工程材料力学性能

大学生思维导图，精心梳理知识要点，涵盖强度、刚度、韧性、疲劳寿命等关键属性，助力工程师深入理解材料行为，优化设计与选材。

材料力学性能

• 1. 金属在单向拉伸载荷下的力学性能
  • 1.1. 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
    • 五阶段：弹性变形、不均匀屈服塑形变形、均匀塑形变形、不均匀集中塑形变形、断裂
  • 1.2. 弹性变形
    • 弹性变形特点
      • 可逆性变形（双原子模型）
      • 应力应变保持单值线性关系，服从胡克定律
      • 变形量小
    • 胡克定律
    • 弹性模量（定义、物理意义、影响因素）
      • 定义：弹性模量是产生100%弹性变形所需的应力（对金属无意义） 弹性模量代表着原子离开平衡位置的难易程度，表征晶体中原子间结合力的物理量
      • 物理意义：刚度，表示材料对弹性变形的抗力
      • 影响因素
        • 与原子间作用力、原子间距有关，即取决于金属原子本性、晶格类型
        • 组织不敏感参数
        • 温度，加载速率影响不大
    • 弹性比功（弹性比能、应变比能）（定义、影响因素）
      • 定义：金属材料吸收弹性变形功的能力，用金属开始塑形变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示
      • 影响因素
        • 弹性模量
        • 弹性极限，利用提高弹性极限的方法提高弹性比功
      • 例子：弹簧：减震，储能驱动
    • 滞弹性
      • 定义：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象
      • 循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力（塑形区内加载）
      • 内耗：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力（弹性区内加载）
    • 包申格效应
      • 定义：金属材料经过预先加载，产生少量塑形变形，卸载后同向加载，屈服强度增加；反向加载屈服强度减少
      • 机理：用位错密度解释
      • 消除方法
        • 预先大量塑形变形
        • 回复再结晶
  • 1.3. 塑形变形
    • 塑形变形方式与特点
    • 屈服现象与屈服点
      • 现象
      • 影响屈服现象因素
        • 材料变形前的可动位错密度很小
        • 随塑形变形的进行，位错能快速增值
        • 位错运动速率与外加应力有强烈依存关系
    • 影响屈服强度的因素
      • 思路
        • 凡影响位错的增值和运动必然影响屈服强度
        • 考虑晶界、相邻晶粒的约束、材料的化学成分以及第二相的影响
        • 外来因素
      • 影响因素
        • 内在因素
          • 金属本性及晶格类型：与位错运动阻力有关(晶格阻力、位错间交互作用等)
          • 晶粒大小与亚结构
          • 溶质元素
          • 第二相
        • 外在因素
          • 温度：T升高，屈服强度下降
          • 应变速率：应变速率上升，强度增加
          • 应力状态：切应力分量大，有利于塑形变形
    • 应变强化
  • 1.4. 应变
• 2. 金属在其他静载荷下的力学性能
  • 2.1. 应力状态软性系数
  • 2.2. 压缩
    • 压缩实验特点
      • a=2，应力状态软，用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能测定，以显示在塑形状态下的力学性能
      • 塑形好的材料，压缩时不断
      • 脆性材料压缩时有切断特征
    • 压缩实验：抗压强度
  • 2.3. 弯曲
    • 弯曲实验特点
      • 试样形状简单，操作方便，不存在拉伸实验时的试样偏斜
      • 可以用试样弯曲的挠度显示材料塑形
      • 弯曲试样表面应力最大，灵敏的反应表面缺陷
    • 弯曲实验
      • 抗弯强度、弯曲弹性模量、断裂挠度
  • 2.4. 扭转
    • 扭转实验特点
      • a=0.8，易于显示金属的塑形行为
      • 圆柱形试样扭转时，整个长度上的塑形变形是均匀的，没有颈缩现象，所以能实现大塑形变形量下的实验，如高温扭转实验
      • 能较敏感地反应出金属表面缺陷及表面硬化层的性能
      • 生产中使用的大部分金属材料的正断强度大于切断强度，扭转实验是测定这些材料切断强度的最好方法
      • 根据扭转试样的断口特征，可以区分金属材料的最终断裂方式是正断还是切断
    • 扭转实验
      • 切变模量、扭转屈服点、抗扭强度
  • 2.5. 缺口试样静载荷实验
    • 缺口效应
      • 缺口试样在弹性状态下的应力分布
        • 缺口第一效应：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
        • 产生结果：a<0.5，使金属难以产生塑形变形。容易引发脆性断裂
      • 缺口试样在塑形状态下的应力分布
        • 缺口第二个效应：在存在缺口的条件下出现了三向应力状态，并产生应力集中，产生了所谓的缺口强化，缺口使塑形材料强度增高，塑形降低，这就是缺口第二个效应
        • 产生结果：强度增高，塑形降低
    • 缺口试样静拉伸实验
      • 缺口敏感度：NSR=缺口试样的抗拉强度/光滑试样的抗拉强度
      • 分类
        • 轴向拉伸
        • 偏斜拉伸
    • 缺口试样静弯曲实验
      • 缺口敏感度：Fmax/F1
  • 2.6. 硬度
    • 硬度实验方法分类
      • 弹性回跳法（表征弹性变形功的大小）
        • 肖氏硬度
        • 里氏硬度
      • 划痕法（表征切断强度）
        • 莫氏硬度
      • 压入法（表征塑形变形抗力）
        • 布氏硬度
        • 洛氏硬度
        • 里氏硬度
    • 硬度实验
      • 布氏硬度
        • 实验原理：硬质合金头，F/A，HBW
      • 洛氏硬度
        • 实验原理：a=120的金刚石圆锥或硬质合金球，HR=k-h/0.002（压痕深度），HR（ABC）
      • 维氏硬度
        • 实验原理：a=136金刚石四棱锥，F/A，HV
      • 努氏硬度
        • 实验原理：两个对角面不对等的四角棱锥金刚石压头，HK=F/压痕投影面积
      • 肖氏硬度：钢球，回跳高度，HS
      • 里氏硬度：碳化钨球，回跳速度，HL
• 3. 金属在冲击载荷下的力学性能
  • 3.1. 冲击载荷下金属变形与断裂的特点
    • 弹性变形：冲击弹性变形总能紧跟上冲击外力的变化，所以应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量无影响
    • 塑形变形：使塑形变形难以进行，应变速率硬化
  • 3.2. 冲击弯曲和冲击韧性
    • 冲击韧性
    • 摆锤实验和冲击吸收功
    • 冲击弯曲实验的应用
    • 59页的注意点
  • 3.3. 低温脆性
    • 低温脆性现象、机理
    • 韧脆转变温度
      • 按能量法定义
        • 低阶能
        • 高阶能
        • 低高阶能的平均值
      • 按断口形貌定义
    • 落锤实验和断裂分析图？
  • 3.4. 影响韧脆转变温度的冶金因素
• 4. 金属的断裂韧度
  • 4.1. 线弹性条件下的金属断裂韧度
    • 裂纹扩展的基本形式
      • 张开型（I型）裂纹扩展：拉应力垂直作用于裂纹扩展面
      • 滑开型（ll型）裂纹扩展：切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线垂直
      • 撕开型（Ⅲ型）裂纹扩展：切应力平行于裂纹面，平行于裂纹线
      • 张开型裂纹最危险，容易引发脆性断裂
    • 应力场强度因子K1和断裂韧度K1c
      • 裂纹尖端附近的应力场
      • 应力场强度因子K1
      • 断裂韧度K1c和K判据
      • 裂纹尖端塑性区及K1的修正
        • 塑形区的形状和尺寸
          • 形状：变为心形线
          • 尺寸：平面应变的塑形区宽度比平面应力的小很多，因为平面应变是一种最硬的应力状态，其塑形区最小
          • 考虑应力松弛时，塑形区进一步扩大，无论是平面应变条件下还是平面应力条件下，其塑形区宽度R0都是原r0两倍
        • 有效裂纹及K1的修正
          • 塑形区的影响：：塑形区的存在会降低材料的刚度
          • 需要修正的条件
    • 裂纹扩展能量释放率G1和断裂韧度G1c
      • 裂纹扩展时的能量转化关系
      • 裂纹扩展能量释放率G1
      • 断裂韧度G1c和断裂G判据
      • G1c和K1c的关系
  • 4.2. 断裂韧度G1c的测试
  • 4.3. 影响断裂韧度G1c的因素
    • 断裂韧度与常规力学性能指标的关系
      • 断裂韧度K1c和强度、塑形之间的关系
        • 总得规律是断裂韧度随强度的升高而降低，随塑形的升高而升高
      • 断裂韧度与冲击吸收功之间的关系
    • 影响断裂韧度K1c的因素
  • 4.4. 断裂韧度在金属材料中的应用举例
  • 4.5. 弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念
    • J积分及断裂韧度J1c（由G1延伸而来）
      • J积分
        • 线积分
        • 形变功差率
      • J判据
    • 裂纹尖端张开位移及断裂韧度（由K1c延伸而来）
• 5. 金属的疲劳
  • 5.1. 金属的疲劳现象及特点
    • 变动载荷和循环应力
      • 变动载荷：变动载荷是引起疲劳破坏的外力，它是指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷
      • 变动应力：
        • 概念：变动载荷在单位面积上的平均值为变动应力
        • 分类
          • 规则周期变动应力（循环应力）
          • 无规则随机变动应力
      • 循环应力
        • 波形：正弦波、矩形波、三角形波
        • 参量：最大应力、最小应力、平均应力、应力幅、应力比
        • 常见循环应力
          • 对称交变应力
          • 脉动应力
          • 波动应力
          • 不对称交变应力
    • 疲劳现象及特点
      • 概念
      • 分类
      • 疲劳的特点
    • 疲劳宏观断口特征
  • 5.2. 疲劳曲线及基本疲劳力学性能
    • 疲劳曲线和对称循环疲劳极限
      • 疲劳曲线和疲劳极限
        • 疲劳曲线：疲劳应力和疲劳寿命的关系曲线，即S-N曲线，它是确定疲劳极限，建立疲劳应力判据的基础
        • 疲劳曲线组成：高应力段、低应力段（水平段）
        • 疲劳极限：试样经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，故将对应的应力称为疲劳极限
        • 疲劳断裂应力判据
          • 对称应力下
          • 非对称应力下
      • 疲劳曲线的测定
        • 疲劳极限：升降法测定
        • 高应力水平区：成组实验法
      • 不同应力状态下的疲劳极限
      • 疲劳极限与静强度的关系：一般来说抗拉强度越大、疲劳极限越大
    • 疲劳图和不对称循环疲劳极限
      • 疲劳图
        • 概念：各种循环疲劳极限的集合图
        • 用途：求得各种不对称循环的疲劳极限
    • 抗疲劳过载能力
      • 过载损伤
        • 概念：金属在高于疲劳极限的应力水平（过载应力）下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减少，这就造成过载损伤
        • 解释：非扩展裂纹
      • 过载损伤界：测出不同过载应力水平和相应的开始降低疲劳寿命的应力循环周次，得到不同的实验点，连接各点得到过载损伤界，应力高，循环次数少
      • 过载持久值：疲劳曲线的高应力直线段，各应力水平下发生疲劳断裂的应力循环周次称为过载持久值
      • 过载损伤区：
        • 概念：过载损伤界与疲劳曲线高应力直线段之间的影线区
        • 影响：材料过载运转到这个区域里，都要不同程度的降低材料的疲劳极限，离持久线越近，降低越甚
      • 抗疲劳过载能力：过载损伤界（或过载持久值线）越陡直，损伤区越窄，则抗过载能力越强
    • 疲劳缺口敏感度
  • 5.3. 疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值
    • 疲劳裂纹扩展曲线
      • 疲劳裂纹扩展曲线（a-N曲线）：固定应力比r和应力范围条件下，根据裂纹长度a随N循环扩展增长的情况，所做曲线
      • 疲劳裂纹扩展速率da/dN
        • 概念：疲劳裂纹扩展曲线的斜率
        • 与断裂的关系：每循环一次裂纹扩展的距离，扩展速率不断增加，当循环周次达到Np，a长大到临界尺寸，da/dN增长到无限大，裂纹失稳扩展，最后断裂
    • 疲劳裂纹扩展速率
      • 疲劳裂纹扩展速率曲线
        • 概念：应力强度因子范围△K与裂纹扩展速率da/dN的关系曲线
        • △K=Kmax-Kmin，应力范围和a复合
        • 三阶段
          • I区：疲劳裂纹扩展的初始阶段，da/dN开始很小，从△Kth开始，随△K增加，da/dN快速提高，但因△K变化范围很小，所以da/dN提高有限，所占寿命不长
          • II区：疲劳裂纹扩展的主要阶段，占据亚稳扩展的绝大部分，是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要组成部分，da/dN较大，且△K变化范围大，扩展寿命长
          • III区：是裂纹扩展的最后阶段，da/dN很大，并随△K的增加而很快的增大，只需扩展很少周次就导致材料的失稳断裂
      • 疲劳裂纹扩展门槛值
        • 概念：△Kth是疲劳裂纹不扩展的门槛值，只有△K＞△Kth时，da/dN＞0，裂纹才扩展
        • 物理意义：表示材料组织疲劳裂纹开始扩展的性能
        • △Kth与疲劳极限的异同点
          • 相同点：表示无限寿命的疲劳性能，也都受材料成分和组织、载荷条件及环境因素等影响
          • 不同点：疲劳极限是光滑试样的无限寿命疲劳强度，△Kth是裂纹试样的无限寿命疲劳性能
      • paris公式
      • 影响疲劳裂纹扩展速率的因素
        • 应力比r（或平均应力）的影响
          • r<0不利于裂纹的扩展
          • r＞0，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II区大，在I区，r还降低△Kth
        • 应力的影响
          • 残余压应力：减少r，使da/dN降低和△Kth升高
          • 残余拉应力：增大r，使da/dN升高和△Kth降低
        • 过载峰的影响
          • 偶然过载进入过载损伤区内，使材料受到损伤并降低疲劳寿命
          • 过载适当有时是有益的，在恒载裂纹疲劳扩展期内，适当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，发生裂纹扩展过载停滞现象，并延长疲劳寿命
          • 原因：裂纹尖端过载塑形区的残余压应力的影响来说明
        • 材料的组织影响（对I、III区的da/dN影响较明显，II区影响不大）
          • 晶粒大小：晶粒粗大，△Kth值越高，da/dN值越低
          • 含碳量：钢的含碳量越低，铁素体含量越多，△Kth越高
          • 钢的淬火组织存在一定残余奥氏体和贝氏体等韧性组织时，提高△Kth和降低da/dN
          • 喷丸强化提高△Kth
          • △Kth：高温回火＞中温回火＞低温回火
      • 疲劳裂纹寿命的估算
  • 5.4. 疲劳过程及机理
    • 疲劳裂纹萌生过程及机理
    • 疲劳裂纹扩展过程及机理
  • 5.5. 影响疲劳强度的主要因素
  • 5.6. 低周疲劳
    • 低周疲劳
      • 低周疲劳特点
        • 低周疲劳时，因局部区域产生宏观塑性变形，故循环应力与应变之间不再呈直线关系，形成滞后回线
        • 不能用S-N曲线表示寿命，而是改用总应变范围（塑性应变范围）-疲劳寿命曲线描述低周疲劳规律
        • 低周疲劳破坏有几个裂纹源，这是由于应力比较大，裂纹容易形核
        • 子主低周疲劳寿命决定于塑性应变幅，高周疲劳寿命决定于应力幅题
      • 低周疲劳的金属循环硬化与循环软化
        • 循环稳定状态：金属承受恒定应变范围循环加载时，循环开始的应力应变滞后回线是不封闭的，只有经过一定周次后才能行成封闭滞后回线，此即达到循环稳定状态
        • 循环硬化：金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力不断增加
        • 循环软化：金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力不断减少
        • 比较循环应力应变曲线和单次应力应变曲线
          • 用途：判断循环应变对材料的影响
          • 若循环应力应变曲线低于它的单次应力应变曲线：循环软化倾向
          • 若循环应力应变曲线高于它的单次应力应变曲线：循环硬化倾向
        • 影响循环硬化和循环软化的因素
          • 主要因素；材料的初始状态、结构特性、应变幅、温度
          • 抗拉强度和屈服强度的比值1.4 1.2-1.4 1.2
          • 应变硬化指数n 0.1
        • 循环硬化和循环软化的解释：位错的运动
      • 低周疲劳的应变-寿命曲线
        • 过渡寿命
          • 概念：弹性应变幅-寿命曲线和塑性应变幅-寿命曲线的交点，对应的疲劳寿命称为过渡寿命
          • 材料的疲劳寿命
            • 交点左侧，低周疲劳范围内，塑性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由塑性控制
            • 交点右侧，高周疲劳区，弹性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由强度决定
    • 缺口机件疲劳寿命的估算
    • 低周冲击疲劳
      • 概念：冲击疲劳是机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂，断裂周次Nf<10的5次方时为低周冲击疲劳
      • 实验方法
      • 冲击能量
        • 冲击能量高，疲劳强度取决于塑形
        • 冲击能量低，取决于强度
    • 热疲劳
      • 热疲劳：在由温度循环变化时产生的热应力和热应变作用下发生的疲劳，称为热疲劳
      • 产生热应力的两个条件：温度变化（使得膨胀收缩）、机械约束（产生热应力）
      • 机械热疲劳：由温度循环和机械应力循环叠加引起的疲劳，称热机械疲劳
• 6. 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
  • 6.1. 应力腐蚀
    • 应力腐蚀现象及产生条件
    • 应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
    • 应力腐蚀抗力指标
      • 被否定的应力时间曲线
      • 应力腐蚀临界应力场强度因子KIscc
        • KI初
          • 产生应力腐蚀断裂的时间与KI初有关
          • KI初＞K1c，加初始载荷后立即断裂
          • KIscc:当K1初小于一个值，合金试样不会发生应力腐蚀断裂，将在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子称为应力腐蚀临界应力场强度因子（应力腐蚀门槛值），以KIscc表示
        • 断裂判据
          • KI初<KIscc：材料不会发生应力腐蚀断裂
          • KI初＞KIscc：金属在应力腐蚀下的断裂判据（裂纹扩展到KIc时，发生断裂）
        • KIscc的测定方法
      • 应力腐蚀裂纹扩展速率da/dN
        • 第I阶段：当KI刚超过KIscc时，裂纹经过一段孕育期后突然加速扩展
        • 第II阶段：曲线出现水平段，da/dt几乎与KI无关，因为这时裂纹尖端发生分叉现象，裂纹扩展主要受点化学过程控制，与材料和环境密切相关
        • 第III阶段：裂纹长度已接近临界尺寸，da/dt明显的依赖于KI，da/dt随KI的增大而急剧增大，材料进入失稳扩展的过渡区，当KI到达KIscc就失稳扩展
    • 防止应力腐蚀的措施
  • 6.2. 氢脆
    • 氢在钢种的存在形式
    • 氢脆的类型及其特征
      • 氢致延滞断裂
        • 特点
          • 只在一定温度范围内出现，高强度高出现在-100-150之间
          • 提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低，只有在慢载下才有这类脆性
          • 显著降低断后伸长率和断面伸缩率
          • 具有可逆性
    • 氢致延滞断裂机理
    • 氢致延滞断裂和应力腐蚀的关系
      • 相同点及联系
        • 1.都是由应力和化学介质共同引起断裂
        • 2.应力腐蚀过程中总是伴随有氢的析出，析出的氢又容易造成氢致延滞断裂
      • 不同点
        • 应力腐蚀为阳极溶解过程，而氢致延滞断裂为阴极吸氢的结果
        • 判断：外加小的阳极电流而缩短裂纹扩展时间：应力腐蚀 外加小的阴极电流而缩短裂纹扩展时间：氢脆
    • 防止氢脆的措施
• 7. 金属高温力学性能
  • 7.1. 金属的蠕变现象
    • 蠕变概念
    • 蠕变特点
      • 不可逆变形
      • 低应力下发生
      • T/Tm＞0.3时显著
    • 蠕变三阶段
      • ab：减速蠕变阶段，开始蠕变速率很大，随着时间延长蠕变速率逐渐减少，到b点最少
      • bc：恒速蠕变阶段
      • cd：加速蠕变阶段
    • 应力松弛
  • 7.2. 蠕变变形与蠕变断裂机理
    • 蠕变变形机理
    • 蠕变断裂机理
  • 7.3. 金属高温力学性能指标及其影响因素
    • 蠕变极限
    • 持久强度极限
    • 剩余应力
    • 影响高温力学性能的因素