1、材料力學性能知識框架不同材料（金屬、高分子、陶瓷基復合材料）具有怎樣的力學性能特點；結合成型與加工、選材和材料改質、改性等項要求，理解各材料力學性能指標（復習不再 列出）的含義、物理及技術意義；材料變形與斷裂的基本特征（金屬為主，了解高分子、陶瓷及復合材料）；結合工件服役（受載、環境因素）條件和材料斷口形貌特征，判斷材料失效及斷裂類型； 了解主要力學性能指標的測試方法；分析、把握影響材料主要力學性能指標的主要因素。1拉伸力學性能強度、塑性、韌性；（1）強度：金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強度。強度是衡量零件 本身承載能力（即抵抗失效能力）的重要指標。（2 ）塑性：材料受力，應

2、力超過屈服點后，仍能繼續變形而不發生斷裂的性質（能力）“3” -伸長率，-斷面收縮率。意義：a.確保安全，防止產生突然破壞；b. 緩和應力集中；c. 是軋制、擠壓等冷熱加工變形的必要條件；影響因素：a.細化晶粒，塑性f;b. 軟的第二相，塑性f;c. 溫度提高，塑性f;d. 固溶、硬的第二相等，塑性J（3）韌性：材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。（或者材料抵抗裂紋擴展的能力,J/m3 ）,是材料的力學性能。退火低碳鋼靜拉伸曲線特征；斷口形貌特點;絕時伸 K Jit A/r>inn不均勻屈服塑性變形、 均勻塑性變退火低碳鋼在拉伸力作用下的變形過程可分為彈性變形、 形、不均勻集中塑性變

3、形和斷裂幾個階段。彈性變形、塑性變形；（1）彈性變形： 定義：當外力去除后，能恢復到原來形狀或尺寸的變形，叫彈性變形。特點：單調、可逆、變形量很小（v0.51.0%）（ 2）塑性變形：定義：外載荷卸去后，不能恢復的變形。 特點：各晶粒變形的不同時性和不均勻性、變形的相互協調性屈服（不均勻塑性變形） 、均勻塑性變形、集中塑性變形 （縮頸 ）；（ 1 ）屈服（不均勻塑性變形） ：在金屬塑性變形開始階段，外力不增加、甚至下降時，變形 繼續進行的現象，稱為屈服。特點：上屈服點、下屈服點 （呂德絲帶）（ 2）均勻塑性變形：屈服之后，縮頸之前的階段（在這一階段，塑性變形并是能像屈服平 臺那樣連續流變先去，

4、而需要不斷增加外力才能進行， ）（ 3）集中塑性變形 （縮頸 ）：a. 意義 變形集中于局部區域b. 縮頸的判據（塑性變形時，體積不變的條件）eB = n結論：當金屬材料真實均勻塑性應變量等于應變硬化指數時，便產生縮頸。 所以， n 值大時，材料的均勻塑性變形能力強！c. 頸部的三向拉應力狀態 承受三向拉應力（相當于厚板單向拉伸，平面應變狀態）產生屈服的原因，影響因素分析； 機理：外應力作用下，晶體中位錯萌生、增殖和運動的過程。影響屈服強度因素：1 ）內因a. 金屬本性及晶格類型 位錯運動的阻力：晶格阻力（ P-N 力）；位錯交互作用產生的阻力。b. 溶質原子和點缺陷 形成晶格畸變（間隙固溶，

5、空位）c. 晶粒大小和亞結構 晶界是位錯運動的障礙。要使相鄰晶粒的位錯源開動，須加大外應力。d. 第二相 不可變形第二相，位錯只能繞過它運動。可變形第二相，位錯可切過。 第二相的作用，還與其尺寸、形狀、數量及分布有關；同時，第二相與基體的晶體學匹配程 度也有關。2）外因溫度提高，位錯易運動，b sj。例：高溫鍛造，“乘熱打鐵”應變速率提高，b sfo應力狀態 切應力Tf,b s jo應變硬化，靜力韌度；（ 1 ）應變硬化 或稱形變強化，加工硬化1）意義a. 應變硬化和塑性變形適當配合，可使金屬進行均勻塑性形變。b. 使構件具有一定的抗偶然過載能力。c. 強化金屬，提高力學性能。d. 提高低碳鋼

6、的切削加工性能。2）應變硬化機理a. 三種單晶體金屬的應力b. 應變硬化機理易滑移階段：單系滑移 hep金屬（Mg、Zn）不能產生多系滑稱，易滑移段長。線性硬化階段：多系滑移位錯交互作用，形成割階、面角位錯、胞狀結構等；位錯運動的阻 力增大。拋物線硬化階段：交滑移，或雙交滑移，刃型位錯不能產生交滑移。 多晶體，一開動便是多系滑移，.無易滑移階段（2）靜力韌度：靜拉伸時，單位體積材料斷裂所吸收的功（是強度和塑性的綜合指標）。J/m3工程意義：對按照屈服強度設計、有偶而過載的機件必須考慮。斷裂類型（韌性、脆性，沿晶、穿晶，微孔聚合、解理）;斷裂分類及特征（表 1-7）韌性斷裂與脆性斷裂的區別與聯系

7、；區別：（1）韌性斷裂斷裂特點：斷裂前，宏觀變形明顯；過程緩慢；斷裂面一般平行于最大切應力，并與主應力成45。角。（2）脆性斷裂斷裂特點斷裂前基本不發生塑性變形，無明顯前兆；斷口與正應力垂直。聯系：通常，脆斷前也產生微量的塑性變形，一般規定：屮 5%為脆性斷裂； 5%時為韌性斷裂。可見，金屬材料的韌性與脆性是根據一定條件下的塑性變形量來規定的。 條件改變，材料的韌性與脆性行為會隨之而改變。a i*舉城擴廉力學蠶件比較*注班總律辭理6 (警 F理盤晶料解理斷袈鮒確建斯裂至展計對年珈“胞性材科 斷弋，萬歐丈左式 骨討對工程金時科俛情墓駅咗悅略反握珥淪icr.jT z賦巌時產生解理斷型的列搖krrt

8、Jn格里菲斯斷裂理論之裂紋擴展力學表達式（表1-8)的數學、物理含義。2.應力狀態軟性系數；應力狀態軟性系數a的定義：最大切應力與最大正應力之比_ max _max 2 1 2( 2+3)式中 最大切應力t max按第三強度理論計算，即t max= （T 1- b 3）/2（T 1 ,b 3分別為最大和最小主應力。最大正應力 t max按第二強度理論計算，即max1（23）v泊松比。單向拉伸 a扭轉=1/2=1 / ( 1+ v) 0.8單向壓縮a = 1 / ( 2v) 2應力狀態系數a的技術意義一一表示在不同試驗方法下 的難易程度(即不同應力狀態下)材料塑性變形a越大，表示該應力狀態下切應

9、力分量越大，材料就越易塑變。把a值較大的稱做軟的應力狀態，a值較小的稱做硬的應力狀態。缺口試樣靜彎曲曲線，缺口效應； 缺口式樣靜彎曲曲線： 曲線下所包圍的面積，表示試樣從變形到斷裂的總功。圏乂 一丄農 ©1-1的腫今曲絨總功由三部分組成：(1) 只發生彈性變形的彈性功I；(2) 發生塑性變形的變形功以面積n表示；(3) 在達到最大載荷Pmax時試樣即出現裂紋。如果裂紋到截荷P1點時開始迅速擴展，直至試樣完全破斷。這一部分 功以面積川表示，叫作撕裂功。可用斷裂功，或 Pmax/P1,來表示材料的缺口敏感度。P1 試樣發生斷裂所對應的作用力。Pmax/P1 =1時，裂紋擴展極快，缺口敏感

10、度最大。缺口效應：理論應力集中系數Kt = er max/ crKt值與材料性質無關，只取決于缺口的幾何形狀。拉伸時，缺口試樣上的應力分布彈性狀態下：(a) 薄板缺口下的彈性應力(平面應力)缺口根部為單向拉應力狀態ey,內部為兩向拉應力狀態，e Z等于(b) 厚板缺口下的彈性應力(平面應變)缺口根部為兩向拉應力狀態，內部為三向拉應力狀態。e Z不等于0。(c) 平面應變時的應力分布 在材料內部，沿厚度方向，（d）平面應變時，局部屈服后的應力分布塑性狀態下：塑性較好的材料，若根部產生塑性變形，應力將重新分布，并隨載荷的增大，塑性區逐漸擴大，直至整個截面。應力最大處則轉移到離缺口根部ry距離處，該

11、處b y x, z均為最大值。隨塑性變形逐步向試樣內部轉移，各應力峰值越來越大。試樣中心區的cy最大。出現“缺口強化”（三向拉應力約束了塑性變形）塑性降低，影響材料的安全使用。常規硬度指標規范（HRA、HRB、HRC ）及適用場合。標尺硬度符號壓頭類型初始實驗力 F0/N主試驗力F1/N總試驗力F/N測量硬度 范圍應用舉例AHRA金剛石圓 錐98.07490.3588.42088硬質合金、硬化薄鋼 板、表面薄層硬化鋼BHRB1.588mm球882.6980.720100低碳鋼、銅合金、鐵 素體可鍛鑄鐵CHRC金剛石圓 錐137314712070淬火鋼、高硬度鑄件、 珠光體可鍛鑄鐵3.沖擊彎曲試

12、驗沖擊韌度、試樣規范及斷口形貌特征、低溫脆性、韌脆轉變溫度tK及影響因素。斷裂分析圖（FAD ）,技術意義和用途， NDT、FTE和FTP的含義和定量關系：技術意義：對低強度鋼板進行落錘試驗求得NDT溫度，可建立斷裂分析圖。該圖是表示許用應力、缺陷（裂紋）和溫度之間關系的綜合圖。它明確提供了低強度鋼構件在溫度、應力和缺陷（裂紋）聯合作用下脆性斷裂開始和 終止的條件。對低強度鋼構件防止脆斷設計和選材提供了一個有效方法；可分析斷裂事故，幫助積 累防止脆性斷裂的經驗。I'TP言三_一V y V- y34. 5MPac< 25 mni c < j 5 Q 2）貝 g< 300

13、 intu c< 600 m dXDT KDT+331XDT-»67t：iVJtr/'VNDT :零塑性、或無塑性斷裂溫度；FTE :彈性斷裂轉變（/折）溫度（數值上=NDT+33 C）FTP : 100%纖維斷口的斷裂溫度（數值上 =NDT+67 C）,即 塑性斷裂轉變溫度。4 斷裂韌度裂紋尖端應力強度因子 Ki、塑性區修正的意義；斷裂韌度的影響因素；斷裂韌度的實質：（Kic ）是材料強度、塑性和結構參量（基體相的強化程度、第二相 的大小、數量與分布，晶粒尺寸，裂紋等）的綜合性能。Kic應用、計算（本章例一、例二，本章思考習題17,）,有關塑性區修正的問題、表面半橢圓

14、形裂紋形狀系數；Kic、Kc，有何異同？斷裂韌度Jic和Gic、裂紋尖端張開位移3 c的技術含義（Esp :量綱和斷裂條件上理解）5. 疲勞疲勞概念及其特點，概念：材料在交變應力的作用下，經過一段時間，而發生斷裂的現象，叫疲勞。1)2)3)4)（1）分類 按應力狀態 按環境按循環周期按破壞原因疲勞破壞時無明顯的塑性變形，呈現脆性的突然斷裂。疲勞斷裂是一種非常危險的斷裂。 疲勞的分類及其特點： 彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、復合疲勞等。 腐蝕疲勞、熱疲勞、接觸疲勞等。咼周疲勞、低周疲勞。機械疲勞、腐蝕疲勞、熱疲勞（2）疲勞的特點1） 斷裂應力b，甚至 d s；2）出現脆性斷裂；3）對材料的缺陷十

15、分敏感；4）疲勞破壞能清楚顯示裂紋的萌生和擴展，斷裂。疲勞曲線,A1JJ|_1 <0 >1| ()51 tli 1 <7 I OH I (1*湘壞閭次A 朗巾一站*1 (Fjs-n ilh疲勞斷口宏觀形貌特征，疲勞裂紋形成、擴展和斷裂，微觀特征；（1）疲勞端口宏觀形貌特征：斷口擁有三個形貌不同的區域：疲勞源、疲勞區、瞬斷區。隨材質、應力狀態的不同，三個 區的大小和位置不同。疲勞門檻值(概念)、疲勞壽命估算 Paris公式、疲勞過程及裂紋形成與擴展的機理; 疲勞門檻值 Kth :是阻止疲勞裂紋開始擴展的性能，也是材料力學性能指標常選用 Paris 公式：da/dN = C( K

16、)n疲勞過程：裂紋萌生 t亞穩擴展t失穩擴展t斷裂裂紋萌生的原因：應力集中、不均勻塑性形變。方式：表面滑移帶開裂；晶界或其他界面開裂。裂紋擴展的兩個階段：第一階段 沿主滑移系，以純剪切方式向內擴展；擴展速率僅0.1卩m數量級。第二階段疲勞裂紋亞穩擴展；擴展速率達卩m級。疲勞強度影響因素；(1 )材料內因：化學成分 顯微組織 非金屬夾雜及冶金缺陷(2)材料表面狀態和工件結構：表面狀態 應力集中；表面粗糙度 殘余應力及表面強化(噴丸與滾壓)表面及化學熱處理 低周疲勞和熱疲勞的概念低周疲勞：疲勞壽命為102105次的疲勞斷裂，稱為低周疲勞(在應力較高、循環次數較少的疲勞斷裂)特點：(1)局部產生宏觀

17、變形，應力與應變之間呈非線性。(2) 裂紋成核期短，有多個裂紋源；斷口呈韌窩狀、輪胎花樣狀。(3) 疲勞壽命取決于塑性應變幅&p。熱疲勞：在循環熱應力和熱應變作用下，產生的疲勞稱為熱疲勞。熱疲勞屬低周疲勞。6. 應力腐蝕與氫脆概念應力腐蝕：金屬在拉應力和特定的化學介質共同作用下，經過一段時間后所產生的低應力脆斷現象。氫脆：由于氫和應力共同作用而導致的金屬材料產生脆性斷裂的現象。斷口形貌特征應力腐蝕：宏觀：枯樹枝狀、分叉，主裂紋擴展較快，分支裂紋擴展較慢。微觀沿晶斷裂和穿晶斷裂氫脆：宏觀：呈氧化色，顆粒狀（沿晶）微觀：沿原奧氏體晶界的沿晶斷裂，晶界上常有撕裂棱。破壞機理應力腐蝕：滑移一一

18、溶解理論（鈍化膜破壞理論）氫脆：在金屬凝固的過程中，溶入其中的氫沒能及時釋放出來，向金屬中缺陷 附近擴散，到室溫時原子氫在缺陷處結合成分子氫并不斷聚集，從而產生巨大的內壓力，使金屬發生裂紋。防治措施應力腐蝕：（1）合理選材（原則：選材時，考慮耐應力腐蝕性能；在成本和采購便利下，盡 量選KISCC較高的材料）；（2）減少拉應力（降低應力集中，退火，噴丸及其他表面處理）；（3）改善化學介質（水凈化、添加緩蝕劑） ；（4）采用電化學保護，使金屬遠離電化學腐蝕區域（外加電位、陰極保護）氫脆：（1）材料降低含氫量，細化組織，降低S、P含量。顯微組織對氫脆的敏感性，由低t高排序：球狀P、片狀P、回火M或B

19、、未回火M。（2） 環境減少吸氫的可能性，含氫介質中加入抑制劑，表面涂層。（3） 力學因素減小殘余拉應力，降低應力集中。應力腐蝕裂紋的da/dtK|關系曲線、裂紋形成與擴展、斷裂過程。應力腐蝕裂紋的擴展速度da/dtAC 苑貳測會艷KI>KISCC，裂紋擴展。擴展速率da/dt單位時間內的裂紋擴展量。da/dt KI曲線（圖6-7, P132）的三個階段（初始、穩定、失穩）。第一階段：當 KI剛超過KIscc時，裂紋經過一段孕育后突然加速擴展，曲線幾乎與縱坐標 軸平行。第二階段：曲線出現水平線段，da/dt與KI幾乎無關。因為這時裂紋尖端發生分叉現象，裂紋擴展主要受電化學過程控制，故與材

20、料和環境密切相關。第三階段：裂紋長度已經接近臨界尺寸，da/dt又明顯的依賴于 KI，隨其增大而急劇增大, 這時材料進入失穩擴展的過渡區。當 KI 達到 KIC 時便失穩擴展而斷裂。 第二階段時間越長，材料抗應力腐蝕開裂性能越好。如果測出 KISCC 及第二階段的 da/dt ，就可估算機件在應力腐蝕條件下的剩余壽命。7磨損和接觸疲勞磨損： 機件表面相接觸并作相對運動， 表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑， 使表面材料 逐漸流失，造成表面損傷的現象。接觸疲勞：機件（如軸承、齒輪等）兩接觸表面作滾動、滑動，或滾滑時，在交變接觸壓應 力長期作用下， 材料表面因疲勞損傷， 導致局部區域產生小片或小塊

21、狀金屬剝落導致的材料 流失現象。磨損量與時間的關系曲線： p140耐磨性： 通常是用磨損量來表示耐磨性，磨損量越小，耐磨性越高相對耐磨性系數£ = w標/ w測。粘著磨損、磨粒磨損、沖蝕磨損、腐蝕磨損，及微動磨損的概念粘著磨損（咬合磨損）：滑動條件下，摩擦副相對運動速度較小 （鋼：1m/s）時發生的磨損。 磨粒磨損： 當摩擦副一方面存在堅硬的細微突起， 或者在接觸面之間存在著硬質粒子時所產 生的一種磨損。沖蝕磨損：流體或固體以松散的小顆粒按一定的速度和角度對材料表面進行沖擊造成的損 傷。進一步分又有固氣沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕磨損和氣蝕等。腐蝕磨損： 摩擦過程中， 摩擦副之間

22、或摩擦副表面與環境介質發生化學或電化學反應形成腐 蝕產物，進而脫落造成表面材料損失的過程。腐蝕磨損 +粘著磨損或磨粒磨損腐蝕機械 磨損。微動磨損： 接觸表面之間因存在小振幅相對運動或往復運動而產生的磨損（也叫微動腐蝕）特征：摩擦副接觸區有大量紅色 Fe2O3 磨屑。該磨損兼有粘著磨損、氧化磨損及磨粒磨損。接觸疲勞概念、破壞形式（麻點、淺層剝落、深層剝落） 。（ 1 ）麻點剝落 局部塑性變形，產生裂紋、擴展（滑移帶開裂） ，在連續滾滑作用下，潤滑油擠入裂紋并封 閉其間，產生高壓沖擊波，剝落下一塊金屬而形成一凹坑。摩擦力較大及表面質量差時，易 產生麻點剝落。（ 2 ）淺層剝落 最大切應力處，塑性變

23、形最劇烈 ,且反復進行，導致材料局部弱化，非金屬夾雜物附近萌生 裂紋。表層、次表層產生了加工硬化。（ 3 ）深層剝落 過渡區是薄弱區，萌生裂紋，先平行于表面擴展，后垂直于表面擴展，最后形成大的剝 落坑。8材料在高溫下的失效，力學性能指標表征 常見高溫性能： （1） 抗（高溫）氧化性（2）熱強性 材料在高溫、長時間和應力的作用下，抵抗變形和斷裂的能力。等強溫度 TE 反映的曲線、蠕變曲線；圖B1 溫度和變電速率対盒啊斷製踏涇的鞍響 e）畔疊脫發斤 b空加通平對T；.的影晌庫| 8 -3 VI! 購：柱芒由T郛覽蠕變極限、持久強度 蠕變極限： 例如：60 MPa6001 10 5表示：在600C,

24、穩態蠕變速率=1 x 10-5 %/h的強度60MPa。又如（規定溫度t、時間t蠕變總伸長 35005 1 00MPa1/10表示：500 C, 10萬小時，總伸長率為 & =1%的蠕變極限為100MPa。 持久強度：在規定溫度（t）,達到規定的持續時間（T）而不發生斷裂的應力值9.咼分子材料 結構特點：聚合物為復合物（各個巨分子的分子量不一定相同）；聚合物有構型、構象的變化；分子之間可以有各種相互排列。線型非晶態聚合物的變形一溫度曲線，VS結晶聚合物的力學性能特點比較代I Z瞅好滋J 和 ti <fl 111 I (Hl U. Ji> U )5L 11< tlf 件

25、 MJ iJfe 半 >出出電 耳5Ji jit ts， i-” 槪i' Lft，Iff. t5>疋一一粘倉Q f «! f<LJ» r« 一謚比4t Si晅 和 枯鳳淘F番強度與硬度、銀紋與斷裂、摩擦與磨損強度比金屬低得多（約2080MPa），比強度較金屬的高。實際強度僅為其理論值的 1/200。 硬度聚合物的硬度也比金屬低得多。由于聚合物具有較大的柔性和彈性，故在不少場合下 顯示出較高的抗劃傷能力。在拉應力作用下，非晶態聚合物的某些薄弱地區，因應力集中產生局部塑性變形，結果在其表面和內部會出現閃亮的、細長形的“類裂紋”，稱為銀紋。在干

26、摩擦條件下，聚合物一金屬摩擦副的耐磨性通常優于大多數金屬與金屬配對的摩擦副。 大多數液體對塑料具有潤滑減摩作用。特有的高彈性，可使接觸表面產生變形而不是切削犁溝損傷，故具有較好的抗磨粒磨損能力。但在鑿削式磨粒磨損情況下，聚合物的耐磨性比較差。10.陶瓷結構特點、變形與斷裂（E，強度、塑性、耐磨性）特點；陶瓷材料通常是金屬與非金屬元素組成的化合物；以離子鍵和共價鍵為主要結合鍵。可以通過改變晶體結構的晶型變化改變其性能。塑性變形：室溫下，絕大多數陶瓷材料塑性變形極小，1000 c以上，大多數陶瓷材料可發生塑性變形，超細等軸晶，第二相彌散分布，晶粒間存在無定形相。 斷裂：以各種缺陷（表面或內部）為裂

27、紋源，裂紋擴展，瞬時脆斷。陶瓷的斷裂韌度及增韌措施；陶瓷的斷裂韌度：比金屬的低12個數量級。陶瓷材料的增韌：（1）改善組織（細密、純、勻）；（2）相變增韌；（3）微裂紋增韌。熱震斷裂VS熱震損傷，抗熱震性。抗熱震斷裂參數R：急劇加熱和冷卻1Rtcfc Ef緩慢加熱和冷卻R(1) fREf抗熱震損傷：氣孔可鈍化裂紋尖端；減小應力集中；降低熱導率。反復加熱冷卻產生的彈性變能是陶瓷材料熱震損傷的動力（裂紋擴展的動力） 提高熱震損傷抗力，需使用彈性模量大，強度低的材料。11復合材料 概念、纖維增強復合材料力學性能特點。定義：由兩種或兩種以上異質、異形、異性的材料復合形成的新型材料。 分類：按基體分：金屬基復合材料；無機非金屬復合材料；聚合物復合材料。按增強體分： 連續纖維復合材料； 短纖維復合材料； 顆粒復合材料； 層合板復合材料。 按用途分：結構復合材料；功能復合材料。復合材料力學性能特點： 1、高比強度、比彈性模量；2、各向異性；3、抗疲勞性能好；4、減振性能好；5、可設計性強。名詞概念： 穿晶斷裂和沿晶斷裂： 穿晶斷裂T裂紋穿過晶界。沿晶斷裂T裂紋沿晶擴展。穿晶斷裂，可以是韌性或脆性斷裂；兩者有