材料力学性能学习要点-(2)

材料力学性能学习要点-(2)

材料力学性能知识框架

不同材料（金属、高分子、陶瓷基复合材料）具有怎样的力学性能特点；

结合成型与加工、选材和材料改质、改性等项要求，理解各材料力学性能指标（复习不再列出）的含义、物理及技术意义；

材料变形与断裂的基本特征（金属为主，了解高分子、陶瓷及复合材料）；

结合工件服役（受载、环境因素）条件和材料断口形貌特征，判断材料失效及断裂类型；

了解主要力学性能指标的测试方法；

分析、把握影响材料主要力学性能指标的主要因素。

1．拉伸力学性能

强度、塑性、韧性；

（1）强度：金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。（2）塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质（能力）。

“δ”-伸长率，“ψ”-断面收缩率。

不均匀集中塑性变形和断裂几个阶段。

弹性变形、塑性变形；

（1）弹性变形：

定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹性变形。

特点：单调、可逆、变形量很小（＜0.5～1.0%）（2）塑性变形：

定义：外载荷卸去后，不能恢复的变形。

特点：各晶粒变形的不同时性和不均匀性、变形的相互协调性

屈服（不均匀塑性变形）、均匀塑性变形、集中塑性变形(缩颈)；

（1）屈服（不均匀塑性变形）：在金属塑性变形开始阶段，外力不增加、甚至下降时，变形继续进行的现象，称为屈服。

特点：上屈服点、下屈服点（吕德丝带）（2）均匀塑性变形：屈服之后，缩颈之前的阶段（在这一阶段，塑性变形并是能像屈服平台那样连续流变先去，而需要不断增加外力才能进行，）

（3）集中塑性变形(缩颈)：

a. 意义变形集中于局部区域

b. 缩颈的判据（塑性变形时，体积不变的条件）e B = n

结论：当金属材料真实均匀塑性应变量等于应变硬化指数时，便产生缩颈。

所以，n值大时，材料的均匀塑性变形能力强！

c. 颈部的三向拉应力状态

承受三向拉应力（相当于厚板单向拉伸，平面应变状态）

产生屈服的原因，影响因素分析；

机理：外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动的过程。

影响屈服强度因素：

1）内因

a. 金属本性及晶格类型

位错运动的阻力：晶格阻力（P-N力）；位错交互作用产生的阻力。

b. 溶质原子和点缺陷

形成晶格畸变（间隙固溶，空位）

c. 晶粒大小和亚结构

晶界是位错运动的障碍。要使相邻晶粒的位错源开动，须加大外应力。

d. 第二相

不可变形第二相，位错只能绕过它运动。可变形第二相，位错可切过。

第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有关；同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。

2）外因

温度提高，位错易运动，σs↓。例：高温锻造，“乘热打铁”

应变速率提高，σs↑。

应力状态切应力τ↑，σs↓。

应变硬化，静力韧度；

（1）应变硬化或称形变强化，加工硬化

1）意义

a. 应变硬化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。

b.使构件具有一定的抗偶然过载能力。

c. 强化金属，提高力学性能。

d.提高低碳钢的切削加工性能。

2）应变硬化机理

a. 三种单晶体金属的应力

b. 应变硬化机理

易滑移阶段：单系滑移hcp金属（Mg、Zn）不能产生多系滑称，∴易滑移段长。

线性硬化阶段：多系滑移位错交互作用，形成割阶、面角位错、胞状结构等；位错运动的阻力增大。

抛物线硬化阶段：交滑移，或双交滑移，刃型位错不能产生交滑移。

多晶体，一开动便是多系滑移，∴无易滑移阶段（2）静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断裂所吸收的功（是强度和塑性的综合指标）。J/m3 工程意义：对按照屈服强度设计、有偶而过载的机件必须考虑。

断裂类型（韧性、脆性，沿晶、穿晶，微孔聚合、解理）；断裂分类及特征（表1-7）

韧性断裂与脆性断裂的区别与联系；

区别：（1）韧性断裂

断裂特点：

断裂前，宏观变形明显；过程缓慢；

断裂面一般平行于最大切应力，并与主应

力成45o角。

（2）脆性断裂

断裂特点

断裂前基本不发生塑性变形，无明显前

兆；

断口与正应力垂直。

联系：通常，脆断前也产生微量的塑性变形，一般规定：

Ψ< 5%为脆性断裂；> 5％时为韧性断裂。

可见，金属材料的韧性与脆性是根据一定条件下的塑性变形量来规定的。

条件改变，材料的韧性与脆性行为会随之而改变。

格里菲斯断裂理论之裂纹扩展力学表达式（表1-8）

的数学、物理含义。

2．应力状态软性系数；

应力状态软性系数α 的定义：最大切应力与最大正应力之比

）＋（－－＝＝32131max max 22σσνσσσστα

式中 最大切应力τmax 按第三强度理论计算，即

τmax= (σ1-σ3) /2 σ1，σ3分别为最大和最小主应力。

最大正应力 σmax 按第二强度理论计算，即,

)(321max σσνσσ--= ν——泊松比。

单向拉伸 α = 1/2

扭 转 α = 1 /（1+ν）≈0.8

单向压缩 α = 1 /（2ν） ≈2

应力状态系数α的技术意义——表示在不同试验方法下（即不同应力状态下）材料塑性变形的难易程度

α 越大，表示该应力状态下切应力分量越大，材料就越易塑变。

∴把 α 值较大的称做软的应力状态，α值较小