1、第1章 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1、拉伸力-伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸過程的變形：彈性變形，屈服變形，加工硬化（均勻塑性變形），不均勻集中塑性變形。低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線（工程）應(yīng)力；（工程）應(yīng)變；比例極限；彈性極限；屈服點(diǎn)；抗拉強(qiáng)度；斷裂強(qiáng)度（推導(dǎo)）：真應(yīng)變；真應(yīng)力真應(yīng)變總是小于工程應(yīng)變，且變形量越大，二者差距越大；真應(yīng)力大于工程應(yīng)力。彈性變形階段，真應(yīng)力真應(yīng)變曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線基本吻合；塑性變形階段兩者出線顯2、 彈性變形彈性變形都是可逆的彈性變形本質(zhì)：是構(gòu)成材料的原子或離子或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆變形的反映彈性模量：反映彈性變形應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的常數(shù)，;工程上也稱剛度，表征材料對(duì)彈

2、性變形的抗力。結(jié)構(gòu)剛度與材料剛度不同；單晶體和多晶體金屬的彈性模量，主要取決于金屬原子本性和晶體類型。彈性比功又稱彈性比能或應(yīng)變比能，是材料在彈性變形過程中吸收變形功的能力，評(píng)價(jià)材料彈性的好壞。彈性：表征材料彈性變形的能力彈簧使用一段時(shí)間，彈簧弓形越來越小，即產(chǎn)生塑性變形。（原因）彈性不足，彈性極限低所造成，可改變鋼種，熱處理等來提高鋼的彈性極限。剛度：表征材料彈性變形的抗力汽車沒有滿載，彈簧變形達(dá)最大。（原因）剛度不夠，彈性模數(shù)是對(duì)成分、組織不敏感的性能，增大尺寸，改進(jìn)結(jié)構(gòu)。理想彈性變形：?jiǎn)沃敌?、可逆性，瞬時(shí)性彈性不完整性：但由于實(shí)際金屬為多晶體并存在各種缺陷，彈性變形時(shí)，并不是完整的。包申

3、格效應(yīng)；滯彈性；偽彈性；粘彈性。包申格效應(yīng)：金屬材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形，再同向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低的現(xiàn)象。度量包申格效應(yīng)的基本定量指標(biāo)是包申格應(yīng)變。指給定應(yīng)力下，正向加載與反向加載兩應(yīng)力應(yīng)變曲線之間的應(yīng)變差。機(jī)理：包申格效應(yīng)與金屬材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力變化有關(guān)。金屬產(chǎn)生少量塑性變形時(shí)，運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)遇林位錯(cuò)而彎曲受阻，形成位錯(cuò)纏結(jié)或胞狀組織。如受較大的塑性變形，位錯(cuò)增殖和難于重分布，則不顯示包申格效應(yīng)。消除方法：預(yù)先大塑性變形，回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火。滯彈性：（彈性后效）是指材料在快速加載或卸載后，隨時(shí)間的延長(zhǎng)而產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的性能。原因解釋有多種

4、，與金屬松弛過程有關(guān)。彈性滯后環(huán)非理想彈性的情況下，由于應(yīng)力和應(yīng)變不同步，使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線。金屬材料在交變載荷作用下吸收不可逆變形功的能力，稱為金屬的循環(huán)韌性，也叫內(nèi)耗。區(qū)別：循環(huán)韌性塑性區(qū)；內(nèi)耗彈性區(qū)；循環(huán)韌性表示材料的消震能力。3、 塑性變形常見的塑性變形方式：滑移，孿生，晶界的滑動(dòng)，擴(kuò)散性蠕變滑移：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）；滑移面受溫度、成分和變形的影響；滑移方向比較穩(wěn)定孿生：fcc、bcc、hcp都能以孿生產(chǎn)生塑性變形；一般在低溫、高速條件下發(fā)生； 變形量小，調(diào)整滑移面的方向塑性變形的特點(diǎn)：各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性（取向不同

5、；各晶粒力學(xué)性能的差異）；各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性（金屬是一個(gè)連續(xù)的整體，多系滑移；Von Mises 至少5個(gè)獨(dú)立的滑移系）屈服現(xiàn)象：退火、正火、調(diào)質(zhì)的中、低碳鋼和低合金鋼比較常見，分為不連續(xù)屈服和連續(xù)屈服；屈服點(diǎn)：材料在拉伸屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，；上屈服點(diǎn)：試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最大應(yīng)力值，；下屈服點(diǎn)：試樣屈服階段中最小應(yīng)力，；屈服平臺(tái)（屈服齒）：屈服伸長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的水平線段或者曲折線段；呂德斯帶：不均勻變形；對(duì)于沖壓件，不容許出現(xiàn)，防止產(chǎn)生褶皺。影響屈服現(xiàn)象的因素：1.材料變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度很??；2.隨塑性變形發(fā)生，位錯(cuò)能快速增殖；3.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與外加應(yīng)力有強(qiáng)烈的依存關(guān)系。屈服強(qiáng)度：表征材

6、料對(duì)微量塑性變形的抗力連續(xù)屈服曲線的屈服強(qiáng)度：用規(guī)定微量塑性伸長(zhǎng)應(yīng)力表征材料對(duì)微量塑性變形的抗力（1）規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力p：（2）規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力r：試樣卸除拉伸力后，其標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力；殘余伸長(zhǎng)的百分比為0.2%時(shí)，記為r0.2（3）規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力t：試樣標(biāo)距部分的總伸長(zhǎng)（彈性伸長(zhǎng)加塑性伸長(zhǎng)）達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力。屈服強(qiáng)度是重要的力學(xué)性能指標(biāo)，對(duì)工藝性能的影響（屈服強(qiáng)度下降，冷加工和焊接性能提高）影響屈服強(qiáng)度的因素：1、影響位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)的因素；2、考慮多晶粒的影響，如晶界、相鄰晶粒的約束、化學(xué)成分及第二相等因素；3、各種影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的外界因素；

7、內(nèi)在因素：金屬本性及晶格類型：?jiǎn)尉w的屈服強(qiáng)度由位錯(cuò)運(yùn)功的阻力決定。這些阻力有晶格阻力、位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力等。晶格阻力（派納力）；位錯(cuò)交互作用阻力平行位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生，運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與林位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生。晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)：晶粒大小的影響是晶界影響的反映；晶粒尺寸，位錯(cuò)障礙，屈服強(qiáng)度（細(xì)晶強(qiáng)化）；霍爾配奇公式，位錯(cuò)在基體金屬中運(yùn)動(dòng)總阻力，d為晶粒平均直徑。溶質(zhì)元素：溶質(zhì)原子形成間隙或置換固溶體，提高屈服強(qiáng)度（固溶強(qiáng)化）；形成晶格畸變畸變應(yīng)力場(chǎng)畸變和位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)交互作用位錯(cuò)受阻屈服強(qiáng)度增加；間隙效果>置換效果。第二相：第二相質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)化效果與質(zhì)點(diǎn)本身在屈服變形過程中能否變形有很大關(guān)系；粉末冶

8、金法獲得彌散強(qiáng)化；固溶處理和沉淀析出獲得沉淀強(qiáng)化。外在因素溫度：溫度升高，屈服強(qiáng)度下降。但是，金屬晶體結(jié)構(gòu)不同，其變化趨勢(shì)不一樣。應(yīng)變速率：應(yīng)變速率升高屈服強(qiáng)度提高應(yīng)力狀態(tài)：切應(yīng)力分量升高，屈服強(qiáng)度下降，所以扭轉(zhuǎn)比拉伸的屈服強(qiáng)度低，拉伸要比彎曲的屈服強(qiáng)度低，三向不等拉伸下的屈服強(qiáng)度為最高。塑性應(yīng)變與硬化的關(guān)系：塑性應(yīng)變是硬化的原因，而硬化則是塑性應(yīng)變的結(jié)果。應(yīng)變硬化是位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)受阻所致。溫度升高，硬化效果降低；固溶合金的硬化效果>純金屬；準(zhǔn)確全面描述材料的應(yīng)變硬化行為，要使用真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。Hollomon公式：，S為真應(yīng)力，e為真應(yīng)變；n硬化指數(shù)0.10.5，n=1,完全理想彈性

9、體，n=0，沒有硬化能力；K硬化系數(shù)硬化指數(shù)的測(cè)定：試驗(yàn)方法；作圖法硬化指數(shù)的影響因素：與層錯(cuò)能有關(guān),層錯(cuò)能下降，硬化指數(shù)升高；對(duì)金屬材料的冷熱變形也十分敏感；與應(yīng)變硬化速率并不相等縮頸是韌性金屬材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象?？s頸的判據(jù)（失穩(wěn)臨界條件）拉伸失穩(wěn)或縮頸的判據(jù)應(yīng)為dF=0抗拉強(qiáng)度：韌性金屬試樣拉斷過程中最大試驗(yàn)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。代表金屬材料所能承受的最大拉伸應(yīng)力，表征金屬材料對(duì)最大均勻塑性變形的抗力。與應(yīng)變硬化指數(shù)和應(yīng)變硬化系數(shù)有關(guān)。=最大拉應(yīng)力比上原始橫截面積塑性是指金屬材料斷裂前發(fā)生不可逆永久（塑性）變形的能力。兩個(gè)塑性指標(biāo)：斷后伸長(zhǎng)率；斷后收縮率 >，形成

10、為縮頸；=或<，不形成縮頸4、 金屬的韌度斷裂韌度是度量材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)，其中又分靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。韌性：斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力韌度：?jiǎn)挝惑w積材料斷裂前所吸收的功斷裂三種主要的失效形式：磨損、腐蝕、斷裂多數(shù)金屬的斷裂包括裂紋的形成和擴(kuò)展兩個(gè)階段。按斷裂的性態(tài)：韌性斷裂和脆性斷裂；按裂紋擴(kuò)展路徑：穿晶斷裂和沿晶斷裂；按斷裂機(jī)制：解理斷裂和剪切斷裂韌性斷裂和脆性斷裂：根據(jù)材料斷裂前產(chǎn)生的宏觀塑性變形量的大小來確定。通常脆性斷裂也會(huì)發(fā)生微量的塑性變形，一般規(guī)定斷面收縮率小于5則為脆性斷裂。反之大于5的為韌性斷裂。韌性斷裂：裂紋緩慢擴(kuò)展過程中消耗能量；斷裂最先發(fā)生在

11、纖維區(qū)，然后快速擴(kuò)展形成放射最后斷裂形成剪切唇，放射區(qū)在裂紋快速擴(kuò)展過程中形成， 一般放射區(qū)匯聚方向指向裂紋源。脆性斷裂：基本不產(chǎn)生塑性變形，危害性大。低應(yīng)力脆斷，工作應(yīng)力很低，一般低于屈服極限；脆斷裂紋總是從內(nèi)部的宏觀缺陷處開始；溫度降低，應(yīng)變速度增加，脆斷傾向增加。脆性斷口平齊而光亮，與正應(yīng)力垂直，斷口常呈人字紋或放射花樣。穿晶斷裂：裂紋穿過晶內(nèi)，可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂，斷口明亮。沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴(kuò)展，都是脆性斷裂，由晶界處的脆性第二相等造成，斷口相對(duì)灰暗。穿晶斷裂和沿晶斷裂可混合發(fā)生。高溫下，多由穿晶斷裂轉(zhuǎn)為沿晶韌性斷裂。沿晶斷裂斷口：斷口冰糖狀；若晶粒細(xì)小，斷口呈晶粒狀。

12、剪切斷裂：材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂。（滑斷、微孔聚集型斷裂）解理斷裂：材料在正應(yīng)力作用下，由于原于間結(jié)合鍵的破壞引起的沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂。解理斷裂總是脆性斷裂，但脆性斷裂不一定是解理斷裂。常見的裂紋形成理論：位錯(cuò)塞積理論 位錯(cuò)反應(yīng)理論解理斷裂是沿特定的晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂，通?？傃匾欢ǖ木娣蛛x。細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)影響裂紋的形成和擴(kuò)展。裂紋在晶粒內(nèi)擴(kuò)展時(shí)，難于嚴(yán)格地沿一定的晶體學(xué)平面擴(kuò)展。斷裂的路徑不再與晶粒的位向有關(guān)，而主要與細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)有關(guān)。微觀形態(tài)似解理河流但又不是真正的解理，故稱準(zhǔn)解理。解理與準(zhǔn)解理共同點(diǎn)：穿晶斷裂；有小解理刻面；臺(tái)階及河流花樣不同點(diǎn)

13、：準(zhǔn)解理小刻面不是晶體學(xué)解理面解理裂紋常源于晶界，準(zhǔn)解理裂紋常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)。準(zhǔn)解理不是一種獨(dú)立的斷裂機(jī)理，而是解理斷裂的變種。微孔聚集斷裂一、微孔形核和長(zhǎng)大微孔聚集斷裂過程包括微孔成核、長(zhǎng)大、聚合，直至斷裂。微孔是通過第二相或夾雜物質(zhì)點(diǎn)本身破壞，或與基體界面脫離而成核的。成核原因：應(yīng)力集中；或高應(yīng)變條件下塑性變形不協(xié)調(diào)。微孔聚集斷裂的微觀斷口特征ü 在電子顯微鏡下觀察，可見大量微坑覆蓋斷面，這些微坑稱為韌窩。韌窩是微孔聚集斷裂的基本特征。ü 韌窩形狀視應(yīng)力不同而異，有三類：等軸韌窩、拉長(zhǎng)韌窩和撕裂韌窩。影響韌窩形貌的因素p 韌窩的形貌主要包括：形成位置、形狀、大小、深淺等

14、。p 主要影響因素：成核粒子的大小及分布；基體材料的塑性變形能力，尤其是形變強(qiáng)化能力；外界因素，如應(yīng)力狀態(tài)及大小、溫度、變形速度等。韌窩與韌性斷裂的關(guān)系：微孔聚集斷裂一定有韌窩存在。微觀形態(tài)上出現(xiàn)韌窩，其宏觀不一定就是韌性斷裂。宏觀上的脆性斷裂，在局部也可能出現(xiàn)塑性變形，從而顯示出韌窩。金屬的強(qiáng)度就是指金屬材料原子間結(jié)合力的大小，一般說金屬熔點(diǎn)高，彈性模量大，熱膨脹系數(shù)小則其原子間結(jié)合力大，斷裂強(qiáng)度高。斷裂的實(shí)質(zhì)就是外力作用下材料沿某個(gè)原子面分開的過程。格里菲思理論：從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，凡是使能量減低的過程都將自發(fā)進(jìn)行，凡使能量升高的過程必將停止，除非外界提供能量。Griffth指出，由于裂紋存在

15、，系統(tǒng)彈性能降低，與因存在裂紋而增加的表面能平衡。如彈性能降低足以滿足表面能增加，裂紋就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展，引起脆性破壞。格雷菲斯理論是根據(jù)熱力學(xué)原理得出的斷裂發(fā)生的必要條件，但并不意味著事實(shí)上一定斷裂。裂紋自動(dòng)擴(kuò)展的充分條件是尖端應(yīng)力等于或大于理論斷裂強(qiáng)度。第二章 金屬在其它靜載荷下的力學(xué)性能硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。硬度試驗(yàn)方法分為彈性回跳法、壓入法和劃痕法等三類。試驗(yàn)方法不同物理意義不同，因此不是金屬獨(dú)立的力學(xué)性能。劃痕法表征金屬切斷強(qiáng)度回跳法表征金屬彈性變形功壓入法表征塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力布氏硬度壓頭：淬火鋼球（HBS），硬質(zhì)合金球（HBW）載荷：3000Kg 硬質(zhì)合金，

16、500Kg 軟質(zhì)材料保載時(shí)間：10-15s 黑色金屬，30s 有色金屬壓痕相似原理只用一種標(biāo)準(zhǔn)的載荷和鋼球直徑,不能同時(shí)適應(yīng)硬的材料或者軟的材料。為保證不同載荷和直徑測(cè)量的 硬度值之間可比，壓痕必須滿足幾何相似。布氏硬度表示方法：600HBW1/30/20硬度值，符號(hào)HBW，球直徑，試驗(yàn)力(1kgf=9.80665N)，試驗(yàn)力保持時(shí)間布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：壓頭直徑較大壓痕面積較大硬度值可反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能，不受個(gè)別組成 相及微小不均勻性的影響。缺點(diǎn)：對(duì)不同材料需更換壓頭直徑和改變?cè)囼?yàn)力，壓痕測(cè)量麻煩，自動(dòng)檢測(cè)受到限制；壓痕較大時(shí)不宜在成品上試驗(yàn)洛氏硬度試驗(yàn)以測(cè)量壓痕深度

17、表示材料硬度值。壓頭有兩種：120°的金剛石圓錐體，一定直徑的淬火鋼球洛氏硬度試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便、迅速，硬度可直接讀出；壓痕較小，可在工件上試驗(yàn)；用不同標(biāo)尺可測(cè)定軟硬不同和厚薄不一的試樣缺點(diǎn)：壓痕較小，代表性差；材料若有偏析及組織不均勻等缺陷，測(cè)試值重復(fù)性差，分散度大；用不同標(biāo)尺測(cè)得的硬度值沒有聯(lián)系，不能直接比較維氏硬度：原理與布氏硬度試驗(yàn)相同，根據(jù)單位面積所承受 的試驗(yàn)力計(jì)算硬度值。不同的是維氏硬度的壓頭是兩個(gè)相對(duì)面夾角為136°的金剛石四棱錐體。努氏硬度：與維氏硬度的區(qū)別1）壓頭形狀不同；2）硬度值不是試驗(yàn)力除以壓痕表面積，而是除以壓痕投影面積肖氏硬度是一種動(dòng)載荷

18、試驗(yàn)法，原理是將一定質(zhì)量的帶有金剛石圓頭或鋼球的重錘，從一定高度落于金屬試樣表面，根據(jù)重錘回跳的高度來表征金屬硬度值大小，也稱回跳硬度。用HS表示。里氏硬度是動(dòng)載荷試驗(yàn)法，用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定的速度沖擊試樣表面，用沖頭的回彈速度表征金屬的硬度值。用HL表示。第三章 金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能韌脆的評(píng)價(jià)方法材料的缺口沖擊彎曲試驗(yàn)，材料的沖擊韌性韌脆的影響因素：溫度（低溫脆性）；應(yīng)力狀態(tài)（三向拉應(yīng)力狀態(tài)）；變形速度的影響（沖擊脆斷）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，常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功AK表示。沖擊測(cè)量參數(shù)：測(cè)量沖擊脆斷后的沖擊吸收功（AkU或AKV

19、），沖擊吸收功并不能真正反映材料的韌脆程度（沖擊吸收功 并非完全用于試樣變形和破壞）體心立方或某些密排六方晶體金屬及合金，當(dāng)試驗(yàn)溫度低于某一溫度tk或溫度區(qū)間時(shí)，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫恚瑪嗫谔卣饔衫w維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性。tk或溫度區(qū)間稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，又稱冷脆轉(zhuǎn)變溫度。低溫脆性的本質(zhì)：低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨溫度降低急劇增加的結(jié)果。屈服強(qiáng)度s的隨溫度降低而升高，而斷裂強(qiáng)度c隨溫度變化很小。t>tk ,c >s ,先屈服再斷裂；t<tk ,c <s ,脆性斷裂韌脆轉(zhuǎn)變溫度不是一個(gè)溫度，而是一個(gè)溫度區(qū)間。目前

20、，尚無簡(jiǎn) 單的判據(jù)求韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk，通常根據(jù)能量、塑性變形或斷口形貌隨溫度的變化定義tk。FTP:得到100%纖維區(qū)斷口的溫度（偏于保守），有時(shí)該測(cè)定不可能實(shí)現(xiàn)NDT:低階能（低于某一溫度，沖擊吸收功不隨溫度的變化）開始上升的溫度（低于此溫度，沖擊 斷口為100%脆性解理斷裂斷口）FTE:低階能和高階能的平均值所對(duì)應(yīng)的溫度FATT50:50%解理斷裂和50%塑性斷裂所對(duì)應(yīng)的溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度是金屬材料的韌性指標(biāo)，它反映了溫度 對(duì)韌脆性的影響。tk是從韌性角度選材的重要依據(jù)之一，但不能直接用來設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)件的承載能力或截面尺寸；選用材料應(yīng)具有一定的韌性溫度儲(chǔ)備影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素：晶體結(jié)構(gòu)：

21、體心立方金屬及其合金存在低溫脆性。普通中、低強(qiáng)度鋼的基體是體心立方點(diǎn)陣的鐵素體，故這類鋼 有明顯的低溫脆性?；瘜W(xué)成分：間隙溶質(zhì)元素溶入鐵素體基體中，偏聚于 位錯(cuò)線附近，阻礙位 錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，致s升高， 鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。顯微組織：晶粒大小，細(xì)化晶粒使材料韌性增加；減小亞晶和胞狀結(jié)構(gòu)尺寸也能提高韌性。細(xì)化晶粒提高韌性的原因：晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力；晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；晶界總面積 增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿 晶脆性斷裂。金相組織第四章 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子：對(duì)于I型裂紋Y：裂紋形狀系數(shù)，和裂紋形狀、加載方式以及試樣幾何因素有關(guān)的量第5章 金屬的疲勞1、 金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)

22、變動(dòng)載荷是指載荷的大小、方向隨時(shí)間變化的載荷，其單位面積上的平均值為變動(dòng)應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力可分為周期變動(dòng)應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力。生產(chǎn)中機(jī)件正常工作時(shí)，其變動(dòng)應(yīng)力多為循環(huán)應(yīng)力。循環(huán)應(yīng)力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有：最大循環(huán)應(yīng)力max，最小循環(huán)應(yīng)力min；平均應(yīng)力:m=(max+min)/2；應(yīng)力幅或應(yīng)力范圍:a=(max-min)/2；應(yīng)力比:r=min/max疲勞：金屬機(jī)件在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，由于積累損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。疲勞的破壞過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織在變動(dòng)應(yīng)力作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定程度后發(fā)生突然斷裂

23、的過程，是一個(gè)從局部區(qū)域開始的損傷累積，最終引起整體破壞的過程。 疲勞形式分類：按應(yīng)力狀態(tài)分：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復(fù)合疲勞；按環(huán)境和接觸情況分：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞及接觸疲勞等。按應(yīng)力高低和斷裂壽命分：高周疲勞和低周疲勞。疲勞的特點(diǎn)：該破壞是一種潛藏的突發(fā)性破壞，在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料在疲勞破壞前均不會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂。 疲勞破壞屬低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，對(duì)于疲勞壽命的預(yù)測(cè)就顯得十分重要和必要。對(duì)缺口、裂紋及組織等缺陷十分敏感，即對(duì)缺陷具有高度的選擇性。因?yàn)槿笨诨蛄鸭y會(huì)引起應(yīng)力集中，加大對(duì)材料的損傷作用；組織缺陷(夾雜、疏松、白點(diǎn)、脫碳等

24、)，將降低材料的局部強(qiáng)度，二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。疲勞宏觀端口的特征：疲勞斷裂經(jīng)歷了裂紋萌生和擴(kuò)展過程。由于應(yīng)力水平較低，因此具有較明顯的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，相應(yīng)的斷口上也顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)與瞬時(shí)斷裂區(qū)的特征。 疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地。位置：多出現(xiàn)在機(jī)件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。但若材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺陷(夾雜、縮孔、伯析、白點(diǎn)等)，也會(huì)因局部材料強(qiáng)度降低而在機(jī)件內(nèi)部引發(fā)出疲勞源。特點(diǎn)：因疲勞源區(qū)裂紋表面受反復(fù)擠壓，摩擦次數(shù)多，疲勞源區(qū)比較光亮，而且因加工硬化，該區(qū)表面硬度會(huì)有所提高。數(shù)量：機(jī)件疲勞破壞的疲勞源可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)，它與機(jī)

25、件的應(yīng)力狀態(tài)及過載程度有關(guān)。如單向彎曲疲勞僅產(chǎn)生一個(gè)源區(qū)，雙向反復(fù)彎曲可出現(xiàn)兩個(gè)疲勞源。過載程度愈高，名義應(yīng)力越大，出現(xiàn)疲勞源的數(shù)目就越多。產(chǎn)生順序：若斷口中同時(shí)存在幾個(gè)疲勞源，可根據(jù)每個(gè)疲勞區(qū)大小、源區(qū)的光亮程度確定各疲勞源產(chǎn)生的先后，源區(qū)越光亮，相連的疲勞區(qū)越大，就越先產(chǎn)生；反之，產(chǎn)生的就晚。 疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。宏觀特征：斷口較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣)，有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴(kuò)展逐漸減弱，反映裂紋擴(kuò)展快饅、擠壓摩擦程度上的差異。貝紋線疲勞區(qū)的最典型特征：產(chǎn)生原因:一般認(rèn)為是因載荷變動(dòng)引起的，因?yàn)闄C(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)常有啟動(dòng)、停歇、偶

26、然過載等，均要在裂紋擴(kuò)展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡。形貌特點(diǎn)：疲勞區(qū)的每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向。近疲勞源區(qū)貝紋線較細(xì)密，表明裂紋擴(kuò)展較慢；遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)貝紋線較稀疏、粗糙，表明此段裂紋擴(kuò)展較快。影響因素:貝紋區(qū)的總范圍與過載程度及材料的性質(zhì)有關(guān)。若機(jī)件名義應(yīng)力較高或材料韌性較差，則疲勞區(qū)范圍較小，貝紋線不明顯；反之，低名義應(yīng)力或高韌性材科，疲勞區(qū)范圍較大，貝紋線粗且明顯。貝紋線的形狀則由裂紋前沿線各點(diǎn)的擴(kuò)展速度、載荷類型、過載程度及應(yīng)力集中等決定。瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。在疲勞亞臨界擴(kuò)展階段，隨應(yīng)力循環(huán)增加，裂紋不斷增長(zhǎng)，當(dāng)增加到臨界

27、尺寸ac時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI達(dá)到材料斷裂韌性KIc(Kc)時(shí)。裂紋就失穩(wěn)快速擴(kuò)展，導(dǎo)致機(jī)件瞬時(shí)斷裂。瞬斷區(qū)的斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載，隨材料性質(zhì)而變。脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料斷口，在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。位置：瞬斷區(qū)一般應(yīng)在疲勞源對(duì)側(cè)。但對(duì)旋轉(zhuǎn)彎曲來說，低名義應(yīng)力時(shí)，瞬斷區(qū)位置逆旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)一角度；高名義應(yīng)力時(shí)，多個(gè)疲勞源同時(shí)從表面向內(nèi)擴(kuò)展，使瞬斷區(qū)移向中心位置。大?。核矓鄥^(qū)大小與機(jī)件承受名義應(yīng)力及材料性質(zhì)有關(guān)，高名義應(yīng)力或低韌性材科，瞬斷區(qū)大；反之。瞬斷區(qū)則小。 各類斷口的特點(diǎn)：a. 軸類機(jī)件拉壓疲勞時(shí)表面無缺口應(yīng)力集中

28、：截面上應(yīng)力分布均勻。裂紋擴(kuò)展等速，貝紋線呈一族平行的圓弧線。表面有環(huán)狀缺口的應(yīng)力集中：裂紋沿表層的擴(kuò)展比中間區(qū)快。高名義應(yīng)力時(shí)：疲勞區(qū)范圍小，表層與中間區(qū)的裂紋擴(kuò)展相差無幾，貝紋線蛇形狀從起始的半圓弧狀到半橢圓狀最后為波浪狀變化；低名義應(yīng)力時(shí)：疲勞區(qū)范圍大。表層裂紋擴(kuò)展比中間超前許多，故貝紋線形狀由起始的半圓弧狀到半橢圓弧狀、波浪弧狀最后為凹向橢圓弧狀變化。b. 彎曲疲勞時(shí)：表面應(yīng)力最高，其貝紋線變化與帶缺口機(jī)件的拉壓疲勞相似。表面有缺口時(shí)，應(yīng)力集中增強(qiáng)，變化會(huì)更大。c. 扭轉(zhuǎn)疲勞時(shí)：因最大正應(yīng)力方向與扭轉(zhuǎn)軸傾斜45°，最大切應(yīng)力垂直或平行于軸向分布。正斷型疲勞斷口與軸向呈45&#

29、176;，且易出現(xiàn)鋸齒狀或星形狀斷口。切應(yīng)力引起的切斷型疲勞斷口沿最大切應(yīng)力即垂直于扭轉(zhuǎn)軸方向，上面一般看不到貝紋線。2、 疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能疲勞曲線是疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線，即SN曲線。用途：它是確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。有水平段（碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、球鐵等）：經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，將對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞極限，記為-1（對(duì)稱循環(huán)）無水平段（鋁合金、不銹鋼、高強(qiáng)度鋼等）：只是隨應(yīng)力降低，循環(huán)周次不斷增大。此時(shí)，根據(jù)材料的使用要求規(guī)定某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的應(yīng)力作為條件疲勞極限。疲勞曲線的測(cè)定升降法測(cè)定疲勞極限問題：零件常短時(shí)在高于疲勞極限情況下工作，機(jī)件偶

30、然過載運(yùn)行對(duì)疲勞壽命會(huì)不會(huì)降低？解決：通常用過負(fù)荷損害界來衡量偶然超過疲勞極限運(yùn)行對(duì)疲勞壽命的影響。3、疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞門檻值4、疲勞過程及機(jī)理疲勞過程：裂紋萌生、亞穩(wěn)擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)過程。疲勞壽命Nf萌生期N0亞穩(wěn)擴(kuò)展期Np意義：對(duì)疲勞各階段過程以及機(jī)理的了解，有助于我們認(rèn)識(shí)疲勞本質(zhì)，分析疲勞原因，以及延長(zhǎng)疲勞壽命。金屬材料的疲勞過程也是裂紋萌生相擴(kuò)展的過程。位置：裂紋萌生往往在材料薄弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū)，通過不均勻滑移、微裂紋形成及長(zhǎng)大而完成。定義標(biāo)準(zhǔn)：目前尚無統(tǒng)一的尺度標(biāo)準(zhǔn)確定裂紋萌生期，常將長(zhǎng)0.050.10mm的裂紋定為疲勞裂紋核，對(duì)應(yīng)的循環(huán)周期為裂紋萌生期，其長(zhǎng)短與應(yīng)力水平有關(guān)。

31、低應(yīng)力時(shí)，疲勞的萌生期可占整個(gè)壽命的大半以上。 大量研究表明：疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起。主要方式有：表面滑移帶開裂;第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂；晶界或亞晶界處開裂。如何提高疲勞強(qiáng)度滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋角度從滑移開裂產(chǎn)生疲勞裂紋形成機(jī)理看，只要能提高材料滑移抗力（固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等），均可阻止疲勞裂紋萌生，提高疲勞強(qiáng)度。如何提高疲勞強(qiáng)度相界面開裂產(chǎn)生裂紋角度從第二相或夾雜物可引發(fā)疲勞裂紋的機(jī)理來看，只要能降低第二相或夾雜物脆性，提高相界面強(qiáng)度，控制第二相或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布、使之“少、圓、小、勻”，均可抑制或延緩疲勞裂紋在第二相或夾雜物附近萌生，提高疲勞強(qiáng)度

32、。 如何提高疲勞強(qiáng)度晶界開裂產(chǎn)生裂紋從晶界萌生裂紋來看，凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔點(diǎn)夾雜物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氫及晶粒粗化等，均易產(chǎn)生晶界裂紋、降低疲勞強(qiáng)度；反之，凡使晶界強(qiáng)化、凈化和細(xì)化晶粒的因素，均能抑制晶界裂紋形成，提高疲勞強(qiáng)度。5、 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素表面狀態(tài)的影響：應(yīng)力集中機(jī)件表面缺口因應(yīng)力集中往往是疲勞策源地，引起疲勞斷裂，可用Kf與qf表征缺口應(yīng)力集中對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響。Kf與qf越大，材料的疲勞強(qiáng)度就降得越低。且這種影響隨材料強(qiáng)度的增高，更加顯著。表面粗糙度表面粗糙度越低，材料的疲勞極限越高；表面粗糙度越高，疲勞極限越低。材料強(qiáng)度越高，表面

33、粗糙度對(duì)疲勞極限的影響越顯著。表面加工方法不同，同一材料的疲勞極限不同。所以，受循環(huán)應(yīng)力作用的機(jī)件選用高強(qiáng)材料制造時(shí)，表面須經(jīng)過仔細(xì)的加工，不允許有刀痕、擦傷或大的缺陷，否則材料疲勞強(qiáng)度會(huì)顯著降低。殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響：殘余應(yīng)力的影響總應(yīng)力為殘余應(yīng)力和外加應(yīng)力的疊加。疊加殘余壓應(yīng)力總應(yīng)力減??；疊加殘余拉應(yīng)力總應(yīng)力增加。所以，機(jī)件表面殘余應(yīng)力狀態(tài)對(duì)疲勞強(qiáng)度有顯著影響：殘余壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度；殘余拉應(yīng)力降低疲勞強(qiáng)度。殘余壓應(yīng)力的影響與外加應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，不同應(yīng)力狀態(tài)，機(jī)件表面層的應(yīng)力梯度不同。彎曲疲勞時(shí),效果比扭轉(zhuǎn)疲勞大；拉壓疲勞時(shí)，影響較小。殘余壓應(yīng)力顯著提高有缺口機(jī)件的疲勞強(qiáng)度，殘余應(yīng)

34、力可在缺口處集中，能有效地降低缺口根部的拉應(yīng)力峰值。殘余壓應(yīng)力的大小、深度、分布以及是否發(fā)生松弛都會(huì)影響疲勞強(qiáng)度。表面強(qiáng)化的影響表面強(qiáng)化可在機(jī)件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，同時(shí)提高強(qiáng)度和硬度。兩方面的作用都會(huì)提高疲勞強(qiáng)度。（方法：噴丸、滾壓、表面淬火、表面化學(xué)熱處理）硬度由高到低的順序：滲氮滲碳感應(yīng)加熱淬火；強(qiáng)化層深度由高到低順序：表面淬火滲碳滲氮。材料成分及組織的影響：疲勞強(qiáng)度是對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)敏感的力學(xué)性能。合金成分、顯微組織、非金屬夾雜物及冶金缺陷6、低周疲勞金屬在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為102105次的疲勞斷裂稱為低周疲勞。 機(jī)件或構(gòu)件受循環(huán)應(yīng)力作用，而缺口根部則受循環(huán)塑性應(yīng)變作用，疲勞裂紋總

35、是在缺口根部形成。因此，這種疲勞也稱塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。低周疲勞的金屬循環(huán)硬化與循環(huán)軟化循環(huán)硬化和循環(huán)軟化現(xiàn)象與位錯(cuò)循環(huán)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。在一些退火軟金屬中，在恒應(yīng)變幅的循環(huán)載荷下，由于位錯(cuò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)和交互作用，產(chǎn)生了阻礙位錯(cuò)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而產(chǎn)生循環(huán)硬化。在冷加工后的金屬中，充滿位錯(cuò)纏結(jié)和障礙，這些障礙在循環(huán)加載中被破壞；或在一些沉淀強(qiáng)化不穩(wěn)定的合金中。由于沉淀結(jié)構(gòu)在循環(huán)加載中校破壞均可導(dǎo)致循環(huán)軟化。機(jī)件在由溫度循環(huán)變化時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及熱應(yīng)變作用下發(fā)生的疲勞，稱為熱疲勞。 若溫度循環(huán)和機(jī)械應(yīng)力循環(huán)疊加所引起的疲勞，則為熱機(jī)械疲勞。產(chǎn)生熱應(yīng)力必須有兩個(gè)條件：溫度變化 機(jī)械約束 當(dāng)沖擊次數(shù)N>

36、105次時(shí)，破壞后具有典型的疲勞斷口，屬于疲勞斷裂，即為沖擊疲勞。第9章 材料的磁學(xué)性能材料磁性的本源:是材料內(nèi)部電子的循軌和自旋運(yùn)動(dòng)。任一封閉電流都具有磁矩。材料磁性分類：抗磁性材料，順磁性材料，鐵磁性材料1、 抗磁性材料 ：使磁場(chǎng)減弱的物質(zhì) 產(chǎn)生方式：電子循軌運(yùn)動(dòng)受外加磁場(chǎng)作用的結(jié)果。2、順磁性材料：使磁場(chǎng)略有增強(qiáng)的物質(zhì) 產(chǎn)生方式：來源于原子（離子）的固有磁矩。材料被磁化后，磁化矢量與外加磁場(chǎng)方向相反的稱為抗磁性；材料被磁化后，磁化矢量與外加磁場(chǎng)方向相同的稱為順磁性。抗磁與順磁的特點(diǎn)：1.磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間均呈直線關(guān)系，磁化率常數(shù)很小。2.當(dāng)除去外磁場(chǎng)后，仍恢復(fù)到未磁化前的狀態(tài)，即存在

37、磁化可逆性。3、鐵磁性材料（最重要）：使磁場(chǎng)強(qiáng)烈增加的物質(zhì)。 產(chǎn)生方式：來源于原子未被抵消的自旋磁矩和自發(fā)磁化。（交換作用能小，兩條件滿足，有自發(fā)磁化傾向，也不具有鐵磁性） 產(chǎn)生鐵磁性原因：原子內(nèi)層電子交互作用其積分常數(shù)A0，使彼此的自旋磁矩同向排列形成自發(fā)磁化；鐵、鈷、鎳因其交換積分常數(shù)A具有較大的正值，有較強(qiáng)的自發(fā)磁化傾向；還有一些稀土元素雖然也具有自發(fā)磁化傾向，但其A值很小，相鄰原子間的自旋磁矩同向排列作用很弱，原子振動(dòng)極易破壞這種同向排列，即它們的居里點(diǎn)很低，所以在常溫下為順磁性。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度：隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度H進(jìn)一步增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁化強(qiáng)度M增大的趨勢(shì)逐漸變緩，磁化進(jìn)行的越來越困難

38、，磁導(dǎo)率減小，并趨向于 ？ ，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到HS 時(shí)，磁化強(qiáng)度便達(dá)到飽和值，即外磁場(chǎng)強(qiáng)度再繼續(xù)增大，磁化強(qiáng)度不再變化。磁化強(qiáng)度的飽和值稱為飽和磁化強(qiáng)度。用MS表示，與MS相對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為寶盒磁感應(yīng)強(qiáng)度，用BS表示。磁化到飽和磁化狀態(tài)后當(dāng)H0時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不等于零，而是保留一定大小的數(shù)值Br， 鐵磁金屬的剩磁現(xiàn)象要使B值繼續(xù)減小，必須加一個(gè)反向磁場(chǎng)-H，當(dāng)H等于一定值Hc時(shí)，B=0。Hc為去掉剩磁的臨界外磁場(chǎng)，稱為矯頑力磁化強(qiáng)度的飽和值稱為飽和磁化強(qiáng)度，MS；與其對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，BS。磁性材料分為軟磁材料和硬磁材料。軟磁材料的磁滯回線瘦小，具有高導(dǎo)磁與低HC等特性。硬磁材料的磁滯回線肥大，具有較高的HC，Br和（BH）m等特性。影響鐵磁性參數(shù)的因素：1.溫度：溫度升高使鐵磁性的飽和磁化強(qiáng)度MS下降，當(dāng)溫度達(dá)到居里點(diǎn)時(shí)MS將至零，使鐵磁材料的鐵磁性消失而變?yōu)轫槾判裕淳永餃囟?。只有順電鐵電相變溫度才稱為居里點(diǎn) 2.形變和晶粒度 3.形成固溶體和多相合金第10章 材料的電學(xué)性能電阻率材料分為導(dǎo)體，半導(dǎo)體和絕緣體。導(dǎo)體的小于10-2m，絕緣體的大于1010m，半導(dǎo)體的介于10-21010m之間。超導(dǎo)電性：在一定的低溫條件下材料突然失去電阻的現(xiàn)象。材料正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)的溫度稱為臨界溫度，用TC表示。超導(dǎo)體的三個(gè)重要性能指標(biāo)：臨