工程材料力學(xué)性能復(fù)習(xí)資料.doc

第一章彈性比功材料吸收彈性變形功的能力滯彈性：在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象 滯彈性的影響因素 （1）材料的成分、組織 材料組織越不均勻，滯彈性越明顯。 （2）試驗(yàn)條件：a) 溫度T滯彈性速率和滯彈性應(yīng)變 b) 切應(yīng)力愈大，滯彈性越明顯。 消除辦法： 采用長期回火 回火的作用是使間隙原子到位錯(cuò)空位和晶界去，自身變得比較穩(wěn)定。金屬的內(nèi)耗加載時(shí)消耗于金屬的變形功大于卸載時(shí)金屬放出的變形功，因而有一部分變形 功為金屬所吸收，這部分吸收的功就稱為金屬的內(nèi)耗。 循環(huán)韌性：金屬材料在交變載荷（振動(dòng)）下吸收不可逆變形功的能力，稱為金屬的循環(huán)韌性，也叫金屬的內(nèi)耗，表示材料吸收不可逆變形的能力，亦稱消振性。循環(huán)韌性的意義是：材料循環(huán)韌性愈高，則機(jī)件依靠材料自身的消振能力愈好。包申格（Bauschinger）效應(yīng) 金屬材料經(jīng)過預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（殘余應(yīng)變小于14%），而后再同向加載，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力降低的現(xiàn)象。 消除方法（1）預(yù)先經(jīng)受較大的塑性變形（2）在第二次反向受力前使金屬材料于回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火金屬材料常見的塑性變形方式主要為滑移和孿生屈服現(xiàn)象是金屬材料開始產(chǎn)生宏觀塑性變形時(shí)的標(biāo)志。屈服點(diǎn)s：材料的在拉伸過程中試驗(yàn)力不增加（保持恒定）仍能 繼續(xù)伸長時(shí)的應(yīng)力。 sFs/ A0上屈服點(diǎn)su： 試樣發(fā)生屈服而試驗(yàn)力首次下降前的最大應(yīng)力。 suFsu/A0下屈服點(diǎn)sl： 當(dāng)不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)（指在屈服過程中試驗(yàn)力第一次發(fā)生下降）時(shí)的屈服階段的最小應(yīng)力。 slFsL/ A0影響屈服強(qiáng)度的因素（一） 影響屈服強(qiáng)度的內(nèi)因素1金屬本性和晶格類型（結(jié)合鍵、晶體結(jié)構(gòu)）不同的金屬其晶格類型，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力不同，故彼此的屈服強(qiáng)度不同，單晶的屈服強(qiáng)度從理論上說是使位錯(cuò)開始運(yùn)動(dòng)的臨界切應(yīng)力，其值與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受到的阻力（晶格阻力派拉力、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)交互作用產(chǎn)生的阻力）決定。派拉力：位錯(cuò)交互作用力（a是與晶體本性、位錯(cuò)結(jié)構(gòu)分布相關(guān)的比例系數(shù)，L是位錯(cuò)間距。）2晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)晶粒小晶界多（阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）位錯(cuò)塞積提供應(yīng)力位錯(cuò)開動(dòng) 產(chǎn)生宏觀塑性變形 。晶粒減小將增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙的數(shù)目，減小晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積群的長度，使屈服強(qiáng)度降低（細(xì)晶強(qiáng)化）。屈服強(qiáng)度與晶粒大小的關(guān)系： 霍爾派奇（Hall-Petch) 3溶質(zhì)元素加入溶質(zhì)原子（間隙或置換型）固溶體（溶質(zhì)原子與溶劑原子半徑不一樣）產(chǎn)生晶格畸變產(chǎn)生畸變應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)交互運(yùn)動(dòng) 使位錯(cuò)受阻提高屈服強(qiáng)度 （固溶強(qiáng)化） 。4第二相（彌散強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化） 1.第二相質(zhì)點(diǎn)本身能否變形 2.第二相的強(qiáng)化效果還與其尺寸、形狀、數(shù)量、分布以及第二相與基體的強(qiáng)度、塑性和應(yīng)變硬化特性、兩相之間的晶體學(xué)配合和界面能等因素有關(guān)。如：a) 第二相均為硬脆相，沿晶界網(wǎng)狀分布沿晶界不連續(xù)網(wǎng)狀分布彌散均勻分布于基體 脆性減小 b)片狀珠光體比球狀珠光體屈服強(qiáng)度高 原因：長形質(zhì)點(diǎn)顯著影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。 位錯(cuò)繞過第二相，按照這種方式，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力主要來自彎曲位錯(cuò)的線張力： 如果再考慮到質(zhì)點(diǎn)大小的影響，則位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)繞過阻力為： 由上式可知： 當(dāng)rb時(shí)，隨著L，即第二相質(zhì)點(diǎn)數(shù)量越多，越分散，材料的屈服強(qiáng)度就越高。隨著繞過位錯(cuò)數(shù)量的增加，質(zhì)點(diǎn)周圍留下的位錯(cuò)越來越多，因而其相鄰質(zhì)點(diǎn)間距L便越來越小，彎曲位錯(cuò)所需的切應(yīng)力就越來越高，表現(xiàn)為形變強(qiáng)化現(xiàn)象，這是兩相合金形變強(qiáng)化的原因之一。（二） 影響屈服強(qiáng)度的外因素1.溫度一般的規(guī)律是溫度升高，屈服強(qiáng)度降低。原因：派拉力屬于短程力，對(duì)溫度十分敏感。2.應(yīng)變速率應(yīng)變速率大，強(qiáng)度增加。,t= C1()m3應(yīng)力狀態(tài)切應(yīng)力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強(qiáng)度越低。缺口效應(yīng)：試樣中“缺口”的存在，使得試樣的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響材料的力學(xué)性能的現(xiàn)象。 應(yīng)變硬化在金屬整個(gè)變形過程中，當(dāng)外力超過屈服強(qiáng)度之后，塑性變形并不是像屈服平臺(tái)那樣連續(xù)流變下去，而需要不斷增加外力才能繼續(xù)進(jìn)行。這表明金屬材料有一種阻止塑性變形的能力。 應(yīng)變硬化指數(shù) 在金屬材料拉伸真應(yīng)力應(yīng)變曲線上的均勻塑性變階段，應(yīng)力與應(yīng)變之間符合Hollomon關(guān)系式：S = ke n應(yīng)變硬化指數(shù)，金屬材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力， 是表征金屬材料應(yīng)變硬化能力的性能指標(biāo)。 k硬化系數(shù)，真應(yīng)變等于1.0時(shí)的真實(shí)應(yīng)力 n=1 材料為完全理想的彈性體，S與e成正比關(guān)系。 n=0 s=k=常數(shù)，材料沒有應(yīng)變硬化能力。應(yīng)變硬化在生產(chǎn)實(shí)際中的意義 *應(yīng)變硬化可使金屬零件具有抵抗偶然過載的能力， 保證安全。 *應(yīng)變硬化是工程上強(qiáng)化材料的重要手段。如18-8型不銹鋼，變形前0.2 =196MPa，經(jīng)40%冷軋后，0.2 = 780980MPa，屈服強(qiáng)度提高34倍。 *應(yīng)變硬化性能可以保證某些冷成形工藝，如冷拔線材和深沖成形等順利進(jìn)行。磨損、腐蝕和斷裂是機(jī)件的三種失效形式斷口三要素纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇韌性斷裂： 中、低強(qiáng)度鋼光滑圓柱試樣在室溫的靜拉伸斷裂就是典型的韌性斷裂，其宏觀斷口呈杯錐狀脆性斷裂斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形。脆性斷裂的斷裂面一般與正應(yīng)力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀韌斷的特征： a) 伴隨塑性變形及能量吸收； b) 工件外形呈頸縮、彎曲及斷面收縮； c) 斷面一般平行于最大切應(yīng)力并與主應(yīng)力成45。脆斷的特征：a) 斷裂時(shí)構(gòu)件承載的工作應(yīng)力并不高，通常不超過s，故又稱為低應(yīng)力脆斷。b) 脆斷總是從構(gòu)件內(nèi)部存在的宏觀裂紋作為“源”開始的。c) 中、低強(qiáng)度鋼脆斷常在低溫下發(fā)生，而高強(qiáng)鋼則不一定。d) 斷口平整光亮，有金屬光澤，且與正應(yīng)力垂直，斷面上有人字或放射花紋。解理裂紋的形成位錯(cuò)塞積理論的要點(diǎn)：塑性變形位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻位錯(cuò)塞積塞積頭應(yīng)力集中如塞積頭處最大拉應(yīng)力fmax理論斷裂強(qiáng)度m產(chǎn)生裂紋解理斷裂的微觀斷口特征1解理斷裂：解理臺(tái)階、河流花樣、舌狀花樣、魚骨狀花樣（人字型花樣、二次裂紋解理斷裂：沿一定的晶體學(xué)平面產(chǎn)生的快速穿晶斷裂。晶體學(xué)平面解理面，一般是低指數(shù)，表面能低的晶面。微孔聚集斷裂的微觀特征微孔聚集的過程亦有兩種形式，一種是相鄰微孔成長至互相接觸；另外是相距較大的微孔由于微孔之間的基體金屬發(fā)生變形頸縮而引起微孔的聚集。 韌窩的大小與深淺，決定于材料斷裂時(shí)孔洞核心的數(shù)量、材料本身相對(duì)塑性和環(huán)境溫度。解理和準(zhǔn)解理之間有聯(lián)系 共同點(diǎn)：都是穿晶斷裂；有小解理刻面；有臺(tái)階或撕裂棱及河流花樣。 區(qū)別：準(zhǔn)解理小刻面不是晶體學(xué)解理面；真正的解理裂紋常源于晶界，而準(zhǔn)解理裂紋則常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣E(G)彈性模量b 抗拉強(qiáng)度s屈服強(qiáng)度r規(guī)定殘余伸長應(yīng)力t規(guī)定總伸長應(yīng)力0.2拉服強(qiáng)度n應(yīng)變硬化指數(shù)第二章彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn) 金屬桿狀試樣承受彎矩作用后，其內(nèi)部應(yīng)力主要為正應(yīng)力。但桿截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面最大，中心為零，且應(yīng)力方向發(fā)生變化。1） 彎曲試驗(yàn)的試樣形狀簡單，操作方便。常用于測(cè)定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質(zhì)合金等脆性與低塑性材料的強(qiáng)度和顯示塑性的差別。2） 彎曲試驗(yàn)時(shí)可用試樣彎曲的撓度顯示材料的塑性。3） 彎曲試驗(yàn)時(shí)，試樣的表面應(yīng)力最大，可較靈敏地反映材料的表面缺陷。常用來比較和鑒定滲碳層和表面淬火層等表面熱處理機(jī)件的質(zhì)量和性能。試樣在彈性范圍內(nèi)彎曲時(shí)，受拉側(cè)表面的最大彎曲應(yīng)力： M最大彎矩： 三點(diǎn)彎曲 M=FLS/4 四點(diǎn)彎曲 M=Fl/2 W試樣的抗彎截面系數(shù)： 圓形試樣 矩形試樣 缺口效應(yīng)1：引起應(yīng)力集中，并改變?nèi)笨谇胺降膽?yīng)力狀態(tài)。對(duì)于脆性或低塑性材料，使其抗拉強(qiáng)度降低。 缺口效應(yīng)2：使塑性材料強(qiáng)度增高，塑性降低缺口敏感度：金屬材料對(duì)缺口的敏感性指標(biāo)用缺口試樣的抗拉強(qiáng)度bn與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強(qiáng)度b的比值作為材料的缺口敏感性指標(biāo)，稱為缺口敏感度應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)：最大切應(yīng)力max與最大正應(yīng)力max的比值表示它們的相對(duì)大小HR洛氏硬度值HV維氏硬度值HK努氏硬度值HBW布氏硬度值NSR缺口敏感度bb抗彎強(qiáng)度bn缺口抗拉強(qiáng)度bc脆性材料的抗壓強(qiáng)度第三章沖擊吸收功Ak：式樣變形和斷裂所消耗的功，單位J Ak=GH1GH2低溫脆性當(dāng)試驗(yàn)溫度低于某一溫度tk時(shí)，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(jī)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(jié)晶狀，這即低溫脆性，轉(zhuǎn)變溫度tk稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，亦稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌脆轉(zhuǎn)變的物理本質(zhì) 斷裂強(qiáng)度c隨溫度的變化較小，而屈服強(qiáng)度s對(duì)溫度十分敏感，隨溫度降低，屈服強(qiáng)度升高，兩者的交點(diǎn)tk即為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。TTk cs 韌性斷裂TTk cs 脆性斷裂影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素1、晶體結(jié)構(gòu)：體心立方金屬及合金存在低溫脆性。普通中低強(qiáng)度鋼的基體都是體心立方點(diǎn)陣的鐵素體2、化學(xué)成分的影響：1）間隙溶質(zhì)元素韌脆轉(zhuǎn)變溫度2） 置換型溶質(zhì)元素一般也能提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度，但Ni和一定量Mn例外。3） 雜質(zhì)元素S、P、As、Sn、Sb等使鋼的韌性下降3、晶粒尺寸：細(xì)化晶粒使材料韌性增加4、金相組織 1） 對(duì)低強(qiáng)度鋼：按tk由高到低的順序：珠光體上貝氏體鐵素體下貝氏體回火馬氏體2） 對(duì)中碳合金鋼且強(qiáng)度相同，tk：下貝氏體回火馬氏體；貝氏體馬氏體混合組織回火馬氏體3） 低碳合金鋼的韌性：貝氏體馬氏體混合組織單一馬氏體或單一貝氏體4） 馬氏體鋼的韌性：奧氏體的存在將顯著改善韌性鋼中夾雜物、碳化物等第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)鋼的韌性有重要影響，影響的程度與第二相質(zhì)點(diǎn)的大小、形狀、分布、第二相的性質(zhì)及其與基體的結(jié)合力等性質(zhì)有關(guān)。 二、外界因素 1、溫度 2、加載速率 3、試樣尺寸和形狀A(yù)K沖擊吸收功AKVV形缺口試樣沖擊功FATT50沖擊試樣斷口中結(jié)晶區(qū)面積占整個(gè)斷口面積50時(shí)NDT無塑性轉(zhuǎn)變溫度，以低階能開始上升的溫度定義的韌脆轉(zhuǎn)變溫度第四章應(yīng)力強(qiáng)度因子KI：表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度。斷裂韌度Kic的測(cè)試（式樣的形狀、尺寸及制備）試樣的形狀、尺寸及制備 1、四種試樣：三點(diǎn)彎曲，緊湊拉伸，C型拉伸，圓形緊湊拉伸試樣。 2、試樣厚度、裂紋長度、韌帶寬度有嚴(yán)格要求：預(yù)先估計(jì)KIC（類比法），再逼近。 3、試樣材料、加工和熱處理方法也要和實(shí)際工件相同；預(yù)制裂紋長度有一定要求，疲勞裂紋長度2.5%W,且不小于1.5mm。 影響斷裂韌度的因素（1） 、內(nèi)因1、化學(xué)成分 細(xì)化晶粒的元素強(qiáng)度、塑性KIC； 強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化的元素塑性KIC； 形成金屬間化合物并呈第二相析出的元素塑性KIC；2、基體相結(jié)構(gòu)和晶粒大小的影響 基體相結(jié)構(gòu)易于產(chǎn)生塑性變形KIC，如對(duì)鋼鐵材料：面心立方的KIC高于體心立方的KIC。 晶粒大小對(duì)KIC的影響與對(duì)常規(guī)力學(xué)性能的影響不同，一般，晶粒細(xì)化KIC，但某些情況下，粗晶粒的KIC反而較高。3、夾雜和第二相的影響 非金屬夾雜物KIC； 脆性第二相的體積分?jǐn)?shù)KIC； 韌性第二相形態(tài)和數(shù)量適當(dāng)時(shí)KIC； 鋼中微量雜質(zhì)元素(Sb、Sn、As等) KIC。4、顯微組織的影響 板條馬氏體針狀馬氏體?；鼗鹚魇象w回火托氏體回火馬氏體下貝氏體上貝氏體馬氏體組織中存在一定的殘余奧氏體KIC（二）、 外界因素對(duì)斷裂韌度的影響1、 溫度一般大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼的斷裂韌度隨溫度降低而下降，但隨材料強(qiáng)度增加，KIC隨溫度變化的趨勢(shì)趨于緩和。2、 應(yīng)變速率 應(yīng)變速率KIC，但當(dāng)應(yīng)變速率很大時(shí)，形變熱量來不及傳導(dǎo)，造成絕熱狀態(tài)，導(dǎo)致局部溫度升高，KIC又回升KIC臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，線彈性條件下以應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子表示的斷裂韌度Kc平面應(yīng)力斷裂韌度第五章疲勞金屬機(jī)件或構(gòu)件在變動(dòng)載荷和應(yīng)變長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞的分類（1）按斷裂壽命和應(yīng)力高低不同分類 高周疲勞：Nf 105 ； 1：理論應(yīng)力集中系數(shù)即應(yīng)力集中處最大應(yīng)力與平均應(yīng)力之比 kf =-1 /-1N 1 ：疲勞缺口系數(shù)即光滑試樣和缺口試樣疲勞極限之比。qf 疲勞缺口敏感度兩種極端情況1、qf = 1 即 kf = kt 缺口試樣疲勞過程中應(yīng)力分布與彈性狀態(tài)完全一樣，沒有發(fā)生應(yīng)力重新分布，材料的疲勞缺口敏感性最大。 2、qf = 0 即 kf =1 -1 =-1 N 缺口不降低疲勞極限，疲勞缺口敏感性最小。 3、一般： 0 qf 0.7，所以裂紋斷裂韌度KIC需要修正對(duì)于無限板的中心穿透裂紋，修正后的KI為： = （MPa*m1/2）塑性區(qū)寬度為： =0.004417937(m)= 2.21(mm)比較K1與KIc：因?yàn)镵1=168.13（MPa*m1/2）KIc=115（MPa*