哈工大材料結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能知識(shí)點(diǎn)總結(jié)及往年試題

一、解釋下列名詞

滯彈性：在外加載荷作用下，應(yīng)變落后于應(yīng)力現(xiàn)象。

靜力韌度：材料在靜拉伸時(shí)單位體積材科從變形到斷裂所消耗的功。

彈性極限：試樣加載后再卸裁，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標(biāo)準(zhǔn)，材料能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力。

比例極限：應(yīng)力—應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力。

二、金屬的彈性模量主要取決于什么?為什么說(shuō)它是一個(gè)對(duì)結(jié)構(gòu)不敏感的力學(xué)姓能?

答案：金屬的彈性模量主要取決于金屬鍵的本性和原子間的結(jié)合力，而材料的成分和組織對(duì)它的影響不大，所以說(shuō)它是一個(gè)對(duì)組織不敏感的性能指標(biāo)，這是彈性模量在性能上的主要特點(diǎn)。改變材料的成分和組織會(huì)對(duì)材料的強(qiáng)度(如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度)有顯著影響，但對(duì)材料的剛度影響不大。

三、什么是包辛格效應(yīng)，如何解釋?zhuān)惺裁磳?shí)際意義?

答案：包辛格效應(yīng)就是指原先經(jīng)過(guò)變形，然后在反向加載時(shí)彈性極限或屈服強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。特別是彈性極限在反向加載時(shí)幾乎下降到零，這說(shuō)明在反向加載時(shí)塑性變形立即開(kāi)始了。

包辛格效應(yīng)可以用位錯(cuò)理論解釋。第一，在原先加載變形時(shí)，位錯(cuò)源在滑移面上產(chǎn)生的位錯(cuò)遇到障礙，塞積后便產(chǎn)生了背應(yīng)力，這背應(yīng)力反作用于位錯(cuò)源，當(dāng)背應(yīng)力(取決于塞積時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力集中)足夠大時(shí)，可使位錯(cuò)源停止開(kāi)動(dòng)。背應(yīng)力是一種長(zhǎng)程(晶粒或位錯(cuò)胞尺寸范圍)內(nèi)應(yīng)力，是金屬基體平均內(nèi)應(yīng)力的度量。因?yàn)轭A(yù)變形時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向和背應(yīng)力的方向相反，而當(dāng)反向加載時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向與原來(lái)的方向相反了，和背應(yīng)力方向一致，背應(yīng)力幫助位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，塑性變形容易了，于是，經(jīng)過(guò)預(yù)變形再反向加載，其屈服強(qiáng)度就降低了。這一般被認(rèn)為是產(chǎn)生包辛格效應(yīng)的主要原因。其次，在反向加載時(shí)，在滑移面上產(chǎn)生的位錯(cuò)與預(yù)變形的位錯(cuò)異號(hào)，要引起異號(hào)位錯(cuò)消毀，這也會(huì)引起材料的軟化，屈服強(qiáng)度的降低。

實(shí)際意義：在工程應(yīng)用上，首先是材料加工成型工藝需要考慮包辛格效應(yīng)。其次，包辛格效應(yīng)大的材料，內(nèi)應(yīng)力較大。另外包辛格效應(yīng)和材料的疲勞強(qiáng)度也有密切關(guān)系，在高周疲勞中，包辛格效應(yīng)小的疲勞壽命高，而包辛格效應(yīng)大的，由于疲勞軟化也較嚴(yán)重，對(duì)高周疲勞壽命不利。一、解釋下列名詞：

（1）應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)——材料最大且盈利與最大正贏利的比值，記為α。

（2）缺口效應(yīng)——缺口材料在靜載荷作用下，缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生的變化。

（3）缺口敏感度——金屬材料的缺口敏感性指標(biāo)，用缺口試樣的抗拉強(qiáng)度與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強(qiáng)度的比值表示。

（4）布氏硬度——用鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，采用單位面積所承受的試驗(yàn)力計(jì)算而得的硬度。

（5）洛氏硬度——采用金剛石圓錐體或小淬火鋼球作壓頭，以測(cè)量壓痕深度所表示的硬度。

（6）維氏硬度——以兩相對(duì)面夾角為136。的金剛石四棱錐作壓頭，采用單位面積所承受的試驗(yàn)力計(jì)算而得的硬度。

（7）努氏硬度——采用兩個(gè)對(duì)面角不等的四棱錐金剛石壓頭，由試驗(yàn)力除以壓痕投影面積得到的硬度。

（8）肖氏硬度——采動(dòng)載荷試驗(yàn)法，根據(jù)重錘回跳高度表證的金屬硬度。

（9）里氏硬度——采動(dòng)載荷試驗(yàn)法，根據(jù)重錘回跳速度表證的金屬硬度。

二、說(shuō)明下列力學(xué)性能指標(biāo)的意義

（1）σｂｃ——材料的抗壓強(qiáng)度

（2）σｂｂ——材料的抗彎強(qiáng)度

（3）τｓ——材料的扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)

（4）τｂ——材料的抗扭強(qiáng)度

（5）σｂｎ——材料的抗拉強(qiáng)度

（6）NSR——材料的缺口敏感度

（7）HBS——壓頭為淬火鋼球的材料的布氏硬度

（8）HBW——壓頭為硬質(zhì)合金球的材料的布氏硬度

（9）HRA——材料的洛氏硬度

（１０）HRB——材料的洛氏硬度

（１１）HRC——材料的洛氏硬度

（１２）HV——材料的維氏硬度

（１３）HK——材料的努氏硬度

（１４）HS——材料的肖氏硬度

（１５）HL——材料的里氏硬度

三、缺口沖擊韌性試驗(yàn)?zāi)茉u(píng)定那些材料的低溫脆性?那些材料不能用此方法檢驗(yàn)和評(píng)定？

答案：缺口沖擊韌性試驗(yàn)?zāi)茉u(píng)定的材料是低、中強(qiáng)度的體心立方金屬以及Bb，Zn，這些材料的沖擊韌性對(duì)溫度是很敏感的。對(duì)高強(qiáng)度鋼、鋁合金和鈦合金以及面心立方金屬、陶瓷材料等不能用此方法檢驗(yàn)和評(píng)定。

四、在評(píng)定材料的缺口敏感應(yīng)時(shí)，什么情況下宜選用缺口靜拉伸試驗(yàn)?什么情況下宜選用缺口偏斜拉伸?什么情況下則選用缺口靜彎試驗(yàn)?

答案：缺口靜拉伸試驗(yàn)主要用于比較淬火低中溫回火的各種高強(qiáng)度鋼，各種高強(qiáng)度鋼在屈服強(qiáng)度小于1200MPa時(shí)，其缺口強(qiáng)度均隨著材料屈服強(qiáng)度的提高而升高；但在屈服強(qiáng)度超過(guò)1200MPa以上時(shí)，則表現(xiàn)出不同的特性，有的開(kāi)始降低，有的還呈上升趨勢(shì)。

缺口偏斜拉伸試驗(yàn)就是在更苛刻的應(yīng)力狀態(tài)和試驗(yàn)條件下，來(lái)檢驗(yàn)與對(duì)比不同材料或不同工藝所表現(xiàn)出的性能差異。

缺口試樣的靜彎試驗(yàn)則用來(lái)評(píng)定或比較結(jié)構(gòu)鋼的缺口敏感度和裂紋敏感度。一、解釋下列名詞

（1）沖擊韌度——材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。

（2）沖擊吸收功——沖擊彎曲試驗(yàn)中試樣變形和斷裂所消耗的功

（3）低溫脆性——體心立方晶體金屬及其合金或某些密派六方晶體金屬及其合金在試驗(yàn)溫度低于某一溫度時(shí)，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象。

（4）韌脆轉(zhuǎn)變溫度——材料呈現(xiàn)低溫脆性的臨界轉(zhuǎn)變溫度。

（5）韌性溫度儲(chǔ)備——材料使用溫度和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的差值，保證材料的低溫服役行為。

二、說(shuō)明下列力學(xué)性能指標(biāo)的意義

（1）AK——材料的沖擊吸收功

AKV(CVN)和AKU——V型缺口和U型缺口試樣測(cè)得的沖擊吸收功

（2）FATT50——結(jié)晶區(qū)占整個(gè)端口面積50%是的溫度定義的韌脆轉(zhuǎn)變溫度

（3）NDT——以低階能開(kāi)始上升的溫度定義的韌脆轉(zhuǎn)變溫度

（4）FTE——以低階能和高階能平均值對(duì)應(yīng)的溫度定義的韌脆轉(zhuǎn)變溫度

（5）FTP——高階能對(duì)應(yīng)的溫度

三、J積分的主要優(yōu)點(diǎn)是什么?為什么用這種方法測(cè)定低中強(qiáng)度材料的斷裂韌性要比一般的KIC測(cè)定方法其試樣尺寸要小很多？

答案：J積分有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是可以用來(lái)測(cè)定低中強(qiáng)度材料的KIC。

對(duì)平面應(yīng)變的斷裂韌性KIC，測(cè)定時(shí)要求裂紋一開(kāi)始起裂，立即達(dá)到全而失穩(wěn)擴(kuò)展，并要求沿裂紋全長(zhǎng)，除試樣兩侗表面極小地帶外，全部達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)。而JIC的測(cè)定，不一定要求試樣完全滿足平面應(yīng)變條件，試驗(yàn)時(shí)，只在裂紋前沿中間地段首先起裂，然后有較長(zhǎng)的亞臨界穩(wěn)定擴(kuò)展的過(guò)程，這樣只需很小的試驗(yàn)厚度，即只在中心起裂的部分滿足平面應(yīng)變要求，而韌帶尺寸范圍可以大而積的屈服，甚至全面屈服。因此．作為試樣的起裂點(diǎn)．仍然是平面應(yīng)變的斷裂韌度，這時(shí)JIC的是材料的性質(zhì)。當(dāng)試樣裂紋繼續(xù)擴(kuò)展時(shí)，進(jìn)入平面應(yīng)力的穩(wěn)定擴(kuò)展階段，此時(shí)的J不再單獨(dú)是材料的性質(zhì)，還與試樣尺寸有關(guān)。

四、如何提高陶瓷材料的熱沖擊抗力?

答案：在工程應(yīng)用中，陶瓷構(gòu)件的失效分析是十分重要的，如果材料的失效，主要是熱震斷裂，例如對(duì)高強(qiáng)、微密的精細(xì)陶寵，則裂紋的萌生起主導(dǎo)作用，為了防止熱震失效提高熱震斷裂抗力，應(yīng)當(dāng)致力于提高材料的強(qiáng)度，并降低它的彈性模量和膨脹系數(shù)。若導(dǎo)致熱震失效的主要因素是熱震損壞，這時(shí)裂紋的擴(kuò)展起主要作用，這時(shí)應(yīng)當(dāng)設(shè)法提高它的斷裂韌性，降低它的強(qiáng)度。一、解釋下列名詞

（1）低應(yīng)力脆斷：在屈服應(yīng)力以下發(fā)生的斷裂。

（2）張開(kāi)型裂紋：拉應(yīng)力垂直作用于裂紋擴(kuò)展面，裂紋沿作用力方向張開(kāi)，沿裂紋面擴(kuò)展。

（3）應(yīng)力強(qiáng)度因子：表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度。

（4）小范圍屈服：塑性尺寸較裂紋尺寸及凈截面尺寸為小，小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的屈服。

（5）有效屈服應(yīng)力：發(fā)生屈服時(shí)的應(yīng)力

（6）有效裂紋長(zhǎng)度：將原有的裂紋長(zhǎng)度與松弛后的塑性區(qū)相合并得到的裂紋長(zhǎng)度

（7）裂紋擴(kuò)展能量釋放率：裂紋擴(kuò)展單位面積時(shí)系統(tǒng)釋放勢(shì)能的數(shù)值。

（8）J積分：裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能，即應(yīng)力應(yīng)變集中程度

（9）COD：裂紋尖端沿應(yīng)力方向張開(kāi)所得到的位移。

二、疲勞斷口有什么特點(diǎn)?

答案：有疲勞源。在形成疲勞裂紋之后，裂紋慢速擴(kuò)展，形成貝殼狀或海灘狀條紋。這種條紋開(kāi)始時(shí)比較密集，以后間距逐漸增大。由于載荷的間斷或載荷大小的改變，裂紋經(jīng)過(guò)多次張開(kāi)閉合并由于裂紋表面的相互摩擦，形成一條條光亮的弧線，叫做疲勞裂紋前沿線，這個(gè)區(qū)域通常稱為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，而最后斷裂區(qū)則和靜載下帶尖銳缺口試樣的斷口相似。對(duì)于塑性材料，斷口為纖維狀，對(duì)于脆性材料，則為結(jié)晶狀斷口?？傊粋€(gè)典型的疲勞斷口總是由疲勞源，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)三部份構(gòu)成。

三、什么是疲勞裂紋門(mén)檻值，哪些因素影響其值的大小?

答案：把裂紋擴(kuò)展的每一微小過(guò)程看成是裂紋體小區(qū)域的斷裂過(guò)程，則設(shè)想應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度△K=Kmax-Kmin是疲勞裂紋擴(kuò)展的控制因子，當(dāng)△K小于某臨界值△Kth時(shí)，疲勞裂紋不擴(kuò)展，所以△Kth叫疲勞裂紋擴(kuò)展的門(mén)檻值。

應(yīng)力比、顯微組織、環(huán)境及試樣的尺寸等因素對(duì)△Kth的影響很大。一、解釋下列名詞

腐蝕疲勞：材料或零件在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下造成的失效。

應(yīng)力腐蝕：材料或零件在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下引起的破壞。

氫脆：就是材料在使用前內(nèi)部已含有足夠的氫并導(dǎo)致了脆性破壞。

二、如何判斷某一零件的破壞是由應(yīng)力腐蝕引起的?

答案：應(yīng)力腐蝕引起的破壞，常有以下特點(diǎn)：

1、造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，而且一舶是拉伸應(yīng)力。

2、應(yīng)力腐蝕造成的破壞，是腕性斷裂，沒(méi)有明顯的塑性變形。

3、只有在特定的合金成分與特定的介質(zhì)相組合時(shí)才會(huì)造成應(yīng)力腐蝕。

4、應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展速率一般在10-9一10-6m/s，有點(diǎn)象疲勞，是漸進(jìn)緩慢的，這種亞臨界的擴(kuò)展?fàn)顩r一直達(dá)到某一臨界尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時(shí)，就突然發(fā)生斷裂。

5、應(yīng)力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直于拉力軸。

6、應(yīng)力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產(chǎn)物，而疲勞斷口的表面，如果是新鮮斷口常常較光滑，有光澤。

7、應(yīng)力腐蝕的主裂紋擴(kuò)展時(shí)常有分枝。但不要形成絕對(duì)化的概念，應(yīng)力腐蝕裂紋并不總是分技的。

8、應(yīng)力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是晶間斷裂。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準(zhǔn)解理的，其裂紋有似人字形或羽毛狀的標(biāo)記。

三、如何識(shí)別氫脆與應(yīng)力腐蝕？

答案：氫脆和應(yīng)力腐蝕相比，其特點(diǎn)表現(xiàn)在：

1、實(shí)驗(yàn)室中識(shí)別氫脆與應(yīng)力腐蝕的一種辦法是，當(dāng)施加一小的陽(yáng)極電流，如使開(kāi)裂加速，則為應(yīng)力腐蝕；而當(dāng)施加一小的陰極電流，使開(kāi)裂加速者則為氫脆。

2、在強(qiáng)度較低的材料中，或者雖為高強(qiáng)度材料但受力不大，存在的殘余拉應(yīng)力也較小這時(shí)其斷裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此處三向拉應(yīng)力最大，氫濃集在這里造成斷裂。

3、斷裂的主裂紋沒(méi)有分枝的悄況．這和應(yīng)力腐蝕的裂紋是截然不同的。

4、氦脆斷口上一般沒(méi)有腐蝕產(chǎn)物或者其量極微。

5、大多數(shù)的氫脆斷裂(氫化物的氫脆除外)，都表現(xiàn)出對(duì)溫度和形變速率有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系。氫脆只在一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，出現(xiàn)氫脆的溫度區(qū)間決定于合金的化學(xué)成分和形變速率。一、和常溫下力學(xué)性能相比，金屬材料在高溫下的力學(xué)行為有哪些特點(diǎn)?

答案：

1、首先，材料在高溫將發(fā)生蠕變現(xiàn)象。材料在高溫下不僅強(qiáng)度降低，而且塑性也降低。應(yīng)變速率越低，載荷作用時(shí)間越長(zhǎng)，塑性降低得越顯著。

2、高溫應(yīng)力松弛。

3、產(chǎn)生疲勞損傷，使高溫疲勞強(qiáng)度下降。

二、提高材料的蠕變抗力有哪些途徑?

答案：加入的合金元素阻止刃位錯(cuò)的攀移，以及阻止空位的形成與運(yùn)動(dòng)從而阻止其擴(kuò)散。第一章

1塑性--材料在外力作用下發(fā)生不可逆的永久變形的能力2穿晶斷裂和沿晶斷裂---穿晶斷裂，裂紋穿過(guò)晶界。沿晶斷裂，裂紋沿晶擴(kuò)展。3包申格效應(yīng)——金屬材料經(jīng)過(guò)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形，卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低的現(xiàn)象。4E---應(yīng)變?yōu)橐粋€(gè)單位時(shí)，E即等于彈性應(yīng)力，即E是產(chǎn)生100％彈性變形所需的應(yīng)力5σs----屈服強(qiáng)度，一般將σ0.2定為屈服強(qiáng)度6n—應(yīng)變硬化指數(shù)Hollomon關(guān)系式：

S=ken（真應(yīng)力S與真應(yīng)變e之間的關(guān)系）

n—應(yīng)變硬化指數(shù)；k—硬化系數(shù)

應(yīng)變硬化指數(shù)n反映了金屬材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。分析：n=1，理想彈性體;n=0材料無(wú)硬化能力。大多數(shù)金屬材料的n值在0.1～0.5之間。7δ10---長(zhǎng)比例試樣斷后延伸率L0=5d0或L0=10d0L0標(biāo)注長(zhǎng)度d0名義截面直徑）8靜力韌度：靜拉伸時(shí)，單位體積材料斷裂所吸收的功（是強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)）。J/m39脆性斷裂（1）斷裂特點(diǎn)斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，無(wú)明顯前兆；斷口與正應(yīng)力垂直。

（2）斷口特征平齊光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀；人字紋花樣的放射方向與裂紋擴(kuò)展方向平行。通常，脆斷前也產(chǎn)生微量的塑性變形，一般規(guī)定Ψ<5%為脆性斷裂；大于5％時(shí)為韌性斷裂