為硬化系數(shù)，是真應(yīng)變?yōu)?時的真應(yīng)力。金屬材料的形變硬化n值可按GB5028-85測定，一般用直線作圖法求得：對上式兩邊取對數(shù)，得lgS=lgK+nlge根據(jù)lgS-lge的線性關(guān)系，只要在拉伸力一伸長曲線上確定幾個點的a、￡值，分別按S=（1+￡），e=ln（1+￡），算出S、e,然后作lgS—lge曲線（右圖），直線的斜率即為所求的n值，直線與縱軸的交點即為lgK。15、抗拉強(qiáng)度和產(chǎn)生縮頸的推導(dǎo)：抗拉強(qiáng)度是拉伸實驗時，試樣拉斷過程中最大實驗力所對應(yīng)的力?？s頸形成點對應(yīng)于工程應(yīng)力----應(yīng)變曲線上的最大載荷點，因此dF=0。產(chǎn)生縮頸的工程應(yīng)力為16、材料的斷裂過程大都包括裂紋的形成和擴(kuò)展兩個階段。斷裂的分類：按照斷裂前與斷裂過程中材料的宏觀塑性變形程度，把斷裂分為脆性斷裂與韌性斷裂；按照晶體材料斷裂時裂紋擴(kuò)展的途徑，分為穿晶斷裂和沿晶斷裂；按照微觀斷裂機(jī)理，分為解理斷裂和剪切斷裂；按照作用力的性質(zhì)還可分為正斷和切斷。17、河流花樣解理裂紋沿解理面擴(kuò)展時，與晶內(nèi)原先存在的螺旋位錯相交，便產(chǎn)生一個高度為一柏氏矢量的臺階（解理臺階），兩個相互平行但處于不同高度上的解理裂紋，通過次生解理或撕裂的方式相互連接形成臺階，當(dāng)匯合臺階足夠高時，便形成河流花樣。18、韌窩是材料在微區(qū)范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞，經(jīng)形核，長大，聚集，最后相互連接而導(dǎo)致斷裂后，在斷口表面所留下的痕跡。（剪切斷裂的微觀表現(xiàn)）19、斷口特征三要素：纖維區(qū)，放射區(qū)，剪切唇20、真實斷裂強(qiáng)度Sk是用單向靜拉伸時的實際斷裂拉伸力Fk除以試樣最終斷裂截面積Ak所得應(yīng)力值，即：Sk=Fk/Ak。地—*第一章1、應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)（P39表2-1）2、綜合比較單向拉伸、壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗的特點和應(yīng)用范圍（1）單向拉伸的應(yīng)力軟性系數(shù)較高搭0.5，主要用于塑性材料的力學(xué)性能測試。單向靜拉伸試驗可以揭示材料在靜載作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及常見的3種失效形式（過量彈性變形、塑性變形和斷裂）的特點和基本規(guī)律，還可以評定出材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率等。這些性能指標(biāo)既是材料的工程應(yīng)用、構(gòu)件設(shè)計和科學(xué)研究等方面的計算依據(jù)，也是材料的評定和選用以及加工工藝選擇的主要依據(jù)。（2）扭轉(zhuǎn)試驗的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)（0.8）較拉伸的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)高，可測量拉伸時呈現(xiàn)脆性的材料的強(qiáng)度和塑性；扭轉(zhuǎn)試驗時試樣截面的應(yīng)力分布表面最大，愈往心部愈小。該實驗對材料表面硬化和表面缺陷反映敏感?？蓪Ω鞣N表面強(qiáng)化工藝進(jìn)行研究。和機(jī)件表面質(zhì)量進(jìn)行檢驗?？删_測定拉伸時出現(xiàn)頸縮的高塑性材料的形變能力和抗力。扭轉(zhuǎn)試樣的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力大致相等，可測定材料的切斷強(qiáng)度（斷口特征P41圖2-4）（3）彎曲試驗加載時受拉的一側(cè)應(yīng)力狀態(tài)基本與靜拉升時相同，且不存在如拉伸時的所謂試樣偏斜對試驗結(jié)果的影響?？蓽y定太硬難于加工成拉伸試樣的脆性材料的斷裂強(qiáng)度，并能顯示出它們的塑性區(qū)別。彎曲時，截面上的應(yīng)力分布最大，故可靈敏反映材料表面缺陷。（4）單向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)是2,可用于脆性材料，以顯示其在靜拉伸所不能反映的材料在韌性狀態(tài)下的力學(xué)行為。塑性材料不用于壓縮試驗。多向不等壓縮試驗的應(yīng)力狀態(tài)大于2,可用于更脆的材料。3、缺口三效應(yīng)1缺口造成應(yīng)力應(yīng)變集中2去口改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)3缺口使塑性材料得到“強(qiáng)化”4、硬度實驗按加載方式分為刻劃法（莫氏硬度順序法，銼刀法）和壓入法（其他）5、布氏硬度布氏硬度的測定原理是用一定大小的載荷F，把直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后卸除載荷，測量試樣表面的殘留壓痕直徑d，求壓痕的表面積S。將單位壓痕面積承受的平均壓力（F/S）定義為布氏硬度，HB。S兀D（D—52-d2）優(yōu)點：壓痕面積較大，其硬度值能反映材料在較大區(qū)域內(nèi)各組成的平均性能，試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性高缺點：壓痕直徑較大，不宜在成品件上直接進(jìn)行檢驗，對硬度不同的材料需要更換壓頭直徑D和載荷F，同時壓痕直接的測量也較麻煩。6、洛氏硬度洛氏硬度以測量壓痕深度值的大小來表示材料的硬度值。測洛氏硬度時載荷分兩次施加，先加初載荷F1，再加主載荷F2，其總載荷為F（F=Fj+F2）。右圖中3—3為壓頭卸除主載荷F2，只保留初載荷F1時的位置。由于試樣彈性變形部位的恢復(fù)，使壓頭提高了h3，此時受主載荷作用實際壓入的深度為h，以h的大小計算硬度值。h值越大，硬度越低。為了適應(yīng)習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念，故用一常數(shù)k減去h來表示硬度值，并規(guī)定每0.002mm為一個硬度單位。用符號HR表示：k—h（k值：金剛石壓頭0.2淬火鋼壓頭0.26）HR=-0.002優(yōu)點：操作簡便迅速；壓痕??；可對工件直接進(jìn)行檢驗；采用不同的標(biāo)尺，可測定各種軟硬不同和厚薄不一試樣的硬度缺點：壓痕較小，代表性差；所測硬度值的重復(fù)性差、分散度大；用不同的標(biāo)尺測得的硬度值既不能直接進(jìn)行比較，又不能彼此互換。7、維氏硬度維氏硬度的試驗原理與布氏硬度基本相似，是根據(jù)壓痕單位面積所承受的載荷來計算硬度值。維氏硬度試驗所用的壓頭是兩相對面夾角a為136。的金剛石四棱錐體。在載荷F作用下，試樣表面被壓出一個四方錐形壓痕，測量壓痕的對角線長度，計算壓痕表面積S，F(xiàn)/S即為試樣的硬度值。當(dāng)載荷單位為kgf,壓痕對角線長度單位為mm時,HV=1.8544F/d2。當(dāng)載荷的單位為N時，HV=0.1891F/d2優(yōu)點：由于角錐壓痕清晰，采用對角線長度計量，精確可靠；壓頭為四棱錐體，但載荷改變時，壓入角恒定不變，因此可以任意選擇載荷，而不存在布氏硬度那種載荷F與壓球直徑D之間的關(guān)系約束，此外，維氏硬度也不存在洛氏硬度那種不同標(biāo)尺的硬度無法統(tǒng)一的問題，而且比洛氏硬度所測試件厚度更薄，缺點：測定方法較麻煩，工作效率低，壓痕面積小，代表性差，不宜用于成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗。第三章測量陶瓷、鑄鐵或工具鋼等脆性材料的沖擊吸收功時，常采用10mmX10mmX55mm的無缺口沖擊試樣。1、沖擊韌性U型缺口試樣比V型的缺口試樣的沖擊韌性好同種材料的試樣，缺口越深、越尖銳，缺口處應(yīng)力集中程度越大，越容易變形和斷裂，沖擊功越小，材料表現(xiàn)出來的脆性越高。2、低溫脆性：體心立方金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及合金，尤其是工程上常用的中低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，當(dāng)試驗溫度低于某一溫度tk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(jī)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，這就是低溫脆性。轉(zhuǎn)變溫度孔稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度或冷脆轉(zhuǎn)變溫度。3、低溫脆性的宏觀原因材料低溫脆性的產(chǎn)生與其屈服強(qiáng)度。s和斷裂強(qiáng)度。c隨溫度的變化有關(guān)。斷裂強(qiáng)度。c隨溫度的變化很小(右圖)，屈服強(qiáng)度。s隨溫度的變化情況與材料的本性有關(guān)。兩線交于一點，該交點對應(yīng)的溫度即為tK(韌脆轉(zhuǎn)變溫度)。高于tK時，Oc>Os，材料受載后先屈服再斷裂，為韌性斷裂；低于tK時，外加應(yīng)力首先達(dá)到Oc，材料表現(xiàn)為脆性斷裂。而面心立方結(jié)構(gòu)材料的Os’隨溫度的下降變化不大，近似以水平線，即使在很低的溫度仍未與Oc曲線相交，故此種材料的脆性斷裂現(xiàn)象不明顯。

4、低溫脆性的微觀原因于脆性狀態(tài)。面心立方金屬因位錯寬度比較大，體心立方金屬的低溫脆性與位錯在晶體中運動的阻力。i對溫度變化非常敏感有關(guān)，Oi在低溫下曾姐，’八''于脆性狀態(tài)。面心立方金屬因位錯寬度比較大，oi對溫度變化不敏感，故一般不顯示低溫脆性。5、遲屈服遲屈服是指當(dāng)用高于材料屈服極限的載荷以高加載速度作用于體心立方結(jié)構(gòu)材料時，瞬間并不屈服，需在該力下保持一定時間后才發(fā)生屈服。且溫度越低，持續(xù)的時間越長，這就為裂紋的發(fā)生和傳播造成有利條件。中、低強(qiáng)度鋼的基體是體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體，故都有明顯的低溫脆性。第五章1、疲勞斷口的3咯特征區(qū)：疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。2、疲勞條帶電子顯微鏡微觀貝紋線肉眼宏觀3、疲勞應(yīng)力判據(jù)和斷裂疲勞判據(jù)是疲勞設(shè)計的基本依據(jù)，其中作為材料疲勞抗力指標(biāo)的疲勞強(qiáng)度、過載持久值、疲勞缺口敏感度及疲勞裂紋擴(kuò)展速率等都是材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)。4、疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度是指金屬材料在無限