材料性能学复习总结王从曾版精编版.docx

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材料性能学复习总结王从曾版精编版

材料性能学课后习题答案（王从曾版）

第一章

1、名词解释

弹性比功We：

材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的弹性变形功，又称弹性比能或应变比能。

包申格效应：

金属材料经预先加载，产生少量塑性变形（1-4%），然后再同向加载，弹性极限（屈服极限）增加，反向加载，σe降低的现象。

滞弹性：

材料在快速加载或则卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变得性能。

粘弹性：

材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机制同时存在的力学行为。

表现为应变对应力的响应（或反之）不是瞬时完成，而需要通过一个馳豫过程，但卸载后应变逐渐恢复，不留残余变形。

表现形式：

应力松驰：

恒定温度和形变作用下，材料内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。

蠕变：

恒定应力作用下，试样应变随时间变化的现象。

高分子材料当外力去除后，这部分蠕变可缓慢恢复。

伪弹性：

在一定温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将由应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度弹性变形的现象。

伪弹性变形量60%左右。

工程应用：

形状记忆合金

内耗：

在非理想弹性条件下，由于应力-应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，这个封闭回线称为弹性滞后环。

存在弹性滞后环的现象说明加载材料时吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功，有一部分加载变形功被材料所吸收。

这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的内耗，其大小可用回线面积度量。

塑性：

指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。

脆性：

指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力。

 韧性：

指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力。

银纹：

高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷，其密度低对光线的反射能力很高，看起来呈银色，故称银纹。

其内部为有取向的纤维和空洞交织分布。

超塑性：

是指材料在一定的内部条件和外部条件下，呈现非常大的伸长率而不发生颈缩和断裂的现象。

脆性断裂：

材料未经明显的宏观塑性变形而发生的断裂。

断口平齐而光亮，且与正应力垂直，断口呈人字或放射花样。

韧性断裂：

材料断裂前即断裂过程中产生明显宏观塑性变形的过程。

韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，且要消耗大量塑性变形能。

其断口用肉眼或放大镜观察时往往呈暗灰色纤维状。

纤维状是塑性变形过程中，众多微细裂纹的不断扩展和相互连接造成的，而暗灰色则是纤维断口对光的反射能力很弱所致。

剪切断裂：

材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。

解理断裂：

解理断裂是在正应力作用下由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。

解理台阶：

解理断裂的裂纹要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而在同一刻面内部出现了解理台阶与和河流花样。

河流花样：

解理台阶沿裂纹前端滑动儿相互汇合，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。

韧窝：

微孔聚集型断裂的微观断口特征。

10、应变系数K及应变硬化指数n的计算：

F/KN68101214σ/（1/25π）2432404856

ΔL12.54.57.511.5ε0.20.50.91.52.3

由真应力及真应变公式计算得

lgS4.65.86.06.26.4

lge-0.74-0.39-0.19-0.040.08

作图可得n=1.48K=1810000

18、格里菲斯公式的适用范围及其修正：

格里菲斯公式只适用于脆性固体，如玻璃，无机晶体材料，超高强钢等。

对于许多工程结构材料，如结构钢，高分子材料等，裂纹尖端会产生较大塑性变形，要消耗大量塑性变形功，因此必须对其进行修正。

第二章

1.名词解释

应力状态软性系数：

最大切应力与最大正应力的比值。

（书本38页）

缺口效应：

缺口材料在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生的变化

第一效应：

缺口造成应力应变集中

第一效应：

缺口改变了缺口前方的应力状态，使平板材料所受的应力由原来的单项拉伸改变为两向或三向拉伸。

第一效应：

在有缺口条件下，由于出现了三向应力，试样的屈服应力比单向拉伸时要高，即产生了所谓缺口“强化”现象．缺口使塑性材料得到“强化”。

缺口敏感性：

材料因存在缺口造成三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向。

缺口敏感度：

缺口式样抗拉强度σbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值，记NSR。

布氏硬度：

此试验的原理是用一定直径D的硬质合金球为压头，施以一定的试验力F，将其压入试样表面，经规定时间t后卸除试验力，试样表面将残留压痕，布氏硬度值就是试验力F除以压痕球形表面积A。

洛氏硬度：

试验测量压痕深度h表示材料的硬度值，压头有两种：

圆锥角120°的金刚石圆锥体；一定直径的小淬火钢球或硬质合金球。

维氏硬度：

试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。

压头：

两相对面间夹角为136°的金刚石四棱锥体。

努氏硬度：

试验也是一种显微硬度试验方法，与显微维氏硬度相比有两点不同：

1>压头形状不同，使用的是两个对面角不等的四角棱锥金刚石。

2>硬度值不是试验力除以压痕表面积之值，而是除以压痕投影面积只商值。

肖氏硬度：

试验是一种动载荷试验法，其原理是将一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值大小。

第三章

1.名词解释

低温脆性：

在试验温度低于某一温度tk时，会有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。

指钢筋的力学性能中由于温度变化而产生的一种规律。

蓝脆：

不同种类的钢筋，其强度随温度的变化规律有所不同。

对于钢筋混凝土结构常用的普通低碳钢，随着温度的升高，屈服台阶逐渐减小，到300℃时屈服台阶消失。

400℃以下时，随温度升高，钢筋的抗拉强度和硬度均比常温略高，但是塑性降低。

这种现象称为蓝脆现象。

产生蓝脆的原因是碳和氮间隙原子的形变时效。

在150～350℃温度范围内形变时，已开动的位错迅速被可扩散的碳、氮原子所锚定，形成柯垂耳气团（柯氏气团）。

为了使形变继续进行，必须开动新的位错，结果钢中在给定的应变下，位错密度增高，导致强度升高和韧性降低。

韧脆转变温度：

当试验温度低于某一温度tk时，发生低温脆性，转变温度tk为韧脆转变温度。

韧性温度储备：

△为韧性温度储备，to为材料使用温度，tk为韧脆转变温度，△=to-tk。

迟屈服：

指当用高于材料屈服极限的载荷以高加载速度作用于bcc结构材料时，材料并不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期才开始塑性变形。

在孕育期中只产生弹性变形，由于没有塑性变形消耗能量故有利于裂纹的扩展，从而易于表现为脆性破坏。

4、影响材料低温脆性的因素的分析

影响材料低温脆性的因素：

1晶体结构的影响：

体心立法金属及其合金存在低温脆性，而面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性。

2化学成分的影响：

间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高。

加入置换型溶质元素（Ni、Mn例外），一般也降低高阶能，提高韧脆转变温度，但是效果不明显。

杂质元素S、P、Pb等使钢的韧性下降。

3.显微组织的影响

（1）细化晶粒提高韧性

（2）金相组织有影响4.温度的影响：

主要是“蓝脆”的影响。

5.加载速率的影响，提高加载速率如同降低温度，使材料脆性增大，韧脆转变温度提高。

6．试样形状和尺寸的影响，缺口曲率半径越小，tk，因此，V型缺口试样的tk高于U型试样的tk。

当不改变缺口尺寸而只增加试样宽度（或厚度）时，tk升高．若试样各部分尺寸按比例增加时，tk也升高．这是由于试样尺寸增加时应力状态变硬，且缺陷几率增大，故脆性增大。

第四章

1、名词解释

低应力脆断：

高强度钢、超高强度钢的机件，中低强度钢的大型机件往往在工作应力并不高，甚至远低于屈服极限的情况下，发生脆性断裂的现象。

应力场强度因子：

，反映了裂纹尖端区域应力场的强度。

断裂韧度：

表征材料在平面应变或应力状态下抵抗裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。

能量释放率：

在裂纹扩展的线弹性理论中，驱使裂纹扩展的动力是弹性能的释放率，

称为裂纹扩展的能量释放率。

J积分：

J积分为I型裂纹的能量线积分，可定量的描述裂纹体的应力应变场强度，即J积分反映了裂纹尖端区的应变能，即应力应变的集中程度。

裂纹尖端张开位移COD：

裂纹尖端沿应力方向张开所得到的位移，用来间接表示应变量的大小。

第五章1、名词解释

疲劳源：

是疲劳裂纹萌生的策源地。

疲劳贝纹线：

由变动载荷引起的，使裂纹前沿线留下弧状台阶痕迹，疲劳区的最大特征（宏观）。

疲劳条带：

疲劳裂纹扩展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。

驻留滑移带：

用电解抛光的方法也很难将已产生的表面循环滑移带去除，即使去除，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。

挤出脊和侵入沟：

在拉应力作用下，位错源被激活，使其增殖的位错滑移到表面，形成滑移台阶，应力不断循环，多个位错源引起交互滑移，形成“挤出”和“侵入”的台阶。

疲劳寿命：

疲劳失效时材料所经受的应力或应变循环次数。

过渡寿命：

弹性应变幅-寿命线和塑性应变幅-寿命线的交点对应的寿命。

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的疲劳。

过载损伤：

倘若金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小，这就造成了过载损伤。

疲劳缺口敏感度qf：

金属在交变载荷下的缺口敏感性。

过载损伤界：

在不同过载应力下，损伤累积造成的裂纹尺寸达到或超过σ-1应力的“非扩展裂纹”尺寸的循环次数。

疲劳门槛值△Kth：

疲劳裂纹不扩展的△K临界值，表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能。

第六章

1、磨损：

机件表面相接处并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐流失、造成表面损伤的现象。

2、粘着：

摩擦副实际表面上总存在局部凸起，当摩擦副双方接触时，即使施加较小载荷，在真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。

倘若接触面上洁净而未受到腐蚀，则局部塑性变形会使两个接触面的原子彼此十分接近而产生强烈粘着。

（实际上就是原子间的键合作用）

3、磨屑：

松散的尺寸与形状均不相同的碎屑

4、跑合：

摩擦表面逐渐被磨平，实际接触面积增大，磨损速率迅速减小。

5、咬死：

当接触压应力超过材料硬度H的1/3时，粘着磨损量急剧增加，增加到一定程度就出现咬死现象。

6、犁皱：

指表面材料沿硬粒子运动方向被横推而形成沟槽。

7、耐磨性：

材料在一定摩擦条件下抵抗磨损的能力

8、冲蚀：

流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击。

9、接触疲劳：

机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而是材料流失的现象。

10、是比较三类磨粒磨损的异同，并讨论加工硬化对它们的影响？

⑴凿削式磨粒磨损：

从表面上凿削下大颗粒金属，摩擦面有较深沟槽。

韧性材料——连续屑，脆性材料——断屑。

⑵高应力碾碎性磨粒磨损：

磨粒与摩擦面接触处的最大压应力超过磨粒的破坏强度，磨粒不断被碾碎，使材料被拉伤，韧性金属产生塑性变形或疲劳，脆性金属则形成碎裂式剥落。

⑶低应力擦伤性磨粒磨损：

作用于磨粒上的应力不超过其破坏强度，摩擦表面仅产生轻微擦伤。

11、试述粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施？

   条件：

在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小时发生的。

   机理：

摩擦副实际表面上总存在局部凸起，当摩擦副双方接触时，即使施加较小载荷，在真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。

倘若接触面上洁净而未受到腐蚀，则局部塑性变形会使两个接触面的原子彼此十分接近而产生强烈粘着。

（实际上就是原子间的键合作用）随后在继续滑动时，粘着点被剪断并转移到一方金属表面，然后脱落下来便形成磨屑，一个粘着点剪断了，又在新的地方产生粘着，随后也被剪断、转移，如此粘着à剪断à转移à再粘着循环不已，就构成了粘着磨损过程。

   防止措施：

（1）注意摩擦副配对材料的选择

（2）采用表面化学热处理改变材料表面状态

（3）控制摩擦滑动速度和接触压应力

12、列表说明金属接触疲劳三种破坏形式的机理和特征？

1）麻点剥落：

在滚动接触过程中，由于表面最大综合切应力反复作用，在表层局部区域造成损伤累积，最终形成表面裂纹，裂纹形成后，润滑油挤入，在连续滚动接触过程中，润滑油反复压入裂纹并被封闭，封闭在裂纹内的油已较高的压力作用于裂纹内壁，使裂纹沿与滚动方向成小于45度倾角向前扩展，其方向与τzy方向一致，裂纹扩展到一定的程度后，因其尖端有应力集中，故在此处形成二次裂纹，与初始裂纹垂直，二次裂纹向表面扩展，剥落后形成凹坑。

2）浅层剥落：

浅层剥落裂纹的位置0.5b处，与Z轴的两侧作用的切应力τ0位置相当，该处切应力最大，塑性变形剧烈，在接触应力反复作用下，塑性变形反复进行，局部材料弱化，形成裂纹。

裂纹常出现在非金属夹杂物附近,故裂纹开始沿非金属夹杂物平行于表面扩展，而后又产生与表面成一倾角的二次裂纹，二次裂纹扩展到表面，则该处金属受弯曲发生弯断，形成浅层剥落。

3）深层剥落：

表面硬化的机件，硬化层与基体的过渡区是弱区，此处切应力可能高于材料强度而在该处产生裂纹，裂纹形成后先平行于表面扩展，即沿过渡区扩展，而后再垂直于表面扩展，最终形成较深的剥落坑。

特征：

麻点剥落：

剥落深度在0.1～0.2mm以下，呈针状或痘状凹坑，截面呈不对称V型

浅层剥落：

深度0.2~0.4mm,剥块底部大致和表面平行,裂纹走向与表面成锐角和垂直。

深层剥落：

深度和表面强化层深度相当，裂纹走向与表面垂直。

13、磨损的类型有：

粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、微动磨损和表面疲劳磨损。

14、粘着磨损：

重要特征：

摩擦副一方金属表面常粘附一层很薄的转移膜，并伴有化学成分变化。

主要影响因素：

材料特性、法向力、滑动速度以及温度。

改善措施：

1）合理选择摩擦副配对材料

2）改变材料表面状态

3）控制摩擦滑动速度和接触压应力

15、磨粒磨损主要特征是摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽。

第七章材料的高温力学性能

1、名词解释

蠕变极限：

表示材料对高温蠕变变形的抗力，是选用高温材料、设计高温下服役机件的主要依据之一。

应力松弛：

材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。

材料抵抗应力松弛的能力称为松弛稳定性。

松弛稳定性可以通过松弛试验测定的应力松弛曲线来评定，松弛稳定性可以用来评价材料在高温下的预紧能力

等强温度：

晶粒与晶界两者强度相等的温度。

约比温度：

试验温度T与金属熔点Tm的比值，T/Tm。

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。

扩散蠕变：

在高温条件下，晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则朝相反方向流动，致使晶体逐渐产生伸长的蠕变。

持久强度极限：

在规定温度下，达到规定的持续时间而不发生断裂的最大应力。

         表示该合金在700℃、1000h的持久强度极限为30MPa

蠕变极限：

金属材料在高温长时间载荷作用下的塑性变形抗力指标。

表示温度为600℃的条件下，稳态蠕变为1×10-5%/h的蠕变极限为60MPa

表示在500℃温度下，100000h后总伸长率为1%的蠕变极限为100MPa

剩余应力：

在应力松弛实验中，任一时间试样上所保持的应力，r。

蠕变断口宏观特征：

变形区域有很多裂纹，覆盖有氧化膜。

微观特征：

冰糖状花样