材料力学性能总思考题1.docx

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材料力学性能总思考题1

材料力学性能总思考题

（1）

第一章

1什么是材料力学性能？

有何意义？

材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。

2金属拉伸试验经历哪几个阶段？

拉伸试验可以测定哪些力学性能？

三个阶段：

弹性变形阶段；塑性变形阶段；断裂

可测定的性能：

屈服强度，抗拉强度，断后伸长率，断面收缩率

3拉伸曲线有何作用？

拉伸曲线各段图形分别意味着什么？

拉伸曲线可测定材料的屈服强度，抗拉强度，断后伸长率，断面收缩率等力学性能指标；

4不同材料的拉伸曲线相同吗？

为什么?

不同；

材料的组织结构不同，成分不同，所处温度、应力状态不同，拉伸曲线也不同。

5材料的拉伸应力应变曲线发现了哪几个关键点？

这几个关键点分别有何意义？

真实应力应变曲线关键点是颈缩点工程应力应变是屈服强度

7弹性变形的实质是什么？

金属晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。

8弹性模量E的物理意义？

E是一个特殊的力性指标，表现在哪里？

材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。

E=ζ/ε。

弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。

弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。

它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。

特殊表现：

金属材料的E是一个对组织不敏感的力学性能指标，温度、加载速率等外在因素对其影响不大，E主要决定于金属原子本性和晶格类型。

①ζb标志韧性金属材料的实际承载能力

②ζb是脆性材料的断裂强度，用于产品设计，其许用应力便以ζb为判据

③ζb的高低决定于屈服强度和应变硬化指数

④ζb与布氏硬度HBW、疲劳极限ζ-1之间有一定的经验关系。

、

22塑性及其表示和实际意义；

塑性是指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。

表示：

金属材料常用的塑性指标为断后伸长率和断面收缩率

断后伸长率δ=（L1-L0）/L0X100%

断面收缩率ψ=（A0-A1）/A0X100%

实际意义：

金属的塑性指标通常不能直接用于机件的设计，但对静载下工作的机件，都要求材料具有一定塑性，以防止偶然过载时产生突然破坏。

塑性指标是安全力学性能指标塑性对金属成型加工很有意义塑性变形能力，反应形变强化容量，利于机器装配、修复塑性大小反应冶金质量好坏

23静力韧度的物理意义。

金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功定义为静力韧度，它是强度和塑性的综合指标。

24静拉伸的断口形式；

正断：

切断混合断

25静拉伸断口三要素及其意义；

纤维区、放射区、和剪切唇。

26解理断裂及其微观断口特征；

解理断裂是指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。

微观断口特征：

解理台阶、河流花样、舌状花样。

27河流花样实际上是许多解理台阶，不是在单一的晶面上，是由解理台阶的侧面汇合而形成的。

29穿晶断裂、沿晶断裂；脆性断裂、韧性断裂；

穿晶断裂：

裂纹穿过晶内的断裂为穿晶断裂；

沿晶断裂：

裂纹沿晶界扩展的断裂为沿晶断裂；

脆性断裂：

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，危

害性很大；

韧性断裂：

金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，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。

第二章 

1应力状态软性系数α及其意义；

最大切应力τmax和最大正应力σmax的比值表示它们的相对大小，称为应力状态软性系数α。

意义：

α值越大的试验方法，试样中最大切应力分量越大，表示应力状态越软，金属越易产生塑性变形和韧性断裂；反之，试样中最大正应力分量越大，应力状态越硬，金属越不易产生塑性变形而易于产生脆性断裂。

注意，α的绝对值并不能评定材料的塑性变形特性。

4缺口效应及其产生原因；缺口效应：

1）缺口三向应力状态产生应力集中

2）缺口强化：

塑性材料缺口试样的屈服强度高于光滑试样；强度增加，塑性降低

3）由应力集中产生应变集中

4）缺口附近应变速率高于平均应变速率

产生原因：

缺口产生应力集中，引起三向应力状态，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加。

6应力集中系数和缺口敏感度；

缺口引起的应力集中程度通常用应力集中系数Kt表示，定义为缺口净截面上的最大应力σmax与平均应力σ之比。

Kt值与材料性质无关，只决定于缺口几何形状。

缺口敏感度：

金属材料的缺口敏感性指标用缺口试样的抗拉强度σbn与等截面

尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值表示，称为缺口敏感度NSR。

NSR越大，缺口敏感性越小。

8硬度测试方法有几种（三类）？

划痕法，回跳法压入法

9金属硬度测试的意义（或者硬度测试为什么广泛应用）？

1）设备简单，操作方便，迅速，不破表面

2）测量局部区域抵抗变形、断裂的能力

3）敏感地反映出金属材料的化学成分和组织结构的差异

4）所测硬度不是单独的力学性能指标，与其它力学性能有一定关系

5）硬度试验特别是压入法硬度试验在生产及科学研究中得到了广泛的应用

10布氏硬度原理；

用一定直径D（mm）的硬质合金球为压头，施以一定的试验力F（N），将其压入试样表面，经规定保持时间t（s）后卸除试验力，试样表面将残留压痕。

测量压痕平均直径d（mm），求的压痕球形面积A（mm2）。

布氏硬度值（HBW）就是试验力F除以压痕球形面积A所得商，F以N为单位时，HBW=0.102F/A

11布氏硬度的相似原理；

使P2/D2为一常数，保证得到几何相似的压痕（即压痕的压入角保持不变），即保证对同一材料得到相同的HB值，即相似原理。

12布氏硬度的特点和适用范围；

一般采用直径较大的压头球，因而所得压痕面积较大。

压痕面积大的优点是其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，而不受个别组成相及微小不均性的影响，试验数据稳定，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，当压痕直径较大时，不宜在成品上进行试验。

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。

13布氏硬度的表示；

1硬度值②符号HBW③球直径④试验力⑤试验力保持时间（10~15s不标

14洛氏硬度及其表示；

原理：

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，洛氏硬度值以压痕深度h来计算

HR=（k-h）/0.002。

当使用金刚石圆锥压头，k取0.2mm，

当使用淬火钢球或硬质合金球，k取0.26mm。

表示方法：

硬度值、符号HR、标尺字母。

15洛氏硬度的特点和适用范围；

优点：

操作简便迅速，硬度值可直接读出；压痕较小，可在工件上进行试验；采用不同标尺可测定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验。

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彼此无关，不能直接比较。

适用范围：

由于洛氏硬度试验所用试验力较大，不能用来测定极薄试样、渗氮层及金属镀层等的硬度。

第三章

1冲击载荷及对金属力学性能的影响；

冲击载荷：

加载速度很快而作用时间很短的突发性载荷。

影响：

主要表现在以下几个方面：

①局部大变形；②温度效应引起的绝热剪切掖坏；③应力波相互作用造成的崩落破坏；④应变率效应引起的动态脆性。

2加载速率、形变速率；

加载速率：

指载荷施加于试样时的速率，用单位时间内应力增加的数值表示；

形变速率：

单位时间内的变形量。

3三个材料脆化因素；

温度、应变速率、应力状态。

4冲击韧性及其意义；

冲击韧性：

是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。

意义：

反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，冲击韧度指标能揭示材料的变

脆倾向。

5低温脆性（冷脆）；

材料因温度的降低导致冲击韧性急剧下降并引起脆性破坏的现象。

6韧脆转化温度及其意义；

韧脆转变温度：

当试验温度低于某一温度tk时，材料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，转变温度tk称为韧脆转变温度，也称冷脆转变温度。

意义：

①是金属材料的韧性指标，反应了温度对脆性的影响；

2安全指标，tk是从韧性角度选材的重要依据之一，可用于抗脆断设计，保证机件服役安全，但不能直接用来设计机件的承载能力或截面尺寸；

3依据材料的tk值，可以直接或间接估计机件的最低使用温度。

第四章 

1低应力脆断及其原因；

低应力脆断：

在应力水平低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象。

原因：

是由宏观裂纹扩展引起的。

由于裂纹破坏了材料的均匀连续性，改变了材

料内部应力状态和应力分布。

4应力场强度因子K1及其意义；

应力场强度因子KⅠ：

表示应力场强弱程度。

意义：

①KⅠ决定于裂纹的形状和尺寸，也决定于应力的大小，KⅠ越大，该点应力越高；②材料一定，裂纹尖端某一点位置给定时，应力分量唯一的决定于KⅠ之值；

③KⅠ综合表示外加应力裂纹长度对裂纹尖端应力场的大小或硬度的影响；

④KⅠ加载方式不同，几何形状不同，其表达式不同。

5K1c断裂韧性及其意义；

KⅠc断裂韧性：

当KⅠ增达到临界值时，裂纹失稳扩展导致材料断裂，这个临界'或失稳状态的KⅠ记做KⅠc或Kc，称为断裂韧度。

意义：

KⅠc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，KⅠc越大，材料越难断裂。

实际意义：

由材料的KⅠc，求工作应力ζ临界裂纹尺寸αc；由材料的KⅠc

和已有的α，求断裂应力σc；由ζc、α来选材。

6K1断裂判据的实用意义；

断裂K判据：

满足KⅠ≥KⅠc或Yζ√α≥KⅠc时，材料脆性断裂。

实际意义：

在工程上，它将材料断裂韧度同机件（或构件）的工作应力及裂纹尺

寸的关系定量地联系起来，因此可直接用于计算设计，如用以估算裂纹体的最大承载能力ζ、允许的裂纹尺寸α，以及用于正确选材、优化工艺等。

7K1和K1c的区别；

KⅠ是力学参量，只和载荷及试样尺寸有关，而和材料无关，而KⅠc是力学性能指标，只和材料成分和组织结构有关，而与载荷及试样尺寸无关。

8GI的物理意义；

GⅠ是使裂纹扩展单位长度的原动力，表示裂纹扩展单位长度所需的力。

9 GI判据；

GⅠ≥GⅠc时，裂纹失稳扩展，反之不断裂。

随ζ和α单独或共同增大都会使GⅠ增大，当GⅠ增大到GⅠc时，材料断裂。

10 GI与G1c的区别；

裂纹扩展能量释放率GI：

I型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值；

断裂韧度G1c：

GI的临界值，表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。

G1c是材料的性能指标，只与材料的成分、组织结构有关；而GI则是力学参量，只要取决于应力和裂纹尺寸。

第五章 

1应力的循环特征；

循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等。

常见的循环应力有以下几种：

对称交变应力：

如火车轴的弯曲对称交变应力、曲轴的扭转交变应力等；

脉动应力：

如齿轮齿根的循环弯曲应力；

波动应力：

发动机缸盖螺栓的循环应力

不对称交变应力：

如发动机连杆的循环应力

2疲劳及疲劳断裂的特点；

疲劳：

金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断

裂现象称为疲劳。

特点：

1疲劳时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疲劳对缺陷十分敏感。

3疲劳宏观断口特征；

疲劳断口有三个形貌不同的区域：

①疲劳源，光亮度最大；

②疲劳区，断口较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样）；

③瞬断区，脆性材料为结晶状断口，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。

4载荷、应力集中对断口形态的影响；

载荷：

偶然过载可引起载荷变化，使裂纹前沿残留下了弧状台阶痕迹贝纹线总出

现于实际中，变动载荷较平稳时，很难看到贝纹线。

应力集中：

应力集中大，尖锐，扩展区小，断裂区大，应力集中小，光滑，扩展

区大，断裂区小。

5贝纹线及其意义；

贝纹线：

是疲劳区的最大特征，一般认为它是由载荷变动引起的；

意义：

每个疲劳区的贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，其凹侧指向疲

劳源，凸侧指向裂纹扩展方向，或是相反的情况，这取决于裂纹扩展时裂

纹前沿线各点的前进速度。

9疲劳曲线及疲劳极限；

疲劳曲线：

金属承受最大交变应力与其相应的断裂循环周次之间的关系曲线

疲劳极限：

所加交变应力降低到某水平数值时，试样可承受无限次应力循环而不断裂，因此将水平部分所对应的应力称之为金属的疲劳极限。

10过载损伤、过载损伤界；

过载损伤：

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

劳寿命减少可造成过载损伤。

过载损伤界：

测出不同过载应力水平和相应的开始降低疲劳寿命的应力循环周

次，得到不同的实验点，连接各点，即可得到过载损伤界。

11过载持久值、耐久极限；

过载持久值：

过载损伤界与疲劳曲线高应力区直线段，该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；

过载损伤区：

过载损伤界与疲劳曲线高应力区直线段直接的影线区。

12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，常用疲劳缺口敏感度qf来评定。

qf=（Kf-1）/（Kt-1），Kf是疲劳缺口系数Kf＞1，是光滑试样和缺口试样疲劳极限之比。

13影响疲劳强度的因素；

（1）表面状态的影响：

①应力集中②表面粗糙度；

（2）残余应力及表面强化的影响；

（3）材料成分及组织：

①合金成分②显微组织③非金属夹杂物及冶金缺陷。

14提高疲劳强度的途径;

（1）提高强度：

合金化热处理，塑性变形，细化晶粒；

（2）提高塑性；

（3）减少表面的疲劳裂纹源，改善表面光洁度，改善表面应力集中，表面处理（压应力）；

（4）减少夹杂物。

、

15低周疲劳及其特点；

低周疲劳：

金属在循环载荷作用下，疲劳寿命为102~105次的疲劳断裂称为低周

疲劳。

特点：

（1）低周疲劳时，因局部区域产生宏观塑性变形，故循环应力与应变之间不在呈直线关系，形成滞后回线；

（2）低周疲劳试验时，或者控制总应变范围，或者控制塑性应变范围，在给定的△εt或△εp下测定寿命。

试验结果处理不用S-N曲线，而要改用△εt/2-2Nf或△εp/2-2Nf曲线，以描述材料的低周疲劳规律；

（3）低周疲劳有几个裂纹源，低周疲劳微观断口的疲劳条带较粗，间距也宽一些，常不连续；

（4）寿命决定于塑性应变幅。

16循环硬化和循环软化；

若金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力（形变抗力）不断增加，即为循环硬化，反之则为循环软化。

17高、低周疲劳的主要区别；

高周疲劳断裂寿命＞105周次，而低周疲劳寿命在102~105周次；高周疲劳断裂应力水平较低，ζ＜ζs，低周疲劳断裂应力水平较高，ζ≥ζs；高周疲劳弹性应变幅起主导作用，而低周疲劳是塑性应变幅起主导作用。

第六章

1 应力腐蚀及其特点；

金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象。

特点：

1）静应力，而且远低于材料的屈服强度，一般为拉伸应力；

2）脆性断裂，无明显的塑性变形；

3）特定的合金成分和特定的介质相组合造成；

4）裂纹扩展速率在10-9-10-6m/s，像疲劳，渐进缓慢，达到临界尺寸发生断裂；

5）裂纹源多起于表面蚀坑处，传播途径常垂直于拉力轴；

6）断口颜色灰暗，表面有腐蚀产物，新断口表面光滑有光泽；

7）主裂纹扩展时常有分枝；

8）可以是穿晶断裂或沿晶断裂。

2预防应力腐蚀的措施。

1）合理选择金属材料

2）减少或消除机件中的残余应力：

喷丸或其他表面处理方法

3）改善化学介质：

减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，添加缓蚀剂

4）采用电化学保护

3氢脆及四种氢脆类型，防止氢脆的措施；

由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象。

1）氢蚀由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化；

2）白点（发裂）钢中过量的氢随温度降低溶解度减小，若过饱和的氢未扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成氢分子，氢体积急剧膨胀，形成微裂纹；

3）氢化物致脆IVB或VB族金属与氢有较大亲和力，极易产生脆性氢化物，使金属脆化；

4）氢致延滞断裂高强度钢或α+β钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在金属内部尤其是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆断。

防止措施：

1）环境因素设法切断氢进入金属中的途径，或者控制这条途径上的某个关键环节，延缓在这个环节上的反应速度，使氢不进入或少进入金属中：

涂层，酸洗去氢，电镀

2）力学因素采用表面处理使表面获得残余压应力层，对防止氢致延滞断裂有良好作用；

3）材质因素含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性低。

4）限制钢的强度等级、细化晶粒、防止冷变形、制定正确的热加工工艺。

4应力腐蚀和氢脆的主要区别。

1）应力腐蚀为阳极溶解的过程，氢脆为阳极吸氧过程

2）应力腐蚀裂纹分枝较多，氢脆裂纹分枝没有或极少

3）应力腐蚀裂纹扩展方式为渐进式，氢脆为步进式

第七章

1 磨损及其分类（按磨损机理分）

机件表面相接触并作相对运动时，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即为磨损。

类型：

粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损（接触疲劳）、腐蚀磨损和微动磨损。

2粘着磨损是如何产生的?

如何提高材料的抗粘着磨损能力?

实际接触点局部应力引起塑性变形，使两接触面的原子产生粘着。

粘着点从软的一方被剪断转移到硬的一方金属表面，随后脱落形成磨屑。

旧的粘着点剪断后，新的粘着点产生，随后也被剪断、转移、如此重复，形成磨损过程。

措施：

选择合适的摩擦副配对材料选择原则:

配对材料的粘着倾向小，互溶性小，表面易形成化合物的材料，金属与非金属配对采用表面化学热处理改变材料表面状态，进行渗硫、磷化、碳氮共渗等控制摩擦滑动速度和接触压力，改善润滑条件，

3磨粒磨损及其类型；

当摩擦副一方表面存在坚硬的细微的突起，或者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一种磨损。

据磨粒所受应力大小不同可分为：

凿削式磨粒磨损、高应力碾碎性磨粒磨损、低应力擦伤性磨粒磨损。

4什么是微动磨损?

如何减少微动磨损?

接触表面之间因存在小振幅相对振动或往复运动而产生的磨损。

改善措施：

首先是加强紧配，保证足够的过盈量，避免产生微小振动。

化学热处理，提高摩擦副表面抗粘着能力，以减轻微动磨损。

钢制机件经表面渗硫或硫氮共渗处理，可显著提高抗微动磨损能力。

在摩擦副间加绝缘层或充填聚四氟乙烯，既防止微突起接触，又阻止氧参与磨损过程，可大大减轻微动磨损。

5腐蚀磨损，氧化磨损；

腐蚀磨损：

在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的磨损和脱落引起腐蚀磨损。

氧化磨损：

机件表面有氧的吸附层，当摩擦副作相对运动时，表面凸起部位压力大而产生塑性变形，加速了氧向金属内部扩散，形成强度低氧化膜，继而被摩擦副一方的凸起所剥落，裸露出新表面，从而又氧化，然后又被磨去。

如此，氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。

6接触疲劳、接触应力。

接触疲劳：

机件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或小块状金属剥落而使材料流失的现象；  

接触应力：

两物体相互接触时，在表面上产生的局部压入应力。

8接触疲劳影响因素。

内因：

非金属夹杂物热处理组织状态 表面硬度和心部硬度 硬化深度要适中

外因：

表面粗糙度 硬度匹配  

第八章

1材料在高温下的力学性能特点；

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；塑性和强度与温度和时间有关，都随时间延长而降低；温度和时间影响断裂形式，产生晶界扎穴和微孔；高温下，粗晶材料有较高强度；蠕变伴随高温应力松弛；蠕变产生疲劳磨损，使疲劳强度降低。

2蠕变、应力松弛；

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

应力松弛：

高温下工作的紧固件常出现上紧的螺栓使用一段时间后松弛了的现象。

（在规定温度和初始应力条件下，应力随时间增加而不断下降的现象。

）

3高温下的两种力学性能表示。

1）蠕变极限：

1在规定温度（t）下，使试样在规定时间内产生的稳态蠕变速率（ε）不超过规定值的最大应力，以符号σtε表示。

2在规定温度（t）下和实验时间（τ）内，使试样产生的蠕变总伸长率（δ）不超过规定值的最大应力，以符号σtδ/τ表示。

2）持久强度极限的表达式：

在规定温度（t）下，达到规定的持续时间（τ）而不发生断裂的最大应力，以符号σtτ表示。