材料力学性能-考前复习总结(前三章)

金属材料的力学性能指标是表示其在力或能量载荷作用下（环境）变形和断裂的某些力学参量的临界值或规定值。

材料的安全性指标：韧脆转变温度Tk；延伸率；断面收缩率；冲击功Ak；缺口敏感性NSR材料常规力学性能的五大指标：屈服强度；抗拉强度；延伸率；断面收缩率；冲击功Ak；硬度；断裂韧性第一章单向静拉伸力学性能应力和应变：条件应力条件应变 =真应力真应变应力应变状态：可在受力机件任一点选一六面体，有九组应力，其中六个独立分量。

其中必有一主平面，切应力为零，只有主应力，且，满足胡克定律。

应力软性系数：最大切应力与最大正应力的相对大小。

1 弹变1）弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。

ae=1/2σeεe=σe2/2E。

取决于E和弹性极限，弹簧用于减震和储能驱动，应有较高的弹性比功和良好弹性。

需通过合金强化及组织控制提高弹性极限。

2）弹性不完整性：纯弹性体的弹性变形只与载荷大小有关，而与加载方向及加载时间无关，但对实际金属而言，与这些因素均有关系。

①滞弹性：金属材料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称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。

与材料成分、组织及试验条件有关，组织约不均匀，温度升高，切应力越大，滞弹性越明显。

金属中点缺陷的移动，长时间回火消除。

弹性滞后环：由于实际金属有滞弹性，因此在弹性区内单向快速加载、卸载时，加载线与卸载线不重合，形成一封闭回路。

吸收变形功循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力（塑性区加载，塑性滞后环），也叫内耗（弹性区加载），或消震性。

②包申格效应：定义：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。

（反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。

特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了）解释：与位错运动所受阻力有关，在某滑移面上运动位错遇位错林而使其弯曲，密度增大，形成位错缠结或胞状组织，相对稳定。

卸载后同向拉伸，位错线不能显著运动。

但反向载荷使得位错做反向运动，阻碍少，位错可在较低应力下做较远移动。

若预先经受较大塑变，因位错增殖和难于重分布则反向加载无包效应。

这一般被认为是产生包辛格效应的主要原因。

其次，在反向加载时，在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号，要引起异号位错消毁，这也会引起材料的软化，屈服强度的降低。

衡量：包申格应变β：在给定应力下，正向和反向加载两应力应变曲线间的应变差；实际意义：在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。

其次，包辛格效应大的材料，内应力较大。

另外包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系，在高周疲劳中，包辛格效应小的疲劳寿命高，而包辛格效应大的，由于疲劳软化也较严重，对高周疲劳寿命不利；在低周疲劳中，包辛格效应β大，在恒定应变下循环一周，形成的滞后环面积小，吸收的不可逆能量少，疲劳寿命高。

2塑变1）方式及特点：切应力作用。

滑移-滑移面-密排面，受温度、成分、预变形影响；滑移方向-密排方向，比较稳定。

Fcc滑移系少但派纳力低易滑移。

孪生—fcc低温、bcc低温或冲击、hcp滑移系少更易孪生，孪生可调整滑移面方向使得新滑移系开动，间接助滑移。

特点：各晶粒变形的不同时性和不均匀性，晶粒取向、应力状态、各相性质、形态分布等；变形的相互协调性，需5个以上独立的滑移系。

2）屈服：外力不增加仍能继续伸长。

在试样局部区域形成45°吕德斯带或屈服线，然后逐渐扩展到全部试样，进入均匀塑变阶段。

产生条件：材料变形前可动位错密度很小（或虽有但被钉扎）；随塑变发生，位错能快速增殖；位错运动速率与外加应力强烈依存。

塑变速率与位错密度、运动速率及柏氏矢量成正比，ε=bρυ，开始时，ρ小，需υ大（取决于应力大小，位错运动速率敏感系数m’），就需要较高应力即上屈服点，一旦塑变开始，位错大量增殖，速率下降，相应的应力也就突然下降，出现下屈服点。

在关系式： ,其中m'为位错运动速率应力敏感指数。

体心立方Bcc金属的滑移系较多，晶格阻力较大，可动位错密度较小，位错能快速增殖较大，（体现m'值较低，小于20）故具有明显屈服现象；而面心立方fcc金属的滑移系较少，晶格阻力较小，可动位错密度较大，位错能快速增殖较少（体现m'值为100-200）,故屈服现象不明显。

指标：规定非比例伸长应力加载过程中，标距部分非比例伸长；规定残余伸长应力，卸载后；规定总伸长应力，加载时，总伸长屈雷斯加最大切应力判据：米赛斯畸变能判据意义：屈服判据是机件开始塑变的强度设计准则，高屈服强度可减轻机件重量，减少体积和尺寸。

但过高会增大屈强比，不利于某些应力集中部位的应力重新分布，应脆断。

应试机件的形状及所受应力状态、应变速率等决定。

低屈强有利于材料冷成形加工和改善焊接性能。

由于c%的不同，碳的固溶强化，组织不同，退火低、中、高碳钢的分别为铁素体+珠光体、珠光体、珠光体+渗碳体（复杂单斜），低碳钢的屈服现象明显，屈服平台呈锯齿状；中碳钢有明显的屈服平台，有上下屈服点；高碳钢屈服平台较短，无上下屈服点出现。

3）影响因素：屈服变形是位错增殖和运动结果，凡影响位错增殖和运动的必将影响屈强；实际金属的力学行为是由多晶粒综合作用的结果，要考虑晶界、相邻晶粒的约束、化学成分及第二相的影响；外界因素通过影响位错运动影响屈服强度。

内因：①金属本性及晶格类型：多相合金塑变主要沿集体相进行，位错运动阻力有晶格阻力（派纳力，与位错宽度和柏氏矢量、晶面和晶向原子间距、弹性模量G有关）和位错间交互作用产生的阻力（平行位错间、运动位错与林位错切割）②晶粒大小和亚结构：细晶强化。

晶界是位错运动的障碍，一个晶粒中必须塞积有足够数量的位错才能使相邻晶粒的位错源开动。

减小晶粒尺寸，增加晶界，增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度。

③溶质元素：固溶强化。

溶质与溶剂原子直径不同，形成了晶格畸变应力场，与位错应力场交互作用，使位错受阻。

受溶质量限制。

④第二相：与第二相质点本身能否变形有关，分为不可变形的和可变形的。

弥散强化（粉末冶金获得）和沉淀强化（固溶处理+沉淀析出）。

位错线只能绕过不可变形质点，流变应力决定于质点间距，留下位错环。

质点数量增加，位错环增多，相当于质点间距减小，应力增大。

位错切过可变形质点，同基体一起变形，产生新的界面需要做功，与粒子本身性质及其于基体的结合情况有关。

还与第二相尺寸、形状及数量，以及第二相与基体的强度、塑性和应变硬化特性、两相之间的晶体学配合和界面能有关。

长形质点更显著外因：①温度：温度高，屈服强度低。

派纳力起作用，属短程力，对温度十分敏感，bcc的屈服强度有强烈的温度效应（派纳力高很多）②应变速率：应变速率硬化现象，与应变速率敏感指数m有关。

M高，缩颈难以形成。

一般钢材为0.2。

③应力状态：切应力分量越大，越有利于塑变，屈服强度越低，但这只是材料在不同条件下表现的力学行为不同而已。

4）应变硬化（形变强化）：在金属变形过程中，外力超过屈服强度后，塑变并不是流变下去，而需要不断增加外力才能继续进行。

这种阻止继续塑变的能力就是应变硬化性能。

位错增殖、运动受阻所致。

需用真应力-应变曲线描述，符合Hollomon关系：S=Ke n(K硬化系数，n应变硬化指数)。

一般金属为0.1-0.5。

与层错能有关，层错能低，不易交滑移，位错在障碍附近产生的应力集中水平高，应变硬化程度大。

测试方法：在应力应变曲线上取几个点（），换算为S和e（），作lgS-lge曲线，直线斜率为n。

工程意义：使机件有一定的抗偶然过载能力；形变强化和塑变适当配合可使金属进行均匀塑变，保证冷变形工艺顺利进行（有变形就有硬化，将变形推到其它部位）；金属强化的手段（喷丸和表面滚压）；可降低塑性改善低碳钢的切削加工性能。

5）颈缩现象：变形集中于局部区域的特殊现象，是应变硬化和界面所需共同作用的结果。

在拉伸曲线最大点B前，应变硬化可补偿截面减小引起的承载力下降，均匀变形；B点后，应变硬化跟不上塑变的发展，变形集中于局部地区发生颈缩。

（应力状态由单向变三向）缩颈判据：F=SA（载荷为真应力和瞬时面积之积），dF=SdA+AdS=0，且dV=AdL+LdA=0，可得另外，在颈缩点Hollomon关系成立，真实抗拉强度Sb= ，得e B=n,应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时，缩颈产生。

6）抗拉强度：表征对最大均匀塑变的抗力。

对韧性材料，表示最大实际承载能力；对脆性材料，即断裂强度；在有些场合以其为设计依据；其大小决定于屈服强度和应变硬化指数，屈强一定，n大则抗拉强度高；与布氏硬度HBW、疲劳极限有一定经验关系7）塑性：材料断裂前发生塑变的能力。

塑性变形包括均匀塑变和集中塑变。

均匀塑变：条件相对伸长；条件相对断面收缩；真实应变总塑变：延伸率断面收缩率表示方法：不形成颈缩的材料，集中变形为零，用和表征塑性。

δ适用于单一拉伸条件下的长形试样，无论有无缩颈出现，因为缩颈局部区域的塑性变形量对总伸长实际上没有什么影响；对非长形拉伸试样，在拉伸时形成缩颈，则用ψ作为塑性指标，因为ψ反映了材料断裂前的最大塑性变形量，用δ则不能很好的显示。

另，ψ是在复杂应力状态下形成的，冶金因素的变化对性能的影响更为突出，ψ比δ对组织变化更为敏感。

意义：塑性以防止机件偶然过载时突然破坏，因缓和应力集中；松弛裂纹尖端应力，阻止裂纹扩展；利于成形加工；反映冶金质量。

几种既能显著强化金属又不降低塑性的方法：细晶强韧化（细化晶粒既能提高强度，又能同时优化塑性和韧性，是目前公认最佳的实现材料强韧化的途径）；固溶强化（固溶强化应在保证强度的同时提高塑性。

通过添加合适的合金元素，如，Ni，可促进交滑移，改善塑性。

另外，调整间隙原子的添加浓度，实现强度和塑韧性的最佳配合）；位错强化（位错密度升高会提高强度而降低塑性和韧性。

可动的未被锁住的位错对韧性的损害小于被沉淀物或固溶原子锁住的位错，故提高可动位错密度对塑性和韧性均有利）；沉淀强化（沉淀颗粒会通过弥散强化提高基体的强度和硬度，但可能会明显降低塑性和韧性。

尤其，条带状、片状析出物，以及沿晶界网状析出的沉淀相，均显著降低材料塑性。

减少沉淀相的析出数量，改善沉淀相的形状和分布状态，可改善材料塑性）。

提高金属塑性的主要途径：.1 尽量减少金属材料中杂质元素的含量减少金属材料中杂质元素的含量，对提高金属塑性将起到一定的作用。

如杂质元素P、S 在金属中属于有害杂质，它们能降低金属的塑性。

金属材料本身化学成分的含量直接影响着金属材料的机械性能。

2 合理控制加入金属材料中合金元紊的含量，钢中加人合金元素的主要目的是使钢具有更优异的性能，对于结构材料来说，最主要是为了提高其机械性能，即既要有高的强度，又要保证材料具有足够的塑性。