材料力学性能笔记

1、单向静拉伸载荷拉伸力-伸长曲线（应力应变曲线）：弹性变形（外力作用下金属原子间发生可逆性位移的L _ 口 Q TG =-结果，胡克定律b = E， T = Gy2（1 +v）、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形（颈缩）、断裂。弹性模量E：材料对弹性变形的抗力，应力应变曲线与横轴夹角的大小。本质上决定于晶体 的电子结构，而不依赖于显微组织，因此，弹性模量是对组织不敏感的性能指标。塑性材料：在弹性变形量尚小时的应力足以激活位错运动，产生塑性变形。脆性材料：缺陷处的集中应力，断裂。Q = P = -A = e - A刚度： 比弹性模量：材料的弹性模量与其密度之比，选用高比弹性模量的

2、材料才可以提高其刚度。 比例极限。p：应力与应变成直线关系的最大应力。弹性极限宾：由弹性变形过渡到弹性塑性变形的应力。1b 2a =b 8 =e-弹性比功：e 2 e e 2E表示单位体积金属材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比应变能。防止零件因过量弹变而失效：E高A高比弹模高。缓冲和减震，有足够的吸收和释 放弹性功的能力，以避免弹力不足（发生塑性变形）而失效：弹簧，E小阮大。滞弹性（弹性后效）：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现 象。正弹性后效（弹性蠕变、冷蠕变）原因：金属中点缺陷的移动。应力作用下溶质原子的有序分布，产生沿某一晶向的附加应变。 温度f固溶体浓度f不

3、均匀性I后效I弹性滞后环：单向载荷作用下骤然加载和卸载的开始阶段，应变总要落后于应力。加载线和 卸载线不重合形成封闭的滞后回线。交变载荷中最大应力大于弹性极限，则出现塑性滞后环。 循环韧性：塑性区加载材料吸收不可逆变形功的能力。原因：位错的运动或变形的不均匀性。高一消振，低一音叉。包申格效应：退火或高温回火的金属或合金。金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残 余应变约为1%4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服强度，下 同）增加；反向加载规定残余伸长应力降低（特别是弹性极限在反向加载时几乎降低）的现 象。应变：P原因：位错源塞积产生背应力，预变形位错运动方向与背应力方向相

4、反，反向加载背应力帮 助位错运动。异号位错的相消降低强度。危害：循环软化、反向塑性变形抗力降低、氢脆/加工硬化（预先塑变、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）塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。滑移、挛生（小，可改变晶体位向）各晶粒塑变的不同时性、不均匀性；各晶粒塑变的相互 协调和制约。屈服变形开始于试样微观不均匀处或存在应力集中的部位。局部屈服开始后， 逐渐传播到整个试样。屈服为不均匀局部变形，产生吕德斯带。在薄钢板冷冲压成形时，往 往因局部变形不均匀，形成表面折皱。连续屈服：塑性延伸强度Rp、残余延伸强度Rr、总延伸强度Rt，屈雷斯加最大切应力判据，

5、 R1-R3=Re 1。屈服变形是位错增殖和运动的结果。e=bpv，位错强度、密度、运动速度T。 内因：金属本性和晶格类型-相变强化：派纳力（位错运动克服阻力）、切边模量；晶格大 小和亚结构-微晶强化：HP公式RelF+kyd-i/2，位错在软位向的晶粒开始滑移、增殖，在晶 界处塞积。减少晶粒尺寸降低晶粒内部位错塞积的数量，降低塞积应力，外切应力增加；溶 质元素-固溶强化：溶质原子基体晶格畸变形成所谓科垂耳气团钉扎位错，使强度提高。第 二相-第二相强化（弥散、析出强化）：位错绕过第二相质点阻为位错环+晶格错排界面能， 尺寸小、含量高，片状效果好。网状受阻于相界，强度下降。外因：温度（f派纳力I

6、位错运动阻力I）应变速率（正比）切应力分量（反比）加工硬化：材料在塑变过程中，随着变形量的增加要求外力增加，金属阻止继续塑性变形的 能力。位错增殖（将晶粒分割成亚晶或变形晶胞）运动受阻。抵抗偶然过载Hollomon方s 二 Ken程（n :加工硬化指数，层错能I交滑移I屈服强度Inf）缩颈：拉伸时局部集中塑性变形现象，加工硬化落后于截面缩小。抗拉强度：金属试样拉断过程中最大试验力所对应的应力。高低决定于屈服强度和应变硬化 指数。8= =8L0+八项=8+海；x x K = L/断后伸长率：L 0L 00X5 10A 0材料均匀变形的能力。（单一拉伸细长杆件）q =5： x 100%断面收缩率：

7、，A0材料局部变形的能力。8 5%）：纤维区、放射区（裂纹源）、剪切唇。强度提高，塑性降低，尺寸越大，放射区比例增大。纤维区：位于断口中央，呈粗糙纤维状 圆环花样，产生于缩颈阶段，是裂纹产生长大并缓慢扩展区，应力变为三向应力，中心轴向 应力最大，塑变困难。第二相质点碎裂或与基体界面脱离形成微孔，在变形带内成核、长大 和聚合。放射区：裂纹由缓慢向快速扩展转化。由于材料剪切变形作用，裂纹达到临界尺寸而快速低 能量撕裂，所以放射线平行于扩展方向。塑变f线粗；温度f强度I线细。剪切唇：断裂最后 阶段，裂纹在平面应力状态下发生失稳扩展的结果。与径向呈45。切断型断裂。脆性断裂（v2,测量压痕的平均直径d

8、,求得压痕的面积A如dUkgf/mm2压痕面积大，数据稳定，重复性好；不同材料变D、F，不能直接读数，压痕测量效率低； 不宜在零件表面测定硬度；仅用于较软的材料。维：四方角锥，压入角不变，类似布。洛：压痕深度。直接读出，效率高；压痕小；消除不平度影响；对不均匀性敏感，重复性差;人为定义无法比较。显：极小载荷范围、脆性材料。肖：L 使用方便，精度低。冲击载荷应变速率：10-2S-1金属力学性能有明显变化。应变速率对弹性模量没有影响，介质传播速率 大；塑性变形难以充分进行。附加强化：冲击载荷下应力水平较高，位错运动速率增加，派 纳力增加，临界切应力增加。增加了缺陷浓度，塑变不均匀。冲击载荷作用时塑

9、性变形则比 较集中于某一局部区域。导致了屈服强度、抗拉强度的提高和塑性的降低。韧性好：尖锐缺口。缺口、低温、高应变速率。韧脆转变。低温脆性现象（断裂强度和屈服 强度图，屈强随温度降低急剧增加，匕）细化晶粒一韧脆转变温度降低。晶体结构、化学成 分、微晶尺寸、金相组织。缺口越尖锐，尺寸越大，加载速度越快，tk提高。（越低韧性越 好）冲击吸收功下降，由微孔聚集型转变为穿晶解理，断口特征纤维状转为结晶状50%FATT 韧性指标：静力韧度、冲击韧度、冷脆转变温度安全指标：断面收缩率、断后伸长率、冲击功、缺口敏感性、冷脆转变温度断裂韧性裂纹扩展的基本形式：张开型、滑开型、撕开型。I型最危险I型裂纹尖端应力

10、场。设一无限大平板中心含有一长为2a的穿透裂纹，在垂直裂纹面方向受均匀的拉应力g作用。平面应力。广0平面应变：V（b* +气）当0=0时，则气2广七T巧 在x轴上裂纹尖端的切应力分量为零，拉应力分量最大， 裂纹最易沿x轴方向扩展。KI反映应力场的强弱程度，裂纹扩展动力，失稳判据，称为应 力场强度因子。KYoai/2o应力增加，KI增加。、C:平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。KC:平面应力断裂韧度，表示平面应力条件材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。因KC KIC，故用KIC设计较为安全。KI KIC：有裂纹，但不扩展（临界应力的裂纹长度） 材料的断裂性能趋于平面应

11、变断裂韧度。板厚（断裂韧性随板材厚度或构件截面尺寸的增加而减小）、温度（降低而下降）、应变速 率（速率每提高一个数量级，断裂韧性将降低10%）。晶粒越细，裂纹顶端附近从产生一 定尺寸的塑性区到裂纹扩展所消耗的能量也愈大，KIC越高。变动载荷疲劳：由于承受变动载荷而导致裂纹萌生和扩展以至断裂失效的全过程称为疲劳。（在很低 的应力下发生，一般不发生明显的塑性变形）变动载荷（大小、方向随时间变化的载荷）maxmax平均应力b = 2G +b .）应力幅b = 2G b .）应力比r =也一maxmaxmax对称交变应力（r=-1）、脉动应力（r=0/r=-无穷）、波动应力（0VrV1）、不对称交变应

12、力（-1VrV0）随机变动应力疲劳失效：机件在变动载荷和应变长期作用下，由于积累损伤而引起的断裂现象。载荷类型：弯曲、扭转、拉压、复合 环境和接触情况：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳、冲击疲劳应力大小和寿命：高周（Nf105，GOS，往往有塑性应变出现，也称高应力疲劳或应变疲劳）特点：延时、脆性突发、缺陷敏感、裂纹萌生扩展过程，疲劳源+疲劳裂纹扩展区+断裂区 宏观断口：贝纹线微观断口：明显疲劳条纹，不出现河流、舌状花样。高周疲劳是指试样在变动载荷（应力）试验时，疲劳断裂寿命105周次的疲劳过程（应力 疲劳）。S-N （疲劳）曲线和疲劳极限，条件疲劳极限（有限次应力循环而不断裂的

13、强度指标） 疲劳极限-升降法；有限寿命部分-成组实验法。（13，将第一对相反数据前全部舍去） 逐点描绘法、直线拟合法疲劳分散带随应力水平的降低而加宽，随材料强度水平的提高而加宽。静载破坏-低周循环应变疲劳-高周循环应力疲劳-持久疲劳极限。疲劳-裂纹扩展曲线。（应 力水平、裂纹尺寸，da/dN正比）疲劳极限。_1：对称交变应力，经过N次循环后，材料不发生破坏的应力的最大值。低周循环：。_1接近屈服极限，几乎与N无关。高周循环：。_1随循环次数的增加而降低。AK=K -K =瓜、a血5【mm七AK是裂纹顶端控制裂纹疲劳扩展的复合力学参量近门槛区：与此相对应 K值称为疲劳裂纹扩展的门槛值，记为%表示

14、阻止裂纹开始 扩展的能力。断口：解理花样，由断裂小面组成。中部区或稳态扩展区：是裂纹扩展的主要阶段，决定了疲劳寿命的主要部分。_- = C（A K ）nParis经验万程：dN断口：疲劳条纹裂纹快速扩展区：随着 K的增大而迅速升高。断口：静载断裂机制。无限寿命承载能力：5部允许裂纹尺寸：a 0）疲劳门槛值：V1+r过载峰及裂纹塑性区的影响：偶然过载进入过载损伤区内，将使材料受到损伤并降低疲劳寿命，但是如果过载适当，反而是有益的。 过载拉应力产生较大的塑性区，裂纹闭合效应。材料的组织和性能：晶粒增大， Kth越大、 裂纹开始扩展困难，但会使裂纹扩展速度增大。高温回火，铁素体含量增大，淬火组织奥氏

15、 体越多， Kth越大。疲劳：疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段。疲劳源：滑移带（挤出脊和侵入沟）、相界面、晶界。第一阶段：由表面个别侵入沟形成微 裂纹，然后裂纹主要沿主滑移系方向，以纯剪切方式沿45向内扩展。第二阶段：裂纹垂直 于拉应力，断口特征具有略显弯曲并互相平行的沟槽花样疲劳条带。高温条件温度升高，强度逐渐降低，断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡，塑性增大，加工硬化、 固溶强化及沉淀强化等。金属材料的强度极限随承载时间的延长而降低，晶粒强度和晶界强 度都降低，等强温度te （高变形速度上升）穿晶断裂一晶间断裂。温度+荷载+时间 约比温度：T/Tm，0.40.5高温蠕变：

16、材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性 变形的现象称为蠕变。蠕变断裂：由于蠕变变形导致的断裂蠕变速率曲线（Oa线段是施加载荷后，试样产生的瞬时应变凶，不属于蠕变）减速蠕变阶段-恒速蠕变阶段-加速蠕变阶段（当减小应力或降低温度时，蠕变第II阶段延长，甚至不出 现第III阶段）蠕变变形机理：位错滑移、攀移（0.5Tm）在高温下，由于温度的升高，给原子和空位提 供了热激活的可能，使得位错可以克服某些障碍得以运动，继续产生塑性变形，被塞集的位 错数量减少，对位错源的反作用力减小，位错源就可以重新开动，位错得以增殖和运动，产 生蠕变变形。蠕变两阶段，应变硬化-回复软化

17、。蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑动方式 产生变形。位错刚开始运动时，障碍较少，蠕变速度较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐 渐增大，晶格畸变不断增加，造成形变强化。在高温下，位错虽可通过攀移形成亚晶而产生 回复软化，但位错攀移的驱动力来自晶格畸变能的降低。在蠕变初期由于晶格畸变能较小， 所以回复软化过程不太明显。蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀移方式交替进行，晶 界变形以滑动和迁移方式交替进行。位错滑移和晶界滑动使金属强化，但位错攀移和晶界迁 移则使金属软化。由于强化和软化的交替作用，当达到平衡时，就使蠕变速度保持恒定。）、 原子扩散（0.5Tm，有外力作用时，拉应力下的晶界产生空位，而压应

18、力作用下的晶界空 位浓度小。空位由拉应力晶界向压应力晶界迁移，原子朝相反方向运动，引起晶粒沿拉伸轴 方向伸长，垂直于拉伸轴方向收缩，致使晶体产生蠕变）和晶界滑动（晶界原子易扩散） 晶界裂纹形成方式：三晶粒交汇-楔形裂纹（高应力、低温）晶界上空洞-晶界裂纹C T b TC 600 = 60MPa1XC 600 = 60MPa1X10-5600C下，稳态蠕变速率为1x10-5%/h的蠕变极限为60MPa。允许应 1/105： 500C下，105h后总变形量为1 %的蠕变极限为100MPa。需要应力。上利用线性 回归分析法求出n和A之值后，再用内插或外推法，或者上式，即可求出规定蠕变速率下 的外加应

19、力。 、. -，一一、 一，.一 .、. C T 持久强度极限：材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力。I表示材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力（700C，1000h不断裂的持久强度为 300MPa）剩余应力：应力松弛实验，下标sh，越高稳定性越好。因素：化学成分：控制位错攀移的速度和晶界滑移：熔点高、自扩散激活能大和层错能低（扩 展位错难以割阶、交滑移）的元素及合金。组织结构：正火加高温回火、固溶时效。晶粒度： 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时，粗 化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度，但是，晶粒太大会降低钢的高温塑性和韧性

20、。摩擦与磨损摩擦：两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动趋势，接触面上具有 阻止相对运动或相对运动趋势的作用，这种现象称为摩擦。磨损：物体表面相互摩擦时，材料自表面逐渐损失的过程。润滑：减轻摩擦磨损的措施。摩擦的本质：凹凸啮合说、粘附说、新的摩擦黏附理论。磨损量-时间曲线：跑合阶段；稳定磨损阶段（斜率即磨损速率）；剧烈磨损阶段。 磨损机理：黏着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、微动磨损。耐磨性：用磨损量表示。磨损量愈小，耐磨性愈高。e=标准试样的磨损量L相对耐磨量：被测试样的磨损量磨损系数：e黏着磨损：接触面局部发生黏着，相对运动又分开，接触面上有小颗粒被拉拽出来。粘着、 剪切、再粘

21、着。产生条件：缺乏润滑油，表面没有氧化膜，单位法向载荷很大。轻微、一般、擦伤（界面强度大于两摩擦材料基体的强度时，软材料的表面划伤，形成细而 浅的划痕）、胶合内因、外因、工作条件（接触压力、滑动速度）转移膜磨料磨损：硬突起物或硬颗粒使材料产生迁移。两体磨粒磨损：磨料直接作用于被磨材料的表面。三体磨粒磨损：磨粒介于两材料表面之间。 低应力划伤式磨粒磨损、高应力碾碎式磨粒磨损、凿削式磨粒磨损。摩擦面上有擦伤或因明 显犁皱形成的沟槽。微观剥落、微观犁沟、微观切削。材料性能（含碳量越高，耐磨性|）、磨料性能（磨料硬度越高，尺寸增大，磨损量T）、工 作条件（表面压力成正比）腐蚀磨损：两摩擦表面与周围介质

22、发生化学（电）反应，腐蚀产物黏附不牢。摩擦和磨蚀重 复的过程。氧化磨蚀（化学腐蚀磨损），氧化物薄膜生长并被磨去。微动磨损：接触表面产生很小振幅的相对振动。接触疲劳：两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使材料表面疲 劳损伤，局部区域出现小片或小块状材料剥落，而使材料磨损的现象，故又称表面疲劳磨损 或麻点磨损。混凝土优点：价格低廉、可塑性好、抗压强度高、与钢筋能很好粘合、耐久性好、耐火性好。缺点：自重大，比强度小，抗拉强度低，导热系数大，硬化慢。水泥+砂+石+土（水泥石，水泥砂浆，砂浆粗骨料）水泥+水：润滑胶结；砂+石：填充骨架。 界面过渡区：水灰比高、孔隙率大、强度小。立方

23、体抗压强度fcu（尺件越小，强度越高，强度等级。30）轴心抗压强度fcp。劈裂抗拉强度 fts=2F/nA=0.637F/Ao破坏：集料与水泥石的过渡层破坏，水泥石破坏。=（C _B）鲍罗米公式，水泥的强度和水灰比：cu ce w粗集料与集料比：碎石：粗糙、多棱角，与水泥石粘结强度高；卵石：光滑，粘结强度较低。适当增加浆集比，提高强度。合适的温度（避免冻结）、湿度。龄期二*281提高强度的措施：采用高强度等级水泥或早强型水泥；减小水灰比；掺加外加剂和掺合料；_ EL.Ey加强搅拌和振捣；湿热养护。气广a。 c % c脆性断裂（格里菲斯公式）裂缝扩展。非荷载型变形：由混凝土内部及外部环境因素引起

24、的的各种物理化学变化产生的 变形。（收缩）荷载型变形：在受力过程中，其自身特定的本构关系产生的变形。（弹塑性 变形、徐变）徐变：水泥凝胶体在荷载作用下粘性流动，向毛细孔迁移，同时凝胶粒子表面 的吸附水也向毛细孔迁移。初期，毛细孔多，徐变快，后期慢。陶瓷 胚料制备-成型-烧结。无机非金属固体的总称。耐高温、耐腐蚀、硬度高、绝缘。晶相（陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用）、玻璃相（将分散的晶相粘结 在一起；降低烧结温度；抑制晶相的晶粒长大；填充气孔，蠕变+导电）、气孔（玻璃相在 主晶相表面，强度下降，塑性变形；气孔率增大，致密度强度硬度降低。密度减小，能吸振） 烧结处理：玻璃相重结晶进入晶体固溶体，提高高