材料力學(xué)性能

蠕變：金屬在長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)時(shí)間載荷作用下不致產(chǎn)生過(guò)量塑性變形的抗力指標(biāo)。該指標(biāo)與常溫下的屈服強(qiáng)度相似。應(yīng)力腐蝕：金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆性斷裂叫應(yīng)力腐蝕。靜力韌度：材料在靜拉伸時(shí)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(gè)強(qiáng)度與塑性的綜合指標(biāo)，是表示靜載下材料強(qiáng)度與塑性的最佳配合。包申格效應(yīng)：指原先經(jīng)過(guò)少量塑性變形，卸載后同向加載，彈性極限（。P）或屈服強(qiáng)度（。S）增加；反向加載時(shí)彈性極限（OP）或屈服強(qiáng)度（OS）降低的現(xiàn)象。磨損：機(jī)件表面相接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面逐漸有微小顆粒分離出來(lái)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(yàn)溫度低于某一溫度tk時(shí)，會(huì)由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)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，這就是低溫脆性。（tk稱(chēng)為韌脆轉(zhuǎn)變溫度）金屬的疲勞：金屬在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長(zhǎng)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(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，也會(huì)發(fā)生斷裂）。熱疲勞：機(jī)件在由溫度循環(huán)變化時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及熱應(yīng)變作用下發(fā)生的疲勞就叫熱疲勞。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。b入：抗拉強(qiáng)度。韌性金屬試樣拉斷過(guò)程中最大力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度。只代表金屬材料所能承受的最大拉伸應(yīng)力，表征金屬材料對(duì)最大均勻塑性變形的抗力。b02:屈服強(qiáng)度，表示拉伸試樣部分產(chǎn)生的微量塑性伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力。b:屈服點(diǎn)。呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象的金屬材料拉伸時(shí)，試樣在外力不增強(qiáng)（保持恒定）仍能繼續(xù)s伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力稱(chēng)為屈服點(diǎn)。b:e8:表示斷后伸長(zhǎng)率，是試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)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(chēng)為I型裂紋的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，它是衡量裂紋頂端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)烈程度的函數(shù)，決定于應(yīng)力水平、裂紋尺寸和形狀，K/=丫b插。KC:當(dāng)K增大到臨界值時(shí)，裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)應(yīng)力達(dá)到了材料的斷裂強(qiáng)度，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致材料斷裂。這個(gè)臨界值便稱(chēng)為斷裂韌度Kc或K1c。b:疲勞強(qiáng)度。對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力作用下的彎曲疲勞極限（強(qiáng)度）。（是在循環(huán)應(yīng)力周次增加-1到一定臨界值后，材料應(yīng)力基本不再降低時(shí)的應(yīng)力值；或是應(yīng)力循環(huán)107周次材料不斷裂所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。）b:對(duì)稱(chēng)拉壓疲勞極限。-1pT-1：對(duì)稱(chēng)扭轉(zhuǎn)疲勞極限。O-1N：缺口試樣在對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)作用下的疲勞極限。K:不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子稱(chēng)為應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KIscc。KIscc表示含有宏觀裂紋的材料，在應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂韌度。bscc:材料不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力。蠕變極限的兩種表達(dá)方式：叫：在規(guī)定溫度（t）下，使試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)蠕變速率（￡）不超過(guò)規(guī)定值的最大應(yīng)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(yàn)時(shí)間任）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長(zhǎng)率（5）不超過(guò)規(guī)定值的最大應(yīng)力。例如：O5005=100MPa，表示材料在5000C溫度下，105h后總伸長(zhǎng)率為1%的蠕變極限為100MPa。叫：金屬材料的持久強(qiáng)度極限，是在規(guī)定溫度t）下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間（C）而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。例如：某高溫合金的b700 3=30MPa，表示該合金在7000C、1000h的持久強(qiáng)度極限為30MPa。細(xì)晶強(qiáng)化能強(qiáng)化金屬又不降低塑性。影響屈服強(qiáng)度的因素：（一） 影響屈服強(qiáng)度的內(nèi)因素金屬本性和晶格類(lèi)型：?jiǎn)尉У那?qiáng)度從理論上說(shuō)是使位錯(cuò)開(kāi)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（晶格阻力一一派拉力、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)交互作用產(chǎn)生的阻力）決定。晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)：晶粒小一晶界多（阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）一位錯(cuò)塞積一提供應(yīng)力一位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)f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(zhǎng)度，使屈服強(qiáng)度降低（細(xì)晶強(qiáng)化）。溶質(zhì)元素：加入溶質(zhì)原子一（間隙或置換型）固溶體一（溶質(zhì)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(yīng)力場(chǎng)一與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)交互運(yùn)動(dòng)一使位錯(cuò)受阻一提高屈服強(qiáng)度（固溶強(qiáng)化）第二相（彌散強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化）不可變形第二相：提高位錯(cuò)線張力一繞過(guò)第二相一留下位錯(cuò)環(huán)一兩質(zhì)點(diǎn)間距變小一流變應(yīng)力增大。可變形第二相：位錯(cuò)切過(guò)（產(chǎn)生界面能）使之與機(jī)體一起產(chǎn)生變形，提高了屈服強(qiáng)度。彌散強(qiáng)化：第二相質(zhì)點(diǎn)彌散分布在基體中起到的強(qiáng)化作用。沉淀強(qiáng)化：第二相質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過(guò)固溶后沉淀析出起到的強(qiáng)化作用。（二） 影響屈服強(qiáng)度的外因素溫度: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。應(yīng)變速率：應(yīng)變速率大，強(qiáng)度增加。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。韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)別。為什么脆性斷裂更加危險(xiǎn)？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(yīng)力與主應(yīng)力成45度角。斷口成纖維狀（塑變中微裂紋擴(kuò)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(gè)區(qū)域的比例關(guān)系與材料韌斷性能有關(guān)。塑性好，放射線粗大；塑性差，放射線變細(xì)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(yīng)力垂直，斷口平齊而光滑，呈放射狀或結(jié)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(shuō)明布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度的實(shí)驗(yàn)原理和優(yōu)缺點(diǎn)。答：①布氏硬度試驗(yàn)的基本原理：在直徑D的鋼珠（淬火鋼或硬質(zhì)合金球）上，加一定負(fù)荷F,壓入被試金屬的表面，保持規(guī)定時(shí)間卸除壓力，根據(jù)金屬表面壓痕的陷凹面積計(jì)算出應(yīng)力值，以此值作為硬度值大小的計(jì)量指標(biāo)。優(yōu)點(diǎn)：代表性全面，因?yàn)槠鋲汉勖娣e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(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)從小到大都可以統(tǒng)一起來(lái)。缺點(diǎn)：鋼球本身變形問(wèn)題。對(duì)HB＞450以上的太硬材料，因鋼球變形已很顯著，影響所測(cè)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(yàn)，也不宜于薄件試驗(yàn)。不同材料需更換壓頭直徑和改變?cè)囼?yàn)力，壓痕直徑的測(cè)量也較麻煩。洛氏硬度的測(cè)量原理：洛氏硬度是以壓痕陷凹深度作為計(jì)量硬度值的指標(biāo)。洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)：洛氏硬度試驗(yàn)避免了布氏硬度試驗(yàn)所存在的缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是：1）因有硬質(zhì)、軟質(zhì)兩種壓頭，故適于各種不同硬質(zhì)材料的檢驗(yàn)，不存在壓頭變形問(wèn)題；2）壓痕小，不傷工件，適用于成品檢驗(yàn)；3）操作迅速，立即得出數(shù)據(jù)，測(cè)試效率高。缺點(diǎn)是：代表性差，用不同硬度級(jí)測(cè)得的硬度值無(wú)法統(tǒng)一起來(lái)，無(wú)法進(jìn)行比較。維氏硬度的測(cè)定原理：維氏硬度的測(cè)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(fù)荷，即應(yīng)力值作為硬度值的計(jì)量指標(biāo)。優(yōu)點(diǎn)：1、不存在布氏那種負(fù)荷F和壓頭直徑D的規(guī)定條件的約束，以及壓頭變形問(wèn)題；2、也不存在洛氏那種硬度值無(wú)法統(tǒng)一的問(wèn)題；3、它和洛氏一樣可以試驗(yàn)任何軟硬的材料，并且比洛氏能更好地測(cè)試極薄件（或薄層）的硬度，壓痕測(cè)量的精確度高，硬度值較為精確。4、負(fù)荷大小可任意選擇。（維氏顯微硬度）唯一缺點(diǎn)是硬度值需通過(guò)測(cè)量對(duì)角線后才能計(jì)算（或查表）出來(lái)，因此生產(chǎn)效率沒(méi)有洛氏硬度高。今有如下零件和材料需要測(cè)定硬度，試說(shuō)明選擇何種硬度實(shí)驗(yàn)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(mén)刨床導(dǎo)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(zhì)合金-----HRA低溫脆性的原因：低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨溫度降低而急劇增加，而解理斷裂強(qiáng)度隨溫度變化很小的結(jié)果。如圖所示：當(dāng)溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，斷裂強(qiáng)度大于屈服強(qiáng)度，材料先屈服再斷裂（表現(xiàn)為塑韌性）；當(dāng)溫度低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，斷裂強(qiáng)度小于屈服強(qiáng)度，材料無(wú)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?yàn)榕衫?duì)其屈服強(qiáng)度的影響占有很大比重，而派拉力是短程力，對(duì)溫度很敏感，溫度降低時(shí)，派拉力大幅增加，則其強(qiáng)度急劇增加而變脆。測(cè)得tk：拉伸〉扭轉(zhuǎn) 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(yīng)變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應(yīng)力不斷增加，即為循環(huán)硬化。金屬材料在恒定應(yīng)變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應(yīng)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(jié)構(gòu)特性以及應(yīng)變幅和溫度等。循環(huán)硬化和軟化與。b/Os有關(guān)：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(wú)明顯循環(huán)硬化和軟化現(xiàn)象。也可用應(yīng)變硬化指數(shù)n來(lái)判斷循環(huán)應(yīng)變對(duì)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(cuò)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)：退火軟金屬中，位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用，運(yùn)動(dòng)阻力增大而硬化。冷加工后的金屬中，有位錯(cuò)纏結(jié)，在循環(huán)應(yīng)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(guān)系。低周疲勞壽命的公式由彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變兩部分對(duì)應(yīng)的壽命公式組成，其對(duì)應(yīng)的公式分別為：竺二(2N)b當(dāng)二￡(2N)c2Ef2ff將以上兩公式兩邊分別取對(duì)數(shù)，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，上兩公式就變成了兩條直線，分別代表彈性應(yīng)變幅-壽命線和塑性應(yīng)變幅-壽命線。兩條直線斜率不同，其交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壽命稱(chēng)為過(guò)渡壽命。在交點(diǎn)左側(cè)，即低周疲勞范圍內(nèi)，塑性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由塑性控制；在高周疲勞區(qū)，彈性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由強(qiáng)度控制。選材時(shí)，高周疲勞主要考慮強(qiáng)度，低周疲勞考慮塑性。何謂氫致延滯斷裂？為什么高強(qiáng)度鋼的氫致延滯斷裂是在一定的應(yīng)變速率下和一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)？答：高強(qiáng)度鋼中固溶一定量的氫，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過(guò)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?yàn)闅渲卵訙嗔训臋C(jī)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(cuò)交互作用，氫易遷移到位錯(cuò)拉應(yīng)力處，形成氫氣團(tuán)。當(dāng)應(yīng)變速率較低而溫度較高時(shí)，氫氣團(tuán)能跟得上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，但滯后位錯(cuò)一定距離。因此，氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)起'釘扎”作用，產(chǎn)生局部硬化。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，氫氣團(tuán)易于在塞積處聚集，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋。若應(yīng)變速率過(guò)高以及溫度低的情況下，氫氣團(tuán)不能跟上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，便不能產(chǎn)生“釘扎”作用，也不可能在位錯(cuò)塞積處聚集，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋。所以氫致延滯斷裂是在一定的應(yīng)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(chēng)為咬合磨損，在滑動(dòng)摩擦條件下，摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度較小，因缺乏潤(rùn)滑油，摩擦副表面無(wú)氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應(yīng)力超過(guò)實(shí)際接觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的一種磨損。粘著磨損機(jī)理：實(shí)際接觸點(diǎn)局部應(yīng)力引起塑性變形，使兩接觸面的原子產(chǎn)生粘著。粘著點(diǎn)從軟的一方被剪斷轉(zhuǎn)移到硬的一方金屬表面，隨后脫落形成磨屑。舊的粘著點(diǎn)剪斷后，新的粘著點(diǎn)產(chǎn)生，隨后也被剪斷、轉(zhuǎn)移。如此重復(fù)，形成磨損過(guò)程。改善粘著磨損耐磨性的措施：1.選擇合適的摩擦副配對(duì)材料：選擇原則：配對(duì)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(duì))采用表面化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài)：進(jìn)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?dòng)速度和接觸壓力：減小滑動(dòng)速度和接觸壓力能有效降低粘著磨損其他途徑：改善潤(rùn)滑條件，降低表面粗糙度，提高氧化膜與機(jī)體結(jié)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(duì)疲勞強(qiáng)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(qiáng)度。塑性硫化物隨基體一起塑性變形，當(dāng)硫化物把脆性?shī)A雜物包住形成共生夾雜物時(shí)，可以降低脆性?shī)A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(qiáng)度主要取決于材料的抗剪切強(qiáng)度，并有一定的韌性相配合。當(dāng)馬氏體含碳量在0.4?0.5w%時(shí)，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(qiáng)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(qiáng)度隨硬度的升高而增加，但并不保持正比線性關(guān)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(yīng)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(guò)大，易在過(guò)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(yīng)力：殘余壓應(yīng)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(yīng)力低，表面粗糙度對(duì)疲勞壽命影響較大；接觸應(yīng)力高，表面粗糙度對(duì)疲勞壽命影響較小2.硬度匹配：兩個(gè)接觸滾動(dòng)體的硬度和裝配質(zhì)量等都應(yīng)匹配適當(dāng)。影響金屬