工程材料力学性能(缩印版)

1屈服现象三个因素：1材料变形前可动位错密度很小。

2随塑性变形发生，位错能快速增殖。

3位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。

2屈服现象：金属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观塑性变形的一种标志。

外力不增加试样仍能继续伸长；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情况下，试样继续伸长变形。

3消除包申格效应的方法：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。

4变形过程分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形和断裂。

5金属弹性变形是一种可逆性变形。

6包申格效应：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。

7屈服强度：用应力表示的屈服点或下屈服点就是表征材料对微凉塑性变形的抗力。

8细化晶粒是怎样影响屈服强度的：晶粒大小的影响是晶界影响的反映，因为晶界是位错运动的障碍，在一个晶粒内部，必须塞积足够数量的位错才能提供必要的应力，使相邻晶粒中的位错才能提供必要的应力，使相邻晶粒中的位错源开动并产生宏观可见的塑性变形。

因而，减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度提高。

9影响屈服强度的内在因素：1金属本性及晶格类型。

2晶粒大小和亚结构。

3溶质元素。

4第二相。

10影响屈服强度的外在因素：1升高温度，金属材料的屈服强度降低；金属晶体结构不同，变化趋势不一样。

2应变速率增大，金属材料的强度增加，且屈服强度随应变速率的变化较抗拉强度的变化要明显的多。

这种因应变速率增加而产生的强度提高效应，称为应变速率硬化现象。

3应力状态也影响屈服强度，切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度则越低，所以扭转比拉伸的屈服强度低，拉伸要比弯曲的屈服强度低，但三向不等拉伸下的屈服强度为最高。

11缩颈是韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象，他是应变硬化（物理因素）与截面减小（几何因素）共同作用的结果。

12缩颈产生的依据;当真实应力-应变曲线上某店的斜率等于该点的真实应力时，缩颈产生。

当金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时，缩颈便会产生。

13塑性：金属材料断裂前发生塑性变形的能力。

14塑性指标；金属材料常用的塑性指标为断后伸长率和断面收缩率。

15韧性：金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力。

16韧性断裂：金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，
17韧性断裂断口特征三要素：纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成。

18规定光滑拉伸式样的断面收缩率小于5%为脆性断裂，大于5%为韧性断裂
19杯锥状断口的形成过程；光滑试样-拉伸-缩颈-三向应力-中心最大-塑变困难-微孔-长大和聚合-裂纹
20两种解理裂纹形成模型的共同之处：裂纹形核前均需有塑性变形；位错运动受阻，在一定条件下便会形成裂纹。

实验证实，裂纹往往在晶界、亚晶界、孪晶交叉处出现。

1韧窝是微孔聚集断裂的基本特征。

韧窝形状三种：等轴韧窝、拉长韧窝、撕裂韧窝。

微孔聚集断裂一定有韧窝存在，但在微观形态上出现韧窝，其宏观上不一定就是韧性断裂。

2解理断裂的基本微观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样。

3微孔成核长大：a位错线运动遇到第二相质点时，往往按绕过机制在其周围形成位错环。

b这些位错环在外加应力作用下于第二相质点处堆积起来。

c 当位错环移向质点与集体界面时，界面立即沿滑移面分离而形成微孔。

d由于微孔成核，后面的位错所受排斥力大大下降而被迅速推向微孔，并使位错源重新被激活起来，不断放出新位错。

新的位错连续进入微孔，遂使微孔长大。

图
4缺口效应：引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态，也就是出现了平面应变状态，这要视板厚或直径而定。

第二个效应是使材料强度增高，塑性降低
5硬度表征金属材料软硬强度的一种性能试验方法；划痕法、回跳法，压入法
6缺口试样拉伸时应力分布有何特点？对于薄板；具有缺口的薄板受拉伸后，中心部分是两向拉伸的平面应力状态，但在缺口根部为单向拉伸应力状态。

对于厚板，厚板缺口拉伸时，在缺口根部为两向拉伸应力状态缺口内侧为三向拉伸的平面应变状态
7硬度表示方法350HBW5/750/5直径为5mm的硬质合金球在7.355kN试验力下保持10-15s测得布氏硬度值为350 8低温脆性：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢，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成穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。

9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，常用标准试样的冲击吸收功Ak表示。

Aku；u形缺口冲击试样的冲击吸收功
10低温脆性的本质：低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加的的结果。

屈服点σs的变化即随温度下降而升高，但材料的解理断裂强度σc却随温度变化很小，因为热激活对裂纹扩展的力学条件没有显著作用，于是两条曲线相交于一点，交电对应的温度即Tk。

高于Tk时，σc>σs，材料受载后屈服再断裂，为韧性断裂；低于Tk时，外加应力先达到σc，材料表现为脆性断裂。

体心立方金属的低温脆性还可能与迟屈服现象有关。

迟屈服即对低碳钢施加一高速载荷到高于σs，材料并不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期才开始塑性变形。

在孕育期中只产生弹性变形，由于没有塑性变形消耗能量，故有利于裂纹的扩展，从而易表现为脆性破坏。

11NDT：无塑性或零塑性转变温度。

FTP：以高阶能对应的温度为Tk。

FTE：以低阶能和高阶能平均值对应的温度
定义Tk。

12细化晶粒提高韧性原因：1晶界是裂纹扩展的阻力；2晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；3晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。

13裂纹扩展的3种形式张开型I型裂纹扩展滑开型撕开型
14K判据的含义：Ki>=Kic或Yσ√a>=Kic裂纹体在受力时，只要满足上述条件，就会发生脆性断裂。

反之，即使存在裂纹，若Ki<Kic或Yσ√a<Kic,也不会断裂，这种情况称为破损安全。

15影响Kic的外界因素：1温度；一般大多数结构钢的Kic都随温度降低而下降。

2应变速率；应变速率ε具有与温度相识的效应。

增加应变速率相当于降低温度的作用，也可使Kic下降。

16疲劳；金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于积累而引起的断裂现象。

疲劳是脆性断裂。

17疲劳断口三个区域：1疲劳源；源区光亮度越大，相邻疲劳区越大，贝纹线越多越密者，其疲劳源就越先产生；反之，则疲劳源就越后产生。

2疲劳区；是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，宏观特征；断口比较光滑并分布有贝纹线。

断口光滑是疲劳源区域的延续，单其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。

3瞬断区；当裂纹长大到临界尺寸ac时，因裂纹尖端的应力场强度因子Ki达到材料断裂韧度Kic时，则裂纹就失稳快速扩展，导致机件最后瞬时断裂。

18疲劳过程：疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展、最后失稳扩展。

19疲劳裂纹扩展门槛值：在1区，当△K<=△Kth时，da/dN=0,表示不扩展；只有当△K>△Kth时，da/dN>0，疲劳裂纹才开始扩展。

因此，△Kth是疲劳裂纹不扩展的△K临界值。

20平均应力和应力比的影响具有等效性。

随r增加，曲线向左上方移动，使da/dN升高，而且在Ⅰ、Ⅲ区的影响比在Ⅱ区的大。

在Ⅰ区，r还降低△Kth。

当机件内部存在残余应力时，因与外加循环应力叠加将改变实际应力比，所以也会影响da/dN和△K。

残余压应力因会减小r，使da/dN降低和△K升高，对疲劳寿命有利；而残余拉应力因会增大r，使da/dN升高和△K降低，对疲劳寿命不利。

1疲劳裂纹萌生三个机理：1表面滑移带开裂。

2第二相、夹杂物或其界面开裂。

3晶界或亚晶界开裂。

2采用固溶强化，细晶强化，均可以阻止疲劳裂纹萌生，提高疲劳强度。

3疲劳裂纹扩展过程的第二阶段的断口特征：称为疲劳条带（疲劳条纹、疲劳辉纹）。

4残余应力对疲劳强度的影响：1残余应力可以与外加工应力叠加，构成合成总应力：叠加残余压应力，总应力减小；叠加残余拉应力，总应力增加。

因此，机件表面残余应力状态对疲劳强度有显著影响：残余压应力提高疲劳强度；残余拉应力则降低疲劳强度。

2残余压应力的有利影响与外加应力与外加应力的应力状态有关：机件承受弯曲疲劳时，残余压应力的效果比扭转疲劳大；承受拉压疲劳时，影响较小。

这是不同应力状态下，机件表面层的应力梯度不同所致。

3残余压应力显著提高缺口试样或机件的疲劳强度，这是因为残余压应力也可在缺口处集中，能更有效的降低缺口根部的拉应力峰值。

4残余压应力提高疲劳强度的有利效果，还和残余压应力值得
大小、残余压应力区的深度及分布，以及残余压应力在疲劳过程中是否发生松弛等因素有关。

5细化晶粒既能阻止疲劳裂纹在晶界处萌生，又因晶界阻止疲劳裂纹的扩展故能提高疲劳强度
6应力腐蚀产生条件：1应力；机件所承受的应力包括工作应力和残余应力。

2化学介质；只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能产生应力腐蚀。

3金属材料；一般来说，纯金属不会产生应力腐蚀，所有合金对应力腐蚀都有不同程度的敏感度。

单在每一种合金系列中，都有对应力腐蚀不敏感的合金成分。

7防止应力腐蚀的措施：1合理选择金属材料；针对机件所受的应力和接触的化学介质，选用耐应力腐蚀的金属材料，这是一个基本原则。

2减少或消除机件中的残余拉应力；残余拉应力是产生应力腐蚀的重要原因，应尽量减少机件上的应力集中效应。

3改善化学介质；一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，另一方面，也可在化学介质中添加缓蚀剂。

4采用电化学保护；一般采用阴极保护法。

8Kiscc应力腐蚀门槛值
9氢脆：由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象。

10白点：当钢中含有过量的氢时，随着温度降低氢在钢中的溶解度减小。

如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成氢分子。

此时，氢的体积发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕裂，而形成微裂纹。

这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色，故称为白点。

11白点防止措施；精炼除气，断后缓冷，或等温退火，以及在刚中加入稀土或其他微量元素等方法
12磨损；机件表面相接触并作相对运动，表面逐渐由微小颗粒分离出来形成磨屑使表面材料逐渐消失造成表面损伤。

13蠕变就是指在长时间的恒温，横载荷作用下缓慢的产生塑性变形的现象，由于这种变形是导致金属材料的断裂
14应力松弛；在规定温度和初始应力条件下，金属材料中的应力随时间的增加而减小的现象
15蠕变断裂机理：1在三晶粒交会处形成楔形裂纹；即在高应力和较低温度下，由于晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中而形成空洞。

空洞相互连接便形成楔形裂纹。

2在晶界上由空洞形成晶界裂纹；这是较低应力和高温度下产生的裂纹，这种裂纹出现在晶界上的突起部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动而产生空洞。

裂纹形成后，进一步依靠晶界滑动、空位扩散和空洞连接而扩展，最终导致延晶断裂。

16晶粒度的影响：1当使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高的强度。

当使用温度高于等强温度时，粗晶粒钢及合金有较高的蠕变极限和持久强度极限。

但是晶粒太大会降低高温下的塑形和韧性。

2对于耐热钢及合金来说，随合金成分及工作条件的不同有一最佳晶粒度范围。

一般以2-4级晶粒度较好，因此进行热处理时应考虑采用适当的加热温度，以满足晶粒度的要求。

3在耐热钢及合金中晶粒度不均匀，会显著降低其高温性能。

这是由于在大小晶粒交界处易产生应力集中而形成裂纹。