材料性能学课程复习材料

材料性能学课程复习材料

材料性能学

第⼀章材料单向静拉伸的⼒学性能1.应⼒－应变曲线

σp：⽐例极限

σe：弹性极限

σs：屈服点

σb：抗拉强度

2.弹性变形的本质？

材料产⽣弹性变形的本质，概括来说，都是构成材料的原⼦（离⼦）或分⼦⾃平衡位置产⽣可逆位移的反映。

⑴⾦属、陶瓷类晶体材料的弹性变形是处于晶格结点的离⼦在⼒的作⽤下在其平衡位置附近产⽣的微⼩位移。

⑵橡胶类材料则是呈卷曲状的分⼦链在⼒的作⽤下通过链段的运动沿受⼒⽅向产⽣的伸展。3.影响弹性模数（E）的因素？

⑴键合⽅式和原⼦结构：共价键、离⼦键和⾦属键都有较⾼的E值，⽽分⼦键E值较低。对于⾦属元素，原⼦半径越⼤，E值越⼩，反之亦然。

⑵晶体结构：①单晶材料：E呈各向异性，沿密排⾯E值较⼤，反之较⼩；②多晶材料：Ｅ为各晶粒的统计平均值，表现为各向同性，但为伪各向同性；③⾮晶态材料：Ｅ是各项同性的。

⑶化学成分：材料化学成分的变化将引起原⼦间距或键合⽅式的变化，因此也将影响材料的弹性模数。

⑷微观组织：①对⾦属材料来说，E是⼀个组织不敏感的⼒学性能指标；②对⾼分⼦和陶瓷材料，E对结构和组织敏感；

⑸温度：温度升⾼，原⼦结合⼒下降，Ｅ值降低。

⑹加载⽅式和负荷持续时间：①加载⽅式、加载速率和负荷持续时间对⾦属、陶瓷类材料的Ｅ⼏乎没有影响；②⾼分⼦聚合物的Ｅ随负载时间延长⽽降低，发⽣松弛。4.⾮理想弹性⾏为可分为⼏种类型？

⑴滞弹性（弹性后效）：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。

⑵粘弹性：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。

⑶伪弹性：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度的弹性变形的现象。

⑷包申格效应：⾦属材料经预先加载产⽣少量塑性变形，⽽后再同向加载，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.材料产⽣内耗的原因？

材料产⽣内耗与材料中微观组织结构和物理性能的变化有关。

例如，①两端钉扎位错的⾮弹性运动；②间隙原⼦或置换原⼦在应⼒作⽤下产⽣的应⼒感⽣有序化；③晶界的迁移；④磁性的变化等。因为这些微观运动都要消耗能量，所以会引起材料的内耗。6.塑性变形

材料的塑性变形是微观结构的相邻部分产⽣永久性位移，并不引起材料破裂的现象。7.⾦属材料的塑性变形机理

⑴⾦属材料：常见的塑性变形机理为晶体的滑移和孪⽣。⑵多晶体⾦属材料塑性变形特点：①各晶粒变形的不同时性和不均匀性；②各晶粒变形的相互协调性。8.陶瓷材料难以进⾏塑性变形的原因？

⑴陶瓷材料的组成主要是晶体材料，陶瓷晶体多为离⼦键或共价键，具有明显的⽅向性，同号离⼦相遇，斥⼒极⼤，只有个别滑移系能满⾜位错运动的⼏何条件和静电作⽤条件，所以陶瓷材料中只有极少数具有简单晶体结构的晶体，如MgO、KCl（均为NaCl 型结构）在室温下具有塑性，⽽⼀般晶体结构复杂的材料在室温下不能进⾏塑性变形。

⑵陶瓷材料⼀般呈多晶状态，⽽且还存在⽓孔、微裂纹、玻璃相等。位错更加不易向周围

晶体传播，更易在晶界处塞积⽽产⽣应⼒集中，形成裂纹引起断裂。9.屈服

屈服是材料由弹性变形向弹－塑性变形过渡的明显标志。10.为什么晶粒越⼩，屈服强度越⾼？

⑴晶界是位错运动的重要障碍，晶界越多，对材料屈服强度的提⾼贡献越⼤。因为在⾸先产⽣滑移的晶粒中，必须塞积⾜够数量的位错，形成较⼤的应⼒集中，才能使相邻晶粒中的位错产⽣滑移，形成宏观的屈服。

⑵如果晶界增多，也就是晶粒尺⼨减⼩，晶粒内位错塞积的长度将缩短，其应⼒集中程度不⾜以推动相邻晶粒内的位错滑移。因此欲使更多的相邻晶粒内位错开动，必须施加更⼤的外加切应⼒，即表现为多晶体的屈服强度提⾼，⽽且晶粒越⼩，屈服强度越⾼。

⑶根据霍尔－配奇公式，σs=σi+k y d-1/2，d减⼩，则d-1/2增⼤，从⽽σs增⼤。11.应变硬化

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应变硬化。应变硬化是材料阻⽌继续塑性变形的⼀种⼒学性能。12.超塑性

材料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，称为超塑性。13.韧性断裂及其特点

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。

特点：①韧性断裂时⼀般裂纹扩展过程较慢，⽽且要消耗⼤量塑性变形能。②韧性断裂的断⼝⽤⾁眼或放⼤镜观察时，往往呈暗灰⾊、纤维状。14.脆性断裂及其特点

脆性断裂是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。

特点：①断裂过程快速，具有很⼤的危险性。②脆性断裂的断⼝⼀般与正应⼒垂直，宏观上⽐较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。15.穿晶断裂与沿晶断裂

穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。沿晶断裂多数为脆性断裂。

16.剪切断裂的微孔聚集型断裂的微观断⼝特征剪切断裂是材料在切应⼒作⽤下沿滑移⾯滑移分离⽽造成的断裂。微观断⼝特征花样是断⼝上分布⼤量“韧窝”。

17.解理断裂

在正应⼒作⽤下，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称为解理断裂。解理断⼝的基本微观特征：解理台阶、河流花样和⾆状花样。

18.拉伸断⼝的3个区域

纤维区、放射区和剪切唇，即所谓的断⼝特征三要素。

第⼆章材料在其他静载下的⼒学性能1.扭转试验的应⽤

根据试样的断⼝特征可区分材料最终的断裂⽅式。

⑴切断断⼝：断⾯和试样轴线垂直，有回旋状塑性变形痕迹，这是切应⼒作⽤的结果。塑性材料常为这种断⼝。

⑵正断断⼝：断⾯和试样轴线约为45°⾓，呈螺旋状或斜劈状，这是正应⼒作⽤的结果。脆性材料常为这种断⼝。

2.为什么会产⽣缺⼝“强化”现象？

在有缺⼝条件下，由于出现了三向应⼒，使试样的屈服应⼒⽐单向拉伸时要⾼，即产⽣了所谓缺⼝“ 强化” 现象。3.根据下图，分析材料对缺⼝的敏感性。

⑴材料1在曲线上升部分断裂，残余挠度f 1很⼩，表⽰对缺⼝敏感；

⑵材料2在曲线下降部分断裂，残余挠度f 2较⼤，表⽰缺⼝敏感度低；

⑶材料3弯曲不断，取相当于1/4F max时的残余挠度f 3作为它的挠度值，其值很⼤，表⽰材料对缺⼝不敏感。

综上，材料对缺⼝的敏感程度由⼤到⼩：材料1＞材料2＞材料3.4.缺⼝弯曲曲线

将该负荷－变形曲线所包围的⾯积分为三部分：弹性变形区Ⅰ、塑性变形区Ⅱ和断裂区Ⅲ，则各区所占⾯积分别为弹性功、塑性功和断裂功。

⑴只有弹性功I，表⽰材料对缺⼝极为敏感；

⑵只有弹性功I和塑性功Ⅱ，表⽰材料对缺⼝敏感，⽽且塑性功Ⅱ越⼩，缺⼝敏感性越⼤；

⑶3种功都存在，表⽰材料对缺⼝不敏感，⽽且断裂功Ⅲ越⼤越好。5.压⼊法的硬度值

材料表⾯抵抗另⼀物体局部压⼊时所引起的塑性变形能⼒。

第三章材料的冲击韧性及低温脆性1.冲击吸收功A K

A K= GH1-GH2，即试样变形和断裂所吸收的功，称为冲击吸收功。

2.⼀次冲击弯曲试验有哪些⽅⾯的⽤途？

⑴它能反映出原始材料的冶⾦质量和热加⼯产品的质量。

⑵测定材料的韧脆性转变温度。

⑶对σS⼤致相同的材料，根据A K值可以评定材料对⼤能量冲击破坏的缺⼝敏感性。3.什么是低温脆性？

当试验温度低于某⼀温度t k时，材料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变为穿晶解理，断⼝特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。4.根据下图，分析合⾦元素对钢的韧脆转变温度的影响。

⑴间隙溶质元素含量增加，⾼阶能下降，t k提⾼。这是由于间隙溶质元素溶⼊基体⾦属晶格中，通过与位错的交互作⽤偏聚于位借线附近形成柯⽒⽓团，既增加σi，⼜使k y增加，致使σs升⾼，所以钢的脆性增⼤。

⑵钢中加⼊置换型溶质元素(Ni、Mn 例外)⼀般降低⾼阶能，提⾼t k，但这种影响较间隙溶质原⼦⼩得多。置换型溶质元素对t k的影响与σi、k y及γs的变化有关。Ni减⼩低温时的σi和k y，故韧性提⾼。另外，Ni还增加层错能，促进低温时螺位错交滑移，使裂纹扩展消耗功增加，故韧性提⾼。若置换型溶质元素降低层错能，促进位错扩展或形成孪晶，使螺位错交滑移困难，使钢的韧性下降。⑶杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界表

⾯能，产⽣沿晶脆性断裂，同时降低脆断应⼒所致。5.细化晶粒提⾼韧性的原因？

①晶界是裂纹扩展的阻⼒；

②晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应⼒集中；

③晶界总⾯积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产⽣沿晶脆性断裂。

6.影响材料低温脆性有哪些因素？

⑵化学成分：①间隙溶质元素含量增加，⾼阶能下降，t k提⾼；②置换型溶质元素（Ni、Mn例外）的加⼊，⼀般也降低⾼阶能，提⾼t k；③杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。

提⾼。k

⑹试样形状和尺⼨：①缺⼝曲率半径越⼩，t k越⾼（V型缺⼝试样＞U型缺⼝试样）；②试样宽度（或厚度）增加，t k提⾼；③试样各部分尺⼨按⽐例增加，t k也升⾼。

第四章材料的断裂韧性1.什么是低应⼒脆断？

中、低强度钢的⼤型机件常常在⼯作应⼒并不⾼，甚⾄远低于屈服极限的情况下，发⽣脆性断裂现象，这就是所谓的低应⼒脆断。2.低应⼒脆断是什么引起的？

⼤量断裂事例表明，低应⼒脆断是由于宏观裂纹的存在引起的。3.裂纹扩展的基本⽅式

⑴张开型(I型)裂纹扩展；

⑵滑开型(Ⅱ型)裂纹扩展；

⑶撕开型(Ⅲ型)裂纹扩展。

在这些裂纹的不同扩展形式中，以Ⅰ型裂纹扩展最危险，最容易引起脆性断裂。4.裂纹尖端塑性区的形状

5.实际试件中的塑性区

平⾯应变状态是理论上的抽象。实际上，厚板件由于表⾯的⾃由收缩，表⾯是平⾯应⼒状态，⼼部是平⾯应变状态，两者之间有⼀过渡区，塑性区是⼀个哑铃形的⽴体形状，如下图所⽰。

6.应⼒场强度因⼦KⅠ的修正

计算应⼒场强度因⼦KⅠ时，应注意修正的条件。当应⼒σ增⼤时，裂纹尖端的塑性区也增⼤，影响就越⼤，其修正就必要，通常情况下，当σ/σs≥0.6~0.7时，就需要修正。7.化学成分对断裂韧度的影响

⑴对于⾦属材料，化学成分对断裂韧度的影响类似于对冲击韧度的影响。其⼤致规律是：①细化晶粒的合⾦元素因提⾼强度和塑性，可使断裂韧度提⾼；②强烈固溶强化的合⾦元素因⼤⼤降低塑性⽽使断裂韧度降低，并且随合⾦元素的浓度的提⾼，降低的作⽤更加明显；③形

成⾦属间化合物并呈第⼆相析出的合⾦元素，因降低塑性有利于裂纹扩展⽽使断裂韧度降低。 ⑵对于陶瓷材料，提⾼材料强度的组元，都将提⾼断裂韧度。

⑶对于⾼分⼦材料，增强结合键的元素都将提⾼断裂韧度。8.⾮⾦属夹杂物和脆性第⼆相对断裂韧度的影响

⾮⾦属夹杂物和脆性第⼆相存在于裂纹尖端的应⼒场中时，本⾝的脆性使其容易形成微裂纹。⽽且它们易于在晶界或相界偏聚，降低界⾯结合能，使界⾯易于开裂，这些微裂纹与主裂纹连接加速了裂纹的扩展，或者使裂纹沿晶扩展，导致沿晶断裂，降低断裂韧度。

第⼆相的形貌、尺⼨和分布不同，将导致裂纹的扩展途径不同、消耗的能量不同，从⽽影响断裂韧度。9.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K IC 为多少？

解：∵σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7∴K 值不⽤修订