材料力学性能 9

（一）名词解释：第一章：
滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。

穿晶断裂：裂纹穿过晶界。

从宏观看，穿晶断裂可以是韧性断裂或脆性断裂；两者有时可混合发生。

沿晶断裂：裂纹沿晶扩展。

从宏观看，沿晶断裂多数是脆性。

韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象。

第二章
应力状态软性系数：材料最大切应力与最大正应力的比值，记为α。

α越大τmax越大，应力状态越软，金属易变性，韧性断裂；反之α越小σmax越大，应力状态越硬，不易变形，脆性断裂。

缺口敏感度：金属材料的缺口敏感性指标，用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值表示。

第三章
冲击韧度：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。

低温脆性：体心立方晶体金属及其合金或某些密派六方晶体金属及其合金在试验温度低于某一温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。

韧脆转变温度：材料呈现低温脆性的临界转变温度。

第四章
低应力脆断：当机件（包括构件）存在宏观裂纹时，在应力水平不高，甚至低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象称为低应力脆断。

应力场强度因子K I：对于给定材料，裂纹尖端附近确定点P(r，θ)，KI决定了裂纹尖端应力场的大小或强弱程度；即：表示I型裂纹的应力场强弱程度。

有效裂纹长度：有塑性区存在时，引入有效裂纹长度：a*=a+r y；即把塑性区松弛弹性应力场的作用等效地看成是裂纹长度增加r y的松弛弹性应力场的作用。

裂纹扩展K判据：应力场强度因子K I≥K Ic(只适用于弹性状态下的断裂分析)。

第六章：
应力腐蚀：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆性断裂现象——应力腐蚀断裂（SCC）。

第七章：
接触疲劳：接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，工件表面在交变接触压应力长期作用后所引起的一种局部区域发生小片(块)状剥落的表面疲劳损伤现象，称接触疲劳(表面疲劳磨损、疲劳磨损)
第八章：
蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象，称为蠕变。

约比温度T/Tm > 0.3时须考虑。

（二）判断、选择题：
1.影响韧脆变转变温度的冶金因素：
①晶体结构（体心立方金属及其合金存在低温脆性）
②化学成分（提高韧脆变转变温度：间隙溶质元素溶入铁素体基体中、钢中加入置换型溶质元素；降低韧脆变转变温度:钢中加入Ni和一定量的Mn、杂质元素S、P、As、Sn、Sb等）③显微组织（晶粒大小（细晶韧性好）、金相组织（回火索氏体最好>回火贝氏体>片状珠光
体））
第四章
2.影响断裂韧度K IC的因素:材料成分、组织的影响（化学成分、基体相结构和晶粒大小、杂质及第二相、显微组织）和外界影响因素（温度、应变速率）
第五章.
3.疲劳宏观断口特征：疲劳源；疲劳区；瞬断区。

4.影响疲劳强度的主要因素:
1)应力集中:缺口导致应力集中，高于平均应力，微裂纹产生，σ-1↓。

2)表面状态: 表面粗糙程度增加、划痕、表面氧化、脱碳等缺陷，均使σ-1↓。

(表面粗糙度是重点考查点.)
3)表面层残余应力及表面强化的影响:
(1) 表面残余拉应力导致疲劳强度降低。

(2) 表面残余压应力可以提高疲劳强度。

(3) 表面强化处理可在表面产生有利的残余压应力，并能提高表面的强度和硬度，可提高疲劳强度。

(表面强化对带缺口的试样更显著：残余压应力也可在缺口处集中，有效地降低拉应力集中。

)
4)材料成分及组织的影响:
(1)合金成分:提高结构钢C含量，可以提高疲劳强度。

但过高时，由于太脆，又会使疲劳极限降低。

合金元素主要通过提高钢的淬透性和改善钢的强韧性来影响疲劳强度的。

固溶于奥氏体的合金元素能提高钢的淬透性，使疲劳强度上升。

(2)晶粒尺寸:细化晶粒可以提高材料的疲劳强度。

(3)第二相性质:正火组织因碳化物为片状，疲劳强度最低，淬火回火组织因碳化物为粒状，疲劳强度比正火高，淬火和低温回火疲劳强度好于调质处理。

对于45钢而言，在不同的热处理条件下，疲劳极限呈现如下变化：正火，回火索氏体，回火屈氏体，回火马氏体，等温淬火的疲劳强度依次升高。

（这也是考查重点热处理方式的影响。

详见119页表5——30） 5）非金属夹杂物及冶金缺陷：非金属夹杂物及冶金缺陷一般使疲劳强度下降。

提高疲劳强度的途径： (1) 减少夹杂物数量、减小尺寸； (2) 夹杂物表面改性：添加稀土；用塑性较好的硫化物夹杂包裹脆性氧化物夹杂。

第七章：
5.机件正常运行的磨损过程：跑合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段。

（应清楚每个阶段的涵义详见课本140页）。

6.影响粘着磨损的因素P142 材料特性、法向力、滑动速度及温度。

7.影响磨粒磨损的因素：
1）材料硬度；一般硬度越高，其抗磨粒磨损能力越好。

2）钢的碳含量：硬度相同时，钢的含碳量越高，碳化物形成元素越多，则耐磨性越好。

3）细化晶粒：能提高屈服强度，硬度及静载塑性，所以也能提高耐磨性
第八章：
8.影响金属高温力学性能的主要因素
1、合金化学成分的影响： (1) 熔点高，自扩散激活能大，层错能低的金属或合金，蠕变极限↑，蠕变速率↓。

(2) 加入Cr，Mo，W，Nb，使固溶强化，↓层错能，↑扩散激活能，↑蠕变极限。

(3) 加入合金元素，生成弥散相，阻碍滑移和攀移，↑高温强度。

(4) 加入B，Re等，↑晶界扩散激活能，阻碍晶界滑动，↑晶界裂纹表面能，↑高温强度
2、冶炼工艺的影响：(1) ↓杂质元素和气体含量，↓晶界偏聚，↓晶界弱化作用，↑材
料持久强度极限。

(2) 定向凝固，↓横向晶界，↑材料持久寿命。

高温合金易在垂直于应力方向的横向晶界产生裂纹。

3、热处理工艺的影响： (1) 珠光体耐热钢：↑正火温度，使碳化物充分均匀溶解于A ；回火应高于使用温度100-150 ℃ ，↑组织稳定性。

(2) A 耐热钢：固溶和时效处理，得到适当晶粒度，改善强化相分布。

(3) 形变热处理改变晶界形状(形成锯齿状)，在晶内造成多边化的亚晶，使合金进一步强化。

4.晶粒度的影响（可能考简答）
（1）T<TE ，细晶粒钢强度高；T>TE ，粗晶粒钢强度高。

（2)采用适当的晶粒度，因为晶粒太大，δ↓，Ak ↓例如：奥氏体（A ）耐热钢取2－4级，且晶粒度要均匀。

（三）符号解释： 第一章 σb —抗拉强度 σs —屈服点
σr —规定残余伸长应力 σ
0.2
—屈服强度
第二章 σbc —抗压强度 NSR —静拉伸缺口敏感度 HBW —布氏硬度
HRA —洛氏硬度压头为金刚石圆锥 HV —维氏硬度 第三章
A K —材料的冲击吸收功
A KV (CVN)— V 型缺口试样测得的冲击吸收功 A KU —U 型缺口试样测得的冲击吸收功
FATT 50—脆性断面率—温度曲线的上平台与下平台之差规定百分数50%所对应的韧脆转变温度 第四章
K IC —临界应力场强度因子，线弹性条件下以应力场强度因子表示的断裂韧度。

K C —平面应力条件下断裂韧度
G IC —临界能量释放率或临界裂纹扩展力，线弹性条件下以能量形式表示的断裂韧度。

qf ——缺口敏感度，金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性， kt ——理论应力集中系数 Kf ——疲劳缺口系数
△Kth ——疲劳裂纹扩展门槛值。

σm —— 平均应力或理论断裂强度 r —— 应力比 σa —— 应力幅
σscc —— 不发生应力腐蚀的临界应力 TE —— 等强温度 T/Tm —— 约比温度
—— 在规定温度和规定的时间内，以规定蠕变总伸长率为σ表示的蠕变极限
t τ
δσ/
—— 在规定温度下，以规定稳态蠕变速率ε∙
表示的蠕变极限
σ
τ
t —— 在规定温度下，达到规定持续时间而不发生断裂的持久强度极限。

(四）问答题： 第一章
一 、影响屈服强度的因素有哪些？ 答：（一） 影响屈服强度的内因素
1.金属本性和晶格类型；晶粒大小和亚结构；溶质元素；第二相 （二） 影响屈服强度的外因素 1.温度；应变速率；应力状态：
二、韧性断裂与脆性断裂的区别。

为什么脆性断裂更加危险？
答：韧性断裂：是断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂特征，断裂面一般平行于最大切应力与主应力成45度角。

断口成纤维状（塑变中微裂纹扩展和连接），灰暗色（反光能力弱）。

断口三要素：纤维区、放射区、剪切唇这三个区域的比例关系与材料韧断性能有关。

塑性好，放射线粗大，塑性差，放射线变细乃至消失。

脆性断裂：断裂前基本不发生塑性变形的，突发的断裂，没有明显征兆，因而危害性比较大。

特征：断裂面与正应力垂直，断口平齐而光滑，呈放射状或结晶状。

注意：脆性断裂也产生微量塑性变形。

断面收缩率小于5％为脆性断裂，大于 5％为韧性断裂。

第三章
三．什么是低温脆性？并阐述低温脆性的物理本质。

体心立方晶体金属及其合金或某些密排六方晶体金属及其合金在试验温度低于某一温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。

物理本质： 材料的屈服强度随温度降低急剧增加，而材料的解理断裂强度却随温度的变化很小，两者相交于t k 。

第四章
影响断裂韧度KIC 的因素有哪些？（提示：从内因和外因两个方面回答）此题可能出选择判断和简答。

内因：1.化学成分的影响；基体组织结构和晶粒大小的影响;杂质及第二相的影响; 显微组织的影响;
外因:1、温度2、加载速率 3、板厚
5. 解释平面应力和平面应变状态，并用应力应变参数表述这两种状态。

对薄板，由于板材较薄，在厚度方向上可以自由变形，即σz=0。

这种只在两个方向上存在应力的状态称为平面应力。

对厚板，由于厚度方向变形的约束作用，使得ｚ方向不产生应变，即εｚ＝0。

这种状态称为平面应变。

第五章
四．缺口会引起哪些力学响应？如何评定材料的缺口敏感性？
答：材料截面上缺口的存在，使得在缺口的根部产生应力集中、双向或三向应力、应力集中和应变集中，并试样的屈服强度升高，塑性降低。

材料的缺口敏感性，可通过缺口静拉伸、偏斜拉伸、静弯曲、冲击等方法加以评定。

五．解释形变强化的概念，规律，并阐述其工程意义。

形变强化：金属材料有一种阻止属性变形的能力称为形变强化
规律：材料从屈服到产生颈缩间的形变强化阶段，遵从Hollomon 公式S=Ken 。

形变强化的意义为：１）可使金属零件具有抵抗偶然超载的能力，保证安全；２）可强化材料；３）形变强化可以保证某些冷成形工艺的顺利进行。

t εσ
六．常见的循环应力：1）对称交变应力σm=0，r=-1；2）脉动应力σm=σa>0，r=0或σm=σa<0，r=∞；3）波动应力σm>σa，0<r<1；4）不对称交变应力-1<r<0；
七．疲劳断裂特点(与静载荷相比较)
(1) 低应力、延时、有寿命的断裂 (2) 脆性断裂(3) 疲劳对缺陷十分敏感。

十二．疲劳过程经历哪几个阶段？各有什么特点？
疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段。

疲劳裂纹萌生：①滑移带开裂②相界面开裂③晶界开裂
疲劳裂纹扩展：
①疲劳裂纹形成后沿与正应力轴45°的滑移带扩展的过程。

②裂纹沿与正应力相垂直的方向扩展。

第六章
八．阐述应力腐蚀现象及其产生的条件？
1、应力腐蚀的含义：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆性断裂现象——应力腐蚀断裂（SCC）。

2、应力腐蚀产生的条件：应力、化学介质和金属材料。

(1) 必须有应力，特别是拉应力的作用, 远低于材料的屈服强度，是脆性断裂；（单因素作用相对安全）(2) 对一定成分的合金，只有在特定介质中才发生应力腐蚀断裂；（单因素作用相对安全）
(3) 纯金属不应力腐蚀:合金成分易应力腐蚀。

应力腐蚀断裂速度约为10-8~10-6m／s数量级的范围内，远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯力学因素引起的断裂速度。

九．材料的应力腐蚀开裂具有哪些主要特征（断口特征）及应力腐蚀断裂机理？
1.滑移-溶解理论(钝化膜破坏理论)+氢脆理论（后面）
(1) 应力作用下，滑移台阶露头，且钝化膜破裂(在表面或裂纹面)，显现新鲜金属表面；
(2) 电化学腐蚀(有钝化膜的金属为阴极，新鲜金属为阳极)出现腐蚀坑；(3) 腐蚀坑和裂纹尖端应力集中，使阳极电极电位降低，加大腐蚀；(4) 若应力集中始终存在，则微电池反应不断进行，钝化膜不能恢复，裂纹逐步向纵深扩展。

2.断口特征：宏观：有亚稳扩展区，最后瞬断区(与疲劳裂纹相似)；
断口呈黑色或灰色（腐蚀和氧化产物）。

微观：有分叉现象，呈枯树枝状；
显微裂纹呈泥状花样；
腐蚀坑；沿晶断裂和穿晶断裂。

第七章
十．粘着磨损产生机理：滑动摩擦条件下，摩擦副双方接触时，局部突起的表面在压载荷下因应力较高引起塑性变形，使表面氧化膜、润滑膜破裂暴露出新鲜、洁净表面，接触面间原子间距极小，产生原子间的键合作用，即冷焊(粘着)。

继续滑动中，粘着点受剪切应力被剪断→转移脱落→形成磨屑；该过程反复进行→粘着磨损。

（五）计算题：
1. 已知由某种钢材制作的大型厚板结构，承受的工作应力为σ=560MPa，板中心有一穿透裂纹（），裂纹的长度为2a=6mm，钢料的性能指标如下表所示：
温度（℃）
σS （MPa ） K IC （MPa*m 1/2
）
-50 1000 30 -30 900 50 0 800 90 50
700
150
试求：a ）该构件在哪个温度点使用时是安全的？
b ）该构件在0℃和50℃时的塑性区大小R 。

其中已知：
解：已知σ=560MPa ，裂纹长度为2a =6mm ，于是a=0.003m ；构件为大型厚板结构，属平面应变。

（1）在-50℃下，＝560／1000＝0.56<0.7，于是有：
因此在50℃下是不安全的。

（2）在50℃下，＝560／700＝0.80>0.7，于是有：
因此在50℃下是安全的。

（3）在50℃下，K I ＝57.78 MPa*m 1/2
，σS =700MPa ，所以有：
3.某单位拟设计一种大型的厚板构件，构件的工作应力为σ=800MPa ，板中心有一穿透裂纹，裂纹长度为2a =4mm 。

现有以下的五种钢材可供选择，各钢材的断裂韧性K IC 和屈服强度σS 如下表：
钢材 1 2 3 4 5
σ
S （MPa）
1100 1200 1300 1400 1500
K IC （MPa*m1/2）
108.5 85.5 69.8 54.3 46.5
a）若按屈服强度计算的安全系数为n=1.4，试找出既能保证材料强度储备又不发生脆性断裂的钢材。

b) 若n=1.7时，上述哪种材料能满足该构件的设计要求?
其中已知：
解：设计的构件为大型厚板，属平面应变状态。

因n =1.4，根据材料力学的设计依据，于是对给定的构件工作应力σ=800MPa，材
料的屈服强度应为。

因此,1号钢材不合适。