力学性能整理

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第一章 金属在其他静载荷下的力学性能

弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。

滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加第二章 金属在其他静载荷下的力学性能

应力状态软性系数：材料或工件所承受的最大切应力τmax和最大正应力

此外用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。

维氏硬度优点：不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径D之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端；维氏硬度试验时不仅试验力可以任意取，而且压痕测量的精度较高，

σmax比值，即：

max13



max210.523

弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。

循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。

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。 河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志。 穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。

沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。

韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变

说明下列力学性能指标的意义：E弹性模量 G切变模量

r规定残余

伸长应力

0.2

屈服强度

gt

金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率

n 应变硬化指数

金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？

答：主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。

试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？

答：随含碳量的增加，其组织中渗碳体含量增多，对基体起强化作用，使得材料屈服强度变高，塑性变低。表现在实验过程中退火低碳钢、中碳钢试样外力不增加试样仍然继续伸长，或外力增加到一定数值时突然下降。随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续变形伸长，即存在上下屈服点和屈服平台，而高碳钢具有连续屈服特征，没有显著的上下屈服点和屈服平台过了屈服点就会直接发生断裂。 决定金属屈服强度的因素有哪些？

答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。

外在因素：温度、应变速率和应力状态。

何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？

答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。

缺口效应：绝大多数机件的横截面都不是均匀而无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等，这种截面变化的部分可视为“缺口”，由于缺口的存在，在载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的缺口效应。

缺口敏感度：样的抗拉强度σbn的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb

的比值，称为缺口敏感度，即： 布氏硬度：用钢球或硬质合金球作为压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。

洛氏硬度：采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度所表示的硬度。

维氏硬度：以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。

努氏硬度：采用两个对面角不等的四棱锥金刚石压头，由试验力除以压痕投影面积得到的硬度。

肖氏硬度：采动载荷试验法，根据重锤回跳高度表证的金属硬度。

里氏硬度：采动载荷试验法，根据重锤回跳速度表证的金属硬度。 说明下列力学性能指标的意义 σ：材料的抗压强度 NSR：材料的缺口敏感度

HBW：压头为硬质合金球的材料的布氏硬度 试述脆性材料弯曲试验的特点及其应用。

答：（1）弯曲试验试样形状简单，操作方便。常用于测定铸铁、铸铁合金、工具钢及硬质合金等脆性材料与低塑性的强度和显示塑性的差别。（2）弯曲试样表面应力最大，可灵敏的反应材料表面缺陷。常用来比较和鉴别渗碳和表面淬火等化学热处理及表面热处理机件的质量和性能。

试说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理，并比较布氏、洛氏与维氏硬度试验方法的优缺点。

布氏硬度：用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位面积所承受的试验力。 洛氏硬度：采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度。 维氏硬度：以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头，计算单位面积所承受的试验力。

布氏硬度优点：实验时一般采用直径较大的压头球，因而所得的压痕面积比较大。压痕大的一个优点是其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相得平均性能；另一个优点是实验数据稳定，重复性强。缺点：对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，因而用于自动检测时受到限制。

洛氏硬度优点：操作简便，迅捷，硬度值可直接读出；压痕较小，可在工件上进行试验；采用不同标尺可测量各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度，因而广泛用于热处理质量检测。缺点：压痕较小，代表性差；若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；

1

硬度值较为准确。缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低的多。 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能

冲击韧性:材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力 冲击韧度:U形缺口冲击吸收功A除以冲击试样缺口底部截面积所得之商，称为冲击韧度，αku=Aku/S （J/cm2）, 反应了材料抵抗冲击载荷

的能力,用a表示。

冲击吸收功: 缺口试样冲击弯曲试验中，摆锤冲断试样失去的位能为mgH1-mgH2。此即为试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功，以A表示，单位为J。

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、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度t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，这就是低温脆性。

说明下列力学性能指标的意义

AK：冲击吸收功。含义见上面。冲击吸收功不能真正代表材料的韧脆程度，但由于它们对材料内部组织变化十分敏感，而且冲击弯曲试验方法简便易行，被广泛采用。AKV (CVN)：V型缺口试样冲击吸收功. AKU：U型缺口冲击吸收功.

FATT：冲击试样断口分为纤维区、放射区（结晶区）与剪切唇三部分，在不同试验温度下，三个区之间的相对面积不同。温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大，材料由韧变脆。通常取结晶区面积占整个断口面积50%时的温度为t，并记为50%FATT，或FATT50%，t50。（或:结晶区占整个断口面积50%是的温度定义的韧脆转变温度.

NDT: 以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度,称为无塑性或零塑性转变温度。

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：宏观上对于那些有低温脆性现象的材料，它们的屈服强度会随温度的降低急剧增加，而断裂强度随温度的降低而变化不大。当温度降低到某一温度时，屈服强度增大到高于断裂强度时，在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大，因此材料在受力时还未发生屈服便断裂了，材料显示脆性。

从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关，当温度降低时，位错运动阻力增大，原子热激活能力下降，因此材料屈服强度增加。

影响材料低温脆性的因素有：1．晶体结构：对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高，材料脆性断裂趋势明显，塑性差。2．化学成分：能够使材料硬度，强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差，材料脆性提高。

3．显微组织：①晶粒大小，细化晶粒可以同时提高材料的强度和塑韧性。


因为晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒细小，晶界总面积增加，晶界处塞积的位错数减 少，有利于降低应力集中；同时晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。 ②金相组织：较低强度水平时强度相等而组织不同的钢，冲击吸收功和韧脆转变温度以马氏体高温回火最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，当其尺寸增大时均使材料韧性下降，韧脆转变温度升高。

第四章 金属的断裂韧度

答： K判据解决了经典的强度理论不能解决存在宏观裂纹为什么会产生低应力脆断的原因。K判据将材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来，可直接用于设计计算，估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹最大尺寸，以及用于正确选择机件材料、优化工艺等。 断裂韧度K与强度、塑性之间的关系：总的来说，断裂韧度随强度的升高而降低。

试述K和A的异同及其相互之间的关系：

影响K的冶金因素：内因：1、化学成分的影响；2、集体相结构和晶粒的循环滑移带称为驻留滑移带。 P111

疲劳寿命：试样在交变循环应力或应变作用下直至发生破坏前所经受应力或应变的循环次数 p102/p117

过载损伤：金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小，就造成了过载损伤。 P102/p117

揭示下列疲劳性能指标的意义（1）疲劳强度σ-1，σ-p,τ-1,σ-1N, P99,100,103

σ-1: 对称应力循环作用下的弯曲疲劳极限；σ-p:对称拉压疲劳极限；低应力脆断：高强度、超高强度钢的机件 ，中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下发生的断裂。

应力场强度因子K： 在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚与强度因子K有关，对于某一确定的点，其应力分量由K确定，K越大，则应力场各点应力分量也越大，这样K就可以表示应力场的强弱程度，称K为应力场强度因子。 “I”表示I型裂纹。 裂纹扩展K判据：裂纹在受力时只要满足

KIKIC

，就会发生脆性

断裂.反之，即使存在裂纹，若

KIKIC

也不会断裂。

裂纹扩展能量释放率GI：I型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。P76/P88

裂纹扩展G判据： GIGIC

，当ＧＩ满足上述条件时裂纹失稳扩展

断裂。P77/P89

裂纹扩展Ｊ判据： JIJIC

，只要满足上述条件，裂纹（或构件）

就会断裂。

ＣＯＤ判据：

c，当满足上述条件时，裂纹开始扩展。P91/P103

试述低应力脆断的原因及防止方法

答： 低应力脆断的原因：在材料的生产、机件的加工和使用过程中产生不可避免的宏观裂纹，从而使机件在低于屈服应力的情况发生断裂。 预防措施：将断裂判据用于机件的设计上，在给定裂纹尺寸的情况下，确定机件允许的最大工作应力，或者当机件的工作应力确定后，根据断裂判据确定机件不发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸。

试述应力场强度因子的意义及典型裂纹

K的表达式

答：几种裂纹的

K表达式，无限大板穿透裂纹：Ka；

Kaf(a

有限宽板穿透裂纹：

b)

；有限宽板单边直裂纹：Kaf(a

b)

当ba时，K

1.2a；受弯

K

6Ma

单边裂纹梁：

(ba)3/2

f(b)；无限大物体内部有椭圆片裂纹，

2

K

a

22远处受均匀拉伸：



(sin

accos)1/42；无限

K

1.1a

大物体表面有半椭圆裂纹，远处均受拉伸：A点的

。 试述K判据的意义及用途

大小的影响；3、杂质及第二相的影响；4、显微组织的影响。外因：1、温度；2、应变速率。P81

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？ 解：由题意知穿透裂纹受到的应力为σ=900MPa

根据σ/σ0.2的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否休要修正

因为σ/σ0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂纹断裂韧度KIC需要修正

对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：

Ka

0.01I

=

10.177(/s)

2



90010.177(0.75)2

168.13

（MPa*m1/2）

塑性区宽度为： =0.004417937(m)= 2.21(mm) 比较K1与KIc：

R1K0

22



因为K1=168.13（MPa*m1/2） KIc=115（MPa*m1/2）

所以：K1>KIc ，裂纹会失稳扩展 , 所以该件不安全。

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？ 解： 因为σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂纹断裂韧度KIC不需要修正

对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为： KIC=Yσcac1/2

对于表面半椭圆裂纹，Y=1.1



/φ=1.1





所以，KIC=Yσcac1/2=1.115025103

=46.229

（MPa*m1/2） 第五章 金属的疲劳

疲劳源：是疲劳裂纹萌生的策源地，一般在机件表面常和缺口，裂纹，刀痕，蚀坑相连。P96

疲劳贝纹线：是疲劳区的最大特征，一般认为它是由载荷变动引起的，是裂纹前沿线留下的弧状台阶痕迹。 P97

疲劳条带：疲劳裂纹扩展的第二阶段的断口特征是具有略程弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（疲劳辉纹，疲劳条纹） P113

驻留滑移带：用电解抛光的方法很难将已产生的表面循环滑移带去除，当对式样重新循环加载时，则循环滑移带又会在原处再现，这种永留或再现

2

τ-1:对称扭转疲劳极限；σ-1N:缺口试样在对称应力循环作用下的疲劳极限。2）疲劳缺口敏感度q

金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性，常用疲劳缺口敏感度来评定。Qf=(Kf-1)/（kt-1）.其中Kt为理论应力集中系数且大于一，Kf为疲劳缺口系数。 Kf=(σ-1)/(σ-1N)(3）疲劳门槛值ΔKth P105

在疲劳裂纹扩展速率曲线的Ⅰ区，当ΔK≤ΔKth时，da/aN=0,表示裂纹不扩展;只有当ΔK>ΔKth时，da/dN>0,疲劳裂纹才开始扩展。因此，ΔKth是疲劳裂纹不扩展的ΔK临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。 试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程

答：典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域—疲劳源、疲劳区及瞬断区。 疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，疲劳源区的光亮度最大，因为这里在整个裂纹亚稳扩展过程中断面不断摩擦挤压，故显示光亮平滑，另疲劳源的贝纹线细小。

疲劳区的疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，是判断疲劳断裂的重要特征证据。特征是：断口比较光滑并分布有贝纹线。断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。贝纹线是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动与停歇，偶然过载引起的载荷变动，使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。

瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。其断口比疲劳区粗糙，脆性材料为结晶状断口，韧性材料为纤维状断口。 试述疲劳裂纹的形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法：

答：疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的。主要变现方式有表面滑移带开裂；第二相、夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界开裂等。

（1）滑移带开裂产生裂纹：金属在循环应力（σ>σ-1）长期作用下，即

使其应力低于屈服应力，也会发生循环滑移并形成循环滑移带。与静载荷时滑移带相比，循环滑移是极不均匀的，总是集中分布于某些局部薄弱区域。随着加载循环次数的增加，循环滑移带会不断地加宽，当加宽至一定程度时，由于位错的赛积和交割作用，时驻留滑移带处形成微裂纹。 组织方法：采用固溶强化、细晶强化等手段

（2）相界面开裂产生裂纹：由于材料第二相或夹杂物对相界面产生影响造成相界面开裂产生裂纹。

阻止方法：降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布，使之“少、圆、小、匀”

（3）晶界开裂产生裂纹：多晶体材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在某一晶粒内运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶界处发生位错塞积和应力集中现象。在应力不断循环下，晶界处的应力集中得不到

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