工程材料力学性能总结

第一章、金属在单向静拉伸载荷下的力学性能一、名词解释★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功能。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。★循环韧性：金属材料在交变载荷（震动）下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的内耗。★包申格效应：金属材料经过预先加载产生多少塑性变形（残余应力为1%~4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余伸长应力降低（特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零）的现象，称为包申格效应。★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。金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分构成。★韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力。★脆性：脆性相对于塑性而言，一般指材料未发生塑性变形而断裂的趋势。★解理面：因解理断裂与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。★解理刻面：实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的，这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。★解理台阶：解理裂纹与螺型位错相交而形成的具有一定高度的台阶称为解理台阶。★河流花样解理台阶沿裂纹前段滑动而相互汇合，同号台阶相互汇合长大。当汇合台阶高度足够大时，便成为了河流花样。★穿晶断裂与沿晶断裂：多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。裂纹穿过晶内的断裂为穿晶断裂；裂纹沿晶界扩展的断裂为沿晶断裂。穿晶断裂和沿晶断裂有时候可以同时发生。二、下列力学性能指标的的意义①E（G）：弹性模量，表示的是材料在弹性范围内应力和应变之比；②σr：规定残余伸长应力，表示试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力；常用σ0.2表示材料的规定残余延伸率为0.2%时的应力，称为屈服强度；σs：屈服点，表示呈屈服现象的金属材料拉伸时，试样在外力不断增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力称为屈服点。⑤σb：抗拉强度，表示韧性金属材料的实际承载能力；⑥n：应变硬化指数，反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化行为的性能指标；⑦δ：断后伸长率，表示试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比；⑧δgt：金属材料拉伸时最大力下的总伸长率（最大均匀塑性变形）；⑨ψ：断面收缩率，表示试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。三、问答题●金属的弹性模量主要取决于什么因素？为何说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：由于弹性变形是原子间距在外来作用下可逆变化的结果，应力与应变关系实际上是原子间作用力与原子间距的关系。所以，弹性模量与原子间作用力有关，与原子间距也有一定关系。原子间作用力决定于金属原子本性和晶格类型，故弹性模量也主要决定于金属原子本性和晶格类型。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，所以，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。温度、加载速率等外在因素对其影响也不大。●试写出几种能显著强化金属但又不会降低其塑性的方法。答：①细化晶粒强化金属；②第二相以弥散形式均匀强化。●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：纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成了拉伸断口三要素。影响宏观拉伸断口性态的因素主要有：试样的形状、尺寸和金属材料的性能以及试样温度、加载速率和受力的状态。（一般来说，材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大）●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宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在断裂过程中不断地消耗能量；脆性断裂是突然发生地断裂。由于脆性断裂在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。●在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样才能减小沿晶断裂的倾向？答：沿晶断裂是由晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。减小应力腐蚀、氢脆以及回火脆性等缺陷都可以减小沿晶断裂的倾向。第二章、金属在其他静载荷下的力学性能一、名词解释★应力状态软性系数：最大切应力τmax与最大正应力σmax的比值α，称为应力状态软性系数。★缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下。缺口截面上的应力状态将发生变化，产生的效应即为缺口效应。★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。★布氏硬度：布氏硬度的试验原理是用一定直径D（mm）的硬质合金球为压头，施以一定的试验力F（N），将其压入试样表面，经规定试验t（s）后卸除试验力。试样表面将残留压痕。测量压痕平均直径d（mm），求得压痕球形面积A。布氏硬度值（HBW）就是试验力F除以压痕球形表面积A所得的商。★洛氏硬度：洛氏硬度试验以测量压痕深度表示材料的硬度值。洛氏硬度值就是以压痕深度h来计算的。h越大，则硬度就越低，反之，则越高。洛氏硬度试验所用的压头有两种，一种是圆锥角α＝120°的金刚石圆锥体，另一种是一定直径的小淬火钢球或硬质合金球。用HR表示。二、下列力学性能指标的的意义①σbc：抗压强度；②σbb：抗弯强度，表示按弹性弯曲应力计算的最大弯曲应力。③τs：扭转屈服点，表示金属材料屈服时的扭转矩Ts∕W的比值即为扭转屈服点。④τb：抗扭强度，表示试样在扭断前承受的最大扭矩Tb∕W的比值称为抗扭强度。⑤σbn：缺口抗拉强度，⑥NSR：缺口敏感度，表示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。⑦HRA：洛氏金刚石圆锥压头；⑧60HRC：表示用C标尺测得的洛氏硬度值为60HV：韦氏硬度值；HR：洛氏硬度值；HK：努氏硬度值；HS：肖氏硬度值；HL：里氏硬度值。三、问答题●缺口试样拉伸时应力分布有何特点？答：在缺口根部产生应力集中，其最大应力决定于缺口的形状、深度、角度、根部曲率半径等。以根部曲率半径的影响最大，缺口越尖锐，应力越大。第三章、金属在冲击载荷下的力学性能一、名词解释★冲击韧度：冲击韧性度是指金属材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。★冲击吸收功：试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功。，以Ak表示。★低温脆性：体心立方晶体金属及合金或密排六方金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢，在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态转变为脆性状态，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。★韧脆转变温度：材料屈服强度急剧升高的温度，或断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收功急剧减小的温度，即为韧脆转变温度。二、下列力学性能指标的的意义①Ak：冲击吸收功，②Akv：V形缺口冲击试样的冲击吸收功，③Aku：U形缺口冲击试样的冲击吸收功，④NDT：无塑性转变温度，以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度。⑤FTE：与材料的σs相交于B点，其对对应的温度。三、问答题●说明低温脆性的物理本质以及其影响因素。答：本质：材料的屈服强度随温度的降低而剧烈增加的结果。影响因素：与位错在晶体中运动的阻力对温度的变化非常敏感有关，阻力在低温下增加，还可能与迟屈服现象有关。在孕育期只产生弹性形变，由于没有塑性变形消耗能量，故有利于裂纹的扩展，从而易表现为脆性破坏。第四章、金属的断裂韧度一、名词解释★应力强度因子K1：应力分量的数学公式表明，裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于其位置（r、θ）外，尚与共同因子K1有关，对于某一确定的点，其应力分量就由K1决定。因此K1的大小就直接影响到应力场的大小；K1越大，则各应力分量就越大。这样，K1就可以表示应力场的强弱程度，故称为应力场强度因子。★断裂韧度K1c：当σ和a单独或共同增大时，K1和裂纹尖端各应力分量也随之增大，当K1增大到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范围内，应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂。这个临界失稳状态的K1值记为K1c或Kc，称为断裂韧度。二、下列断裂韧度指标的的意义①K1c和Kc：K1c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；Kc为平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下才材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。二者之间的关系是：它们都是Ⅰ型裂纹的材料断裂韧性的指标。②G1c：表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。③J1c：表示金属材料的断裂韧度。三、问答题●试述K判据的意义及用途。答：K判据：①意义：将材料的断裂韧度同机件或（构件）的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来了；②用途：可解决裂纹体的断裂问题。如可以估计裂纹体的最大承载能力，允许裂纹尺寸a及材料的断裂韧度K1c等。第五章、金属的疲劳一、名词解释★驻留滑移带：金属在循环应力的长期作用下，即使其应力低于屈服应力，也会发生循环滑移形成循环滑移带。当对试样重新循环加载时，则循环滑移带又会在原处再现。这种永久或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。★挤出脊和侵入沟：驻留滑移带在表面加宽的过程中，会出现挤出脊和滑移沟。★热疲劳：有些机件在屈服的过程中温度要发生反复变化。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。★低周/高周疲劳：金属在循环载荷的作用下，疲劳寿命为10²~10次的疲劳称为低周疲劳；疲劳寿命＞10次的疲劳称为高周疲劳。二、下列疲劳性能指标的的意义①σ﹣1：对称弯曲疲劳极限；②σ﹣1N：缺口试样在对称应力循环下的疲劳极限；③σ1p：对称拉压疲劳极限；④τ﹣1：对称扭转疲劳极限。⑤疲劳门槛值ΔKth：ΔKth是疲劳裂纹不扩展的ΔK临界值，称为疲劳扩展门槛值；ΔKth表示材料阻止裂纹开始疲劳扩展的性能。其值越大，则阻止裂纹开始疲劳扩展的能力就越大。三、问答题●试述疲劳断口的特征及其形成过程。答：典型疲劳断裂具有三个形貌不同的区域——疲劳源、疲劳区及瞬断区。疲劳源特征：疲劳源的光亮度最大，因为这里在整个裂纹亚稳扩展的过程中，扩展速率最低，扩展循环次数最多，断面不断摩擦挤压，故显示出光亮而平滑。从疲劳区的贝纹线来看，疲劳源位于贝纹弧线凹向一侧的焦点位置，好像贝纹弧线的发源点。疲劳源形成过程：疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地。在断口上，疲劳源一般在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连，因为这里的应力集中会引发疲劳裂纹。疲劳区断口特征：断口比较光滑并分布有贝纹线，有时还有裂纹扩展台阶。形成过程：断口光滑是疲劳区域的延续，其程度随裂纹的向前扩展逐渐减弱，反应了裂纹扩展快慢和挤压摩擦程度的差异。贝纹线是疲劳区的最大特征，一般认为它是由载荷变动引起的，使裂纹前沿留下了弧状台阶的痕迹。瞬断区特征：断口比疲劳区粗糙，宏观特征同静载荷裂纹件的断口一样，随材料的性质而变；脆性材料为结晶状断口；若为韧性材料，则在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，在边缘平面应力为剪切唇。形成过程：是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。在疲劳裂纹亚稳扩展阶段，随着应力不断循环，裂纹尺寸不断长大，当裂纹尺寸长大到临界尺寸ac时，因裂纹尖端的应力强度因子K1达到材料断裂韧度K1c时，则裂纹就失稳快速扩展，导致机件的最后瞬时断裂。●试述金属表面强化对疲劳强度的影响。答：①表面喷丸及滚压：一方面因表面变形强化而可以提高表层的材料强度，阻止表层的循环滑移和开裂；另一方面产生表面压应力，可以平衡抵消部分工作拉应力，还可以降低缺口应力集中系数和疲劳缺口的敏感度，降低对材料的损伤作用，减少疲劳破坏；滚压：与喷丸作用相似，只是其压应力层深度较大，很适于大工件，而且表面粗糙度低时，表面强化作用效果好。②表面热处理及化学热处理：它们除了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，使机件表层获得高强度和残余压应力，从而有效地提高机件的疲劳强度和疲劳寿命。③复合强化：是将以上各种表面强化重复结