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&&&&&&&&《材料的力学性能》第一章材料的拉伸性能&&&&名词解释：&&&&比例极限?P，弹性极限?e，屈服极限?s，屈服强度?0.2，抗拉强度?b，延伸率?k，断面收缩率?k（P7-8），断裂强度?f（?k），韧度（P10）&&&&&&&&1、拉伸试验可以测定那些力学性能？对拉伸试件有什么基本要求？&&&&答：&&&&&&&&拉伸试验可以测定的力学性能为：弹性模量E，屈服强度σs，抗拉强度σb，延伸率δ，断面收缩率ψ。&&&&&&&&2、拉伸图和工程应力-应变曲线有什么区别？试验机上记录的是拉伸图还是工程应力-应变曲线？&&&&答：拉伸图和工程应力—应变曲线具有相似的形状，但坐标物理含义不同，单位也不同。拉伸图横坐标为伸长量（单位mm），纵坐标为载荷（单位N）；工程应力-应变曲线横坐标为工程应力（单位MPa），纵坐标为工程应变（单位无）。试验机记录的是拉伸图。&&&&1&&&&&&&&&&&&3、脆性材料与塑性材料的应力-应变曲线有什么区别？脆性材料的力学性能可以用哪两个指标表征？&&&&答：如下图所示，左图近似为一直线，只有弹性变形阶段，没有塑性变形阶段，在弹性变形阶段断裂，说明是脆性材料。右图为弯钩形曲线，既有弹性变形阶段，又有塑性变形阶段，在塑性变形阶段断裂，说明是塑性材料。&&&&&&&&脆性材料力学性能用“弹性模量“和”脆性断裂强度”来描述。&&&&&&&&4、塑性材料的应力-应变曲线有哪两种基本形式？如何根据应力-应变曲线确定拉伸性能？&&&&答：分为低塑性和高塑性两种，如下图所示。左图曲线有弹性变形阶段与均匀塑性变形阶段，没有颈缩现象，曲线在最高点处中断，即在均匀塑性变形阶段断裂，且塑性变形量小，说明是低塑性材料。右图曲线有弹性变形阶段，均匀塑性变形阶段，颈缩后的局集塑性变形阶段，曲线在经过最高点后向下延伸一段再中断，即在颈缩后的局集塑性变形阶段断裂，且塑性变形量大，说明是高塑性材料。&&&&&&&&2&&&&&&&&&&&&5、何谓工程应力和工程应变？何谓真应力和真应变？两者之间有什么定量关系？&&&&答：&&&&&&&&6、如何测定板材的断面收缩率？&&&&答：断面收缩率是材料本身的性质，与试件的几何形状无关，其测试方法见P8。&&&&&&&&7、颈缩发生后，如何计算真应力和真应变？&&&&答：P10上面&&&&&&&&补充：1、拉伸图、工程应力-应变曲线，真应力-真应变曲线有什么区别？&&&&答：拉伸图和工程应力-应变曲线具有相似的形状，但坐标物理含义不同，单位也不同。拉伸图横坐标为伸长量（单位mm），纵坐标为载荷（单位N）；工程应力—应变曲线横坐标为工程应力（单位MPa），纵坐标为工程应变（单位无）。工程应力-应变曲线和真应力-真应变曲线坐标单位相同，但坐标物理含义不同。工程应力-应变曲线一般呈现先升后降的变化趋势。真应力-真应变曲线呈现一直增大的趋势。真应力-真应变曲线在工程应力-应变曲线的左上方。&&&&&&&&2、工程材料在使用过程中不可避免会产生（弹性变形）；工程构件在生产过程中要（提高）材料的塑性，（降低）材料的强度；工程构件在使用过程中要（提高）材料的塑性，（提高）材料的强度。&&&&3&&&&&&&&&&&&3、拉伸试样的直径一定，标距越长，则测出的抗拉强度值会（不变），延伸率会（越低），断面收缩率会（不变）。4、能否由材料的延伸率和断面收缩率的数值来判断材料的属性：脆性材料、低塑性材料、高塑性材料？（P8）&&&&&&&&5、工程应力—应变曲线上b点的物理意义？试说明b点前后试样变形和强化的特点？&&&&答：工程应力-应变曲线上b点的纵坐标代表抗拉强度，定义为试件短裂前所能承受的最大工程应力。b点之前，试样的塑性变形是均匀的：哪里有变形，哪里就强化，难于再继续变形，变形便转移到别处，如此反复交替进行，就达到均匀变形的效果。b点之后，试样的塑性变形集中在颈缩区附近：由于形变强化跟不上变形的发展，于是从均匀变形转为集中变形，导致形成颈缩。&&&&&&&&第二章弹性变形与塑性变形（重点）&&&&名词解释&&&&1）比例极限σP，金属弹性变形时应变与应力成严格正比关系的上限应力；2）弹性极限σe，金属材料发生最大弹性形变时的应力值，当应力超过弹性极限，金属变开始发生塑性变形；3）弹性比功，又称为弹性应变能密度，是指金属材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力，是在开始塑性变形前单位体积金属所能吸收的最大弹性变形功，是一个韧度指标；4）弹性后效，弹性后效指的是材料在弹性范围内受某一不变载荷作用，其弹性&&&&4&&&&&&&&&&&&变形随时间缓缓增长的现象。在去除载荷后，不能立即恢复而需要经过一段足够时间之后才能逐渐恢复原状。材料越均匀，弹性后效越小；5）弹性滞后，金属在弹性区内加载卸载时，由于应变落后于应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，是为弹性滞后，封闭回线称为弹性滞后环。6）内耗，由于弹性滞后，加载时金属所吸收的弹性变形能大于卸载时所释放的弹性变形能，即有一部分变形能不可逆地为金属所吸收。这部分吸收的功就称为金属的内耗，其大小用弹性滞后环的回线面积度量。7）包申格效应，金属材料预先经少量塑性变形（1%~4%）后再同向加载，弹性极限与屈服强度升高；若反向加载，则弹性极限与屈服强度降低。&&&&&&&&1、金属的弹性模量主要取决于哪些因素？为什么说它是一个对组织较不敏感的力学性能指标？&&&&答：影响金属弹性模量的因素有纯金属的弹性模量，合金元素与第二相的影响；外部因素有温度，加载速率和冷变形的影响。1）纯金属的弹性模量：金属的弹性模量与原子间作用力和距离有关，主要决定于金属原子本性和晶格类型，随原子序数而发生周期性变化；1）合金元素：溶质原子可改变原子间作用力，进而影响弹性模量，但影响不大。2）温度：温度升高，原子间距增大，原子间结合力减弱，弹性模量下降。3）加载速率：弹性变形速率与声速相当，加载速率一般远小于声速，故基本不影响弹性模量。4）冷变形：稍稍降低金属的弹性模量，但影响不大。5）热处理：弹性模量可能增大可能减小，但影响不大。综上所述，金属的弹性模量主要取决于金属键本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，金属的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。&&&&&&&&2、今有45，35CrMo钢，灰口铸铁，哪个选作机床床身的材料？&&&&答：灰口铸铁，其内耗大，是消震能力很强的材料，有利于机器的稳定运转。&&&&注意：金属的内耗与材料消震能力相关，内耗越大，弹性滞后越大，消震能力越强。对于要求音响效果好的元器件，要保持长时间震动，用小内耗材料；对于一些仪器传感器，其内耗越小，灵敏度越高。&&&&5&&&&&&&&&&&&3、试阐述弹性极限，比例极限，屈服强度的意义、区别与测试方法&&&&答：屈服强度0.2：是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。（1）对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点的应力（屈服值）；（2）对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。大于此极限的外力作用，会产生颈缩，应变增大，将会使零件永久失效，无法恢复。当应力超过弹性极限后，进入屈服阶段后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到b点后（书P6，图4-1），塑性应变急剧增加，应力应变出现微小波动，这种现象称为屈服。如低碳钢的屈服极限为207MPa，当大于此极限的外力作用之下，零件将会产生永久变形，小于这个的，零件还会恢复原来的样子。&&&&其余见上面定义解释及书本对应章节。&&&&&&&&4、试述多晶体金属产生明显屈服的条件（P23）&&&&答：多晶体金属产生明显屈服的条件：1）材料变形前可动位错密度小，或虽有大量位错但被钉扎住，如钢中的位错为间隙原子、杂质原子或第二相质点所钉扎；2）压力敏感因素m小，即位错运动速率与外加应力之间有强烈依存关系，屈服现象越明显。&&&&注意：塑性变形初始阶段，由于可动位错密度少，为了维持高的应变速率，必须增大位错运动速率，因而要提高位错运动速率必须要有高的应力，这对应于“上屈服点”。接着塑性变形产生，位错大量增殖，为适应原先的形变速率，位错运动速率必然下降，相应的应力随之下降，从而产生了屈服降落的现象。对于bcc（体心）金属及其合金，位错运动速率应力敏感指数m’低，即位错运动速率变化所需应力变化大，屈服现象明显。而fcc（面心）金属及其合金，其位错运动速率应力敏感指数高，屈服现象不明显。因此bcc金属及其合金与fcc金属及其合金屈服行为不同。随含碳量的增加，屈服现象越来越不明显。这是由于随含碳量高，其组织中渗碳体含量增多，对基体起强化作用，使得材料屈服强度很高，塑性降低。&&&&6&&&&&&&&&&&&5、哪些因素影响金属材料的屈服强度？P24-26&&&&答：1）纯金属的屈服强度影响因素：点阵阻力、位错间交互作用阻力、晶界阻力；2）合金屈服强度的影响因素：固溶原子、第二相粒子、晶界阻力；3）其他因素：温度、加载速度、应力状态等。详细解答如下：（1）内因①金属本性及晶格类型：不同的金属及晶格类型，位错运动所受阻力（包括派纳力、位错间交互作用力）不同；②晶粒大小和结构：减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度提高，即细晶强化。屈服强度与晶粒尺寸之间符合H-P公式。③溶质元素：溶质元素的加入，使得晶格发生畸变，在溶质原子周围形成晶格畸变应力场，与位错应力场交互作用，阻碍位错运动，提高屈服强度，即固溶强化。④第二相：对于可变形的第二相质点，位错可以切过，使之同基体一起变形，由于质点与基体间晶格错排及位错切过第二相质点产生新的界面需要作功等原因，使得屈服强度提高。对于不可变形的第二相粒子，位错只能绕过，绕过质点的位错线在质点周围留下一个位错环，随着绕过质点的位错数量的增加，留下位错环的数量亦增加，相当于质点的间距减小，流变应力增大，屈服强度提高。颗粒半径越小，数目越多，间距越小，位错运动阻力越大，强化效应越大（2）外因①温度：升高温度，金属材料的屈服强度降低，但金属结构不同，变化趋势亦不同。Bcc结构的屈服强度具有明显的温度效应，即温度降低，屈服强度急剧上升。②应变速率：应变速率增大，金属的屈服强度增加③应力状态：切应力分量大，易于塑性变形，则材料的屈服强度低。不同应力状态下材料的屈服强度不同，不是材料性质的变化，而是材料在不同的条件下表现的力学行为不同。&&&&&&&&7&&&&&&&&&&&&6、为什么晶粒大小会影响屈服强度？P25&&&&答：因为位错间的交互作用力对屈服强度的影响很大，若将多晶体中的晶粒看作单晶体，因为晶界两侧的晶粒取向不同，单晶体中位错的运动会受阻于晶界，其中一个晶粒内滑移的位错并不能直接进入邻近晶粒，于是位错在晶界附近塞积，造成应力集中，当应力达到一定程度后才会激发相邻晶粒内的位错源开动，引起宏观的屈服应变。因此细化晶粒是提高金属屈服强度的有效办法，而且细化晶粒还可以提高塑性和韧度。&&&&&&&&7、弹性后效，弹性滞后和包申格效应有何实用意义？哪些金属和合金在什么情况下最容易出现这种状况？如何防止和消除？&&&&答：弹性后效，弹性滞后和包申格效应统称为弹性的不完善，指对于实际的金属材料，即使在弹性变形范围内，应变与应力也不呈严格的对应关系，应变不仅与应力有关，还与时间和加载方向有关。实用意义：对于弹性滞后，我们可以用内耗大的金属材料来作为消震材料。对于包申格效应，例如经微量冷变形的材料，如使用时的受力方向与原变形方向相反，应考虑弹性极限与屈服强度的降低。在加工过程中，使材料交替承受反向应力，以降低材料的变形抗力。另外对于研究材料的疲劳也很重要，因为疲劳失效是在反复交变加载的情况下出现的。当材料内部组织不均匀、晶体内残存应力或者加载速度很快的时候，很容易出现弹性的不完善，例如经淬火或者塑性变形的钢。防止办法：减少弹性后效的方法是长时间回火，若减弱或者消除包申格效应则进行较大的预应变，或在回复和再结晶温度下退火。&&&&&&&&8&&&&&&&&&&&&补充：1、包申格效应的解释？&&&&&&&&3、几个概念：&&&&材料的弹性常数是（E，G，υ）；影响弹性模量最基本的原因是（原子半径）；当合金中晶粒愈细小时，其（强度提高，韧性提高，耐热性降低，塑性提高）；多晶体金属塑性变形的特点是（非同时性，非均匀性，协调性）；位错增殖理论可用于解释（屈服现象）；细晶强化是非常好的强化方法，但不适用于（高温）。晶粒细化既可以提高材料的强度，又提高了它的韧性和塑性。两种既能显著强化金属又不会降低其塑性的办法：细化晶粒；第二相以弥散形式均匀强化。&&&&9&&&&&&&&&&&&4、高温拉伸为什么往往不测抗拉强度，只考察高温时的屈服强度？&&&&答：高温拉伸不是不测抗拉强度，抗拉强度包括了屈服强度和断裂强度，一般是根据材料和条件确定选用哪一个。高温拉伸选用屈服强度，是因为大多数材料在高温下蠕变性很大，出现断裂的点滞后太多，所以不以断裂强度表征拉伸性能。&&&&&&&&第三章其他静加载下的力学性能&&&&名词解释&&&&（1）应力状态柔度系数：在各种加载条件下，最大切应力τmax与最大正应力σmax之比，记为α，?max/?max，α拉伸α扭转α压缩。α值越大，应力状态越柔，越容易变形而不易开裂，即越容易处于韧性状态（韧断）；α值越小，则越倾向于脆性断裂。单向拉伸α=0.5；三向不等拉伸α0.5；扭转，α=0.8；单向压缩α=2；侧压α2。&&&&（任何复杂的应力状态都可以用切应力和正应力表示，这两种力对变形和断裂的作用不同，只有切应力才能引起材料的塑性变形，因为切应力是位错运动的驱动力，其对材料的变形和开裂起作用。而拉应力只促进材料的断裂。所以，切应力促进材料的塑性变形，对塑性增韧有利，而拉应力促进断裂，不利于塑性和增韧）P56&&&&&&&&（2）切变模量G，扭转比例极限τp，扭转屈服强度τ0.3，抗扭强度τb，真实抗扭强度tk，P31&&&&&&&&1、试综合比较单向拉伸、扭转、弯曲、压缩试验的特点。如何根据实际应用条件来选择恰当的试验方法衡量材料性能？&&&&答：（1）单向静拉伸试验（适用于塑性材料）温度、应力状态和加载速率确定，应力状态柔度系数α=0.5，适用于塑性变形抗力和切断强度较低的塑性材料。&&&&&&&&10&&&&&&&&&&&&（2）单向压缩（适用于拉伸时呈脆性的材料）应力状态软性系数α＝2，因此主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能测定，因为在拉伸状态下无法表现出其塑性变形，如铸铁、轴承合金、水泥、砖石等的力学性能。而对于拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂。脆性材料拉伸时产生垂直于载荷轴线的正断，塑变量几乎为零；压缩时能产生一定量的变形，沿与轴线呈45?方向断裂，具有切断特性。（3）弯曲（适用于脆性与低塑性材料）弯曲试验的试样形状简单、操作方便，常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。弯曲试样形状简单，操作方便；不存在拉伸试验时试样轴线与力偏斜问题，没有附加应力影响试验结果，可用试样弯曲挠度显示材料的塑性；弯曲试样表面应力最大，可灵敏地反映材料表面缺陷（缺陷处断裂），因此也常用于比较和鉴别渗碳和表面淬火等化学热处理机件的质量和性例如对于硬质合金，其硬度高，难以加工成拉伸试件，因此改用弯曲试验。对于陶瓷材料，在扭转/拉伸时需要将材料的断口在机器上夹紧，但对于脆性材料承受不了这样的力，因而改用弯曲试验，目前主要测定其抗弯强度作为评价陶瓷材料性能的指标。（4）扭转（可测定塑性材料和脆性材料的剪切变形和断裂的全部力学性能指标）圆柱形试样在承受扭矩时，在与试样轴线呈45度的两个截面上作用最大与最小正应力；在与轴线平行和垂直的截面上作用最大切应力。具有以下特点：①扭转的应力状态软性系数α=0.8，比拉伸时的α大，可用于测定拉伸时呈脆性的材料的塑性行为；②圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现象，所以能精确测定高塑性材料的变形抗力和变形能力，这在单向拉伸和压缩时无法做到；③能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能；④扭转试验是测定生产上所使用的大部分金属材料切断强度最可靠的方法。根据扭断断口宏观特征可以区分材料最终是正断还是切断；&&&&11&&&&&&&&&&&&2、在测试扭转的屈服强度时为什么采用τ0.3，而不是像测拉伸屈服强度σ0.2那样去测τ0.2？&&&&答：P31下面&&&&&&&&3、为什么说扭转试验可以大致判断出材料的tk与Sk的相对大小？能否根据扭转试验中试样的断口特征分析引起开裂的力的特征？&&&&答：真实抗扭强度-tk，正断抗力指标（抗拉脆断强度）-Sk。扭转实验可以明确地区分材料的断裂方式，根据tk和Sk比值可以估算应力状态柔度系数α，若tk较大，表现为切断，若Sk较大，表现为正断。其断口图见P33。&&&&&&&&4、哪些材料适合进行抗弯试验？抗弯试验的加载形式有哪两种？各有何特点？&&&&答：抗弯试验适合于测定铸铁、硬质合金、陶瓷等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。抗弯试验的加载形式：1、三点弯曲优点：方法简单；缺点：试件总在最大弯距附近处断裂，不能反映材料的缺陷。2、四点弯曲优点：试件通常在两加载点之间具有组织缺陷处断裂，能较好的反映材料的性质，实验结果也较精确。缺点：操作复杂，必须注意加载的均衡。&&&&&&&&5、为什么拉伸试验时所得到的条件应力-应变曲线位于真实应力-应变曲线之下？而压缩试验时正好相反？&&&&答：条件应力是载荷除以试件的原始截面积（σ＝P/A0）。真实应力是载荷除以瞬时截面积（S＝P/A）。（1）拉伸试验时，A0A，故σS，条件应力-应变曲线位于真实应力-应变曲线之下；（2）压缩试验时，A0A，故σS，条件应力-应变曲线位于真实应力-应变曲线之上。&&&&&&&&12&&&&&&&&&&&&6、欲用冲床从某薄钢板上冲剪出一定孔径的孔，在确定需要多大的冲剪力时应采用材料哪种力学性能指标？采用何种试验方法测定它？答：抗剪切性能，P36。补充：&&&&1、采用三点弯曲和四点弯曲对同样材料在进行弯曲试验所得到的结果，前者高；&&&&&&&&第四章材料的硬度&&&&1、硬度的定义是什么？硬度试验有哪些特点？&&&&&&&&2、试比较布氏、洛氏、维氏硬度试验原理的不同之处，说明他们的优缺点和应用范围。&&&&答：（1）布氏硬度试验的原理是用一定直径D(mm)的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力F(N)，将其压人试样表面，经规定保持时间t后卸除试验力，试样表面将残留压痕，用试验力F（单位：N）除以压痕球形表面积A所得的商，即布氏硬度值：&&&&&&&&当压力和压头直径一定时，压痕直径越大，布氏硬度值越低，即变形抗力越小（越软）；反之，布氏硬度值越高。优点：1）压痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能，不受个别微区不均匀性的影响，所以分散性小，重复性好；2）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。缺点：1）压痕较大，不宜在零件表面、薄壁件上测定布氏硬度；&&&&&&&&13&&&&&&&&&&&&2）对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径测量也较麻烦，用于自动检测时受限。（2）洛氏硬度试验用圆锥角为120°的金刚石圆锥体或一定直径的小淬火钢球压入试样表面，直接测量压痕深度，测量压痕深度表示材料的硬度值，压痕愈浅表示材料愈硬。洛氏硬度测试时试件表面应当为平面，在球面或者圆柱面上测试时比真实值要低。优点：操作简便、迅速，硬度值可直接读出；压痕小，可在工件上直接进行试验；加有预载荷，可消除表面轻微不平度对试验的影响；采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属和厚薄不易的试样的硬度。其缺点：压痕小，对材料组织不均匀性敏感，测试结果分散，重复性差；用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。（3）维氏硬度试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头不是球体，而是两对面夹角为136°的金刚石四棱锥体。优点：不存在布氏试验时要求试验力与压头直接之间所规定条件的约束，也没有洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端；维氏硬度试验时试验力任意可取，压痕测量精度高，硬度值较精确。缺点：硬度值需要测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，工作效率比洛氏硬度要低。&&&&&&&&3、布氏、洛氏、维氏硬度压头形状有什么区别？其硬度用什么符号表示？说明其符号的意义&&&&答：（1）压头形状布氏硬度压头是球形；洛氏硬度压头有两类，顶角为120°金刚石圆锥体和钢球压头；维氏硬度压头为金刚石制成的四方角锥体，两相对面间的夹角为136°。（2）符号表示①布氏硬度：压头为淬火钢球，HBS；压头为硬质合金球，HBW。&&&&14&&&&&&&&&&&&HBS或HBW之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为压头直径、压力和保持时间。例：150HBSl0／3000／30，表示用10mm直径淬火钢球，加压3000kgf，保持30s，测得布氏硬度值为150；500HBW5／750，表示用5mm直径硬质合金球，加压750kgf，保持10-15s（保持时间为10-15s，不加标注），测得布氏硬度值为500。②洛氏硬度：测定HRC采用金刚石压头，设在试件表面留下的残余压痕深度为t。规定：t＝0.2mm时，HRC＝0；t＝0，HRC＝100，压痕深度每增0.002mm,HRC降低1个单位。于是有：HRC＝(0.2-t)／0.002＝100-t/0.002③维氏硬度：表示方法与布氏硬度的相同。例：640HV30／20，最前数字为硬度值，后面数字依次为载荷/保持时间。&&&&&&&&4、同一材料用不同的硬度测试方法所测得的硬度值有无确定的对应关系？为什么？有两种材料的硬度分别为200HBS10/1000和45HRC，问哪一种材料硬？&&&&答：无确定的对应关系。硬度不是一个有明确物理意义的性能指标，而是包括了许多力学行为在内的一个综合性的概念。用不同的硬度试验方法测量不同的材料，材料内部所发生的力学行为不同，其实际含义也不同。由于各种硬度的测试条件不同，因此相互之间没有换算公式，但根据计算结果可知有1HRC≈10HB≈10HV，所以后者硬度高。&&&&&&&&5、一个直径10mm的圆柱试样在端面和圆周侧面上所测得的洛氏硬度值是否相等？以哪个为准？&&&&答：不相等，洛氏硬度测试时试件表面应当为平面，在球面或者圆柱面上测试时比真实值要低，修正关系见P42.6、现有如下工件需要测试硬度，选用何种方法较为合适？（1）渗碳层的硬度分布（2）灰铸铁（3）淬火钢件（4）龙门刨床导轨（5）氮化层（6）仪表小黄桶齿轮（7）双相钢中的铁素体和马氏体（8）高速钢刀具（9）硬质合金（10）退火态下的软钢7、下列硬度的要求或者写法是否妥当？如何改正？HBW180-240，HRC12-15，HRC70-75，HRC45-50kgf/mm2，HBS470-500&&&&15&&&&&&&&&&&&补充：&&&&1、工程中测定材料的硬度最常用（压入法）。2、同种材料的（布氏与维氏）硬度可相互参比。3、与抗拉强度之间存在相互关系的是（布氏硬度）。&&&&&&&&第五章断裂（重点）&&&&1、说明下列术语之间的关系：（1）微孔聚集型断裂（2）解理断裂（3）韧性断裂（4）脆性断裂（5）穿晶断裂（6）沿晶断裂&&&&答：1）根据断裂前是否发生宏观塑性变形，分成“韧性断裂”和“脆性断裂”；2）根据引发断裂的原因和断裂面取向，分成“正断”和“切断”；3）裂纹扩展路线，分成“穿晶断裂”和“沿晶断裂”；4）根据断裂的微观机制，分成“微孔聚合型延性断裂”、“解理断裂”和“沿晶断裂”；&&&&&&&&16&&&&&&&&&&&&2、Griffith理论（P50）&&&&实际材料中总是存在许多细小的裂纹或者缺陷，在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近产生应力集中现象。当应力达到一定程度时，虽然此时应力值对于材料理论强度而言并不高，但裂纹尖端的局部应力已经达到很高的数值，从而使裂纹快速扩展，导致了材料的断裂。也就是说，裂纹并不晶体同时沿整个原子面拉断，而是裂纹沿着某一存在缺陷的原子面发生扩展的结果，根据这一理论可以解释为什么固体材料实际强度低于理论值。Griffith理论可以解释的现象：1）刚拉出来的玻璃试样弯曲强度为6GPa，空气中防止几小时后变为0.4GPa，下降的原因是因为“大气腐蚀”以及空气中灰尘等颗粒与试样表面的接触使得试样表面形成裂纹。2）用温水溶去NaCl表面的缺陷，强度由5MPa提升至1.6GPa。3）一根石英玻璃丝切割成不同长度的几段，越短强度越高，这是因为试件长，含有危险裂纹的机会就越多。大试件强度偏低，这就是尺寸效应。&&&&&&&&3、延性断口由哪几个区域组成？各区的形貌有何特点？&&&&答：延性断口由纤维区、放射区、剪切唇区三个区域组成。纤维区形貌：与拉伸方向垂直，表面无金属光泽，凹凸不平；放射区形貌：表面有放射线花样，放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端的轮廓线，并逆指向裂纹源。剪切唇区形貌：与拉伸方向呈45度，表面光滑。&&&&17&&&&&&&&&&&&4、试述韧性断裂和脆性断裂有何区别？工程构件中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，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。韧断的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成450，断口呈纤维状，灰暗色，其断面收缩率大于5%。其宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成。其韧性断裂的微观机制是微孔聚集型断裂，可以观察到韧窝。脆性断裂是突然发生的断裂，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。脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状，其断面收缩率小于5%。其断裂机制为解理断裂，可以观察到解理台阶、河流花样和舌状花样等微观特征。由于脆性断裂发生时没有明显征兆，不易于提前发现和预防，因此在实际工程应用上具有极大的危害性，最为危险。&&&&&&&&5、解理断裂和剪切断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不一样？&&&&答：裂纹穿过晶内的断裂为穿晶断裂。剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。断裂前发生了明显塑性变形，其宏观断裂形态表现为韧性断裂。解理断裂是金属材料在一定条件下（如低温），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。其宏观断裂形态一般为脆性断裂。&&&&&&&&6、宏观脆性断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？&&&&答：断裂面与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。其微观特征：河流状花样，舌状花样。对河流状花样，“河流”顺流方向与裂纹扩展方向相同，故可以从河流的反方向去寻找断裂源。下图中河流状花样断裂源在右上方&&&&&&&&18&&&&&&&&&&&&7、试述微孔聚集型断裂的全过程，若材料的基体塑性相同，第二相质点密度大小对断口中韧窝的大小和深浅有何影响？&&&&答：微孔聚集型断裂的全过程：①微孔形核：当拉伸载荷达到最大值时，试样发生颈缩。在颈缩区形成三向拉应力状态，且在试样的心部轴向应力最大。在三向应力的作用下，试样心部的夹杂物或第二相质点破裂，或者夹杂物或第二相质点与基体界面脱离，最终形成微孔。（第二相粒子的存在，是微孔成核的源）②微孔长大：增大外力，微孔在纵向与横向均长大③微孔聚合：微孔不断长大并发生联接而形成大的中心空腔。最后，沿45°方向切断。第二相质点密度越大，韧窝尺寸越小。材料塑性好，则韧窝深。&&&&&&&&8、临界断裂应力σc与抗拉强度σb有何区别？&&&&答：σc是材料裂纹产生失稳扩展的断裂强度，在应力应变曲线上为断裂时的强度值。σb是金属材料在拉伸中对最大均匀塑性变形的抗力，在应力应变曲线上为最大力所对应的应力。&&&&&&&&9、在什么样的条件下易出现沿晶断裂？怎么样才能减小沿晶断裂倾向？（P50）&&&&答：裂纹扩展总是沿着消耗能量最少，即原子结合力最弱的区域进行的。一般情况下，晶界不会开裂，发生沿晶断裂势必是由于某种原因降低了晶界结合强度。一般造成该现象的原因有：1）晶界存在连续分布的脆性第二相；2）微量有害杂质元素在晶界上偏聚；3）由于环境介质损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶&&&&19&&&&&&&&&&&&界造成损伤。因此减小应力腐蚀、氢脆以及回火脆性等缺陷都可以减小沿晶断裂的倾向。沿晶断裂断口形貌呈冰糖状，如下图所示：&&&&&&&&补充：&&&&&&&&7、韧性材料在什么样的条件下可能变成脆性材料（b）a)增大缺口半径b)增大加载速度c)升高温度d)减小晶粒尺寸8、面心立方晶格金属因为滑移系多，因此塑性、韧性好，而体心立方和密排六方金属的塑性、韧性较差。9、钢中含碳质量分数增加，塑性变形抗力增加，冲击韧性降低。P5810、细化晶粒可同时提高强度，塑性，韧性。&&&&&&&&20&&&&&&&&&&&&第七章断裂韧性（重点）&&&&名词解释&&&&1）低应力脆断：断裂应力低于屈服强度，即低应力脆断；&&&&&&&&1、何谓应力强度因子，其表达式的一般形式如何？&&&&答：对于张开型（I型）裂纹，若裂纹体的材料一定，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，与共同因&&&&子KI有关。对于确定的点，即“裂纹尖端”附近某一点的位置也给定，则该点的各应力分量唯一地决定于KI之值，KI值越高，则该点各应力、位移分量越高。这样KI就可以表示“裂纹尖端”弹性应力场强弱程度，称为应力强度因子，它和裂纹尺寸、构件几何特征以及载荷有关。应力强度因子概念的提出可成功地解释低应力脆断事故。其中张开型（I型）裂纹应力强度因子KI是线弹性断裂力学中一个重要断裂参量，因为I型裂纹扩展所需应力小，属于最危险情况，容易发生。除了KI，对应还有KII和KIII，分别别剪切形和撕裂形。对于KI其计算公式为：&&&&&&&&KI2?a?Y?c&&&&上式中Y为几何形状因子，与裂纹型式、试件几何形状有关，?为试件承受的应力，c为最大裂纹尺寸。求KI的关键是求Y，各种不同的裂纹系统的Y值计算方法已编成册子，可查阅。试件和裂纹几何形状、加载方式不同，KI的表达式也不同，见书P74。&&&&&&&&2、线弹性断裂力学，定义？如何计算？&&&&答：因KI由线弹性理论推出，所以一般只适用于线弹性材料的断裂。由此建立起来的理论称为线弹性断裂力学。注意，其中KIC是一个材料常数，称为“平面应变断裂韧性”，对于一种固定的材料都有一个KIC值，另一方面KIC也是应力强度因子临界值。KIC反映了含有裂纹的材料对外界作用的一种抵抗能力，也可以说是阻止裂纹扩展的能力，是材料的固有属性。&&&&21&&&&&&&&&&&&当应力σ和裂纹尺寸a单独或者共同增大时，KI和裂纹尖端各应力分量也随之增大。在某个具体状态下，KI已增大到临界值，这时在裂纹尖端足够大的范围内，应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展进而导致材料断裂。这个临界失稳状态的KI值记为KIC或者KC，即断裂韧度。1）当KI=KIC时，裂纹体处于临界状态，裂纹可能扩展也可能不扩展，这取决于后续能量的增减；2）当KIKIC时，裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹会失稳扩展导致材料断裂，称为KIC判据。P78&&&&&&&&补充：&&&&KI参数的建立主要是因为裂纹的引入改变了周围应力、应变的分布，使得“抗拉强度”不能再作为评价材料是否失效的标准。而KIC指的是含有裂纹的物体，在断裂之前裂纹尖端所承受的最大应力强度因子，由于在线弹性范围内，KIC是一个临界值，即一旦KI超过KIC，则裂纹将迅速失稳，扩展，断裂。因此，裂纹尖端的应力强度因子KI越大，不代表说这个材料中裂纹容易扩展，只能说明这个时候裂纹尖端的应力集中越明显，至于裂纹会不会扩展、容不容易扩展，还要看材料的断裂韧性KIC。KIC称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称为平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。它们都是I型裂纹的材料断裂韧性指标。&&&&&&&&4、试述KIC判据的意义和用途&&&&答：①意义：将材料的断裂韧度KIC同机件或（构件）的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来了；②用途：可解决裂纹体的断裂问题。如可以估计裂纹体的最大承载能力，允许裂纹尺寸c及材料的断裂韧度KIC等。实例：有一个构件，实际使用应力1.3GPa，有两种待选钢材：甲钢屈服强度&&&&&&&&?ys?1.95GPa，KIC=45MPa·m-1/2；乙钢屈服强度?ys?1.56GPa，KIC=75MPa·m-1/2。&&&&根据传统的理论，肯定是选用屈服强度高的甲钢。但是根据断裂力学的观点，构&&&&22&&&&&&&&&&&&件的脆性断裂是裂纹扩展的结果，所以应该计算KI和KIC之间的大小。设两种钢中最大裂纹尺寸c为1mm，相应的裂纹几何形状因子Y=1.5，且已知KI?Y?c，得断裂应力?c?KIc/Yc，甲钢的断裂应力按此计算为1GPa，乙为1.67GPa，甲钢材的1GPa1.3GPa，所以甲不安全，要选乙。对于大多数无机材料而言，如陶瓷，其断裂韧性KIC值较小，一般在0.5~15MPa·m1/2之间，所以其断裂应力?c较低，当材料中存在很小的一条裂纹时即可导致断裂。例如Al2O3多晶体的断裂韧性只有3MPa·m1/2，如果要求材料在500MPa条件下工作，根据断裂应力?c?KIc/Yc?500MPa，取Y，可得材料中固有裂纹尺寸不能超过12m，这对于材料制备提出了很高的要求。因此我们希望陶瓷的断裂韧性能够大一些，以防止其发生低应力下的脆断，这就涉及到陶瓷的增韧，见书P193。&&&&&&&&5、分析无机材料显微结构对断裂韧性的影响？（无机材料物理性能，P63）&&&&答：绝大多数无机材料的断裂韧性都比较低，例如对于陶瓷材料其断裂韧性KIC值按下式估算：（P192）&&&&KIC?[2E?(12)]1/2&&&&&&&&造成陶瓷等无机材料断裂韧性值低的其根本原因是在裂纹扩展过程中，除了形成新表面消耗能量之外，传统的无机材料中几乎就没有其他任何可以显著消耗能量的机制。而对于金属材料断裂要吸收大量塑性变形能，而塑性变性能比表面能要高几个数量级，所以其断裂韧性KIC值会比陶瓷高1~2个数量级。1）裂纹偏转与裂纹偏转增韧裂纹扩展过程中扩展方向发生变化称为裂纹偏转，由于裂纹偏转而导致的材料断裂韧性提高称为裂纹偏转增韧。大多数无机材料中，由于晶界间的结合力一般小于晶粒内部原子的结合力，固有裂纹大多存在于晶界处。当发生沿晶断裂时，固有裂纹沿晶界扩展时将具有曲折的路径，裂纹扩展途径的延长将导致裂纹扩展过程中消耗的能量增多，表观断裂表面能增大，相应地，断裂韧性有所增加。晶粒尺寸的增大在增大表观断裂表面能时，也会使得固有裂纹尺寸可能由于&&&&23&&&&&&&&&&&&晶粒尺寸的增大而增大，总得效果是材料断裂韧性提高了，但材料的断裂强度下降。2）裂纹桥接与裂纹桥接增韧导致裂纹桥接的组元有大晶粒、纤维、晶须、第二相延性颗粒。比如说裂纹扩展过程中遇到大晶粒，其存在相当于在两个相对裂纹面之间架了一座桥，随着裂纹的进一步扩展，两个相对裂纹面之间距离的增大必然受到晶粒的这种“架桥”作用的抑制，宏观上就表现为提高了材料的扩展阻力。由裂纹桥接导致的材料断裂韧性的提高称为桥接增韧。3）微裂纹增韧，相变增韧材料中均匀分布的微裂纹和主裂纹联接，将使裂尖钝化（主裂纹分叉），改变了主裂纹尖端的应力场，并使主裂纹扩展路径曲折，增加了扩展过程中的表面能，总而使裂纹快速扩展受到阻碍，增加了材料的断裂韧性。ZrO2颗粒小到一定值时，足以使相变温度降到室温以下，陶瓷基体中的四方ZrO2颗粒可以一直保持到室温。裂纹扩展时，处于裂纹尖端区域的四方ZrO2发生t-m的相变和体积膨胀，相变要吸收能量，而体积膨胀可以松弛裂纹尖端的拉应力，甚至产生压应力，从而提高了材料对裂纹扩展的抗力，改善了材料的断裂韧性。&&&&&&&&6、简述无机材料中（以陶瓷为例）“裂纹成核”的因素（笔记）&&&&答：在前面介绍Griffith理论，应力强度因子KI，断裂韧性KIC时都是针对裂纹进行分析的，但没有涉及到裂纹的来源，这里简单介绍下裂纹成核因素：1）室温下，制备过程中引入，如机械加工、冲撞引入裂纹；2）中温下，位错成核引入裂纹；3）高温下，高温蠕变引入位错和裂纹；其中制备过程中引入裂纹可分为以下三种情况：1）热压烧结：缺陷、夹杂物、加工缺陷、非均匀物质；2）无压烧结：气孔；3）气相沉积：表面缺陷，晶粒间界，分层该部分内容另见《无机材料物理性能》P36--“无机材料中微裂纹起源”&&&&&&&&24&&&&&&&&&&&&7、简述无机材料裂纹“亚临界扩展”（缓慢扩展）&&&&答：无机材料中的裂纹在受到外力作用时，除了发生“快速失稳扩展”和“稳态扩展”之外，在一定条件下还会发生一种扩展速率相对较慢的“亚临界扩展”（缓慢扩展）。裂纹的亚临界扩展是一个与时间有关的过程，材料在受到一个恒定的外加应力?a（低于其自身断裂强度）的作用时，虽然不会发生瞬时断裂，但随着时间的延续，裂纹扩展持续发生，最终在外力作用一段时间后突然断裂。这种滞后于外力作用的断裂现象称为“延迟断裂”。这种延迟断裂现象其实就对应于陶瓷的静态疲劳，即在持久恒定载荷（低于断裂强度）的作用下发生的失效断裂。对于绝大多数无机材料而言，在室温下发生延迟断裂一般都是由于材料中存在固有裂纹在外力作用下发生缓慢扩展导致的，这种裂纹从“初始尺寸”经亚临界扩展发育到“临界尺寸”并最终导致材料断裂所需的时间称为断裂寿命，断裂寿命的预测见《无机材料物理性能》P76。&&&&&&&&8、裂纹的亚临界扩展机理（《无机材料物理性能》P72）&&&&答：1）低温下，应力腐蚀扩展理论在应力作用下，裂纹尖端处原子键受力而处于高能状态，裂纹尖端处的材料与腐蚀介质起化学反应引起破坏。这种由外力作用诱发的化学反应导致的裂纹亚临界（缓慢）扩展过程通常称为应力腐蚀裂纹扩展，是一个外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破坏过程。2）高温下，裂纹缓慢扩展机理在高温下，晶界玻璃相的黏度下降，在裂纹尖端处，由于局部的应力集中，除了晶相的蠕变变形加大之外，晶界玻璃相将发生黏滞流动。在黏滞流动的过程中，材料中存有的气孔或者是由于黏滞流动而相应形成的气孔空腔被拉长，并向裂纹尖端处移动，与主裂纹汇合，这在宏观上就表现为裂纹尖端缓慢向前移动。&&&&&&&&25&&&&&&&&&&&&9、裂纹的“亚临界扩展”与裂纹“稳态扩展”之间有何不同？&&&&答：两者之间有着本质的不同，从以下几方面理解：1）亚临界扩展是一个与时间有关的过程，在外加应力恒定情况下，随着时间的延续裂纹扩展持续进行，最终导致材料断裂；2）而稳态扩展是一个与时间无关的过程，在一定的外力下，裂纹很快扩展到相应尺寸，并且此时裂纹扩展阻力和外加裂纹扩展动力之间达到平衡，只有进一步提高外力才能导致裂纹进一步扩展；3）裂纹的亚临界扩展导致材料断裂强度降低，而裂纹的稳态扩展不会导致材料强度降低；&&&&&&&&10、可采取怎么样的技术措施提高材料的断裂韧性KIC值？&&&&答：金属的韧化，即增韧。见书P83。&&&&&&&&11、试比较静力韧度，缺口冲击韧度，断裂韧度的异同点和它们用来衡量材料韧度的合理性&&&&&&&&第八章金属的疲劳&&&&1、用哪几个参数表示应力的循环特征？&&&&答：应力幅σa，应力范围?σ，平均应力σm，应力比R，P91。&&&&&&&&2、疲劳寿命曲线如何测定？如何定量地表示？&&&&答：P92&&&&&&&&3、什么是低循环疲劳、高循环疲劳？&&&&答：P92&&&&&&&&4、工程中如何定义疲劳极限？如何测定？&&&&答：在指定的疲劳寿命Nf值下，试件所能承受的上限应力幅值（最大应力幅值σa）称为“疲劳极限”。对于结构钢，指定寿命常取Nf=107cycles。&&&&26&&&&&&&&&&&&5、“循环应力比”或“平均应力”对疲劳寿命和疲劳极限有何影响？如何定量地表示应力比对疲劳寿命和理论疲劳极限的影响？&&&&答：在给定的应力幅下，随着平均应力升高，疲劳寿命缩短，疲劳极限降低，对于给定的疲劳寿命，平均应力升高，材料所能承受的应力幅值降低。平均应力对疲劳极限的影响，Goodman公式：&&&&&&&&?a?1(1m/?b)&&&&上式中?a表示疲劳极限，1表示在应力比R=-1时测定的疲劳极限，?m表示平均应力。具体影响见P94&&&&&&&&6、疲劳失效过程可以分为哪几个阶段？并简述各阶段的机制&&&&答：疲劳失效过程可以分成三个主要阶段：疲劳裂纹形成，疲劳裂纹扩展，当疲劳达到临界尺寸时发生最终断裂。具体见P97。&&&&&&&&7、试述疲劳微观断口的主要特征&&&&答：断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称疲劳条带（疲劳条纹、疲劳辉纹）。疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征。滑移系多的面心立方金属，其疲劳条带明显；滑移系少或组织复杂的金属，其疲劳条带短窄而紊乱。疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型（Laird模型）：(a)在交变应力为零时裂纹闭合；(b)受拉应力时，裂纹张开，在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移；(c)裂纹张开至最大，塑性变形区扩大，裂纹尖端张开呈半圆形，裂纹停止扩展。由于塑性变形裂纹尖端的应力集中减小，裂纹停止扩展的过程称为“塑性钝化”；(d)当应力变为压缩应力时，滑移方向也改变了，裂纹尖端被压弯成“耳状”切口；(e)到压缩应力为最大值时，裂纹完全闭合，裂纹尖端又由钝变锐，形成一对尖角。&&&&&&&&27&&&&&&&&&&&&8、如何延长裂纹形成寿命？有哪些技术措施既延长“裂纹形成寿命”又延长“裂纹扩展寿命”？&&&&答：零件的疲劳寿命由“疲劳裂纹形成寿命Ni”和“裂纹扩展寿命Np”两部分组成。但对于很多材料，尤其是高强度材料制成的构件中，裂纹形成寿命在疲劳寿命中占主要部分。延长裂纹形成寿命的措施如下：（P108）（1）细化晶粒随着晶粒尺寸的减小，合金的裂纹形成寿命和疲劳总寿命延长。因为晶粒细化可以提高金属的微量塑性抗力，使塑性变形均匀分布，因而延缓疲劳微裂纹的形成。再则，晶界有阻碍微裂纹长大和联接作用。（2）减少和细化合金中的夹杂物减少和细化合金中的夹杂物颗粒，可以延长疲劳寿命。（3）微量合金化向低碳钢中加铌，大幅提高钢材的强度和裂纹形成门槛值，大幅度地延长裂纹形成寿命。（4）减少高强度钢中的残余奥氏体因为奥氏体比较软。（5）改善切口根部的表面状态（6）孔挤压强化&&&&28&&&&&&&&&&&&疲劳裂纹常在孔边形成，因而对孔壁进行冷挤压，在孔边造成残余压应力并使孔边材料发生强化，从而延长裂纹形成寿命。（7）表面喷丸，激光脉冲强化，离子注入。&&&&&&&&9、试述金属表面强化对疲劳强度的影响&&&&答：表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力，同时还能提高机件表面的强度和硬度，这两方面的作用都能提高疲劳强度。表面强化方法，通常有表面喷丸、滚压、表面淬火及表面化学热处理等。（1）表面喷丸及滚压喷丸是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硬化；同时因塑变层周围的弹性约束，又在塑变层内产生残余压应力。表面滚压和喷丸的作用相似，只是其压应力层深度较大，很适于大工件；而且表面粗糙度低，强化效果更好。（2）表面热处理及化学热处理除能使机件获得表硬心韧的综合力学性能外，还可以利用表面组织相变及组织应力、热应力变化，使机件表面层获得高强度和残余压应力，更有效地提高机件疲劳强度和疲劳寿命。&&&&&&&&第十二章复合材料的力学性能（重点）&&&&&&&&①并联模型，纤维与基体有相同的应变；②串联模型，纤维与基体有相同的应力。对于单向连续纤维复合材料，它有五个特征强度值，即纵向抗拉强度、横向抗拉强度、纵向抗压强度、横向抗压强度、面内抗剪强度，这些强度在宏观尺度上是彼此无关的。它还有四个特征弹性常数，即纵向弹性模量、横向弹性模量、主泊松比、切变模量，这四个弹性常数也是彼此独立的。可见，单向连续纤维复合材料有9个基本性能指标。&&&&29&&&&&&&&&&&&复合材料的性能特点1、高比强度、比弹性模量；2、各向异性；3、抗疲劳性能好；4、减振性能好；5、可设计性强。&&&&&&&&1、何谓“混合定则”？它是在什么前提下推导出来的？&&&&答：EL?EfbVfb?EmVm，其中EL表示复合材料纵向模量，Efb表示纤维纵向模量，Em表示基体纵向模量，表明纤维和基体对复合材料的力学性能所做的贡献与他们的体积分数成正比，这种关系成为混合定则。其前提是假设纤维和基体结合良好，在受力时，在与纤维相同方向上各组分应变相等。&&&&&&&&2、单向连续纤维复合材料的纵向应力-应变曲线&&&&&&&&基体、纤维和单向连续纤维复合材料的拉伸应力-应变曲线，如上图所示。可以看出，复合材料的应力-应变曲线处于基体和纤维的应力-应变曲线之间，且其位置取决于纤维的体积分数。如果纤维的体积分数越高，复合材料的应力-应变曲线越接近于纤维的应力-应变曲线；反之，当基体的体积分数越高时，复合材料的应力-应变曲线越接近于基体的应力-应变曲线。单向连续纤维复合材料在拉伸载荷下的变形和断裂过程，可以分为四个阶段：1）在第Ⅰ阶段，纤维和基体都是弹性变形；2）在第Ⅱ阶段，基体发生了屈服、即为非弹性变形，但纤维仍处于弹性变形。该部分可能占应力-应变曲线的大部分，特别是金属基复合材料，大多数复&&&&30&&&&&&&&&&&&合材料服役时处于该范围；3）在第Ⅲ阶段，纤维与基体均为非弹性变形。对于脆性纤维，观察不到该阶段4）在第Ⅳ阶段，因为纤维的断裂应变?fu基体断裂应变?mu，所以纤维先于机体断裂，随后复合材料基体因不能承受外力而完全失效。所以是：纤维发生断裂，随之复合材料也发生断裂。&&&&玻璃纤维、碳纤维、硼纤维性和陶瓷纤维增强的热固性树脂基复合材料的应力-应变曲线只有第Ⅰ和第Ⅳ阶段；而金属基和热塑性树脂基复合材料，会出现第Ⅱ阶段。对于脆性纤维增强的复合材料，观察不到第Ⅲ阶段；但韧性纤维增强的复合材料，会出现第Ⅲ阶段。&&&&&&&&2、纤维的体积分数值对于复合材料的纵向抗拉强度有何影响？如何确定临界纤维体积分数？&&&&答：根据负荷材料的应力应变曲线可知，当变形进入II阶段后，纤维仍处于弹性状态，但基体已产生塑性变形。下图所示的是脆性纤维、基体和复合材料各自的变形特征：&&&&&&&&从上图中可知，纤维的断裂应变?fu基体断裂应变?mu，因此随着变形的增加，纤维中的载荷增加较快，达到纤维的抗拉强度?fu时，纤维断裂。纤维断裂后我们认为基体不能支持整个复合材料中的载荷，复合材料也随之破坏。因此复合材料的抗拉强度?Lu为：&&&&*?LufuVfbm?(1?Vfb)&&&&&&&&31&&&&&&&&&&&&根据上图可知?m为基体应变等于纤维断裂应变时基体所承受的应力。对于该公&&&&*&&&&&&&&式，我们认为复合材料主要由纤维承载，纤维断裂时整个复合材料也失效。可知，当纤维的临界体积分数Vfb较低时，纤维承受不了很大的载荷即发生断裂，而由基体承受载荷。然而由于纤维占去了一部分体积，故复合材料的断裂载荷反而较全部是基体时所能承受的小。这就导致了当材料中纤维数太少时反而会降低复合材料的整体力学性能，其存在一个临界体积分数Vcr。复合材料抗拉强度?Lu应大于基体单独使用时的抗拉强度?mu：&&&&*?LufuVfbm?(1?Vfb)mu&&&&&&&&可得到临界纤维体积分数：&&&&*?mumVcr?*?fum&&&&&&&&但同时，纤维体积分数太高时，基体不可能润湿和渗透纤维束，导致基体与纤维结合不佳造成复合材料强度降低，因此增强纤维的体积分数不可能太高，一般在30%~60%左右。上面求得的Vcr对应于下图中的B点，即当纤维体积分数VfbVcr时，按&&&&*?(1?Vfb)计算得到的复合材料的抗拉强度?Lu?mu。照?LufuVfbm&&&&&&&&但对于实际情况，由于纤维占据了一部分体积，基体体积分数为1-Vfb，所以等到纤维全部断裂时，复合材料的抗拉强度均由基体承受，此时复合材料的抗拉强度为：&&&&&&&&?Lumu(1?Vfb)&&&&也就是说剩余基体还是能承受一定的力，不是纤维断裂后复合材料马上失效。下图中点E表示“最小纤维体积分数”Vmin，VminVcr。&&&&&&&&32&&&&&&&&&&&&*?LufuVfbm?(1?Vfb)mu(1?Vfb)，得：&&&&&&&&Vmin?&&&&&&&&*?mum*?fumum&&&&&&&&3、哪些因素影响复合材料的刚度和强度？&&&&答：P164。&&&&&&&&4、正轴应力-应变关系可用哪些参数来表示？&&&&答：P161，图12-3。&&&&&&&&6、复合材料铺层设计时要注意哪些问题？&&&&答：铺放顺序的细节设计，合理设计纤维铺层角度，可以优化局部部件的力学性能及其他性能。要注意如下细节：1）铺层角的均匀性；2）同一铺层方向的数量要求；3）铺层的对称性；4）铺层角的均匀分布；5）铺层层间角度的偏差；6）限制最大连续铺层数；7）铺层过渡区的细节设计。&&&&&&&&7、短纤维增强复合材料有哪些优缺点？&&&&答：在应力状态未知以及各方应力近似相等，或者应力水平要求不高的条件下，适合用短纤维材料。具有各向同性优点，制备简单。&&&&&&&&33&&&&&&&&&&&&8、何谓“临界纤维长度”？它与哪些参量有关？&&&&答：能够达到最大纤维应力（即纤维的极限强度?fu）的最小长度称为“临界纤维长度Lc”。&&&&&&&&Lc?dfb&&&&&&&&?fu2?s&&&&&&&&上式中dfb为纤维直径，基体的剪切屈服应力?s，纤维的极限强度?fu，Lc是一个短纤维增强复合材料的重要参数，与施加应力的大小无关。1）当纤维长度小于临界长度Lc时，最大纤维应力(?fb)max小于纤维极限强度?fu，因此不管施加多大的力，纤维都是不会不会断裂的，复合材料的破坏只能从基体或者界面处开始。2）当纤维长度大于临界长度Lc时，因纤维能承受的最大应力为纤维的极限强度?fu，如果纤维应力达到此值，复合材料将开始破坏。&&&&&&&&9、如何估算短纤维增强复合材料的强度？&&&&答：分成L?Lt和L?Lt两种，见P170。&&&&&&&&10、复合材料断裂有哪几种模式？&&&&答：1）纤维拔出，纤维拔出对断裂功的影响很大，即其对阻止材料断裂贡献大，因此实际材料中纤维和基质不能结合得很牢固，这样不利于纤维拔出，而是直接断裂。当然也不能结合得不牢固，那样就是脱出了，不是拔出。2）纤维断裂，纤维断裂比拔出吸收的能量少得多；3）基体变形和开裂4）纤维脱粘和分层裂纹&&&&&&&&11、与金属相比，复合材料的疲劳性能有哪些显著的特点？&&&&答：P174&&&&&&&&补充：1、延性纤维因为其在受力条件下能在基体内产生塑性变形，基体可以阻&&&&止其产生颈缩，纤维断裂时的应变会大于纤维单独实验时的断裂应变，用延性高强纤维总是会增强基体材料的。&&&&34&&&&&&&&&&&&第十四章陶瓷材料的力学性能&&&&1、比较陶瓷材料和金属材料在弹性变形阶段的异同点（P186）&&&&答：1）陶瓷材料的弹性模量比金属大得多，常高出一倍至几倍。陶瓷材料弹性模量高由其原子键特点决定，陶瓷材料的原子键主要由离子键和共价键两类，且多数具有双重性。2）陶瓷材料的弹性模量不仅与结合键有关，而且还与构成陶瓷材料的相的种类、体积分数、气孔率有关。孔隙率越高，弹性模量越低。3）金属在拉伸和压缩状态下模量相等，而陶瓷材料压缩时的模量一般高于拉伸时的模量。&&&&&&&&2、为什么陶瓷材料的理论断裂强度与实际断裂强度相差很大？采用哪些措施可以提高陶瓷材料的强度？&&&&答：陶瓷的理论断裂强度和实际断裂强度相差1~3个数量级，这是因为实际的陶瓷组织结构中存在工艺缺陷，降低其强度。若其中的缺陷是裂纹，则其真实的断裂强度采用Griffith公式。提高断裂强度的措施有：1）减少陶瓷中玻璃相、杂质和的气孔率，提高陶瓷的致密度和纯度；2）减小陶瓷中晶粒大小，晶粒尺寸越小，材料强度越高；3）预加应力；&&&&&&&&3、哪些因素会影响陶瓷材料的断裂强度？为什么陶瓷材料的断裂强度实验结果有很大的分散性？采用哪些措施可以降低其分散性？&&&&答：陶瓷材料大都是脆性材料，对缺陷十分敏感，故其力学分散性大。陶瓷材料本身的脆性来自于其化学键的种类，实际陶瓷晶体中大都以方向性较强的离子键和共价键为主，多数晶体的结构复杂，平均原子间距大，因而表面能小，很容易由表面或内部存在的缺陷引起应力集中而产生脆性破坏。这是陶瓷材料脆性原因所在，也是其强度值分散性较大的原因所在（1）气孔率对强度的影响气孔是绝大多数陶瓷的主要组织缺陷之一，气孔明显地降低了载荷作用横截面积，同时气孔也是引起应力集中的地方（对于孤立的球形气孔，应力增加一倍）。&&&&35&&&&&&&&&&&&陶瓷断裂强度?f与气孔率P的关系式：&&&&&&&&?f0exp(?nP)&&&&由试验数据和经验公式可知，当气孔率为10％时，陶瓷的强度降低到无气孔时的一半。硬陶瓷的气孔率约为3％，陶器的气孔率约为10％～15％。当材料成分相同，气孔率的不同将引起强度的显著差异。为了获得高强度，应制备接近理论密度的无气孔陶瓷。（2）晶粒尺寸对陶瓷强度的影响晶粒尺寸越小，强度越高。实验证明，断裂强度?f与晶粒尺寸d的关系式：&&&&&&&&?f0?K1d?1/2&&&&但对烧结陶瓷来说，要做出只有晶粒尺寸大小不同，而其他参量都相同的试样是很困难的，因此，往往其他因素与晶粒尺寸因素同时对强度起影响作用。但无论如何，室温断裂强度无疑随晶粒尺寸的减小而增高。所以，对结构陶瓷材料来说，努力获得细晶粒组织，对提高室温强度是有利而无害的。（3）晶界相的性质、厚度、晶粒形状对强度的影响陶瓷材料的烧结大都要加入助烧剂，因此形成一定量的低熔点晶界相而促进致密化。晶界相的成分、性质及数量（厚度）对强度有显著影响。晶界相最好能起到阻止裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应力场的作用。晶界玻璃相的存在对强度是不利的，所以应通过热处理使其晶化。对单相多晶陶瓷材料，晶粒形状最好为均匀的等轴晶体，这样承载时变形均匀而不易引起应力集中，从而使强度得到充分发挥。（4）温度对强度的影响陶瓷材料的一个最大特点就是高温强度比金属大得多。汽车用燃气发动机的预计温度为1370℃，这样的工作温度，Ni、Cr、Co系的超耐热合金已无法承受，但Si3N4、SiC陶瓷却大有希望。为使结果更准确，从同一块或者同质坯料上切出尽可能多的小试样，进行大量子样试验，然后对结果进行统计分析。&&&&&&&&36&&&&&&&&&&&&4、陶瓷材料的切口强度与断裂强度平均值和标准差之间是否存在定量的关系？可否根据断裂强度的平均值和标准差预测切口强度的平均值和标准差？&&&&答：P189上面&&&&&&&&5、应变速率对金属抗拉强度与陶瓷材料断裂强度的影响有何不同？有什么实用意义？P189&&&&答：这里的应变速率也就是加载速率。当加载速率较低时，加载速率对陶瓷材料断裂强度和切口强度影响不大；当加载速率高于某一数值时，陶瓷材料的断裂强度和切口强度随加载速率升高而急剧下降。对金属而言，加载速率越高，金属抗拉强度增大。&&&&&&&&6、陶瓷材料疲劳有哪些术语？它们与金属材料的哪些性能相对应？&&&&答：陶瓷材料的疲劳分为静态疲劳，动态疲劳，循环疲劳。1）陶瓷的静态疲劳，指在持久载荷的作用下发生的失效断裂，对应于金属材料中的应力腐蚀和高温蠕变；2）陶瓷的动态疲劳，是以恒定的速率加载，研究材料的失效断裂对加载速率的敏感性，类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速率拉伸；3）陶瓷材料的循环疲劳，在循环应力的作用下发生的失效断裂，对应于金属中的疲劳。P189&&&&&&&&7、陶瓷材料疲劳寿命和裂纹扩展速率有何特点？&&&&答：陶瓷的循环疲劳寿命分散性太大，最短与最长疲劳寿命差5~6个数量级，其统计结果表明遵循对数正态分布。陶瓷的裂纹扩展速率曲线包含三个区：近门槛区，中部区（稳态扩展区），快速扩展区。但陶瓷的?Kth/KIC比值很低，只有金属的十分之一至几十分之一，因此陶瓷的裂纹扩展曲线非常陡峭，一旦裂纹开始扩展，其扩散速度非常快，比金属快几个数量级。降低其裂纹扩展速率的主要措施是提高断裂韧性KIC。&&&&&&&&37&&&&&&&&&&&&8、陶瓷材料断裂韧性的测定存在什么困难？如何更好地解决？&&&&答：P192&&&&&&&&9、陶瓷材料有哪些增韧措施？晶粒尺寸与增韧机制有何关系？&&&&答：1）高密度，高纯度（及微晶）；2）提高抗裂能力与预加应力，玻璃热韧化（加热后淬火）；3）化学增韧（表面离子注入）；4）相变增韧，利用多晶多相陶瓷的某些相成分，在不同温度下的相变达到增韧效果；5）弥散增韧，陶瓷与金属的复合增韧；6）微裂纹增韧，减小裂纹尺寸，阻碍裂纹生长。&&&&&&&&10、陶瓷材料的抗热震性能的高低与哪些基本参量有关？&&&&答：P194。&&&&&&&&38&&&&&&&&&&&&&&&&