《工程材料力学性能》课后答案 机械工业出版社 2008第2版 第一章 单向静拉伸力学性能 1、 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？ 2、 决定金属屈服强度的因素有哪些？【P12】 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。 3、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？【P21】 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。 4、 剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？【P23】 答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。 5、 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。 6、 论述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推导格雷菲斯方程，并指出该理论的局限性。 【P32】 答： 212?? ? ??=a E s c πγσ，只适用于脆性固体,也就是只适用于那些裂纹尖端塑性变形可以忽略的情况。 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词： （1）应力状态软性系数—— 材料或工件所承受的最大切应力τ max 和最大正应力σmax 比值，即： () 32131max max 5.02σσσσσστα+--== 【新书P39 旧书P46】 （2）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。【P44 P53】 （3）缺口敏感度——缺口试样的抗拉强度σbn 的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σ b 的比值，称为缺口敏感度，即： 【P47 P55 】 （4）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。【P49 P58】 （5）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 【P51 P60】。 （6）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
金属材料力学性能最常用的几项指标 硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。 对于金属材料的硬度，至今在国内外还没有一个包括所有试验方法的统一而明确的定义。就已经标准化的、被国内外普通采用的金属硬度试验方法而言，金属材料硬度的定义是:材料抵抗另一较硬材料压入的能力。硬度检测是评价金属力学性能最迅速、最经济、最简单的一种试验方法。硬度检测的主要目的就是测定材料的适用性，或材料为使用目的所进行的特殊硬化或软化处理的效果。对于被检测材料而言，硬度是代表着在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。由于通过硬度试验可以反映金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺条件下性能的差异，因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验、监督热处理工艺质量和新材料的研制。金属硬度检测主要有两类试验方法。一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等。其中布、洛、维三种测试方法是最长用的，它们是金属硬度检测的主要测试方法。而洛氏硬度试验又是应用最多的，它被广泛用于产品的检测，据统计，目前应用中的硬度计70%是洛氏硬度计。另一类试验方法是动态试验法，这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的。这里包括肖氏和里氏硬度试验法。动态试验法主要用于大型的及不可移动工件的硬度检测。 1.布氏硬度计原理 对直径为D的硬质合金压头施加规定的试验力，使压头压入试样表面，经规定的保持时间后，除去试验力，测量试样表面的压痕直径d，布氏硬度用试验
绪论§0.1 工程材料 工程材料分类（按其应用分） ?结构材料 依靠其力学性能得以发展和应用的材料。 ?功能材料 利用物质的声、光、电、磁、化学乃至生物性能得以发展和应用的材料。 （本课程所研究和讲述的重点在第一种，尤其是结构材料中的金属材料） §0.2 力学性能 材料抵抗外加载荷（不仅指外力和能量的作用，而且还包括环境因素例如温度、介质、加载速率等的影响）所引起的变形和断裂的能力。 §0.3 研究内容 研究材料在外力作用下的变形、断裂和寿命。 ?弹性 材料在外力作用下保持固有形状和尺寸的能力；以及在外力去除后恢复固有形状和尺寸的能力。 ?塑性 材料在外力作用下发生永久不可逆变形的能力。 ?强度 材料对塑性变形和断裂的抗力。 ?寿命 材料在外力的长期和重复作用下，或在外力和环境因素的复合作用下，抵抗失效的能力（时间长短）。 （以上只是定性地说明这些力学性能，如果要定量地说明它就必须用一些力学参量（应力、应变、应力场强度因子等）来表示这些力学性能。 如果我们说某材料的力学性能好，就是指这些力学参量的值高或低，所以人们通常将力学参量的临界值或规定值称为材料的力学性能指标。声学材料：隔音层光学材料：玻璃，镜片 电学材料：金属导线，电子元器件 磁学材料：磁头、磁卡 化学材料：高分子材料催化剂 生物材料：人工关节、人工骨骼 生活中常指后者
如：强度指标、塑性指标、韧性指标） 具体研究涉及的内容： ?材料（包括金属材料和非金属材料）在不同形式外力作用下，或者外力、温度、环境等因素的共同作用下，发生变 形、损伤和断裂的过程、机理和力学模型； ?评定力学性能的各项指标的意义（物理意义和工程实用意义）、各指标间的相互关系以及具体的测试技术； ?研究力学性能指标机理、影响因素以及改善或提高这些力学性能指标的方法和途径。 （注：材料力学性能的影响因素 内因：化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力、表面和内部缺陷。 外因：载荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环境介质等。） §0.4学习和研究材料力学性能的目的和意义 机械和工程结构的设计，应当达到所要求的性能，并且在规定的服役期内安全可靠地运行，同时也要具有经济性，即低的设计、制造和维修费用。 ①达到使用要求；②安全性；③经济性 然而，各种机械和结构零部件的使用条件各不相同，因而要选用不同的的材料制成零件，也需要采用不同的工艺手段来完成零件的实际制作。而材料的力学性能及其评定指标，是结构设计时选用材料、制订加工工艺的主要依据，也是评价结构质量的主要依据。 ?在零部件使用中，要求材料具有高的变形和断裂抗力，使零部件在受外力作用时能保持设计所要求的外形和尺寸， 并保证在服役期内安全地运行； ?在零部件的生产过程中，则要求材料具有优良的可加工性。 （例如，在金属的塑性成形中，要求材料具有优良的塑性和低的塑性变形抗力） 对于学生，必须具有材料力学性能方面的知识，以便在研究新材料和改善材料的过程中，能根据材料的使用要求，选用合适的现有材料或研制新材料，制订合适的加工工艺。 §0.5研究方法 ?理论分析 ?试验测定
实验六聚合物材料拉伸性能的测试 一、实验目的： 1、通过实验了解聚合物材料拉伸强度及断裂伸长率的意义。 2、熟悉它们的测试方法 3、通过测试应力—应变曲线来判断聚合物材料的力学性能。 二、实验原理： 为了评价聚合物材料的力学性能。通常用等速施力下所获得的应力—应变曲线来进行描述。这里所谓应力是指拉伸力引起的在试样内部单位截面上产生的内应力而应变是指试样在外力作用下发生形变时，相对其原尺寸的相对形变量。 材料的组成、化学结构及聚态结构都会对应力与应变产生影响。应力—应变实验所得的数据也与温度、湿度、拉伸速度有关，因此应规定一定的测试条件。 三、主要仪器设备及原料： 1、主要仪器设备：万能试验机 2、主要原料：各种高分子试样 四、操作方法和实验步骤： 1、试样制备 拉伸实验中所用的试样依据不同材料加工成不同形状和尺寸。每组试样应不少于5个。试验前需对试样的外观进行检查试样，表面平整无气泡、裂纹、分层和机械损伤等缺陷。另外为了减小环境对试样性能的影响，应在测试前将试样在测试环境中放置一定时间，使试样与测试环境达到平衡。一般试样越厚，放置时间应越长。具体按国家标准规定。 2、拉伸性能的测试
①将合格试样编号并在试样平行部分划二标线，即标距。测量试样工作段任意三处宽度和厚度，取其平均值。 ②安装拉伸试验用夹具。 ③调整引伸计标距至规定值。 ④装夹试样，要使试样纵轴与上下夹头的中心线重合。 ⑤在工作段装夹大变形引伸计，使引伸计中心线与上下夹头的中心线重合。 ⑥录入试样信息并按照标准设置试验条件。 ⑦联机。检查屏幕显示的试验信息是否正确，如有不适之处进行修改，然后 对负荷清零、轴向变形清零、位移清零。按“试验开始”键进行试验。 ⑦横梁以设定的速度开始移动，同时屏幕显示出试验曲线，根据需要可随时打 开想要观察的曲线。如应力—应变曲线、负荷—变形曲线等多种曲线 ⑧观察试样直到被拉断为止，按“试验结束”键结束试验。按“数据管理”键查看试验结果。 五、实验报告： 1、简述实验原理。 2、明确操作步骤和注意事项。 3、附实验中测试所得的多种曲线。 六、思考题 1、影响拉伸强度的因素有哪些？ 2、在拉伸实验中如何测定模量？
常用材料性质参数 材料的性质与制造工艺、化学成份、内部缺陷、使用温度、受载历史、服役时间、试件尺寸等因素有关。本附录给出的材料性能参数只是典型范围值。用于实际工程分析或工程设计时,请咨询材料制造商或供应商。 除非特别说明,本附录给出的弹性模量、屈服强度均指拉伸时的值。 表 1 材料的弹性模量、泊松比、密度和热膨胀系数 材料名称弹性模量E GPa 泊松比V 密度 kg/m3 热膨胀系数a 1G6/C 铝合金-79 黄铜 青铜 铸铁 混凝土（压 普通增强轻质17-31 2300 2400 1100-1800
7-14 铜及其合金玻璃 镁合金镍合金( 蒙乃尔铜镍 塑料 尼龙聚乙烯 2.1-3.4 0.7-1.4 0.4 0.4 880-1100 960-1400 70-140 140-290 岩石(压 花岗岩、大理石、石英石石灰石、沙石40-100 20-70 0.2-0.3 0.2-0.3 2600-2900 2000-2900 5-9 橡胶130-200 沙、土壤、砂砾钢
高强钢不锈钢结构钢190-210 0.27-0.30 7850 10-18 14 17 12 钛合金钨木材（弯曲 杉木橡木松木11-13 11-12 11-14 480-560 640-720 560-640 1 表 2 材料的力学性能 材料名称/牌号屈服强度s CT MPa 抗拉强度b CT
MPa 伸长率 5 % 备注 铝合金LY12 35-500 274 100-550 412 1-45 19 硬铝 黄铜青铜 铸铁( 拉伸HT150 HT250 120-290 69-480 150 250 0-1 铸铁( 压缩混凝土(压缩铜及其合金 玻璃
静拉伸试验 一、实验目的 1、测45#钢的屈服强度s σ、抗拉强度m R 、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 2、测定铝合金的屈服强度s σ、抗拉强度m R 、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 3、观察并分析两种材料在拉伸过程中的各种现象。 二、使用设备 微机控制电子万能试验机、0.02mm 游标卡尺、试验分化器 三、试样 本试样采用经过机加工直径为10mm 左右的圆形截面比例试样，试样成分分别为铝合金和45#，各有数支。 四、实验原理 按照我国目前执行的国家 GB/T 228—2002标准—《金属材料 室温拉伸试验方法》的规定，在室温1035℃℃的范围内进行试验。将试样安装在试验机的夹头当中，然后开动试验机，使试样受到缓慢增加的拉力（一般应变速率应≤0.1m/s ），直到拉断为止，并且利用试验机的自动绘图装置绘出材料的拉伸图。 试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形L ?主要是整个试样，而不仅仅是标距部分的伸长，还包括机器的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素，由于试样开始受力时，头部在头内的滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。 塑性材料与脆性材料的区别： （1）塑性材料： 脆性材料是指断后伸长率5%δ≥的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都比较大。塑性材料在发生断裂时，会发生明显的塑性变形，也会出现屈服和颈缩等现象； （2）脆性材料： 脆性材料是指断后伸长率5%δ<的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都很小。并且，大多数脆性材料在拉伸时的应力—应变曲线上都没有明显的直线段，几乎没有塑性变形，在断裂前不会出现明显的征兆，不会出现屈服和颈缩等现象，只有断裂时的应力值—强度极限。 脆性材料在承受拉力、变形记小时，就可以达到m F 而突然发生断裂，其抗拉强度也远远 小于45钢的抗拉强度。同样，由公式0m m R F S =即可得到其抗拉强度，而根据公式，10 l l l δ-=。 五、实验步骤 1、试样准备 用笔在试样间距0L （10cm ）处标记一下。用游标尺测量出中间横截面的平均直径，并且测出试样在拉伸前的一个总长度L 。 2、试验机准备：
材料力学性能拉伸试验报告 材化08 李文迪 40860044
[试验目的] 1. 测定低碳钢在退火、正火和淬火三种不同热处理状态下的强度与塑性性能。 2. 测定低碳钢的应变硬化指数和应变硬化系数。 [试验材料] 通过室温拉伸试验完成上述性能测试工作，测试过程执行GB/T228-2002:金属材料室温拉伸试验方法： 1.1试验材料：退火低碳钢，正火低碳钢，淬火低碳钢的R4标准试样各一个。 1.2热处理状态及组织性能特点简述： 1.2.1退火低碳钢：将钢加热到Ac3或Ac1以上30-50℃，保温一段时间后，缓慢而均匀 的冷却称为退火。 特点：退火可以降低硬度，使材料便于切削加工，并使钢的晶粒细化，消除应力。1.2.2正火低碳钢：将钢加热到Ac3或Accm以上30-50℃，保温后在空气中冷却称为正 火。 特点：许多碳素钢和合金钢正火后，各项机械性能均较好，可以细化晶粒。 1.2.3淬火低碳钢：对于亚共析钢，即低碳钢和中碳钢加热到Ac3以上30-50℃，在此 温度下保持一段时间，使钢的组织全部变成奥氏体，然后快速冷却（水冷或油冷），使奥氏体来不及分解而形成马氏体组织，称为淬火。 特点：硬度大，适合对硬度有特殊要求的部件。 1.3试样规格尺寸：采用R4试样。 参数如下：
1.4公差要求 [试验原理] 1.原理简介：材料的机械性能指标是由拉伸破坏试验来确定的，由试验可知弹性阶段 卸荷后，试样变形立即消失，这种变形是弹性变形。当负荷增加到一定值时，测力度盘的指针停止转动或来回摆动，拉伸图上出现了锯齿平台，即荷载不增加的情况下，试样继续伸长，材料处在屈服阶段。此时可记录下屈服强度R 。当屈服到一定 eL 程度后，材料又重新具有了抵抗变形的能力，材料处在强化阶段。此阶段：强化后的材料就产生了残余应变，卸载后再重新加载，具有和原材料不同的性质，材料的强度提高了。但是断裂后的残余变形比原来降低了。这种常温下经塑性变形后，材料强度提高，塑性降低的现象称为冷作硬化。当荷载达到最大值Rm后，试样的某一部位截面开始急剧缩小致使载荷下降,至到断裂。 [试验设备与仪器] 1.1试验中需要测得： （1）连续测量加载过程中的载荷R和试样上某段的伸长量（Lu-Lo）数据。（有万能材料试验机给出应力-应变曲线） （2）两个个直接测量量：试样标距的长度 L o；直径 d。 1.2试样标距长度与直径精度：由于两者为直接测量量，工具为游标卡尺，最高精度为 0.02mm。 1.3检测工具：万能材料试验机 WDW-200D。载荷传感器，0.5级。引伸计，0.5级。 注1：应力值并非试验机直接给出，由载荷传感器直接测量施加的载荷值，进而转化成工程应力，0.5级，即精确至载荷传感器满量程的1/500。 注2：连续测试试样上某段的伸长量由引伸计完成，0.5级，即至引伸计满量程的1/50。
材料 学性能实院系：材料学院姓名：王丽朦学号：200767027 验报力告 实验目的： 通过拉伸试验掌握测量屈服强度，断裂强度，试样伸长率，界面收缩率的方法；通过缺口拉伸试验来测试缺口对工件性能的相关影响； 通过冲击试验来测量材料的冲击韧性； 综合各项试验结果，来分析工件的各项性能； 通过本实验来验证材料力学性能课程中的相关结论，同时巩固知识点，进一步深刻理解相关知识； 实验原理： 1)屈服强度 金属材料拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观的塑性变形的一种标志。弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡，表现在试验过程中的现象为，外力不增加即保持恒定试样仍能继续伸长，或外力增加到某一数值是突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形，这便是屈服现象。呈现屈服现象的金属材料拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力称为屈服点，记作σs； 屈服现象与三个因素有关：(1)材料变形前可动位错密度很小或虽有大量位错但被钉扎住，如钢中的位错为杂质原子或第二相质点所钉扎；(2)随塑性变形发生，位错快速增殖；(3)位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系。影响屈服强度的因素有很多，大致可分为内因和外因。 内因包括：金属本性及晶格类型的影响；晶界大小和亚结构的影响；还有溶质元素和第二相的影响等等。通过对内因的分析可表征，金属微量塑性变形抗力的屈服强度是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指标，受许多内在因素的影响，改变合金成分或热处理工艺都可使屈服强度产生明显变化。 外因包括：温度、应变速率和应力状态等等。总之，金属材料的屈服强度即受各种内在因素的影响，又因外在条件不同而变化，因而可以根据人们的要求予以改变，这在机件设计、选材、拟订加工工艺和使用时都必须考虑到。 2)缺口效应 由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的“缺口效应”，从而影响金属材料的力学性能。 缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态，也就是出现了σx（平面应力状态）或σy与σz（平面应变状态），这要视板厚或直径而定。
《材料力学性能[焊]》课程简介 课程编号：02044014 课程名称：材料力学性能[焊] / The mechanical property of materials 学分: 2.5 学时：40（实验: 8 上机: ） 适用专业：焊接技术与工程 建议修读学期：5 开课单位：材料科学与工程学院，材料加工工程系 课程负责人：陈汪林 先修课程：工程力学、材料科学基础、材料热处理 考核方式与成绩评定标准：闭卷考试，期末考试成绩70%，平时（包括实验）成绩30%。 教材与主要参考书目： 主要教材： 1.工程材料力学性能. 束德林. 机械工业出版社, 2007 参考书目： 1．材料力学性能. 郑修麟. 西北工业大学出版社, 1991 2．金属力学性能. 黄明志. 西安交通大学出版社, 1986 3. 材料力学性能. 刘春廷. 化学工业出版社, 2009 内容概述： 《材料力学性能》是焊接技术与工程专业学生必修的专业学位课程。通过学习本课程，使学生掌握金属变形和断裂的规律，掌握各种力学性能指标的本质、意义、相互关系及变化规律，以及测试技术。了解提高力学性能的方向和途径，并为时效分析提供一定基础。强调课堂讲授与实践教学紧密结合，将最新科研成果用于课程教学和人才培养的各个环节，最终使学生能够独立地进行材料的分析和研究工作。 The mechanical property of materials is a core and basic course for the students of specialty of welding. By the study on this course, the studies should be master the deformation and fracture mechanisms of metals, and understand the essence and significance of each mechanical property of metal materials, as well as their correlations, the laws of variation and corresponding test methods of each mechanical property of materials. In addition, the studies should understand how to improve the mechanical properties of materials, and provide relevant basis for the failure analysis of materials. This course emphasizes the close combination of classroom teaching and practice teaching, and the latest research results will be applied in the course of teaching and personnel training in all aspects. Finally, this course will make the students acquired the capability on conducting research by adopting reasonable technologies by oneself.
金属材料力学性能基本知识 及钢材的脆化 金属材料是现代工业、农业、国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料，这不仅是由于其来源丰富,生产工艺简单、成熟,而且还因为它具有优良的性能。 通常所指的金属材料性能包括以下两个方面: 1．使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材料所应具备的性能,主要有力学性能(强度、硬度、刚度、塑性、韧性等）,物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等),化学性能(耐蚀性、热稳定性等)。使用性能决定了材料的应用范围,使用安全可靠性和使用寿命。 2 工艺性能即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷、热加工的性能,例如锻造,焊接，热处理，压力加工,切削加工等方面的性能。工艺性能对制造成本、生成效率、产品质量有重要影响。 1．1材料力学基本知识 金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当外力达到或超过某一限度时,材料就会发生变形以至断裂。材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。锅炉压力容器材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等这些性能指标可以通过力学性能试验测定。 1．1．１强度 金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。材料强度指标可以通过拉伸试验测 出。把一定尺寸和形状的金属试样（图1~２)装夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生的变形量之间的关系，可绘出该金属的拉伸曲线(图１—3)。在拉伸曲线上可以得到该材料强度性能的一些数据。图1—３所示的曲线，其纵坐标是载荷P(也可换算为应力d),横坐标是伸长量ＡL(也可换算为应变ｅ)。所以曲线称为P—AL曲线或一一s曲线。图中曲线A是低碳钢的拉伸曲线,分析曲线A,可以将拉伸过程分为四个阶段:
第二章 材料在其他静载荷下的力学性能 研究材料在常温静载荷下的力学性能时，除采用单向静拉伸试验方法外，有时还选用压缩、弯曲、扭转等试验方法，目的是： ①很多机件在服役过程中常承受弯矩、扭矩或轴向压力的作用，有必要测定试样在相应承载条件下的力学性能指标，做为设计和选材的依据；（实际中存在） ②不同的加载方式产生不同的应力状态，材料在不同应力状态中表现的力学性能不完全相同，因此，应选用不同应力状态的试验方法。（和单向拉伸应力状态不同） 本章介绍压缩、弯曲、扭转和剪切等试验方法及测定的力学性能指标 §2.1 应力状态柔度因数（软性系数） 一、柔度因数 塑性变形和断裂是金属材料在静载荷下失效的两种主要形式，它们是金属所能承受的应力达到其相应的强度极限而产生的。当金属所受的最大切应力τmax 达到屈服强度τs 时，产生屈服；当τmax 达到切断强度τk 时，产生剪切型断裂；当最大正应力S max 达到正断强度S k 时，产生正断型断裂。但同一种金属材料，在一定承载条件下产生何种失效方式，除与自身的强度大小有关以外，还与承载条件下的应力状态有关。不同的应力状态，其最大正应力与最大切应力的相对大小是不一样的。 考虑到三向应力状态下另外两向应力的贡献，因此材料的最大正应力的计算采用第二强度理论给出： 即：不再采用S max ＝σ1 而采用（第二强度理论）： ()max 123S σνσσ=-+ 称为最大当量正应力 最大切应力由第三强度理论给出： 13 max 2 σστ-=
观塑性变形，属正断型脆性断裂； ②单向拉伸（α＝0.5）时，先与τs线相交，发生塑性变形（屈服），然后与S k线相交，发生正断，属正断型的韧性断裂； ③扭转（α＝0.8）时，先与τs线相交，发生塑性变形（屈服），然后与τk线相交，发生切断，属于切断型的韧性断裂。 即：相同的材料在不同应力状态下表现出不同的断裂模式，也可称为在不同应力状态条件下的韧脆转变。（材料在其他外界因素下也会发生韧脆转变，因涉及到具体的试验测试手段，因此后面讲。） §2.2 材料在轴向压缩载荷下的力学行为（单向压缩试验）一、试样型式 常用的压缩试样为圆柱体（也可采用立方体或棱柱体）， 为防止压缩时试件失稳，试件的高度与直径之比h0/d0=1.5~2.0，同时h0/d0越大，抗压强度越低，因此对于几何形状的试件，需要保证h0/d0为定值。（GB7314-87）二、试验过程 ①为保证两端面的自由变形，试件的两端面必须光滑平整（涂润滑油、石墨）；或者将试样的端面加工成圆锥凹面，使锥面的倾角等于摩擦角，即tanα＝f，f为摩擦因数，也要将压头改成相应的锥体； ②压缩可以看作是反向拉伸，因此，拉伸试验中所定义的各个力学性能指标和相应的计算公式，在压缩试验中基本可以应用； 1－高塑性材料；2－低塑性材料1－拉伸；2－压缩
材料力学性能：材料在各种外力作用下抵抗变形和断裂的能力。 屈服现象：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，试样继续伸长变形。 屈服过程：在上屈服点，吕德斯带形成；在下屈服点，吕德斯带扩展；当吕德斯带扫过整个试样时，屈服伸长结束。 屈服变形机制：位错运动与增殖的结果。 屈服强度：开始产生塑性变形的最小应力。 屈服判据： 屈雷斯加最大切应力理论：在复杂应力状态下，当最大切应力达到或超过相同金属材料的拉伸屈服强度时产生屈服。 米赛斯畸变能判据：在复杂应力状态下，当比畸变能等于或超过相同金属材料在单向拉伸屈服时的比畸变能时，将产生屈服。 消除办法： 加入少量能夺取固溶体合金中溶质原子的物质，使之形成稳定化合物的元素； 通过预变形，使柯氏气团被破坏。 影响因素： 1.因： a)金属本性及晶格类型：金属本性及晶格类型不同，位错运动所受的阻力不同。 b)晶粒大小和亚结构：减小晶粒尺寸将使屈服强度提高。 c)溶质元素：固溶强化。 d)第二相 2.外因：温度(-)；应变速率(+)；应力状态。 第二相强化(沉淀强化+弥散强化)：通过第二相阻碍位错运动实现的强化。 强化效果： 在第二相体积比相同的情况下，第二相质点尺寸越小，强度越高，强化效果越好； 在第二相体积比相同的情况下，长形质点的强化效果比球形质点的强化效果好； 第二相数量越多，强化效果越好。 细晶强化：通过减小晶粒尺寸增加位错运动障碍的数目(阻力大)，减小晶粒位错塞积群的长度(应力小)，从而使屈服强度提高的方法。 同时提高塑性及韧性的机理： 晶粒越细，变形分散在更多的晶粒进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量，即表现出较高的塑性。细晶粒金属中，裂纹不易萌生（应力集中少），也不易传播（晶界曲折多），因而在断裂过程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。 固溶强化：在纯金属中加入溶质原子形成固溶合金，将显著提高屈服强度。 原因：溶质原子与位错的弹性相互作用，使溶质原子扩散到位错周围，形成柯氏气团；柯氏气团钉扎位错，提高位错运动阻力。 强化效果：间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体；溶质和溶剂原子尺寸差越大，强化效果越好；溶质浓度越大，强化效果越好。
07 秋 材料力学性能 一、填空：（每空1分,总分25分） 1. 材料硬度的测定方法有 、 和 。 2. 在材料力学行为的研究中，经常采用三种典型的试样进行研究，即 、 和 。 3. 平均应力越高，疲劳寿命 。 4. 材料在扭转作用下,在圆杆横截面上无正应力而只有 ,中心处切应力为 ,表面处 。 5. 脆性断裂的两种方式为 和 。 6. 脆性材料切口根部裂纹形成准则遵循 断裂准则；塑性材料切口根部裂纹形成准则遵循 断裂准则； 7. 外力与裂纹面的取向关系不同，断裂模式不同，张开型中外加拉应力与断裂面 ，而在滑开型中两者的取向关系则为 。 8．蠕变断裂全过程大致由 、 和 三个阶段组成。 9．磨损目前比较常用的分类方法是按磨损的失效机制分为 、 和腐蚀磨损等。 10．深层剥落一般发生在表面强化材料的 区域。 11．诱发材料脆断的三大因素分别是 、 和 。 二、选择：（每题1分，总分15分） （ ）1. 下列哪项不是陶瓷材料的优点 a ）耐高温 b) 耐腐蚀 c) 耐磨损 d)塑性好 （ ）2. 对于脆性材料，其抗压强度一般比抗拉强度 a) 高 b) 低 c) 相等 d) 不确定 （ ）3.用10mm 直径淬火钢球，加压3000kg ，保持30s ，测得的布氏硬度值为150的正确表示应为 a) 150HBW10／3000／30 b) 150HRA3000／l0／30 c) 150HRC30／3000／10 d) 150HBSl0／3000／30 （ ）4. 对同一种材料，δ5比δ10 a) 大 b) 小 c) 相同 d) 不确定 （ ）5. 下列哪种材料用显微硬度方法测定其硬度。 a) 淬火钢件 b) 灰铸铁铸件 c) 退货态下的软钢 d) 陶瓷 （ ）6. 下列哪种材料适合作为机床床身材料 a) 45钢 b) 40Cr 钢 c) 35CrMo 钢 d) 灰铸铁 （ ）7. 下列哪种断裂模式的外加应力与裂纹面垂直，因而 它是最危险的一种断裂方式。 a) 撕开型 b) 张开型 c) 滑开型 d) 复合型
第一章 包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限（σP）或屈服强度（σS）增加；反向加载时弹性极限（σP）或屈服强度（σS）降低的现象。 解理断裂：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。 解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。 韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。 可以从河流花样的反“河流”方向去寻找裂纹源。 解理断裂是典型的脆性断裂的代表，微孔聚集断裂是典型的塑性断裂。 5.影响屈服强度的因素 与以下三个方面相联系的因素都会影响到屈服强度 位错增值和运动 晶粒、晶界、第二相等 外界影响位错运动的因素 主要从内因和外因两个方面考虑 （一）影响屈服强度的内因素 1．金属本性和晶格类型（结合键、晶体结构）
单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力，其值与位错运动所受到的阻力（晶格阻力－－派拉力、位错运动交互作用产生的阻力）决定。 派拉力： 位错交互作用力 （a是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数，L是位错间距。）2．晶粒大小和亚结构 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）。 屈服强度与晶粒大小的关系： 霍尔－派奇（Hall-Petch) σs= σi+kyd-1/2 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） 不可变形第二相 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。 不可变形第二相 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：
金属材料力学性能实验报告 姓名：班级：学号：成绩： 实验名称实验一金属材料静拉伸试验 实验设备1）电子拉伸材料试验机一台，型号HY-10080 2）位移传感器一个； 3）刻线机一台； 4）游标卡尺一把； 5）铝合金和20#钢。 试样示意图 图1 圆柱形拉伸标准试样示意图 试样宏观断口示意图 图2 铝合金试样常温拉伸断裂图和断口图 （和试样中轴线大约成45°角的纤维状断口，几乎没有颈缩，可以知道为切应力达到极限，发生韧性断裂）
图3 正火态20#钢常温拉伸断裂图和断口图 （可以明显看出，试样在拉断之后在断口附近产生颈缩。断口处可以看出有三个区域：1.试样中心的纤维区，表面有较大的起伏，有较大的塑性变形；2.放射区，表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹；3.剪切唇，轴线成45°角左右的倾斜断口） 原始数据记录 表1 正火态20#钢试样的初始直径测量数据（单位：mm ） 左 中 右 平均值 9.90 10.00 10.00 9.97 9.92 10.00 10.00 10.00 10.00 9.92 左 中 右 平均值 8.70 8.72 8.68 8.69 8.68 8.70 8.70 8.64 8.72 8.70 表2 时效铝合金试样的初始直径测量数据（单位：mm ） 两试样的初始标距为050 L mm 。 表3 铝合金拉断后标距测量数据记录（单位：mm ） AB BC AB+2BC 平均 12.32 23.16 58.64 58.79 24.02 17.46 58.94 测量20#钢拉断后的平均标距为u L =69.53 mm ，断口的直径平均值为u d =6.00 mm 。 测量得到铝合金拉断后的断面直径平均值为7.96mm 。
《工程材料力学性能》束德林课后答案 机械工业出版社 2008第2版 第一章单向静拉伸力学性能 1、解释下列名词。 1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。 2．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。 3．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。 4．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。 5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。 韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶。 8.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。
9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。 10.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。 11.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 12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等 2、 说明下列力学性能指标的意义。 答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指 数 【P15】 3、 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
材料力学性能测试实验 报告 标准化管理部编码-[99968T-6889628-J68568-1689N]
材料基本力学性能试验—拉伸和弯曲一、实验原理 拉伸实验原理 拉伸试验是夹持均匀横截面样品两端，用拉伸力将试样沿轴向拉伸，一般拉 至断裂为止，通过记录的力——位移曲线测定材料的基本拉伸力学性能。 对于均匀横截面样品的拉伸过程，如图 1 所示， 图 1 金属试样拉伸示意图 则样品中的应力为 其中A 为样品横截面的面积。应变定义为 其中△l 是试样拉伸变形的长度。 典型的金属拉伸实验曲线见图 2 所示。 图3 金属拉伸的四个阶段 典型的金属拉伸曲线分为四个阶段，分别如图 3(a)-(d)所示。直线部分的斜率E 就是杨氏模量、σs 点是屈服点。金属拉伸达到屈服点后，开始出现颈缩 现象，接着产生强化后最终断裂。 弯曲实验原理 可采用三点弯曲或四点弯曲方式对试样施加弯曲力，一般直至断裂，通过实 验结果测定材料弯曲力学性能。为方便分析，样品的横截面一般为圆形或矩形。 三点弯曲的示意图如图 4 所示。 图4 三点弯曲试验示意图 据材料力学，弹性范围内三点弯曲情况下C 点的总挠度和力F 之间的关系是 其中I 为试样截面的惯性矩，E 为杨氏模量。 弯曲弹性模量的测定 将一定形状和尺寸的试样放置于弯曲装置上，施加横向力对样品进行弯曲， 对于矩形截面的试样，具体符号及弯曲示意如图 5 所示。 对试样施加相当于σpb0.01。 (或σrb0.01)的10％以下的预弯应力F。并记录此力和跨中点处的挠度，然后对试样连续施加弯曲力，直至相应于σpb0.01(或σrb0.01)的50％。记录弯曲力的增量DF 和相应挠度的增量Df ,则弯曲弹性模量为 对于矩形横截面试样，横截面的惯性矩I 为 其中b、h 分别是试样横截面的宽度和高度。 也可用自动方法连续记录弯曲力——挠度曲线至超过相应的σpb0.01(或σrb0.01)的弯曲力。宜使曲线弹性直线段与力轴的夹角不小于40o,弹性直线段的高度应超过力轴量程的3/5。在曲线图上确定最佳弹性直线段，读取该直线段的弯曲力增量和相应的挠度增量，见图 6 所示。然后利用式(4)计算弯曲弹性模量。 二、试样要求
第一章单向静拉伸力学性能 1、 解释下列名词。 2. 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。 3?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。 4?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。 11. 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 2、 说明下列力学性能指标的意义。 答：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 【P15】 3、 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。【P4】 4、 现有4 5、40Cr 、35 CrMo 钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作为机床起身，为什么？ 选灰铸铁，因为其含碳量搞，有良好的吸震减震作用，并且机床床身一般结构简单，对精度要求不高，使用灰铸铁可 降低成本，提高生产效率。 5、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？ 【P21】 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程 中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂， 断裂前基本上不发生塑性变形， 没有明显征兆，因而危害性很大。 6、 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。 7、 板材宏观脆性断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？ 断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状，板状矩形拉伸试样断口中的人字纹花样的放射方向也 与裂纹扩展方向平行，其尖端指向裂纹源。 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词： (1 )应力状态软性系数—— 材料或工件所承受的最大切应力T max 和最大正应力(T max 比值，即： (3)缺口敏感度一一缺口试样的抗拉强度 T bn 的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度 T b 的比值，称为缺口敏感度，即:【P47 P55】 max 1 3 max 2 1 0.5 2 3 【新书P39旧书P46】
07 秋材料力学性能 一、填空：（每空1分,总分25分） 1. 材料硬度的测定方法有、和。 2. 在材料力学行为的研究中，经常采用三种典型的试样进行研究，即、和。 3.平均应力越高，疲劳寿命。 4.材料在扭转作用下,在圆杆横截面上无正应力而只有 , 中心处切应力为 ,表面处。 5.脆性断裂的两种方式为和。 6.脆性材料切口根部裂纹形成准则遵循断裂准则； 塑性材料切口根部裂纹形成准则遵循断裂准则； 7.外力与裂纹面的取向关系不同，断裂模式不同，张开型中外加 拉应力与断裂面，而在滑开型中两者的取向关系则为。 8．蠕变断裂全过程大致由、和 三个阶段组成。
9．磨损目前比较常用的分类方法是按磨损的失效机制分为、和腐蚀磨损等。 10．深层剥落一般发生在表面强化材料的区域。 11．诱发材料脆断的三大因素分别是、和。 二、选择：（每题1分，总分15分） （）1. 下列哪项不是陶瓷材料的优点 a）耐高温 b) 耐腐蚀 c) 耐磨损 d)塑性好 （）2. 对于脆性材料，其抗压强度一般比抗拉强度 a) 高b) 低c) 相等d) 不确定 （）3.用10mm直径淬火钢球，加压3000kg，保持30s，测得的布氏硬度值为150的正确表示应为 a) 150HBW10／3000／30 b) 150HRA3000／l0／ 30 c) 150HRC30／3000／10 d) 150HBSl0／3000／30 （）4.对同一种材料，δ5比δ10 a) 大 b) 小 c) 相同 d) 不确定 （）5. 下列哪种材料用显微硬度方法测定其硬度。
a) 淬火钢件 b) 灰铸铁铸件 c) 退货态下的软钢 d) 陶瓷 （）6.下列哪种材料适合作为机床床身材料 a) 45钢 b) 40Cr钢 c) 35CrMo钢 d) 灰铸铁（）7. 下列哪种断裂模式的外加应力与裂纹面垂直，因而它是最危险的一种断裂方式。 a) 撕开型 b) 张开型 c) 滑开型 d) 复合型（）8. 下列哪副图是金属材料沿晶断裂的典型断口形貌 a) b) c) d) （）9. 下列哪种材料中的弹性模量最高 a) 氧化铝 b) 钢 c) 铝 d) 铜 （）10. 韧性材料在什么样的条件下可能变成脆性材料 a) 增大缺口半径 b) 增大加载速度 c) 升高温度 d) 减小晶粒尺寸 （）11．应力腐蚀门槛值正确的符号为 a) K ISCC b) ΔK th c) K IC d) CF （）12．σm=0 ， R=-1 表示下列哪种循环应力