材料性能学重点(完整版)(共10页)

1、第一章1、 力伸长曲线和应力应变曲线，真应力真应变曲线在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形及不均匀集中塑性变形4个阶段将力伸长曲线的纵，横坐标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积Ao和原始标距长度Lo相除，则得到与力伸长曲线形状相似的应力（=F/Ao）应变（=L/Lo）曲线 比例极限p， 弹性极限e， 屈服点s， 抗拉强度b如果以瞬时截面积A除其相应的拉伸力F，则可得到瞬时的真应力S（SF/A)。同样，当拉伸力F有一增量dF时，试样瞬时长度L的基础上变为LdL，于是应变的微分增量应是dedL / L，则试棒自L0伸长至L后，总的应变量为： 式中的e为真应变。于是，工程应变

2、和真应变之间的关系为 2、 弹性模数在应力应变关系的意义上，当应变为一个单位时，弹性模数在数值上等于弹性应力，即弹性模数是产生100%弹性变形所需的应力。在工程中弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。比弹性模数是指材料的弹性模数与其单位体积质量（密度）的比值，也称为比模数或比刚度3、 影响弹性模数的因素键合方式和原子结构（不大）晶体结构（较大） 化学成分（间隙大于固溶）微观组织（不大）温度（很大）加载条件和负荷持续时间（不大）4、 比例极限和弹性极限比例极限p是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力，即在拉伸应力应变曲线上开始偏离直

3、线时的应力值。弹性极限e试样加载后再卸载，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值5、 弹性比功又称为弹性比能或应变比能，用ae表示，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。一般可用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示。6、 根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点，弹性可以分为理想弹性（完全弹性）和非理想弹性（弹性不完整性）两类。对于理想弹性材料，在外载荷作用下，应力和应变服从虎克定律M，并同时满足3个条件，即：应变对于应力的响应是线性的；应力和应变同相位；应变是应力的单值函数。材料的非理想弹性行为大致可以分为滞弹性、粘弹性、伪弹性及包申格效应等类

4、型。 7、 滞弹性（弹性后效）是指材料在快速加载或卸料后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。8、 粘弹性：指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同是存在的力学行为，其特征是应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过一个弛豫过程，但卸载后，应变恢复到初始值，不留下残余变形。9、 伪弹性：指在一定的温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形的现象。10、 包申格效应：材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于4），而后同向加载，规定残余伸长应力，反向加载，规定残余伸长应力降低的象。原因：预塑性变形，位错增殖、运动、缠结； 同

5、相加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易残余伸长应力降低。可以通过热处理加以消除。对材料进行较大的塑性变形或对微量塑变形的材料进行再结晶退火11、 在非理想弹性情况下，由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，这个封闭回线称为弹性滞后环、12、 加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功，有一部分加载变形功被材料所吸收。这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的内耗。13、 屈服现象在拉伸实验出现平台或锯齿时，外力不增加试样仍然继续伸长；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的情况下试样可以继续伸长变形，这种现象

6、称为材料在拉伸实验时的屈服现象14、 屈服强度材料屈服时所对应的应力值也就是材料抵抗起始塑性变形或产生微量的塑性变形的能力，这一应力值称为材料的屈服强度（屈服点）15、 影响金属材料屈服强度的因素(1)晶体结构(2)晶界与亚结构(3)溶质元素 (4)第二相 (5) 温度 (6)应变速率与应力状态16、 应变硬化：材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象称为应变硬化或形变强化17、 应变硬化指数Hollomon公式式中S为真应力；e为真应变；n为应变硬化指数；K为硬化系数是真应变为1时的真应力。金属材料的形变硬化n值可按GB502885测定，一般用直线作图法求

7、得：对上式两边取对数，得 lgSlgK+nlge 根据lgSlge的线性关系，只要在拉伸力伸长曲线上确定几个点的、值，分别按S（1 ），eln（1 ），算出S、e,然后作lgSlge曲线（右图），直线的斜率即为所求的n值，直线与纵轴的交点即为lgK。 18、 缩颈：是在应变硬化与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于式样局部区域而产生的。19、 抗拉强度和产生缩颈的推导 P23 抗拉强度是拉伸实验时，试样拉断过程中最大实验力所对应的力。缩颈形成点对应于工程应力-应变曲线上的最大载荷点，因此dF=0。产生缩颈的工程应力为20、 材料的断裂过程大都包括裂纹的形成和扩展两

8、个阶段。断裂的分类： 按照断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形程度，把断裂分为脆性断裂与韧性断裂；按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径，分为穿晶断裂和沿晶断裂；按照微观断裂机理，分为解理断裂和剪切断裂；按照作用力的性质还可分为正断和切断韧性断裂：是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。脆性断裂：是材料断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往变现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。21、 剪切断裂：是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂22、 解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。23、 河流花样解理裂

9、纹沿解理面扩展时，与晶内原先存在的螺旋位错相交，便产生一个高度为一柏氏矢量的台阶（解理台阶），两个相互平行但处于不同高度上的解理裂纹，通过次生解理或撕裂的方式相互连接形成台阶，当汇合台阶足够高时，便形成河流花样。24、 韧窝是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞，经形核，长大，聚集，最后相互连接而导致断裂后，在断口表面所留下的痕迹。（剪切断裂的微观表现）25、 断口特征三要素：纤维区，放射区，剪切唇26、 理论断裂强度：再外加正应力作用下，将晶体中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力称为理论断裂强度。27、 脆性材料有微裂纹的原因：一般脆性材料，如玻璃、硅等，由于少量夹杂物和表面损伤等

10、原因，都会有微裂纹1、 真实断裂强度Sk是用单向静拉伸时的实际断裂拉伸力Fk除以试样最终断裂截面积Ak所得应力值，即：Sk=Fk/Ak。28、 韧度：是衡量材料韧性大小的力学性能指标，其中又分为静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。29、 韧性：指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。第二章1、 应力状态软性系数 =max/max=扭转0.8、单向拉伸0.5、三向等拉伸0、三向不等拉伸0.1、单向压缩2.0、两向压缩1、三向压缩2、 综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围（1） 单向拉伸的应力软性系数较高搭0.5，主要用于塑性材料的力学性能测试。单向静拉伸试验可以揭示材料在静载作用下

11、的应力应变关系及常见的3种失效形式（过量弹性变形、塑性变形和断裂）的特点和基本规律，还可以评定出材料的基本力学性能指标，如屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率等。这些性能指标既是材料的工程应用、构件设计和科学研究等方面的计算依据，也是材料的评定和选用以及加工工艺选择的主要依据。（2） 扭转试验的应力状态软性系数（0.8）较拉伸的应力状态软性系数高，可测量拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性；扭转试验时试样截面的应力分布表面最大，愈往心部愈小。该实验对材料表面硬化和表面缺陷反映敏感。可对各种表面强化工艺进行研究。和机件表面质量进行检验。试样不产生颈缩，可精确测定拉伸时出现颈缩的高塑性材料的形变能力

12、和抗力。扭转试样的正应力和剪切应力大致相等，可测定材料的切断强度。（断口特征 P41 图2-4）（3） 弯曲试验加载时受拉的一侧应力状态基本与静拉伸时相同，且不存在如拉伸时的所谓试样偏斜对试验结果的影响。可测定太硬难于加工成拉伸试样的脆性材料的断裂强度，并能显示出它们的塑性区别。弯曲时，截面上的表面应力最大，故可灵敏反映材料表面缺陷。（4） 单向压缩的应力状态软性系数是2，可用于脆性材料，以显示其在静拉伸所不能反映的材料在韧性状态下的力学行为。塑性材料不用于压缩试验。多向不等压缩试验的应力状态大于2，可用于更脆的材料。3、 缺口三效应1缺口造成应力应变集中 2去口改变了缺口前方的应力状态，使平

13、板中材料所受的应力由原来的单向拉伸改变为两向或三向拉伸 3 缺口使塑性材料得到“强化”4、 硬度实验按加载方式分为刻划法（莫氏硬度顺序法，锉刀法）和静载压入法（布氏硬度洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度）5、 布氏硬度布氏硬度的测定原理是用一定大小的载荷F，把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入试样表面，保持规定时间后卸除载荷，测量试样表面的残留压痕直径d，求压痕的表面积S。将单位压痕面积承受的平均压力（F）定义为布氏硬度，HB。优点：压痕面积较大，其硬度值能反映材料在较大区域内各组成的平均性能，试验数据稳定，重复性高缺点：压痕直径较大，不宜在成品件上直接进行检验，对硬度不同的材料需要更换压头直径D和

14、载荷F，同时压痕直接的测量也较麻烦。6、 洛氏硬度洛氏硬度以测量压痕深度值的大小来表示材料的硬度值。测洛氏硬度时载荷分两次施加，先加初载荷F1，再加主载荷F2，其总载荷为F（FF1F2）。右图中33为压头卸除主载荷F2，只保留初载荷F1时的位置。由于试样弹性变形部位的恢复，使压头提高了h3，此时受主载荷作用实际压入的深度为h，以h的大小计算硬度值。h值越大，硬度越低。为了适应习惯上数值越大硬度越高的概念，故用一常数k减去h来表示硬度值，并规定每0.002mm为一个硬度单位。用符号HR表示： （k值： 金刚石压头0.2 淬火钢压头0.26） 优点：操作简便迅速；压痕小；可对工件直接进行检验；采用

15、不同的标尺，可测定各种软硬不同和厚薄不一试样的硬度缺点：压痕较小，代表性差；所测硬度值的重复性差、分散度大；用不同的标尺测得的硬度值既不能直接进行比较，又不能彼此互换。7、 努氏硬度适用于测定表面渗层、镀层及淬硬层的硬度，渗层截面上的硬度分布8、 维氏硬度维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相似，是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值。维氏硬度试验所用的压头是两相对面夹角为136°的金刚石四棱锥体。在载荷F作用下，试样表面被压出一个四方锥形压痕，测量压痕的对角线长度，计算压痕表面积S，FS即为试样的硬度值。 (1) 当载荷单位为kgf,压痕对角线长度单位为mm时,HV=1.8544F

16、/ 。(2) 当载荷的单位为N时，HV=0.1891F/优点：由于角锥压痕清晰，采用对角线长度计量，精确可靠；压头为四棱锥体，但载荷改变时，压入角恒定不变，因此可以任意选择载荷，而不存在布氏硬度那种载荷F与压球直径D之间的关系约束，此外，维氏硬度也不存在洛氏硬度那种不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度所测试件厚度更薄，缺点：测定方法较麻烦，工作效率低，压痕面积小，代表性差，不宜用于成批生产的常规检验。第三章测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功时，常采用10mm×10mm×55mm的无缺口冲击试样。1、 冲击韧性U型缺口试样比V型的缺口试样的冲击韧性好同种材料

17、的试样，缺口越深、越尖锐，缺口处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高。2、 低温脆性: 体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，尤其是工程上常用的中低强度结构钢，当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。转变温度tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。3、 低温脆性的宏观原因材料低温脆性的产生与其屈服强度s和断裂强度c随温度的变化有关。断裂强度c随温度的变化很小（右图），屈服强度s随温度的变化情况与材料的本性有关。两线交于一点，该交点对应的温度即

18、为tK（韧脆转变温度）。高于tK时， cs，材料受载后先屈服再断裂，为韧性断裂；低于tK时，外加应力首先达到c，材料表现为脆性断裂。而面心立方结构材料的s随温度的下降变化不大，近似以水平线，即使在很低的温度仍未与c曲线相交，故此种材料的脆性断裂现象不明显。4、 低温脆性的微观原因体心立方金属的低温脆性与位错在晶体中运动的阻力i对温度变化非常敏感有关，i在低温下曾姐，故该类材料在低温下处于脆性状态。面心立方金属因位错宽度比较大，i对温度变化不敏感，故一般不显示低温脆性。体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现象有关5、 迟屈服迟屈服是指当用高于材料屈服极限的载荷以高加载速度作用于体心立方结构材料时，瞬

19、间并不屈服，需在该力下保持一定时间后才发生屈服。且温度越低，持续的时间越长，这就为裂纹的发生和传播造成有利条件。中、低强度钢的基体是体心立方结构的铁素体，故都有明显的低温脆性。第五章1、 疲劳断口的3咯特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。2、 疲劳：工件在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象3、 贝纹线是疲劳区的最典型特征，近疲劳源区贝纹线较细密，表明裂纹扩展较慢；远离疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙，表明此段裂纹扩展较快。若机件承受较高的名义应力或材料韧性差，则疲劳区范围较小，贝纹线不明显；反之.4、疲劳条带电子显微镜微观贝纹线肉眼宏观5、 疲劳应力判据和断裂疲劳判据是疲劳设计

20、的基本依据，其中作为材料疲劳抗力指标的疲劳强度、过载持久值、疲劳缺口敏感度及疲劳裂纹扩展速率等都是材料的基本力学性能指标。6、 疲劳强度：是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。7、 Paris公式的应用P1018、 影响材料及机件疲劳强度的因素：1）工作条件的的影响：载荷条件：在过载损伤区内的过载将降低材料的疲劳强度或寿命。温度：随温度降低，疲劳强度升高：温度高则相反。但在某些温度范围因时效，热脆等现象疲劳强度会出现峰值或谷值。腐蚀介质：腐蚀介质因使材料表面腐蚀产生蚀坑，而降低材料疲劳强度导致腐蚀疲劳。2）表面状态及尺寸：表面状态：机件表面缺口因应力集中

21、往往是疲劳策源地，引起疲劳断裂，故受循环应力作用的机件的材料不允许有大的缺陷，否则降低疲劳强度。尺寸因素：在变动载荷作用下，随机件尺寸增大使疲劳强度下降的现象称为尺寸效应。3） 表面强化及残余应力的影响：提高机件表面塑变抗力（硬度和强度），降低表面的有效拉应力，即可抑制材料表面疲劳裂纹的萌生和扩展，有效提高承受弯曲与扭转循环载荷下材料的疲劳强度。表面强化方法有表面喷丸和滚压、表面淬火及表面化学热处理等。4） 材料成分及组织的影响：合金成分。非金属夹杂物及冶金缺陷显微组织。Hall-Petch关系： 式中：为位错在晶格中运动摩擦阻力；k为材料常数；d为晶粒平均直径第六章1、 磨损磨损是在摩擦作用

22、下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象。2、 磨损过程的三个阶段：(1) 跑合（磨合）阶段 (2)稳定磨损阶段 (3)剧烈磨损阶段3、 磨损是多种因素相互影响的复杂过程。根据摩擦面损伤和破坏的形式，大致可分4类：粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损及麻点疲劳磨损（接触疲劳）。4、 磨损量的测量有称重法和尺寸法两种5、 耐磨性耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，迄今还没有一个明确的统一指标，通常用磨损量表示。磨损量愈小，耐磨性愈高。6、 磨损试验方法分为实物试验与实验室试验第七章1、 蠕变：是材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂

23、2、 蠕变的三个阶段：减速（过渡）蠕变阶段、恒速（稳态）蠕变阶段、加速（失稳）蠕变阶段3、蠕变变形机理材料的蠕变变形机理主要有位错滑移、原子扩散和晶界滑动。4、蠕变断裂机理蠕变断裂有两种情况：一种是对于那些不含裂纹的高温机件，在高温长时间服役过程中，由于蠕变裂纹相对均匀地在机件内部萌生和扩展，显微结构变化引起的蠕变抗力的降低以及环境损伤导致的断裂。另一种情况是高温工程机件中，原来就存在裂纹或类似裂纹的缺陷，其裂纹是由于主裂纹的扩展引起的。3、 等强温度：晶界和晶内强度相等的温度4、 描述材料的蠕变性能常采用蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等力学性能指标。5、 蠕变极限蠕变极限表示材料对高温蠕变变

24、形的抗力，是选用高温材料、设计高温下服役机件的主要依据之一。6、 蠕变极限的表示方法有两种：第一种方法，在给定温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力，定义为蠕变极限，记作 （MPa），其中T是表示温度（）， 是表示第二阶段的稳态蠕变速率（/h）。第二种方法，在给定温度和时间的条件下，使试样产生规定的蠕变应变的最大应力，定义为蠕变极限，记作 。其中T表示测试温度（），表示在给定时间t内产生的蠕变应变为。在蠕变时间短而蠕变速率又较大的情况下，一般采用这种定义方法。 7、 持久强度：持久强度是材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂能承受的最大应力8、 松弛稳定性：材料抵

25、抗应力松弛的能力称为松弛稳定性9、 影响蠕变性能的主要因素：P132-1331、 内在因素：化学成分：热激活能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变极限、持久强度、剩余应力就高组织结构。晶粒大小：当使用温度低于等强温度时，细化晶粒可以提高钢的强度；当使用温度高于等强温度使，粗化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度。2、 外部因素：应力、温度第九章1、 根据材料被磁化后对磁场所产生的影响，把材料分成3类：使磁场减弱的物质称为抗磁性材料；使磁场略有增强的为顺磁材料；使磁场强烈增加的为铁磁性材料。2、 材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁性，0；材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的称为顺磁

26、性，0。通常，把测量的磁感应强度或磁化强度与外加磁场强度的关系曲线称为磁化曲线。3、 材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩。材料的顺磁性主要来源于原子（离子）的固有磁矩4、铁磁性物质在磁化时具有两个很重要的特性，即具有磁各向异性和磁致伸缩效应。磁化强度沿不同晶轴方向不同的现象称为磁晶的各向异性。铁磁物质磁化时，沿磁化方向发生长度的伸长或缩短的现象称为磁致伸缩效应。定义磁致伸缩系数l/ l（式中：l为铁磁体的原始长度，l为沿磁化方向长度的改变）。>0,表示沿磁化方向上的尺寸伸长，称正磁致伸缩，5、 磁畴：在铁磁性物质中，存在着许多微小自发磁化区域，称为“磁畴”。6、

27、 P170图第十章1、 热电效应：帕尔帖效应、汤姆逊效应、赛贝克效应2、 半导体导电的敏感效应：热敏效应，光敏效应，压敏效应，磁敏效应，气敏，热电3、 极化：介质在电场作用下产生感应电荷的现象称为介质的极化，这类材料称为电介质4、 极化的基本形式：位移极化，松弛极化，转向极化5、介质的损耗：电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗功率，或简称介质损耗。6、介质的损耗形式：电导（漏导）损耗，极化损耗，电离损耗，结构损耗，宏观结构不均匀的介质损耗7、电介质的击穿形式有电击穿、热击穿和化学击穿三种。十三章1. 应力腐蚀断裂：是指金属材料在拉应力和特定介质的共同作用下所引起的断裂，简称为应力腐蚀（SCC）。2. 应力腐蚀断裂的条件及特征：应力。必须有拉应力存在才能引起应力腐蚀。拉应力愈大，则断裂所需时间愈短。介质。材料发生应力腐蚀需要形成一个应力腐蚀体系，一定的材料必须和一定的介质的相互结合，才会发生应力腐蚀断裂。速度。应力腐蚀断裂速度远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯