材料力学复习资料.docx

120123班材料力学复习资料

《材料力学》
第一章

1、包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，残余应变约1-4%，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象 (P6)
2、机件的失效形式：磨损、腐蚀（变形）和断裂 （P21）
3、拉伸断口三要素（三个组成部分）：纤维区、放射区和剪切唇 (P21倒数第三行)
4、断裂的分类：①根据断裂前塑性变化大小分类韧性断裂和脆性断裂②按裂纹扩 展的途径分类穿晶断裂与沿晶断裂③根据断裂机理分类纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂④根据断裂面的取向分类：正断型断裂与切断型断裂 (第四节)
5、塑性、脆性及韧性：①指金属材料断裂前发生塑性变形（不可逆永久变形）的能力。②材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质③是指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力 (P19 P22 P21)
6、弹性比功：又称弹性比能、应变比能，表示材料吸收弹性变形功的能力(P4)
7、滞弹型：在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生的附加弹性应变的现象 (P5)
8、循环韧性：金属材料在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功的能力，也称为金属的内耗或消振性
9、塑性指标：断后伸长率、断面收缩率（P19-20 δ=(L1-L0)/L0 ψ=A1-A0/A0）
11、缩颈：金属等韧性材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象，这是应变硬化（物理因素）与截面减小（几何因素）共同作用的结果。 (P17)
12、机械设计中最长用的两个强度指标：抗压强度、抗拉强度
13、δ-ε曲线(P2)

第二章

1、应力状态软性系数α：最大切应力与最大正应力的比值 (P39)
2、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）原理和方法 (第六节)
（一）布氏硬度试验：原理：用直径为D（mm）的钢球或硬质合金球的压头，加一定的试验力F（N），将其压入试样表面（右图a），经过规定的保持时间t（s）后卸除试验力，试样表面将残留压痕，然后测量压痕的平均直径d（mm）， 求得压痕的球形面积A（mm2 ）。
布氏硬度（HBW=0.102F/A=0.204F/[πD√(D2-d2)]）试验的优点：①由于压头的直径较大，所以压痕面积较大，其硬度值能反映各组成相的平均性能，适合于测定灰铸铁、轴承合金的硬度；②试验数据稳定，重复性强。
布氏硬度试验的缺点：①对不同材料需要更换压头直径和改变试验力，压痕直径的测量较麻烦，所以不宜用于自动检测；②压痕较大时不宜在成品上实验。（二）洛氏硬度试验(a) 试验时先加初始试验力F0，以保证压头与试样表面接触良好，得到一个压痕深度h0，此时指针指零。(b) 施加主作用力F1，压头压入深度为h1，表逆时针转到相应刻度位置，h1包括弹性变形与塑性变形。(c) F1卸除后，总变形中的弹性变形恢复，压头回升一段距离（h1-h），此时塑性变形深度即为压痕深度h，最终表盘指针所指即为洛氏硬度值。
洛氏硬度（HR=(k-h)/0.002）的优点：①操作简便、迅速、硬度值可直接读出；②压痕小，可在工件上直接实验；③采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属或厚薄不一的试样硬度，可广泛用于热处理质量检验。
洛氏硬度的缺点：①压痕较小，代表性差；② 若材料中存在偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；③用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。（三）维氏硬度试验压头在试验力F（N）作用下将样品表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后卸除试验力，测量压痕对角线平均长度d，d=(d1+d2)/2，来计算压痕的表面积A（mm2）。
维氏硬度（HV=0.102F/A=[0.204sin(136°/2)]/d2 =0.1891F/ d2）的优点：①不存在布氏硬度试验 时要求试验力F与压头直径D之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度实验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端；②试验力可以任意选择，压痕测量精度较高，硬度值较精确。维氏硬度的缺点：需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，工作效率较低。
3、硬度的实验方法：弹性回跳法、压入法、划痕法
4、压缩、弯曲、扭转试验的特点：①压缩：单向压缩试验的应力状态软性系数为2，比拉伸、扭转。弯曲的应力状态都软，所以主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能测定；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：弯曲试验试样形状简单，操作方便，同时不存在拉伸试验时的试样偏斜对试验结果的影响；弯曲试样表面应力最大，可灵敏地反映材料表面缺陷。③扭转：扭转的应力状态软性系数为0.8，比拉伸时大，易于显示金属的塑性行为；圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现象，所以能实现大塑性变形量下的试验；能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能；扭转时试样的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等
5、600HBW1/30/20：布氏硬度值为600，试验球直径为1mm，试验力为30kg，试验力保持时间为20s

第三章
1、冲击韧性：指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，用标准试样的冲击吸收功Ak表示。
2、低温脆性：体心立方晶体金属及其合金或部分密排六方晶体金属及其合金在试验温度低于某一温度tk 时由韧性状态转变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状
3、韧脆转变温度：材料屈服强度急剧升高的温度，或断后伸长率、断面收缩率冲击吸收功几句减少的温度，就是韧脆转变温度tk。依靠断裂消耗的功和断裂后塑性变形的大小可确定tk通常根据能量、塑性变形和断口形貌随温度的变化来定义tk
第四章
1、材料的断裂韧度及测试：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断裂。这个临界或失稳状态的KI值就记作KIC或KC，称为断裂韧度。三点弯曲试样加载时，裂纹尖端的KI为：KI=(FS/BW3/2)*Y1*(a/w)将条件裂纹失稳扩展载荷FQ及裂纹长度a代入KI公式，即可求出条件KQ
当KQ满足下面两个条件时： Fmax/FQ≤1.10 B≥2.5(KQ/σy)2s则有：KQ=KIC，否则应加大试样尺寸重做实验，新试样尺寸至少为原样尺寸的1.5倍
2、断裂K的判据： K=Yσ√a KI≥KIC s =
3、GⅠc与KⅠc的关系： GⅠc=(1-ν2)* KⅠc2/E
4、裂纹扩展的基本形式:张开型裂纹扩展、滑开型裂纹扩展、撕开型裂纹扩展
5、低应力脆断：当材料存在宏观裂纹时，在应力水平不高，甚至低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象
6、平面应力、平面应变：①指所有的应力都在一个平面内。面应力问题主要讨论的弹性体是薄板，薄壁厚度远远小于结构另外两个方向的尺度。薄板的中面为平面，所受外力均平行于中面面内，并沿厚度方向不变，而且薄板的两个表面不受外力作用。②指所有的应变都在一个平面内。平面应变问题比如压力管道、水坝等，这类弹性体是具有很长的纵向轴的柱形物体，横截面大小和形状沿轴线长度不变，作用外力与纵向轴垂直，且沿长度不变，柱体的两端受固定约束。
第五章
1、材料的疲劳过程：疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段
2、疲劳断裂的特点，疲劳断口的宏观与微观特征：特点：①疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂②疲劳是脆性断裂③疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。宏观特征：①疲劳源②疲劳区③瞬断区 微观特征：存在疲劳条带
3、疲劳裂纹扩展门槛值、疲劳缺口敏感度：△Kth是疲劳裂纹不扩展的△K临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值，表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，其值越大，阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大，材料越好。 ³
4、疲劳裂纹的形成机理、阻止其产生的措施：宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成的，常将0.05~0.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核，并由此确定疲劳裂纹萌生期。疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要方式有表面滑移带开裂，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂等。措施：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劳强度。
5、疲劳裂纹的扩展过程：根据裂纹扩展方向，裂纹扩展可分为两个阶段： 第一阶段：从表面个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹，然后裂纹主要沿主滑移系方向，以纯剪切方式向内扩展。第一阶段裂纹扩展时，由于晶界的不断阻碍作用，裂纹扩展逐渐转向垂直拉应力方向，进入第二阶段扩展。在室温和无腐蚀的条件下疲劳裂纹扩展为穿晶状态，此阶段的大部分循环周期内，裂纹扩展速率约为10-5~10-2mm/次.
6、疲劳的分类：①按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、挤压疲劳、复合疲劳②按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳③按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、低周疲劳
7、高周疲劳的特点：定义：①断裂寿命较短，Nf=（102-105）周次，断裂应力水平较高，ζ≥ζs，往往有塑性应变出现，也称高应力疲劳或应变疲劳。②断裂寿命较长，Nf>105周次，断裂应力水平较低，ζ<ζs，也称低应力疲劳，一般常见的疲劳都属于此类。
低周疲劳特点：①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。②低周疲劳试验时，控制总应变范围或者塑性应变范围，在给定的或下测定疲劳寿命。③低周疲劳破坏有几个裂纹源，低周疲劳寿命取决于塑性应变幅，而高周疲劳寿命则决定于应力幅或应力场强度因子范围，但两者都是循环塑性变形累积损伤的结果。
8、变动载荷：指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷，在单位面积上的平均值为变动应力
9、循环硬化与循环软化 如果金属材料在恒定应变范围循环作用下，随着循环周次的增加，其应力（形变抗力）不断增加，称为循环硬化，如果在循环过程中，应力逐渐减小，则为循环软化
第六章
1、应力腐蚀定义及其产生条件：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象。产生条件①应力②化学介质③金属材料
2、应力腐蚀应力场强度因子、应力腐蚀门槛值KISCC：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（或称为应力腐蚀门槛值）， 以KISCC表示
3、氢脆腐蚀、氢脆类型：由于氢与应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂，简称氢脆。类型：① 氢蚀② 白点（发裂）③ 氢化物致脆④氢致延滞断裂
4、应力腐蚀的预防措施：1. 环境因素：设法切断氢进入金属的途径，或者控制这条途径上的某个关键环节，延缓在这个环节上的反应速度，使氢不进入或少进入金属中。如采用表面涂层，使机件表面与环境介质中的氢隔离。力学因素：在机件设计和加工过程中，应排除各种产生残余拉应力的因素，相反，采用表面处理使表面获得残余压应力层，对防止氢致延滞断裂有良好的作用。3. 材质因素：含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性较低。钢的强度越高，对氢脆越敏感。因此，对在含氢介质中工作的高强度钢的强度应有所限制。
第七章
1、磨损定义、分类：定义：机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失，导致机件尺寸变化和质量损失，造成表面损伤的现象。分类：一、粘着磨损：又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小（钢小于1m/s）时发生的。这是由于缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。二、磨粒磨损：磨粒磨损是当摩擦副一方表面存在坚硬的细微突起，或者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一种磨损。三、腐蚀磨损
2、机件的磨损过程：跑合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段
3、接触疲劳定义：是机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使物质损失的现象，又称表面疲劳磨损或疲劳磨损。
4、磨蚀磨损的定义及分类：在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的形成与脱落引起腐蚀磨损。分类：①氧化磨损②微动磨损③冲蚀磨损（又称气蚀）④特殊介质腐蚀磨损
第八章
1、蠕变：材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象
2、高温：T/Tm>0.5，称为高温。Tm金属的熔点
3、蠕变极限、表达方式、持久强度极限表达方式：一、蠕变极限：为保证高温长时载荷作用下的机件不会产生过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标。表达方式：（1）在规定温度t下，使试样在规定时间内产生的稳态蠕变速率ε不超过规定值的最大应力， 用σεt表示。σ6001x10^-5=60MPas 600℃时，稳态ε为1×10-5%/h的蠕变极限为60MPa (2) 在规定温度（t）与试验时间（η）内，使试样产生的蠕变总伸长率（δ）不超过规定值的最大应力，用
σtδ/t表示。σ500 1/10^-5=100MPa材料在 500℃、100000h后总伸长率为1%的蠕变极限为100MPa。金属材料的持久强度极限，是在规定的持续时间（η）不发生断裂的最大应力，用σεt表示，σ700 1x10^3 =30MPa材料在700℃、1000h时的年持久强度极限为30MPa
4、蠕变变形机理（位错滑移蠕变、原子扩散蠕变）：①位错滑移蠕变常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移就不能进行，只有在更大的切应力作用下位错重新运动和增殖。但在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些短程障碍，从而使材料变形。②扩散蠕变是高温下大量原子与空位定向移动造成的，材料未受外力时，原子和空位的移动没有方向性，宏观上不显示塑性变形，材料两端受拉应力作用时，多晶内部产生不均匀的应力场承受拉应力的晶界，空位浓度增加承受压应力的晶界，空位浓度减小这种晶体内空位从受拉晶界向受压晶界迁移，原子朝相反的方向运动，使得晶体伸长的蠕变，称为扩散蠕变。
5、蠕变断裂机理及其特征（在三晶粒交汇处形成楔形裂纹、在晶界上由空洞形成晶界裂纹）：①在三晶粒交会处形成楔形裂纹，这是在高应力和低温下，由于晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞相互连接形成楔形裂纹②在晶界上由空洞形成晶界裂纹，这是较低应力和较高温度下产生的裂纹，这种裂纹出现在晶界上的突起部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动产生空洞，这些空洞长大并连接，就形成裂纹
第十章
1、陶瓷材料断裂韧度测试方法：①单边切口梁法优点：(1) 数据分散性好；(2) 重现性好；(3) 试样加工和测定方法比较简单，是目前广泛采用的一种方法。缺点：测定的KIC值受切口宽度影响较大，切口宽度增加， KIC增大，误差随之增大。②山形切口法：山形切口法切口宽度对KIC值影响较小，测定值误差也较小，也适用于高温和在各种介质中测定KIC值，但是测试试样加工较困难，且需要专用的夹具。③压痕法优点：测试方便，可以用很小的试样进行多点韧度测试，但此法只对能产生良好压痕裂纹的材料有效。缺点：由于裂纹的产生主要是残余应力的作用，而残余应力又是因为压痕周围塑性区与弹性基体不匹配引起的。因此，这种方法不允许压头下部材料在加载过程中产生相变或体积致密化现象，同时压痕表面也不能有碎裂现象。
2、增韧措施：①改善陶瓷显微结构②相变增韧③微裂纹增韧
3、材料的抗热震断裂、抗热震损伤定义：①热震断裂：热震引起的突然断裂；②热震损伤：热冲击循环作用下，材料先出现列裂，随后裂纹扩展，导致材料强度降低，最终整体破坏。
4、陶瓷材料弹性变形的特点（三个）：①弹性模量大②弹性模量不仅与结合键有关，还与组成相的种类、分布比例及气孔率有关。③一般陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。
5、陶瓷材料的三大特征强度：①抗弯强度②抗拉强度③抗压强度
第十一章
1、论述复合材料的分类、性能特点：按增强体分类分为连续纤维复合材料、非连续纤维复合材料、颗粒复合材料。按基体分为聚合物复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料。按用途分为结构复合材料、功能复合材料。性能特点：①高强度、比模量②各向异性③抗疲劳性好④减振性好⑤可设计性强
2、 单向复合材料的四个特征弹性常数、五个特征强度：（1）纵向弹性模量（2）横向弹性模量（3）切变模量（4）主泊松比；①纵向抗拉强度②纵向抗压强度③横向抗拉强度④横向抗压强度⑤面内抗减强度
3、 复合材料断裂的机理：接力破坏机理、脆性粘接断裂机理、最薄弱环节机理
4、 纤维型复合材料冲击性能特点：①单向复合材料的应变速率敏感性因纤维种类不同而有所区别②复合材料的终极断裂是各类损伤的累积或非累积破坏③高弹性模量复合材料往往比低弹性模量复合材料的冲击韧性差。
120123班材料力学复习资料