金属力学性能.doc

金属力学性能大纲：1 掌握弹性变形，塑性变形和断裂的微观本质（1） 应力状态和环境因素（）（2） 掌握应力状态的异同（3） 试样几何因素，加载方式分为稳定载荷和变化载荷2 常用性能指标意义影响因素，应用范围，真正选用指标及实验方法，了解实验方法一、材料的基本力学性能试验1、 （1）静载拉伸（重点）掌握基本力学行为，应力应变状态及性能指标描述力学行为-应力应变关系（重点掌握低碳钢拉伸的应力应变关系图）能够画出低碳钢拉伸的应力应变关系图，掌握比例极限、弹性极限、上屈服点、下屈服点（即屈服极限）、强度极限（即抗拉强度）的意义及表示的应力状态和在应力应变关系图中的点的位置，字母表示方法。1在图中，达到强度极限点以前，发生的是均匀塑性变形，达到强度极限点至断裂以前发生的是集中塑性变形。2在图中，下屈服点（即屈服极限）至强度极限（即抗拉强度）这段曲线反映了加工硬化 3应力和强度具有相同的量纲，但是 应力状态反映了外加载荷的变化，而强度为一个加载临界点，是材料的一个性能指标（2）应变状态 掌握延伸率（塑性指标）和断面收缩率两个指标 应变的分类：正应变，切应变和工程应变（延伸率和断面收缩率）（3）反映基本力学行为1材料从强度极限（即抗拉强度）点开始断裂至曲线最末点完全断裂，而不是从曲线的最末点开始断裂。2从上屈服点到下屈服点之间的小段曲线为屈服平台，在屈服平台表示的拉伸过程中，材料不是没有发生加工硬化，的确发生了加工硬化，只是没有表现出来，应力靠弹性变形来维持（假设材料被均匀拉伸）。3静缩发生的条件：最高点dp=0在拉伸过程中，发生加工硬化使材料强度提高，同时材料被不断拉长使得横截面积减小，当两者达到平衡时即发生静缩。(4) 比例极限、弹性极限、屈服极限的意义在工程上，这三个点难以区分，合成规定伸长应力规定伸长0.2%时的对应应力值为名义屈服极限，规定伸长0.01%时的对应应力值为弹性极限，规定伸长0.015%时的对应应力值为比例极限。3 压缩、弯曲和扭转实验（1）与拉伸不同，应力状态不同，掌握应力状态软性系数(2)正应力对应材料断裂，切应力对应塑性变形。最大切应力由第三强度理论求得，最大正应力根据地而强度理论求得。(3)应力值大，则不易发生塑性变形，材料较硬，塑性的好坏看应力状态。(4)比较拉伸、压缩、弯曲和扭转名称加载方式性能指标应力状态软性系数断裂形式应用压缩自己总结自己总结均匀最大（2.0）能不能区分正断和切断的问题（自己总结一下）扭转长度方向均匀，横截面上不均匀最小（0.8）容易区分正断和切断，与拉伸相比，不发生界面收缩，便于测定应力应变关系弯曲不均匀介于以上两者之间陶瓷（队表面缺陷敏感）拉伸杯锥状断口，不能区分正断和切断塑性较好的材料3硬度试验硬度的技术指标为非基本力学性能指标，物理意义不明确实验方法压头载荷压痕硬度值表示方法特点应用布氏硬度钢球或硬质合金球大（10mm）钢球作用3000kg载荷大，不在加工好的材料表面上打硬度自己总结自己总结调质钢、淬火钢洛氏硬度金刚石圆锥或钢球小小，可以在加工好的材料表面上直接打硬度1用压痕深度表示，硬度值与洛氏无关2规定不同标尺，可比性差维氏硬度金刚石四棱锥可任选正方形压痕1量对角线，在地硬度范围内与布氏值向近2应用广泛二、材料变形行为及抗力1弹性变形及弹性系数弹性变形的特点：线性(应力应变关系)、单值（应力随应变变化）、可逆（变化后可以恢复原状态）物理本质：原子恢复到平衡位置的能力，与原子结合能有关弹性常数：本质：反映原子结合能的大小。宏观表现：工程意义1 胡可定律测定：应力应变曲线直线段的斜率2为各向同性（多晶材料）弹性模量：本质：各向异性（不同晶向）原子密排方向弹性模量值较大工程意义：1反映刚度大小，刚度大则弹性变形小，刚度=EF 设计构件：应力低于屈服极限 2 弹性比功：反映储存机械能大小，会计算以及几何意义2熟悉塑性变形的行为及微观机制（重点）塑性变形的特征（与弹性变形相比）：不可逆（永久）、变形量大，满足屈服条件,大于临界值、为非线性变形（应力应变关系）*工程意义（重点）（1）保证安全性 1加工硬化，承载能力提高（愈强则强） 2发生塑性变形，使应力松弛，使裂纹扩展的能量消耗 （2）压力加工成型的基础 1 塑性变形（均匀变形）2 加工硬化（均匀变形）(3) 重要的强化手段*微观机制（重要）：位错滑移机制 孪生机制了解物理屈服现象和机制3 屈服的本质与构成（1）构成：初始强度和加工硬化强度 （2）强化途径：提高屈服强度，提高加工硬化能力 （3）屈服判据：1微观：材料滑移面上的切应力分量大于临界分切应力 2宏观：单向拉伸应力大于屈服强度复杂应力状态：第三强度理论4 强化的基本途径与方法（1） 细晶强化：1 掌握霍尔佩气公式 2区分晶粒度和晶粒直径*本质：晶界是位错的障碍，阻碍位错滑移（室温情况下）*特点：提高强度的同时，塑性变形量不下降，不是更容易变形，而是需要加大载荷，可以继续发生塑性变形（2） 固溶强化：参照金属学的内容（3） 第二相强化：合金元素分布状态，在固溶体中还是在第二相中，哪种强效果好第二相粗大：强化效果差比在固溶体种低。若再形变强化，第二相强化比在固溶体中要高，见实效合金应力应变曲线。细小弥散第二相：强化效果好位错绕过和切过第二项：绕过：距离减小则强度提高 切过：（4） 形变强化：利用加工硬化三、材料的断裂行为1、 断裂类型和分类（1） 基本分类：脆性断裂和韧性断裂，具有工程意义， 区分宏观和微观断裂机制：.微观脆性断裂可能是宏观韧性断裂. .微观韧性断裂可能是宏观脆性断裂继塑性断裂和韧性断裂不是绝对的，与材料本身的应力状态有关2 断裂机制：#延性断裂：（1）切离 (2)微孔聚集型断裂：与夹杂有关 第二相 微观特征：可观察到韧窝，由夹杂的第二相残留下来#脆性断裂：（1）*解理断裂（重点）：造成材料本质断裂，形成河流花样-反映位错裂纹源逆流解理台阶-断裂能量增加一般出现在bccfcp中 （2）沿晶断裂：不是本质的脆性断裂 晶界弱化事发生（温度升高） 陶瓷断裂是沿晶断裂3强度理论：断裂的宏观强度理论 最大正应变理论四、材料脆性与脆化因素 *脆化因素：1， 缺口： 缺口顶端的应力应变特点：（1）应力 集中（2） 三向应力状态 缺口效应几何强化 三向应力比单向应力F提高2， 冲击：加载速率高塑性变形跟不上加载的变化 冲击时S增加3， 低温： 冷脆性本质：Tc以 下：SfTc以上：Sf 脆性解理fs先塑变后断裂TcT产生低温脆性的材料：bcc金属 S随T降低剧烈变化 fcc: Sf 共同原因：使屈服强度增加冲击韧性本质及用途（掌握）不能作为设计标准冲击韧性表现-冲击功致脆因素中，人脆转变温度的测定试验五，断裂力学（重点） 材料裂纹体的断裂行为1， Griffis理论（重点）能推导出来， 表达式 G=(2E/a) 1/2 在一定裂纹存在下，. 意义： 变形原式： （a）1/2 =（ 2E）1/2（a）1/2应立场强度因子与外加应力和裂纹尺寸有关=（ 2E）1/2 材料的常数 (重点)KI=（a）1/2时，材料发生断裂知道E和表面能知道.限制：考虑表面能只适合于脆性断裂 对塑性断裂存在塑性变形功2， 线弹性断裂力学（重点）（1）引入KI (*)包含外应力和裂纹尺寸裂纹前段应力场的一个共有因子KI变化到材料发生失稳扩展时的值-材料的发生失稳扩展 -K判据 断裂韧性：KI和断裂韧性有相同的量纲失稳扩展：降载后扩展不可停止亚临届扩展：降载后，裂纹停止扩展（2）裂纹：塑性区与修正（了解）（3）了解裂纹的断裂过程失稳扩展亚临界扩展金属 ：a0 a0+a ac k1c的测定：（1）l型裂纹条件（2）平面应变条件：k1c不随应力变化，要求板厚不能太薄（3）小范围屈服韧带尺寸五 材料的疲劳 1， 交变载荷的定义掌握 应力比 =min/max=-1 对称循环 -1低周疲劳不要求2高周疲劳行为（1）疲劳断时特征:疲劳源（光亮 ）疲劳裂纹扩展区, 瞬时断裂区,宏观上可能有疲劳线 , 微观上有疲劳条纹.疲劳线不一定出现，微观条文一般出现，对应着每一次盈利循环中疲劳扩展的痕迹 （2）SN曲线N增加到一定时，曲线趋于水平材料用不发生疲劳断裂（存在疲劳极限）规定循环次数时对对应的强度作为疲劳强度 有些构件，如火箭工作时间较短：使S较高3:疲劳断裂的过程 萌生：（1）在应力最大处产生（表面应力最大，如：扭转和湾区） （2）在表面驻留滑移带上产生 驻带的出现于包申格效应有关，经常在一处滑移易产生挤出和挤入，形成的挤入沟过大产生疲劳断裂扩展：与疲劳断裂的微观特征有关 亚临界扩展对应于疲劳裂纹的扩展区，扩展到达到临界裂纹温度时形成失稳扩展Parcs方程： a 0 长的裂纹 ac （由K判据判定） 临界裂纹长度 ：疲劳裂纹的扩展门槛值（上限值和下限值） 了解疲劳抗度的影响因素 初始加载历史 表面状态（影响最大） ：a 表面的光洁度 越光滑越不易产生裂纹b 表面的应力状态 拉应力和压应力的存在,裂纹不易扩展 组织和性能: a 晶粒越大,晶粒越细,强度越高 b: 疲劳强度对夹