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绪章绪论
课程简介和金属材料的性能
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●0.1课程简介+金属材料的性能
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。
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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。
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●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。
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●1.2弹性变形阶段的力学性能
弹性变形，弹性模数，弹性极限，弹性比功。
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●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，因为产生包申格效应，弹性失效和弹性滞后等弹性不完整现象。
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●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。
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●1.5影响屈服强度的因素
（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。
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●1.6强化阶段的力学性能
（1）形变强化可使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件安全。 （2）形变强化和塑性变形适当配合可使金属进行均匀塑性变形。保证冷空气变形工艺顺利实施。 （3）形变强化是强化金属的重要工艺手段之一。 （4）形变强化可以降低塑性改善低碳钢的切削加工性能。
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●1.7颈缩阶段的力学性能
（1）颈缩：是韧性金属在拉伸试验中，形变集中于局部区域的现象。 （2）拉伸失稳点或塑性失稳点：（x-伸长曲线）B点是最大载荷点，也是局部塑性变形开始点。 (3)颈缩判据
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●1.8塑性和静力韧性
(1)塑性：指金属断裂前发生塑性形变的能力，可用延伸率δ和断面收缩率Ψ来表示。 （2）静力韧度：将静拉伸的σ-ε曲线下包围的面积，减去试样断裂前吸收的弹性能定义为静力韧度。
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●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
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●1.10断裂强度
断裂强度，断裂理论的应用。
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第二章金属在其它静加载下的力学性能
很多机件或工具在实际服役时，承受弯矩，扭矩或轴向压力作用。 ①扭转；②弯曲；③压缩；④硬度。
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●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。 a.当α越大时，最大切应力越大，表示应力状态越软，金属越易塑性变形，然后韧性断裂。 b.当α越小时，最大正应力越大，表示应力状态越硬，金属越易产生脆性断裂。
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●2.2压缩和弯曲
弯曲试验的特点及应用： 1、①脆性材料过硬，难以加工成拉伸试样。②弯曲试样不存在拉伸时F6试样偏斜对试样结果的影响，弯曲试验常用测定铸铁等脆性材料的断裂强度。 2、试样截面应力分布不均匀，表面应力最大。可比较渗碳层和表面淬火层等热处理件的质量和性能。 3.弯曲试验不易使塑性好的金属断裂。测力学指标仍采用拉伸试验。 4.金属拉伸试验的力学性能指标和公式，也适于压缩试验。 5.载荷-变形曲线：塑性及断裂形态等存在差别。
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●2.3扭转
1、扭转的应力状态软性参数大，α=0.8； 可用以评定那些在伸时呈现脆性的淬火结构钢和工具钢的塑性。 2、因为扭转试验时试样截面压力分布不均匀，表面最大，越往心部越小。不能显示金属的体积缺陷，但对表面硬化层及表面缺陷的反应敏感。可对各种表面强化工艺进行研究和检查机件热处理的表面质层。 3、圆柱试样扭转，整个长度上塑变均匀，不产生颈缩。可精确评定伸拉时出现颈缩的高塑性金属材料的变形能力和形变抗力。 4、扭转试样正应力和切应力大体相等。而生产上大多材料τc>tf。 扭转试验是测定这些材料切断强度最可靠的方法。 5、∵扭转塑性材料断裂而与轴线垂直，断口平整，有回旋状塑变痕迹，脆性材料断裂面与轴线成45°，呈螺旋状。 根据最终断裂方式是正断还是切断可判断材料性能对断裂的影响。
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●2.4缺口效应
1、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。 2、从广义上讲，截面急剧变化，均可视作缺口，如机件F0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。 3、提高形变速率或降低温度，也促进材料变脆。
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●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。
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●2.6布氏硬度
（1）用直径为D的淬火钢球或硬质含量球，以一定大小的载荷P压入试样表面。 （2）经规定的保持时间后，卸除载荷。 （3）测量压痕直径d，求得压痕球形面积F。 （4）单位压缩面积所承受的平均压力大小，定义为布氏硬度。
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●2.7洛氏硬度
测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。
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●2.8维氏硬度+显微硬度
1、试验原理： （1）与布氏硬度相同；（2）用相对面间夹角为136°的金刚石皿棱锥压头。（3）表面压出一个底面为正方形的正四棱锥压痕。 2、计算公式： 压痕面积F=d²/2sin68° HV=P/F=P*2sin68°/d²=1.6544p/d²=0.1841p/d² kg/min² 式中：P——载荷kg，d——压痕对角线长度mm。 3、表示方法： （1）试验载荷有5、10、20、30、50、100（kg）六种。 （2）硬度值+HV+载荷+保荷时间。如：640HV30/20 （3）一般为HV640（不标单位）。 4、特点： （1）由于压入角不变，则载荷可任意选择。 （2）不同载荷的硬度值可比较。 （3）测定较麻烦，制样需优先测d。
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第三章金属在冲击载荷下的力学性能
金属在冲击载荷下的力学性能；低温脆性；影响冲击脆性和韧脆转变温度的因素
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●3.1冲击载荷下金属变形和断裂
冲击载荷与静载荷比较，冲击载荷下金属变形和断裂特点
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●3.2金属冲击载荷下的力学性能
缺口试样冲击弯曲试验和冲击韧性
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●3.3低温脆性
低温脆性现象，韧脆转变温度
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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。 3.讨论缺口式样的缺口韧性问题，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。
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●4.1应力场强度因子KⅠ和断裂韧性KⅠC
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。 欧文→分析了裂纹尖端附近的应力应变→提出应力、应变场数学解析式→引出应力场强度因子KI→建立K判据→断裂韧性KIc。
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●4.2应力场强度因子KⅠ的修正
脆性断裂判据KⅠ≥只适用于弹性状态下的断裂分析。对于裂纹前端塑性区KⅠ不适用，而在小范围内屈服。即塑性区尺寸较裂纹尺寸a及净载面尺寸为小时（小一个数量级以上），可对KⅠ修正。
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●4.3裂纹扩展能量释放率GⅠ和断裂韧性GⅠC
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。
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●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。
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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。 -
●5.1金属疲劳现象
变动载荷和载荷谱；疲劳现象和特点；疲劳断口的宏观特征。
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●5.2疲劳曲线和疲劳极限
疲劳曲线；疲劳极限
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●5.3过载持久值和过载损伤界
过载持久值；过载损伤界
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●5.4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
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●5.5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。
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●5.6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。
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●5.7影响疲劳强度的因素
影响疲劳强度的因素
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●5.8低周疲劳
低周疲劳：金属在循环载荷下，疲劳寿命为100——100000次的疲劳断裂。
低周疲劳循环应力较强，超过届时强度发生塑变，它是在塑性应变循环下引起的疲劳断裂。
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第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂
本章重点：应力腐蚀断裂
本章难点：应力腐蚀断裂机理。 -
●6.1金属材料的应力腐蚀开裂现象SCC）
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
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●6.2应力腐蚀开裂（SCC）评价指标
应力腐蚀力学性能指标和防治措施。
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●6.3氢脆开裂现象
氢脆类型及特征，钢的氢致延滞断裂机理。
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第七章金属的接触疲劳
接触疲劳概念，机理，试验方法和影响因素
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●7.1金属接触疲劳
接触疲劳概念，机理，试验方法和影响因素
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第八章金属高温力学性能
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金属的蠕变变形
金属的蠕变变形与蠕变断裂。
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●8.2蠕变变形与蠕变断裂机理
蠕变极限和持久强度的测量方法与影响因素。
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●8.3金属高温力学性能指标及其影响因素
蠕变极限、持久强度、高温短时拉神性能和高温硬度。
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第九章金相与热处理实验
1．掌握金相试样的制备方法及热处理基本工艺的操作。 2．掌握光学金相显微镜、洛氏硬度计的原理及正确使用。 3．能识别钢铁材料基本的显微组织。
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●9.1金相试样镶嵌机的使用
一般试样不需镶样。尺寸过于细小，如细丝、薄片、细管或形状不规则，以及有特殊要求(例如要求观察表层组织)的试样，制备时比较困难，则必须把它镶嵌起来。
镶样方法很多：有低熔点合金的镶嵌、电木粉镶嵌、环氧树脂镶嵌，夹具夹持法等等。目前一般多用电木粉镶嵌，采用专门的镶样机。用电木粉镶嵌时要加一定的温度和压力，这能使马氏体回火和软金属产生塑性变形等。在这种情况下，可改用夹具夹持法。
还可以用环氧树脂加凝固剂来镶嵌试样，其配方如下；环氧树脂100g，磷苯二甲二丁脂20g，乙二胺20g，但必须停留7～8h后方可使用。 -
●9.2金相试样的制备
1．粗磨
软材料(有色金属)可用锉刀锉平。一般钢铁材料通常在砂轮机上磨平。磨样时应利用砂轮侧面，以保证试样磨平。
2．细磨
细磨有手工磨和机械磨两种。手工磨是用手拿持试样，在金相砂纸上磨平。我国金相砂纸按粗细分为01号、02号、03号、04号、05号等几种。
3.抛光
细磨后的试样还需进行抛光，目的是去除细磨时遗留下的磨痕，以获得光亮而无磨痕的镜面。试样的抛光有机械抛光、电解抛光和化学抛光等方法。粗抛时常用帆布或粗呢，精抛时常用绒布、细呢或丝绸。抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液，抛光液一般采用Al2O3，MgO或Cr2O3等粉末(粒度约为0．3～1 )在水中的悬浮液(每升水中加入Al2O35～10g)，或在抛光盘上涂以由极细钻石粉制成的膏状抛光剂。
4.浸蚀
试样抛光后(化学抛光除外)，在显微镜下，只能看到光亮的磨面及夹杂物等。要对试样的组织进行显微分析，还须让试样经过浸蚀。常用的浸蚀方法有化学浸蚀法和电解浸蚀法。 -
●9.3金相显微镜的操作
1.观察和分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
2.了解铁碳合金中的相及组织组成物的本质、形态及分布特征。
3.熟悉金相显微镜的使用。 -
●9.4金属热处理马弗炉的使用
1．熟悉钢的几种基本热处理操作(退火、正火、淬火、回火等)。 2．了解碳含量、加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能(硬度)的影响。
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第十章金属力学性能实验
包括布什硬度和洛氏硬度实验操作过程；单向静拉伸试验操作过程；金属冲击试验操作过程。
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●10.1布氏硬度计的使用
用载荷 把直径为D的淬火钢球压入试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷，测量钢球在试样表面上所压出的压痕直径d，从而计算出压痕球面积F，然后再计算出单位面积所受的力(P/F值)，用此数字表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号HB表示。
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●10.2洛氏硬度计的使用
洛氏硬度试验，是用特殊的压头(金刚石压头或钢球压头)，在先后施加两个载荷(预载荷和主载荷)的作用下压入金属表面来进行的。总载荷P为预载荷P0和主载荷P1之和，即P＝P0+Pl。 洛氏硬度值是施加总载荷P并卸除主载荷P1后，在预载荷P0继续作用下，由主载荷P1引起的残余压入深度e来计算
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●10.3拉伸实验机的操作
拉伸实验是最重要的应用最广泛的材料力学性能实验方法，它可以测定材料的弹性、塑性、强度、应变硬化和韧性等重要的力学性能指标，这些指标是研究新材料、合理使用现有材料、结构设计、预测材料的其它力学性能和改善材料力学性能等的基础。
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●10.4冲击实验机的操作
1.掌握金属材料常温和低温下冲击试验方法； 2.学会用能量法或断口形貌法确定金属的冷脆转变温度V15TT、FTT、50％FATT和FTP： 3.了解冲击试验机的结构、工作原理及使用方法。
