广东省科学院工业分析检测中心

  1、关于拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线的问题

  低碳钢的应力－应变曲线

  a、拉伸过程的变形：

  弹性变形，屈服变形，加工硬化（均匀塑性变形），不均匀集中塑性变形。

  b、相关公式：

  工程应力 σ=F/A0 ；工程应变ε=ΔL/L0；比例极限σP；弹性极限σε；

  屈服点σS；抗拉强度σb；断裂强度σk。

  真应变 e=ln（L/L0）=ln（1+ε） ；真应力 s=σ（1+ε）= σ*eε 指数e为真应变。

  c、相关理论：

  真应变总是小于工程应变，且变形量越大，二者差距越大；真应力大于工程应力。

  弹性变形阶段，真应力—真应变曲线和应力—应变曲线基本吻合；塑性变形阶段两者出线显著差异。

  2、关于弹性变形的问题

  a、相关概念

  弹性：表征材料弹性变形的能力

  刚度：表征材料弹性变形的抗力

  弹性模量：反映弹性变形应力和应变关系的常数， E=σ/ε ；工程上也称刚度，表征材料对弹性变形的抗力。

  弹性比功：称弹性比能或应变比能，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，评价材料弹性的好坏。

  包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形，再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。

  滞弹性：（弹性后效）是指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。

  弹性滞后环：非理想弹性的情况下，由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线。

  金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫内耗

  b、相关理论：

  弹性变形都是可逆的。

  理想弹性变形具有单值性、可逆性，瞬时性。但由于实际金属为多晶体并存在各种缺陷，弹性变形时，并不是完整的。

  弹性变形本质是构成材料的原子或离子或分子自平衡位置产生可逆变形的反映单晶体和多晶体金属的弹性模量，主要取决于金属原子本性和晶体类型。

  包申格效应；滞弹性；伪弹性；粘弹性。

  包申格效应消除方法：预先大塑性变形，回复或再结晶温度下退火。

  循环韧性表示材料的消震能力。

  3、关于塑形变形的问题

  a、相关概念

  滑移：滑移系越多，塑性越好；滑移系不是因素（晶格阻力等因素）；滑移面——受温度、成分和变形的影响；滑移方向——比较稳定

  孪生：fcc、bcc、hcp都能以孪生产生塑性变形；一般在低温、高速条件下发生；变形量小，调整滑移面的方向

  屈服现象：退火、正火、调质的中、低碳钢和低合金钢比较常见，分为不连续屈服和连续屈服；

  屈服点：材料在拉伸屈服时对应的应力值，σs；

  上屈服点：试样发生屈服而力下降前的应力值，σsu；

  下屈服点：试样屈服阶段中小应力，σsl；

  屈服平台（屈服齿）：屈服伸长对应的水平线段或者曲折线段；

  吕德斯带：不均匀变形；对于冲压件，不容许出现，防止产生褶皱。

  屈服强度：表征材料对微量塑性变形的抗力。

  连续屈服曲线的屈服强度：用规定微量塑性伸长应力表征材料对微量塑性变形的抗力

  （1）规定非比例伸长应力σp：

  （2）规定残余伸长应力σr：试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规

  定的原始标距百分比时的应力；残余伸长的百分比为0.2%时，记为σr0.2

  （3）规定总伸长应力σt：试样标距部分的总伸长（弹性伸长加塑性伸长）达到规定的原始标距百分比时的应力。

  晶格阻力（派纳力）；位错交互作用阻力

  Hollomon公式： S=Ken ，S为真应力，e为真应变；n—硬化指数0.1~0.5，n=1,完全理想弹性体，n=0，没有硬化能力；K——硬化系数缩颈是：韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象。

  抗拉强度：韧性金属试样拉断过程中试验力所对应的应力。代表金属材料所能承受的拉伸应力，表征金属材料对均匀塑性变形的抗力。与应变硬化指数和应变硬化系数有关。等于拉应力比上原始横截面积。

  塑性是指金属材料断裂前发生不可逆（塑性）变形的能力。

  b、相关理论

  常见的塑性变形方式：滑移，孪生，晶界的滑动，扩散性蠕变。

  塑性变形的特点：各晶粒变形的不同时性和不均匀性（取向不同；各晶粒力学性能的差异）；各晶粒变形的相互协调性（金属是一个连续的整体，多系滑移；Von Mises至少5个独立的滑移系）。

  硬化指数的测定：①试验方法；②作图法lgS=lgK+nlge

  硬化指数的影响因素：与层错能有关，层错能下降，硬化指数升高；对金属材料的冷热变形也十分敏感；与应变硬化速率并不相等。

  缩颈的判据（失稳临界条件）拉伸失稳或缩颈的判据应为dF=0

  两个塑性指标：断后伸长率δ=（L1-L0）/LO*；

  断后收缩率：ψ=（A0-A1）/A0*

  ψ>δ，形成为缩颈

  ψ=δ或ψ<δ，不形成缩颈

  4、关于金属的韧度断裂问题

  a、相关概念

  韧性：断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力

  韧度：单位体积材料断裂前所吸收的功

  韧性断裂：裂纹缓慢扩展过程中消耗能量；断裂发生在纤维区，然后快速扩展形成放射断裂形成剪切唇，放射区在裂纹快速扩展过程中形成，一般放射区汇聚方向指向裂纹源。

  脆性断裂：基本不产生塑性变形，危害性大。低应力脆断，工作应力很低，一般低于屈服极限；脆断裂纹总是从内部的宏观缺陷处开始；温度降低，应变速度增加，脆断倾向增加。

  穿晶断裂：裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂，断口明亮。

  沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，都是脆性断裂，由晶界处的脆性第二相等造成，断口相对灰暗。穿晶断裂和沿晶断裂可混合发生。高温下，多由穿晶断裂转为沿晶韧性断裂。

  沿晶断裂断口：断口冰糖状；若晶粒细小，断口呈晶粒状。

  剪切断裂：材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。（滑断、微孔聚集型断裂）

  解理断裂：材料在正应力作用下，由于原于间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。

  金属的强度就是指金属材料原子间结合力的大小，一般说金属熔点高，弹性模量大，热膨胀系数小则其原子间结合力大，断裂强度高。断裂的实质就是外力作用下 材料沿某个原子面分开的过程。

  格里菲思理论：从热力学观点看，凡是使能量减低的过程都将自发进行，凡使能量升高的过程必将停止，除非外界提供能量。Griffth指出，由于裂纹存在，系统弹性能降低，与因存在裂纹而增加的表面能平衡。如弹性能降低足以满足表面能增加，裂纹就会失稳扩展，引起脆性破坏。

  b、相关理论

  断裂三种主要的失效形式：磨损、腐蚀、断裂

  多数金属的断裂包括裂纹的形成和扩展两个阶段。

  按断裂的性态：韧性断裂和脆性断裂；按裂纹扩展路径：穿晶断裂和沿晶断裂；按断裂机制：解理断裂和剪切断裂。

韧性断裂和脆性断裂：根据材料断裂前产生的宏观塑性变形量的大小来确定。通常脆性断裂也会发生微量的塑性变形，一般规定断面收缩率小于5％则为脆性断裂。反之大于5％的为韧性断裂。

  脆性断口平齐而光亮，与正应力垂直，断口常呈人字纹或放射花样。

  解理断裂是沿特定的晶面发生的脆性穿晶断裂，通常总沿一定的晶面分离。

  解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂。

  常见的裂纹形成理论：①位错塞积理论②位错反应理论

  解理与准解理

  共同点：穿晶断裂；有小解理刻面；台阶及河流花样

  不同点：①准解理小刻面不是晶体学解理面②解理裂纹常源于晶界，准解理裂纹常源于晶内硬质点。准解理不是一种独立的断裂机理，而是解理断裂的变种。

  格雷菲斯理论是根据热力学原理得出的断裂发生的必要条件，但并不意味着事实上一定断裂。裂纹自动扩展的充分条件是应力等于或大于理论断裂强度。

  5、关于硬度的问题

  a、硬度概念

  硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。

  b、硬度试验方法

  划痕法——表征金属切断强度

  回跳法——表征金属弹性变形功

  压入法——表征塑性变形抗力及应变硬化能力

  布氏硬度

  压头：淬火钢球（HBS），硬质合金球（HBW）

  载荷：3000Kg 硬质合金，500Kg 软质材料

  保载时间：10-15s 黑色金属，30s 有色金属

  压痕相似原理：只用一种标准的载荷和钢球直径，不能同时适应硬的材料或者软的材料。为保证不同载荷和直径测量的硬度值之间可比，压痕必须满足几何相似。

  布氏硬度表示方法：600HBW1/30/20

  ①度值，②符号HBW，③球直径，④试验力（1kgf=9.80665N），⑤试验力保持时间

  布氏硬度试验的优缺点：

  优点：压头直径较大→压痕面积较大→硬度值可反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，不受个别组成相及微小不均匀性的影响。

  缺点：对不同材料需更换压头直径和改变试验力，压痕测量麻烦，自动检测受到限制；压痕较大时不宜在成品上试验

  洛氏硬度

  以测量压痕深度表示材料硬度值。

  压头有两种：α＝120°的金刚石圆锥体，一定直径的淬火钢球。

  洛氏硬度试验优缺点：

  优点：操作简便、迅速，硬度可直接读出；压痕较小，可在工件上试验；用不同标尺可测定软硬不同和厚薄不一的试样。

  缺点：压痕较小，代表性差；材料若有偏析及组织不均匀等缺陷，测试值重复性差，分散度大；用不同标尺测得的硬度值没有联系，不能直接比较。

  维氏硬度：原理与布氏硬度试验相同，根据单位面积所承受的试验力计算硬度值。不同的是维氏硬度的压头是两个相对面夹角α为136°的金刚石四棱锥体。

  努氏硬度：与维氏硬度的区别1）压头形状不同；2）硬度值不是试验力除以压痕表面积，而是除以压痕投影面积。

  肖氏硬度：一种动载荷试验法，原理是将一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值大 小，也称回跳硬度。用HS表示。

  里氏硬度：动载荷试验法，用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定的速度冲击试样表面，用冲头的回弹速度表征金属的硬度值。用HL表示。