工程材料力學(xué)性能寶典

1、滯彈性:在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象。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（彈性極限或屈服強(qiáng)度）增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低（特別是彈性極限在反向加載時(shí)幾乎降到零）的現(xiàn)象（消除方法:預(yù)先進(jìn)行較大塑性變形，或在第二次反向受力前使金屬材料于回復(fù)或在結(jié)晶溫度下退火）。韌脆轉(zhuǎn)變:具有一定韌性的金屬材料當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟赛c(diǎn)時(shí)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂方式由原來(lái)的韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔?，這種現(xiàn)象叫韌脆轉(zhuǎn)變。應(yīng)力狀態(tài)疲軟系數(shù):材料受力時(shí)，最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力的比值。缺口效應(yīng):由于缺口的存在，在靜載荷作用下，缺口截面上的應(yīng)力

2、狀態(tài)將發(fā)生變化。低溫脆性:在實(shí)驗(yàn)溫度低于某一溫度時(shí)，會(huì)由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫硇?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性。斷裂韌度:在彈塑性條件下，當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子增大到某一臨界值，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致材料斷裂，這個(gè)臨界或失穩(wěn)擴(kuò)展的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子即斷裂韌度。低應(yīng)力脆斷:在應(yīng)力水平低于材料屈服極限的情況下所發(fā)生的突然斷裂現(xiàn)象。應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子:反應(yīng)裂紋尖端彈性應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量。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。疲勞條帶:疲勞斷口中，具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣稱疲勞條帶。疲勞極限:試樣可以經(jīng)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生

3、疲勞斷裂，將所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱疲勞極限。過(guò)載損傷:金屬在高于疲勞極限的應(yīng)力水平下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后，其其疲勞極限或疲勞壽命減小，即過(guò)載損傷。疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值:帶裂紋的構(gòu)件在交變載荷作用下不會(huì)發(fā)生疲勞擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子交變值，符號(hào)為Kth。熱疲勞:機(jī)件在由溫度循環(huán)變化時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及循環(huán)熱應(yīng)變作用下發(fā)生的疲勞。低周疲勞:金屬材料在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為102105次的疲勞斷裂稱為低周疲勞。應(yīng)力腐蝕:金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。白點(diǎn):過(guò)量的氫聚集在某些缺陷處形成H2分子，氫的體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)應(yīng)力很大足以將金屬局部撕裂，形成微裂紋，斷面呈圓形或

4、橢圓形，顏色為銀白色，故稱白點(diǎn)。粘著磨損:又稱咬合磨損，它是指滑動(dòng)摩擦?xí)r摩擦副接觸面局部發(fā)生金屬粘著，在隨后相對(duì)滑動(dòng)中粘著處被破壞，有金屬屑粒從零件表面被拉拽下來(lái)或零件表面被擦傷的一種磨損形式。跑合:一般指新組裝的機(jī)器經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的使用,將摩擦面上的加工痕跡磨光，實(shí)際接觸面積增大。氫脆:由于氫和應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象，稱為氫脆斷裂。接觸疲勞:機(jī)件兩接觸面作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，材料表面因疲勞損傷，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落而使材料流失的現(xiàn)象。蠕變斷裂:金屬在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢產(chǎn)生塑性變形而導(dǎo)致金屬材料的斷裂。應(yīng)力松弛:

5、在規(guī)定溫度和初始應(yīng)力條件下，金屬材料中的應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象。持久強(qiáng)度極限:材料在規(guī)定溫度下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。剩余應(yīng)力:在應(yīng)力松弛試驗(yàn)中，任一時(shí)間試樣上所保持的應(yīng)力稱為剩余應(yīng)力。1.影響屈服強(qiáng)度的有關(guān)因素及其機(jī)理。答：內(nèi)在因素有：a.金屬本性及晶格類型：純金屬單晶體的屈服強(qiáng)度由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受阻力決定，隨阻力增大而增大。b.晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)：減小晶粒尺寸能增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙數(shù)目，從而提高屈服強(qiáng)度，亞晶界作用也能提高。c.溶質(zhì)元素：純金屬中融入溶質(zhì)原子形成固溶體，由于溶質(zhì)和溶劑原子直徑不同，在溶質(zhì)周圍形成晶格畸變應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)交互作用使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，顯著

6、提高屈服強(qiáng)度。d.第二相：對(duì)于不可變形第二相，位錯(cuò)線只能繞過(guò)第二相質(zhì)點(diǎn)，增大彎曲位錯(cuò)線張力，位錯(cuò)切過(guò)可變形第二相質(zhì)點(diǎn)使機(jī)體一起變形也增大位錯(cuò)阻力，從而增大屈服強(qiáng)度。外因：一般升溫使金屬材料的屈服強(qiáng)度降低；應(yīng)變速率增大，金屬材料的強(qiáng)度將增加；應(yīng)力狀態(tài)：切應(yīng)力分量越大越利于塑形變形，強(qiáng)度降低，缺口效應(yīng)存在也使強(qiáng)度降低。2.金屬?gòu)椥阅Ａ康奶攸c(diǎn)。答：金屬的彈性模量最主要取決于原子間作用力，與原子間距有一定的關(guān)系，而原子間作用力決定于金屬原子本性和晶格類型，所以彈性模量取決于金屬原子本性和晶格類型，合金化、熱處理、冷塑性變形等對(duì)彈性模量影響較小，故其對(duì)組織不敏感。3.有關(guān)韌性斷裂和脆性斷裂。答：韌性斷裂

7、是斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂，斷面一般平行于最大切應(yīng)力與主應(yīng)力成45°角，斷口呈纖維狀，灰暗色。脆性斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，突發(fā)的斷裂，斷面與正應(yīng)力垂直，斷口平齊光滑，呈放射狀或結(jié)晶狀。4.有關(guān)硬度的三種表示方法。 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。其表示方法為：硬度值+符號(hào)HBW+球直徑/試驗(yàn)力/試驗(yàn)力保持時(shí)間，如600HBW1/30/20（試驗(yàn)力單位是千克力kgf）。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。硬度值+符號(hào)HR+標(biāo)尺，如70HRC。維氏硬度：以兩相對(duì)面夾角為136°的金剛

8、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。硬度值+符號(hào)HV+試驗(yàn)力+試驗(yàn)力保持時(shí)間，如640HV30。5.拉伸、壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)。答：?jiǎn)蜗蚶斓膽?yīng)力狀態(tài)較硬，一般用于塑性變形抗力與切斷強(qiáng)度較低得所謂塑性材料試驗(yàn)。壓縮：?jiǎn)蜗驂嚎s試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)a=2，比拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲的應(yīng)力狀態(tài)都軟，主要用于拉伸時(shí)呈脆性的金屬材料力學(xué)性能測(cè)定；拉伸時(shí)塑性很好的材料在壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變形而不會(huì)斷裂。彎曲：彎曲加載時(shí)受拉的一側(cè)應(yīng)力狀態(tài)基本上與靜拉伸時(shí)相同，且不存在如拉伸時(shí)的所謂試樣偏斜對(duì)試樣結(jié)果的影響；彎曲試驗(yàn)時(shí)，截面上的應(yīng)力分布也是表面上應(yīng)力最大，故可靈敏的反映材料的表面缺陷；彎曲

9、試驗(yàn)試樣形狀簡(jiǎn)單、操作方便。扭轉(zhuǎn)：扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)=0.8，比拉伸時(shí)的大，易于顯示金屬的塑性行為；圓柱形試件扭轉(zhuǎn)時(shí)整個(gè)長(zhǎng)度上的塑性變形是均勻的，沒(méi)有緊縮現(xiàn)象，所以能實(shí)現(xiàn)大塑性變形量下的試驗(yàn)；對(duì)金屬表面缺陷及表面硬化層的性能有很大的敏感度；扭轉(zhuǎn)時(shí)試件中的最大正應(yīng)力一最大切應(yīng)力在數(shù)值上大體相等，而生產(chǎn)上所使用的大部分金屬材料的正斷強(qiáng)度大于切斷強(qiáng)度。6.有關(guān)低溫脆性的內(nèi)容答：低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨溫度降低急劇增加的結(jié)果。影響因素有：晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和顯微組織。對(duì)稱性低的體心立方以及密排六方金屬、合金轉(zhuǎn)變溫度高，材料脆性斷裂趨勢(shì)明顯，塑性差；能夠使材料硬度，強(qiáng)度提高的雜質(zhì)或者合金元

10、素都會(huì)引起材料塑性和韌性變差，材料脆性提高；細(xì)化晶粒可以同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑、韌性。鋼中夾雜物、碳化物等第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)鋼的脆性有重要影響，當(dāng)其尺寸增大時(shí)均使材料韌性下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。7.有關(guān)裂紋擴(kuò)展K判據(jù)的內(nèi)容答：對(duì)于受載的裂紋體，當(dāng)增大到某一臨界值時(shí)，裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)應(yīng)力達(dá)到了材料的斷裂強(qiáng)度，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。這一臨界值便稱為斷裂韌度Kc或，即>時(shí)，裂紋擴(kuò)展。8.斷裂韌度有哪些表示方法，如何提高金屬材料的斷裂韌度答：Kic：平面應(yīng)變下的斷裂韌度，表示在平面應(yīng)變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力。Kc：平面應(yīng)力斷裂韌度，表示在平面應(yīng)力條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。Gi

11、c：平面應(yīng)變條件下斷裂韌度，表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)單位面積所消耗的能量。 Gc：平面應(yīng)力條件下的斷裂韌度。提高：采用真空冶煉降低金屬材料的夾雜物，提高純度；減少微量有害元素在金屬材料的晶界偏聚；采用壓力加工和熱處理工藝細(xì)化晶粒；優(yōu)化熱處理工藝，改變基體組織和第二相質(zhì)點(diǎn)的尺寸及分布。9.關(guān)于低應(yīng)力脆斷的內(nèi)容答：在材料的生產(chǎn)、機(jī)件的加工和使用過(guò)程中產(chǎn)生不可避免的宏觀裂紋，宏觀裂紋擴(kuò)展破壞材料的均勻連續(xù)性，使材料在應(yīng)力水平低于材料屈服極限的情況下所發(fā)生的突然斷裂。防止：控制構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)；避免或減小裂紋尺寸。10.金屬疲勞斷口的特征答：宏觀上，典型斷口有三個(gè)形貌不同區(qū)域，疲勞源（光亮度最

12、大）、疲勞區(qū)（斷口比較光滑并分布有貝文線）、瞬斷區(qū)（斷口比疲勞區(qū)粗糙）。微觀形貌有疲勞條帶。11.有關(guān)疲勞裂紋的形成機(jī)理及防止答：疲勞微觀裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯微開裂引起，主要方式有：表面滑移帶開裂，第二相、夾雜物或相界面開裂，晶界或亞晶界開裂。防止：采用固溶或細(xì)晶強(qiáng)化提高材料的滑移抗力；降低第二相或夾雜物的脆性及控制其數(shù)量、形態(tài)、大小和分布使之“少、園、小、勻”，提高相界面強(qiáng)度；使晶界強(qiáng)化、凈化。12.疲勞極限-1和疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值答：二者都是表示無(wú)限壽命的疲勞性能，也都受材料成分和組織、載荷條件及環(huán)境因素等影響；但前者是光滑試樣的無(wú)限疲勞壽命，用于傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核；后者是

13、裂紋試樣的無(wú)限壽命疲勞性能，適用于裂紋件設(shè)計(jì)和校核。13.表面強(qiáng)化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響答：表面強(qiáng)化處理可在機(jī)件表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力，能提高機(jī)件表面的強(qiáng)度和硬度，提高疲勞門檻值來(lái)提高疲勞強(qiáng)度。14.金屬應(yīng)力腐蝕的條件及機(jī)理答：條件：應(yīng)力、化學(xué)介質(zhì)、金屬材料。機(jī)理：在應(yīng)力作用下合金機(jī)體內(nèi)部位錯(cuò)會(huì)沿滑移帶而產(chǎn)生移動(dòng)，形成滑移階梯，當(dāng)滑移階梯大、表面膜不能隨滑移階梯的形成而發(fā)生相應(yīng)變形時(shí)，膜就會(huì)破裂并裸露出新鮮表面，與腐蝕介質(zhì)接觸，發(fā)生快速陽(yáng)極溶解。15.氫脆產(chǎn)生的機(jī)理及防止答：氫擴(kuò)散到金屬材料的缺陷處，氫原子變成氫分子，產(chǎn)生巨大的壓力，這個(gè)壓力與材料內(nèi)部的殘留應(yīng)力及材料受的外加應(yīng)力，組成一個(gè)合力，當(dāng)

14、這合力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致斷裂發(fā)生。氫脆類型：氫蝕、白點(diǎn)、氫化物致脆、氫致延遲斷裂。防止：表面涂層或與氫隔離等使氫不進(jìn)入或少進(jìn)入金屬中；在機(jī)件設(shè)計(jì)和加工時(shí)，盡量排除各種產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的因素，獲得殘余壓應(yīng)力層；減少金屬材料中S、P的含量。16.幾類磨損的特點(diǎn)，摩擦面形貌及提高耐磨性的方法答：粘著磨損：在滑動(dòng)摩擦條件下，當(dāng)摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度變小時(shí)發(fā)生。其摩擦副一方金屬表面常粘附一層很薄的轉(zhuǎn)移膜，并伴有化學(xué)成分變化磨粒磨損：當(dāng)摩擦副一方表面存在堅(jiān)硬的細(xì)微突起，或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時(shí)產(chǎn)生的一種磨損。其摩擦面上有明顯犁皺形成的溝槽沖蝕磨損：流體或固體以松散的小顆粒按一定的速度和角度對(duì)材料表

15、面進(jìn)行沖擊所造成的磨損。塑性材料表面出現(xiàn)短程溝槽和魚鱗狀小凹坑，變形層油微小裂紋磨蝕磨損：摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的形成和脫落引起磨蝕磨損。典型的為氧化磨損，在摩擦副表面接觸點(diǎn)處同時(shí)進(jìn)行塑性變形和氧的擴(kuò)散，摩擦面上沿滑動(dòng)方向呈勻細(xì)磨痕，磨損產(chǎn)物為紅褐色氧化鐵，或?yàn)榛液谏难趸F微動(dòng)磨損：接觸表面之間因存在小振幅相對(duì)振動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磨損。摩擦副接觸區(qū)有大量磨損粉末，摩擦面上還常常因接觸疲勞破壞而形成的麻點(diǎn)或蝕坑。提高耐磨性方法：表面形變強(qiáng)化、表面熱處理強(qiáng)化、化學(xué)熱處理強(qiáng)化、表面合金化、表面薄膜強(qiáng)化。17.影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素及提高高溫力學(xué)性能的方法答：合金化學(xué)成分：蠕變激活能高的金屬以