材料的力学性能重点总结.pdf

《材料的力学性能重点总结.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料的力学性能重点总结.pdf（61页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、名词解释:1加工硬化：试样发生均匀塑性变形，欲继续变形则必须不断增加载荷，这种随着随性变形的增大形变抗力不断增大的现象叫加工硬化。2弹性比功：表示金属材料吸收塑性变形功的能力。3滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸我后，随着时间延长产生附加弹性应变的现象。4包申格效应：金属材料通过预先加载产生少来塑性变形，卸载后再同向加载，规定参与伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。5塑性：金属材料断裂前发生塑性变形的能力。常见塑性变形方式：滑移和挛生6应力状态软性系数：最大切应力最大正应力应力状态软性系数a 越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易产生塑性变形a 越小，表示应力状态越

2、硬，则材料越容易产生脆性断裂7缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生拜年话，产生所谓“缺口效应”缺口引起应力集中，并改变了缺口应力状态，使得缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或者三向应力状态。缺口使得材料的强度提高，塑性降低，增大材料产生脆断的倾向。8缺口敏感度：有缺口强度的抗拉强度obm 与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度o b 的比值.NSR=obn/os NSR越大 缺口敏感度越小9冲击韧性：A k除以冲击式样缺口底部截面积所得之商10冲击吸收功：式样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功以Ak表示，单位J11低温脆性：一些具有体心立方晶格或某

3、些秘排立方晶格的金属，当温度降低到、某一温度时，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变为穿晶解理,断口特征由纤维状变为结晶状，这种现象称为低温脆性1 2 脆性转变温度：当温度降低时，材料屈服强度急剧增加，而塑形和冲击吸收功急剧减小。材料屈服强度急剧升高的温度，或断后延伸率，断后收缩率，冲击吸收功急剧减小的温度就是韧脆转变温度tk,tk 是一个温度区间13疲劳贝纹线:以疲劳源为中心的近于平行的一簇同心圆.是疲劳源裂纹扩展时前沿的痕迹14疲劳条带：具有略显弯曲并相互平行的沟槽花样，是疲劳断口最典型的微观特征1 5 驻留滑移带：金属在循环应力长期作用下，形成永久留或再现的

4、循环滑移带称为驻留滑移带，具有持久驻留性.1 6应力场强度因子K I ：表示应力场的强弱程度，对于某一确定的点的大小直接影响应力场的大小，K I 越大，则应力场各应力分量也越大1 7应力腐蚀：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后产生的低应力脆断现象1 8 氢致延滞断裂：高强度钢或a+|3 钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下经过一段时间的孕育期后在金属内部，特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹的逐步扩展，最后突然发生脆性断裂，这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂第一章2 .力学性能指标的意义(1)8 0.2 对于拉伸曲线上没有屈服

5、平台的材料，塑性变形硬化过程是连续的，产生0.2%残余伸长应力时刻的屈服强度。(2)A s 有屈服平台的材料，呈现屈服现象的金属试样拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力称为屈服点。屈服强度：材料抵抗微量塑性变形的能力。(3)A b 抗拉强度：韧性金属试样在拉断过程中可以承受的最大应力Ab标志韧性金属材料的实际承载能力，但是这样的承载能力仅光滑试样的单向拉伸的受载条件，而且韧性材料的Ab不能作为设计参数，因为Ab对应的应变远非实际使用中所要达到的。对脆性金属材料而言，一旦拉伸力达到最大值，材料便迅速断裂了，所以Ab就是脆性材料的断裂强度，用于产品设计，其许用应力便以Ab为判据。Ab的高低

6、决定于屈服强度和应变硬化指数Ab的布氏硬度HBW,疲劳极限3-1 之间有一定经验关系，如 8 b=l/3 H B W；对于淬火回火钢 8-l=l/2 5 b(4)E(G)弹性模量：描述材料在弹性范围内应力和应变之比，是材料的力学性能指标。3 .金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：由于弹性变形时原子间距在外力作用下可逆变化的结果，应力与应变关系实际上是原子间作用力与原子间距的关系，所以弹性模量与原子间作用力有关,与原子间距也有一定关系，原子间作用力决定于金属原子本性和晶格类型，故弹性模量也主要决定于金属原子本性和晶格类型。合金化，热处理，冷塑性变形对

7、弹性模量的影响较小，所以金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，温度加载速率等外在因素对其影响也不大7.决定金属屈服强度的因素有哪些？1）影响屈服强度的内在因素：1、金属本性及晶格类型。一般多相合金的塑形表变现主要沿基体相进行，这表明位错主要分布在基体相中，如果不计合金成分的影响，那么 个基体相就相当于纯金属单晶体。纯金属单晶体的屈服强度从理论上来说是使位错开始运动的零界切应力，其值由位错运动所受的各种阻力决定，这些阻力有有晶格阻力，位错间相互作用产生的的阻力等，不同金属及晶格类型，位错运动所受的各种阻力用不相同。2、晶粒大小和亚结构。晶粒大小的影响是晶界晶界影响的反映，因为晶界是

8、位错运动的障碍。在一个晶粒内部必须积塞足够数量的位错才能踢狗必要的应力，是相邻晶粒中的位错源开动并产生宏观可见的塑形变形，因而减小晶粒尺寸是屈服强度提高，亚晶界的作用与晶界相似，也阻碍位错运动。3、溶质元素。在纯金属中加入溶质原子形成固溶金属将显著提高屈服强度，此即为固溶强化。在固溶合金中由于溶质原子与溶剂原子直径不同，在溶质原子周围形成了晶格畸变应力场，该应力场和位错应力场产生作用，使位错运动受阻，从而使屈服强度提高。4、第二相。第二相质点都比较小，可产生弥散强化形成或沉淀强化提高屈服强度2）影响屈服强度的外因：影响屈服强度的外因因素有温度，应变速率和应力状态。一般的，升高温度，金属材料的屈

9、服强度降低，应变速率增大，金属材料的强度增加，而且屈服强度与应变速率的变化较抗拉强度的变化要明显的多，应力状态也影响屈服强度，切应力分量越大越有利于塑形变形屈服强度越低，不同应力状态材料屈服强度不同，并非是材料性质变化,而是材料在不同条件下表现的力学行为不同不同应力状态下材料屈服强度不同，并非是材料性质变化，而是材料在不同条件下表现的力学行为不同而已13.何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口形态的因素有哪些？答：拉伸断口三要素是纤维区、放射区、剪切唇宏观拉伸断口性态因试样形状、尺寸金属材料的性能以及试样温度、加载速度和受力状态不同而变化，一般来说，材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大，试样

10、尺寸加大，放射区增大明显而纤维区变化不大25.试根据下述方程，讨论下述因素对金属材料脆性转变的影响材料成分：钢 中 C 含量升高，塑性变形抗力增大，不仅冲击韧性降低，而且韧脆转变温度明显提高，加宽了转变温度的范围杂质：钢中的0、N、P、S、Sn、Sb、和 A s等杂质对韧性是不利的，P 降低裂纹表面能,Si可以限制交滑移，促进出现挛生，都起着增加韧脆转变温度的不利影响温度：温度降低，位错在晶体运动所受的摩擦阻力急剧升高，使 bcc金属产生低温变脆现象，在低温下，学生是塑性变形的主要方式挛晶彼此相交或挛晶与晶界相交处常常是解理裂纹形成的地方，因而在相同条件下，裂纹好像是在具有挛晶组织的金属中进行

11、，加之因温度降低，裂纹前沿地区难于进行塑性变形，这些都利于裂纹扩展而显示较大脆性晶粒大小：晶粒细，滑移距离短，在障碍物前塞积的位错数目较少，相应的应力集中较小，而且由于相邻晶粒取向不同，裂纹越过晶界有转折，需要消耗更多的能量。晶界对裂纹扩展有阻碍作用，裂纹能否越过晶界，往往是产生或不产生失稳扩展的关键，晶粒越细，则晶界越多，阻碍作用越大 晶粒细化既提高材料的强度，又提高塑性和韧性，形变强化，固溶强化，弥散强化等方法，在提高强度的同时，降低塑性和韧性。应力状态：切应力是位错运动的推动力，同时它也决定了在障碍前位错塞积的数目，因此对塑性变形和的形成及扩展过程都有作用，正应力影响裂纹的形成和扩展过程

12、，拉应力促进裂纹的扩展，因而，任何减小切应力与正应力比值的应力状态都将增加金属材料的脆性。加载速率：体心立方晶格的金属在高速加载卜，易发生李晶，容易激发体理断裂。试述韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么脆断更危险？金属材料的脆性和韧性是金属材料在不同条件卜表现的力学行为或力学状态,两者是相对的并可以相互转化，在一定条件下，金属材料为脆性还是韧性取决于裂纹扩展过程，如果裂纹扩展时，其前沿地区能产生显著塑性变形或受某种障碍所阻，使断裂判据中表面能最大，则裂纹扩展便会停止下来，材料遂显示为韧性，反之。若在裂纹扩展中始终能满足脆性断裂判据的要求，则材料便显示为脆性。第二章 金属在其他静载荷下的力学性能8.

13、今有如下零件和材料等需测量硬度，试说明选用何种硬度试验方式为宜.(1)渗碳层的硬度分布维氏硬度试验(HV)(2)淬火钢洛氏硬度试验(HRC)(3)灰铸铁布氏硬度试验(HBw)(4)鉴别钢中M 隐 和 A 残余 维氏硬度试验(HV)(5)仪表小黄铜齿轮洛氏硬度试验(HRB)(6)龙门刨床导轨肖氏硬度试验(HS)(7)渗碳层显微维氏硬度试验(HV)(8)高速钢刀具洛氏硬度试验(HRC)(9)退火态低碳钢布氏硬度试验(HBw)(10)硬质合金维氏硬度试验(HV)第三章4.试说明低温脆性的物理本质机器影响因素。影响因素：1)晶体结构：.体心立方金属及其合金存在低温脆性，面心立方金属及其合金一般不存在低

14、温脆性。体心立方金属的低温脆性可能和迟屈服现象哟密切联系。普 通 中，低强度钢的集体是体心立方点阵的铁素体，故这类钢都有明显的低温脆性2）化学成分：随这钢中含碳量增加，韧脆转变温度几乎呈线性的上升，且最大冲击值也急剧降低。钢中的碳含量每增加1%韧脆转变温度升高约为1 3.9 C。钢中含碳量的影响，主要归结为P 增加了钢的脆性3）显微组织：晶粒大小：细化晶粒使材料韧性增加金相组织：在较低强度水平强度相同而组织不同的钢，其中冲击吸收功和韧脆转变温度以回火s 最佳，B 回火组织次之，片状 P 组织最差；子较高强度水平时，中高碳钢等淬火获得B 下4）温度的影响：碳钢和某些合金钢在冲击载荷或静载荷作用下

15、在一定温度范围内出现脆性。5）加载速度：增加加载速度，材料脆性和韧性转变T 升高6）式样的形状和尺寸：缺口曲率半径越小,tk 越高,因此，V 型缺口式样tk U 型缺口式样tk。第四章金属的断裂韧度2说明下列断裂韧度指标的意义及相互关系KI C 和 KIK IC 为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。K I为平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。K IC 和 K I都是I 型裂纹的材料断裂韧度指标，但 K I值与试样厚度有关。当试样厚度增加,使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一稳定的最低值，即 为 KJ C o 它与试样厚度

16、无关，而是真正的材料常数。6、试述K 判据的意义及用途KINKI C Y8/aKI C裂纹体在受力时;只要满足上述条件，就会发生脆性断裂，反之，即使存在裂纹，若K K K IC 或 Y 6da ro 时为引力；rV r（）时为斥力r ro时P 0,为引力，两原子间有拉进的趋势；r r0时PV 0,为斥力，两原子间有推远的趋势；r=ro时 P=0,为平衡状态，两原子间保持距离。当材料承受拉应力时：灯 r 2 ro当P=Pm ax为最大值时，r=rM,Pmax 般可视作理论弹性极限即在P 2P m ax则将产生原子移位，并形成不可逆变形即塑性变形3、Note:1）Pmax 一般远大于Pp、Pe（三

17、个数量级），即在实际金属在外力P远小于P m a x 时就产生了塑性变形甚至断裂。2）P与 r =r-r o 并非正比关系，而实际金属拉伸时其P e、P p 均较小（远 小 于 P m a x）,此 时 P 与 近 似 直 线，这就是存在比例极限。p与弹性极限。e,且 o p o e 的原因。op一般用于弹簧计量中.。e一般用于工程构件中的弹簧钢中3）弹性变形随应力的变化速度为声速。二、弹性模量：表征材料（在弹性变形阶段）对弹性变形的抗力拉：Q=E E：弹 性 模 量（杨氐）扭：剪 切 应 力T=GY G：切变模量E、G 越大，则抗力越大，或变形越小。弹性模量乂称为刚度但与工程构件的刚度不同，

18、工程上：构 件 刚 度=材料刚度E X构件截面积弹性模量是组织不敏感因素指标，仅与原子间作用力有关具有：单晶体各向异性；与合金元素含量关系不大；与组织元素含量关系不大；随 TK的增加而下降，但在室温范围内变化也不大弹性变形产生和扩展速度为声速，故一般加载速度对之影响不大。但以爆破加载方式将使其增加。N o t e：软硬钢材的弹性模量相当。三、比例极限与弹性极限：1、定义：o p=Pp/Fo o e =Pe/Fo2、实际规定：1 比 例 极 限:o p表征材料能保持应力与应变成正比的最大抗力，为弹簧、精密测量仪器等机械构件的设计要求标准。当 t g 0 p=1.5 t g 0 o （增加了5 0

19、%）即定义规定为：。P5 0=。P如果要求高，也可规定：t g 0 p=1.2 5 t g 0 o 此时记为：。P2 5或：t g e p=l.l t g e o 或：O p1 02 弹性极限：。e定义残余变形为0.0 1%时为规定弹性极限表征材料在外力作用下不发生塑性变形的最大抗力，是不允许产生微量塑性变形的机械构件的设计要求标准。四、弹性比功:Ae_ _ _ _ 1 _ o e X e e_ _ _ _ L 0 e222 E表征材料吸收弹性变形能的能力，可作储能减震材料的力学指标。因弹性模量E是对组织不敏感的常数指标，故需提高材料的弹性极限。e才能提高弹性比功A e五、弹性不完整性：1）包

20、申格效应：先加载致少量塑变，卸载，然后在再次加载时，出 现。e升高或降低的现象。一般认为与位错运动受阻有关。2）弹性后效一一滞弹性、弹性蠕变指加卸载速度相对较快时，应变落后于应力的现象。弹性后效可有两种表现：快速加载后保持应力不变，应变滞后并逐渐增加快速加载后保持应变不变，应力逐渐松驰一般地：T C越高，时间越长，弹性后效越明显。原因：与点缺陷运动有关。在基体发生弹性变形后，点缺陷在应力场的作用下扩散并产生有序分布，使晶体的晶格尺寸继续改变，或使应力场降低。另可分为正、反弹性后效，后者为卸载后残余变形3）弹性滞后环与循环韧性弹性滞后环：当外力为交变载荷时，因弹性后效而使来回的加载、卸载的应力-

21、应变曲线不重合而形成的一个闭合回路。循环韧性：该滞后环所包围的面积表示材料在一个应力循环中所吸收的不可逆变形功（可能转化为热能、组织结构畸变能等）叫材料的循环韧性。该指标表示了材料的消震能力的大小。制造乐器用金属要求消震性极低（共振性好）、反弹良好，循环韧性值低。1-3塑性变形一、塑性变形的定义和机理：1）定义：指撤去外力后仍不能回复的变形部份2）机理：滑移 李生 高温蠕变 晶 界 滑 移（动）滑移：产生于滑移系多、温度不低的晶系，对变形量贡献大（90%）；李生：产生于滑移系少的晶系，且须冲击应力（来不及传递开）、温度较低等条件下才发生，对变形量的贡献小3）特点：低应力下产生（远低于理论强度）

22、；具有形变强化效果：应变量与应力保持增函数关系；变形的不均匀性：表现在各晶粒的内部、各晶粒之间的变形量的不均匀性和不同时性，但随变形量的增加，该不均匀性的表现减弱；应力应变间不再保持直线关系，在撤去外力后不能完全恢复为零，有残余变形余留；塑性变形同时伴有弹性变形产生，其相对应的弹性变形的大小为撤去外力后消失的那部分变形量，保留下来的残余变形量作为相应的塑性变形量。二、塑性变形的两个阶段：均匀变形阶段：材料抗力的增加跟得上应变的增加，也称为形变强化阶段集中变形阶段：材料抗力的增加跟不上应变的增加，也称为颈缩阶段三、屈服现象：泛指：金属材料开始发生明显塑性变形特指：具有上下屈服点的金属材料，在试验

23、时出现外力不增加或小幅上下波动的状况下，试样应变量大幅增加的现象。有上下屈服点的金属材料在刚屈服变形时常伴随有吕德丝带（屈服带）的出现。特点：为已变形区与未变形区的边界，与力轴成4 5 角，先出现于局部区域，迅速扩展至整个试样边界，正好对应屈服现象的平台完成。机理：位错周围存在应力场，可吸附大量杂质原子而形成“柯氏气团”，从而钉钱位错,使位错需要在高的应力条件下才能起动，随后只需低应力即可继续运动、继续变形。屈服现象（上下屈服点）一般出现在退火、正火、调质处理的中低碳的中低合金钢中，其位错能得到充分扩展，易出现“柯氏气团 的“钉锚”效果。而钢的含碳量C%增高时，因碳化物的阻碍，位错的后续运动与

24、开动也同样困难。故不出现下屈服点。四、屈服极限（屈服强度）：1、定义：1）下屈服点：稳定，再现性好；o s2）规定屈服强度：0.2 0 0.1 0 0.05残余伸长分别为：0.2%0.1%0.0 5%（指撤去外力后所余留的变形量）2、影响因素：1）晶体类型：2 G 2 n 3 T p-n:位错运动晶格阻力派纳力：TP-n=e b G:切 变 模 量Y ：泊 松 比b:柏氏矢量1-Y 3：位错宽度 其中：3=a/(l-Y)f e e的位错运动阻力较小，。0.2也较低；b e e次之；而h e p的阻力则较大。2）位 错 密 度P:P越大，位错运动的阻力也越大，。0.2也越高。3）晶粒尺寸（或亚晶

25、尺寸）：霍尔-派奇公式（统计经验公式、也叫万能公式）：。s =。i+k d-1 2。i:运动总阻力，磨擦阻力：与位错密度P、晶格类型有关；或：o s=o o +k d i 2 d：晶粒平均直径；k：常数。o：初值晶粒越细小，d越小，o s也就越高。且：k的值越高，细化晶粒（组织）的效果也越明显。亚结构也有同样效应4）溶质原子：随合金元素的含量增加，o s也增高。间隙固溶效果更强烈，置换固溶也相当有效。5）第二相质点：能阻碍位错运动：切割机理（可变形软质点）绕过机理（不可变形硬质点）对于相同的总体积（或总百分比），第二相质点越细小（弥散）、越是点球状均匀分布，强化效果就越好。四大强化机理：形变、

26、固溶、细化晶粒（组织）、弥散强化。6）温 度re：re越高，o s就越低；反 之T”C越低，o s就越高。但 随r e低到一定程度后，o s就不再增加或增加很少。温度因素对b e e金属影响较大。7）加载速度：塑性变形速度=位错扩散（运动）速度，故而较慢，受加载速度的影响较大：加载速度越快，o s就越高。8）应力状态：对于某滑移系上的临界分切应力TC,与o s相对应，同时也受该滑移系的位向的影响。五、断裂极限（断裂强度）：1）定义：o b o b =P b/F o P b =P m a x2）意义：表征材料抵抗外力破坏的最大抗力。当d P/d e =0时 的。值六、塑性变形指标：五大指标：o

27、s,o b,8 ,UK，aK相对伸长：E=（L-LO）/LO 延伸率：8 =（LK_LO）/LO相对收缩：V=（F o-F）/F o 断面收缩率：WK=（FO-FK）/FO一般地，材料的塑性变形指标越高，说明其塑性越好。在弹性变形阶段，与 应 力。成正比。而在弹性变形阶段及均匀弹塑性变形阶段，均有：FXL=FoXLo即：F/Fo=Lo/L=(L-Lo)/Lo-*L/Lo=1+EW=(Fo-F)/Fo f F/Fo=1-V1-V=1/(1+E)f (1-w)(l+e)=1e=v/(l-w)；v=e/(l+E)故：力W且 M f 0故其中第一项表示截面收缩导致抗力降低，第二项表示形变强化导致抗力增

28、加。颈缩时，P=P m ax,即：dP=OdP=SdF+FdS=0-S/dS=-F/dFe=ln（L/Lo）=-ln（F/Fo）-de=-dF/F故：S/dS=1/d e-S=dS/de=D 此即成为颈缩的判据。即：当材料承受的真应力S达到或超过它的形变强化模数时，材料发生颈缩B点以后形变强化跟不上强度的要求，塑性变形集中于局部区域而产生颈缩。此时虽然条件应力。有所下降，但其颈缩部位的真实应力S却仍在增加。其最大值为SK，称为真实抗拉强度，表征材料所能承受的最大真实拉伸应力。但其实际生产指导意义不大。0A：弹性阶段；Ab：均匀塑变阶段；bk：集中变形、颈缩阶段。SK，Sb,k,n,D均表示了材

29、料的形变强化能力。、有 时S-e曲线的均匀塑变阶段分成二段或多段，其双对数坐标为直线或折线。InS=Ink+n X In e其中k,n可分别分为kl,n l；k2,n2；.A B阶段为均匀塑性变形阶段，B K为集中变形部分：该阶段可表征材料中已经形成了的裂纹的抵抗扩展的能力。1-4金属的断裂一、分类：按断裂时的塑性变形量：1、脆性及塑性：以塑性变形量是否达到5%为其区分标准；按“纹扩展途径：2、穿晶或沿晶：裂纹扩展途径是否沿晶界进行；按断裂机理：3、解理断裂及微孔聚集型断裂、纯剪切断裂。塑性断裂：断裂前有明显塑性变形，断口纤维状，常表现为一些同心圆环花样，断口粗糙，无光泽而呈暗灰色，有撕裂棱，

30、断口常呈杯状，常因断裂前的明显塑性变形引起警戒而提前失效，危害相对较轻。脆断断裂：断裂前无明显塑性变形，断口平整光亮，与最大正应力垂直，有放射状花样，放射线走向平行于裂纹扩展走向，并逆指向裂纹的起点。特点：1、工作应力低（。工 。|,甚至。J;2、内部常有组织缺陷；3、随 T C 的降低塑性明显降低；4、与韧性断裂常可在一定条件下发生相互转换。沿晶断裂：一定是脆断，且较为严重，为最低级。穿晶断裂可以是韧断，也可能是脆断。1、解理断裂：严格地沿一定平面（解理面）分离，断口即为这些多个小解理平面的组合，为脆性断裂，与大理石断裂时的机理相似，故叫解理断裂；2、微孔聚集型断裂：典型韧性断裂，由晶内的微

31、孔长大聚合所致，又叫韧窝断裂，断口上的韧窝中心常有一些小的第二相质点。3、沿晶断口：断口显现冰糖状，有闪烁状光泽，为极脆的断裂断口，一般认为与第二类回火脆有关；晶界是其明显的接合弱面。二、断口的宏观特征断口材料断裂后的自然表面特点：常是零件受应力最大部位；为缺陷集中（组织、结构、相）处；应力集中（如机加工刃痕，尖角）处；是构件最薄弱处。断口分析：失效分析中最关键、最重要的内容之一，其目的是查找和分析失效原因，是解决问题的关键步骤之一。1.光滑圆柱形试样的静拉伸断口：分三区：纤维区、放射区、剪切唇区；纤维区：裂纹发源于纤维区，常位于断口中央，为粗糙的纤维状环形花样，但有时花样不明显，断面垂直于力

32、轴，是由许多微小孔洞产生、扩大并连接的果，其塑性变形量较大，断口粗糙不平，灰暗，无光泽；放射区：有放射状花样，其放射线走向平行于裂纹扩展走向，并逆指向裂纹的起始点，此阶段的宏观变形量很小，表示出脆断特征；剪切唇：最断裂区域，断面与力轴成45角，为裂纹的快速失稳扩展区，此阶段的塑变量较大。2.板状试样：也分为三区，只是其放射区的花纹为人字纹，裂纹源区为椭圆形纤维状花样。3.沿晶断口：断口显现冰糖状晶体特征，有闪烁状光泽；为极脆的脆性断裂断口。一般认为与第二类回火脆有关。三、解理断裂：1、定义：金属材料因正应力作用，沿某特定的晶体学平面（称之为解理平面）快速分离的穿晶断裂方式特点：一般均表现为脆性

33、断裂，与大理石断裂类似，故叫解理断裂；多晶体构件的解理断裂的断口由许多与晶粒截面积大小相当的解理平面共同组成）。解理平面：bcc：100 112hep:0001 1100 1124而fee晶系一般不发生解理断裂，因fee晶系易产生多系滑移或交滑移，不易产生位错塞积；且位错可滑移系多，不易使大量位错塞积于一个滑移系上。2、机理：一般认为解理断裂是由于位错塞积所致。1。曾纳一斯特罗：刃位错塞积；2。柯重耳位错反应；3、宏观形貌：严格地沿一定平面（解理面）分离，断口即为这些多个小解理平面的组合，为脆性断裂，与大理石断裂时的机理相似，故叫解理断裂；4、微观形貌：-解理台阶：河流花样，舌状花样解理平面为

34、一组相互平行的平面，裂纹断裂时沿一组解理平面分离时，高度不同的相互平行的解理平面之间出现的台阶叫解理台阶；当一些小的台阶汇聚为大的台阶时，其表现为河流状花样；如果解理平面之上镶嵌有一些与解理平面呈一 定角度的挛晶，则会表现出舌状花样特征。四、微孔聚集断裂：塑性断裂1、机理：形核f长大一聚合一断裂由晶内的微孔长大聚合所致，又叫韧窝断裂；(因应力集中、相界面分离、第质点破断等)微裂纹常在第二相质点周围出现并长大、聚集连接最终导致断裂。2、宏观形貌：典型韧性断裂，断口粗糙不平，暗灰色，纤维状，断裂前有的明显塑性变形；与力轴垂直或成4 5 角；3、微观形貌：断口表现为韧窝，分等轴状、拉长状和撕裂状三种

35、，在电镜下于韧窝中心常可发现一些小的第二相质点。五、断裂强度1、理想断裂强度：。m =想Y s?omo sa o1 2a o:晶格常数或原子间距 E：弹性模量 Y S：表面能2.格理菲斯理论：1)前提：脆性材料；材料内部有微裂纹存在2)格理菲斯公式：有一单位厚度的无限宽板，其中心有长为2 a的穿透裂纹，如该板受到的应力为o则有：o c _(2 E Y S)I 2 a c _ 2 E Y s 。c：裂纹失稳扩展的临界应力(“a )1 2 n o2 a c：临界裂纹尺寸或：o c (E Y s (4 a )2格理菲斯公式只适用于如玻璃、超高强度钢等脆性材料，对于大多数材料尤其是金属，裂纹尖端会产生

36、较大的塑性变形，会消耗大量的塑性功，远大于材料的表面能，此时需对之进行修正：3)格理菲斯一奥罗万一欧文公式：奥罗万与欧文认为：格理菲斯公式中的表面能2 Y S项此时应由(2YS+YP)构成：即：o c _E (2丫 s +(n a )2Y p为形成单位面积裂纹表面所需消耗的塑性功，(2 Y S+Y P)称为有效表面能第二章：其它静载荷下的力学性能压缩、弯 曲（静）、扭转、缺口拉伸2-1应力状态一、强度理论：-三向应力所有应力状态均有面上切应力为零的主应力（。1、。2、。3）（。1。2。3）其最大正应力：。ma x=。1-p （o 2 +。3）最大切应力与主应力面成45角，T ma x=（o l

37、-o 3）/2广义虎克定律e=l/E o l-u（o 2+o 3）前提：材料的失效（指变形一塑性材料，或断裂一脆性材料）由某个主要因素引起材料力学第一、第二、第三、第四强度理论，失 效（断裂）条件为：o ma x工。c 6 m a x M 6 c 切应力T m a x M r c能量1、第一强度理论：最大拉应力理论适用于脆性材料：石料、水泥、铸铁、合金相等认为最大拉应力为材料破坏因素，即材料的安全使用条件为：olWos工程设计时该条件成为：。1 o =o /n：为许用应力；。s（b）可由单向拉压试验测定；n：安全系数。或材料失效的强度条件为。12。s2、第二强度理论：认为最大拉应变为材料破坏因

38、素，适用于某些脆性材料在单向压缩时产生的纵向断裂即只要5 ma x 5=o /E =8 =o /E以即：6 ma x =。ma x/E =。1-u （。2 +。3）/E共同推导出：。1-口（。2+。3）W。此即第二强度理论的表达式3、第三强度理论：认为最大剪应力为材料破坏因素；适用于塑性材料即有：T ma x=（。1-。3）/2 T 单向拉伸并达到屈服时有o l=o s；o 2 =o 3 =0此时可有 T m a x =1 s =（o l-o 3）/2 =。s/2,即T =。/2即。1-。3 W。为第三强度理论的表达式4、第四强度理论：材料在力作用下将产生变形。在弹性状态下，单位体积内将存蓄有

39、可释放的变形能，称为比能（功）或形状改变比能UU J V 2 /2 X （o 1-o 2）2+（o 2-o 3）2+（o 3-o 1）21/2如该变形能为主要的材料破坏因素，则可推导出：V 2 /2 X （o 1-。2尸+（。2-。3尸+（。3-。1尸产勺。=。s/n即第四强度理论的表达式，该理论适用于塑性材料。对低碳钢、调质中碳钢、退火球铁及Cu、Au等适用于第三、四理论;对常规脆性材料一般用第一强度理论；单向压，或有一向拉、另一向压且压拉力较大时用第二理论二、应力状态而 a _ T maxa：应力状态柔（软）性系数o maxT-韧（塑）断、塑变。一脆断故 雷晟1 而 a 表示其应力状态：T

40、 max相对越大，a 值就越高，材料易于塑变一韧断，故而说其应力状态软；反之则硬。对于塑性材料，可适用于硬的应力状态（此时仍能有塑性表现），用塑性较差材料，只适用于软的应力状态（此时也能有塑性表现）。一般地：材料单向拉伸屈服时：o 1=o s,o 2=。3=0,T s=。s/2此时将T max与 0 max作比较：a T maxo max如：a _ t max s，即T max相对较大，T max先达到T S,发生塑性。max of（ob）变形或塑性断裂（。f:与。相关的失效极限）如：T max _ a TS,易发生T max所致的塑性变形o fO f而脆性材料的 A S 大，即易于a Ts,

41、即：a _ Tmax T S,易发生塑性变形o max o f 2-2压缩1、试样：一般为圆柱形（方形试样热处理时易产生扭曲），do=10、20、25mmh:do=l-3倍（一般为1.5-2）,相对比较时h/do应相同端面加工精度9以减小磨擦力2、特点：应力状态极软，a 大，a=2（单向压缩）a 芸2（多向压缩）适用于极脆材料及工作服役条件为压缩应力状态，并可使之沿45“角度断裂（最大应力方向）；不适用于塑性材料。3、性能指标：一般只求oc（抗压强度）0 co.2（抗压屈服极限）、。pc（抗压比例极限，op40）S c=（ho-hQ/hoX 100%Wc=（FK-FO）/FOX 100%受压时

42、端面有很大摩擦力出现，使端面横向变形受阻，而成为腰鼓形试样。一般地，h(h:d)越小摩擦力的影响越大，故h:do期望能较高，但过高又会引起试样纵向失稳(弯曲)，所以一般h：do=1-3倍其b点一般很明确，但塑性材料除外。2-3弯曲1、试验：分三点、四点弯曲弯矩：三点：M max=PL/4最大弯矩处为试样中心四点：Mmax=P 1 /2最大弯矩均匀分布在L两端各减去1的中间段，一般 1 =L/42、性能指标：力学性能曲线为弯矩曲线(或弯矩圆)弯 矩M-挠 度P关系曲线抗 弯 强 度。bb=Mb(max)/W。bpW：试样抗弯截面系数，圆柱：W=n d3/32(mm3)s0.2d3；矩形：W=bh

43、2/6(mm3)塑性：由挠度f表示3、特点：应力分布不均匀，对表面较敏感，其相应的力学性能指标可以较敏感地反应构件的表面质量状态；与很多材料实际工作应力状态相同；应力状态柔性系数a值较高；适用于脆性较大材料，不能测量优良塑性材料的抗弯强度。小：一般适用于脆性较大材料，塑性材料常不能使之断裂，而对脆性材料可较好地观察其断口，并研究其断裂机制，特别适于工具钢、铸钢的测试；用挠度表示塑性，可显示低塑性材料塑性；并可测得其塑性指标-挠 度f;以拉应力为主；与很多材料实际工作应力状态相同；其试验结果受偏斜的影响小，简单、简便。2-4扭转一、扭转试验：在材料扭转试验机上进行。试样常规为圆柱形试样，其直径为

44、do二、扭转应力、应变：设外力扭矩为T,试样的圆截面发生转动：转 动 角 为 p ,而柱长为Lo所产生的应变为 Y CoC，q)P e do 其中：P=do/2,为半径Lo Lo 2Lo T m a x =。m a x =G （p P /L o此时：。1=。m a x=T m a x=G t p d o/2 L o或：。1=。m a x=T m a x=G c p P /L o 为试样内部的任一处的表达式在距圆心为P处取一单位面积d A,其上有切应力为TP,其作用力为i p d A,则其对轴的扭矩为T p P d A此截面上扭矩为：/A T p P d A =T /A：面积积分T =/ATp

45、P d A =J AG（p P 2/L o d A =G （p /A P?d A /L o =G （p IA/L o其中IA=/AP 2 d A 仅与截面尺寸、形状有关，叫极惯性矩，单位为c m 或 m n?即：T =G （p IA/LO=G 1.414）T b 扭转强度：T b =Tb/WAN o t e：由于试样在扭转时切应力分布的不均匀（T 8 p）,其表面在屈服后产生的形变将使其应力值发生松驰而有所降低，故 T b 只是条件值（可作相对比较）而非真实值，也叫条件抗扭强度。一般为：T m a x(T b)=4 3 TK+(PK(d T 为n d o3 d (pdT_tga _ KCd p

46、 DC四、扭转试验特点：1、应力状态：为轴类零件的工作受力状态：最大主应力、正应力与力轴成45角，。1=1，o 2=0,o 3=-T应力状态系数 a _ T max _ 1/2（。1-。3）T-T）_10.8o max o 1-U （o 2+o 3）2（T+0.25 T）1.25大于单向拉伸，易表现塑性行为，适于评价脆性材料，尤其是工作条件中承受扭矩 的 材 料（如工具钢、淬火态结构钢）2、无颈缩，沿长度试样塑变始终均匀发生，故也适用于高塑性材料的精确测定;可用于评价高塑性材料的塑性变形能力及抗力；3、应力分布不均匀，表面的切应力为Tm ax,能敏感表述出材料的表面质量（最灵敏），并可对表面热

47、处理工艺（表面强化）进行评价；屈服后因变形不均匀可引起表面应力松驰4、可从断口分析其断裂主因（其omax=Tmax）,其断口形态与导致断裂的应力是正应力或切应力有关；塑性材料：切应力一塑性断裂一断口与扭力轴垂直，平整，有回旋状塑性变形线迹；脆性材料：正应力一脆性断裂一断口与力轴成45,并呈现螺旋面或斜辟状斜面;含条带组织材料（夹杂、碳化物偏折等）：断口呈层片状或木片状，表现其轧制条用 2-5硬度硬度是衡量金属材料软、硬程度的一种力学性能指标；表征材料对另一物体压入其表面时所引起的塑性变形（压痕）的抵抗能力，它是包含了材料的弹、塑、形变强化、强度、韧 性（含金属弹性变形功）等因素的综合指标，与强

48、度关系紧密。-、特点：1、简单?易测，应力状态软（a=2）,适于各种脆性材料和塑性材料，广泛地作为控制生产的指导指标应用；2、与强度有一定对应关系；3、可直接在工件上测出，不要求专门加工标准测试试样，利于控制指导生产；4、测试后损伤很小，一般不影响工件的使用，属无损检测；5、测试范围小，可用于微观组织、成分及相结构变化的监测和分析；6、仅表现材料表面状态测试方法分压入法、刻划法、回跳法压入法：压入被测试材料表面，测表面压痕大小(压痕面积或深度)二、布氏硬度：以一定大小的载荷F(kgf),将直径为D(m m)的淬火钢球或硬质合金球压入金属表面，保持一定时间后卸载，其载荷值与压痕表面积A(球冠)的

49、比值，为布氏硬度值，记为HB单位面积所承受的压力1、定义：HB=F/A HB：被压入试样材料的布氏硬度(压强或抗压应力)其中：A=n D h=J T DD-(D2-d2)1/21/2h=D/2 (D/2)2 (d/2)21/2=D-(D2-d2)l/2/2H B _ F 2F 2FA nDD-(D2-d2)i nD2 l-l-(d/D)21/2而：d/D=sin(p/2)(p：压入角为使得该试验适用于各种材质，需各种D 钢球及各种不同大小载荷。为使得材料在不同的压力日、F2测试条件下，同一材料有相同硬度值(即有可比性)，须使其压痕的几何形状相似，有相同的压入角：即0=6HB|_ HB2 2Fi

50、 2F?l-l-sin2(ip,/2)1/2 nD,2 l-l-sin2(F1/D|2=F2/D22=常数-压痕儿何相似原理国家制定标准规定 F/D2取：30、15、10、5、2.5、1.25、1,其中30、10、2.5常用；黑色金属一般为30、10；有色金属有30、10、2.5；各个标准值所测得结果相互不可比。一般要求：d=(0.25-0.6)D 范围，使 p在28-74之间，其 HB重现性较好，否则结果无效，须重新选择载荷及钢球直径，直至重新选择F/D2值。可参考国家标准：GB231-632、特点：1)物理意义明确：P/F压强，与强度单位相当并有一定关联；2)压痕相对较大，代表性广泛，数据