工程材料力学性能期末总复习

3. 材料承载时，应力状态软性系数越小 (a) 屈服强度越高； (b) 材料塑性越差； (c) 材料越不 容易发生塑性变形； (d) 应力状态越硬； (e) 最大 正应力分量越大； (f) 最大切应力分量越大； (g) 材料硬度越低。 4. 下列描述哪些与脆性断裂有关： (a)正断； (b) 沿晶断裂； (c) 纤维状断口； (d)结晶状 断口；(e)韧窝；(f)河流花样； (g) 剪切唇。
bc bb s b bn
NSR HBW HRA/HRB/HRC HV K t
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点 第二节 冲击弯曲和冲击韧性 第三节 低温脆性 第四节 影响韧脆转变温度的内在因素
影响金属韧脆性的三大外在因素：
冲击
应变速率
断裂韧度及断裂判据
5. 下列材料力学性能哪些是组织敏感的？ (a)晶体弹性模量； (b) 普弹性； (c)粘弹性； (d) 屈服 强度；(e)塑性；(f)韧性。
总结
第四章 金属的断裂韧度
低应力脆断：构件在按传统材料力学设计的低于屈 服强度的许用应力下所发生的突然断裂现象。 断裂力学
研究对象：裂纹体 主要内容： 1. 建立描述裂纹扩展的新的力学参量； 2. 建立材料力学性能指标——断裂韧度； 3. 建立断裂判据。
3. tk的意义 ① tk是材料的韧性指标，因为它反映了温度对韧脆 性的影响。 ② tk是安全性指标，是从韧性角度选材的重要依据 之一，可用于抗脆断设计。 韧性温度储备：△＝t0-tk。使用温度t0应高于tk， 所以△为正值，一般取40－60℃。
4. tk的测定
注意事项！！！ 了解落锤试验和断裂分析图（FAD）
工作效率比洛氏硬度法 低的多
本章重点概念： ① 应力状态软性系数 ② 缺口效应 ③ 缺口敏感度 ④ 缺口敏感性 ⑤ 缺口强化 ⑥ 布氏硬度 ⑦ 洛氏硬度 ⑧ 维氏硬度
本章重要现象： ① 塑性材料和脆性材料压 缩试验的区别； ② 扭转试验的应力分布， 并根据断口的宏观特征， 明确区分最终断裂方式；
掌握以下力学性能指标或符号的意义：
洛氏硬度
压痕深度
维氏硬度
压痕单位面积上的试验 力
采用金刚石圆锥体 以两相对面夹角为136。 或小淬火钢球作压 的金刚石四棱锥作压头 头
符号 表示方法 优点
HBW
①硬度值②符号HBW③球直径(mm) ④试验力(kgf)⑤试验力保持时间(s)
HRA/HRB/HRC HV
① ② ③ 硬度值 符号HR 标尺字母 ①硬度值②符号HV③试验力(kgf)④试验力保持 时间(s)
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绪论
2.材料力学性能的影响因素
内因 原子结构 外因 应力状态
晶体结构
化学成分 显微组织状态 晶体缺陷 内应力
工作温度
环境介质
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绪论
3. • • •
材料力学性能的微观机制 金属学原理：位错的运动、增殖和交互作用。 腐蚀电化学原理：SCC、HIC、CW等。 高分子物理：分子链的变形与断裂等。
4. 材料力学性能的测试技术 • 验证材料力学理论、评价材料的力学性能。 • 静载拉伸、弹性模量、扭转、压缩、弯曲、硬度、 低温冲击、平面断裂韧性、疲劳、应力腐蚀、高温 蠕变等试验测试技术。
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复习三
1、不同断裂类型的特征； 2、杯椎状断口及断口三要素； 3、解理断裂的裂纹形成理论、扩展方式、实际断裂 强度和微观断口特征； 4、微孔聚集型断裂的断口形貌和断裂机理； 5、韧窝大小和形状的影响因素； 6、理论断裂强度和格雷菲斯裂纹理论的区别； 7、由断裂理论得到影响金属韧脆断裂的内在因素， 即断裂理论的意义。
绪论
二、材料力学性能的定义和指标
定义：材料力学性能就是材料在各种外力作用下 抵抗变形和断裂的能力。
服役过程：保持设计要求的外形和尺寸，保证 意义 在服役期内安全地运行。 生产过程：要求材料具有优良的加工性能。
材料的力学性能常常用材料力学性能指标来评价和 表述。
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绪论
材料力学性能和指标
力学性能 弹性 塑性 强度 硬度 力学性能指标 弹性极限、弹性模量、刚度、弹性比功 延伸率、断面收缩率 屈服强度、抗拉强度、断裂强度 布氏硬度、维氏硬度、洛氏硬度
练习： 1. 多晶体材料解理断裂强度 (a) 与初始裂纹长度有关； (b) 与温度有关； (c) 与晶 体结构有关； (d)与晶粒取向有关； (e) 与晶粒尺 寸有关；(f)与应力状态有关。 2. 半脆性固体材料的冷脆性与哪些因素有关： (a)σs随温度下降急剧增大； (b)σs随温度下降变化不 大； (c) 晶体结构； (d)σc 随温度下降急剧增大； (e)σc随温度下降变化不大；(f)显微组织。
韧性
疲劳
静力韧度、冲击韧度、断裂韧度
疲劳强度、疲劳极限、疲劳寿命、疲劳缺 口敏感度 ……
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绪论
三、材料力学性能的研究内容
1. 材料在各种服役条件下的力学性能 • 按材料分：金属材料、陶瓷材料、高分子材料、 复合材料、纳米材料。 • 按试样形状分：光滑完整、缺口和裂纹试样。 • 按加载条件分：静载荷、冲击载荷和变动载荷。 • 按环境条件分：温度、化学介质、中子辐照等。 • 按相对运动分：摩擦、磨损等。
三、缺口试样静载荷试验 2、缺口试样静载荷试验 目的：测试试样的缺口敏感性；
试验方法 缺口试样 轴向 静拉伸 偏斜 缺口敏感性指标
NSR=
bn b
bn NSR= b
缺口试样静弯曲
断裂功或Fmax/F1
四、硬度（压入法）
布氏硬度
原理 压头 压痕单位面积上的试 验力 直径D的硬质合金球
另一个优点是实验数 据稳定，重复性强
操作简便，迅捷，硬度值可直接 读出；压痕较小，可在工件上进 行试验；采用不同标尺可测量各 种软硬不同的金属和厚薄不一的 试样的硬度，因而广泛用于热处 理质量检测。
压痕测量的精度较高，硬度值较为准确
缺点
对不同材料需更换不同直径 压痕较小，代表性差；若材 料中有偏析及组织不均匀等 的压头球和改变试验力，压 缺陷，则所测硬度值重复性 痕直径的测量也较麻烦，因 差，分散度大；此外用不同 而用于自动检测时受到限制。 标尺测得的硬度值彼此没有 联系，不能直接比较。
塑性变形和韧性断裂； 越小，表示应力状态越“硬”，金属越不易产 生塑性变形而易于产生脆性断裂；
二、压缩、弯曲、扭转试验
压缩
应力状态软性 系数 2 压缩力F - 变形 ΔL曲线
弯曲
>0.5 弯曲力F -挠度f曲 线 抗弯强度σbb 弯曲弹性模量Ebb
扭转
0.8 扭矩T-扭角υ曲线
测量曲线
力学性能指标
三、低温脆性 1. 定义：当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状 态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由 微孔聚集型转变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变 为结晶状，这种现象称为低温脆性；
2. 低温脆性的本质：材料的屈服强度随温度降低急剧增 加，而材料的解理断裂强度却随温度的变化很小，两 者相交于tk，即韧脆转变温度。
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绪论
四、材料力学性能的研究目的和意义
• 正确地使用材料，防止材料失效。 • 评价材料合成与加工工艺的有效性，并通过控制 材料的加工工艺提高材料的力学性能。 • 在材料力学性能理论的指导下，采用新的材料成 分和结构，或新的加工和合成工艺，设计开发出 新材料，以满足对材料的更高需求。
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绪论
五、教材结构和主要内容
低温 ຫໍສະໝຸດ Baidu度
缺口 应力状态
一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点
弹性变形：无影响；
屈服强度和抗拉强度升高； 塑性变形： 变形不均匀； 断裂：脆性增大，脆性断裂。
二、冲击弯曲和冲击韧性 试验目的：测试（缺口）试样在冲击载荷下的韧性或 缺口敏感性； 冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形 功和断裂功的能力。 评价指标：冲击吸收功Ak 试样：夏比U型缺口试样——AkU 夏比V型缺口试样——AkV 无缺口试样——Ak
二、（1） Ak：冲击吸收功。含义见上面。冲击吸收功不能真正代表材 料的韧脆程度，但由于它们对材料内部组织变化十分敏感，而且冲击弯 曲试验方法简便易行，被广泛采用。 Akv(CVN)：V型缺口试样冲击吸收功. Aku：U型缺口冲击吸收功. （2）FATT50：冲击试样断口分为纤维区、放射区（结晶区）与剪切唇 三部分，在不同试验温度下，三个区之间的相对面积不同。温度下降， 纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大，材料由韧变脆。通常取结 晶区面积占整个断口面积50%时的温度为，并记为50%FATT，或 FATT50%，t50。或:结晶区占整个断口面积50%是的温度定义的韧脆转 变温度. （3）NDT: 以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度,称为无塑性或 零塑性转变温度。 （4）FTE: 以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义tk，记为FTE （5）FTP: 以高阶能对应的温度为tk，记为FTP
第一部分：第一~四章 阐述金属材料在一次加载条件下的形变和断 裂过程。
第二部分：第五~八章 论述疲劳、环境、磨损和蠕变效应四种常见 的与时间相关的失效形式。 第三部分：第九~十一章 介绍聚合物、陶瓷和复合材料的力学性能。
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复习：第四节 金属的断裂
一．断裂的类型 二．解理断裂 三．微孔聚集断裂 四．断裂强度 五．断裂理论的意义
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第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 • 主要内容 第一节 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线 第二节 弹性变形 第三节 塑性变形 第四节 金属的断裂
光滑完整试样！
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金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
• 基本要求： 结合低碳钢的拉伸曲线，掌握材料的弹性模量、屈 服强度、抗拉强度、断裂强度、塑性的意义及影响 因素； 掌握滞弹性、包申格效应、屈服变形机制、应变硬 化指数、颈缩条件的理论及实际意义； 掌握静拉伸断口的特征、分类及机理（重点掌握解 理断裂和微孔聚集型断裂机制、断口形貌）； 理解解理断裂理论的实际意义和应用，掌握影响韧、 脆断裂的因素； 了解比例极限、弹性极限、弹性比功、静力韧度的 理论及实际意义。
第二章 金属其他静载荷下的力学性能 本章小结 第一节 应力状态软性系数 第二节 压缩 第三节 弯曲 第四节 扭转 第五节 缺口试样静载荷试验 第六节 硬度
一、应力状态软性系数 max与 max的比值表示它们的相对大小， 1、定义： 称为应力状态软性系数，记为 。 2、意义：
越大，表示应力状态越“软”，金属越易产生
抗压强度σbc 压缩屈服强度σsc
切变模量G
扭转屈服点τs 抗扭强度τb 能敏感反映出金 属表面缺陷及表 面硬化层的性能 测切断强度最可 靠的方法
断裂挠度fbb
测定脆性与低塑 性材料的强度 灵敏地反映材料 表面缺陷
用途
主要用于拉伸时 呈脆性的金属材 料
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三、缺口试样静载荷试验 1、缺口效应 由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截 面上的应力状态将发生变化，从而影响金属材料 的力学性能。具体包括： （1）引起应力集中，并改变了缺口前方的应 力状态，使应力由原来的单向应力状态改变为 两向或三向应力状态。 （2）缺口使塑性材料强度增高，塑性降低。
四、影响韧脆转变温度的因素 内因：
外因：
加载速率；应力状态；试样尺寸
• 本章重点概念： ① 冲击韧性 ② 冲击吸收功 ③ 低温脆性 ④ 韧脆转变温度
（1）冲击韧性:材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 （2）冲击韧度: :U形缺口冲击吸收功 AkU除以冲击试样缺口底部截面积 所得之商，称为冲击韧度，αku=Aku/S （J/cm2）, 反应了材料抵抗冲 击载荷的能力,用表示。 （3）冲击吸收功: 缺口试样冲击弯曲试验中，摆锤冲断试样失去的位能 为mgH1-mgH2。此即为试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功， 以表示Ak，单位为J。 （4）低温脆性： 在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态变为脆性 状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型， 断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。 （5）韧性温度储备:材料使用温度和韧脆转变温度的差值，保证材料的 低温服役行为。 （6）韧脆转变温度：材料的屈服强度随温度降低急剧增加，而材料的 解理断裂强度却随温度的变化很小，两者相交于tk，即韧脆转变温度。