1、一、要求(1) 理解并掌握材料彈性變形、塑性變形與斷裂等基本力學行為的宏觀規律及微觀本質，并進一步了解應力狀態、試樣幾何因素以及環境因素對材料力學行為的影響；(2) 熟悉材料常用力學性能指標的意義、測試原理、影響因素及其應用范圍，具有按照實際工作條件正確選擇試驗方法和指標進行材料測試、評價及選擇材料的能力，并了解材料力學性能的基本方法和途徑。二、內容1. 材料基本力學性能試驗:(1) 掌握靜載拉伸試驗方法與拉伸性能指標的含義及測定，熟悉典型材料拉伸變形斷裂行為與應力應變曲線;曲線分為彈性變形-均勻塑性變形-頸縮-不均勻塑性變形-斷裂幾個階段。P基本的力學狀態參量包括應力和應變。應力包括工程應力

2、和真應力。工程應力s=，F0Dl真應力s = P ，應變包括工程應變d =，真應變e =dll= ln l l 0lòFl0l 0力學狀態參量的變化臨界值為力學性能指標。比例極限、彈性極限、屈服強度、抗拉強度和延伸率，斷面收縮率。比例極限：應力與應變成正比的最大應力；s-e曲線上開始偏離直線的點。彈性極限：不產生塑性變形的最大應力。屈服強度：開始塑性變形的最小應力。抗拉強度：最大載荷對應的工程應力。= lk - l0延伸率： dkl01A0 - Ak斷面收縮率：j =A0處理物理意義，還應了解工程意義。延伸率和斷面收縮率反映了材料斷裂前發生塑性變形的能力。(2) 熟悉壓縮、彎曲、扭轉

3、試驗原理、特點及應用，了解應力狀態對材料力學行為的影響;應力狀態軟性系數aa = t maxs1 - s 32s1 - 2n (s 2 + s 3 )=S maxt= 1 (s - s )第三強度理論，最大切應力引起材料屈服；max132= s1 -n (s 2 + s 3 )S max第二強度理論，最大相當正應力引起材料正向斷裂。應力狀態軟性系數a意義在于此值大，則切應力分量大，產生塑性變形的可能性大。(3) 掌握布氏、洛氏、維氏硬度試驗原理、特點及應用范圍。布氏硬度：壓痕面積上承受的載荷值。壓頭為球形，淬火鋼或硬質合金壓頭。P/D2為定值。用于軟金屬、有色金屬，鑄鐵、調質鋼等硬度不太高的材

4、料。洛氏硬度：用壓痕深度表示。120 度石圓錐壓頭。可測定各種金屬材料。維氏硬度：壓痕面積上承受的載荷值。壓頭為石正四棱錐體，適用材料較廣。2.材料變形行為與變形抗力:(1)掌握彈性變形行為及其物理本質，熟悉材料的彈性常數及其工程意義；彈性變形具有可逆性、單值性、變形量小的特點。符合胡克定律，在彈性狀態小變形范圍內應力應變關系呈線性。物理本質可原子模型進行說明。彈性模量，剪切模量，泊松比的物理意義。剛度，構件抵抗彈性變形的能力。Q=EF；具有重要的工程意義。剛度不足，可能造成構件彈性失穩的現象。2名稱加載方式指標應力狀態及分布a斷裂形式及特征應用扭轉彎曲壓縮彈性：材料或構件彈性變形的能力。可用

5、最大彈性應變或彈性比功表示。彈性后效：在彈性范圍內應變落后于應力的現象。循環韌性：彈性變形中，若施加交變載荷，且加載速度較快，應力應變曲線中正向滯后環與反向滯后環連通，形成一個封閉的滯后環。滯后環的面積代表一次交變應力循環周期中試樣所消耗的能量，為循環韌性。代表材料吸收機械功的能力，即消震能力。(2)熟悉材料塑性變形行為及其微觀機制，了解材料物理屈服現象；塑性變形的特點為外加應力足夠大，不可逆性，應力應變為非線性，組織與性能也發生較大變化，性能指標比較敏感。微觀機制為滑移和孿生。多晶體塑性變形的特點為不同時性和協調性，不均勻性。物理屈服現象及解釋，解釋從兩方面進行。釘扎機制和位錯運制。屈服延伸

6、率的特點是：（1）屈服延伸階段變形時不均勻的，從應力集中部位開始，逐漸到整個試樣。應力到達上屈服點的時候，試樣局部表面開始出現與拉伸方向成 45 度的線條狀痕跡，是開始宏觀屈服的標志，成為 ludes 帶。隨后應力下降到下屈服點，ludes 帶開始沿試樣長度方向擴展，直到整個試樣。（2）屈服變形過程中已屈服的應變并不增加，屈服延伸率是依靠屈服區不斷擴大實現的。一個新的 ludes 帶的產生，對應屈服平臺的一次跳躍。ludes 帶穿越了試樣截面的各個晶粒。(3)了解材料的理論與實際屈服強度、微觀與宏觀屈服應力及宏觀屈服判據；理論屈服強度：相鄰兩層原子相對滑動所需要克服的原子間的最大作用力。Gt=

7、 0.1Gm2p實際屈服強度微為臨界分切應力tc；宏屈服判據為 Tresca 準則和 Mises 準則。為sc。(4)了解材料強化的基本途徑與常用方法。強化的基本途徑包括：（1）提錯運動的阻力：改變鍵合類型，提高派納力；引入大量晶體缺陷；（2）金屬非晶化；（3）無位錯的理想晶體。常用方法有細晶強化；固溶強化；第二相強化；相變強化。33.材料斷裂行為:(1)了解材料常見斷裂形式及其分類方法；按斷裂前是否存在宏觀變形：宏觀塑性變形，宏觀脆性變形；按斷裂機制：切離、微孔型斷裂、解離斷裂、準解離斷裂按斷面與外載方向：正斷與切斷按裂紋擴展路徑：穿晶與沿晶(2)熟悉金屬延性斷裂行為及微觀機制；1 純剪切型

8、斷裂切應力作用下沿滑移面分離；刃型或尖錐狀斷口；2 微孔型：杯錐狀斷口，分區、放射區和剪切唇。微觀上存在韌窩，內部存在第二相質點或其存在的痕跡；微孔萌生（分弱界面結合和強界面結合）和長大（質點周圍塑性變形有關），與第二相質點有關。(3)熟悉解理和沿晶斷裂行為及微觀機制；解離斷裂斷口特征：宏觀結晶狀，閃光，垂直于最大正應力方向。微觀存在河流花樣；斷口表層有塑性變形痕跡，滑移線或形變孿晶。存在舌狀花樣。臨界裂紋形核：通過位錯反應，與局部塑性變形有關。解離裂紋擴展：臺階機制穿越晶界，形成河流花樣。臺階可有二次解離或塑性變形切離形成。沿晶斷裂： 斷口呈結晶狀，無閃光；典型為冰糖塊狀。晶界弱化是基本條件

9、；裂紋可以產生在初始缺陷（氣孔、微裂紋等）處；位錯塞積在晶界形成應力集中。晶界弱化時，直接導致晶界開裂。形成裂紋后延晶界擴展。(4)了解斷裂的宏觀強度理論。1 第一強度理論：最大正應力理論，最大正應力大于正斷抗力，材料正斷。S1 = s1 ³ s f42 第二強度理論：最大正應變理論。最大正應變大于單向拉伸時極限正應變。e1 ³ e f= s1 -n (s 2 + s 3) ³ s bSII4.材料的脆性及脆化因素:(1)了解材料脆性的本質及表現，熟悉微觀脆性與宏觀脆性的與區別；本質脆性：塑性變形不是裂紋擴展的必需條件；半脆性：存在塑性向脆性轉化的過程。脆化因素包

10、括：缺口、沖擊和低溫脆性。(2)熟悉缺口頂端的應力和應變特征，了解缺口試樣拉伸行為及缺口敏感性；存在應力集中、多向應力狀態；應變集中。注意塑性材料，可能存在塑性變形區，使應力應變重新分布。分平面應力或平面應變狀態考慮。PN Fs=缺口抗拉強度bnNNSR = s bn缺強比衡量材料的缺口敏感性。s b脆性材料拉伸行為：缺口頂端最大正應力達到斷裂強度， 缺口表面形成初始裂紋-向心部擴展-斷裂（宏觀脆性）中低塑性材料：缺口頂端產生一定塑性變形-裂紋萌生（微孔）-裂紋向中心擴展-斷裂高塑性材料：不全面屈服，裂紋從試樣中心萌生，向外擴展，形成杯錐狀斷口。5(3)了解沖擊載荷特征與沖擊變形斷裂特點，掌握

11、缺口試樣沖擊試驗與沖擊韌性的意義及應用；沖擊載荷特征； 加載速率高，應變速率大；具有能量載荷的性質（與構件形狀、體積和環境介質有關）沖擊變形的特點：應變速率對彈性變形無影響；使塑性變形滯后，屈服強度增加，變形不均勻，導致脆化。采用沖擊試驗。擺錘彎曲沖擊，計算沖擊功。沖擊韌性一般認為是材料沖擊載荷抗力及韌脆程度的度量。但無明確物理意義。Ak = Ae + Ap + Ad1 + Ad 2(4)了解材料低溫脆性的本質及其評定方法。有關現象：有關低溫脆性的本質：屈服強度隨溫度降低而增加的結果。斷裂強度隨溫度降低變化不大。細化晶粒使臨界溫度下降，減小脆化傾向。采用系列沖擊試驗的方法。6按 Ak 值的變化

12、確定 Tc；包括平均能量法和經驗法（對應某一 Ak 值的 T）；按斷口形貌：斷口形貌轉變溫度（FATT）脆性斷口占 50%。5.材料裂紋體的斷裂及其抗力(1)了解材料的理論斷裂強度,掌握 Griffith 強度理論及應用；理論斷裂強度；整體拉斷。假定在斷裂點附近滿足胡克定律，e=ec；s=sc。根據彈性能= ( Eg )1 / 2和表面能的關系。得到：sma0Griffith 強度理論，引入裂紋。頂端應力集中使得裂紋在遠低于sm 的條件下擴展以致斷裂。條件：厚無限，中間存在長度 2a 的穿透性裂紋。無應力區為長徑 4a，寬 2a的橢圓。考慮初始彈性應變能密度，割開裂紋的應變能；割開裂紋新增表面

13、能；系統總2Eg能量變化；求臨界值，s =為脆性裂紋失穩擴展的條件。U 在ac 附近具有極大值，pacc處于不穩定平衡狀態。(2)掌握線彈性斷裂力學的基本概念與基本原理，了解裂紋尖端塑性區及其修正；線彈性力學；裂紋體。裂紋前端存在應力集中和三向應力條件。對于無限大平板 I 型裂紋，在均勻拉應力s 的作用下，裂紋前段任一點的應力分量。7K1s=f (q )xx2prK1s=f (q )yy2prK1t=f (q )xyxy2prKI = s pa ， f（q）-方向因子。KI 為應力場強度因子，復合參量 Mpa×m ，力學參量，裂紋1/2前端應力場強弱；KI 達到臨界點時裂紋失穩擴展。

14、這時的 KIC 為斷裂韌性； KIc = s c pacKI 是重要的力學性能指標。反映了材料抵抗裂紋失穩擴展的能力。=2Eg應用：作為判據可以（1）確定構建承載能力；（2）確定臨界裂紋；（3）確定構件的安全性。(3)了解裂紋體的斷裂過程與斷裂韌性的測定及其影響因素。斷裂過程； 初始裂紋（a0）-啟裂-（1）亞臨界擴展（a0+Da£ac）-失穩擴展（a0+Da³ac）（2）脆性固體（a0³ac）-失穩擴展（a0+Da³ac） 斷裂韌性的測定采用三點彎曲試樣或緊湊拉伸試樣，多用前者；（1）試樣滿足小范圍屈服和平面應變條件；（2）保證初始裂紋的性；（3）結果

15、需要校核。影響因素包括表面能和塑性變形功。6.材料的疲勞(1)熟悉高周、低周疲勞行為,s-N 與e-N 疲勞曲線及其經驗規律，掌握疲勞抗力的意義及表征；對于高周疲勞行為，smax<ss，彈性變形，Nf 高，應力疲勞；疲勞極限和疲勞；對于低周疲勞，塑性變形，Nf 低，應變疲勞8(2)了解疲勞斷裂過程、特征及微觀機制；疲勞斷裂特征：低應力破壞；宏觀脆性斷裂；長期的過程；對表面敏感；具有統計性。斷口特征：從宏存在疲勞源、疲勞裂紋擴展區和瞬時斷裂區，存在疲勞線（海灘花樣、貝紋線）；微，存在疲勞條紋（與應力循環）相對應。疲勞裂紋萌生：一般源于零件表面，與局部往復塑性變形有關，產生駐留滑移帶和滑移帶

16、擠入和擠出現象。裂紋擴展：塑性材料鈍化-銳化機制。脆性材料裂紋擴展為解離面劈開方式進行。(3)掌握疲勞裂紋擴展的斷裂力學處理思路與 Paris 方程；DK= K max - K min應力強度因子幅。9acda= ò dn = ò c(DK )nNa 0(4)了解材料疲勞抗力的影響因素。高周：次載鍛煉和過載損傷；表面狀態（粗糙度，表面壓應力）；組織結構（晶粒度、夾雜）；材料性能（對高周疲勞，高強度是有利的）；低周疲勞：材料具有高塑性是有利的。7.材料高溫力學性能(1)了解高溫下材料力學性能特點；產生蠕變和應力松弛現象；組織變化；環境介質作用。應力松弛是應力不斷減小的蠕變過程

17、。松弛穩定性指抗應力松弛的能力。恒溫恒應變條件下的應力-應變曲線為應力松弛曲線。(2)熟悉高溫蠕變行為、斷裂過程及其微觀機制；持續載荷作用下隨時間延長發生的緩慢而連續的塑性變形作用。一般分為蠕變階段、恒速蠕變和蠕變。變形機制包括（1）熱激活和應力作用下的位錯運動；（2）晶界粘滯運動；（3）擴散蠕變；斷裂特征包括：（1）隨應力降低，溫度升高，從穿晶斷裂轉變為沿晶斷裂，高溫蠕變變為沿晶脆斷。斷裂過程包成（1）裂紋形核：斷口附近發現沿晶裂紋與晶界滑動；裂紋形成包括楔形裂紋和晶界空洞兩種情況。（2）斷裂過程包括形核、分散長大、橫向裂紋的形成，曲折裂紋段的形成，曲折裂紋的連接乃至斷裂的過程。(3)掌握蠕變極限與持久強度指標的含義、評價方法及影響因素。蠕變極限是高溫持續載荷作用下的塑性變形抗力。s T為給定溫度下產生一定蠕變速率de dt的應力值。s T 為給定溫度下一定時間內產生一定蠕變延伸率的應力值，用于高溫下長期服d / t役要求限制變形的構件。持久強度： d T 給定溫度下經過規定時間后產生斷裂的最大應力，是高溫持續載荷下的t斷裂抗力。（4）影響高溫性能的主要因素10基體材