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材料性能学第一章材料单向静拉伸的力学性能一、名词解释。1.工程应力:载荷除以试件的原始截面积即得工程应力σ，σ=F／A0。2.工程应变：伸长量除以原始标距长度即得工程应变ε，ε=Δl／l0。3.弹性模数：产生100％弹性变形所需的应力。4.比弹性模数（比模数、比刚度）：指材料的弹性模数与其单位体积质量的比值。（一般适用于航空业）5.比例极限σp：保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力，即在拉伸应力—应变曲线上开始偏离直线时的应力值。6.弹性极限σe：弹性变形过渡到弹-塑性变形（屈服变形）时的应力。7.规定非比例伸长应力σp：即试验时非比例伸长达到原始标距长度(L0)规定的百分比时的应力。8.弹性比功(弹性比能或应变比能)ae:弹性变形过程中吸收变形功的能力，一般用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功来表示。9.滞弹性：是指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。10.粘弹性：是指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。11.伪弹性：是指在一定的温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅的弹性变形的现象。12.包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形（1-4%），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。13.内耗：弹性滞后使加载时材料吸收的弹性变形能大于卸载时所释放的弹性变形能，即部分能量被材料吸收。（弹性滞后环的面积）14.滑移：金属材料在切应力作用下,正应力在某面上的切应力达到临界切应力产生的塑变,即沿一定的晶面和晶向进行的切变。15.孪生：晶体受切应力作用后,沿一定的晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)在一个区域内连续性的顺序切变,使晶体仿佛产生扭折现象。16.塑性：是指材料断裂前产生塑性变形的能力。17.超塑性：在一定条件下，呈现非常大的伸长率(约1000％)，而不发生缩颈和断裂的现象。18.韧性断裂：材料断裂前及断裂过程中产生明显的塑性变形的断裂过程。19.脆性断裂：材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程。20.剪切断裂：材料在切应力的作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。21.解理断裂：在正应力的作用下，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。22.韧性：是材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。23.银纹：聚合物材料在张应力作用下表面或内部出现的垂直于应力方向的裂隙。当光线照射到裂隙面的入射角超过临界角时，裂隙因全反射而呈银色。24.河流花样：在电子显微镜中解理台阶呈现出形似地球上的河流状形貌，故名河流状花样。25.解理台阶：解理断裂断口形貌中不同高度的解理面之间存在台阶称为解理台阶。26.韧窝：微孔聚集形断裂后的微观断口。27.理论断裂强度：在外加正应力作用下，将晶体中的两个原子面沿着垂直于外力方向拉断所需的应力称为理论断裂强度。28.真实断裂强度：用单向静拉伸时的实际断裂拉伸力Fk除以试样最终断裂截面积Ak所得应力值。29.静力韧度：通常将静拉伸的σ——ε曲线下所包围的面积减去试样断裂前吸收的弹性能。二、填空题。1.整个拉伸过程的变形可分为弹性变形，屈服变形，均匀塑性变形，不均匀集中塑性变形四个阶段。2.材料产生弹性变形的本质是由于构成材料原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反应。3.在工程中弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。4.欲提高材料的弹性比功，可以提高弹性极限或者降低弹性模数。5.金属材料常见的塑性变形机理为晶体的滑移和孪生两种。6.缩颈应力唯一地依赖于材料的应变硬化指数n和应变硬化系数K，金属材料拉伸时，是否产生缩颈还与其应变速率敏感系数m有关。7.材料塑性评价在工程上一般以光滑圆柱试样的拉伸伸长率和断面收缩率作为塑性性能指标。8.材料的断裂过程包括裂纹的形成和扩展两个阶段。9.玻璃态聚合物在玻璃化转变温度以下主要表现为脆性断裂，聚合物单晶可以发生解理断裂，也属于脆性断裂，在玻璃化转变温度以上的玻璃态聚合物以及通常使用的半结晶态聚合物断裂时伴随有较大塑性变形，属于韧性断裂。10.对于无定型的玻璃态高分子聚合物材料，其断裂过程是银纹产生和发展的过程。11.韧性材料端口三要素：纤维区、放射区、剪切唇。12.放射区有放射线花样特征，放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端轮廓线，并逆指裂纹源。13.试样拉伸断裂的最后阶段形成环状或锥状的剪切唇，剪切唇表面光滑，与拉伸轴呈45°角，是典型的切断型断裂，其微观特征可看见“链波”花样。14.一般说来，材料强度提高，塑性降低，则放射区比列增大；试样尺寸加大，放射区明显增大，而纤维区变化不大。15.材料产生超塑性变形时的特点是应变前后，晶粒基本上保持等轴状态。三、简答。1.工程应力、工程应变、真应力、真应变的关系。（p3）答：在弹性变形阶段，由于试棒的伸长和截面收缩都很小，两曲线基本重合，真实屈服应力和工程屈服应力在数值上很接近，但在塑性变形阶段，两者之间就出现了显著的差异。在工程应用中，多数构件的变形量限制在弹性变形范围内，二者的差别可以忽略，同时工程应力、工程应变便于测量和计算，因此，工程设计和材料选用中一般以工程应力、工程应变为依据，但在材料科学研究中，真应力和真应变将具有重要意义。2.影响弹性模数的因素。答：（1）键合方式和原子结构：共价键，离子键，金属键E值较高，分子键结合E值小；对于金属元素，原子半径大，E值小，反之亦然。（2）晶体结构：单晶体呈各向异性，沿原子排列最密晶向E值较高，反之则小。多晶体各向同性，非晶材料E各向同性。（3）化学成分：材料化学成分变化引起原子间距或键和方式变化，影响E值。（4）微观组织：冷加工可降低E值。（5）温度：一般情况，温度升高，E值下降。（6）加载条件和负荷持续时间：对金属、陶瓷材料几乎没有影响；高分子材料，负荷时间长，E值下降。3.比例极限与弹性极限的工程意义。答：（1）对于要求服役时其应力应变关系严格遵守线性关系的机件，应以比例极限作为选择材料的依据；（2）对于服役条件不允许产生微量塑性变形的机件，设计时应按弹性极限来选择材料。4.塑性变形产生条件。答：（1）在切应力下产生；（2）切应力大于临界切应力。5.屈服强度的实际意义。答：（1）作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材的依据；（2）根据屈服强度与抗拉强度的比值大小，衡量材料进一步塑性变形的倾向，作为金属冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆断的参考依据。6.影响金属材料屈服强度的因素。答：a.晶体结构b.晶界和亚结构：（1）晶界越多，对材料屈服强度贡献越大；（2）亚晶界的作用与晶界类似，阻碍位错运动。c.溶质元素：使位错受阻，提高屈服强度。d.第二相e.温度：升高温度，屈服强度下降。f.应变速率和应力状态：应变速率高，屈服应力显著升高；切应力分量增大，有利于塑性变形，屈服强度低。7..影响应变硬化指数n的因素。答：晶体层错能↑(晶体原子面发生错误堆垛,产生晶格畸变，晶体增加的能量为层错能)，n↓，形变强化小。冷变形σs↑，n↓，形变强化小。(nσs=常数)溶质原子含量↑，n↓。晶粒尺寸d↑，n↑。n和材料的屈服点大致呈反比关系，即n×σs=常数。8..应变硬化的意义。答：（1）在加工方面，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，保证冷变形工艺顺利实施；（2）在材料应用方面，应变硬化可使金属机件具有一定的抗偶然过载的能力，保证机件使用安全；（3）应变硬化也是一种强化金属的重要手段，尤其对那些不能进行热处理强化的材料。9.材料产生超塑性的条件。答：(1)超细晶粒，晶粒尺寸达微米量级，且为等轴晶；(2)合适的变形条件，变形温度在0.4Tm以上，应变速率一般大于或等于10-3s-1。(3)应变速率敏感指数较高，出现超塑性的条件是0.3≤m≤1。10.断裂的分类。答：按照断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形程度，分为韧性断裂和脆性断裂；按照晶体材料断裂时裂纹扩展途径，分为穿晶断裂和沿晶断裂；按照微观断裂机理，分为解理断裂和剪切断裂；按照作用力的性质，分为正断和切断。11.韧性断裂、脆性断裂、正断、切断的辨别。答：正断不一定是脆断，也有明显的塑性变形；切断是韧断，但反之不一定成立。规定光滑拉伸试样的断面收缩率，小于5％者为脆性断裂；大于5％者为韧性断裂。12.断裂的断口特征与形貌。答：韧性断裂：断口呈暗灰色、纤维状。脆性断裂：断口与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。解理断裂：宏观特征:断口呈结晶状,有许多反光小平面；微观断口形貌特征:解理台阶、河流、舌状花样。13.高分子材料的断裂机理。（p28）答：断裂是银纹产生和发展的过程。应力→弱结构或缺陷处产生银纹→银纹长大→形成微孔→微孔扩大和连接→形成裂纹。14.格里菲斯裂纹理论。（p33）答：实际材料中已经存在裂纹，当平均应力还很低时，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，根据能量平衡原理计算出裂纹自动扩展时的应力值，即计算出含裂纹体的强度。第二章材料在其他静载荷下的力学性能一、名词解释。1.应力状态软性系数：不同加载条件下材料的最大切应力与最大正应力的比值。2.缺口敏感性：材料因缺口造成三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向。3.缺口敏感度：试验时常用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作为材料的缺口敏感性指标，称作缺口敏感度。4.硬度：指材料表面不大体积内抵抗变形或破坏的能力。二、简答。1.扭转、弯曲、压缩试验怎么进行？各自的性能指标？答：A.扭转试验的特点及应用。(1)扭转时应力状态的柔度系数较大，因而可用于测定那些在拉伸时表现为脆性的材料，如淬火低温回火工具钢的塑性。(2)圆柱试件在扭转试验时，整个长度上的塑性变形始终是均匀的，其截面及标距长度基本保持不变，不会出现静拉伸时试件上发生的颈缩现象。因此，可用扭转试验精确地测定高塑性材料的变形抗力和变形能力，而这在单向拉伸或压缩试验时是难以做到的。(3)扭转试验可以明确地区分材料的断裂方式，正断或切断。(4)扭转试验时，试件截面上的应力应变分布表明，它将对金属表面缺陷显示很大的敏感性．因此，可利用扭转试验研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。(5)扭转试验时，试件受到较大的切应力，因而还被广泛地应用于研究有关初始塑性变形的非同时性的问题，如弹性后效、弹性滞后以及内耗等．综上所述，扭转试验可用于测定塑性材料和脆性材料的剪切变形和断裂的全部力学性能指标，并且还有着其它力学性能试验方法所无法比拟的优点。因此，扭转试验在科研和生产检验中得到较广泛地应用。然而，扭转试验的特点和优点在某些情况下也会变为缺点，例如，由于扭转试件中表面切应力大，越往心部切应力越小，当表层发生塑性变形时，心部仍处于弹性状态。因此，很难精确地测定表层开始塑性变形的时刻，故用扭转试验难以精确地测定材料的微量塑性变形抗力。B.弯曲试验的应用。（1）用于测定灰铸铁的抗弯强度，灰铸铁的弯曲试件一般采用铸态毛坯圆柱试件。（2）用于测定硬质合金的抗弯强度，硬质合金由于硬度高，难以加工成拉伸试件，故做弯曲试验以评价其性能和质量。（3）陶瓷材料的抗弯强度测定。C.单向压缩试验。（1）单向压缩时应力状态的柔度系数大，故用于测定脆性材料，如铸铁、轴承合金、水泥和砖石等的力学性能。（2）由于压缩时的应力状态较软，故在拉伸、扭转和弯曲试验时不能显示的力学行为，而在压缩时有可能获得。（3）压缩可以看作是反向拉伸。因此，拉伸试验时所定义的各个力学性能指标和相应的计算公式，在压缩试验中基本上都能应用。2.缺口效应。（p44）答：（1）缺口处应力应变集中；（2）改变缺口前方应力状态；（3）使塑性材料硬化。3.各种硬度的测定原理、表示方法、优缺点。（P48）答：（1）布氏硬度：优点是压痕面积较大，其硬度值能反映材料在较大区域内各组