材料力学性能复习.docx

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材料力学性能复习

第二章材料在静载荷下的力学性能

1.连续塑性变形强化材料和非连续塑性形变强化材料曲线、变形过程、屈服强度。

2.指出以下应力应变曲线与哪些典型材料相对应，并对其经历的变形过程做出说明。

3.拉伸断裂前，发生少量塑性变形，无颈缩，在最高载荷点处断裂；

4.断裂前先发生弹性变形，然后进入屈服阶段，之后发生形变强化+均匀塑性变形，有颈缩现象，再发生非均匀塑性变形直至断裂；

5.应力状态软性系数的定义及其意义、应力状态图的应用。

6.画出低碳钢的应力应变曲线，并说明获得该材料的强度和塑性指标？

比例极限

弹性极限

屈服极限

强度极限

断裂强度

延伸率

断面收缩率

7.工程应力、工程应变、真应力和真应变之间有什么关系?

8.为什么灰口铸铁的拉伸断口与拉伸轴垂直，而压缩断口却与压缩力轴成45o角？

9.材料为灰铸铁，其试样直径d=30mm，原标距长度h。

=45mm。

在压缩试验时，当试样承受到485kN压力时发生破坏，试验后长度h=40mm。

试求其抗压强度和相对收缩率。

10.布氏、洛氏、维氏硬度的试验原理、特点、应用。

11.现有如下工件需测定硬度，选用何种硬度试验方法为宜?

（1）渗碳层的硬度分布；

（2）灰铸铁；（3）淬火钢件；（4）氮化层；（5）双相钢中的铁素体和马氏体；（6）高速钢刀具；（7）硬质合金；（8）退火态下的软钢。

第三章材料的变形

12.金属的弹性模量主要取决于什么?

材料的弹性模量可以通过材料热处理等方式进行有效改变的吗？

为什么说它是一个对结构不敏感的力学性能？

弹性也称之为刚度，都是表征材料变形的能力？

特点：

单值性，可逆性，变形量小；

物理本质：

克服原子间力（双原子模型）

组织不敏感：

E主要取决于材料的本性，与晶格类型和原子间距有关，合金中固溶原子、热处理工艺、冷塑性变形，温度、加载方式等都对弹性模量影响不大；

刚度：

弹性与刚度是不同的，弹性表征材料弹性变形的能力，刚度表征材料弹性变形的抗力。

13.弹性变形的不完整性？

灰口铸铁可以用作机床机身，为什么？

对理想弹性体，在应力作用下产生的应变，与应力间存在三个关系：

线性、瞬时和唯一性。

而在实际情况下，三种关系往往不能同时满足，称为弹性的不完整性，包括包辛格效应、弹性后效、弹性滞后等。

灰铸铁的循环韧性大，能够很好的消除机械振动，用于机身作为减振材料。

14.什么是包辛格（Bauschinger）效应？

如何消除包辛格（Bauschinger）效应。

定义：

经过预先加载产生微量变形（残余应变小于4％），然后再同向加载，其弹性极限升高；反向加载变形则其弹性极限降低的现象。

消除办法：

予以较大残余塑性变形，或是在引起金属回复或再结晶的温度下退火。

15.屈服强度是一个组织敏感的力学参量？

提高金属材料的屈服强度有哪些？

金属材料的屈服变形是位错增殖和运动的结果，凡是能够影响位错的因素都对屈服强度有影响。

16.形变强化反应金属材料抵抗继续塑性变形的能力。

17.退火纯Fe，其晶粒尺寸d=1/4mm时，其屈服点s=100MNm-2；d=1/64mm时s=250MNm-2。

d=1/16mm时，根据Hall—Petch公式求其s为多少？

第四章材料的强化与韧化

18.细化晶粒对金属材料的力学性能有何影响？

有哪些途径可以细化晶粒？

细化晶粒是目前唯一可以做到既提高强度，又改善塑性和韧性的方法。

改善结晶及凝固条件；

调整合金成分，加细化晶粒的元素，如B，Mg，稀土元素等；

控制热处理工艺；

采用形变热处理方法；

往复相变细化方法；

19.沉淀强化？

实现沉淀强化所具备的基本条件是什么？

沉淀强化的机理有哪些？

定义：

金属在过饱和固溶体中溶质原子产生偏聚和（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而产生的一种强化。

条件：

溶质原子在基体中的溶解度随温度而变化，高温时第二相溶于基体中，低温时则析出第二相。

强化机制：

共格应变强化机制，位错绕过机制，位错切过机制

20.淬火和回火的钢有哪些强化机制？

固溶强化，细晶强化，第二相强化，位错强化

21.提高陶瓷材料韧性的方法有哪些（尤其是相变增韧？

）？

应力诱导相变增韧机制，微裂纹增韧机制、表面残余压应力增韧、裂纹偏转增韧机制、显微结构增韧

ZrO2相变增韧的机理：

四方t-ZrO2→单斜m-ZrO2，产生体积膨胀形成相变区。

产生的相变应力反作用于裂纹尖端，减缓或完全抑制了裂纹的扩展，从而提高断裂韧性。

第五章材料的断裂

22.断裂的分类？

解理断裂？

微孔聚集型断裂？

根据断裂前塑性变形大小分类：

脆性断裂；韧性断裂

根据裂纹扩展的途径分类：

穿晶断裂；沿晶断裂

根据断裂机理分类：

解理断裂；微孔聚集型断裂；纯剪切断裂

根据断裂面的取向分类：

正断；切断

微孔聚集型断裂：

通过微孔形核、长大聚合而导致分离（如常用金属材料）

解理断裂：

金属材料在一定条件下（如低温等），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（解理面）产生的穿晶断裂——脆断。

23.宏观断口特征三要素，特征？

如何建立与塑性好坏的关系？

纤维区：

在试样的中心位置，裂纹首先在该区形成，该区颜色灰暗，表面有较大的起伏，裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展也较慢；

放射区：

表面较光亮平坦，有较细放射状条纹，裂纹在该区扩展较快；

剪切唇：

接近试样边缘时，应力状态改变了（平面应力状态），最后沿着与拉力轴向成45°剪切断裂，表面光滑。

试样塑性的好坏由三个区域的比例而定：

放射区较大，材料的塑性低。

脆性断口纤维区很小，几乎无剪切唇。

塑性好的材料，纤维区和剪切唇占很大比例，甚至中间的放射区可以消失。

24.理论强度与实际断裂强度相差甚远的原因？

实际的材料不是完整的晶体，即基本假设不正确。

实际的材料总会存在各种缺陷和裂纹等不连续的因素，缺陷引起的应力集中对断裂的影响是不容忽视的。

25.韧性断裂和脆性断裂的微观特征

脆性断裂的两种主要机理：

解理断裂和沿晶断裂

1）解理断裂的形成机制：

位错塞积理论、位错反应理论、脆性第二项开裂理论

2）解理断裂的三个微观特征：

解理台阶、河流花样、舌状花样。

3）沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂，最基本微观特征是冰糖状形貌。

韧性断裂机理：

纯剪切断裂，微孔聚集型断裂

韧性断裂的微观特征是韧窝形貌

26.什么是缺口效应？

缺口效应给材料力学性能会带来什么变化？

缺口强化在工程实践中是强化金属材料的有效手段吗？

由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将会发生变化，产生所谓的“缺口效应”，从而影响金属材料的力学性能。

缺口效应：

应力应变集中、改变缺口前方的应力状态、缺口强化。

缺口使材料强度提高，但塑性降低，即脆性增大，因此缺口是一种脆化因素。

三向拉应力约束了塑性变形，试样的屈服应力比单向拉伸时高，出现“缺口强化”现象，但材料本身的σs值未变，所以不是强化金属材料的手段。

27.什么是缺口敏感性？

常用哪些试验测定缺口试样的缺口敏感性？

缺口敏感性：

金属材料因存在缺口造成三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向。

常用的缺口试样静载力学性能试验方法，有缺口静拉伸、缺口偏斜拉伸及缺口静弯曲等。

28.什么是冲击韧性？

用于测定冲击韧性的试样有哪两种主要形式?

测定的冲击韧性如何表示?

冲击韧性

常用的缺口试样冲击试验是冲击弯曲

29.何谓低温脆性?

如何确定韧—脆转变温度?

其物理本质是什么？

在哪些材料中发生低温脆性？

还有哪些因素影响韧—脆转变温度?

材料因温度的降低由韧性断裂转变为脆性断裂，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，断口特征由纤维状变为结晶状的现象，称为低温脆性或冷脆。

转变温度tK称为韧-脆转变温度。

物理本质：

屈服强度和断裂强度随温度降低而变化的速率不同。

温度对表面能γ和弹性模量E的影响不大，所以对断裂强度影响不大；而屈服强度随温度降低急剧增加。

影响因素：

材料因素：

晶体结构、化学成分、显微组织（晶粒尺寸、金相组织）外因：

温度、加载速率、试样尺寸和形状。

30.一薄板内有一条长3mm的裂纹，且a0=3*10-8mm，试求脆性断裂时的断裂应力σC（设σm=E/10=2*105MPa）。

31.有一材料E=2×1011N／m2，γs＝8N／m，试计算在7×107N／m2的拉应力作用下，该材料中能扩展的裂纹的最小长度。

第六章材料的断裂韧性

32.裂纹体的位移方式

33.平面应力和平面应变状态

平面应力状态：

在z方向可自由变形而不受约束，σz=0但εz≠0，为两向拉应力状态，一般为薄板的受力状态；

平面应变状态：

在z方向上受约束而不可自由变形，εz=0但σz=ν（σX+σY）≠0，为三向拉应力状态，为厚板的受力状态。

34.说明下列断裂韧性指标的意义及其相互关系：

KC、KIC、GC、GIC；

35.试述影响KIC的因素。

材料因素：

化学成分、基体相结构、晶粒尺寸、杂质和第二项、显微组织

外因：

温度，应变速率、试样尺寸

36.线弹性断裂力学的修正？

试验测定KIC对样品的具体要求？

试验测定对样品的要求：

试样需要预制疲劳裂纹

试样需要足够的厚度

试样厚度B

试样宽度或高度

预制疲劳裂纹长度W-a

37.已知一构件的工作应力

=800

裂纹长度

=4

，应力场强度因子

=

钢材

随

增加而下降，其变化如下表所示：

1100

1200

1300

1400

1500

108.50

85.25

69.75

54.25

46.50

若按屈服强度计算的安全系数

=1.4，试找出既保证材料强度储备又不发生脆性断裂的钢材强度。

若

=1.7时，上述材料是否满足要求?

38.一块含有长为16mm中心穿透裂纹的钢板，受到350MPa垂直于裂纹平面的应力作用。

（1）如果材料的屈服强度是1400MPa，求塑性区尺寸和裂纹顶端有效应力场强度因子值；

（2）如果材料的屈服强度为385MPa，求塑性区尺寸和裂纹顶端有效应力场强度因子值。

（考虑平面应力状态）

第七章材料的断裂韧性

39.疲劳破坏的分类和特点

按应力状态：

弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。

按环境及接触情况：

腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。

按断裂寿命和应力高低大小：

低应力下，高周疲劳（＞105周次）；高应力下，低周疲劳（102~105周次）。

特点：

断裂应力<σb，甚至<σs，容易出现脆性断裂；

对材料的缺陷十分敏感；

疲劳断口能清楚显示裂纹的萌生、扩展和断裂。

疲劳失效受载荷历程的影响（疲劳前的过载会影响疲劳强度）。

40.疲劳断口三区域、疲劳断口宏观和微观特征

疲劳辉纹是疲劳断口的主要微观特征

41.疲劳力学性能指标及工程意义，疲劳裂纹扩展速率曲线特点

ΔKth是疲劳裂纹开始扩展的临界值－－疲劳裂纹门槛值。

过载持久值σ-1表征材料抗疲劳过载能力的力学性能指标。

金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力，用过载损伤界或过载损伤区表示

42.影响疲劳性能的因素有哪些？

载荷因素（加载频率、次载锻炼、间歇、温度）、表面状态与尺寸（缺口、表面粗糙度）、表面强化（喷丸，表面热处理等）、组织因素（晶粒大小、缺陷、夹杂物、显微组织、合金成分）

43.为什么低周疲劳多用应变控制？

缺口对高周疲劳和低周疲劳的影响有何不同？

低周疲劳的应力水平高，此时应力σ只须少许变化，应变量将大大增加，疲劳寿命变化大，其S~N曲线近水平段，数据分散，精度低。

此时不再适于用S~N曲线来描述材料的抗疲劳性能。

44.高周疲劳与低周疲劳的不同

45.什么是循环硬化与循环软化？

循环硬化：

恒应变幅循环作用下，随循环周次增加，应力（形变抗力）不断增加（需维持恒应变）；

循环软化：

恒应变幅循环作用下，随循环周次增加，应力（形变抗力）不断减少（需维持恒应变）。

46.在无限大厚板的中心有一穿透裂纹2a=2.0mm，设板受垂直于裂纹的交变应力，其中σmax=210MPa，σmin=-50MPa。

已知板材的KIC=60MPa.m1/2，⊿Kth=6.0MPa.m1/2；Paris公式中的参数C=4×10-12、⊿K=⊿σ（πa）1/2，且da/dN∝（ry）1.5（ry为塑性区尺寸）。

试计算该中心裂纹板的剩余疲劳寿命。

第八章高温及环境下的材料力学性能

47.蠕变变形机制有哪些？

蠕变断裂前，晶界裂纹形成方式有哪几种？

蠕变断口的宏观和微观特征是什么？

蠕变变形机制：

位错滑移蠕变、扩散蠕变、晶界滑动蠕变

晶界裂纹的形成方式有两种：

在三晶粒交会处形成楔形裂纹、在晶界上由空洞形成晶界裂纹

蠕变断裂断口的宏观特征：

断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹，断裂机件表面出现龟裂现象；由于高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖。

微观断口特征：

主要是冰糖状花样的沿晶断裂形貌。

48.高温力学性能指标有哪些（蠕变极限、持久强度标准意义，表示方法）？

蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标，与常温下的屈服强度相似。

49.高温力学性能影响因素

合金化学成分影响、冶炼工艺、热处理工艺、晶粒度

50.陶瓷材料的抗热震性，如何提高抗热震性

材料承受温度骤变而不破坏的能力，称为抗热震性。

材料的热震失效，可分为：

热震断裂：

热震引起的突然断裂，瞬时断裂；

热震损伤：

在热冲击循环作用下，材料先出现开裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体破坏。

在热震断裂的情况下，强度低的材料裂纹易于成核，裂纹一旦成核，材料会瞬时断裂，对抗热震性不利。

在热震损伤的情况下，强度高的材料裂纹易于扩展，对抗热震性不利；所以前者应提高强度，后者应降低强度，才能得到优良的抗热震性。

51.什么是应力腐蚀，应力腐蚀的特点有哪些？

如何防止应力腐蚀？

应力腐蚀（StressCorrosionCracking,SCC）－－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。

产生条件：

应力、环境（介质）和材料三者共存是产生应力腐蚀的必要条件。

52.应力腐蚀裂纹扩展曲线（da/dt/～KI）中的三个阶段，各有何特点？

53.氢脆？

分类？

如何防止氢脆？

定义：

由于氢与应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂，简称氢脆.

常见的类型：

氢蚀、白点、氢化物致脆、氢致延滞断裂

54.对一开有单边缺口的大试样，在持久载荷作用下的裂纹扩展率进行了观察，发现材料在腐蚀介质加速下呈Ⅰ阶段和Ⅱ阶段，无Ⅲ阶段。

当预制裂纹半长a为3mm时，在50MPa载荷下裂纹刚好扩展；当裂纹半长扩展至5mm时，进入Ⅱ阶段，其中da/dt＝2×10-6mm/s，问材料KⅠSCC是多少？

裂纹在第Ⅱ阶段能经历多长时间？

材料的KⅠC＝20MPa.m1/2

第九章材料的磨损和接触疲劳

55.磨损的分类

磨损的类型（按照磨损的破坏机制来分）：

氧化磨损；黏着磨损（咬合磨损、热磨损）；

磨粒磨损；微动磨损；表面疲劳磨损（接触疲劳）。

56.黏着磨损？

怎么提高耐磨性？

只发生在滑动摩擦条件下，零件表面缺乏润滑和无氧化膜，摩擦副相对滑动速度较小（钢小于1m/s），而单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。

57.接触疲劳、接触疲劳破坏的形式？

定义：

对于轴承和齿轮机件，在表面交变接触压应力长期作用下，接触表面局部区域产生小片或小块状金属剥落，导致机件疲劳损伤的现象。

又称疲劳磨损、麻点、点蚀。

宏观特征为：

接触面出现许多深浅不均匀的针状或点状凹坑或较大面积的表面压碎。

接触疲劳失效可分为：

麻点剥落、浅层剥落和硬化层剥落