工程材料力学性能各章节复习知识点

工程材料力学性能各个章节主要复习知识点

第一章

弹性比功：又称弹性比能，应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。 滞弹性：对材料在弹性范围内快速加载或卸载后随时间延长附加弹性应变的现象。 包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变为1%~4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服极限）增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。

塑性：指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。

脆性：材料在外力作用下（如拉伸，冲击等）仅产生很小的变形及断裂破坏的性质。

韧性：是金属材料断裂前洗手塑性变形功和断裂功的能力，也指材料抵抗裂纹扩展的能力。

应力、应变；真应力，真应变概念。

穿晶断裂和沿晶断裂：多晶体材料断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，穿晶断裂穿过晶内；沿晶断裂沿晶界扩展。 拉伸断口形貌特征？

①韧性断裂：断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45度角。用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，而灰暗色则是纤维断口便面对光反射能力很弱所致。其断口宏观呈杯锥形，由纤维区、放射区、和剪切唇区三个区域组成。 ②脆性断裂：断裂面一般与正应力垂直，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呈人字形花样。人字形花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行，但其尖端指向裂纹源。 韧、脆性断裂区别？

韧性断裂产生前会有明显的塑性变形，过程比较缓慢；脆性断裂则不会有明显的塑性变形产生，突然发生，难以发现征兆 拉伸断口三要素？

纤维区，放射区和剪切唇。 缺口试样静拉伸试验种类？ 轴向拉伸、偏斜拉伸

材料失效有哪几种形式？

磨损、腐蚀和断裂是材料的三种主要失效方式。 材料的形变强化规律是什么？

层错能越低，n越大，形变强化增强效果越大

退火态金属增强效果比冷加工态是好，且随金属强度等级降低而增加。 在某些合金中，增强效果随合金元素含量的增加而下降。 材料的晶粒变粗，增强效果提高。

第二章

应力状态软性系数：材料某一应力状态，τmax和σmax的比值表示他们的相对大小，成为应力状态软性系数，比为??，??=σmax

缺口敏感度：缺口试样的抗拉强度σbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比

τmax

值表示缺口敏感度，即为??????=

σbnσb

第三章

低温脆性：在实验温度低于某一温度t2时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显降低，断裂机理由微孔聚集性变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。

韧脆转变温度：材料表现出低温的脆性的临界温度称为韧脆转变温度。 韧脆转变的含义，影响因素？

韧脆转变指金属材料的脆性和韧性是金属材料在不同条件下表现的力学行为和力学状态，两者是相对的并且相互转化。 影响因素： ①冶金因素： a晶体结构

体心立方金属及其合金存在低温脆性。 b化学成分

1）间隙溶质元素↑→韧脆转变温度↑

2）置换型溶质元素一般也能提高韧脆转变温度，但Ni和一定量Mn例外。 3）杂质元素S、P、As、Sn、Sb等使钢的韧性下降

c晶粒大小，细化晶粒提高韧性的原因有：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。 d纤维组织

1） 对低强度钢：按tk由高到低的顺序：珠光体→上贝氏体→铁素体→下贝氏体→回火马氏体

2） 对中碳合金钢且强度相同，tk：下贝氏体＜回火马氏体；贝氏体马氏体混合组织＞回火马氏体

3） 低碳合金钢的韧性：贝氏体马氏体混合组织＞单一马氏体或单一贝氏体 4） 马氏体钢的韧性：奥氏体的存在将显著改善韧性钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的韧性有重要影响，影响的程度与第二相质点的大小、形状、分布、第二相的性质及其与基体的结合力等性质有关。

第四章

低应力脆断：当容器或构件存在宏观裂纹时，在应力水平不高，甚至低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象称为低应力脆断。

应力场强度因子：应力场强度因子KI是表示应力场强度的力学参量。 裂纹体变形有哪几种形式？ 张开型（I型）、滑开型（II）、撕开型（III）

第五章

挤出脊和侵入沟

疲劳寿命：裂纹尺寸从ao扩展到ac所需的循环周次，即疲劳剩余寿命。

疲劳断口三大区域？

疲劳源、疲劳区、瞬断区

高周疲劳和低周疲劳如何区分？

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以过渡寿命为界限划分高周疲劳和低周疲劳，以10~10周次分界要严密科学得多。

第六章

应力腐蚀：金属在拉应力和特定化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象，称为低应力腐蚀。

氢脆：由于氢和应力共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象称为氢脆。 应力腐蚀裂纹扩展分那几个阶段，这几个阶段特征？较平缓的是那个阶段？ 第I阶段：当KI刚超过KI SCC时，裂纹经过一段孕育期后突然加速扩展，当da/dt-K曲线几乎与纵坐标平行。

第II阶段：曲线出现水平线段，da/dt与KI几乎无关。因为这时裂纹尖端发生分叉现象，裂纹扩展主要受电化学过程控制，故与材料和环境密切相关。

第III阶段：裂纹长度已接近临界尺寸，da/dt又明显依赖于KI，da/dt随KI而急剧增大，这时材料进入失稳扩展的过渡区。当KI达到KIc失稳扩展而断裂。 较平缓的是第二阶段。

第七章

磨损：机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑（松散的尺寸与形状均不想通过的碎屑），使表面材料逐渐流失（导致机件尺寸变化和质量损失），造成表面损伤的现象即为磨损。 粘着：是原子间的键合作用。

耐磨性：表征抵抗磨损能力大小的参量。 磨损几阶段？

跑合阶段（磨合阶段）、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段 磨损分为哪几个类型？

按磨损机理分类，磨损可分为：

粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、皮料磨损（接触磨损）、腐蚀磨损和微动磨损。 粘着磨损特点？提高耐磨性的措施有？ 粘着磨损过程中有材料转移，并伴随化学成分变化，这就是粘着磨损的重要特征。 提高耐粘着磨性的措施：

（1）首要要注意摩擦副配对材料的选择

其基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互溶性小的材料配对；选用表面易形成化合物的材料配对；金属与非金属配对，如金属与高分子配对，以及选用淬硬钢或淬硬钢与灰铸铁配对等都有明显效果。 （2）采用表面化学热处理改变材料表面状态

可有效地减轻粘着磨损。如果沿接触面上产生粘着磨损，可进行渗碳、磷化、碳氮共渗处理或涂覆镍-磷合金等。表面化学热处理在金属表面形成一层化合物层或非金属层，既避免摩擦副直接直接接触，又减少摩擦因数，故可防止粘着。如果粘着磨损发生在较软的一方材料机件内部，则采用渗碳、渗氮碳氮共渗及碳氮硼三元共渗等工艺有一定效果。

（3）控制摩擦滑动速度和接触压应力

改善润滑条件，提高表面膜与基体金属的结合能力，以增强氧化膜的稳定性，阻止金属之间直接接触，以及降低表面粗糙度等也都可以减轻粘着磨损。 提高材料疲劳强度的措施？

（1）表面强化，如表面喷丸、滚压、表面淬火及表面化学热处理等。

（2）采取合适加工措施，降低表面粗糙度 表面粗糙度越低，材料的疲劳极限越高。

（3）合金化，强化基体，形成弥散强化，提高材料的形变抗力阻止循环滑移带的形成和开裂，从而阻止疲劳裂纹的萌生和提高疲劳强度。 （4）细化晶粒或使用正火组织、淬火回火等热处理组织。

（5）减少夹杂物的数量、尺寸都能有效得提高疲劳强度。还可以通过改变夹杂物与基体之间的界面结合性质来改变疲劳强度。

第八章

蠕变：就是金属在长时间的高温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。 应力松弛：在规定温度和初始应力条件下，金属材料的应力随时间增加而减小的现象称为应力松弛。

蠕变过程有那几个阶段？

减速蠕变阶段、恒速蠕变阶段、加速蠕变阶段 蠕变断裂机理

（1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹 （2）在晶界上由空洞形成晶界裂纹 金属的蠕变机理？ 蠕变变形机理： （1）位错滑移蠕变 （2）扩散蠕变

金属在高温下力学性能特点？

在高温短载荷的作用下，金属材料的塑性增加，但是在高温长时载荷作用下，塑性切显著降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂现象。

第九章

高分子的近程结构，远程结构？

近程结构：是指由化学键所固定的几何形状——高分子构型，即指高分子链的化学组成、键接方式和立体构型等。

第十章

陶瓷的主要力学性能特点，断裂机理？

功能陶瓷的力学性能特点是：耐高温、硬度高、弹性模量高、耐蚀、抗蠕变性能好。

断裂机理：解理是陶瓷材料的主要断裂机理，而且很容易从穿晶断裂转变为沿晶断裂。

计算题：第四章例题。

1，有一大型圆筒式容器由高强度钢焊接而成，如图所示。钢板厚度t＝5mm，圆筒内径D＝1500mm；所用材料的σ0.2 ＝1800MPa， KIC ＝62MPa?m1/2 。焊接后发现焊缝中有纵向半椭圆裂纹，尺寸为2c＝6mm,a＝0.9mm，试问该容器能否在p＝6MPa的压力下正常工作? 解：

σ=pD/2t=6*1.5/（2*0.005）MPa=900MPa

由于σ/σ0.2=900/1800=0.5，所以不需要对KI进行修正

σc=（1/Y）*KIC/（a^0.5） Y=1.1（π^0.5）/φ，当a/c=0.9/3=0.3时， 查附录得：

Φ=1.10，所以Y=π^0.5 σc=[1/（π^0.5）]*[62/(0.0009^0.5)]=1166MPa

显然，σc>σ，不会发生爆炸，可以正常工作

2，有一高压壳体承受很高的工作压力，其周向工作拉应力σ=1400MPa，采用超高强度钢制造，探伤时有漏检小裂纹，为纵向表面半椭圆(a=1mm,a/c=0.6)。现对材料进行两种不同工艺热处理，一种是淬火高温回火的A工艺，其性能是σ0.2 ＝1700MPa， KIC ＝78 MPa?m1/2 ；另一种是淬火中低温回火的B工艺，其性能是σ0.2 ＝2100MPa ， KIC ＝47 MPa?m1/2。从断裂 力学角度看，为保证安全应选用哪种工艺为妥？

解：对于A工艺的材料：σ/σs=1400/1700=0.82，须修正。 以KIC代KI σc=Φ

KIC/{[3.8a*0.001+0.212(78/1700)^2]^0.5}MPa=1532MPa σ>σcB，会发生脆断，不安全

3，有一筒式容器由高强钢45CrNiMoV制成，厚度t＝2.6mm，筒径D＝300mm。材料经调质热处理后，力学性能σ0.2 ＝1510MPa， σb ＝1720MPa,δ=8.2%， KIC

＝68 MPa?m1/2 。在水压p=22.5MPa试验时发生爆破，断口如图，左图a为爆破断裂全貌，右图b 是断口裂源的电镜放大断口形貌。试用断口分析和断裂力学分析该容器的水爆断裂。

解：σ=（pD/2t）=（22.5*0.3）/（2*0.0026）MPa=1298MPa σ/σs=0.86，须修正。 当a/c=0.74/2.7=.274时，Φ^2=1.165

σc=1289MPa 容器水压应力σ略高于脆断应力σc，会发生脆性爆炸。

4，某冶金厂大型氧气顶吹炉的转动机构主轴，在工作时经61次摇炉炼钢后发生低应力脆断。其断口示意图如图，为疲劳断口，周围是疲劳区，中间是脆断区。该轴材料为40Cr钢，调质处理常规力学性能合格， σ0.2 ＝600MPa， σb ＝860MPa，Aku=38J, δ=8。试用断口分析和断裂力学分析其断裂原因。

解：ac=（1/Y^2）*（KIC/σc)^2 最大轴向外加应力σ外=25MPa 前缘残余拉应力σ内=120MPa σ=σ外+σ内=（25+120）MPa=145MPa 查得 KIC=120MPa*m^0.5。由于a/c→0， 是个浅长的表面半椭圆裂纹Y≈1.95

Ac=120^2/[(1.95^2)*(145^2)]=0.180m=180mm 结果与实际断口分析的185mm相比，吻合，分析正确。

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