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材料性能学问大汇总
1、关于拉伸力•伸长曲线和应力■应变曲线的问题低碳钢的应力-应变曲线a、拉伸过程的变形弹性变形,屈服变形,加工硬化(匀称塑性变形),不匀称集中塑性变形b、相关公式工程应力=F/Ao;工程应变lAL/Lo;比例极限p;弹性极限5;屈服点s;抗拉强度b;断裂强度匕真应变e=ln(L/Lo)=lnQ+H;真应力s=Q(l+£)=o*e£指数e为真应变c、相关理论真应变总是小于工程应变,且变形量越大二者差距越大;真应力大于工程应力弹性变形阶段,真应力一真应变曲线和应力一应变曲线基本吻合;塑性变形阶段两者出线显著差异
2、关于弹性变形的问题
①度值,
②符号HBW
③球直径
④试验力Qkgf=
9.80665N
⑤试验力保持时间布氏硬度试验的优缺点优点压头直径较大一压痕面积较大一硬度值可反映金属在较大范围内各组成相的平均性能,不受个别组成相及微小不匀称性的影响缺点对不同材料需更换压头直径和转变试验力,压痕测量麻烦,自动检测受到限制;压痕较大时不宜在成品上试验洛氏硬度以测量压痕深度表示材料硬度值压头有两种a=120的金刚石圆锥体肯定直径的淬火钢球洛氏硬度试验优缺点优点操作简便、快速,硬度可直接读出;压痕较小可在工件上试验;用不同标尺可测定软硬不同和厚薄不一的试样缺点压痕较小,代表性差;材料若有偏析及组织不匀称等缺陷,测试值重复性差,分散度大;用不同标尺测得的硬度值没有联系,不能直接比较维氏硬度原理与布氏硬度试验相同依据单位面积所承受的试验力计算硬度值不同的是维氏硬度的压头是两个相对面夹角a为136的金刚石四棱锥体努氏硬度与维氏硬度的区分1)压头外形不同;2)硬度值不是试验力除以压痕表面积,而是除以压痕投影面积肖氏硬度一种动载荷试验法,原理是将肯定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤,从肯定高度落于金属试样表面,依据重锤回跳的高度来表征金属硬度值大小,也称回跳硬度用HS表小里氏硬度动载荷试验法,用规定质量的冲击体在弹力作用下以肯定的速度冲击试样表面,用冲头的回弹速度表征金属的硬度值用HL表示
6、关于金属在冲击载荷下的力学性能a、相关概念冲击韧性指材料在冲击载荷作用下汲取塑性变形功和断裂功的力量,常用标准试样的冲击汲取功AK表示冲击测量参数测量冲击脆断后的冲击汲取功(AkU或AKV)冲击汲取功并不能真正反映材料的韧脆程度(冲击汲取功并非完全用于试样变形和破坏)低温脆性:体心立方或某些密排六方晶体金属及合金,当试验温度低于某一温度tk或温度区间时,材料由韧性状态变为脆性状态,冲击汲取功明显下降,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tk或温度区间称为韧脆转变温度又称冷脆转变温度b、相关理论韧脆的评价方法材料的缺口冲击弯曲试验材料的冲击韧性韧脆的影响因素温度(低温脆性);应力状态(三向拉应力状态);变形速度的影响(冲击脆断)低温脆性的本质低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加的结果屈服强度s的随温度降低而上升,而断裂强度c随温度变化很小ttkacos,先屈服再断裂;ttkocos,脆性断裂韧脆转变温度是金属材料的韧性指标,它反映了温度对韧脆性的影响影响韧脆转变温度的冶金因素晶体结构体心立方金属及其合金存在低温脆性一般中、低强度钢的基体是体心立方点阵的铁素体,故这类钢有明显的低温脆性化学成分间隙溶质元素溶入铁素体基体中,偏聚于位错线四周,阻碍位错运动,致S上升,钢的韧脆转变温度提高显微组织晶粒大小,细化晶粒使材料韧性增加;减小亚晶和胞状结构尺寸也能提高韧性细化晶粒提高韧性的缘由晶界是裂纹扩展的阻力;晶界前塞积的位错数削减,有利于降低应力集中;晶界总面积增加,使晶界上杂质浓度削减,避开产生沿晶脆性断裂金相组织
7、关于金属疲惫的问题a、金属疲惫现象疲惫金属机件在变动应力和应变长期作用下,由于积累损伤而引起的断裂现象疲惫的破坏过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下,渐渐发生变伤口损伤累积、开裂,当裂纹扩展达到肯定程度后发生突然断裂的过程,是一个从局部区域开头的损伤累积,最终引起整体破坏的过程循环应力的波形正弦波、矩形波和三角波等表征应力循环特征的参量有最大循环应力omax最小循环应力min;平均应力:om=omax+omin/2;应力幅或应力范围:oa=omax-omin/2;应力比:r=omin/omax疲惫按应力状态分弯曲疲惫、扭转疲惫、拉压疲惫、接触疲惫及复合疲惫;疲惫按环境和接触状况分大气疲惫、腐蚀疲惫、高温疲惫、热疲惫及接触疲惫等疲惫按应力凹凸和断裂寿命分高周疲惫和低周疲惫b、金属疲惫特点疲惫的特点该破坏是一种潜藏的突发性破坏,在静载下显示韧性或脆性破坏的材料在疲惫破坏前均不会发生明显的塑性变形,呈脆性断裂疲惫对缺口、裂纹及组织等缺陷非常敏感,即对缺陷具有高度的选择性由于缺口或裂纹会引起应力集中,加大对材料的损伤作用;组织缺陷(夹杂、疏松、白点、脱碳等),将降低材料的局部强度,二者综合更加速疲惫破坏的起始与进展c、金属疲惫宏观断口疲惫宏观断口的特征疲惫断裂经受了裂纹萌生和扩展过程由于应力水平较低,因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段,相应的断口上也显示出疲惫源、疲惫裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征疲惫源是疲惫裂纹萌生的策源地位置多消失在机件表面,常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连但若材料内部存在严峻冶金缺陷(夹杂、缩孔、伯析、白点等),也会因局部材料强度降低而在机件内部引发出疲惫源特点因疲惫源区裂纹表面受反复挤压,摩擦次数多,疲惫源区比较光亮,而且因加工硬化该区表面硬度会有所提高数量机件疲惫破坏的疲惫源可以是一个,也可以是多个它与机件的应力状态及过载程度有关如单向弯曲疲惫仅产生一个源区双向反复弯曲可消失两个疲惫源过载程度愈高,名义应力越大,消失疲惫源的数目就越多产生挨次若断口中同时存在几个疲惫源,可依据每个疲惫区大小、源区的光亮程度确定各疲惫源产生的先后,源区越光亮,相连的疲惫区越大,就越先产生;反之,产生的就晚疲惫区是疲惫裂纹亚稳扩展形成的区域宏观特征断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样),有时还有裂纹扩展台阶断口光滑是疲惫源区的连续,其程度随裂纹向前扩展渐渐减弱,反映裂纹扩展快馒、挤压摩擦程度上的差异贝纹线一^疲惫区的最典型特征产生缘由:一般认为是因载荷变动引起的,由于机器运转时常有启动、停留、偶然过载等,均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹线痕迹形貌特点疲惫区的每组贝纹线似乎一簇以疲惫源为圆心的平行弧线,凹侧指向疲惫源,凸侧指向裂纹扩展方向近疲惫源区贝纹线较细密,表明裂纹扩展较慢;远离疲惫源区贝纹线较稀疏、粗糙,表明此段裂纹扩展较快影响因素:贝纹区的总范围与过载程度及材料的性质有关若机件名义应力较高或材料韧性较差,则疲惫区范围较小,贝纹线不明显;反之,低名义应力或高韧性材科,疲惫区范围较大,贝纹线粗且明显贝纹线的外形则由裂纹前沿线各点的扩展速度、载荷类型、过载程度及应力集中等打算瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域在疲惫亚临界扩展阶段,随应力循环增加,裂纹不断增长,当增加到临界尺寸ac时,裂纹尖端的应力场强度因子KI达到材料断裂韧性KIcKc时裂纹就失稳快速扩展导致机件瞬时断裂瞬断区的断口比疲惫区粗糙,宏观特征犹如静载,随材料性质而变脆性材料断口呈结晶状;韧性材料断口,在心部平面应变区呈放射状或人字纹状,边缘平面应力区则有剪切唇区存在位置瞬断区一般应在疲惫源对侧但对旋转弯曲来说,低名义应力时,瞬断区位置逆旋转方向偏转一角度;高名义应力时,多个疲惫源同时从表面对内扩展,使瞬断区移向中心位置大小瞬断区大小与机件承受名义应力及材料性质有关,高名义应力或低韧性材科,瞬断区大;反之瞬断区则小d、疲惫曲线及基本疲惫力学性能疲惫曲线疲惫应力与疲惫寿命的关系曲线,即s-N曲线用途它是确定疲惫极限、建立疲惫应力判据的基础有水平段(碳钢、合金结构钢、球铁等)经过无限次应力循环也不发生疲惫断裂,将对应的应力称为疲惫极限,记为-1(对称循环)无水平段(铝合金、不锈钢、高强度钢等)只是随应力降低,循环周次不断增大此时,依据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断裂的应力作为条件疲惫极限疲惫曲线的测定一升降法测定疲惫极限山疲惫过程及机理疲惫过程裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展三个过程疲惫寿命Nf二萌生期N0+亚稳扩展期Np金属材料的疲惫过程也是裂纹萌生相扩展的过程裂纹萌生往往在材料薄弱区或高应力区,通过不匀称滑移、微裂纹形成及长大而完成疲惫微裂纹常由不匀称滑移和显微开裂引起主要方式有表面滑移带开裂;其次相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂;晶界或亚晶界处开裂e、如何提局疲惫强度如何提高疲惫强度——滑移带开裂产生裂纹角度从滑移开裂产生疲惫裂纹形成机理看,只要能提高材料滑移抗力(固溶强化、细晶强化等)均可阻挡疲惫裂纹萌生,提高疲惫强度如何提高疲惫强度——相界面开裂产生裂纹角度从其次相或夹杂物可引发疲惫裂纹的机理来看,只要能降低其次相或夹杂物脆性,提高相界面强度,掌握其次相或夹杂物的数量、形态、大小和分布、使之“少、圆、小、匀,均可抑制或延缓疲惫裂纹在其次相或夹杂物四周萌生,提高疲惫强度如何提高疲惫强度一晶界开裂产生裂纹从晶界萌生裂纹来看,凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素,如晶界有低熔点夹杂物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氢及晶粒粗化等,均易产生晶界裂纹、降低疲惫强度;反之,凡使晶界强化、净化和细化晶粒的因素,均能抑制晶界裂纹形成,提高疲惫强度f、影响疲惫强度的主要因素表面状态的影响应力集中一^机件表面缺口因应力集中往往是疲惫策源地引起疲惫断裂,可用Kf与qf表征缺口应力集中对材料疲惫强度的影响Kf与qf越大,材料的疲惫强度就降得越低且这种影响随材料强度的增高更加显著表面粗糙度——表面粗糙度越低,材料的疲惫极限越高;表面粗糙度越高,疲惫极限越低材料强度越高,表面粗糙度对疲惫极限的影响越显著残余应力及表面强化的影响残余压应力提高疲惫强度;残余拉应力降低疲惫强度残余压应力的影响与外加应力的应力状态有关,不同应力状态,机件表面层的应力梯度不同弯曲疲惫时,效果比扭转疲惫大;拉压疲惫时,影响较小残余压应力显著提高有缺口机件的疲惫强度,残余应力可在缺口处集中,能有效地降低缺口根部的拉应力峰值残余压应力的大小、深度、分布以及是否发生松弛都会影响疲惫强度表面强化的影响——表面强化可在机件表面产生残余压应力,同期是高强度和硬度两方面的作用都会提高疲惫强度(方法喷丸、滚压、表面淬火、表面化学热处理)硬度由高到低的挨次渗氮—渗碳-感应加热淬火;强化层深度由高到低挨次表面淬火一渗碳一渗氮材料成分及组织的影响疲惫强度是对材料组织结构敏感的力学性能合金成分、显微组织、非金属夹杂物及冶金缺陷g、低周疲惫低周疲惫金属在循环载荷作用下,疲惫寿命为102〜105次的疲惫断裂循环硬化和循环软化现象与位错循环运动有关在一些退火软金属中,在恒应变幅的循环载荷下,由于位错往复运动和交互作用,产生了阻碍位错连续运动的阻力,从而产生循环硬化在冷加工后的金属中,布满位错缠结和障碍,这些障碍在循环加载中被破坏;或在一些沉淀强化不稳定的合金中由于沉淀结构在循环加载中校破坏均可导致循环软化a、相关概念弹性表征材料弹性变形的力量刚度表征材料弹性变形的抗力弹性模量反映弹性变形应力和应变关系的常数E=o/s;工程上也称刚度表征材料对弹性变形的抗力弹性比功称弹性比能或应变比能,是材料在弹性变形过程中汲取变形功的力量,评价材料弹性的好坏包申格效应金属材料经预先加载产生少量塑性变形,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滞弹性(弹性后效)是指材料在快速加载或卸载后随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能弹性滞后环非抱负弹性的状况下,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金属材料在交变载荷作用下汲取不行逆变形功的力量称为金属的循环韧性,也叫内耗b、相关理论:热疲惫:机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下发生的疲惫热机械疲惫温度循环和机械应力循环叠加所引起的疲惫产生热应力的两个条件
①温度变化
②机械约束冲击疲惫冲击次数N105次时,破坏后具有典型的疲惫断口即为冲击疲惫弹性变形都是可逆的抱负弹性变形具有单值性、可逆性,瞬时性但由于实际金属为多晶体并存在各种缺陷,弹性变形时并不是完整的弹性变形本质是构成材料的原子或离子或分子自平衡位置产生可逆变形的反映单晶体和多晶体金属的弹性模量,主要取决于金属原子本性和晶体类型包申格效应;滞弹性;伪弹性;粘弹性包申格效应消退方法预先大塑性变形,回复或再结晶温度下退火循环韧性表示材料的消震力量
3、关于塑形变形的问题a、相关概念滑移滑移系越多,塑性越好;滑移系不是唯一因素(晶格阻力等因素);滑移面一一受温度、成分和变形的影响;滑移方向一比较稳定李生fee、bee、hep都能以享生产生塑性变形;一般在低温、高速条件下发生;变形量小,调整滑移面的方向屈服现象退火、正火、调质的中、低碳钢和低合金钢比较常见,分为不连续屈服和屈服点材料在拉伸屈服时对应的应力值,OS;上屈服点试样发生屈服而力首次下降前的最大应力值,SU;下屈服点试样屈服阶段中最小应力,osl;屈服平台屈服齿屈服伸长对应的水平线段或者曲折线段;吕德斯带不匀称变形;对于冲压件,不容许消失,防止产生褶皱屈服强度:表征材料对微量塑性变形的抗力连续屈服曲线的屈服强度用规定微量塑性伸长应力表征材料对微量塑性变形的抗力1规定非比例伸长应力P:2规定残余伸长应力r:试样卸除拉伸力后,其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力;残余伸长的百分比为
0.2%时,记为「
0.23规定总伸长应力t:试样标距部分的总伸长弹性伸长加塑性伸长达到规定的原始标距百分比时的应力晶格阻力派纳力;位错交互作用阻力Hollomon公式S=KenS为真应力e为真应变;nT更化指数
0.1〜
0.5n=l,完全抱负弹性体,n=0没有硬化力量;K——硬化系数缩颈是韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特别现象抗拉强度韧性金属试样拉断过程中最大试验力所对应的应力代表金属材料所能承受的最大拉伸应力,表征金属材料对最大匀称塑性变形的抗力与应变硬化指数和应变硬化系数有关等于最大拉应力比上原始横截面积塑性是指金属材料断裂前发生不行逆永久(塑性)变形的力量b、相关理论常见的塑性变形方式滑移,李生,晶界的滑动,集中性蠕变塑性变形的特点各晶粒变形的不同时性和不匀称性(取向不同;各晶粒力学性能的差异);各晶粒变形的相互协调性(金属是一个连续的整体多系滑移;VonMises至少5个独立的滑移系)硬化指数的测定
①试验方法;
②作图法lgS=lgK+nlge硬化指数的影响因素与层错能有关,层错能下降,硬化指数上升;对金属材料的冷热变形也非常敏感;与应变硬化速率并不相等缩颈的判据(失稳临界条件)拉伸失稳或缩颈的判据应为dF=O两个塑性指标断后伸长率b=Li』o/Lo*100%;断后收缩率ip=Ao-Ai/Ao*lOO%ip6形成为缩颈lp=8nj6lp6不形成缩颈
4、关于金属的韧度断裂问题a、相关概念韧性断裂前汲取塑性变形功和断裂功的力量韧度单位体积材料断裂前所汲取的功韧性断裂裂纹缓慢扩展过程中消耗能量;断裂最先发生在纤维区,然后快速扩展形成放射最终断裂形成剪切唇,放射区在裂纹快速扩展过程中形成,一般放射区汇聚方向指向裂纹源脆性断裂基本不产生塑性变形,危害性大低应力脆断,工作应力很低,一般低于屈服极限;脆断裂纹总是从内部的宏观缺陷处开头;温度降低,应变速度增加,脆断倾向增加穿晶断裂裂纹穿过晶内,可以是韧性断裂,也可以是脆性断裂,断口光明沿晶断裂裂纹沿晶界扩展,都是脆性断裂,由晶界处的脆性其次相等造成,断口相对灰暗穿晶断裂和沿晶断裂可混合发生高温下,多由穿晶断裂转为沿晶韧性断裂沿晶断裂断口断口冰糖状;若晶粒细小,断口呈晶粒状剪切断裂材料在切应力作用下沿滑移面滑移分别而造成的断裂(滑断、微孔聚集型断裂)解理断裂材料在正应力作用下,由于原于间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂金属的强度就是指金属材料原子间结合力的大小,一般说金属熔点高,弹性模量大,热膨胀系数小则其原子间结合力大,断裂强度高断裂的实质就是外力作用下材料沿某个原子面分开的过程格里菲思理论从热力学观点看,凡是使能量减低的过程都将自发进行,凡使能量上升的过程必将停止,除非外界供应能量Griffth指出,由于裂纹存在,系统弹性能降低,与因存在裂纹而增加的表面能平衡如弹性能降低足以满意表面能增加,裂纹就会失稳扩展,引起脆性破坏b、相关理论断裂三种主要的失效形式磨损、腐蚀、断裂多数金属的断裂包括裂纹的形成和扩展两个阶段按断裂的性态韧性断裂和脆性断裂;按裂纹扩展路径穿晶断裂和沿晶断裂;按断裂机制解理断裂和剪切断裂韧性断裂和脆性断裂依据材料断裂前产生的宏观塑性变形量的大小来确定通常脆性断裂也会发生微量的塑性变形,一般规定断面收缩率小于5%则为脆性断裂反之大于5%的为韧性断裂脆性断口平齐而光亮,与正应力垂直,断口常呈人字纹或放射花样解理断裂是沿特定的晶面发生的脆性穿晶断裂,通常总沿肯定的晶面分别解理断裂总是脆性断裂,但脆性断裂不肯定是解理断裂常见的裂纹形成理论
①位错塞积理论
②位错反应理论解理与准解理共同点穿晶断裂;有小解理刻面;台阶及河流花样不同点
①准解理小刻面不是晶体学解理面
②解理裂纹常源于晶界,准解理裂纹常源于晶内硬质点准解理不是一种独立的断裂机理,而是解理断裂的变种格雷菲斯理论是依据热力学原理得出的断裂发生的必要条件,但并不意味着事实上肯定断裂裂纹自动扩展的充分条件是尖端应力等于或大于理论断裂强度
5、关于硬度的问题a、硬度概念硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标b、硬度试验方法划痕法一表征金属切断强度回跳法一表征金属弹性变形功压入法一^表征塑性变形抗力及应变硬化力量布氏硬度压头淬火钢球HBS硬质合金球HBW载荷3000Kg硬质合金,500Kg软质材料保载时间10-15S黑色金属30s有色金属压痕相像原理只用一种标准的载榭口钢球直径,不能同时适应硬的材料或者软的材料为保证不同载荷和直径测量的硬度值之间可比,压痕必需满意几何相像布氏硬度表示方法600HBW1/30/20。