工程材料力学性能

《工程材料力学性能》

第一章单向静拉伸力学性能

1、解释下列名词。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。【P4】

5、试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释BCC 金属及其合金与FCC 金属及其合金屈

服行为不同的原因?

答：多晶体金属产生明显屈服的条件：1）材料变形前可动位错密度小（或虽有大量位错但被钉扎住，如钢中的位错为间隙原子、杂质原子或第二相质点所钉扎）。2）随塑性变形的发生，位错能快速增殖；3）位错运动速率与外加应力之间有强烈依存关系。

金属材料塑性变形的应变速率与位错密度、位错运动速率和柏氏矢量成正比，而位错运动速率又决定于外

加应力的滑移分切应力。（

v

bρ

ε=

∙

，

m

v'

=)

(

τ

τ

）

塑性变形初始阶段，由于可动位错密度少，为了维持高的应变速率，必须增大位错运动速率。而要提高位错运动速率必须要有高的应力，这对应着上屈服点。一旦塑性变形产生，位错大量增殖，位错运动速率下降，相应的应力随之下降，从而产生了屈服现象。BCC金属的滑移系较多，晶格阻力较大，可动位错密度较小，位错能快速增值较大，体现m’值较低，小于20，故具有明显屈服现象；而FCC 金属的滑移系较少，晶格阻力较小，可动位错密度较大，位错能快速增值较少，体现在m’值大于100~200，故屈服不明显。

7.决定金属屈服强度的因素有哪些？【P12】

1）内因

①金属本性及晶格类型：不同的金属及晶格类型，位错运动所受阻力（包括派纳力、位错间交互作用力）不同。

②晶粒大小和结构：减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度提高，即细晶强化。屈服强度与晶粒尺寸之间符合H-P公式。

③溶质元素：溶质元素的加入，使得晶格发生畸变，在溶质原子周围形成晶格畸变应力场，与位错应力场交互作用，阻碍位错运动，提高屈服强度，即固溶强化。

④第二相：对于可变形的第二相质点，位错可以切过，使之同基体一起变形，由于质点与基体间晶格错排及位错切过第二相质点产生新的界面需要作功等原因，使得屈服强度提高。

对于不可变形的第二相粒子，位错只能绕过，绕过质点的位错线在质点周围留下一个位错环，随着绕过质点的位错数量的增加，留下位错环的数量亦增加，相当于质点的间距减小，流变应力增大，屈服强度提高。颗粒半径越小，数目越多，间距越小，位错运动阻力越大，强化效应越大

2）外因

①温度：升高温度，金属材料的屈服强度降低，但金属结构不同，变化趋势亦不同。Bcc结构的屈服强度具有明显的温度效应，即温度降低，屈服强度急剧上升。

②应变速率：应变速率增大，金属的屈服强度增加

③应力状态：切应力分量大，易于塑性变形，材料的屈服强度低。不同应力状态下材料的屈服强度不同，不是材料性质的变化，而是材料在不同的条件下表现的力学行为不同。

13、何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口形态的因素有哪些？

答：断口三要素：纤维区、放射区和剪切唇。

影响因素：断口三要素的形态、大小和相对位置与试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。一般，材料强度提高，塑性降低，放射区的比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大。

25、试根据下述方程(σid1/2+ky)ky=2Gγsq,，讨论下述因素对金属材料韧脆转变的影响。1.材料成分2.杂质3.温度4.晶粒大小5.应力状态6.加载速率

解：1）材料成分：rs—有效表面能，主要是塑性变形功，与有效滑移系数目和可动位错有关。具有fcc结构的金属有效滑移系和可动位错的数目都比较多，易于塑性变形，不易脆断。凡加入合金元素引起滑移系减少、孪生、位错钉扎的都增加脆性；若合金中形成粗大第二相也使脆性增加。

2）杂质：通过σi和k y影响，杂质存在于晶界，位错运动受到阻碍，使σi和k y提高，易导致脆性断裂。3）温度：σi---位错运动摩擦阻力。其值高，材料易于脆断。bcc金属具有低温脆断现象，因为σi随着温度的减低而急剧增加，同时在低温下，塑性变形以孪生为主，也易于产生裂纹。故低温脆性大

4）晶粒大小：d值小位错塞积的数目少，而且晶界多。故裂纹不易产生，也不易扩展。所以细晶组织有抗脆断性能。

5）应力状态：q为应力状态系数，其值为切应力与正应力比值，故任何减小切应力与正应力比值的应力状态都将增加金属的脆性

6）加载速率：通过q来影响，加载速率越大，越表现脆性断裂

第二章

5、缺口试样拉伸时的应力分布有何特点？

（一）缺口试样在弹性状态下的应力分布

缺口截面上的应力分布是不均匀的。轴向应力σy 在缺口根部最大，随着离开根部距离的增大，σy不断下降，即在缺口根部产生应力集中。在缺口截面上σX 的分布是先增后减，只是由于在缺口根部金属能自由伸缩，所以根部的σX=0，自缺口根部向内部发展，收缩变形阻力增大，因此σX 逐渐增加。当增大到一定数值后，随着σy 的不断减小，σX 也随之下降。

薄板：在缺口根部处于单向拉应力状态，在板中心部位处于两向拉伸平面应力状态。