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材料性能学复习题
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你可能喜欢导读：1．影响材料弹韧性断裂与力分量较大，应力和试样尺寸和形形式主要有磨键合方式和原子体材料断裂时裂状态较硬，微观组织、和沿晶断的所谓塑性材料裂纹扩展面的取28.低碳钢的力温度、加载裂，材有张开型（Ⅰ型）段、屈服变2．提供材料弹性比功的途径有二，提高材料的弹性极限，4．金属材料常见的塑性变形机理为晶体的滑移和孪生两种，5．多晶体金属材料由于各晶粒位向不同和晶界的存在，6．影响金属材料屈服强度的因素主
填空： 可以将断裂分为伸
时，正应、
金相组织 、 推式
三种。 1． 影响材料弹韧性断裂
力分量较大，切应温度 、 加载速率27. 机件的失效性模数的因素有 脆性断裂；按照晶力分量较小，应力和试样尺寸和形形式主要有
磨键合方式和原子体材料断裂时裂状态较硬。一般用状
腐结构 、 晶体结纹扩展的途径，分于塑性变形抗力19. 根据外加压蚀
构、化学成分 、 为
与切断抗力较低力的类型及其与三种。 微观组织、
沿晶断的所谓塑性材料裂纹扩展面的取28.低碳钢的力温度、
；按照微试验；
弯向关系，裂纹扩展-----伸长曲线包括
条件和负荷持续观断裂机理分为
时的基本方式 弹性变形阶时间
等。 剪切断裂
应力状态较软，材有 张开型（Ⅰ型）段
屈服变2． 提供材料弹性比功的途径有二，提高材料的 弹性极限，或降低 弹性模量 。 3． 退火态和高温回火态的金属都有包申格效应，因此包申格效应是
具有的普遍现象。 4． 金属材料常见的塑性变形机理为晶体的 滑移 和 孪生 两种。 5． 多晶体金属材料由于各晶粒位向不同和晶界的存在，其塑性变形更加复杂，主要有各晶粒变形的 不同时性和不均匀性
及各晶粒变形的 相互协调性 的特点。 6． 影响金属材料屈服强度的因素主要有
、晶界与亚结构
、 溶质元素
等。 7． 产生超塑性的条件是（1）
；（2） 合适的条件，变形温度≥0.4Tm，应变速率ε ≤ 10－3s－1
；（3） 应变速率敏感指数较高0.3≤m≤1
。 8． 材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段，根据断裂过程材料的宏观塑性变形过程，解理断裂
；按作用力的性质可分为
。 9.包申格效应：金属材料经过
预先加载产生少量
的塑性变形,而后再同向
加载,规定残余伸长应力
卸载时降低的
的现象。 10．剪切断裂的两种主要形式为 滑断（纯剪切断裂）和
微孔聚集性断裂
11．解理断口的基本微观特征为解理台阶
河流花样 和
。 12．韧性断裂的断口一般呈杯锥状，由
三个区域组成。
13．韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标，其中又分为
静力韧度、
。 14. 材料在受到
三向等拉伸 应力作用时压力状态最硬，其
最大切应力分量
分量为零，材料最易发生
，适用于揭示塑性较好的金属材料的脆性倾向。
单向拉料易产生塑性变形，适用于在单向拉伸时容易发生脆断 而不能充分反映其塑性性能的所谓脆性材料； 材料的硬度试验属于
状态，应力状态非常软，可在各种材料上进行。 15.
材料缺口敏感性除与材料本身性能、压力状态（加载方式）有关外，还与 缺口形状
实验温度 有关。 16. 硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能，按加载方式基本上可以分为
和 刻划法 两大类，在压入法中，根据加载速率的不同又分为 动态加载法和 静载压入法
。 17. 国家标准规定冲击弯曲试验用标
准试样分别为
夏比U型缺口
夏比V型缺口试样，所测得的冲击吸收功分别用 Aku和 标记。 18. 影响材料低温脆性的因素有 化学成分 、
裂纹扩展、
滑开型（Ⅱ型）裂纹扩展和
撕开型（Ⅲ型）裂纹扩展
。 20. 疲劳破坏形式按应力状态分为
弯曲疲劳 、 扭转疲劳、
及 复合疲劳
。按应力高低和断裂寿命分为
低周疲劳。 21. 典型的疲劳断口具有
三个特征区。
22. 疲劳条带是疲劳断口的微观特征，贝纹线是断口的宏观 特征。 23. 金属材料的疲劳过程也是裂纹的
萌生 和 扩展
过程。 24. 材料疲劳抗力
等。 25. 材料的疲劳强度不仅与载荷条件有关，还受材料
平均应力和应力比
、 腐蚀介质
、表面状态
等因素的影响。 26. 常用的接触疲劳试验机包括 单面对滚式
、 双面对滚式、 止形阶段
均匀塑性变形阶段、
集中塑性变形阶段
等四个阶段。 29.理想弹性材料的特征为①
应变与应力的响应是线性的
、②应力和应变是同相位
应变是应力的单值函数
。 30.粘弹性是指恒应变下的
和恒应力下的
弹性蠕变 。 31.内耗又称为
滞弹性。可用
面积度量；
32.应变硬化是由塑性变形过程中的
滑移造成的。应变硬化指数与金属材料的层错能有关，层错能低者n值
。冷加工状态n值
。晶粒粗大材料n值
。 33.扭转试验时与周线呈45o角方向的应力作用面上正应力最
。与周线平行或垂直方向的
应力作用面切应力最
。 34. 弹性后效：加载或卸载时，应变落后于 外加应力 而和
有关的，加载时，称
其为“ 正弹性后由韧性状态
转属材料在高于疲效
”，卸载时称变为脆性状态的劳极限的应力下其为“ 反弹性后现象。 运行时，发生疲劳效
”。 44.解理断裂的基断裂的循环周次35. 应力状态软本特征是沿特定称为材料的过载性系数：试样在变界面发生的脆性持久值。
形过程中， 最大穿晶断，它是由大粘弹性：粘弹性是切应力
和 最量的相当于晶粒指恒应变下的应大正应力
大小的解理面汇力松弛和恒应力的比值。 合而成。 下的弹性蠕变 。。 36.微孔聚集型断 疲劳缺口敏感裂是包括微孔 形概念：
性：金属材料在交纹a前方区域
屈服并应力松弛后，比未屈服增加宽度为R0的塑性区，将裂纹延长为a+ry（ry=1/2 R0）, 称a+ry为有效裂纹长度。 穿晶断裂：多晶体
金属断裂时，的最大扭矩Tb，利用弹性扭转公式计算的切应力） γmax；
280HBS10/3000/30；硬度值280；HBS布氏硬度淬火钢球；10球直径；3000试验力；30试验力保持时间（直径10mm的淬火钢球在核
直至断裂的过程。 37.
缺口试样 的
抗拉强度ζbn 与
等截面尺寸光滑试样 的
抗拉强度ζb 的比值。称为“缺口敏感度”。 38.材料在 平面应变 作用下，抵抗
裂纹失稳扩展
，称为“断裂韧度”。 39.金属材料在 应力
作用下，常见的三种失效形式 磨损以及 腐蚀和
断裂 。 40．包申格应变是在 给定应力 下，拉伸卸载后第二次 正向加载 与拉伸卸载后第二次 反向加载 两曲线之间的应变差。 41.由于 缺口 的存在，在 静载荷 作用下， 缺口截面 上的 应力状态 发生变化的现象，被称为“缺口效应”。 42. 洛氏硬度是在一定的
下，将120o角的圆锥金刚石压头 压入工件表面，用所得的 压痕深度来测量 材料硬度值的工艺方法。 43.低温脆性是温度 的下降，材料韧脆转变：条件改变（应力状态、温度、加载速率等），材料的韧性与脆性发生变化的现象。 低温脆性：当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机制由微孔聚集型变为穿晶解理断口特征，断口由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。 韧脆转变温度：当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机制由微孔聚集型变为穿晶解理断口特征，断口由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性，转变温度tk称为韧脆转变温度。 弹性：金属材料在外力的作用下，产生变形，当外力去除以后变形也随之消失的性质。 韧性：金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 低应力脆断：构件中存在裂纹或缺陷时，断裂应力低于屈服强度，称为低应力脆断。
过载持久值：金变载荷下因存在缺口造成的三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向称为疲劳缺口敏感性。 缺口敏感度:缺口试样的抗拉强度ζbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度ζb的比值称为缺口敏感度，记为NSR（即NSR=ζbn/ζb）。 循环内耗：金属材料在弹性区内加载交变载荷（振动）时吸收不可逆变形功的能力。 循环韧性：金属材料在塑性区内加载交变载荷（振动）时吸收不可逆变形功的能力。 蓝脆：碳钢和某些合金钢在一定温度范围内出现脆性，由于在该温度范围内钢表面被氧化呈蓝色，故称蓝脆。 小范围屈服：金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近总要先出现一个或大或小的塑性变形区，如果塑性区尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸为小时，称为小范围屈服。 有效裂纹长度：裂裂纹扩展的路径可能是不同的，裂纹穿过晶内的断裂称为穿晶断裂。 穿晶裂纹：多晶体
金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的，穿晶断裂的裂纹穿过晶内，称为穿晶裂纹。 解理断裂：解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂。 解理裂纹：解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，其裂纹称为解理裂纹 解理刻面：解理断裂是沿一族相互平行的晶面发生的，这组晶面就是解理刻面。
二、说明下列力学性能指标的意义： σbc；抗压强度(试样压至破坏过程中的最大应力=Fbc/Ao) σpc；
σpb；规定非比例弯曲应力 σbb；抗弯强度（试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力） τs；扭转屈服点 τp0.3； τb；抗扭强度（试样在扭断前承受N试验力下保持30s测得的布氏硬度值为280）
500HBW5/750；直径5mm的硬质合金球在7.355kN试验力下保持10~15s测得到布氏硬度值为500（10~15s不标注） HR30N；表面洛氏硬度表示方法：用总试验力294.2N的30N标尺测得的表面洛氏硬度值
HV；维氏硬度值 HK；努氏硬度值 HS；肖氏硬度值 qe；
AKV(CVN) ；V形缺口冲击试样的冲击吸收功
AKU,U形缺口冲击试样的冲击吸收功 aKV；AKV除以冲击试样缺口底部截面积所得之商，称为冲击韧度，也是度量材料冲击韧性的一种力学性能指标。
aKU, AKU除以冲击试样缺口底部截面积所得之商 V15TT,以V型切口冲击试件测定的冲击功AK=15 ft 1bf(20.3N m)对应的温度作为韧脆转化温度，并记为V15TT FATT50；脆性断面率-温度曲线的上平台与下平台之
差规定50%所对应的韧脆转变温度。 NDT,无塑性（零塑性）转变温度，以低阶能开始的温度定义的韧脆转变温度。
FTE,高阶能与低阶能的平均值所对应的温度定义为韧-脆转化温度，记为FTE。 FTP；高阶能开始降低的温度定义为韧-脆转化温度。记为FTP
KIc；临界应力场强度因子，线弹性条件下以应力场强度因子表示的断裂韧度。
GIc；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。
JIc；断裂韧度，表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力 δc；裂纹尖端临界张开位移，在弹塑性状态下以变形量表示的断裂韧度。
σ-1，对称应力循环下的弯曲疲劳极限
σ-1P,对称拉压疲劳极限
σ-1N,缺口试样在对称应力循环下的疲劳极限
τ-1, 对称扭转疲劳强度
qf,金属材料在交变载荷下的缺口敏感性用疲劳缺口敏感度qf来表示
ΔKth,疲劳裂纹扩展门槛值
da/dN,疲劳裂纹扩展速率
?sh；剩余应力
在规定温度t下，以规定稳态蠕变速率?表示的蠕变极限。
?T?/?；在规定温
度t下和规定时间η内，以规定蠕变总伸长率δ表示的蠕变极限。
?T? ；在规定温
度t下，达到持续时间η而不发生断裂的持久强度极限。
1.材料的弹性模数主要取决于什么因素？为何说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？ 答：主要取决于金属原子本性和晶格类型。即室温下金属的弹性模量是原子序数的周期函数；单晶体沿原子排列最密的晶向上弹性模量较大，表现为各向异性，多晶体则为各向同性。由于合金化、热处理（显显微组织）、冷塑性变形对弹性模量的影响较小，所以金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。
2. 决定金属材料屈服强度的主要因素有哪些？提高金属材料的屈服强度有哪些方法? 答：内在因素为金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相；外在因素为温度、应变速率和应力状态。 方法有：细晶强化、固溶强化、弥散强化、沉淀强化。
7. 何为拉伸断口三要素？影响宏
观拉伸断口的形态的因素有哪些？ 答：中低碳钢光滑圆柱试样断口呈杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇三部分组成， 称为拉伸断口三要素。影响宏观拉伸断口的形态的因素有试样形状、尺寸和金属材料的性能及试验温度、加载速率和受力状态。一般来说，材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸加大，坊社区增大明显，而纤纤维区变化不大。
8、为什么材料的塑性要以延伸率和断面收缩率这两个指标来度量?它们在工程上各有什么实际意义? 答：因为金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分构成。试样拉伸至缩颈前的塑性变形是均匀塑性变形，缩颈后缩颈区的塑性变形是集中塑性变形。延伸率和断面收缩率可以比较好的反映以上两部分，所以材料的塑性要以这两个指标来度量。
工程意义：1根据?和?的相对大小，可以判断金属材料拉伸时是否形成颈缩。如果?&?则形成颈缩，且相差越大，颈缩越严重；如果?≥?则不形成颈缩。
2 判断塑性。当材料的延
伸率和断面收缩
率的数值较高时（?、? &10%-20%）,则材料的塑性较高，强度一般较低。
9.包申格效应有何意义？工程中对机件会产生哪些影响？ 答：包申格效应是指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，卸载时降低的现象。所有退火态和高温回火态金属均有此效应。包申格效应可使规定残余伸长应力增加或降低15％～20％。
1包申格效应对于承受疲劳载荷作用的机件寿命有影响。对于低周疲劳，包申格应变较大的材料，疲劳寿命较高；反之，包申格应变较小的材料，疲劳寿命较低。而对于高周疲劳与此相反。2对于预先经受冷变形的材料，希望材料具有非常小或几乎没有包申格效应，以免材料成形后强度损失。
10.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：对于低、中碳退火钢而言，其从弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡是明显的，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的情况下，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，在拉伸实验时看不到屈服现象，没有明显的上下屈服点和屈服平台。 原因：屈服现象与以下三个因素有关：1材料在变形前可动位错密度小，或虽有大量位错但被钉扎，如钢中的位错被杂质原子或第二相粒子所钉扎；2随塑性变形的发生，位错能快速增殖；3位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系。对于高碳钢，位错被钉扎，可动位错密度小，所以屈服现象不明显。对于低、中碳钢，可动位错密度大，
随塑性变形的发生，位错能快速增殖，屈服现象明显。
11. 试述韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么说脆性断裂最危险？ 答：韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显塑性变形的断裂过程（断口呈灰色、纤维状）；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的断裂过程（断口比较齐平光亮，呈放射状或结晶状）淬火钢、铸铁等。
脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生
的，因而往往引起严重的后果（脆性断口最危险）。因此，应防止脆性脆断。 中?－塑性变形应料的硬度。 伸、三向等拉伸、重新分布，并随载变速率
， b－柏由于各种硬度测单向压缩、两向压荷的增加塑性区氏矢量的模 ，?试方法的原理不缩、三向压缩应力逐渐扩大，直至整－可动位错密同，所以测出的硬作用时，其应力状个截面上都产生度 ，
塑性变形。
12. 常温静拉伸试验可确定金属材料的哪些性能指标？说出这些指标的符号定义、意义。
E弹性模量。
比例极限 。弹性变形按正比关系变化的最大应力 。
弹性极限。材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力。
σs 屈服强度。材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。 σb抗拉强度。拉伸实验时，试样拉断过程中最大实验力所对应的应力。
? 延伸率。试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。
? 断面收缩率。试样拉断后，缩颈处横截面积的最大减缩量与原始横截面积的百分比。
16．常用的标准试样有5 倍试样和10 倍试样，其延伸率分别用σ5和σ10表示，说明为什么σ5&σ10。 答：由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率就越大，所以σ5&σ10
18.试分析金属材料在屈服阶段为何存在上下屈服点？
答：? =bρv ，式
V－位错运动平均速率。根据上式，由于前ρ值较小，为了满足一定的塑性变形应变速率?的要求，必须增大位错运动速率v，而v决定于应力的大小，其关系为v=( ?/ ?0)m
, 式中?－沿滑移面上的切应力，?0－位错以单位速率运动所需的切应力 ， m-应力敏感指数。欲提高v需要有较高应力?，这就是存在上屈服点的原因。而一旦塑性变形产生，位错大量增殖，ρ增加，则v下降，相应的应力也就突然降低，从而存在下屈服点。
25.循环韧性有何工程意义？选择音叉需要选择循环韧性高的还是低的材料？ 答：材料的循环韧性越高，则机件依靠材料自身的消振能力越好。因此，高的循环韧性对于降低机械噪声，抑制高速机械振动，防止共振导致疲劳断裂是非常重要的。对于音叉，选用循环韧性低的材料，音质好。
第二章 1. 布氏硬度与洛氏硬度可否直接比较？ 布氏硬度：以压痕的表面积来度量材料的硬度。 洛氏硬度：以压痕的深度来度量材行比较。
侧截面上局部一定经验公式算后相比较。 域产生塑性变
最大应力已 而
2. 其内侧一定距
拉伸力学性能ry处。该处σx
什么影响？ σy、σz
第一缺口效应：向应力在缺口
部最大，开根部的距离大而降低。产生应力应变中效应。
缺口根部为两拉伸应力状态，内侧为三向拉伸
的平面应变状态。
7.缺口试样拉伸这种两向或者三
时应力分布有何向应力状态，就是特点？ 于弹性
缺口的第二效应。 当板材处8.试综合比缺口是塑性材料范围内时，轴向应较光
强度增高，塑性降力σ滑试样轴向拉伸、y在缺口根部低，这是缺口的第最大，并随着离开缺口试样轴向拉三效应。 根部的距离加大伸和偏斜拉伸试验的特点 无论脆性材料或
而降低。在根部产单向静载拉塑性材料，其机件
生应力应变集中伸试验是应用最广泛上的缺口都因造效应。 成两向或三向应薄板受拉伸后，在的材料力学性能力状态和应力应X方向上也出现测试方法。 光滑变集中而产生变应力σx ，它是由试样单向静拉伸脆倾向，降低了使于纵向拉伸的过试验方法的用的安全性。 程中出现了横向主要特点：1、试 收缩而引起的。 样通常为光滑圆4. 什么叫金属的厚板Z方向也出柱形状。2、试验缺口效应？ 现应力?过程中，温度、应z 力状态和加载速实际机件不可能 率是一定的。
是完全光滑的，往缺口静拉伸试验，往存在着截面的广泛用于研究高急剧变化，如键强度钢的力学性槽、油孔、螺纹等，能，钢和钛的氢这种截面变化的脆，已经用于研究部位可视为缺口。 高温合金的缺口由于缺口的存在，敏感性等： 在静载荷作用下，
缺口试样轴向拉缺口截面上的应伸时，材料因存在力状态将发生变缺口造成的三向化，即产生所谓应力状态和应力“缺口效应”。从应变集中而变脆而影响材料的力的倾向（即缺口敏
缺口偏斜拉伸5.金属材料在受对于塑性较好的试验过程中，到扭
转、单向拉材料，若根部产生试样在塑性变形，应力将
承受拉伸力的同
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金属材料脆性断裂机理的实验研究
材料的脆性断裂有许多准则和模型,但对脆断机理和变化规律缺乏合理的描述,给工程应用带来不便。本文对典型脆性材料球墨铸铁、灰铸铁分别进行了拉扭双轴断裂实验和常规拉伸、扭转破坏实验;对韧性金属材料合金钢进行了单轴拉伸颈缩破坏实验。通过上述实验分析了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的机理特征并选择应力三维度作为应力状态参数描述危险点的应力状态,同时考察了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的主导因素。结果表明：韧性材料45#钢和14CrNiMoV合金钢在颈缩断面心部应力三维度值较大时发生脆性拉断,而在颈缩断面边缘处应力三维度值较小时发生剪断;脆性材料球墨铸铁在应力三维度值为0.0～0.33之间变化时均发生脆性断裂;灰铸铁在应力三维度值大于0.0时发生脆性拉断,而在应力三维度值小于0.0时发生剪断。因此可以认为,材料的细观组织结构和危险点应力状态是影响断裂机理及变化规律的主要因素。对于同种材料,随着应力三维度代数值从小向大变化材料的断裂机制由塑性剪切断裂逐渐转变为脆性断裂。本文通过对几种材料的脆性断裂危险点和断裂方向的研究给出了脆断宏观破坏条件。
作者单位：
西安理工大学,西安,710048
年，卷(期)：
机标分类号：
在线出版日期：
基金项目：
国家自然科学基金资助
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