材料力学性能总结

材料力学性能：材料在各种外力作用下抵抗变形和断裂的能力。屈服现象：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。屈服过程：在上屈服点，吕德斯带形成；在下屈服点，吕德斯带扩展；当吕德斯带扫过整个试样时，屈服伸长结束。屈服变形机制：位错运动与增殖的结果。屈服强度：开始产生塑性变形的最小应力。屈服判据：屈雷斯加最大切应力理论：在复杂应力状态下，当最大切应力达到或超过相同金属材料的拉伸屈服强度时产生屈服。米赛斯畸变能判据：在复杂应力状态下，当比畸变能等于或超过相同金属材料在单向拉伸屈服时的比畸变能时，将产生屈服。消除办法：加入少量能夺取固溶体合金中溶质原子的物质，使之形成稳定化合物的元素；通过预变形，使柯氏气团被破坏。影响因素：1. 内因：a) 金属本性及晶格类型：金属本性及晶格类型不同，位错运动所受的阻力不同。b) 晶粒大小和亚结构：减小晶粒尺寸将使屈服强度提高。c) 溶质元素：固溶强化。d) 第二相2. 外因：温度(-)；应变速率(+)；应力状态。第二相强化(沉淀强化+弥散强化)：通过第二相阻碍位错运动实现的强化。强化效果：在第二相体积比相同的情况下，第二相质点尺寸越小，强度越高，强化效果越好；在第二相体积比相同的情况下，长形质点的强化效果比球形质点的强化效果好；第二相数量越多，强化效果越好。细晶强化：通过减小晶粒尺寸增加位错运动障碍的数目(阻力大)，减小晶粒内位错塞积群的长度(应力小)，从而使屈服强度提高的方法。同时提高塑性及韧性的机理：晶粒越细，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量，即表现出较高的塑性。细晶粒金属中，裂纹不易萌生（应力集中少），也不易传播（晶界曲折多），因而在断裂过程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。固溶强化：在纯金属中加入溶质原子形成固溶合金，将显著提高屈服强度。原因：溶质原子与位错的弹性相互作用，使溶质原子扩散到位错周围，形成柯氏气团；柯氏气团钉扎位错，提高位错运动阻力。强化效果：间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体；溶质和溶剂原子尺寸差越大，强化效果越好；溶质浓度越大，强化效果越好。应变硬化(形变强化)：金属材料塑性变形过程中所需要的外力不断增大，表明金属材料有一种阻止继续塑性变形的能力。原因：塑性变形过程中，位错不断增殖，运动受阻所致。断裂韧度：临界或失稳状态下的应力场强度因子的大小。塑性变形：作用在物体上的外力取消后，物体的变形不完全恢复而产生的永久变形。1. 单晶体：滑移+孪生；2. 多晶体：各个晶粒塑性变形的综合结果。特点：各晶粒变形的不同时性；不均匀性；相互协调性。弹性变形：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形。物理实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。特点：可逆性；单值性；全程性；变形量很小。构件的刚度：构件产生单位弹性变形所需要的载荷。物理意义：表示构件的弹性稳定性的参量，刚度越大，构件工作时越稳定。在工程上，为了减轻重量，必须选择E较大的材料。弹性极限：金属产生弹性变形而不产生塑性变形时所受的最大应力。它表示材料发生弹性变形的极限抗力。缩颈：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。原因：应变硬化与截面积减小共同作用的结果。当应变硬化引起的承载力增加不能补偿截面积减小引起的承载力减小时，就会产生缩颈。缩颈判据1：当应变硬化速率等于该处的真应力时，发生缩颈。缩颈判据2：当应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时，发生缩颈。为什么真实应力-应变曲线需要校正？因为缩颈产生后，应力状态由单向应力变为三向应力，为了求得仍然是均匀轴向应力状态下的真实应力，以得到真正的真实应力-应变曲线。为什么校正后的曲线应力下降？因为三向应力状态下，材料塑性变形比较困难，所以必须提高轴向应力，使塑性变形继续发生。静力韧度：金属材料光滑试样在静载荷作用下拉伸至断裂，单位体积材料所吸收的能量。韧度指能量，韧性指能力。韧度：指金属材料拉伸断裂前单位体积材料所吸收的能量。韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。纯剪切断裂：特征：在切应力作用下，金属产生塑性变形，沿滑移面分离而造成的断裂。试样内部不产生孔洞，位错只能从试样表面放出。微孔聚集型断裂：1. 通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离的。2. 宏观特征：杯锥状断口；微观特征：韧窝。3. 微孔形核：位错运动到第二相与基体界面处，塞积产生应力集中，使第二相质点与基体分离，形成微孔。4. 长大与聚合：每个微型拉伸试样产生缩颈而断裂，相邻微孔聚合，形成微裂纹。然后在裂纹尖端的三向拉应力区及应力集中区形成新的微孔，借助内缩颈与裂纹连通，如此扩展直到裂纹断裂。5. 韧窝大小的影响因素：第二相质点的大小和密度；应变硬化指数；基体材料的塑性变形能力。6. 韧窝形状的影响因素：正应力：等轴韧窝；切应力：拉长韧窝；撕裂应力：撕裂韧窝。解理断裂：在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿解理面产生的穿晶断裂。基本微观特征：河流花样，解理台阶，舌状花样。解理裂纹的形成和扩展：1. 甄纳-斯特罗位错塞积理论a) 形成：一群刃型位错沿滑移面运动遇到晶界等障碍而形成位错塞积群，产生的应力集中有可能达到断裂强度而在材料内部沿某一晶体学平面拉出一个裂口。b) 长大扩展：塑性变形形成裂纹；裂纹在同一晶粒内初期长大；裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展。晶粒尺寸小于临界值时，材料受力后先屈服，后断裂；晶粒尺寸大于临界值时，材料受力后直接脆性断裂。2. 柯垂尔位错反应理论a) 位错反应必须满足柏氏矢量守恒性和能量降低性。b) 原理：通过各相交滑移面上的位错滑移，相遇后发生反应形成新位错，新位错塞积产生应力集中，使解理面开裂。3. 相同点：都是由于位错运动受阻产生应力集中，从而形成初始裂纹的，即裂纹形成前都有少量塑性变形；裂纹扩展力学条件相同。4. 不同点：甄纳-斯特罗位错塞积理论的位错在晶界处受阻，裂纹产生于晶界；柯垂尔位错反应理论的位错在晶内解理面处受阻，裂纹产生于晶内。理论断裂强度(理想晶体解理)：是指在正应力作用下，将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力。是晶体在弹性状态下的最大结合力。m=Esa012其中s为表面能，E为弹性模量，a0为原子间的平衡距离。适用于脆性断裂。格雷菲斯公式(裂纹物体的实际断裂强度)：c=2Esa12其中s为表面能，a为裂纹的半长度，只适用于薄板。适用于有裂纹试样的脆性断裂。断裂判据：外加应力大于c时裂纹扩展；裂纹半长度大于ac时裂纹扩展。位错塞积及位错反应理论(解理裂纹断裂应力)：c=2Gskyd其中G为切变模量，ky为钉扎常数，d为晶粒直径。适用于塑性变形中的断裂及无裂纹的完整试样。金属在单向静拉伸载荷下的性能1. 名词解释a) 弹性比功：金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功。b) 弹性模量E：表征材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同应力下产生弹性变形就越小。影响因素：原子本性及晶格类型。c) 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，即应变落后于应力的现象。d) 循环韧性：金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力。e) 包申格效应：材料经预先加载并产生少量塑性变形，卸载后，再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载规定残余伸长应力降低的现象。f) 塑性：金属断裂前发生塑性变形（不可逆永久变形）的能力。意义：i. 延伸率和断面收缩率是安全性能指标，一定的塑性可缓和应力集中，避免脆性断裂；ii. 金属的塑变能力是压力加工成型工艺的基础；iii. 用纵横向延伸率之差也可评定钢材的质量。g) 断后伸长率：试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。h) 断面收缩率：试样拉断后缩颈横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。对于在单一拉伸条件下工作的长形零件，用断后伸长率评定其塑性；对于非长形零件，用断面收缩率评定其塑性。i) 脆性：材料在外力作用下产生很小的变形即断裂破坏的能力。j) 韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。k) 解理台阶：相互平行且位于不同高度的解理面连接形成的台阶。l) 河流花样：若干解理台阶汇合形成的花样。m) 解理刻面：大致以晶粒大小为单位的解理面。解理裂纹的扩展：晶界应力集中一系列相互平行而位于不同高度的解理面相互连接形成解理台阶若干解理台阶汇合形成河流状花样(支流汇合方向即为裂纹扩展方向)n) 解理面：金属材料在外力作用下严格沿着一定晶体学平面发生解理断裂时的平面，一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。o) 穿晶断裂：裂纹穿过晶内发生的断裂；p) 沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展发生的断裂；q) 韧脆转变：在一定温度下，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。r) 0.2：规定残余伸长率为0.2%时的应力，用以表示材料的屈服强度。s) 屈服点s：屈服状态的金属材料拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力。t) 抗拉强度b：韧性金属材料拉断过程中最大载荷所对应的应力。u) 应变硬化指数n：表示金属的应变硬化能力，反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力。(其值越大，曲线越陡，抵抗均匀塑性变形的能力就越强，并不代表其塑性差。) 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？弹性模量主要取决于原子本性及晶格类型。由于弹性变形是原子间距在外力作用下可逆变化的结果，应力与应变关系实际上是原子间作用力与原子间距的关系，所以弹性模量与原子间作用力与原子间距有关，导致合金化，热处理，冷塑性变形对弹性模量的影响较小，因此说它对结构不敏感。3. 今有45、40Cr、35CrMo钢和灰铸铁几种材料，你选择那种材料作为机床机身？为什么？机床床身需要良好的减震性能，即选择高循环韧性的材料。而灰铸铁的循环韧性最高，消振性最好，因此选择灰铸铁。4. 试举出几种能显著强化金属而又不降低其塑性的方法。a) 细晶强化：通过减小晶粒尺寸增加位错运动障碍的数目(阻力大)，减小晶粒内位错塞积群的长度(应力小)，从而使屈服强度提高的方法。由于细化晶粒后晶界面积增大，而晶界是位错运动的障碍，因此可以提高屈服强度。而且细晶可以使塑性变形分散到每个晶粒内进行，以此提高塑性和韧性。b) 应变硬化：金属材料塑性变形过程中所需要的外力不断增大，因此可以通过使金属材料发生塑性变形来强化金属的方法。由于它只是提高了金属抵抗均匀塑性变形的能力，并没有影响金属的塑性变形量，因此它可以在不影响塑性的情况下强化金属。5. 为何工程应力-应变曲线上，塑性变形到一定程度时应力却开始下降？因为工程应力-应变曲线上的应力和应变是用试样原始截面积和原始标距长度来度量的，并不代表实际瞬时的应力和应变。6. 如果工程应力-应变曲线与实际不符，那么为何还要使用它？因为工程应力-应变曲线最重要的作用是可以表现缩颈现象，可直观地读出缩颈点的位置。7. 工程应力-应变曲线的下降是否说明应变硬化只发生在缩颈之前？否，应变硬化自塑性变形开始一直持续到塑性变形结束，真实应力-应变曲线可以很好地表现应变硬化现象。韧性断裂：特征：断裂前产生明显宏观塑性变形，断口形貌为暗灰色纤维状。脆性断裂：特征：断裂前没有明显的塑性变形，断裂面一般与正应力垂直，断口呈平齐状，可见明显辐射状线或结晶状。注意：任何材料在断裂前都将产生塑性变形；一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5%为脆性断裂，大于5%为韧性断裂；金属材料的韧性与脆性是根据一定条件下的塑性变形量来规定的。穿晶可以是韧性或脆性断裂，但沿晶多为脆性断裂。8. 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？a) 三要素指剪切唇，放射区及纤维区。b) 影响因素有试样的形状尺寸，金属材料的性能以及试验温度，加载速率，受力状态。当试样含有缺口，越厚，强度越高，塑性越差，试验温度越低，加载速率越快，受到三向应力作用时更容易出现脆断的宏观形貌。9. 有一材料E = 21011N/m2，s = 8N/m。试计算在7107 N/m2的拉应力作用下，该材料中能扩展的裂纹最小长度？由格里菲斯实际断裂强度可知，a=2Es/c2代入得裂纹半长度a=0.2mm，即裂纹长度为0.4mm。10. 试根据方程id12+kyky=2Gsq，讨论下述因素对金属材料韧脆转变的影响。a) 材料成分：合金元素引起单系滑移或孪生，产生位错钉扎，减小表面能及形成粗大的第二相都会增大脆性断裂倾向；细化晶粒及获得弥散第二相可以使脆断倾向减小。b) 杂质：使钉扎常数增大，增大脆性断裂倾向。c) 温度：温度越高，位错运动阻力越小，越容易发生韧性断裂。d) 晶粒大小：晶粒越细小，塑性韧性提高，脆断倾向减小。e) 应力状态：切应力越大，正应力越小，脆断倾向越小。f) 加载速率：加载速率越高，位错运动阻力越大，越容易发生脆断。EX.内部因素的影响：i. 切变模量G：G越高，脆断倾向越小；ii. 有效表面能s(表面能+塑性变形功)：fcc的s更大，不易发生脆性断裂；iii. 位错在金属中运动的阻力(派纳力) i：越大则位错越不易运动，脆性越大；iv. 晶粒尺寸d：见上；v. 钉扎常数ky：其越大，位错越不易运动，越容易出现脆性断裂。EX2.外部因素影响：应力状态；温度；应变速率：见上。金属在其他静载荷下的力学性能1. 名词解释a) 应力状态软性系数a：金属的最大切应力与最大正应力的比值，即二者的相对大小；正应力促进脆性断裂；切应力促进塑性变形和韧性断裂。a越大，最大切应力越大，应力状态越“软”，越易产生塑性变形和韧性断裂；a越小，最大正应力越大，应力状态越“硬”，越易产生脆性断裂。i. 压缩实验的特点：1. 单向压缩试验的应力状态软性系数=2，主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能测定；2. 拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变形而不断裂；拉伸为脆性断裂的材料，在压缩时发生塑性变形而韧断。ii. 弯曲实验的特点：1. 试样加工方便，试验操作简单，且不会出现拉伸试验时加载偏心等困难；2. 试样截面上的应力分布不均匀，表面应力最大，故可较灵敏地反映材料的表面缺陷。iii. 弯曲实验的用途：1. 测定弯曲力学性能指标；2. 用于反映材料的表面质量和表面缺陷；3. 用于反映脆性或低塑性材料的强度和塑性。iv. 扭转实验的特点：1. 应力对称分布；2. 应力状态软性系数=0.8，比拉伸时的大，易于显示金属的塑性行为；3. 扭转时塑性变形均匀，没有缩颈现象，所以能实现大塑性变形量下的试验；4. 能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。5. 根据断口的宏观特征，明确区分最终断裂方式。b) 应力集中：应力分布不均匀并出现最大值的现象。c) 应力集中系数Kt：表示缺口试样的应力集中程度。（最大应力/平均应力）只取决于缺口的几何形状，与材料性质无关。具有局部效应。d) 缺口效应：由于缺口的存在引起应力集中，并引起两向应力状态或三向应力状态，使材料的强度增高，塑性下降，脆性增大的现象。薄板缺口前方为两向应力状态，厚板缺口前方为三向应变状态。弹性和塑性状态的比较：相同点：弹性状态下和塑性状态下都会产生应力应变集中和三向应力状态，从而导致变脆。不同点：应力最大位置不同，且弹性状态下，抗拉强度降低；塑性状态下，屈服强度和抗拉强度增大。e) 缺口敏感性：因缺口存在造成两向/三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向。f) 缺口敏感度NSR：缺口试样的抗拉强度与等截面的光滑试样的抗拉强度的比值。NSR=bnb脆性材料：NSR1，不敏感。NSR值越大，缺口敏感性越小。g) 布氏硬度HBW：用一定直径的硬质合金球作压头，施以一定的试验力，将其压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，试样表面将残留压痕。单位压痕凹面积上承受的载荷值即为布氏硬度值HBW。优点：压痕面积较大，能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，不受个别组成相及微小不均匀性的影响，且试验数据稳定，重复性强。缺点：对HBW450以上的太硬材料不能使用；不宜于某些表面不允许有较大压痕的成品或薄件检验；不同材料要换球体和载荷，d的测量也比较麻烦。h) 洛氏硬度HR?：以测量压头的压痕深度来表示的材料硬度值。优点：操作简便、迅速，硬度值可直接读出；压痕小，不伤工件表面，可在工件上直接实验；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。缺点：压痕较小，代表性差；所测硬度值重复性差，分散度大；不同标尺测得的硬度值不能直接比较。i) 维氏硬度HV：根据压痕单位面积上承受的试验力作为硬度值，压头为两相对面间夹角为136的金刚石四棱锥体。优点：不存在载荷和压头直径的约束，以及压头变形问题；不存在洛氏硬度值无法统一的问题；和洛氏一样可以试验任何软硬的材料，并且比洛氏能更好地测试极薄件(或薄层)的硬度。缺点：生产效率没有洛氏高。j) 抗压强度bc：试样压至破坏过程中的最大应力。k) 抗弯强度bb：试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力。l) 抗扭强度b：试样在扭断前承受的最大扭矩。2. 试综合比较单向拉伸，压缩，弯曲及扭转试验的特点和应用范围。a) 单向拉伸：i. 容易操作，应用广泛；ii. 测试的是材料与时间无关的力学行为；iii. 采用的是光滑完整试样；iv. 常温、大气介质，单向静拉伸载荷；v. 用于测定材料的弹性、强度和塑性性能。b) 压缩：i. 单向压缩试验的应力状态软性系数=2，主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能的测定。ii. 拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变形而不断裂；拉伸为脆性断裂的材料，在压缩时发生塑性变形而韧断。c) 弯曲：i. 特点：1. 试样加工方便，试验操作简单，且不会出现拉伸试验时加载偏心等困难；2. 试样截面上的应力分布不均匀，表面应力最大，故可较灵敏地反映材料的表面缺陷。ii. 应用：1. 测定弯曲力学性能指标；2. 用于反映材料的表面质量和表面缺陷；3. 用于反映脆性或低塑性材料的强度和韧性。d) 扭转试验i. 特点：1. 应力呈中心对称分布；2. 应力状态软性系数=0.8，比拉伸时大，易于显示金属的塑性行为；3. 扭转时塑性变形均匀，没有缩颈现象，所以能实现大塑性变形量下的试验。4. 能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。5. 可以根据断口的宏观特征，明确区分最终断裂方式。ii. 应用：用于测定材料的切断强度和表面质量。3. 试述脆性材料弯曲试验的特点及应用。a) 特点：i. 试样加工方便，试验操作简单，且不会出现拉伸试验时加载偏心等困难；ii. 试样截面上的应力分布不均匀，表面应力最大，故可较灵敏地反映材料的表面缺陷。b) 应用：i. 测定弯曲力学性能指标；ii. 用于反映材料的表面质量和表面缺陷；iii. 用于反映其强度和韧性。金属在冲击载荷下的力学性能冲击载荷下金属变形和断裂的特点：1. 包括弹性变形、塑性变形、断裂；2. 冲击力时间短且测不准；3. 对金属材料的弹性行为及弹性模量无影响。4. 滑移临界切应力增大，金属产生应变速率硬化。5. 塑性变形难以充分进行且极不均匀。1. 名词解释a) 加载速率：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。b) 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。c) 冲击吸收功：试样变形和断裂所消耗的功。Ak，ak值越大，材料的韧性越好。无论Ak还是ak均不能完全真正反映材料的韧脆程度(包括了部分弹性变形功)。用途：冲击韧度可以作为零件工作时的安全性指标；能反映原材料的冶金质量和热加工后的产品质量；可以测定材料的韧脆转变温度，从而评定材料的低温脆性倾向。d) 低温脆性：BCC或HCP金属及合金，在低于某一温度时，材料由韧性状态变为脆性状态，断裂机理由微孔聚集型变为解理型，断口特征由纤维状变为结晶状的特性。面心立方及高强度材料不存在低温脆性。e) 韧脆转变温度：冲击韧性显著下降时的温度，是衡量材料冷脆转化倾向的重要指标。i. 意义：tk是材料的韧性指标，因为它反映了温度对韧脆性的影响。tk是安全性指标，是从韧性角度选材的重要依据之一，可用于抗脆断设计。对于低温下服役的机件，依据tk可以直接或间接地估计最低使用温度。ii. 能量定义法：以低阶能定义tk(NDT)：低于NDT，断口由100%结晶区组成。最危险以高阶能定义tk(FTP)：高于FTP ，断口由100%纤维区组成。最保守以低阶能和高阶能平均值来定义tk(FTE)。iii. 断口形貌定义法取结晶区面积占整个断口面积50%时的温度为tk，称为50%FATT。iv. 注意：由于定义方法不同，同一材料所得到的tk不同；同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素改变，如试样尺寸、缺口尖锐程度和加载速率发生变化，tk也发生变化;在一定条件下，用试样测得的tk不能说明该材料构成的机件一定在该温度下脆断。f) 韧性温度储备：材料的使用温度与韧脆转变温度之差。2. 试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。低温脆性是材料的屈服强度随温度降低急剧增加，而材料的解理断裂强度却随温度的变化很小的结果。如图，两者的曲线相交于tk。在高于tk时，cs，材料先屈服再断裂，为韧性断裂；低于tk时，c片状或网状第二相的Ak；单相的Ak高于复相合金。第二相越细小，均匀分布，与基体性能越接近，韧脆转变温度低。iii. 内部缺陷：降低Ak；iv. 表面状态：AkvAku光滑试样的Ak。d) 强度等级：高强度钢不存在低温脆性。3. 试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。由于船舶长时间在低温下航行，因此使用焊接结构很容易产生低温脆性，导致脆性破坏。而铆接结构则不存在这一缺陷。而且焊接过程中容易出现粗大的金相组织及气孔，未熔合等缺陷，增加裂纹敏感度，增加材料脆性，容易发生脆性断裂。4. 下列三组试验方法中，请举出每一组中哪种试验方法测得的tk较高？为什么？a) 拉伸和扭转拉伸测得的tk较高。因为拉伸的应力状态软性系数更小，应力状态更硬，更易显示材料的脆性性能，因此测得的tk更高。b) 缺口静弯曲和缺口冲击弯曲缺口冲击弯曲测得的tk较高。因为在冲击状态下会发生应变速率硬化，材料会表现出脆性的力学性能，因此测得的tk更高。c) 光滑试样拉伸和缺口试样拉伸缺口试样拉伸测得的tk更高。因为在缺口状态下会形成缺口效应，引起两向或三向应力状态，使塑性材料强度增高，塑性降低，显示出脆性特征。因此测得的tk更高。影响金属韧脆性的三大外部因素：冲击，温度，缺口。金属的断裂韧度三种裂纹形式：张开型，滑开型，撕开型。1. 名词解释：a) 低应力脆断：材料实际承受的应力小于断裂极限甚至小于屈服极限时发生的脆性断裂。b) 张开型裂纹：拉应力垂直于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展的裂纹。c) 滑开型：切应力平行于裂纹面，垂直于裂纹线，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。d) 撕开型：切应力平行于裂纹面，平行于裂纹线，裂纹沿裂纹面撕开扩展e) 应力场强度因子：对于给定材料及裂纹尖端附近确定点，决定裂纹尖端应力场的大小或强弱程度的KI值。KI=Ya对于无限大板的穿透裂纹，KI=a，a为半长度。对于无限大板的表面半椭圆裂纹，KI=1.1a，a为裂纹深度，c为裂纹半长度。修正条件：当/s0.7时，需要进行修正。用以计算圆筒表面应力：=pD/2t，P为圆筒内部的压强。其中，的单位为MPa。意义：KI表示应力场的强弱程度，KI越大，则应力场各应力分量越大；KI是一个决定于和a的复合力学参量，可以把KI看成引起裂纹扩展的动力。f) 断裂韧度：临界或失稳状态下的应力场强度因子的大小。KIC是真正的材料常数，与试样厚度无关，表示材料抵抗裂纹失稳扩展（断裂）的能力。如果KI针状，B下板条B上，回索回屈回马，AM。韧性越好的组织KIC越高。4. 外部因素：a) 温度：温度使KIC；b) 应变速率：应变速率使KIC，但形变速度很大时的绝热状态，使KIC；c) 试样尺寸：板厚，KIC。i) 应力松弛：当最大应力大于有效屈服强度时，由于屈服时应力只能等于有效屈服应力，因此超出的应力都会降低的现象。j) 应力松弛：在规定温度和初始应力条件下，金属材料中的应力随时间增加而减小的现象。k) 塑性区宽度：沿x轴方向的塑性区尺寸。考虑了应力松弛之后，其塑性区宽度都正好是原塑性区宽度的两倍。l) 裂纹扩展能量释放率：裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。又称裂纹扩展力，表示裂纹扩展单位长度所需的力。也是应力和裂纹尺寸a的复合力学参量。m) 裂纹扩展G判据：当裂纹扩展能量释放率GI大于材料的断裂韧度GIC时裂纹发生扩展。GIC意义：表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。n) J积分法：由GI延伸出来的一种断裂能量判据；为弹塑性应变能密度.o) 断裂韧度JIC：表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力在线弹性条件下，J与G单位相同，意义相同。在小应变弹塑性条件下，JI与GI单位相同，但物理意义不同。JI：形变功差率p) COD法：由KI延伸出来的一种断裂应变判据。断裂韧度c：表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。2. 试述低应力脆断的原因及防止方法。原因：材料在加工过程中产生裂纹，在外界应力作用下裂纹发生扩展，导致在应力低于屈服强度时发生断裂。防止方法：采用断裂力学等新的强度理论和新的材料性能评定指标，在给定裂纹尺寸的情况下，确定允许的最大工作应力，或者当工作应力确定后，根据断裂判据确定不发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸3. 为什么研究裂纹扩展的力学条件时不用应力判据而用其他判据？因为裂纹前端的应力十分复杂，不易建立应力判据；而且在裂纹尺寸极小时，根据应力判据，裂纹尖端应力分量应为无穷大，与实际不符。因此不能用应力判据而用其他判据。4. 有一大型板件，材料的0.2=1200MPa，KIC=115MPam1/2，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。首先/0.2=0.75，需要修正。对于无限大板的横向穿透裂纹，计算得KI=168.1，塑性区宽度为2.2mm。由于KIKIC，因此该件不安全。5. 有一轴件平均轴向工作应力150MPa，使用中发生横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c得=1，测试材料的0.2=720MPa，试估算材料的断裂韧度KIC是多少？首先/0.2=0.21，不需要修正。此处可以认为疲劳断口正好处于临界裂纹尺寸时发生断裂。因此对于表面半椭圆裂纹，计算得KIC=62.2 MPam1/2。金属的疲劳1. 名词解释a) 变动载荷：载荷大小甚至方向均随时间变化的载荷称为变动载荷。b) 疲劳：金属构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。c) 应力幅：循环应力中应力变动部分的幅值；d) 应力比：应力循环对称系数，指应力循环的不对称程度；按应力状态分：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳；按环境和接触情况分：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳；按寿命、应力高低分：高周疲劳、低周疲劳。特点：疲劳是低应力循环延时断裂；疲劳是脆性断裂；疲劳对缺陷十分敏感。断口的宏观特征：疲劳源、疲劳区、瞬断区。i. 疲劳源：光亮度大，是疲劳裂纹的萌生地；应力状态及大小不同，可有一个或几个疲劳源。ii. 疲劳区：光滑，分布有贝纹线。贝纹线是疲劳区的最典型宏观特征。是判断疲劳断裂的重要依据。贝纹线的意义：1. 是疲劳断口最典型的宏观特征；其凹向为疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向，或者与此相反；2. 贝纹线的间距越小，说明材料韧性越好，说明疲劳裂纹的扩展速率越慢；3. 离疲劳源越近，贝纹线越密集。iii. 瞬断区：粗糙，结晶状或放射状。是裂纹失稳扩展形成的断口区域。1. 裂纹长大达到临界尺寸；2. 裂纹尖端应力集中达到断裂强度；3. 裂纹尖端的应力场强度因子达到断裂韧度。4. 一般在疲劳源的对侧。 疲劳过程：i. 疲劳裂纹的萌生a) 表面滑移带开裂；b) 第二相、夹杂物或其界面开裂；c) 晶界或亚晶界开裂ii. 疲劳裂纹的亚稳扩展a) 第一阶段：沿主滑移系成45，以纯剪切方式向内扩展。b) 第二阶段：由于晶粒位向的不同和晶界的阻碍，裂纹方向转向与外力轴垂直，进入第二阶段疲劳裂纹亚稳扩展的主要部分。c) 塑性钝化模型机理：拉应力下，裂纹张开且发生塑性变形，拉应力达到最大值，裂纹尖端变为半圆形，发生钝化，裂纹尖端应力集中减小，裂纹停止扩展，形成一个疲劳条带。iii. 疲劳裂纹的失稳扩展e) 疲劳贝纹线：由载荷变动在裂纹扩展前沿线留下的宏观弧状台阶痕迹。贝纹线与疲劳条带的区别：i. 疲劳条带是疲劳断口微观特征，一次应力循环产生一条疲劳条带；贝纹线是疲劳断口宏观特征，由大的载荷变动引起。二者可以同时出现，也可以不同时出现；ii. 相邻贝纹线间可能有成千上万条疲劳条带；iii. 循环应力下疲劳条带是相互平行、等间距的；贝纹线在疲劳源附近较密，偏离疲劳源时则较稀疏；判断裂纹扩展方向通常利用贝纹线；f) 疲劳曲线：疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线。有应变时效的金属材料的疲劳曲线有水平段。g) 疲劳极限：材料能经无限次应力循环而不发生疲劳断裂的最大应力，也称疲劳强度。h) 条件疲劳极限：规定疲劳寿命下材料能承受的上限循环应力。疲劳断裂的条件：对称应力循环：-1；非对称应力循环：r。i) 挤出脊：随驻留滑移带的加宽，经反复滑移，金属从内部挤出金属表面；j) 侵入沟：反复滑移将金属挤入内部，在表面形成的沟槽。k) 疲劳条带：裂纹扩展时留下的微观痕迹，每一条带可以看作一次应力循环的扩展痕迹，是疲劳断口最典型的微观特征。l) 疲劳裂纹扩展速率：在一个应力循环周期内，疲劳裂纹向前扩展的距离。影响因素：应力比(-)，过载峰，残余拉应力(+)，材料组织(晶粒直径+)。m) 过载损伤界：测出不同过载应力水平和相应的开始降低疲劳寿命的应力循环周次，连接各试验点得到的直线。n) 过载持久值：金属材料在高于疲劳极限的应力下运行时，发生疲劳断裂的应力循环周次。o) 过载损伤：在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小的现象。疲劳缺口敏感度qf：qf=Kf-1Kt-1，疲劳缺口系数Kf=无缺口/有缺口意义：反映了在疲劳过程中材料发生应力重新分布，降低应力集中的能力。qf越小，其缺口敏感性越小。影响因素：i. 强度：qf随材料强度的升高而增大，高强度材料的疲劳缺口敏感度较高；ii. 缺口半径：曲率半径较小时，缺口越尖锐，qf值越低；缺口曲率半径较大时，缺口尖锐度对qf的影响不大。iii. 应力大小：高周疲劳时，qf值高；低周疲劳时，qf值低。p) 驻留滑移带：在循环应力作用下，永留或能再现的循环滑移带。特点：低应力；不均匀性；持久驻留性。q) 疲劳裂纹扩展门槛值Kth：疲劳裂纹不扩展的应力强度因子幅的临界值。意义：表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，是材料的力学性能指标。疲劳裂纹扩展速率曲线：I区疲劳裂纹初始扩展阶段：扩展寿命不长；II区疲劳裂纹扩展的主要阶段：扩展寿命长；III区疲劳裂纹扩展的最后阶段：裂纹失稳扩展。-1：光滑试样的无限寿命疲劳强度，用于传统的疲劳强度设计；Kth：裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹体的设计。r) 应力强度因子幅：在裂纹尖端控制裂纹扩展的复合力学参量；s) 疲劳寿命：一定max时的应力循环次数N。t) 热疲劳：由温度梯度和不均匀膨胀的循环变化产生的循环热应力和热应变作用下，产生的疲劳。u) 喷丸：用压缩空气将坚硬的小弹丸高速喷打向机件表面，使机件表面产生局部形变强化，同时产生残余压应力。v) 低周疲劳：金属在循环载荷作用下，疲劳寿命为102105次的疲劳断裂。低周疲劳存在循环硬化与循环软化现象。w) 循环硬化：在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力不断增加。x) 循环软化：在循环过程中，应力逐渐减小。影响疲劳强度的主要因素：a) 表面状态及尺寸因素的影响应力集中：缺口导致应力集中，产生微裂纹，-1N；表面粗糙度：提高时，引起应力集中，使-1下降；尺寸因素：尺寸增加，疲劳极限下降；原因：尺寸增大，表面积相应增加，表面含宏观、微观缺陷的绝对量及几率上升。弯、扭载荷时，若表面应力相同，试样直径大则应力梯度小，即高应力区体积大，损伤的区域大。b) 残余应力及表面强化的影响：表面叠加残余压应力，使总应力降低，疲劳强度提高。表面强化处理：目的：产生表面残余压应力；提高表面强度硬度。方法：表面喷丸和滚压处理；表面化学热处理；表面淬火。c) 材料成分及组织的影响合金成分：碳元素形成固溶强化提高疲劳极限，过高会使其下降。显微组织：细化晶粒提高疲劳极限，热处理组织的球状第二相优于片状；非金属夹杂物及冶金缺陷：使疲劳强度下降。提高疲劳强度的途径：减少夹杂物数量、减小尺寸；夹杂物表面改性。d) 工作条件的影响2. 解释下列疲劳性能指标的意义a) 疲劳极限-1：材料经无限次应力循环而不发生疲劳断裂的最大应力；b) 疲劳缺口敏感度qf：反映了在疲劳过程中材料发生应力重新分布，降低应力集中的能力。c) 过载损伤界：测出不同过载应力水平和相应的开始降低疲劳寿命的应力循环周次，连接各试验点得到的直线。d) 疲劳门槛值Kth：表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，是材料的力学性能指标。3. 试述金属疲劳断裂的特点。a) 疲劳是低应力循环延时断裂；b) 疲劳是脆性断裂；c) 疲劳对缺陷十分敏感。4. 试述疲劳断口的主要特征及其形成模型。a) 疲劳源：光亮度最大，是疲劳裂纹的萌生地；应力状态及大小不同，可有一个或几个疲劳源。是由于裂纹在亚稳扩展中断面不断挤压摩擦形成的。b) 疲劳区：光滑，分布有贝纹线。是由于载荷变动引起的。c) 瞬断区：粗糙，结晶状或放射状。是裂纹失稳扩展形成的断口区域。5. 试述金属表面强化对疲劳强度的影响。金属表面强化方式有表面喷丸和滚压处理，表面化学热处理及表面淬火。它们可以使表面产生残余压应力，提高表面强度硬度，借此提高金属的疲劳强度。金属的应力腐蚀和氢脆断裂1. 名词解释a) 应力腐蚀：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。产生条件：拉应力；特定的化学介质；合金材料。i. 机理：滑移-溶解理论（钝化膜破坏理论）1. 钝化：在特定化学介质中，表面形成一层钝化膜；2. 滑移：拉应力作用下，局部塑性变形，产生滑移；3. 膜破：滑移台阶在表面露头时钝化膜破裂，露出新鲜表面；4. 阳极溶解：新鲜金属为阳极，有钝化膜的金属为阴极，形成电化学腐蚀ii. 断口特征1. 宏观形貌：有亚稳扩展区，最后瞬断区(与疲劳裂纹相似)；断口呈黑色或灰色。2. 微观形貌：显微裂纹呈枯树枝状；沿晶断裂和穿晶断裂；表面可见泥状花样的腐蚀产物及腐蚀坑。b) 应力腐蚀门槛值KIscc：将试样放在特定化学介质中永不断裂的最大应力场强度因子。断裂判据：1. KI初始KISCC时，在应力作用下，材料或零件可以长期处于腐蚀环境中而不发生破坏。2. KISCCKI初始0.5时，在高温和应力的作用下，空位、原子的定向扩散使材料产生蠕变。1. 承受拉应力的晶界，空位浓度增加；2. 承受压应力的晶界，空位浓度减小。断裂机理：i. 裂纹萌生1. 三晶粒交会处萌生楔形裂纹：晶界滑动，三晶粒交会处造成应力集中，形成空洞，空洞相互连接，便形成楔形裂纹。2. 晶界上空洞汇聚：在晶界上的突起部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动而产生空洞；空洞长大，汇聚形成裂纹。ii. 断口1. 宏观特征：断口附近产生塑性变形，变形区域有很多裂纹，使表面出现龟裂现象；高温氧化使表面被一层氧化膜覆盖；2. 微观特征：冰糖状花样的沿晶断裂形貌。d) 蠕变极限：材料在高温