材料力学性能

2024年1月10日发(作者：富振声)

一． 名词解释

粘着磨损（咬合磨损）：因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，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。

解理断裂：金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值时，以极快速率沿一定的晶体学平面产生的穿晶断裂。

应力腐蚀：金属材料在拉应力和特定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。

低温脆性：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，在试验温度低于某一温度时，会由韧性状态变成脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变成穿晶解理型，断口特征由纤维状变成结晶状。

疲劳：金属机构或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。

应力状态软系数：最大切应力τ与最大正应力б的比值表示它们的相对大小，记为α。

氢脆：由于氢和应力的共同作用导致金属材料产生脆性断裂的现象。

高周疲劳：金属在循环载荷作用下，疲劳寿命为大于10 次的疲劳断裂。

缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷的作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，从而影响金属材料的力学性能。

磨粒磨损：当摩擦副一方表面存在坚硬的细微突起，或者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一种磨损。

包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，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。

疲劳裂纹门槛值：是疲劳裂纹不扩展的的临界值，表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，越大，阻止裂纹扩展的能力越强，材料越好。

穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部扩展，既是宏观塑性断裂，也是宏观脆性断裂，包括纯剪切和微孔聚合型断裂。

冲击吸收功：指规定形状和尺寸的试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功。

弹性变形：材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。

二．解释下列指标的名称和物理意义。

Ψ：（断面收缩率)是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。

б (屈服强度)：对于具有连续屈服特征或没有明显现象的材料，用规定微量塑性伸长应力表征材料对微量塑性变形的抗力。

A :U形缺口冲击试样的冲击吸收功。

K :临界应力场强度因子，线弹性条件下以应力场强度因子表示的断裂韧性。

б (抗弯强度)：试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力，按弹性弯曲应力公式计算最大弯曲应力，是灰铸铁的重要力学指标。

NSR：（静拉伸缺口敏感度）用缺口试样的抗拉强度 与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度 的比值表示。NSR越大，缺口的敏感性越小。

K :应力腐蚀临界应力场强度因子（应力腐蚀门槛值） 将试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子。

б :对称弯曲疲劳极限 试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，故将对应的应力称为疲劳极限，记为б (对称循环，r=-1)

б ：对称拉压疲劳极限

FTE 以低阶能和高阶能平均值对应的温度tk，记为FTE

da/dn 疲劳裂纹扩展速率

HRC

σbc 抗压强度

δ 断后伸长率 指金属材料受外力作用断裂时，试样伸长的长度与原来长度的百分比。

KIC 临界应力场强度因子，线弹性条件下以应力场强度因子表示的断裂韧度

δc :裂纹尖端临界张开位移，在弹塑性状态下以变形量表示的断裂程度。

三．填空、问答题

1. 描述循环载荷，常用的五个参量

最大应力，最小应力，平均应力，应力半幅，应力比

2. 金属材料常见的塑性变形方式:滑移、孪生

3.在扭转实验中，塑性材料和脆性材料的断裂面的形态

① 塑性材料的断裂面与试样轴线垂直，断口平整，有回旋状塑性变形痕迹

由切应力造成的切断；

②脆性材料的断裂面与试样轴线成45°角，呈螺旋状，在正应力作用下产生

的正断。

4.疲劳断口的三个区域

疲劳源（疲劳裂纹源区）、疲劳区（疲劳裂纹扩展区）和瞬断区三个部分组成

5.疲劳裂纹扩展过程的几个阶段

裂纹成核阶段，微观裂纹扩展阶段，宏观裂纹扩展阶段，瞬时断裂阶段

值相同的材料的韧性行为

Ak并不能代表试样断裂前吸收的总能量：

①Ak试样变形断裂吸收的能量＋试样掷出功＋机身振动功＋空气阻力＋....

②Ak相同的材料,其韧性不一定相同

③Ak相同材料,断裂功不一定相同,断裂功大小决定断裂类型.

7.金属材料的拉伸力学性能，包括哪些强度指标塑性指标。

屈服强度σ0.2 、抗拉强度σb、断裂强度σk、断后伸长率δ和断面收缩率Ψ

8.材料的弹性滞后环在不同工程结构中的应用。

生产上为了降低机械噪声，抑制高速机械的振动，防止共振导致疲劳断裂对有些机件应选用循环韧性高的材料制造，以保证机器稳定运转。如机床床身、发动机缸体等。但对仪表和精密机械在选用重要传感元件的材料时，要求材料的滞弹性低，以保证仪表具有足够的精度和灵敏度。乐器所用金属材料的循环韧性越小，音质越佳。

9. 低温脆性：在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态变为脆性状态，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型，断口特征由纤维状变为结晶状，这种现象称为低温脆性。体心立方晶体金属及合金或某些密排六方

晶体金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度钢低温脆性明显，而高强度的体心立方合金在很宽温度范围内，冲击吸收功均较低，故韧脆转变不明显。

10. 断裂的分类

①根据断裂前塑性变形变形大小来分：韧性断裂、脆性断裂、

②根据裂纹扩展途径：穿晶断裂、沿晶断裂

③根据断裂机理：纯剪切断裂、微孔聚集性断裂、解理断裂、

④根据取向分类：正断、切断

11. 应力状态系数

最大切应力τmax与最大正压力σmax的比值表示他们的相对大小。称为应力状态软系数，记为α.α值越大的试验方法试样中最大切应力分量越大,表示应力状态越“软”。金属越易于产生塑性变形和韧性断裂。反之，α值越小的试验方法试样中最大正应力分量越大。应力状态越“硬”。金属越不易产生塑性变形而易于产生脆性断裂。

12.不同材料，选择合适的硬度试验方法：

a)轴承合金：布氏硬度 b)高速钢刀具 :HRC

c)鉴别钢中隐晶马氏体和残留奥氏体:显微硬度

d)淬火钢:HRC e)渗氮层:表面HRA

f)电化学镀层:表面洛氏 g)铜合金薄板:汞面洛氏

h)退火低碳钢:洛氏HRB 布氏

13. 防止应力腐蚀的措施。

①合理选择金属材料：针对机件所受的应力和接触的化学介质，选用耐应力腐蚀的金属材料，此外在选材时还应尽可能选用KISCC较高的合金，以提高机件抗应力腐蚀能力。

②减少或消除机件中的残余拉应力：残余拉应力时产生应力腐蚀的重要原因，主要是由于金属机件的设计和加工工艺不合理产生的。因此应尽量减少机件上的应力集中效应，加热和冷却要均匀，必要时可采用退火工艺以消除应力。若能采用喷丸或其他表面处理方法使机件表层中产生一定的残余应力，则更有效。

③改善化学介质：一方面设法减少和消除促进应力的腐蚀开裂的有害化学离子；另一方面，也可在化学介质中添加缓蚀剂。

④采用电化学保护:采用外加电位的方法使金属在化学介质中的电位远离应力腐蚀敏感电位区域，也是防止应力腐蚀的一种措施。一般采用阴极保护法，但高强度钢或其他氢脆敏感材料，不能采用阴极保护法。

14. 决定金属屈服强度的因素有哪些？强化金属的主要途径。

（1）内在因素

金属本性及晶格类型：主滑移面中位错的密度增加派纳力也增加，所以屈

服强度也随之提高

晶粒大小和亚结构：减小品粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内部位错塞积群的长度，屈服强度提高。

溶质元素：在固溶合金中，由于溶质原子和溶剂原子直径不同，在溶质原子周围形成了晶格畸变应力场，该应力场和错位应力场产生交互作用，使位错运动受阻碍，从而使屈服强度提高。

第二相：位错线只能绕过不可变形的第二相质点。随着线过质点的位错数量增加，留下位错环增多，相当于质点的间距减小，流变应力增大；对于可变形第二相质点位错可切过，使之同基体一起产生形变，由此提高屈服强度。

（2）外在因素：温度、应变速率、应力状态

15. K和A 的异同

相同点：化学成分对KⅠC的影响规律基本上和对AKV的影响相似

不同点：①应力集中程度不同，KⅠC高，AKV低；②决定断裂方式的组织因

素不同，前者是易粒尺寸，后者是夹杂物粒子间的平均间距；

③能量分布不同，前者是用于裂纹扩展，后者是裂纹萌生与扩展。

16. 三点弯曲试验，K的测试方法和对试样的要求。

① 要求：测定KIC时用的试样尺寸，必须保证裂纹尖端附近处于平面应变和小范围屈服状态

②方法：在试验机压头上装有载荷传感器，以测量载荷下的大小；

在试样缺口两侧接夹式引伸仪，以测量裂纹嘴张开位移V；

载荷信号及裂纹嘴张开位移信号经动态应变仪放大后，传到X-Y

函数记录仪中；

在加载过程中X-Y函数记录仪可连续描绘F-V曲线

根据F-V曲线可间接确定条件裂纹失稳扩展载荷FQ

试样压断后，用工具显微镜测量试样断口的裂纹长度a

17. 影响材料韧脆转变温度的因素

①晶体结构：体心立方金属及其合金存在低温脆性

②化学成分：间隙溶质元素溶入铁素体基中，偏聚于位错线附近，阻碍于位

错运动，故σs升高，钢的韧脆转变温度提高

③显微组织：细化晶粒使材料韧性增加

减小亚晶和胞状结构尺寸也能提高材料韧性

18.疲劳断裂的特点及改善零件疲劳强度的措施

特点：（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂

（2）疲劳是脆性断裂 （3）疲劳对缺陷十分敏感

19. 应力腐蚀产生的条件及阳极溶解理论

产生条件：应力，化学介质，金属材料。

阳极溶解理论：对应力腐蚀敏感的合金在特定的化学介质下中，首先在表面形成一层钝化膜，使金属不致进一步受到腐蚀，即处于钝化状态，因此，在没有拉应力作用下，金属不会发生腐蚀破坏。若有拉应力的作用，则可使裂纹尖端地区产生局部塑形变形，滑移台阶在表面露头时钝化膜破裂，显露出新的表面。这新鲜表面在电解质溶液中成为阳极，而其余具有钝化膜的金属表面便成为阴极，，从而形成腐蚀微电池。阳极金属变成正离子进入电解质中而产生阳极溶解，于是

在金属表面形成蚀抗。拉应力除促使裂纹尖端地区钝化膜破坏外，更主要的是再蚀抗或原有裂纹的尖端形成应力集中，使阳极电位降低，加速阳极金属的溶解。

20. 提高粘着磨损抗力的措施

(1)首先要注意摩擦副配对材料的选择

① 配对材料的粘着倾向应比较小；②选用表面易形成化合物的材料配对

③金属与非金属材料配对;④选用淬硬钢或淬硬钢与灰铸铁配对

(2)采用表面化学热处理改变材料表面状态,可有效的减轻粘着磨损

(3)控制摩擦滑动速度和接触压应力,可使粘着摩擦大为减轻。

21. 机件的磨损过程的三个阶段

(1)跑合阶段（磨合阶段）无论摩擦副双方硬度如何，摩擦表面逐渐被磨平，实际接触面积增大，磨损速率减小

(2)稳定磨损阶段：通常根据这一阶段的时间、磨损速率或磨损量来评定不同材料或不同工艺的耐磨性。

(3)剧烈磨损阶段:随工作时间增加，摩擦副接触表面之间的间隙增大，机体表面质量下降，润滑膜破坏，磨损加剧。

22. 拉伸宏观断口特征三要素

纤维区、放射区、剪切唇区

23. 影响疲劳强度的因素

(1)表面状态的影响：应力集中、表面粗糙度

(2)残余应力及表面强化的影响：表面喷丸及滚压、表面热处理及化学热处理

(3)材料成分及组织的影响:合金成分、显微组织、非金属夹杂物及冶金缺陷

24. 疲劳按照应力状态和按照寿命及应力高低的分类

按应力状态不同可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳；按寿命和应力高低不同可分为：高周疲劳和低周疲劳。

25. 测定K

用恒载荷法或恒位移法 。其中以恒载荷的悬臂梁弯曲试验法最常见。

试样尺寸，必须保证裂纹尖端附近处于平面应变和小范围屈服状态

26. 比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏斜拉伸的特点

①光滑试样轴向拉伸试验：截面上无应力集中现象，应力分布均匀，仅在颈缩时发生应力状态改变。

②缺口试样轴向拉伸试验：缺口截面上出现应力集中现象，应力分布不均，应力状态发生变化，产生两向或三向拉应力状态，致使材料的应力状态软性系数降低，脆性增大。

③偏斜拉伸试验：试样同时承受拉伸和弯曲载荷的副作用，其应力状态更“硬”，缺口截面上的应力分布更不均匀，更能显示材料对缺口的敏感性。

27. 疲劳裂纹的萌生机理

28.δ和ψ两种塑性指标在评定金属材料塑性时的选用原则。

δ：要求应用比例拉伸试样，其他性能指标则不要求

Ψ：金属材料机件是非长形件，在拉伸是形成缩颈时用它作为塑性指标