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工程材料力学性能复习资料 本文简介：第一章弹性比功——材料吸收弹性变形功的能力滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象滞弹性的影响因素（1）材料的成分、组织材料组织越不均匀，滞弹性越明显。（2）试验条件：a)温度T↑→滞弹性速率和滞弹性应变↑b)切应力愈大，滞弹性越明显。消除办法：采用长期回火回火的作用是
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第一章
弹性比功——材料吸收弹性变形功的能力
滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象
滞弹性的影响因素
（1）材料的成分、组织
材料组织越不均匀，滞弹性越明显。
（2）试验条件：a)
温度T↑→滞弹性速率和滞弹性应变↑
b)
切应力愈大，滞弹性越明显。
消除办法：
采用长期回火
回火的作用是使间隙原子到位错空位和晶界去，自身变得比较稳定。
金属的内耗加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属放出的变形功，因而有一部分变形
功为金属所吸收，这部分吸收的功就称为金属的内耗。
循环韧性：金属材料在交变载荷（振动）下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的内耗，表示材料吸收不可逆变形的能力，亦称消振性。
循环韧性的意义是：材料循环韧性愈高，则机件依靠材料自身的消振能力愈好。
包申格（Bauschinger）效应
金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于1－4%），而后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
消除方法（1）预先经受较大的塑性变形（2）在第二次反向受力前使金属材料于回复或再结晶温度下退火
金属材料常见的塑性变形方式主要为滑移和孪生
屈服现象是金属材料开始产生宏观塑性变形时的标志。
屈服点σs：材料的在拉伸过程中试验力不增加（保持恒定）仍能
继续伸长时的应力。
σs＝Fs/
A0
上屈服点σsu：
试样发生屈服而试验力首次下降前的最大应力。
σsu＝Fsu/A0
下屈服点σsl：
当不计初始瞬时效应（指在屈服过程中试验力第一次发生下降）时的屈服阶段的最小应力。
σsl＝FsL/
A0
影响屈服强度的因素
（一）
影响屈服强度的内因素
1．金属本性和晶格类型（结合键、晶体结构）
不同的金属其晶格类型，位错运动所受的阻力不同，故彼此的屈服强度不同，单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力，其值与位错运动所受到的阻力（晶格阻力－－派拉力、位错运动交互作用产生的阻力）决定。
派拉力：
位错交互作用力
（a是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数，L是位错间距。）
2．晶粒大小和亚结构
晶粒小→晶界多（阻碍位错运动）→位错塞积→提供应力→位错开动
→产生宏观塑性变形
。
晶粒减小将增加位错运动阻碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度降低（细晶强化）。
屈服强度与晶粒大小的关系：
霍尔－派奇（Hall-Petch)
3．溶质元素
加入溶质原子→（间隙或置换型）固溶体→（溶质原子与溶剂原子半径不一样）产生晶格畸变→产生畸变应力场→与位错应力场交互运动
→使位错受阻→提高屈服强度
（固溶强化）
。
4．第二相（弥散强化，沉淀强化）
1.第二相质点本身能否变形
2.第二相的强化效果还与其尺寸、形状、数量、分布以及第二相与基体的强度、塑性和应变硬化特性、两相之间的晶体学配合和界面能等因素有关。如：
a)
第二相均为硬脆相，沿晶界网状分布→沿晶界不连续网状分布→弥散均匀分布于基体
脆性减小
b)片状珠光体比球状珠光体屈服强度高
原因：长形质点显著影响位错运动。
位错绕过第二相，按照这种方式，位错运动的阻力主要来自弯曲位错的线张力：
如果再考虑到质点大小的影响，则位错线的运动绕过阻力为：
由上式可知：
当r＞b时，随着L↓→τ↑，即第二相质点数量越多，越分散，材料的屈服强度就越高。
随着绕过位错数量的增加，质点周围留下的位错越来越多，因而其相邻质点间距L便越来越小，弯曲位错所需的切应力就越来越高，表现为形变强化现象，这是两相合金形变强化的原因之一。
（二）
影响屈服强度的外因素
1.温度
一般的规律是温度升高，屈服强度降低。
原因：派拉力属于短程力，对温度十分敏感。
2.应变速率
应变速率大，强度增加。
σε,t=
C1(ε)m
3．应力状态
切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低。
缺口效应：试样中“缺口”的存在，使得试样的应力状态发生变化，从而影响材料的力学性能的现象。
应变硬化——在金属整个变形过程中，当外力超过屈服强度之后，塑性变形并不是像屈服平台那样连续流变下去，而需要不断增加外力才能继续进行。这表明金属材料有一种阻止塑性变形的能力。
应变硬化指数
在金属材料拉伸真应力－应变曲线上的均匀塑性变阶段，应力与应变之间符合Hollomon关系式：S
=
ke?
n—应变硬化指数，金属材料抵抗继续塑性变形的能力，
是表征金属材料应变硬化能力的性能指标。
k—硬化系数，真应变等于1.0时的真实应力
n=1
材料为完全理想的弹性体，S与e成正比关系。
n=0
s=k=常数，材料没有应变硬化能力。
应变硬化在生产实际中的意义应变硬化可使金属零件具有抵抗偶然过载的能力，
保证安全。应变硬化是工程上强化材料的重要手段。如18-8型不锈钢，变形前σ0.2
=196MPa，经40%冷轧后，σ0.2
=
780～980MPa，屈服强度提高3~4倍。应变硬化性能可以保证某些冷成形工艺，如冷拔线材和深冲成形等顺利进行。
磨损、腐蚀和断裂是机件的三种失效形式
断口三要素纤维区、放射区和剪切唇
韧性断裂：
中、低强度钢光滑圆柱试样在室温的静拉伸断裂就是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥状
脆性断裂断裂前基本上不发生塑性变形。脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状
韧断的特征：
a)
伴随塑性变形及能量吸收；
b)
工件外形呈颈缩、弯曲及断面收缩；
c)
断面一般平行于最大切应力并与主应力成45°。
脆断的特征：
a)
断裂时构件承载的工作应力并不高，通常不超过σs，故又称为低应力脆断。
b)
脆断总是从构件内部存在的宏观裂纹作为“源”开始的。
c)
中、低强度钢脆断常在低温下发生，而高强钢则不一定。
d)
断口平整光亮，有金属光泽，且与正应力垂直，断面上有人字或放射花纹。
解理裂纹的形成
位错塞积理论的要点：塑性变形→位错运动受阻→位错塞积→塞积头应力集中→如塞积头处最大拉应力σfmax≥理论断裂强度σm→产生裂纹
解理断裂的微观断口特征1解理断裂：解理台阶、河流花样、舌状花样、鱼骨状花样（人字型花样、二次裂纹
解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。
微孔聚集断裂的微观特征微孔聚集的过程亦有两种形式，一种是相邻微孔成长至互相接触；另外是相距较大的微孔由于微孔之间的基体金属发生变形—颈缩而引起微孔的聚集。
韧窝的大小与深浅，决定于材料断裂时孔洞核心的数量、材料本身相对塑性和环境温度。
解理和准解理之间有联系
共同点：都是穿晶断裂；有小解理刻面；有台阶或撕裂棱及河流花样。
区别：准解理小刻面不是晶体学解理面；真正的解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样
E(G)弹性模量
σb
抗拉强度
σs屈服强度
σr规定残余伸长应力
σt规定总伸长应力
σ0.2拉服强度
n—应变硬化指数
第二章
弯曲试验的特点
金属杆状试样承受弯矩作用后，其内部应力主要为正应力。但杆截面上的应力分布不均匀，表面最大，中心为零，且应力方向发生变化。
1）
弯曲试验的试样形状简单，操作方便。常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。
2）
弯曲试验时可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。
3）
弯曲试验时，试样的表面应力最大，可较灵敏地反映材料的表面缺陷。常用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等表面热处理机件的质量和性能。
试样在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力：
M－最大弯矩：
三点弯曲
M=FLS/4
四点弯曲
M=Fl/2
W－试样的抗弯截面系数：
圆形试样
矩形试样
缺口效应1：引起应力集中，并改变缺口前方的应力状态。对于脆性或低塑性材料，使其抗拉强度降低。
缺口效应2：使塑性材料强度增高，塑性降低
缺口敏感度：金属材料对缺口的敏感性指标用缺口试样的抗拉强度σbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值作为材料的缺口敏感性指标，称为缺口敏感度
应力状态软性系数：最大切应力τmax与最大正应力σmax的比值表示它们的相对大小
HR洛氏硬度值
HV维氏硬度值
HK努氏硬度值
HBW布氏硬度值
NSR缺口敏感度
σbb抗弯强度
σbn缺口抗拉强度
σbc脆性材料的抗压强度
第三章
冲击吸收功Ak：式样变形和断裂所消耗的功，单位J
Ak=GH1－GH2
低温脆性当试验温度低于某一温度tk时，材料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型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这即低温脆性，转变温度tk称为韧脆转变温度，亦称韧脆转变温度。
韧脆转变的物理本质
断裂强度σc随温度的变化较小，而屈服强度σs对温度十分敏感，随温度降低，屈服强度升高，两者的交点tk即为韧脆转变温度。
T＞Tk
σc＞σs
韧性断裂
T＜Tk
σc＜σs
脆性断裂
影响韧脆转变温度的冶金因素
1、晶体结构：体心立方金属及合金存在低温脆性。普通中低强度钢的基体都是体心立方点阵的铁素体
2、化学成分的影响：1）间隙溶质元素↑→韧脆转变温度↑
2）
置换型溶质元素一般也能提高韧脆转变温度，但Ni和一定量Mn例外。
3）
杂质元素S、P、As、Sn、Sb等使钢的韧性下降
3、晶粒尺寸：细化晶粒使材料韧性增加
4、金相组织
1）
对低强度钢：按tk由高到低的顺序：珠光体→上贝氏体→铁素体→下贝氏体→回火马氏体
2）
对中碳合金钢且强度相同，tk：下贝氏体＜回火马氏体；贝氏体马氏体混合组织＞回火马氏体
3）
低碳合金钢的韧性：贝氏体马氏体混合组织＞单一马氏体或单一贝氏体
4）
马氏体钢的韧性：奥氏体的存在将显著改善韧性
钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的韧性有重要影响，影响的程度与第二相质点的大小、形状、分布、第二相的性质及其与基体的结合力等性质有关。
二、外界因素
1、温度
2、加载速率
3、试样尺寸和形状
AK冲击吸收功
AKVV形缺口试样冲击功
FATT50－冲击试样断口中结晶区面积占整个断口面积50％时
NDT无塑性转变温度，以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度
第四章
应力强度因子KI：表示应力场的强弱程度。
断裂韧度Kic的测试（式样的形状、尺寸及制备）试样的形状、尺寸及制备
1、四种试样：三点弯曲，紧凑拉伸，C型拉伸，圆形紧凑拉伸试样。
2、试样厚度、裂纹长度、韧带宽度有严格要求：预先估计KIC（类比法），再逼近。
3、试样材料、加工和热处理方法也要和实际工件相同；预制裂纹长度有一定要求，疲劳裂纹长度>2.5%W,且不小于1.5mm。
影响断裂韧度的因素
（1）
、内因
1、化学成分
细化晶粒的元素→强度↑、塑性↑→KIC↑；
强烈固溶强化的元素→塑性↓→KIC↓；
形成金属间化合物并呈第二相析出的元素→塑性↓→KIC↓；
2、基体相结构和晶粒大小的影响
基体相结构易于产生塑性变形→KIC↑，如对钢铁材料：面心立方的KIC高于体心立方的KIC。
晶粒大小对KIC的影响与对常规力学性能的影响不同，一般，晶粒细化→KIC↑，但某些情况下，粗晶粒的KIC反而较高。
3、夹杂和第二相的影响
非金属夹杂物→KIC↓；
脆性第二相的体积分数↑→KIC↓；
韧性第二相形态和数量适当时→KIC↑；
钢中微量杂质元素(Sb、Sn、As等)
→KIC↓。
4、显微组织的影响
板条马氏体＞针状马氏体。
回火索氏体＞回火托氏体＞回火马氏体
下贝氏体＞上贝氏体
马氏体组织中存在一定的残余奥氏体→KIC↑
（二）、
外界因素对断裂韧度的影响
1、
温度
一般大多数结构钢的断裂韧度随温度降低而下降，但随材料强度增加，KIC随温度变化的趋势趋于缓和。
2、
应变速率
应变速率↑→KIC↓，但当应变速率很大时，形变热量来不及传导，造成绝热状态，导致局部温度升高，KIC又回升
KIC临界应力场强度因子，线弹性条件下以应力场强度因子表示的断裂韧度
Kc平面应力断裂韧度
第五章
疲劳金属机件或构件在变动载荷和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。
疲劳的分类
（1）按断裂寿命和应力高低不同分类
高周疲劳：Nf
>
105
；σ
1：理论应力集中系数即应力集中处最大应力与平均应力之比
kf
=σ-1
/σ-1N
>
1
：疲劳缺口系数即光滑试样和缺口试样疲劳极限之比。
qf↑→
疲劳缺口敏感度↑
两种极端情况1、qf
=
1
即
kf
=
kt
缺口试样疲劳过程中应力分布与弹性状态完全一样，没有发生应力重新分布，材料的疲劳缺口敏感性最大。
2、qf
=
0
即
kf
=1
σ-1
=σ-1
N
缺口不降低疲劳极限，疲劳缺口敏感性最小。
3、一般：
0
0.7，所以裂纹断裂韧度KIC需要修正
对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：
=
（MPa*m1/2）
塑性区宽度为：
=0.004417937(m)=
2.21(mm)
比较K1与KIc：
因为K1=168.13（MPa*m1/2）
KIc=115（MPa*m1/2）
所以：K1>KIc
，裂纹会失稳扩展,所以该件不安全。
17.有一轴件平行轴向工作应力150MPa，使用中发现横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深度的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c可以确定φ=1，测试材料的σ0.2=720MPa
，试估算材料的断裂韧度KIC为多少？
解：
因为σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂纹断裂韧度KIC不需要修正
对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：
KIC=Yσcac1/2
对于表面半椭圆裂纹，Y=1.1/φ=1.1
所以，KIC=Yσcac1/2=1.1=46.229（MPa*m1/2）