材料力学复习重点Word文档格式.docx

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金属抵抗应力松弛的性能。

19.低周疲劳：

金属材料在循环载荷作用下，疲劳寿命为102-104次的疲劳断裂叫低周疲劳。

四、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。

八、什么是包申格效应，如何解释，它有什么实际意义?

包申格效应：

包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。

在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某一滑移面运动，遇林位错而弯曲，结果，在位错前方，林位错密度增加，形成位错缠结和胞状组织。

这种位错结构在力学上是相当稳定的，宏观上表现为规定残余伸长应力增加。

卸载后施加反向力，位错被迫作反向运动，在反向路径上，像林位错这类障碍数量较少，而且也不一定恰好位于位错运动的前方，故位错可以在较低应力下移动较大距离，即第二次反向加载，规定残余伸长应力降低。

包申格效应对于研究金属疲劳问题是很重要的。

因为材料在疲劳过程中，每一周期内都产生微量塑性变形，在反向加载时，微量塑性变形抗力（规定残余伸长应力）降低，显示循环软化现象。

另外，对于预先经受冷变形的材料，如服役时受到反向力的作用，就要考虑微量塑性变形抗力降低的有害影响，如冷拉型材及管子在受压状态下使用就是这种情况。

十、试简述纯剪切断裂、解理断裂以及微孔聚集型断裂的断口特征

解理断裂：

无明显塑性变形，沿解理面断裂，穿晶断裂；

微孔聚集型断裂：

沿晶界微孔聚合，沿晶断裂；

在晶内微孔聚合，穿晶断裂；

纯剪切断裂：

沿滑移面分离剪切断裂（单晶体）；

通过颈缩导致最终断裂（多晶体，高纯金属）。

十一、试分析金属材料在屈服阶段为何存在上下屈服点？

位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系，

。

变形初期可动的位错较少ρ较低，为了满足一定的应变速率

，必须增大位错的运动速率

，而

正比于剪切应力，因此需要较高的应力τ才能发生屈服，此时出现上屈服点；

一旦发生塑性变形，位错大量增殖，ρ增大，则为保持运动速率恒定

，相应的运动速率

和应力τ降低，就出现下屈服点。

第二章金属在其他静载荷下的力学性能

一、解释下列名词：

（3）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与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值表示。

即：

【P47P55】

三、什么是“缺口效应”？

它对材料性能有什么影响？

【P45P53】

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，使机件由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态。

缺口的第二个效应是试样的屈服应力比单向拉伸时高，即产生了所谓“缺口强化”现象，导致材料强度提高，塑性降低。

由于缺口的存在，是缺口处产生较大的应力集中，材料变脆，降低了使用的安全性。

五、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。

【P49P57】

原理

布氏硬度：

用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位表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，计算单位表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。

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。

七、布氏硬度与洛氏硬度的测量方法有何不同？

HRA、HRB、HRC分别用于测量何种材料的硬度？

HRA用于测量硬质合金、硬化薄钢板，表面薄层硬化钢；

HRB用于测量低碳钢，铜合金，铁素体可锻铸铁；

HRC用于测量淬火钢、高硬度铸件、珠光体可锻铸铁。

第三章金属在冲击载荷下的力学性能

一、名词解释

3.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。

四、什么是低温脆性、韧脆转变温度tk？

产生低温脆性的原因是什么？

体心立方和面心立方金属的低温脆性有何差异？

为什么？

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转变穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状，这就是低温脆性。

tk称为韧脆转变温度。

低温脆性是材料屈服强度随温度降低而急剧增加，而解理断裂强度随温度变化很小的结果。

当温度高于韧脆转变温度时，断裂强度大于屈服强度，材料先屈服再断裂；

当温度低于韧脆转变温度时，断裂强度小于屈服强度，材料无屈服直接断裂。

体心立方金属的低温脆性比面心立方金属的低温脆性显著。

这是因为派纳力对其屈服强度的影响占有很大比重，而派纳力是短程力，对温度很敏感，温度降低时，派纳力大幅增加，则其强度急剧增加而变脆。

六、试述冲击载荷作用下金属变形和断裂的特点。

冲击载荷下，瞬时作用于位错的应力相当高，结果使位错运动速率增加，因为位错宽度及其能量与位错运动速率有关，运动速率越大，则能量越大，宽度越小，故派纳力越大。

结果滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。

由于冲击载荷下应力水平比较高，将使许多位错源同时开动，增加了位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减少了位错运动自由行程的平均长度，增加了点缺陷的浓度。

这些原因导致金属材料在冲击载荷作用下塑性变形极不均匀且难以充分进行，使材料屈服强度和抗拉强度提高，塑性和韧性下降，导致脆性断裂。

第四章金属的断裂韧度

1.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。

3.应力场强度因子

：

表示应力场的强弱程度。

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。

【P68】

4.小范围屈服：

塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸小一个数量级以上的屈服，这就称为小范围屈服。

【P71】

6.有效裂纹长度：

将原有的裂纹长度与松弛后的塑性区相重合并得到的裂纹长度【新P74；

旧P86】。

五、试述应力场强度因子的意义及典型裂纹

的表达式

应力场强度因子

几种裂纹的

表达式，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，远处均匀受拉伸：

A点的

九、有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探伤发现有20mm长的横向穿透裂纹，若在平均轴向拉应力900MPa下工作，试计算KI及塑性区宽度R0，并判断该件是否安全？

解：

由题意知穿透裂纹受到的工作应力为σ=900MPa

根据σ/σ0.2的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否需要修正

因为σ/σ0.2=900/1200=0.75>

0.7，所以裂纹断裂韧度KIC需要修正

对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：

因为KI=168.13（MPa*m1/2）

KIc=115（MPa*m1/2）

所以：

KI>

KIc，裂纹会失稳扩展,所以该件不安全。

第五章金属的疲劳

一、名词解释;

1.应力幅σa:

σa=1/2（σmax-σmin）p95/p108

2.平均应力σm：

σm=1/2（σmax+σmin）p95/p107

3.应力比r:

r=σmin/σmaxp95/p108

5.疲劳贝纹线：

是疲劳区的最大特征，一般认为它是由载荷变动引起的，是裂纹前沿线留下的弧状台阶痕迹。

P97/p110

6.疲劳条带：

疲劳裂纹扩展的第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（疲劳辉纹，疲劳条纹）p113/p132

7.驻留滑移带：

用电解抛光的方法很难将已产生的表面循环滑移带去除，当对试样重新循环加载时，则循环滑移带又会在原处再现，这种永留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。

P111

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p102/p117

10.过载持久值：

试样在高于疲劳极限的情况下测得的交变循环应力或应变作用下发生破坏前所经受的循环加载次数。

P102/p117

三、试述金属疲劳断裂的特点p96/p109

（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂

（2）疲劳是脆性断裂

（3）疲劳对缺陷十分敏感

（4）疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展的过程。

七、试述金属表面强化对疲劳强度的影响。

（新书P117~P118，旧书P135~P136）

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

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。

八、正火45钢的σb=610MPa，σ-1=300MPa，试用Goodman公式绘制σmax（σmin）-σm疲劳图，并确定σ-0.5，σ0,σ0.5等疲劳极限。

第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂

一、名词解释

1、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。

2、氢脆：

由于氢和应力共同作用而导致的金属材料产生脆性断裂的现象。

5、氢致延滞断裂：

这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。

三、如何识别氢脆与应力腐蚀？

氢脆和应力腐蚀相比，其特点表现在：

1、实验室中识别氢脆与应力腐蚀的一种办法是，当施加一小的阳极电流，如使开裂加速，则为应力腐蚀；

而当施加一小的阴极电流，使开裂加速者则为氢脆。

2、在强度较低的材料中，或者虽为高强度材料但受力不大，存在的残余拉应力也较小这时其断裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此处三向拉应力最大，氢浓集在这里造成氢脆断裂。

3、氢脆断裂的主裂纹没有分枝的情况．这和应力腐蚀的裂纹是截然不同的。

4、氢脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微。

5、大多数的氢脆断裂（氢化物的氢脆除外），都表现出对温度和形变速率有强烈的依赖关系。

氢脆只在一定的温度范围内出现，出现氢脆的温度区间决定于合金的化学成分和形变速率。

第七章金属的磨损与耐磨性

1.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。

二、如何提高材料或零件的抗粘着磨损能力?

1、注意一对摩擦副的配对。

不要用淬硬钢与软钢配对；

不要用软金属与软金属配对。

2、金属间互溶程度越小，晶体结构不同，原子尺寸差别较大，形成化合物倾向较大的金属，构成摩擦副时粘着磨损就较轻微。

3、通过表面化学热处理，如渗硫、硫氮共熔、磷化、软氮化等热处理工艺，使表面生成一化合物薄膜，或为硫化物，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系数减小，起到减磨作用也减小粘着磨损。

4、改善润滑条件。

三、粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施

又称为咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦副相对滑动速度较小，因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。

磨损机理：

实际接触点局部应力引起塑性变形，使两接触面的原子产生粘着。

粘着点从软的一方被剪断转移到硬的一方金属表面，随后脱落形成磨屑，旧的粘着点剪断后，新的粘着点产生，随后也被剪断、转移。

如此重复，形成磨损过程。

改善粘着磨损耐磨性的措施

（1）选择合适的摩擦副配对材料：

选择粘着倾向小、互溶性小、表面易形成化合物的材料配对，或者选择金属与非金属配对能提高抗粘着磨损能力。

（2）采用表面化学热处理改变材料表面状态：

进行渗硫、磷化、碳氮共渗等在表面形成一层化合物或非金属层，既避免摩擦副直接接触又减小摩擦因素，能提高抗粘着磨损能力。

（3）控制摩擦滑动速度和接触压力：

减小滑动速度和接触压力能有效能提高抗粘着磨损能力。

（4）其他途径：

改善润滑条件，降低表面粗糙度，提高氧化膜与基体结合力都能提高抗粘着磨损能力。

第八章金属高温力学性能

一、名词解释

1.蠕变：

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。

3.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。

该指标与常温下的屈服强度相似。

4.持久强度极限：

在高温长时载荷作用下的断裂强度---持久强度极限。

五、试分析晶粒大小对金属高温力学性能的影响。

当使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高的强度，而当使用温度高于等强温度时，粗晶粒钢有较高的蠕变极限和持久强度极限，但是晶粒太大也会降低高温下材料的塑性和韧性，一般有一个最佳的晶粒度范围。

若晶粒度不均匀，会在大小晶粒交界处产生应力集中形成裂纹，会显著降低其高温性能。

七、请问材料高温蠕变蠕变断裂有哪几种形式？

两者是在何种情况下发生的？

在三晶粒交汇处形成楔形裂纹和在晶界上由空洞形成晶界裂纹。

前者是在高应力和较低温度下发生的，后者是在低应力和高温下发生的。

一、填空：

1.提供材料弹性比功的途径有二，提高材料的弹性极限，或降低弹性模量。

2.退火态和高温回火态的金属都有包申格效应，因此包申格效应是金属具有的普遍现象。

3.材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段，根据断裂过程材料的宏观塑性变形过程，可以将断裂分为韧性断裂与脆性断裂；

按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径，分为穿晶断裂和沿晶断裂；

按照微观断裂机理分为剪切断裂和解理断裂；

按作用力的性质可分为正断型断裂和切断型断裂。

4.滞弹性是指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的弹性应变现象，滞弹性应变量与材料成分、组织有关。

5.包申格效应：

金属材料经过预先加载产生少量的塑性变形,而后再同向加载,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。

消除包申格效应的方法有预先进行较大的塑性变形和在第二次反向受力前先使金属材料在回复或再结晶温度下退火。

6.单向静拉伸时实验方法的特征是温度、应力状态、加载速率必须确定的。

7.过载损伤界越陡直，过载损伤区越窄，说明材料的抗过载能力越强。

8.依据磨粒受的应力大小，磨粒磨损可分为凿削式磨粒磨损、高应力碾碎性磨粒磨损、低应力擦伤性磨粒磨损三类。

9．解理断口的基本微观特征为解理台阶、河流花样和舌状花样。

10．韧性断裂的断口一般呈杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇区三个区域组成。

11．韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标，其中又分为静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。

12.在α值越小的试验方法中，正应力分量较大，切应力分量较小，应力状态较硬。

一般用于塑性变形抗力与切断抗力较低的所谓塑性材料试验；

在α值越大的试验方法中，应力状态较软，材料易产生塑性变形，适用于在单向拉伸时容易发生脆断而不能充分反映其塑性性能的所谓脆性材料；

13.材料的硬度试验应力状态软性系数大于2，在这样的应力状态下，几乎所有金属材料都能产生塑性变形。

14.硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能，大体上可以分为弹性回跳法、压入法和划痕法三大类；

在压入法中，根据测量方式不同又分为布氏硬度、维氏硬度和洛氏硬度。

15.国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为夏比U型缺口试样和夏比V型缺口试样，所测得的冲击吸收功分别用Aku、Akv标记。

16.根据外加压力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式有张开型裂纹扩展、滑开型裂纹扩展和撕开型裂纹扩展。

17.机件的失效形式主要有磨损、腐蚀、断裂三种。

18.低碳钢的力伸长曲线包括弹性变形阶段、屈服塑性变形阶段、均匀塑性变形阶段、集中塑性变形阶段、断裂等五个阶段。

19.内耗又称为循环韧性或消振型，可用滞后环面积度量。

20.应变硬化指数反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力，在数值上等于测量形成拉伸颈缩时的真实均匀应变量。

应变硬化指数与金属材料的层错能有关，层错能低者n值高。

冷加工状态n值低。

晶粒粗大材料n值高。

21.疲劳极限是材料抵抗无限次应力循环也不疲劳断裂的强度指标。

22.应力状态软性系数：

用试样在变形过程中的测得最大切应力和最大正应力的比值表示。

23.微孔聚集型断裂是包括微孔形核、长大聚合直至断裂的过程。

24.缺口试样的抗拉强度与等截面光滑试样的抗拉强度的比值。

称为“缺口敏感度”。

25.机件在冲击载荷下的断口形式仍为过量弹性变形、过量塑性变形和断裂。

26.包申格应变是在给定应力下，正向加载和反向加载两应力-应变曲线之间的应变差。

27.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的现象，被称为“缺口效应”。

28.洛氏硬度是在一定的实验力下，将120º

角的金刚石圆锥体压入工件表面，用所得的压痕深度来表示材料硬度值的工艺方法。

28.低温脆性是随温度的下降，材料由韧性转变为脆性的现象。

29.缺口敏感性是指材料因存在缺口造成的两向或三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向。

31.疲劳破坏形式按应力状态分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、及复合疲劳。

按应力高低和断裂寿命分为高周疲劳和低周疲劳。

32.典型的疲劳断口具有疲劳源、疲劳区、瞬断区三个特征区。

33.疲劳条带是疲劳断口的微观特征，贝纹线是断口的宏观特征。

34.金属材料的疲劳过程也是裂纹的萌生和扩展过程。

35.金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力，用过载损伤界或过载损伤区表示。

36.金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所发生的低应力脆断现象，称为应力腐蚀断裂。

37.应力腐蚀断裂的最基本的机理滑移—溶解理论和氢脆理论。

38.由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象叫做氢脆断裂。

39.氢致脆断裂纹的拓展方式是步进式，这是与应力腐蚀裂纹渐进式扩展方式是不同的。

40.钢的氢致延滞断裂过程可分为孕育阶段、裂纹亚稳扩展阶段、失稳扩展阶段三个阶段。

41.典型氢脆类型包括氢蚀、白点、氢化物致脆、氢致延滞断裂。

42.机件正常运行的磨损过程一般分为跑和阶段（磨合阶段））、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段三个阶段。

减轻粘着磨损的主要措施有注意摩擦副配对材料的选择、采用表面化学热处理改变材料表面状态、控制摩擦滑动速度和接触压应力。

43.按磨损模型分为：

粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、微动磨损五大类。

44.韧窝是微孔聚集型断裂的基本特征。

其形状视应力状态不同分为下列等轴韧窝、拉长韧窝、撕裂韧窝三类。

其大小决定于第二相质点的大小和密度、基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数以及外加应力的大小和形状。

45.磨损量的测定方法有秤量法和测长法两种，单位摩擦距离单位压力下的磨损量称之为比磨损量。

46.国家标准规定了四种断裂韧性测试试样：

标准三点弯曲试样、紧凑拉伸试样、C形拉伸试样和圆形紧凑拉伸试样。

47.过载持久值越高，说明材料在相同的过载荷下能承受的应力循环周次越多，材料的抗过载能力越强。

48.按照蠕变速率的变化，可将蠕变过程可分为减速（过渡）蠕变阶段、恒速（稳态）蠕变阶段和加速蠕变阶段