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材料力学性能

材料力学性能

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材料力学性能复习题

一、基本概念

1、抗拉强度<18）：

韧性金属试样拉断过程中最大应力所对应的应力。

2、弹性模量<3）：

弹性模量是产生100%弹性变形所需要的应力。

3、弹性比功<4）：

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能力。

4、包申格效应<6）：

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，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。

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5、屈服强度<10）：

用应力表示的屈服点或下屈服点就是表征材料对微量塑性变形的抗力，即屈服强度。

6、低温脆性<59）：

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，在实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。

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7、蠕变断裂<162）：

由蠕变变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂。

8、疲劳极限南国梨<98）：

当循环应力水平降低到某一临界值时，试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，故将对应的应力称为疲劳极限。

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9、松弛稳定性<167）：

金属材料抵抗应力松弛的性能。

10、应变硬化<15）：

金属材料有一种阻止继续塑性变形的能力，这就是应变硬化性能。

11、断裂韧度<70）：

是决定应力场强弱的一个复合力学参量，当

增大达到临界值时，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，裂纹便失稳抗展而导致材料断裂。

这个临界或失稳状态的

值记作

或

，称为断裂韧度。

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12、过载持久值<102）：

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，过载损伤界与疲劳曲线高应力区直线段各应力水平下发生疲劳断裂的应力循环周次称为过载持久值。

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13、蠕变<162）：

所谓蠕变，就是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。

14、陶瓷<191）：

陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物。

15、缺口敏感度<46）：

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，称为缺口敏感度。

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16、冲击韧性<57）：

冲击韧性是指材料冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。

17、应力腐蚀断裂<128）：

应力腐蚀断裂是在应力和化学介质的联合作用下，按特有机理产生的断裂。

二、力学性能

1、<165）

表示：

材料在500℃温度下，10000h后总伸长率为1%的蠕变极限为100

。

2、<51）500HBW5/750表示：

用直径5mm的硬质合金球在7.355

（750×9.80665>实验力下保持10~15s测得的布氏硬度值为500。

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3、<167）

表示：

该合金在600℃、1000h的持久强度极限为200

。

4、<100）

代表：

对称应力循环下的弯曲疲劳极限。

5、<105）

代表：

材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能。

6、<71）260HBS10/2800表示：

用直径10mm的淬火钢球在27.44

实验力下保持10~15s测得的布氏硬度值为260。

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7、<105）

与

有何异同：

与

都是表示无限寿命的疲劳韧性，也都受材料成分和组织、载荷条件及环境因素等影响；但

是光滑试样的无限寿命疲劳强度，用于传统的疲劳强度设计和校核；

是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和校核。

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8、<71）

和

有何区别：

和

是两个不同的概念，当应力场强度因子

增大到临界值

时，材料发生断裂，这个临界值

称为断裂韧度。

是应力场强度因子，是力学参量，只和载荷及试样尺寸有关，而与材料无关；

是断裂韧度，是力学性能指标，只和材料成分、组织结构有关，而和载荷及试样尺寸无关。

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9、

代表：

金属材料抗应力腐蚀性能指标。

10、

代表：

应力腐蚀临界应力场强度因子。

三、基本知识

1、选用硬度测试方法<49~54）[习题55页8题]

布氏硬度实验特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度。

洛氏硬度广泛应用于热处理质量检验，由于实验所用实验力较大，不能用来测定极薄试样、渗氮层及金属镀层等的硬度。

维氏硬度可测定金属箔、极薄的表面层的硬度以及合金中各种组成相的硬度。

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2、现检验材料的冲击韧性，哪种材料需要开缺口，哪种材料不需要开缺口？

<57~58）[习题65页3题]

为了显示加载速度和缺口效应对金属材料韧性的影响，需要进行缺口试样冲击弯曲实验，测定材料的冲击韧性，测量球铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功，常采用10mm×10mm×55mm的无缺口冲击试样。

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3、哪种材料易出现低温脆性，为什么？

（59>

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、低强度合金钢<铁素体-珠光体钢），面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现象，但有实验证明，在20~4.2K的极低温下，奥氏体钢及铝合金又有冷脆性。

高强度的体心立方合金<如高强度钢及超高强度钢）在很宽温度范围内，冲击吸收功均较低，故韧脆转变不明显。

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4、金属材料拉伸断口三要素<21）

纤维区、放射区和剪切唇

5、为提高金属材料耐磨性采取哪些表面化学热处理？

<143）

沿接触面上产生粘着磨损，可进行渗流、磷化、氮碳共渗处理或覆镍-磷合金等。

表面化学热处理在金属表面形成一层化合物层或非金属层，既避免摩擦副直接接触，又减小摩擦因数，故可防止粘着。

如粘着磨损发生在较软一方材料机件内部，则采用渗碳、渗氮、碳氮共渗及碳氮硼三元素共渗等工艺都有一定效果。

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6、缺口试样静载荷时缺口效应是什么？

<44）

实际生产中的机件，绝大多数都不是截面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。

这种截面变化的部位可视为“缺口”。

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，产生所谓的“缺口效应”。

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7、工程陶瓷的力学性能特点。

<191）

工程陶瓷材料具有很高的耐磨损、耐高温、耐腐蚀性能，其塑性、韧性值比金属材料低得多，弹性模量高，抗蠕变性能好，对缺陷很敏感，强度可靠性较差，常用韦伯模数表征其强度均匀性。

工程陶瓷材料的制备技术、气孔、夹杂物、晶界、晶粒解构均匀性等因素对其力学性能有显著影响。

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8、磨损的基本类型。

<139）

粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、磨蚀磨损和微动磨损。

9、金属材料蠕变变形机理主要有：

<163）

金属的蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散等机理进行。

10、缺口静拉伸应用于：

<47）

缺口静拉伸实验，广泛用于研究高强度钢<淬火低中温回火）的力学性能、钢和钛的氢脆，以及用于研究高温合金的缺口敏感性等。

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11、硬度HB、HR、HV应用：

<49~54）

HB布氏硬度实验特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度。

HR洛氏硬度广泛应用于热处理质量检验，由于实验所用实验力较大，不能用来测定极薄试样、渗氮层及金属镀层等的硬度。

HV维氏硬度可测定金属箔、极薄的表面层的硬度以及合金中各种组成相的硬度。

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12、单向拉伸、压缩、弯曲、扭转特点与应用范围。

<55）

单向拉伸：

1）特点：

温度、应力状态和加载速度是确定的，并且常用标准的光滑圆柱试样进行实验。

2）应用范围：

单向静拉伸实验是工业上应用最广泛的金属力学性能实验方法之一，通过拉伸实验可以揭示金属材料在静载荷作用下常见的力学行为，即弹性变形、塑性变形和断裂，还可以测定金属材料的最基本的力学性能指标，如屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。

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压缩：

1）特点：

压缩实验的应力状态软性系数

，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软；拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂。

2）应用范围：

压缩实验主要测脆性材料的抗拉强度，如果在实验时金属材料产生明显屈服现象，还可以测定压缩屈服点。

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弯曲：

1）特点：

试样形状简单、操作方便；弯曲试样表面应力最大，可较灵敏地反映材料表面缺陷。

2）应用范围：

弯曲实验主要测定脆性或低塑性材料的抗弯强度，还可测定弯曲弹性模量、断裂挠度和断裂能量等力学性能指标。

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扭转：

1）特点：

扭转的应力状态系数

，比拉伸时的

大，易于显示金属的塑性行为；圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的、无缩颈现象，所以能实现大塑性变形下的实验；能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能；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，而生产上所使用的大部分金属材料的正断强度大于切断强度，所以扭转实验是测定扯些材料切断强度最可靠的方法。

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13、断裂韧度有几种表示方法之间的关系。

<70）

、

。

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。

他们都是I型裂纹的材料断裂韧性指标，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。

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14、缺口对高周、低周疲劳哪个敏感。

<104）

在高周疲劳时，大多数金属都对缺口十分敏感；但在低周疲劳时，它们却对缺口不太敏感。

这是因为后者缺口根部一部分地区已处于塑性区内，发生应力松弛，使应力集中降低所致。

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15、提高疲劳强度表面强化有哪些方法？

<117）

表面喷丸、滚压、表面淬火以及表面化学热处理等。

16、氢脆类型与特征。

<133~135）

氢蚀：

氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状。

微观断口上晶界明显加宽，呈沿晶断裂。

白点<发裂）：

这种裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色。

氢化物致脆：

氢化物的形状和分布对金属的变脆有明显的影响。

若晶粒粗大，氢化物在晶界上呈薄片状，极易产生较大的应力集中，危害很大；若晶粒较细，氢化物多呈块状不连续分布，对金属危害不太大。

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氢致延滞断裂：

只在一定温度范围内出现；提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低；此类氢脆显著降低金属材料的断后伸长率，但含氢量超过一定数值后，断后伸长率不再变化，而断面收缩率则随含氢量的增加不断下降，且材料强度越高，下降越剧烈；高强度钢的氢致延滞断裂还具有可逆性。

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17、防止粘着磨损、磨粒磨损措施。

<143、147）

改善粘着磨损耐磨性的措施：

<1）首先要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。

同时，改善润滑条件，提高表面氧化膜与基体金属的结合能力，以增强氧化膜的稳定性，阻止金属之间直接接触，以及降低表面粗糙度等也可以减轻粘着磨损。

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改善磨粒磨损耐磨性的措施：

<1）对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度；<2）根据机件服役条件，合理选择耐磨材料；<3）采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理。

另外，经常注意机件防尘和清洗，防止大于1

磨粒进入接触面，也是有效的措施。

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18、接触疲劳类型。

<153）

麻点剥落<点蚀）、浅层剥落、深层剥落<表面压碎）

19、重要的耐磨陶瓷材料有哪些？

<197）

、

、

、

和Sialon<塞隆陶瓷）等。

20、“硬度越高，耐磨性越好”说法是否正确？

<146）

不正确。

一般情况下，材料的硬度越高，其抗磨损能力越强。

但抗磨损能力不唯一地决定于硬度，还与材料的韧性、显微组织、钢中的碳化物含量及形成元素等有关。

如相同硬度下，下贝氏体比回火马氏体具有更高的耐磨性。

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四、分析理解应用

1、影响金属材料断裂韧度的因素。

<81~83）

内在因素：

材料化学成分、基体相结构和晶粒大小、杂质及第二相、显微组织等。

外在因素：

温度、应变速率等。

2、细晶能否提高金属材料蠕变性能？

<170）

晶粒大小对金属材料高温力学性能的影响很大。

当使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高的强度；当使用温度高于等强度温度时，粗晶粒钢及合金有较高的蠕变极限和持久强度极限。

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3、金属材料蠕变断口的特征。

<165）

蠕变断裂断口的宏观特征为：

一是在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现象；二是由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。

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蠕变断裂的微观断口特征：

主要以冰糖状花样的沿晶断裂形貌。

4、金属零件的疲劳断裂特点。

<96）

<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<缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。

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5、金属材料应力腐蚀断裂条件及腐蚀断口形态。

<128、130）

应力、化学介质和金属材料三者是产生应力腐蚀的条件。

腐蚀断口形态：

应力腐蚀断口的宏观形貌与疲劳断口颇为相似，也有亚稳扩展区和最后瞬断区。

在亚稳扩展区可见到腐蚀产物和氧化现象，故常呈黑色或灰黑色，具有脆性特征。

最后瞬断区一般为快速撕裂破坏，显示出基体材料的特性；断口的微观形貌一般为沿晶断裂型，也可能为穿晶解理断裂或准解理断裂型，有时还会出现混合断裂型。

其表面可见到“泥状花样”的腐蚀产物及腐蚀坑。

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6、从机理上说明细晶能提高屈服强度的原因。

<12）

晶粒大小的影响是晶界影响的反映，因为晶界是位错运动的障碍，在一个晶粒内部，必须塞积足够数量的位错才能提供必要的应力，使相邻晶粒中的位错源开动并产生宏观可见的塑性变形。

因而，减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度提高<细晶强化）。

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7、金属结构件的疲劳断口特征。

<96~97）

典型疲劳断口具有三个形貌的不同区域——疲劳源、疲劳区、及瞬断区。

从断口形貌来看，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，而且因加工硬化表面硬度也有所提高。

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疲劳区的宏观断口特征：

断口比较光滑并分布有贝纹线<或海滩花样）。

瞬断区其断口比疲劳区粗糙，宏观特征同静载的裂纹件的断口一样，随材料性质而变；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，在边缘平面应力区为剪切唇。

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8、影响疲劳强度的主要因素。

<115表）

工作条件：

载荷条件、载荷频率、环境温度、环境介质

表面状态及尺寸因素：

尺寸效应、表面粗糙度、缺口效应

表面处理及残余内应力：

表面喷丸及滚轧、表面热处理、表面化学热处理、表面涂层

材料因素：

化学成分、组织结构、纤维方向、内部缺陷

9、提高疲劳强度如何进行表面强化？

<117）

表面强化的方法，通常有表面喷丸、滚压、表面淬火及表面化学热处理。

10、从机理上说明细晶提高疲劳强度原因。

<119）

细化晶粒既阻止疲劳裂纹在晶界处萌生，又因晶界阻止疲劳裂纹的扩展，故能提高疲劳强度。

申明：

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