力学性能 概念

2024年1月10日发(作者：上官仪)

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一，强度

定义：

金属材料在外力作下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。按外力作用的性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗用弯强度等，工程常用的是屈服强度和抗拉强度，这两个强度指标可通过拉伸试验测出。

机械上是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的剩余变形的能力。也就是说，强度是衡量零件本身承载能力〔即抵抗失效能力〕的重要指标。强度是机械零部件首先应满足的根本要求。机械零件的强度一般可以分为静强度、疲劳强度〔弯曲疲劳和接触疲劳等〕、断裂强度、冲击强度、高温和低温强度、在腐蚀条件下的强度和蠕变、胶合强度等工程。强度的试验研究是综合性的研究，主要是通过其应力状态来研究零部件的受力状况以及预测破坏失效的条件和时机。

【材料学上是指材料承受外力而不被破坏(不可恢复的变形也属被破坏)的能力.根据受力种类的不同分为以下几种:

(1)抗压强度--材料承受压力的能力.

(2)抗拉强度--材料承受拉力的能力.

(3)抗弯强度--材料对致弯外力的承受能力.

(4)抗剪强度--材料承受剪切力的能力.】

材料、机械零件和构件抵抗外力而不失效的能力。强度包括材料强度和构造强度两方面。强度问题有狭义和广义两种涵义。狭义的强度问题指各种断裂和塑性变形过大的问题。广义的强度问题包括强度、刚度和稳定性问题，有时还包括机械振动问题。强度要求是机械设计的一个根本要求。

材料强度：

指材料在不同影响因素下的各种力学性能指标。影响因素包括材料的化学成分、加工工艺、热处理制度、应力状态，载荷性质、加载速率、温度和介质等。

1、按照材料的性质，材料强度分为脆性材料强度、塑性材料强度和带裂纹材料的强度。 ①脆性材料强度：铸：钦钢等塑性材料断裂前有较大的塑性变形,它在卸载后不能消失,也称剩余变形。塑性材料以其屈服极限为计算强度的标准。材料的屈服极限是拉伸试件发生屈服现象〔应力不变的情况下应变不断增大的现象〕时铁等脆性材料受载后断裂比较突然，几乎没有塑性变形。脆性材料以其强度极限为计算强度的标准。强度极限有两种：拉伸试件断裂前承受过的最大名义应力称为材料的抗拉强度极限，压缩试件的最大名义应力称为抗压强度极限。

②塑性材料强度的应力。对于没有屈服现象的塑性材料，取与 0.2％的塑性变形相对应的应力为名义屈服极限,0.2表示。

③带裂纹材料的强度：常低于材料的强度极限，计算强度时要考虑材料的断裂韧性〔见断裂力学分析〕。对于同一种材料,采用不同的热处理制度,那么强度越高的断裂韧性越低。

2、按照载荷的性质，材料强度有静强度、冲击强度和疲劳强度。

材料在静载荷下的强度,根据材料的性质,分别用屈服极限或强度极限作为计算强度的标准。材料受冲击载荷时，屈服极限和强度极限都有所提高〔见冲击强度〕。材料受循环应力作用时的强度，通常以材料的疲劳极限为计算强度的标准〔见疲劳强度设计〕。此外还有接触强度〔见接触应力〕。

3、按照环境条件，材料强度有高温强度和腐蚀强度等。

高温强度包括蠕变强度和持久强度。当金属承受外载荷时的温度高于再结晶温度〔已滑移晶体能够回复到未变形晶体所需要的最低温度〕时，塑性变形后的应变硬化由于高温退火. v

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而迅速消除,因此在载荷不变的情况下,变形不断增长，称为蠕变现象，以材料的蠕变极限为其计算强度的标准。高温持续载荷下的断裂强度可能低于同一温度下的材料拉伸强度，以材料的持久极限为其计算强度的标准〔见持久强度〕。此外，还有受环境介质影响的应力腐蚀断裂和腐蚀疲劳等材料强度问题。

构造强度：

构造强度指机械零件和构件的强度。它涉及力学模型简化、应力分析方法、材料强度、强度准那么和平安系数。

按照构造的形状，机械零件和构件的强度问题可简化为杆、杆系、板、壳、块和无限大体等力学模型来研究。不同力学模型的强度问题有不同的力学计算方法。材料力学一般研究杆的强度计算。构造力学分析杆系〔桁架、刚架等〕的内力和变形。其他形状物体属于弹塑性力学的研究对象。杆是指截面的两个方向尺寸远小于长度尺寸的物体，包括受拉的杆、受压的柱、受弯曲的梁和受扭转的轴。板和壳的特点是厚度远小于另外两个方向的尺寸，平的称为板，曲的称为壳。 要解决构造强度问题，除应力分析之外，还要考虑材料强度和强度准那么，并研究它们之间的关系。如循环应力作用下的零件和构件的疲劳强度，既与材料的疲劳强度有关，又与零件和构件的尺寸大小、应力集中系数和外表状态等因素有关。当循环载荷不规那么变化时，还要考虑载荷谱包括载荷顺序的影响。复合应力情形要用强度理论。有宏观裂纹情形要用断裂力学分析。某些零件往往需要同时考虑几种强度准那么，加以比较，才能确定最可能出现的失效方式。 大局部的构造强度问题,通常是先确定构造形式,然后根据外载荷进展应力分析和强度校核。应用电子计算机方法以后，优化设计成为现实的问题，可以先提出一些具体的设计目标〔例如要求构造重量最小〕，然后寻求最正确的构造形式。

二，弹性

弹性是指物体在外力作用下发生形变，当外力撤消后能恢复原来大小和形状的性质。

物体所受的外力在一定的限度以内，外力撤消后物体能够恢复原来的大小和形状；在限度以外，外力撤销后不能恢复原状，这个限度叫弹性限度。同一物体的弹性限度不是固定不变的，它随温度升高而减小。

三，塑性

塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性,对大多的工程材料来说,当其应力低于比例极限时,应力一应变关系是线性的。另外,大多数材料在其应力低于屈服点时，表现为弹性行为，也就是说，当移走载荷时，其应变也完全消失。塑性好坏可用伸长率δ和断面收缩率ψ表示。

由于屈服点和比例极限相差很小，因此在ANSYS程序中，假定它们一样。在应力一应变的曲线中，低于屈服点的叫作弹性局部，超过屈服点的叫作塑性局部，也叫作应变强化局部。塑性分析中考虑了塑性区域的材料特性。

路径相关性：

既然塑性是不可恢复的，那么这种问题的就与加载历史有关，这类非线性问题叫作与路径相关的或非保守的非线性。

路径相关性是指对一种给定的边界条件，可能有多个正确的解—内部的应力，应变分布—存在，为了得到真正正确的结果，我们必须按照系统真正经历的加载过程加载。

率相关性：

塑性应变的大小可能是加载速度快慢的函数，如果塑性应变的大小与时间有关，这种塑性叫作率无关性塑性，相反，与应变率有关的性叫作率相关的塑性。

大多的材料都有某种程度上的率相关性，但在大多数静力分析所经历的应变率范围，两者的应力－应变曲线差异不大，所以在一般的分析中，我们认为应变是与率无关的。

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工程应力，应变与真实的应力、应变：

塑性材料的数据一般以拉伸的应力—应变曲线形式给出。材料数据可能是工程应力〔p/A0〕与工程应变〔 dl/l0〕，也可能是真实应力〔P/A〕与真实应变〔Ln(l/l0) 〕。

大应变的塑性分析一般采用真实的应力，应变数据而小应变分析一般采用工程的应力、应变数据。

什么时候激活塑性：

当材料中的应力超过屈服点时，塑性被激活〔也就是说，有塑性应变发生〕。而屈服应力本身可能是以下某个参数的函数：温度，应变率，以前的应变历史，侧限压力，其它参数。

在物理中，塑性即范性，与弹性相对。钢筋的塑性指标：冷弯性能、延伸率

四，韧性

材料的断裂前吸收能量和进展塑性变形的能力。与脆性相反，材料在断裂前有较大形变、断裂时断面常呈现外延形变，此形变不能立即恢复，其应力-形变关系成非线性、消耗的断裂能很大的材料。通常以冲击强度的大小、晶状断面率来衡量。韧性越好，那么发生脆性断裂的可能性越小。

五，硬度

固体材料对外界物体压陷、刻划等作用的局部抵抗能力，是衡量材料软硬程度的一个指标。

硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗剩余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。

硬度分为：

①划痕硬度。主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。

②压入硬度。主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料外表局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。

③回跳硬度。主要用于金属材料，方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存〔继而释放〕应变能的多少〔通过小锤的回跳高度测定〕确定材料的硬度。

六，疲劳

定义：

材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。

疲劳特征：

零件、构件的疲劳破坏可分为3个阶段：

①微观裂纹阶段。在循环加载下，由于物体的最高应力通常产生于外表或近外表区，该区存在的驻留滑移带、晶界和夹杂，开展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。此后，裂纹沿着与主应力约成45°角的最大剪应力方向扩展，裂纹长度大致在0.05毫米以内，开展. v

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成为宏观裂纹。

②宏观裂纹扩展阶段。裂纹根本上沿着与主应力垂直的方向扩展。

③瞬时断裂阶段。当裂纹扩大到使物体残存截面缺乏以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。对应于疲劳破坏的3个阶段，在疲劳宏观断口上出现有疲劳源、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂3个区。疲劳源区通常面积很小，色泽光亮，是两个断裂面对磨造成的；疲劳裂纹扩展区通常比较平整，具有表征间隙加载、应力较大改变或裂纹扩展受阻等使裂纹扩展前沿相继位置的休止线或海滩把戏；瞬断区那么具有静载断口的形貌，外表呈现较粗糙的颗粒状。扫描和透射电子显微术提醒了疲劳断口的微观特征，可观察到扩展区中每一应力循环所遗留的疲劳辉纹。

疲劳寿命：

在循环加载下，产生疲劳破坏所需应力或应变的循环次数。对零件、构件出现工程裂纹以前的疲劳寿命称为裂纹形成寿命。工程裂纹指宏观可见的或可检的裂纹，其长度无统一规定，一般在0.2～1.0毫米范围内。自工程裂纹扩展至完全断裂的疲劳寿命称为裂纹扩展寿命。总寿命为两者之和。因工程裂纹长度远大于金属晶粒尺寸，故可将裂纹作为物体边界，并将其周围材料视作均匀连续介质，应用断裂力学方法研究裂纹扩展规律。由于S-N曲线是根据疲劳试验直到试样断裂得出的，所以对应于S-N曲线上某一应力水平的疲劳寿命N是总寿命。在疲劳的整个过程中，塑性应变与弹性应变同时存在。当循环加载的应力水平较低时，弹性应变起主导作用；当应力水平逐渐提高，塑性应变到达一定数值时，塑性应变成为疲劳破坏的主导因素。为便于分析研究，常按破坏循环次数的上下将疲劳分为两类：①高循环疲劳〔高周疲劳〕。作用于零件、构件的应力水平较低，破坏循环次数一般高于104～105的疲劳，弹簧、传动轴等的疲劳属此类。②低循环疲劳〔低周疲劳〕。作用于零件、构件的应力水平较高，破坏循环次数一般低于104～105的疲劳，如压力容器、燃气轮机零件等的疲劳。实践说明，疲劳寿命分散性较大，因此必须进展统计分析，考虑存活率〔即可靠度〕的问题。具有存活率p〔如95％、99％、99.9％〕的疲劳寿命Np的含义是：母体〔总体〕中有p的个体的疲劳寿命大于Np。而破坏概率等于〔 1－ p 〕。常规疲劳试验得到的S-N曲线是p＝50％的曲线。对应于各存活率的p的S-N曲线称为p-S-N曲线。

环境影响：

某些零件、构件是在高于或低于室温下工作，或在腐蚀介质中工作，或受载方式不是拉压和弯曲而是接触滚动等，这些不同的环境因素可使零件、构件产生不同的疲劳破坏。最常见的有接触疲劳、高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳。此外，还有微动磨损疲劳和声疲劳等。①接触疲劳。零件在高接触压应力反复作用下产生的疲劳。经屡次应力循环后，零件的工作外表局部区域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑。接触疲劳使零件工作时噪声增加、振幅增大、温度升高、磨损加剧，最后导致零件不能正常工作而失效。在滚动轴承、齿轮等零件中常发生这种现象。②高温疲劳。在高温环境下承受循环应力时所产生的疲劳。高温是指大于熔点1／2以上的温度，此时晶界弱化，有时晶界上产生蠕变空位，因此在考虑疲劳的同时必须考虑高温蠕变的影响。高温下金属的S-N曲线没有水平局部，一般用 107～108次循环下不出现断裂的最大应力作为高温疲劳极限；载荷频率对高温疲劳极限有明显影响，当频率降低时，高温疲劳极限明显下降。③热疲劳。由温度变化引起的热应力循环作用而产生的疲劳。如涡轮机转子、热轧轧辊和热锻模等，常由于热应力的循环变化而产生热疲劳。④腐蚀疲劳。在腐蚀介质中承受循环应力时所产生的疲劳。如船用螺旋桨、涡轮机叶片、水轮机转轮等，常产生腐蚀疲劳。腐蚀介质在疲劳过程中能促进裂纹的形成和加快裂纹的扩展。其特点有：S-N曲线无水平段；加载频率对腐蚀疲劳的影响很大；金属的腐蚀疲劳强度主要是由腐蚀环境的特性而定；断口外表变色等。

开展趋势：

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飞机、船舶、汽车、动力机械、工程机械、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的主要零件和构件，大多在循环变化的载荷下工作，疲劳是其主要的失效形式。因此，疲劳理论和疲劳试验对于设计各类承受循环载荷的机械和构造，成为重要的研究内容。疲劳有限寿命设计中进展寿命估算，必须了解材料的疲劳性能，以此作为理论计算的依据。由于疲劳寿命的长短取决于所承受的循环载荷大小，为此还必须编制出供理论分析和全尺寸疲劳试验用的载荷谱，再根据与各种疲劳相适应的损伤模型估算出疲劳寿命。疲劳理论的工程应用，经历了从无限寿命设计到有限寿命设计，有限寿命设计尚处于完善阶段。开展趋势是：①宏观与微观结合，探讨从位错、滑移、微裂纹、短裂纹、长裂纹到断裂的疲劳全过程，寻求寿命估算各阶段统一的物理-力学模型。②研究不同环境下的疲劳及其寿命估算方法。③概率统计方法在疲劳中的应用，如随机载荷下的可靠性分析方法，以及耐久性设计等。

七，蠕变

定义：

固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。

岩石在地质条件下的蠕变可以产生相当大的变形而所需要的应力却不一定很大。蠕变随时间的延续大致分3个阶段：①初始蠕变或过渡蠕变,应变随时间延续而增加，但增加的速度逐渐减慢；②稳态蠕变或定常蠕变，应变随时间延续而匀速增加，这个阶段较长；③加速蠕变，应变随时间延续而加速增加,直达破裂点。应力越大，蠕变的总时间越短；应力越小，蠕变的总时间越长。但是每种材料都有一个最小应力值，应力低于该值时不管经历多长时间也不破裂，或者说蠕变时间无限长，这个应力值称为该材料的长期强度。岩石的长期强度约为其极限强度的2/3。

蠕变条件：

蠕变机制有扩散和滑移两种。在外力作用下，质点穿过晶体内部空穴扩散而产生的蠕变称为纳巴罗－赫林蠕变；质点沿晶体边界扩散而产生的蠕变称为柯勃尔蠕变。由晶内滑移或者由位错促进滑移引起的蠕变称为滑移蠕变，也称魏特曼蠕变。蠕变作用解释了岩石大变形在低应力下可以实现的原因。

蠕变在低温下也会发生，但只有到达一定的温度才能变得显著,称温度为蠕变温度。对各种金属材料的蠕变温度约为0.3Tm，Tm为熔化温度，以热力学温度表示。通常碳素钢超过300-350℃，合金钢在400-450℃以上时才有蠕变行为，对于一些低熔点金属如铅、锡等，在温室下就会发生蠕变。

改善蠕变方法：

改善蠕变可采取的措施有：

1.高温工作的零件要采用蠕变小的材料制造，如耐热钢等；

2.对有蠕变的零件进展冷却或隔热；

3.防止零件向可能损害设备功能或造成拆卸困难的方向蠕变。

铸造砂型〔砂芯〕起模后的变形叫蠕变。如：酯固化水玻璃自硬砂砂型〔芯〕起模后常发生蠕变。改善蠕变可采取的措施有：尽可能缩短可使用时间；用复合固化剂；砂型强度允许条件下少加水玻璃；适当增加固化剂参加量；鼓热风强制硬化。

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蠕变种类：

蠕变机制有扩散和滑移两种。在外力作用下，质点穿过晶体内部空穴扩散而产生的蠕变称为纳巴罗－赫林蠕变；质点沿晶体边界扩散而产生的蠕变称为柯勃尔蠕变。由晶内滑移或者由位错促进滑移引起的蠕变称为滑移蠕变，也称魏特曼蠕变。蠕变作用解释了岩石大变形在低应力下可以实现的原因。

蠕变在低温下也会发生，但只有到达一定的温度才能变得显著,称温度为蠕变温度。对各种金属材料的蠕变温度约为0.3Tm，Tm为熔化温度，以热力学温度表示。通常碳素钢超过300-350摄氏度，合金钢在400-450摄氏度以上时才有蠕变行为，对于一些低熔点金属如铅、锡等，在温室下就会发生蠕变

八，冲击韧性

是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值〔ak〕和冲击功〔Ak〕表示，其单位分别为J/cm2和J〔焦耳〕。冲击韧性或冲击功试验〔简称"冲击试验"〕，因试验温度不同而分为常温、低温和高温冲击试验三种；假设按试样缺口形状又可分为"V"形缺口和"U"形缺口冲击试验两种。

冲击韧度指标的实际意义在于提醒材料的变脆倾向。

工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳〔J〕。而用试样缺口处的截面积F去除Ak，可得到材料的冲击韧度〔冲击值〕指标，即ak=Ak/F，其单位为kJ/m2或J/cm2。因此，冲击韧度ak表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。ak值的大小表示材料的韧性好坏。

一般把ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。

ak值取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很大关系。ak值对材料的内部构造缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶粒粗化等都会使ak值明显降低；同种材料的试样，缺口越深、越锋利，缺口处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高。因此不同类型和尺寸的试样，其ak或Ak值不能直接比较。

材料的ak值随温度的降低而减小，且在某一温度范围内，ak值发生急剧降低，这种现象称为冷脆，此温度范围称为“韧脆转变温度〔Tk〕〞。

九，断裂韧性

表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言它是一个常数。当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；当给定外力时，假设材料的断裂韧性值愈高，其裂纹到达失稳扩展时的临界尺寸就愈大。

指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。是应力强度因子的临界值。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。例如应力-应变曲线下的面积。韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。

如何在应力-应变图中表达〔或表达大小〕

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