《工程材料力学性能》【第2版,束德林主编 】期末复习笔记

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1、Copyright of Wilfredo,SCU,2013/5/22 1 工程材料力学性能复习笔记 工程材料力学性能复习笔记 基于机械工业出版社工程材料力学性能第2版，束德林主编 基于机械工业出版社工程材料力学性能第2版，束德林主编 第一章 材料单向静拉伸的力学性能 第一章 材料单向静拉伸的力学性能 一、拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线 1、材料力学性能材料力学性能：材料在外加载荷（外力或能量）作用下或载荷与环境因素（温度、介质、加载速率）联合作 用下所表现的行为，通常表现为材料的变形和断裂，因此，材料力学性能可以理解为材料抵抗外加载荷引起的变 形和断裂的能力。 2、力学性能指标： A、强度

2、：屈服强度s 或0.2（条件屈服强度），抗拉强度b B、硬度： C、塑性：延伸率，断面收缩率。 D、韧性： E、耐磨性： F、缺口敏感性： 3、退火低碳钢在拉伸作用下变形过程：弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀塑性变形和断 裂 4、画出拉伸力-伸长曲线、应力-应变曲线伸力-伸长曲线、应力-应变曲线，标出其阶段阶段、力学性能指标指标等。 5、应力、应变；真应力，真应变概念？ 6、缺口试样静拉伸试验种类:轴向拉伸、偏斜拉伸 二、弹性变形 1、 弹性变形实质： A、 变形可逆； B、 加载和卸载期内， 应力应变之间保持单值线性关系； C、 变形量较小 （0.5-1%） 。 2、胡克定

3、律： 3、弹性模量弹性模量（E）：纯弹性变形过程中应力与应变（ ）的比值。弹性模量主要决定于金属原子的本性和 晶格类型，所以是一个对组织不敏感的力学性能指标。 特点：A、单晶表现各向异性，最大值和最小值之间相差可达四倍；B、组织不敏感量，原子间作用力，则决定于 原子本性和晶格类型，外在因素对其影响不大。 Q:金属的弹性模量主要取决于什么金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能? 答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大， 所以说它是一个对组织不敏感的性能指标， 这是弹性模量在性

4、能上的主要特点。 改变材料的成分和组织会对材料 的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。 4、弹性比功弹性比功（e）：又称弹性比能，材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。 金属材料的弹性比功决定于弹性模量和弹性极限 5、滞弹性滞弹性：对材料在弹性范围内快速加载或卸载后随时间延长附加弹性应变的现象。原因是金属材料中点缺陷 的移动需要时间。 Copyright of Wilfredo,SCU,2013/5/22 2 弹性滞后环弹性滞后环：实际金属材料在弹性区内单向快速加载、卸载时，加载线和卸载线不重合形成的一封闭回线。 金属的内耗金属的内耗：又称金属的循环韧性，指金属材料

5、在交变载荷（振动）下吸收不可逆变形功的能力。循环韧性越 高，材料的消震性越好。 6、 包申格效应：包申格效应： 包申格效应： 金属材料经预先加载产生少量塑性变形 （残余应变为 1%4%） ， 卸载后再同向加载， 规定残余伸长应力（弹性极限或屈服极限）增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。 消除包申格效应的方法是预先进行较大的塑性变形， 或在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下 退火。 包辛格效应可以用位错理论解释。第一，在原先加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便 产生了背应力，这背应力反作用于位错源，当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时，可使位错

6、源停止 开动。背应力是一种长程(晶粒或位错胞尺寸范围)内应力，是金属基体平均内应力的度量。因为预变形时位错运 动的方向和背应力的方向相反，而当反向加载时位错运动的方向与原来的方向相反了，和背应力方向一致，背应 力帮助位错运动，塑性变形容易了，于是，经过预变形再反向加载，其屈服强度就降低了。这一般被认为是产生 包辛格效应的主要原因。其次，在反向加载时，在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号，要引起异号位错消 毁，这也会引起材料的软化，屈服强度的降低。 实际意义：在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。其次，包辛格效应大的材料，内 应力较大。另外包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关

7、系，在高周疲劳中，包辛格效应小的疲劳寿命高，而包 辛格效应大的，由于疲劳软化也较严重，对高周疲劳寿命不利。 可以从河流花样的反“河流”方向去寻找裂纹源。 解理断裂是典型的脆性断裂的代表，微孔聚集断裂是典型的塑性断裂。 7、弹性极限：弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。 比例极限比例极限：应力应变曲线上符合线性关系的最高应力。 三、塑性变形 1、塑性变形的方式方式：滑移、孪生。 特点特点:A、各晶粒变形的不同时性和不均匀性；B、各晶粒变形的相互协调性。 Q:多晶体和单晶体变形的特点？ Q:多晶体和单晶体变形的特点？ 2、屈服现象屈服现象:试验

8、过程中，外力不增加（保持恒定）试样仍能继续伸长；或外力增加到一定值后迅速下降，随 后在外力不增加或上下波动的情况下，试样继续伸长变形的现象。 屈服点 ；上屈服点 ；下屈服点 ；屈服平台；屈服线； 屈服现象与下列三个因素有关：A、材料变形前可动位错密度很小；B、随塑性变形发生，位错能快速增殖；C、 位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。 屈服强度的工程应用：P11 屈服强度的工程应用：P11 屈服强度金属材料重要力学性能指标，是工程上静强度角度选择韧性材料的基本依据，因为实际零件不可 能在抗拉强度对应的那样打的均匀塑性变形条件下服役。因此，传统强度设计法规定，单向应力状态需用应力 =s/n,n为

9、安全系数，n=2. 屈服判据实际上是机件开始塑性变形的强度设计准则。追求过高的屈服强度，会增大屈强比（屈服强度和 抗拉强度比值），不利于某些应力集中部位应力的重新分布，极易引起脆性断裂。对于具体工件，其屈服强度设 计值应由机件的形状、所受应力状态、应变速率等决定。 Q:影响屈服强度的因素？影响屈服强度的因素？ 与以下三个方面相联系的因素都会影响到屈服强度 位错增值和运动；晶粒、晶界、第二相等；外界影响位错运动的因素 主要从内因和外因两个方面考虑 （一） 影响屈服强度的内因素 （1）金属本性和晶格类型（结合键、晶体结构） 单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力， 其值与位错运动所受

10、到的阻力 （晶格阻力派拉 力、位错运动交互作用产生的阻力）决定。 Copyright of Wilfredo,SCU,2013/5/22 3 派拉力： 位错交互作用力 （a 是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数，L 是位错间距。 ） （2）晶粒大小和亚结构 晶粒小晶界多（阻碍位错运动）位错塞积提供应力位错开动 产生宏观塑性变形 。 晶粒减小将增加位错运动阻碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度降低（细晶强化） 。 屈服强度与晶粒大小的关系：霍尔派奇（Hall-Petch) s= i+kyd-1/2 细晶强化能强化金属又不降低塑性。 （3）溶质元素 加入溶质原子（间隙或置换型）固溶

11、体（溶质原子与溶剂原子半径不一样）产生晶格畸变产生畸变应力场 与位错应力场交互运动 使位错受阻提高屈服强度 （固溶强化） 。 （4）第二相（弥散强化，沉淀强化） 不可变形第二相：提高位错线张力绕过第二相留下位错环 两质点间距变小 流变应力增大。 不可变形第二相：位错切过（产生界面能） ，使之与机体一起产生变形，提高了屈服强度。 弥散强化：第二相质点弥散分布在基体中起到的强化作用。 沉淀强化：第二相质点经过固溶后沉淀析出起到的强化作用。 （5）相变强化：马氏体相变强化 （二） 影响屈服强度的外因素 （1）温度：一般的规律是温度升高，屈服强度降低。原因：派拉力属于短程力，对温度十分敏感。 （2）应

12、变速率：应变速率大，强度增加。,t= C1()m （3）应力状态：切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低。 缺口效应：试样中“缺口”的存在，使得试样的应力状态发生变化，从而影响材料的力学性能的现象。 3、应变硬化（形变强化） 应变硬化性能应变硬化性能： 在金属整个变形过程中， 当外力超过屈服强度之后， 塑性变形并不像屈服平台那样连续流变下去， 而需要不断增加外力才能继续，这表明金属材料具有一种组织塑性变形的能力。 加工硬化的工程意义？ 加工硬化的工程意义？ A、抗偶然过载能力；B、变形均匀化：冲压性能、变形均匀、无冲压裂痕；C、生产上强化材料的重要手段，如 18-8钢，4%轧制，屈服强

13、度提高了3-4倍，抗拉强度提高2倍。 4、 缩颈缩颈： 韧性金属材料在拉伸实验时变形集中于局部区域的特殊现象， 它是应变硬化与截面减小共同作用结果。 缩颈判据： 或 Q:抗拉强度实际意义？Q:抗拉强度实际意义？P19，4条。 A、抗拉强度b标志韧性材料的实际承载能力，代表实际机件在静拉伸条件下的最大承载能力，切抗拉强度b 易于测定，重现性好，故b是工程上金属材料的重要力学性能指标。 B、对脆性金属材料而言，一旦拉伸力达到最大值，材料便迅速断裂，所以b就是脆性材料的断裂强度，用于产 品设计，其许用应力便是以b为判据。 C、b的高低决定于屈服强度和应变硬化指数。 D、b与布氏硬度HBW、疲劳极限-

14、1之间有一定的经验关系，尤其是黑色金属。 Q:材料的形变强化规律是什么？ Q:材料的形变强化规律是什么？ A、层错能越低，n 越大，形变强化增强效果越大 B、退火态金属增强效果比冷加工态是好，且随金属强度等级降低而增加。 C、在某些合金中，增强效果随合金元素含量的增加而下降。 材料的晶粒变粗，增强效果提高。 Copyright of Wilfredo,SCU,2013/5/22 4 5、塑性塑性：指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。指标：断后伸长率和断面收缩率 塑性的工程意义？P20(考) 6、韧性韧性：是金属材料断裂前洗手塑性变形功和断裂功的能力，也指材料抵抗裂纹扩展的能力。 韧度是度量材料

15、韧性的力学性能指标，分为：静力韧度、冲击韧度、和断裂韧度。 静力韧度静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合 指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。静力韧度 或 1 2( + ) 脆性脆性：材料在外力作用下（如拉伸，冲击等）仅产生很小的变形及断裂破坏的性质。 韧脆转变韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型 转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状） 。 四、金属的断裂 机件三种失效形式：磨损、腐蚀、断裂。 大多数金属材料断裂过程都包括裂纹形成和扩展两个阶段。 1、断裂的类型

16、（1）、韧性断裂韧性断裂与脆性断裂： 韧性断裂 脆性断裂： 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，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，断口呈纤维状、灰 暗色，其微观断裂机制主要是微孔聚集型和纯剪切的断裂。断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45度角。 用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的， 而灰暗色则是纤维断口便面对光反射能力很弱所致。其断口宏观呈杯锥形，由纤维区、放射区、和剪切唇区三个 区域组成。 脆性断裂脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不产生宏观塑性变形，没有明显征兆，断口平齐、光亮，常呈放射状 或结晶状。常有人字纹或放射花样，其微观机理是解理断裂。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。板状矩形拉伸试样断口呈人字形花样。人字形花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行，但其尖