材料力学性能 考试资料

一、

图中曲线的纵坐标为力F，横坐标是绝对伸长ΔI。由图可见，拉伸力比较小时，试样伸长随力增加而增加。拉伸力在Ft以下阶段，试样在受力时发生变形，卸除拉伸力后变形能完全恢复，该过程为弹性变形过程。当所加的拉伸力到Fa后，试样产生塑性变形。最初，试样上局部区域产生不均匀屈服塑性变形，曲线上出现平台或锯齿，直至C点结束。继而，进入均匀塑性变形阶段。达到最大拉伸力Fb时，试样再次产生不均匀塑性变形，在局部区域产生缩颈。最后，在拉伸力Fk处，试样断裂。

由此可知，退火低碳钢在拉伸力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四个阶段。

二、

金属弹性变形是一种可塑性变形，它是金属晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反应。由图，在没有外加载荷作用时，金属中的原子N1、N2在其平衡位置附近产生振动。相邻两个原子之间的作用力（曲线3）由引力（曲线1）与斥力（曲线2）迭加而成。引力与斥力都是原子间距的函数。当两

原子因受力而接近时，斥力开始缓慢增加，而后迅速增加；而引力则随原子间距减小增加缓慢。合力曲线3在原子平衡位置处为零。当原子间相互平衡力因受外力作用而受到破坏时，原子的位置必须作相应调整，即产生位移，以其外力、引力和斥力三者达到新的平衡。原子的位移总和在宏观上就表现为变形。外力去除后，原子依靠彼此之间的作用力又回到原来的平衡位置，位移消失，宏观上变形也就消失。这就是弹性变形的可逆性。

在弹性变形过程中，不论是在加载期还是卸载期内，应力与应变之间都保持单值线性关系，即我们熟知的虎克定律。

弹性变形量比较小，一般不超过0.5％-1％。这是由于原子弹性位移量只相当于原子间距的几分之一，所以弹性变形量小于1％。

三、包申格效应

（1）定义：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变约为1％-4％），卸载后再

同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服强度，下同）增加；反响加载，规定残余伸长应力降低（特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零）的现象，成为包申格效应。 （2）包申格效应与金属材料中性错运动所受的阻力变化有关。

（3）应用：工程上有些材料要通道成型工艺制造构件．也要考虑包申格效应，加大型输油气管线工艺制造的管子，希望所用材料具有非常小的或几乎没有包申格效应。以免管子成型后强度损失。在有些情况下，人们也可以利用包申格效应，如薄板反向弯曲成形、拉拔舶钢棒经过轧辊压制变自等。

（4）消除包申格效应的力法是：预先进行较大的塑性变形，或在第二次反向受力航先使金属材料丁回复或再结晶温度下退火、如钢在400一500Dc，铜合金在250一270。C退火。

四、影响屈服强度的因素

（一）影响屈服强度的内在因素： （1）金属本性及品格类型； （2）晶粒大小和亚结构； （3）溶质元素； （4）第二相。 （二）外在因素：

温度、应变速率、应力状态。

五，抗拉强度的实际意义如下：

（1）σb标志韧性金属材料的实际承载能力，且易于σb测定，重现性好，所以是工程上金属材料的重要力学性能指标之一，广泛用作产品规格说明或质量控制指标；

（2）对脆性金属材料而言，一旦拉伸力达到最大值．材料便迅速断裂了，所以σb就是脆性材料的断裂强度．用于产品设计．其许用应力便以σb为判据。 （3）σb的高低决定于屈服强度和应变硬化指数。 （4）σb与布氏硬度HBW、疲劳极限σ-1之间有一定经验关系．如σb=1/3HBW；对 淬火回火钢，σ-1=1/2σb。

六、拉伸断口示意图：画图、标区：

七、识图、名词：

A：位错环 B位错环堆积 C微孔 D微孔长大

八、设想有一单位厚度的无限款薄板，对之施加一拉应力，而后使其固定以隔绝外届能源。用无限宽板是为了消除板的自由边界的约束。在垂直板表面的方向上可以自由位移σ2=0，板处于平面应力状态。

板材每单位体积储存的弹性能为σ2/2E。因为是单位厚度，故σ2/2E实际上亦代表单位面积的弹性能。如果在这个板的中心割开一个垂直于应力σ长度为2a的裂纹，则原来弹性拉紧的平板就要释放弹性能，根据弹性理论计算，释放的弹性能为

Ue=(πσ2a2)/E

因为这是系统释放的弹性能，其前端应冠以负号，即

Ue=(—πσ2a2)/E

另外，裂纹形成时产生新表面需提供表面能，设该裂纹的比表面能为γs，则表面能为

W=4aγs

于是，整个系统的总能量变化为

Ue +W =(—πσ2a2)/E +4aγs

由于γs及σ是恒定的，则系统总能量变化及每一项能量均与裂纹半长a有关。 由图可见，在总能量曲线的最高点处，系统总能量对裂纹半长a的以阶偏导数应等于0，即

于是，裂纹失稳扩展的的临界应力为

九、应力状态软性系数：在一定承载条件下产生何种失效形式．除与其自身的强度大小有关外，还与承载条件下的应力状态有关。

十、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的能力，常用标准式样的冲击功Ak表示。

十一、

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？ 根据材料力学可以确定该裂纹所受的垂直拉应力σ为

将有关数值代入上式得

在该σ作用下能否引起表面半椭圆裂纹失稳扩展，需要和失稳扩展时的断裂应力σc进行比较。

于是，裂纹失稳扩展的的临界应力为

对于表面半椭圆裂纹，Y=（1.1将有关数值代入上式后，得

/Φ）。当a/c=0.9/3=0.3时，查附录表得Φ=1.10，所以Y=

。

显然，σc＞σ，不会发生爆破，可以正常工作。此题也可通过用就算KI或ac，用KI和KIC比较，或a和ac比较的办法来解决，可以得到相同的结论。

十二、疲劳断裂与静载荷或一次冲击加载断裂相比，具有以下特点。

（1）疲劳时低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂 其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至屈服强度。断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿命长。当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。

（2）疲劳时脆性断裂 由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前均不会发生塑性变形及有形变预兆，它是在长期积累损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢牙稳扩展到临界尺寸ac时才突然发生的。因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。

（3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感 由于疲劳破坏时从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择性，缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用；组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）降低材料的局部强度，三者都加快皮疲劳破坏的开始和发展。

十三、解释表面处理的原理

（1）减小外加应力使得外加应力小于极限疲劳；

（2）表面处理使得极限疲劳上升（渗碳、渗氮、喷丸、表淬）；

（3）外加应力增大、应变增加导致韧度增加，使得心部韧性好表面强度高。

十四、

（一）应力腐蚀断裂机理

应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论）和氢脆理论。

如图所示，对应力腐蚀敏感的合金在特定的化学介质中，首先在表面形成一层钝化膜，是金属不致进一步受到腐蚀，即处于钝化状态，因此，在没有应力作用的情况下，金属不会发生

腐蚀破坏。若有拉应力作用，则可使裂纹尖端地区产生局部塑性变形，滑移台阶在表面露头时钝化膜破裂，显露出新鲜表面。这个新鲜表面再电解质溶液中成为阳极，而其余具有钝化膜的金属表面便成为阴极，从而形成腐蚀微电池。阳极金属变成正离子（M→M+n+ne）进入电解质中而产生阳极溶解，于是在金属表面形成蚀坑。拉应力除促使裂纹尖端地区钝化膜破坏外，更主要的是蚀坑或原有裂纹的尖端形成应力集中，使阳极点位降低，加速阳极金属的溶解。如果裂纹尖端的应力集中始终存在，那么微电池反应便不断进行，钝化膜不能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。

十五、粘着磨损

粘着磨损又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小（钢小于1m/s）时发生的。它是因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法像载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。

十六

聚合物的主要物理，力学性能特点有：

（1）密度小 聚合物是密度最小的工程材料，其密度一般在1.0%-2.0g/cm3之间，仅为钢的1/8-1/4，为工程陶瓷的1/2。重量轻、强重比打是聚合物的突出优点。

（2）高弹性 高弹态的聚合物其弹性变形量可达到100 %-1000%，一般金属材料只有0.1%-1.0%。

（3）弹性模量小 聚合物的弹性模量约为0.4-4.0GPa，一般金属材料则为50-300GPa，因此聚合物的刚度差。

（4）粘弹性明 聚合物的高弹性对时间有强烈的依赖性，应变落后于应力，室温下即会产生明显的蠕变变形及应力松弛。 十七、

腐蚀破坏。若有拉应力作用，则可使裂纹尖端地区产生局部塑性变形，滑移台阶在表面露头时钝化膜破裂，显露出新鲜表面。这个新鲜表面再电解质溶液中成为阳极，而其余具有钝化膜的金属表面便成为阴极，从而形成腐蚀微电池。阳极金属变成正离子（M→M+n+ne）进入电解质中而产生阳极溶解，于是在金属表面形成蚀坑。拉应力除促使裂纹尖端地区钝化膜破坏外，更主要的是蚀坑或原有裂纹的尖端形成应力集中，使阳极点位降低，加速阳极金属的溶解。如果裂纹尖端的应力集中始终存在，那么微电池反应便不断进行，钝化膜不能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。

十五、粘着磨损

粘着磨损又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小（钢小于1m/s）时发生的。它是因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法像载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。

十六

聚合物的主要物理，力学性能特点有：

（1）密度小 聚合物是密度最小的工程材料，其密度一般在1.0%-2.0g/cm3之间，仅为钢的1/8-1/4，为工程陶瓷的1/2。重量轻、强重比打是聚合物的突出优点。

（2）高弹性 高弹态的聚合物其弹性变形量可达到100 %-1000%，一般金属材料只有0.1%-1.0%。

（3）弹性模量小 聚合物的弹性模量约为0.4-4.0GPa，一般金属材料则为50-300GPa，因此聚合物的刚度差。

（4）粘弹性明 聚合物的高弹性对时间有强烈的依赖性，应变落后于应力，室温下即会产生明显的蠕变变形及应力松弛。 十七、

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