2022年力学性能知识点 .pdf

环面积：被金属所吸收的变形功。也表示循环韧性的大小。屈服现象与三个因素有关：材料变形前可动位错的密度很小，随塑形变形发生位移快速增值，位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。材料屈服强度：表示材料对微量塑性变形的抗力。下屈服极限：再现性较好。S=ken n 应变硬化指数 =1 完全理想弹性体=0 没有应变强化能力缩颈：塑变集中于局部区域的特殊现象。是应变硬化落后于截面减小的结果。当材料的应变硬化指数等于或大于最大真实均匀塑性应变量是产生。断面收缩率 断后伸长率是形成缩颈差越大越严重缺口敏感度 nsr1 不敏感脆性材料总是小于 1 划痕法：表征金属切断强度回跳法：金属弹性变形力的大小压入发：金属塑性变形抗力及应变硬化能力 Ki： 可度量裂纹扩展时系统势能的释放量疲劳缺口敏感度： qf=kf-1/kt-1 （0-1）kf1 大小决定开口明显曾度开口比不开口极限低 0k=kmax-kmin 应力强度因子范围0kth 表示阻止疲劳裂纹开始扩展的性能金属接触疲劳由最大综合切应力引起第一章循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。 5解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 6塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。 韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为 b 的台阶。8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大 ,当汇合台阶高度足够大时 ,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志。 9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后， 以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂， 也可以是脆性断裂。沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时， 冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变 12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的， 多数工程材料弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象 ,称之为弹性不完整性。弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等 2、说明下列力学性能指标的意义。答： G切变模量 n 应变硬化指数 3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。 组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。6、 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的宏观塑性变形的断裂， 这种断裂有一个缓慢的撕裂过程， 在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂， 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。7、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？答： 剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离， 一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂， 解理断裂通常是脆性断裂。 8、 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。第二章金属在其他静载荷下的力学性能一、解释下列名词：（1） 应力状态软性系数 材料或工件所承受的最大切应力max和最大正应力 max比值（2）缺口效应 绝大多数机件的横截面都不是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，这种截面变化的部分可视为“ 缺口” ，由于缺口的存在，在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。（ 3）缺口敏感度 缺口试样的抗拉强度 bn的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度b 的比值，称为缺口敏感度（ 4）布氏硬度用钢球或硬质合金球作为压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。 （5）洛氏硬度采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度所表示的硬度（ 6）维氏硬度 以两相对面夹角为 136。的金刚石四棱锥作压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。（1） 材料的抗压强度（2） 材料的抗弯强度（3） 材料的扭转屈服点（4） 材料的抗扭强度（5） 材料的抗拉强度精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - - （6）NSR材料的缺口敏感度（7）HBW压头为硬质合金球的材料的布氏硬度（8）HRA材料的洛氏硬度（9）HRB材料的洛氏硬度（10）HRC材料的洛氏硬度（11）HV材料的维氏硬度三、试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围。试验方法特点应用范围拉伸温度、应力状态和加载速率确定，采用光滑圆柱试样， 试验简单，应力状态软性系数较硬。塑性变形抗力和切断强度较低的塑性材料。压缩应力状态软，一般都能产生塑性变形， 试样常沿与轴线呈 45o 方向产生断裂，具有切断特征。脆性材料，以观察脆性材料在韧性状态下所表现的力学行为。弯曲弯曲试样形状简单， 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。测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。也常用于比较和鉴别渗碳和表面淬火等化学热处理机件的质量和性能。扭转应力状态软性系数为 0.8，比拉伸时大，易于显示金属的塑性行为；试样在整个长度上的塑性变形时均匀，没有紧缩现象，能实现大塑性变形量下的试验；较能敏感地反映出金属表面缺陷和及表面硬化层的性能；试样所承受的最大正应力与最大切应力大体相等用来研究金属在热加工条件下的流变性能和断裂性能，评定材料的热压力加工型，并未确定生产条件下的热加工工艺参数提供依据； 研究或检验热处理工件的表面质量和各种表面强化工艺的效果。五、缺口试样拉伸时的应力分布有何特点？在弹性状态下的应力分布：薄板：在缺口根部处于单向拉应力状态，在板中心部位处于两向拉伸平面应力状态。 厚板：在缺口根部处于两向拉应力状态， 缺口内侧处三向拉伸平面应变状态。 无论脆性材料或塑性材料，都因机件上的缺口造成两向或三向应力状态和应力集中而产生脆性倾向， 降低了机件的使用安全性。为了评定不同金属材料的缺口变脆倾向， 必须采用缺口试样进行静载力学性能试验。六、试综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏斜拉伸试验的特点。偏斜拉伸试验：在拉伸试验时在试样与试验机夹头之间放一垫圈，使试样的轴线与拉伸力形成一定角度进行拉伸。 该试验用于检测螺栓一类机件的安全使用性能。光滑试样轴向拉伸试验：截面上无应力集中现象， 应力分布均匀，仅在颈缩时发生应力状态改变。缺口试样轴向拉伸试验：缺口截面上出现应力集中现象， 应力分布不均，应力状态发生变化，产生两向或三向拉应力状态， 致使材料的应力状态软性系数降低， 脆性增大。偏斜拉伸试验：试样同时承受拉伸和弯曲载荷的复合作用，其应力状态更 “ 硬” ，缺口截面上的应力分布更不均匀，更能显示材料对缺口的敏感性。 七、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。原理布氏硬度：用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位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。 缺点：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，而且压痕测量精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - - 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。 八.今有如下零件和材料需要测定硬度，试说明选择何种硬度实验方法为宜。（ 1）渗碳层的硬度分布；（2）淬火钢；（ 3）灰铸铁；（4）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体；（5）仪表小黄铜齿轮；（6） 龙门刨床导轨；（7）渗氮层；（8）高速钢刀具；（9）退火态低碳钢；（10）硬质合金。（ 1）渗碳层的硬度分布- HK 或-显微HV（2）淬火钢-HRC（3）灰铸铁-HB（4）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体 -显微 HV 或者 HK （5）仪表小黄铜齿轮 -HV（6）龙门刨床导轨 -HS（肖氏硬度）或 HL(里氏硬度)（7）渗氮层-HV（8） 高速钢刀具-HRC（9）退火态低碳钢 -HB（10）硬质合金- HRA 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能冲击吸收功: 缺口试样冲击弯曲试验中，摆锤 冲 断 试 样 失 去 的 位 能 为mgH1-mgH2。此即为试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功， 以表示， 单位为 J 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。韧性温度储备:材料使用温度和韧脆转变温度的差值，保证材料的低温服役行为。五. 试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。 焊接容易在焊缝处形成粗大金相组织气孔、夹渣、未熔合、未焊透、错边、 咬边等缺陷，增加裂纹敏感度，增加材料的脆性，容易发生脆性断裂。七. 试从宏观上和微观上解释为什么有些材料有明显的韧脆转变温度，而另外一些材料则没有？宏观上，体心立方中、低强度结构钢随温度的降低冲击功急剧下降，具有明显的韧脆转变温度。 而高强度结构钢在很宽的温度范围内， 冲击功都很低，没有明显的韧脆转变温度。面心立方金属及其合金一般没有韧脆转变现象。 微观上，体心立方金属中位错运动的阻力对温度变化非常敏感，位错运动阻力随温度下降而增加，在低温下，该材料处于脆性状态。而面心立方金属因位错宽度比较大，对温度不敏感，故一般不显示低温脆性。 体心立方金属的低温脆性还可能与迟屈服现象有关，对低碳钢施加一高速到高于屈服强度时，材料并不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期（称为迟屈时间） 才开始塑性变形，这种现象称为迟屈服现象。 由于材料在孕育期中只产生弹性变形，没有塑性变形消耗能量， 所以有利于裂纹扩展，往往表现为脆性破坏。第四章 金属的断裂韧度1、名词解释低应力脆断： 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。张开型 （型） 裂纹：拉应力垂直作用于裂纹扩展面， 裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展的裂纹。应力场强度因子： 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 型裂纹小范围屈服： 塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸为小时（小一个数量级以上），这就称为小范围屈服。有效屈服应力：裂纹在发生屈服时的应力。有效裂纹长度：因裂纹尖端应力的分布特性，裂尖前沿产生有塑性屈服区，屈服区内松弛的应力将叠加至屈服区之外， 从而使屈服区之外的应力增加，其效果相当于因裂纹长度增加ry 后对裂纹尖端应力场的影响，经修正后的裂纹长度即为有效裂纹长度 : a+ry 。3、试述低应力脆断的原因及防止方法。答： 低应力脆断的原因：在材料的生产、机件的加工和使用过程中产生不可避免的宏观裂纹，从而使机件在低于屈服应力的情况发生断裂。预防措施：将断裂判据用于机件的设计上， 在给定裂纹尺寸的情况下，确定机件允许的最大工作应力，或者当机件的工作应力确定后，根据断裂判据确定机件不发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸。 4、为什么研究裂纹扩展的力学条件时不用应力判据而用其它判据？答：由 41 可知，裂纹前端的应力是一个变化复杂的多向应力，如用它直接建立裂纹扩展的应力判据，显得十分复杂和困难；而且当 r0 时，不论外加平均应力如何小，裂纹尖端各应力分量均趋于无限大，构件就失去了承载能力，也就是说，只要构件一有裂纹就会破坏，这显然与实际情况不符。这说明经典的强度理论单纯用应力大小来判断受载的裂纹体是否破坏是不正确的。 因此无法用应力判据处理这一问题。 因此只能用其它判据来解决这一问题。 7、试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。答：机件上由于存在裂纹，在裂纹尖端处产生应力集中，当 y 趋于材料的屈服应力时，在裂纹尖端处便开始屈服产生塑性变形，从而形成塑性区。 影响塑性区大小的因素有：裂纹在厚板中精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - - 所处的位置，板中心处于平面应变状态，塑性区较小；板表面处于平面应力状态，塑性区较大。但是无论平面应力或平面应变，塑性区宽度总是与（ KIC/s)2成正比。13、断裂韧度与强度、塑性之间的关系：总的来说，断裂韧度随强度的升高而降低。15、影响的冶金因素：内因： 1、学成分的影响；2、集体相结构和晶粒大小的影响；3、杂质及第二相的影响；4、显微组织的影响。 外因：1、温度；2、应变速率第五章 金属的疲劳 3. 试 述 金 属 疲 劳 断 裂 的 特点（1）疲劳是低应力循环延时断裂，机具有寿命的断裂（ 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4试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程答：典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域 疲劳源、疲劳区及瞬断区。（ 1） 疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，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，另疲劳源的贝纹线细小。（2） 疲劳区的疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域， 是判断疲劳断裂的重要特征证据。 特征是：断口比较光滑并分布有贝纹线。断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。贝纹线是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动与停歇，偶然过载引起的载荷变动， 使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。（3） 瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。其断口比疲劳区粗糙，脆性材料为结晶状断口， 韧性材料为纤维状断口。12 试述金属表面强化对疲劳强度的影响。答：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。第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂 3、白点：当钢中含有过量的氢时，随着温度降低氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成氢分子。此时，氢的体积发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕裂，而形成微裂纹。 4、氢化物致脆： 对于B 或B 族金属，由于它们与氢有较大的亲和力， 极易生成脆性氢化物，是金属脆化，这种现象称氢化物致脆。 5、由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。 二、说明下列力学性能指标的意义 1、scc ：材料不发生应力腐蚀的临界应力。 2、KIscc：应力腐蚀临界应力场强度因子。3、da/dt ：盈利腐蚀列纹扩展速率。 7如何识别氢脆与应力腐蚀？。答： 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，氢浓集在这里造成断裂。 3、氢脆断裂的主裂纹没有分枝的悄况这和应力腐蚀的裂纹是截然不同的。4、氦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。 接触疲劳：两接触面做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金属剥落而使材料损失的现象。第八章 金属高温力学性能蠕变：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。 等强温度（TE）：晶粒强度与晶界强度相等的温度。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。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。一、和常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点 ?答案：1、首先，材料在高温将发生蠕变现象。材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。应变速率越低，载荷作用时间越长， 塑性降低得越显著。 2、高温应力松弛。 3、产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降。二、提高材料的蠕变抗力有哪些途径 ?答案：加入的合金元素阻止刃位错的攀移，以及阻止空位的形成与运动从而阻止其扩散。精品资料 - 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