金属力学性能总结

第一章材料的拉伸性能1、对拉伸试件有什么基本要求？为什么？答：1、实验条件光滑试件室温大气介质单向单调拉伸载荷2、试件的形状和尺寸圆柱试件：l=5do或lo=10do板状试件：l=5.65<A或11.3丁0%0v0原因：为了比较不同尺寸试样所测得的延性要求试样的几何相似，1。/、代要为一常数。其中A0为试件的初始横截面积。2、 为什么拉伸试验又称为静拉伸试验？拉伸试验可以测定哪些力学性能？答：拉伸加载速率较低，db/dt二1~10MPa/s，故称静拉伸试验。拉伸试验可以测定的力学性能为：弹性模量E屈服强度b抗拉强度b延伸率5断面收缩率屮sb测定板材的断面收缩率的方法：£3、 试件的尺寸对测定材料的断面收缩率是否有影响？为什么？如何测定板材的断面收缩率?答：断面收缩率是材料本身的性质，与试件的几何形状无关。测定板材的断面收缩率的方法：£断面收缩率屮=(ab-ab^/4、试画出示意图说明：脆性材料与塑性材料的应力—应变曲线有何区别？高塑性材料与低塑性材料的应力—应变曲线又有何区别？答：1、左图近似为一直线，只有弹性变形阶段，没有塑性变形阶段，在弹性变形阶段断裂说明是脆性材料。右图为弯钩形曲线，既有弹性变形阶段，又有塑性变形阶段，在塑性变形阶段断裂说明是塑性材料。2、左图曲线有弹性变形阶段与均匀塑性变形阶段，没有颈缩现象，曲线在最高点处中断，即在均匀塑性变形阶段断裂，且塑性变形量小，说明是低塑性材料。右图曲线有弹性变形阶段，均匀塑性变形阶段，颈缩后的局集塑性变形阶段，曲线在经过最高点后向下延伸一段再中断，即在颈缩后的局集塑性变形阶段断裂，且塑性变形量大，说明是高塑性材料。

答：延伸率5断面收缩率屮6〉屮，无局集塑性变形，为低塑性材料。5=屮，只发生弹性变形，为脆性材料。5〈屮，有局集塑性变形，为高塑性材料。6、 工程应力一应变曲线上b点的物理意义？试说明b点前后试样变形和强化的特点？答:工程应力一应变曲线上b点的纵坐标代表抗拉强度，定义为试件短裂前所能承受的最大工程应力。b点之前，试样的塑性变形是均匀的：哪里有变形，哪里就强化，难于再继续变形，变形便转移到别处，如此反复交替进行，就达到均匀变形的效果。b点之后，试样的塑性变形集中在颈缩区附近：由于形变强化跟不上变形的发展，于是从均匀变形转为集中变形，导致形成颈缩。7、 脆性材料的力学性能用哪两个指标表征?脆性材料在工程中的使用原则是什么？答：两个指标表征：弹性模量和脆性断裂强度。使用原则：脆性材料抗拉断裂强度低，抗压断裂强度高，在工程中多被用于承受压缩载荷的构件。8、 试画出连续塑性变形强化和非连续塑性变形强化材料的应力—应变曲线?两种情况下如何根据应力—应变曲线确定材料的屈服强度？答：左图为连续塑性变形强化材料，右图为非连续塑性变形强化材料。2.00.0£巨"⑷巴-0.0 0.51.0 1.5Strain2.0truemtrsin-jtrEggline0匕屈服点A\一屈服伸长变形2.00.0£巨"⑷巴-0.0 0.51.0 1.5Strain2.0truemtrsin-jtrEggline0匕屈服点A\一屈服伸长变形对连续塑性变形强化材料，屈服强度为产生0.2%残余伸长率时的应力。对非连续塑性变形强化材料，屈服强度为屈服平台的下屈服点（右图B点）对应的应力。9、 何谓工程应力和工程应变?何谓真应力和真应变?两者之间有什么定量关系?答：工程应力是载荷除以试件的原始截面积（q=P/A0）。工程应变是总伸长量除以原始标距长度（e=（l-l0）/1°）。真应力是载荷除以瞬时截面积（S=P/A）。ldl l真应变是瞬时伸长率的积分（& =Ino）ll l

在均匀塑性变形阶段，两者之间定量关系：cPPAG 、 （ldllS== -o= =G（1+e） 1 =ln-^=ln（1+e）AAA1—屮' inll0010、 拉伸图、工程应力—应变曲线和真应力—真应变曲线有什么区别？答：拉伸图和工程应力—应变曲线具有相似的形状，但坐标物理含义不同，单位也不同。拉伸图横坐标为伸长量（单位mm）,纵坐标为载荷（单位N）；工程应力一应变曲线横坐标为工程应力（单位MPa）,纵坐标为工程应变（单位无）。工程应力—应变曲线和真应力—真应变曲线坐标单位相同，但坐标物理含义不同。工程应力—应变曲线一般呈现先升后降的变化趋势。真应力—真应变曲线呈现一直增大的趋势。真应力—真应变曲线在工程应力—应变曲线的左上方。11、现有do=10mm的圆棒长试样和短试样各一根，测得其延伸率dlO与d5均为25%，问长试件和短试件的塑性是否一样？答：不一样。长试件塑性好。因为对同一材料§5>5io补充工程材料在使用过程中不可避免会产生（弹性变形）。工程构件在生产过程中要（降低）材料的塑性，（降低）材料的强度。工程构件在使用过程中要（提高）材料的塑性，（提高）材料的强度。拉伸试样的直径一定，标距越长，则测出的抗拉强度值会（不变），延伸率会（越低），断面收缩率会（不变）5.在均匀变形阶段，金属的伸长率6与截面收缩率屮通常满足关系:l=l+Al=l（1+ ）=l（1+e）0 0l00A=A—AA=A（1——）=A（1-屮）0 0A00由上面两个等式和体积不变原理，可以求得：1一屮；屮=1一屮；屮=~b1一屮；屮章金属的弹性变形与塑性变形1、名词解释：弹性后效、弹性滞后环答：弹性后效：加载卸载时应变落后于应力的现象。弹性滞后环：加载和卸载时的应力应变曲线不重合形成一封闭回线0&00&02、什么是条件比例极限和弹性极限，试画图并叙述两种力学性能的求解方法。答：书16页3、金属的弹性模量主要取决于哪些因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：金属的弹性模量与原子间作用力和距离有关，主要决定于金属原子本性和晶格类型。金属弹性模量的影响因素有：1、溶质元素：溶质原子可改变原子间作用力，进而影响弹性模量，但影响不大。2、温度：温度升高，原子间距增大，原子间结合力减弱，弹性模量下降。3、加载速率：弹性变形速率与声速相当，加载速率一般远小于声速，故基本不影响弹性模量。4、冷变形：弹性模量可能增大可能减小，但影响不大。5、热处理：弹性模量可能增大可能减小，但影响不大。综上所述，金属的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。4、试述金属材料屈服强度的影响因素。答：内因：1、金属本性及晶格类型：屈服现象来源于位错的运动，位错运动阻力是由金属原子本性及晶格类型决定的。2、晶粒大小和亚结构：晶界与亚晶界阻碍位错运动，一般晶粒越小，晶界越多，位错运动的障碍数越多，屈服强度越大。3、溶质元素：溶质原子造成晶格畸变应力场，使位错运动受阻，从而使屈服强度提高。4、第二相：弥散型和聚合型第二相都可阻碍位错运动，从而提高屈服强度。外因：1、温度：温度升高，屈服强度降低。2、应变速率：应变速率增大，屈服强度增高。3、应力状态：切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低。5、 若室温下纯铁的晶粒大小为16个/mm2时，o=100MN/m2；而当晶粒大小为4096个/mm2s时，o=250MN/m2；试求晶粒大小为256个/mm2时o的值。ss答：根据Hall-petch公式：◎=◎+kD-0-5。变换后得：◎=◎+kp025。sissi（注：oO单位为MN/m2,p单位为个/mm2，k为系数。）si100=o+kl60』5■250=o+k40960.25 得o=50,k=25ii当p=256时，◎=◎+kp0.25二50+25x2560.25二150si故当晶粒大小为256个/mm2时o的值为150MN/m2s6、 什么是包申格效应，这一现象有何实用意义？哪些金属与合金在什么情况下最易出现这些现象？如何防治和消除？答：包申格效应：产生了少量塑性变形的材料，再同向加载则弹性极限与屈服强度升高；反向加载则弹性极限与屈服强度降低的现象。实用意义：经微量冷变形的材料，如使用时的受力方向与原变形方向相反，应考虑弹性极限与屈服强度的降低。加工过程中，使材料交替承受反向应力，以降低材料的变形抗力。材料经微量预应变后，疲劳极限降低。补充：材料的弹性常数是（E,G,v）。影响弹性模量最基本的原因是（原子半径）。机床底座常用铸铁制造的主要原因是（价格低，内耗大，模量大）。当合金中晶粒愈细小时，其（强度提高，韧性提高，耐热性降低，塑性提高）。多晶体金属塑性变形的特点是（非同时性，非均匀性，协调性）。位错增殖理论可用于解释（屈服现象）。细晶强化是非常好的强化方法，但不适用于（高温）。第三章其他静加载下的力学性能1、名词解释：应力状态柔度系数答：应力状态柔度系数：在各种加载条件下，最大切应力与最大正应力o之比，记为maxmaxa,a /C。a（拉伸）＜a（扭转）＜a（压缩）maxmax2、 如何根据实际应用条件来选择恰当的试验方法（单向拉伸、扭转、弯曲，压缩和剪切试验）衡量材料的性能?（了解）答：扭转试验的特点及应用：（1）扭转时应力状态的柔度系数较大，能测定拉伸时表现为脆性的材料。（2）能测定高塑性材料的变形抗力和变形能力。（3） 能区分材料的断裂方式。（4） 检验表面质量。（5） 研究有关初始塑性变形的非同时性的问题。3、 能否根据扭转试验中试样的断口特征分析引起开裂的力的特征?答：切断断口：断口与轴线垂直，断裂是由最大切应力造成的，说明切断强度较低。正断断口：断口与轴线呈45°，断裂是由最大正应力造成的，说明正断强度较低。木纹状断口：说明轴向切断抗力比横向的低。iE2-7捉蚪址柑韵忙的當我檸征

O切■•口IE脂韵口EAttttBro4、 哪些材料适合进行抗弯试验?抗弯试验的加载形式有哪两种?各有何优缺点？答：抗弯试验适合于测定铸铁、硬质合金、陶瓷等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。抗弯试验的加载形式：1、 三点弯曲优点：方法简单。缺点：试件总在最大弯距附近处断裂，不能反映材料的缺陷。2、 四点弯曲优点：试件通常在两加载点之间具有组织缺陷处断裂，能较好的反映材料的性质，实验结果也较精确。缺点：操作复杂，必须注意加载的均衡。5、 为什么拉伸试验时所得的条件应力—应变曲线位于真实应力—应变曲线之下，而压缩试

验时正好相反?答：条件应力是载荷除以试件的原始截面积（q=P/A0）。真实应力是载荷除以瞬时截面积（S=P/A）。 °拉伸试验时，A0>A,故q〈S,条件应力一应变曲线位于真实应力一应变曲线之下。压缩试验时，A0<A,故q>S,条件应力一应变曲线位于真实应力一应变曲线之上。6、材料为灰铸铁，其试样直径d=30mm，原标距长度h。=45mm。在压缩试验时，当试样承受到485kN压力时发生破坏，试验后长度h=40mm。试求其抗压强度和相对收缩率。答：抗压强度qbcbc48500030答：抗压强度qbcbc48500030…(2)2二686MPah-h45-40相对收缩率£ =0 =AU=11.1%ckh 450第四章硬度1、 硬度试验有哪些特点?答：硬度试验设备简单，操作方便，造成表面损伤小，基本属于无损检测。2、 试比较布氏、洛氏、维氏硬度试验原理的异同，说明它们的优缺点和应用范围。答：（1）布氏硬度原理：用一定压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，试件表面留下压痕，单位压痕表面积a上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值（HB）。HB二-PHB二-P兀DhPkD[D-*■(D2-d2)]当压力和压头直径一定时，压痕直径越大，布氏硬度值越低，即变形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。优点：压痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能，不受个别微区不均匀性的影响，所以分散性小，重复性好。缺点：①压痕较大，不宜在零件表面、薄壁件上测定布氏硬度。测定压痕直径费时费力。受P/D2为常数的约束。应用范围：适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度。（2）洛氏硬度原理：洛氏硬度是直接测量压痕深度，压痕愈浅表示材料愈硬。优点：①硬度值可从硬度计表盘上直接读出，简便迅速。对试件表面损伤小。加有预载荷，可消除表面轻微不平度对试验的影响。缺点：①不同标尺的洛氏硬度值无法比较。②压痕小，对材料组织不均匀性敏感，测试结果分散，重复性差。应用范围：要求材料组织均匀。可用于成品零件的检验。可测定各种不同材料的硬度（3）维氏硬度原理：根据单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值。优点：①各种载荷作用下的压痕几何相似，不受载荷P和压头D规定条件的约束。测量范围较宽，软硬材料都可。对角线长度易于精确测量。缺点：效率较洛氏法低。应用范围：测量范围较宽，软硬材料都可。可测定薄件或膜层的硬度。3、 布氏、洛氏、维氏硬度压头形状有何区别?其硬度用什么符号表示?并说明其符号的意义。答：压头形状:布氏硬度压头是球形；洛氏硬度压头有两类，顶角为120°金刚石圆锥体和钢球压头；维氏硬度压头为金刚石制成的四方角锥体，两相对面间的夹角为136°。符号表示:布氏硬度：压头为淬火钢球，HBS；压头为硬质合金球，HBW。HBS或HBW之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为压头直径、压力和保持时间。例：150HBS10/3000/30，表示用10mm直径淬火钢球，加压3000kgf,保持30s，测得布氏硬度值为150；500HBW5/750，表示用5mm直径硬质合金球，加压750kgf，保持10-15s（保持时间为10-15s，不加标注），测得布氏硬度值为500。洛氏硬度：测定HRC采用金刚石压头，设在试件表面留下的残余压痕深度为t。规定：t=0.2mm时,HRC=0；t=0,HRC=100,压痕深度每增0.002mm,HRC降低1个单位。于是有:HRC=（0.2-1）/0.002=100-1/0.002维氏硬度：表示方法与布氏硬度的相同。例：640HV30/20，最前数字为硬度值，后面数字依次为载荷/保持时间。4、 同一材料用不同的硬度测定方法所测得的硬度值有无确定的对应关系?为什么?答：无确定的对应关系。硬度不是一个有明确物理意义的性能指标，而是包括了许多力学行为在内的一个综合性的概念。用不同的硬度试验方法测量不同的材料，材料内部所发生的力学行为不同，其实际含义也不同。5、 显微硬度和维氏硬度相比有何异同,显微硬度有何用途?答：和维氏硬度相比，显微维氏硬度测试载荷小，载荷与压痕之间的关系不一定像维氏硬度试验那样符合几何相似原理，所以必须注明载荷大小，以便比较。显微硬度用途：灵敏度高，载荷小，压痕极小，几乎不损坏试件，便于测定微小区域内的硬度值。6、 何谓几何相似原理?答：以布氏硬度为例，压痕形状几何相似，则压入角应相等，即P/D2应为常数。S2-19压对*11他怎理憎补充1、 工程中测定材料的硬度最常用（压入法）。2、 同种材料的（布氏与维氏）硬度可相互参比。3、 与抗拉强度之间存在相互关系的是（布氏硬度）。

第五章断裂1、说明下列名词术语之间的关系：(1)微孔聚集型断裂；(2)解理断裂；(3)脆性断裂；(4)韧性断裂；(5)穿晶断裂；(6)沿晶断裂。解理斷裂空穴棗积型断製按照断裂机制分类纯剪切断裂无明显塑性变机沿解理面分町穿鼎卵裂沿晶界空穴聚合，沿晶斷裂解理斷裂空穴棗积型断製按照断裂机制分类纯剪切断裂无明显塑性变机沿解理面分町穿鼎卵裂沿晶界空穴聚合，沿晶斷裂沿晶内空穴聚合，穿晶斷裂&\（、g沿滑移面分离剪切斷裂(单晶体｝V£oxo通过缩颈导致最终斷裂(多晶怵、离纯金2、延性断口由哪几个区域组成?各区的形貌有何特点?答：延性断口由纤维区、放射区、剪切唇区三个区域组成。纤维区形貌：与拉伸方向垂直。表面无金属光泽，凹凸不平。放射区形貌：表面有放射线花样。放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端的轮廓线，并逆指向裂纹源。剪切唇区形貌：与拉伸方向呈45°。表面光滑。

3、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。工程构件中，为什么脆性断裂最危险?答：韧性断裂是断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断的消耗能量。4、解理断口的主要特征是什么?如何寻找河流状花样断裂源?4、解理断口的主要特征是什么?如何寻找河流状花样断裂源?答：解理断口：宏观特征：平坦、发亮的结晶状断面。微观特征：河流状花样。舌状花样。对河流状花样，“河流”顺流方向与裂纹扩展方向相同故可以从河流的反方向去寻找断裂源。左图河流状花样断裂源在右上方。5、试述微孔聚集型断裂的全过程，若材料的基体塑性相同，第二相质点密度大小对断口中韧窝的大小和深浅有何影响？答：微孔聚集型断裂的全过程微孔形核：当拉伸载荷达到最大值时，试样发生颈缩。在颈缩区形成三向拉应力状态，且在试样的心部轴向应力最大。在三向应力的作用下，试样心部的夹杂物或第二相质点破裂，或者夹杂物或第二相质点与基体界面脱离，最终形成微孔。微孔长大：增大外力，微孔在纵向与横向均长大微孔聚合：微孔不断长大并发生联接而形成大的中心空腔。最后，沿45。方向切断。第二相质点密度越大，韧窝尺寸越小。材料塑性好，则韧窝深。6、在什么条件下易出现沿晶断裂?怎祥才能减小沿晶断裂倾向？沿晶断裂断口形貌如何？

答：沿晶断裂出现的条件：晶界存在连续分布的脆性第二相。微量有害杂质元素在晶界上偏聚。由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、高温、应力腐蚀等。沿晶断裂断口形貌呈冰糖状，如左图。补充1、 材料失效最危险的形式是(断裂)。2、 解理断裂是(穿晶脆断)。3、 下述断口哪一种是延性断口(d)。a)穿晶断口b)沿晶断口c)河流花样d)韧窝断口4、 双原子模型计算出的材料理论断裂强度比实际值高出一个数量级，是因为(c)。a)模型不好b)近似计算太粗太多c)实际材料有缺陷d)实际材料无缺陷5、 Griffith强度理论适用于(玻璃、陶瓷等脆性材料)。6、 理论断裂强度适用于(d)。a)金属b)陶瓷c)有机高分子d)晶须

第六章切口强度与切口冲击韧性1、什么是广义的切口?试件或构件含有切口对其中的应力分布有什么主要的影响?答：不连续几何结构就是广义的切口。切口对应力分布的影响：①缺口前方出现应力应变集中。缺口前方的应力状态被改变，由原来的单向拉伸改为三向拉伸。由于三向拉伸，试样的乂比单向拉伸时高，即产生了“缺口强化”现象。O2、 什么是应变集中?切口根部发生塑性应变后，如何计算局部应变?答：了解。3、 如何测定切口强度?切口强度比有什么实用意义?切口强度和切口强度比是否为材料常数?答：切口强度：用带缺口的拉伸试件测定其断裂时的名义应力b，b=P/AbnbnmaxN切口强度比nsr可评价材料的切口敏感性，以利于零件的设计与选材。若NSR>1.0,则材料对缺口不敏感，材料是缺口韧性的。若NSRV1.0,则材料对缺口敏感，材料是缺口脆性的。切口强度和切口强度比不是材料常数，与切口的几何形状和应力状态有关。4、 什么是冲击韧性?用于测定冲击韧性的试件有哪两种主要形式?测定的冲击韧性如何表示?答：冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功等能量的能力。试件有两种：①夏比U型切口试样：冲击韧性值a二A/AKU KN②夏比V型切口试样：冲击韧性值a二A/AKV KN其中，A为冲击吸收功，A为切口的净断面积。KN5、 冲击韧性值在工程中有什么实用价值?答：①分析材料缺陷，评定材料质量。确定材料韧脆转变温度。评定材料对大能量冲击断裂的抗力。评定金属的应变时效敏感性6、 何谓低温脆性?在哪些材料中发生低温脆性?答：当降到某一温度时，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型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。一些体心立方晶格的金属发生低温脆性。7、 何谓韧－脆转变?如何确定韧－脆转变温度?有哪些因素影响韧—脆转变温度?工程中如何确定材料的使用温度的下限？答：当降到某一温度T时，材料由韧性状态变为K脆性状态，转变温度T称为韧脆转变温度。K确定韧－脆转变温度：将试件冷却到不同的温度下测定冲击功A或断口形貌特征与温度的关K系曲线，然后按能量法或断口形貌法确定韧脆转变温度。材料的使用温度的下限T=T+A,△值一般选20°C〜60°C。0K8、解释应力集中系数，应变集中系数，缺口敏感度。TOC\o"1-5"\h\z答：应力集中系数：最大应力&与名义应力G之比