《材料力学性能》复习提纲
第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
1.拉伸变形过程；
可分为弹性变形、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几个阶段。
2.弹性不完整性（滞弹性，包申格效应），循环韧性；
弹性不完整性：金属的弹性变形与载荷方向和加载时间有关而表现出的非弹性性质。
金属在弹性变形中存在滞弹性(弹性后效)和包申格效应等弹性不完整现象。
一、滞弹性(弹性后效)
定义：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变，即应变落后于应力的现象。
二包申格效应
定义：材料经预先加载并产生少量塑性变形(残余应变为1%~4%)，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，称为包申格效应。
循环韧性：金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力，叫做循环韧性，也称为内耗3.塑性变形方式，滑移，均匀屈服产生机制，影响屈服强度的因素；
一·塑性变形的主要方式：滑移，孪生
滑移：指的是金属在切应力作用下沿一定晶面(滑移面)和一定晶向(滑移方向)进行的切变过程。二·均匀屈服
1、均匀屈服曲线的特点
有上、下屈服点，没有屈服平台。
2、均匀屈服的机制
低密度可动位错理论，柯氏气团钉扎理论，位错塞积群理论
三·影响屈服强度的因素—阻碍位错运动
1、影响屈服强度的内因
(1) 基体金属的本性及晶格类型(P12)
塑性变形主要沿基体相进行。
(2) 溶质原子
固溶强化：在纯金属中加入溶质原子形成固溶体合金，将显著提高屈服强度，称为固溶强化。(3) 晶粒大小和亚结构
晶界(亚晶界)是位错运动的障碍。
细晶强化：用细化晶粒提高金属屈服强度(同时可以提高其塑性)的方法称为细晶强化。
(4) 第二相
位错切过或绕过
沉淀强化(时效强化)：依靠过饱和固溶体的脱溶产生的强化。 弥散强化：用粉末冶金的方法人为地加入第二相所造成的强化。 沉淀强化与弥散强化的相同点：第二相以细小颗粒形式分布于基体中。 沉淀强化与弥散强化之间的不同点如下表：
2、影响屈服强度的外因 (1) 温度：T ↑，σs ↓。 T ↑，位错密度↓；同时晶界弱化 (2) 应变速率增大，σs ↑。 (3) 应力状态
切应力分量越大(可促进更多滑移系开动)，越有利于塑性变形，屈服强度则越低 4.应变硬化（形变强化）及其产生原因和工程意义；
应变硬化：材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象。 机理：位错的增殖与交互作用导致的阻碍。 2、 n 的意义
(1) n 较大，抗偶然过载能力较强；安全性相对较好；
(2) 反映了金属材料抵抗、阻止继续塑性变形的能力，表征金属材料应变硬化的性能指标； (3) 应变硬化是强化金属材料的重要手段之一，特别是对不能热处理强化的材料； (4) 提高强度，降低塑性，改善低碳钢的切削加工性能。 5.缩颈，抗拉强度； 抗拉强度：
定义：材料在静拉伸条件下的最大位伸应力。 缩颈现象：
韧性材料，变形集中于局部区域 应变硬化与截面减小共同作用的结果 6.塑性、脆性及韧性，塑性指标；
A F b
b =
σ
塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
均匀塑性变形+ 集中塑性变形
塑性指标
①断后伸长率δ
②断面收缩率ψ
③δ5> δ10
④最大应力下总伸长率δgt
脆性：指材料收到外力时，其内部容易产生裂纹并破坏的性质
韧性：指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂的能力
静力韧度：金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功。
7.机件的失效形式：磨损、腐蚀和断裂；
8.断裂的分类及各类断口特征，韧性断裂和脆性断裂的区别，哪种断裂更危险及其原因；
一、断裂的分类（P24看）
(一) 韧性断裂和脆性断裂
根据断裂前塑性变形的大小进行的分类。
(1) 韧性断裂：指的是在断裂前发生明显宏观塑性变形的断裂。
断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇。
纤维区：灰暗色，裂纹扩展速度慢；
放射区：裂纹扩散速度快，低能量撕裂，有放射线花样。
剪切唇：切断。杯状或锥状，表面光滑，与拉伸轴成45°角。
（2）脆性断裂：指的是突然发生的断裂，断裂前基本不发生塑性变形。
断裂前不发生明显塑性变形ψ<5%，断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状；
韧性与脆性断裂比较
断裂类型塑性
变形
扩展速度断口特征材料
韧性断裂明显慢灰黑色、纤维状金属及高分子
脆性断裂无突然、快速平齐光亮、放射状、结晶状淬火钢,铸铁,陶瓷
脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大9拉伸断口的三要素以及强度和塑性对断口三个区域组成的影响；
断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇。
材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大，试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大
10.微孔聚集断裂过程；
微孔聚集型韧性断裂包括微孔形核、长大、聚合、断裂等过程。 11.格雷菲斯裂纹理论（原理（热力学），出发点，必要条件）； 格雷菲斯裂纹理论。
1、格雷菲斯裂纹理论的出发点 (1) 材料中已存在裂纹；
(2) 局部应力集中超过理论断裂强度； (3) 裂纹快速扩展；
(4) 弹性能降低足以满足裂纹表面能的增加从而导致材料脆性断裂。 格雷菲斯公式
是必要条件，能量判据。
12.为什么理论断裂强度与实际断裂强度在数值上有数量级的差别；
13.机械设计中最常用的两个强度指标为：屈服强度和抗拉强度； 14.碳含量对钢拉伸曲线的影响。
1
2
2()s c E a
γ
σπ=
第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 1. 应力状态软性系数α及其代表的意义；
应力状态软性系数：表示最大切应力与最大正应力的相对大小。表示塑性变形难易程度。
(1) α越大就越易塑性变形，反之越易产生脆性断裂。
(2) 把α值较大的称做软的应力状态，α值较小的称做硬的应力状态。 2. 压缩、弯曲、扭转试验的特点； 1、压缩试验的特点
(1) 单向压缩的应力状态软性系数α＝2。
(2) 拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂 2弯曲试验的特点
(1)上表面为压应力，下表面为拉应力； (2)弯曲试验试样形状简单，造作方便 (3)表面上应力最大可灵敏反映材料表面缺陷； 3扭转试验的特点
(1) 扭转的应力状态软性系数为0.8，易于显示塑性行为；
(2) 圆柱试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有颈缩现象； (3) 可敏感反映表面缺陷及硬化层性能；
(4) 根据扭转试验可明确区分材料最终断裂方式是正断还是切断。
3. 缺口效应（定义及由于缺口引起的两个效应），理论应力集中系数，缺口敏感度及其代表的意
义；
缺口效应：缺口的存在，使得材料在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生改变 缺口的第一个效应：缺口造成应力集中。并改变了缺口前方的应力状态 缺口的第二个效应：缺口使塑性材料的强度增高，塑性降低。 理论应力集中系数Kt ：表示缺口引起的应力集中程度。
缺口敏感度（NSR ）：缺口试样的抗拉强度与等截面光滑试样抗拉强度的比值。 )
(5.02)()(21
3131m ax σσσσσσσνσσσστα+--=+--==max
t K σσ
=
--------光滑试样拉伸强度 NSR 越大缺口敏感性越小
(1) 脆性材料，NSR 远小于1，形变强化非常小，对缺口非常敏感 (2) 高强度材料，NSR ＜1，形变强化小，敏感 (3) 塑性材料，NSR ＞1，形变强化大，不敏感
4. 硬度的分类、符号表示方法、测试（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）原理\方法； 一、布氏硬度（HB ） 1、测定方法及原理
压头有淬火钢球或硬质合金球。
压力将压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，试件表面留下压痕。
单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值。
符号表示：压头为淬火钢球，HBS(布氏硬度小于450)；压头为硬质合金球(布氏硬度450~650)，HBW 。
表示方法：150HBSl0/3000/30；500HBW5/750 。 二、洛氏硬度（HR ） 1、测定方法及原理
压头有α=120°的金刚石圆锥体(HRA 、HRC)；淬火钢球或硬质合金球(HRB)。 预加10kgf 压力，再加主压力，然后卸载。以压头留下的压痕深度表示材料的硬度值。规定每
0.002mm 为一个洛氏硬度单位
①HRB －－淬火钢球，中等载荷，测轻金属，未淬火钢 ②HRC －－金刚石圆锥，大载荷，测较硬，淬硬钢制品
bn
b NSR σσ＝0.1020.204F F HB
A ==0.002k h
HR -=
③HRA －－金刚石圆锥，小载荷，测硬、薄试件 表示方法：60HRC ；70HR30N 。 三、维氏硬度
1、原理及种类
压头为α=136o 的金刚石四棱锥体。试验原理与布氏硬度相同。 宏观维氏硬度：F=49.03~980.7N 。 显微维氏硬度：F=0.098N~1.961N 。 通过测量对角线长度d 计算出HV
表示方法：640HV30。 四、努氏硬度
五．肖氏硬度和里氏硬度
5. 课后作业P55页的8题。（选用硬度试验）
（1）渗碳层的硬度分布：显微维氏或努氏硬度试验-------试验力小，显微放大装置使检测精度更高 （3）灰铸铁：布氏硬度-------灰铸铁含有粗大晶粒和组成相，布氏硬度不受个别组成相和微小不均匀性影响
（4）鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体：显微维氏硬度-------试验力小，显微放大装置使检测精度更高，可测定合金中具体相硬度
（6）龙门刨床导轨;肖氏硬度或里氏硬度-------手提式装置，使用方便，可在现场测量大型工件 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 1. 冲击韧性；
冲击韧性指的是材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的大小。常用标准试样的冲击吸收功Ak 来表示。
2. 低温脆性、韧脆转变温度及其确定方法、韧性温度储备；
一．低温脆性;金属或合金，当温度低于某一温度tk 时，Ak 明显↓，转变为脆性状态，该现象称
为低温脆性(冷脆)。——多为bcc 、hcp 结构。 韧脆转变温度tk ：冲击韧性显著下降的温度，是衡量材料冷脆转化倾向的重要指标。
二、韧脆转变温度的确定 1、按能量定义tk
(1) 以低阶能定义tk ，NDT (nil ductility temperature)——无塑性或零塑性转变温度。
22
0.1020.204sin(136
/2)
0.1891o
F F F HV A d d
===
低于NDT，断口由100%结晶区组成。
(2) 以高阶能定义tk，FTP(fracture transition plastic)
高于FTP ，断口由100%纤维区组成。
(3) 以低阶能和高阶能平均值来定义tk：FTE (fracture transition elastic)
2、按断口形貌定义tk的方法
冲击试样断口一般也存在三个区：纤维区、放射区、剪切唇。
注：50% FATT （P61）
三机件的最低使用温度必须高于tk，两者之差越大越安全。△＝t0-tk称为韧性温度储备。通常tk为负值，t0应高于tk，所以△为正值。一般取40~60℃。
3.产生低温脆性的物理本质和机理；
物理本质：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。
当t>tk时，σc>σs，随外力↑，
先屈服，后断裂→韧性断裂。
当t σc，(屈服的同时发生断裂)为脆性断裂。 机理： ①派纳力（P14） ②迟屈服（P60） ③柯氏气团：位错运动受阻 4.影响韧脆转变温度的因素。 一、晶体结构的影响 1、bcc、hcp金属及合金存在低温脆性。 2、fcc金属及合金在常规使用温度下一般不存在低温脆性。 3、普通中、低强度钢的基体为bcc的F，所以均具有明显的低温脆性。 二、化学成分 (1) 间隙原子，使韧性降低，提高其韧脆转变温度。 (2) 钢中的置换原子，一般提高韧脆转变温度，降低韧性。但Ni和Mn例外。
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