材料力学性能知识要点

2024年1月10日发(作者：曾凤韶)

1、低碳钢拉伸试验的过程可以分为 弹性变形 、 塑性变形 和 断裂 三个阶段。

2、材料常规力学性能的五大指标为： 屈服强度 、 抗拉强度 、 延伸率

断面收缩率 、 冲击功 。

3、陶瓷材料增韧的主要途径有 相变增韧 、 微裂纹增韧 、 表面残余应力增韧 、 晶须或纤维增韧 显微结构增韧以及复合增韧六种。

4、常用测定硬度的方法有 布氏硬度 、 洛氏硬度 和 维氏硬度 测试法。

1、聚合物的弹性模量对 结构 非常敏感，它的粘弹性表现为滞后环、应力松弛和 蠕变 ，这种现象与温度、时间密切有关。

2、影响屈服强度的内在因素有： 结构健 、 组织 、 结构 、 原子本性 ；外在因素有： 温度 、 应变速率 、 应力状态 。

3、缺口对材料的力学性能的影响归结为四个方面： (1)产生应力集中 、

(2)引起三相应力状态，使材料脆化 、 (3)由应力集中带来应变集中 、(4)使缺口附近的应变速率增高 。

4、低碳钢拉伸试验的过程可以分为 弹性变形 、 塑性变形 和 断裂 三个阶段。

5、材料常规力学性能的五大指标为： 屈服强度 、 抗拉强度 、 延伸率

断面收缩率 、 冲击功 。

6、陶瓷材料增韧的主要途径有 相变增韧 、 微裂纹增韧 、 表面残余应力增韧 、 晶须或纤维增韧 显微结构增韧以及复合增韧六种。

请说明下面公式各符号的名称以及其物理意义

7、cKIC/Yac

σc：断裂应力，表示金属受拉伸离开平衡位置后，位移越大需克服的引力越大，σc表示引力的最大值；

K1C：平面应变的断裂韧性，它反映了材料组织裂纹扩展的能力；

Y：几何形状因子

ac:

裂纹长度

dac(K)m进行解释，并说明各符号的名称及其物理意义（5分） 8、对公式dN答：表示疲劳裂纹扩展速率与裂纹尖端的应力强度因子幅度之间的关系。

da：裂纹扩展速率（随周次）；

dNc与m：与材料有关的常数；

K：裂纹尖端的应力强度因子幅度

εss-蠕变速率，反映材料在一定的应力作用下，发生蠕变的快慢；n为应力指数，n并非完全是材料常数，随着温度的升高，n略有降低；A为常数；σ为蠕变应力。该公式反映了在稳态蠕变阶段，蠕变速率和蠕变应力之间的关系。

9、10、S=Kεn Hollomon 关系式

式中n称为加工硬化指数或应变硬化指数，K叫做强度硬化指数。S—真应力 ε—真应变

若取对数， lnS=lnK+ nlnε

1、提高金属材料的屈服强度有哪些方法?试用已学过的专业知识就每种方法各举一例。

答： 从组织的影响来看有四种强化机制影响金属材料的屈服强度：固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、晶界和亚晶强化；

影响屈服强度的外在因素还有：温度、应变速率、应力状态。随着温度的降低与应变速率的增高，材料的屈服强度也升高。

2、和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?造成这种差别的原因何在?

答： 首先，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发生变形；其次，材料在高温下不仅强度降低，且塑性也降低。应变越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。再次，材料在高温下晶界附近是弱化的区域。但在常温或不太高的温度下，晶界却是阻止变形引起材料强化的因素，细晶粒不仅强度高，塑韧性也好。另外还有高温应力松弛、蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降。

材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。

3、金属疲劳破坏的特点是什么？典型疲劳断口具有什么特征？提高疲劳强度的途径有哪些？

答： 金属疲劳破坏有以下三个特点：第一，断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然地破坏；第二，引起疲劳破坏的应力很低，常常低于静载时的屈服强度；第三，疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部分。

一个典型的疲劳断口总是有疲劳源、疲劳裂纹扩展源和最终断裂区三部分组成。

4为什么通常体心立方金属显示低温脆性，而面心立方金属一般没有低温脆性?

答：对于体心立方金属来说，随着温度的下降屈服强度上升剧烈，但形变硬化速率却对温度不太敏感，因此随着温度下降其抗拉强度与屈服强度的差别基本保持不变，而延伸率则越来越低。这样，当屈服强度上升到和其解离断裂抗力相等时，材料就发生脆断。

对于面心立方金属来说，屈服强度随温度降低基本不变，但加工硬化速率却迅速上升，相应地也伴随着抗拉强度迅速上升。均匀延伸率随温度的降低不是减

小而是明显增大。故面心立方金属没有冷脆现象。

5提高零件的疲劳寿命有哪些方法?试就每种方法各举一应用实例，并对这种方法具体分析，其在抑制疲劳裂纹的萌生中起有益作用，还是在阻碍疲劳裂纹扩展中有良好的效果?

答：提高疲劳寿命的方法有：1、采用滚压或喷丸的表面强化方法。因为疲劳裂纹的萌生大多起源于表面，滚压或喷丸时表面的塑性变形受到约束，使表面产生很高的残留压应力，这种情况下表面就不易萌生疲劳裂纹，即使表面有小的裂纹，裂纹也不易扩展。

2、利用表面化学热处理的方法来提高零件的疲劳强度。如渗碳氮化等，其表面强化原理和上述的喷丸、滚压法是相同的，也是在渗层表面产生残余压应力。

3、减少夹杂物。夹杂物如Al2O3、硅酸盐和MnS等与基体的膨胀系数不同，在淬火过程中使其周围产生应力，在夹杂物和基体之间萌生疲劳裂纹。

4、细化晶粒。细化晶粒对阻止疲劳裂纹的萌生和扩展都是有好处的。细化晶粒相当于减小了平均滑移距离，减少了在晶界上位错塞积所引起的应力集中。

5、其它因素。对Ti-8Al-1Mo-1V用铍的表面镀层能显著提高疲劳极限。在零件制造过程中，注意消除磨削和焊接等工艺造成的残余拉应力。

6、为什么材料的塑性要以延伸率和断面收缩率这两个指标来度量?它们在工程上各有什么实际意义?

答：试样拉断时所测得的延伸率主要反映了材料均匀变形的能力，而断面收缩率则反映了材料局部变形的能力。在试样拉伸过程中，试样伸长包括两部分，均匀伸长（颈缩前）和局部伸长（颈缩后），因此可以用延伸率和断面收缩率来度量材料的塑性。

7、缺口对材料的性能有哪些影响？为什么缺口冲击韧性被列为材料常规性能的五大指标之一？它和断裂韧性有何关系？

答：影响：1、产生应力集中；2、引起三向应力状态，使材料变脆；3、由应力集中带来应变集中；4、使缺口附近的应变速率增高。

原因：测量简便迅速，综合了缺口、低温及高应变速率这三个因素的影响，能够用来控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量；能够评定材料的冷脆倾向。

关系：温度对二者的影响类似、加载速率所引起的脆性转变温度的改变一致，二者在低温下有一定的对应关系。

8．缺口冲击韧性为什么被列为材料常规性能的五大指标之一，怎样正确理解冲击韧性的功能：(a)它是控制工艺的性能指标；(b)它是服役性能指标；(c)两者兼而有之，但要具体分析。你对上述说法有何评论?冲击韧性能理解为材料抵抗冲击载荷而不发生破坏的能力吗?

答：缺口冲击韧性试验最大的优点就是测量迅速简便，所以将材料的冲击韧性列为材料的常规力学性能。

(a)缺口冲击韧性用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。厂里所规定的冲击韧性值是用来检验材料的冶金质量和热加工工艺是否正常，而不是作为使用性能或服役性能的指标提出的。

(b)它是用来评定材料的冷脆倾向。评定脆断倾向的标准常常是和材料的具体服役条件

相联系的。在这种情况下所提出的材料冲击韧性值要求，虽然不是一个直接的服役性能，但应理解为和具体服役条件有关的性能指标。

冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。而不能理解为材料抵抗冲击载荷而不发生破坏的能力。

1、某汽车弹簧，在未装满载时已变形到最大位置，缺载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。

答：

第一种故障主要是材料的刚度（弹性模量）不足，抵抗弹簧变形能力不够；

改进措施：（1）更换弹性模量高的材料；（2）改变材料的截面形状尺寸。

第二种故障主要是材料的弹性极限偏低所致；

改进措施：（1）更换弹性极限高的材料（2）对材料进行适当热处理

3. 材料M比材料N的高温蠕变极限、持久强度以及持久塑性都高，而且表现出高温“强韧化”特点。请在蠕变曲线图上画出材料M和材料N的相对位置，并做以说明。

答：材料M和N的应力－应变曲线示意图如下。横坐标为应变值；纵坐标为应力值，材料M在断裂时的最大应力值大于材料N，也就是，材料M的强度比材料N要大。材料M，在应力－应变曲线上有明显的塑性变形阶段，而材料N达到最大应力值时就断裂了，说明材料M的塑性较好。

2．一直径为2.5mm，长为200mm的杆，在载荷2000N作用下，直径缩小为2.2mm,试计算：(1)杆的最终长度；(2)在该载荷作用下的真应力S与真应变；(3)在该载荷作用下的条件应力与条件应变。

答：(1)＝A0AA02d0d2d02×100%=×100%=2.522.222.52×100%=22.56%

 =1=29.13%

最终杆长：l=l0(1+)=200×（1+29.13%）=258.26mm(备注：也可利用体积不变定律计算)

F2000N22(2)S=A=1/4**2.2*mm=526.13Mpa

ln(1)=ln(129.13%)=25.56% （或

=lnll0＝

ln258.26200=25.56%）

(3)

F2000NA01/4**2.52*mm2=407.44 Mpa

(或S=1S(1)=526.131×（1－22.56％）＝407.44 Mpa

l258.26200l0＝200×100%=29.13%

4. 产生颈缩的应力条件是什么? 要抑制颈缩的发生有哪些方法?

答：当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩。

措施：提高加工硬化指数。