材料力学性能复习资料前(简单32课时)

名词解释
1.弹性：指材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力
2.塑性：指材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力
3.强度：指材料在外力作用下抵抗塑性形变和破坏的能力
4.比例极限ζp：应力与应变保持正比关系的最大应力
5.弹性极限ζe：在拉伸试验过程中，材料不产生塑性变形时的最大应力
6.屈服极限：①对拉伸曲线上有明显屈服平台的材料，塑性变形硬化不连续，屈服平台所
对应的应力即为屈服强度ζs②对拉伸曲线上没有屈服平台的材料，塑性变形硬化是连续的，此时将屈服强度定义为产生0.2%残余伸长时的应力ζ0.2
7.抗拉强度ζb：材料断裂前所能承受的最大应力
8.应变强化：材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，性变应力不断
提高的现象
9.断裂延性：拉伸断裂时的真应变
10.弹性比功We（弹性应变能密度）：材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的弹性变形
功。

We = ζeEe/2 = ζe^2/(2E)[需弹性较大材料时，增大We的措施是增加ζe，降低
E]
11.弹性后效：在弹性范围内加速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象
12.弹性滞后：在非瞬间加载条件下的弹性后效
13.内耗Q-1=1/2π*△W/W：加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功，或弹性滞后
回线面积为一个循环所消耗的不可逆功，这部分被金属吸收的功，称为内耗
14.循环韧性（消振性）：金属材料在单向循环载荷或交变循环载荷作用下吸收不可逆功的
能力
15.包申格效应：产生了少量塑性变形的材料，再同向加载，则弹性极限与屈服强度升高，
反向加载则弹性极限与屈服强度降低的现象
16.孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切
变并形成晶体取向的镜面对称关系
17.硬度：指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力
18.应力状态柔度因数：表示应力状态对材料塑性变形的影响。

α=ηmax/ζmax=（ζ1 –ζ
3）/2[ζ1 –ν（ζ2 + ζ3）]
19.解理断裂：材料在拉应力作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学
平面（即所谓“解理面”）劈开而造成的断裂。

20.沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂
21.切口强度：切口试件拉伸断裂最大载荷，除以切口处的净断面积ζbN = Pmax/An
22.切口敏感性：切口强度对抗拉强度的比值NSR=ζbN/ζb
23.低温脆性：一些具有体心立方的金属，当温度降到某一温度时，由于塑性降低到零而变
为脆性状态
24.平面应变断裂韧度：评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指材料抵抗失稳扩展的能
力
25.疲劳：金属机件构件在变动载荷和长期应变作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象
26.疲劳极限：试件可经受无限的应力循环而不发生断裂，所能承受的上限应力幅值
27.疲劳寿命：从加载开始到试件断裂所经历的应力循环数
28.循环滑移带：在环载荷作用下，即使循环应力不超过屈服强度，也会在试件表面形成的
滑移带
29.循环硬化：对于某些合金，要使其循环应变范围△ε或其塑性分量保持恒定则必须随加
载循环数的增加提高应力幅
30.蠕变：金属在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢产生塑性
变形的现象
31.蠕变极限：高温长期载荷作用下，材料对塑性变形的抗力指标
32.持久强度：高温长期载荷作用下，在一定温度和规定时间内，不发生蠕变断裂的最大应
力
33.应力腐蚀：由拉伸应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂
34.氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的断裂
35.腐蚀疲劳：材料或零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下造成的失效
36.低应力脆断：在应力水平低于屈服极限的情况下所发生的突然断裂
37.张开型裂纹：外加拉应力垂直于扩展面并垂直于裂纹线
38.应力松弛：总应变保持不变，应力随时间增加不断下降
简答题
1)低碳钢应力-应变曲线见图
ζp：比例极限ζe：弹性极限ζs：屈服极限ζb：强度极限
四个阶段：线弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段
2)细晶强化的原因
位错运动到晶界附近，受到阻碍而堆积起来形成位错塞积，变形抗力增大。

晶粒细化后，同体积的晶界越多，变形抗力越大，有利位向受不利位向制约导致材料强度提高，又因为晶粒越细，应力集中小，晶界曲折多弯，变形需要相互协调，材料塑性韧性好。

3)包申格效应的本质
预塑性变形使位错增殖，运动缠结；同向加载，位错遇到林位错，运动受阻，弹性极限和屈服强度增加；反向加载，位错被迫做反向运动运动容易，弹性极限与屈服强度降低危害：交变载荷作用下，显示循环软化即强度极限下降
防治：预先进行较大的塑性变形，可不产生包申格效应，第二次反向加载前，先使金属回复或再结晶退火
4)布、洛、维氏硬度原理、优缺点
布氏硬度：压力将淬火钢球或硬质合金钢球压头压入试件表面，保持规定时间后卸除压力，试件表面留下压痕，单位压痕表面积上所承受的平均压力即为布氏硬度值。

优缺点：压头直径较大，压痕较深，测量结果准确，但对试样表面损伤较大，不易测试较薄工件和成品件。

洛氏硬度：直接测试压痕深度，压痕越浅材料越硬。

优缺点：简便迅速，功效高，对试件表面损伤较小，可用于成品件检验，可以消除表面轻微不平度对结果影响，但是不同尺度洛氏硬度值无法相互比较，且对材料组织均匀性敏感，测试结果分散，重复性差。

维氏硬度：单位面积上所承受的压力定义硬度值
优缺点：不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束，也不存在压头变形问题，精确可靠，但效率太低。

5)切口冲击韧度的意义及应用
①评定原材料的冶金质量和热加工后的半成品质量
②确定结构钢的冷脆倾向及韧脆转变温度
③反映材料一次和少数次大能量冲击断裂的抗力
④评定低合金高强度钢及其焊缝金属的应变时效敏感性
6)K判据及其应用
是裂纹失稳扩展脆性断裂的判据。

KⅠ< KⅠC 构件安全
KⅠ> KⅠC 构件发生脆性断裂
KⅠ= KⅠC 构件发生低应力脆性断裂的临界条件
7)沿晶断裂的原因
①晶界存在连续分布的脆性第二相
②微量有害杂质在晶界偏聚
③环境介质作用损伤晶界
8)疲劳微裂纹形成方式
①表面滑移带开裂
②夹杂物与基体相界面分离或夹杂物本身断裂
③晶界或亚晶界开裂
9)疲劳破坏特征
①疲劳破坏需经过一定数量的应力循环
②破坏使用时，名义应力值远低于材料静载强度极限
③破坏前没有明显塑性变形，无论塑性好坏，均发生脆断
④断口特征：同一疲劳断口有明显光滑、粗糙区
10)裂纹扩展门槛值及应用
把裂纹的每一微小过程看成是裂纹体小区域的断裂，则设想，应力强度因子幅度
△k =Kmax - Kmin 是疲劳裂纹控制因子，当△K小于某一临界值△Kth时，疲劳裂纹扩展，△Kth即为门槛值。

应用：判定疲劳裂纹是否扩展
11)不同温度下的蠕变机制
①位错滑移机制：常温下，位错运动受阻，产生位错塞积，滑移不能进行，高温下蠕
变，由于热激活，可能使位错可以克服某些障碍得以运动产生塑性变形
②扩散性蠕变：高温和应力作用下，空位、原子的定向扩散
③晶界滑动：温度较高时，晶界滑动是蠕变的一部分，包括Ⅰ晶界两多晶体相互错动
Ⅱ晶界沿法线方向迁移
12)蠕变曲线见图ε=ε0+βt^n+αt 温度，应力下降，Ⅱ扩大，Ⅲ减小
Ⅰ：减速蠕变
Ⅱ：稳态蠕变
Ⅲ：加速蠕变
13)KⅠ与KⅠC异同
KⅠ：应力场强度因子是一个力学参量，表示裂纹尖端应力场强度大小，综合反映了外加应力、裂纹位置、大小对应力强度的影响
KⅠC：平面应变断裂韧度，是一个材料力学性能指标，决定于材料成分、组织结构等内在因素，与外加应力、时间尺寸等外因无关
相同：材料力学性能的描述，单位一致，计算公式基本一致
计算题
一、一薄板内部存在一个3mm的裂纹，且a0 = 3 * 10^（-8）cm，求其发生脆断时的应力。

（设ζm = 0.1E = 2 *10^4MPa）
理论断裂强度：ζm = （Eγ/a0）^(1/2)
Griffith公式：ζc = （2Eγ/πa）^(1/2)
ζm = (Eγ/a0)^(1/2) = 2 * 10^4
a =1.5 * 10^(-3) m E γ= 0.2
ζc =（2Eγ/πa）^(1/2) =((2*0.2)/(π*1.5*10^(-3))^(1/2) = 7.13 MPa
二、已知一构件工作应力ζ= 800 MPa，裂纹长度2a = 4 mm，应力场强度因子KⅠ= 2 ζ
*a^(1/2),钢材KⅠc随0.2增加而下降，其变化如下所示：
ζ0.2/MPa 1100 1200 1300 1400 1500
KⅠc/MPa*m^(1/2) 108.5 85.25 69.75 54.25 46.50
若按屈服强度计算的安全系数为n = 1.4，试找出既保证材料强度储备又不发生脆性断裂的钢材强度。

若n = 1.7 时，上述材料是否满足要求？
KⅠc = 2ζa^(1/2) = 2 * 800*0.002^(1/2) = 71.55MPa.m^(1/2)
n = 1.4，钢材许用应力[ζ] =ζ0.2/n
ζ0.2 = 1.4*800 = 1120 MPa
因1120 < 1200，KⅠ< KⅠc,所以选用第二组
n = 1.7 时ζ0.2 = 1.7 *800 = 1360MPa
则根据强度要求选第四组，而此时KⅠc=54.25 < KⅠ，不满足韧性要求。

三、有一构件工作时承受ζ= 1200 MPa拉应力，内部有一长为2mm的穿透裂纹，现有两
种材料
A：ζ0.2 = 1500MPa KⅠc = 80 MPa.m^（1/2）
B：ζ0.2 = 2400 MPa KⅠc = 50 MPa,m^(1/2)
分别从传统观点和从断裂力学观点考虑，应选用哪种材料较为安全，并比较两观点差异。

（形状因子Y=√π，K1的修正公式为K1 = （Yζ√a）/√[1- 0.056Y^2(ζ/ζs)^2]）解：传统力学
A：许用应力出发
安全系数n = ζ0.2/[ζ] = 1500/1200 = 1.25
B：安全系数n = ζ0.2/[ζ] = 2400/1200 = 2 > A
所以选用B安全
断裂力学
A：[ζ]/ζ0.2 = 0.8，当ζ/ ζs >=~0.7时，需用K1修正公式
K1=（Yζ√a）/√[1- 0.056Y^2(ζ/ζs)^2]）= 75.77MPa.m^(1/2) < K1c = 80
B：ζ/ ζs =0.5 不需要修正
K1 = Yζ√a = 67.24MPa.m^(1/2) > K1c =50
不能用B，用A
两者差异在于传统观点没考虑裂纹对材料力学性能的影响
选择、填空、判断
1.影响弹性模量E：主要取决于结合键的本性和结合力的大小，且原子半径对其影响不适
用于过渡金属
2.伸长率δ=（l1 – l0）/l0 *100%
3.断面收缩率：θ=（A0 – A1）/A0 * 100%
4.拉伸试件的形状尺寸要求：a）圆截面标件：I0 = 10 d0,I0 = 5d0；b）矩形截面：I0 =
11.3A0^(1/2)，I0 =5.65 A0^(1/2)
5.长时间回火处理可消除弹性后效
6.多晶体塑性变形特征：①非均匀、非同时②各晶粒塑性形变相互协调制约
7.提高屈服强度途径：①提高点阵阻力②提高位错交互作用阻力③提高晶界阻力（细晶强
化）④固溶强化⑤形变强化
8.环境对ζs影响包括：温度、加载速度、应力状态
9.应力状态柔度因数：拉伸α= 0.5 ，扭转α= 0.8 ，压缩α= 2
10.ζbc：抗压强度ζbb：抗弯强度Τs、Τ0.3：扭转屈服强度Τb：抗扭、抗剪强
度eck：相对压缩ψ：相对断面扩胀率
11.布氏硬度HBS/HBW 压头为淬火钢球或硬质合金钢球
150HBS 10/3000/30表示用10mm直径淬火钢球，加压3000kgf，保持30s，测得的布氏硬度值为150
适用：半成品、原材料、性能不均匀的材料（铸铁）
洛氏：HRA/HRB/HRC 金刚石圆锥、直径为θ1.588mm钢球、金刚石圆锥
HRA：硬质合金、碳化钨、浅层表面硬化钢、淬火工具钢
HRB：铜合金、铝合金、可锻铸铁、软铜
HRC：淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢、高速钢刀具
维氏：HV 金刚石四角方锥体
HV：金属镀层、薄片金属及化学热处理表面层（渗碳层）
努式：HK 长棱形金刚石玛瑙、玻璃、陶瓷
肖式：HS 金刚石圆头或钢锭球轧辊、导轨、机床床面
12.脆性断口特征：宏观，结晶状，平齐而光亮，有闪亮小刻面，无明显变形。

微观：平坦
的解理台阶与河流花样、舌状花样
解理断裂是脆性断裂，但是脆性断裂不一定是解理断裂
解理断口的宏观形貌：较为平坦的、发亮的结晶状断面，微观形貌理论上应为平坦完整的晶面；特征：河流状花样
韧性断口：宏观：纤维状，色质灰暗，有明显的塑性变形，微观：大小不等的韧窝
13.冲击试验试件：v型。

U型切口试样
14.Ak：冲击功切口冲击韧性测定试验中摆锤失去一部分能量，这部分能量就是冲断试件
所做的功，称为冲击功
50%FATT：结晶状断口面积占50%时的韧脆转化温度
NDP：低阶能开始上升的韧脆转变温度
FTP：高阶能开始下降的韧脆转变温度
FTT：高阶能与低阶能平均值对应的温度
NSR：切口敏感度ζbN/ ζb，当NSR>1.0，表示切口不敏感，或者材料是切口韧性的；
<1.0表示切口敏感，材料是切口脆性的。

15.交变对称循环ζm=1/2*(ζmax+ζmin) = 0
ζa = 1/2(ζmax - ζmin) = ζmax
R = ζmin/ζmax = -1
交变不对称0 <ζm<ζa -1<R<0
脉动ζm =ζ a R = 0
波动ζm > ζa 0 < R<1
16.裂纹扩展速率曲线
Paris公式仅适用于Ⅱ区
17.蠕变断裂主要是沿晶断裂
18.平面应力状态下，应力为0
平面应变状态下，应变为0
平面应变状态下切口根部裂纹形成应力为平面应力状态下的64%。