材料力学性能复习提纲(答案)

1一、名词解释弹性：指物体在外力作用下发生形变，当外力撤消后能恢复原来大小和形状的性质塑性：指金属材料断裂前发生塑性变形（不可逆永久变形）的能力。弹性模量：单纯弹性变形过程中应力与应变的比值，表示材料对弹性变形的抗力。（工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小）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，规定残余延伸强度（或屈服强度）增加；反向加载，规定残余延伸强度降低的现象。滞弹性：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。河流花样：是判断是否为解理断裂的重要微观证据。解理面：指金属材料在一定条件下（如低温），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；因与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学平面为解理面。断裂韧度：在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧度。韧脆转变：（体心立方合金随着温度的降低表现出从延性到脆性行为的转变。该转变发生的温度范围可以通过摆锤式或悬臂梁式冲击实验来确定。【材科定义】）当温度低于某一数值时，某些金属的塑性（特别是冲击韧性）会显著降低而呈现脆性的现象。缺口敏感度：金属材料的缺口敏感性指标用缺口试样的抗拉强度σbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值表示，称为缺口敏感度，记为NSR。冲击韧性：指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，用标准试样的冲击吸收功Ak表示。应力松弛：在高温保证总应变不变的情况下，会发生应力随着时间延长逐渐降低的现象．该现象叫应力松弛。疲劳贝纹线：贝纹线是疲劳区的最大特征，一般是由载荷变动引起的。高周疲劳：指材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经10000-100000以上循环次数而产生的疲劳。低周疲劳：材料在循环载荷作用下，疲劳寿命为102~105次的疲劳断裂称为低周疲劳。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。疲劳条带：具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样。热疲劳：机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下发生的疲劳，称为热疲劳。氢脆：由于氢与应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂，简称氢脆。氢致延滞断裂：由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。应力腐蚀断裂：金属在拉应力和特定的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现象，称为应力腐蚀断裂。循环硬化：如果金属材料在恒定应变范围循环作用下，随着循环周次的增加，其应力（形变抗力）不断增加，称为循环硬化。循环软化：如果金属材料在恒定应变范围循环作用下，随着循环周次的增加，2其应力（形变抗力）不断减小，称为循环软化。磨损：机件表面相接触并作相对运动时，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，导致机件尺寸变化和质量损失，造成表面损伤的现象。蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。1、画出低碳钢的拉伸力-伸长曲线图，并叙述个变形阶段特点，且可以测出哪些指标？1）弹性阶段：这一阶段试样的变形完全是弹性的，全部写出荷载后，试样将恢复其原长。此阶段内可以测定材料的弹性模量E。2)屈服阶段：应力与应变不成比例，开始产生塑性变形，应变增加的速度大于应力增长速度。3）强化阶段：抵抗塑性变形的能力又重新提高，变形发展速度比较快，随着应力的提高而增强。4）颈缩阶段：材料变形迅速增大，而应力反而下降。试件在拉断前，于薄弱处截面显著缩小，产生“颈缩现象”，直至断裂。通过拉伸试验，除能检测钢材屈服强度和抗拉强度等强度指标外，还能检测出钢材的塑性。32、根据下图塑性材料的四种应力-应变曲线，分别解释每种曲线的特点，和具有此曲线特征的典型材料有哪些？（1）最常见的金属材料应力-应变曲线Oa为弹性变形阶段，ab为形变强化阶段，bk为缩颈阶段，在k点发生断裂。典型材料有调质钢、黄铜和铝合金。（2）具有明显屈服点的应力-应变曲线曲线有明显的屈服点aa′，屈服点呈屈服平台或呈齿状，相应的应变量在1%～3%范围。典型材料：退火低碳钢和某些有色金属。（3）不出现颈缩的应力-应变曲线只有弹性变形oa和均匀塑性变形ak阶段。典型材料：铝青铜和高锰钢。（4）不稳定型材料的应力-应变曲线在形变强化过程中出现多次局部失稳，原因是孪生变形机制的参与，当孪生应变速率超过试验机夹头运动速度时，导致局部应力松弛，从而出现齿形特征。典型材料：低溶质固溶体铝合金和含杂质铁合金。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？4解：弹性模量主要取决于金属原子本性和晶格类型。由于合金化、热处理（显微组织）、冷塑性变形对弹性模量的影响较小，因而金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。4、决定金属屈服强度的因素有哪些？解：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、应力状态5、什么是韧性断裂，画出中强度钢光滑圆柱拉伸试样室温的宏观韧性断口示意图，并标注各区域名称。韧性断裂：指金属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消耗能量。6、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？解：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显塑性变形的断裂，有一个缓慢的撕裂的过程。裂纹扩展不断地消耗能量，断面形态一般平行于最大切应力，并与主应力呈45°角。断口呈纤维状，灰暗色。脆性断裂断裂前基本上不发生塑性变形的断裂，断面形态，一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。脆性断裂是突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。7、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？5解：剪切断裂是金属材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其有纯剪切断裂和微孔聚集型断裂，是由于晶粒内滑移流变和微孔形核、长大聚合而导致的断裂；解理断裂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。解理断裂是沿晶粒解理面快速的断裂，解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面，解理断裂总是脆性断裂。8、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？解:三要素：纤维区、放射区、剪切唇因素：试样形状、尺寸、金属材料的性能、试验温度、加载速率和受力状态9、试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围？（1）单向拉伸试验：特点：温度、应力状态和加载速率是确定的，且常用标准的光滑圆柱试样进行试验。应用范围：一般适用于那些塑性变形抗力与切断强度较低的塑性材料的试验。（一般包括弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀屈服塑性变形、不均匀集中塑性变形、断裂等阶段。）（2）压缩试验：特点：应力状态较软，应力状态软性系数为2，比拉伸、弯曲、扭转的应力状态都软，拉伸时塑性较好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂；脆性材料在压缩时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴呈45°方向产生断裂，具有切断特性。应用范围：主要用于拉伸时呈脆性的金属材料的力学性能测定，如果产生明显屈服，还可以测定压缩屈服点。（3）弯曲试验：特点：弯曲试验试样形状简单，操作方便，并可用试样的弯曲挠度显示塑性，弯曲试样应力分布不均匀，表面最大，中心为零，可较灵敏的反映材料表面缺陷。应用范围：主要用于测定脆性或低塑性材料的抗弯强度。（4）扭转试验：6特点：1、扭转的应力状态软性系数=0.8，比拉伸时大，易于显示金属的塑性行为。2、圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有颈缩现象，所以能实现大塑性变形量下的试验。3、能较敏感的反映出金属表面缺陷及硬化层的性能。4、扭转时试样中的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等。应用范围：是用于测定正断强度大于切断强度的金属材料的切断过程最可靠的方法，也用于检验工件材料表面质量和各种表面强化工艺。10、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。厚板：在缺口根部处于两向拉应力状态，缺口内侧处三项拉伸平面应变状态。（二）缺口试祥在塑性状态下的应力分布塑性变形条件下应力将重新分布，并随载荷的增大塑性区逐渐扩大直至整个截面，在其内侧一定距离ry处σx、σy、σz最大。缺口使塑性材料强度增加，塑性下降。综上所述，无论是脆性材料或塑性材料，其机件上的缺口都造成两向或三向应力状态和应力应变集中而产生变脆倾向，降低了使用安全性11、缺口的两个效应是什么，并画出厚板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布图。缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态；7第二个效应是缺口使塑性材料强度增高，塑性降低。12、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？一、布氏硬度1、试验原理用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力F压入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，在试样表面留下球形压痕，如左图所示。布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。用淬火钢球作压头时，布氏硬度用符号“HBS”表示;用硬质合金球作压头，布氏硬度用符号“HBW”表示。布氏硬度试验的优点是：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，测得的硬度值也较准确。布氏硬度试验的缺点是：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件的硬度。二、洛氏硬度1、试验原理洛氏硬度是以顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为Φ1.588㎜的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。优点：①操作简单迅速，效率高，直接从指示器上可读出硬度值；②压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度；③对于ＨＲＡ和ＨＲＣ采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值。三、维氏硬度试验原理与布氏硬度相似，也是根据压痕单位表面积上的试验力大小来计算硬度值。区别在于压头采用锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，将其以选定的试验力压入试样表面，按规定保持一定时间后卸除试验力，测8量压痕两对角线长度。维氏硬度值用四棱锥压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号ＨＶ。优点：①与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束；②不存在压头变形问题；③压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高14、试从宏观上和微观上解释为什么有些材料有明显的韧脆转变温度，而另外一些材料则没有？宏观上，体心立方中、低强度结构钢随温度的降低冲击功急剧下降，具有明显的韧脆转变温度。而高强度结构钢在很宽的温度范围内，冲击功都很低，没有明显的韧脆转变温度。面心立方金属及其合金一般没有韧脆转变现象。微观上，体心立方金属中位错运动的阻力对温度变化非常敏感，位错运动阻力随温度下降而增加，在低温下，该材料处于脆性状态。而面心立方金属因位错宽度比较大，对温度不敏感，故一般不显示低温脆性。体心立方金属的低温脆性还可能与迟屈服现象有关，对低碳钢施加一高速到高于