性能学总复习资料Word下载.docx
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4、一直径2.5mm，长度为200.0mm的杆，在2000N的载荷作用下，直径缩至2.2mm，试求
（1）杆的最终长度；
（2）在该载荷作用下的真实应力和真实应变；
（3）在该载荷作用下的工程应力和工程应变。
解：
（1）根据体积不变原理可得：
解得：
（2）
（3）
5、试区别刚度与弹性两个概念，一个弹簧由于刚度不足或弹性较差产生的失效现象有何不同？
如何克服？
答：
刚度表征的是材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。
而弹性则是材料受载后产生一定的变形，而卸载后这部分变形消逝，材料恢复到原来的状态的性质。
一个弹簧刚度不足说明其抵抗变形能力不足，那么很容易就失去弹性，弹性较差说明其伸长率不足，很容易断裂。
提高弹簧刚度可以减少工作圈数，提高弹簧弹性可以将两个弹簧并联。
第一章作业2
1.与单晶体相比，多晶体变形有哪些特点？
金属材料常见的塑性变形有晶体的滑移和孪生两种。
单晶体产生塑性变形只与其内部位错的滑移和孪生有关，而多晶体变形，由于各晶粒的位向不同和晶界的存在，使其塑性变形更为复杂，主要有如下特点：
（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性
（2）各晶粒变形的相互协调性
2.金属材料的应变硬化有何实际意义？
材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象称为应变硬化或形变强化。
其实际意义有：
（1）利用应变硬化和塑性变形的合理配合，可使金属进行均匀的塑性变形，获得合格的冷变形加工制品。
（2）降低塑性，改善机械加工性能
（3）可使机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件的安全
（4）强化金属的手段
3.一个典型拉伸试样的标距为50mm，直径为13mm，实验后将试样对接起来以重现断裂时的外形，试问：
（1）若对接后的标距为81mm，伸长率是多少？
（2）若缩颈处最小直径为6.9mm则断面收缩率是多少？
（1）
（2）
4.有一材料E=2×
1011N/m2，γ=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之最小长度是多少？
根据格里菲斯公式
所以裂纹最小长度为
5.推导颈缩条件、颈缩时的工程应力
对上式全微分，得：
根据真应变的定义
可得到：
代入
中可得缩颈条件
根据真应变的定义，
所以，产生缩颈的工程应力为
第二章作业
1.简述硬度测试的类型、原理和优缺点？
[至少回答三种]
硬度试验分为压入法和刻划法两大类。
在压入法中，根据加载速率的不同分为动载压入法和静载压入法。
动载压入法中有超声波硬度、肖氏硬度和锤击式布氏硬度。
静载压入法中包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度。
刻化法包括莫氏硬度顺序法和挫刀法。
下面简述布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的原理和优缺点：
（1）布氏硬度：
用一定大小的载荷F（kgf）,把直径为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入试样表面，保持规定时间后卸除载荷，测量试样表面的残留压痕直径d，求压痕的表面积S。
将单位压痕面积承受的平均压力F/S定义为布氏硬度（HB）。
优点：
压痕面积较大，其硬度值能反映材料在较大区域内各组成相的平均性能；
试验数据稳定，重复性高。
缺点：
因压痕直径较大，一般不宜在成品上直接进行检验；
对硬度不同的材料需要更换压头直径和载荷，同时压痕直径的测量也比较麻烦。
（2）洛氏硬度：
测量压痕深度值的大小来表示硬度值。
操作简便迅速；
压痕小，可对工件直接进行检验；
采用不同的标尺，可测定各种软硬不同和薄厚不一样的硬度。
压痕较小，代表性差；
材料中的偏析及组织不均匀等情况，使所测硬度值的重复性差、分散度大；
用不同标尺测得的硬度值既不能直接进行比较，也不能彼此交换。
（3）维氏硬度：
其原理与布氏硬度的基本相似，不同的是维氏硬度试验所用的压头是两相对面夹角为136度的金刚石四棱锥体。
数据精确可靠；
可任意选择载荷；
所测试件厚度薄。
测定方法较麻烦，工作效率低，压痕面积小，代表性差，不适宜成批生产的常规检验。
2.说明布氏硬度与维氏硬度测出的硬度值相差不大的原因。
维氏硬度的实验原理与布氏硬度基本相似，也是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值。
维氏硬度HV=F/S，布氏硬度HB=F/S。
所以两种实验方法测出来的硬度值相差不大。
3.
简述扭转实验、弯曲实验的特点？
渗碳淬火钢、陶瓷玻璃试样研究其力学性能常用的方法是什么？
扭转实验的特点：
（1）扭转的应力状态软性系数较拉伸的应力状态软性系数高，故可以用来测定那些在拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性。
（2）扭转试验时试样截面的应力分布为表面最大，愈往心部愈小。
（3）圆柱形试样在扭转试验时，试样不发生紧缩，塑性变形也是始终均匀，其截面及标距长度也是基本上保持原尺寸不变，故可以精确测定那些拉伸时出现紧缩的高塑性材料的形变能力和形变抗力。
（4）扭转试验时正应力与切应力大致相等。
弯曲试验的特点：
（1）弯曲加载时受拉的一侧应力状态集基本上与静拉伸时相同，且不存在如拉伸的所谓试样偏斜对实验结果的影响。
（2）弯曲试验时，截面的应力分布也是表面上应力最大。
（3）塑性材料的F-fmax曲线的最后部分可以任意延长，表明弯曲试验不能使这些材料断裂。
渗碳淬火钢常用弯曲试验来研究其力学性能。
陶瓷玻璃常用扭转试验来研究其力学性能。
4.有下述材料需要测量硬度，试说明选用何种硬度实验方法？
为什么？
a.渗碳层的硬度分布，b.淬火钢，c.灰口铸铁，d.硬质合金，e.仪表小黄铜齿轮，f.高速工具钢，g.双相钢中的铁素体和马氏体，h.Ni基高温合金，i.Al合金中的析出强化相，j.5吨重的大型铸件，k.野外矿物。
a、e、g、i使用维氏硬度。
因为维氏硬度主要用来测定各种组成相的硬度以及研究金属化学成分、组织状态与性能的关系。
d、f、h可使用洛氏硬度。
因为洛氏硬度可对工件直接进行检验，操作迅速，它不适宜用来测定极薄工件或经各种表面各处理后工件的表面层硬度，但适合测量金属的硬度。
b、c可使用布氏硬度。
因为布氏硬度压痕面积大，最适合测定灰铸铁、轴承合金等材料的硬度。
j使用肖氏硬度。
因为肖氏硬度为手提式，使用方便，便于携带，适于测量现场大型工件的硬度。
k使用莫氏硬度
莫氏硬度就是陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度。
第三章作业
1.冲击载荷下金属变形和断裂的特点。
与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂；
吸收的冲击能测不准；
材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响；
在静载下，塑性变形较均匀地分布于各个晶粒中，而在冲击载荷下，塑性变形主要集中在某些局部区域，这表明冲击载荷下的塑性变形是极不均匀的，导致屈服强度和抗拉强度提高，且屈服强度提高的较多，屈服强度提高得较少。
2.试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。
低温脆性的物理本质：
当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态变为结晶状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
影响因素：
晶体结构、化学成分、显微组织、温度、加载速率、试样形状和尺寸
3.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：
强度随温度变化的关系曲线不同，bcc或者hcp结构的金属或合金的屈服强度对温度变化十分敏感，温度降低，屈服强度急剧升高，故两线交于一点，该交点对应的温度即为tk.而fcc结构的屈服强度随温度的下降变化不大，近似一水平线，即使在很低的温度下都未与抗拉强度线相交，所以这种材料的脆性断裂现象不明显。
微观上:
位错运动阻力和bcc的迟屈服现象。
4.解释钢材在静载和冲击载荷作用下出现蓝脆温度范围不同的原因
蓝脆是形变时效加速进行的结果，当温度升至某一适当温度时，碳、氮原子扩散速率加快，易于在位错附近偏聚形成柯氏气团。
若这一过程的形成速率高于塑性变形速率，则在塑性变形过程中产生时效，使材料强度提高，塑性下降；
反之，则材料的塑性提高。
在冲击载荷作用下，形变速率较高，碳、氮由于需要在较高温度下才能获得足够的扩散激活能，以形成柯氏气团，故蓝脆温度升高。
第四章作业
1、名词解释
应力场强度因子:
KI反映了裂纹尖端区域应力场的强度，故称之为应力强度因子，其综合反映了外加应力和裂纹位置、长度对裂纹尖端应力场强度的影响。
断裂韧度：
断裂韧度KC，是在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材断裂韧度料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧度。
低应力脆断：
机件在工作应力并不高，甚至远低于屈服极限的情况下，发生脆性断裂现象。
2、有一构件，实际使用应力为1.3GPa，现有两种刚待选，甲钢，σys=1.95GPa，KIC=45MPa*m1/2；
乙钢，σys=1.56GPa，KIC=75MPa*m1/2试计算两种钢材的断裂应力，并指何种钢材更安全可靠（设Y=1.5，最大裂纹尺寸为1mm）。
由
可得：
由已知条件可得：
因为
，所以用乙钢材更为安全可靠。
3、有一大型板件，材料的σ0.2=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，并判断该件是否安全？
需要修正，运用修正后的无限大板穿透裂纹的公式可得：
由于
，所以该构件不安全。
4、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/c可以确定φ=1，测试材料的σ0.2=720MPa，试估算材料的断裂韧度KIC为多少？
，所以不需要进行塑性区修正
1、揭示下列疲劳性能指标的意义。
疲劳强度σ-1，σ-p，τ-1，σ-1N
疲劳缺口敏感度qf
过载损伤界
疲劳门槛值ΔKth
（1）疲劳强度指的是在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力
σ-1指的是对称弯曲疲劳强度τ-1指的是对称扭转疲劳强度
σ-p指的是对称拉压疲劳强度σ-1N为缺口试样疲劳强度之比
（2）疲劳缺口敏感度指的是材料在变动应力作用下的缺口敏感性
（3）过载损伤界是把在每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次连接起来的一条界线。
（4）疲劳门槛值是指疲劳裂纹不扩展的
临界值
2、列举提高零件的疲劳寿命的方法。
（1）次载锻炼：
即在低于疲劳强度的应力先运转一定周次
（2）间歇效应：
即在循环过程中，间歇空载一段时间或间隙时适当加温
（3）提高载荷的频率
（4）降低温度
（5）提高机件表面的塑变抗力，降低表面的有效拉应力，常见的方法有表面喷丸和滚压、表面淬火及表面化学热处理
3、说明疲劳裂纹扩展曲线的三个区域的特点和影响因素。
Ⅰ区是疲劳裂纹的初始扩展阶段，
值很小，从ΔKth开始，随着
的增加，
快速增高，但因该阶段
值变化范围很小，所以
增加值有限，占裂纹扩展寿命的比例较小。
Ⅱ区是疲劳裂纹扩展阶段的主要阶段，占据扩展区的绝大部分，是决定寿命的主要组成部分。
Ⅲ区是疲劳裂纹扩展的最后阶段，该区的
值很高，并随
增加急剧增大，很快导致材料失稳断裂，该区站裂纹扩展寿命的比例不长。
影响因素有：
材料的成分、组织、载荷条件及环境因素等。
4、某压力容器受到升压降压交变应力△σ＝120MPa作用，计算得知该容器允许的临界裂纹长度2ac＝125mm，检查发现该容器有一长度2a＝42mm的周向穿透裂纹，假设疲劳裂纹扩展符合Paris公式，假设疲劳扩展系数C＝2×
10－10，n＝3，试计算该容器的疲劳寿命和循环10万次后的疲劳裂纹长度是多少？
由Paris公式可得
把
代入公式中可解得
所以裂纹长度为0.25mm
第六章作业
1、掌握下列概念
磨损、粘着磨损、耐磨性、接触疲劳
磨损：
在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象。
粘着磨损：
又称咬合磨损，是因两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合并拽开而产生的一种表面损伤磨损。
耐磨性：
指的是材料抵抗磨损的性能，耐磨性越好，说明其抵抗磨损的能力越强。
接触疲劳：
两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使材料表面疲劳损伤，局部区域出现小片或小块状材料剥落，而使得材料磨损的现象。
2、粘着磨损是如何产生的？
如何提高材料或零件的抗粘着磨损的能力？
机件表面由于加工的影响，实际材料表面接触仅发生在少数的微凸体顶尖上，产生很高的应力，以致因超过材料屈服强度而发生塑性变形。
粘着磨损过程就是黏着点不断形成又不断破坏并脱落的过程。
产生粘着磨损的条件：
（1）摩擦副相对滑动速度小；
（2）接触面氧化膜脆弱，润滑条件差；
（3）接触应力大。
提高材料的粘着磨损能力的方法有：
合理选择摩擦副材料、避免或阻止两摩擦副间直接接触、采用表面渗流硫、渗磷等表面处理工艺，是磨屑多沿接触面剥落。
3、简述常见的磨损类型和特点？
如何提高材料的耐磨粒磨损抗力？
常见的磨损类型有：
粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、接触疲劳
粘着磨损的特征：
机件表面有大小不等的结疤
磨料磨损：
摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽
接触疲劳的特征：
接触面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑
提高材料的耐磨粒磨损抗力的方法：
（1）合理选材：
材料成分、组织、性能内因
（2）表面处理：
提高表面硬度，对工件防尘、润滑油过滤
4、接触疲劳破坏有几种形式？
如何产生的？
如何提高零件的接触疲劳抗力？
接触疲劳破坏有麻点剥落、浅层剥落、深层剥落
麻点剥落：
由滚动与滑动产生的最大切应力将由0.786b处向表层移动
浅层剥落：
当机件仅滚动或相对滑动较小,即摩擦力较小时,最大综合切应力在0.786b处,此处（0.5b～0.7b）塑性变形最大。
在变形层内产生位错塞积和空位，逐步形成裂纹
深层剥落：
当材料表面经表面处理硬化，裂纹常出现在硬化层的过渡区，深度大于0.786b。
该处切应力虽不大，但能高于材料强度而产生裂纹。
提高零件的接触疲劳抗力：
内部：
消除非金属夹杂物、选择合理的成分以及热处理组织形态、合理的表层硬度、深度和匹配的心部硬度、两摩擦副硬度匹配、合理选择表面硬化工艺
外部：
降低表面粗糙度、提高接触机件的接触精度、润滑
材料性能学综合练习
一、填空题
1.材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐
降低
的现象称为应力松弛，材料抵抗应力松弛的能力称为
松弛稳定性
。
2.按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦分为
滑动摩擦
和
静摩擦
3.材料的韧性温度储备通常用
△
符号表示，取值在
20~60℃
温度范围，对于相同的材料而言，韧性温度储备越大，材料的工作温度就越
高
（高、低），材料就越
安全
（安全，不安全）。
对于承受冲击载荷作用的重要机件，韧性温度储备取
上限
（上限，下限）。
4.材料的缺口越深、越尖锐，材料的缺口敏感性就
越大
（大、小），材料的缺口敏感度就
越小
（大、小），材料的对缺口就越
敏感
（敏感、不敏感）。
5.拉伸缺口三要素是指
纤维区
、
放射区
剪切唇
三个区域，低碳钢的宏观断口通常被称为
杯锥状
状断口。
6.按照应力高低和断裂寿命对疲劳分类，则N>
105，称为
高
周疲劳，又称为
低应力
疲劳；
N为102～105，称为
低
高应力
疲劳。
7.从对材料的形变及断裂的分析可知，在晶体结构稳定的情况下，控制强度的主要参数有三个：
弹性模量
，
裂纹尺寸
和
表面能
8.在低碳钢的单向静拉伸试验中，整个拉伸过程中的变形可分为
弹性变形
、
屈服变形
均匀塑性变形
以及
不均匀集中塑性变形
4个阶段。
9.疲劳断口最显著的宏观特征是____贝纹线________，微观特征是___疲劳条带_____。
10.粘着磨损的形貌特征是
机件表面有大小不等的结疤
，磨粒磨损的形貌特征是
摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽
二、名词解释
1.包申格效应：
金属材料经预先加载产生少量塑性变形，然后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
2.解理断裂：
在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。
3.应力状态软性系数：
最大切应力和最大正应力的比值称为应力状态软性系数。
4.低温脆性：
5.蓝脆：
碳钢和某些合金钢在冲击载荷或静载荷作用下，在一定温度范围内出现脆性，因为在该温度范围内加热钢时，表面氧化色为蓝色，故称为蓝脆。
6.韧性温度储备：
指的是材料使用温度与韧脆转变温度的差值，差值越大，说明越安全。
7.驻留滑移带：
在循环载荷的作用下，即使循环应力未超过材料屈服强度，也会在试件表面形成集中于某些局部区域的永留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。
8.过载持久值：
材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次称为材料的过载持久值。
9.接触疲劳：
指的是两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使材料表面疲劳损伤，局部区域出现小片或小块状材料剥落，使得材料磨损的现象。
10.等强温度（TE）：
将晶界和晶内强度相等的温度称为等强温度。
三、简答题
1.为什么绝大多数无机材料在受到外力时没有或只有很小的塑性形变，呈脆性，但高温时易发生蠕变？
因为无机材料的组成主要是晶体材料，其晶体多为离子键或共价键，具有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系能满足位错运动的几何条件和静电作用条件，所以一般没有或只有很小的塑性变形。
在高温条件下，借助于外力和热激活的作用，形变的一些障碍得以克服，材料内部质点发生了不可逆的微观位移，于是有了蠕变。
2.简述格里菲斯微裂纹理论及其裂纹扩展的条件。
格里菲斯微裂纹理论：
实际材料中已经存在裂纹，当平均应力还很低的时候，裂纹尖端的应力集中已达到很高值，从而使裂纹快速扩展并导致脆性断裂。
裂纹扩展的条件：
物体内储存的弹性应变能的降低大于或等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。
3.试述低应力脆断的原因及防止方法。
低应力脆断是由于宏观裂纹产生的存在引起的，裂纹的存在破坏了材料和构件的连续性和均匀性，使得传统的设计方法无法定量计算裂纹体的应力和应变，它在很大程度上取决于裂纹萌生抗力和扩展抗力。
防止方法：
提高材料的断裂韧度，主要可以从以下几个方面来提高：
（1）对于金属材料来说，细化晶粒；
对于陶瓷材料，提高材料强度的组元，都将提高断裂韧度
（2）特殊改性处理，比如亚温淬火、超高温淬火、形变热处理等
（3）提高温度和降低应变速率
4.提高零件的疲劳寿命主要有哪些方法？
5.金属材料在高温下的变形与断裂机制和常温比较有什么不同？
金属材料随着温度的升高，强度极限逐渐降低，断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡，常温下可以用来强化钢铁材料的手段，随着温度的升高强化效果逐渐消失；
在常温下，时间对材料的力学性能基本没有什么影响，而在高温下，力学性能就表现出了时间效应，比如金属材料的强度极限随承载时间的延长而降低。
四、计算题
1.有一材料，模量E＝200GPa,单位面积的表面能γS＝8J/m2,试计算在70MPa的拉应力作用下，该裂纹的临界裂纹长度？
若该材料裂纹尖端的变形塑性功γP＝400J/m2，该裂纹的临界裂纹长度又为多少？
（利用格里菲斯公式和奥罗万修正公式计算）
所以该裂纹的临界裂纹长度为
由
，可得
所以该临界裂纹长度为
2.某一压力容器的层板上有一长度为2a=42mm的横
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