材料力学性能复习资料.docx
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材料力学性能复习资料
一、说明下列力学性能指标的意义
1）
比例极限
2）
弹性极限
3）
抗拉强度
4）
扭转屈服强度
5）
抗弯强度
6）HBW压头为硬质合金球时的布氏硬度
7）HK显微努氏硬度
8）HRC压头为顶角120金刚石圆锥体、总试验力为1500N的洛氏硬度
9）
冲击韧性
10）KIC平面应变断裂韧性
11）
应力比为R下的疲劳极限
12）Kth疲劳裂纹扩展的门槛值
13）
应力腐蚀破裂的临界应力强度因子
14）
给定温度T下，规定试验时间t内产生一定的蠕变伸长率δ的蠕变极限
15）
给定温度T下，规定试验时间t内发生断裂的持久极限
二、单向选择题
1）在缺口试样的冲击实验中，缺口越尖锐，试样的冲击韧性（b）。
a）越大；b）越小；c）不变；d）无规律
2）包申格效应是指经过预先加载变形，然后再反向加载变形时材料的弹性极限（b）的现象。
a）升高；b）降低；c）不变；d）无规律可循
3）为使材料获得较高的韧性，对材料的强度和塑性需要（c）的组合。
a）高强度、低塑性；b）高塑性、低强度；c）中等强度、中等塑性；d）低强度、低塑性
4）下述断口哪一种是延性断口（d）。
a）穿晶断口；b）沿晶断口；c）河流花样；d）韧窝断口
5）5）HRC是（d）的一种表示方法。
a）维氏硬度；b）努氏硬度；c）肖氏硬度；d）洛氏硬度
6）I型（张开型）裂纹的外加应力与裂纹面（b）；而II型（滑开型）裂纹的外加应力与裂纹面（）。
a）平行、垂直；b）垂直、平行；c）成450角、垂直；d）平行、成450角
7）KISCC表示材料的（c）。
a）断裂韧性；b）冲击韧性；c）应力腐蚀破裂门槛值；d）应力场强度因子
8）蠕变是指材料在（B）的长期作用下发生的塑性变形现象。
a）恒应变；b）恒应力；c）恒加载速率；d）恒定频率
9）
表示给定温度T下，恰好使材料经过规定的时间t发生断裂的（b）。
a）蠕变极限；b）持久强度；c）高温强度；d）抗拉强度
10）
表示材料的（b）。
a）断裂韧性；b）疲劳裂纹扩展门槛值；c）应力腐蚀破裂门槛值；d）应力场强度因
子
11）在单向拉伸、扭转与单向压缩实验中，应力状态系数的变化规律是（C）。
a）单向拉伸＞扭转＞单向压缩；b）单向拉伸＞单向压缩＞扭转；c）单向压缩＞扭转＞
单向拉伸；d）扭转＞单向拉伸＞单向压缩
12）平面应变条件下裂纹尖端的塑性区尺寸（b）平面应力下的塑性区。
a）大于；b）小于；c）等于；d）不一定
13）材料的断裂韧性随板材厚度或构件截面尺寸的增加而（a）。
a）减小；b）增大；c）不变；d）无规律
14）与干摩擦相比，加入润滑剂后摩擦副间的摩擦系数将会（b）。
a）增大；b）减小；c）不变；d）不一定
15）拉伸试样的直径一定，标距越长则测出的延伸率会（B）。
a）越大；b）越小；c）不变；d）无规律可循
16）拉伸试样的直径一定，标距越长则测出的断面收缩率会（C）。
a）越高；b）越低；c）不变；d）无规律可循
17）拉伸试样的直径一定，标距越长则测出的抗拉强度会（C）。
a）越高；b）越低；c）不变；d）无规律可循
材料和直径均相同的低碳钢长短试样各一个，用他们测得的伸长率，断面收缩率，和抗拉强度是否基本相同？
试样所以要规定一个标准要求的长度，是为了检测结果的标准化。
如果试样长度不同，虽然材料完全相同，但结果可能会有所不同。
如果试样长度相差不多，一般没有实质性的差别。
如果试样长度太短，将会出现一些使检测结果不能标准化的情况。
试样检测都是要夹持的，如果太短，这夹持引起的应力会影响到试样的受拉区域，则这种试样肯定是长度太短而影响到了检测结果。
如果试样长度长一些，因为这试样，不管如何说是均质的，其实肯定是不均质的，只是变化范围大小不同而已。
所以试样长度的加长，试样将会在其薄弱处出现破坏的原理，结果长的试样检测结果要比短试样的小一些。
小多少？
要看材料的不均匀程度与试样长度的差别。
标准检测，应该要按标准规定的要求来进行，才能使结果比较标准化，结果才能有权威性而让人信服。
其实，这种情况你可以做一下一些比对试验的，从而真实牢固地掌握一些基本的概念。
加载速度会对材料力学性能产生什么影响?
加载速度的快慢就是生产加工中材料变形速度的快慢。
通常情况下，塑性变形速度越快，变形后的材料储能越高，应变硬化率越高。
这样造成材料本体硬度提高，力学中的抗拉强度会相对高一些，耐磨性能也好一些。
加工硬化可以使屈服强度增加，但不能改变抗拉强度
金属的抗拉强度其实就是抵御外力、不让内部由于各种原因产生的裂纹发生扩展的能力。
这个涉及到了材料的断裂韧性。
凡是提高或降低材料断裂韧性的措施或手段会会相应提高或降低材料的抗拉强度。
如
（1）加入高强的分散均匀、界面结合良好的细长纤维第二相（金属中加入高强陶瓷纤维）；
（2）或采取措施诱发产生应力诱导的体积发生膨胀的相变过程使得裂纹前端压应力成分增加（如氧化铝中加入氧化锆）；（3）加入极细的弥散分布硬颗粒，使得裂纹的扩展不沿直线而沿曲线传播（金属中加入碳化钛或氮化钛）；（4）裂纹前端扩展时尽可能地发生较大的塑性变形，不过这与所述的金属的本性有关
二、简答题
1.简述洛氏硬度试验方法的原理、计算方法和优缺点。
答：
洛氏硬度试验方法的原理是以一定的压力（600N、1000N、1500N）将顶角为1200的金刚石圆锥体压头或直径为1/钢球压入试样表面，以残留于表面的压痕深度e来表示材料的硬度。
洛氏硬度的计算方法为：
（1）对以金刚石圆锥体为压头、总试验力为1500N的C标尺，有HRC=100-e/0.002；
（2）对以钢球为压头、总试验力为600N和1000N的A和B标尺，有HRA（B）=130-e/0.002。
洛氏硬度试验的优点是：
（1）因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题。
（2）因为硬度值可从硬度机的表盘上直接读出，故测定洛氏硬度更为简便迅速，工效高。
（3）对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质量检验。
（4）因加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。
洛氏硬度的缺点是：
（1）洛氏硬度存在人为的定义，使得不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较，不像布氏硬度可以从小到大统一起来。
（2）由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织的不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差，因而不适用具有粗大组成相（如灰铸铁中的石墨片）或不均匀组织材料的硬度测定。
2）什么是低温脆性？
并阐述低温脆性的物理本质。
答：
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。
低温脆性是材料屈服强度随温度的下降而急剧增加、但材料的断裂强度σf却随温度变化较小的结果。
3）切口冲击韧性实验能评定那些材料的低温脆性？
哪些材料不能用此方法检验和评定？
局限性？
答：
切口冲击韧性实验能综合评定缺口、低温和高应变速率对对材料脆化的影响。
塑性很好的材料及表面光滑无裂纹的材料不能用此方法检验和评定。
局限性表现在材料的冲击韧性是定性的，无法用理论公式确定，而且，对缺口、材料缺陷敏感，不能定量研究。
4）从宏观和微观分析为什么有些材料有明显的韧脆转变温度，有些没有？
答：
宏观上，体心立方中、低强度结构钢明显的韧脆转变温度，高强度度结构钢在很宽的温度范围内，冲击功都很低，没有明显的韧脆转变温度。
面心立方金属及其合金一般没有韧脆转变现象。
微观上，体心立方金属中位错运动的阻力对温度变化非常敏感，位错运动阻力随温度下降而增加，在低温下，该材料处于脆性状态。
而面心立方金属因滑移系较多，对温度不敏感，故一般不显示低温脆性。
5）材料的厚度或截面尺寸对材料的断裂韧性有什么影响？
在平面应变断裂韧性KIC
的测试过程中，为了保证裂纹尖端处于平面应变和小范围屈服状态，对试样的尺寸有什么要求？
答：
材料的断裂韧性随材料厚度或截面尺寸的增加而减小，因此为保证裂纹尖端处于平面应变和小范围屈服状态，对试样在z向的厚度B、在y向的宽度W与裂纹长度a之差（即W-a，称为韧带宽度）和裂纹长度a设计成如下尺寸：
6）高周疲劳与低周疲劳的区别是什么？
并从材料的强度和塑性出发，分析应如何提高材料的抗疲劳性能？
答：
高周疲劳是指小型试样在变动载荷（应力）试验时，疲劳断裂寿命高于105周次的疲劳过程。
高周疲劳试验是在低载荷、高寿命和控制应力下进行的疲劳。
而低周疲劳是在高应力、短寿命、控制应变下进行的疲劳过程。
对高周疲劳，由于承受的载荷较小、常处于弹性变形范围内，因而材料的疲劳抗力主要取决于材料强度。
于是提高的材料就可改善材料的高周疲劳抗力。
而对低周疲劳，承受的载荷常大于材料的屈服强度、处于塑性变形内，因而材料的疲劳抗力主要取决于材料的塑性。
于是增加材料的塑性，可提高材料的低周疲劳抗力。
7）叙述区分高强钢发生应力腐蚀破裂与氢致滞后断裂的方法。
答：
应力腐蚀与氢致滞后断裂，虽然都是由于应力和化学介质共同作用而产生的延滞断裂现象，但可通过以下的方法进行区分：
（1）利用外加电流对静载下产生裂纹的时间或裂纹扩展速率的影响来判断。
当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹时间的是应力腐蚀；当外加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间的是氢致延滞断裂。
（2）应力腐蚀的断裂源在试样的表面；而氢致开裂的断裂源在表面以下的某一深度处。
（3）应力腐蚀断口的颜色灰暗，常有腐蚀产物存在；而氢致断裂断口一般较光亮、没有腐蚀产物或腐蚀产物的量很少。
（4）应力腐蚀的主裂纹有较多的二次裂纹存在；而氢致断裂的主裂纹没有分枝。
8）与常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？
答：
与常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有如下特点：
（1）材料在高温下将发生蠕变现象。
即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。
（2）材料在高温下的强度与载荷作用的时间有关了。
载荷作用的时间越长，引起一定变形速率或变形量的形变抗力及断裂抗力越低。
（3）材料在高温下工作时，不仅强度降低，而且塑性也降低。
应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。
因而在高温下材料的断裂，常为沿晶断裂。
（4）在恒定应变条件下，在高温下工作的材料还会应力松弛现象，即材料内部的应力随时间而降低的现象。
9）金属材料在高温下的变形机制与断裂机制，和常温比较有何不同?
答：
变形机制：
高温下晶内变形以位错滑移和攀移方式交替进行，晶界变形以滑动和迁移方式交替进行。
常温下，变形机制以晶内位错滑移为主，若滑移受到阻碍，滑移便不能进行，必须在更大切应力作用下才能使位错重新开动和增值。
断裂机制：
高温下，主要是沿晶断裂，由于晶界滑动，在晶界的台阶（如经第二相质点或滑移带的交截）处受阻而形成空洞，特别易产生在垂直于拉应力方向的晶界上，空洞连接而发生断裂。
10）控制摩擦磨损的方法有哪些?
（1）润滑剂的使用：
在相对运动的摩擦接触面之间加入润滑剂，使两接触面之间形成润滑膜，变干摩擦为润滑剂内部分子之间内摩擦，从而达到减少接触面间的摩擦、降低材料磨损的目的。
（2）摩擦材料的选择：
根据摩擦的具体工况（载荷、速度、温度、介质），选择合理的摩擦副材料（减摩、摩阻、耐磨），也可达到降低材料磨损的目的。
（3）材料的表面改性或强化：
利用各种无力的、化学的或机械的工艺手段如机械加工强化处理、表面处理（滚压、喷九和表面化学热处理）都可因为表层产生压应力，能有效地减少材料磨损。
11）氢脆可以分为哪些类型？
何谓‘第一类氢脆’、‘第二类氢脆’、‘可逆氢脆’、‘不可逆氢脆’，他们有什么特点？
答：
氢脆根据氢的来源可分成两大类：
第一类为内部氢脆，它是由于金属材料在冶炼、锻造、焊接或电镀、酸洗过程中吸收了过量的氢气而造成的；第二类氢脆称为环境氢脆，它是在应力和氢气氛或其它含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂，如贮氢的压力容器中出现的高压氢脆。
氢脆按其与外力作用的关系可分成两大类：
第一类氢脆和第二类氢脆。
第一类氢脆是在负荷之前材料内部已存在某种氢脆断裂源。
在应力作用下裂纹迅速形成与扩展，因而随着加载速度的增加，氢脆的敏感性增大，包括白点、氢蚀、氢化物致脆等。
第二类氢脆是在负荷之前，材料内部并不存在某种氢脆断裂源。
加载后由于氢与应力的交互作用才形成裂纹源，裂纹逐渐扩展而导致脆断，因而氢脆的敏感性是随着加载速度的降低而增大，包括可逆氢脆和不可逆氢脆。
可逆氢脆是指材料经低速形变变脆后，如果卸载并停留一段时间在进行正常速度变形，原先已脆化材料的塑性可以得到恢复。
通常高强度钢的环境氢脆及低含氢量状况下的内部氢脆均属此类。
不可逆氢脆是指已脆化的材料，卸载后再进行正常速度变形时，其塑性不能恢复。
氢化物致脆属此类。
12）腐蚀疲劳和应力疲劳相比有何不同？
答：
腐蚀疲劳和应力疲劳相比，主要有以下不同点：
（1）应力腐蚀是在特定的材料与介质组合下才发生的，而腐蚀疲劳却没有这个限制，它在任何介质中均会出现。
（2）对应力腐蚀来说，有一临界应力强度因子KISCC，这是材料固有的性能，当外加应力强度因子KI但对腐蚀疲劳，即使KI（3）应力腐蚀破坏时，只有一两个主裂纹，主裂纹上有分支小裂纹，而腐蚀疲劳裂纹源有多处，裂纹没有分支。
（4）在一定的介质中，应力腐蚀裂纹尖端的溶液酸度是较高的，总是高于整体环境的平均值。
13）试述高温蠕变预应力松弛的异同点。
答：
蠕变是指在一定的温度和较小的恒定外力作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。
应力随时间增加不断下降的现象叫做应力松弛。
应力松弛可看作是应力不断降低时的“多级”蠕变。
14）什么是低循环疲劳、高循环疲劳？
什么是应力疲劳、应变疲劳？
答：
在很高的应力下，在很少的循环次数后，试件即发生断裂，并有较明显的塑性变形。
一般认为，低循环疲劳发生在循环应力超出弹性极限，疲劳寿命在0.25到104或105次之间。
因此，低循环疲劳又可称为应变疲劳。
在高循环疲劳区，循环应力低于弹性极限，疲劳寿命长，Nf＞105次循环，且随循环应力降低而大大地延长。
试件在最终断裂前，整体上无可测的塑性变形，因而在宏观上表现为脆性断裂。
在此区内，试件的疲劳寿命长，故可将高循环疲劳称为应力疲劳。
15）简述布氏硬度试验方法的原理、计算方法和优缺点。
答：
a）测试原理：
用一定的压力P将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，于是在试件表面留下压痕（压痕的直径和深度分别为d和h）。
布氏硬度用单位压痕表面积A上所承受的平均压力表示。
b）计算方法：
c）优缺点：
优点：
1）分散性小，重复性好，能反映材料的综合平均性能。
2）可估算材料的抗拉强度。
缺点：
1）不能测试薄件或表面硬化层的硬度。
2）试验过程中，常需要更换压头和实验载荷，耗费人力和时间。
16）解释平面应力和平面应变状态，并用应力应变参数表述这两种状态。
答：
对薄板，由于板材较薄，在厚度方向上可以自由变形，即z=0。
这种只在两个方向上存在应力的状态称为平面应力。
（2分）
对厚板，由于厚度方向变形的约束作用，使得ｚ方向不产生应变，即z=0，这种状态称为平面应变。
推导题
1）在原子平衡间距为的理想晶体中，两原子间的作用力与原子相对位置变化x的关系为σ=σmsin（2πx/λ）。
如晶体断裂的表面能为，弹性模量为E，试推导晶体发生断裂的理论断裂强度。
答：
材料的理论结合强度，应从原子间的结合力入手，只有克服了原子间的结合力，材料才能断裂。
两个原子面的作用力如下图所示。
克服了原子之间作用力的最大值，即可产生断裂。
这一最大值即为理论断裂强度σm。
曲线上的最高点代表晶体的最大结合力，即理论断裂强度。
作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示
σ=σmsin（2πx/λ）
（1）
式中x为原子间位移,λ为正弦曲线的波长。
如位移很小，则sin（2πx/λ）=（2πx/λ），于是
σ=σm（2πx/λ）
（2）
根据虎克定律，在弹性状态下，
σ=Eε=Ex/a0（3）
式中E为弹性模量；ε为弹性应变；a。
为原子间的平衡距离。
合并式
（2）和（3），消去x，得
σm=λE/2πa0（4）
另一方面，晶体脆性断裂时，形成两个新的表面，需要表面形成功2γ，其值应等于释放出的弹性应变能，可用上图中曲线下所包围的面积来计算得，假定sin（2πx/λ）=（2πx/λ）。
（5）
•
由式5和式4得到：
•
•σm=（Eγ/a0）1/2
2）试用无限大板中心贯穿裂纹（裂纹长度为2a）延长线上应力场强度分布公式
σy=KI/（2r）1/2，计算平面应力条件下裂纹前端塑性区的真实大小。
其中材料的屈服强度为σS。
注意，计算时需考虑应力松弛的影响。
解：
按照线弹性断裂力学，σy=KI/（2r）1/2，其应力分布如下图中的曲线DC；当弹性应力超过材料有的效屈服强度σS时，便产生塑性变形。
原始塑性区的大小r0。
可按下式计算：
由σs=KI/（2r0）1/2，可得：
r0=1/
（2）（KI/σs）2
在塑性区r0范围内如不考虑形变强化，其应力可视为恒定的，就等于σs。
但是，在高出σs的那部分弹性应力，（以阴影线A区表示）势必要发生应力松驰。
应力松驰的结果，使原屈服区外的周围弹性区的应力升高，相当于BC线向外推移到EF位置，如图所示。
应力松驰的结果使塑性区从r0扩大到R0。
从能量角度看，阴影线面积DBA=矩形面积BGHE，用积分表示为：
计算题
1、已知由某种钢材制作的大型厚板结构（属平面应变），承受的工作应力为σ=560MPa，板中心有一穿透裂纹（
），裂纹的长度为2a=6mm，钢料的性能指标如下表所示。
试求：
a）该构件在哪个温度点使用时是安全的？
b）该构件在0℃和50℃时的塑性区大小R。
c）用作图法求出
该材料的低温脆性转变温度TK。
温度（℃）
σS（MPa）
KIC（MPa*m1/2）
-50
1000
30
-30
900
50
0
800
90
50
700
150
温度（℃）
σS（MPa）
KIC（MPa*m1/2）
-50
1000
30
-30
900
50
0
800
90
50
700
150
温度（℃）
σS（MPa）
KIC（MPa*m1/2）
-50
1000
30
-30
900
50
0
800
90
50
700
150
解：
已知σ=560MPa
裂纹长度为2a=6mm，于是a=0.003mm；
构件为大型厚板结构，属平面应变。
a）在-50℃下，
＝560／1000＝0.56<0.6，于是有：
＝56.4MPa*m1/2>30.0MPa*m1/2
因此在-50℃下是不安全的。
在-30℃下，
＝560／900＝0.62>0.6，于是有：
＝56.32MPa*m1/2>50MPa*m1/2
因此在-30℃下是不安全的。
在0℃下，
560／800＝0.70>0.6，于是有：
＝56.88MPa*m1/2<90MPa*m1/2
因此在0℃下是安全的。
在50℃下，
560／700＝0.80>0.6，于是有：
＝57.78MPa*m1/2<100MPa*m1/2
因此在50℃下是安全的。
该构件在0℃、50℃下是安全的。
（5分）
b）在0℃下，KI＝56.88MPa*m1/2，σS=800MPa，所以有：
=5.69*10-4m=0.569mm
在50℃下，KI＝57.78MPa*m1/2，σS=700MPa，所以有：
=7.65*10-4m=0.765mm（5分）
c）由
，可求出断裂应力为
。
将裂纹长度、不同温度下的屈服强度和断裂韧性代入上式得：
-50℃，
＝306.5MPa
-30℃，
＝497MPa
0℃，
＝886MPa
50℃，
＝1455MPa
利用不同的屈服强度
和断裂强度
s与温度作图，如下图：
由图可见
s和
两条曲线相交于-7℃，于是该材料的低温脆性转变温度为-7℃。
（3分）
2.某单位拟设计一种大型的厚板构件（属平面应变），构件的工作应力为σ=800MPa，板中心有一穿透裂纹（
），裂纹长度为2a=4mm。
现有以下的五种钢材可供选择，各钢材的断裂韧性KIC和屈服强度σS如下表：
钢材
1
2
3
4
5
σS（MPa）
1100
1200
1300
1400
1500
KIC（MPa*m1/2）
108.5
85.5
69.8
54.3
46.5
a）若按屈服强度计算的安全系数为n=1.4，试找出既能保证材料强度储备又不发生脆性断裂的钢材。
b）若n=1.7时，上述哪种材料能满足该构件的设计要求?
如果
则采用如下公式：
（平面应力）；
（平面应变）
（平面应力）；
（平面应变）
解:
a）设计的构件为大型厚板，属平面应变状态。
因n=1.4，根据材料力学的设计依据
，于是对给定的构件工作应力σ=800Mpa，材料的屈服强度应为
。
因此,1号钢材不合适。
对２号钢材，σS＝1200MPa＞1120MPa，而
800／1200＝0.67>0.6，于是有：
＝66.07MPa*m1/2<85.5MPa*m1/2
因此选用2号钢材是安全的.
对3号钢材,σS＝1300MPa＞1120MPa，而
800／1300＝0.61>0.6，于是有：
=65.6MPa*m1/2<69.8MPa*m1/2
因此选用3号钢材是安全的.
对4号钢材,σS＝1400MPa＞1120MPa，而
800／1400＝0.57<0.6，于是有：
＝63.4MPa*m1/2>54.3MPa*m1/2
因此选4号钢材是不安全的.
对5号钢材,σS＝1500MPa＞1120MPa，而
800／1500＝0.53<0.6，于是有：
＝63.4MPa*m1/2>46.5MPa*m1/2
因此选5号钢材是不安全的.
所以设计构件时,可选择2、3号钢材。
b）因n=1.7，根据材料力学的设计依据
，于是对给定的构件工作应力σ=800MPa，材料的屈服强度应为
＝1360MPa。
因此,1、２、３号钢材不合适。
对4号钢材,σS＝1400MPa＞1360MPa，而
800／1400＝0.57<0.6，于是有：
＝63.
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