材料性能学重点(完整版)
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第一章材料热学性能内容概要:本章讲述材料的热容、热膨胀、热传导、热稳定性等方面的内容,并简述其物理本质。
主要内容和学时安排如下:第一节材料的热容重点掌握经典热容理论和量子热容理论的内容;理解温度、相变等对热容的影响;了解热容的几种测量方法,对热分析法的原理和应用要重点理解。
第二节材料的热膨胀重点掌握线膨胀系数、体膨胀系数、热膨胀的物理本质;了解热膨胀的测量方法;理解热膨胀分析方法在材料中的应用。
第三节材料的热传导掌握热传导定律;热传导的物理本质;理解热传导的影响因素。
(共6个学时)第一节 材料的热容一、热容的定义:不同的物体升高相同的热量时其温度会不同,温度升高1K 所需要的能量定义为热容: ∆T ∆=Q C 定容热容:如果在加热过程中,体积不变,则所提供的热量全部用于粒子动能(温度)的增加,用Cv 表示 ()V V Q C ∆=∆T定压热容:如果在加热过程中保持压力不变,则物体的体积自由膨胀,这时所提供的热量一部分用于升高体系的温度,一部分用于体系对外做功,用Cp 表示()()V V V Q U P V U C T ∆∆+∆∆===∆T ∆∆T ()()()()()P P P P P P Q U P V U V H C P T T T∆∆+∆∆∆∆===+=∆T ∆∆T ∆∆ T c m H =c 为0-TK 时平均比热容,即质量为1Kg 的物质在没有化学反应条件下,温度升高1K 时所需的热量,单位为J/(Kg.K )定压热容>定容热容,一般实验测得的是恒压热容CpTQ m C P ∆∆=1 即在T T T -+∆温度范围内的平均热容: 当0T ∆→时,P C 即可认为是TK 时的热容dTdQ m C P 1= 摩尔恒压热容:1mol 物质在没有化学反应和相改变条件下,升高1K 所需的能量,用C pm 表示 摩尔恒容热容:KT V v C C m Vm Pm 2∂=- M C C P Pm =(M 为摩尔质量)二、热容理论实验发现:在不发生相变条件下,多数物质的热容Cv 在高温下,逐于一恒定值;低温区3V C T ∝;0T →时,0V C =。
第一章证明题 显然,真应力总是大于工程应力,真应变总是小于工程应变。
缩颈的条件: 产生缩颈的载荷为 影响材料弹性模数的因素: 1、键合方式和原子结构:a 、以共价健、离子键、金属键结合的材料有较高的弹性模量。
b 、以分子键结合的材料,弹性模量较低。
()εσσσ+=∆+==⋅===10000000LLL L LA A A F A F S AL L A ()ε+====⎰⎰1ln ln 00l ll dl de e ll en endede A dA l dl de endeA dA de e F n dA A F e denKAe A dAKe A de KAne dA Ke dF KAe F Ke S SA F n nn n nn ==+--===+=⋅+=+⋅=+====-00001()()nnn b ne b b b bnb bn b b b b n n b b e n K e Kn e e A A A A e A A KnA Kn A S A F Kn Ke S b ⎪⎭⎫⎝⎛===========---σσσ00lnc、原子结构:a)非过渡金属(b)过渡族金属:原子半径较小,且d层电子引起较大的原子间结合力,弹性模数较高。
且当d层电子等于6时,E有最大值2、晶体结构:a、单晶体材料,由于在不同的方向上原子排列的密度不同,故呈各向异性。
b、多晶体材料,E为各晶粒的统计平均值,伪各向同性。
c、非晶态材料弹性模量各向同性。
3、化学成分:(引起原子间距或键合方式的变化)(1)纯金属主要取决于原子间的相互作用力。
(2)固溶体合金:主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构,弹性模量变化不大(3)两相合金:与第二相的性质、数量、尺寸及分布状态有关。
(4)高分子:填料对E影响很大。
4.微观组织:金属:微观组织对弹性模量的影响较小晶粒大小对E无影响;陶瓷:工程陶瓷弹性模数与相的种类、粒度、分布、比例、气孔率等有关。
材料性能学复习(1)低碳钢拉伸曲线特点(p1)典型力——伸长曲线分析:OP:弹性变形,F∝△LPe:过量弹性变形Pe :偏离OPeC:屈服变形,不均匀塑性变形CB:均匀塑性变形Bk:不均匀集中塑性变形k:断裂(2)影响弹性模数的因素(p5)一)键合方式和原子半径二)晶体结构单晶体材料的弹性模数在不同的晶体学方向上各向异性,即沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大多晶体和非晶体材料表现为各向同性。
三)化学成分固溶体合金中,溶解度较小时,E变化不大;两相合金中, E与合金成分、第二相性质、数量、大小及分布有关。
四)微观组织气孔率对陶瓷的E的影响:高分子聚合物的弹性模数可以通过添加增强性填料而提高复合材料:其弹性模数随增强相体积分数的增高而增大五)温度影响原子间距而使弹性模数变化六)加载条件和载荷持续时间对金属、陶瓷类材料的弹性模数几乎没有影响高分子聚合物材料的弹性模数一般随负荷时间的延长而逐渐下降。
(3)高分子材料的塑性变形机理(p15)结晶态高分子材料的塑性变形由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束。
非晶态高分子材料变形有两种方式:在正应力作用下形成银纹或在切应力作用下无取向分子链局部转变为排列的纤维束。
4、金属材料的塑性变形机理(p14)单晶体塑性变形的主要方式:滑移和孪生滑移是金属晶体在切应力的作用下,沿滑移面和滑移方向进行的切变过程滑移面和滑移方向的组合成为滑移系;滑移系越多,金属的塑性越好;滑移还受到晶体结构和温度的影响;滑移的机制——位错运动;为使晶体中上下两部份相对移动,滑移是“最省力”的一种方式孪生:晶体一部分相对于另一部分的均匀切变。
滑移难以发生时才会出现孪生;孪生变形可以调整;滑移面的方向使新的滑移系动,间接对塑性变形有贡献。
多晶体金属材料塑性变形的特征(4)塑性变形的非同时性和非均匀性:材料表面优先与切应力取向最佳的滑移系优先(5)各晶粒塑性变形的相互制约与协调晶粒间塑性变形的相互制约晶粒间塑性变形的相互协调晶粒内不同滑移系滑移的相互协调5、几种常见的硬度测试方法及机理(p48)常用:布氏硬度法、洛氏硬度法和维氏硬度HBS:以淬火钢球为压头测出的硬度值,主要用于450HBS以下的灰铸铁、软钢和非铁合金HBW:以硬质合金球为压头测出的硬度值,可测试650HBW以下的淬火钢材(6)火钢球或硬质合金球D(mm) ②加载F(kgf);③压入;④定时;⑤卸载→圆形压痕;⑥测量圆形压痕d;⑧布氏硬度HB:⑦圆形压痕表面积(3)压痕几何相似原理(载荷F与压头直径D):①d= D sinφ/2HB=2F/[πD(D-√D2-d2)]→HB=F/D2·2/[π(1-√1-sin2φ)]②两个条件:一是φ为常数;二是保证F/D2为常数。
比例极限:材料在不偏离应力与应变正比关系下所能承受的最大应力弹性极限:在应力去除不遗留任何永久变形的条件下材料能承受的最大应力弹性模量:在应力-应变关系意义上弹性模量是产生单位弹性变形所需的应力在工程中弹性模量是表征材料对弹性变形抗力即材料的刚度弹性比功:又称弹性比能或应变比能是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力可用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示包申格效应:金属材料预先加载产生少量塑性变形而后在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金属材料的力学性能是指在载荷作用下其抵抗变形和断裂的能力低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形塑性变形和断裂三个过程影响金属材料弹性模量的因素键合方式晶体结构化学成分微观组织温度及加载方式和速度弹性变形:材料在外力作用下变形当外力取消后材料变形即可消失并能完全恢复原来形状这种可恢复的变形成为弹性形变屈服强度:屈服是表征材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形能力所对应的应力值强度极限:物体在外力作用下发生破坏时出现的最大应力塑性:材料在外力作用下材料能稳定的发生永久变形而不破坏其完整性的能力超塑性:材料在一定内部条件外部条件下呈现出异常低的流变抗力异常高的流变性能的性能的现象一般是非晶态固态或玻璃金属塑性的指标有延伸率和断面收缩率单晶体的塑性变形方式有滑移和孪生影响金属材料屈服强度因素晶体结构(晶格阻力)摩擦阻力境界阻力溶质元素影响金属材料塑性强度的因素晶体结构晶粒大小位错第二相元素原子韧性断裂:材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的的断裂过程,一般裂纹扩展较慢消耗大量塑性变形能光滑拉伸试样的断面收缩率小于5%脆性断裂:材料断裂前基本上不产生明显的的宏观塑性变形没明显预兆往往表现为突然地快速断裂过程有很大危险性光滑拉伸试样的断面收缩率大5%剪切断裂:材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂解理断裂:在正应力作用下由于原子间结合键破坏硬引起的沿特定晶面发生脆性穿晶断裂断裂韧度:当应力或裂纹尺寸增大到临界值也就是在裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度裂纹便失稳扩展而导致材料的材料断裂这是裂纹尖端应力场强度参量K达到的临界值为记为断裂韧度影响材料断裂韧性的因素:受材料的化学成分组织结构基体相结构和晶体尺寸夹杂和第二相显微组织应变速率温度材料中裂纹的形核和扩展的研究是微观断裂力学的核心问题材料的断裂过程大多包括裂纹的萌生和扩展按照断裂前材料宏观变形的程度分为脆性断裂和韧性断裂按照断裂时裂纹扩展的途径分为穿晶断裂和沿晶断裂按照微观断裂机理分为解理断裂和剪切断裂韧性断裂断口一般呈杯锥状断口特征三要素由纤维区放射区剪切唇3个区域组成裂纹扩展的基本方式是张开滑开撕开裂纹3种以张开裂纹最为危险剪切断裂和解理断裂的特征:剪切断裂单晶体产生纯剪切断裂断口呈锋利锲型多晶体沿着相互交叉的滑移面滑动微观断口呈蛇形滑动花样微观断口特征花样则是断口分布大量锲窝解理断裂断口由许多相当于晶粒大小的解理面集合成特征为解理台阶河流花样舌状花样应力软性系数:有三个主应力σ1σ2σ3(1>2>3)最大切应力τmax=(σ1-σ3)/2最大正应力max=σ1-ν(σ2+σ3) v为泊松比则两者之间的比值为应力软性系数抗弯强度:材料抵抗弯曲而不断裂的能力应力状态最软的加载方式是单相压缩这方法易于显示材料的塑性行为可用于考察脆性材料的塑性指标测试灰铸铁和陶瓷材料的塑性指标可选择压缩试验方法扭转试验的应用与特点:1.扭转可用于测定在拉伸时表现为脆性或低塑性材料的性能 2.扭转能较敏感的反映材料表面硬化层性能可用于对表面强化工艺进行研究或对构件热处理表面检验 3.塑性变形均匀不出现颈缩可精确测定高塑性材料变形抗力4.扭转试验是测定材料切断强度最可靠方法5.可明确区分材料的断裂方式是正切还是切断弯曲试验的应用与特点:1.应力状态与拉伸试验类似适用与加工不方便的脆性材料2.难以测定高塑性材料强度3.可以灵敏反映材料的表面缺陷可用于灰铸铁硬质合金陶瓷材料工具钢的抗弯强度布氏硬度:优点压痕面积大硬度值能反映较大区域内组成相的平均性能数据稳定重复性高缺点压痕直径较大不宜直接在成品件进行对压痕直径测量比较麻烦应用适用于测定灰铸铁轴承合金材料硬度洛氏硬度:优点操作简单迅速压痕小可直接检验工件缺点压痕小代表性差测得值重复性差分散度大应用可直接检验工件用不同标尺可测定不同试样的硬度维氏硬度:优点角锥压痕清晰精确可靠可任意选择载荷不存在布氏硬度中关系约束不存在维氏硬度的不同标尺的硬度缺点测量过程繁琐应用如采用小载荷测量可得到显微维氏硬度可测极软极硬硬度表征材料的小范围抵抗变形的能力45钢调制后用洛氏淬火钢马氏体组织用维氏灰铸铁用布氏冲击韧性:反映金属材料对外来冲击载荷的抵抗能力低温脆性:当材料的应用温度低于某一温度时材料会出现有韧性状态变为脆性状态冲击韧性也明显下降的现象韧脆转变温度:由韧性断裂向脆性断裂转变的临界温度低于该温度则材料韧性急剧下降影响低温脆性的因素:材料内在因素(晶体结构化学成分晶粒尺寸金相组织)外部因素(试样尺寸和形状加载速率)测定冲击韧性 20钢需要开缺口灰铸铁高速钢不需开缺口同一材料采用拉伸和扭转试验方法扭转测得tk较低制成光滑试样和缺口试样进行拉伸试验光滑试样测得较低tk疲劳:工程构件在交变载荷作用下裂纹萌生并不断扩展最终导致构建断裂的过程称为疲劳过程疲劳极限:当应力低于某值时材料或构件承受无限多次应力循环或应变循环而不发生断裂。
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。
意义:a. 确保安全,防止产生突然破坏;b. 缓和应力集中;c. 是轧制、挤压等冷热加工变形的必要条件;影响因素:a. 细化晶粒,塑性↑;b. 软的第二相,塑性↑;c. 温度提高,塑性↑;d. 固溶、硬的第二相等,塑性↓(3)韧性:材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
(或者材料抵抗裂纹扩展的能力,J/m3),是材料的力学性能。
退火低碳钢静拉伸曲线特征;断口形貌特点;退火低碳钢在拉伸力作用下的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。
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。
材料性能要点(完整版)真实应力-真实应变曲线在整个拉伸过程中的变形可分为四个阶段:弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形和非均匀集中塑性变形。
力-伸长曲线的纵向和横向坐标分别除以拉伸样品的原始横截面积A0和原始规格长度l0。
然后可以得到应力(σ=f/ao)-应变(=δ l/lo)曲线比例极限σp、弹性极限σe、屈服点σs、抗拉强度σb类似于力-伸长曲线的形状。
如果相应的拉力f除以瞬时横截面积a,就可以得到瞬时真实应力s (s=f/a)。
类似地,当拉力f具有增量dF时,样品在瞬时长度l的基础上变成l dl,因此应变的微分增量应该是de=dl/l,并且在测试棒从L0延伸到l之后的总应变是:其中e是真正的应变。
因此,工程应变与真实应变的关系是2.在应力-应变关系的意义上,当应变是一个单位时,弹性模量等于弹性应力的值,即弹性模量是产生100%弹性变形所需的应力。
在工程中,弹性模量是材料对弹性变形的抵抗力,即材料的刚度。
该值越大,相同应力下的弹性变形越小。
比弹性模量是指材料的弹性模量与其单位体积质量(密度)的比值,也称为比模量或比刚度。
3.影响弹性模量的因素①键模式和原子结构(不大);②晶体结构(大);③化学成分(间隙大于固溶体);④微观结构(不大);⑤温度(大);⑥装载条件和装载持续时间(不大)4.比例极限和弹性极限比例极限σp是保证材料弹性变形按照比例关系变化的最大应力,即拉伸应力-应变曲线开始偏离直线时的应力值。
弹性极限σe试样在加载后卸载,材料能完全弹性恢复的最高应力值,以无残余永久变形为标准。
5.弹性比能也称为弹性比能或应变比能,用声发射表示,是指材料在弹性变形过程中吸收变形能的能力。
一般来说,当材料的弹性变形达到弹性极限时,它可以用单位体积吸收的弹性变形功来表示。
6.根据弹性变形过程中材料应力应变的响应特性,弹性可分为理想弹性(完全弹性)和非理想弹性(弹性缺陷)。
对于理想弹性材料,在外载荷作用下,应力和应变服从胡克定律σ=m ε,并同时满足三个条件,即:应变对应力的响应是线性的。
第一章材料单向静拉伸的力学性能1、名词解释:银纹:银纹是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷,由于它的密度低,对光线的反射能力很高,看起来呈银色,因而得名。
银纹产生于高分子材料的弱结构或缺陷部位。
超塑性:材料在一定条件下呈现非常大的伸长率(约1000%)而不发生缩颈和断裂的现象,称为超塑性。
晶界滑动产生的应变εg在总应变εt中所占比例一般在50%~70%之间,这表明晶界滑动在超塑性变形中起了主要作用。
脆性断裂:材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形,没有明显的预兆,往往表现为突然发生的快速断裂过程,因而具有很大的危险性。
韧性断裂:材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。
韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢,而且消耗大量塑性变形能。
解理断裂:在正应力作用下,由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。
(解理台阶、河流花样和舌状花样是解理断口的基本微观特征。
) 剪切断裂:剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。
(微孔聚集型断裂是材料韧性断裂的普通方式。
其断口在宏观上常呈现暗灰色、纤维状,微观断口特征花样则是断口上分布大量“韧窝”。
)4、试述韧性断裂与脆性断裂的区别,为什么说脆性断裂最危险?应力类型,塑性变形程度、有无预兆、裂纹扩展快慢。
5、断裂强度σc与抗拉强度σb有何区别?若断裂前不发生塑性变形或塑性变形很小,没有缩颈产生,材料发生脆性断裂,则σc=σb。
若断裂前产生缩颈现象,则σc与σb不相等。
6、格里菲斯公式适用哪些范围及在什么情况下需要修正?格里菲斯公式只适用于含有微裂纹的脆性固体,如玻璃、无机晶体材料、超高强钢等。
对于许多工程结构材料,如结构钢、高分子材料等,裂纹尖端会产生较大塑性变形,要消耗大量塑性变形功。
因此,必须对格里菲斯公式进行修正。
第二章材料单向静拉伸的力学性能1、应力状态软性系数;τmax和σmax的比值称为,用α表示。
α越大,最大切应力分量越大,表示应力状态越软,材料越易于产生塑性变形。
1低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。
2、材料常规力学性能的五大指标为:屈服强度、抗拉强度、延伸率断面收缩率、冲击功。
3、陶瓷材料增韧的主要途径有相变增韧、微裂纹增韧、表面残余应力增韧、晶须或纤维增韧显微结构增韧以及复合增韧六种。
4、常用测定硬度的方法有—布氏硬度_、_洛氏硬度_和_维氏硬度—测试法。
1聚合物的弹性模量对结构一非常敏感,它的粘弹性表现为滞后环、应力松弛和蠕变,这种现象与温度、时间密切有关。
2、影响屈服强度的内在因素有:_结构健、组织、结构、原子本性;外在因素有:—温度、应变速率、应力状态。
3、缺口对材料的力学性能的影响归结为四个方面:(1)产生应力集中、(2)引起三相应力状态,使材料脆化、(3)由应力集中带来应变集中、(4)使缺口附近的应变速率增高。
4、低碳钢拉伸试验的过程可以分为—弹性变形—、塑性变形_和_断裂—三个阶段5、材料常规力学性能的五大指标为:—屈服强度、抗拉强度、延伸率断面收缩率、冲击功6陶瓷材料增韧的主要途径有相变增韧、微裂纹增韧、表面残余应力增韧、晶须或纤维增韧—显微结构增韧以及复合增韧六种请说明下面公式各符号的名称以及其物理意义7、- c = K © /丫J a cC c:断裂应力,表示金属受拉伸离开平衡位置后,位移越大需克服的引力越大, (T c表示引力的最大值;K ic:平面应变的断裂韧性,它反映了材料组织裂纹扩展的能力;丫:几何形状因子a c:裂纹长度da8、对公式C(AK)m进行解释,并说明各符号的名称及其物理意义(5分)dN答:表示疲劳裂纹扩展速率与裂纹尖端的应力强度因子幅度之间的关系。
da亞:裂纹扩展速率(随周次);dNc与m:与材料有关的常数;K :裂纹尖端的应力强度因子幅度茲=Acf9、箱蠕变速率,反映材料在一定的应力作用下,发生蠕变的快慢;n为应力指数,n并非完全是材料常数,随着温度的升高,n略有降低;A为常数;c为蠕变应力。
名词解释:1加工硬化:试样发生均匀塑性变形,欲继续变形则必须不断增加载荷,这种随着随性变形的增大形变抗力不断增大的现象叫加工硬化。
2弹性比功:表示金属材料吸收塑性变形功的能力。
3滞弹性:在弹性范围内快速加载或卸载后,随着时间延长产生附加弹性应变的现象。
4包申格效应:金属材料通过预先加载产生少来塑性变形,卸载后再同向加载,规定参与伸长应力增加;反向加载,规定残余伸长应力降低的现象。
5塑性:金属材料断裂前发生塑性变形的能力。
常见塑性变形方式:滑移和孪生6应力状态软性系数:最大切应力最大正应力应力状态软性系数α越大,最大切应力分量越大,表示应力状态越软,材料越易产生塑性变形α越小,表示应力状态越硬,则材料越容易产生脆性断裂7缺口效应:由于缺口的存在,在静载荷作用下,缺口截面上的应力状态发生拜年话,产生所谓―缺口效应―①缺口引起应力集中,并改变了缺口应力状态,使得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者三向应力状态。
②缺口使得材料的强度提高,塑性降低,增大材料产生脆断的倾向。
8缺口敏感度:有缺口强度的抗拉强度ζbm与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度ζb的比值. NSR=ζbn / ζs NSR越大缺口敏感度越小9冲击韧性:Ak除以冲击式样缺口底部截面积所得之商10冲击吸收功:式样变形和断裂所消耗的功,称为冲击吸收功以Ak表示,单位J11低温脆性:一些具有体心立方晶格或某些秘排立方晶格的金属,当温度降低到、某一温度时,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变为穿晶解理,断口特征由纤维状变为结晶状,这种现象称为低温脆性12 脆性转变温度:当温度降低时,材料屈服强度急剧增加,而塑形和冲击吸收功急剧减小。
材料屈服强度急剧升高的温度,或断后延伸率,断后收缩率,冲击吸收功急剧减小的温度就是韧脆转变温度tk,tk是一个温度区间13疲劳贝纹线:以疲劳源为中心的近于平行的一簇同心圆.是疲劳源裂纹扩展时前沿的痕迹14疲劳条带:具有略显弯曲并相互平行的沟槽花样,是疲劳断口最典型的微观特征15驻留滑移带:金属在循环应力长期作用下,形成永久留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带,具有持久驻留性.16应力场强度因子KI :表示应力场的强弱程度,对于某一确定的点的大小直接影响应力场的大小,KI 越大,则应力场各应力分量也越大17应力腐蚀:金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下,经过一段时间后产生的低应力脆断现象18氢致延滞断裂:高强度钢或α+β钛合金中,含有适量的处于固溶状态的氢,在低于屈服强度的应力持续作用下经过一段时间的孕育期后在金属内部,特别是在三向拉应力区形成裂纹,裂纹的逐步扩展,最后突然发生脆性断裂,这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂第一章2.力学性能指标的意义(1)δ0.2 对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料,塑性变形硬化过程是连续的,产生0.2%残余伸长应力时刻的屈服强度。
第一章1、 力—伸长曲线和应力—应变曲线,真应力—真应变曲线 在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形及不均匀集中塑性变形4个阶段将力—伸长曲线的纵,横坐标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积Ao 和原始标距长度Lo 相除,则得到与力—伸长曲线形状相似的应力(σ=F/Ao )—应变(ε=ΔL/Lo )曲线比例极限σp , 弹性极限σe , 屈服点σs , 抗拉强度σb如果以瞬时截面积A 除其相应的拉伸力F ,则可得到瞬时的真应力S (S =F/A)。
同样,当拉伸力F 有一增量dF 时,试样瞬时长度L 的基础上变为L +dL ,于是应变的微分增量应是de =dL / L ,则试棒自L 0伸长至L 后,总的应变量为:式中的e 为真应变。
于是,工程应变和真应变之间的关系为2、 弹性模数在应力应变关系的意义上,当应变为一个单位时,弹性模数在数值上等于弹性应力,即弹性模数是产生100%弹性变形所需的应力。
在工程中弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力,即材料的刚度,其值越大,则在相同应力下产生的弹性变形就越小。
比弹性模数是指材料的弹性模数与其单位体积质量(密度)的比值,也称为比模数或比刚度3、 影响弹性模数的因素①键合方式和原子结构(不大)②晶体结构(较大)③ 化学成分(间隙大于固溶)④微观组织(不大)⑤温度(很大)⑥加载条件和负荷持续时间(不大)4、 比例极限和弹性极限比例极限σp 是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力,即在拉伸应力-应变曲线上开始偏离直线时的应力值。
弹性极限σe 试样加载后再卸载,以不出现残留的永久变形为标准,材料能够完全弹性恢复的最高应力值5、 弹性比功又称为弹性比能或应变比能,用a e 表示,是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。
一般可用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示。
6、 根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点,弹性可以分为理想弹性(完全弹性)和非理想弹性(弹性不完整性)两类。
对于理想弹性材料,在外载荷作用下,应力和应变服从虎克定律σ=M ε,并同时满足3个条件,即:应变对于应力的响应是线性的;应力和应变同相位;应变是应力的单值函数。
材料的非理想弹性行为大致可以分为滞弹性、粘弹性、伪弹性及包申格效应等类型。
00ln 0L L L dL de e L e L ===⎰⎰)1ln(ln 0ε+==L L e7、 滞弹性(弹性后效)是指材料在快速加载或卸料后,随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。
8、 粘弹性:指材料在外力作用下,弹性和粘性两种变形机理同是存在的力学行为,其特征是应变对应力的响应不是瞬时完成的,需要通过一个弛豫过程,但卸载后,应变恢复到初始值,不留下残余变形。
9、 伪弹性:指在一定的温度条件下,当应力达到一定水平后,金属或合金将产生应力诱发马氏体相变,伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形的现象。
10、 包申格效应:材料经预先加载产生少量塑性变形(残余应变小于4%),而后同向加载,规定残余伸长应力,反向加载,规定残余伸长应力降低的象。
原因:预塑性变形,位错增殖、运动、缠结; 同相加载,位错运动受阻,残余伸长应力增加;反向加载,位错被迫作反向运动,运动容易残余伸长应力降低。
可以通过热处理加以消除。
对材料进行较大的塑性变形或对微量塑变形的材料进行再结晶退火11、 在非理想弹性情况下,由于应力和应变不同步,使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线,这个封闭回线称为弹性滞后环、12、 加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功,有一部分加载变形功被材料所吸收。
这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的耗。
13、 屈服现象在拉伸实验出现平台或锯齿时,外力不增加试样仍然继续伸长;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的情况下试样可以继续伸长变形,这种现象称为材料在拉伸实验时的屈服现象14、 屈服强度材料屈服时所对应的应力值也就是材料抵抗起始塑性变形或产生微量的塑性变形的能力,这一应力值称为材料的屈服强度(屈服点)15、 影响金属材料屈服强度的因素(1)晶体结构(2)晶界与亚结构(3)溶质元素(4)第二相 (5) 温度 (6)应变速率与应力状态16、 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称为应变硬化或形变强化17、 应变硬化指数Hollomon 公式式中S 为真应力;e 为真应变;n 为应变硬化指数;K 为硬化系数是真应变为1时的真应力。
金属材料的形变硬化n 值可按GB5028-85测定,一般用直线作图法求得:对上式两边取对数,得 lgS =lgK+nlge根据lgS -lge 的线性关系,只要在拉伸力-伸长曲线上确定几个点的σ、ε值,分别按S =(1+ ε),e =ln (1+ ε),算出S 、e,然后作lgS -lge 曲线(右图),直线的斜率即为所求的n 值,直线与纵轴的交点即为lgK 。
nKe S18、缩颈:是在应变硬化与截面减小的共同作用下,因应变硬化跟不上塑性变形的发展,使变形集中于式样局部区域而产生的。
19、抗拉强度和产生缩颈的推导P23抗拉强度是拉伸实验时,试样拉断过程中最大实验力所对应的力。
缩颈形成点对应于工程应力----应变曲线上的最大载荷点,因此dF=0。
产生缩颈的工程应力为20、材料的断裂过程大都包括裂纹的形成和扩展两个阶段。
断裂的分类:按照断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形程度,把断裂分为脆性断裂与韧性断裂;按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径,分为穿晶断裂和沿晶断裂;按照微观断裂机理,分为解理断裂和剪切断裂;按照作用力的性质还可分为正断和切断韧性断裂:是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。
脆性断裂:是材料断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形,没有明显预兆,往往变现为突然发生的快速断裂过程,因而具有很大的危险性。
21、剪切断裂:是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂22、解理断裂:在正应力作用下,由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。
23、河流花样解理裂纹沿解理面扩展时,与晶原先存在的螺旋位错相交,便产生一个高度为一柏氏矢量的台阶(解理台阶),两个相互平行但处于不同高度上的解理裂纹,通过次生解理或撕裂的方式相互连接形成台阶,当汇合台阶足够高时,便形成河流花样。
24、韧窝是材料在微区围塑性变形产生的显微空洞,经形核,长大,聚集,最后相互连接而导致断裂后,在断口表面所留下的痕迹。
(剪切断裂的微观表现)25、断口特征三要素:纤维区,放射区,剪切唇26、理论断裂强度:再外加正应力作用下,将晶体中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力称为理论断裂强度。
27、脆性材料有微裂纹的原因:一般脆性材料,如玻璃、硅等,由于少量夹杂物和表面损伤等原因,都会有微裂纹1、真实断裂强度S k是用单向静拉伸时的实际断裂拉伸力F k除以试样最终断裂截面积A k所得应力值,即:S k=F k/A k。
28、韧度:是衡量材料韧性大小的力学性能指标,其中又分为静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。
29、韧性:指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
第二章1、应力状态软性系数α=τmax/σmax=扭转0.8、单向拉伸0.5、三向等拉伸0、三向不等拉伸0.1、单向压缩2.0、两向压缩1、三向压缩∞2、 综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用围(1) 单向拉伸的应力软性系数较高搭0.5,主要用于塑性材料的力学性能测试。
单向静拉伸试验可以揭示材料在静载作用下的应力应变关系及常见的3种失效形式(过量弹性变形、塑性变形和断裂)的特点和基本规律,还可以评定出材料的基本力学性能指标,如屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率等。
这些性能指标既是材料的工程应用、构件设计和科学研究等方面的计算依据,也是材料的评定和选用以及加工工艺选择的主要依据。
(2) 扭转试验的应力状态软性系数(0.8)较拉伸的应力状态软性系数高,可测量拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性;扭转试验时试样截面的应力分布表面最大,愈往心部愈小。
该实验对材料表面硬化和表面缺陷反映敏感。
可对各种表面强化工艺进行研究。
和机件表面质量进行检验。
试样不产生颈缩,可精确测定拉伸时出现颈缩的高塑性材料的形变能力和抗力。
扭转试样的正应力和剪切应力大致相等,可测定材料的切断强度。
(断口特征 P41 图2-4)(3) 弯曲试验加载时受拉的一侧应力状态基本与静拉伸时相同,且不存在如拉伸时的所谓试样偏斜对试验结果的影响。
可测定太硬难于加工成拉伸试样的脆性材料的断裂强度,并能显示出它们的塑性区别。
弯曲时,截面上的表面应力最大,故可灵敏反映材料表面缺陷。
(4) 单向压缩的应力状态软性系数是2,可用于脆性材料,以显示其在静拉伸所不能反映的材料在韧性状态下的力学行为。
塑性材料不用于压缩试验。
多向不等压缩试验的应力状态大于2,可用于更脆的材料。
3、 缺口三效应1缺口造成应力应变集中 2去口改变了缺口前方的应力状态,使平板中材料所受的应力由原来的单向拉伸改变为两向或三向拉伸 3 缺口使塑性材料得到“强化”4、 硬度实验按加载方式分为刻划法(莫氏硬度顺序法,锉刀法)和静载压入法(布氏硬度 洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度)5、 布氏硬度布氏硬度的测定原理是用一定大小的载荷F ,把直径为D 的淬火钢球或硬质合金球压入试样表面,保持规定时间后卸除载荷,测量试样表面的残留压痕直径d ,求压痕的表面积S 。
将单位压痕面积承受的平均压力(F /S)定义为布氏硬度,HB 。
优点:压痕面积较大,其硬度值能反映材料在较大区域各组成的平均性能,试验数据稳定,重复性高缺点:压痕直径较大,不宜在成品件上直接进行检验,对硬度不同的材料需要更换压头直径D 和载荷F ,同时压痕直接的测量也较麻烦。
6、 洛氏硬度洛氏硬度以测量压痕深度值的大小来表示材料的硬度值。
)(222d D D D F S F HB --==π测洛氏硬度时载荷分两次施加,先加初载荷F 1,再加主载荷F 2,其总载荷为F (F=F 1+F 2)。
右图中3-3为压头卸除主载荷F 2,只保留初载荷F 1时的位置。
由于试样弹性变形部位的恢复,使压头提高了h 3,此时受主载荷作用实际压入的深度为h ,以h 的大小计算硬度值。
h 值越大,硬度越低。
为了适应习惯上数值越大硬度越高的概念,故用一常数k 减去h 来表示硬度值,并规定每0.002mm 为一个硬度单位。
用符号HR 表示:(k 值: 金刚石压头0.2 淬火钢压头0.26)优点:操作简便迅速;压痕小;可对工件直接进行检验;采用不同的标尺,可测定各种软硬不同和厚薄不一试样的硬度缺点:压痕较小,代表性差;所测硬度值的重复性差、分散度大;用不同的标尺测得的硬度值既不能直接进行比较,又不能彼此互换。