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《材料力学性能》复习第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能1.弹性变形及其物理意义？定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹性变形。特点为：单调、可逆、变形量很小（＜0.5~1.0%）弹性的物理本质：金属的弹性性质是金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现。2.塑性变形方式及特点。塑性变形的方式：滑移--最主要的变形机制；孪生--重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形变时；晶界滑动和扩散性蠕变只在高温时才起作用；形变带--滑移和孪生都不能进行的情况下才起作用。塑性变形的特点：（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性{∵各晶粒的取向不同即cosφcosλ不同。对于具体材料，还存在相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。}（2）变形的相互协调性多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。3.影响金属屈服强度的因素有哪些？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。（一）内因（1）金属本性及晶格类型纯金属单晶体的屈服强度从理论上来说是使位错开始运动的临界切应力，其值由位错运动所受的各种阻力决定，不同的金属及晶格类型，位错运动所受的各种阻力并不相同。阻力分为：1.位错运动的阻力：即晶格阻力（P-N力），是在理想晶体中仅存一个位错运动时所需克服的阻力。2.位错间交互产生的阻力：又分为平行位错间交互作用产生的阻力和运动位错与林位错交互作用产生的阻力。（2）晶粒大小和亚结构晶界是位错运动的障碍，要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。晶粒小→晶界多（阻碍位错运动）→位错塞积→提供应力→位错开动→产生宏观塑性变形。晶粒减小将增加位错运动阻碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度降低（细晶强化）。（3）溶质元素加入溶质原子→（间隙或置换型）固溶体→（溶质原子与溶剂原子半径不一样）产生晶格畸变→产生畸变应力场→与位错应力场交互运动→使位错受阻→提高屈服强度（固溶强化）。（4）第二相（弥散强化，沉淀强化）第二相分为可变形的和不可变形的。位错线只能绕过不可变形的第二向质点，为此必须克服弯曲位错的线张力。提高位错线张力→绕过第二相→留下位错环→两质点间距变小→流变应力增大。位错切过（产生界面能），使之与机体一起产生变形，提高了屈服强度。弥散强化：第二相质点弥散分布在基体中起到的强化作用。沉淀强化：第二相质点经过固溶后沉淀析出起到的强化作用。（二）外因（1）温度。一般的规律是温度升高，屈服强度降低。原因：派拉力属于短程力，对温度十分敏感。（2）应变速率。应变速率大，强度增加。（3）应力状态。切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低。4.什么是加工硬化行为和包申格效应。应变硬化是金属随着变形量的增加，其强度硬度增加，而塑性韧性下降，这种现象称为“形变强化”或“加工强化”。塑性应变是硬化的原因，硬化是塑性应变的结果，应变硬化是位错增值、运动受阻所致。包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。5.金属的断裂类型及其机理。断裂的基本类型：1、根据断裂前塑性变形大小分类脆性断裂；韧性断裂2、根据断裂面的取向分类正断；切断3、根据裂纹扩展的途径分类穿晶断裂；沿晶断裂4、根据断裂机理分类解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂纯剪切断裂，微孔聚集型断裂，解理断裂（机理）（1）纯剪切断裂金属材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的分离断裂。（2）微孔聚集型断裂微孔形核、长大、聚合导致材料分离。（3）解理断裂以极快速率沿一定晶体学平面，产生的穿晶断裂。解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。表1-6，P28）fcc金属一般不发生解理断裂。解理断裂总是脆性断裂。6.什么解理断裂？（P23）是金属材料在一定的条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快的速率沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。第二章金属在其他载荷下的力学性能1.压缩、弯曲和扭转变形应力状态有何特征。材料压缩的特点应力状态系数α=2，即应力软状态，∴材料易产生塑性变形。软钢易压缩成腰鼓状、扁饼状。铸铁拉伸时断口为正断；压缩时沿45o方向切断。∴塑性变形小的材料，或者使用工况为压缩状的材料，应采用压缩实验。弯曲试验的特点弯曲试验常用于测定脆性材料的力学性能。（1）正应力上表面为压应力，下表面为拉应力；（2）表面应力最大，可反应表面缺陷，中心的为零；（3）力点处的作用力最大；（4）对试样的要求比拉伸时的宽松；（5）操作简单，方便，可用挠度显示塑性。∴铸铁、工具钢、表面渗碳钢，常作弯曲试验。扭转特点在与试样轴线呈45的两个斜截面上作用最大与最小的正应力，σ1和σ3，在与试样轴线平行和垂直的截面上作用最大切应力。纵向--受力均匀；横向--表面最大，心部为0；最大正应力与最大切应力相等。特点：（1）能检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能。α=0.8，比拉伸时大。（2）长度方向，宏观上的塑性变形始终是均匀的。（3）能敏感地反映材料表面的缺陷与性能（4）断口的特征最明显（正断、切断、层状断口等）试验方法特点应用范围拉伸温度、应力状态和加载速率确定，采用光滑圆柱试样，试验简单，应力状态软性系数较硬。塑性变形抗力和切断强度较低的塑性材料。压缩应力状态软，一般都能产生塑性变形，试样常沿与轴线呈45º方向产生断裂，具有切断特征。脆性材料，以观察脆性材料在韧性状态下所表现的力学行为。弯曲弯曲试样形状简单，操作方便；不存在拉伸试验时试样轴线与力偏斜问题，没有附加应力影响试验结果，可用试样弯曲挠度显示材料的塑性；弯曲试样表面应力最大，可灵敏地反映材料表面缺陷。测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。也常用于比较和鉴别渗碳和表面淬火等化学热处理机件的质量和性能。扭转应力状态软性系数为0.8，比拉伸时大，易于显示金属的塑性行为；试样在整个长度上的塑性变形时均匀，没有紧缩现象，能实现大塑性变形量下的试验；较能敏感地反映出金属表面缺陷和及表面硬化层的性能；试样所承受的最大正应力与最大切应力大体相等用来研究金属在热加工条件下的流变性能和断裂性能，评定材料的热压力加工型，并未确定生产条件下的热加工工艺参数提供依据；研究或检验热处理工件的表面质量和各种表面强化工艺的效果。2.什么是缺口效应，缺口强化？缺口效应--材料内部存在裂纹，或体积较大的缺陷。零件上有螺纹、键槽、油孔、退刀槽，焊缝等沟槽。缺口产生应力集中，“缺口效应”。引起三向拉应力状态，使材料脆化；由应力集中产生应变集中；使缺口附近的应变速率增高。缺口强化--塑性较好的材料，若根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大，塑性区逐渐扩大，直至整个截面。应力最大处则转移到离缺口根部ry距离处。σy，σx，σz均为最大值。随塑性变形逐步向试样内部转移，各应力峰值越来越大。试样中心区的σy最大。∴出现“缺口强化”（三向拉应力约束了塑性变形），塑性降低，影响材料的安全使用。3.布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度测试原理是什么，各自有何优缺点？原理：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；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，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1.冲击载荷与静载荷的主要区别是什么？（1）与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。（2）吸收的冲击能测不准。时间短；机件；与机件联接物体的刚度。通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。（3）材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。∵弹性变形的速度4982m/s（＞声速）,普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.5m/s。2.什么是冲击韧性？材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的大小。3.什么是低温脆性，如何预防材料低温脆性？（P59）低温脆性现象：在低温下，材料的脆性急剧增加。对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。实质为温度下降，屈服强度急剧增加。F.C.C金属，位错宽度比较大，一般不显示低温脆性。影响材料低温脆性的因素有（P63）：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。4.影响金属材料低温脆性的因素有哪些？一、晶体学特性晶体结构：f.c.c不存在低温脆性。b.c.c和某些h.c.p的低温脆性严重。（Sn）位错：位错宽度大，不显示低温脆性。层错能↑，韧性↑。形成柯氏气团，韧性↓。二、冶金因素（1）溶质元素--间隙原子，使韧性↓。置换式溶质，对韧性影响不明显。杂质元素S、P、As、Sn、Sb使韧性↓（2）显微组织a）晶粒大小b）金相组织--回火索氏体—贝氏体—珠光体，韧性↓。第二相（大小、形态、数量、分布）三、外部因素1、温度--钢的“蓝脆”525～550℃（钢的氧化色为蓝色）。C、N原子扩散速率增加，形成柯氏气团。2、加载速率--加载速率↑，脆性↑，韧脆转变温度tk↑;3、试样尺寸和形状--试样增厚，tk↑（表面上的拉压应力最大）;带缺口，不带缺口；脆性及tk不同。第四章金属的断裂韧度1.什么是K判据，什么是G判据，二者有哪些联系和区别？裂纹扩展K判据：裂纹在受力时只要满足ICIKK，就会发生脆性断裂.反之，即使存在裂纹，若ICIKK也不会断裂。P71裂纹扩展G判据：ICIGG，当ＧＩ满足上述条件时裂纹失稳扩展断裂。P77CK和CK临界或失稳状态的K记作CK或CK，CK为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。CK为平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。它们都是型裂纹的材料裂纹韧性指标，但CK值与试样厚度有关。当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一稳定的最低值，即为CK，它与试样厚度无关，而是真正的材料常数。P71CGP77当G增加到某一临界值时，G能克服裂纹失稳扩展的阻力，则裂纹失稳扩展断裂。将G的临界值记作cG，称断裂韧度