材料力学性能 (1)

工程材料力学性能复习重点
选择：20 填空:20 名词解释：10 简答计算：50
一．选择题（10道从下面抽，10道英语出题）
1.材料力学性能研究的问题不涉及（物理问题）。

2.工程材料在使用过程中（弹性变形）是不可避免的。

3.工程构件生产过程（提高）塑性，（降低）强度。

4.工程构件使用过程（降低）塑性，（提高）强度。

5.断裂力学解决（含缺陷材料）抗断裂方面的问题。

6.拉伸试样直径一定，标距越长则测出的抗拉强度值（越低）。

7.拉伸试样直径一定，标距越长则测出的延伸率（越低）
8.拉伸试样直径一定，标距越长则测出的断面收缩率（不变）。

9.拉伸试样的标距长度I 0应满足关系式（I 0=5.650A 或I 0=10d 0）。

10.均匀变形阶段，金属的伸长率与截面收缩率通常满足关系式（δ=ψ/(1-ψ)）。

11.长材料甲δ10=18%，短材料乙δ5=18%，则两种材料的塑性（甲>乙）。

12.表征脆性材料的力学性能的参量是（E ）、（σb ）。

13.在设计时用来确定构件截面大小的机械性能指标(σb ,σ0.2)
14.10mm 直径淬火钢球，加压3000kg ，保持30s ，测得布氏硬度为150的正确表达方式为（150HBS10/3000/30）。

15.（韧窝断口）是非脆性断裂。

16.裂纹体变形的最危险形式是（张开型）。

17.表示的是（持久强度）。

18.晶粒度越小，耐热性（越差）。

19.真空应力应变曲线在拉伸时位于工程应力应变曲线的（左上方）。

20.若材料的断面收缩率小于延伸率，则属于（低塑性）材料
21.材料的弹性常数是（E ）、（G ）、（ν）。

22.影响弹性模量最基本的原因是（点阵间距）。

23.加载速率不影响材料的（弹性）。

24.机床底座用铸铁制造的主要原因是价格（低），内耗（高），模量（大）。

25.多晶体金属塑性变形的特点是（不同时性，不均匀性，相互协调性）。

26.细晶强化不适用于（高温）
27.位错增殖理论可用于解释（屈服现象）和（形变强化）。

28.应力状态软性系数最大的是（压）。

29.工程测硬度最常用（压入法）。

30.同种材料的（布氏硬度）和（维氏硬度）可以相互参比。

26.与抗拉强度之间存在相互关系的是（布氏硬度）。

27.材料失效最危险的形式是（断裂）。

28.解理断裂是（穿晶断裂）。

29.（韧窝断口）是韧性断裂。

<同13>
30.双原子模型计算出的材料理论断裂强度比实际值高出一个数量级，是因为（实际材料有缺陷）。

31.韧性材料在（增大加载速度）的条件下可能变成脆性材料。

32.在实验中不同材料的（冲击）性能指标可比性差。

a 200σ600103MP
33.在实验中（有机高分子）材料会出现粘弹性。

34.Griffith强度理论适用于（陶瓷）。

35.理论强度理论适用于（晶须）。

36.材料疲劳极限的测试通常使用（对称循环）载荷。

37.为提高材料的疲劳寿命可（引入表面压应力）。

38.疲劳裂纹最容易在材料的（表面）产生。

39.工程上产生疲劳断裂时的应力水平一般都比条件屈服强度（低）。

二．填空（前五个是老师说的必考的，后面是个人觉得会考的，仅供参考）1.材料科学是研究成分（composition）、组织（structure）、工艺（process）、性能（properties）之间关系的科学。

2.退火态低碳钢静拉伸断裂（杯锥状断口）属于切断、穿晶断裂、韧性断裂、微孔聚集型断裂
3.低碳钢拉伸试验的四个阶段：弹性变形阶段、不均匀屈服塑性变形阶段、均匀塑性变形阶段、不均匀集中塑性变形和断裂阶段。

3.塑性变形的基本方式为滑移、孪生、（三个空就再加个扭折）
4.塑性变形的基本特点：各晶粒变形的不均匀性和不同时性；各晶粒变形的相互协调性
5.机件的三种主要失效形式：磨损、腐蚀、断裂，其中断裂的危害最大
6.大多数材料的断裂过程包括：裂纹的形成与扩展
7.韧性断裂宏观断口呈杯锥型，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即断口特征三要素。

纤维区越大塑性越好。

8.解理断裂三个阶段：塑性变形形成裂纹、裂纹在同一晶粒内初期长大、裂纹穿过晶界向相邻晶粒扩展
9.解理断裂的基本微观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样。

河流花样是重要的
10.微孔聚集断裂过程包括微孔成核、长大、聚合、直至断裂。

11.韧窝是微孔聚集型断裂的基本特征。

12．τmax与σmax的比值称为应力状态软性系数α。

α越大应力状态越软，金属越易产生塑性变形和韧性断裂。

反之，α越小，试样最大正应力分量越大，应力状态越硬，金属越不易产生塑性变形和韧性断裂。

13.扩展裂纹三种形式：张开型裂纹扩展、滑开型裂纹扩展、撕开型裂纹扩展。

张开型裂纹扩展最危险，容易引起脆断。

14.典型疲劳断口形貌：疲劳源、疲劳区、瞬断区
15.氢在金属中的存在形式：间隙原子、氢分子、氢化物
16.氢致延滞断裂三个阶段：孕育阶段、裂纹亚稳扩展阶段以及失稳扩展。

17.磨损按机理分类：黏着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、磨蚀磨损、微动磨损。

18．解除疲劳破坏分麻点剥落、浅层剥落、深层剥落
19．蠕变三个阶段：减速蠕变阶段、恒速蠕变阶段、加速蠕变阶段
20.疲劳裂纹扩展门槛值：△Kth表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能
三．名词解释
1.弹性比功：又称弹性比能，应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力一般可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：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。

3.包申格效应：材料经预先加载原先发生少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限或者屈服强度增加；反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。

真实应力与真实应变的关系：S=F/A=F/A0*A0/A
e=∫l l0 dl/l=ln l/l0=ln(1+ε)<ε
4.塑性：指外力作用下，材料能稳定的发生永久变形而不破坏其完整性的能力。

5.韧性：指材料在断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力。

6.脆性：指材料在外力作用下，仅产生很小的变形即断裂破坏的性质
7.韧脆转变：金属材料的韧性随温度的降低而降低，由韧性断裂向脆性断裂转变称为韧脆转变。

8. σr0.2:表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。

9. σs：屈服强度，具有屈服现象的金属材料，试样在拉伸过程中不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力。

10. σb：韧性金属试样在拉断过程中最大力所对应的应力。

11.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。

12.缺口效应：由于缺口的存在，材料在静载荷的作用下，缺口截面上的应力状态发生变化，产生应力集中，从而影响力学性能。

13.缺口敏感度：金属材料缺口敏感性指标，缺口试样的抗拉强度和等截面尺寸光滑试样抗拉强度的比值。

14.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。

15.冲击吸收功：冲击弯曲试验中试样变形和断裂所消耗的功。

16.低温脆性：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金在试验温度低于某一温度时，材料由韧性状态变为脆性状态的现象。

17.韧脆转变温度：材料发生韧脆转变的温度。

18.低应力脆断：材料由于宏观断裂的扩展，在应力水平不高，甚至低于材料的屈服强度极限的情况下所发生的突然脆断的现象。

19.应力场强度因子：裂纹尖区域各点的应力分量除了决定位置外，尚与应力场强度因子有关，对于某一确定的点，其应力分量由KⅠ决定，KⅠ越大，则应力场各点应力分量也越大，这样KⅠ就可以表示应力场的强弱程度，称KⅠ为应力场强度因子。

Ⅰ表示Ⅰ型裂纹。

20.疲劳：金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象
21.疲劳断裂：疲劳断裂是指由于在局部应力集中或强度较低部位首先产生裂纹，裂纹随后扩展导致的断裂
22．过载损伤：金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小，就造成的过载损伤。

23.应力腐蚀：金属在拉应力和特定化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断的现象。

24.氢致延滞断裂：由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。

25.磨损：机件表面相互接触并产生相对运动，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失、造成表面损伤的现象。

26.接触疲劳：两接触面做滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片金属剥落而使材料损失的现象。

27.蠕变：在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变性的现象
28．等强温度：晶粒强度与晶界强度相等的温度。

29．蠕变极限：在高温长时间载荷作用下不致产生过量塑性变形的抗力指标。

30.持久强度极限：在规定温度下，达到规定的持续时间而不发生断裂的最大应力。

四．简答与计算
1.计算题：见课本第二版84页，第三版91页（第四章）
2.决定金属屈服强度的因素？（第一章）
讨论材料的屈服强度，必须注意以下三点：1）屈服变形是位错增殖和运动的结果，凡影响位错增值和运动的各种因素必然影响屈服强度。

2）实际金属材料的力学行为是由许多晶粒综合运动的结果，因此要考虑晶界、相邻晶粒的约束、材料的化学成分以及第二相的影响。

3）各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。

内因：
1）金属本性及晶格类型：单晶体的屈服强度理论上说是使位错开始运动的临界分切应力，由位错运动所受到的各种阻力（晶格阻力、位错运动交互作用产生的阻力）决定。

其大小都与晶体结构相关，且不同晶格类型，位错运动受到的阻力不同。

2）晶粒大小和亚结构：晶粒小，晶界多，阻碍位错运动。

在一个晶粒内部必须塞积足够数量的位错才能提供必要的应力，使相邻晶粒中的位错源开动并产生宏观可见的塑性变形。

亚晶界的作用与晶界相似，也阻碍位错运动。

3）溶质元素：固溶合金中，由于溶质原子和溶剂原子直径不同，在溶质原子周围形成了晶格畸变应力场，该应力场和位错应力场产生交互作用，阻碍位错运动，使屈服强度上升。

4）第二相：不可变形的第二相提高位错线张力，绕过质点的位错线在质点周围留下位错环，使得两质点间的间距变小，流变应力增大。

外因：
1）温度：一般是温度升高，屈服强度降低。

2）应力状态：切应力分量越大，越利于塑性变形，屈服强度越低
3）应变速率：应变速率增大，金属材料强度增大
3.试说明低温脆性的物理本质及其影响因素（第三章）
1）物理本质：当温度低于某一温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态，冲击值或断面收缩率急剧下降，断口特征由纤维状变为结晶状，断裂机理由微孔聚集型转变为穿晶解理型。

2）影响因素：
A．晶体结构：对称性低的体心立方及密排六方金属，合金转变温度高，材料脆性断裂趋势明显，塑性差。

B．化学成分：能够使材料硬度、强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差，材料脆性提高。

C．显微组织：晶粒大小，细化晶粒可以同时提高材料的强度和塑性。

因为细化晶粒可以使
得基体变形更加均匀，晶界增多可以有效阻止裂纹的扩张。

D．温度的影响：温度影响晶体中存在杂质原子的热激活扩散过程，钉扎位错原子气团的形成会使材料塑性变差。

4.金属疲劳断裂的特点：是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂；脆性断裂；对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感；裂纹的萌生和扩展过程
5.试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程
典型疲劳宏观断口的具有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区、瞬断区
1）疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，疲劳源区的光亮度最大，因为这里在整个裂纹亚稳扩展过程中断面不断摩擦挤压，故显示光亮平滑，另疲劳源的贝纹线细小。

2）疲劳区的疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，是判断疲劳断裂的重要特征证据。

特征是：断口比较光滑并分布有贝纹线。

断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。

贝纹线是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动与停歇，偶然过载引起的载荷变动，使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。

3）瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。

其断口比疲劳区粗糙，脆性材料为结晶状断口，韧性材料为纤维状断口。

6．试述疲劳微观断口的主要特征。

（新书P113~P114，旧书P132）
答：断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称疲劳条带（疲劳条纹、疲劳辉纹）。

疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征。

滑移系多的面心立方金属，其疲劳条带明显；滑移系少或组织复杂的金属，其疲劳条带短窄而紊乱。

疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型(Laird模型)：
图中(a),在交变应力为零时裂纹闭合。

图(b)，受拉应力时，裂纹张开，在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移。

图(c),裂纹张开至最大，塑性变形区扩大，裂纹尖端张开呈半圆形，裂纹停止扩展。

由于塑性变形裂纹尖端的应力集中减小，裂纹停止扩展的过程称为“塑性钝化”。

图(d)，当应力变为压缩应力时，滑移方向也改变了，裂纹尖端被压弯成“耳状”切口。

图(e)，到压缩应力为最大值时，裂纹完全闭合，裂纹尖端又由钝变锐，形成一对尖角。

7. 试述金属表面强化对疲劳强度的影响。

（新书P117~P118，旧书P135~P136）
答：表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力，同时还能提高机件表面的强度和硬度。

这两方面的作用都能提高疲劳强度。

表面强化方法，通常有表面喷丸、滚压、表面淬火及表面化学热处理等。

1）表面喷丸及滚压
喷丸是用压缩空气将坚硬的小弹丸高速喷打向机件表面，使机件表面产生局部形变硬化；同时因塑变层周围的弹性约束，又在塑变层内产生残余压应力。

表面滚压和喷丸的作用相似，只是其压应力层深度较大，很适于大工件；而且表面粗糙度低，强化效果更好。

2）表面热处理及化学热处理
他们除能使机件获得表硬心韧的综合力学性能外，还可以利用表面组织相变及组织应力、热应力变化，使机件表面层获得高强度和残余压应力，更有效地提高机件疲劳强度和疲劳寿命。

8.和常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点?
1）首先，材料在高温将发生蠕变现象。

材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降
低。

应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。

2）高温应力松弛。

3）产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降。