工程材料力学性能

第一章1、弹性变形的实质是什么？答：金属品格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。2、弹性模量E的物理意义？ E是一个特殊的力性指标，表现在哪里？答：材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其 比例系数称为弹性模量。E= /£。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易 程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越 大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。弹性模量E是指材料在外力作 用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标， 相当于普通弹簧中的刚度。特殊表现：金属材料的E是一个对组织不敏感的力 学性能指标，温度、加载速率等外在因素对其影响不大，E主要决定于金属原子 本性和晶格类型。3、比例极限、弹性极限、屈服极限有何异同？答：比例极限：应力应变曲线符合线性关系的最高应力（应力与应变成正比关系 的最大应力）； 弹性极限：试样由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力；屈 服极限：开始发生均匀塑性变形时的应力。4、什么是滞弹性？举例说明滞弹性的应用？答：滞弹性：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。应用：精密传感元件选择滞弹性低的材料。5、内耗、循环韧性、包申格效应？答：内耗：金属材料在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： 塑性区内-；包申格效应：金属材料经过预先加 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（特别是弹 性极限在反向加载时几乎降低到零）的现象。6、什么是屈服强度？如何确定屈服强度？答：屈服强度s :开始产生塑性变形时的应力。对于屈服现象明显的材料，以 下屈服点对应的应力为屈服强度；对于屈服现象不明显的材料，以产生0.2%残 余变形的应力为其屈服强度。7、屈服强度的影响因素有哪些？答：内因：金属本性及品格类型（位错密度增加，品格阻力增加，屈服强度随 之提高）晶粒大小和亚结构（细品强化）溶质元素（固溶强化）第二相（弥 散强化和沉淀强化）；外因：温度（一般，升高温度，金属材料的屈服强度降 低）应变速率（应变速率硬化）应力状态（切应力分量越大，越有利于塑性 变形，屈服强度则越低）。8、屈服强度的实际意义？答：屈服强度是金属材料重要的力学性能，它是工程上从静强度角度选择韧性材 料的基本依据，是建立屈服判据的重要指标，钢的屈服强度对工艺性能也有重要 影响，降低屈服强度有利于材料冷成形加工和改善焊接性能。9、静力韧度的物理意义。答：金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功定义为静力韧度，它是 强度和塑性的综合指标。10、真实应力应变曲线与工程应力应变曲线有何不同？有何意义？真实应力应 变曲线的关键点是哪个点？答：工程应力应变曲线上的应力和应变是用试样标距部分原始截面积和原始标距 长度来度量的，往往不能真实反映或度量应变；真实应力应变曲线则代表瞬时的 应力和应变，更为合理，可以叠加，可以不记中间加载历史，只需知道试样的初 始长度和最终长度。工程真实。关键点是B点，B点前是均匀塑性变形，后是 颈缩阶段，对应应力是抗拉强度。11、什么是应变硬化指数n?有何特殊的物理意义？有何实际意义？答：应变硬化指数：材料开始屈服以后，继续变形时的应变硬化情况，决定了材 料开始颈缩时的最大应力b反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力，是表征 金属材料应变硬化行为的性能指标。n=£ =最大均匀变形量。 实际意义：金属 材料的n值较大，则加工成的机件在服役时承受偶然过载的能力也就较大，可以 阻止机件某些薄弱部位继续塑性变形，从而保证机件安全服役。n大的材料，冲 压性能好，应变硬化效果突出。不能热处理强化的材料都可以用应变硬化方法强 化。12、什么是颈缩？颈缩条件、颈缩点意义？答：颈缩是韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象，它是应 变硬化和截面减小共同作用的结果。颈缩条件：S=dS/d£当真实应力应变曲线 上的某点的斜率（应变硬化速率）等于该点的真实应力时，缩颈产生；£ =n当 金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性变形量时，缩颈产生。缩颈点B 是最大应力点，也是局部不均匀塑性变形开始点，亦称拉伸时稳点或塑性失稳点。13、抗拉强度bb和实际意义。答：抗拉强度b=Fb/A0，韧性金属材料拉断过程中最大力所对应的应力。实际 意义：b标志韧性金属材料的实际承载能力b是脆性材料的断裂强度， 用于产品设计，其许用应力便以b为判据b的高低决定于屈服强度和应变 硬化指数b与布氏硬度HBW、疲劳极限1之间有一定的经验关系。14、塑性及其表示和实际意义；答：塑性是指金属材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。表示：断后伸长率 6和断面收缩率甲。实际意义:金属的塑性指标通常不能直接用于机件的设计， 但对静载下工作的机件，都要求材料具有一定塑性，以防止偶然过载时产生突然 破坏。塑性指标是安全力学性能指标。塑形对金属成形加工是很重要的，金属有 了塑性才能通过轧制、挤压等冷热变形工序生产出合格产品来；为使机器装配、 修复工序顺利完成，也需要材料有一定塑性；塑性还能反映冶金质量的优劣，故 可用以评定材料质量。15、静拉伸的断口形式；答：正断：断裂面取向垂直于最大正应力；切断：断裂面取向与最大切应力方向 一致而与最大正应力方向约成45° ；混合断：中心部分大致为正断，两侧部分 为切断。16、静拉伸断口三要素及其意义；答：纤维区、放射区、和剪切唇。意义：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及试验温度、加载速率和受力状态不同 而变化。一般来说，材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸大， 放射区增大明显，而纤维区变化不大。通过观察三区域形态、大小和相对位置， 可以知道材料的强度、塑性，保证材料的加工要求。17、解理断裂及其微观断口特征。答：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面） 分离。解理断裂常见于体心立方和密排六方金属及合金，低温、冲击载荷和应力集中常促使 解理断裂的发生。面心立方金属很少发生解理断裂。解理断裂通常是宏观脆性断裂，它的 裂纹发展十分迅速，常常造成零件或构件灾难性的总崩溃。微观断口特征：解理台阶、 河流花样、舌状花样。18、微孔聚集断裂及其微观断口特征。答：微孔聚集断裂过程包括微孔形核、长大、聚合，直至断裂。（是通过微孔形 核、长大聚合而导致材料分离的现象） 微观断口特征：圆形或椭圆形韧窝。第二章1、应力状态软性系数a及其意义；答：最大切应力和最大正应力的比值表示它们的相对大小，称为应力状态软性系数a。"意义：a值越大的试验方法，试样中最大切应力分量越大， 表示应力状态越软，金属越易产生塑性变形和韧性断裂；反之，试样中最大正应 力分量越大，应力状态越硬，金属越不易产生塑性变形而易于产生脆性断裂。注 意，a的绝对值并不能评定材料的塑性变形特性。2、缺口效应及其产生原因；答：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产 生所谓缺口效应。 产生原因：缺口产生应力集中，引起三向应力状态，使材料 脆化，由应力集中产生应变集中，使缺口附近的应变速率增加。3、缺口强化；答：在存在缺口的条件下，出现了三向应力状态，并产生了应力 集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高，即缺口强化。4、应力集中系数和缺口敏感度；答：缺口引起的应力集中程度通常用应力集中系数Kt表示，定义为缺口净截面 上的最大应力 与平均应力 之比。Kt值与材料性质无关，只决定于缺口几 何形状。 缺口敏感度：金属材料的缺口敏感性指标用缺口试样的抗拉强度hbn 与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度b的比值表示，称为缺口敏感度NSR。NSR 越大，缺口敏感性越小。5、什么是金属硬度？意义何在？答：硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料 抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏 的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力 学性能的综合指标。6、硬度测试方法有几种（三类）？有何不同？答：划痕法，硬度值主要表征金属切断强度压入法，硬度值表征金属塑性 变形抗力及应变硬化能力回跳法，硬度值主要表征金属弹性变形功的大小。7、金属硬度测试的意义（或者硬度测试为什么广泛应用）？答：设备简单，操作方便、迅速，同时又能敏感地反映出金属材料的化学成分和 组织结构的差异，所测硬度能综合地反映出材料的力学性能，因而被广泛应用于 检查金属材料的性能、热加工工艺的质量或研究金属组织结构的变化。8、布氏硬度原理；答：用一定直径D（mm）的硬质合金球为压头，施以一定的试验力F（N），将 其压入试样表面，经规定保持时间t（s）后卸除试验力，试样表面将残留压痕。 测量压痕平均直径d （mm）,求的压痕球形面积A （mm2）。布氏硬度值（HBW） 就是试验力F除以压痕球形面积A所得商，F以N为单位时，HBW=0.102F/A9、布氏硬度的特点和适用范围；答：一般采用直径较大的压头球，因而所得压痕面积较大。压痕面积大的优点是 其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，而不受个别组成相及微 小不均性的影响，试验数据稳定，重复性强。缺点：对不同材料需更换不同直径 的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，因而用于自动检测时受到限 制，当压痕直径较大时，不宜在成品上进行试验。适用于测定灰铸铁、轴承合 金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度。10、布氏硬度的表示；答：硬度值符号HBW球直径试验力试验力保持时间（1015s不 标注）11、洛氏硬度及其表示；答：原理：用圆锥角a =120。的金刚石圆锥体测定。为保证压头与试样表面接触 良好，试验时先加初始试验力F0在试样表面得一深度h0的压痕。此时测量压痕 深度的指针在表盘上指零。然后加上主试验力F】，压头压入深度为h1,表盘上指 针以逆时针方向转动到相应刻度位置。试样在F1作用下产生的总变形h1中包括 弹性变形与塑性变形。当将F1卸除后，总变形中的弹性变形恢复，压头回升一 段距离（h1-h）。这时试样表面残留的塑性变形深度h即为压痕深度，而指针顺 时针方向转动停止时所指的数值就是洛氏硬度值。HR=（k-h）/0.002。当使用金 刚石圆锥压头，k取0.2mm，当使用淬火钢球或硬质合金球，k取0.26mm。表示方法：硬度值、符号HR、标尺字母。12、洛氏硬度的特点和适用范围；答：优点：操作简便迅速，硬度值可直接读出；压痕较小，可在工件上进行试验； 采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度，因而广泛用 于热处理质量检验。缺点：压痕较小，代表性差；若材料中有偏析及组织不均匀 等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；此外，用不同标尺测得的硬度彼此 无关，不能直接比较。适用范围：由于洛氏硬度试验所用试验力较大，不能用 来测定极薄试样、渗氮层及金属镀层等的硬度。第三章1、什么是冲击载荷？答：加载速度很快而作用时间很短的突发性载荷。2、加载速率、形变速率。答：加载速率：指载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加的数 值表示； 形变速率：单位时间内的变形量。3、三个材料脆化因素答：温度、应变速率、应力状态。4、低温脆性（冷脆）答：材料因温度的降低导致冲击韧性急剧下降并引起脆性破坏的现象。5、冲击弯曲试验用途。答：用途：控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量，即将Ak