材料力学性能复习总结

绪论弹性：指材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力。塑性：材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力。刚度：材料在受力时抵抗弹性变形的能力。强度：材料对变形和断裂的抗力。韧性：指材料在断裂前吸收塑性变形和断裂功的能力。硬度：材料的软硬程度。耐磨性： 材料抵抗磨损的能力。寿命：指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效的能。材料的力学性能的 取决因素 ：内因化学成分、组织结构、残余应力、表面和内部的缺陷等；外因载荷的性质、应力状态、工作温度、环境介质等条件的变化。第一章 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能拉伸力伸长曲线和应力应变曲线应力应变曲线退火低碳钢在拉伸力作用下的力学行为可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形和断裂几个阶段。弹性变形阶段 ：曲线的起始部分，图中的 oa 段。多数情况下呈直线形式，符合虎克定律。屈服阶段 ：超出弹性变形范围之后，有的材料在塑性变形初期产生明显的塑性流动。此时，在外力不增加或增加很小或略有降低的情况下，变形继续产生，拉伸图上出现平台或呈锯齿状，如图中的 ab 段。均匀塑性变形阶段 ：屈服后，欲继续变形，必须不断增加载荷，此阶段的变形是均匀的，直退火低碳钢应力应变曲线到曲线达到最高点，均匀变形结束，如图中的 bc 段。不均匀塑性变形阶段 ：从试样承受的最大应力点开始直到断裂点为止，如图中的 cd 段。在 此阶段，随变形增大，载荷不断下降，产生大量不均匀变形，且集中在颈缩处，最后载荷达到断裂载荷时，试样断裂。弹性模量E:应力一应变曲线与横轴夹角的大小表示材料对弹性变形的抗力，用弹性模量 E 表示。塑性材料应力一应变曲线(a)弹性一弹塑性型：Oa为弹性变形阶段，在a点偏离直线关系，进入弹一塑性阶段，开 始发生塑性变形，开始发生塑性变形的应力称为屈服点，屈服点以后的变形包括弹性变形和塑性 变形。在m点卸载，应力沿mn降至零，发生加工硬化。(b)弹性-不均匀塑性-均匀塑性型：与前者不同在于出现了明显的屈服点aa,有时呈屈服平台状，有时呈齿状。应变约 1%3%退火低碳钢和某些有色金属具有此行为。(c)弹性-均匀塑性型：未出现颈缩前的均匀变形过程中发生断裂。 主要是许多金属及合金、 部分陶瓷和非晶态高聚物具有此种曲线。(d)弹性-不均匀塑性型：形变强化过程中出现多次局部失稳，其塑性变形方式通常是学生 而不是滑移。当学生速率超过试验机夹头运动速度时，载荷会突然松弛而呈现锯齿形的曲线。某 些低溶质固溶体铝合金及含杂质的铁合金具有此行为。加工硬化：材料经历一定的塑性变形后，其屈服应力升高的现象称为应变强化或加工硬化。颈缩：材料经均匀形变后出现集中变形的现象称为颈缩。弹性变形材料受外力作用发生尺寸和形状的变化，称为 变形。外力去除后，随之消失的变形为 弹性变 形，剩余的(即永久性的)变形为 塑性变形。弹性变形的重要特征 是其可逆性，即受力作用后产生变形，卸除载荷后，变形消失。曲线1:两原子间的引力曲线2:两原子间的斥力曲线3:两原子之间的作用力当原子间相互平衡力受外力而受到破坏时，原子位置相应调整，产生位移。而位移总和在宏 观上表现为变形。外力去除后，原子依靠之间的作用力又回到原来平衡位置，位移消失，宏观变形消失。弹性模量E：表征材料抵抗正应变的能力。在单向受力状态下切变模量G：表征材料抵抗剪切变形的能力。在纯剪切应力状态下 G二产Jy泊松比V ：反映材料受力后横向正应变与受力方向上正应变之比。单向受力状态下二体积弹性模量K：表示物体在三向压缩下，压强p与体积变化率A V/V之间的线性比例关系。EK 二-n 3(1 - 2 v)刚度：工程上弹性模量为称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则 在相同的应力状态下产生的弹性变形量越小。弹性比功：弹性比功又称弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功而不发生永久2e2E变形的能力。金属拉伸时的弹性比功用应力一应变曲线下影线的面积表示，即1ae二 e e2式中，ae为弹性比功，be为弹性极限（材料由弹性变形过渡到弹一塑性变形时的应力）为最大弹性应变。在应力作用下应变不断随时间而发展的行为，以及应力去除后应变逐渐恢复的现象都统称为弹性后效。实际金属在外力作用下产生弹性变形，开始时沿 OA线产生瞬时弹性应变OC如果载荷保持 不变，还产生随时间延长而逐渐增加的应变 CH这种在加载状态下产生的滞弹性变形称为正弹性 后效。卸载时，延BD线只有应变DH立即消失，而应变OD是卸载后随时间延长才缓慢消失的， 这种在卸载后产生的滞弹性变形称为反弹性后效。弹性滞后环：弹性变形时因应变滞后于外加应力，使加载线和卸载线不重合而形成的回线称 为弹性滞后环。存在弹性滞后环的现象说明，加载时金属消耗的变形功大于卸载时金属恢复变形释放出的 功，环面积大小代表被金属吸收的那部分功。滞后环的面积相当于金属在单向循环应力或交变循环应力作用下消耗不可逆能量的多少，即 表示金属吸收不可逆变形功的能力，成为金属的褥戳遨如犷载端腺韧性。循诔锣H便指悔哪也加 载时材料吸收不可逆变形功的能力；内耗是指在弹性区加载时材料吸收不可逆变形功的能力。一 般这两个名词可以混用。包中格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变为1%4%,卸载后同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加，反向加载时规定残余伸长应力降低的现象， 称为包中格效应。包中格效应产生的原因（位错理论）：初次加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错受阻， 塞积后产生背应力，背应力反作用于位错源，当背应力足够大时，可使位错源停止开动。预变形 时位错的运动方向和背应力的方向相反。反向加载时位错运动的方向和背应力方向一致，背应力 帮助位错运动，塑性变形相对容易。塑性变形塑性变形的方式：滑移和学生。其中，滑移是金属材料在切应力作用下，位错沿滑移面和滑 移方向运动而进行的切变过程，是最主要的变形机制。学生也是金属材料在切应力作用下的一种 塑性变形方式，一般发生在低温形变或快速形变时，受晶体结构的影响较大一一fccbcchcp。塑性变形的特点1、各晶粒塑性变形的不同时性和不均匀性 ：多晶体试样受到外力作用后，大部分区域尚处 在弹性变形范围内，塑性变形首先在个别取向有利的晶粒内，塑性变形不可能在不同晶粒中同时 开始；一个晶粒的塑性变形必然受到相邻不同位向晶粒的限制，由于各晶粒的位向差异，这种限 制在变形晶粒的不同区域上是不同的，在同一晶粒内的不同区域的变形量也是不同的。2、各晶粒塑性变形的相互制约与协调：多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成品界开裂。五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。3、塑性变形后金属的品格发生点阵畸变，储存能量，产生内应力。4、塑性应变量提高，金属强度增大，产生加工硬化。屈服：受力试样中，应力达到某一特定值后，开始大规模塑性变形的现象称为屈服。呈现屈服现象的金属材料拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力称为屈服点；试样发生屈服而首次下降前的最大应力称为 上屈服点,即为口诏当不计初始瞬时效应（指在屈服 过程中实验为第一次发生下降）时屈服阶段中的最小应力称为下屈服点，记为。slo屈服现象的本质（不确定）：金属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观塑性 变形的一种标志。参考拉伸力一伸长曲线，材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段过渡是明显的， 表现在试验过程中外力不增加试样仍能继续伸长或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外 力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形，这便是屈服现象。金属材料一般是多晶体合金，往往具有多相组织，因此，讨论影响屈服强度的因素，必须注 意以下几点：屈服变形是位错增殖和运动的结果；实际金属材料的力学行为是由许多晶粒综合作用的结果；各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。影响屈服强度的因素：内在因素一一金属本性及晶格类型；晶格大小和亚结构；溶质元素； 第二相。外在因素 温度；应变速率；应力状态。相变强化：通过热处理方式，在不改变金属成分的前提下，改变金属的品格结构，使金属的 强度得以提高的方法称为相变强化。细品强化：减少晶粒尺寸会减少晶粒内部位错塞积的数量，减少位错塞积群的长度，降低塞 积点处的应力，相邻晶粒中位错源开动所需的外加切应力提高，屈服强度增加。这种通过细化品 粒尺寸提高材料强度的方法称为细品强化。固溶强化：金属中溶入溶质原子（间隙固溶、置换固溶）形成固溶体，其屈服强度会明显提 高，这种提高强度的方法称为固溶强化。（通常，间隙固溶体的强化效果大于置换固然体）弥散强化：金属中的第二相质点通过粉末冶金等方法获得。沉淀强化（析出强化）：金属中的第二相质点通过固溶处理加时效等方法获得。应变速率硬化：因应变速率增加而产生的强度提高效应的现象。颈缩：颈缩是韧性金属材料在拉伸试验时，变形集中于局部区域的现象，是材料加工硬化和 试样截面减小共同作用的结果。颈缩判据：n=eb,当金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时产生颈缩。抗拉强度：试件断裂前所能承受的最大工程应力称为抗拉强度，用来表征材料对最大均匀塑Fb性变形的抗力。0b A ,（7 b为抗拉强度；Fb为最大载荷；A为试件的原始截面积。两个塑性指标1、断后伸长率6|：试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比。61/ X 100%, Lo为试样原始标距长度，Li为试样断裂后的标距长度。2、断面收缩率 巾：试样拉断后颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。由二乂 1。叫，A为试样原始横截面积，Ai为颈缩处最小横截面。金属材料塑性与强度的关系：一般来讲，材料的强度提高，具变形抗力提高，变形能力下降， 塑性降低。相变强化、固溶强化、加工硬化及第二相弥散强化一般都会使塑性降低；细品强化不仅提高强度还时塑性提高。韧性：指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。切度：度量材料韧性的力学性能指标，分为静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。金属材料在静 拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功定义为 静力韧度，它是强度和塑性的综合指标。材料的断裂材料在塑性变形过程中，也在产生微孔，微孔的产生与发展，导致材料中微裂纹的形成与长 大，这种损伤达到临界状态时，裂纹失稳，实现最终的断裂塑性变形一裂纹的形成一裂纹扩展一断裂韧性断裂与脆性断裂断裂前不发生明显塑性变形一一脆性断裂；断裂前发生明显塑性变形一一韧性断裂。脆性断裂所需的能量：分开原子+新表面的表面能；韧性断裂所需的能量：分开原子 +新表面 的表面能+塑性变形消耗的能量（远大于前两者之和）韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。韧性断裂宏观断口形态呈杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成。纤维区：光滑圆柱试样受拉伸力作用，产生颈缩时试样的应力状态也由单向变为三向，且中 心区轴向应力最大。在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中各部分的夹杂物 或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔，微孔不断长大和聚合就形 成显微裂纹。显微裂纹形成、扩展过程重复进行就形成锯齿状的纤维区。放射区：环状纤维区发展到一定尺寸（临界裂纹尺寸）后，裂纹开始快速扩展（失稳扩展） 而形成放射区。放射区是裂纹作快速低能撕裂而形成的，有放射线花样特征，放射线平行于裂纹 扩展方向而垂直于裂纹前端（每一瞬间）的轮廓线，并逆指向裂纹源。剪切唇：放射区形成后，试样承载面积只剩下最外侧的环状面积，最后由拉伸应力的分切应 力所切断，形成与拉伸轴呈45的杯状或锥状剪切唇。脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很 大。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。圆柱形拉伸试样：断裂面与正应力垂直，断口平齐、光亮。断面上的放射状条纹汇聚于一个 中心，此中心区域就是裂纹源。板状矩形截面拉伸试样：“人”字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行，但其尖顶指向裂 纹源。沿晶断裂与穿晶断裂沿晶断裂：指裂纹在晶界上形成并沿晶界扩展的断裂形式,大多是脆性断裂。在多晶体变形 脆性断裂断口的放射状花样病性断裂断口的人字形花样中，晶界起协调相邻晶粒变形的作用，当品界受到损伤，其变形能力被消弱，不足以协调相邻品 粒的变形时，便形成晶界断裂断裂机制：晶界由脆性相析出（如过共析钢中二次渗碳体析出）； 高温晶界变弱（加热温度过高，晶界熔化）；有害元素沿晶界富集（合金钢的回火脆性）；晶界上有弥散相析出 （奥氏体高钻钢固溶处理后再加热时沿晶界析出碳化物）； 腐蚀环境下品界被腐蚀等原因使晶 界脆化或弱化所致。断裂过程：沿晶断裂过程包括裂纹的形成与扩展。品界受损的材料受力变形时，晶内的运动 位错受阻于晶界，在晶界处造成应力集中，当集中应力达到晶界强度时，便将晶界挤裂。断口形貌：沿晶断裂的性质取决于|u g （沿晶断裂应力有关的常数）与屈服强度| 口 s的相对大 小。当口 gOs时，先发生宏观屈服变形和形变强化，晶界有塑性变形，在完成一定的变形量 后发生微孔型沿晶断裂，产生石状断口。穿晶断裂：指裂纹沿晶内（穿过晶粒）扩展的断裂。穿晶断裂可依据不同的微观断裂机制而 具有不同的微观断口形貌特征，主要有解理、微孔聚集、准解理等。一般地，从宏观上看，穿晶断裂既可以是脆性断裂，也可以是韧性断裂。纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂剪切断裂是金属材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，一般是韧性断 裂，分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。其中，纯剪切断裂主要在纯金属尤其是在单晶体金属中 产生，其断口呈锋利的楔形或刀尖形，这是纯粹由滑移流变所造成的断裂。微孔聚集型断裂是通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离的，常用金属材料一般均产生这类性质的断裂。微孔聚集型断裂的断口形貌为切窝花样。在每一个切窝内都含有一个第二相质点或者折断的 夹杂物或者夹杂物颗粒，材料中的非金属夹杂物或第二相或其他脆性相颗粒是微孔形成的核心。 韧窝断口就是微孔开裂后继续长大和连接的结果。韧窝形成过程：韧窝的形成与异相粒子有关， 在外力作用下产生塑性变形时，异相阻碍基体滑移, 便在异相与基体滑移面交界处造成应力集中，当应力集中达到异相与基体界面结合强度或异相本 身强度时，会使二者界面脱离或异相自身断裂，从而形成裂纹（微孔），并不断扩大，最后使火杂物之间基体金属产生“内颈缩”，当颈缩达到一定程度后基体金属被撕裂或剪切断裂，使空洞 连接，从而形成切窝断口形貌。影响切窝形成的因素：韧窝的形成位置、形状、大小和深浅受很多因素影响，大致归纳起来可分为三个方面 成核粒子的大小和分布；材料的塑性变形能力，尤其是形变硬化的能力；外部因素（包括应力大小、应力状态、温度、变形速度等）。切窝形状主要取决于应力状态或应力与断面的相对取向，有等轴韧窝、拉长韧窝和撕裂切窝 三类。解理断裂：金属材料在一定条件下当外加正应力达到一定数值后以极快速率沿一定晶体学平 面产生的穿晶断裂，该晶体学平面为解理面。解理面一般是低指数晶面，如体心立方点阵金属的 （100）面和密排六方点阵金属的（0001）面。一般地，解理断裂总是脆性断裂，而脆性断裂却不一定是解理断裂。解理断口的微观形貌特征：对于理想单晶体而言，解理断裂可以是完全沿单一结晶面的分离, 其解理断口是一毫无特征的理想平面。在实际晶体中，由于缺陷的存在，断裂并不是沿单一的结 晶面解理，而是沿一组平行的结晶面解理，从而在不同高度上平行的解理面以解理台阶相连。在 解理裂纹扩展过程中，台阶汇合形成 “河流”花样，解理台阶、“河流”花样即为典型的解理断 口微观形貌特征。解理断裂的另一微观特征是存在舌状花样。第二章材料在其他静载荷下的力学性能应力状态软性系数应力状态软性系数：口二 广 二（。- 0 3M2 口 I- 2丫（口 2 - 口川。 “riSJE,口越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形;示应力状态越硬，金属越不容易产生塑性变形而易于产生脆性断裂。材料的压缩压缩试验的特点1、单向压缩试验的应力状态软性系数 0 = 2,比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软，所以 单向压缩试验主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能的测定，以显示这类材料在塑性状态下 的力学行为（图）2、拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂（图）脆性材料在拉伸时产生垂直于载荷轴向的正断，塑性变形量几乎为零；而在压缩时除能产生 一定的塑性变形外，常沿与轴线呈 45方向产生断裂，具有切断特征。材料的弯曲弯曲试验的特点1、弯曲试验不存在拉伸试验时的试件偏斜（力的作用线不能准确通过拉伸试件的轴线而产 生附加弯曲应力）对试验结果的影响，可以稳定地测定脆性材料和低塑性材料的抗弯强度，并能 由挠度明显地显示脆性和低塑性材料的塑性。如铸铁、工具钢、陶瓷等。2、弯曲试验不能使塑性很好的材料破坏，不能测定其断裂弯曲强度，但可以比较一定弯曲 条件下材料的塑性。3、弯曲试验时试样断面上的应力分布是不均匀的，表面应力最大，依此可以较灵敏地反映 材料的表面缺陷，以检查材料的表面质量。材料的硬度硬度并不是金属独立的基本性能，它是指金属在表面上的不大体积内抵抗变形或者破裂的能 力。硬度的种类：压入法布氏硬度、洛氏、维氏、普氏等。表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。应力状态软性系数最大，a 2,几乎所有的材料都能产生塑性变形。刻划法一一莫氏硬度。表征材料对切断的抗力。回跳法一一肖氏硬度。表征金属弹性变形功的大小。同一类方式的硬度可以换算；不同类方式则只能采用同一材料进行标定。 压入法是最主要的试验方法。布氏硬度原理：在直径D的钢珠上，加一定载荷p,压在被试金属的表面，根据金属表面压痕的陷凹 面积F计算出应力值，以此值作为硬度值大小的计量指标。布氏硬度值的符号以HB （kgf/mm2,1kgf=）标记，则HB二:二 喘，式中，t为压痕陷凹深度；口坑为压痕陷凹面积。在p和D一定时，t大，则说明材料的形变抗力低，硬度值小；反之则说明材料的形变抗力 高，硬度值大。直观上，测量压痕直径比测量压痕陷凹深度要容易，由 D d、t三者之间的几何 关系可得：BE|口 - /严|。读数：载荷、压头直径、保持时间是布氏硬度试验的 三要素。150HBs10/1000/30表示采用淬 火钢球，压头直径10mm载荷1000kg,载荷保持时间30s测得的布氏硬度值为150;200HBW10/3000/1昧示采用硬质合金钢球，压头直径 10mm载荷3000kg,载荷保持时间10s测 得的布氏硬度值为200。优点： 压痕面积大，能反映金属表面较大体积范围内各组成相综合平均的性能数据；试验数据稳定，重复性好，试验数据从小到大都可以统一起来；特别适宜于测得灰铸铁、轴承合金、等具有粗大晶粒或粗大组成相的金属材料。缺点：对于450HB以上的硬材料，因钢球变形已很显著，影响所测数据的正确性，因此不 能使用；由于此法产生的压痕较大，故不宜于某些表面不允许有较大压痕的成品检验，也不宜于薄件试验；因需测量d值，故被测处要求平稳，操作和测量都需较长时间，在要求迅速检定大量成品时不适合。洛氏硬度洛氏硬度试验是目前应用最广泛的一种方法，它是测定压痕深度来表征材料的硬度值。原理：洛氏硬度以压痕陷凹深度t作为计量硬度值的指标，所以在同一硬度级下，金属越硬 则压痕深度t越小，越软则t越大。如果直接以t的大小作为指标，则将出现硬金属t值小从而 硬度值小，软金属的t值大从而硬度值大的现象。为此，只能采取一个不得已的措施，即用选定 的常数来减去所得t值，以其差值来标志洛氏硬度值。此常数规定为（用于 HRC HRA和（用于HRB,此外在读数上再规定为一度，这样前一常数为100度（在试验机表盘上为100格（一圈）,后一常数为130度（在表盘上为一圈再加30格，为130格），因此IJRB = 0.26-t = 130- -压头与载荷的搭配：洛氏硬度的压头分硬质和软质两种。硬质的由顶角 120的金刚石圆锥体制成，适用于测定淬火钢等较硬的金属材料；软质的为直径1/16（）或1/8 （）钢球，适用于退火钢、有色金属等较软材料硬度值的测定。 生产上用得最多的是 A级、B级和C级，即HRA （金刚石圆锥压头、60kgf载荷），HRB（1/16钢球压头、100kgf载荷）和HRC（金刚石圆锥压头、150kgf载荷），而其中又以HRCg的最普遍。优点：有硬质、软质两种压头，适用于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题；压痕小，不伤工件表面；操作迅速，立即得出数据，生产效率高，适用于大量生产中的成品检验。缺点：不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，如 HRA HRB HRO据不具有可比性；对组织结构不一致，特别是具有粗大组成相或粗大晶粒的金属材料，因压痕太小，可能正好压在 个别组成相上，缺乏代表性；材料中有偏析或组织不均匀时，数据重复性差，分散度大。维氏硬度原理：与布氏硬度相同，也是根据单位压痕陷凹面积上承受的载荷，即应力值作为硬度值的计量指标。所不同的是，维氏硬度采用锥面夹角为136的四方角锥体，有金刚石制成。计算公式:州二* L而4优点：不存在布氏硬度试验载荷p和压头直径D的规定条件的约束，以及压头变形问题，且通过维氏硬度试验所得到的硬度值和通过布氏硬度试验所得到的硬度值能完全相等；不存在洛氏硬度试验那种硬度值无法统一的问题，维氏硬度试验和洛氏硬度试验一样可以试验任何软硬的材料，并且比洛氏硬度试验能更好地测试极薄件的硬度；采用四方角锥，当载荷改变时压入角不变，因此载荷可以任意选择。缺点：硬度值需通过测量对角线后才能计算 （或查表）出来，生产效率没有洛氏硬度试验高， 不适宜成批生产的质量检验。读数：640HV30/20 （维氏硬度值HV试验载荷/加载时间）显微硬度显微硬度是用来测量尺寸很小或很薄零件的硬度，或者是用来测量各种显微组织的硬度。其 试验原理与维氏硬度相同。所不同的是，载荷以 gf计量，压痕对角线长度以微米计量。压头：一种是维氏压头，和宏观的维氏硬度压头一样，只是在金刚石四方锥的制造上和测量 上更加严格；另一种是努氏压头，它是一菱形的金刚锥体。努氏硬度的计算公式：H努氏硬度和维氏显微硬度的比较：在测量渗碳（或氮化）淬硬层的硬度分布时，努氏压痕的排列与分布较维氏压痕更紧凑；在相同的对角线长度下（努氏压痕以长对角线计），努氏压痕的深度与面积只有维氏压痕的15%这对测量薄层硬度如电镀层特别适宜。缺口试样在静载荷下的力学性能缺口效应：实际机件不是横截面均匀无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，这些截面 变化的部位可视为缺口，由于缺口的存在，在静载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化， 产生缺口效应。缺口效应的影响：引起应力集中；应力状态由单向改变为两向或三向应力状态应变集中；局部 应变速率增大；腐蚀倾向加大。金属材料的缺口敏感性指标用缺口试件的抗拉强度 门5与等截面尺寸光滑试件的抗拉强度 打的比值表示，称为缺口敏感度，记为 NSR即二装。NSRffi大，缺口敏感性越小。脆性材 料的NSR总是小于1,表明缺口根部尚未发生明显塑性变形时就已经断了，对缺口很敏感。高强 度材料的NSR一般也小于1,塑性材料的NSRM!殳大于1。第三章材料在冲击载荷下的力学性能低温脆性低温脆性：随温度降低金属材料由韧性断裂转变为脆性断裂的现象。发生脆性转变的温度称 为脆性转变温度。什么材料容易发生低温脆断？对于以面心六方金属为基础的中、低强度材料和大部分密排六方金属，在很宽的温度范围内 其冲击功都很高，基本不存在低温脆性问题。只有以体心立方金属为基础的，如中低强度钢和镀、 锌等具有明显的低温脆性，这些金属材料称为冷脆金属0低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加的结果。 屈服点力S随温度下降反而升高，材料 的解理断裂强度。七随温度变化很小，两条曲线相交于一点，交点对应的温度即为韧脆转变温度Tk。 当温度高于时，1。：，。、材料受载后先屈服再断裂为韧性断裂； 低于H时，外加应力先达到口支, 材料表现为脆性断裂。低温脆性的本质b S和b C随温度变化示意图柯垂尔提出的脆断条件，即公式（仃id，2十七）。二口 Gh,只要公式左端大于右端之值，即 07口才，就可发生脆断。G是组织结构不敏感的性能，凡是增加。八k和d的因素都将促进脆 断，使冷脆断转化温度升高；凡使口和了 s值减小的也将促使脆断，使冷脆断转化温度升高。i位错在晶体中运动的点阵摩擦阻力， 包括派纳力、溶质原子以及第二相对位错运动 的阻力。对体心立方金属，派纳力随温度的降低而急剧升高，这是体心立方金属产生冷脆的主要 原因。ky反映位错被原子或第二相钉扎运动难易程度的参量，原值越大，位错运动越困难。h值并不因为温度降低而显著增加。d晶粒直径。细化晶粒既提高断裂强度也提高屈服强度，但断裂强度相对提高较多， 因此细化晶粒总是使冷脆转化温度降低。表示在外加载荷下切应力和正应力之比。材料的有效表面能。影响韧脆转变温度”.的主要因素1、材料品格类型的影响：体心立方金属在温度较高时，变形能力尚好，在低温下，脆性增加。2、合金成分的影响：钢中的C、P、O H、N、Mo Al、Si都使k上升；Ni、Mr Ti、V都使h下降。3、晶粒尺寸的影响：细化晶粒使下降，同时还可以改善塑性韧性。4、显微组织的影响：冷作时效、上贝氏体使H上升；低温马氏体、奥氏体、高温回火组织 都 使几下降。第四章材料的断裂韧性概述断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没 有明显的征兆，常常引起灾难性的破坏事故并造成巨大的经济损失。裂纹尖端的应力场三种断裂类型I型裂纹（张开型）：拉应力垂直于裂纹面扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展 如轴的横向裂纹在轴向拉力或弯曲力作用下的扩展、容器纵向裂纹在内压力下的扩展。II型裂纹（滑开型）：切应力平行于裂纹面，而且与裂纹垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展如轮齿或花键根部沿切线方向的裂纹，或者受扭转的薄裂纹形式III型裂纹（撕开型）：切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展。如圆周上有一环形切槽，受到扭转作用引起的断裂II型（滑开型）裂纹形式应力强度因子K:表征裂纹尖端应力场特性。裂纹尖端区域的确定点，其应力分量就由K决定，Ki越大应力场各应力分量也越大。任何I型断裂的应力场驱便即？的纺艘形式为瓦=Y 口Y为裂纹的形状系数，与裂纹几何形状及加载方式有关，一般Y=1z同理,断裂韧性和断裂判据裂纹体发生失稳断裂的临界小值记作&或id,称为断裂韧性。M是平面应力状态下的断裂韧性，表示平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。K爪为平面应变下的断裂韧性，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。卜，与Ki。的区别：h与板材或试样厚度有关，而当板材厚度增加到平面应变状态时，断裂韧性就趋于一稳定的最低值，即为he （与厚度无关）。Ki，：是k的最低值，它是真正反映材料裂纹扩展抗力的材料常数。所以临界应力场强度因子Kid称为材料的断裂韧性。在临界状态下所对应的平均应力，称为断裂应力或裂纹体实际断裂强度， 记作。u ;对应的裂 纹尺寸称为临界裂纹尺寸，记作出，有如下关系Kic = 凡卮可见，材料的Kic越高，则裂纹体 界断裂应力或临界裂纹尺寸就越大，表面材料越难断裂。因此 Kid表示材料抗断裂的能力。断裂判据：裂纹体在受力时，若M工K式或丫。k3 Kic,就会发生脆性断裂。反之,即使 存在裂纹，若Kic或Y 口也-Kmin=Y2 eraI区（初始段）：4KWKth： da/dN值很小，裂纹不扩展。 KAK% zKT , da/dN T ,裂 纹扩展但不快。I区所占寿命不长。II区（主要段）：4KT , da/dN较大，裂纹亚稳扩展，是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要段。III区（最后段）： , da/dN T T ,裂纹失稳扩展。疲劳裂纹扩展门槛值：确定th为裂纹疲劳不扩展的4K临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。 表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，具值越大，阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大，材料 就越好。单位为MN m-3/2或MPa m1/2品与 八i的区别：-1是光滑试样的无限寿命疲劳强度，用于传统的疲劳强度设计和校核； 跖是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适合裂纹件的设计和校核。影响疲劳裂纹扩展速率的因素应力比的影响：应力比rT,曲线向左上方移动，使da/dN升高，而且在I、III区的影响 比II区的大。实际机件在工作时很难一直是恒载，往往会有偶然过载现象。偶然过载进入过载损伤区， 将使材料受到损伤并降低疲劳寿命，但若过载适当，有时反而是有益的。在恒载裂纹疲劳扩展期 内，适当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，发生裂纹扩展过载停滞现象，并延长疲劳 寿命。材料组织的影响：对I、III区的由;心影响比较明显，而对II区的影响不太明显。通常， 晶粒粗大，b&h值越高，曲;业值越低。当钢的淬火组织中存在一定量的残余奥氏体和贝氏体等韧 性组织时，可以提高钢的A&h,降低曲/dN。钢的高温回火的组织韧性好，强度低，其 hKth较高； 低温回火的组织韧性差，强度高,其 JKth较低；中温回火的bh%则介于两者之间。疲劳过程及机理疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展、失稳扩展及断裂四个阶段。疲劳裂纹的萌生常将的裂纹定位疲劳裂纹核。引起裂纹萌生的原因：不均匀的局部滑移、显微开裂。裂纹萌生的主要方式：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物或其界面开裂；品界或亚晶界开裂。1、滑移带开裂产生裂纹在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移带称为驻留滑移带。驻留滑移带是由材料某薄 弱区域产生的，驻留滑移带一般只在表面形成，其深度较浅。随着加载循环次数的增加，循环滑 移带会不断地加宽，当加宽至一定程度时，由于位错的塞积和交割作用，便在驻留滑移带处形成 微裂纹。驻留滑移带在加宽过程中，还会向前或向后移动，形成挤出脊和侵入沟，于是此处就产生应 力集中和空洞，经过一定循环后也会产生微裂纹。只要提高材料的滑移抗力（如采用固溶强化、细晶强化等手段），均可阻止疲劳裂纹萌生,提高疲劳强度。2、相界面开裂产生裂纹两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差，各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内出 现开裂。只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和 分布，使之“少、圆、小、匀”，均可抑制或延缓疲劳裂纹在第二相或夹杂物附近萌生，提高疲 劳强度。3、品界开裂产生裂纹品界就是面缺陷，位错运动受到晶界的阻碍作用而在晶界处发生塞积和应力集中现象。在应 力不断循环下，晶界处的应力集中得不到松弛时，应力峰会越来越高，当超过晶界强度时就会在 晶界处产生裂纹。凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔点夹杂物等有害元素和成分偏析、回火脆、 品界析氢及晶粒粗化等，均易产生晶界裂纹、降低疲劳强度；反之,凡使晶界强化、净化、和细 化晶粒的因素，均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳强度。疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹扩展的两个阶段第一阶段：从表面个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹，最后裂纹沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展，扩展速率很低，仅 pm的扩展量。第二阶段：在第一阶段裂纹扩展时，由于品界的不断阻碍作用，裂纹扩展逐渐转向垂直于拉 应力的方向，进入第二阶段。在室温及无腐蚀条件下疲劳裂纹扩展是穿晶的。裂纹扩展速率为 10 一 一10 7m次，与dHdN AK曲线的II区相对应，所以第二阶段是疲劳裂纹扩展的主要部分,断口特征：第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为 疲劳条带。它 是裂纹扩展时留下的微观痕迹，每一条条带可以视作一次应力循环的扩展痕迹，裂纹的扩展方向 与条带垂直。疲劳条带与贝纹线的区别：疲劳条带是疲劳断口的微观特征，贝纹线是疲劳断口的宏观特征， 在相邻贝纹线之间可能有成千上万个疲劳条带。在断口上二者可以同时出现，二者也可以不同时 出现。第六章材料在环境条件下的力学性能应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应 力脆断现象，称为应力腐蚀断裂。绝大多数金属材料在一定的化学介质条件下都有应力腐蚀倾向，最常见的有：低碳钢和低合 金钢在氢氧化钠溶液中的“碱脆”和在含有硝酸根离子介质中的“硝脆”；奥氏体不锈钢在含有 氯离子介质中的“氯脆”；铜合金在氨气介质中的“氨脆”。应力腐蚀的产生条件：应力、化学介质和金属材料。应力：拉应力是产生应力腐蚀断裂的 必要条件，一般来说，产生应力腐蚀的应力并不一定 很大。宏观裂纹一般沿着与拉应力垂直的方向扩展，微观观察可见裂纹呈“之”字形推进，且有 分叉现象。现已发现在压应力作用下也可产生应力腐蚀，但孕育时间长，裂纹扩展速度慢，如不 锈钢的应力腐蚀。化学介质：只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能产生应力腐蚀。只有在介质与拉 应力同时作用下，才产生强烈的应力腐蚀。而且，产生应力腐蚀的介质一般都是特定的，即每种 材料只对某些介质敏感，而该介质对其它材料可能没有明显作用。金属材料：一般认为，纯金属不会产生应力腐蚀，所有合金对应力腐蚀都有不同程度的敏 感性。应力腐蚀断裂机理（滑移一溶解理论）对应力腐蚀敏感的合金在特定的化学介质中，首先在表面形成一层钝化膜，使金属不致进一 步受到腐蚀，即处于钝化状态，因此，在没有应力作用时，金属不会发生腐蚀破坏。若有拉应力 作用，则可使裂纹尖端区域产生局部塑性变形，滑移台阶在表面露头时钝化膜破裂，显露出新鲜 表面。这个新鲜表面在电解质溶液中成为阳极，而其余具有钝化膜的金属表面便成为阴极，从而 形成腐蚀微电池。阳极金属变成正离子进入电解质中而产生阳极溶解， 于是在金属表面形成蚀坑0 拉应力除促使裂纹尖端区域钝化膜破坏外，更主要的是在蚀坑或原有裂纹的尖端形成应力集中， 使阳极电位降低，加速阳极金属的溶解。如果裂纹尖端的应力始终存在，那么微电池反应便不断 进行，钝化膜不能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。应力腐蚀现象只有金属在介质中生成略具钝化膜的条件下，即金属和介质处于某种程度的钝 化与活化过渡区域的情况下才最易发生应力腐蚀断口特征宏观：与疲劳断口很相似，也有亚稳扩展区和最后瞬断区。在亚稳扩展区可见到腐蚀产物和 氧化现象，故常呈黑色或灰黑色，具有脆性特征。断裂前没有明显的塑性变形，最后瞬断区一般 为快速撕裂破坏。微观：显微裂纹常有分叉现象，呈枯树枝状。有一主裂纹扩展较快，其他分支裂纹扩展较慢（与腐蚀疲劳、品间腐蚀及其他形式的断裂的区分依据）。断口的微观形貌一般为沿晶断裂型，也可能为穿晶解理断裂或准解理断裂型，表面可见到“泥状花样”的腐蚀产物及腐蚀坑。防止应力腐蚀断裂的措施合理选择材料。针对机件所受的应力和接触的化学介质，选用耐应力腐蚀的金属材料，这 是一个基本原则。减少或消除机件中的残余拉应力，如去应力退火、表面喷丸等。改善化学介质条件。一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子；另一方面,也可在化学介质中添加缓蚀剂。采用电化学保护，采用外加点位的方法，使金属在化学介质中的点位远离应力腐蚀敏感电 位区域。氢脆由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂，简称 氢脆。引起氢脆的应力可以是外加应力，也可以是残余应力。金属中氢的来源：分为“内含的”和“外来的”两种。前者是指金属在熔炼过程中及随后的 加工制造过程（如焊接、酸洗、电镀）中吸收的氢；后者则是金属机件在服役时从含氢环境介质 中吸收的氢。氢的存在形式：以间隙原子状态固溶在金属中，此种情况，氢的溶解度随温度降低而降低； 通过扩散聚集在较大的缺陷（如空洞、气泡、裂纹）处以氢分子状态存在；与一些过渡族、稀土 或碱土金属元素作用生成氨化物，或与金属中的第二相作用生产气体产物。氢脆类型及特征1、氢蚀氢蚀是由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属 脆化氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状。微观断口上晶界明显加宽，呈沿晶断裂为减缓氢蚀，可降低钢中的含碳量，以减少形成 CH的C原子供应，或者加入碳化物形成元 素，如Ti、V等，其形成的稳定的碳化物不易分解，可以延长氢蚀的孕育期。2、白点白点又称发裂，是由于钢中存在过量的氢造成的。当钢中含有过量的氢时，随着温度降低氢 在钢中的溶解度减小，未能扩散逸出的氢在缺陷处形成氢分子而造成氢