材料力学复习重点

材料力学复习重点

材料力学性能

1.填空题：30个15分

2.判断题：20个10分

3.名词解释 10个20分

4.问答题：6个35分

5.计算题：2个20分

第一章单向静拉伸力学性能

一、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。

6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。

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。

11.韧脆转变温度：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，这个温度称

为韧脆转变温度。

15.解理刻面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面叫解理面。这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。

17.约比温度：材料的实验温度与熔点的比值。高于这个温度的环境叫高温环境，材料的性能会随时间和温度而变化。 18.松弛稳定性：金属抵抗应力松弛的性能。

19.低周疲劳：金属材料在循环载荷作用下，疲劳寿命为102-104次的疲劳断裂叫低周疲劳。

四、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。

八、什么是包申格效应，如何解释，它有什么实际意义?

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。

包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某一滑移面运动，遇林位错而弯曲，结果，在位错前方，林位错密度增加，形成位错缠结和胞状组织。这种位错结构在力学上是相当稳定的，宏观上表现为规定残余伸长应力增加。

卸载后施加反向力，位错被迫作反向运动，在反向路径上，像林位错这类障碍数量较少，而且也不一定恰好位于位错运动的前方，故位错可以在较低应力下移动较大距离，即第二次反向加载，规定残余伸长应力降低。

包申格效应对于研究金属疲劳问题是很重要的。因为材料在疲劳过程中，每一周期内都产生微量塑性变形，在反向加载时，微量塑性变形抗力（规定残余伸长应力）降低，显示循环软化现象。另外，对于预先经受冷变形的材料，如服役时受到反向力的作用，就要考虑微量塑性变形抗力降低的有害影响，如冷拉型材及管子在受压状态下使用就是这种情况。

十、试简述纯剪切断裂、解理断裂以及微孔聚集型断裂的断口特征

解理断裂：无明显塑性变形，沿解理面断裂，穿晶断裂； 微孔聚集型断裂：沿晶界微孔聚合，沿晶断裂；在晶内微孔聚合，穿

晶断裂；

纯剪切断裂：沿滑移面分离剪切断裂（单晶体）；通过颈缩导致最终

断裂（多晶体，高纯金属）。

十一、试分析金属材料在屈服阶段为何存在上下屈服点？ 位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系，v b ρε=?。变形初期可

动的位错较少ρ较低，为了满足一定的应变速率v b ρε=?，必须增大位错的运动速率v ，而m v )(0

ττ=正比于剪切应力，因此需要较高的应力τ才能发生屈服，此时出现上屈服点；一旦发生塑性变形，位错大量增殖，ρ增大，则为保持运动速率恒定v b ρε=?，相应的运动速率v 和应力τ降低，就出现下屈服点。

第二章 金属在其他静载荷下的力学性能

一、解释下列名词：

（3）缺口敏感度——金属材料的缺口敏感性指标，用缺口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表示。即： b

bN NSR σσ

=【P47 P55 】

三、什么是“缺口效应”？它对材料性能有什么影响？【P45

P53】

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，

使机件由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态。缺口的第二个效应是试样的屈服应力比单向拉伸时高，即产生了所谓“缺口强化”现象，导致材料强度提高，塑性降低。由于缺口的存在，是缺口处产生较大的应力集中，材料变脆，降低了使用的安全性。

五、试说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理，并比较布氏、洛氏与维氏硬度试验方法的优缺点。【P49 P57】 原理

布氏硬度：用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位表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，计算单位表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。

七、布氏硬度与洛氏硬度的测量方法有何不同？ HRA、HRB、HRC分别用于测量何种材料的硬度？

布氏硬度：用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位表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。 HRA用于测量硬质合金、硬化薄钢板，表面薄层硬化钢；

HRB用于测量低碳钢，铜合金，铁素体可锻铸铁；

HRC用于测量淬火钢、高硬度铸件、珠光体可锻铸铁。

第三章金属在冲击载荷下的力学性能

一、名词解释

3.低温脆性：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度

t时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下

k

降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。

四、什么是低温脆性、韧脆转变温度t k？产生低温脆性的原因是什么？体心立方和面心立方金属的低温脆性有何差异？为什么？

答：在试验温度低于某一温度t k时，会由韧性状态转变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状，这就是低温脆性。 t k称为韧脆转变温度。

低温脆性是材料屈服强度随温度降低而急剧增加，而解理断裂强度随温度变化很小的结果。当温度高于韧脆转变温度时，断裂强度大于屈服强度，材料先屈服再断裂；当温度低于韧脆转变温度时，断裂强度小于屈服强度，材料无屈服直接断裂。

体心立方金属的低温脆性比面心立方金属的低温脆性显著。

这是因为派纳力对其屈服强度的影响占有很大比重，而派纳力是短程力，对温度很敏感，温度降低时，派纳力大幅增加，则其强度急剧增加而变脆。

六、试述冲击载荷作用下金属变形和断裂的特点。

冲击载荷下，瞬时作用于位错的应力相当高，结果使位错运动速率增加，因为位错宽度及其能量与位错运动速率有关，运动速率越大，则能量越大，宽度越小，故派纳力越大。结果滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。

由于冲击载荷下应力水平比较高，将使许多位错源同时开动，增加了位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减少了位错运动自由行程的平均长度，增加了点缺陷的浓度。这些原因导致金属材料在冲击载荷作用下塑性变形极不均匀且难以充分进行，使材料屈服强度和抗拉强度提高，塑性和韧性下降，导致脆性断裂。

第四章金属的断裂韧度

一、名词解释

1.低应力脆断：高强度、超高强度钢的机件，中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下发生的断裂。

3.应力场强度因子I K：表示应力场的强弱程度。在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚与强度因子I K有关，对于某一确定的点，其应力分量由I K确定，I K越大，则应力场各点应力分量也越大，这样I K就可以表示应力场的强弱程度，称I K为应力场强度因子。“I”表示I型裂纹。【P68】

4.小范围屈服： 塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸小一个数量级以上的屈服，这就称为小范围屈服。【P71】

6.有效裂纹长度：将原有的裂纹长度与松弛后的塑性区相重合并得到的裂纹长度【新P74；旧P86】。

五、 试述应力场强度因子的意义及典型裂纹I K 的表达式

答：应力场强度因子I K ：表示应力场的强弱程度。 在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚与强度因子I K 有关，对于某一确定的点，其应力分量由I K 确定， I K 越大，则应力场各点应力分量也越大，这样I K 就可以表示应力场的强弱程度，称I K 为应力场强度因子。 “I ”表示I 型裂纹。 几种裂纹的I K 表达式，无限大板穿透裂纹：a K πσ=I ；有限宽板穿透裂纹：)(b a f a K πσ=I ；有限宽板单边直裂纹：)(b

a f a K πσ=I 当

b ≥a 时，a K πσ2.1=I ；受弯单边裂纹梁：)()(62/3b a f a b M K

-=I ；无限大物体内部有椭圆片裂纹，远处受均匀拉伸：4/12222 )cos (sin ββπσc a a

K +Φ=I ；无限大物体表面有半椭圆裂纹，远处均匀受拉伸：A 点的Φ=

I a K πσ1.1。 九、有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa ，K Ic

=115MPa*m 1/2，探伤发现有20mm

长的横向穿透裂纹，若在平均轴向拉应力900MPa 下工作，试计算K I 及塑

性区宽度R 0，并判断该件是否安全？

解：由题意知穿透裂纹受到的工作应力为σ=900MPa

根据σ/σ0.2的值，确定裂纹断裂韧度K IC 是否需要修正

因为σ/σ0.2

=900/1200=0.75>0.7，所以裂纹断裂韧度K IC 需要修正 对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的K I 为：

因为K I =168.13（MPa*m 1/2）

K Ic =115（MPa*m 1/2）

所以：K I >K Ic ，裂纹会失稳扩展 , 所以该件不安全。

第五章 金属的疲劳

一、名词解释;

1.应力幅σa :σa =1/2(σmax -σ

min ) p95/p108 2.平均应力σm ：σm =1/2(σ