材料力学性能复习

材料⼒学性能复习

1.简述材料性能的分析⽅法。

答：对材料性能的分析，常有如下四种不同的⽅法：

（1）⿊箱法：由于不知道或不需要知道材料内部的结构，认为材料是⼀个⿊箱；可从输⼊和输出信息的实验关系来定义或理

解性能（2）相关法(灰箱法)：随着对材料结构的不断认识，及对材料实验数据的不断积累，材料的结构部分已知，从⽽可⽤统

计的⽅法建⽴起性能与结构之间相关性的经验⽅程。（3）过程法（⽩箱法）：在深⼊了解材料内部结构的本质、并掌握材料

的⾏为过程机制的情况下，可从材料的结构参数去计算或预测材料的各种性能（4）环境法：材料的性能，除与材料的成分和

结构有关外，还与外界的环境条件有关。即从环境条件对材料的作⽤⾓度去研究材料的性能。

2.简述洛⽒硬度试验⽅法的优缺点。

答：洛⽒硬度试验的优点是：（1）因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题。（2）

因为硬度值可从硬度机的表盘上直接读出，故测定洛⽒硬度更为简便迅速，⼯效⾼。（3）对试件表⾯造成的损伤较⼩，可⽤

于成品零件的质量检验。（4）因加有预载荷，可以消除表⾯轻微的不平度对试验结果的影响。洛⽒硬度的缺点是：（1）洛⽒

硬度存在⼈为的定义，使得不同标尺的洛⽒硬度值⽆法相互⽐较，不象布⽒硬度可以从⼩到⼤统⼀起来。（2）由于压痕⼩，

所以洛⽒硬度对材料组织的不均匀性很敏感，测试结果⽐较分散，重复性差，因⽽不适⽤具有粗⼤组成相(如灰

铸铁中的⽯墨⽚)或不均匀组织材料的硬度测定。

3.试以⽇常⽣活的 1~2 则事例，说明裂纹的有益作⽤或对⼈们有利的⼀⾯。

答：如切割玻璃时，⼯⼈们总是先⽤玻璃⼑在玻璃上刻下划痕，以使玻璃切割得既整齐⼜省⼒。再如售货员卖布时，也总是先

在布的边缘剪开⼀个⼩⼝，沿着这个⼩⼝，可以很容易地将布撕开。（2 分）

4.与纯机械疲劳相⽐，腐蚀疲劳有何特点？

答：与纯机械疲劳相⽐，在⽔介质中的腐蚀疲劳具有以下的特点：

(1) 在腐蚀疲劳的S~N曲线上，没有像⼤⽓疲劳那样具有⽔平线段，即不存在⽆限寿命的疲劳极限值。即使交变应⼒很低，只

要循环次数⾜够⼤，材料总会发⽣断裂。(2腐蚀疲劳极限与静强度之间没有直接的关系。(3) 在⼤⽓环境中，当加载频率⼩于1000Hz 时，频率对疲劳极限基本上⽆影响。但腐蚀疲劳对加载频率⼗分敏感，频率越低，疲劳强度与寿命也越低。(4) 腐蚀疲

劳条件下裂纹极易萌⽣，故裂纹扩展是疲劳寿命的主要组成部分。⽽⼤⽓环境下，光滑试样的裂纹萌⽣是疲劳寿命的主要部

分。

5.与常温下⼒学性能相⽐，⾦属材料在⾼温下的⼒学⾏为有哪些特点？

答：与常温下⼒学性能相⽐，⾦属材料在⾼温下的⼒学⾏为有如下的特点：

（1）材料在⾼温下将发⽣蠕变现象。即在应⼒恒定的情况下，材料在应⼒的持续作⽤下不断地发⽣变形。（2）材料在⾼温下

的强度与载荷作⽤的时间有关了。载荷作⽤的时间越长，引起⼀定变形速率或变形量的形变抗⼒及断裂抗⼒越低（3）材料在

⾼温下⼯作时，不仅强度降低，⽽且塑性也降低。应变速率越低，载荷作⽤时间越长，塑性降低得越显著。因⽽在⾼温下材料

的断裂，常为沿晶断裂。（4）在恒定应变条件下，在⾼温下⼯作的材料还会应⼒松弛现象，即材料内部的应⼒随时间⽽降低

的现象。

6.控制摩擦磨损的⽅法有哪些？答：对材料的摩擦磨损，其控制⽅法如下：

（1）润滑剂的使⽤：在相对运动的摩擦接触⾯之间加⼊润滑剂，使两接触表⾯之间形成润

滑膜，变⼲摩擦为润滑剂内部分⼦间的内摩擦，从⽽达到减少摩擦表⾯摩擦、降低材料磨

损的⽬的。（2）摩擦材料的选择：根据摩擦的具体⼯况(载荷、速度、温度、介质等)，选择合理的摩

擦副材料（减摩、摩阻、耐磨），也可达到降低材料摩擦磨损的⽬的。（3）材料的表⾯改性和强化：利⽤各种物理的、化学

的或机械的⼯艺⼿段如机械加⼯强化处理、表⾯热处理、扩散处理和表⾯覆盖处理，使材料表⾯获得特殊的成分、组织结构与

性能，以提⾼材料的耐磨性

7.简述氢脆的类型及其特征。

答：(1) 氢蚀：氢与⾦属中的第⼆相作⽤⽣成⾼压⽓体，使基体⾦属晶界结合⼒减弱⽽导致⾦属脆化。宏观断⼝呈氧化⾊，颗

粒状，微观断⼝上晶界加宽，呈沿晶断裂。

(2) ⽩点（发裂）：过量的氢聚集在某些缺陷处⽽形成H2分⼦，氢的体积发⽣急剧膨胀，内压⼒很⼤⾜以将⾦属局部撕裂，形

成微裂纹。断⾯呈圆形或椭圆形，颜⾊为银⽩⾊。(3) 氢化物致脆：对于IVB族或VB族⾦属，由于与H有较⼤的亲和⼒，容易⽣成脆性氢化物，使⾦属脆化。4) 氢致延滞断裂：固溶状态的氢，在三向拉应⼒区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发⽣脆性

断裂。宏观断⼝与⼀般脆性断⼝相似，微观断⼝为沿晶断裂，且晶界上常有许多撕裂棱。

1、规定⾮⽐例伸长应⼒与弹性极限：规定⾮⽐例伸长应⼒，即试验时⾮⽐例伸长达到原始标距长度规定的百分⽐时的应⼒，

表⽰此应⼒的符号附以⾓注说明。弹性极限是材料由弹性变形过渡到弹—塑性变形时的应⼒，应⼒超过弹性极限以后材料便开

始产⽣塑性变形。

2、韧性断裂与裂纹尖端张开位移：韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产⽣明显宏观塑性变形的断裂过程。裂纹体受载后，

在裂纹尖端沿垂直裂纹⽅向所产⽣的位移，称为裂纹尖端张开位移。

3、变动载荷与疲劳强度：变动载荷是指载荷⼤⼩，甚⾄⽅向随时间变化的裁荷。疲劳强度为在指定疲劳寿命下，材料能承受

的上限循环应⼒，疲劳强度是保证机件疲劳寿命的重要材料性能指标。

4、静⼒韧度与疲劳裂纹扩展速率：通常将静拉伸的σ-ε曲线下包围的⾯积减去试样断裂前吸收的弹性能定义为静⼒韧度，它是

派⽣的⼒学性能指标。疲劳裂纹扩展速率指的是疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率．该阶段是疲劳过程第Ⅱ阶段，是材料整个疲劳

寿命的主要组成部分。

3、简述缺⼝的三个效应是什么。答：(1)缺⼝造成应⼒应变集中，这是缺⼝的第⼀个效应((2)缺⼝改变了缺⼝前⽅的应⼒状态，

使平板中材料所受的应⼒由原来的单向拉伸改变为两向或三向拉伸，这是缺⼝的第⼆个效应(3)缺⼝使塑性材料得到“强化”，这

是缺⼝的第三个效应。

4、应⼒腐蚀断裂的定义和腐蚀断裂形态是什么。答：应⼒腐蚀断裂是指⾦属材料在拉应⼒和特定介质的共同作⽤下所引起的

断裂。⾦属发⽣应⼒腐蚀时，仅在局部区域出现从表及⾥的裂纹．裂纹的共同特点是在主⼲裂纹延伸的同时，还有若⼲分⽀同

时发展．裂纹的⾛向宏观上与拉应⼒⽅向垂直．微观断裂机理⼀般为沿晶断裂，也可能为穿晶解理断裂或⼆者的混合．断裂表

⾯可见到“泥状花样”的腐蚀产物及腐蚀坑

弹性不完整性：弹性变形时加载线与卸载线不重合、应变落后于应⼒的现象。

刚度：在弹性变形范围内，构件抵抗变形的能⼒。形变强化：材料发⽣屈服应变后，屈服应⼒随屈服应变增加⽽增⼤的现象。

4）等强温度：晶粒与晶界强度相等的温度。

5）摩擦：两个相互接触的物体在外⼒作⽤下发⽣相对运动或有相对运动趋势，接触⾯上具有阻⽌相对运动或相对运动趋势的

作⽤，这种现象称为摩擦。

1、简述韧性断裂和脆性断裂，并画出典型宏观韧性断⼝⽰意图，并标注各区名称。答：韧性断裂：①明显宏观塑性变形；②裂

纹扩展过程较慢；③断⼝常呈暗灰⾊、纤维状。④塑性较好的⾦属材料及⾼分⼦材料易发⽣韧断。（2.5分）

脆性断裂：①⽆明显宏观塑性变形；②突然发⽣，快速断裂；③断⼝宏观上⽐较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。4淬⽕钢、灰

铸铁、玻璃等易发⽣脆断。（2.5分）

（画图1分，标注1.5分）

2、描述典型疲劳断⼝的特征，画出典型疲劳断⼝⽰意图，并标注各区名称。典型疲劳断⼝具有3个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区（3分）。。

、

1.形变强化与滞弹性：材料在应⼒作⽤下进⼊塑性变形阶段后，随着变形量的增⼤，形变应⼒不断提⾼的现象称为形变强化。

它是材料阻⽌继续塑性变形的⼀种⼒学性能。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。滞弹性应变量与材料成分、组织及实验条件有关。

2、应⼒腐蚀断裂与应⼒腐蚀门槛值：⾦属在拉应⼒和特定的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，称为应⼒腐蚀断裂。它是在应⼒和化学介质的联合作⽤下，按特有机理产⽣的断裂。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称为应⼒腐蚀门槛值，以K ISCC表⽰。

3、变动载荷与过载损伤区：变动载荷是引起疲劳破坏的外⼒，它是指栽荷⼤⼩，甚⾄⽅向均随时间变化的载荷。

4、临界裂纹尺⼨与裂纹尖端张开位移：裂纹失稳扩展的临界状态所对应的裂纹尺⼨称为临界裂纹尺⼨，记为

c

a。

裂纹体受载后，在裂纹尖端沿垂直裂纹⽅向所产⽣的位移，称为裂纹尖端张开位移，⽤δ表⽰。

1、简述韧性断裂，画出中强度钢光滑圆柱拉伸试样室温的宏观韧性断⼝⽰意图，并标注各区名称。

答：韧性断裂是⾦属材料断裂前产⽣明显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。典型的韧性断裂宏观断⼝呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成。（2.5分）

（1、画图2分，标注3分）（2、画图2.5分）

2、简述σ-1和ΔK th的异同点，并画出疲劳裂纹扩展速率曲线。

答：相同：表征材料⽆限寿命疲劳性能（2分）

不同：σ-1(疲劳强度)代表的是光滑试样的⽆限寿命疲劳强度，适⽤于传统的疲劳强度设计和校核（1.5分）；ΔK th (疲劳裂纹

扩展门槛值)代表的是裂纹试样的⽆限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和疲劳强度校核。（1.5分）（画图2.5分）

3、简述缺⼝的两个效应，并画出厚板缺⼝拉伸时弹性状态下的应⼒分布图。

疲劳裂纹扩展区

瞬断区

疲劳源

答：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．使缺⼝试样或机件中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。（2.5分）缺⼝使塑性材料强度增⾼，塑性降低，这是缺⼝的第⼆个效应。（2.5分）

（

6）纳⽶材料：任何⾄少有⼀个维度的尺⼨⼩于 100nm 或由⼩于 100nm 的基本单元组成的

材料。