材料性能学重点(完整版)教学提纲

材料性能学重点(完整版)第一章1、 力—伸长曲线和应力—应变曲线，真应力—真应变曲线 在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形及不均匀集中塑性变形4个阶段将力—伸长曲线的纵，横坐标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积Ao 和原始标距长度Lo 相除，则得到与力—伸长曲线形状相似的应力（σ=F/Ao ）—应变（ε=ΔL/Lo ）曲线比例极限σp ， 弹性极限σe ， 屈服点σs ， 抗拉强度σb如果以瞬时截面积A 除其相应的拉伸力F ，则可得到瞬时的真应力S （S ＝F/A)。

同样，当拉伸力F 有一增量dF 时，试样瞬时长度L 的基础上变为L ＋dL ，于是应变的微分增量应是de ＝dL / L ，则试棒自L 0伸长至L 后，总的应变量为：式中的e 为真应变。

于是，工程应变和真应变之间的关系为2、 弹性模数在应力应变关系的意义上，当应变为一个单位时，弹性模数在数值上等于弹性应力，即弹性模数是产生100%弹性变形所需的应力。

在工程中弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。

比弹性模数是指材料的弹性模数与其单位体积质量（密度）的比值，也称为比模数或比刚度3、 影响弹性模数的因素①键合方式和原子结构（不大）②晶体结构（较大）③ 化学成分（间隙大于固溶）④微观组织（不大）⑤温度（很大）⑥加载条件和负荷持续时间（不大）4、 比例极限和弹性极限比例极限σp 是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力，即在拉伸应力－应变曲线上开始偏离直线时的应力值。

弹性极限σe 试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力值5、 弹性比功又称为弹性比能或应变比能，用a e 表示，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。

一般可用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示。

6、 根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点，弹性可以分为理想弹性（完全弹性）和非理想弹性（弹性不完整性）两类。

对于理想弹性材料，在外载荷作用下，应力和应变服从虎克定律σ＝M ε，并同时满足3个条件，即：应变对于应力的响应是线性的；应力和应变同相位；应变是应力的单值函数。

材料的非理想弹性行为大致可以分为滞弹性、粘弹性、伪弹性及包申格效应等类型。

00ln 0L L L dL de e L e L ===⎰⎰)1ln(lnε+==L L e7、 滞弹性（弹性后效）是指材料在快速加载或卸料后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。

8、 粘弹性：指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同是存在的力学行为，其特征是应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过一个弛豫过程，但卸载后，应变恢复到初始值，不留下残余变形。

9、 伪弹性：指在一定的温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形的现象。

10、 包申格效应：材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于4％），而后同向加载，规定残余伸长应力，反向加载，规定残余伸长应力降低的象。

原因：预塑性变形，位错增殖、运动、缠结； 同相加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易残余伸长应力降低。

可以通过热处理加以消除。

对材料进行较大的塑性变形或对微量塑变形的材料进行再结晶退火11、 在非理想弹性情况下，由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，这个封闭回线称为弹性滞后环、12、 加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功，有一部分加载变形功被材料所吸收。

这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的内耗。

13、 屈服现象在拉伸实验出现平台或锯齿时，外力不增加试样仍然继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动的情况下试样可以继续伸长变形，这种现象称为材料在拉伸实验时的屈服现象14、 屈服强度材料屈服时所对应的应力值也就是材料抵抗起始塑性变形或产生微量的塑性变形的能力，这一应力值称为材料的屈服强度（屈服点）15、 影响金属材料屈服强度的因素(1)晶体结构(2)晶界与亚结构(3)溶质元素(4)第二相 (5) 温度 (6)应变速率与应力状态16、 应变硬化：材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象称为应变硬化或形变强化17、 应变硬化指数Hollomon 公式式中S 为真应力；e 为真应变；n 为应变硬化指数；K 为硬化系数是真应变为1时的真应力。

金属材料的形变硬化n 值可按GB5028－85测定，一般用直线作图法求得：对上式两边取对数，得 lgS ＝lgK+nlge根据lgS －lge 的线性关系，只要在拉伸力－伸长曲线上确定几个点的σ、ε值，分别按S ＝（1＋ ε），e ＝ln （1＋ ε），算出S 、e,然后作lgS －lge 曲线（右nKe S图），直线的斜率即为所求的n值，直线与纵轴的交点即为lgK。

18、缩颈：是在应变硬化与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于式样局部区域而产生的。

19、抗拉强度和产生缩颈的推导P23抗拉强度是拉伸实验时，试样拉断过程中最大实验力所对应的力。

缩颈形成点对应于工程应力----应变曲线上的最大载荷点，因此dF=0。

产生缩颈的工程应力为20、材料的断裂过程大都包括裂纹的形成和扩展两个阶段。

断裂的分类：按照断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形程度，把断裂分为脆性断裂与韧性断裂；按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径，分为穿晶断裂和沿晶断裂；按照微观断裂机理，分为解理断裂和剪切断裂；按照作用力的性质还可分为正断和切断韧性断裂：是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。

脆性断裂：是材料断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往变现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。

21、剪切断裂：是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂22、解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。

23、河流花样解理裂纹沿解理面扩展时，与晶内原先存在的螺旋位错相交，便产生一个高度为一柏氏矢量的台阶（解理台阶），两个相互平行但处于不同高度上的解理裂纹，通过次生解理或撕裂的方式相互连接形成台阶，当汇合台阶足够高时，便形成河流花样。

24、韧窝是材料在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。

（剪切断裂的微观表现）25、断口特征三要素：纤维区，放射区，剪切唇26、理论断裂强度：再外加正应力作用下，将晶体中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力称为理论断裂强度。

27、脆性材料有微裂纹的原因：一般脆性材料，如玻璃、硅等，由于少量夹杂物和表面损伤等原因，都会有微裂纹1、真实断裂强度S k是用单向静拉伸时的实际断裂拉伸力F k除以试样最终断裂截面积A k所得应力值，即：S k=F k/A k。

28、韧度：是衡量材料韧性大小的力学性能指标，其中又分为静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。

29、韧性：指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

第二章1、应力状态软性系数α=τmax/σmax=扭转0.8、单向拉伸0.5、三向等拉伸0、三向不等拉伸0.1、单向压缩2.0、两向压缩1、三向压缩∞2、 综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围（1） 单向拉伸的应力软性系数较高搭0.5，主要用于塑性材料的力学性能测试。

单向静拉伸试验可以揭示材料在静载作用下的应力应变关系及常见的3种失效形式（过量弹性变形、塑性变形和断裂）的特点和基本规律，还可以评定出材料的基本力学性能指标，如屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率等。

这些性能指标既是材料的工程应用、构件设计和科学研究等方面的计算依据，也是材料的评定和选用以及加工工艺选择的主要依据。

（2） 扭转试验的应力状态软性系数（0.8）较拉伸的应力状态软性系数高，可测量拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性；扭转试验时试样截面的应力分布表面最大，愈往心部愈小。

该实验对材料表面硬化和表面缺陷反映敏感。

可对各种表面强化工艺进行研究。

和机件表面质量进行检验。

试样不产生颈缩，可精确测定拉伸时出现颈缩的高塑性材料的形变能力和抗力。

扭转试样的正应力和剪切应力大致相等，可测定材料的切断强度。

（断口特征 P41 图2-4）（3） 弯曲试验加载时受拉的一侧应力状态基本与静拉伸时相同，且不存在如拉伸时的所谓试样偏斜对试验结果的影响。

可测定太硬难于加工成拉伸试样的脆性材料的断裂强度，并能显示出它们的塑性区别。

弯曲时，截面上的表面应力最大，故可灵敏反映材料表面缺陷。

（4） 单向压缩的应力状态软性系数是2，可用于脆性材料，以显示其在静拉伸所不能反映的材料在韧性状态下的力学行为。

塑性材料不用于压缩试验。

多向不等压缩试验的应力状态大于2，可用于更脆的材料。

3、 缺口三效应1缺口造成应力应变集中 2去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 3 缺口使塑性材料得到“强化”4、 硬度实验按加载方式分为刻划法（莫氏硬度顺序法，锉刀法）和静载压入法（布氏硬度洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度）5、 布氏硬度布氏硬度的测定原理是用一定大小的载荷F ，把直径为D 的淬火钢球或硬质合金球压入试样表面，保持规定时间后卸除载荷，测量试样表面的残留压痕直径d ，求压痕的表面积S 。

将单位压痕面积承受的平均压力（F ／Ｓ）定义为布氏硬度，HB 。

优点：压痕面积较大，其硬度值能反映材料在较大区域内各组成的平均性能，试验数据稳定，重复性高缺点：压痕直径较大，不宜在成品件上直接进行检验，对硬度不同的材料需要更换压头直径D 和载荷F ，同时压痕直接的测量也较麻烦。

)(222d D D D F S F HB --==π6、 洛氏硬度洛氏硬度以测量压痕深度值的大小来表示材料的硬度值。

测洛氏硬度时载荷分两次施加，先加初载荷F 1，再加主载荷F 2，其总载荷为F （F＝F 1＋F 2）。

右图中3－3为压头卸除主载荷F 2，只保留初载荷F 1时的位置。

由于试样弹性变形部位的恢复，使压头提高了h 3，此时受主载荷作用实际压入的深度为h ，以h 的大小计算硬度值。

h 值越大，硬度越低。

为了适应习惯上数值越大硬度越高的概念，故用一常数k减去h 来表示硬度值，并规定每0.002mm 为一个硬度单位。

用符号HR 表示：（k 值： 金刚石压头0.2 淬火钢压头0.26）优点：操作简便迅速；压痕小；可对工件直接进行检验；采用不同的标尺，可测定各种软硬不同和厚薄不一试样的硬度缺点：压痕较小，代表性差；所测硬度值的重复性差、分散度大；用不同的标尺测得的硬度值既不能直接进行比较，又不能彼此互换。