中南大学机电院材料性能学复习

1、 材料性能学 一、 概念部分1、包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于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。2、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。3、蓝脆：由形变时效引起钢材的机械性能变化中，在300附近有抗拉强度、硬度升高，而延伸率、断面收缩率下降的现象。4、应力腐蚀断裂；金属在拉伸应力（或压应力下)和腐蚀介质共同作用下发生断裂破坏5、蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象6、低应力脆断：在应力水平低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象。7、比

2、例试样 ：试样原始标距与原始横截面积有关系者称之为比例试样8、应力状态软性系数:根据材料力学表明，任何复杂应力状态都可以用三个主应力表示。根据这三个主应力可以按“最大切应力理论”计算最大切应力，按“相当最大正应力理论”计算最大正应力，而二者的比值表示他们的相对大小，成为应力状态软性系数，记为9、应力松驰失效；粘弹性材料在总应变不变的条件下，由于试样内部的粘性应变（或粘塑性应变）分量随时间不断增长，使回弹应变分量随时间逐渐降低，从而导致变形恢复力（回弹应力）随时间逐渐降低的现象10、韧性断裂：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。通常断口呈暗灰色、纤维状11、缺口敏感性：材料因存

3、在缺口造成三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向12、低温脆性：当式样温度低于某一温度时，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理解，断口特征由纤维状变为结晶状。13、解理断裂：在正应力作用下，材料延晶体特定的晶面以极快的速度发生的脆性穿晶断裂。14、驻留滑移带:交变载荷作用下，位错滑移时在滑移面上形成空洞，使试样表面的滑移线不能用抛光的方法去除。15、疲劳条带：每个应力周期内疲劳裂纹扩展过程中在疲劳断口上留下的相互平行的沟槽状花样。（填空 ）1拉伸断口特征的三要素：纤维区、放射区、剪切唇2缺口试样产生的三个效应：应力集中、改变缺口前方的应力状态、缺口强化3

4、材料弹性变形的本质：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4解理断裂的基本微观特征 解理平台、河流花样、舌状花样 ；微孔聚集型韧性断裂的微观特征：韧窝5高周疲劳宏观断口一般分为三个区 ：疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区，疲劳过程分为 疲劳裂纹的萌生，疲劳裂纹的扩展，瞬时断裂 。6金属材料的磨损按其失效机理可分为 ：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、接触疲劳7材料蠕变变形的机理主要有 ：位错滑移、晶界滑动、空位扩散8材料的抗磁性来源于 电子轨道运动在外磁场作用下所产生的抗磁拒 ，顺磁性来源于 原子（或离子）的固有磁矩 。9超导体具有的两个基本特性为 完全导电性 和 完

5、全抗磁性 。10.据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式有张开型裂纹扩展，滑开型裂纹扩展，撕开型裂纹扩展。其中 张开型 最为危险。11.测量小电阻的方法双电桥法,电位差计13.KI称为应力场强度因子，表达式KI（），KIc称为断裂韧度，其表达式KIc（），KI取决于（外加应力、式样尺寸、裂纹类型），KIc取决于（材料的成分、组织结构等内在因素）。 14.使材料变脆的三大因素是（温度下降，应变速率提高，应力状态软性系数减小）15.接触疲劳失效有三种，它们是麻点剥落，浅层剥落 ，深层剥落16单向静拉伸的应力状态的张量表示法为 ，用应力状态软性系数表示为 17金属材料的屈服是

6、位错_滑移 和 增殖_的结果。 18当_大于0.7时，必须考虑塑性区的影响，对KI进行修正，通常用_等效裂纹_法进行修正。 19磨损按其失效机理的不同可分为粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、接触疲劳。其中两接触材料做滚动或滚滑摩擦时极易出现（接触疲劳），是（齿轮）、（轴承）常见的磨损失效形式。20应力状态软性系数值越大，表示应力状态_越软_ ，材料越容易_产生塑形变形_ ；反之，值越小，表示应力状态_越硬_ ，材料越易发生_脆性 _ 断裂。21、按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦分为 滚动摩擦 和 滑动摩擦 。按照摩擦表面的接触状态分为 干 摩擦、 湿 摩擦、 边界 摩擦、 混合 摩擦、其中

7、干 摩擦通常严禁出现。环块摩擦磨损实验测量 滑动摩擦 条件下的磨损；M-2000型为 滚子式 磨损试验机，可以测量 滑动摩擦，滚动摩擦 等多种摩擦形势下的磨损。滑动轴承的磨损形式以 粘着磨损 居多22、材料的韧性温度储备通常用 符号表示， 取值在2060温度范围 ，对于相同的材料而言， 韧性温度储备越大， 材料的工作温度就越 高 ，材料就越 安全 。对于承受冲击载荷作用的重要机件，韧性温度储备取上限。23、材料的缺口越深、越尖锐，材料的缺口敏感性就越 大 ，材料的缺口敏感度就越 小 ，材料的对缺口就越 敏感 。24、低碳钢的拉伸曲线上反映出其变形由弹性变形，屈服，均匀塑性变形，不均匀集中塑性变

8、形；拉伸断口由 剪切唇 、 纤维区 、 放射区 三个区域组成 ，该宏观断口通常被称为 杯锥 状断口；属于韧性断裂。25、按照应力高低和断裂寿命对疲劳分类， 则 N>105 ,称为 高 周疲劳， 又称为 应力 疲劳；N 为 102 10 5 ，称为 低 周疲劳，又称为 应变 疲劳。我们通常所称的疲劳指 高周（应力） 疲劳。26、温度升高使铁磁性的饱和磁化强度 下降 ，使剩余磁感应强度 减小 ，使矫顽力 减小 。 27、根据材料被磁化后对磁场所产生的影响，可将材料分为：抗磁性，顺磁性，铁磁性3 类。材料的抗磁性来源于（电子偱轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩），材料的顺磁性主要来源于（原子

9、【离子】的固有磁矩）。铁磁性物质在磁化时的两个重要特征是（具有磁各向异性）、（磁致伸缩效应）。28、缺口静弯曲实验得到的曲线包围的面积分为三个部分，分别代表三种能量：弹性变形功，塑性变形功，断裂功。若只有而没有，则对缺口极为敏感，若只有，表明对缺口敏感，越大，则缺口越不敏感。29、超导电性的三个重要性能指标为临界温度，临街电流密度，临界磁场。30、典型的弹性不完整性主要有：滞弹性，粘弹性，伪弹性，包申格效应。31、按照裂纹的扩展路径来看断裂主要分为（穿晶断裂），（沿晶断裂），其中（沿晶断裂）一般是脆性断裂。32、电介质的击穿形式有（电击穿）、（热击穿）、（化学击穿）。33、介质损耗的形式有（电

10、导【漏导】损耗），（极化损耗），（电离损耗），（结构损耗），（宏观结构不均匀的介质损耗）。34、本征半导体的电子-空穴对是由热激活产生的，其浓度与温度成指数关系。35、金属的热电现象的三个基本热电效应是（帕尔帖效应）、（汤姆逊效应）、（赛贝克效应）。36、机件运行时的磨损过程分为三个阶段：（跑合，正常磨损，剧烈磨损）。磨损类型按照磨损机制分为（粘着磨损，磨粒磨损，接触疲劳）等。软齿面齿轮运转中容易出现（粘着磨损），硬齿面齿轮容易出现（剧烈磨损）。37、金属材料按照断裂前的宏观塑性变形程度，分为（韧性）断裂和（脆性）断裂，按照裂纹扩展路径分为（穿晶）断裂和（沿晶）断裂，按照微观断裂机理分为（解理

11、）断裂和（剪切）断裂，扭转试验后断口与试样轴线垂直，应为(切断)断口。38、缺口的存在会诱发材料出现三个效应：缺口的存在会诱发材料出现三个效应：（出现应力集中，诱发多向应力状态，缺口强化效应），不能把（缺口强化）效应看做强化材料的手段。（试验方法判断：根据下列材料及测试要求选择合适的试验方法，如需测硬度，选用何种硬度试验方法（写出硬度符号）？ 测量淬火、回火的高速钢刀具的硬度洛氏硬度HRC鉴别钢中残余奥氏体的硬度： 洛氏硬度HRC鉴别测量氮化层硬度：维氏硬度HV 测量灰铸铁的硬度：布氏硬度HBS 测渗碳层的硬度分布：维氏硬度HV测20Cr渗碳淬火钢的塑性：扭转或弯曲实验 测40Cr钢的抗拉强度

12、：单向静拉伸实验测不同牌号灰铸铁的塑性差异：压缩实验测Cr12钢的冲击韧性：冲击实验测W18Cr4V钢淬火回火试样的塑性：扭转或弯曲实验（有如下工件需测硬度，选用何种硬度试验方法为宜？ -03硬质合金刀头 HRA退火后的热锻模毛坯 HRC手表黄铜齿轮维氏 HV过共晶白口铁中Fe3CI的硬度 HV0.1 布氏硬度HBS渗碳层的硬度分布维氏硬度HV灰铸铁布氏硬度HBS（根据下列材料及测试要求选择合适的试验方法-03测45钢的b单向静拉伸实验测40Cr钢的切断强度 扭转实验测不同牌号铸铁的塑性差异压缩或弯曲实验测Cr12钢的k冲击实验测不同牌号铸造铝合金的断裂强度及塑性差异压缩实验测40Cr钢的塑性

13、-04（有如下工件需测硬度，选用何种硬度试验方法（写出硬度符号）？-04 淬火后的工具钢洛氏鉴别钢中残余奥氏体 显微硬度退火后的毛坯件HRC二、 概念运用部分（简答题 ）1、什么是低温脆性？其物理本质是什么？当式样温度低于某一温度tk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理解，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。具有体心立方或者密排六方结构的金属或合金屈服强度对温度变化敏感，温度降低，屈服强度急剧上升，与断裂强度相交，交点温度为tk，体心立方还与迟屈服有关2、 何谓铁磁性的自发磁化？产生的条件是什么？/什么是自发磁化？铁磁体的形成条件是什么？在没

14、有外磁场的作用下，金属内部的自旋磁矩自发地取向一致的行为。产生条件：（1）原子存在未被抵消的自旋磁矩 ，（2）a/r>3，交换能积分常数 A>0。 （a是原子间距，r是未填满壳层的原子半径）3、 表面强化为何能提高机件的疲劳强度？/表面强化对提高疲劳极限有哪两种作用？表面强化（1）可提高机件表面的强度和硬度，即提高表面塑变抗力；（2）可在表层产生残余压应力，从而降低表面的有效拉应力。这两方面的作用均可抑制材料表面疲劳裂纹的萌生和扩展，因此可提高材料的疲劳强度。4、材料的一级相变和二级相变对热容和热焓各有什么影响？在一级相变的转变点处，热焓出现跃变，热容曲线发生不连续变化。在二级相变

15、的转变温度范围内，热焓发生明显变化，但无跃变，热容急剧变化，出现极值。5、裂纹扩展有哪三种基本方式？写出产生失稳扩展脆断的断裂K判据，并解释判据中各参量的物理意义。/写出裂纹产生失稳扩展而脆断的断裂K判据，并解释判据中各参量的物理意义。张开型、滑开型、撕开型；失稳扩展脆断的断裂K判据：KI>=KIc；KI：应力场强度因子，表裂纹尖端区域的应力场强度，为力学参量；KIc：平面应变断裂度，表征材料平面应变条件下抵抗裂纹失稳扩展的能力，为力性指标。7. 缺口对材料的拉伸力学性能有什么影响？8应力腐蚀断裂产生的条件是什么？应力， 化学介质和金属材料。应力包括工作应力和残余应力，起作用的是拉应力；

16、某种金属有其特定应力腐蚀敏感的化学介质；所有合金对应力腐蚀敏感的合金成分。10. 疲劳断裂的特点是什么？低应力脆断；低应力循环的延时断裂；损伤累积过程；对缺陷（缺口、组织、杂质）十分敏感；断裂寿命与应力水平有关，应力水平低，寿命较长。（指出下列力学性能指标的名称及含义）-1 ；0.2 ； KV ； Kth ； tT ； FATT50 ； KU ；e ；KISCC-1 ；对称弯曲疲劳强度，表示材料在对称弯曲循环载荷下，经无限次应力循环不发生断裂的最大应力；0.2 ；屈服强度，表示材料抵抗起始塑形变形产生微量塑变（0.2%残余应变）的能力；KV ；V型缺口试样的冲击功，表试样变形和断裂所吸收的功；

17、Kth ；疲劳裂纹扩展门槛值，疲劳裂纹不扩展ki的最大值，表阻止疲劳裂纹开始扩展的能力；tT ；持久强度，表材料在一定的温度和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力；FATT50 ；韧脆转变温度，用断口形貌表示的一种方法，结晶区面积占整个断口面积的50%，。KU ；e ；弹性极限，表示材料有弹性变形过度到弹塑性变形时的应力，MPa；KISCC：应力腐蚀临界应力场强度因子，表示应力腐蚀条件下的断裂韧性（论述题）1、 论述细化晶粒可提高材料强韧性的机理。-01提高强度的机理：凡是阻碍位错运动和位错增殖的因素均可以使材料的强度提高。（1）细化晶粒，使晶粒尺寸减小，晶粒内位错塞积的长度将缩短，其应力集

18、中程度不足以推动相邻晶粒内的位错滑移，需加更大的外加切应力，表现为材料的强度增高。细化晶粒，境界增多，对位错的阻碍加强，强度增高。细化晶粒提高韧性的机理：（1）境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，使晶界杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。2、利用能带理论解释材料导电性的差异。/试用能带理论解释导体、半导体、绝缘体导电性的差别. 材料的导电性与其能带结构和能级的填充情况有关。（1）如允带中的能级未填满，允带之间无禁带或允带重叠，在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流。具有这种能带结构的材料为导体。（2）如允带为满

19、带，即所有能级都被电子填满，满带上方相邻一个很宽的禁带，满带上的电子无活动余地，在外电场作用下电子很难跳过禁带，故不能产生电流。具有这种能带结构的材料为绝缘体。（3）半导体的能带结构与绝缘体相似，只不过它的禁带较窄，电子可在外界作用下跳过禁带，跃迁到导带上去，产生电流。3、高温蠕变变形有哪三种主要机理，试说明之。 位错滑移蠕变机理一定应力下，位错滑移塑性变形位错塞积，运动受阻，在高温下，热激活作用使得位错突破阻力滑移，继续产生塑性变形。 扩散蠕变机理较高温度下，原子、空位发生热激活扩散，外力作用下，定向扩散，从而引起晶粒沿拉伸方向伸长晶体产生蠕变。 晶界滑动蠕变机理高温下，晶界在外力作用下发生

20、相对滑动，引起明显的塑性变形 粘弹性机理高分子材料在恒定应力作用下，分子链由卷曲状伸展蠕变，外力去除后回复为卷曲状态蠕变回复4、为什么表面强化可以提高疲劳寿命？表面强化有哪些方法？表面强化处理产生表面残余压应力，抵消工作应力，表面强化提高了表面的疲劳强度。表面强化的方法1表面喷丸及滚压 产生残余压应力抵消部分表层工作压力2表面热处理和化学处理 表硬心韧3复合强化 渗氮+表面淬火 渗碳+喷丸 表面淬火+喷丸（滚压）。5、何谓滞弹性？何为内耗？滞弹性(弹性后效)是指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在非理想弹性的情况下，由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成

21、一封闭回线，这个封闭回线称为弹性滞后环存在弹性滞后环的现象说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功，有一部分加载变形功被材料所吸收这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的内耗6、硬度试验有哪几种？各适用于何种情况？举例说明。1布氏硬度，用于退火钢、铸铁、有色金属等较软的材料2洛氏硬度，淬火钢等较硬的材料，特别适用于生产现场的检测3维氏硬度，适用于各种金属，精度高，特别适用于科学研究4显微硬度，适用于金属各显微组织的硬度及微小零件的硬度。7、静载试验有哪几种？各适用于何种情况？举例说明。1、材料单向静拉伸：主要用于测定韧性材料的基本力学性能指标：比例极限与弹性极限、屈服强度、抗拉强度、

22、伸长率、断面收缩率等。如低碳钢的单向静拉伸。2、扭转试验 (1)测定那些在拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性(2)对材料表面硬化及表面缺陷的反映十分敏感，可对各种表面强化工艺进行研究和对机件的热处理表面质量进行检验(3)圆柱形试样在扭转试验时，整个试样长度上始终不产生颈缩现象，故可用来精确评定那些拉伸时出现颈缩的高塑性材料的形变能力和形变抗力（4）扭转试验时正应力与切应力大致相等，而生产中所使用的大部分金属结构材料的c>tf，所以，扭转试验是测定这些材料的切断强度的最可靠方法3、弯曲试验 (1)太硬难于加工成拉伸试样的脆性材料的断裂强度，并能显示出它们的塑性差别 (2)可灵敏地反映材料的表

23、面缺陷因此，常用来比较和评定材料表面处理层的质量 (3) 很少应用于塑性材料4、压缩试验 (1)压缩试验主要用于脆性材料(2)塑性材料一般不采用压缩方法检验(3)多向不等压缩试验适用于脆性更大的材料，它可以反映此类材料的微小塑性差异此外，对于在接触表面处承受多向压缩的机件，如滚柱与滚珠轴承的套圈，也可采用多向压缩试验，使试验条件与机件的实际服役条件更接近8、防止金属材料腐蚀的方法有哪些？1金属的电化学保护法。牺牲阳极的阴极保护法、阳极的保护法2介质处理：一是去除介质中的有害成分二是调节介质的pH值三是降低气体中的湿度可以采用干燥剂吸收气体中的湿分3缓蚀剂保护法在腐蚀环境中，通过添加少量能阻止或

24、减缓金属腐蚀速度的物质以保护金属的方法，称为缓蚀剂保护法4表面覆盖法表面覆盖法是在材料表面覆盖一层耐蚀层，使基体金属与腐蚀介质隔离，从而起保护作用的方法5合理选材根据不同的介质和使用条件，选用合适的金属或非金属材料，以防止腐蚀的发生6改进防腐设计及生产工艺流程防腐蚀的方法虽然很多，但对于一个腐蚀系统，应根据腐蚀的原因、环境条件、各种措施的防腐蚀效果、施工的难易程度以及经济效益等因素综合考虑。9、缺口效应有哪些？其成因如何？缺口效应有三种，它们是 引起应力应变集中，改变缺口前方的应力状态，产生“缺口强化”现象。10、写出断裂韧性KI判据，解释判据中各符号名称、单位及物理意义。(1)无限大物体表面有半椭圆裂纹：当 ，需要修正， ，其中第二类椭圆积分 ，根据a/c的值查表可以知道 ，表示最大工作