材料力学性能第四章.
第四章 缺口试件的力学性能
前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转乃至硬度试验等静载荷试验方法，都是采用横截面均匀的光滑试样，但实际生产中存在的构件，绝大多数都不是截面均匀无变化的的光滑体，往往存在着截面的急剧变化，例如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等。这种截面变化的部位可以视为缺口（切口）。由于缺口的存在，在载荷（静载荷或冲击载荷）作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生“缺口效应”，从而影响到金属材料的力学性能。 §4.1 静载荷作用下的缺口效应
一、缺口试样在弹性状态下的局部应力和局部应变
1. 应力集中和应变集中
一薄板的中心边缘开缺口，并承受拉应力σ作用。缺口部分不能承受外力，这一部分外力要有缺口截面其他部分材料来的承担，因而缺口根部的应力最大。或者说，远离缺口处的截面上的力线的分布是均匀的，而在缺口截面上，由于截面突然缩小，力线密度增加，越靠近缺口根部力线越密，出现所谓应力集中的现象。
应力集中程度以应力集中系数表示之：
max max l t n
l n K σσσσ=
－缺口截面轴向最大应力
－缺口净截面平均轴向应力（名义应力）
K t 和材料性质无关，只决定于缺口几何形状（所以又称为几何应力集中因子或弹性应力集中因子）。例如：
1t K =+圆孔：3t K ≈
（无限宽板）
应力集中必然导致应变集中，在弹性状态下，有：
E σε=
则： max max l t n l t n n K K K E E
εσσεεε?==
=?=? 即在弹性状态下，应力集中系数和应变集中系数相同。 2. 多轴应力状态
由图可见，薄板开有缺口承受拉应力后，缺口根部还出现了横向拉伸应力σx ，它是由材料的横向收缩引起的。可以设想，加入沿x 方向将薄板分成很多细小的纵向拉伸试样，每一个小试样受拉伸后都能产生自由变形。根据小试样所处的位置不同，它们所受的纵向拉伸应力σy 大小也不一样，越靠近缺口根部，σy 越大，相应的纵向应变εy 也越大（应力应变集中）。每一个小试样在产生纵向应变εy 的同时，必然也要产生横向收缩应变εx ，且εx =-νεy 。如果横向应变能自由进行，则每个小试样必然相互分离开来。但是，实际上薄板是弹性连续介质，不允许各部分自由收缩变形。由于这种约束，各个小试样在相邻界面上必然产生横向拉应力σx ，以阻止横向收缩分离。因此，σx 的出现是金属变形连续性要求的结果。在缺口截面上σx 的分布是先增后减，这是由于缺口根部金属能自由收缩，所以根部的σx =0。自缺口根部向内部发展，收缩变形阻力增大，因此σx 逐渐增加。当增大到一定数值后，随着σy 的不断减小，σx 也随之减小。（薄板，平面应力，z 向变形自由，σz =0，
有单向拉伸状态转变为两向拉伸状态）
如是厚板，处于平面应变状态，垂直于板厚方向上的收缩变形同样收到约束，σz =ν(σx +σy )。厚板缺口单向拉伸时，缺口根部为两向拉伸应力状态，缺口内侧为三向拉伸应力状态。
缺口处出现应力集中和多轴拉伸应力状态后，使缺口根部的应力状态柔度因数α降低（<0.5），金属难以产生塑性变形（或者说，要使试样发生屈服，就需要更高的轴向应力，因τmax =(σ1-σ3)/2，σ3↑，要想屈服，必须σ1↑），则：
屈服强度增加（缺口强化）
sn s
Q σσ=，称为约束系数 材料的脆性增加（脆断倾向增加，缺口脆性）
此外，在缺口圆柱试样中，切口根部处于两向拉伸应力作用下（σl 、σθ），可知：
l t n K σσ=；0r σ=；l t n K θσνσνσ==
Mises 等效应力：
()12
21e t n K σσνν=-+ ()1221e t t n
K K σννσ'==-+ 称为复合应力集中因子（≈0.88K t ）
3. 局部应变速率的增大 试验机夹头移动速率：dl v dt
=， 试样应变速率：d dt
εε=， 由dl d l ε=可得： d dl v dt ldt l
εε=== 可知：试验机的夹头移动速率恒定时，试样应变速率的大小取决于试样的工作长度。（如l 0为100mm 的试样，v=0.01mm/s ，应变速率ε为10-4/s ），而对于缺口处相当于l 0=1mm 的试样，应变速率为10-2/s ，换言之，相对于光滑试样而言，即使对于这种不太尖锐的缺口，缺口处的应变速率ε已提高了两个数量级。
应变速率的急剧增加将带来严重后果（后面讲）。
二、缺口试样在弹塑性状态下的局部应力和局部应变
1. 应力重分布
对于塑性较好的材料，随外加载荷的增大，从缺口根部开始出现塑性变形，。而且塑性区逐渐扩大，直至整个截面上都产生塑性变形，应力将重新分布。
以厚板为例，根据Tresca 屈服准则，金属屈服的条件是σ1-σ3=σs （或σy -σx =σs ）。在缺口根部，σx =0，σy 最大，因此，随着载荷的增加，σy 增加，在缺口根部最先满足屈服条件σy -σx =σs ，首先屈服，产生塑性变形，该处应力σy
得到松弛（不考虑硬化，σy =σs ），导致应力峰值向内部移动，峰值之前出现所谓的“塑性区”，峰值成为塑性区和弹性区的分界线（在塑性区中，由于的σy 下降，σx 、σz 也随之下降）。当然，随着峰值的内移，σx ≠0，需要更大的σy 才能保证塑性变形连续进行下去。随着载荷的增加，塑性变形逐步向内部转移，各应力峰值也逐步向中心移去，直至缺口截面的全面屈服，这时，应力峰值处于试样中心（颈缩就是这样一种状态）。
2. 弹塑性条件下的局部应变
在绝大多数的零构件的设计
中，其名义应力总是低于屈服强
度，但由于应力集中，切口根部的
局部应力有可能高于屈服强度。因
此，零构件在整体上是弹性的，而
在切口根部产生了塑性应变，形成
塑性区。且切口根部局部应变最
大。
这里，切口根部局部应力与名义应力之比定义为弹塑性应力集中因子：
n
K σσσ= 弹塑性状态下的应变集中因子仍以K ε表示之。
根据Neuber 于1961年提出的法则（诺贝尔法则）：
2t n n
K K K σεσεσε=?=? （弹性情况：t K K K σε==）
则：
2..n n t K σεσε?=
Neuber 关系虽然不能给出缺口顶端一定深度范围内塑性应力、应变的分布，但可求出缺口顶端表面的应力、应变值。
如载荷一定，试样（缺口尺寸）一定，则弹塑性条件下的局部应力和局部应变可以根据真应力-真应变曲线获得。
也可根据Hollomon 方程求取：
n n p K K σεε=≈；n n E σε=；2.n n n E σσε=
()121n t n K EK σε+??=??????
综上所述，机件上的缺口造成了三向应力应变状态和应力应变集中，使机件的安全性受到威胁，因此，必须采用缺口试样进行静载荷力学性能试验，以确定材料对不同缺口的敏感性。
§4.2 缺口试样静拉伸试验
一、试验方法
切口圆柱试样 双切口平板试样
切口深度：t
切口根部曲率
半径：ρ；
切口张角：ω
偏置5mm
二、测试指标
1. 切口强度（切口试样的抗拉强度）（缺口强度）
max 24bn n
P d σπ= 2. 切口强度比（切口敏感性）（缺口强度比）
bn b
NSR σσ= 若NSR>1.0，表示材料对缺口不敏感，缺口处发生了塑性变形的扩展，比值越大，塑性扩展量越大，脆化倾向越小，称为缺口韧性，若NSR<1.0，表示材料对缺口敏感，缺口处还未发生明显的塑性变形就出现低应力脆断，称为缺口脆性。
（缺口形状强烈影响缺口敏感性，为了便于比较，缺口形状和尺寸规定严格，其中ω=45o~60o；ρ=0.1~0.2mm ；d n =7~15mm ；d n /d 0=0.7~0.85；所用光滑试样直径应等于d n ）
三、断口形貌
a ）脆性金属，随外载荷增加，应力分布不变，但
应力值随之增大，平均应力σn 尚低时，因应力集中形成的处于缺口根部表面的最大应力σlmax 有可能超过材料的断裂抗力，此处萌生裂纹，引起过早的脆性断裂。NSR<1；
b ）有一定塑性的材料，因外载荷增加，应力峰值
σlmax 增加（应变硬化），且位置内移，当达到材料的断裂抗力时，在此处启裂（多为微孔聚集型，
因
有塑性），表现为亚表面存在纤维区。此时，NSR
可以稍低于1，或稍大于1，视塑性区大小而定；
c）塑性好的材料，随外载荷增加，塑性区可以扩展到试样中心，出现全面屈服，应力峰值σlmax位
于试样中心，如缺口较钝（K t较小，<2），则类似
于光滑试样出现的颈缩，中心启裂，形成杯锥状断
口；如缺口尖锐（K t较大，>6），断裂由塑性应变
集中引起，因此，断裂由外向内而完成，形成环心
圆的纤维层断口。两种情况均有NSR>1。
（注意：不能把NSR>1误认为缺口使材料得到了强化，似乎缺口的存在是一件好事，实际材料并非得到强化，而是缺口几何的存在造成多轴应力状态阻止了塑性变形的发展，阻止了颈缩和载荷下降，使得缺口试样的缺口强度σbn 接近了材料的实际断裂抗力S k（σf））
§4.3 切口强度的估算及切口敏感性再评价
一、切口强度的估算
1. 基本假设
含缺口的构件的断裂可能包含三个阶段：①裂纹在缺口根部起始；②裂纹的亚临界扩展，裂纹由初始尺寸扩展到临界尺寸（a c）；③当裂纹扩展到临界尺寸时，即当a=a c 时，缺口试件最终断裂。
裂纹在切口根部形成，可以假定是由切口根部材料的材料元的断裂引起的。
裂纹起始后的尺寸a近似地等于切口深度（a n）加起始裂纹尺寸a i，通常a n>>a i，因此有a=a n+a i≈a n。假设裂纹在
根部形成后，其长度立即达到临界裂纹长度，则切口试件将在不发生亚临界裂纹扩展的条件下断裂，则切口根部裂纹形成应力近似地等于切口试件的断裂应力，即切口强度。
2. 脆性材料的切口强度
脆性材料在发生塑性屈服之前发生断裂，其断裂遵循正应力断裂准则。但局部应力达到材料的断裂强度σf 时，缺口根部材料元发生断裂而形成裂纹，有切口根部形成应力：
t ni f ni f t K K σσσσ=?=
根据上述假设，有切口强度：
bn ni f t b t K K σσσσ===
3. 高塑性材料的切口强度
高塑性材料遵循正应变断裂准则。当局部应变达到材料的断裂延性εf 时，缺口根部材料元发生断裂而形成裂纹，在薄板（平面应力）条件下（缺口根部表面为单向拉伸应力状态），根据前述可得：
()121n t n f K EK σεε+??==??????
→t ni K σ=
ni t σ=
在厚板（平面应变）条件下，由于应力状态的变化，材料的断裂强度和断裂延性值要发生变化：
()*
*1.05~1.070.30f f f f σσεε==
且应力集中因子应以复合应力集中因子（0.88K t ）代入：从而得到：
ni t σ=
统一为：
1.00.64ni t σαα?==??
平面应力平面应变 由上述假设，得切口强度：
1.0
0.64
bn t
σαα
?
==?
?
平面应力
平面应变（因平面应力条件下，裂纹的亚临界扩展不可忽略，因此根据上述公式得到的切口强度的估算值略低于实测值，或者说，应是实测值的下界）
4. 低塑性材料的切口强度
低塑性材料，即使是薄板，由于沿厚度方向的应力σz 无法通过塑性变形而得到释放，因此，其切口根部仍处于平面应变状态下，α=0.64。
二、材料的缺口敏感性再评价
注意到前述的材料的切口敏感性指标（切口强度比，NSR）不仅和材料本身有关，而且与切口尺寸有关，并非材料的常数，因此，必须材料对缺口的敏感性做出进一步评价。
1. 塑性材料的缺口敏感度因子
上述公式适用于切口强度低于屈服强度的情况，即所谓低应力脆断的情况，要想避免这种情况，必然要求：
bn t s
σασ
=≥
即：
t tn
s
K K
=
即要求构件的弹性应力集中因子小于材料的K tn，以保证材料不发生低应力脆断。所以称K tn为材料的脆断指数。
又有：
bn
b t b
NSR
σ
σ
==
定义：
bn b
K=
则：bn
t
K
NSR
K
=
因此，要使NSR>1，必有K bn>K t，材料的K bn越大越
好，越大，材料对缺口的敏感性越小，从而称K bn 为材料的切口敏感度因子。（K bn 为材料常数）
2. 脆性材料的缺口敏感度因子
对于脆性材料，同样可以定义：
1.0t bn
bn b K K σσ==
说明脆性材料对缺口是绝对敏感的。
§4.4 缺口试件在冲击载荷条件下的力学性能
一、冲击载荷的特点
1. 加载速率高
dl V dt =
（绝对变形速率）或d V dt l
εε==（相对变形速率） 静拉伸的应变速率为10-5~10-2/s ；冲击试验的应变速率为102～104/s 。
（试验表明，应变速率在10-4~10-2/s 范围内时，金属力学性能没有明显变化，可按静载荷处理；当应变速率大于10-2/s 时，金属的力学性能将发生显著变化。） 2. 对材料的性能的影响
弹性变形率一般高于冲击载荷的变形速率，因此，加载速率对金属的弹性性能没有影响；（弹性波：5×103m/s ，冲击：<103m/s ）
塑性变形发展缓慢，若加载速率较大，则塑性变形不能充分进行，因此，加载速率对于塑性变形和断裂有关的性能将产生重大影响。
3. 冲击载荷具有能量特性
静载下零件所受的应力取决于载荷和零件的最小截面；冲击载荷下，冲击应力还和零件的形状和体积有关：如试件均匀，则应力应变均匀分布；若试件有缺口，则切口根部单位体积将吸收更多的能量，造成局部应变和应变速率的升高。
其另一性质是整个系统承受冲击能，构件承受冲击应力的大小与整个受荷系统有关。（如生铁放在黄砂地上不易
敲断，而在铁砧上则易）
二、冲击韧性测试试验
1. 试验方法
（摆锤冲击试验）材料在冲击载荷下吸收变形功和断裂功的能力，常用冲击试验获得的冲击吸收功A K 表示。
冲击吸收功（冲击功）：
()1212K A mgH mgH mg H H =-=-
(梅氏)U 形缺口：A KU ；(Charpy 夏比，夏氏)V 型缺口：A KV
（目前有关标准或使用习惯比较混乱）
（对“冲击韧性”的双重误解：一个以为就是“冲击韧度”；一个以为材料的脆化趋势及其程度是由冲击造成的，实际其主要原因是缺口的存在）
和静拉伸一样，冲击试样断
口一般也存在三个区：（脚跟型的
纤维区；因压应力存在而出现的
二次纤维区；放射区（结晶状断
口区）；如塑性好，放射区消失；
如塑性差，二次纤维区被二次放
射区取代，与一次放射区存在高
度差）
2. 冲击韧性的意义及应用
反映材料在冲击载荷和缺口效应（以及低温）的综
合作用下的力学行为；
评价材料韧脆程度，保证构件安全的重要力学性能
指标之一；五大材料力学性能指标之一；（低塑性
材料断裂时需要的能量多，而高塑性材料所需的能
量多，可由冲击韧性值定性地得到反映） 功用：用于控制材料的冶金质量和铸造，锻造，焊接及热处理等热加工工艺的质量。（规定αK≥
78J/cm2，这是对柴油机的连杆的要求要求热处理工
艺和冶金质量是否正常提出的问题，并非服役性能
指标）
用来评定材料的冷脆倾向。（评定脆断倾向的标准是和材料的具体服役条件相联系的）
裂纹形成、亚临界扩展及最终断裂三部分能量在总能量所占的百分比无法区分，且不仅与材料性质有
关，也取决于试件的几何尺寸。
§4.5 影响材料韧脆转变的因素
一、低温脆性
1. 概述
材料随温度下降可能发生韧性到脆性的转变，这种现象
称为冷脆（其标志是一定温度以下，冲击功或断面收缩率急剧下降），该转变温度称为韧脆转变温度或冷脆温度。
面心立方金属及其合金一般没有冷脆现象，例如奥氏体钢、铝、镍、铜等；
解释
经典解释
本质机理解释
立方晶格的结构特点使得C、N等间隙原子集中于位
错区形成柯氏气团，增加了位错运动的困难，提高了材料的屈服强度。
2. 韧脆转变温度（t K）的确定
结构钢的低温脆性和及韧脆转变温度一般采用缺口冲击韧性的测试方法。
按照能量法定义：
1）当低于某一温度，材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称为“低阶能”，以低阶能开始上升的温度定义为t K，称为“无塑性转变温度”（Nil Ductility Temperature，NDT）；
2）“高阶能”，以高阶能开始下降的温度定义t K，称为塑性断裂转变温度（Fracture Transition Plastic，FTP）；
3）以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义之，称为弹性断裂转变温度（Fracture Transition Elastic，FTE）或FTT （Fracture Transition Temperature）；
4）以V型缺口试样测定的冲击功为15ft·lbf（20.3J）对应的温度定义之，记为：V15TT；
按照断口形貌定义
5）取结晶状断口面积占50%时的温度定义之，记为50％FATT（Fracture Appearance Transition Temperature）。
相同的材料，不同的定义方法获得的韧脆转变温度必然不同；（韧性温度储备，重要零件，使用温度>NDT+67o）由于外界因素（试样尺寸、缺口尖锐度、加载速率）的转变，t K也要变化。因此，t K只能做参考，不能说高于50年代，船用低碳钢板；目前常用的低合金高强钢常用20甚至30
韧脆转变温度（或低于韧脆转变温度）就一定是韧性断裂（或脆性断裂）。
缺口的存在导致：σs →Q σs ，提高了材料的t K ，原因已述，不详细讨论。）
二、应变速率的影响
f
σs σ
ε在10-4～10-2S -1内，金属力学性能变化不大；当大于10-2S -1，，发生显著变化。
三、影响材料韧脆转变的冶金因素
1. 晶格类型
fcc 晶格结构金属及其合金韧性好，也不存在低温脆性；而bcc 晶格结构金属及其合金则相反。
2. 成分
C 、N 、O 、P 、S 、As （砷）、Sb （锑）、Sn （锡）
等杂质对韧性不利；（间隙溶质元素含量↑→t K ↑） Mn ↑或Ni ↑→t K ↓。
3. 晶粒度
细化晶粒，使韧性↑；使韧脆转变温度（t K ）降低。
铁素体：12ln K t K d β-=- 原因：晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒细化有利于提高材料的断裂强度（σf ）；晶界前塞积的位错数量减少，有利于降低应力集中。
本章小结：
一、缺口效应
应力集中、三轴应力状态等
二、冲击韧性
试验方法、力性指标、特点
影响材料韧脆转变的其他因素
材料力学性能
第一章 1.退火低碳钢在拉伸作用下的变形过程可分为弹性变形，不均匀屈服塑性变形，均匀塑性变形，不均匀集中塑性变形和断裂 2.弹性表征材料发生弹性变形的能力 3.应力应变硬化指数表征金属材料应变硬化行为的性能指标，反应金属抵抗均匀苏醒变形的能力 4.金属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观塑性变形的一种标志 5. σs 呈现屈服现象的金属材料拉伸时试样在外力不断增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力称为屈服点，记作σs 6. σ0.2 屈服强度 7.断裂类型：韧性断裂和脆性断裂；穿晶断裂和沿晶断裂；解理断裂、纯剪切断裂和微孔聚集型断裂 8.塑性是指金属材料断裂前发生塑性变形的能力 9.韧性断裂和脆性断裂的断口形貌：①韧性断裂断口呈纤维状，灰暗色；中低碳钢断口形貌呈杯锥状，有纤维区，放射区和剪切唇三个区域②脆性断裂断口平齐而光亮，呈放射状或结晶状，有人字纹花样 10.沿晶断裂断口形貌：沿晶断裂冰糖状 11.常见力学行为：弹性变形，塑性变形和断裂 第二章 1.应力状态软性系数Tmax与σmax的比值 2.相对关系压缩试验α=2，扭转试验α=0.8 3（1）渗碳层的硬度分布---- HK或-显微HV （2）淬火钢-----HRC （3）灰铸铁-----HB （4）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体-----显微HV或者HK （5）仪表小黄铜齿轮-----HV （6）龙门刨床导轨-----HS（肖氏硬度）或HL(里氏硬度) （7）渗氮层-----HV （8）高速钢刀具-----HRC （9）退火态低碳钢-----HB （10）硬质合金----- HRA 第三章 1.冲击韧性指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，用Ak表示 2.冲击吸收功摆锤冲击试样前后的势能差 3.低温脆性实验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态转变为脆性状态，冲击吸收功明显下降。原因：材料屈服强度随温度降低急剧增加的结果 4. 韧脆转变温度转变温度tk称为韧脆转变温度 第四章 1.断裂韧度（K IC ）在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力（与组织有关） 2.应力场强度因子（K I）受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量（与本身有关） 3.断裂韧度（G IC）表示材料阻止裂纹失稳扩展是单位面积所消耗的能量 4.K IC的测量标准三点弯曲试样，紧凑拉伸试样，F形拉伸试样和圆形紧凑拉伸试样
材料力学性能复习总结
绪论 弹性:指材料在外力作用下保持与恢复固有形状与尺寸得能力。 塑性：材料在外力作用下发生不可逆得永久变形得能力。 刚度:材料在受力时抵抗弹性变形得能力。 强度:材料对变形与断裂得抗力。 韧性:指材料在断裂前吸收塑性变形与断裂功得能力。 硬度:材料得软硬程度。 耐磨性:材料抵抗磨损得能力。 寿命:指材料在外力得长期或重复作用下抵抗损伤与失效得能。 材料得力学性能得取决因素:内因——化学成分、组织结构、残余应力、表面与内部得缺陷等;外因——载荷得性质、应力状态、工作温度、环境介质等条件得变化。 第一章材料在单向静拉伸载荷下得力学性能 1、1 拉伸力—伸长曲线与应力—应变曲线 应力—应变曲线 退火低碳钢在拉伸力作用下得力学行为可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形与不均匀集中塑性变形与断裂几个阶段。 弹性变形阶段:曲线得起始部分，图中得oa段。 多数情况下呈直线形式，符合虎克定律。 屈服阶段:超出弹性变形范围之后，有得材料在 塑性变形初期产生明显得塑性流动。此时，在外力 不增加或增加很小或略有降低得情况下,变形继续产 生，拉伸图上出现平台或呈锯齿状，如图中得aｂ段。 均匀塑性变形阶段:屈服后，欲继续变形，必须 不断增加载荷，此阶段得变形就是均匀得，直到曲 退火低碳钢应力—应变曲线 线达到最高点，均匀变形结束,如图中得bc段。 不均匀塑性变形阶段:从试样承受得最大应力点开始直到断裂点为止,如图中得cd段。在此阶段，随变形增大,载荷不断下降,产生大量不均匀变形,且集中在颈缩处,最后载荷达到断裂载荷时,试样断裂。 弹性模量E:应力—应变曲线与横轴夹角得大小表示材料对弹性变形得抗力，用弹性模量E表
工程材料力学性能
《工程材料力学性能》（第二版）课后答案 第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能 一、解释下列名词 滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。 弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。 比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。 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。 二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学性能指标? 答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。 三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义? 答案：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
材料力学性能-第2版课后习题答案
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，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。【P4】 4、 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？ 5、 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。 6、 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。 7、 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。 8、 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。 9、 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： 2 12?? ? ??=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τmax 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σb 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】。
材料力学性能重点总结
名词解释： 1加工硬化：试样发生均匀塑性变形，欲继续变形则必须不断增加载荷，这种随着随性变形的增大形变抗力不断增大的现象叫加工硬化。 2弹性比功：表示金属材料吸收弹性变形功的能力。 3滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生附加弹性应变的现象。 4包申格效应：金属材料通过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于1%-4%），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塑性：金属材料断裂前发生塑性变形的能力。常见塑性变形方式：滑移和孪生 6弹性极限：以规定某一少量的残留变形为标准，对应此残留变形的应力。 7比例极限：应力与应变保持正比关系的应力最高限。 8屈服强度：以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%的残留变形的应力作为屈 服强度。 9韧性断裂是材料断裂前发生产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的断裂 过程，在裂纹扩展过程中不断的消耗能量。韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并于主 应力成45度角。 10脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑形变形，没有明显征兆，危害性很大。断裂面一般与主应力垂直，端口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。 11剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿着滑移面分离而造成的断裂，又分滑断和微孔聚集性断裂。 12解理断裂：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，总是脆性断裂。 13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发生变化，产生所谓缺口效应“ ①缺口引起应力集中，并改变了缺口应力状态，使得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者三向应力状态。 ②缺口使得材料的强度提高，塑性降低，增大材料产生脆断的倾向。 8缺口敏感度：有缺口强度的抗拉强度Z bm与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度Zb的比值. NSR=Z bn / Z S NSR越大缺口敏感度越小 9冲击韧性：Ak除以冲击式样缺口底部截面积所得之商 10冲击吸收功：式样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功以Ak表示，单位J 11低温脆性：一些具有体心立方晶格或某些秘排立方晶格的金属，当温度降低到、某一温度时，会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，这种现象称为低温脆性 12脆性转变温度：当温度降低时，材料屈服强度急剧增加，而塑形和冲击吸收功急剧减小。材料屈服强度急剧升高的温度，或断后延伸率，断后收缩率，冲击吸收功急剧减小的温度就是韧脆转变温度tk，tk是一个温度区间 16应力场强度因子KI :表示应力场的强弱程度，对于某一确定的点的大小直接影响应力场的大小，KI越大，则应力场各应力分量也越大 17应力腐蚀：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后产生的低应力脆断现象第一章 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：由于弹性变形时原子间距在外力作用下可逆变化的结果，应力与应变关系实际上是原子
材料力学性能
《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.
材料力学性能第四章.
第四章 缺口试件的力学性能 前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转乃至硬度试验等静载荷试验方法，都是采用横截面均匀的光滑试样，但实际生产中存在的构件，绝大多数都不是截面均匀无变化的的光滑体，往往存在着截面的急剧变化，例如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等。这种截面变化的部位可以视为缺口（切口）。由于缺口的存在，在载荷（静载荷或冲击载荷）作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生“缺口效应”，从而影响到金属材料的力学性能。 §4.1 静载荷作用下的缺口效应 一、缺口试样在弹性状态下的局部应力和局部应变 1. 应力集中和应变集中 一薄板的中心边缘开缺口，并承受拉应力σ作用。缺口部分不能承受外力，这一部分外力要有缺口截面其他部分材料来的承担，因而缺口根部的应力最大。或者说，远离缺口处的截面上的力线的分布是均匀的，而在缺口截面上，由于截面突然缩小，力线密度增加，越靠近缺口根部力线越密，出现所谓应力集中的现象。 应力集中程度以应力集中系数表示之： max max l t n l n K σσσσ= －缺口截面轴向最大应力 －缺口净截面平均轴向应力（名义应力）
K t 和材料性质无关，只决定于缺口几何形状（所以又称为几何应力集中因子或弹性应力集中因子）。例如： 1t K =+圆孔：3t K ≈ （无限宽板） 应力集中必然导致应变集中，在弹性状态下，有： E σε= 则： max max l t n l t n n K K K E E εσσεεε?== =?=? 即在弹性状态下，应力集中系数和应变集中系数相同。 2. 多轴应力状态 由图可见，薄板开有缺口承受拉应力后，缺口根部还出现了横向拉伸应力σx ，它是由材料的横向收缩引起的。可以设想，加入沿x 方向将薄板分成很多细小的纵向拉伸试样，每一个小试样受拉伸后都能产生自由变形。根据小试样所处的位置不同，它们所受的纵向拉伸应力σy 大小也不一样，越靠近缺口根部，σy 越大，相应的纵向应变εy 也越大（应力应变集中）。每一个小试样在产生纵向应变εy 的同时，必然也要产生横向收缩应变εx ，且εx =-νεy 。如果横向应变能自由进行，则每个小试样必然相互分离开来。但是，实际上薄板是弹性连续介质，不允许各部分自由收缩变形。由于这种约束，各个小试样在相邻界面上必然产生横向拉应力σx ，以阻止横向收缩分离。因此，σx 的出现是金属变形连续性要求的结果。在缺口截面上σx 的分布是先增后减，这是由于缺口根部金属能自由收缩，所以根部的σx =0。自缺口根部向内部发展，收缩变形阻力增大，因此σx 逐渐增加。当增大到一定数值后，随着σy 的不断减小，σx 也随之减小。（薄板，平面应力，z 向变形自由，σz =0，
材料力学性能总结材料
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。 应变硬化(形变强化)：金属材料塑性变形过程中所需要的外力不断增大，表明金属材料有一种阻止继续塑性变形的能力。 原因：塑性变形过程中，位错不断增殖，运动受阻所致。 断裂韧度：临界或失稳状态下的应力场强度因子的大小。 塑性变形：作用在物体上的外力取消后，物体的变形不完全恢复而产生的永久变形。 1.单晶体：滑移+孪生；
工程材料力学性能-第 版答案 束德林
《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
材料力学性能第四章
第四章缺口试件的力学性能 前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转乃至硬度试验等静载荷试验方法，都是采用横截面均匀的光滑试样，但实际生产中存在的构件，绝大多数都不是截面均匀无变化的的光滑体，往往存在着截面的急剧变化，例如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等。这种截面变化的部位可以视为缺口（切口）。由于缺口的存在，在载荷（静载荷或冲击载荷）作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生“缺口效应”，从而影响到金属材料的力学性能。 §4.1 静载荷作用下的缺口效应 一、缺口试样在弹性状态下的局部应力和局部应变 1. 应力集中和应变集中 一薄板的中心边缘开缺口，并承受拉应力σ作用。缺口部分不能承受外力，这一部分外力要有缺口截面其他部分材料来的承担，因而缺口根部的应力最大。或者说，远离缺口处的截面上的力线的分布是均匀的，而在缺口截面上，由于截面突然缩小，力线密度增加，越靠近缺口根部力线越密，出现所谓应力集中的现象。 应力集中程度以应力集中系数表示之： max max l t n l n K σ σ σ σ = －缺口截面轴向最大应力 －缺口净截面平均轴向应力（名义应力）
K t 和材料性质无关，只决定于缺口几何形状（所以又称为几何应力集中因子或弹性应力集中因子）。例如： 12t c K ρ=+圆孔：3t K ≈ （无限宽板） 应力集中必然导致应变集中，在弹性状态下，有： E σε= 则： max max l t n l t n n K K K E E εσσεεε?== =?=? 即在弹性状态下，应力集中系数和应变集中系数相同。 2. 多轴应力状态 由图可见，薄板开有缺口承受拉应力后，缺口根部还出现了横向拉伸应力σx ，它是由材料的横向收缩引起的。可以设想，加入沿x 方向将薄板分成很多细小的纵向拉伸试样，每一个小试样受拉伸后都能产生自由变形。根据小试样所处的位置不同，它们所受的纵向拉伸应力σy 大小也不一样，越靠近缺口根部，σy 越大，相应的纵向应变εy 也越大（应力应变集中）。每一个小试样在产生纵向应变εy 的同时，必然也要产生横向收缩应变εx ，且εx =-νεy 。如果横向应变能自由进行，则每个小试样必然相互分离开来。但是，实际上薄板是弹性连续介质，不允许各部分自由收缩变形。由于这种约束，各个小试样在相邻界面上必然产生横向拉应力σx ，以阻止横向收缩分离。因此，σx 的出现是金属变形连续性要求的结果。在缺口截面上σx 的分布是先增后减，这是由于缺口根部金属能自由收缩，所以根部的σx =0。自缺口根部向内部发展，收缩变形阻力增大，因此σx 逐渐增加。当增大到一定数值后，随着σy 的不断减小，σx 也随之减小。（薄板，平面应力，z 向变形自由，σz =0，
(完整版)材料力学性能-机械工业出版社2008第2版习题答案
《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、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 σ规定残余伸长应力2.0σ屈服 r 强度 δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬gt 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
工程材料力学性能第4章总结
四 1.根据外加应力与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展有三种基本形式： 1）张开型(Ⅰ型)裂纹扩展。拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展 2）滑开型(Ⅱ型)裂纹扩展。切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展 3）撕开型(Ⅲ型)裂纹扩展。切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展 裂纹扩展形式中，以I 型裂纹扩展最危险，容易引起脆性断裂 2. 式中 Y 为裂纹形状系数，是一个无量纲系数。 a 指裂纹半长。 K I 指应力场强 度因子，单位为MPa·m 1/2 3.定义：当σ或a 增大时，K Ⅰ也逐渐增加，当K Ⅰ 达到某一临界值时，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂。这个临界或失稳状态的K Ⅰ 值记作K c 或K IC ，称为断裂韧度。 K IC 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。 K c 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。 4. 裂纹失稳扩展脆断的断裂判据： K I < K IC 有裂纹，但不 会断裂 K I = K IC 临界状态 K I > K IC 裂纹失稳扩展，直至断裂 5. 平面应变的塑性区宽度比平面应力的小得多，因此平面应变是一种最硬的应力状态，塑性区最小。 6. 扩大后的塑性区宽度，不论是平面应力状态还是平面应变状态,经计算R 0=2 r 0 7.修正的条件：当计算应力场强度因子时，一般σ/ σs ≥需进行塑性区修正 8. 通常把裂纹扩展单位面积由系统释放势能的数值称为裂纹扩展能量释放率，简称能量释放率或能量率，用G I 表示 G IC 称为断裂韧度（平面应变断裂韧度），表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。 断裂G 判据：G I ≥G IC 9. 试样尺寸： 因为K IC 是在平面 应变和小范围屈服条件下的K I 的临界值，所以测定K IC 时所用试样尺寸，必须保证裂纹尖端处于平面应变和小范围屈服状态。 a K πσ=I c K K ⅠⅠ≥c c c a Y K σ= Ⅰ
材料力学性能》复习资料
《材料力学性能》复习资料 第一章 1塑性--材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力 2穿晶断裂和沿晶断裂---穿晶断裂，裂纹穿过晶界。沿晶断裂，裂纹沿晶扩展。 3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。 4E---应变为一个单位时，E即等于弹性应力，即E是产生100％弹性变形所需的应力 5ζs----屈服强度，一般将ζ0.2定为屈服强度 6n—应变硬化指数 Hollomon关系式： S=ken （真应力S与真应变e之间的关系） n—应变硬化指数；k—硬化系数 应变硬化指数n反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。分析：n=1，理想弹性体;n=0材料无硬化能力。大多数金属材料的n值在0.1～0.5之间。 7δ10---长比例试样断后延伸率 L0=5d0 或 L0=10d0 L0标注长度 d0名义截面直径） 8静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断裂所吸收的功（是强度和塑性的综合指标）。J/m3 9脆性断裂（1）断裂特点断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆；断口与正应力垂直。（2）断口特征平齐光亮，常呈放射状或结晶状；人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。通常，脆断前也产生微量的塑性变形，一般规定Ψ<5%为脆性断裂；大于5％时为韧性断裂。 11屈服在金属塑性变形的开始阶段，外力不增加、甚至下降的情况下，变形继续进行的现象，称为屈服。 12低碳钢在室温条件下单向拉伸应力—应变曲线的特点p1-2 13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。 14韧性是金属材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现，因而在特定条件下，能量、强度和塑性都可用来表示韧性。 15弹性比功αe(弹性比能、应变比能) 物理意义：吸收弹性变形功的能力。 几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。αe = (1/2) ζe*ε e
材料力学性能-第2版课后习题答案
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】
材料力学性能总结
材料力学性能:材料在各种外力作用下抵抗变形与断裂得能力。 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:位错运动与增殖得结果。 屈服强度:开始产生塑性变形得最小应力。 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得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得比畸变能时,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得物质,使之形成稳定化合物得元素; 通过预变形，使柯氏气团被破坏。 影响因素: 1.内因： a)金属本性及晶格类型：金属本性及晶格类型不同,位错运动所受得阻力不同。 b)晶粒大小与亚结构: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得强化。 强化效果: 在第二相体积比相同得情况下，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得情况下，长形质点得强化效果比球形质点得强化效果好; 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得数目(阻力大）,减小晶粒内位错塞积群得长度(应力小),从而使屈服强度提高得方法。 同时提高塑性及韧性得机理： 晶粒越细,变形分散在更多得晶粒内进行，变形较均匀,且每个晶粒中塞积得位错少,因应力集中引起得开裂机会较少,有可能在断裂之前承受较大得变形量，即表现出较高得塑性。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,表现出较高得韧性。 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:溶质原子与位错得弹性相互作用,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:间隙固溶体得强化效果大于置换固溶体;溶质与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。 应变硬化（形变强化):金属材料塑性变形过程中所需要得外力不断增大,表明金属材料有一种阻止继续塑性变形得能力。 原因:塑性变形过程中,位错不断增殖，运动受阻所致。 断裂韧度:临界或失稳状态下得应力场强度因子得大小。 塑性变形：作用在物体上得外力取消后，物体得变形不完全恢复而产生得永久变形。
材料力学性能
试说明高温下金属蠕变变形的机理与常温下金属塑性变形的机理有何不同？答：常温下金属塑性变形主要是通过位错滑移和孪晶进行的，以位错滑移为主要机制。当滑移面上的位错运动受阻产生塞积时，必须在更大的切应力作用下才能使位错重新运动和增值，宏观变现为加工硬化现象，或对于螺型位错，采用交滑移改变滑移面来实现位错继续运动。而当高温下金属蠕变变形主要通过位错滑移，原子扩散等机理进行。1，当滑移面上的位错运动受阻产生塞积时，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服短程阻碍。主要是通过刃型位错的攀移来实现。2，此外，在高温下大量原子和空位定向移动，即在两端拉应力作用下，晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则朝相反方向流动致使晶体伸长产生蠕变，即扩散蠕变。总之，在高温条件下，金属塑性变形仍得以继续进行，即高温蠕动变形。 试述低应力脆断的原因及防止方法？答：低应力脆断是由宏观裂纹（工艺裂纹或使用裂纹）扩散引起的。由于裂纹破坏了材料的均匀切入连续性，改变了材料内部应力状态和应力分布，所以机件的结构性能就不在相似于无裂纹的式样性能。有断裂判据K>K c时发生断裂，而切应力场强度因子取决于应力与裂纹的尺寸，要使材料不发生低应力脆断，应从下面两个方面着手1，控制构件的使用应力状态，使其δ<δc（δc为断裂应力）；2，避免或尽量减小裂纹尺寸即α<αc（αc为临界断裂尺寸）。 试述聚合物与金属材料在弹性变形，塑性变形和断裂方面的区别？答：聚合物链非常长，在受外力作用时，长链通过连段调整构象，使原卷曲的链沿拉力方向伸长，宏观上表现很大的弹性变形，无明显屈服的均匀塑性变形。在外力作用下，银纹质因其内部存在非均匀性而产生开裂，并形成孔洞。随后形成的孔洞与已有的孔洞连接起来，在垂直应力方向上形成微裂纹，微裂纹尖端区连续出现银纹，使微裂纹相连扩展，引起宏观断裂。金属弹性变形是一种可逆变形，它是金属晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反应。金属塑性变形方式主要为滑移和孪晶，有屈服阶段。各晶粒变形的不同时性和不均匀性及各晶粒变形的相互协调性的特点，其断裂过程为裂纹产生扩展及断裂。 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？答：对于退货低碳钢，中碳钢而言，其从弹性变形阶段向塑性变形阶段过渡是明显的，表现在实验过程中，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，试样继续变形伸长，即存在上下屈服点和屈服平台。而高碳钢具有连续屈服特征，在拉伸试验时看不到屈服现象，没有显著的上下屈服点和屈服平台。如图（略）。 试述脆性材料弯曲试验的特点及其应用？答：1弯曲式样形状简单，操作方便。同时，弯曲试验不存在拉伸试验时的试样偏斜对实验结果的影响，并可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。2弯曲试样表面应力最大，可较灵敏地反映材料表面缺陷。应用：1常用于测定铸铁，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；2比较和鉴别渗碳和表面淬火等化学热处理及表面热处理机件的质量和性能。3测定弯曲弹性模量，断裂挠度和断裂能量。 疲劳断口有什么特点?答案：有疲劳源。在形成疲劳裂纹之后，裂纹慢速扩展，形成贝壳状或海滩状条纹。这种条纹开始时比较密集，以后间距逐渐增大。由于载荷的间断或载荷大小的改变，裂纹经过多次张开闭合并由于裂纹表面的相互摩擦，形成一条条光亮的弧线，叫做疲劳裂纹前沿线，这个区域通常称为疲劳裂纹扩展区，而最后断裂区则和静载下带尖锐缺口试样的断口相似。对于塑性材料，断口为纤维状，对于脆性材料，则为结晶状断口。总之，一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。 粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施 ----- 又称为咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦副相对滑动速度较小，因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产