材料性能学

2
、疲劳裂纹扩展区
疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域，
该区是判
断疲劳断裂的最重要特征区域，
其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样，
它是以
疲劳源区为中心，
与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，
.
还有就是表面的光洁度
,
表面光洁度越高
,
摩擦越小相对来说同种材料根据表面处理不同
,
硬
度跟耐磨性是成正比的
.
材料的硬度越高，耐磨性越好，故常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。
但是耐磨性最好的材料不一定硬度高
.
最常用的耐磨材料比如铸铁硬度就不高
,
发动机的凸轮
缺口效应影响的程度，称为缺口敏感度=无缺口时强度/有缺口时强度。缺口敏感度随塑料种类而异，也受温度、缺口形状、荷重速度的影响。
材料硬度与耐磨性的关系
：考虑其他因素的情况下硬度越高耐磨性也就好
,
铸铁的耐磨性好是因为灰铸铁内含有片状石
墨的
,
我们知道石墨具有润滑性能
.
所以铸铁虽然硬度低但是耐磨性好就是因为石墨的减磨
而且与介质情况、
温度条件等有关，
材料的塑性
好、温度高、有腐蚀介质存在时，则弧线清晰。所以，这种弧线特征总是出现在
实际机件的疲劳断口中，而在实验室的试件疲劳断口中很难看到明显的贝纹线，
此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而摩擦，
使该区变得光滑，
呈细晶状，
有时
甚至光洁得像瓷质状结构。
一般贝纹线常见于低应力高周疲劳断口中，
应力软性系数越大，材料越可能先进行塑性变形而后断裂；反之，材料不发生塑性变形就断裂的危险增大
力学性能指标包括：弹性指标、硬度指标、强度指标、塑性指标、韧性指标、疲劳性能、断裂韧度
缺口试样产生的三个效应：集中应力达到材料的屈服强度时，引起的缺口根部附近区域的塑性变形。即缺口造成应力的集中，这是缺口的第一个效应。
而低周疲
劳以及许多高强度钢、灰铸铁中观察不到此种贝纹状的推进线。
轴就常用铸铁
.
更典型的Байду номын сангаас有滑动轴承里的耐磨层是巴氏合金硬度也不高
.
还有蜗杆蜗轮减速
器里为了增强耐磨性
,
一般用硬度低青铜合金做蜗轮
.
耐磨
,
要求的是嵌入性和摩擦顺应性
.
就是材料磨过后能最快的形成两摩擦面的凹凸相配合的磨擦面
.
如果单纯追求表面硬度
.
过硬的材料不容易磨合
如果金属材料预先经受大量塑性变形，因位错增殖和难于重新分布，则在随后反向加载时，包申格应变等于0
消除方法：预先进行较大的塑性变形，或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，如钢在400~500℃以上，铜合金在250~270℃
解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。解理断裂常见于体心立方和密排六方金属及合金，低温、冲击载荷和应力集中常促使解理断裂的发生。面心立方金属很少发生解理断裂。[1]
通常，应力集中系数越大，名义应力越高，出现疲劳源的数目就越多，如低周疲
劳断口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区。
当零件表面存在某类裂纹时，
则零件无疲劳裂纹萌生期，
疲劳裂纹在交
变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展，这时断口上不再出现疲劳源区，
只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。
疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地，
是疲劳破坏的起点，
多处于机
件的表面，
源区的断口形貌多数情况下比较平坦、
光亮，
且呈半圆形或半椭圆形。
因为裂纹在源区内的扩展速率缓慢，
裂纹表面受反复挤压、
摩擦次数多，
所以其
断口较其他两个区更为平坦，
比较光亮。
在整个断口上与其他两个区相比，
又称疲劳
弧线。
疲劳弧线是裂纹扩展过程中，
其顶端的应力大小或状态发生变化时，
在断
裂面上留下的塑性变形的痕迹。
贝纹花样是由载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、
停歇、偶然过载等，均可留下塑性变形的痕迹一贝纹线（疲劳弧线）。贝纹线的
清晰度不仅与材料的性质有关，
（4）、晶粒尺寸粗大。
（5）、宏观裂纹存在。
防止措施（1）、消除或减小构件上的裂纹尺寸。
（2）、细化晶粒。
（3）、消除或减少金属中的有害杂质。
（4）、采用双钢代替单一的马氏体组织材料
脆性断裂（brittle fracture） 构件未经明显的变形而发生的断裂。断裂时材料几乎没有发生过塑性变形。如杆件脆断时没有明显的伸长或弯曲，更无缩颈，容器破裂时没有直径的增大及壁厚的减薄。脆断的构件常形成碎片。材料的脆性是引起构件脆断的重要原因。
产生的原因：包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某滑移面运动，遇到林位错而弯曲。结果，在位错前方，林位错密度增加，形成位错缠结或胞状组织。这种位错结构在力学上是相当稳定的，因此，如果此时卸载并随后同向加载，位错线不能作显著运动，宏观上表现为规定残余伸长应力增加。但如卸载后施加反向力，位错被迫作反向运动，因为在反向路径上，像林位错这类障碍数量较少，而且也不一定恰好位于滑移位错运动的前方，故位错可以再较低应力下移动较大距离，即第二次反向加载，规定残余伸长应力降低。
脆性断口宏观特点： ¨ 断口平齐而光亮，且与正应力垂直；
¨ 断口呈人字或放射花样；
2脆性断裂的种类单晶体：解理断裂，裂纹沿解理面扩展 ;
多晶体：沿晶断裂，裂纹走向沿着晶面，而并不在某一平面内运动 ;
穿晶 ( 晶内 ) 断裂，裂纹沿着多晶粒的解理穿过，而不管晶界的位置如何。
韧性断裂编辑
构件经过大量变形后发生的断裂。主要条件是超过工作压力，主要特征是发生了明显的宏观塑性变形（不包括压缩失稳），且产生延性断裂。如杆件的过量伸长或弯曲、容器的过量鼓胀。断口的尺寸（如直径、厚度）比原始尺寸也明显变化。
.
反而会降低摩擦面的耐磨性
.
磨损其实应该是接触表面应力范畴
也就是在一定的压力下，运动的两种金属相互作用，材料消耗的比例。
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在这种情况下，
硬度高的比低的耐磨性好
润滑好时候比差的时候好
表面比压小比大的耐磨好（含接触面积和压力）
韧性断裂（ductile fracture）
韧性断裂的断口一般能寻见纤维区和剪唇区。断口尺度较大时还出现放射形及人字形山脊状花纹。形成纤维区断口的断裂机制一般是 “微孔聚合”，在电子显微镜中呈韧窝状花样。韧性断裂一般由超载引起，而材料的塑性与韧性又很优良。纤维区一般是断裂源区。剪切唇总是在断口的边缘，并与构件的表面约成45°夹角，是在平面应力受力条件下发生剪切撕裂而形成的断口，剪切唇表面较光滑，断裂时的名义应力高于材料的屈服强度。
缺口敏感度:试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值。比值越大，缺口敏感性越小，越容易发生塑性变形。
第三章
韧脆转变温度：主要针对钢铁随着温度的变化其内部晶体结构发生改变，从而钢铁的韧性和脆性发生相应的变化。
1.低温情况：当温度下降至较低（根据钢的种类而不同）时，本来韧性良好的钢失去了应有的韧性，变得像玻璃棒一样脆而易折。因此在寒冷地区（如冬季的西伯利亚、南北两极）使用的钢材必须选用能适应寒冷情况的种类。低温脆性受位错移动力派纳力的影响，低温下派纳力移动困难，导致材料屈服强度急剧升高，在某一温度与断裂强度相等。这个温度就是韧脆转变温度。继续降温，屈服强度继续升高，大于断裂强度，所以低温下材料在没有塑性变形的条件下已经发生脆性断裂。材料的断裂强度受温度影响较小。
缺口改变了缺口前方的应力状态，使平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，这是缺口的第二个效应。
试样的屈服应力比单向拉伸时的要高，即产生了所谓缺口“强化”现象。缺口使塑性材料得到“强化”，这是缺口的第三个效应。
在塑料制品中切槽、钻孔、攻丝等加工时，对此部位施加应力，容易引起应力集中，造成破坏的现象。
冲击韧度：是材料抵抗冲击载荷的能力。
第四章
应力强度因子：反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为应力强度因子。它和裂纹尺寸、构件几何特征以及载荷有关。
应力在裂纹尖端有奇异性，而应力强度因子在裂纹尖端为有限值。
第五章
典型的疲劳断口的三个特征区：
1
、疲劳裂纹源区
疲劳
裂纹源区所占的面积最小。
当表面承受足够高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时，
裂纹源
则向次表面或机件内部移动。
有时在疲劳断口上也会出现多个裂纹源，
每个源区
所占面积往往比单个源区小，
源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的
形貌。裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变载荷状况等。
解理断裂通常是宏观脆性断裂，它的裂纹发展十分迅速，常常造成零件或构件灾难性的总崩溃。解理断裂断口的轮廓垂直于最大拉应力方向。新鲜的断口都是晶粒状的，有许多强烈反光的小平面（称为解理刻面）。解理断口电子图像的主要特征是“河流花样”，河流花样中的每条支流都对应着一个不同高度的相互平行的解理面之间的台阶。解理裂纹扩展过程中，众多的台阶相互汇合，便形成了河流花样。在河流的“上游”，许多较小的台阶汇合成较大的台阶，到“下游”，较大的台阶又汇合成更大的台阶。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。所以人们可以根据河流花样的流向，判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向。
导致金属零件发生脆性的解理断裂有材料性质、应力状态及环境因素等众多原因。
（1）、从材料方面考虑，一般只有冷脆金属才能发生解理断裂。面心立方金属为非冷脆金属一般不会发生解理断裂。
（2）、构件的工作温度较低，即处在脆性转折温度以下。
（3）、只有在平面状态（即三向拉应力状态）下才能发生解理断裂，或者说构件的几何尺寸属于厚板情况。
2.热钢：钢铁基本为晶体结构。当温度上升至200~300℃时，由于内能增高，导致晶体键断裂。此时钢仍为较硬的固态，因此变脆易折。
3.韧脆转变温度：对体心立方晶体金属及合金或者某些密排六方晶体金属及合金当温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态转变为脆性状态，此时的温度为韧脆转变温度。
低温脆性：材料的冲击吸收功随温度降低而降低，当试验温度低于Tk(韧脆临界转变温度)时，冲击吸收功明显下降，材料由韧性状态变为脆性状态，这种现象称为低温脆性。
包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变为1%～2%），卸载后再同向加载，规定残余应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余应力降低（特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零）的现象，称为包申格效应。
通常认为，把材料受载后产生一定的变形，二卸载后这部分变形消逝，材料回复到原来的状态的性质（弹性）为理想弹性性质，实际上绝大多数固体材料的弹性行为都表现出非理想弹性性质。弹性应力不仅仅是应力的关系函数，并且和时间有关系，即屈服强度会随加载历史的不同而有所变化。
断口微观形貌通常有韧窝， 韧窝是材料在为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。 韧性断裂断口宏观形貌
应力状态软性系数:根据材料力学表明，任何复杂应力状态都可以用三个主应力表示。根据这三个主应力可以按“最大切应力理论”计算最大切应力，按“相当最大正应力理论”计算最大正应力，而二者的比值表示他们的相对大小，成为应力状态软性系数，记为α。
脆性断裂一般发生在高强度或低延展性、低韧性的金属和合金上。另一方面，即使金属有较好的延展性，在下列情况下，也会发生脆性断裂，如低温，厚截面，高应变率（如冲击），或是有缺陷。脆性断裂引起材料失效一般是因为冲击，而非过载。
经长期研究，人们认识到，过去我们把材料看做毫无缺陷的连续均匀介质是不对的。材料内部在冶炼、轧制、热处理等各种制造过程中不可避免地产生某种微裂纹，而且在无损伤检验是又没有被发现。那么，在使用过程中，由于应力集中、疲劳、腐蚀等原因，裂纹会进一步扩展。当裂纹尺寸达到临界尺寸时，就会发生低应力脆断的事故。