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第一章 金属材料的性能
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第一章 金属材料的性能
官方公共微信工程材料力学性能
第一章、金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
一、名词解释
★弹性比功又称弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的功能。一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
★循环韧性：金属材料在交变载荷（震动）下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的内耗。
★包申格效应：金属材料经过预先加载产生多少塑性变形（残余应力为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）增加；反向加载，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，称为包申格效应。
★塑性：指金属材料断裂前发生塑性变形（不可逆永久变形）的能力。金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分构成。
★韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力。 ★脆性：脆性相对于塑性而言，一般指材料未发生塑性变形而断裂的趋势。
★解理面：因解理断裂与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
★解理刻面：实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的，这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
★解理台阶：解理裂纹与螺型位错相交而形成的具有一定高度的台阶称为解理台阶。
★河流花样解理台阶沿裂纹前段滑动而相互汇合，同号台阶相互汇合长大。当汇合台阶高度足够大时，便成为了河流花样。
★穿晶断裂与沿晶断裂：多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。裂纹穿过晶内的断裂为穿晶断裂；裂纹沿晶界扩展的断裂为沿晶断裂。穿晶断裂和沿晶断裂有时候可以同时发生。
二、下列力学性能指标的的意义
①E（G）：弹性模量，表示的是材料在弹性范围内应力和应变之比；
②σr：规定残余伸长应力，表示试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力；常用σ0.2表示材料的规定残余延伸率为0.2%时的应力，称为屈服强度；σs：屈服点，表示呈屈服现象的金属材料拉伸时，试样在外力不断增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力称为屈服点。
⑤σb：抗拉强度，表示韧性金属材料的实际承载能力；
⑥n：应变硬化指数，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；
⑦δ：断后伸长率，表示试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比；
⑧δgt：金属材料拉伸时最大力下的总伸长率（最大均匀塑性变形）；
⑨ψ：断面收缩率，表示试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。
三、问答题
●金属的弹性模量主要取决于什么因素？为何说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？ 答：由于弹性变形是原子间距在外来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有关，与原子间距也有一定关系。原子间作用力决定于金属原子本性和晶格类型，故弹性模量也主要决定于金属原子本性和晶格类型。
合金化、热处理（显微组织）、冷塑性变形对弹性模量的影响较小，所以，金属材料的弹性模量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也不大。 时间紧、个人能力有限，有错误和不全面的地方请大家及时更正，该内容仅供参考（铸造专业--张云龙） 1
工程材料力学性能
●试写出几种能显著强化金属但又不会降低其塑性的方法。
答：①细化晶粒强化金属；②第二相以弥散形式均匀强化。
●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：纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成了拉伸断口三要素。
影响宏观拉伸断口性态的因素主要有：试样的形状、尺寸和金属材料的性能以及试样温度、加载速率和受力的状态。（一般来说，材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大）
●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宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在断裂过程中不断地消耗能量；脆性断裂是突然发生地断裂。由于脆性断裂在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。
●在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样才能减小沿晶断裂的倾向？
答：沿晶断裂是由晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。减小应力腐蚀、氢脆以及回火脆性等缺陷都可以减小沿晶断裂的倾向。
第二章、金属在其他静载荷下的力学性能
一、名词解释
★应力状态软性系数：最大切应力τmax与最大正应力σmax的比值α，称为应力状态软性系数。
★缺口效应：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，产生的效应即为缺口效应。
★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σbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值表示，称为缺口敏感度，记为NSR。
★布氏硬度：布氏硬度的试验原理是用一定直径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，经规定试验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），求得压痕球形面积A。布氏硬度值（HBW）就是试验力F除以压痕球形表面积A所得的商。
★洛氏硬度：洛氏硬度试验以测量压痕深度表示材料的硬度值。洛氏硬度值就是以压痕深度h来计算的。h越大，则硬度就越低，反之，则越高。洛氏硬度试验所用的压头有两种，一种是圆锥角α＝120°的金刚石圆锥体，另一种是一定直径的小淬火钢球或硬质合金球。用HR表示。
二、下列力学性能指标的的意义
①σbc：抗压强度；
②σbb：抗弯强度，表示按弹性弯曲应力计算的最大弯曲应力。
③τs：扭转屈服点，表示金属材料屈服时的扭转矩Ts∕W的比值即为扭转屈服点。 ④τb：抗扭强度，表示试样在扭断前承受的最大扭矩Tb∕W的比值称为抗扭强度。 ⑤σbn：缺口抗拉强度，
⑥NSR：缺口敏感度，表示用缺口试样的抗拉强度σbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值。
⑦HRA：洛氏金刚石圆锥压头；⑧60HRC：表示用C标尺测得的洛氏硬度值为60 ：韦氏硬度值；：努氏硬度值；
时间紧、个人能力有限，有错误和不全面的地方请大家及时更正，该内容仅供参考（铸造专业--张云龙） 2
工程材料力学性能
三、问答题
●缺口试样拉伸时应力分布有何特点？
答：在缺口根部产生应力集中，其最大应力决定于缺口的形状、深度、角度、根部曲率半径等。以根部曲率半径的影响最大，缺口越尖锐，应力越大。
第三章、金属在冲击载荷下的力学性能
一、名词解释
★冲击韧度：冲击韧性度是指金属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：试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功。，以Ak表示。
★低温脆性：体心立方晶体金属及合金或密排六方金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢，在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态转变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
★韧脆转变温度：材料屈服强度急剧升高的温度，或断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收功急剧减小的温度，即为韧脆转变温度。
二、下列力学性能指标的的意义
①Ak：冲击吸收功，
②Akv：V形缺口冲击试样的冲击吸收功，
③Aku：U形缺口冲击试样的冲击吸收功，
④NDT：无塑性转变温度，以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度。
⑤FTE：与材料的σs相交于B点，其对对应的温度。
三、问答题
●说明低温脆性的物理本质以及其影响因素。
答：本质：材料的屈服强度随温度的降低而剧烈增加的结果。
影响因素：与位错在晶体中运动的阻力对温度的变化非常敏感有关，阻力在低温下增加，还可能与迟屈服现象有关。在孕育期只产生弹性形变，由于没有塑性变形消耗能量，故有利于裂纹的扩展，从而易表现为脆性破坏。
第四章、金属的断裂韧度
一、名词解释
★应力强度因子K1：应力分量的数学公式表明，裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于其位置（r、θ）外，尚与共同因子K1有关，对于某一确定的点，其应力分量就由K1决定。因此K1的大小就直接影响到应力场的大小；K1越大，则各应力分量就越大。这样，K1就可以表示应力场的强弱程度，故称为应力场强度因子。
★断裂韧度K1c：当σ和a单独或共同增大时，K1和裂纹尖端各应力分量也随之增大，当K1增大到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范围内，应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂。这个临界失稳状态的K1值记为K1c或Kc，称为断裂韧度。
二、下列断裂韧度指标的的意义
①K1c和Kc：
K1c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才材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 二者之间的关系是：它们都是Ⅰ型裂纹的材料断裂韧性的指标。
②G1c：表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。
③J1c：表示金属材料的断裂韧度。
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1．为什么说力学性能是机械零件设计时首先要考虑的性能?
解：所谓力学性能是指金属在力或能的作用下，材料所表现出来的性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等，机械零件在加工过程或使用过程中，都要受到不同形式外力的作用，而力学性能反映了金属材料在各种外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，是选用金属材料的重要依据，因此是机械零件设计时首先要考虑的性能。
2．塑性和强度都是金属材料的一种能力。金属材料的塑性对零件制造有什么特殊意义?金属材料的强度对零件使用有什么特殊意义?
解：金属材料的断后伸长率（A）和断面收缩率（Z）数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏，易于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。
当零件工作时所受的应力，低于材料的屈服强度或规定残余延伸强度，则不会产生过量的塑性变形。材料的屈服强度或规定残余延伸强度越高，允许的工作应力也越高，则零件的截面尺寸及自身质量就可以减小。零件在工作中所承受的应力，不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。Rm也是机械零件设计和选材的重要依据。
3．通过拉伸试验绘制的力―伸长曲线表达了金属材料在静拉伸力作用下的强度行为、塑性行为等。请就力-伸长曲线思考下列问题：
(1)哪一段曲线表达了材料的弹性变形能力和抗弹性变形能力(刚度)?
(2)哪一段曲线表达了材料的塑性变形能力和抗塑性变形能力?
(3)哪一段曲线表达了材料的塑性变形后强度得到提高的能力(形变强化能力)?
解：(1)op ――弹性变形阶段
(2)p点后的水平或锯齿状线段――屈服阶段
(3)屈服后至m点――强化阶段
4．强度判据ReL、Rm、Rr0.2都是机械零件选材和设计的依据，应用场合有何不同? 解：ReL――有明显屈服现象的金属材料。
Rr0.2――无明显屈服现象的金属材料。
Rm――承受的最大应力，零件在工作中所承受的应力，不允许超过Rm，否则会产生断裂。
5．抗拉强度与硬度之间有没有一定的关系？为什么？
解：有。因为它们以不同形式反映了材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。只是反映的材料体积不同，抗拉强度反映的是被测材料整个体积内，而HRC反映被压处。硬度是一项综合力学性能指标，从金属表面化局部压痕就可以反应出的强度和塑性。
1．何谓金属的力学性能？金属的力学性能包括哪些？
解：所谓力学性能是指金属在力或能的作用下，材料所表现出来的性能。
力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。
2．根据作用性质的不同，载荷可分为哪几类？
解：载荷按其作用性质不同可分为以下三种：
⑴ 静 载 荷
是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。
⑵ 冲击载荷
在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。
⑶ 交变载荷
是指大小、方向或大小和方向随时间作周期性变化的载荷。
3．何谓变形？变形有哪两类？
解：变形：金属材料受到载荷作用后，产生的几何形状和尺寸的变化。
变形按卸除载荷后能否完全消失，分为弹性变形和塑性变形两种：
材料在载荷作用下发生变形，而当载荷卸除后，变形也完全消失。这种随载荷的卸除而消失的变形称为弹性变形。
当作用在材料上的载荷超过某一限度，此时若卸除载荷，大部分变形随之消失（弹性变形部分），但还是留下了不能消失的部分变形。这种不随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形，也称为永久变形。
4．何谓内力？何谓应力？应力的单位是什么？
解：内力：材料受外力作用时，为保持自身形状尺寸不变，在材料内部作用着与外力相对抗的力。
应力：单位面积上的内力。 单位：MPa
5．绘制低碳钢力－伸长曲线，并解释低碳钢伸长曲线上的几个变形阶段。
⑴ op ――弹性变形阶段
当给材料施加载荷后，试样产生伸长变形。
⑵ p点后的水平或锯齿状线段――屈服阶段
当载荷超过一定数值再卸载时，试样的伸长只能部分消失，而保留一部分残余变形(即塑性变形)。
(3) 屈服后至m点――强化阶段
在屈服阶段以后，欲使试样继续伸长，必须不断增加载荷。
(4) mk――缩颈阶段（局部塑性变形阶段)
当载荷达到最大值Fm后，试样截面发生局部收缩，称为“缩颈”。
6．何谓强度？衡量强度的常用指标有哪些？各用什么符号表示？
解：金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。
常见的强度指标包括以下几项：
上屈服强度――ReH
下屈服强度――ReL
抗拉强度――Rm
7．何谓塑性？衡量塑性的指标有哪些？各用什么符号表示？
解：断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。
衡量塑性的指标有：
断后伸长率――A
断面收缩率――Ｚ
8．某厂购进一批40#钢材，按国家标准规定，其力学性能指标应不低于下列数值：ReL =340 MPa，Rm=540 MPa，A=19%，Z=45%。验收时，用该材料制成d0＝1×10-2 m的短试样（原始标距为5×10-2 m）作拉伸试验：当载荷达到28260 N时，试样产生屈服现象；载荷加至45530 N时，试样发生缩颈现象，然后被拉断。拉断后标距长为6.05×10-2 m，断裂处直径为7.3×10-3 m。试计算这批钢材是否合格。
解：求此试样的ReL、Rm、A、Z。
（1）计算So，Su：
So???78.5mm2
Su???41.83mm2 44
（2）计算ReL、Rm： 2?do?du2
ReL?FeL2 MPa So78.5
Fm4MPa So78.5Rm?
（3）计算A，Z：
A?Lu?Lo60.5?50?100%??100%?21% Lo50
Z?So?Su78.5?41.83?100%??100%?46.71% So78.5
根据计算可知，该钢材力学性能指标均不低于下列数值：ReL =340 MPa，Rm=540 MPa，A=19%，Z=45%，故这批钢材合格。
9．何谓硬度？常用的硬度试验法有哪三种？各用什么符号表示？
解：材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。
最常用的有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法三种。各用符号HB、HR、HV表示。
10．布氏硬度试验法有哪些优缺点？说明其应用范围。
解：优点：采用的试验力大，球体直径也大，因而压痕直径也大，因此能较准确地反映出金属材料的平均性能。另外，由于布氏硬度与其他力学性能（如抗拉强度）之间存在着一定的近似关系。
缺点：操作时间较长，对不同材料需要不同压头和试验力，压痕测量较费时；在进行高硬度材料试验时，由于球体本身的变形会使测量结果不准确。布氏硬度试验法又因其压痕较大，不宜用于测量成品及薄件。
应用：用钢球压头测量时，材料硬度值必须小于450；用硬质合金球压头时，材料硬度值必须小于650。
11．常用的洛氏硬度标尺有哪三种？各适于测定哪些材料的硬度？
解：见下表：
12．何谓冲击韧性？
解：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。
13．何谓冲击韧度？其值用什么符号表示？大能量一次冲击和小能量多次冲击的冲击抗力各取决于什么？
解：冲击韧度是冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功。其值用αK表示。 金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度αK的大小，而在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。当冲击能量高时，材料的塑性起主导作用；在冲击能量低时，则强度起主导作用。
14．何谓金属的疲劳现象？
解：在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的
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