工程材料力学性能复习总结

名词解释

滞弹性： 在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。

静力韧度： 材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。

比例极限： 应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。

包辛格效应指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象 包申格效应： 指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(σP)或屈服强度(σS)增加；反向加载时弹性极限(σP)或屈服强度(σS)降低的现象

韧脆转变： 材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。

静力韧度： 材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。

韧性断裂 是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 弹性极限 是材料由弹性变形过渡到弹—塑性变形时的应力，应力超过弹性极限以后材料便开始产生塑性变形。

变动载荷 是指载荷大小，甚至方向随时间变化的裁荷

疲劳强度 在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力，疲劳强度是保证机件疲劳寿命的重要材料性能指标

缺口敏感度（NSR）——金属材料的缺口敏感性指标，用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值表示。

冲击韧度（冲击韧性）—材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 冲击吸收功—— 冲击弯曲试验中试样变形和断裂所消耗的功

缺口效应 缺口材料在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生的变化 冲击韧度 材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力

低温脆性 体心立方晶体金属及其合金或某些密派六方晶体金属及其合金在试验温度低于某一温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象

韧性温度储备 ：材料使用温度和韧脆转变的差值，保证低服役行为。

低应力脆断： 在屈服应力以下发生的断裂

断裂韧度： 当KI 增大达到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范围内达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂。

张开型裂纹： 拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展 J积分： 裂纹尖端区的应变能，即应力应变集中程度

COD： 裂纹尖端沿应力方向张开所得到的位移。

疲劳： 金属在在变动应力或应变长期作用下，即使所受的应力低于屈服强度，由于累积损伤也会发生断裂的现象

腐蚀疲劳： 材料或零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下造成的失效。 应力腐蚀： 材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的破坏。

氢脆： 就是材料在使用前内部已含有足够的氢并导致了脆性破坏

金属脆化 氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状。微观断口上晶界明显加宽呈沿晶断裂

延滞断裂： 在特定外界条件下工作的机件，虽然所受应力低于材料屈服强度，但服役一定时间后，也可能发生突然脆断，这种与时间有关的低应力脆断

屈服现象： 材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段过渡过程中，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情况下，试样继续伸长变形

1.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：对于退火低碳钢，中碳钢而言，其从弹性变形阶段向塑性变形阶段过渡是明显的，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，在拉伸试验时看不到屈服现象，没有显著的上下屈服点和屈服平台

2 .金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学性能?

答：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而 材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指 标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。

3.决定金属屈服强度的因素有哪些？

答：内在因素：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：温度、应变速率和应力状态

4.试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？

答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。 5.何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？

答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。

6.什么是低温脆性、韧脆转变温度tk？产生低温脆性的原因是什么？体心立方和

面心立方金属的低温脆性有和差异？为什么？

答：在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态转变未脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状，这就是低温脆性。 tk称为韧脆转变温度。

低温脆性的原因：

低温脆性是材料屈服强度随温度降低而急剧增加，而解理断裂强度随温度变化很小的结果。如图所示：当温度高于韧脆转变温度时，断裂强度大于屈服强度，材料先屈服再断裂（表现为塑韧性）；当温度低于韧脆转变温度时，断裂强度小于屈服强度，材料无屈服直接断裂（表现为脆性）。心立方和面心立方金属低温脆性的差异： 体心立方金属的低温脆性比面心立方金属的低温脆性显著。

原因：

这是因为派拉力对其屈服强度的影响占有很大比重，而派拉力是短程力，对温度很敏感，温度降低时，派拉力大幅增加，则其强度急剧增加而变脆。

7.在评定材料的缺口敏感应时，什么情况下宜选用缺口静拉伸试验?什么情况下宜选用缺口偏斜拉伸?什么情况下则选用缺口静弯试验?

答：缺口静拉伸试验主要用于比较淬火低中温回火的各种高强度钢，各种高强度钢在屈服强度小于1200MPa时，其缺口强度均随着材料屈服强度的提高而升高；但在屈服强度超过1200MPa以上时，则表现出不同的特性，有的开始降低，有的还呈上升趋势

缺口偏斜拉伸试验就是在更苛刻的应力状态和试验条件下，来检验与对比不同材料或不同工艺所表现出的性能差异。

缺口试样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。

8.缺口试样拉伸时的应力分布有何特点？

答：在弹性状态下的应力分布：薄板：在缺口根部处于单向拉应力状态，在板中心部位处于两向拉伸平面应力状态。厚板：在缺口根部处于两向拉应力状态，缺口内侧处三向拉伸平面应变状态。

无论脆性材料或塑性材料，都因机件上的缺口造成两向或三向应力状态和应力集中而产生脆性倾向，降低了机件的使用安全性。为了评定不同金属材料的缺口变脆倾向，必须采用缺口试样进行静载力学性能试验。

9.积分的主要优点是什么?为什么用这种方法测定低中强度材料的断裂韧 性要比一般的 KIC 测定方法其试样尺寸要小很多？

答：J 积分有一个突出的优点就是可以用来测定低中强度材料的 KIC。 对平面应变的断裂韧性 KIC，测定时要求裂纹一开始起裂，立即达到全 而失稳扩展，并要求沿裂纹全长，除试样两侗表面极小地带外，全部达到平 面应变状态。而 JIC 的测定，不一定要求试样完全满足平面应变条件，试验 时，只在裂纹前沿中间地段首先起裂，然后有较长的亚临界稳定扩展的过程， 这样只需很小的试验厚度，即只在中心起裂的部分满足平面应变要求，而韧 带尺寸范围可以大而积的屈服， 甚至全面屈服。 因此． 作为试样的起裂点． 仍 然是平面应变的断裂韧度，这时 JIC 的是材料的性质。当试样裂纹继续扩展 时，进入平面应力的稳定扩展阶段，此时的 J 不再单独是材料的性质，还与 试样尺寸有关

9.试说明低温脆性的物理本质及其影响因素

答：低温脆性的物理本质：宏观上对于那些有低温脆性现象的材料，它们的屈服强度会随温度的降低急剧增加，而断裂强度随温度的降低而变化不大。当温度降低到某一温度时，屈服强度增大到高于断裂强度时，在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大，因此材料在受力时还未发生屈服便断裂了，材料显示脆性。

从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关，当温度降低时，位错运动阻力增大，原子热激活能力下降，因此材料屈服强度增加。

影响材料低温脆性的因素有

1．晶体结构：对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高，材料脆性断裂趋势明显，塑性差。

2．化学成分：能够使材料硬度，强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差，材料脆性提高。

3．显微组织：①晶粒大小，细化晶粒可以同时提高材料的强度和塑韧性。因为

晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒细小，晶界总面积增加，晶界处塞积的位错数减 少，有利于降低应力集中；同时晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。 ②金相组织：较低强度水平时强度相等而组织不同的钢，冲击吸收功和韧脆转变温度以马氏体高温回火最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，当其尺寸增大时均使材料韧性下降，韧脆转变温度升高。

10.说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系K?C和KC

答： 临界或失稳状态的K?记作K?C或KC，K?C为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。KC为平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 它们都是?型裂纹的材料裂纹韧性指标，但KC值与试样厚度有关。当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一稳定的最低值，即为K?C，它与试样厚度无关，而是真正的材料常数

11.疲劳断口有什么特点?

答案：有疲劳源。在形成疲劳裂纹之后，裂纹慢速扩展，形成贝壳状或海滩状条纹。这种条纹开始时比较密集，以后间距逐渐增大。由于载荷的间断或载荷大小的改变，裂纹经过多次张开闭合并由于裂纹表面的相互摩擦，形成一条条光亮的弧线，叫做疲劳裂纹前沿线，这个区域通常称为疲劳裂纹扩展区，而最后断裂区则和静载下带尖锐缺口试样的断口相似。对于塑性材料，断口为纤维状，对于脆性材料，则为结晶状断口。总之，一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。12.试述金属疲劳断裂的特点 答 （1）疲劳是低应力循环延时断裂，机具有寿命的断裂（2）疲劳是脆性断裂

（3）疲劳对缺陷（缺口，裂纹及组织缺陷）十分敏感

13.试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程

答：典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域—疲劳源、疲劳区及瞬断区。

（1） 疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，疲劳源区的光亮度最大，因为这里在整个裂纹亚

稳扩展过程中断面不断摩擦挤压，故显示光亮平滑，另疲劳源的贝纹线细小。

（2） 疲劳区的疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，是判断疲劳断裂的重要特征证据。

特征是：断口比较光滑并分布有贝纹线。断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。贝纹线是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动与停歇，偶然过载引起的载荷变动，使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。

（3） 瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。其断口比疲劳区粗糙，脆性材

料为结晶状断口，韧性材料为纤维状断口。

14.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

15.简述缺口的三个效应是什么?

答：(1)缺口造成应力应变集中，这是缺口的第一个效应。(2)缺口改变了缺口前方的应力状态，使平板中材料所受的应力由原来的单向拉伸改变为两向或三向拉伸，这是缺口的第二个效应。(3)缺口使塑性材料强度增高，塑性降低，这是缺口的第三个效应

16.影响疲劳裂纹扩展速率的因素

1）应力比R的影响 2）过载峰的影响 3）材料组织的影响

17.影响ＫＩＣ的冶金因素：

内因：1、学成分的影响；2、集体相结构和晶粒大小的影响；3、杂质及第二相的影响；4、显微组织的影响。外因：1、温度；2、应变速率。

16.如何识别氢脆与应力腐蚀？

答案：氢脆和应力腐蚀相比，其特点表现在：

（1）、实验室中识别氢脆与应力腐蚀的一种办法是，当施加一小的阳极电流，如使开裂加速，则为应力腐蚀；而当施加一小的阴极电流，使开裂加速者则为氢脆。

（2）、在强度较低的材料中，或者虽为高强度材料但受力不大，存在的残余拉应力也较小这时其断裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此处三向拉应力最大，氢浓集在这里造成断裂。

（3）、断裂的主裂纹没有分枝的悄况．这和应力腐蚀的裂纹是截然不同的。

（4）、氦脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微。 （5）、大多数的氢脆断裂(氢化物的氢脆除外)，都表现出对温度和形变速率有强烈的依赖关系。氢脆只在一定的温度范围内出现，出现氢脆的温度区间决定于合金的化学成分和形变速率。

16.有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探伤发现有20mm长

的横向穿透裂纹，若在平均轴向拉应力900MPa下工作，试计算KI及塑性区宽度R0，并判断该件是否安全？

解：由题意知穿透裂纹受到的应力为σ=900MPa

根据σ/σ0.2的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否休要修正

因为σ/σ0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂纹断裂韧度KIC需要修正

对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：

?a9000.01?K???168.13 I 22?0.177(?/?s)?0.177(0.75) （MPa*m1/2 1?KI?塑性区宽度为：??R0??22???s??比较K1与KIc：

1/2因为K1=168.13（MPa*m）

1/2KIc=115（MPa*m）

所以：K1>KIc ，裂纹会失稳扩展 , 所以该件不安全。

17.有一轴件平行轴向工作应力150MPa，使用中发现横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深度的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c可以确定φ=1，测试材料的σ0.2=720MPa ，试估算材料的断裂韧度KIC为多少？

解：

因为σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂纹断裂韧度KIC不需要修正

对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：

KIC=Yσcac1/2

对于表面半椭圆裂纹，Y=1.1/φ=1.1

所以，KIC=Yσcac1/2=1.1?150?25?10

?3=46.229（MPa*m1/2）

18、有一构件制造时，出现表面半椭圆裂纹，若a=1mm，在工作应力?=1000MPa下工作，应该选个什么材料的?0.2和KIC配合比较合适？构件材料参数如表 解：1000/0.7≈1429, 即材料的屈服强度在1429MPa以下时KI需要修正

表面半椭圆裂纹（平面应变）：

从题中可知，只有1500MPa时不需要修正，但是此时KI=61.6值大于KIC=55，材料不可用 其它都需要修正：

0.2=1100时代入可得KI=67.8<110 0.2=1200时代入可得KI=66.7<95

0.2=1300时代入可得KI=65.8<75 0.2=1400时代入可得KI=65.2>60

因为只要保证材料能够使用时，材料的屈服强度高点好，所以最合适的为?0.2=1300 MPa，KIC=75时的状态

第二篇：工程材料力学性能第4章总结

四

1.根据外加应力与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展有三种基本形式：

1）张开型(Ⅰ型)裂纹扩展。拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展 2）滑开型(Ⅱ型)裂纹扩展。切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展 3）撕开型(Ⅲ型)裂纹扩展。切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展

裂纹扩展形式中，以I型裂纹扩展最危险，容易引起脆性断裂

2. K?a? 式中 Y 为裂纹形状系数，是一个无量纲系数。 a 指裂纹半长。 KI 指应力场强度因子，单位为MPa·m1/2

3.定义：当σ或a增大时，KⅠ也逐渐增加，当KⅠ 达到某一临界值时，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂。这个临界或失稳状态的KⅠ 值记作Kc或KIC，称为断裂韧度。

KIC为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 Kc为平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。

4.裂纹失稳扩展脆断的断裂判据： K Ⅰ ? K Ⅰ c KI < KIC 有裂纹，但不会断裂 KI = KIC 临界状态 KI > KIC 裂纹失稳扩展，直至断裂 KⅠc?Y?cc

5.平面应变的塑性区宽度比平面应力的小得多，因此平面应变是一种最硬的应力状态，塑性区最小。

6. 扩大后的塑性区宽度，不论是平面应力状态还是平面应变状态,经计算R0=2 r0

7.修正的条件：当计算应力场强度因子时，一般σ/ σs≥0.7需进行塑性区修正

8.通常把裂纹扩展单位面积由系统释放势能的数值称为裂纹扩展能量释放率，简称能量释放率或能量率，用GI表示

GIC称为断裂韧度（平面应变断裂韧度），表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗

的能量。 断裂G判据：GI≥GIC

9.试样尺寸： 因为KIC是在平面应变和小范围屈服条件下的KI的临界值，所以测定KIC时

所用试样尺寸，必须保证裂纹尖端处于平面应变和小范围屈服状态。 ?