材料力学性能复习

1.简述材料性能的分析方法。

答：对材料性能的分析，常有如下四种不同的方法：
（1）黑箱法：由于不知道或不需要知道材料内部的结构，认为材料是一个黑箱；可从输入和输出信息的实验关系来定义或理解性能（2）相关法(灰箱法)：随着对材料结构的不断认识，及对材料实验数据的不断积累，材料的结构部分已知，从而可用统计的方法建立起性能与结构之间相关性的经验方程。（3）过程法（白箱法）：在深入了解材料内部结构的本质、并掌握材料的行为过程机制的情况下，可从材料的结构参数去计算或预测材料的各种性能（4）环境法：材料的性能，除与材料的成分和结构有关外，还与外界的环境条件有关。即从环境条件对材料的作用角度去研究材料的性能。

2.简述洛氏硬度试验方法的优缺点。

答：洛氏硬度试验的优点是：（1）因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题。（2）因为硬度值可从硬度机的表盘上直接读出，故测定洛氏硬度更为简便迅速，工效高。（3）对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质量检验。（4）因加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。洛氏硬度的缺点是：（1）洛氏硬度存在人为的定义，使得不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较，不象布氏硬度可以从小到大统一起来。（2）由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织的不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差，因而不适用具有粗大组成相(如灰
铸铁中的石墨片)或不均匀组织材料的硬度测定。

3.试以日常生活的1~2则事例，说明裂纹的有益作用或对人们有利的一面。

答：如切割玻璃时，工人们总是先用玻璃刀在玻璃上刻下划痕，以使玻璃切割得既整齐又省力。再如售货员卖布时，也总是先在布的边缘剪开一个小口，沿着这个小口，可以很容易地将布撕开。（2分）
4.与纯机械疲劳相比，腐蚀疲劳有何特点？

答：与纯机械疲劳相比，在水介质中的腐蚀疲劳具有以下的特点：
(1)在腐蚀疲劳的S~N曲线上，没有像大气疲劳那样具有水平线段，即不存在无限寿命的疲劳极限值。即使交变应力很低，只要循环次数足够大，材料总会发生断裂。(2腐蚀疲劳极限与静强度之间没有直接的关系。(3)在大气环境中，当加载频率小于1000Hz时，频率对疲劳极限基本上无影响。但腐蚀疲劳对加载频率十分敏感，频率越低，疲劳强度与寿命也越低。(4)腐蚀疲劳条件下裂纹极易萌生，故裂纹扩展是疲劳寿命的主要组成部分。而大气环境下，光滑试样的裂纹萌生是疲劳寿命的主要部分。5.与常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？

答：与常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有如下的特点：
（1） 材料在高温下将发生蠕变现象。即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。（2）材料在高温下的强度与载荷作用的时间有关了。载荷 作用的时间越长，引起一定变形速率或变形量的形变抗力及断裂抗力越低（3）材料在高温下工作时，不仅强度降低，而且塑性也降低。应变速率越低，载荷作 用时间越长，塑性降低得越显著。因而在高温下材料的断裂，常为沿晶断裂。（4）在恒定应变条件下，在高温下工作的材料还会应力松弛现象，即材料内部的 应力随时间而降低的现象。

6.控制摩擦磨损的方法有哪些？答：对材料的摩擦磨损，其控制方法如下：
（1）润滑剂的使用：在相对运动的摩擦接触面之间加入润滑剂，使两接触表面之间形成润
滑膜，变干摩擦为润滑剂内部分子间的内摩擦，从而达到减少摩擦表面摩擦、降低材料磨
损的目的。（2）摩擦材料的选择：根据摩擦的具体工况(载荷、速度、温度、介质等)，选择合理的摩
擦副材料（减摩、摩阻、耐磨），也可达到降低材料摩擦磨损的目的。（3）材料的表面改性和强化：利用各种物理的、化学的或机械的工艺手段如机械加工强化处理、表面热处理、扩散处理和表面覆盖处理，使材料表面获得特殊的成分、组织结构与性能，以提高材料的耐磨性
7.简述氢脆的类型及其特征。

答：(1)氢蚀：氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。宏观断口呈氧化色，颗粒状，微观断口上晶界加宽，呈沿晶断裂。(2)白点（发裂）：过量的氢聚集在某些缺陷处而形成H2分子，氢的体积发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕裂，形成微裂纹。断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色。(3)氢化物致脆：对于IVB族或VB族金属，由于与H有较大的亲和力，容易生成脆性氢化物，使金属脆化。4)氢致延滞断裂：固溶状态的氢，在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。宏观断口与一般脆性断口相似，微观断口为沿晶断裂，且晶界上常有许多撕裂棱。

1、规定非比例伸长应力与弹性极限：规定非比例伸长应力，即试验时非比例伸长达到原始标距长度规定的百分比时的应力，表示此应力的符号附以角注说明。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。2、韧性断裂与裂纹尖端张开位移：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。裂纹体受载后，在裂纹尖端沿垂直裂纹方向所产生的位移，称为裂纹尖端张开位移。3、变动载荷与疲劳强度：变动载荷是指载荷大小，甚至方向随时间变化的裁荷。疲劳强度为在指定疲劳寿命下，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。4、静力韧度与疲劳裂纹扩展速率：通常将静拉伸的σ-ε曲线下包围的面积减去试样断裂前吸收的弹性能定义为静力韧度，它是派生的力学性能指标。疲劳裂纹扩展速率指的是疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率．该阶段是疲劳过程第Ⅱ阶段，是材料整个疲劳寿命的主要组成部分。

3、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)缺口使塑性材料得到“强化”，这是缺口的第三个效应。

4、应力腐蚀断裂的定义和腐蚀断裂形态是什么。答：应力腐蚀断裂是指金属材料在拉应力和特定介质的共同作用下所引起的断裂。金属发生应力腐蚀时，仅在局部区域出现从表及里的裂纹．裂纹的共同特点是在主干裂纹延伸的同时，还有若干分支同时发展．裂纹的走向宏观上与拉应力方向垂直．微观断裂机理一般为沿晶断裂，也可能为穿晶解理断裂或二者的混合．断裂表面可见到“泥状花样”的腐蚀产物及腐蚀坑
弹性不完整性：弹性变形时加载线与卸载线不重合、应变落后于应力的现象。

刚度：在弹性变形范围内，构件抵抗变形的能力。形变强化：材料发生屈服应变后，屈服应力随屈服应变增加而增大的现象。

4）等强温度：晶粒与晶界强度相等的温度。

5）摩擦：两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或有相对运动趋势，接触面上具有阻止相对运动或相对运动趋势的作用，这种现象称为摩擦。

1、简述韧性断裂和脆性断裂，并画出典型宏观韧性断口示意图，并标注各区名称。

答：韧性断裂：①明显宏观塑性变形；②裂纹扩展过程较慢；③断口常呈暗灰色、纤

维状。④塑性较好的金属材料及高分子材料易发生韧断。（2.5分）

脆性断裂：①无明显宏观塑性变形；②突然发生，快速断裂；③断口宏观上比较齐平

光亮，常呈放射状或结晶状。4淬火钢、灰铸铁、玻璃等易发生脆断。（2.5分）

（画图1分，标注1.5分）

2、描述典型疲劳断口的特征，画出典型疲劳断口示意图，并标注各区名称。

典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区（3分）。。

疲劳源
疲劳裂纹扩展区

瞬断区

、

1.形变强化与滞弹性：材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象称为形变强化。它是材料阻止继续塑性变形的一种力学性能。在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象，称为滞弹性。滞弹性应变量与材料成分、组织及实验条件有关。

2、应力腐蚀断裂与应力腐蚀门槛值：金属在拉应力和特定的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，称为应力腐蚀断裂。它是在应力和化学介质的联合作用下，按特有机理产生的断裂。将试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子称为应力腐蚀门槛值，以KISCC表示。

3、变动载荷与过载损伤区：变动载荷是引起疲劳破坏的外力，它是指栽荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷。

裂纹体受载后，在裂纹尖端沿垂直裂纹方向所产生的位移，称为裂纹尖端张开位移，用δ表示。

1、简述韧性断裂，画出中强度钢光滑圆柱拉伸试样室温的宏观韧性断口示意图，并标注各区名称。

答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显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。典型的韧性断裂宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成。（2.5分）

（1、画图2分，标注3分）（2、画图2.5分）
2、简述σ-1和ΔKth的异同点，并画出疲劳裂纹扩展速率曲线。

答：相同：表征材料无限寿命疲劳性能（2分）
不同：σ-1(疲劳强度)代表的是光滑试样的无限寿命疲劳强度，适用于传统的疲劳强度设计和校核（1.5分）；ΔKth(疲劳裂纹扩展门槛值)代表的是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和疲劳强度校核。（1.5分）（画图2.5分）
3、简述缺口的两个效应，并画出厚板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布图。

答：缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态．使缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态。（2.5分）缺口使塑性材料强度增高，塑性降低，这是缺口的第二个效应。

（2.5分）

（
6）纳米材料：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料。