金属力学性能复习资料

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1、1 拉伸颈缩材料的应力应变曲线，拉伸时出现物理屈服和颈缩，拉伸时有塑性变形但不出现颈缩，拉伸时没有塑性变形。2 比例极限：试样应力和应变成正比的关系时所能承受的最大应力，他是应力应变曲线上开始偏离直线的点。表示发生弹性变形的最大抗力。3 弹性极限：他是由弹性变形过渡到塑性变形的临界应力，即产生弹性变形而又不产生塑性变形时所能承受的最大应力.表示发生微量塑性变形的抗力。4 屈服强度：金属开始产生塑性变形的最小应力。有屈服点，存在屈服平台。意义是描述材料塑性变形时的抗力大小。表示材料抵抗发生明显塑性变形是的抗力。5 抗拉强度：试样断裂前所能承受的最大拉应力，是均匀塑性变形与非均匀塑性变形的分界点。

2、6 真实断裂强度：拉伸断裂时的载荷处以端口处的真实截面积所得的应力值是真实断裂强度。7 延伸率：表示材料断裂后长度伸长量的多少。8 断面收缩率：试样断裂时断口横截面积的相对缩小率，由均匀断面收缩率和集中断面收索率组成。刚度（弹性模量）：表示材料抵抗弹性变形能力的强弱。比强度=抗力强度/密度 屈强比=屈服强度/抗拉强度伸长率（应变）、试样的长度与横截面积的关系比较布氏，洛氏，韦氏硬度的异同点:不同点:1布氏硬度计用的是淬火钢和硬质合金的球形压头；2洛氏硬度计用的是金刚石圆锥形压头；3韦氏硬度计用的是金刚石四棱锥压头；4布氏硬度计是单位压痕面积上的载荷，测定的是压痕球冠的直径；5洛氏硬度计是单位压

3、痕上的深度上的载荷，测定的是压痕的深度；6韦氏硬度计是单位压痕面积上的载荷，测定的是菱形两条对角线长；7布氏硬度计可测不太硬的材料：操作繁琐，测定结果稳定，波动小;硬度值与强度等成定量关系，有换算公式；8洛氏硬度计测量压痕小，近似无损；易于批量操作；应用范围小；数据分散，可靠性差；表面洛氏硬度可用测量极爆的工件或表面覆盖材料的硬度；9韦氏硬度不存在P/D2恒定的限制；d测量比较准确；不宜用于批量操作；可测量显微硬度；通过对测量压头的替换实现从软到硬材料的测量相同点：1都是采用压入法，都存在压痕；2压头的硬度都比被测工件的硬度高弹性变形：原子之间的距离发生相对的变化，从而改变了吸引力和排斥力的大

4、小，以便于外力相平衡，这种受力后原子间距变化的宏观表现就是弹性变形弹性模量：在本质上决定于金属的电子结构，而不依赖于金属材料的显微组织,弹性模量是应力和应变的比值，是原子间作用力曲线的斜率。代表使原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。弹性模量的特点：取决于金属材料本身，是组织结构不敏感参数；合金化、热处理、冷热加工对其影响小；晶体材料具有各向异性影响弹性膜量的因素：合金元素的影响不大，组织的影响小，冷变形的影响小，温度及载荷速度的影响小。9 弹性比功：是金属材料吸收弹性变形的能力，通常是塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功的表示，提高材料的弹性比功的方法是提高其弹

5、性极限12. 包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。14. 消除包申格效应：预先进行较大的塑性变形。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。10 应力和应变不完全同步，与时间有关，这就是弹性不完整性11 弹性后效;这种加载时应变落后于应力的现象叫正弹性后效，这种卸载时应变落后于应力的现象叫后弹性后效。切应力引起的弹性后效比正应力的大，没有切应力分量的多向压应力不引起弹性后效12 循环韧性：弹性滞后环的面积所代表在一次交变应力循环周期中试样所吸收的能量，称为循环韧性，这种能量消

6、耗，是金属有吸收外来机械功的能力13 塑性变形：金属受力后产生不可恢复的永久变形称为塑性变形。它是通过位错的滑移和孪生来实现的。多晶体塑性变形的特点：不同时性，在多晶体中各晶粒的取向不同而晶体最容易发生滑移的方向是45，那么各个晶粒发生滑移的时间就不同；相互协调性，多晶体作为一个整体，变形时若不相互协调，将要开裂；不均匀性，多晶体是在相互约束下，发生不同程度的变形。14 金属的理论切变强度：如果外加切应力达到m，则能克服两层原子间的作用力而引起相对滑移，这就是金属的理论切变强度，理论切变强度时切变弹性模量的十分之一15 整体的滑移要同时克服上下两层所有原子的结合力，如果滑移不是整体进行，而是逐

7、步进行，则只需要克服滑移面上下少数原子间的结合力就可以完成切变过程，切变强度很低，这种逐步滑移的构想呗试验证明，发现不是所有的滑移带均贯穿整个晶粒，其中有些滑移带中止于晶粒内部16 滑移变形的位错机制（1）塑性变形是不可逆的永久变形，（2）按此机制估算的金属屈服强度与试验相符。位错从金属的一侧运动到另一侧就引起金属的塑性变形，位错运动使滑移面上方的原子从一个平衡位置到另一个平衡位置；位错滑移过后，金属中的原子处于稳定状态，他所引起的变形被保留下来而不可能回复，这就是塑性变形17 塑性变形通过位错的滑移来实现，因而金属的屈服强度很低。如果认为位错滑移就标志着塑性变形的开始。那么，开动位错的力就等

8、于金属塑性变形的临界切应力。在纯金属中，位错的启动和滑移时所遇到的阻力只有经历点阵的摩擦力。如果产生宏观可见的塑性变形必须大量位错穿过警惕运动。位错源在外力的作用下可以增值放出大量的位错，这些大量位错的运动可累计起来形成宏观可见的塑性变形。因此，塑性变形量必然和位错数目及位错的滑移量有关。位错滑移所引起的塑性变形量与位错密度和每个位错在晶体中走过的平均距离成正比，因此，产生一定量的塑性变形，必须要有足够数量的位错移动长度的距离18 金属塑性变形的特点：1，金属塑性变形一滑移方式进行时，滑移沿特定的晶面和晶向发生，滑移面通常是原子排列最紧密的晶面，滑移方向是原子排列最紧密的方向。2，塑性变形必须

9、在特定的应力下发生，只有当作用在滑移面上沿着滑移方向的切应力达到特定的数值时，该滑移系才会开动。3，金属中各区域的塑性变形是不均匀的。4，金属塑性变形后的结构胞状亚结构。5，塑性变形后金属结构发生畸变，并存较多的能量，塑性变形时大部分能量转变成热能10%的能量储存在金属内部，就是点阵畸变弹性能，这与金属的性质，变形方式，变形温度和变形量有关。6，加工硬化，随着塑性变形量的增大，金属强度增高，是塑性变形的重要特点2.影响材料屈服强度的因素： 内在因素. 1. 金属本性及晶格类型.主滑移面位错密度大，屈服强度大。2. 晶粒大小和亚结构. 晶界对位错运动具有阻碍作用。晶粒小可以产生细晶强化。都会使强

10、度增加。3.溶质原子: 溶质元素溶入金属晶格形成固溶体,产生固溶强化。4，第二相. a.不可变形的第二相绕过机制. 留下一个位错环对后续位错产生斥力, b.可以变形的第二相切过机制.由于，质点与基体间晶格错排及位错切过第二相质点产生新界面需要做功，使强度增加。二） 外在因素：1.温度温度越高原子间作用越小位错运动阻力越低2.应变速率。应变速率越高强度越高。3.应力状态. 切应力分量越大强度越低3.细晶强化：晶界是位错运动的阻碍，晶粒小相界多。减少晶粒尺寸会减少晶粒内部位错塞积的数量，减少位错塞积群的长度，降低塞积点处的应力，相邻晶粒中位错源开动所需的外加切应力提高，屈服强度增加。（加霍尔-派奇

11、公式）4.固溶强化：在纯金属中加入溶质原子形成固溶合金，将显著提高屈服强度，此即为固溶强化。溶质原子与基体原子尺寸差别越大，引起的弹性畸变越大，溶质原子浓度越高，引起的弹性畸变越大，对位错的阻碍作用越强，固溶强化作用越大。5. 影响粒状第二相强化效果的因素：当粒子体积分数f一定时,粒子尺寸r越小、位错运动障碍越多，位错的自由行程越小，强比效果越显著。当粒子尺寸一定时，体积分数f越大，强化效果亦越好。网状分布时，位错堆积，应力不可以松弛，脆性增加. 片状球状6.珠光体对第二相的影响：1）片状珠光体，位错的移动被限制在渗碳体片层之间。所以渗碳体片层间距越小，珠光体越细，其强度越高。2）粒状珠光体，

12、位错钱与第二相球状粒子交会的机会减少，即位错运动受阻的机会减少，故强度降低，塑性提高。3）渗碳体以连续网状分布于铁素体晶界上时，使晶粒的变形受阻于相界，导致很大的应力集中，因此强度反而下降，塑性明显降低。7.应变硬化：应变硬化是位错增殖、运动受阻所致25 论述金属强化的机制。答:1)细晶强化晶粒越细，则晶界越多。由于晶界是位错运动的障碍，从而引起位错塞积;且晶界变形要满足连续性条件，故晶界的存在使变形抗力提高。有Hall一petch公式: d减小时，应力增大2)固溶强化1.固溶使材料的屈服极限增加:应力0为纯金属的强度;K为常数;c是溶质原子浓度;m=l或1/2。相同浓度条件下，强度的增加与溶

13、解度的倒数成反比。强化机制:弹性交互作用:溶质原子造成弹性应力场，交互作用，钉扎位错，使应力升高，形成柯氏气团。 电子交互作用:电子易在位错张应力区集结，形成电偶极子，与各原子发生静电作用，阻碍位错移动化学交互作川 :铃木气团导致层错能下降，使宽度增加，层错难运动，导致a增大溶质原子的偏聚和有序化 3)第二相强化分为两类弥散性第二相强化:尺寸很小、弥散分布在基体上。时效强化:过饱和固溶体时效形成第三相;弥散强化:认为在基体中加入氧化物、氮化物等。聚集型第二相强化:第二相晶粒大小与基体晶粒具有可比性。相之间大小、分布、强度、塑性具有可比性。等应变模型:强相控制型，强化效果大:等应力模型:弱相控制

14、型，强化效果最小;真正的模型介于以上两者之间。 4)形变强化金属存在加工硬化，是金属特有的，对所有金属都适用。又分为在服役过程中强化和预变形强化。形变强化的原因是金属在变形过程中位错密度增加，从而增加了位错运动的阻力。分为单晶系的形变强化和多晶系的形变强化。24 微观聚集性断裂的宏观断口特点、微观断口特征及其断裂微观机制。答:宏观特征1)纤维区:在断口中央，是显微孔洞聚集长大形成的区域;表面粗糙不平。2)剪切唇:与拉伸方向成45度角，是切应力作用下形成的，是裂纹扩展至表面附近的时候进入快速失稳阶段形成的。 3)星芒区:在拉应力作用一下形成的，具有放射状的芒线的过渡区。材料塑性越低，则放射区越大

15、。微观形貌形成很多小的韧窝，伴有第二相粒子或夹杂物粒子存在的痕迹。1)正应力作用下的断裂 韧窝呈等轴状，在纤维区或放射区能看到韧窝。 2)切应力作用下的断裂韧窝取向相反;在剪切唇处能看到韧窝.3)撕裂应力作用下的断裂韧窝取向相同，应力分布不均匀，边缘处最大，裂纹由表面向心部扩展。存在于由缺口试样或有裂纹的试样。断裂的微观机制 1)微孔的形成 由于基体中存在第二相和夹杂物，当剧烈变形时，变形不协调引起塑性变形不均匀。由于晶界弹性应变大，使晶粒晶面处形成微孔。 2)微孔的聚集长大25 解理断裂特征及其机理。解理断裂过程：屈服生成终止于晶界的初生裂纹-裂纹越过晶界面-失稳断裂答:特征：(1)断面垂直

16、于最大拉应力。 (2)断口有许多小晶面组成，每个小晶面对应一个解理面，大小与晶粒相对应。 (3)有河流花样，是解理台阶存在的标志。(4)舌状花样。解理面上存在舌状突起或凹陷，由孪晶引起。位错塞积理论，位错反应理论，第二相夹杂物理论机理:1)裂纹的形成:裂纹的萌生发生在塑性变形区，与局部塑性变形有关，与位错有关。2)裂纹的扩展:裂纹扩展很难通过晶界，晶界阻碍了裂纹的扩展。裂纹扩展借助河流花样完成。 1.裂纹的基本形成过程：裂纹形成和扩展。2.段裂类型：1）根据断裂前金属是否有明显的塑性变形分：脆性断裂5% 2）从微观上按照裂纹的走向分：穿晶断裂 沿晶断裂 3.磨损，腐蚀，断裂是机件的三种失效形式

17、。4.韧性断裂宏观断口：断口粗糙、呈纤维状，灰暗色。1）中、低强度钢光滑圆柱试样拉伸断口呈杯锥状。5. 宏观断口三要素：1）纤维区2)放射区3)剪切唇6. 塑性变形量越大则放射线越粗。温度降低或材料强度增加，由于塑性降低放射线由粗变细乃至消失。7.影响断口三要素的因素：材料脆性越大，放射区越大，纤维区越小，剪切唇越小。材料尺寸越大，放射区越大，纤维区基本不变。8.脆性断裂宏观断口：脆性断裂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。9.沿晶断裂：当晶界的强度小于屈服强度时，晶界无塑性变形，断裂呈宏观脆性 产生冰糖状断口。当晶界的强度大于屈服强度时，晶界有塑性变形，产生石状断口

18、 10.微孔聚集型断裂断口微观特征:韧窝。11.微孔聚集型断裂的过程：塑变过程中，位错运动遇到第二相颗粒形成位错环。切应力作用下位错环堆积.位错环移向界面，界面沿滑移面分离形成微孔。位错源重新开动，释放出新位错，不断进入微孔，使微孔长大。在外力的作用下产生缩颈（内缩颈）而断裂（纤维区），使微孔聚合，形成裂纹；裂纹尖端应力集中，产生极窄的与径向大致呈45度的剪切变形带，新的微孔就在变形带内成核、长大和聚合 ，与裂纹连接时，裂纹扩展。（大概说出）（微孔形核-微孔长大-微孔聚集）12.解理断裂：指金属材料在一定条件下（如低温），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的脆性穿晶断裂

19、。13.解理面：由于与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学平面为解理面。14.解理断裂过程分为三个阶段：a)塑性变形形成裂纹b)裂纹在同一晶粒内初期长大c)裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展15.解理断裂的微观断口特征：1)解理台阶及河流状花样。2)舌状花样16.准解理断裂：穿晶断裂；有小解理刻面； 有台阶或撕裂棱及河流花样。断裂韧性：反映材料抵抗裂纹失稳扩张能力的性能指标。薄板：裂纹尖端处于平面应力状态。厚板：裂纹尖端处于平面应变状态或/ 当外加应力/屈服强度0.60.7之间时要修正1. 影响断裂韧性KIC的因素：一、内因 ：1）晶粒尺寸 晶粒愈细，KIC 也愈高。2）合金化 固溶使得KIC 降低。

20、弥散分布的第二相数量越多，其间距越小， KIC 越低; 第二相沿晶界网状分布，晶界损伤， KIC 降低； 球状第二相的KIC 片状 3）夹杂 在晶内分布的夹杂物 起缺陷源的作用，都使材料 的KIC 值下降。 4）显微组织 塑性高，松弛应力、裂纹扩展阻力大，可以提高KIC二、特殊热处理对断裂韧度的影响：1） 形变热处理2）亚温淬火3）超高温淬火都使其提高 三、外因：1）板厚 随板材厚度或构件截面尺寸的增加而减小，最终趋于一个稳定的最低值2）温度 金属材料断裂韧性随着温度的降低，低于此温度范围，断裂韧度保持在一个稳定的水平（下平台）3）应变速率 应变速率每提高一个数量级， 断裂韧性将降低10%。很

21、大时，绝热温度升高，断裂韧性反而提高。35 冲击试样的断裂过程：包括弹性变形，塑性变形，裂纹形成和扩展几个阶段。对于韧性很高的材料，就应该采用尖锐的缺口试样，对于韧性很低的试样，应该采用钝缺口试样，有时甚至不开口。44 疲劳:在交变载荷作用下，机械零件在工作应力低于材料屈服强度时发生断裂，成为疲劳。45 疲劳条纹:是一种微观特征，其间距代表裂纹扩展宽度。 47 疲劳强度:是条件疲劳极限，疲劳断裂寿命随应力的降低而增加，当应力低于某值时，应力交变无数次也不发生疲劳断裂，此应力叫做材料的疲劳极限。49 循环应力应变曲线:低周疲劳条件下，所加应力较大，有时超过屈服强度:，出现包申格效应;在一个载荷变

22、化周期中，卸载时的应力一应变曲线与加载时的曲线不重合，而形成一个应力应变滞后环。 50 循环硬化:循环应力一应变曲线在单调加载的应力一应变曲线上之上，使材料产生滞环硬化。退火后的组织位错密度低在循环应力的作用下位错密度升高，硬度升高。51 循环软化：循环应力一应变曲线在单调加载的应力一应变之下，使材料产生了循环软化。 冷加工硬化后的金属，在疲劳过程中位错密度降低，表现循环软化。52 疲劳的种类和它们的基本特征答:1)高周疲劳:工作应力低，循环周次达106107，如曲柄、连杆、叶片等.2)低周疲劳:工作应力高，循环周次低于104105如，匕机起落架、高压容器等. 53 影响疲劳强度的组织因素。

23、答:1)合金成分的影响:增加合金成分含量，使疲劳极限增加。 2)纤维组织的影响:晶粒尺寸越小，疲劳极限越高。 54 Kic的影响因素是哪些？1）裂纹长度，即裂纹尺寸、形状2）应力状态3） 式样形状尺寸、载荷状态55 临界应力场强度因子Kic，即断裂韧性，是指材料能够抵抗裂纹失稳扩展的能力的大小。是材料的固有性能。且当KiKic时，材料发生断裂。 56 疲劳断口特征答:1)疲劳源：外观光亮，位于零件表面应力集中区。2)疲分裂纹扩展区:裂纹形成后，在循环应力作用下不断扩展，便形成了疲劳裂纹扩展区，具有贝纹线。4)瞬时断裂区:是零件最后断裂的断口。随着裂纹的扩展，剩余面积不断减小，当不能承受所加载荷

24、时，便会形成此区。5)疲劳辉纹:是一种微观特征，其间距代表裂纹扩展宽度。 8. 疲劳裂纹萌生过程及机理: 1) 滑移带开裂产生裂纹 提高材料的滑移抗力，可阻止裂纹的萌生，增强 材料的疲劳抗力。2）相界面开裂产生裂纹 第二相、夹杂物应“少、圆、小、匀”，以提高疲劳抗力 。3）晶界、亚晶界开裂产生裂纹。强化、净化、细化晶界，可提高材料的疲劳抗力。4）材料内部的缺陷如气孔、夹杂、分层、各向异性、相变或晶粒不均匀等，都会因局部的应力集中而引发裂纹。9. 疲劳裂纹扩展及断口微观特征：第一阶段：从表面个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹，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。断口上无明显的

25、特征，只有一些擦伤的痕迹。在一些强化材料中,有时存在周期性解理或者准解理花样第二阶段：裂纹拉应力。第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（条纹、辉纹）。疲劳10.影响疲劳强度的主要因素：一、加载规范及环境的影响 1. 载荷频率 2. 次载锻炼 3. 间歇 4. 温度 温度升高，疲劳极限下降 5. 介质：腐蚀介质表面蚀坑，疲劳极限下降 二、表面状态与尺寸因素：1. 表面状态：缺口：因应力集中会降低材料的疲劳强度。 越粗糙，材料的疲劳强度越低 表面强度越高，疲劳强度越高。 2. 尺寸效应 尺寸增加，疲劳强度降低。三、表面强化及残余应力的影响 1. 表面喷丸及滚压 2.

26、表面热处理及化学热处理 提高疲劳强度； 3.残余应力，残余压应力提高疲劳强度；残余拉应力降低疲劳强度。四、材料成分及组织 含碳形成抗力增加 合金元素 提高淬透性，改善韧性 2. 显微组织 细化晶粒，可以提高材料强韧性，疲劳极限提高。 2) 组织 正火组织：片状K，疲劳极限低 淬火回火组织：等温淬火组织：硬度相同，韧性淬火回火组织 3. 夹杂物及冶金缺陷：作为裂纹核心，降低疲劳极限 疲劳裂纹的萌生有：滑移带萌生裂纹，晶界或亚晶界萌生裂纹，夹杂物喷丸、滚压、淬火处理，渗碳，渗氮，表面淬火等能够表面强化驻留滑移带：在交变载荷作用下发生往复滑移时也出现滑移带，即一个滑移面停止滑移时，滑移可转移到邻近的

27、滑移面，许多平行的滑移面便组成滑移带，在材料的表面。1 粘着磨损：粘着磨损是接触表面相互运动时，因固相焊合作用使材料从一个表面脱落或转移到另一表面而形成的磨损，又称咬合磨损。7. 磨粒磨损 ：摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面向存在硬质粒子时产生的磨损。3.疲劳磨损：在交变剪应力的影响下，裂纹容易在最大剪应力处成核，并扩展到表面而产生剥落，在零件表面形成 针状或豆状凹坑，造成疲劳磨损。2 腐蚀磨损：摩擦面在环境介质中发生电化学反应形成腐蚀产物，并在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨损。1. 蠕变: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3 蠕变变形机理 ：主要有位错滑移、攀移、原子扩散和晶界滑动2. 蠕变极限表征了金属材料在高温长期静载荷的作用下对塑性变形的抗力3. 持久强度表示在高温长期静载荷的作用下抵抗断裂的能力4 蠕变极限可以是一定温度下，使试样产生规定蠕变应力值也可以是一定温度下在规定的时间内使试样产生一定的蠕变变形量5 晶粒度对材料高温性能的影响，当温度低于等强温度时晶粒越细强度越高；当温度高于于等强温度时晶粒越细强度越低