第3章 材料在冲击载荷下的力学性能
安徽工业大学 工程材料力学性能复习提纲整理(1)
1.包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变为1%～2%），卸载后再同向加载，规定残余应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余应力降低（特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零）的现象，称为包申格效应。
2.用低密度可动位错理论解释屈服现象产生的原因金属材料3.答：塑性变形的应变速率与可动位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比欲提高v就需要有较高应力τ这就是我们在实验中看到的上屈服点。
一旦塑性形变产生，位错大量增值，ρ增加，则位错运动速率下降，相应的应力也就突然降低，从而产生了屈服现象。
（回答不完整，尤其是上屈服点产生的原因回答的不好）3.塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质。
强度：金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。
韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力脆性：材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。
4.韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么脆性断裂最危险？答：韧性断裂是材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量，韧性断裂的断裂面的断口呈纤维状，灰暗色。
脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性极大，脆性断裂面的断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。
5.试指出剪切断裂与解理断裂哪一个是穿晶断裂，哪一个是沿晶断裂？哪一个属于韧性断裂，哪一个属于脆性断裂？为什么？答：都是穿晶断裂，剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面发生滑移分离而造成的断裂，断裂面为穿晶型，在断裂前会发生明显的塑性变形，为韧性断裂；而解理断裂是材料在正应力作用下沿一定的晶体学平面产生的断裂，也为穿晶断裂，但断裂面前无明显的塑性变形，为脆性断裂。
6.拉伸断口的三要素:纤维区、放射区、剪切唇7. 理论断裂强度的推导过程是否存在问题？为什么？为什么理论断裂强度与实际的断裂强度在数值上有数量级的差别？答：（1）虽然理论断裂强度与实际材料的断裂强度在数值上存在着数量级的差别，但是理论断裂强度的推导过程是没有问题的。
第三章 材料在冲击载荷下的力学性能-2
落锤样坯
落锤试验过程
落锤样坯断裂形貌
3.3.6 影响韧脆转变温度的因素
（1）晶格类型的影响
（2）ky-------位错被第二相等钉扎的常数。对于BCC金属， Fe、Mo的 ky 高；Ni、Ti的 ky 低。在-Fe中，含N低碳 钢ky比C高。 ky随温度增加不明显。
（3）d-----晶粒直径/位错滑移距离。细晶冷脆转变温度。
（4）-----与应力有关的常数。对于扭转， =1；拉伸时 =0.5；缺口拉伸， 1/3。
•氮、碳等原子被吸收到Ni、Mn所造成的局部畸变 区中去，减少了它们对位错运动的钉扎作用。
•在钢中形成化合物的合金元素，如铬、钼、钛等， 是通过细化晶粒和形成第二相质点来响韧脆转变 温度的，它和热处理后的组织密切相关。Biblioteka （3）晶粒大小对TK的影响
• 晶界前塞积的位错数目较 少，有利于减少应力集中；
晶界对裂纹扩展有阻碍 作用。晶粒越细，则晶 界越多，阻碍作用越大。
晶界总面积增加，使晶界上杂质浓 度减少，避免产生沿晶脆性断裂又 提高了它的塑性和韧性。
形变强化、固溶强化、弥散强化(沉淀强化)等方法，在 提高材料强度的同时，总要降低一些塑性和韧性。
• 面心立方晶格金属塑性、韧性好，体心立方和密排六 方金属的塑性、韧性较差。
• 面心立方晶格的金属，如铜、铝、奥氏体钢，一般不 出现解理断裂而处于韧性状态，也没有韧-脆转变，其 韧性可以维持到低温。
• 体心立方晶格的金属，如铁、铬、钨和普通钢材，韧 脆转变受温度及加载速率的影响很大，因为在低温和 高加载速率下，它们易发生孪晶，也容易激发解理断 裂。
材料力学性能教学课件材料在冲击载荷下的力学性能
案例分析
1
案例介绍
选择一个具体案例，描述材料在冲击载荷下的实际应用场景。
2
冲击试验结果分析
分析该案例的冲击试验结果，讨论材料的性能表现和受力情况。
3
改进建议
根据试验结果提出改进建议，以提高材料在冲击载荷下的性能和可靠性。
总结
学习收获和启示
1
冲击载荷的概念和定义
介绍冲击载荷的概念和定义，解释其与静态载荷的区别和特点。
2
冲击载荷的分类
详细阐述不同类型的冲击载荷，如冲击力、冲击力矩等，并对其进行分类和讨论。
材料在冲击载荷下的力学性能
1
冲击试验方法介绍
介绍材料力学性能冲击试验的常用方法，
冲击试验数据分析
2
包括冲击试验设备和常见试验标准。
探讨如何分析冲击试验数据，重点关注力
导言
研究背景和意义
介绍材料力学性能在冲击载荷下的研究背景，探讨其在工程和科学领域的重要性。
冲击载荷对材料的影响
解释冲击载荷对不同材料的影响，包括力学性能的变化和材料的损伤和破坏。
课程目标和安排
明确课程的目标和安排，激发学生的学习兴趣，帮助学生理解材料力学性能在冲击载荷下的 重要性。
冲击载荷的概念和分类
学性能参数的计算和评估。
3
关键力学性能
描述材料在冲击载荷下的关键力学性能， 包括抗拉强度、塑性、韧性和硬度的含义 和评估方法。
常见材料在冲击载荷下的性能表现钢材解释钢材在冲击载荷下的性能表 现，包括其强度、韧性和变形能 力。
铝合金
介绍铝合金在冲击载荷下的性能 表现，如其强度、塑性和耐腐蚀 性。
《材料性能学》课后答案
《材料性能学》课后答案《⼯程材料⼒学性能》（第⼆版）课后答案第⼀章材料单向静拉伸载荷下的⼒学性能⼀、解释下列名词滞弹性：在外加载荷作⽤下，应变落后于应⼒现象。
静⼒韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。
弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最⾼应⼒。
⽐例极限：应⼒—应变曲线上符合线性关系的最⾼应⼒。
包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)增加；反向加载时弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)降低的现象。
解理断裂：沿⼀定的晶体学平⾯产⽣的快速穿晶断裂。
晶体学平⾯－－解理⾯，⼀般是低指数，表⾯能低的晶⾯。
解理⾯：在解理断裂中具有低指数，表⾯能低的晶体学平⾯。
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（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断⼝特征由纤维状转变为结晶状）。
静⼒韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静⼒韧度。
是⼀个强度与塑性的综合指标，是表⽰静载下材料强度与塑性的最佳配合。
⼆、⾦属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是⼀个对结构不敏感的⼒学姓能?答案：⾦属的弹性模量主要取决于⾦属键的本性和原⼦间的结合⼒，⽽材料的成分和组织对它的影响不⼤，所以说它是⼀个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。
改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不⼤。
三、什么是包⾟格效应，如何解释，它有什么实际意义?答案：包⾟格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。
特别是弹性极限在反向加载时⼏乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形⽴即开始了。
包⾟格效应可以⽤位错理论解释。
第⼀，在原先加载变形时，位错源在滑移⾯上产⽣的位错遇到障碍，塞积后便产⽣了背应⼒，这背应⼒反作⽤于位错源，当背应⼒(取决于塞积时产⽣的应⼒集中)⾜够⼤时，可使位错源停⽌开动。
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
（4）应变速率对材料的塑性变形、断裂及有关力学性能 有很大影响 冲击瞬时作用于位错上的应力很高 应力水平高 塑性变形难于充分进行 内部的塑性变形不均匀。
第二节 冲击弯曲和冲击韧性
一、冲击韧性及其作用 1、材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功 的大小。 用标准试样的冲击吸收功表示，Ak。单位，J 2、作用 （1）揭示冶金缺陷的影响； （2）对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性。 （3）评定低温脆性倾向。
第三章 金属在冲击载荷下的力学性 能
冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速率 （相对形变速率）应变速率
έ=de/dτ (e为真应变)
单位时间内应变的变化量——应变率 静拉伸试验 冲击试验
έ=10-5～10-2 s-1 έ=102～104 s-1
一般情况下， έ=10-4～10-2 s-1，金属力学性能没有明显变化， 可按静载荷处理；
冲击吸收功－温度关பைடு நூலகம்曲线：
fcc金属（Cu、Al）材料在很低的温度下韧性仍比较高； 材料在很宽的试验温度范围内都是脆性的，如淬火高 碳马氏体钢； 材料在一定温度区间内产生低温脆性转变，如bcc金属 及其合金、某些hcp金属及其合金，许多铁素体－珠光 体钢（工程上使用的低碳钢）； bcc金属的低温脆性与位错在晶体中运动的阻力对温度 变化非常敏感及迟屈服现象有关。
3、外部因素
(1)温度 钢的“蓝脆”温度（钢的氧化色为蓝色） 静载荷：230~370℃ 冲击载荷：525～550℃ C．N原子扩散速率增加，易于形成柯氏气团。 (2)加载速率 加载速率↑，脆性↑，韧脆转变温度tk ↑; (3)试样尺寸和形状 试样增厚，tk↑（表面上的拉压应力最大）; 带缺口，不带缺口；脆性及tk不同。
二、 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素
第三章_材料在冲击载荷下的力学性能
冲击功随温度的变化而变化，变化趋势如图
所示。能量法定义tk的方法有以下三种： ⑴以低阶能 开始上升的温度 定义为 tk ，记为 NDT（Nil Ductility Temperature）称为无塑性或 零塑性转变温度。
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⑵ 以 高 阶 能 对 应 的 温 度 定 义 为 tk ， 记 为 FTP(Fracture Transition Plastic)，较为保守的
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2、Ak或K值相同的材料，其韧性不一定相同 因为，试样所吸收的冲击能量包括了三部分， 即弹性变形功、塑性变形功和裂纹扩展功。对不 同的材料，冲击吸收功数值可能相同，但这三部 分各占的比例确不一定相同。而真正能显示材料 韧性好坏的是后两部分，尤其是裂纹扩展功的大 小。
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3、冲击吸收能量K（冲击吸收功AK）并非完
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2、冲击弯曲试验：
GB/T229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方 法》规定，如图所示。冲击吸收能量 K （ 1994 年标准 为冲击吸收功Ak）： K＝GH1-GH2=G(H1-H2)＝mg(H1-H2)
对采用 u型缺口和 v型缺口的试样，其冲击吸收功
旧标准使用ak（冲击韧性）作为性能指标。
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四、冲击值的意义和讨论
1、ak值没有明确的物理意义 其一：冲断试样时 所消耗的能量并非沿试样截 面均匀分布，而是主要被缺口附近的体积吸收，缺 口附近与缺口远处吸收的能量在数值上相差极大。 其二：吸收能量是体积的而不是面积，所以用 单位面积吸收的能量 ak来表示材料冲击条件下的韧 性，其物理意义不够明确。
一、材料方面的因素（内因） 1、晶体结构和强度等级
体心立方、密排六方金属及其合金脆断倾向
明显，密排六方金属不明显（原因在于派纳力的 高低）。中低强度钢一般属于体心立方金属，脆 断倾向明显。高强度钢tk不明显。
第三章 材料的冲击韧性及低温韧性
三、冲击脆化效应 由于冲击载荷下的应力水平较高，可使许多位 错源同时开动，结果在单晶体中抑制了易滑移阶段 的产生和发展。此外，冲击载荷还增加位错密度和 滑移系数目，出现孪晶，减小位错运动自由行程的 平均长度，增加点缺陷浓度。上述诸点均使金属材 料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行,导致 屈服强度和抗拉强度提高。
(2)工程意义: ①反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量； ②测定材料的韧脆性转变温度； ③对σs大致相同的材料，根据AK值可以评定材料对 大能量冲击破坏的缺口敏感性。
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Introductions of Material Properties
2.多次冲击
(1)某种冲击能量A下的冲断周次N； (2)要求的冲击工作寿命N时的冲断能量A 多冲抗力取决于塑性和强度： ①A高时，取决于塑性； A低时，取决于强度。
溶质原子占据溶剂晶格中的结点位臵而形成的固溶体 称臵换固溶体
杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。
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Introductions of Material Properties
3.显微组织的影响 （1）晶粒大小 细化晶粒能使材料韧性增强 韧脆转变温度降低 细化晶粒尺寸是降低 冷脆转变温度的有效措施
Introductions of Material Properties
第三章 材料的冲击韧性及低温韧性
1
Introductions of Material Properties
3.1
冲击弯曲试验与冲击韧性
高速作用于物体上的载荷称为冲击载荷 冲击载荷与静载荷主要区别在于加载速率不同
加载速率即载荷施加于试样的速率，用单位时间内应力 增加的数值表示
（4） T工作≥NDT+67℃（FTP）， σ工作达到σb 发生韧性断裂
工程材料力学性能 第三版课后题答案(束德林)
工程材料力学性能课后题答案第三版（束德林）第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
（1）弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
（2）滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
（3）循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
（4）包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，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。
（5）解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
（6）塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
脆性：指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。
韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
（7）解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶。
（8）河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
（9）解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
（10）穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。
（11）韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变。
2、说明下列力学性能指标的意义。
答：（1）E（G）分别为拉伸杨氏模量和切边模量，统称为弹性模量表示产生100％弹性变所需的应力。
σ规定残余伸长应力，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。
（2）rσ名义屈服强度（点），对没有明显屈服阶段的塑性材料通常以产生0.2％的塑性形变对应的应力作为屈2.0服强度或屈服极限。
第三章 金属在冲击载荷作用下的力学性能
冲击韧度只是一种混合的韧性指标， 在设计中不能定量使用。
冲击功＝（冲击弹性功＋塑性功＋撕裂 功）＋空气阻力＋机身振动＋轴承与测量 机构的摩擦＋试样的飞出等。
三、冲击韧度的工程意义
表示材料韧度的性能指标共有三个：冲击 韧度（第三章）、断裂韧度（第四章）、静力 韧度（第一章）分别用来评价材料在冲击载 荷、有裂纹的情况下静载荷、静拉伸载荷条件 下材料的韧度。
d / dt ,
d dl / l
dl 1 dl 1 d / dt l dt dt l l
静拉伸的应变速率在10 ～10 S ,当应变速率 大于10 S ，材料的力学性能将发生显著的变
-2 -1
-5
-2
-1
化。
冲击载荷下材料变形和断裂的特点
弹性变形阶段：应变速率对材料的弹性行为及弹性
b)
c)
塑性变形集中在局部区域，较之静载条件 极不均匀。
应变速率提高，材料塑性必定下降？
材料以正断方式断裂，塑性随应变速率的增 加而减小。 材料以切断方式断裂，塑性可能不变，也可 能提高。
应变速率对18Ni马氏体时效钢的强度和塑性的影响 (a)屈服强度和抗拉强度 (b)断面收缩率
应变速率对淬火回火35CrNiMoV钢的强度和塑性的影响 (a)屈服强度和抗拉强度 (b)延伸率和断面收缩率
物构件小，由于变形的几何约束小带来的脆化
程度也相应地小一些。
试验之前试样在所选 的低温条件下保温3045分钟，然后迅速将
焊堆长×宽×厚 64×15×4mm
其移至支座上，用落
锤对其冲击 。锤的冲 击能量是根据板材厚 度和材料的屈服强度 这两个参数决定的。 落锤试验示意图
材料性能与测试-第3章材料的冲击韧性和低温脆性
低温脆性的危害
❖ 发生脆变时，裂纹的扩展速度可高达1000~3000m/s，无法加以 阻止，无任何征兆。
❖ 1938 年和1940 年, 在比利时的哈塞尔特城和海伦赛贝斯城先后 发生了两次钢桥坍塌事故。经研究，这些事故正是材料的冷脆 造成的。
§3.2 低温脆性
❖ 定义：体心立方或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的 中、低强度结构钢，在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态变为脆 性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断
§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂特点 §3.2 冲击弯曲和冲击韧性 §3.3 低温脆性 §3.4 影响韧脆转变温度的因素
§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂特点
冲击载荷和静载荷的区别
加载速率的不同
加载速率：载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加
的数值表示。
形变速率可间接反应加载速率的变化。
口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
屈服强度/MPa
840
700 W
560 Mo
420 Байду номын сангаасe
280
140 Ni
几类不同冷脆倾向的材料
0 200 400 600 800 1000
温度/℃
❖ 测量不同温度下冲击韧性aK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。tk称为韧脆转
变温度或冷脆转变温度，是安全性指标之一。
(3) FTE(fracture transition elastic)：低阶能和高阶能平均值对应的温度。
➢ 冲击弯曲试验，冲击吸收功-温度曲线 Ak急剧减小；
(4) 以Akv为 20.3 N·m对应的温度作为韧脆转变温度，记为 V15TT。
材料力学性能-第三章-冲击载荷
高当于低某于一某温一度温，度材时，
温度
料材吸料收吸能收量的也冲基击本功不基变本，
形不成随一温个度平变台化，，称形为成一 “平 在高台此阶，区能称 间”为 冲，“ 击此吸低区收阶间功能冲很”， 击低吸，收表功现很为高完，全材的料脆表性 现断为裂完，全这韧一性温断度裂称，为此无 低阶能
温塑度性称转为变塑或性零断塑裂性转转变变
温度
0 高阶能
冲击功 结晶区面积(%)
以低阶能和高阶能
平均值对应的温度作
为Tk——FTE。
❖以结晶区面积占断口 面积50％的温度作为 Tk——FATT50。但此方 法人为因素较大。
低阶能
NDT FTE
100 FTP 50％FATT
图3-7 系列温度冲击试验曲线
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日 bcc金属具有低温脆性的原因： 1.bcc金属的p-n 比fcc金属高很多，并且在影响屈服强 度的因素中占有较大比例。而p-n 属短程力，对温度 十分敏感，因此bcc金属具有强烈的温度效应。 2.bcc金属具有迟屈服现象，即对材料施加一大于屈 服强度的高速载荷时，材料需要经过一段孕育期（也 称为迟屈服时间）才开始塑性变形，而在孕育期内只 发生弹性变形。由于没有塑性变形消耗能量，有利于 裂纹扩展，易产生脆性破坏。
NDT
冲击功 结晶区面积(%)
0 高阶能
FTP
100
温度FNTDPT(F(Nraicl tDuruectility
图3-7 系列温度冲击试验曲线
TreamnpsietriaotnurPel)astic)。
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日
第03章-金属在冲击载荷下的力学性能.复习进程
§3.3 低温脆性及韧脆转变温度
一、低温脆性现象 低温下，材料的脆性急剧增加。
esp.,对压力容器、桥梁、汽车、船舶的 影响较大。
实质为温度下降，屈服强度急剧增加 。
F.C.C金属，位错宽度比较大，一般 不显示低温脆性。
9
二、韧脆转变温度
判断标准 冲击能量 低阶能对应的t1－NDT（无塑性或零塑性转变
图中各条曲线对应不同裂纹尺寸的σc –t曲线。 AC线，小裂纹的的σc –T曲线，位于σs线以上； BC线，长裂纹的σc –T曲线，与σs点相交于B点-对 应的温度即为FTE（弹性断裂转变温度 ）。 C点对应的坐标为σb和FTP（塑性断裂转变温度）。 因为在NDT附近有一不发生脆性破坏的最低应力， 于是得到A’点。 A’BC线-断裂终止线（CAT），表示不同应力水平 下脆性断裂扩展的终止温度。
弹性变形的速度4982m/s（＞声速）, 普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.5m/s。这样冲击弹性 变形总能紧跟上冲击外力的变化
2
二、影响冲击性能的微观因素
（1）位错的运动速率↑，派纳力增大，滑移临界切应力↑，金属产 生附加强化。参见图1-12.
（2）同时开动的位错源增加，增加位错密度，提高滑移系数目，塑变 极不均匀，限制了塑性变形的发展，导致屈服强度提高（多）、抗 拉强度提高（少）。参见图1-12.
•
材料塑性与 之间无单值依存关系。大多情况下，冲击时的塑性比 静拉伸的要低。高速变形时，某些金属可显示较高塑性（如密排六 方金属爆炸成型）
•
塑性和韧性随 提高而变化的特征与断裂方式有关。 如在一定加载规范和温度下，材料产生正断（因为切变抗力增加很大
）则，则随c断裂应•↗力而↗ c，变但化塑不性大可，能塑不性变随，• 也↗可而能↘。提如高材。料产生切断，
工程材料力学性能习题答案
《工程材料力学性能》课后答案机械工业出版社 2008第2版第一章 单向静拉伸力学性能1、 解释下列名词。
1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，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。
5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b 的台阶。
8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。
11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。
弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等2、 说明下列力学性能指标的意义。
答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 【P15】3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。
材料力学性能教学课件材料在冲击载荷下的力学性能
总结词：材料的能量吸收能力是指在冲击载荷作用下，材料能够吸收的能量大小。材料的能量吸收能力与其种类、状态和结构等因素有关。
材料的抗冲击性能指标
冲击韧性是衡量材料抵抗冲击载荷破坏能力的重要指标。
总结词
冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收能量、抵抗破坏的能力。它受到材料的内部结构、温度、试样形状和尺寸等因素的影响。冲击韧性值越大，表示材料抵抗冲击载荷的能力越强。
通过在材料表面进行涂层或处理，改变其表面结构和性能，以达到提高抗冲击性能的目的。
表面处理和涂层技术可以在不改变材料本身性能的情况下，提高其抗冲击性能。例如，在金属表面进行喷涂、电镀或化学镀等处理，可以形成具有高硬度和高韧性的涂层，从而提高其抗冲击和耐磨性能。同时，表面处理还可以改变材料的表面粗糙度、硬度和附着力等性能，从而提高其抗冲击能力。
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材料力学性能教学课件ppt材料在冲击载荷下的力学性能
材料力学性能概述材料在冲击载荷下的力学性能材料的抗冲击性能指标提高材料抗冲击性能的方法
目录
材料力学性能概述
材料力学性能是指材料在受到外力作用时表现出来的特性，包括强度、硬度、韧性、塑性等。
这些特性与材料的内部结构和化学成分密切相关，是材料科学和工程领域研究的重要内容。
详细描述
疲劳裂纹扩展速率是指在循环载荷作用下，裂纹扩展的速率。它是评估材料在交变应力作用下的耐久性和可靠性的重要指标。疲劳裂纹扩展速率越小，表示材料的疲劳寿命越长，抵抗裂纹扩展的能力越强。
提高材料抗冲击性能的方法
通过添加合金元素，改变材料的成分，以达到提高抗冲击性能的目的。
合金元素的添加可以改变材料的晶体结构、相变行为和微观组织，从而提高材料的韧性、强度和耐冲击性能。例如，钢中添加铬元素可以提高其抗腐蚀和耐磨性能，而铝合金中添加镁元素则可以提高其强度和抗冲击性能。塑性ຫໍສະໝຸດ 材料在冲击载荷下的力学性能
材料力学性能第三章
弹性变形以介质中的声速传播。 ●弹性变形以介质中的声速传播。而普通机械
冲击时的绝对变形速率在10 ／ 以下 以下。 冲击时的绝对变形速率在 3m／s以下。在弹 性变形速率高于加载变形速率时， 性变形速率高于加载变形速率时，则加载速率 对金属的弹性性能没有影响。 对金属的弹性性能没有影响。
●塑性变形发展缓慢，若加载速率较大，则塑 塑性变形发展缓慢，若加载速率较大， 性变形不能充分进行。 性变形不能充分进行。 ●静载: 受的应力取决于载荷和零件的最小断面 静载: 积。 ●冲击载荷具有能量特性，与零件的断面积、 冲击载荷具有能量特性，与零件的断面积、 形状和体积有关。
3.3 低温脆性
1.低温脆性概述 1.低温脆性概述 金属材料的强度 强度一般均随温度的降低而升 强度 高，而塑性 塑性则相反。 塑性 一些具有体心立方晶格的金属及合金或某 些密排六方晶体金属及合金，当温度降低到某 一温度Tk时，由韧性状态变为脆性状态。这种 现象称为低温脆性 低温脆性。转变温度Tk称为韧脆转变 低温脆性 韧脆转变 温度，又称冷脆转变温度 冷脆转变温度。 温度 冷脆转变温度 Tk δ ψ Ak和NSR 被称为材料的安全性指标 NSR 而σs σb δ Ψ和Ak被称为材料常规力学性能的五大指标
低温脆性从现象上看，是屈服强度和断裂强度 屈服强度和断裂强度 随温度降低而变化的速率问题。 随温度降低而变化的速率问题 倘若屈服强度随温度的下降而升高较快， 而断裂强度升高较慢，则在某一温度Tk以下， σs>σc，金属在没有塑性变形的情况下发生断 裂，即表现为脆性的； 而在Tk以上，σs<σc，金属在断裂前发生塑 性变形，故表现为塑性的。
③将高阶能开始降低的温 度定义为韧-脆转化温度。 记为FTP ( Fracture Transition Plastic)．当温 度高于FTP，试件的断口 为100％的纤维状断口。
第三章材料的冲击韧性及低温脆性
静拉伸： 蓝脆的温度范围为230～370℃。
性
与
击
韧 性
2、在冲击载荷下，冲击应力不仅与零件的断面积有
与 关，而且与其形状和体积有关。若零件不含切口，则
低 温
冲击能被零件的整个体积均匀地吸收，从而应力和应
脆 变也是均匀分布的；零件体积愈大，单位体积吸收的
性
能量愈小，零件所受的应力和应变也愈小。若零件中
有切口，则切口根部单位体积将吸收更多的能量，使
第 材料强度不同，塑性和冲击韧性对冲击疲劳抗力的
三 影响不同。
章
材
料 的
ⅰ、高强度钢、超高强钢，塑性和冲击韧性作用大。
冲
击
韧
性 ⅱ、中、低强度钢，塑性、冲击韧性作用不大，
与 低
因为中、低强度钢的冲击韧性已经较高。
温
脆
性
第 三 章 材 料 的 冲 击 韧 性 与 低 温 脆 性
四、冲击脆化效应
第
三 弹性变形以声速在介质中传播，在金属介质中声速很大
d、反映材料对一次和少数次大能量冲击断裂的抗力， 对某些在特殊条件下服役的零件，如弹壳、防弹甲板 等，具有参考价值；
2、 多次冲击
第 ①衡量指标：冲击能量A～冲击次数N。
三
章
材 料
②材料对多次冲击的抗力取决于以下因素：
的
冲
击 a、冲击能量高时，材料的抗多次冲击能力主要取决
韧 性
于塑性；冲击能量低时，材料抗多次冲击能力则主
② 金相组织
第 三
a、较低强度水平（低碳钢），回火索氏体最好tk↓↓， 下贝氏体组织次之tk↓，层片状珠光体最差tk↑。
章
材
料 b、中、高碳钢，等温淬火→下贝氏体组织tk↓↓，
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材料性能学
1一14周
第三章金属在冲击载荷下的
力学性能
许多机器零件在服役时往往受到冲击载荷的作用，如火箭的发射、飞机的起飞和降落、汽车通过道路上的凹坑以及金属压力加工（铸造）等，为了评定材料传递冲击载荷的能力,揭示材料在冲击载荷下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验。
冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率的不同
加载速率：载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加
的数值表示。
形变速率：单位时间的变形量。
加载速率提高，形变速率也增加。
相对形迹速率也称为应变速率，即单位时间内应变的变化量。
冲击载荷2－104s-1 de10
d
静载荷
10-5－10-2s-1
一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点
冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击
能，所以机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程
的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。
由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。
冲击弹性变形（弹性变形以声速传播，在金属介质中为
4982m/s）能紧跟上冲击外力（5m/s）的变化，应变速率对
金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。
应变速率对塑性变形、断裂却有显著的影响。
金属材料在冲
击载荷下难以发生塑性变形。
1.1 应变速率对塑性变形的影响
金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行，主要有以下两方面的原因：
1. 由于冲击载荷下应力水平比较高，使许多位错源同时起作用，结果抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。
2. 冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加了点缺陷的浓度。
纯铁的应力－应变曲线
1－冲击载荷1.2 应变速率对强度的影响
2－静载荷
静载荷作用时：
塑性变形比较均匀的分布在
各个晶粒中；
冲击载荷作用时：
塑性变形则比较集中于某一
局部区域，反映了塑性变形
不均匀。
这种不均匀限制了
塑性变形的发展，导致了屈
服强度、抗拉强度的提高。
应变速率对18Ni马氏体时效钢强度的影响
1.3 应变速率对塑性和韧性的影响
塑性、韧性随应变率的增加而变化的特征与断裂方式有关：如果在一定加载条件及温度下，材料产生正断，则断裂应
力变化不大，塑性随着应变率的增加而减小；
如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率提高显著增加，塑性的变化不一定，可能不变或提高。
应变速率对18Ni马氏
体时效钢塑性的影响应变速率对35CrNiMoV钢塑性的影响
二、冲击弯曲和冲击韧性
为了显示加载速率和缺口效应对金属材料韧性的影响，需要进行缺口试样冲击弯曲试验，测定材料的冲击韧性。
冲击韧性：
材料在冲击载荷作用下吸收
塑性变形功和断裂功的能力，
常用标准试样的冲击吸收功
A K表示。
冲击弯曲试验标准试样
是U形或V形缺口，对
应的冲击吸收功分别记
冲击弯曲试验原理图为A KU和A KV
冲击吸收功A K的大小不能真正反映材料的韧脆程度：
原因：
缺口试样吸收的功没有完全用于试样变形和破断，一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力以及轴承与测量机构中的摩擦消耗等。
通常试验时，这些功消耗可以忽略不计，但当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功消耗较大，不同试验机上测得的A k值相差10-30%。
冲击弯曲试验的主要用途有两点：
(1) 控制原材料的冶金质量和热
加工后的产品质量
通过测量冲击吸收功和对样品
进行断口分析，可揭示原料中
的夹渣、气泡、严重分层、偏
析以及夹杂物超级等冶金缺陷；
检查过热、过烧、回火脆性等
锻造或热处理缺陷。
JB-S300数显冲击试验机
(2) 根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得A k与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度。
三、低温脆性
3.1 低温脆性现象
定义：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特
别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度t k时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收
功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果
低温脆性是材料屈服强
度随着温度的降低急剧
增加的结果。
σc 见右图，屈服点随着温
度的下降而升高，但材
料的解理断裂强度随着
温度的变化很小，两线
交点对应的温度就是韧
屈服强度和断裂强度随温度变化示意图
脆转变温度t k。
温度高于t k时，σc＞σs，材料先屈服后断裂，为韧性断裂；温度低于t k时，σc＜σs，材料先断裂，为脆性断裂；
t k时实际上是一个温度区间
3.2 韧脆转变温度
冲击弯曲试验，冲击吸收功-温度曲线A k急剧减小
拉伸试验，应力－应变曲线σs 急剧增加
试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线
（a）20钢和（b）15MnMoV在不同温度下的力－伸长曲线
（1）按能量法定义t k的方法
(a) 当低于某一温度，金属材料
吸收的冲击能量基本不随温度变
化，形成一个平台，该能量称为
“低阶能”。
t
: NDT(Nil ductility
K
temperature)无塑性或零塑性转变温度。
(b) 高于某一温度时，材料吸收
的能量基本不变，出现一个上平
台，称为“高阶能”。
t
: FTP
K
(Fracture transition plastic) 最保守
(c) 以低阶能和高阶能平均值对
各种韧脆转变温度准则应的温度定义t k，记为FTE
（Fracture Transition Elastic）。
（2）按断口形貌定义t k的方法
冲击断口形貌示意图
试验表明，在不同试验温度下，纤维区、放射区与剪切唇三者之间的相对面积（或线尺寸）是不同的。
温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增加，材料由韧变脆。
通常取结晶区面积占整个断口面积的50%时的温度为t k，记为50%FATT或FATT50、t50。
（3）韧脆转变温度t k的工程意义
韧脆转变温度t k是韧性指标，可用于抗脆断设计、保证机件服役安全，但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺寸。
机件的最低使用温度必须高于t k，两者相差越大越安全，所以选用的材料应该具有一定的韧性温度储备，也就是说具有一定的△值，△=t0-t k，△值取40－60º。
对于受冲击载荷作用的重要机件，取60º；不受冲击载荷的非重要机件，取20º；中间者取40º。
一定条件下用试样测得的t k，由于和实际结构工况之间无直接联系，不能说明该材料制成的机件一定在该温度下脆裂。
原因：同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素的变化（如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率等），t k也要变化。
3.3 落锤试验和断裂分析图（不要求）
四、影响韧脆转变温度的冶金因素
4.1 晶体结构
体心立方金属及其合金存在低温脆性。
普通中、低强度钢的基体是铁素体，此类钢具有明显的低温脆性。
面心立方金属及其合金一般认为无低温脆性。
高强度和超高强度体心立方结构钢，在很宽的温度范围内冲击值均较低，韧脆转变不明显。
原因：面心立方的屈服强度随温度的变化比体心立方小的多，当温度从室温降低到-196º时，体心立方的屈服强度增加3－8倍，面心立方只增加2倍。
材料性能学
4.2 化学成分
右图为在α-Fe中加入间隙元素
和置换元素对其韧脆转变温度
的影响
间隙溶质元素偏聚于位错线
附近，阻碍位错运动，提高t k。
置换元素（除Ni、Mn
外）一般也提高t k。
杂质元素S、P等偏聚于晶界，
产生沿晶脆性断裂，降低钢的
韧性。
（a）含碳量（b）合金元素对韧
脆转变温度的影响
4.3 显微组织
（1）晶粒大小
细化晶粒可使材料的
韧性增加
韧脆转变温度与
铁素体晶粒大小
的关系
原因：
(1) 晶界是裂纹扩展的阻力；
(2) 晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；
(3) 晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减小，避免了产生沿晶脆性断裂。
（2）金相组织
较低强度水平时（如高温回火），强度相同而组织不同的钢，其冲击吸收功A k与t k以马氏体高温回火（回火索氏体）
最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。
球化处理可改善钢的韧性。
在较高强度水平时，如中、高碳钢在较低等温温度下获得下贝氏体组织，则A k与t k优于同强度的淬火回火组织。
相同强度水平下，典型上贝氏体的t k优于下贝氏体。
在某些马氏体钢中存在奥氏体，可以抑制解理断裂。
钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，无论第二相位于晶界还是独立于基体中，当尺寸增大时材料韧性下降，t k升高。