第一篇：【講義】材料力學性能測試

材料力學性能測試

【實驗目的】

1.了解布氏，維氏硬度計的構造原理；

2.掌握布氏，維氏硬度的實驗原理，測定方法及應用范圍； 3.掌握布氏硬度值表格的查找。【實驗原理】

1、布氏硬度試驗

在直徑為 D（mm）的淬火鋼球上施加規定的載荷 P（公斤力），壓入試樣表面如圖1，保持一定時間后，卸除載荷。用壓痕表面積 F 除所承受的平均壓力 P，所得之商（公斤/毫米2）表示布氏硬度值，符號為HB，計算公式是：

HB?PP2P?=

22FπDhπD(D?D?d)

圖1 布氏硬度實驗原理圖

*布氏硬度廣泛用于各種退火狀態下的鋼材，鑄鐵，有色金屬的試驗，也用于調質處理及硬度小于HB450的機器零件的硬度試驗。

2、維氏硬度實驗

維氏硬度試驗是用一個相對面夾角為136o的金剛石正四棱錐體壓頭，在一定載荷P（公斤力）作用下壓入試樣表面如圖2。

圖2 維氏硬度實驗原理圖

在一般情況下，建議選用30公斤力的載荷。載荷保持時間對黑色金屬為10～15秒，對有色金屬為30±2秒。

*維氏硬度廣泛應用在測定金屬薄鍍層或化學熱處理后表面層的硬度，以及較小工件的硬度試驗。

3、顯微硬度試驗

顯微硬度試驗原理與維氏硬度完全相同，不過所加載荷更低一些，一般小于200克力。所得壓痕對角線長度也只有幾微米至幾十微米。

*顯微硬度試驗可用于：測定表面光潔度▽9以上的細小或片狀零件的硬度，零件表面薄層硬度及脆性材料硬度；測定金相組織中某個相或組織硬度。

【實驗儀器】

HVS-5型數顯小負荷維氏硬度計，HB-3000B型布氏硬度計，讀數顯微鏡，各種標準硬度塊。不同成分及熱處理條件下的鋼（40#）和鋁材。【實驗內容】

1.熟悉各種硬度計的構造原理，操作方法及注意事項。2.測定硬度前用標準硬度塊校驗硬度計的示值誤差。

3.試樣在進行硬度測試前，現需要查詢相關資料來大致確定硬度值，以便選擇合適的硬度測試儀器，避免不必要的儀器損壞。

4.對待測樣品進行處理。截取待測樣品，注意長短。并對待測樣品進行拋光處理。5.選擇正確的儀器進行硬度測試，針對不用的試樣選擇相應的鋼球直徑和負荷。按操作規則正確操作，并且學會查硬度值表格。

6.多次測量并記錄數值，待試驗后進行數據處理。【數據處理】

1.相對標準件的硬度值進行示值得誤差分析和計算。2.對已記錄的硬度值，進行求平均值的計算，及誤差的修正。3.對測得的硬度值結果進行合理的分析 【注意事項】

布氏硬度試驗時注意事項：

1.試驗時應根據材料的預期硬度值，并考慮試樣的厚度，按國家標準GB231-63中的試驗規范來選擇鋼球直徑D,載荷P和加載時t，測得壓痕直徑d后按上式計算或查表。壓痕直徑d必須在0.25D～0.6D范圍內，否則試驗無效，應另選規范再行試驗。

2.試驗時為防止壓痕周圍因塑性變形產生形變硬化而影響實驗結果，一般規定壓痕中心距試樣邊緣距離應不小于壓痕直徑的2.5倍，相鄰兩壓痕中心的距離應不小于壓痕直徑的4倍。對硬度低的材料此距離還應增大。

3.為使壓痕清晰以保證測量精確，試樣表面應盡可能光潔。

4.試樣表面的壓痕直徑用讀數顯微鏡測量，應從相互垂直的方向各測一次，取其算數平均值。其測量精確度：當用直徑為10毫米或5毫米的鋼球試驗時為0.02毫米，當用直徑為2.5毫米鋼球時應達到0.01毫米。維氏硬度試驗時注意事項：

1.測定維氏硬度的試樣其表面應精心制備，光潔度不低于▽9。2.在制備過程中應防止因過熱或加工硬化而改變金屬的硬度值。

3.試驗時，壓痕中心與試樣邊緣的距離或兩壓痕中心的距離，對黑色金屬應不小于壓痕平均對角線的2.5倍，對有色金屬應不小于5倍。

4.試驗時每個試樣至少測定三點硬度取其算術平均值。壓痕的對角線長度以兩對角線長度的平均值計算。其測量精度為：當壓痕對角線長≦0.2毫米時，允許測量誤差為±0.001毫米，當壓痕對角線長﹥0.2毫米時，允許測量誤差為±0.5％。如果壓痕形狀不規則，必須重作試驗。測出壓痕平均對角線長度后，將其代入公式或查表求出HV值。HV值應附以相應的下標，注明試驗載荷值 【思考題】

1.布氏硬度計、維氏硬度計的分別適合測試哪些材料的硬度值？40#鋼適合用哪種硬度計測量硬度值？

2.布氏硬度計、維氏硬度計使用時有哪些注意事項？

第二篇：聚合物材料的動態力學性能測試

DMA 測量形狀記憶高聚物性能原理及應用

聚合物材料的動態力學性能測試

在外力作用下，對樣品的應變和應力關系隨溫度等條件的變化進行分析，即為動態力學分析。動態力學分析能得到聚合物的動態模量(E′)、損耗模量(E″)和力學損耗(tanδ)。這些物理量是決定聚合物使用特性的重要參數。同時，動態力學分析對聚合物分子運動狀態的反應也十分靈敏，考察模量和力學損耗隨溫度、頻率以及其他條件的變化的特性可得到聚合物結構和性能的許多信息，如阻尼特性、相結構及相轉變、分子松弛過程、聚合反應動力學等。實驗原理

高聚物是黏彈性材料之一，具有黏性和彈性固體的特性。它一方面像彈性材料具有貯存械能的特性，這種特性不消耗能量；另一方面，它又具有像非流體靜應力狀態下的黏液，會損耗能量而不能貯存能量。當高分子材料形變時，一部分能量變成位能，一部分能量變成熱而損耗。能量的損耗可由力學阻尼或內摩擦生成的熱得到證明。材料的內耗是很重要的，它不僅是性能的標志，而且也是確定它在工業上的應用和使用環境的條件。

如果一個外應力作用于一個彈性體，產生的應變正比于應力，根據虎克定律，比例常數就是該固體的彈性模量。形變時產生的能量由物體貯存起來，除去外力物體恢復原狀，貯存的能量又釋放出來。如果所用應力是一個周期性變化的力，產生的應變與應力同位相，過程也沒有能量損耗。假如外應力作用于完全黏性的液體，液體產生永久形變，在這個過程中消耗的能量正比于液體的黏度，應變落后于應力90o，如圖2-61(a)所示。聚合物對外力的響應是彈性和黏性兩者兼有，這種黏彈性是由于外應力與分子鏈間相互作用，而分子鏈又傾向于排列成最低能量的構象。在周期性應力作用的情況下，這些分子重排跟不上應力變化，造成了應變落后于應力，而且使一部分能量損耗。圖2-61(b)是典型的黏彈性材料對正弦應力的響應。正弦應變落后一個相位角。應力和應變可以用復數形式表示如下。σ*=σ0exp(iωt)γ*=γ0 exp[i(ωt-δ)]

式中，σ0和γ0為應力和應變的振幅；ω是角頻率；i是虛數。用復數應力σ*除以復數形變γ*，便得到材料的復數模量。模量可能是拉伸模量和切變模量等，這取決于所用力的性質。為了方便起見，將復數模量分為兩部分，一部分與應力同位相，另一部分與應力差一個90o的相位角，如圖2-61(c)所示。對于復數切變模量

E*=E′+iE″

(2－60)式中

E′=∣E*∣cosδ E″=∣E*∣sinδ

顯然，與應力同位相的切變模量給出樣品在最大形變時彈性貯存模量，而有相位差的切變模量代表在形變過程中消耗的能量。在一個完整周期應力作用內，所消耗的能量△W與所貯存能量W之比，即為黏彈性物體的特征量，叫做內耗。它與復數模量的直接關系為

＝2π ＝2πtanδ

(2－61)這里tanδ稱為損耗角正切。

聚合物的轉變和松弛與分子運動有關。由于聚合物分子是一個長鏈的分子，它的運動有很多形式，包括側基的轉動和振動、短鏈段的運動、長鏈段的運動以及整條分子鏈的位移各種形式的運動都是在熱能量激發下發生的。它既受大分子內鏈段(原子團)之間的內聚力的牽制，又受分子鏈間的內聚力的牽制。這些內聚力都限制聚合物的最低能位置。分子實際上不發生運動，然而隨溫度升高，不同結構單元開始熱振動，并不斷外加振動的動能接近或超過結構單元內旋轉位壘的熱能值時，該結構單元就發生運動，如移動等，大分子鏈的各種形式的運動都有各自特定的頻率。這種特定的頻率是由溫度運動的結構單元的慣量矩所決定的。而各種形式的分子運動的開始發生便引起聚合物物理性質發生變化而導致轉變或松弛，體現在動態力學曲線上的就是聚合物的多重轉變(如圖2-62所示)。線形無定形高聚物中，按溫度從低到高的順序排列，有5種可能經常出現的轉變。δ轉變側基繞著與大分子鏈垂直的軸運動。

γ轉變主鏈上2～4個碳原子的短鏈運動——沙茲基(Schatzki)曲軸效應(如圖2-63)。

β轉變主鏈旁較大側基的內旋轉運動或主鏈上雜原子的運動。α轉變由50～100個主鏈碳原子的長鏈段的運動。

TⅡ轉變液-液轉變，是高分子量的聚合物從一種液態轉變為另一種液態，兩種液態都是高分子整鏈運動.在半結晶高聚物中，除了上述5種轉變外，還有一些與結晶有關的轉變，主要有以下轉變。

Tm轉變：結晶熔融(一級相變)。Tcc轉變：晶型轉變(一級相變)，是一種晶型轉變為另一種晶型。Tac轉變：結晶預溶。

通常使用動態力學儀器來測量材料形變對振動力的響應、動態模量和力學損耗。其基本原理是對材料施加周期性的力并測定其對力的各種響應，如形變、振幅、諧振波、波的傳播速度、滯后角等，從而計算出動態模量、損耗模量、阻尼或內耗等參數，分析這些參數變化

與材料的結構(物理的和化學的)的關系。動態模量E′、損耗模量E″、力學損耗tanδ＝E″/ E′是動態力學分析中最基本的參數。實驗設備和材料(1)儀器

DMA Q800是由美國TA INSTRUMENTS公司生產的新一代動態力學分析儀(見圖2-64)。它采用非接觸式線性驅動馬達代替傳統的步進馬達直接對樣品施加應力，以空氣軸承取代傳統的機械軸承以減少軸承在運行過程中的摩擦力，并通過光學讀數器來控制軸承位移，精確度達1nm；配置多種先進夾具(如三點彎曲、單懸臂、雙懸臂、夾心剪切、壓縮、拉伸等夾具)，可進行多樣的操作模式，如共振、應力松弛、蠕變、固定頻率溫度掃描(頻率范圍為0.01～210Hz，溫度范圍為-180～600℃)、同時多個頻率對溫度掃描、自動張量補償功能、TMA等，通過隨機專業軟件的分析可獲得高解析度的聚合物動態力學性能方面的數據。(測量精度：負荷0.0001N，形變1nm，Tanδ0.0001，模量1％)。本實驗使用單懸臂夾具進行試驗(2)試樣

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)長方形樣條。試樣尺寸要求：長a=35～40mm；寬b≤15mm；厚b≤5mm。準確測量樣品的寬度、長度和厚度，各取平均值記錄數據。4.實驗步驟

(1)儀器校正(包括電子校正、力學校正、動態校正和位標校正，通常只作位標校正)將夾具(包括運動部分和固定部分)全部卸下，關上爐體，進行位標校正(position calibration)，校正完成后爐體會自動打開。

(2)夾具的安裝、校正(夾具質量校正、柔量校正)，按軟件菜單提示進行。(3)樣品的安裝

1)放松兩個固定鉗的中央鎖螺，按“FLOAT”鍵讓夾具運動部分自由。2)用扳手起可動鉗，將試樣插入跨在固定鉗上，并調正；上緊固定部位和運動部位的

中央鎖螺的螺絲釘。

3)按“LOCK”鍵以固定樣品的位置。

4)取出標準附件木盒內的扭力扳手，裝上六角頭，垂直插進中央鎖螺的凹口內，以順時針用力鎖緊。對熱塑性材料建議扭力值0.6～0.9N.m。(4)實驗程序

1)打開主機“POWER’’鍵，打開主機“HEATER”鍵。

2)打開GCA的電源(如果實驗溫度低于室溫的話)，通過自檢，“Ready”燈亮。

3)打開控制電腦，載進“Thermal Solution”，取得與DMA Q800的連線。

4)指定測試模式(DMA、TMA等5項中1項)和夾具。

5)打開DMA控制軟件的“即時訊號”(real time signal)視窗，確認最下面的。“Frame Temperature”與“Air Pressure”都已“OK”，若有接GCA則需顯示“GCA Liquid Level：XX％full”。

6)按“Furnace”鍵打開爐體，檢視是否需安裝或換裝夾具。若是，請依標準程序完成夾具的安裝。若有新換夾具。則重新設定夾具的種類，并逐項完成夾具校正(MASS/ZERO/COMPLIANCE)。若沿用原有夾具，按“FLOAT”鍵，依要領檢視驅動軸漂動狀況，以確定處于正常。

7)正確的安裝好樣品試樣，確定位置正中沒有歪斜。對于會有污染、流動、反應、黏結等顧忌的樣品，需事先做好防護措施。有些樣可能需要一些輔助工具，才能有效地安裝在夾具上。

8)編輯測試方法，并存檔。

9)編輯頻率表(多頻掃描時)或振幅表(多變形量掃描時)，并存檔。

10)打開“Experimental Parameters”視窗，輸入樣品名稱、試樣尺寸、操作者姓名及一些必要的注解。指定空氣軸承的氣體源及存檔的路徑與文件名，然后載入實驗方法與頻率表或振幅表。

11)打開“Instrument Parameters”視窗，逐項設定好各個參數。如數據取點間距、振幅、靜荷力、Auto-strain、起始位移歸零設定等。

12)按下主機面板上面的“MEASURE”鍵，打開即時訊號視窗，觀察各項訊號的變化是否夠穩定(特別是振幅)，必要時調整儀器參數的設定值(如靜荷力與Auto-Strain)，以使其達到穩定。

13)確定好開始(Pre-view)后便可以按“Furnace”鍵關閉爐體，再按“START”鍵，開始正式進行實驗。

14)只要在連線(ON-LINE)狀態下，DMA Q800所產生的數據會自動的、一次次的轉存到電腦的硬盤中，實驗結束后，完整的檔案便存到硬盤罩。

15)假定不中途主動停止實驗．剛會依據原先載入的實驗方法完成整個實驗，假如覺得實驗不需要再進行的話。可以按“STOP”鍵停止(數據有存檔)或按“SCROL-STOP”或“REJECT”鍵停止(數據不存檔)。

16)實驗結束后，爐體與夾具會依據設定之“END Conditions”回復其狀態，若有設定“GCA AUTO Fill”，則之后會繼續進行液氮自動充填作業。

17)將試樣取出，若有污染則需予以清除。

18)關機。步驟如下。按“STOP”鍵，以便貯存Position校正值。等待5s后，使驅動軸真正停止。關掉”HEATER”鍵。關掉“POWER”鍵，此時自然與電腦離線。關掉其他周邊設備，如ACA、GCA、Compressor等。進行排水(Compressor氣壓桶、空氣濾清調壓器、GCA)。應用

高聚物的耐熱性主要是指聚合物受熱下的變形，高聚物的耐熱性主要指玻璃化溫度、軟化溫度等。有機玻璃在玻璃態下使用，而超過這個溫度將變為高彈態或黏流態，此時即使受到較小的力也會產生較大的形變而不能保持其外形尺寸。玻璃化轉變溫度是在恒定的較小負荷下測得的溫度形變曲線上發生玻璃化轉變較窄溫度范圍的中間值。在實際使用中，高聚物總是處于受力的情況下，因此不是以靜態的玻璃化溫度作為耐熱溫度，而是測量高聚物在一定外力下達到一定形變值時的溫度作為耐熱溫度，常用的有馬丁耐熱溫度、維卡軟化溫度及熱變形溫度。玻璃化轉變溫度是聚合物材料的一種普遍現象，它是一種聚合物材料使用的上限溫度，因此玻璃化轉變溫度是聚合物的一個非常重要的性能指標。玻璃化轉變的實質是鏈段運動隨溫度的降低被凍結或隨溫度的升高被激發的結果。在玻璃化轉變前后分子的運動模式有很大的差異。因此，當聚合物發生玻璃化轉變時，其物理和力學性能必然有急劇的變化。除形變和模量外，聚合物的比熱容、比容積、熱膨脹系數、折射率和介電常數等都表現出突變或不連續的變化。因此，根據這些性質上的變化，可以對聚合物的玻璃化轉變進行實驗測量。常用的測定聚合物玻璃化轉變的方法有靜態熱機械法 TMA（如膨脹計法、溫度形變曲線法等）、動態力學測量法DMA（如扭辮法和扭擺法等）、熱力學方法（如示差掃描法 DSC或差熱分析法DTA）等。

玻璃化轉變是高分子材料玻璃態與高彈態之間的轉變過程,它直接與纖維的紡織加工和使用性能有關。在化纖制造以及織物的染整過程中,許多加工條件都要根據纖維的玻璃化溫度來決定。合成纖維(如滌綸、錦綸等)的該轉變點已有大量研究,而檢測天然纖維及再生纖維的玻璃化轉變卻還缺乏可靠的方法。因此,極少有文獻從玻璃化轉變的角度論述天然纖維染整加工的有關原理,相關的討論分析也都只停留在宏觀定性層面,這使得有關天然纖維加工原理的研究分析受到相當大的限制。

動態力學分析(Dynamic Mechanical Analysis,簡稱DMA)通常是在程序控制溫度下,測量物質在振動負荷下的動態模量或力學損耗與溫度的關系,從而確定材料的粘彈性。因為高聚物的玻璃化轉變和交聯等結構變化都與分子運動狀態的變化密切相關,而分子運動的變化又能靈敏地反映在動態力學性能上,因而動態力學分析是研究高聚物結構——分子運動——性能的一種有效手段。動態力學分析已廣泛應用于復合材料、橡膠和樹脂等領域里,而其在天然紡織纖維里的應用還鮮少見到。因此利用動態力學分析對天然纖維的玻璃化轉變點進行檢測,探索研究該轉變與材料加工原理的關系具有重要意義。

毛纖維通過干態下DMA溫度掃描,雖然可以獲得形似玻璃化轉變的損耗因子突變,但由于測得的損耗因子峰值非常接近纖維的熔融斷裂點,因此難以判斷其真實性；而儲存模量的轉折溫度點較低,在214℃左右,也許能作為玻璃化轉變溫度用于分析羊毛性能變化,但還有待進一步試驗證實。在試驗溫度范圍內,粘膠長絲和棉線干態下的DMA溫度掃描均沒有檢測到玻璃化轉變點。羊毛纖維和粘膠長絲通過濕態下DMA溫度掃描,不同濕度下沒有顯現出明顯確定的玻璃化轉變點,而棉線在高濕度下產生了玻璃化轉變點,在低濕度時沒有出現,說明足夠量的水分才可能影響其玻璃化轉變。通過DMA等溫濕度掃描,首次發現羊毛纖維和粘膠長絲都存在個以濕度為變量的玻璃化轉變點。當溫度為35℃時(接近人體體溫),這個玻璃化轉變出現的相對濕度分別為84.94%和86.56%。該轉變點的相對濕度值隨溫度的升高而降低。這對于通過粘彈性能變化,研究纖維濕處理加工機理和應用效果可能具有一定的理論意義。

試驗結果表明：通過濕度譜可以檢測到常規染色后染料對纖維性能有微小影響；交聯處理可以很大程度上改變纖維的力學性能,但是對玻璃化轉變點的影響并不十分顯著。染料分子的進入使粘膠長絲發生玻璃化轉變時的相對損耗tanδ峰減小,轉變濕度略有增加,可能是因為染料分子的疏水部分在纖維內部阻礙了部分纖維鏈段吸附水分；而交聯粘膠長絲的相對損耗tanδ峰值高于未交聯粘膠長絲,表明在玻璃化轉變時交聯粘膠分子運動消耗的能量較高,應該是分子間發生了交聯,對分子鏈運動產生了一定的限制作用。染色對棉線溫／濕度譜的力學性能轉變點基本沒有影響,但交聯處理使棉線儲能模量值相對減小,損耗因子值相對增大,可能是由分子交聯限制分子鏈基團和鏈段運動造成的,這些發現對染整加工中的應用意義仍有待進一步研究。

第三篇：材料力學性能測試與評價技術進展

材料力學性能測試與評價技術進展

【摘要】對材料進行力學性能測試和評價主要是為了貨值和了解材料的主要成分、組織結構和性能，以及三者之間內在的聯系。材料力學性能的測試作為測試項目中最重要的內容，與當前的測試技術和評價技術水平有很大關系。文中簡單介紹了材料測試和評價的概念，并對其存在的作用做了說明，深入研究了材料力學測試與評價技術當前發展水平，希望對該項技術的進步起到一些推動作用。

【關鍵詞】材料力學；測試技術；評價技術 0.引言

對材料展開力學測試和評價是獲得材料性能的主要途徑，在實際的工作中往往通過計算機對需要測試的材料進行模擬和建立相關的數據庫，但是在測試和評價的過程中經常遇到技術和實驗都無法解決的問題，使得材料性能的測試工作難以順利的進行，因此開展材料力學性能測試和評價技術的研究就顯得尤為重要。1.材料測試與評價技術的概述

現代材料性能測試和評價的基本內容包含了對性能、主要成分以及顯微關系的分析，在材料測試工作中，技術人員通過科學的手段對材料的個性性能進行測試和評價，確定其結構形式，為確定該材料的用途提供可靠的依據。對材料性能的測試和分析，需要通過宏觀角度理解和微觀角度觀察，分析兩者之間的內在關系作出準確評價，這也是對材料成分的全面闡釋。材料力學的測試與評價共組是連接材料設計與制造工藝的直接橋梁，同樣對開發新的產品又有很大的推動作用[1]。

2.材料力學性能測試與評價技術的作用

現代工業和制造業取得的成果在很大程度上得益于材料科學的整體性進步，它推動了近代工藝的發展，促進了現代各行各業的進步，而這一系列的成果豐富了材料力學測試和評價技術的創新理論，從當前的實際生產中可以發現，材料性能測試和評價的創新陳國往往在先進的科學技術和先進的生產設備中有所體現，并未材料性能評價工作的準確可靠、安全經濟提供了可能。

3.材料力學測試和評價技術的發展

材料力學的性能基本含義是在一定的條件下，將其中的某一個條件加以改變，材料發生變化之后產生的效應。一般情況下，測試材料力學的性能需要建立力和位移的線性函數來體現其中的關系，如果建立的函數為線性關系，則函數的線性常數為材料的力學性能，如果建立的函數關系未呈現出線性關系，則材料的力學性能應該應高階常數來表示[2]。從材料力學性能測試和評價技術的發展歷程來看，人們對材料力學的認識從簡單到復雜，從宏觀到微觀，在這個不斷加深認識的過程中，材料力學的評價技術也不斷的提高和完善，例如：計算機技術、微電子技術以及控制技術等。3.1 靜態力學性能測試

材料的靜態力學性能測試最早出現在17世紀，當時的技術人員對材料力學的認識僅僅局限在靜態強度概念上，對力學性能的評價也只有抗拉強度，但是無論何時，只有材料的靜強度達到設計要求時，才能考慮材料的其他工藝性。3.2 動態力學性能測試技術

第一、應力疲勞試驗技術。應力疲勞試驗技術是為了準確獲知材料用在實際生活中的抗疲勞程度，進而得出準確的數據。應力疲勞最初源于海上運動，在現代學科中應力疲勞試驗技術成為材料力學試驗的重點內容。

第二、低周疲勞試驗技術。隨著工業技術的不斷發展，材料逐漸被用于高速、高溫以及高壓環境當中。材料的有限壽命設計多數被用于戰爭時期，主要是為了提高武器裝備的整體性能和質量，增加作戰能力，因此將材料的靜強度轉變為裝備的有限壽命，這也從另一個角度說明了材料的疲勞試驗對材料的應用安全有著重要的影響。在實際的應用中由于設備應力最集中部位的材料處于一種塑性狀態，并且保持著低循環高應力的規律，如果這種情況出現在很早之前，那么工程設計就會因為缺乏實際數據，結構和壽命往往難以達到設計的要求。在航空零部件的設計中，為了減輕材料的重量常常采用有限壽命設計，是材料進入塑性變形狀態，通過分析航空事故發現，多數是因為零部件的疲勞破壞太大是其出現低周疲勞破壞，因此對材料開展低周疲勞試驗對具有重要的現實意義。3.3 斷裂力學測試技術

從材料的實際應用中可以發現無論何種工程構件，都有可能出現與裂紋類似的缺陷，有的是材料固有的特性，有的則是在加工過程中造成的，這些缺陷的存在會大大降低材料的承載力，因此對材料力學性能開展斷裂力學測試可以準確獲知材料的斷裂性質，為制定防范措施提供依據[3]。

4.材料力學性能測試和評價技術的展望

工程設備的大多數零部件都是處在較為復雜的工作環境中，并且結合當前工業發展的趨勢分析，未來工程設備對材料力學的性能要求更高。隨著計算機技術和控制技術的應用和發展，使得材料力學性能在極其惡劣環境中的測試成為現實，這種模擬性的試驗可以融入高溫、低溫、高速、高壓及腐蝕等環境，這些測試技術的成功應用為準確評價材料力學性能提供堅實基礎，同時也為設計人員提供了可靠的數據，對提高設備的整體性能有著極為重要的作用。5.結束語

工業技術的發展和材料科學的進步，為材料力學性能測試和評價技術的革新提供了可能，隨著新測試技術和方法的出現，將現代材料測試水平推到了全新的高度，從科學技術的微型化發展趨勢來看，現代材料的測試設備也向著小型化、模塊化和智能化發展。雖然利用計算機建立相關的數據庫可以直接得出材料的性能特征，但是材料力學性能測試是獲得可靠數據的唯一途徑，因此在未來的發展中，材料力學性能測試技術依然有著重要的地位。【參考文獻】

[1]孫虹,孫葉楠,徐紅陽.材料力學性能測試與評價技術進展[J].黑龍江科技息,2012,35:22.[2]陳文哲.材料力學性能測試技術的進展與趨勢[J].理化檢驗，2010,02:102-109.[3]張段芹,劉建秀,褚金奎.低維納米材料的力學性能測試技術研究進展[J].微納電子技術,2014,07:451-457.

第四篇：材料力學性能總結

材料力學性能

第一章

二節．彈變

1,。彈性變形：材料在外力作用下產生變形，當外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復原來形狀的性質稱為彈性。這種可恢復的變形稱為彈性變形。

2.彈性模量：表征材料對彈性變形的抗力

3.彈性性能與特征是原子間結合力的宏觀體現，本質上決定于晶體的電子結構，而不依賴于顯微組織，因此，彈性模量是對組織不敏感的性能指標。4.比例極限σp：應力與應變成直線關系的最大應力。

5.彈性極限σe：由彈性變形過渡到彈性塑性變形的應力。

6.彈性比功: 表示單位體積金屬材料吸收彈性變形功的能力，又稱彈性比應變能。

7.力學性能指標：反映材料某些力學行為發生能力或抗力的大小。

8.彈性變形特點：應力與應變成比例，產生變形，當外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復原來形狀

9.滯彈性：在彈性范圍內快速加載或卸載后，隨時間延長產生附加彈性應變的現象，稱為滯彈性。

10.循環韌性：指在塑性區加載時材料吸收不可逆變形功的能力。

11.循環韌性應用：減振、消振元件。12.包申格效應：金屬材料經過預先加載產生少量塑性變形，卸載后再同向加載，規定殘余伸長應力增加；反向加載規定殘余伸長應力降低的現象，稱為包申格效應。

13.包申格應變：指在給定應力下，正向加載與反向加載兩應力－應變曲線之間的應變差。14.消除包申格效應：預先進行較大的塑性變形。在第二次反向受力前先使金屬材料于回復或再結晶溫度下退火。三節：塑性

1.塑性：金屬材料斷裂前發生不可逆永久(塑性)變形的能力.2.影響材料屈服強度的因素：㈠ 內在因素.1.金屬本性及晶格類型.主滑移面位錯密度大，屈服強度大。2.晶粒大小和亞結構.晶界對位錯運動具有阻礙作用。晶粒小可以產生細晶強化。都會使強度增加。3.溶質原子: 溶質元素溶入金屬晶格形成固溶體,產生固溶強化。4，第二相.a.不可變形的第二相繞過機制.留下一個位錯環對后續位錯產生斥力, b.可以變形的第二相切過機制.由于，質點與基體間晶格錯排及位錯切過第二相質點產生新界面需要做功，使強度增加。二）外在因素：1.溫度溫度越高原子間作用越小位錯運動阻力越低2.應變速率。應變速率越高強度越高。3.應力狀態.切應力分量越大強度越低

3.細晶強化：晶界是位錯運動的阻礙，晶粒小相界多。減少晶粒尺寸會減少晶粒內部位錯塞積的數量，減少位錯塞積群的長度，降低塞積點處的應力，相鄰晶粒中位錯源開動所需的外加切應力提高，屈服強度增加。

4.固溶強化：在純金屬中加入溶質原子形成固溶合金，將顯著提高屈服強度，此即為固溶強化。溶質原子與基體原子尺寸差別越大，引起的彈性畸變越大，溶質原子濃度越高，引起的彈性畸變越大，對位錯的阻礙作用越強，固溶強化作用越大。

5.影響粒狀第二相強化效果的因素：當粒子體積分數f一定時,粒子尺寸r越小、位錯運動障礙越多，位錯的自由行程越小，強比效果越顯著。當粒子尺寸一定時，體積分數f越大，強化效果亦越好。網狀分布時，位錯堆積，應力不可以松弛，脆性增加.片狀＞球狀

6.珠光體對第二相的影響：1）片狀珠光體，位錯的移動被限制在滲碳體片層之間。所以滲碳體片層間距越小，珠光體越細，其強度越高。2）粒狀珠光體，位錯錢與第二相球狀粒子交會的機會減少，即位錯運動受阻的機會減少，故強度降低，塑性提高。3）滲碳體以連續網狀分布于鐵素體晶界上時，使晶粒的變形受阻于相界，導致很大的應力集中，因此強度反而下降，塑性明顯降低。

7.應變硬化：應變硬化是位錯增殖、運動受阻所致

8.n表示材料的應變強化能力或對進一步塑性變形的抗力。

9.影響n的因素：1)層錯能：層錯能低,則交滑移難，加工硬化指數高。2)冷熱變形 退火態n大，冷加工n小3)強度，強度高n低。10塑性的指標：①延伸率：試樣拉斷時所測得的條件延伸率主要反映了材料均勻變形的能力。② 斷面收縮率：斷面收縮率主要反映了材料局部變形的能力 11.韌性：韌性是指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。四節：金屬的斷裂

1.裂紋的基本形成過程：裂紋形成和擴展。2.段裂類型：1）根據斷裂前金屬是否有明顯的塑性變形分：脆性斷裂ψ<5%

韌性斷裂ψ>5% 2）從微觀上按照裂紋的走向分：穿晶斷裂 沿晶斷裂

3.磨損，腐蝕，斷裂是機件的三種失效形式。4.韌性斷裂宏觀斷口：斷口粗糙、呈纖維狀，灰暗色。1）中、低強度鋼光滑圓柱試樣拉伸斷口呈杯錐狀。

5.宏觀斷口三要素：1）纖維區2)放射區3)剪切唇

6.塑性變形量越大則放射線越粗。溫度降低或材料強度增加，由于塑性降低放射線由粗變細乃至消失。

7.影響斷口三要素的因素：材料脆性越大，放射區越大，纖維區越小，剪切唇越小。材料尺寸越大，放射區越大，纖維區基本不變。8.脆性斷裂宏觀斷口：脆性斷裂的斷裂面一般與正應力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結晶狀。

9.沿晶斷裂：當晶界的強度小于屈服強度時，晶界無塑性變形，斷裂呈宏觀脆性

產生冰糖狀斷口。當晶界的強度大于屈服強度時，晶界有塑性變形，產生石狀斷口 10.微孔聚集型斷裂斷口微觀特征:韌窩。11.微孔聚集型斷裂的過程：塑變過程中，位錯運動遇到第二相顆粒形成位錯環。切應力作用下位錯環堆積.位錯環移向界面，界面沿滑移面分離形成微孔。位錯源重新開動，釋放出新位錯，不斷進入微孔，使微孔長大。在外力的作用下產生縮頸（內縮頸）而斷裂（纖維區），使微孔聚合，形成裂紋；裂紋尖端應力集中，產生極窄的與徑向大致呈45度的剪切變形帶，新的微孔就在變形帶內成核、長大和聚合，與裂紋連接時，裂紋擴展。（大概說出）

12.解理斷裂：指金屬材料在一定條件下（如低溫），當外加正應力達到一定數值后，以極快速率沿一定晶體學平面產生的穿晶斷裂。

13.解理面：由于與大理石的斷裂相似，所以稱這種晶體學平面為解理面。

14.解理斷裂過程分為三個階段：a)塑性變形形成裂紋b)裂紋在同一晶粒內初期長大c)裂紋越過晶界向相鄰晶粒擴展

15.解理斷裂的微觀斷口特征：1)解理臺階及河流狀花樣。2)舌狀花樣 16.準解理斷裂：穿晶斷裂；有小解理刻面； 有臺階或撕裂棱及河流花樣。

第二章

一節：材料的軟性系數

1.α值越大，最大切應力分量越大，表示應力狀態越“軟”，越易于產生塑性變形和韌性斷裂。α值越小，最大正應力分量越大，應力狀態越“硬”，越不易產生塑性變形而易于產生脆性斷裂。

2.對于塑性較好的金屬材料，往往采用應力狀態硬的三向不等拉伸的加載方法，以考查其脆性傾向。二節：壓縮

1.力學性能指標 規定非比例壓縮應力σpc。抗壓強度σbc。相對壓縮率δck 和相對斷面擴脹率ψck 2.壓縮試驗的特點：1）單向壓縮試驗的應力狀態系數α＝2，主要用于拉伸時呈脆性的金屬材料力學性能的測定。2）因此塑性材料很少進行壓縮試驗。3）脆性材料的壓縮強度一般高于其抗拉強度。三節：彎曲 1.性能指標：可測定脆性或低塑性材料的主要力學性能指標有：規定非比例彎曲應力σpb。抗彎強度σbb。彎曲模量Eb 2.彎曲試驗的特點：1）試樣形狀簡單、操作方便，不存在拉伸試驗時的試樣偏斜對試驗結果的影響，并可用試樣彎曲的撓度顯示材料的塑性。2）彎曲試樣一側受拉，一側受壓，表面應力最大，故可較靈敏地反映材料的表面缺陷。3）對于脆性難加工的材料，可用彎曲代替拉伸 四節：扭轉

1.力學性能指標：切變模量G。扭轉比例極限τp和扭轉屈服強度τs。抗扭強度

2.扭轉特點：1）測定那些在拉伸時呈現脆性或低塑性材料的強度和塑性。2）能較敏感地反映出材料表面缺陷及表 面硬化層的性能。3）試樣長度上的塑性變形是均勻的，不會出頸縮現象。4）扭轉時最大正應力與最大切應力在數值上大體相等。

五節：缺口試樣靜載荷試驗

1.缺口效應 效應1：缺口引起應力集中，改

變了缺口前方應力狀態。由單向應力狀態變為兩向或三向應力狀態。缺口效應2:缺口使塑性材料產生缺口附加強化，使強度增加，塑性降低。六節：硬度

1.布氏硬度 優點：壓痕面積大，不受個別

相及微小不均勻性影響，反映平均性能，重現度大。缺點：不同材料變D、F，測d不能直接讀數。壓痕較大，不宜在零件表面上測定硬度，也不能測定薄壁件或表面硬化層硬度。

2.洛氏硬度：壓痕深度來表示材料的硬度。3.洛氏硬度 優點：適于各種不同硬質材料的檢驗，不存在壓頭變形問題;硬度值可直接讀出;對試件表面造成的損傷較小，可用于成品零件的質量檢驗;因加有預載荷，可以消除表面輕微的不平度對試驗結果的影響。缺點：不同標尺的洛氏硬度值無法相互比較;由于壓痕小，所以洛氏硬度對材料組織的不均勻性很敏感

4.維氏硬度：測量壓痕兩對角線的長度后取

平均值d。

第三章 金屬在沖擊載荷下的力學性能 三節：低溫脆性

1.沖擊韌性：是指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。

2.材料的沖擊韌度值隨溫度的降低而減小，當溫度降低到某一溫度范圍時，沖擊韌度急劇下降，材料由韌性狀態轉變為脆性狀態。這種現象稱為“冷脆”。3.低溫脆性的本質：低溫脆性是材料屈服強度隨溫度下降急劇增加的結果。

4.影響沖擊韌性和韌脆轉變溫度的因素：1.材料因素：a）晶體結構的影響。低、中強度的bcc金屬及其合金有冷脆現象。高強度的bcc金屬，冷脆轉變不明顯。fcc金屬一般情況下可認為無冷脆現象。2）化學成分： a)加入能形成間隙固溶體的元素，使沖擊韌性減小，冷脆轉變溫度提高 b)α-Fe中加入能形成置換固溶體的元素。c)雜質元素S、P、Pb、Sn、As等，會降低鋼的韌性。3）晶粒尺寸：細化晶粒能使材料的韌性增加，韌脆轉變溫度降低。4)金相組織：強度相同時S>B>P片>P球。2.外在因素：1）缺口越尖銳，三向應力狀態越嚴重脆性轉變溫度的升高。2）尺寸因素 試樣尺寸增大，材料的韌性下降，斷口中纖維區減少，脆性轉變溫度升高。3）加載速度 外加沖擊速度增加，使缺口處塑性變形的應變率提高，促進材料的脆化。

5.Si、Cr等降低層錯能，促進位錯擴展，形成孿晶、交滑移困難。在α-Fe中加入Ni和Mn，能顯著地降低冷脆轉變溫度并提高韌斷區的沖擊值。

第四章 金屬的斷裂韌度 1.裂紋擴展的基本形式：1）張開型裂紋2）滑開型裂紋3）撕開型裂紋

2.在x軸上裂紋尖端的切應力分量為零，拉應力分量最大，裂紋最易沿x軸方向擴展。3.應力場強度因子KⅠ表示裂紋尖端應力場的強弱

4.這個臨界或失穩狀態的KI值就記作KIC或KC稱為斷裂韌度。表征材料對宏觀裂紋失穩擴展的抗力。

5.GIC，也稱為斷裂韌度或平面斷裂韌度，表示材料阻止裂紋失穩擴展時單位面積所消耗的能量

6.影響斷裂韌性KIC的因素：

一、內因 ：1）晶粒尺寸 晶粒愈細，KIC 也愈高。2）合金化 固溶使得KIC 降低。彌散分布的第二相數量越多，其間距越小，KIC 越低;第二相沿晶界網狀分布，晶界損傷，KIC 降低；

球狀第二相的KIC ＞片狀 3）夾雜 夾雜物偏析于晶界，晶界弱化，增大沿晶斷裂的傾向性； 在晶內分布的夾雜物 起缺陷源的作用，都使材料 的KIC 值下降。4）顯微組織（1）M組織 板條M，KIC高。針狀M，KIC低 混合M介于二者之間

（2）回火組織：回火馬氏體KIC 低。回火索氏體KIC高。回火屈氏體介于二者之間。（3）貝氏體組織

上貝氏體低下貝氏體高。（4）殘余奧氏體提高KIC??????.（貌似不能考太復雜了，想看自己看書吧）

第五章 金屬的疲勞

一節：金屬疲勞現象及特點

1.疲勞：由于承受變動載荷而導致裂紋萌生和擴展以至斷裂失效的全過程稱為疲勞。

2.高周疲勞特點：斷裂壽命較長，Nf>105周次，斷裂應力水平較低，σ<σs，也稱低應力疲勞

3.低周疲勞特點：斷裂壽命較短，Nf=（104-105）周次斷裂應力水平較高，σ≥σs，往往有塑性應變出現，也稱高應力疲勞或應變疲勞。

4.疲勞斷裂有如下的特點：1）低應力循環延時斷裂，即有壽命的斷裂。2）是脆性斷裂。3）對缺陷(缺口、裂紋及組織缺陷)，尤其是表面缺陷十分敏感。4）疲勞分裂紋萌生和擴展兩個階段。可見疲勞源＋疲勞區＋瞬間斷裂區。5.疲勞源：裂紋萌生的地方，常處于機件的表面或缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷處，或機件截面尺寸不連續的區域（有應力集中）。材料內部存在嚴重冶金缺陷也會在材料內部產生疲勞源。形貌特點：光亮度大，擴展速小，斷面不斷摩擦擠壓，且有加工硬化發生。機理：裂紋擴展速率低，N大，不斷擠壓摩擦

6.疲勞區：裂紋亞穩擴展所形成的。特征：比較光滑并分布有貝紋線（海灘花樣），有時還有裂紋擴展臺階。

7.貝紋線：平行弧線，間距不同；在裂紋源附近，線條細密、擴展較慢；在遠離裂紋處，線條稀疏、擴展較快。

8.瞬時斷裂區：裂紋失穩擴展形成的。特征：

表面粗糙；脆性材料為結晶狀，塑性材料為纖維區。瞬斷區位置一般應在疲勞源的對側。9.裂紋源區的光亮度越大、相鄰疲勞區越大、貝紋線越多，疲勞源越先產生，反之，疲勞源越往后產生。二節：高周疲勞

1.循環應力特性主要包括平均應力 σm，應力幅σa和應力比r以及加載方式（應力狀態）。2.循環應力特性對S-N曲線的影響：1)平均應力的影響: a)σmax相同隨平均應力的增高，循環不對稱程度加大，交變應力幅占循環 應力的分數越來越小，造成的損傷也越來越小，使曲線向上移動，疲勞抗力增加。b）σa相同隨著平均應力升高，不對

稱程度越來越嚴重，作用在等體積材料中的應力水平越來越高，疲勞損傷加劇，S-N曲線向下移動。疲勞抗力降低。

3.缺口越尖銳，疲勞極限下降越多。4.疲勞裂紋擴展的規律: 應力水平越高，擴展越快；裂紋尺寸越大，擴展越快。

5.疲勞裂紋擴展可分為三個區域: I區為近門檻區, 斷口：解理花樣，由斷裂小面組成。II區為中部區或穩態擴展區.斷口：疲勞條紋 III區為裂紋快速擴展區，斷口: 靜載斷裂機制。

6.疲勞裂紋擴展的影響因素: 1)平均應力, 壓縮載荷下，裂紋是閉合的，對裂紋擴展無貢獻。平均拉應力（應力比r）升高，疲勞抗力降低 2）過載峰及裂紋塑性區的影響 偶然過載進入過載損傷區內，將使材料受到損傷并降低疲勞壽命，但是如果過載適當，反而是有益的。3）材料的組織和性能 晶粒越大，△Kth 越大、裂紋開始擴展困難，但會使裂紋擴展速度增大。

7.引入殘余壓應力降低平均應力如表面噴丸、滾壓、淬火處理等，可以提高材料的疲勞抗力。8.疲勞裂紋萌生過程及機理: 1)滑移帶開裂產生裂紋

提高材料的滑移抗力，可阻止裂紋的萌生，增強 材料的疲勞抗力。2）相界面開裂產生裂紋

第二相、夾雜物應“少、圓、小、勻”，以提高疲勞抗力。3）晶界、亞晶界開裂產生裂紋。強化、凈化、細化晶界，可提高材料的疲勞抗力。4）材料內部的缺陷如氣孔、夾雜、分層、各向異性、相變或晶粒不均勻等，都會因局部的應力集中而引發裂紋。9.疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征：第一階段：從表面個別侵入溝（或擠出脊）先形成微裂紋，然后裂紋主要沿主滑移系方向，以純剪切方式沿45°向內擴展。斷口上無明顯的特征，只有一些擦傷的痕跡。在一些強化材料中,有時存在周期性解理或者準解理花樣第二階段：裂紋⊥拉應力。第二階段的斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲勞條帶（條紋、輝紋）。

10.影響疲勞強度的主要因素：

一、加載規范及環境的影響 1.載荷頻率 2.次載鍛煉 3.間歇 4.溫度 溫度升高，疲勞極限下降 5.介質：腐蝕介質表面蝕坑，疲勞極限下降

二、表面狀態與尺寸因素：1.表面狀態：缺口：因應力集中會降低材料的疲勞強度。越粗糙，材料的疲勞強度越低 表面強度越高，疲勞強度越高。2.尺寸效應 尺寸增加，疲勞強度降低。

三、表面強化及殘余應力的影響 1.表面噴丸及滾壓 2.表面熱處理及化學熱處理 提高疲勞強度； 3.殘余應力，殘余壓應力提高疲勞強度；殘余拉應力降低疲勞強度。

四、材料成分及組織 含碳形成抗力增加 合金元素

提高淬透性，改善韌性 2.顯微組織 生脆性斷裂的現象，稱為氫脆斷裂或氫致斷裂，簡稱氫脆。2．氫脆類型及特征：1.氫氣壓力引起的開裂（白點）。條件：當鋼中含有過量的氫時，隨著溫度降低氫在鋼中的溶解度減小。如果過飽和的氫未能擴散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成H2分子。微裂紋的斷面呈圓形或橢圓形，顏色為銀白色，所以稱為白點。

3.氫蝕產生的條件及原因，高溫高壓下，氫與鋼中的固溶體或滲碳體反應產生甲烷可以在鋼細化晶粒，可以提高材料強韌性，疲勞極限提高。2)組織 正火組織：片狀K，疲勞極限低 淬火回火組織：

織HRC：硬?度相同??1?，韌M??性＞淬T??S等溫淬火組火回?火組織 3.夾雜物及冶金缺陷：作為裂紋核心，降低疲勞極限。（內容太多了不一定考）

第六章金屬的應力腐蝕和氫脆斷裂 一節：應力腐蝕 1.應力腐蝕現象：材料或零件在應力和腐蝕環境的共同作用下，經過一段時間后所產生的低應力脆斷現象。

2.產生條件：應力、環境（介質）和材料三者共存是產生應力腐蝕的必要條件。應力為拉應力而且很低。特定材料只有在特定的介質中產生應力腐蝕。純金屬一般無應力腐蝕現象。合金一般都具有應力腐蝕，而且有一定敏感成分。

3.典型材料的應力腐蝕：1)不銹鋼在氯化物溶液中的應力腐蝕（氯脆）。低碳鋼在熱堿溶液中的應力腐蝕。3)銅合金在含氨水溶液中的應力腐蝕（氨脆）

4.應力腐蝕的特征：1)造成應力腐蝕破壞的是靜應力，遠低于材料的屈服強度，而且一般是拉伸應力2)應力腐蝕造成的破壞是脆性斷裂3)對每一種金屬或合金，只有在特定的介質中才會發生4）應力腐蝕遠大于腐蝕速度、但遠小于單純力學的 斷裂速度。5)裂紋的傳播途徑常垂直于拉力的方向；6)應力腐蝕破壞的斷口，宏觀特征與疲勞斷口相似，也有亞穩擴展區和最后瞬斷區。7)應力腐蝕的主裂紋擴展時，常有分枝。微觀裂紋分叉，呈枯樹枝狀，表面可見“泥狀花樣”腐蝕產物及腐蝕坑8)應力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是沿晶斷裂，甚至是兼有這兩種形式的混合斷裂。

5.斷裂時間tf隨著外加拉伸應力的降低而增加。當外加應力低于某一定值時，應力腐蝕斷裂時間tf趨于無限長，此應力稱為不發生應力腐蝕的臨界應力σscc 6.防止應力腐蝕的措施：1）降低或消除應力：a)避免或減少局部應力集中；b)進行消除應力處理；c)采用噴丸或其它表面處理方法 2）控制環境： a)避免在敏感介質中使用 b)加入緩蝕劑

c)保護涂層

d)電化學保護 3）改善材質： a)正確選材：b)開發耐應力腐蝕新材料 c)改變組織和減少雜質 二節：氫脆 1．由于氫與應力的共同作用而導致金屬材料產中形成高壓,使基體金屬晶界結合力減弱,導致鋼材的塑性大幅度降低，這種現象稱為氫蝕。特點：a,氫蝕脆化裂紋常沿晶界發展，斷口顏色呈氧化色，呈顆粒狀，晶界明顯加寬，呈沿晶斷裂。b, 氫蝕過程存在孕育期，并且溫度越高，孕育期越短。（c）鋼發生氫蝕的溫度為300~500℃，低于200℃時不發生氫蝕。

5.氫化物致脆: 對于IVB或VB族金屬(如純

鈦、α-鈦合金、鎳、釩、鋯、鈮及其合金)，由于它們與氫有較大的親和力，極易生成脆性氫化物，使材料的塑性、韌性降 低，產生脆化。

6.第一類氫脆：當熔融金屬冷凝時，由于溶

解度的降低，氫自固溶體中析出，并與基體金屬化合生成了氫化物。這種由于預先存在氫化物所引起的脆性屬于第一類氫脆。第二類氫脆：合金中原有的氫含量較低，不足以形成氫化物；但當受到應力作用時，氫將向拉應力區或裂紋前沿聚集、一旦達到足夠濃度，過飽和 氫將從固溶體中析出并形成氫化物。由于應力感生 氫化物所引起的脆化，屬于第二類氫脆。7.氫化物制脆特點：A,氫脆敏感性，隨溫度

降低及試樣缺口的尖銳程度增加而增加。B, 斷口上常可以發現氫化物。C, 氫化物的形狀和分布對脆性有明顯的影響。8.氫致延滯斷裂: 高強鋼或鈦合金含有適量的固溶狀態的氫，在低于屈服強度的應力持續作用下，經過一段時間孕育后，在金屬內部，特別是在三向拉應力區形成裂紋，裂紋逐步擴展，最后突然發生脆性斷裂.9.氫致延滯斷裂特點：a,只在一定溫度范圍

內出現b, 提高應變速率，材料對氫脆的敏感性降低。C, 可顯著降低金屬材料的斷后伸長率d, 高強度鋼的氫致延滯斷裂還具有可逆性。

10.氫致滯后斷裂過程: a)孕育階段: b）裂

紋形核：c)裂紋擴展：d）擴展直至斷裂 11.防止氫脆的措施：1.環境因素：設法切斷

氫進入金屬的途徑，如采用表面涂層，使機件表面與環境介質中的氫隔離。2.力學因素：在機件設計和加工過程中，應排除各種產生殘余拉應力的因素，相反，采用表面處理使表面獲得殘余壓應力層，對防止氫致延滯斷裂有良好的作用。3.材質因素：含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫脆敏感性較低。鋼的強度越高，對氫脆越敏感。因此，對在含氫介質中工作的高強度鋼的強度應有所限制。第七章金屬磨損和接觸疲勞

一節：磨損的基本概念

1.磨損：機件表面相接觸并作相對運動時，由于摩擦使摩擦表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸損失，導致機件尺寸變化和質量損失，造成表面損傷的現象。二節：磨損模型 1．粘著磨損：粘著磨損是接觸表面相互運動時，因固相焊合作用使材料從一個表面脫落或轉移到另一表面而形成的磨損，又稱咬合磨損。2．產生的條件：滑動摩擦，相對滑動速度較小。缺乏潤滑油，表面沒有氧化膜。單位法向載荷很大

3.分類：按工作溫度分：低溫粘著磨損，高溫粘著磨損。按粘結點的強度和磨損程度分：a）涂抹 軟材料表面出現微小的凹坑，硬材料表面形成微小凸起，使摩擦面變得粗糙。b）劃傷，擦傷軟材料的表面形成細而淺的劃痕c）刮傷 較深的劃痕d）膠合 在摩擦力和摩擦熱的作用下，摩擦表面出現較深的劃痕和凹坑的磨損。

e）咬死

外力克服不了結點界面上的結合力。

4．材料的粘著磨損量與所加法向載荷、摩擦距離成正比；與材料的硬度或強度成反比，而與接觸面積大 小無關。

5.粘著磨損的影響因素;內因:（1）點陣結構：體心立方和面心立方結構的金屬發生粘著磨損的傾向高于密排六方結構。（2）材料的互溶性, 越大，粘著傾向越大。（3）組織結構：單晶體的粘著性大于多晶體；單相金屬的粘著性大于多相合金；固溶體比化合物粘著傾 向大。材料的晶粒尺寸越小，粘著磨損量越小。4）塑性材料比脆性材料易于粘著；金屬/金屬組成的摩擦副比金屬/非金屬的摩擦副易于粘著。外因：（1）在摩擦速度一定時，粘著磨損量隨接觸壓力的增大而增加。（2）在接觸壓力一定的情況下，粘著磨損量隨滑動速度的增加而增加，但達到某一極大值后，又隨滑動 速度的增加而減小。（3）降低表面粗糙度，將增加抗粘著磨損能力。（4）提高溫度和滑動速度，粘著磨損量增加。5）良好的潤滑狀態能顯著降低粘著磨損。

6.減輕粘著磨損的主要措施：(1)合理選擇摩擦副材料。盡量選擇互溶性少，粘著傾向小的材料配對(2)避免或阻止兩摩擦副間直接接觸。改善表面潤滑條件。(3)控制摩擦滑動速度和接觸壓應力，可使粘著磨損大為減輕。（4）使磨屑多沿接觸面剝落，以降低磨損量，可采用表面滲硫、滲磷、滲氮等表面處理工藝。使磨損發生在較軟方材料表層，可采用滲碳、滲氮共滲、碳氮硼三元共滲等工藝以提高另一方的硬度。

7.磨粒磨損 ：摩擦副的一方表面存在堅硬的細微凸起或在接觸面向存在硬質粒子時產生的磨損。

8.分類：1)按接觸條件或磨損表面數量分：（1）兩體磨粒磨損（2）三體磨粒磨損 2）按磨料所受應力大小：（1）低應力劃傷式磨粒磨損（2）高應力碾碎式磨粒磨損

（3）鑿削式磨粒磨損 3）按材料的相對硬度分：軟磨粒磨損 硬磨粒磨損

4）按工作環境分：普通型磨粒磨損

腐蝕磨粒磨損 高溫磨粒磨損

9.磨粒磨損的過程與機理：磨粒對摩擦表面產生的微切削作用、塑性變形、疲勞破壞或脆性斷裂產生的，或是它們綜合作用的結果。10.特征：摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的溝槽

11.磨粒磨損的影響因素：1）材料性能a.硬度：一般情況下，材料硬度越高，其抗磨粒磨損能力也越高。2)斷裂韌性 3)顯微組織：(1)鋼： M耐磨性好, F因硬度太低，耐磨性最差。(2)H相同,下貝氏體耐磨性高于回火馬氏體。(3)鋼中碳化物：在軟基體中碳化物數量增加，彌散度增加，耐磨性也提高；在硬基體上分布碳化物反而損害材料的耐磨性。4)晶粒尺寸：細化晶粒，提高耐磨性。5)磨粒性能(1)磨粒的硬度

(2)磨粒尺寸(3)磨粒形狀 尖銳磨粒造成的磨損量多

四節：金屬接觸疲勞

1.分類：麻點剝落(點蝕)淺層剝落 深層剝落(表面壓碎): 2.接觸應力：兩物體相互接觸時在局部表面產生的壓應力稱為接觸應力，也叫赫茲應力 3.疲勞磨損：在交變剪應力的影響下，裂紋容易在最大剪應力處成核，并擴展到表面而產生剝落，在零件表面形成 針狀或豆狀凹坑，造成疲勞磨損。

4.分類：(1)線接觸應力(2)點接觸應力 5.疲勞磨損機理：（1）麻點磨損：表面接觸應力較小，摩擦力較大、或表面質量較差（如表面有脫碳、燒傷、淬火不足、夾雜物等）時，易產生麻點剝落。2）淺層剝落：裂紋常出現在非金屬夾雜物附近，裂紋開始沿非金屬夾雜物平行于表面擴展。3）深層剝落（壓碎性剝落）：該處切應力雖不是最大，但因過渡區是弱區，切應力可能高于材料材料強度而在該處產生裂紋

6．影響接觸疲勞壽命的因素：1）非金屬夾雜物.a.M的含碳量。b.M和殘余奧氏體的級別c.未溶碳化物的大小3）表面硬度與心部硬度a.表面硬度b.心部硬度 4）表面硬化層深度

第八章金屬高溫力學性能

一節：蠕變現象

1.金屬材料隨著溫度的升高，強度逐漸降

低，斷裂方式由穿晶斷裂逐漸向沿晶斷裂過渡。

2.蠕變:材料在長時間的恒溫、恒應力作用

下，即使應力小于屈服強度，也會緩慢地產生塑性變形的現象稱為蠕變

3.蠕變變形機理 ：主要有位錯滑移、攀移、原子擴散和晶界滑動，對于高分子材料還有分子鏈段沿外力的舒展。

4.位錯滑移、攀移蠕變機理：(a)由于原子

或空位的熱激活運動，使得刃型位錯得以

5.7.8.9.10.11.攀移，攀移后的位錯或者在新的滑移面上得以滑移(b)異號位錯反應得以消失(c)形成亞晶界(d)被大角晶界所吸收這樣被塞集的位錯數量減少，對位錯源的反作用力減小，位錯源就可以重新開動，位錯得以增殖和運動，產生蠕變變形。6.蠕變斷裂機理 ：蠕變斷裂主要是沿晶斷裂。在裂紋成核和擴展過程中，晶界滑動引起的應力集中與空位的擴散起著重要作用。由于應力和溫度的不同，裂紋成核有兩種類型。1)裂紋成核于三晶粒交會處 在高應力和低溫下，持續的恒載持導致位于最大切應力方向的晶界滑動，這種滑動成、長大和連接的方式發生的，斷口的典型特征是韌窩。3)在較低應力和較高溫度下，通過在晶界空位聚集形成空洞和空洞長大的方式發生晶界蠕變斷裂 4)高溫高應力下，在強烈變形部位將迅速發生回復再結晶，晶界能夠通過擴散發生遷移，即使在晶界上形成空洞，空洞也難以繼續長大。

金屬材料蠕變斷裂斷口特征：宏觀特征為：一是使斷裂機件表面出現龜裂現象；另一個特征是由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋。微觀特征主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂。

蠕變極限的意義表示材料在高溫下受到載荷長時間作用時，對于蠕變變形的抗力。

影響蠕變性能的主要因素：1,化學成分 a,在金屬基體中加入鉻、相、鎢、鋁等合金元素, 除產生固溶強化作用外，還因為合金元素使層錯能降低，易形成擴展位錯，且溶質原子與溶劑原于的結合力較強，增大了擴散激活能，從而提高了蠕變極限 b,稀土等增加晶界激活能的元素。2.組織結構 對于金屬材料，采用不同的熱處理工藝，可以改變組織結構，從而改變熱激活運動的難易程度.3.晶粒度 對于金屬材料，當使用溫度低于等強溫度時，細化晶粒可以提高鋼的強度；當使用溫度高于等強溫度時，粗化晶粒可以提高鋼的蠕變極限和持久強度，但是，晶粒太大會降低鋼的高溫塑性和韌性。

降低蠕變速度必須控制位錯攀移的速度；必須抑制晶界的滑動。必然在三晶粒交界處形成應力集中。2)裂紋成核分散于晶界上 在較低應力和較高溫度下，蠕變裂紋常分散在晶界各處，特別易產生在垂直于拉應力方向的晶界上

影響蠕變斷裂的因素：1)在高應力高應變速率下，溫度低時，金屬材料通常發生滑移引起的解理斷裂或晶間斷裂，這屬于一種脆性斷裂方式。2)在高應力高應變速率下，溫度高于韌脆轉變溫度時，斷裂方式從脆性解理和晶間斷裂轉變為韌性穿晶斷裂。它是通過在第二相界面上空洞生

第五篇：材料力學性能總結

材料力學性能 第一章

二節．彈變

1,。彈性變形：材料在外力作用下產生變形，當外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復原來形狀的性質稱為彈性。這種可恢復的變形稱為彈性變形。

2.彈性模量：表征材料對彈性變形的抗力

3.彈性性能與特征是原子間結合力的宏觀體現，本質上決定于晶體的電子結構，而不依賴于顯微組織，因此，彈性模量是對組織不敏感的性能指標。4.比例極限σp：應力與應變成直線關系的最大應力。5.彈性極限σe：由彈性變形過渡到彈性塑性變形的應力。

6.彈性比功: 表示單位體積金屬材料吸收彈性變形功的能力，又稱彈性比應變能。7.力學性能指標：反映材料某些力學行為發生能力或抗力的大小。

8.彈性變形特點：應力與應變成比例，產生變形，當外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復原來形狀

9.滯彈性：在彈性范圍內快速加載或卸載后，隨時間延長產生附加彈性應變的現象，稱為滯彈性。

10.循環韌性：指在塑性區加載時材料吸收不可逆變形功的能力。11.循環韌性應用：減振、消振元件。

12.包申格效應：金屬材料經過預先加載產生少量塑性變形，卸載后再同向加載，規定殘余伸長應力增加；反向加載規定殘余伸長應力降低的現象，稱為包申格效應。

13.包申格應變：指在給定應力下，正向加載與反向加載兩應力－應變曲線之間的應變差。

14.消除包申格效應：預先進行較大的塑性變形。在第二次反向受力前先使金屬材料于回復或再結晶溫度下退火。三節：塑性

1.塑性：金屬材料斷裂前發生不可逆永久(塑性)變形的能力.2.影響材料屈服強度的因素：㈠ 內在因素.1.金屬本性及晶格類型.主滑移面位錯密度大，屈服強度大。2.晶粒大小和亞結構.晶界對位錯運動具有阻礙作用。晶

粒小可以產生細晶強化。都會使強度增加。3.溶質原子:溶質元素溶入金屬晶格形成固溶體,產生固溶強化。4，第二相.a.不可變形的第二相繞過機制.留下一個位錯環對后續位錯產生斥力,b.可以變形的第二相切過機制.由于，質點與基體間晶格錯排及位錯切過第二相質點產生新界面需要做功，使強度增加。二）外在因素：1.溫度溫度越高原子間作用越小位錯運動阻力越低2.應變速率。應變速率越高強度越高。3.應力狀態.切應力分量越大強度越低

3.細晶強化：晶界是位錯運動的阻礙，晶粒小相界多。減少晶粒尺寸會減少晶粒內部位錯塞積的數量，減少位錯塞積群的長度，降低塞積點處的應力，相鄰晶粒中位錯源開動所需的外加切應力提高，屈服強度增加。

4.固溶強化：在純金屬中加入溶質原子形成固溶合金，將顯著提高屈服強度，此即為固溶強化。溶質原子與基體原子尺寸差別越大，引起的彈性畸變越大，溶質原子濃度越高，引起的彈性畸變越大，對位錯的阻礙作用越強，固溶強化作用越大。5.影響粒狀第二相強化效果的因素：當粒子體積分數f一定時,粒子尺寸r越小、位錯運動障礙越多，位錯的自由行程越小，強比效果越顯著。當粒子尺寸一定時，體積 分數f越大，強化效果亦越好。網狀分布時，位錯堆積，應力不可以松弛，脆性增加.片狀＞球狀

6.珠光體對第二相的影響：1）片狀珠光體，位錯的移動被限制在滲碳體片層之間。所以滲碳體片層間距越小，珠光體越細，其強度越高。2）粒狀珠光體，位錯錢與第二相球狀粒子交會的機會減少，即位錯運動受阻的機會減少，故強度降低，塑性提高。3）滲碳體以連續網狀分布于鐵素體晶界上時，使晶粒的變形受阻于相界，導致很大的應力集中，因此強度反而下降，塑性明顯降低。

7.應變硬化：應變硬化是位錯增殖、運動受阻所致

8.n表示材料的應變強化能力或對進一步塑性變形的抗力。

9.影響n的因素：1)層錯能：層錯能低,則交滑移難，加工硬化指數高。2)冷熱變形 退火態n大，冷加工n小3)強度，強度高n低。

10塑性的指標：①延伸率：試樣拉斷時所測得的條件延伸率主要反映了材料均勻變形的能力。② 斷面收縮率：斷面收縮率主要反映了材料局部變形的能力

11.韌性：韌性是指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。四節：金屬的斷裂

1.裂紋的基本形成過程：裂紋形成和擴展。

2.段裂類型：1）根據斷裂前金屬是否有明顯的塑性變形分：脆性斷裂ψ<5% 韌性斷裂ψ>5% 2）從微觀上按照裂紋的走向分：穿晶斷裂

沿晶斷裂

3.磨損，腐蝕，斷裂是機件的三種失效形式。

4.韌性斷裂宏觀斷口：斷口粗糙、呈纖維狀，灰暗色。1）中、低強度鋼光滑圓柱試樣拉伸斷口呈杯錐狀。

5.宏觀斷口三要素：1）纖維區2)放射區3)剪切唇

6.塑性變形量越大則放射線越粗。溫度降低或材料強度增加，由于塑性降低放射線由粗變細乃至消失。

7.影響斷口三要素的因素：材料脆性越大，放射區越大，纖維區越小，剪切唇越小。材料尺寸越大，放射區越大，纖維區基本不變。

8.脆性斷裂宏觀斷口：脆性斷裂的斷裂面一般與正應力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結晶狀。

9.沿晶斷裂：當晶界的強度小于屈服強度時，晶界無塑性變形，斷裂呈宏觀脆性

產生冰糖狀斷口。當晶界的強度大于屈服強度時，晶界有塑性變形，產生石狀斷口

10.微孔聚集型斷裂斷口微觀特征:韌窩。

11.微孔聚集型斷裂的過程：塑變過程中，位錯運動遇到第二相顆粒形成位錯環。切應力作用下位錯環堆積.位錯環移向界面，界面沿滑移面分離形成微孔。位錯源重新開動，釋放出新位錯，不斷進入微孔，使微孔長大。在外力的作用下產生縮頸（內縮頸）而斷裂（纖維區），使微孔聚合，形成裂紋；裂紋尖端應力集中，產生極窄的與徑向大致呈45度的剪切變形帶，新的微孔就在變形帶內成核、長大和聚合，與裂紋連接時，裂紋擴展。（大概說出）12.解理斷裂：指金屬材料在一定條件下（如低溫），當外加正應力達到一定數值后，以極快速率沿一定晶體學平面產生的穿晶斷裂。

13.解理面：由于與大理石的斷裂相似，所以稱這種晶體學平面為解理面。

14.解理斷裂過程分為三個階段：a)塑性變形形成裂紋b)裂紋在同一晶粒內初期長大c)裂紋越過晶界向相鄰晶粒擴展

15.解理斷裂的微觀斷口特征：1)解理臺階及河流狀花樣。2)舌狀花樣

16.準解理斷裂：穿晶斷裂；有小解理刻面； 有臺階或撕裂棱及河流花樣。

第二章

一節：材料的軟性系數

1.α值越大，最大切應力分量越大，表示應力狀態越“軟”，越易于產生塑性變形和韌性斷裂。α值越小，最大正應力分量越大，應力狀態越“硬”，越不易產生塑性變形而易于產生脆性斷裂。單向壓縮試驗的應力狀態系數α＝2 2.二節：壓縮

1.力學性能指標 規定非比例壓縮應力σpc。抗壓強度σbc。相對壓縮率δck 和相對斷面擴脹率ψck.抗彎強度σbb。彎曲模量Eb 切變模量G 扭轉比例極

限τp和扭轉屈服強度τs 抗扭強度 五節：缺口試樣靜載荷試驗

1.缺口效應 效應1：缺口引起應力集中，改變了缺口前方應力狀態。由單向應力狀態變為兩向或三向應力狀態。缺口效應2:缺口使塑性材料產生缺口附加強化，使強度增加，塑性降低。六節：硬度

1.壓頭材質：淬火鋼球

HBS≤450

硬質合金球 HBW 450~650 2.試樣厚度：為h的10倍，d=0.25~0.6D在試件厚度足夠時，應盡可能選用10 mm直徑的壓頭。洛氏硬度：壓痕深度來表示材料的硬度。直徑為1/16’(1.5875mm)~ ?’(12.70mm)的鋼球

從材料角度看，淬火后經不同溫度回火的鋼材、各種工模具鋼及滲層厚度大于0.5mm的滲碳層等較硬的材料，常采用洛氏硬度C標尺法； 如應HRC在20 ~ 67之間；若材料硬度小于HRC20，則應選用B標尺；若大于HRC67，則應選用A標尺.看課后第八題

維氏硬度：測量壓痕兩對角線的長度后取平均值d。

第三章

金屬在沖擊載荷下的力學性能

三節：低溫脆性

1.沖擊韌性：是指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。

低溫脆性：在試驗溫度低于某一溫度事，會由韌性狀態變為脆性狀態，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型變為穿晶解理型，斷口特征由纖維狀變為結晶狀，這就是低溫脆性。

3.低溫脆性的本質：低溫脆性是材料屈服強度隨溫度下降急劇增加的結果。

4.影響沖擊韌性和韌脆轉變溫度的因素：1.材料因素：a）晶體結構的影響。低、中強度的bcc金屬及其合金有冷脆現象。高強度的bcc金屬，冷脆轉變不明顯。fcc金屬一般情況下可認為無冷脆現象。

2）化學成分： a)加入能形成間隙固溶體的元素，使沖擊韌性減小，冷脆轉變溫度提高

b)α-Fe中加入能形成置換固溶體的元素。c)雜質元素S、P、Pb、Sn、As等，會降低鋼的韌性。3）晶粒尺寸：細化晶粒能使材料的韌性增加，韌脆轉變溫度降低。4)金相組織：強度相同時S>B>P片>P球。2.外在因素：1）缺口越尖銳，三向應力狀態越嚴重脆性轉變溫度的升高。2）尺寸因素

試樣尺寸增大，材料的韌性下降，斷口中纖維區減少，脆性轉變溫度升高。3）加載速度

外加沖擊速度增加，使缺口處塑性變形的應變率提高，促進材料的脆化。5.Si、Cr等降低層錯能，促進位錯擴展，形成孿晶、交滑移困難。在α-Fe中加入Ni和Mn，能顯著地降低冷脆轉變溫度并提高韌斷區的沖擊值。（重點看合金的影響）

第四章

金屬的斷裂韌度

1.裂紋擴展的基本形式：1）張開型裂紋2）滑開型裂紋3）撕開型裂紋 2.應力場強度因子KⅠ表示裂紋尖端應力場的強弱

3.這個臨界或失穩狀態的KI值就記作KIC或KC稱為斷裂韌度。表征材料對宏觀裂紋失穩擴展的抗力。4.影響斷裂韌性KIC的因素：

一、內因 ：1）晶粒尺寸

晶粒愈細，KIC 也愈高。2）合金化

固溶使得KIC 降低。彌散分布的第二相數量越多，其間距越小，KIC 越低;第二相沿晶界網狀分布，晶界損傷，KIC 降低；

球狀第二相的KIC ＞片狀

3）夾雜

在晶內分布的夾雜物 起缺陷源的作用，都使材料 的KIC 值下降。

4）顯微組織

塑性高，松弛應力、裂紋擴展阻力大，可以提高KIC

二、特殊熱處理對斷裂韌度的影響：1）形變熱處理2）亞溫淬火3）超高溫淬火 都使其提高

三、外因：1）板厚

隨板材厚度或構件截面尺寸的增加而減小，最終趨于一個穩定的最低值2）溫度

金屬材料斷裂韌性隨著溫度的降低，低于此溫度范圍，斷裂韌度保持在一個穩定的水平（下平臺）3）應變速率

應變速率每提高一個數量級，斷裂韌性將降低10%。很大時，絕熱溫度升高，斷裂韌性反而提高。

第五章 金屬的疲勞

一節：金屬疲勞現象及特點

1.疲勞：由于承受變動載荷而導致裂紋萌生和擴展以至斷裂失效的全過程稱為疲勞。2.疲勞類別：按載荷類型分：彎曲、扭轉、拉壓、復合疲勞等。按環境和接觸情況分:大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞、沖擊疲勞等。

4.疲勞斷裂有如下的特點：1）低應力循環延時斷裂，即有壽命的斷裂。2）是脆性斷裂。3）對缺陷(缺口、裂紋及組織缺陷)，尤其是表面缺陷十分敏感。4）疲勞分裂紋萌生和擴展兩個階段。可見疲勞源＋疲勞區＋瞬間斷裂區。

5.疲勞源：形貌特點：光亮度大 6.疲勞區：特征：比較光滑并分布有貝紋線（海灘花樣），有時還有裂紋擴展臺階。8.瞬時斷裂區：特征：表面粗糙；脆性材料為結晶狀，塑性材料為纖維狀。瞬斷區位置一般應在疲勞源的對側。

裂紋萌生的地方，常處于機件的表面或缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷處，或機件截面尺寸不連續的區域（有應力集中）。當材料內部存在嚴重冶金缺陷（夾雜、縮孔、偏析、白點）時，因局部強度的降低，也會在材料內部產生疲勞源。二節：高周疲勞 5.按應力大小和壽命分:

高周疲勞

低周疲勞

疲勞裂紋擴展可分為三個區域: I區為近門檻區, 斷口：解理花樣，由斷裂小面組成。II區為中部區或穩態擴展區.斷口：疲勞條紋 III區為裂紋快速擴展區，斷口: 靜載斷裂機制。

疲勞裂紋擴展的門檻值，記為△Kth，表示阻止裂紋開始擴展的能力

過載損傷：金屬機件偶然過載，在高于疲勞極限的應力水平下運轉一定周次后，其疲勞極限或疲勞壽命減小。

適當的過載可以提高疲勞強度。

過載持久值：表征材料抵抗過載的能力。

8.疲勞裂紋萌生過程及機理: 1)滑移帶開裂產生裂紋

提高材料的滑移抗力，可 7.引入殘余壓應力降低平均應力如表面噴丸、滾壓、淬火處理等，可以提高材料的疲勞抗力。

阻止裂紋的萌生，增強 材料的疲勞抗力。2）相界面開裂產生裂紋

第二相、夾雜物應“少、圓、小、勻”，以提高疲勞抗力。3）晶界、亞晶界開裂產生裂紋。強化、凈化、細化晶界，可提高材料的疲勞抗力。4）材料內部的缺陷如氣孔、夾雜、分層、各向異性、相變或晶粒不均勻等，都會因局部的應力集中而引發裂紋。

9.疲勞裂紋擴展及斷口微觀特征：第一階段：從表面個別侵入溝（或擠出脊）先形成微裂紋，然后裂紋主要沿主滑移系方向，以純剪切方式沿45°向內擴展。斷口上無明顯的特征，只有一些擦傷的痕跡。在一些強化材料中,有時存在周期性解理或者準解理花樣第二階段：裂紋⊥拉應力。第二階段的斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲勞條帶（條紋、輝紋）。

疲勞缺口敏感因子（度）：qf 值隨材料強度的升高而增大，qf值能反映在疲勞過程中材料發生應力重新分布，降低應力集中的能力。

10.影響疲勞強度的主要因素：

一、加載規范及環境的影響 1.載荷頻率

2.次載鍛煉

3.間歇

4.溫度

溫度升高，疲勞極限下降

5.介質：腐蝕介質表面蝕坑，疲勞極限下降

二、表面狀態與尺寸因素：1.表面狀態：缺口：因應力集中會降低材料的疲勞強度。越粗糙，材料的疲勞強度越低

表面強度越高，疲勞強度越高。

2.尺寸效應

尺寸增加，疲勞強度降低。

三、表面強化及殘余應力的影響 1.表面噴丸及滾壓

2.表面熱處理及化學熱處理

提高疲勞強度； 3.殘余應力，殘余壓應力提高疲勞強度；殘余拉應力降低疲勞強度。

四、材料成分及組織

含碳形成抗力增加

合金元素

提高淬透性，改善韌性

2.顯微組織

細化晶粒，可以提高材料強韌性，疲勞極限提高。2)組織

正火組織：片狀K，疲勞極限低

淬火回火組織：

HRC??? M??T??S?等溫淬火組織：硬度相同，韌性＞淬火回火組織

3.夾雜物及冶金缺陷：作為裂紋核心，降低疲勞極限

。?1選擇機件材料和決定工藝時，要區分機件的服役條件是哪一類疲勞，如屬高周疲勞，應主要考慮材料強度，如屬低周疲勞，則應在保持一定強度基礎上盡量選用塑性好的材料。

第六章金屬的應力腐蝕和氫脆斷裂

一節：應力腐蝕

1.應力腐蝕現象：材料或零件在應力和腐蝕環境的共同作用下，經過一段時間后所產生的低應力脆斷現象。

2.產生條件：應力、環境（介質）和材料三者共存是產生應力腐蝕的必要條件。應力為拉應力而且很低。特定材料只有在特定的介質中產生應力腐蝕。純金屬一般無應力腐蝕現象。合金一般都具有應力腐蝕，而且有一定敏感成分。

4.應力腐蝕的特征：1)造成應力腐蝕破壞的是靜應力，遠低于材料的屈服強度，而且一般是拉伸應力2)應力腐蝕造成的破壞是脆性斷裂3)對每一種金屬或合金，只有在特定的介質中才會發生4）應力腐蝕遠大于腐蝕速度、但遠小于單純力學的 斷裂速度。5)裂紋的傳播途徑常垂直于拉力的方向；6)應力腐蝕破壞的斷口，宏觀特征與疲勞斷口相似，也有亞穩擴展區和最后瞬斷區。7)應力腐蝕的主裂紋擴展時，常有分枝。微觀裂紋分叉，呈枯樹枝狀，表面可見“泥狀花樣”腐蝕產物及腐蝕坑8)應力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是沿晶斷裂，甚至是兼有這兩種形式的混 合斷裂。

6.防止應力腐蝕的措施：1）降低或消除應力：a)避免或減少局部應力集中；b)進行消除應力處理；c)采用噴丸或其它表面處理方法

2）控制環境：

a)避免在敏感介質中使用

b)加入緩蝕劑

c)保護涂層

d)電化學保護

3）改善材質：

a)正確選材：b)開發耐應力腐蝕新材料

c)改變組織和減少雜質 二節：氫脆

1．由于氫與應力的共同作用而導致金屬材料產生脆性斷裂的現象，稱為氫脆斷裂或氫致斷裂，簡稱氫脆。

2．氫脆類型1.白點2.氫蝕3.氫化物致脆4.氫致延滯斷裂

3.防止氫脆的措施：1.環境因素：設法切斷氫進入金屬的途徑，如采用表面涂層，使機件表面與環境介質中的氫隔離。2.力學因素：在機件設計和加工過程中，應排除各種產生殘余拉應力的因素，相反，采用表面處理使表面獲得殘余壓應力層，對防止氫致延滯斷裂有良好的作用。3.材質因素：含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫脆敏感性較低。鋼的強度越高，對氫脆越敏感。因此，對在含氫介質中工作的高強度鋼的強度應有所限制。

第七章金屬磨損和接觸疲勞

一節：磨損的基本概念 二節：磨損模型

1．粘著磨損：粘著磨損是接觸表面相互運動時，因固相焊合作用使材料從一個表面脫落或轉移到另一表面而形成的磨損，又稱咬合磨損。

2．產生的條件：滑動摩擦，相對滑動速度較小。缺乏潤滑油，表面沒有氧化膜。單位法向載荷很大

3.產生過程：表面局部凸起，載荷很小時，接觸面局部應力很大，接觸點發生塑性變形，若表面潔凈，原子彼此接觸很近，產生粘著（冷焊），相對運動產生剪切力，導致粘著點斷裂，發生材料轉移或磨屑，粘著、剪切、再粘著的交替過程就形成了粘著磨損。

6.減輕粘著磨損的主要措施：(1)合理選擇摩擦副材料。盡量選擇互溶性少，粘著傾向小的材料配對(2)避免或阻止兩摩擦副間直接接觸。改善表面潤滑條件。(3)控制摩擦滑動速度和接觸壓應力，可使粘著磨損大為減輕。（4）使磨屑多沿接觸面剝落，以降低磨損量，可采用表面滲硫、滲磷、滲氮等表面處理工藝。使磨損發生在較軟方材料表層，可采用滲碳、滲氮共滲、碳氮硼三元共滲等工藝以提高另一方的硬度。

9.磨粒磨損的過程與機理：磨粒對摩擦表面產生的微切削作用、塑性變形、疲勞破壞或脆性斷裂產生的，或是它們綜合作用的結果。10.特征：摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的溝槽

脆性斷裂主要機理的磨粒磨損應增加材料韌性對耐磨性有益。(3)根據機件服役條7.磨粒磨損 ：摩擦副的一方表面存在堅硬的細微凸起或在接觸面向存在硬質粒子時產生的磨損。

11.減輕磨粒磨損的主要措施：(1)對于以切削作用為主要機理的磨粒磨損應增加材料硬度，這是提高耐磨性最有效的措施。2）對于以塑性變形、塑性變形后疲勞破壞、件，合理選擇耐磨材料：(4)采用滲碳、碳氮共滲等化學熱處理，提高表面硬度，也能有效提高磨粒磨損耐磨性。(5)就合金鋼而言，控制和改變碳化物數量、分布、形態對提高抗磨粒磨損能力起著決定性影響。(6)鋼中適量殘余奧氏體組織能增加基體韌性。(7)經常注意機件防塵和清洗 四節：金屬接觸疲勞

1.分類：麻點剝落(點蝕)淺層剝落

深層剝落(表面壓碎):

2.接觸應力：兩物體相互接觸時在局部表面產生的壓應力稱為接觸應力，也叫赫茲應力

3.疲勞磨損：在交變剪應力的影響下，裂紋容易在最大剪應力處成核，并擴展到表面而產生剝落，在零件表面形成 針狀或豆狀凹坑，造成疲勞磨損。4.分類：(1)線接觸應力

(2)點接觸應力

5.疲勞磨損機理：（1）麻點磨損：表面接觸應力較小，摩擦力較大、或表面質量較差（如表面有脫碳、燒傷、淬火不足、夾雜物等）時，易產生麻點剝落。2）淺層剝落：

t裂紋常出現在非金屬夾雜物附近，裂紋開始?沿非金屬夾雜物平行于表面擴展。3）深?層剝落（壓碎性剝落）：該處切應力雖不是最大，但因過渡區是弱區，切應力可能高于材料材料強度而在該處產生裂紋

6．影響接觸疲勞壽命的因素：1）非金屬夾雜物.a.M的含碳量。b.M和殘余奧氏體的級別c.未溶碳化物的大小3）表面硬度與心部硬度a.表面硬度b.心部硬度 4）表面硬化層深度

第八章金屬高溫力學性能

一節：蠕變現象

1.蠕變:材料在長時間的恒溫、恒應力作用下，即使應力小于屈服強度，也會緩慢地產生塑性變形的現象稱為蠕變 2.蠕變變形機理 ：主要有位錯滑移、攀移、原子擴散和晶界滑動，對于高分子材料還有分子鏈段沿外力的舒展。3.蠕變斷裂機理 ：蠕變斷裂主要是沿晶斷裂。在裂紋成核和擴展過程中，晶界滑動引起的應力集中與空位的擴散起著重要作用。由于應力和溫度的不同，裂紋成核有兩種類型。1)裂紋成核于三晶粒交會處

在高應力和低溫下，持續的恒載持導致位于最大切應力方向的晶界滑動，這種滑動必然在三晶粒交界處形成應力集中。2)裂紋成核分散于晶界上

在較低應力和較高溫度下，蠕變裂紋常分散在晶界各處，特別易產生在垂直于拉應力方向的晶界上

4.金屬材料蠕變斷裂斷口特征：宏觀特征為：一是使斷裂機件表面出現龜裂現象；另一個特征是由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋。微觀特征主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂。

5.蠕變極限的意義表示材料在高溫下受到載荷長時間作用時，對于蠕變變形的抗力。

6.持久強度是材料在一定的溫度下和規定的時間內，不發生蠕變斷裂的最大應力，記作 ?t7.?8.提高蠕變的措施1,化學成分

在金屬基體中加入鉻、相、鎢、鋁等合金元素。加入稀土元素稀土增加晶界激活能的元素。

9.2.組織結構

珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工藝

奧氏體耐熱鋼采用固溶時效處理

采用形變熱處理改變晶界的形狀

.晶粒度

對于金屬材料，當使用溫度低于等強溫度時，細化晶粒可以提高鋼的強度；當使用溫度高于等強溫度時，粗化晶粒可以提高鋼的蠕變極限和持久強度，但是，晶粒太大會降低鋼的高溫塑性和韌性。

10.降低蠕變速度必須控制位錯攀移的速度；必須抑制晶界的滑動。