工程材料力学性能xx.doc

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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除材料力学性能复习第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 1. 弹性变形及其物理意义？定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹性变形。特点为：单调、可逆、变形量很小（0.51.0%）弹性的物理本质：金属的弹性性质是金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现。2. 塑性变形方式及特点。 塑性变形的方式：滑移-最主要的变形机制；孪生-重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形变时；晶界滑动和扩散性蠕变只在高温时才起作用； 形变带-滑移和孪生都不能进行的情况下才起作用。塑性变形的特点：（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性 各晶粒的取向不同 即 co

2、scos不同。对于具体材料，还存在 相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。（2）变形的相互协调性 多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。3. 影响金属屈服强度的因素有哪些？ 内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。外在因素：温度、应变速率和应力状态。（一）内因（1）金属本性及晶格类型纯金属单晶体的屈服强度从理论上来说是使位错开始运动的临界切应力，其值由位错运动所受的各种阻力决定，不同的金属及晶格类型，位错运动所受的各种阻力并不相同。阻力分为：1.位错运动的阻力：即

3、晶格阻力（P-N力），是在理想晶体中仅存一个位错运动时所需克服的阻力。2.位错间交互产生的阻力：又分为平行位错间交互作用产生的阻力和运动位错与林位错交互作用产生的阻力。（2）晶粒大小和亚结构晶界是位错运动的障碍，要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。晶粒小晶界多（阻碍位错运动）位错塞积提供应力位错开动 产生宏观塑性变形 。晶粒减小将增加位错运动阻碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度降低（细晶强化）。（3）溶质元素加入溶质原子（间隙或置换型）固溶体（溶质原子与溶剂原子半径不一样）产生晶格畸变产生畸变应力场与位错应力场交互运动 使位错受阻提高屈服强度 （固溶强化）。（4）第二相（

4、弥散强化，沉淀强化） 第二相分为可变形的和不可变形的。位错线只能绕过不可变形的第二向质点，为此必须克服弯曲位错的线张力。提高位错线张力绕过第二相留下位错环 两质点间距变小 流变应力增大。位错切过（产生界面能），使之与机体一起产生变形，提高了屈服强度。弥散强化：第二相质点弥散分布在基体中起到的强化作用。沉淀强化：第二相质点经过固溶后沉淀析出起到的强化作用。（二）外因（1）温度。一般的规律是温度升高，屈服强度降低。原因：派拉力属于短程力，对温度十分敏感。（2）应变速率。应变速率大，强度增加。（3）应力状态。切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低。4. 什么是加工硬化行为和包申格效应。应变硬

5、化是金属随着变形量的增加，其强度硬度增加，而塑性韧性下降，这种现象称为“形变强化”或“加工强化”。塑性应变是硬化的原因，硬化是塑性应变的结果，应变硬化是位错增值、运动受阻所致。包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。5. 金属的断裂类型及其机理。断裂的基本类型：1、根据断裂前塑性变形大小分类 脆性断裂；韧性断裂 2、根据断裂面的取向分类 正断；切断 3、根据裂纹扩展的途径分类 穿晶断裂；沿晶断裂 4、根据断裂机理分类 解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂纯剪切断裂，微孔聚集型断裂，

6、解理断裂（机理）（1）纯剪切断裂 金属材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的分离断裂。（2）微孔聚集型断裂 微孔形核、长大、聚合导致材料分离。（3）解理断裂 以极快速率沿一定晶体学平面，产生的穿晶断裂。解理面一般是指低指数晶面 或表面能量低的晶面。表1-6，P28）fcc金属一般不发生解理断裂。解理断裂总是脆性断裂。6. 什么解理断裂？（P23）是金属材料在一定的条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快的速率沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。第二章 金属在其他载荷下的力学性能 1. 压缩、弯曲和扭转变形应力状态有何特征。材料压缩的特点 应力

7、状态系数=2，即应力软状态，材料易产生塑性变形。 软钢 易压缩成腰鼓状、扁饼状。 铸铁 拉伸时断口为正断；压缩时沿45o方向切断。 塑性变形小的材料，或者使用工况为压缩状的材料，应采用压缩实验。弯曲试验的特点弯曲试验常用于测定脆性材料的力学性能。 （1）正应力 上表面为压应力，下表面为拉应力； （2）表面应力最大，可反应表面缺陷，中心的为零； （3）力点处的作用力最大； （4）对试样的要求比拉伸时的宽松； （5）操作简单，方便，可用挠度显示塑性。铸铁、工具钢、表面渗碳钢，常作弯曲试验。扭转特点在与试样轴线呈45的两个斜截面上作用最大与最小的正应力，1和3，在与试样轴线平行和垂直的截面上作用最大

8、切应力。纵向-受力均匀；横向-表面最大，心部为0；最大正应力与最大切应力相等。特点：（1）能检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能。=0.8，比拉伸时大。（2）长度方向，宏观上的塑性变形始终是均匀的。（3）能敏感地反映材料表面的缺陷与性能（4）断口的特征最明显（正断、切断、层状断口等）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45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

9、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

10、，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。2. 什么是缺口效应，缺口强化？缺口效应-材料内部存在裂纹，或体积较大的缺陷。零件上有螺纹、键槽、油孔、退刀槽，焊缝等沟槽。缺口产生应力集中，“缺口效应”。引起三向拉应力状态，使材料脆化；由应力集中产生应变集中；使缺口附近的应变速率增高。 缺口强化-塑性较好的材料，若根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大，塑性区逐渐扩大，直至整个截面。应力最大处则转移到离缺口根部ry距离处。y，x，z均为最大值。随塑性变形逐步向试样内部转移，各应力峰值越来越大。试样中心区的y最大。出现“缺口强化”（

11、三向拉应力约束了塑性变形），塑性降低，影响材料的安全使用。3. 布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度测试原理是什么，各自有何优缺点？ 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

12、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

13、查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低的多。第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 1. 冲击载荷与静载荷的主要区别是什么？（1）与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。（2）吸收的冲击能测不准。时间短；机件；与机件联接物体的刚度。通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。（3）材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。 弹性变形的速度4982m/s（声速）,普通摆锤冲击试验的绝对变形速度55.5m/s。2. 什么是冲击韧性？材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的大小。3. 什么是低温脆性，如何预防材料低温脆性？（P59）低温脆性现象：在低温下，材料的脆性急剧增加。对压力容器

14、、桥梁、汽车、船舶的影响较大。实质为温度下降，屈服强度急剧增加。F.C.C金属，位错宽度比较大，一般不显示低温脆性。影响材料低温脆性的因素有（P63）：1晶体结构：对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高，材料脆性断裂趋势明显，塑性差。2化学成分：能够使材料硬度，强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差，材料脆性提高。3显微组织：晶粒大小，细化晶粒可以同时提高材料的强度和塑韧性。因为 晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒细小，晶界总面积增加，晶界处塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；同时晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。金相组织：较低强度水平时强度相等而组织不同的钢，冲击

15、吸收功和韧脆转变温度以马氏体高温回火最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，当其尺寸增大时均使材料韧性下降，韧脆转变温度升高。4. 影响金属材料低温脆性的因素有哪些？一、晶体学特性 晶体结构：f.c.c不存在低温脆性。 b.c.c和某些h.c.p的低温脆性严重。（Sn） 位错：位错宽度大，不显示低温脆性。层错能，韧性。形成柯氏气团，韧性。二、冶金因素（1）溶质元素-间隙原子，使韧性。置换式溶质，对韧性影响不明显。杂质元素S、P、As、Sn、Sb 使韧性（2）显微组织a）晶粒大小b）金相组织-回火索氏体贝氏体珠光体，韧性。第二相（大小、形

16、态、数量、分布）三、外部因素1、温度-钢的“蓝脆”525550（钢的氧化色为蓝色）。C、N原子扩散速率增加，形成柯氏气团。2、加载速率-加载速率，脆性，韧脆转变温度tk ;3、试样尺寸和形状-试样增厚，tk（表面上的拉压应力最大）;带缺口，不带缺口；脆性及tk不同。第四章 金属的断裂韧度 1. 什么是K判据，什么是G判据，二者有哪些联系和区别？裂纹扩展K判据：裂纹在受力时只要满足 ，就会发生脆性断裂.反之，即使存在裂纹，若 也不会断裂。P71裂纹扩展G判据： ，当满足上述条件时裂纹失稳扩展断裂。P77和 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

17、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。P71 P77 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，MPam2. 裂纹的扩展形式有哪些，各自有何特征？（P67） （1）张开型（I型）裂纹扩展 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。（2）滑开型（II型）

18、裂纹扩展 切应力平行于裂纹面，而且与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。（3）撕开型（III型）裂纹扩展 切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线平行，裂纹沿撕裂面撕开扩展。实际裂纹的扩展并不局限于这三种形式，往往是它们的组合。在这些不同的裂纹扩展形式中，以I型裂纹扩展最危险，容易引起脆性断裂。3. 什么是应力场强度因子KI和断裂韧度KIC？（P68 P70）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。【P68】断裂

19、韧度：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。4. 如何利用K判据判断工件的安全性（课后习题）。K判据解决了经典的强度理论不能解决存在宏观裂纹为什么会产生低应力脆断的原因。K判据将材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来，可直接用于设计计算，估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹最大尺寸，以及用于正确选择机件材料、优化工艺等。P71/P8316.有一大型板件，材料的0.2=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

20、判断该件是否安全？解：由题意知穿透裂纹受到的应力为=900MPa根据/0.2的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否休要修正 因为/0.2=900/1200=0.750.7，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：（MPa*m1/2）塑性区宽度为 =0.004417937(m)= 2.21(mm)比较K1与KIc：因为K1=168.13（MPa*m1/2）KIc=115（MPa*m1/2）所以：K1KIc ，裂纹会失稳扩展 , 所以该件不安全。17.有一轴件平行轴向工作应力150MPa，使用中发现横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深度的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a

21、/c可以确定=1，测试材料的0.2=720MPa ，试估算材料的断裂韧度KIC为多少？解： 因为/0.2=150/720=0.2080.7，所以裂纹断裂韧度KIC不需要修正对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：KIC=Ycac1/2对于表面半椭圆裂纹，Y=1.1/=1.1所以，KIC=Ycac1/2=1.1=46.229（MPa*m1/2）5. 裂纹尖端塑性区的产生和影响因素是什么？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：裂纹在厚板中所处的位置，板中心处于平面应变状态，塑性区较小；板

22、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。6. KIC与材料强度和塑性之间关系。总的来说，断裂韧度随强度的升高而降低。KIC是强度和塑性的综合性能。详见P80第五章 金属的疲劳 1. 什么是金属的疲劳行为，有何特征？材料构件在变动应力和应变的长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂的现象疲劳。特点（1）断裂应力b，甚至0.5，高温和应力的作用下，空位、原子的定向扩散（不均匀应力场）材料产生蠕变。 3、晶界滑动 高温和应力的作用下，晶粒发生转动（即晶界滑动）。晶粒减小，晶界滑动对蠕变的作用越大2. 金属高温力学性能受哪些因素的影响？ 影响高

23、温力学性能的因素 1、材料本身（材质） （1）熔点高，自扩散激活能高的金属或合金，增大晶格阻力。 （2）显微组织。晶粒度适当加大；结构复杂的第二相，并形成网状骨架； 2、提高冶炼质量和采取热处理 减少低熔点夹杂物；晶内形成多边化的亚晶界（热处理后）。 第九章 聚合物材料的力学性能 1. 什么是聚合物，有什么特征？ 分子质量大于1万以上的有机化合物称为高分子材料，它是由许多小分子聚合而成，故又称为聚合物或高聚物。聚合物为复合物（各个巨分子的分子量不一定相同）；聚合物有构型、构象的变化；分子之间可以有各种相互排列。聚合物的主要物理、力学性能特点 (1)密度小 1.02.0g/cm2,是钢的1/4、

24、陶瓷的1/2。 (2)高弹性 弹变1001000，金属只有0.11.0。 (3)弹性模量小 E=0.44.0GPa，而金属则为30300GPa。（刚度差） (4)粘弹性明显 高弹性对时间有强烈依赖性。应变落后于应力：室温下可能产生蠕变和应力松弛。 2. 什么是粘弹性和银纹化？ （1）聚合物在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为称为粘弹性。聚合物在粘流态下可具有部分弹性，其弹性变形符合虎克定律，呈线性粘弹性行为。（2）银纹是非晶态聚合物塑性变形的一种特殊形式，银纹的形成增加聚合物的韧性，因为它使聚合物的应力得到松弛；同时，银纹中的微纤维表面积大，可吸收能量，对增加韧性也有作用。聚

25、合物形成银纹类似于金属韧性断裂前产生的微孔。3. 聚合物为什么会产生粘弹性？ （1）静态粘弹性蠕变与应力松弛。大多数聚合物的tg和tm稍高于室温，所以在室温下聚合物就已有明显的蠕变与应力松弛行为。是大分子在外力长时间作用下，逐渐发生构象改变或位移变化的结果。（2）聚合物的应变随时间的变化始终落后于应力的变化，这一滞后效应称为动态粘弹性现象。由于存在滞后效应，使聚合物在交变应力作用下，应变来不及完全恢复。第十章 陶瓷材料的力学性能 1. 陶瓷材料的变形与断裂与金属材料有何区别？（P192） 陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂，与金属材料相比，具有以下特点：1、弹性变形 （1）弹性模量大。 E值大

26、，是金属材料的2倍以上。共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。（2）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量。结构不均匀性；缺陷。（3）气孔率，弹性模量2、塑性变形 （1）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。 （2）1000以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）。 （3）陶瓷的超塑性。是微晶超塑性。晶界滑动，晶界液相流动。存在条件：超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在液相或无定形相。3、断裂 以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，从最薄弱处裂纹扩展，瞬时脆断。陶瓷的主要断裂机制：解理。且容易从穿晶变为沿晶断裂。2. 陶瓷材料的增

27、韧方式和机理。 陶瓷材料的增韧： （1）改善组织（细密、纯、匀，减少应力集中）； （2）相变增韧(外力作用诱发相变，并伴有体积膨胀，消耗外加能量，使材料增韧).但相变增韧受温度限制（800以下）； （3）微裂纹增韧（当主裂纹遇到微裂纹时，发生分叉转向前进，增加扩展过程中的表面能；并松弛主裂纹尖端的应力集中，减慢裂纹扩展速度）。1.改善陶瓷显微结构使材料达到细密、均、纯，是陶瓷材料增韧增强的有效途径之一。晶粒形状也影响陶瓷的韧性。晶粒长宽比增加，断裂韧度增加。2.相变增韧在外力作用下，陶瓷从亚稳定相转变为稳定相，消耗一部分外加能量，使材料增韧。相变增韧受使用温度限制。3.微裂纹增韧当主裂纹扩展遇

28、到微裂纹时，发生分叉转变扩展方向，增加扩展过程的表面能；同时，主裂纹尖端应力集中被松弛，致使扩展速度减慢。3. 什么是陶瓷材料的抗热震性，如何提高陶瓷材料的抗热震性能？ 抗热震性（热冲击）材料承受温度骤变而不破坏的能力。提高热震损伤抗力：要求E高， 低，断裂表面能低的材料。在热震损伤情况下， 高的材料裂纹易于扩展。反复的加热、冷却，裂纹扩展，强度急剧下降，机件局部有可能发生剥落或崩裂，这就是热震损伤过程。第十一章 复合材料的力学性能 1. 什么是复合材料，有什么性能特点？ （P206）是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。性能特点：1、高比强度、比弹性模量；2、各向异性；

29、3、抗疲劳性能好；4、减振性能好5、可设计性强。2. 什么是混合定律，如何计算复合材料的强度？（P209、P213）复合材料的性能与组分材料体积含量变化呈线性关系的一种假设。公式（11-6）就是单向复合材料纵向弹性模量的计算公式，称混合定律。加上修正系数K：Ecl1=KEfVf+Em(1-Vf) （11-7）（1）.复合材料的抗拉强度CLu=mu(1-Vf)（2.）拉压型和剪切型失稳模型中，纵向抗压强度分别为 式11-44和式11-453复合材料韧性的主要机理。 断裂韧性：指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。是应力强度因子的临界值。常用常数K表示。当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。【精品文档】第 9 页