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1、力学复习第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能1、拉伸变形过程：(1)四个阶段：弹性变形屈服阶段均匀塑性变形不均匀塑性变形(2)过程：弹性变形弹塑性变形断裂(3)四个阶段的特征：弹性变形阶段：曲线的起始部分，图中的oa段。多数情况下呈直线形式，符合虎克定律。屈服阶段：超出弹性变形范围之后，有的材料在塑性变形初期产生明显的塑性流动。此时，在外力不增加或增加很小或略有降低的情况下，变形继续产生，拉伸图上出现平台或呈锯齿状，如图中的ab段。均匀变形阶段：屈服后，欲继续变形，必须不断增加载荷，此阶段的变形是均匀的，直到曲线达到最高点，均匀变形结束，如图中的bc段。形变硬化：随塑性变形增大，变形抗力不断

2、增加的现象。局部变形阶段：从试样承受的最大应力点开始直到断裂点为止，如图中的cd段。在此阶段，随变形增大，载荷不断下降，产生大量不均匀变形，且集中在颈缩处，最后载荷达到断裂载荷时，试样断裂。2、弹性不完整性（滞弹性，包申格效应），循环韧性；(1) 滞弹性1定义：是指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生附加弹性应变，即应变落后于应力的性能。2种类：正弹性后效：加载时应变落后于应力而和时间有关的现象。反弹性后效：卸载时应变落后于应力而和时间有关的现象。3产生原因：与金属中点缺陷、线缺陷的运动有关。4意义:影响精密仪表如油压表的测量精度；校直件放置后又弯曲现象5消除方法：长时间退火(消除各类组

3、织缺陷)(2)包申格效应1定义：产生了少量塑性变形（14）的材料，再同向加载，则规定残余伸长应力r（弹性极限e与屈服强度s）升高；反向加载则规定残余伸长应力r（弹性极限e与屈服强度s）降低的现象，称为包申格效应。2产生原因：.与位错运动所受的阻力变化有关。.预先的少量塑性变形位错在运动前沿受阻产生聚集，甚至形成位错胞提高同向强度；.反方向上，位错阻力小降低反向强度。3实际意义： 害处：交变载荷工件强度下降问题； 利用：薄板反向弯曲易于成形等 4消除措施：、预先进行较大的塑性变形、二次受力前回复或再结晶退火。(3)循环韧性 金属在弹性区内加载卸载时，由于应变落后于应力，使加载线与卸载线不重合而形

4、成一封闭回线，封闭回线称为弹性滞后环。 意义：材料吸收的变形功的大小内耗：在交变载荷作用下，若所加载荷的最大应力e（在塑性区加载），则得到塑性滞后环，称为循环韧性。 注：实际中大多不区分二者循环韧性是金属的力学性能，它表示材料吸收不可逆变形功的能力，又称为消振性。3、塑性变形方式，滑移，均匀屈服产生机制，影响屈服强度的因素；主要方式：滑移和孪生，滑移是金属在切应力作用下沿滑移面和滑移方向进行的切变过程；孪生是发生在金属晶体内部局部区域的一个均匀切变过程，切变区的宽度较小，切变后已变形区的晶体取向与未变形区的晶体取向成镜面对称关系。均匀屈服产生机制:低密度位错理论。用低密度可动位错理论解释屈服现

5、象产生的原因。一些材料在屈服变形前其内部可动位错很少，很低，而一定，故位错要开动，须很大；一旦开动，位错迅速增殖，减小存在上、下屈服点原因。波动原因: 变形的不均匀性影响因素：4、应变硬化（形变强化）及其产生原因和工程意义；应变硬化（形变强化）：材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象；机理：位错的增殖与交互作用导致的阻碍。产生原因:金属材料有一种阻止继续塑性变形的能力，塑性变形是硬化的原因，应变硬化是位错增殖、运动受阻所致。工程意义：、金属材料的n值越大，则加工成的机件在服役时承受偶然过载的能力也就越大，可以阻止机件某些薄弱部位继续塑性变形，从而保证机件安

6、全服役。、n值对板材变形工艺有重要影响。N值大的材料，冲压性能好，因为应变硬化效应高，变形均匀，减小变薄和增大极限变形程度，不易产生裂纹。、n值对应变硬化效果有重要意义，n值大者，应变硬化效果很突出。5、颈缩，抗拉强度颈缩：拉伸试验中载荷达最大值后变形集中于局部区域而导致试样某一部分截面收缩的现象。抗拉强度：使试样保持最大均匀变形的极限应力，又称为强度极限。*比例极限: 弹性极限: 屈服极限: 抗拉强度: 断裂极限: 6、塑性、脆性及韧性，塑性指标；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

7、力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力。塑性指标有断后伸长率、断面收缩率。7、机件的失效形式：磨损、腐蚀和断裂；其中以断裂的危害最大。8、断裂的分类及各类断口特征，韧性断裂和脆性断裂的区别，哪种断裂更危险及其原因；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，其有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展中不断消耗能量，其断面一般平行于最大切应力并与主应力成45角，断口成纤维状，灰暗色。脆性断裂：是突然发生的断裂，断裂前基本不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大，其断面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。解理断裂和剪切断裂都是穿晶断裂，解理断裂是脆性断裂，剪切断裂时塑性断裂。9、拉

8、伸断口的三要素以及强度和塑性对断口三个区域组成的影响；三要素：纤维区，剪切唇，放射区。纤维区：断口呈纤维状，灰暗色。垂直于拉伸轴纤维状是塑性变形中裂纹不断扩展和相互连接造成的。该区裂纹扩展速度很慢。放射区：断口呈放射状，放射线平行于裂纹扩展方向，而垂直于裂纹前端的轮廓线，并逆指向裂纹源。是裂纹快速扩展时形成的区域。剪切唇：断口表面光滑，与拉伸轴线呈45，是典型的切断型断裂。也是最后断裂阶段由缩颈形成的。影响因素：试样的形状、尺寸和金属材料的性能及实验温度、加载速率和应力状态。材料的强度提高，塑性降低，则放射区比例增大，试样的尺寸增大，放射区明显增大，纤维区变化不大。10、微孔聚集断裂过程；微孔

9、聚集断裂过程包括微孔成核、长大、聚合，直至断裂。11、格雷菲斯断裂理论（原理、出发点、必要条件）；原理：根据能量平衡原理计算出裂纹自动扩展时的应力值，即计算了裂纹体的强度。能量平衡原理指出，由于存在裂纹，系统弹性能降低，势必与因存在裂纹而增加的表面能相平衡。如果弹性能降低足以满足表面能增加的需要时，裂纹就会失稳扩展，引起脆性破坏。出发点：(1)材料内部已有裂纹存在; (2)裂纹尖端存在很高的应力集中(3)裂纹使系统弹性能，但表面能。当裂纹尺寸增加可使系统总能量下降时，裂纹失稳扩展。裂纹自动扩展的充分条件是：裂纹尖端的应力要大于等于理论断裂强度。12、为什么理论断裂强度与实际断裂强度在数值上有数

10、量级的差别；实际金属材料中一定存在某种缺陷，使断裂强度显著下降。13、机械设计中最常用的两个强度指标为：屈服强度和抗拉强度；14、碳含量对钢拉伸曲线的影响。注：（1）三者弹性模量相同，但屈服强度、抗拉强度不同；（2）低碳钢与中碳钢存在明显屈服现象，高碳钢无明显屈服现象第二章金属在其他静载荷下的力学性能1、应力状态软性系数及其代表的意义；最大切应力与最大正应力之间的比值，称为应力状态软性系数。值越大，max越大，易发生塑性变形后断裂，表示应力状态越软。值越小，max越小，易发生脆性断裂，表示应力状态越硬。2、压缩、弯曲、扭转试验的特点；拉伸试验：温度、应力状态和加载速率确定，采用光滑圆柱试样，试

11、验简单，应力状态软性系数较小；压缩试验：应力状态软性系数较大，一般都能产生塑性变形，试验常沿与轴线呈45度方向产生断裂，具有切断特性；弯曲试验：形状简单，操作方便，不存在拉伸试验时试样轴线与力偏斜问题，没有附加应力影响试验结果，可用试样弯曲挠度显示材料的塑性，弯曲试样表面应力最大，可灵敏地反映材料表面缺陷扭转试验：应力状态软性系数为0.8，比拉伸时大，易于显示金属塑性行为，试样在整个长度上塑性变形时均匀，没有颈缩现象，能实现大塑性变形量下的试验，较能敏感的反映出金属表面缺陷和表面硬化层的性能，试样所承受的最大正应力与最大切应力大体相等。3、缺口效应（定义及由于缺口引起的两个效应），理论应力集中

12、系数，缺口敏感度及其代表的意义； 缺口的存在，使得材料在静载荷作用下，缺口根部产生应力集中，同时缺口截面上的应力状态发生改变，称之为缺口效应。 缺口的两个效应：缺口造成应力应变集中；缺口的存在改变了其前方的应力状态：由单向应力改为两向、三向应力状态。【应力集中，缺口强化】 理论应力集中系数Kt表示的是缺口引起的应力集中程度。定义为缺口净截面上的最大应力max与平均应力之比。 Kt = max / 缺口试样的抗拉强度与光滑试样的抗拉强度的比值称之为缺口敏感度。 NSR愈小，缺口敏感性愈大，NSR是一个安全性的力学性能指标。4、硬度的分类、符号表示方法、测试（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）原理或方

13、法；600HBW1/30/20: 用直径1mm的硬质合金球在30kgf试验力下保持20秒测得的布氏硬度值为600.350HBW5/750：用直径5mm的硬质合金球在750kgf试验力下保持1015秒测得的布氏硬度值为350.60HRC:用C标尺测得的洛氏硬度值为60；60HRB:用B标尺测得的洛氏硬度值为60.表面洛氏硬度：70HR30N：用总试验力294.2N的30N标尺测得的表面洛氏硬度值为70.640HV30:试验力为30kgf下保持1015秒测得的维氏硬度值为640；300HV0.1:试验力为0.1kgf下保持1015秒测得的显微维氏硬度为300.*25HSC：用C型肖氏硬度计测得的肖

14、氏硬度值为25.压入法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度；划痕法：里氏硬度；回跳法：肖氏硬度。5、课后作业P55T8.现有如下材料需要测定硬度，试说明选用何种硬度试验方法为宜，为什么？(1)灰铸铁的硬度； (2)鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体；(3)龙门刨床导轨； (4)渗碳层的硬度分布。【答】：(1)布氏硬度，灰铸铁有粗大晶粒和组成相，而布氏硬度几乎不受组成相及微小不均匀性的影响。(2)显微维氏硬度，显微维氏硬度试验力较小，且有显微放大装置，使检测精度更高，因此可测定金相当中具体相的硬度。(3)龙门刨床导轨：肖氏硬度或里氏硬度，两者均为手提式，使用方便，可在现场测量大型工件的硬度。(4) 渗碳

15、层的硬度分布：显微维氏硬度试验力较小，且有显微放大装置，使检测精度更高，因此可测定金相当中具体相的硬度。第三章金属在冲击载荷下的力学性能1、冲击韧性；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，常用标准试样的冲击吸收功Ak表示。2、低温脆性、韧脆转变温度及其确定方法、韧性温度储备。金属或合金，当温度低于某一温度tk时，Ak明显，转变为脆性状态，该现象称为冷脆（低温脆性）。韧脆转变温度冲击韧性显著下降的温度，是衡量材料冷脆转化倾向的重要指标。可用断裂消耗的功、断裂后塑性变形的大小、断口形貌等确定tk根据冲击试验得到Ak(ak)T曲线，测定材料的韧脆转变温度，从而可以评定材料的低

16、温脆性倾向。韧性温度储备：指材料的使用温度和材料韧脆转变温度之间的差值。3、产生低温脆性的物理本质和机理。 材料屈服强度随温度降低急剧增加而抗拉强度随温度变化很小相交。 低温脆性本质是材料屈服强度随温度降低急剧增加。其影响因素包括晶体结构、化学成分、显微组织（晶粒大小、金相组织）等。 机理：派纳力、迟屈服现象、柯氏气团。4、影响韧脆转变温度的因素。2、试说明低温脆性的物理本质及影响因素。低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加的结果。内因：1晶体结构，体心立方金属及其合金存在低温脆性2化学成分，间隙溶质元素溶入铁素体基体中，偏聚于位错线附近，阻碍位错运动，致s升高，钢的韧脆转变温度提高3显微组

17、织，晶粒大小，细化晶粒使材料韧性增加；金相组织，当第二相尺寸增大时，材料韧性下降，韧脆转变温度升高。外因：温度，加载速率第四章金属的断裂韧度1、低应力脆断低应力脆断：材料断裂时的应力低于材料的屈服强度s，也往往低于许用应力，断裂形式为脆性断裂，塑性材料也是这样，这都被称为低应力脆断。2、裂纹的扩展形式张开型(I型):拉应力垂直于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展。滑开型(II型):切应力平行于裂纹面，且与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。撕开型(III型)切应力平行于裂纹面，且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展。3、应力场强度因子K1定义及其表达式；应力场强度因子K1：表示I型

18、应力场的强弱程度。应力场强度因子K1：表示I型应力场的强弱程度。,式中：Y为裂纹形状因子，量纲为1；对于无限大板穿透裂纹，无限大物体内部有椭圆片裂纹，远处受均匀拉伸,Y可查表。4、材料的断裂韧度，断裂K判据，断裂G判据；（1）K1C和KC：表征KI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，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂。（2）G1C；表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。（3）J1C；表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。（4）C：表示材料阻止裂纹开始扩展的能力。脆性断裂K判据：应力场强度因子KI断裂韧度KIc。断裂的能量G判据裂纹失稳扩展的条件： GIGIc

19、 平面应变条件下GIGc平面应力条件下。5、K1c和K1，G1c与K1c的关系；与答：临界或失稳状态的记作或，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。 它们都是型裂纹的材料裂纹韧性指标，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，而是真正的材料常数。与答：当增加到某一临界值时，能克服裂纹失稳扩展的阻力，则裂纹失稳扩展断裂。将的临界值记作，称断裂韧度，表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量，其单位与相同。6、K1的修

20、正条件，考虑应力松弛时塑性区宽度（平面应力，平面应变），修正后K1计算公式；一大型板件中心有一宽度为4.8mm的穿透裂纹，其材料的S=760MPa，KIC=102MPa.M1/2；板件受650Mpa的单向工作应力，问：(1) 该裂纹尖端的塑性屈服区尺寸 (2) 该裂纹尖端的应力场强度因子的大小 (3)该板件是否能安全工作 (4)该板带有此裂纹安全工作所能承受的最大应力 解：a = 0.0048/2=0.0024(m)KI=Y (a + ry ) =(a + ry )ry= Ro/2= KI2/42S2联立求解得：KI=Ya/(1- Y22/42S2)=6501060.0024/(1-6502/

21、427602)=6501060.0024/(1-0.178(650/760)2)=60.49106=60.49 MPa.M1/2该裂纹尖端的应力场强度因子：KI=60.49MPa.m1/2该裂纹尖端的塑性屈服区尺寸Ro：Ro=2ry=KI2/22S2=60.492/227602=0.00071m=0.71mmry =0.355mm=0.000355m因K I=60.49MPa.m1/2KIC=Y (aC + ry )= aC = KIC2/ Y2 2-ryaC = 1022/( 6502)- 0.000355 = 0.00784- 0.000355=7.48mm板件中所允许的最大裂纹尺寸为：7

22、.48mm 2 = 14.96mmKI=Y (a + ry )=KIC=Y C(a + ry ) =C= KIC/ Y(a + ry )C= 102/(0.0024+ 0.000355)=1096.4 MPa此板带此裂纹所能承受的最大安全工作应力为：=1096.4 MPa7、断裂韧度测试时试样的制备（满足条件）；四种试样：标准三点弯曲试样，紧凑型试样，C型拉伸试样和圆形拉伸试样。需保证裂纹尖端附近处于平面应变和小范围屈服状态。; ; ,式中，为有效屈服强度，用或代之。B:S:W:=8:2:1;8、有关断裂韧度的计算。例1有一大型板件，材料的0.2=1200MPa。Kic=115MPa.m.探伤

23、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RO，并判断该件是否安全。Ki=159.5MPa R=2r=()=6.75m KiKic,会断，不安全。例2.有一轴件平均轴向工作应力150MPa，使用中发生横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c可以确定1,测试材料的0.2=720MPa,试估算材料的断裂韧度Kc是多少？解：由题意可得：0.2=720MPa，1，150MPa,a=25mm,那么有：，不须考虑塑性区的修正问题。MPa.m1/2由于轴件发生了断裂，则有K1K1C,所以材料的断裂韧度Kc小于81.96 M

24、Pa.m1/2.例3: 有一大型薄板构件，承受工作应力为400MN/m2,板的中心有一长为3mm的裂纹，裂纹面垂直于工作应力，钢材的s500 MN/m2，试确定：（1）裂纹尖端的应力场强度因子K;（2）裂纹尖端的塑性区尺寸R 。解题步骤：(1)判断是否需修正：/ s0.7时需修正(2)判断裂纹类型以及应力状态,确定计算公式：平面应力、平面应变下的K表达式解题：（1）/ s 400/500=0.80.7需修正薄板，为平面应力状态,33.3MN(2) =1.4mm例4: 某合金钢调质后的性能0.21500MPa, KC =100MPa/m3/2，设此种材料厚板中存在垂直于外界应力的裂纹，所受应力1

25、000MPa，问此时的临界裂纹长度是多少？解：因为/ s 1000/1500=0.670.7不需修正厚板，为平面应变状态, =3.2mm考虑应力松弛的影响，临界裂纹长度为= 6.4mm第五章金属的疲劳1、疲劳在变动载荷和应变长期作用下，因累积损失而引起的断裂现象。2、疲劳断裂的特点，疲劳断裂的宏观（贝纹线）与微观特征（存在疲劳条带）疲劳断裂：金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于积累损伤而引起的断裂金属疲劳断裂的特点：.疲劳断裂是低应力脆性断裂，断裂应力低于材料的屈服强度，没有先兆，没有宏观塑性变形。.疲劳是与时间有关的一种失效方式，是累积损伤过程，即变化逐渐发生，逐渐累积。.疲劳断裂

26、对材料的微观组织和材料的缺陷更为敏感，几乎总是在材料表面的缺陷处产生。.疲劳断裂也是由裂纹形成和扩展两个阶段组成，裂纹扩展的亚临界扩展期很长。疲劳宏观断口的特征及其形成过程。【低应力循环延时断裂；脆性断裂；对缺陷敏感】断口分为疲劳源，疲劳区和瞬断区三个。疲劳源：光亮度最大，平滑疲劳区：断口比较光滑并分布有贝纹线，贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线瞬断区：断口比较疲劳区粗糙，脆性材料为结晶状断口，韧性材料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。形成过程：疲劳裂纹萌生，裂纹压稳扩展，裂纹失稳扩展，断裂疲劳微观断口的主要特征及其形成模型。疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征

27、，略呈弯曲并相互平行的沟槽花样。每一条疲劳条带可以视作一次应力循环的扩展痕迹，裂纹的扩展方向与条带垂直。形成模型：塑性钝化模型疲劳裂纹扩展的第二阶段是在应力循环下，裂纹尖端钝锐交替交化的过程，疲劳条带就是这种疲劳裂纹扩展所留下的痕迹。3、疲劳曲线（S-N曲线），疲劳极限；疲劳曲线：所加应力max与断裂周次N的关系曲线应力寿命曲线。两类疲劳曲线 (1) 具有应变时效现象的合金，疲劳曲线上有明显的水平部分，所对应的应力值为-1(疲劳极限),即为：经无限次循环也不会使材料发生断裂的最大应力。(2) 不存在应变时效的合金，疲劳曲线上没有水平部分。规定：某一N0值对应的max作为“条件疲劳极限”。铸铁等

28、 N0107次；有色金属N0108。疲劳试验结果的离散性很大，实际需要多次进行实验，测得一系列曲线，形成曲线带，具体结果应用统计处理。材料能经受无限次应力循环而不发生疲劳断裂的最大应力，称疲劳极限。疲劳曲线上的水平部分所对应的应力。4、过载损伤，过载损伤界，过载持久值，过载损伤区；金属在高于疲劳极限应力条件下运行一定周期后，其疲劳即系的应力减少，造成过载损伤。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-1应力下的“非扩展裂纹”尺寸的循环次数。过载损伤区：过载损伤界与疲劳曲线高应力区直线段之间的影线区。金属材料在高于疲劳极限的应力下运行时，发生疲劳断裂的应力循环周次，称为材料

29、的过载持久值，单位：周次。过载损伤区：过载损伤界与疲劳曲线高应力区直线段之间的影线区。5、疲劳缺口敏感度及其代表的意义；【反应疲劳过程中，应力重新分布，降低应力集中的能力】疲劳缺口敏感度：金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性，称疲劳缺口敏感度。，式中, ，为无缺口光滑试样的疲劳极限，为有缺口光滑试样的疲劳极限。：疲劳缺口系数与缺口的几何形状及材料有关。：理论应力集中系数只与缺口的几何形状有关。 1、0，1，即-1，缺口不降低-1，应力集中完全被消除，疲劳缺口敏感性最小。1，表示缺降低疲劳极限最严重，疲劳缺口敏感性最大。01，随从0上升到1，疲劳缺口敏感性上升。2、高周疲劳时，大多数金属都对缺口十分敏感；低周疲劳时，对缺口不敏感。3、钢的强度增加，疲劳缺口敏感度增大。4、缺口根部曲率半径越小，缺口越尖锐，值越低。6、疲劳裂纹扩展门槛值，与的区别；疲劳裂纹扩展门槛值Kth（1）定义：疲劳裂纹不扩展的应力强度因子幅K的临界值称为疲劳裂纹扩展门槛值。（2）意义：表示材料阻止疲劳裂纹扩展的性能，Kth越大，阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大是材料的力学性能指标。Kth约为KIc的510%对组织、环境、应力很敏感。 (3)条件疲劳裂纹扩展门槛值：工程上规定平面应变状态下， da/d