绪章绪论

课程的性质，内容，目的要求，课程的特点、学习方法、教学安排等。

●0.1绪论（课程简介和性能的概念）

课程的性质，内容，目的要求，课程的特点、学习方法、教学安排等。

第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

本章重点：平面应力状态和平面应变状态、屈服强度，抗拉强度，塑性和韧性等力学性能指标、脆断和韧断机理和微观特征。
本章难点：应力和应变状态、弹性不完整性、屈服现象的理解、脆断和韧断机理和微观特征。

●1.1拉伸力-伸长曲线和应力应变曲线-拉伸试验

应力应变状态，拉伸曲线，应力应变曲线。

●1.2弹性变形阶段的力学性能

弹性变形及其实质；弹性模数；比例极限和弹性极限；弹性比功

●1.3弹性不完整性

金属的弹性变形与载荷大小、加载方向和加载时间有关，包括包申格效应，弹性失效和弹性滞后等弹性不完整现象。

●1.4屈服变形阶段的力学性能

屈服现象，屈服点和屈服强度，屈服判据；形变强化，颈缩现象，抗拉强度与真实断裂强度；金属的塑性和静力韧度。

●1.5影响屈服强度的因素

1.影响屈服强度的实质： （1）金属材料的屈服是位错增殖和运动的结果，故影响位错增殖和运动的各种因素，必然影响屈服强度。 （2）实际金属材料中晶界，相邻晶粒的约束，材料的化学成分以及第二相也是影响因素。 （3）各种外界因素是通过影响位错运动而影响屈服强度的。 2.影响屈服强度的因素： 内在因素：屈服强度是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指标。 外在因素： 1.温度：升高温度，屈服强度降低。 2.应变速率：应变速率增大，金属材料的屈服强度增加 3.应力状态：切应力越有利于塑性变形，屈服强度越低。

●1.6强化阶段的力学性能

形变强化的意义；Hollomon关系和形变强化指数；n的意义

●1.7颈缩阶段的力学性能

1.概念；2.颈缩判据；3.颈部应力修正

●1.8塑性和静力韧性

1．塑性与塑性指标：2．塑性的意义和影响因素：3.九、静力韧度：韧性与弹性的联系，还有塑性

●1.9金属的断裂类型、机理和形貌特征

金属断裂的类型，脆断机理和微观特征，韧断机理和微观特征

●1.10金属的断裂强度

断裂强度，断裂理论的应用

第二章金属在其它静加载下的力学性能

本章重点：三个缺口效应，硬度试验。
本章难点：缺口效应力学分析，硬度原理。

●2.1应力状态软性系数

应力状态软性系数：一种标志应力状态的方法
(1)最大切应力：引起塑性形变和导致韧性断裂。 
(2)最大正应力：导致脆性断裂。 
(3)最大切应力与最大正应力的比值——应力状态软性系数α

●2.2压缩和弯曲

弯曲试验；弯曲力学性能；弯曲试验的特点及应用

●2.3扭转

扭转试验测定的力学性能指标；扭转试验；扭转试验的特点及应用

●2.4缺口效应

一、使材料变脆的两个原因： 1、缺口（1）宏观缺口（2）微观缺口 2、提高形变速率或降低温度。 二、金属材料存在缺口时，其力学性能与无缺口时不同，使材料变脆。 三、从广义上讲，截面急剧变化，均可视作缺口，如机件轴肩、螺纹、油孔、倒角、退刀槽及焊缝等。另外，材料内部的组织不均匀，夹杂物，第二相，晶界，亚晶界。以及表面或内部裂纹也有类似缺口的作用。 四、提高形变速率或降低温度，也促进材料变脆。 五、缺口效应 第一个缺口效应：造成应力应变集中。 第二个缺口效应：改变了缺口前方的应力状态。 第三个缺口效应：缺口使塑性材料强度增高，塑性下降。

●2.5缺口试样在静载荷下的力学性能

缺口敏感性：金属材料因存在缺口造成三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向。
缺口敏感性试验：
1、静载荷试验：（1）静拉伸试验（2）偏斜试验（3）静弯曲试验 
2、冲击载荷试验
压缩和扭转对缺口影响不显著。

●2.6布氏硬度

1、试验原理；2、计算公式；3、标注方法；4、相似原理；5、试验规范；6、锤击式简易布氏硬度计；7、布氏硬度的特点和适用范围。

●2.7洛氏硬度

1、试验原理：测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。2、试验过程；3、计算公式；4、试验规范；5、表面洛氏硬度计；6、洛氏硬度优、缺点

●2.8维氏硬度和显微硬度

1、试验原理；2、计算公式；3、表示方法；4、特点

第三章金属在冲击载荷下的力学性能

本章重点：冲击韧性和低温脆性。
本章难点：韧脆转变温度。

●3.1冲击载荷下金属的变形和断裂

一、弹性变形 由于冲击弹性变形总能紧跟上冲击外力的变化，因此，应变率对金属材料的弹性行为和弹性模量没有影响。 二、塑性变形 1.位错运动速率增加，派纳力（晶格阻力）增大，产生附加强化。 2.冲击载荷使塑性变形难以进行，且变形不均匀。 3.金属屈服强度和抗拉强度提高，金属易脆断。

●3.2冲击弯曲和冲击韧性

冲击载荷与静载荷比较，冲击载荷下金属变形和断裂特点，冲击弯曲和冲击韧性。缺口试样冲击弯曲试验和冲击韧性。

●3.3低温脆性

低温脆性现象，韧脆转变温度，影响韧脆转变温度的冶金因素。

第四章断裂韧性

本章重点：应力场强度因子K1及断裂韧性K1c、裂纹张开位移COD 及断裂韧性δc。
本章难点：应力场强度因子K1的推导、修正和COD的原理。
1.讨论材料中存在宏观裂纹的断裂问题。
2.从力学角度出发，简要介绍断裂力学的基本原理。
（1）第一章讨论光滑试样的断裂强度问题。从金属学角度分析金属脆断机理和强度本质。
（2）第三章讨论缺口试样的缺口韧性问题，分析了缺口、低温和加载速率及外界因素对韧性的影响。
3.讨论缺口试样的缺口韧性问题，分析了缺口，低温和加载速率及外界因素对韧性的影响因素及测试原理。

●4.1应力场强度因子KⅠ和断裂韧性KⅠC

1.低应力脆断断口没有宏观塑变痕迹，因此，裂纹在断裂扩展时，其尖端总是处于弹性状态，应力和应变呈线性关系。
2.研究低应力脆断问题→应用弹性力学→构成线弹性断裂力学
3.线弹性断裂力学分析裂纹体断裂问题的方法：
（1）应力场强度分析方法：
考虑裂纹尖端附近的应力场强度、得到断裂K数据。
（2）能量分析方法：
考虑裂纹扩展时系统能量的变化，建立能量转化平衡方程，得到断裂G数据。

●4.2应力场强度因子KⅠ的修正

由于裂纹尖端塑性区的存在，则提出等效裂纹 等效裂纹：计算KⅠ时，采用虚拟等效裂纹取代实际裂纹。 ①裂纹a前方未屈服前、其σy分布曲线为ADB。 ②屈服并应力松弛后σy分布曲线为CDEF，塑性区宽度为R0 ③将裂纹延长为a+ry，顶点由o到o、，则a+ry为有效裂纹长度 ④由有效裂纹尖端o、的σy分布曲线为GEH和CDEF中的弹性应力部分EF相重合。 ⑤线弹性理论仍然有效。

●4.3裂纹扩展能量释放率GⅠ的修正和断裂韧性GⅠC

应力场强度因子K1及断裂韧性K1c，裂纹扩展的能量率G1 及断裂韧性G1c。

●4.4断裂韧性在工程中的应用

一、断裂韧性解决的工程问题
1.确定裂纹体的最大承载能力；
2.估算构件中所允许的最大裂纹尺寸
3.正确选择构件的材料
二、采用K判据分析处理问题的步骤：
△结合具体情况了解构件所承受的平均应力、构件中裂纹的类型和尺寸以及材料的断裂韧性。
1.平均应力：指和裂纹面相垂直的危险正应力，包括外加正应力和残余内应力。
2.裂纹类型：重视Ⅰ型裂纹，它又有穿透裂纹、表面裂纹及内部裂纹之分。
3.根据裂纹形状确定裂纹形状系数，并确定应力场强度因子KⅠ的表达式。
4.如果考虑小范围屈服的影响，应用KⅠ修正后的表达式。（σ/σ_0.2 >0.7)

第五章金属的疲劳

1.统计资料表明，各类机件破坏中有80%-90%是疲劳断裂。
2.疲劳断裂：指机件在变动载荷作用下经过较长时间工作发生的断裂现象，它也是裂纹形成和扩展的结果。
3如：轴、齿轮、弹簧等的主要破坏形式是疲劳断裂，且大多数是突然发生。
4本章从材料学角度主要讲述：
（1）金属材料的疲劳断裂和规律、破坏机理；
（2）不同条件）下的疲劳强度指标及影响因素；
（3）研究提升材料疲劳强度的的措施。
本章重点： 疲劳断口的宏观特征、疲劳裂纹扩展门槛值、疲劳裂纹扩展速率表达式、疲劳裂纹扩展寿命的估算、影响疲劳强度的内外因素。
本章难点：过载持久值；过载损伤界、疲劳裂纹扩展门槛值、疲劳裂纹扩展寿命的估算。

●5.1金属疲劳现象

变动载荷和载荷谱；

●5.2金属疲劳现象（二）

疲劳现象和特点；疲劳断口的宏观特征

●5.3对称循环疲劳曲线和疲劳极限

一、 疲劳曲线：
1.疲劳实验：旋转弯曲疲劳实验。
选择不同的最大循环应力，测定他们的疲劳寿命。
  2、疲劳曲线
（1）定义：是疲劳应力和疲劳寿命之间的关系曲线。
（2）类型：
二、 疲劳极限：可用最大应力σmax或应力幅σa表示。
疲劳强度：
1、疲劳极限：是材料抵抗无限次应力循环也不疲劳断裂的强度指标。
2、条件疲劳极限：是材料抵抗规定循环周次而不疲劳断裂的强度指标。
对称循环疲劳极限
1.对称循环载荷：对称弯曲、扭转和拉压等。
2.对称循环疲劳极限：σ-1、 τ-1、 σ-1P
3. σ-1的测定：

●5.4不对称循环疲劳曲线和疲劳极限

不对称循环疲劳极限：
 常用工程作图法，由疲劳图求得各不对称循环的疲劳曲线。
 疲劳图是各种循环疲劳的集合图。
1.σa –σm疲劳图：
2.σmax  (σmin )–σm疲劳图

●5.5过载持久值和过载损伤界

过载持久值；过载损伤界

●5.6疲劳裂纹扩展速率

疲劳裂纹扩展曲线；疲劳裂纹扩展门槛值；疲劳裂纹扩展影响因素

●5.7疲劳裂纹扩展寿命的估算

疲劳裂纹扩展速率表达式，疲劳裂纹扩展寿命的估算。

●5.8疲劳过程与机理

疲劳裂纹萌生过程及机理；疲劳裂纹扩展过程及机理。

●5.9影响疲劳强度的因素（一）

一．加载规范的影响
二．表面状态及尺寸因素的影响：

●5.10影响疲劳强度的因素（二）

三、表面强化及残余应力的影响
四、材料成分及组织的影响

第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂

1、应力腐蚀和氢脆断裂的产生来由：
       金属机件在加工过程中产生残余应力，在服役中受外加载荷，如与周围环境中各种化学介质或氢相接触，便会产生特殊断裂现象。
2、本章内容：
       阐述金属材料应力腐蚀和氢脆断裂特征及断裂机理，介绍金属材料抵抗应力腐蚀和氢脆断裂的力学性能指标及防止其断裂的措施。
本章重点：应力腐蚀断裂
本章难点：应力腐蚀断裂机理。

●6.1应力腐蚀现象

应力腐蚀现象及其产生条件，应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征

●6.2应力腐蚀力学性能指标

应力腐蚀力学性能指标和防治措施

●6.3氢脆现象

氢脆类型及特征

●6.4氢致延滞断裂

钢的氢致延滞断裂机理

第七章金属磨损和接触疲劳

1.两接触构件表面作相对运动(滑动、滚动、滑动十滚动)— 产生摩擦一发生磨损一构件失效 
2.研究磨损规律、提高机体耐磨性、可节约能源、减少材料消耗、延长机体寿命。 
本章重点：磨损的分类、耐磨性；粘着磨损，磨粒磨损。
本章难点：磨损机理

●7.1金属磨损现象

一、磨损:
机体表面接触作相对运动，表面有微小颗粒分离来形成腐屑(松散的尺寸和形状均不相同的碎屑,使表面材料逐渐损失(导致机体尺寸变化和质量损失).造成表面损伤的观象。
二、耐磨性:材料抵抗磨损的性能 

●7.2磨损类型

粘着磨损，磨粒磨损，腐蚀磨损，接触疲劳

●7.3磨损试验方法

一、磨损试验方法：
1.实物试验：
2.实验室试验
二、磨损试验机
1.销盘式试验机
评定各种摩擦副及润滑材料的低温与高温摩擦和磨损性能，以及磨损规律的研究
2.销筒式试验机
3.往复运动式试验机
评定往复运动机件如导轨，缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性。评定选用材料及工艺与润滑材料的摩擦及磨损性能等
4.MM型磨损试验机
测定金属材料在滑动摩擦，滚动摩擦，滚动和滑动复合摩擦及间隙摩擦情况下的磨损量，以比较耐磨性
5.砂纸磨损试验机
6.快速磨损试验机
用于快速测定材料及处理工艺的耐磨性，也可测定润滑剂的摩擦及磨损性能。

●7.4金属接触疲劳现象

1.概念：又称表面疲劳磨损或疲劳磨损
当两机体接触而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，导致局部区域出现小片或小块状金属剥落而使物质损失的现象。
2.宏观形貌：
接触表面上出现许多小针状或痘状凹坑，有时凹坑很深，呈贝壳状，有疲劳裂纹发尺线的痕迹。
3.分类：根据剥落裂纹起始位置及形态不同分类
（1）麻点剥落（点蚀）
深度在0.1~0.2mm以下的小块剥落
呈针状或痘状凹坑，截面呈不对称v型
（2）浅层剥落
深度一般为0.2~0.4mm
剥块底部大致和表面平行，裂纹走向与表面或锐角和垂直
（3）深层剥落（表面压碎）
深度和表面强化层深度相当
裂纹走向与表面垂直
4.接触疲劳过程：两个阶段
（1）裂纹形成：时间长
（2）裂纹标尺：占很少一部分
5.接触疲劳曲线：最大接触压应力-破坏固次曲线
（1）有明显的接触疲劳极限
（2）无明显的接触疲劳极限，对于硬度较高的钢

●7.5金属接触疲劳机理和影响因素

一、麻点剥落
（1）初始裂纹的形成 
表面最大综合切应力超过材料抗剪程度，就在表层形成裂纹
（2）初始裂纹的形成
润滑油挤入裂纹——封闭——高压作用——裂纹向前标尺
（3）二次裂纹的形成
当裂纹标尺一定程度后，由于尖端的应力集中，在该处完全二次裂变，它与初始裂纹垂直
（4）二次裂纹标尺 扩展到表面
（5）金属剥落 形成凹坑 
二、浅层剥落
1、形成过程
（1）在0.7886b（b为接触面半宽）处形成交变塑性变形区
（2）在0.786b（亚表层）形成裂纹——平行于表面扩尺
（3）二次裂纹形成——与表面成一倾角
（4）形成浅层剥落——二次裂纹扩尺到表面。另一端则形成悬臂梁
2、产生原因：浅层剥落多出现在机体表面粗糙度低，相对滑动小的场合
三、深层剥落（压碎性剥落）图7-28
1、 形成过程：
（1）在表面硬化机体的过渡这完全裂纹
（2）裂纹沿过渡这扩尺。然后垂直于表面扩展
（3）形成大块剥落，较深的剥落坑
2、产生原因
（1）表面硬化中心部强度低，硬化层深不合理，梯度太陡
（2）过渡这存在不利的应力分布却易造成深层剥落

第八章金属高温力学性能

1.温度和时间影响金属材料的力学性能，
（1）蒸汽锅炉及化工设备中高压管道、承受应力小 ，但在长期使用中，完全缓慢而连续的塑变（蠕变现象），使管径增大。
（2）材料在高温长时载荷作用下，塑性显著降低，缺口敏感度增加，呈现脆性断裂现象。
（3）温度和时间联合作用，影响材料断裂路径，图8-1a，
随温度升高，金属断裂由常温下的穿晶断裂过渡到沿晶断裂
等强温度，Te(晶粒与晶强度相等的温度)随变形速率增加而升高。
（4）当T/Tm＞0.5时为“高温”，反之则为低温，。（T-试验温度，Tm -熔点）。
2. 本章内容：
（1）蠕变现象，。
（2）蠕变变形和断裂机理，。
（3）高温力度性能指标及影响因素。
本章重点：蠕变极限和持久强度。
本章难点：蠕变变形和断裂机理

●8.1金属的蠕变现象

1.概念：
（1）蠕变：金属在长时间的恒温恒载荷作用下缓慢地完全塑变的现象
（2）金属断裂：由蠕变而导致的断裂。
2. 只有当温度大于0.3时，蠕变遍才比较显著。
二，蠕变过程
1，蠕变曲线：描述蠕变过程
（1）起始伸长率   ：包括弹性伸长率和塑性伸长率，不算是蠕变。
（2）蠕变曲线：abcd曲线，从a开始随时间t增长而开始的蠕变。
2，蠕变过程：按蠕变速率（曲线上任意一点斜率   ）分三个阶段，
（1）减速蠕变阶段：ab段，过渡蠕变阶段；
（2）恒速蠕变阶段：bc段，稳态蠕变阶段；
（3）加速蠕变阶段：cd段，到d点蠕变断裂。
3，同种材料在不同应力和温度下的蠕变曲线
（1）当应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续较长，甚至不完全第二阶段，
（2）当应力较大或温度较高时，蠕变第二阶段持续很短，甚至消失，试样在短时间内断裂。

●8.2蠕变变形与断裂机理

一、蠕变变形机理
蠕变变形，主要通过位错滑移，原子扩散，晶界滑动机理进行，
（一）位错滑移蠕变，重要变形机理
1.高温下，位错借助于热激活能和空径扩散克服障碍，继续运动
（1）位错热激活方式：
①螺位错的交滑移
②刃位错的攀移
③带割阶位错的攀移
④带割接位错的运动
（2）变温下的热激活过程主要是刃位错的攀移
2.刃位错攀移：图8-4 四种模型
（1）塞积位错越过固定位错与弥散质点在新滑移面上运动
（2）塞积位错与邻近滑移面上异号位错相消
（3）塞积位错形成位错墙或为亚晶界
（4）塞积位错被晶界吸收
3.当一个刃位错攀移位错源又放生一个位错。即动态回象过程使蠕变不断进行。
（二）扩散蠕变：是在约比温度下大大超过0.5下的蠕变变形机理。
扩散蠕变：不受应力下，空位和原子的运动没有方向性。在晶体内空位从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则朝相反方向流动致使晶体逐渐完全伸长的蠕变
（三）晶界滑动蠕变：常温下，晶界滑动变形不明显。
高温条件下，晶界上的原子容易扩散，受力后完全滑动，促使蠕变进行，晶界滑动易在晶界处形成裂纹。
图8-5
二、蠕变断裂机理：
1.断裂机理：大多为沿晶断裂。
晶界上形成裂纹并逐渐扩展引起沿晶断裂。
（1）晶界裂纹的形成方式：2种
①在三晶粒交会处形成楔形裂纹：图8-6
在高应力，低温度下，由于晶界滑动在三晶粒交会处受阻，形成空洞，空洞相连便形成裂纹。
②在晶界上由空洞形成晶界裂纹：图8-8
在低应力，高温度下在晶界上的突起部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动而完全空洞。空洞相连成为裂纹。

●8.3高温力学性能指标及影响因素

蠕变极限、持久强度、高温短时拉神性能和高温硬度。