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工程材料力学性能

第一章

1.

2.弹性形变可逆，塑性形变不可逆。

3.弹性模量即等于弹性应力，即弹性模量是产生百分之百弹性变形所需应力。工程上弹性模量被称为材料刚度，表征金属材料对弹性变形抗力，其值越大，则在相似应力下产生弹性变形就越小。

习题3.金属弹性模量重要取决于什么?为什么说它是一种对构造不敏感力学姓能? 
答案：金属弹性模量重要取决于金属键本性和原子间结合力，而材料成分和组织对它影响不大，因此说它是一种对组织不敏感性能指标，这是弹性模量在性能上重要特点。变化材料成分和组织会对材料强度(如屈服强度、抗拉强度)有明显影响，但对材料刚度影响不大。

4.弹性比功表达金属材料吸取弹性变形功能力。普通用金属开始塑性变形前单位体积吸取最大弹性变形功表达。普通用提高弹性极限来提高弹性比功。
5.在弹性范畴内迅速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变现象，称为滞弹性。
6.金属材料在交变载荷（振动）下吸取不可逆变形功能力，称为金属循环韧性，也成为金属内耗。
7.金属材料通过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残存伸长应力增长；反向加载，规定残存伸长应力减少现象，称为包申格效应。
8.常用塑性变形形式重要为滑移和孪生。
9.呈现屈服现象金属材料拉伸时，试样在外力不增长仍能继续伸长时应力称为屈服 点。试样发生屈服而力初次下降前最大应力称为上屈服点。当不计初始瞬时效应（指在屈服过程中实验力第一次发生下降）时屈服阶段中最小应力称为下屈服点。屈服伸长相应水平线段或曲折线段称为屈服平台或屈服齿。
10.与屈服现象关于因素：
1）材料变形前可动位错密度很小
2）随塑性变形发生，位错能迅速增殖
3)位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。
11.影响屈服强度内在因素
1）金属本性及晶格类型
2）晶粒大小和亚构造【位错运动】
3）溶质元素【固溶强化】
4）第二相【弥散强化】
12.应变硬化：金属材料一种组织继续塑性变形能力。应变硬化是位错增殖、运动受阻所致。
13.

14.韧性断裂：金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形断裂。断裂面普通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。
15.脆性断裂：突然发生断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆。断裂面普通与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。

习题10.韧性断裂与脆性断裂区别。为什么脆性断裂更加危险？ 
韧性断裂：是断裂前产生明显宏观塑性变形断裂 
特性： 断裂面普通平行于最大切应力与主应力成45度角。 
断口成纤维状（塑变中微裂纹扩展和连接），灰暗色（反光能力弱）。
断口三要素： 纤维区、放射区、剪切唇这三个区域比例关系与材料韧断性能关于。
  塑性好，放射线粗大 。塑性差，放射线变细乃至消失。  

脆性断裂：断裂前基本不发生塑性变形，突发断裂。 
特性： 断裂面与正应力垂直，断口平齐而光滑，呈放射状或结晶状。 注意：脆性断裂也产生微量塑性变形。 
断面收缩率不大于5％为脆性断裂，不不大于5％为韧性断裂。
韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形断裂，这种断裂有一种缓慢扯破过程，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。

16.断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇
17.韧断:塑变，缓慢。脆断：无塑变，迅速
18.断裂分类：
1）韧断与脆断
2）穿晶断裂与沿晶断裂
3）纯剪切断裂与微口汇集型断裂、解理断裂。

习题11.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？【P23】 
答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而导致滑移面分离，普通是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极迅速率沿一定晶体学平面产生穿晶断裂，解理断裂普通是脆性断裂。

19.剪切断裂为韧断。
20.解理断裂是沿特定界面发生脆性穿晶断裂，基本微观特性：解理台阶、河流花样（判断与否为解理断裂重要根据）、舌状花样。
21.韧窝是微口汇集型断裂基本特性。分为等轴韧窝、拉长韧窝、扯破韧窝。

第二章

1、压缩实验特点：
1）应力状态软性系数α＝2 ，应力状态较软，材料易产生塑性变形。重要测定拉伸时呈脆性金属材料在塑性状态下力学行为。
2）拉伸时塑性较好材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂。
2、弯曲实验特点
1）弯曲实验试样形状简朴，操作以便。
2） 弯曲实验时不存在试样偏斜对实验成果影响，可用试样弯曲挠度显示材料塑性。3）弯曲实验时，试样表面应力最大，可较敏捷地反映材料表面缺陷。
3、扭转实验特点
1）扭转应力状态软性系数α＝0.8，比拉伸大，易显示金属 塑性行为。
2）圆形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀，没有缩颈现象。因此能反映高塑性材料直至断裂前变形能力和强度。
3） 能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层性能。4） 扭转实验是测定大某些材料切断强度最可靠办法。
4、缺口效应：
1)引起应力集中，对于脆性或低塑性材料，使其抗拉强度减少
2）使塑性材料强度增高，塑性减少。
5、硬度实验办法分类
1）弹性回跳法：如肖氏硬度，表达金属弹性变形功大小。
2）压入法：如布氏、洛氏、维氏硬度等，表达金属塑性变形抗力及应变硬化能力。
3）划痕法：如莫氏硬度，表达金属对切断抗力。
6、布氏硬度实验特点：
长处：1）压痕面积较大，能反映金属在较大范畴内各构成相平均性能，而不受个别相及微小不均匀性影响
2）实验数据稳定，重复性强
缺陷：1）布氏硬度实验对不同材料需更换不同直径压头球和变化实验力，压痕直径测量也比较麻烦，因而自动检测受到限制。
2）压痕较大时不适当在成品上进行实验
7、洛氏硬度实验特点：
长处：1）操作简便迅速，硬度值可直接读出；
2）压痕较小，可直接在工件上进行实验；
3）采用不同标尺，合用范畴广，可广泛用于热解决质量检查；
缺陷：1）由于压痕小，代表性差
2）重复性差，数据分散度大
3）用不同标尺硬度值彼此不能直接进行比较。
8、维氏硬度实验特点
长处：维氏硬度实验力可任意选用，压痕测量精度较高，硬度值较为精准；
缺陷：维氏硬度值需通过测量压痕对角线长度后才干计算或查表，工作效率较低。
9.缺口敏感度:试样抗拉强度与等截面尺寸光滑试样抗拉强度比值。比值越大，缺口敏感性越小，越容易发生塑性变形。
习题8.今有如下零件和材料需要测定硬度，试阐明选取何种硬度实验办法为宜。 
（1）渗碳层硬度分布：维氏
（2）淬火钢：洛氏
（3）灰铸铁：布氏
（4）鉴别钢中隐晶马氏体和残存奥氏体：维氏
（5）仪表小黄铜齿轮：维氏
（6）龙门刨床导轨：里氏、肖氏
（7）渗氮层：维氏
（8）高速钢刀具：洛氏
（9）退火态低碳钢：洛氏
（10）硬质合金：布氏

第三章

1、 冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸取塑性变形功和断裂功能力。
惯用原则试样冲击吸取功Ak表达。
2、 冲击韧度：U形缺口冲击吸取功Aku除以试样缺口底部截面积之商。
3、 当实验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸取功明显下降，
断裂机理由微孔汇集型变为穿晶解理型，断口特性由纤维状变为结晶状，这即低温脆性，转变温度tk称为韧脆转变温度，亦称冷脆转变温度。(低碳钢—体心立方体—有低温脆性；奥氏体钢—面心立方体—无低温脆性)
第四章

1、裂纹扩展基本形式

实际裂纹扩展往往是上述三种型形式组合，I型裂纹最危险，易引起脆性断裂

2、 由应力分量表达式可知，裂纹尖端区域各点应力分量与其位置(r,θ)以及KI关于。而对于某一拟定点（r,θ），其应力分量由KI决定，因而KI越大，则应力场各个应力分量越大，即KI可以反映应力场强弱限度，故称KI为应力场强度因子。对于Ⅱ、Ⅲ型裂纹，
则分别为KⅡ、KⅢ。

3、 断裂韧度KIC—当KI增大到某个临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂。这个临界或失稳状态KI值记作KIC或KC ，即为断裂韧度，它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断能力，是材料力学性能指标之一。（普通：KIC—平面应变下断裂韧度 KC —平面应力下断裂韧度）

4、 影响断裂韧度KIC因素：
材料成分、组织：1）化学成分影响2）基体相构造和晶粒大小影响
3）杂质及第二相影响4）纤维组织影响
外界因素;1)温度2）应变速率

5、 计算题

习题3、试述低应力脆断因素及防止办法。 
答： 低应力脆断因素：在材料生产、机件加工和使用过程中产生不可避免宏观裂纹，从而使机件在低于屈服应力状况发生断裂。 防止办法：将断裂判据用于机件设计上，在给定裂纹尺寸状况下，拟定机件容许最大工作应力，或者当机件工作应力拟定后，依照断裂判据拟定机件不发生脆性断裂时所容许最大裂纹尺寸

第五章

1、 变动载荷：载荷大小、甚至方向均随时间变化载荷。
2、 金属机件或构件在变动载荷和应变长期作用下，由于累积损伤而引起断裂现象称为疲
劳。
按断裂寿命和应力高低不同分类
1）高周疲劳：Nf > 105 ；σ<σs 亦称低应力疲劳。
2）低周疲劳：Nf = 102—105 ；σ≥σs 亦称高应力疲劳或应变疲劳。
3、 疲劳破坏特点：
1） 疲劳是低应力循环延时断裂，即具备寿命断裂，断裂寿命随应力不同而变化。
2） 无论是韧性材料，还是脆性材料，疲劳断裂均是脆性断裂。
3） 疲劳对缺陷十分敏感，由于疲劳破坏是从局部开始，故对缺陷具备高度选取性。
4、 典型疲劳断口按照断裂过程可分为三个区域，疲劳源、疲劳区和瞬断区
1、疲劳源（或称疲劳核心），疲劳裂纹萌生策源地，普通总是产生在构件表面层局 部应力集中处。 疲劳源区光亮度最大，在断口上常能看到一种明显亮斑。源区光亮 度↑；相邻疲劳区越大；贝纹线越多越密者→疲劳源越先产生。
2、疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展所形成断口区域。宏观特性：断口比较光滑并分布有 贝纹线（由载荷变动引起）或海滩波纹状花样。
贝纹线凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。
3、瞬断区是疲劳裂纹达到临界尺寸后发生失稳迅速扩展所形成断口区域。其断口比 疲劳区粗糙，宏观特性同静载荷下断口同样，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，边沿平面应力区浮现剪切唇。
5、过载损伤区—过载损伤界到疲劳曲线高应力区直线段之间影线区。
材料过载损伤界愈陡直，损伤区愈窄，则其抵抗疲劳过载能力愈强。
6.

7.疲劳过程涉及：疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段。
疲劳微观裂纹由不均匀局部滑移和显微开裂引起。重要方式有表面滑移带开裂；第二相、夹杂物或其界面开裂；界面或亚晶界开裂等。
8.呈弯曲并互相平行沟槽花样，即疲劳条带
疲劳条带与贝纹线区别：1.疲劳条带是疲劳断口微观特性；贝纹线疲劳断口宏观特 征。2.在断口上，两者可同步浮现也可不同步浮现。
6、

9.金属材料由循环开始状态变成稳定状态过程，与其在循环应变作用下形变抗力变化关于。若金属材料在恒定应变范畴循环作用下，随循环周次增长其应力（形变抗力）不断增长，即为循环硬化。若在循环过程中，应力逐渐减小，则为循环软化。
第六章
1、 金属在拉应力和特定化学介质共同作用下，通过一段时间后所产生低应力脆断现
象，称为应力腐蚀断裂。
产生条件（1）应力（2）化学介质（3）金属材料
2、 应力腐蚀断口特性：有分叉现象，呈枯树枝状。
3、 防止应力腐蚀办法 ：
1、合理选取金属材料
2、减少或消除机件中残存拉应力
3、改进化学介质
4、采用电化学保护
4、由于氢和应力共同作用，而导致金属材料产生脆性断裂现象，称为氢脆断裂（氢
蚀、白点、氢化物致脆、氢致延滞裂纹）
5、氢致延滞裂纹裂纹过程三个阶段：孕育阶段、裂纹亚稳扩展阶段及失稳扩展阶段。
氢引起氢致延滞裂纹三个环节：氢原子进入钢中、氢在钢中迁移、氢偏聚。
6、
当外加小阳极电流而缩短产生裂纹时间是应力腐蚀；当外加小阴极电流而缩短产生裂纹时间是氢致延滞裂纹

第七章

1、 依照剥落裂纹起始位置及形态不同，接触疲劳破坏分为麻点剥落、浅层剥落和深层剥落。

第八章
1、 高温力学性能
1） 产生蠕变：指金属在长时间恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形现象。
2） 强度下降，塑性下降，应变速度下降，载荷作用时间越长，塑性越低
3） 高温应力松弛：在规定温度和初始应力条件下，金属材料中应力随时间增长而减 小现象
4） 产生疲劳损伤，高温疲劳强度下降
2、 蠕变断裂机理（金属材料在长时高温载荷作用下断裂，大多为沿晶断裂。）
（1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹。
（2）在晶界上由空洞形成晶界裂纹。
3、蠕变断裂断口宏观特性为：
1）在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有诸多裂纹，使断裂机件表面浮现龟裂现象。2）由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。
4、蠕变断裂微观特性：为冰糖状花样沿晶断裂形貌。