材料力學性能

蠕變：金屬在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變極限：在高溫長時間載荷作用下不致產(chǎn)生過量塑性變形的抗力指標。該指標與常溫下的屈服強度相似。應力腐蝕：金屬在拉應力和特定的化學介質共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應力脆性斷裂叫應力腐蝕。靜力韌度：材料在靜拉伸時單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功叫做靜力韌度。是一個強度與塑性的綜合指標，是表示靜載下材料強度與塑性的最佳配合。包申格效應：指原先經(jīng)過少量塑性變形，卸載后同向加載，彈性極限（。P）或屈服強度（。S）增加；反向加載時彈性極限（OP）或屈服強度（OS）降低的現(xiàn)象。磨損：機件表面相接觸并作相對運動時，表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸損失、造成表面損傷的現(xiàn)象。低溫脆性：在試驗溫度低于某一溫度tk時，會由韌性狀態(tài)轉變?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型變?yōu)榇┚Ы饫硇?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y晶狀，這就是低溫脆性。（tk稱為韌脆轉變溫度）金屬的疲勞：金屬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（即使所受的應力低于屈服強度，也會發(fā)生斷裂）。熱疲勞：機件在由溫度循環(huán)變化時產(chǎn)生的循環(huán)熱應力及熱應變作用下發(fā)生的疲勞就叫熱疲勞。缺口效應：試樣中“缺口”的存在，使得試樣的應力狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響材料的力學性能的現(xiàn)象。b入：抗拉強度。韌性金屬試樣拉斷過程中最大力所對應的應力稱為抗拉強度。只代表金屬材料所能承受的最大拉伸應力，表征金屬材料對最大均勻塑性變形的抗力。b02:屈服強度，表示拉伸試樣部分產(chǎn)生的微量塑性伸長率為0.2%時的應力。b:屈服點。呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象的金屬材料拉伸時，試樣在外力不增強（保持恒定）仍能繼續(xù)s伸長時的應力稱為屈服點。b:e8:表示斷后伸長率，是試樣拉斷后標距的伸長與原始標距的百分比。中：斷面收縮率，是試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。K:稱為I型裂紋的應力場強度因子，它是衡量裂紋頂端應力場強烈程度的函數(shù)，決定于應力水平、裂紋尺寸和形狀，K/=丫b插。KC:當K增大到臨界值時，裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)應力達到了材料的斷裂強度，裂紋便失穩(wěn)擴展而導致材料斷裂。這個臨界值便稱為斷裂韌度Kc或K1c。b:疲勞強度。對稱循環(huán)應力作用下的彎曲疲勞極限（強度）。（是在循環(huán)應力周次增加-1到一定臨界值后，材料應力基本不再降低時的應力值；或是應力循環(huán)107周次材料不斷裂所對應的應力值。）b:對稱拉壓疲勞極限。-1pT-1：對稱扭轉疲勞極限。O-1N：缺口試樣在對稱應力循環(huán)作用下的疲勞極限。K:不發(fā)生應力腐蝕斷裂的最大應力場強度因子稱為應力腐蝕臨界應力場強度因子KIscc。KIscc表示含有宏觀裂紋的材料，在應力腐蝕條件下的斷裂韌度。bscc:材料不發(fā)生應力腐蝕的臨界應力。蠕變極限的兩種表達方式：叫：在規(guī)定溫度（t）下，使試樣在規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)蠕變速率（￡）不超過規(guī)定值的最大應力。例如：O600 -5=60MPa：表示溫度為600OC的條件下，穩(wěn)態(tài)速率為1x10-5%/h的蠕變極限為60MPa。6：在規(guī)定溫度（t）下和規(guī)定的試驗時間任）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長率（5）不超過規(guī)定值的最大應力。例如：O5005=100MPa，表示材料在5000C溫度下，105h后總伸長率為1%的蠕變極限為100MPa。叫：金屬材料的持久強度極限，是在規(guī)定溫度t）下，達到規(guī)定的持續(xù)時間（C）而不發(fā)生斷裂的最大應力。例如：某高溫合金的b700 3=30MPa，表示該合金在7000C、1000h的持久強度極限為30MPa。細晶強化能強化金屬又不降低塑性。影響屈服強度的因素：（一） 影響屈服強度的內(nèi)因素金屬本性和晶格類型：單晶的屈服強度從理論上說是使位錯開始運動的臨界切應力，其值與位錯運動所受到的阻力（晶格阻力一一派拉力、位錯運動交互作用產(chǎn)生的阻力）決定。晶粒大小和亞結構：晶粒小一晶界多（阻礙位錯運動）一位錯塞積一提供應力一位錯開動f產(chǎn)生宏觀塑性變形。晶粒減小將增加位錯運動阻礙的數(shù)目，減小晶粒內(nèi)位錯塞積群的長度，使屈服強度降低（細晶強化）。溶質元素：加入溶質原子一（間隙或置換型）固溶體一（溶質原子與溶劑原子半徑不一樣）產(chǎn)生晶格畸變一產(chǎn)生畸變應力場一與位錯應力場交互運動一使位錯受阻一提高屈服強度（固溶強化）第二相（彌散強化，沉淀強化）不可變形第二相：提高位錯線張力一繞過第二相一留下位錯環(huán)一兩質點間距變小一流變應力增大?？勺冃蔚诙啵何诲e切過（產(chǎn)生界面能）使之與機體一起產(chǎn)生變形，提高了屈服強度。彌散強化：第二相質點彌散分布在基體中起到的強化作用。沉淀強化：第二相質點經(jīng)過固溶后沉淀析出起到的強化作用。（二） 影響屈服強度的外因素溫度:一般的規(guī)律是溫度升高，屈服強度降低。原因：派拉力屬于短程力，對溫度十分敏感。應變速率：應變速率大，強度增加。應力狀態(tài)：切應力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強度越低。韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)別。為什么脆性斷裂更加危險？答：韌性斷裂：是斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂。特征：斷裂面一般平行于最大切應力與主應力成45度角。斷口成纖維狀（塑變中微裂紋擴展和連接），灰暗色（反光能力弱）。斷口三要素：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇。這三個區(qū)域的比例關系與材料韌斷性能有關。塑性好，放射線粗大；塑性差，放射線變細乃至消失。脆性斷裂：斷裂前基本不發(fā)生塑性變形的，突發(fā)的斷裂。特征：斷裂面與正應力垂直，斷口平齊而光滑，呈放射狀或結晶狀。注意：脆性斷裂也產(chǎn)生微量塑性變形。斷面收縮率小于5%為脆性斷裂，大于5%為韌性斷裂。說明布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度的實驗原理和優(yōu)缺點。答：①布氏硬度試驗的基本原理：在直徑D的鋼珠（淬火鋼或硬質合金球）上，加一定負荷F,壓入被試金屬的表面，保持規(guī)定時間卸除壓力，根據(jù)金屬表面壓痕的陷凹面積計算出應力值，以此值作為硬度值大小的計量指標。優(yōu)點：代表性全面，因為其壓痕面積較大，能反映金屬表面較大體積范圍內(nèi)各組成相綜合平均的性能數(shù)據(jù)，故特別適宜于測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶?；虼执蠼M成相的金屬材料。試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定。試驗數(shù)據(jù)從小到大都可以統(tǒng)一起來。缺點：鋼球本身變形問題。對HB＞450以上的太硬材料，因鋼球變形已很顯著，影響所測數(shù)據(jù)的正確性，因此不能使用。由于壓痕較大，不宜于某些表面不允許有較大壓痕的成品檢驗，也不宜于薄件試驗。不同材料需更換壓頭直徑和改變試驗力，壓痕直徑的測量也較麻煩。洛氏硬度的測量原理：洛氏硬度是以壓痕陷凹深度作為計量硬度值的指標。洛氏硬度試驗的優(yōu)缺點：洛氏硬度試驗避免了布氏硬度試驗所存在的缺點。優(yōu)點是：1）因有硬質、軟質兩種壓頭，故適于各種不同硬質材料的檢驗，不存在壓頭變形問題；2）壓痕小，不傷工件，適用于成品檢驗；3）操作迅速，立即得出數(shù)據(jù)，測試效率高。缺點是：代表性差，用不同硬度級測得的硬度值無法統(tǒng)一起來，無法進行比較。維氏硬度的測定原理：維氏硬度的測定原理和布氏硬度相同，也是根據(jù)單位壓痕陷凹面積上承受的負荷，即應力值作為硬度值的計量指標。優(yōu)點：1、不存在布氏那種負荷F和壓頭直徑D的規(guī)定條件的約束，以及壓頭變形問題；2、也不存在洛氏那種硬度值無法統(tǒng)一的問題；3、它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，壓痕測量的精確度高，硬度值較為精確。4、負荷大小可任意選擇。（維氏顯微硬度）唯一缺點是硬度值需通過測量對角線后才能計算（或查表）出來，因此生產(chǎn)效率沒有洛氏硬度高。今有如下零件和材料需要測定硬度，試說明選擇何種硬度實驗方法為宜。（1）滲碳層的硬度分布----HK或-顯微HV（2）淬火鋼-----HRC（3）灰鑄鐵-----HB（4） 鑒別鋼中的隱晶馬氏體和殘余奧氏體-----顯微HV或者HK（5） 儀表小黃銅齒輪-----HV（6）龍門刨床導軌-----HS（肖氏硬度）或HL（里氏硬度）（7）滲氮層-----HV（8）高速鋼刀具-----HRC（9）退火態(tài)低碳鋼-----HB（10）硬質合金-----HRA低溫脆性的原因：低溫脆性是材料屈服強度隨溫度降低而急劇增加，而解理斷裂強度隨溫度變化很小的結果。如圖所示：當溫度高于韌脆轉變溫度時，斷裂強度大于屈服強度，材料先屈服再斷裂（表現(xiàn)為塑韌性）；當溫度低于韌脆轉變溫度時，斷裂強度小于屈服強度，材料無屈服直接斷裂（表現(xiàn)為脆性）。心立方和面心立方金屬低溫脆性的差異：體心立方金屬的低溫脆性比面心立方金屬的低溫脆性顯著。原因：這是因為派拉力對其屈服強度的影響占有很大比重，而派拉力是短程力，對溫度很敏感，溫度降低時，派拉力大幅增加，則其強度急劇增加而變脆。測得tk：拉伸〉扭轉 缺口靜彎曲＜缺口沖擊彎曲 光滑試樣拉伸＜缺口試樣拉伸試述金屬的硬化與軟化現(xiàn)象及產(chǎn)生條件。金屬材料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，即為循環(huán)硬化。金屬材料在恒定應變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應力逐漸減小，即為循環(huán)軟化。金屬材料產(chǎn)生循環(huán)硬化與軟化取決于材料的初始狀態(tài)、結構特性以及應變幅和溫度等。循環(huán)硬化和軟化與。b/Os有關：ab/as>1.4，表現(xiàn)為循環(huán)硬化；ab/as<1.2，表現(xiàn)為循環(huán)軟化；1.2<ab/as<1.4，材料比較穩(wěn)定，無明顯循環(huán)硬化和軟化現(xiàn)象。也可用應變硬化指數(shù)n來判斷循環(huán)應變對材料的影響，n<1軟化，n>1硬化。退火狀態(tài)的塑性材料往往表現(xiàn)為循環(huán)硬化，加工硬化的材料表現(xiàn)為循環(huán)軟化。循環(huán)硬化和軟化與位錯的運動有關：退火軟金屬中，位錯產(chǎn)生交互作用，運動阻力增大而硬化。冷加工后的金屬中，有位錯纏結，在循環(huán)應力下破壞，阻力變小而軟化。試述低周疲勞的規(guī)律及曼森-柯芬關系。低周疲勞壽命的公式由彈性應變和塑性應變兩部分對應的壽命公式組成，其對應的公式分別為：竺二(2N)b當二￡(2N)c2Ef2ff將以上兩公式兩邊分別取對數(shù)，在對數(shù)坐標上，上兩公式就變成了兩條直線，分別代表彈性應變幅-壽命線和塑性應變幅-壽命線。兩條直線斜率不同，其交點對應的壽命稱為過渡壽命。在交點左側，即低周疲勞范圍內(nèi)，塑性應變幅起主導作用，材料的疲勞壽命由塑性控制；在高周疲勞區(qū)，彈性應變幅起主導作用，材料的疲勞壽命由強度控制。選材時，高周疲勞主要考慮強度，低周疲勞考慮塑性。何謂氫致延滯斷裂？為什么高強度鋼的氫致延滯斷裂是在一定的應變速率下和一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)？答：高強度鋼中固溶一定量的氫，在低于屈服強度的應力持續(xù)作用下，經(jīng)過一段孕育期后，金屬內(nèi)部形成裂紋，發(fā)生斷裂。----氫致延滯斷裂。因為氫致延滯斷裂的機理主要是氫固溶于金屬晶格中，產(chǎn)生晶格膨脹畸變，與刃位錯交互作用，氫易遷移到位錯拉應力處，形成氫氣團。當應變速率較低而溫度較高時，氫氣團能跟得上位錯運動，但滯后位錯一定距離。因此，氣團對位錯起'釘扎”作用，產(chǎn)生局部硬化。當位錯運動受阻，產(chǎn)生位錯塞積，氫氣團易于在塞積處聚集，產(chǎn)生應力集中，導致微裂紋。若應變速率過高以及溫度低的情況下，氫氣團不能跟上位錯運動，便不能產(chǎn)生“釘扎”作用，也不可能在位錯塞積處聚集，產(chǎn)生應力集中，導致微裂紋。所以氫致延滯斷裂是在一定的應變速率下和一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的。粘著磨損產(chǎn)生的條件：又稱為咬合磨損，在滑動摩擦條件下，摩擦副相對滑動速度較小，因缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應力超過實際接觸點處屈服強度而產(chǎn)生的一種磨損。粘著磨損機理：實際接觸點局部應力引起塑性變形，使兩接觸面的原子產(chǎn)生粘著。粘著點從軟的一方被剪斷轉移到硬的一方金屬表面，隨后脫落形成磨屑。舊的粘著點剪斷后，新的粘著點產(chǎn)生，隨后也被剪斷、轉移。如此重復，形成磨損過程。改善粘著磨損耐磨性的措施：1.選擇合適的摩擦副配對材料：選擇原則：配對材料的粘著傾向小、互溶性小、表面易形成化合物的材料(金屬與非金屬配對)采用表面化學熱處理改變材料表面狀態(tài)：進行滲硫、磷化、碳氮共滲等在表面形成一層化合物或非金屬層，即避免摩擦副直接接觸又減小摩擦因素?？刂颇Σ粱瑒铀俣群徒佑|壓力：減小滑動速度和接觸壓力能有效降低粘著磨損其他途徑：改善潤滑條件，降低表面粗糙度，提高氧化膜與機體結合力都能降低粘著磨損。影響接觸疲勞壽命的因素：（一）內(nèi)因：1.非金屬夾雜物：脆性非金屬夾雜物對疲勞強度有害，適量的塑性非金屬夾雜物（硫化物）能提高接觸疲勞強度。塑性硫化物隨基體一起塑性變形，當硫化物把脆性夾雜物包住形成共生夾雜物時，可以降低脆性夾雜物的不良影響。生產(chǎn)上盡可能減少鋼中非金屬夾雜物。熱處理組織狀態(tài)：接觸疲勞強度主要取決于材料的抗剪切強度，并有一定的韌性相配合。當馬氏體含碳量在0.4?0.5w%時，接觸疲勞壽命最高。殘余奧氏體越多，馬氏體針越粗大，越容易產(chǎn)生微裂紋，疲勞強度低；未溶碳化物和帶狀碳化物越多，接觸疲勞壽命越低。表面硬度和心部硬度：在一定硬度范圍內(nèi)，接觸疲勞強度隨硬度的升高而增加，但并不保持正比線性關系。表面形成一層極薄的殘余奧氏體層，因表面產(chǎn)生微量塑性變形和磨損，增加了接觸面積，減小了應力集中，反而增加了接觸疲勞壽命。滲碳件心部硬度太低，表層硬度梯度過大，易在過渡區(qū)內(nèi)形成裂紋而產(chǎn)生深層剝落。表面硬化層深度：硬化深度要適中。殘余內(nèi)應力：殘余壓應力有利于提高疲勞壽命。（二）外因：1.表面粗糙度與接觸精度：減少加工缺陷，降低表面粗糙度，提高接觸精度，可以有效增加接觸疲勞壽命。接觸應力低，表面粗糙度對疲勞壽命影響較大；接觸應力高，表面粗糙度對疲勞壽命影響較小2.硬度匹配：兩個接觸滾動體的硬度和裝配質量等都應匹配適當。影響金屬