材料性能學重點(完整版)

材料性能學重點(完整版)第一章力—伸長曲線和應力—應變曲線，真應力—真應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—伸長曲線的縱，橫坐標分別用拉伸試樣的標距處的原始截面積Ao和原始標距長度Lo相除，則得到與力—伸長曲線形狀相似的應力（σ=F/Ao）—應變（=ΔL/Lo）曲線比例極限σp，彈性極限σe，屈服點σs，抗拉強度σb如果以瞬時截面積A除其相應的拉伸力F，則可得到瞬時的真應力S（S＝F/A)。同樣，當拉伸力F有一增量dF時，試樣瞬時長度L的基礎上變?yōu)長＋dL，于是應變的微分增量應是de＝dL/L，則試棒自L0伸長至L后，總的應變量為：式中的e為真應變。于是，工程應變和真應變之間的關系為彈性模數在應力應變關系的意義上，當應變?yōu)橐粋€單位時，彈性模數在數值上等于彈性應力，即彈性模數是產生100%彈性變形所需的應力。在工程中彈性模數是表征材料對彈性變形的抗力，即材料的剛度，其值越大，則在相同應力下產生的彈性變形就越小。比彈性模數是指材料的彈性模數與其單位體積質量（密度）的比值，也稱為比模數或比剛度影響彈性模數的因素①鍵合方式和原子結構（不大）②晶體結構（較大）③化學成分（間隙大于固溶）④微觀組織（不大）⑤溫度（很大）⑥加載條件和負荷持續(xù)時間（不大）比例極限和彈性極限比例極限σp是保證材料的彈性變形按正比關系變化的最大應力，即在拉伸應力－應變曲線上開始偏離直線時的應力值。彈性極限σe試樣加載后再卸載，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標準，材料能夠完全彈性恢復的最高應力值彈性比功又稱為彈性比能或應變比能，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到彈性極限時單位體積吸收的彈性變形功表示。根據材料在彈性變形過程中應力和應變的響應特點，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，應力和應變服從虎克定律σ＝Mε，并同時滿足3個條件，即：應變對于應力的響應是線性的；應力和應變同相位；應變是應力的單值函數。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等類型。的塑性變形或對微量塑變形的材料進行再結晶退火在非理想彈性情況下，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，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耗。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)象屈服強度材料屈服時所對應的應力值也就是材料抵抗起始塑性變形或產生微量的塑性變形的能力，這一應力值稱為材料的屈服強度（屈服點）影響金屬材料屈服強度的因素(1)晶體結構(2)晶界與亞結構(3)溶質元素(4)第二相(5)溫度(6)應變速率與應力狀態(tài)應變硬化：材料在應力作用下進入塑性變形階段后，隨著變形量的增大，形變應力不斷提高的現(xiàn)象稱為應變硬化或形變強化應變硬化指數Hollomon公式式中S為真應力；e為真應變；n為應變硬化指數；K為硬化系數是真應變?yōu)?時的真應力。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，得lgS＝lgK+nlge根據lgS－lge的線性關系，只要在拉伸力－伸長曲線上確定幾個點的σ、ε值，分別按S＝（1＋ε），e＝ln（1＋ε），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?？s頸：是在應變硬化與截面減小的共同作用下，因應變硬化跟不上塑性變形的發(fā)展，使變形集中于式樣局部區(qū)域而產生的?？估瓘姸群彤a生縮頸的推導P23抗拉強度是拉伸實驗時，試樣拉斷過程中最大實驗力所對應的力?？s頸形成點對應于工程應力----應變曲線上的最大載荷點，因此dF=0。產生縮頸的工程應力為材料的斷裂過程大都包括裂紋的形成和擴展兩個階段。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展的途徑，分為穿晶斷裂和沿晶斷裂；按照微觀斷裂機理，分為解理斷裂和剪切斷裂；按照作用力的性質還可分為正斷和切斷韌性斷裂：是材料斷裂前及斷裂過程中產生明顯宏觀塑性變形的斷裂過程。脆性斷裂：是材料斷裂前基本不產生明顯的宏觀塑性變形，沒有明顯預兆，往往變現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過程，因而具有很大的危險性。剪切斷裂：是材料在切應力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂解理斷裂：在正應力作用下，由于原子間結合鍵的破壞引起的沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂。河流花樣解理裂紋沿解理面擴展時，與晶內原先存在的螺旋位錯相交，便產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，當匯合臺階足夠高時，便形成河流花樣。韌窩是材料在微區(qū)范圍內塑性變形產生的顯微空洞，經形核，長大，聚集，最后相互連接而導致斷裂后，在斷口表面所留下的痕跡。（剪切斷裂的微觀表現(xiàn)）斷口特征三要素：纖維區(qū)，放射區(qū)，剪切唇理論斷裂強度：再外加正應力作用下，將晶體中的兩個原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應力稱為理論斷裂強度。脆性材料有微裂紋的原因：一般脆性材料，如玻璃、硅等，由于少量夾雜物和表面損傷等原因，都會有微裂紋真實斷裂強度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所得應力值，即：Sk=Fk/Ak。韌度：是衡量材料韌性大小的力學性能指標，其中又分為靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。韌性：指材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。第二章應力狀態(tài)軟性系數α=τmax/σmax=扭轉0.8、單向拉伸0.5、三向等拉伸0、三向不等拉伸0.1、單向壓縮2.0、兩向壓縮1、三向壓縮∞綜合比較單向拉伸、壓縮、彎曲及扭轉試驗的特點和應用范圍單向拉伸的應力軟性系數較高搭0.5，主要用于塑性材料的力學性能測試。單向靜拉伸試驗可以揭示材料在靜載作用下的應力應變關系及常見的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性能指標，如屈服強度、抗拉強度、伸長率和斷面收縮率等。這些性能指標既是材料的工程應用、構件設計和科學研究等方面的計算依據，也是材料的評定和選用以及加工工藝選擇的主要依據。扭轉試驗的應力狀態(tài)軟性系數（0.8）較拉伸的應力狀態(tài)軟性系數高，可測量拉伸時呈現(xiàn)脆性的材料的強度和塑性；扭轉試驗時試樣截面的應力分布表面最大，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表面強化工藝進行研究。和機件表面質量進行檢驗。試樣不產生頸縮，可精確測定拉伸時出現(xiàn)頸縮的高塑性材料的形變能力和抗力。扭轉試樣的正應力和剪切應力大致相等，可測定材料的切斷強度。（斷口特征P41圖2-4）彎曲試驗加載時受拉的一側應力狀態(tài)基本與靜拉伸時相同，且不存在如拉伸時的所謂試樣偏斜對試驗結果的影響?？蓽y定太硬難于加工成拉伸試樣的脆性材料的斷裂強度，并能顯示出它們的塑性區(qū)別。彎曲時，截面上的表面應力最大，故可靈敏反映材料表面缺陷。單向壓縮的應力狀態(tài)軟性系數是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)下的力學行為。塑性材料不用于壓縮試驗。多向不等壓縮試驗的應力狀態(tài)大于2，可用于更脆的材料。缺口三效應1缺口造成應力應變集中2去口改變了缺口前方的應力狀態(tài)，使平板中材料所受的應力由原來的單向拉伸改變?yōu)閮上蚧蛉蚶?缺口使塑性材料得到“強化”硬度實驗按加載方式分為刻劃法（莫氏硬度順序法，銼刀法）和靜載壓入法（布氏硬度洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度）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。優(yōu)點：壓痕面積較大，其硬度值能反映材料在較大區(qū)域內各組成的平均性能，試驗數據穩(wěn)定，重復性高缺點：壓痕直徑較大，不宜在成品件上直接進行檢驗，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。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＝F1＋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，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。為了適應習慣上數值越大硬度越高的概念，故用一常數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值：金剛石壓頭0.2淬火鋼壓頭0.26）優(yōu)點：操作簡便迅速；壓痕??；可對工件直接進行檢驗；采用不同的標尺，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；所測硬度值的重復性差、分散度大；用不同的標尺測得的硬度值既不能直接進行比較，又不能彼此互換。努氏硬度適用于測定表面滲層、鍍層及淬硬層的硬度，滲層截面上的硬度分布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α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。當載荷單位為kgf,壓痕對角線長度單位為mm時,HV=1.8544F/。當載荷的單位為N時，HV=0.1891F/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之間的關系約束，此外，維氏硬度也不存在洛氏硬度那種不同標尺的硬度無法統(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10mm×10mm×55mm的無缺口沖擊試樣。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。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度結構鋼，當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，斷裂機理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y晶狀，這就是低溫脆性。轉變溫度tk稱為韌脆轉變溫度或冷脆轉變溫度。低溫脆性的宏觀原因材料低溫脆性的產生與其屈服強度σs和斷裂強度σc隨溫度的變化有關。斷裂強度σc隨溫度的變化很?。ㄓ覉D），屈服強度σs隨溫度的變化情況與材料的本性有關。兩線交于一點，該交點對應的溫度即為tK（韌脆轉變溫度）。高于tK時，σc＞σs，材料受載后先屈服再斷裂，為韌性斷裂；低于tK時，外加應力首先達到σc，材料表現(xiàn)為脆性斷裂。而面心立方結構材料的σs’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σc曲線相交，故此種材料的脆性斷裂現(xiàn)象不明顯。低溫脆性的微觀原因體心立方金屬的低溫脆性與位錯在晶體中運動的阻力σi對溫度變化非常敏感有關，σi在低溫下曾姐，故該類材料在低溫下處于脆性狀態(tài)。面心立方金屬因位錯寬度比較大，σi對溫度變化不敏感，故一般不顯示低溫脆性。體心立方金屬的低溫脆性還與遲屈服現(xiàn)象有關遲屈服遲屈服是指當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構材料時，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、低強度鋼的基體是體心立方結構的鐵素體，故都有明顯的低溫脆性。第五章疲勞斷口的3咯特征區(qū)：疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)。疲勞：工件在變動載荷和應變長期作用下，因累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，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。若機件承受較高的名義應力或材料韌性差，則疲勞區(qū)范圍較小，貝紋線不明顯；反之....疲勞條帶電子顯微鏡微觀貝紋線肉眼宏觀疲勞應力判據和斷裂疲勞判據是疲勞設計的基本依據，其中作為材料疲勞抗力指標的疲勞強度、過載持久值、疲勞缺口敏感度及疲勞裂紋擴展速率等都是材料的基本力學性能指標。疲勞強度：是指金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應力稱為疲勞強度或疲勞極限。Paris公式的應用P101影響材料及機件疲勞強度的因素：1）工作條件的的影響：①載荷條件：在過載損傷區(qū)內的過載將降低材料的疲勞強度或壽命。②溫度：隨溫度降低，疲勞強度升高：溫度高則相反。但在某些溫度范圍因時效，熱脆等現(xiàn)象疲勞強度會出現(xiàn)峰值或谷值。③腐蝕介質：腐蝕介質因使材料表面腐蝕產生蝕坑，而降低材料疲勞強度導致腐蝕疲勞。2）表面狀態(tài)及尺寸：①表面狀態(tài)：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，故受循環(huán)應力作用的機件的材料不允許有大的缺陷，否則降低疲勞強度。②尺寸因素：在變動載荷作用下，隨機件尺寸增大使疲勞強度下降的現(xiàn)象稱為尺寸效應。表面強化及殘余應力的影響：提高機件表面塑變抗力（硬度和強度），降低表面的有效拉應力，即可抑制材料表面疲勞裂紋的萌生和擴展，有效提高承受彎曲與扭轉循環(huán)載荷下材料的疲勞強度。表面強化方法有表面噴丸和滾壓、表面淬火及表面化學熱處理等。材料成分及組織的影響：①合金成分。②非金屬夾雜物及冶金缺陷③顯微組織。Hall-Petch關系：式中：為位錯在晶格中運動摩擦阻力；k為材料常數；d為晶粒平均直徑第六章磨損磨損是在摩擦作用下物體相對運動時，表面逐漸分離出磨屑從而不斷損傷的現(xiàn)象。磨損過程的三個階段：跑合（磨合）階段(2)穩(wěn)定磨損階段(3)劇烈磨損階段磨損是多種因素相互影響的復雜過程。根據摩擦面損傷和破壞的形式，大致可分4類：粘著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損及麻點疲勞磨損（接觸疲勞）。磨損量的測量有稱重法和尺寸法兩種耐磨性耐磨性是指材料抵抗磨損的性能，迄今還沒有一個明確的統(tǒng)一指標，通常用磨損量表示。磨損量愈小，耐磨性愈高。磨損試驗方法分為實物試驗與實驗室試驗第七章1、蠕變：是材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產生塑性變形的現(xiàn)象。由于這種變形而最后導致材料的斷裂稱為蠕變斷裂2、蠕變的三個階段：減速（過渡）蠕變階段、恒速（穩(wěn)態(tài)）蠕變階段、加速（失穩(wěn)）蠕變階段3、蠕變變形機理材料的蠕變變形機理主要有位錯滑移、原子擴散和晶界滑動。4、蠕變斷裂機理蠕變斷裂有兩種情況：一種是對于那些不含裂紋的高溫機件，在高溫長時間服役過程中，由于蠕變裂紋相對均勻地在機件內部萌生和擴展，顯微結構變化引起的蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導致的斷裂。另一種情況是高溫工程機件中，原來就存在裂紋或類似裂紋的缺陷，其裂紋是由于主裂紋的擴展引起的。等強溫度：晶界和晶內強度相等的溫度描述材料的蠕變性能常采用蠕變極限、持久強度、松弛穩(wěn)定性等力學性能指標。蠕變極限蠕變極限表示材料對高溫蠕變變形的抗力，是選用高溫材料、設計高溫下服役機件的主要依據之一。蠕變極限的表示方法有兩種：第一種方法，在給定溫度下，使試樣在蠕變第二階段產生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應力，定義為蠕變極限，記作（MPa），其中T是表示溫度（℃），是表示第二階段的穩(wěn)態(tài)蠕變速率（％/h）。第二種方法，在給定溫度和時間的條件下，使試樣產生規(guī)定的蠕變應變的最大應力，定義為蠕變極限，記作。其中T表示測試溫度（℃），ε／ｔ表示在給定時間t內產生的蠕變應變?yōu)棣?。在蠕變時間短而蠕變速率又較大的情況下，一般采用這種定義方法。持久強度：持久強度是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內，不發(fā)生蠕變斷裂能承受的最大應力松弛穩(wěn)定性：材料抵抗應力松弛的能力稱為松弛穩(wěn)定性影響蠕變性能的主要因素：P132-133內在因素：①化學成分：熱激活能高的材料，蠕變變形就困難，蠕變極限、持久強度、剩余應力就高②組織結構。③晶粒大?。寒斒褂脺囟鹊陀诘葟姕囟葧r，細化晶粒可以提高鋼的強度；當使用溫度高于等強溫度使，粗化晶?？梢蕴岣咪摰娜渥儤O限和持久強度。外部因素：應力、溫度第九章根據材料被磁化后對磁場所產生的影響，把材料分成3類：使磁場減弱的物質稱為抗磁性材料；使磁場略有增強的為順磁材料；使磁場強烈增加的為鐵磁性材料。材料被磁化后，磁化矢量與外加磁場方向相反的稱為抗磁性，χ＜0；材料被磁化后，磁化矢量與外加磁場方向相同的稱為順磁性，χ＞0。通常，把測量的磁感應強度或磁化強度與外加磁場強度的關系曲線稱為磁化曲線。材料的抗磁性來源于電子循軌運動時受外加磁場作用所產生的抗磁矩。材料的順磁性主要來源于原子（離子）的固有磁矩4、鐵磁性物質在磁化時具有兩個很重要的特性，即具有磁各向異性和磁致伸縮效應。磁化強度沿不同晶軸方向不同的現(xiàn)象稱為磁晶的各向異性。鐵磁物質磁化時，沿磁化方向發(fā)生長度的伸長或縮短的現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應。定義磁致伸縮系數λ＝Δl/l（式中：l為鐵磁體的原始長度，Δl為沿磁化方向長度的改變）。λ>0,表示沿磁化方向上的尺寸伸長，稱正磁致伸縮，磁疇：在鐵磁性物質中，存在著許多微小自發(fā)磁化區(qū)域，稱為“磁疇”。P170圖第十章熱電效應：帕爾帖效應、湯姆遜效應、賽貝克效應半導體導電的敏感效應：熱敏效應，光敏效應，壓敏效應，磁敏效應，氣敏，熱電3、極化：介質在電場作用下產生感應電荷的現(xiàn)象稱為介質的極化，這類材料稱為電介質4、極化的基本形式：位移極化，松弛極化，轉向極化5、介質的損耗：電介質在電場作用下，在單位時間內因發(fā)熱而消耗的能量稱為電介質的損耗功率，或簡稱介質損耗。6、介質的損耗形式：電導（漏導）損耗，極化損耗，電離損耗，結構損耗，宏觀結構不均勻的介質損耗7、電介質的擊穿形式有電擊穿、熱擊穿和化學擊穿三種。十三章應力腐蝕斷裂：是指金屬材料在拉應力和特定介質的共同作用下所引起的斷裂，簡稱為應力腐蝕（SCC）。應力腐蝕斷裂的條件及特征：①應力。必須有拉應力存在才能引起應力腐蝕。拉應力愈大，則斷裂所需時間愈短。②介質。材料發(fā)生應力腐蝕需要形成一個應力腐蝕體系，一定的材料必須和一定的介質的相互結合，才會發(fā)生應力腐蝕斷裂。③速度。應力腐蝕斷裂速度遠大于沒有應力時的腐蝕速度，又遠小于單純力學因素引起的斷裂速度。④腐蝕斷裂形態(tài)。金屬發(fā)生應力腐蝕時，僅在局部區(qū)域出現(xiàn)從