材料力学性能 1

1弹性变形：材料受载后产生变形，卸载后这部分变形消逝，材料恢复到原来的状态的性质。

2塑性变形：微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。

3弹性极限：弹性变形过度到弹-塑性变形(屈服变形)时的应力。

4弹性模量：工程上被称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗力。实质是产生100%弹性变形所需的应力。

5滞弹性：快速加载或卸载后，材料随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。

6内耗：加载时材料吸收的变形功大于卸载是材料释放的变形功，即有部分变形功倍材料吸收，这部分被吸收的功称为材料的内耗。

7韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

8超塑性：在一定条件下，呈现非常大的伸长率（约1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。

9韧窝：微孔聚集形断裂后的微观断口。

10应力状态软性系数：不同加载条件下材料中最大切应力与正应力的比值。

11剪切弹性模量：材料在扭转过程中，扭矩与切应变的比值。

12缺口敏感度：常用试样的抗拉强度与缺口试样的抗拉强度的比值。NSR

13硬度：表征材料软硬程度的一种性能。一般认为一定体积内材料表面抵抗变形或破裂的能力。

14应力场强度因子：反映裂纹尖端应力场强度的参量。

15断裂韧度：当应力场强度因子增大到一临界值，带裂纹的材料发生断裂，该临界值称为断裂韧性。

16低应力脆断：在材料存在宏观裂纹时，在应力水平不高，甚至低于屈服极限时材料发生脆性断裂的现象。

17蠕变:金属在恒温、恒载荷下缓慢产生塑性变形的现象。

18蠕变极限：金属材料在高温长期载荷作用下对塑性变形抗力指标。

19持久强度：在规定温度下，达到规定实验时间而不发生断裂的应力值。

20应力松弛：在规定温度和初始应力条件下，金属材料中的应力随时间增加而减少的现象。

21接触疲劳：两材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使得材料表面疲劳磨损，局部区域出现小片或者小块材料剥落而产生的疲劳。

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：材料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，卸载后在同向加载，规定残余应力增加；反向加载，规定残余应力降低的现象。

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：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决理面。

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，多数是脆必断裂。

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低应力脆断：高强度、超高强度钢的机件 ，中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下发生的断裂。

13张开型（ 型）裂纹： 拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展的裂纹。

14应力场强度因子 ： 在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚与强度因子 有关，对于某一确定的点，其应力分量由 确定， 越大，则应力场各点应力分量也越大，这样 就可以表示应力场的强弱程度，称 为应力场强度因子。 “I”表示I型裂纹。

15裂纹扩展K判据：裂纹在受力时只要满足 ，就会发生脆性断裂.反之，即使存在裂纹，若 也不会断裂。

16裂纹扩展G判据： ，当ＧＩ满足上述条件时裂纹失稳扩展断裂。

17裂纹扩展能量释放率GI：I型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。

18冲击韧度:U形缺口冲击吸收功 除以冲击试样缺口底部截面积所得之商，称为冲击韧度，也是度量材料冲击韧性的一种力学性能指标,用 表示。

19冲击吸收功: 缺口试样冲击弯曲试验中，摆锤冲断试样失去的位能为mgH1-mgH2。此即为试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功，以 表示，单位为J。

20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 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型，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。

21冲击试样断口分为纤维区、放射区（结晶区）与剪切唇三部分，在不同试验温度下，三个区之间的相对面积不同。温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大

，材料由韧变脆。通常取结晶区面积占整个断口面积50%时的温度为 ，并记为50%FAT

T，或FATT50%，t50。

22应力幅σa:σa=1/2(σmax-σmin)

23疲劳源：是疲劳裂纹萌生的策源地，一般在机件表面常和缺口，裂纹，刀痕，蚀坑相连。

（2）缺口效应：绝大多数机件的横截面都不是均匀而无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等，这种截面变化的部分可视为“缺口”，由于缺口的存在，在载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的缺口效应。【P44 P53】

（3）缺口敏感度：缺口试样的抗拉强度σbn的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb 的比值，称为缺口敏感度

24ΔK:材料的疲劳裂纹扩展速率不仅与应力水平有关，而且与当时的裂纹尺寸有关。ΔK是由应力范围Δσ和a复合为应力强度因子范围，ΔK=Kmax-Kmin=Yσmax√a-Yσmin√a=YΔσ√a. p105/p120

25da/dN:疲劳裂纹扩展速率，即每循环一次裂纹扩展的距离。 P105

26疲劳寿命：试样在交变循环应力或应变作用下直至发生破坏前所经受应力或应变的循环次数

1、 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为发生改变，故弹性模量对组织不敏感。

2、 决定金属屈服强度的因素有哪些？

答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。

外在因素：温度、应变速率和应力状态。

3、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？

答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的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；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。

4、 剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？

答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。

5、 何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？

答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、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。

七、试说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实

验原理，并比较布氏、洛氏与维氏硬度试验方法的优缺点。原理

布氏硬度：用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位面积所承受的试验力。

洛氏硬度：采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度。

维氏硬度：以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头，计算单位面积所承受的试验力。

布氏硬度优点：实验时一般采用直径较大的压头球，因而所得的压痕面积比较大。压痕大的一个优点是其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相得平均性能；另一个优点是实验数据稳定，重复性强。缺点：对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，因而用于自动检测时受到限制。洛氏硬度优点：操作简便，迅捷，硬度值可直接读出；压痕较小，可在工件上进行试验；采用不同标尺可测量各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度，因而广泛用于热处理质量检测。缺点：压痕较小，代表性差；若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；此外用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。

维氏硬度优点：不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径D之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端；维氏硬度试验时不仅试验力可以任意取，而且压痕测量的精度较高，硬度值较为准确。缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低的多。

4.试说明低温脆性的物理本质及其影响因素

低温脆性的物理本质：宏观上对于那些有低温脆性现象的材料，它们的屈服强度会随温度的降低急剧增加，而断裂强度随温度的降低而变化不大。当温度降低到某一温度时，屈服强度增大到高于断裂强度时，在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大，因此材料在受力时还未发生屈服便断裂了，材料显示脆性。

从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关，当温度降低时，位错运动阻力增大，原子热激活能力下降，因此材料屈服强度增加。影响材料低温脆性的因素有:1．晶体结构：对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高，材料脆性断裂趋势明显，塑性差。

2．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。3．显微组织：①晶粒大小，细化

晶粒可以同时提高材料的强度和塑韧性。因为晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒细小，晶界总面积增加，晶界处塞积的位错数减 少，有利于降低应力集中；

同时晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。 ②金相组织：较低强度水平时强度相等而组织不同的钢，冲击吸收功和韧脆转变温度以马氏体高温回火最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，当其尺寸增大时均使材料韧性下降，韧脆转变温度升高。

2、说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系

和 答： 临界或失稳状态的 记作 或 ， 为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 为平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 它们都是 型裂纹的材料裂纹韧性指标，但 值与试样厚度有关。当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一稳定的最低值，即为 ，它与试样厚度无关，而是真正的材料常数。P71/P82

答：当 增加到某一临界值时， 能克服裂纹失稳扩展的阻力，则裂纹失稳扩展断裂。将 的临界值记作 ，称断裂韧度，表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量，其单位与 相同。

Ｊ判据和 判据一样都是裂纹开始扩展的裂纹判据，而不是裂纹失稳扩展的裂纹判据。P91/P104

3、试述低应力脆断的原因及防止方法。

答： 低应力脆断的原因：在材料的生产、机件的加工和使用过程中产生不可避免的宏观裂纹，从而使机件在低于屈服应力的情况发生断裂。 预防措施：将断裂判据用于机件的设计上，在给定裂纹尺寸的情况下，确定机件允许的最大工作应力，或者当机件的工作应力确定后，根据断裂判据确定机件不发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸。

5、试述应力场强度因子的意义及典型裂纹 的表达式

答：无限大板穿透裂纹： ；有限宽板穿透裂纹： ；有限宽板单边直裂纹： 当b a时， ；受弯单边裂纹梁： ；无限大物体内部有椭圆片裂纹，远处受均匀拉伸： ；无限大物体表面有半椭圆裂纹，远处均受拉伸：A点的 。

6、试述K判据的意义及用途。

答： K判据解决了经典的强度理论不能解决存在宏观裂纹为什么会产生低应力脆断的原因。K判据将材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来，可直接用于设计计算，估算裂纹体的最大承受能力、允许的裂纹最大尺寸，以及用于正确选择机件材料、优化工艺等。断裂韧度ＫＩＣ与强度、塑性之间的关系：总

的来说，断裂韧度随强度的升高而降低。详见新P80/P93

7影响ＫＩＣ的因素：内因：１、化学成分的影响；２、集体相结构和晶粒大小的影响；

1.杂质及第二相的影响；４、显微组织的影响。外

因：１、温度；２、应变速率。P81/P95

2.揭示下列疲劳性能指标的意义

疲劳强度σ-1，σ-p,τ-1,σ-1N,

σ-1:对称弯曲疲劳极限；σ-p:对称拉压疲劳极限；τ-1:对称扭转疲劳极限；σ-1N:缺口试样疲劳极限。

疲劳门槛值ΔKth

在疲劳裂纹扩展速率曲线的Ⅰ区，当ΔK≤ΔKth时，da/aN=0,表示裂纹不扩展;只有当ΔK>ΔKth时，da/dN>0,疲劳裂纹才开始扩展。因此，ΔKth是疲劳裂纹不扩展的ΔK临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。

3.试述金属疲劳断裂的特点

（1）疲劳是低应力循环延时断裂，机具有寿命的断裂

（2）疲劳是脆性断裂

（3）疲劳对缺陷（缺口，裂纹及组织缺陷）十分敏感

4．试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程

答：典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域—疲劳源、疲劳区及瞬断区。

（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。

8．试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素。

答：1、应力比r（或平均应力 ）的影响：Forman提出：

残余压应力因会减小r,使 降低和 升高，对疲劳寿命有利；而残余拉应力因会增大r，使 升高和 降低，对疲劳寿命不利。

2、过载峰的影响：偶然过载进入过载损伤区内，使材料受到损伤并降低疲劳寿命。但若过载适当，有时反而是有益的。

3、材料组织的影响：①晶粒大小：晶粒越粗大，其 值越高， 越低，对疲劳寿命越有利。②组织：钢的含碳量越低，铁素体含量越多时，其 值就越高。当钢的淬火组织中存在一定量的残余奥氏体和贝氏体等韧性组织时，可以提高钢的 ，降低 。③喷丸处理：喷丸强化也能提高 。

9．试述疲劳微观断口的主要特征。

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。

12．试述金属表面强化对疲劳强度的影响。

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。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。

13断裂韧性的影响因素有哪些？如何提高材料的断裂韧性？

外因，材料的厚度不同，厚度增大断裂韧性增大，当厚度增大到一定程度后断裂韧性稳定。温度下降断裂韧性下降，应变速率上升，断裂韧性下降。○2内因。金属材料，能细化晶粒的元素提高断裂韧性；形成金属化合物和析出第二相降低断裂韧性。晶粒尺寸和相结构，面心立方断裂韧性高，奥氏体大于铁素体和马氏体钢。细化晶粒，断裂韧性提高。夹杂和第二相，脆性夹杂和第二相降低断裂韧性，韧性第二相提高断裂韧性。

提高材料的断裂韧性可以通过○1亚温淬火○2超高温淬火○3形变热处理等方法实现。

2) 简述扭转实验、弯曲实验的特点？渗碳淬火钢、陶瓷玻璃试样研究其力学性能常用的方法是什么？

解：扭转实验的特点是○1扭转实验的应力状态软性系数较拉伸的应力状态软性系数高。可对表面强化处理工艺进行研究和对机件的热处理表面质量进行检验。 ○2扭转实验时试样截面的应力分布为表面最大。○3圆柱试样在扭转时，不产生缩颈现象，塑性变形始终均匀。可用来精确评定拉伸时出现缩颈的高塑性材料的形变能力和变形抗力。○4扭转时正应力与切应力大致相等，可测定材料的切断强度。弯曲试验的特点是：○1弯曲加载时受拉的一侧的应力状态基本与静拉伸相同，且不存在试样拉伸时试样偏斜造成对实验结果的影响。可以用来由于太硬而不好加工拉伸试样的脆性材料的断裂强度。○2弯曲试验时，截面上应力分布表面最大。可以比较和评定材料表面处理的质量。○3塑性材料的F-fmax曲线最后部分可任意伸长。

渗碳淬火钢、陶瓷玻璃试样研究其力学性能常用的方法是扭转实验。