浙大材料的性能复习资料汇总

1、第五章 材料的变形5.1材料的拉伸试验1）屈服平台或不连续塑性变形对应的应力称为屈服强度。2）形变强化段试样所能承受的最大应力称为抗拉强度。3）试样中某处突然变小，发生所谓的“颈缩”现象。4）脆性是指材料在断裂前不产生塑性变形的性质。5）塑性表示材料在断裂前发生永久变形的性质。6）材料的强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力。7）材料的塑性大小表示材料断裂前发生塑性变形的能力（可用伸长率和断面收缩率表示）。材料脆性的大小可用材料的弹性模量和脆性断裂强度表示。8）材料的韧性指断裂前单位体积材料所吸收的变形能和断裂能，即外力所做的功。包括三部分能量：弹性变形能、塑性变形能、断裂变形能。 玻璃态9）高分

2、子 高弹态 粘流态 高分子拉伸曲线：应力与应变成正比直至断裂。T（脆化温度），T（玻璃化温度）出现屈服点后应力下降。略低T，应变增加，直至断裂 T,无屈服点，应变很大。5.2材料的其他力学试验1）弯曲试验三点弯曲试验时：试样总在最大弯矩附近处断裂。四点弯曲试验时：在两加载点间，试样受到等弯矩的作用，试样通常在该长度内的组织缺陷处发生断裂，因此能较好地反映材料的性质，结果较准确。指标：挠度、抗弯强度。陶瓷材料拉伸试验困难，通常采用弯曲试验，用抗弯强度表征力学性能弯曲试验不能测试高塑性材料，可测脆性材料、陶瓷、灰铸铁及硬质合金。2）压缩试验常用于测定脆性材料。塑性材料压缩时只发生压缩变形而不断裂，

3、压缩曲线一直上升。指标：抗压强度、相对压缩率、相对断面扩张率。试样高径比越大，抗压强度越低。端面需光滑平整，相互平行，减小摩擦。3）扭转试验可用于测定在拉伸时表现为脆性的材料，如淬火低温回火钢的塑性。扭转曲线不出现拉伸时的颈缩现象，因此可用此测定高塑性材料的变形抗力和变形能力。可明确区分材料的断裂方式，正断或切断：对于塑性材料，断口与试样轴线垂直，断口平整并有回旋状塑性变形痕迹，这是由切应力造成的切断。对于脆性材料，断口约与试样轴线呈45,断口呈螺旋状；木材、带状偏析严重的合金板材扭转断裂时可能出现层状或木片状断口。指标：扭转比例极限、切变模量、扭转屈服强度。但扭转很难测定材料的微量塑性变形抗

4、力。5.3弹性变形1）材料的弹性是指在外力作用下发生变形，外力去除后变形消失的性质，这种可恢复的变形就称为弹性变形。应力与应变成正比-金属、陶瓷应力与应变非线性-橡胶（高弹态高分子）2）弹性变形的本质是晶体点阵内的原子具有抵抗相互分开、接近或剪切移动的性质。3）高分子的高弹态高分子的弹性变形量很大，小变形时，应力与应变符合胡克定律，变形由分子链内键长和键角发生改变产生，为普弹变形。高弹变形是在外力下，原先卷曲的链沿受力方向逐渐伸展产生，伸展长度和应力不成线形关系。当外力去除后，由于分子链之间力的作用，分子链又回复至卷曲状态。4）弹性指标弹性模量表明了材料对弹性变形的抗力，代表了材料的刚度。也反

5、映了材料内原子的键合强度。弹性模量是材料最稳定的力学性能参数，对成分和组织的变化不敏感。弹性极限是材料发生最大弹性变形时的应力值。弹性比功是材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力。W=1/2= 螺旋弹簧除材料的弹性外，其螺旋结构使变形量均匀分布到材料上，因此弹簧能承受更大的弹性变形量。5）弹性不完整性现象：应变滞后于应力。原因：组织不均匀，各晶粒应变不均匀。弹性后效与内耗：加载时应变落后于应力而和时间有关的现象称为正弹性后效，卸载时应变落后于应力的现象称为反弹性后效。加载线与卸载线不重合而形成封闭回线，称为弹性滞后，封闭回线为弹性滞后环。有部分变形功被材料所吸收，为材料的“内耗”。大小由回线面

6、积表示。常用于乐器。小提琴的弦：内耗小；车床床身：内耗大-吸震。包申格效应：金属材料预先经少量塑性变形后再同向加载，弹性极限升高，反向加载则弹性极限降低。其机理与位错运动所受阻力有关。后果：交变应力作用(疲劳)，弹性极限下降软化。好处：高速离心处理、轧制时来回交替运动。6）超弹性材料超弹性定义：材料在外力作用下产生远大于其弹性极限时的应变量，外力去除自动恢复其变形的现象。原因：马氏体相变，形状记忆。温度诱发相变，应力诱发相变。5.4材料的塑性1）塑性变形方程： K为强度系数，n为形变强化系数。n是材料的加工硬化性指标，可用来表征金属材料在均匀塑性变形阶段的变形。n越小变形强化能力越弱。 应力增

7、加时，往往应变的速率也会相应增加。 应变速率敏感性： 是应变速率敏感性， m是应变速率敏感指数；K是常数。m=1为粘性固体，m越大，拉伸时抗缩颈能力越强，m=0表示材料无应变速率敏感性。2）塑性指标：有伸长率和断面收缩率。若材料的伸长率大于断面收缩率，则该材料只有均匀塑性变形而无颈缩现象，是低塑性材料，反之为高塑性材料。3）塑性变形机理金属材料中存在位错，金属塑性变形的本质是位错在外力的作用下发生滑移和孪生。滑移系越多，越容易发生塑性变形。使位错产生滑移所需的分切应力为临界分切应力。孪生：切变后已变形区的晶体取向与未变形区的晶体取向成镜面对称关系。孪生可改变晶体取向，使晶体的滑移系由原先难滑动

8、的取向转到易于滑动的取向，孪生对塑性变形直接作用下但间接作用大。孪生变形量小，但可改变位错滑移方向。高分子塑性变形是由于分子链团的运动产生的，即粘性流动。剪切带和银纹是玻璃态高分子局部塑性变形的两种形式。银纹垂直于应力方向，它是由于高分子在塑性伸长时局部区域内产生大量的空穴引起的。空穴折射率不同造成全反射，但银纹与裂纹不同，裂纹是空的，银纹中含有40%左右空穴。多晶体除位错外，还存在晶界的移动和晶粒的转动等，发生在高温蠕变、超塑性等现象中。4）在载荷不增加或在某一载荷附近波动的情况下，试样继续伸长变形，这便是屈服现象。屈服强度的大小反映了材料对起始塑性变形的抗力。 材料在变形前可动位错密度很小

9、屈服现象的产生有关因素 随塑性变形的发生，位错能快速增殖 位错运动速率与外应力有强烈的依存关系 应变速率 b为柏氏矢量，为位错密度，v为位错运动平均速率。位错运动速率取决于应力的大小。所以：要提高v就要较高的应力，这就是上屈服点。一旦塑性变形产生，位错大量增殖，增加，位错运动速率必须下降，相应的应力也就突然降低，形成了下屈服点。此后大量位错中某些位错在切应力的作用下滑移，产生变形，当它们的运动受阻时，另一些位错在力的作用下开始运动，继续产生变形，由此形成了锯齿状曲折线段。5）形变强化：其机理是金属在外力的作用下通过位错的滑移、孪生产生变形。由于大量的位错之间发生交互作用，位错的滑移受阻，要让位

10、错继续滑移，使金属产生进一步的变形，就必须有更大的应力作用于材料。 材料有阻止继续塑性变形的抗力，即形变强化性能。形变强化指数n大，塑性变形均匀，可防止局部塑变导致构件失效。因为局部塑变强化，防止进一步塑变。6）材料的强化金属塑性变形的本质是位错的运动。金属的强化机理是如何使位错难以运动阻力有：点阵阻力 位错间交互作用产生的阻力 位错与其他晶体缺陷交互作用的阻力 1 固溶强化 ：溶质原子与位错之间产生交互等阻碍作用。 2 第二相强化：第二相质点周围形成应力场阻碍位错。材料的强化 3 晶粒细化强化：位错运动须克服晶界阻力，位错在晶界附近塞积，造成应力集中，激发相邻晶粒位错源开动引起宏观屈服应变。

11、4 相变强化：可通过处理获得高位错滑移阻力的组织结构而强化。 5无缺陷强化：如晶须等，制造少缺陷或无缺陷材料。高分子可加入纤维、无机颗粒强化，形成交联作用，力的传递。，还可复合强化。陶瓷强度高，只有弹性变形而无塑性变形，更多的是对其增韧而非强化。5.5材料的蠕变1）金属的蠕变是指在恒定的作用力下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢塑性变形的现象，它是高温与应力对金属共同作用的结果。高温是指(0.4-0.5)T的温度。蠕变曲线：分为过渡蠕变段、稳态蠕变段（蠕变速率是高温材料一个重要力学性能指标）、加速蠕变段。当温度或应力很小时，稳态蠕变段会很长。2）蠕变变形机理：方式：位错滑移：高温下位错通过热

12、激活和空位扩散来克服某些短程障碍使变形不断产生，即软化。而塞积为强化。稳定时强化和软化同时发生，速率保持一定。晶界滑动：高温时晶界原子容易扩散，因此晶界受力易产生滑动，促进蠕变空位扩散：在无力作用时，空位移动无方向性，拉力时空位会流动，扩散蠕变在金属接近熔点、应力较低的情况下进行。3）高温变形指标：蠕变极限（高温长期载荷作用下材料的塑性变形抗力）、松弛极限（总应变保持不变而应力随时间自行降低的现象为应力松弛，原因是时间增加，一部分弹性变形转变为塑性变形）、持久长度 4）高分子粘弹态：粘性流动的内在原因是高分子中分子间没有化学交联的线形高分子产生分子间的相对滑移。粘弹性分为静态粘弹性（固定应力下

13、表现蠕变和应力松弛）和动态粘弹性（周期应力下的力学行为）。5）超塑性是多晶材料在断裂前各向同性地显示极高拉伸伸长率的能力。 大的变形能力材料的超塑性 无通常的应变硬化 应变速率敏感性高（有效抑制了超塑性变形中的拉伸失稳）伸长率和应变速率敏感指数是评价材料超塑性的重要指标。m-曲线，II区m最大。III区晶内位错滑移起主要作用，也存在少量晶界滑动；I和II区晶内位错极少，II区以晶界滑动为主，I区以扩散蠕变为主。超塑性变形机理不是晶内位错滑移，而是晶粒发生转动和晶界滑动，甚至换位。5.6材料的硬度硬度是材料表面抵抗外物压入时引起塑性变形的能力，它是衡量材料抵抗局部变形能力的参数。压入法：布氏硬度

14、、洛氏硬度、维氏硬度回跳法：肖氏硬度、里氏硬度1）摩氏硬度确定矿物间相对硬度的标准。是半定量硬度，还包括铅笔硬度等2）用一定压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定时间后卸除压力，于是在试件表面留下压痕，单位压痕表面积上所承受的平均压力即为布氏硬度值（HB）。布氏硬度： 压痕直径越大，则布氏硬度越低。 先考虑试样的厚度确定压头直径。 HBS：压头为淬火钢球 HBW：压头为硬质合金钢球。 150HBS10/100/10 表示10mm直径淬火钢球加压100kgf，保持10s。 优点：分散性小，重复性好。不受个别相和不均匀影响。 缺点：不宜进行无损测定，不能测定薄壁件或表面硬化层的硬度，

15、不能测大件，压痕直径测定时间长，效率低。3）洛氏硬度直接测量压痕深度，并以压痕深浅表示材料的硬度。 洛氏硬度： 分HRA、HRB直径为1.588(钢球为压头)、HRC直径为1.588金刚石压头，HRC=（0.2-e）/0.02，e=h-h 先加初载荷，再加主载荷，之后卸除主载荷。 优点：简单迅速，效率高，对试样表面损伤小，可用于成品检验。 缺点：重复性差，精度低。对成分不均匀敏感，重复性差。 表面层硬度：表面硬度计（满足薄零件或镀层）。可测渗层。 4）维氏硬度： HV=0.1891F/d d=(d+ d)/2。 不知厚度时，载荷从小到大进行试验。 金刚石四方角锥体压头，表示方法与HB一样。 优

16、点：测量范围宽，能更好地测定薄件或膜层的硬度，精度高。 缺点：操作不方便。5）显微维氏硬度（HV）和努氏硬度（HK）：测定微小部件或极小区域内的物质，以及陶瓷等脆性材料。显微维氏硬度实际上是小载荷的维氏硬度。努氏（HK）为金刚石长菱形压头。6）肖氏硬度又叫回跳硬度，测定原理是将一定质量的具有金属石圆头或钢球的标准冲头从一定高度h自由下落到试样表面，回跳到h。硬度值大小取决于材料的弹性性质。 HS=Kh/h K为肖氏硬度系数 h为下落高度，h为回跳高度。 弹性越大，塑性变形越小，硬度值越大。 弹性模量不同的材料不能相互比较。 优点：操作简便、测量迅速、压痕小、仪器携带方便。 缺点：重复性差，精度

17、低。里氏硬度：HL=1000v/v ， v为冲击体回弹速度，v为冲击体冲击速度 在大件和现场中应用广泛。邵氏硬度：HA表示，是将一定形状的钢制压针，在载荷作用下压入试样表面，当压足平面与试样表面紧密贴合时，测量压针相对与压足平面的伸出长度。第六章材料的断裂和磨损1）断裂都经过裂纹形成与裂纹扩展两个阶段。2）根据断裂形成的微观机理：断裂包括解理断裂、沿晶断裂、延性断裂。3）根据裂纹扩展路径：包括穿晶断裂、沿晶断裂。4）断裂韧度K可用来衡量材料中存在裂纹时断裂的难易程度。不易断裂的材料韧性好。 不考虑裂纹：断裂难易是由断裂强度大小决定。 存在裂纹：断裂强度高的材料反而可能容易发生断裂。 断裂失效

18、1/3材料失效 腐蚀失效 1/3 磨损失效 1/3（磨损是材料在外力和环境作用下发生质量损失导致部件失效）6.1材料的断裂1）脆性断裂：断裂前无塑性变形。脆性断裂的宏观特征是断裂前不发生塑性变形，而且裂纹的扩展速度很快，在无明显的征兆下突然断裂。脆性材料的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。解理断裂是在拉应力作用下，原子间结合键遭到破坏，严格沿一定的结晶学平面，即解理面劈开而造成的，解理面一般是表面能最小的面。不同高度的平行解理面构成解理台阶，形成“河流状花样”。河流的流向与裂纹扩展方向一致，因而可由河流反方向去寻找裂纹源。“舌状花样”是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状

19、凸台或凹坑。沿晶裂纹是指裂纹断裂过程中裂纹沿晶界扩展。断口一般为冰糖状。晶界有脆性第二相；有害杂质晶界偏聚；环境导致晶界弱化应力腐蚀开裂、高温蠕变断裂等。2）韧性断裂韧性断裂是材料在断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。断裂扩展中无须消耗能量，断裂面一般平行最大切应力并与主应力成45，断口呈纤维状，灰暗色。中低强度钢光滑圆柱的断口呈杯锥状，一般由纤维区、放射区、剪切唇三个部分组成。放射区是裂纹快速低能撕裂形成，有放射线花样特征。剪切唇是在平面应力条件下的快速不稳定断裂。纤维区形成包括微孔成核、张大、聚合直至断裂。杂质或第二相破碎或脱离基体界面形成微孔微孔长大和聚集形成显微裂纹微孔形成微孔联接中心空

20、腔沿45方向切断形成杯锥状断口重复过程形成锯齿形的纤维区微孔形成的位错模型：位错线遇到第二相质点形成位错环位错环在应力作用下堆积界面滑移形成微孔新位错不断进入微孔，微孔长大细小、圆形的第二相质点有助防止裂纹产生韧窝：等轴韧窝（垂直微孔平面的正应力）和拉长韧窝（在扭转载荷或双向不等拉伸条件下的切应力）。发现河流必然是脆性断裂；但发现韧窝不一定就是韧性断裂。韧性断裂肯定有韧窝。影响韧性断裂因素：基体、第二相（种类与基体一致好，数量少好、分布均匀、形状球形）。3）断裂强度在外加应力的作用下，将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力，即理论断裂强度。理想晶体解理断裂的理论断裂强度：，是表面能，

21、a是原子间的平衡距离。可以理解解理面往往是表面能最小的面。Griffith理论裂纹理论：实际材料中存在裂纹，即使外加应力低于理论断裂强度，由于裂纹尖端应力集中作用，使裂纹尖端附近应力超过材料的理论强度，结果导致裂纹快速扩展，引起脆性断裂。解决了“实际断裂强度与理论值之间存在巨大差异”的问题。半长为a的裂纹的板材中，裂纹失稳扩展的临界应力和临界裂纹半长a= （裂纹半长一定） a= （应力一定）此公式适用于脆性材料 塑性变形要消耗变形功，与位错运动能力有关。Griffith理论的前提是材料中已存在裂纹，它不涉及裂纹的来源。4）断裂韧度应力强度因子K： 张开型（I型）最危险，容易引起脆断裂纹扩展有三

22、种形式： 滑开型（II型） 撕开型（III型）K值越大，该点各应力、位移分量值越高。K反映了裂纹尖端区域应力场的强度，故称应力强度因子。K=Y 单位为：MPa.mK 为临界K值，为I型裂纹材料的断裂韧度指标。它是材料内部存在裂纹时抵抗断裂的能力，与材料成分、组织结构有关。K= Y 裂纹断裂失稳扩展而脆断的判据：K K 或Y K时，当裂纹受力，就会发生脆性断裂。反之，即使存在裂纹，若K K也不会断裂，这种情况为破损安全。断裂韧度的测量：常用紧凑拉伸试样和三点弯曲试样。测试所选材料的屈服强度，估计K值确定试样尺寸按比例关系确定长度和宽度开缺口在疲劳试验机上预制裂纹弯曲试验得F-V曲线确定临界载荷F

23、用显微镜测量裂纹长度a带入K，算出K 进行有效性检验若不满足，将试样尺寸加大一半，重新测定。新方法：显微硬度压痕法。压头作用：产生裂纹；根据裂纹的形状和长度，通过材料力学模型计算出K；优点是方便；缺点为只是微区的断裂韧性。6.2材料的脆性和韧性表征脆性材料两参数：弹性模量E和断裂强度。材料脆性本质除其内部位错滑移困难外，通常与其对裂纹的敏感性高有关。材料的韧性表示断裂前单位体积材料所吸收的变形和断裂能。韧性包括三部分能量：弹性变形能、塑性变形能、断裂能。脆性-韧性转变：1）应力条件：切应力引起材料的塑性变形（切应力是位错运动的驱动力）。拉应力只促进材料的断裂。2）温度对断裂强度影响不大，但对屈

24、服强度影响显著。原因是高温易激活位错源，有利位错运动。低温时，位错源激活受阻，难以产生塑性变形，断裂可能变成脆性。如储放液氮的容器，需考虑其韧脆转变温度。 提高加载速率，则相对变形速率增加，在一定限度它会使塑性变形极不均匀，结果塑性变形抗力提高，并使局部高应力区形成裂纹，有变脆倾向。如爆炸断口。3）晶粒细化可降低材料的韧-脆转变温度。它提高材料的强度，又提高了它的塑性变形和韧性。这是形变强化、固溶强化与弥散强化等方法不及的。缺口冲击试验：冲击功：A=mg(H-H) V型缺口（夏氏）和U型缺口（梅氏）缺口冲击韧度 a或a = A/A（净断面积） 单位为J/mm。缺口断裂经三个阶段：裂纹在缺口根部

25、形成、裂纹扩展和最终断裂。缺口冲击韧度还可测定韧脆转变温度，方法是将试样冷却到不同温度测定冲击功。还可处理原材料冶金质量、热处理缺陷。陶瓷材料增韧：增韧机理：减少裂纹形成和抑制裂纹扩展。陶瓷与金减少裂纹形成的方法：减少材料中的缺陷（陶瓷致密度）和表面压应力。1）陶瓷与金属复合的增韧金属自身的塑性变形使裂纹尖端区域高度集中的应力得以部分松弛以吸收能量的作用。裂纹扩展所需的能量大于形成新裂纹面所需的表面能，从而提高了材料对裂纹扩展的抗力，改善了材料的韧性。2）相变韧性相变要吸收能量而体积膨胀可松弛裂纹尖端的拉应力，改善材料的断裂韧度。如ZrO2相变。3）微裂纹增韧微裂纹可使主裂纹尖端钝化，增大裂纹

26、尖端钝化半径可提高断裂韧度。另外可使主裂纹分叉，改变主裂纹的应力场，增加扩展的表面能，使其扩展受阻增加了材料的断裂韧度。（主要是改变裂纹扩展方向）。4）晶须增韧和纳米增韧使裂纹扩展的路径改变或使裂纹尖端钝化。6.3材料的疲劳材料在循环应力作用下，即使所受应力低于屈服强度或断裂强度，也会经过一定时间后发生断裂，这种现象称为疲劳。循环应力是指应力随时间呈周期性变化。应力幅=）/2 平均应力=）/2 应力比R=疲劳断口常分为三个区： 疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。疲劳源一般在零件表面较光滑，裂纹扩展区有贝壳花样，称贝纹线或疲劳线。瞬时断裂区靠近中心为平口区，边缘处为剪切唇。疲劳断裂机理： 1）

27、裂纹形成包括三个阶段：微裂纹的形成、长大和联结。 表面滑移带开裂疲劳裂纹形成的三种方式 夹杂物与基体相界面分离或夹杂物本身断裂 晶界或亚晶界开裂在循环载荷作用下，即使循环应力不超过宏观屈服强度，也会在试样表面形成滑移带，为循环滑移带。循环滑移带的形成，挤出或挤入会在表面形成微裂纹。2）疲劳裂纹的扩展：第一阶段：裂纹沿最大切应力的晶面方向发展，由于位向不同及晶界的阻碍作用，扩展方向逐渐转向与最大拉应力垂直。此阶段扩展速率较慢。第二阶段裂纹扩展方向与拉应力垂直，扩展途径是穿晶的，扩展速率较快，会形成疲劳条带。第二阶段疲劳条带形成的塑性钝化模型：在交变应力作用下，裂纹受拉应力作用先张开，裂纹尖端处于

28、应力集中，沿45方向发生滑移拉应力最大时，滑移区扩大，裂纹尖端变半圆形，发生钝化，裂纹停止扩展当为压应力时，滑移方向相反，裂纹尖端被压成耳状切口当压应力最大时，裂纹表面被压合，裂纹尖端又由钝变锐，形成一对锐角循环一周期，断口变留下一条疲劳条带，裂纹向前扩展一段距离如此反复进行，不断形成条带，疲劳裂纹不断向前扩展。（第二阶段就是应力循环时裂纹尖端钝、锐变化的过程。）条带间距表示裂纹扩展速率，间距越宽，则裂纹扩展速率越大。贝纹线是由于交变应力振幅变化或载荷大小改变等原因，在宏观断口上遗留的裂纹前沿痕迹，是疲劳断口的宏观特征。疲劳条带是其微观特征。疲劳性能指标：从加载开始到试样断裂所经历的应力循环次

29、数定义为该试样的疲劳寿命，符号为N。在不同应力幅下试验一组试样，得到lg-lg N曲线，这就是疲劳寿命曲线。1）低循环疲劳区（短寿命区）：有较明显的塑性变形。2）高循环疲劳区（长寿命区）：无明显的塑性变形，表现为脆性断裂。3）无限寿命区（安全区）：临界应力为，为材料的理论疲劳极限或耐久极限。工程上的疲劳极限为：在给定的疲劳寿命下，试样所能承受的上限应力幅值。对于结构钢，给定寿命常取N=10周次，在应力比R=-1时测定的疲劳极限 ，时疲劳寿命小于10周次，时疲劳寿命大于10周次，并且-。疲劳裂纹扩展速率：研究疲劳有两目的：1）定寿；2）延长疲劳寿命疲劳寿命N由“裂纹形成寿命N”和“裂纹扩展寿命N

30、”裂纹由初始尺寸扩展到临界尺寸所经历的加载循环次数。影响疲劳的因素影响疲劳极限的因素：1）频率有影响。2）金属在低于或接近疲劳极限的应力下运转一定循环次数后，其疲劳极限提高，这种现象称为“次载锻炼”。3）表面存在缺口时，引起缺口应力集中，而使疲劳寿命短，疲劳寿命降低。4）表面粗糙度越高，材料的疲劳极限越低。粗糙、加工痕迹、记号等导致疲劳极限下降。5）提高疲劳极限表面强化处理：表面淬火、渗碳、氮化；喷丸、滚压等表面冷塑性变形加工。影响疲劳寿命的因素：1）当裂纹尖端存在粗大的夹杂物或脆性相时，疲劳裂纹扩展不以韧性条带，而是以韧窝形成或脆性解理的机理进行，结果疲劳裂纹扩展速率增大，使寿命降低。2）细

31、化晶粒可延长疲劳寿命，由于晶界两侧晶粒位向不同，当疲劳裂纹扩展到晶界时，被迫改变扩展方向，并使疲劳条带间距改变，可见晶界是扩展的障碍。6.4材料的环境脆性高温蠕变断裂1）金属在高温下发生蠕变变形，最后导致材料的断裂，称为蠕变变形。2）蠕变断裂的断口特征为：断口附近有塑性变形、变形区附近有很多裂纹、表面呈龟裂现象，且断口表面被氧化膜覆盖。微观特征为沿晶断裂为主。3）断裂机理：在三叉晶界处形成的楔形裂纹和在晶界上由空洞形成的晶界裂纹两种方式。4）楔形裂纹形成：高应力和低温下，晶界滑动在三晶粒处会受阻，造成应力集中而形成空洞，空洞相互连接而成。晶界裂纹形成：低应力高温下，晶界上突起部位或细小第二相质

32、点附近因晶界滑动产生微孔，微孔连接形成裂纹。总之机理为 ：晶界上空洞形成和长大、相互连接。楔形裂纹：晶界滑动三叉晶界受阻。晶界裂纹：晶界第二相质点。5）持久强度是衡量高温蠕变断裂的力学性能指标，它代表了材料在高温长时间载荷作用下抵抗断裂的能力。定义为在给定温度下，恰好使材料经过规定时间（寿命）t发生断裂的应力值。6）蠕变极限：高温长期作用下材料的塑性变形抗力。7）抗蠕变方法：基体强化：固溶强化、析出强化和弥散强化。晶界强化：晶界处形成大量细小析出硬化相，表面活性元素。应力腐蚀开裂1） 金属在拉应力和特定环境作用下，经过一段时间会出现低应力脆断现象，称为应力腐蚀断裂。拉应力：工作应力、加工及装配

33、中的残余应力。它不是应力对金属机械性的破坏和在腐蚀介质作用下的简单相加，是在拉应力和腐蚀介质的联合作用下，按特定机理断裂的。2）应力腐蚀断裂一般属于脆性断裂。其断口与疲劳断口类似：有亚稳扩展区（腐蚀产物和氧化现象，常为黑色或灰黑色）和最后断裂区。显微裂纹有主裂纹，上有树枝状分叉。应力腐蚀断裂可以沿晶界扩展，也可能穿晶扩展，断面上还有腐蚀坑和界面滑移等形貌。宏观断口表面有腐蚀痕迹，断口粗糙。3）应力腐蚀断裂机理保护膜破坏理论：形成钝化膜（阻止金属发生均匀腐蚀）拉应力作用下,局部保护膜破裂,形成初裂纹破裂处与金属表面形成原电池,使腐蚀加速，保护膜为大阴极、新鲜表面为小阳极，产生点蚀坑另外,其在蚀坑

34、或裂纹的尖端会形成应力集中,使阳极电位降低加速腐蚀。若表面无钝化膜,金属会在介质中发生均匀全面腐蚀,不会产生应力腐蚀。4）材料抵抗应力腐蚀的两个性能指标为应力腐蚀临界应力场强度因子K和应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt.在一定条件下K为一个常数,它表示含有宏观裂纹的材料在应力腐蚀条件下的断裂韧度.氢脆氢脆是指环境中氢和应力共同作用下而导致金属材料产生脆性断裂的现象。断口微观形貌沿晶断裂，有气孔状。氢脆的机理: 1)氢蚀氢和第二相作用生成高压气体,使基体金属晶界结合力减弱而导致脆化。2)白点温度降低,氢分子在缺陷处聚集, 应力把材料撕裂在钢中形成白点,实质为微裂纹。3)氢化物致脆4)氢致延滞断裂氢脆

35、与应力腐蚀都是由于环境效应而产生的延滞断裂现象。当发生应力腐蚀时，总是伴随着氢脆现象。氢脆预防:1)环境介质 2)应力场强度 3)材质6.5材料的磨损磨损：相互接触的固体在力的作用下相对运动，由此造成的材料损失称为磨损。产生磨损的的要素为：力、相对运动、相互接触。材料在环境与力共同作用下会引起塑性变形、形变强化以及微区的断裂。磨损可分为4类：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损。磨损机理：1）粘着磨损（咬合磨损）微凸点粘着剪断（较软的部分）材料转移或形成磨损磨损量w=KFL/3H F为接触压力，L为相对滑移距离，H为布氏硬度。2)磨粒磨损硬颗粒或凸出物在材料表面的摩擦过程中,使表面材料发生损

36、耗的现象称为磨粒磨损。材料硬度越高,抗磨粒磨损的性能越好。3)腐蚀磨损在磨损过程中,磨损表面与环境介质会发生化学或电化学反应,形成腐蚀产物,产物脱落就引起腐蚀磨损。氧化磨损是最常见的腐蚀磨损。4)疲劳磨损疲劳磨损是两接触表面在交变压应力长期作用下产生的磨损,也称接触疲劳。常发生在滚动轴承,齿轮上,其形貌特征为接触表面上出现许多因金属剥落形成的麻点或凹坑。机理：表面滚动线接触时亚表层切应力最大（表面为零）位错滑移、交互作用空穴孔洞、裂纹坍塌。5）冲蚀磨损：它是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时，表面出现材料的损耗。脆性材料的最大冲蚀率出现在正面冲击表面时；塑性材料在入射角与表面成20-30，冲蚀

37、率最大。机理：冲击时表面产生弹、塑性变形；切削等进行探讨。6）微动磨损：两接触表面间的小幅度相对运动称为微动，由此产生的磨损。微动磨损兼有粘着、氧化、磨粒、疲劳磨损。凸粒微动塑性变形并粘着粘着点脱落形成磨屑磨屑被氧化形成氧化物氧化物被限制在两表面间成为磨粒，形成磨粒磨损。磨损试验及性能指标耐磨性指标：磨损量。相对耐磨性=标准试样磨损量/被测试样磨损量磨损过程曲线分为： 1）跑台阶段 2）稳定磨损阶段 3）剧烈磨损阶段7.1复合材料复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。基体有金属、陶瓷、高分子，而

38、分散相可以是纤维、颗粒等。复合材料质量轻、比强度与刚度大，耐疲劳性能好。根据基体材料不同，有PMCs、MMCs、CMCs晶须是具有一定长径比的小单晶体，其特点是没有微裂纹、位错、空洞和表面损伤等缺陷，强度接近理想晶体的理论值。通过对纤维的表面改性，选择最佳的复合工艺，以达到预期的界面设计，制取具有优异综合性能的复合材料，就是所谓的界面工程。当外力与层面垂直，E=EE/（V E+V E）当外力与层面平行，E= V E+ V E任何两相材料的弹性模量介于两者间，两相对复合材料力学性能的贡献与它们的体积分数成正比，这种关系为混合定则。颗粒增强复合材料为：E=VE+KVE m为颗粒，p为基体。短纤维增

39、强复合材料的强度与连续纤维的作用机理不同，复合材料所受的应力是通过纤维与基体界面之间的剪切应力从基体传递给纤维的。1）断裂性能：裂纹的扩展必须克服由于纤维的加入而产生的拔出功和纤维断裂功，使得材料断裂更为困难。断裂并非发生在同一裂纹平面。这样裂纹将沿纤维断裂位置不同而发生裂纹转向，这样也增加裂纹阻力。对于层合板复合材料，当裂纹沿垂直于层合板的方向扩展时，其裂纹扩展可能受到抑制。因为裂纹扩展时，层间界面要开裂为分层裂纹需消耗大量的能量。2）冲击性能：当纤维方向与外力垂直时，冲击性能最高。纤维端头附近应力集中的现象，容易导致裂纹的产生和扩展，使冲击性能下降。3）疲劳性能：复合材料有很多疲劳损伤形式

40、，如界面脱粘、分层、纤维断裂，一般没明显的疲劳极限。其疲劳寿命有很大的分散性，这与增强相及基体材料性能的分散性有关。复合材料对缺口有不敏感性。这主要由于在缺口根部形成损伤区，缓和了应力集中。在疲劳过程中，损伤区继续扩展，同时松弛了缺口根部的应力集中。因此难以用疲劳裂纹扩展速率来预估寿命，而需用累积损伤理论。较大的应变将使纤维与基体变形不一致，引起纤维与基体界面的破坏，形成疲劳源，压缩应变会使复合材料纵向开裂。所以复合材料对应变特别是对压缩应变很敏感。高分子基复合材料：材料具有较高的比强度，并且耐化学腐蚀性能好，缺点是刚性和耐热性差。且其抗疲劳性能好，当疲劳裂纹产生时，因纤维与基体的界面能组织裂

41、纹的扩展，并且疲劳总是从纤维的薄弱环节开始逐渐扩展到结合面上，因此破坏前有明显的预兆。金属基复合材料：金属基目的是提高强度、硬度、耐磨性和高温力学性能。基体一般不用铁是因为铁可通过相变来提高强度，而铝，铜等不行。在颗粒状增强相金属基复合材料中，根据颗粒的直径和体积分数，又可分为弥散强化复合材料和颗粒复合材料。弥散强化颗粒直径范围为0.01-0.1m，增强机理是颗粒阻碍位错的运动，使基体得到强化。弥散强化一般高温性能比较好。颗粒增强复合材料的颗粒直径范围为1-50m，当颗粒比基体硬时，颗粒通过界面用机械约束的方式限制基体变形，从而产生强化。而大直径颗粒容易成为应力集中源，因此强度可能反而降低。硼

42、纤维增强铝基复合材料的断裂断口有：1）全为基体破裂2）同时含有基体破裂和纵向纤维破裂3）基体破裂和纤维-基体界面破裂。陶瓷基复合材料：最多的是氧化铝、碳化硅和氮化硅基体。增强相最多的是纤维、晶须和颗粒。颗粒的增强效果一般不如晶须，裂纹扩展必须克服由于纤维加入而产生的拔出功和纤维断裂，从而起到增韧的作用。晶须增韧陶瓷的机理相似，主要靠晶须的拔出桥连与裂纹转向机理。另外界面结合强度直接影响了陶瓷基复合材料的韧化机理与效果。7.2多孔材料1）结构上分为通孔和闭孔（如同蜂窝：可看成是晶体结构：晶粒为空和晶界为蜂窝的固体部分）。通孔是连续贯通的三维多孔结构，也称为泡沫结构，典型代表为海绵。2）压缩曲线

43、1）线弹性区 2）应力平台区（屈服平台）：多孔材料发生弯曲、塑性变形或破裂的固体组分 三个区 增多，在该应力下持续产生较大的变形，这就是为什么多孔材料具有高能量吸收能力的原因。 3）致密化区：此时支撑梁或胞壁完全损坏，它们在应力作用下同时发生变形。压缩曲线受多孔材料的密度、梁及壁材料的性质等影响。压缩模量及屈服应力随密度的增加而增加，而应变则随之减小。应力平台有三种情况：支撑梁/壁弹性变形、塑性变形和开裂。3）多孔材料变形时，临界应力对于多孔材料的弹性应变量只与结构有关，而与材料无关。曲线形状随固体组分性质变化： 弹性材料：应力平台变化平缓 塑性材料：伴随出现应力下降 陶瓷材料：显示出锯齿状的

44、应力波动，对应各个梁或壁的断裂。4）能量的吸收：多孔材料作为减振和缓冲材料有很大发展潜力。如包装箱、汽车防震等。因为多孔材料有优异的吸收性能。相同峰值应力（包装防护设计的参数）下，多孔材料吸收能量大。吸收相同能量时，密度越大，峰值应力越大。7.3生物材料包括天然生物材料和生物医用材料。医用生物材料最重要的是材料与周围活组织的相互作用，即生物性能。包括材料在生物环境中的腐蚀、吸收、降解、磨损和失效。1）骨有各向异性，也有一定的蠕变和应力松弛性能，就是粘弹性。2）牙表面的牙釉质具有很高的硬度和刚性，而牙本质具有韧性和柔顺性。3）生物材料选用：首先考虑力学性能，再考虑其耐久性。人造髋关节必须坚固并有

45、刚性；肌腱要求强度高、韧性好；心脏瓣膜必须易弯曲，强度高；透析膜必须坚固，不能有弹性；人造软骨必须柔软，富有弹性。生物医用材料：4）生物医用金属材料：高强度和抗疲劳性能。常用有不锈钢、钴基合金、钛基合金、形状记忆合金和金等。5）生物医用高分子材料6）生物陶瓷：韧性差，极脆。 7）生物医用复合材料 天然生物材料： 8）蜘蛛丝： 桥架丝：第一根丝，是建构骨架 粘丝：粘住落网猎物 （类似橡胶，低模高延伸） 框丝：蛛网最外层的丝 牵引丝：用于遇险时将自己吊在空中以逃避威胁 （较高强度、模量和韧性）由于蜘蛛丝有较大的滞变性，猎物不会立刻反弹出网，从而足够的时间使粘丝上的黏液发挥粘附作用。同时大量冲击能在蜘蛛丝的滞变过程被消耗，剩余能量可以有较长的扩散时间，可将能量分散到尽可能大的面积上，使蜘