材料性能学教案-3 材料断裂
3 材料的断裂
Introduction
一、韧性断裂-杯锥状断口-断口特征的三要素：纤维区，放射区，剪切唇
二、理论、实际断裂强度
三、断裂过程及机理
1.解理断裂-河流结晶状-穿晶脆断-典型
2.微孔聚集断裂---韧窝（纤维状）
3.沿晶脆断（冰糖）结晶状-多数为脆断
3.1 断裂概述
断裂力学：一门力学分支学科
国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故，大部分低应力脆断事故都是发生在应用了高强度钢材的结构或大型的焊接件中，例如飞机机身、机器中的重载构件以及高压容器等结构。
现代断裂理论大约是在1948—1957年间形成。
许多安全事故由材料断裂引起
20世纪40年代美国全焊接自由轮折断，
50年代北极星导弹在实验发射时爆炸，
一系列压力容器、油罐的爆炸
大型桥梁破坏……
断裂破坏造成了巨大的生命财产损失。
只有掌握材料的断裂机理，才能采取有效的预防措施。
3.1.1 断裂类型
1.按塑性变形分：韧性断裂-脆性断裂（工程）
2.按宏观断面分：正断—切断
3.按裂纹扩展分：沿晶断裂—穿晶断裂
4.按断裂机制分：解理断裂—微孔聚合断裂---纯剪切断裂
5.按滑移机理分：单滑移---多滑移（引发）
韧（延）性断裂:
（a）单晶体塑性
材科P.172-主要是滑移（常-低温）
（b）纯铝或纯金多晶
断裂类型（书P.95）
3.1.2 断裂强度
1. σp: 比例极限，FP/A0 保持应力与应变成正比关系的最大应力。
2. σe: 弹性极限， Fe/A0 材料发生可逆的弹性变形应力的上限值；应力超过此值，发生塑性变形。在弹性范围，已经偏离线性。
3. σs：屈服极限—屈服强度， Fs/A0 单向静拉伸应力-应变曲线-屈服平台的应力。屈服强度—工程上最重要的力学性能指标。不均匀的塑性变形--分界--均匀的塑性变形
4. σb：抗拉强度—断裂抗力，Fb/A0 Fb(最大)，试样拉断前承受的最大载荷
5. σk：断裂强度， Fk/Ak，Fk 拉伸曲线 碳化钨钢结构硬质合金横向断裂强度的测定 GB/T 10418-2002 国标简介：碳化钨钢结硬质合金横向断裂强度的测定GB/T 10418-2002 本标准规定碳化钨钢结硬质合金材料横向断裂强度试验的试样形状、尺寸规格、试验设备和试验条件。 本标准适用于塑性变形较小的碳化钨钢结硬质合金横向断裂强度的测定。断裂前有明显塑性变形的碳化钨钢结硬质合金材料。 在使用本标准测定时可能得不到正确的结果。 建议测定其抗拉强度。 3.1.2.1 理论断裂强度 书P.96第9行，假设：晶体--理想、完整 有缺陷吗 晶体的理论强度应由原子间结合力决定，一完整晶体在拉应力作用下，会产生位移。 建立一个模型：双原子键合受拉力而位移。 可以近似得到理论断裂强度的表达式 理论断裂强度的表达式： σm=（Eγs/a0）1/2 (3-1-7) P.96推导 这就是理想晶体解理断裂的理论断裂强度。 a0:不受力时原子间平衡间距。 σm与比表面能γs有关 解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。 （E：杨氏模量） 实际断裂强度-理论断裂强度 目前强度最高的钢材的实际断裂强度为：4500MPa 左右比其理论值低1~3个数量级。 即实际材料的断裂强度比其理论值低1~3个数量级。 3.1.2.2 实际断裂强度 实际材料，非理想--有缺陷、裂纹 1921 Griffith 建立了Griffith 方程，理论要点有二： 第一，实际材料中有裂纹； 第二，该裂纹会失稳引起材料的脆性断裂。 试验证据： 1）Griffith 发现刚拉制玻璃棒的弯曲强度为6GPa ；而在空气中放置几小时后强度下降成为0.4GPa 。其原因是由于大气腐蚀形成了表面裂纹。 2) 约飞等人用温水溶去氯化钠表面的缺陷，强度即由5MPa 提高到1.6×103MPa ，提高了300多倍。 3) 有人把石英玻璃纤维分割成几段不同的长度，测其强度时发现，长度为12cm 时，强度275MPa ；长度为0.6cm 时，强度可达760MPa 。这是由于试件长，含有危险裂纹的机会就多。 1921 Griffith 从能量角度—计算实际断裂强度 正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量。分离后形成两个新表面，表面能为:γs 。 3.1.2.2 实际断裂强度 σc=（2E γs/πc ）1/2 (3-1-11) P.96 2c:裂纹长度，10-2cm ； a0: 10-8cm σc ≈10-4 σm ；c 大--- σc 小 结论：裂纹会显著降低断裂强度 实际断裂强度（书P.98） 脆性材料，Griffith 方程:（1921年研究玻璃、陶瓷得出定量的计算） 2 1??? ???? ?=c E p c πγσ2 1)2??? ? ????+=c E p s c πγγσ（2 1 2? ?? ????? = c E p c πγσ 塑性材料，Orowan奥罗万的修正： 由于单位体积塑性变形功γp>>γs 理论断裂强度-实际断裂强度的比较 σ理论=（Eγs/a0）1/2 (3-1-7) σ实际=（2Eγs/πc）1/2 (3-1-11) 原子平衡间距：a0 ~ 10-8cm 裂纹半长度： c ~ 10-2cm 3.1.3 宏观断口 一、脆性断裂，无宏观塑性变形。如：低碳钢圆棒在低温下拉伸。（下图） 二、韧性断裂，如：铝光滑圆棒断口呈盆状或杯锥状。（下图） 一、脆性断裂 1. 宏观特征：断裂前不发生塑性变形，裂纹的扩展速度很快，突然发生。 2. 断口形貌：断裂面与正应力垂直，断口平齐光亮，呈放射状或结晶状。 脆性断裂 波浪式断口条纹实例图 结晶状断口形貌显微图 二、韧性断裂宏观特征 韧性断裂宏观特征宏观特征： 断裂前发生明显宏观塑性变形，缓慢的撕裂过程，裂纹扩展过程中消耗能量。韧性断裂-杯锥状断口-断口特征的三要素(重要) 断口特征的三要素--断口的三个典型区域 纤维区，放射区，剪切唇 韧断，纤维区，放射区，剪切唇 纤维区：断裂的起始区，微空洞长大—聚合形成微裂纹---微裂纹暂时稳定。 放射区：裂纹由慢而快、由稳而不稳的扩展—转化。剪切唇：断裂的最后阶段，裂纹快速扩展。 我们居住的地球 3.1.4 断裂机制图（P.99 自学） 3.1 侧重宏观 3.2 侧重微观 3.2 断裂过程及机制 断裂一般包括下面两个基本过程： 裂纹萌生：在力的作用下生成裂纹核心 裂纹扩展：裂纹的扩张与长大 1.稳态扩展：裂纹核心扩展到临界尺寸； 2.失稳扩展：达到临界尺寸的裂纹快速扩展至断裂。 断裂过程及机理 1.解理断裂-河流结晶状-穿晶脆断-典型 2.微孔聚集断裂---韧窝（纤维状） 3.沿晶脆断（冰糖）结晶状-多数为脆断 4.韧-脆转变 3.2.1 解理断裂（书P.102） 解理断裂典型：穿晶脆性断裂。 1.发生在表面能量最小的晶面。 2.它的裂纹发展十分迅速，常 造成零件、构件灾难性的崩溃。 3.解理断裂发生在： 硅材料，陶瓷材料， 低温下的体心立方: Fe， 低温下的密排六方中: Mg 河流状花样 解理面（书P.102） 3.2.1.1 解理裂纹形核 解理裂纹萌生理论认为：在材料内部存在强障碍，阻碍位错滑移，造成不均匀塑性变形，从而导致高应力集中并诱发微裂纹形核。 三种解理裂纹形核的位错（示意图）机制 1）位错塞积机制--位错塞积导致解理断裂 最大拉应力出现在与滑移面成70.5°交角的位向上。 不能解释纯金属单晶体的解理断裂。 2）位错反应机制（自学） 相交滑移面内两位错相遇时，在能量合适时可反应合成一个新位错。 裂纹失稳扩展的临界条件： 未考虑显微组织的不均匀性对裂纹形核及扩展的影响。 3）碳化物起裂机制（自学） 位错在晶界碳化物处塞积，塞积群头部的应力集中导致碳化物开裂。 形成球状碳化物裂纹核比平板状碳化物的解理应力提高了1.6倍。 1 2 2s s r G d k γσ?≥ 3.2.1.3 解理断裂的微观断口特征：（重要） 在拉应力作用下，由于原子间的结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面-“解理面”劈开而造成的。解理断裂的形貌特征：河流状花样和舌形花样。 解理断裂:45钢, 正火态, 冲击试验 3.2.2 微孔聚集韧性断裂 微孔聚集断裂为剪切断裂的一种形式，微孔聚集断裂是材料韧性断裂的普遍形式，其断口在宏观上常呈现纤维状， 微断口特征花样则是端口上分布大量“韧窝”，微孔聚集断裂过程包括：微孔形核、长大、聚合直至断裂。 微孔聚集断裂 基本过程可以分为两个阶段： 空洞形核 空洞长大、连接（聚合） 是一种典型的韧性断裂 3.2.2.1 空洞形核 高纯单晶体：空洞在高密度位错区形核 高纯多晶体：空洞在三叉晶界或晶界不规则处形核 工程金属材料：空洞在夹杂物或第二相处形核。 微孔形核模型（书P.106） 位错—通过微孔扩张--裂纹—通过连接空洞扩张--断裂 3.2.2.2 空洞长大及连接 裂纹扩张连接空洞的途径有两类： 内颈缩汇合--颈缩前，长大的裂纹与空洞汇合。 剪切型-之字型-扩展-强度高时，颈缩时，沿最大剪应力方向裂纹与空洞汇合裂纹之字型扩展。 3.2.2.3 微观断口特征 微孔聚集---韧性微断口特征 韧窝 等轴韧窝剪切韧窝 3.2.3 沿晶断裂—多为脆性断裂 现象：裂纹沿晶界扩展。 原因：晶界已成为显微组织中最薄弱部位时 1）晶界上有夹杂物、第二相（自身的—本征的） 2）晶界上有杂质元素（外来的—非本征的） 3）晶界上有腐蚀性元素。 4）加工缺陷（淬火、磨削裂纹）。 断口：晶粒大，断口呈冰糖状；晶粒很细小，断口呈晶粒状。 沿晶断裂的断口：冰糖状，断口呈晶粒状，颜色较为明亮，但比纯解理断裂脆性断口灰暗些。 3.2.3 沿晶断裂--冰糖状断口 比较 a.沿晶脆断（冰糖） b.解理脆断（河流） c.准解理脆断 a.b.c：结晶状 d.韧窝---韧性断裂（纤维状） 实际断裂图 材料：65Mn 工艺情况：淬火、回火后酸洗、电镀。 组织说明：酸洗及电镀过程中的氢进入钢中后常沿晶界处聚集， 导致晶界脆化，形成沿晶断裂。 氢在扩散、聚集过程中留下发纹、爪状纹等特征。 氢脆断裂时在微区局部晶界上因氢损伤较轻， 故断裂时在局部区域能观察到韧窝，见图中上部区。 3.2.4 韧脆转变 韧脆转变现象—储放液氮、液氦的容器。 多数金属材料，常用中、低强度结构钢在温度低于Tc时，材料由韧性状态转变脆性状 态。 冲击吸收功下降。TITANIC也不例外。 断裂机理：由微孔聚集型穿晶解理； 断口特征：由纤维状-韧窝结晶状。 一、材料的韧性 表示断裂前单位体积材料所吸收的变形和断裂能。包括三部分能量：弹性变形能、塑性 变形能和断裂能。 二、材料的脆性 脆性材料的抗拉强度低，但抗压强度高，理论上抗压强度可达抗拉强度的8倍。 材料的脆性本质： 内部位错滑移困难，对裂纹的敏感度高。 三、韧性-脆性转变 1.应力状态 切应力：促进材料的塑性变形，对塑性和韧性有利。 屈服拉应力：促进材料的断裂，对塑性和韧性不利。 2. 温度和加载速度 提高温度，有利于材料的塑性变形。 提高加载速度，增加材料的变脆倾向。 断裂极限 3.材料的微观组织 屈服极限 晶粒细化既提高材料的强度，又提高它的塑性和韧性。材料退火的意义---晶粒细化。 韧脆转变温度 随着温度的变化多数金属内部晶体结构会发生 改变，从而其韧性和脆性发生相应的变化。 低温情况：当温度下降至Tc（低温）时，本来韧性良好的金属失去了应有的韧性，变得像玻璃棒一样脆而易折。—冷脆性。 因此在寒冷地区（如冬季的西伯利亚、南北两极）使用的钢材必须选用适应寒冷情况的种类。 TITANIC在纽芬兰东南沉没。 韧性断裂---脆性断裂（P.111，第5段） 存在一个转变温度Tc 韧性断裂：T>Tc，先有屈服然后解理断裂 是一个正常断裂过程。拉伸有明显的缩颈现象。 脆性断裂：T< Tc，没有屈服就解理断裂 是一个反常断裂过程。这时，材料在应力未达到强度极限时就会突然断裂，而且只产生很小的永久变形。 3.3 非金属材料的断裂（自学） 3.3.1 陶瓷材料 陶瓷断裂是典型的脆性断裂 裂纹的成核：应力集中诱发微裂纹 断口形貌：具有解理台阶和河流花样。 3.3.2 高分子材料的断裂 脆性断裂三个区域：镜面区、雾状区、粗糙区 韧性断裂：是银纹的产生、发展过程。 材料的断裂 3.4 断裂韧度 国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故。传统、经典理论无法解释。 大部分低应力脆断事故都是发生在应用了高强度钢材的结构或大型的焊接件中，例如：导弹；飞机机身；造船；重载构件；高压容器 σ0.2=1400MPa 的超高强度钢，制造导弹发动机壳体，韧性指标检验合格。点火时发生-----低应力脆断。 导弹发射现场低应力脆断事故 高压线塔，低应力脆断事故 低应力脆断 低应力脆断，特点：无征兆，骤然断裂。 低应力脆断，是指工作应力低于强度极限甚至低于屈服极限以下而发生的断裂。 类似于脆性材料的断裂特征，但材料不一定脆，断口也不一定显示出结晶状形貌。 低应力脆断，原因：是结构件在使用前就存在裂纹类宏观缺陷（P.119，第４段）。--断裂力学的基本假设。 低温-疲劳-选材不当-导致-低应力脆断 这类现象在使用温度较低而且选材不当时，往往发生在材料存在裂纹（缺陷）的地方。 下一章的疲劳破坏也属于低应力脆断，即工作应力低于强度极限甚至低于屈服极限以下发生断裂，因此必须测定新的强度指标——持久极限（疲劳极限）。 Introduction 第一节 断裂力学概述 第二节线弹性断裂力学及断裂韧度 应力场强度因子KI 断裂韧度KIC 用KI和ＫIC的相对大小，来建立裂纹失稳扩展而脆断的判据。 沿晶断裂和穿晶断裂 《材料性能学》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程编码： 课程类别：必修课 适用专业：材料化学 总学时：48 学分：3 课程简介：本课程是材料化学专业主干课程之一，属专业基础课。本课程主要内容为材料物理性能，以材料通用性物理性能及共同性的内容为主。通过本课程的教学，使学生获得关于材料物理性能包括材料力学性能（受力形变、断裂与强度）、热学、光学、导电、磁学等性能及其发展和应用，重点掌握各种重要性能的原理及微观机制，性能的测定方法以及控制和改善性能的措施，各种材料结构与性能的关系，各性能之间的相互制约与变化规律。 授课教材：《材料物理性能》，吴其胜、蔡安兰、杨亚群，华东理工大学出版社，2006，10。 2、参考书目: 1.《材料性能学》，北京工业大学出版社，王从曾，2007. 1 2.《材料的物理性能》，哈尔滨工业大学出版社，邱成军等，2009.1 二、课程教育目标 通过学习材料的各种物理性能，使学生掌握以下内容：各种材料性能的各类本征参数的物理意义和单位以及这些参数在解决实际问题中所处的地位；弄清各材料性能和材料的组成、结构和构造之间的关系；掌握这些性能参数的物质规律，从而为判断材料优劣、正确选择和使用材料、改变材料性能、探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础；为全面掌握材料的结构，对材料的原料和工艺也应有所认识，以取得分析性能的正确依据。 三、教学内容与要求 第一章：材料的力学性能 重点与难点： 重点：应力、应变、弹性变形行为、Griffith微裂纹理论，应力场强度因子和平面应变断裂韧性，提高无机材料强度改进材料韧性的途径。 难点：位错运动理论、应力场强度因子和平面应变断裂韧性。 1、低碳钢在拉伸过程中的变形阶段？ 答：变形阶段：弹性变形→屈服变形→均匀塑性变形→不均匀集中塑性变形 2、高分子材料塑性变形的机理是什么？ 答：高分子材料的塑性变形机理因其状态的不同而异，结晶态高分子材料的塑性变形由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程；非晶态高分子材料的塑性变形有两种方式，即在正应力作用下形成银纹或在切应力作用下无取向分子链局部转变为排列的纤维束3、高分子材料屈服与金属材料屈服有何不同？ 答：高分子材料的屈服与金属屈服的不同：①高分子材料与金属材料有着不同的屈服现象；②高分子材料的应力-应变曲线不仅依赖于时间和温度，海依赖于其他因素；③高分子的屈服点很难给以确切的定义，通常把拉伸曲线上出现的最大应力点定义为屈服点，其对应的应变约为5%-10%，如无极大值的出现，则其应变2%处的应力为屈服点。 4、试述韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么说脆性断裂最危险？ 答：韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观的断裂过程，韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，且其断口能用肉眼或放大镜观察。脆性断裂是材料断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程。因而脆性断裂具有很大的危险性。 5、缺口试样的三个效应 答：①缺口能造成应力应变集中；②缺口改变了缺口前方的应力状态，使平板中材料所受的应力由原来的单向拉伸变为两向或三向拉伸；③在有缺口的条件下，由于出现了三向应力，试样的屈服应力比单向拉伸时要高，即产生了缺口强化现象，使材料的塑性得到强化。 6、如何理解塑性材料“缺口强化”现象？ 答：缺口强化纯粹是由于三向应力约束了材料塑性变形所致，材料本身的δs值并未发生变化，我们不能把缺口强化看做是强化材料的一种手段。 7、试比较布氏硬度与维氏硬度试验原理的异同？ 答：维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相似，都是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值的。所不同的是维氏硬度试验所用的压头是两相对面夹角α为136°的金刚石四棱锥体，而布氏硬度的压头是直径为D的淬火钢球或硬质合金钢球。 8、试说明低温脆性的物理本质？ 答：低温脆性的物理本质：当实验温度t 有相关人士称本门课通过率20%，我就不信背完这些还会挂？请进行有选择有判断的阅读——★★为重点内容注：斜体为不确定答案 一.判断 1.一切物质都是磁质，都具有磁现象，只是对磁场的响应程度不同。（√） 2.材料热膨胀系数与其结构致密度有关，结构致密的固体材料具有较大的热膨胀系数。 （√） 3.热传导过程是基于声子和电子发生的。（×） 4.材料的折射率越大，其对光的反射系数越大。（√） 5.双电桥法测定材料的电阻的精度高的原因是这种方法可以用于消除接触电阻。（×） 6.光导纤维远距离传输信号的应用是基于全反射原理。（√） 7.材料低于居里温度时，自发极化为零。（×） 8.脆性断裂就是解理断裂。（×） 9.简谐振动模型适用于材料的热膨胀过程。（×） 10.材料离子的极化率越大，折射率也越大。（√） 11.材料高于居里温度时，自发极化为零。（√） 12.激光晶体是线性光学材料。（×） 13.断口有韧窝存在，那么一定是韧性断裂。（×） 14.通常磨损过程分为稳定磨损和剧烈磨损两个阶段。（×） 15.两接触物体受压力并作纯滚动时，接触应力的最大切应力产生于物体表面。（√） 16.固体材料的真线膨胀系数是一个常数。（×） 17.激光晶体可以用于改变任何强度光的频率。（×） 18.光的波长与材料散射质点的大小越接近，材料对光的散射越小。（×） 19.帕尔帖效应原理可以用于设计热电偶温度计。（×） 20.安培伏特计法测定电阻时，毫伏计的阻值与被测电阻的阻值差别越小，测定结果越准确。 （×） 21.裂纹扩展的基本形式可分为张开型、滑开型、撕开型，其中以撕开型最危险。（×） 22.通常磨损过程分为磨合、稳定磨损和剧烈磨损三个阶段。（√） 23.材料热膨胀系数与其键合状况有关，键强大的材料有较大的热膨胀系数。（×） 24.激光晶体可以用于产生新的激光频率。（√） 25.材料不均匀结构的折射率差异越大，对光的散射越弱。（×） 26.四探针法测定材料的电阻可以用于消除接触电阻。（√） 27.磁化强度是抵消被磁化铁磁物质剩磁所需的反向外磁场强度。（×） 28.应力状态软性系数越大，材料越容易产生塑性变形。（√） 29.材料的刚度是表征材料弹性变形的抗力。（√） 30.材料弹性是表征材料弹性变形的抗力。（×） 第一章材料的弹性变形 一、填空题： 1.金属材料的力学性能是指在载荷作用下其抵抗变形或断裂 的能力。 2. 低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。 3. 线性无定形高聚物的三种力学状态是玻璃态、高弹态、粘流态，它们的基本运动单元相应是链节或侧基、链段、大分子链，它们相应是塑料、橡胶、流动树脂（胶粘剂的使用状态。 二、名词解释 1.弹性变形：去除外力，物体恢复原形状。弹性变形是可逆的 2.弹性模量： 拉伸时σ=EεE：弹性模量（杨氏模数） 切变时τ=GγG：切变模量 3.虎克定律：在弹性变形阶段，应力和应变间的关系为线性关系。 4.弹性比功 定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，又称为弹性比能或应变比能，表示材料的弹性好坏。 。 三、简答： 1．金属材料、陶瓷、高分子弹性变形的本质。 答：金属和陶瓷材料的弹性变形主要是指其中的原子偏离平衡位置所作的微小的位移，这部分位移在撤除外力后可以恢复为0。对高分子材料弹性变形在玻璃态时主要是指键角键长的微小变化，而在高弹态则是由于分子链的构型发生变化，由链段移动引起，这时弹性变形可以很大。 2．非理想弹性的概念及种类。 答：非理想弹性是应力、应变不同时响应的弹性变形，是与时间有关的弹性变形。表现为应力应变不同步，应力和应变的关系不是单值关系。种类主要包括 滞弹性，粘弹性，伪弹性和包申格效应。 3．什么是高分子材料强度和模数的时-温等效原理? 答：高分子材料的强度和模数强烈的依赖于温度和加载速率。加载速率一定时，随温度的升高，高分子材料的会从玻璃态到高弹态再到粘流态变化，其强度和模数降低；而在温度一定时，玻璃态的高聚物又会随着加载速率的降低，加载时间的加长，同样出现从玻璃态到高弹态再到粘流态的变化，其强度和模数降低。时间和温度对材料的强度和模数起着相同作用称为时=温等效原理。 四、计算题： 气孔率对陶瓷弹性模量的影响用下式表示：E=E0 (1—+ E0为无气孔时的弹性模量；P为气孔率，适用于P≤50 %。370= E0 (1—×+×则E0= Gpa 260= (1—×P+×P2) P= 其孔隙度为%。 五、综合问答 1.不同材料（金属材料、陶瓷材料、高分子材料）的弹性模量主要受什么因素影响? 答：金属材料的弹性模量主要受键合方式、原子结构以及温度影响，也就是原子之间的相互作用力。化学成分、微观组织和加载速率对其影响不大。 陶瓷材料的弹性模量受强的离子键和共价键影响，弹性模量很大，另外，其弹性模量还和构成相的种类、粒度、分布、比例及气孔率有关，即与成型工艺密切相关。 高分子聚合物的弹性模量除了和其键和方式有关外，还与温度和时间有密切的关系（时-温等效原理）。 （综合分析的话，每一条需展开）。 第二章材料的塑性变形 一、填空题 1．金属塑性的指标主要有伸长率和断面收缩率两种。 1.材料弹性变形和金属塑性变形的本质？ 2.材料的断裂是如何分类的？韧性断裂和脆性断裂的微观形貌各有哪些特征？ 3.金属在怎样的外因条件下会发生韧性-脆性转变，为什么？ 4.材料的静态韧性、冲击韧性和断裂韧性的物理意义和数学表达？ 5.试比较σ与K 以及b σ与C K I 的区别与联系？ 6.推到Griffith 脆断强度理论公式？★（很大可能会考到） 7.典型的疲劳寿命曲线是怎样的？分为几个区？疲劳极限的定义？ 8.某正弦波疲劳试验的平均应力为100MPa ，应力限为200MPa ，试求加载的最大应力、最小应力、应力比和应力范围？ 9.平均应力是怎样影响疲劳寿命的（作图说明）?试举出生产中人为改变平均应力提高疲劳寿命的工艺措施。 10.Miner 线性累计疲劳损伤定则是如何处理变幅载荷疲劳问题的？ 11.疲劳失效的主要过程有三个：疲劳裂纹形成、疲劳裂纹扩展和当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂。 宏观尺度的疲劳裂纹形成包括三个阶段：微裂纹的形成、微裂纹的长大和微裂纹的联接。 疲劳微裂纹的形成三种方式：表面滑移带开裂、夹杂物与基体相界面分离或夹杂物本身断裂，以及晶界或亚晶界开裂。 （这个题没抄全，只记得老师说三个代表了，大概也许应该是这个，三个三） 12.何谓第一类模拟疲劳试验和第二类模拟疲劳试验？ 13.作图说明P-S-N 曲线与S-N 曲线的区别与联系。 14.示意画出S-N 曲线、P-S-N 曲线和用裂纹形成寿命分解的S-N 曲线。分析疲劳数据分散性产生的基本原因。★ 15.试作图说明疲劳裂纹扩展的一般规律？如何估算裂纹扩展寿命？ 16.试比较高温疲劳与热疲劳的区别与联系？与常温疲劳相比高温疲劳有何特点？ 17.试比较C K I 、SCC K I 、th K ?与I K 的区别与联系。如何估算一个可能含 裂纹而无损检测合格的零件的最大许用服役应力？ 18.无限寿命设计与有限寿命设计的基本思想是甚么？ 19.简述“失效-安全”的概念。 20.简述损伤容限设计的基本思想。 21.“工程上要求构件各部位的服役应力不能超过屈服强度（2.0σ），因而研究塑性变形问题在工程上应用价值不大。”这种说法正确否？为什么？ 22.“在役飞机的零部件，特别是飞机发动机的零部件是绝对不能含有裂纹运行的，因此在航空领域研究和估算裂纹扩展寿命问题毫无意义，只要研究裂纹萌生寿命的问题即可”。这种说法正确否？为什么？ 23.颤振可认为是一种振幅较小、频率较高的疲劳载荷，通常情况下对材料不会造成损伤。为什么航空发动机的某些构件在服役过程中会由于颤振而失效？ 《工程材料力学性能》（第二版）课后答案 第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能 一、解释下列名词 滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。 弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。 比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。 包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(ζP) 或屈服强度(ζS)增加；反向加载时弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS) 降低的现象。 解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。 解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。 韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。 二、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姓能? 答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的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，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。 三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义? 答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。 包辛格效应可以用位错理论解释。第一，在原先加载变形时，位错源在滑移 第一章 1、 力—伸长曲线和应力—应变曲线，真应力—真应变曲线 在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形及不均匀集中塑性变形4个阶段 将力—伸长曲线的纵，横坐标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积Ao 和原始标距长度Lo 相除，则得到与力—伸长曲线形状相似的应力（σ=F/Ao ）—应变（ε=ΔL/Lo ）曲线 比例极限σp ， 弹性极限σe ， 屈服点σs ， 抗拉强度σb 如果以瞬时截面积A 除其相应的拉伸力F ，则可得到瞬时的真应力S （S ＝F/A)。同样，当拉伸力F 有一增量dF 时，试样瞬时长度L 的基础上变为L ＋dL ，于是应变的微分增量应是de ＝dL / L ，则试棒自L 0伸长至L 后，总的应变量为： 式中的e 为真应变。于是，工程应变和真应变之间的关系为 2、 弹性模数 在应力应变关系的意义上，当应变为一个单位时，弹性模数在数值上等于弹性应力，即弹性模数是产生100%弹性变形所需的应力。在工程中弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。 比弹性模数是指材料的弹性模数与其单位体积质量（密度）的比值，也称为比模数或比刚度 3、 影响弹性模数的因素①键合方式和原子结构（不大）②晶体结构（较大）③ 化学成分 （间隙大于固溶）④微观组织（不大）⑤温度（很大）⑥加载条件和负荷持续时间（不大） 4、 比例极限和弹性极限 比例极限σp 是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力，即在拉伸应力－应变曲线上开始偏离直线时的应力值。 弹性极限σe 试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力值 5、 弹性比功又称为弹性比能或应变比能，用a e 表示，是材料在弹性变形过程中吸收变形功 的能力。一般可用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示。 6、 根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点，弹性可以分为理想弹性（完全弹 性）和非理想弹性（弹性不完整性）两类。 对于理想弹性材料，在外载荷作用下，应力和应变服从虎克定律σ＝M ε，并同时满足3个条件，即：应变对于应力的响应是线性的；应力和应变同相位；应变是应力的单值函数。 材料的非理想弹性行为大致可以分为滞弹性、粘弹性、伪弹性及包申格效应等类型。 00ln 0L L L dL de e L e L ===??)1ln(ln 0ε+==L L e 材料的疲劳和断裂读书报告 在这个报告里，首先阐述材料的疲劳和断裂机理、规律，其次阐述钛合金的疲劳和断裂，以及解决方法。在之前的本科课程里《工程材料力学性能》、《》、《失效分析》，对金属的疲劳、断裂、蠕变都进行了较为详细的阐述。同时，也进行了TC4合金的疲劳性能实验，因此对疲劳相关的知识有了一定的了解。 在大多数情况下，零件承受的并不是静载荷，而是交变载荷。在交变载荷作用下，材料往往在低于屈服强度的载荷下，发生疲劳断裂。例如，汽车的车轴断裂，桥梁，飞机等。因此对于疲劳断裂的研究是很有意义的。 一般来说，疲劳的定义是：金属材料或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称为疲劳。断裂的定义是：由弥散分布的微裂纹串接为宏观裂纹，再由宏观裂纹扩展为失稳裂纹，最终材料发生断裂。在此，需要明确疲劳和断裂的关系。疲劳和断裂在机理研究和工程分析时是紧密相连的，只是疲劳更侧重于研究裂纹的萌生，断裂力学则侧重于裂纹的扩展，即带裂纹体的强度问题。 对于疲劳，阐述的思路是疲劳分类及特点，疲劳机理与断口，疲劳性能表征，影响疲劳的因素。对于断裂，从宏观和微观的角度分别阐述。 疲劳 疲劳分类及特点 疲劳分类方法如下： 按应力状态不同，可以分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳； 按环境和接触情况不同，分为大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳； 按照断裂寿命和应力高低不同，分为高周疲劳和低周疲劳，其中高周疲劳也是低应力疲劳，低周疲劳即高应力疲劳。 疲劳特点如下： 材料在交变载荷峰值远低于材料强度极限时，就可能发生破坏，表现为低应力脆性断裂特征。这是因为，疲劳时应力较低（低于屈服强度），因此在宏观上看，材料没有塑性变形。在裂纹扩展到临界尺寸时，发生突然断裂。 材料疲劳是一个累积过程，尽管疲劳断裂表现为突然断裂，但是在断裂前经历了裂纹萌生，微裂纹连接长大，裂纹失稳扩展的过程。而形成裂纹后，可以通过无损检测的方法来判断裂纹是否达到临界尺寸，从而来判断零件的寿命。 疲劳寿命具有分散性。对于同一类材料来说，每次疲劳测试的结果都不会相同，有的时候相差很大。因此在测量疲劳寿命时，需要采用升降法和分组法来测得存活率为50%的疲劳强度。疲劳对于缺陷很敏感。这些缺陷包括材料表面微裂纹，材料应力集中部分，组织缺陷等。这些缺陷加速材料的疲劳破坏。 疲劳断口记录了疲劳断裂的重要信息，通过断口分析能了解到疲劳过程的机理。 疲劳裂纹形成和扩展机理及断口 一般把疲劳分成裂纹形成和裂纹扩展过程。而研究疲劳机理，都是借助于某一种模型来研究，这在断裂力学，蠕变过程的研究中经常看到。 裂纹形成： 资料表明，疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的。主要包括表面滑移带开裂；第二相、夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界开裂等。 裂纹形成的延性材料滑移开裂模型。 在静拉伸过程中，可以在光滑试样表面看到滑移带，这是由于位错的滑移形成的。在交变载 断裂与疲劳 一、判断题 1. 力的大小可以用一个简单量表示。答案：错误 2. “KI = KIc”表示KI与 KIc是相同的。答案：错误 3. 百工“五法”指加、减、乘、除等五种运算方法。答案：错误 4. 低应力脆断事故并不可怕。答案：错误 5. 压力的单位为Kn。答案：错误 二、填空题 1. 控制材料或结构断裂的三个基本因素为：裂纹几何、作用应力、断裂韧性；裂纹扩展速率的主要控制参量是应力场强度因子幅度⊿K 2. J积分有两种定义或表达式，一是回路积分定义，另一种是形变功率，在塑性力学全量理论的描述下这两种定义是等效的；其守恒性指J积分的数值与积分回路无关。 3. KⅠc测试时，其裂纹长度包括机械加工长度、预制裂纹长度和小范围屈服长度，一般用读数显微镜测量。(8分) 4. 完整晶体的理论强度远远高于其实际强度，可以用应力集中系数 和裂口理论予以解释。(8分) 5. 疲劳裂纹包括萌生、扩展和断裂三个阶段，是一个损伤累积的发展过程。 6. 材料结构实际断裂强度远远低于其完整晶体的理论断裂强度，可以用应力集中系数 和裂口断裂理论予以解释。(8分) 7. 进行疲劳裂纹萌生寿命分析时, 一般按应力-寿命或应变–寿命关系进行, 称为传统疲劳；进行疲劳裂纹扩展寿命分析时，则必须考虑裂纹的存在，需用断裂力学方法研究，故称为断裂疲劳。 8. 变形、_断裂、腐蚀__ 、磨损、变性是材料或结构失效的主要原因与形式，其中_断裂最为常见也最为危险，在很多情况下可能造成灾难性事故。 三、问答题 1. 什么是低应力脆断如何理解低应力脆断事故 答案：在应力水平较低，甚至低于材料的屈服点应力情况下结构发生的突然断裂，称为低应力脆性断裂，简称低应力脆断。 低应力脆断多与结构件中存在宏观缺陷(主要是裂纹)有关，同时也与材料的韧性有关。由于应力低，容易“失察”，由于脆性断裂，难于控制即“失控”，低应力脆性断裂事故多为灾难性的。断裂力学是研究低应力脆断的主要手段，其研究目的也主要是预防低应力脆断。 2. 请按近似规则运算下式并写出详细的运算过程：+×+÷ 答案： 3. 请解说应力场强度因子断裂理论（“KI = KIc”）， 答案：（1）下标“I”表示I 型（张开型）裂纹； （2）“K”表示应力强度因子，是外加应力和裂纹长度的函数； （3）“KI”表示I 型（张开型）裂纹的应力强度因子； （4）“KIc”表示I 型（张开型）裂纹的断裂韧度，是材料抵抗断裂的一个性能指标；（5）“KI = KIc”是断裂判据，表示I 型（张开型）裂纹的应力强度因子增加到一个临界值即达到材料的断裂韧度时，就发生脆性断裂。 4. 材料有哪些性能什么是材料的力学性能金属材料有哪些力学性能指标力学行为的内涵是什么 答案：材料的性能包括热学性能、力学性能（弹性模量、拉伸强度、抗冲强度、屈服强度、耐疲劳强度等）、电学性能、磁学性能、光学性能、化学性能； 材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征，主要分为：脆性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、弹性、延展性、刚性、屈服点或屈服应力。 金属材料力学性能指标包括：弹性指标、强度性能指标、硬度性能指标、塑性指标、韧性指 一、名词解释 低温脆性：材料随着温度下降，脆性增加，当其低于某一温度时，材料由韧性状态变为脆性状态，这种现象为低温脆性。 疲劳条带：每个应力周期内疲劳裂纹扩展过程中在疲劳断口上留下相互平行的沟槽状花样。 韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 缺口强化：缺口的存在使得其呈现屈服应力比单向拉伸时高的现象。 50%FATT：冲击试验中采用结晶区面积占整个断口面积 50%时所应的温度表征的韧脆转变温度。 破损安全：构件内部即使存在裂纹也不导致断裂的情况。 应力疲劳：疲劳寿命N>105 的高周疲劳称为低应力疲劳，又称应力疲劳。 韧脆转化温度：在一定的加载方式下，当温度冷却到某一温度或温度范围时，出现韧性断裂向脆性断裂的转变，该温度称为韧脆转化温度。 应力状态软性系数：在各种加载条件下最大切应力与最大当量正应力的比值，通常用α表示。 疲劳强度：通常指规定的应力循环周次下试件不发生疲劳破坏所承受的上限应力值。 内耗：材料在弹性范围内加载时由于一部分变形功被材料吸收，则这部份能量称为内耗。 滞弹性: 在快速加载、卸载后，随着时间的延长产生附加弹性应变的现象。 缺口敏感度：常用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸的光滑试样的抗拉强度的比值表征材料缺口敏感性的指标，往往又称为缺口强度比。 断裂功：裂纹产生、扩展所消耗的能量。 比强度：:按单位质量计算的材料的强度，其值等于材料强度与其密度之比，是衡量材料轻质高强性能的重要指标。. 缺口效应：构件由于存在缺口（广义缺口）引起外形突变处应力急剧上升，应力分布和塑性变形行为出现变化的现象。 解理断裂：材料在拉应力的作用下原于间结合破坏，沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开的断裂过程。 应力集中系数：构件中最大应力与名义应力（或者平均应力）的比值，写为KT。 高周疲劳：在较低的应力水平下经过很高的循环次数后（通常N>105）试件发生的疲劳现象。 弹性比功：又称弹性应变能密度，指金属吸收变形功不发生永久变形的能力，是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。 二、填空题 材料性能学作业(2) -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII 1.与单晶体相比，多晶体变形有哪些特点？ 多晶金属材料由于各晶粒的位向不同和晶界的存在，其塑性变形有以下特点： ① 多晶体各晶粒变形的不同时性和不均匀性 位向有利的晶粒先塑变，各晶粒处组织性能不同，要求塑变的临界切应力不同，表现为不同时性和不均匀性。 ② 各晶粒变形相互协调与制约 各晶粒塑变受塑变周围晶粒牵制，不可无限制进行下去，晶界对位错的阻碍，必须有5个以上滑移系方可协调发展。 2.金属材料的应变硬化有何实际意义？ 材料的应变硬化性能，在材料的加工和应用中有十分明显的实用价值。在加工方面，利用应变硬化和塑性变形的合理配合，可使使塑性变形均匀进行，保证冷变形工艺顺利实施；另外，低碳钢切削时，容易产生粘刀现象，且表面加工质量差。如果切削加工前进行冷变形降低塑性，改善机械加工性能；在材料应用方面，应变硬化使材料具一定的抗偶然过载能力，以免薄弱处无限塑性变形；应变硬化也是一种强化金属的手段，尤其是适用不能热处理的材料。 3.一个典型拉伸试样的标距为50mm ，直径为13mm ，实验后将试样对接起来以重现断裂时的外形，试问： (1)若对接后的标距为81mm ，伸长率是多少？ (2)若缩颈处最小直径为6.9mm 则断面收缩率是多少？ (1) 008150100%100%62%50 K L L L δ--=?=?= (2) 2200200 44100%100%71.8%4 K K d d A A d A ππψπ--=?=?= (3) 4.有一材料E=2×1011N/m2，γ=8N/m 。试计算在7×107N/m2的拉应力作用下，该材料中能扩展的裂纹之最小长度是多少？ (4) 即求理论断裂强度 ()114227222108 2.0710710s c c E a m γπσπ-???===??? 5.推导颈缩条件、颈缩时的工程应力 第一章 证明题 显然，真应力总是大于工程应力，真应变总是小于工程应变。 缩颈的条件： 产生缩颈的载荷为 影响材料弹性模数的因素： 1、键合方式和原子结构： a 、以共价健、离子键、金属键结合的材料有较高的弹性模量。 b 、以分子键结合的材料，弹性模量较低。 ()εσσσ+=?+==?== =10000000L L L L L A A A F A F S AL L A ()ε+====??1ln ln 00l l l dl de e l l e n e nde de A dA l dl de e nde A dA de e F n dA A F e de nKAe A dA Ke A de KAne dA Ke dF KAe F Ke S SA F n n n n n n ==+--===+=?+=+?=+====-000001()()n n n b n e b b b b n b b n b b b b n n b b e n K e Kn e e A A A A e A A Kn A Kn A S A F Kn Ke S b ??? ??===========---σσσ0000ln c、原子结构：a）非过渡金属（b）过渡族金属：原子半径较小，且d层电子引起较大的原子间结合力，弹性模数较高。且当d层电子等于6时，E有最大值 2、晶体结构： a、单晶体材料，由于在不同的方向上原子排列的密度不同，故呈各向异性。 b、多晶体材料，E为各晶粒的统计平均值，伪各向同性。 c、非晶态材料弹性模量各向同性。 3、化学成分：（引起原子间距或键合方式的变化） （1）纯金属主要取决于原子间的相互作用力。 （2）固溶体合金：主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构，弹性模量变化不大 （3）两相合金：与第二相的性质、数量、尺寸及分布状态有关。 （4）高分子：填料对E影响很大。 4.微观组织： 金属：微观组织对弹性模量的影响较小晶粒大小对E无影响； 陶瓷：工程陶瓷弹性模数与相的种类、粒度、分布、比例、气孔率等有关。其中，气孔率的影响较大。 复合材料：增强相为颗粒状，弹性模数随增强相体积分数的增高而增大 5、温度：a、温度升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，材料的弹性模量降低。如碳钢，每升高100℃，E值下降3~5%（软化） b、当温度变化引起材料的固态相变时，弹性模数显著变化。如碳钢的奥氏体、马氏体相变。 6、加载条件和负荷持续时间： a、加载方式（多向应力），加载速率和负荷持续时间对金属、陶瓷类材料的弹性模数几乎没有影响。陶瓷材料的压缩弹性模数高于拉伸弹性模数（与金属不同）。 b、高分子聚合物，随负荷时间的延长，E值逐渐下降（松弛）。 滞弹性：材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生附加弹性变形的性能。即应变与应力不同步（相位），应变滞后。 粘弹性：是指材料在外力作用下变形机理，既表现出粘性流体又表现出弹性固体两者的特性，弹性和粘性两种变形机理同时存在（时间效应）。特征：应变对应力的响应不是瞬时完成的，应变与应力的关系与时间有关，但卸载后，应变恢复，无残余变形。 伪弹性：是指在一定的温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变,从而产生大幅度的弹性变形的现象。 材料性能学第四章课后答案全部答案2020 免费 问：蟹螯一般不食用。 答：正确 问：新的星级饭店评定标准的变化：强调客房舒适度，对低星级饭店餐饮、康乐设施、客房微型酒吧和卫生间设施的要求有所降低，强调( ) ，强调安全性，强调特色经营。 答：绿色环保 问：( )是制定战略的客观基础。 答：战略环境 问：市场预测可使企业更好地满足市场需求，提高企业的竞争能力。 答：对 问：若可导函数?(x)在区间I上单调,则其导函数?′(x)也单调。() 答：错误 问：细胞膜的主动转运是借助于膜上 答：泵蛋白的耗能过程 问：对静息电位的叙述错误的是 答：各种细胞的静息电位是相等的 问：春、秋两季是气候转化季节，中医提醒人们要特别注意（） 答：春捂秋冻 问：马克思主义中国化的最新理论成果是科学发展观。 答：错误 问：关于1904年的电影《火车大劫案》,下列说法正确的是()。 答：它融合了美国西部片、强盗片、警匪片的元素 它的叙事非常流畅、清晰 它第一次用电影画面说出“与此同时”这个语言 问：下面选项中对于白玉和不同稀饭的对应关系正确的是()。 答：糯米粥(和田籽玉)加麦片的梗米粥(韩国玉) 问：下面选项中属于和田籽玉和俄罗斯灰皮玉的差别的是()。 答：和田籽玉的云絮和冰点反差不大、比较柔和。俄罗斯灰皮玉的云絮和冰点反差较大。和田籽玉的皮是真的。俄罗斯灰皮玉的皮是假的。 问：在判断籽玉的第一步是判断籽玉的两个特征,主要是()。 答：外部特征内部特征 问：插花容器的功能是————。 答：提供水分烘托作品固定花枝 问：籽玉的感觉是()的,类似于蜡烛油一样的感觉。 答：油润的滋润的舒服的 问：《尼多斯的阿芙洛狄忒》现藏于意大利首都罗马西北角高地的一个内陆城邦国家——梵蒂冈城国。 答：对 问：水杨酸的鉴别 答：在弱酸性条件下与Fe3+反应生成紫堇色配合物 绪论 1、简答题 什么是材料的性能？包括哪些方面？ 解：材料的性能是指材料在给定外界条件下所表现出的可定量测量的行为表现。包括○1力学性能（拉、压、、扭、弯、硬、磨、韧、疲）○2物理性能（热、光、电、磁）○3化学性能（老化、腐蚀）。 第一章单向静载下力学性能 1、名词解释： 解： 弹性变形：材料受载后产生变形，卸载后这部分变形消逝，材料恢复到原来的状态的性质。 塑性变形：微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。 弹性极限：弹性变形过度到弹-塑性变形(屈服变形)时的应力。 弹性比功：弹性变形过程中吸收变形功的能力。 包申格效应：材料预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余应力降低的现象。 弹性模量：工程上被称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗力。实质是产生100%弹性变形所需的应力。 滞弹性：快速加载或卸载后，材料随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。 内耗：加载时材料吸收的变形功大于卸载是材料释放的变形功，即有部分变形功倍材料吸收，这部分被吸收的功称为材料的内耗。 韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 超塑性：在一定条件下，呈现非常大的伸长率（约1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。 韧窝：微孔聚集形断裂后的微观断口。 2、简答 1) 材料的弹性模量有那些影响因素？为什么说它是结构不敏感指标？ 解：○1键合方式和原子结构，共价键、金属键、离子键E高，分子键E低原子半径大，E 小，反之亦然。○2晶体结构，单晶材料在弹性模量在不同取向上呈各向异性，沿密排面E大，多晶材料为各晶粒的统计平均值；非晶材料各向E同性。○3化学成分，○4微观组织○5温度，温度升高，E下降○6加载条件、负载时间。对金属、陶瓷类材料的E 没有影响。高聚物的E随负载时间延长而降低，发生松弛。 2) 金属材料应变硬化的概念和实际意义。 解：材料进入塑性变形阶段后，随着变形量增大，形变应力不断提高的现象称为应变硬化。 意义○1加工方面，是金属进行均匀的塑性变形，保证冷变形工艺的顺利实施。○2应用方面，是金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件使用安全。○3对不能进行热 材料的疲劳性能一、疲劳破坏的变动应力 材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随 1 /2； min） 2 应力； ②不对称循环：σm≠0，-1 ④波动循环：σm>σa，0 ②疲劳破坏属于低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测显得十分重要和必要； ③疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织）十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）将降低材料的局部强度。二者综合更加速疲劳破坏 出现两个疲劳源。 （2）疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）? 疲劳裂纹扩展区特征为断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远 材料性能学 01 材料在单轴静张力下的力学性能 1. 解释: 开裂:开裂是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷。由于它的低密度和高反射光能力，它看起来是银色的，所以被命名为。裂纹发生在聚合物材料的弱结构或缺陷中。 超塑性:在一定条件下，材料表现出非常大的延伸率(约1000%)而不出现颈缩和断裂，称为超塑性。晶界滑动产生的应变占总应变的比例一般在50% ~ 70%之间，说明晶界滑动在超塑性变形中起主要作用。脆性断裂:材料在断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，无明显征兆。它常以突然的快速断裂过程出现，具有极大的危险性。 韧性断裂:在断裂前和断裂过程中发生明显宏观塑性变形的断裂过程。在韧性断裂中，裂纹扩展过程一般比较缓慢，消耗了大量的塑性变形能量。 解理断裂:在正应力作用下，原子间键合键的破坏导致沿特定晶面的脆性穿晶断裂称为解理断裂。(解理台阶、河纹、舌纹是解理断裂的基本微观特征。) 剪切断裂:剪切断裂是材料在剪切应力作用下沿滑移面滑动分离而引起的断裂。微孔骨料断裂是韧性断裂的一种常见模式。宏观断口表面通常为深灰色、纤维状，微观断口特征形态为断口表面分布着大量韧窝。 2. 为什么脆性断裂是最危险的? 应力的类型，塑性变形的程度，有无前体以及裂纹扩展的速度。3.断裂强力机C和抗拉强力机B有什么区别? 如果在断裂前没有发生塑性变形，或者塑性变形很小，没有出现颈缩，发生脆性断裂，则参数C =参数B。如果在断裂前出现颈缩，则参数C和参数B不相等。 4. 格里菲斯的公式的范围是什么，什么时候需要修改? 格里菲斯公式仅适用于有微裂纹的脆性固体，如玻璃、无机晶体材料和超高强度钢。对于许多工程结构材料，如结构钢和高分子材料，裂纹尖端会发生较大的塑性变形，消耗大量的塑性变形功。因此，必须对格里菲斯公式进行修正。 02 材料单向静拉伸的力学性能 1、应力状态软性系数； τmax和σmax的比值称为，用α表示。α越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形。反之，α越小，表示应力状态越硬，则材料越容易产生脆性断裂 2、如何理解塑性材料的“缺口强化”现象? 在有缺口条件下，由于出现了三向应力，试样的屈服应力比单向拉伸时要高，即产生了所谓缺口“强化”现象。我们不能把“缺口强化”看作是强化材料的一种手段，因缺口“强化”纯粹是由于三向应力约束了材料塑性变形所致。此时材料本身的σs值并未发生变化。 无机材料性能教案及课件 课程章节绪论 第 1 次课授课时间2015年3月3日授课班级1220731、732 授课类型：√理论课讨论课实践课习题课教学目标 1. 了解材料和材料性能的定义、无机非金属材料的特点； 2. 掌握研究材料性能的五个方面； 3. 理解研究材料性能的方法。 教学内容（注明重点、难点）课堂教学设计与教学方法绪论 一、材料性能的基本概述 二、无机非金属材料的特点和应用 三、材料性能研究的五方面【重点】 四、材料性能的研究方法【重点】 五、基本要求 六、考核方式 七、参考文献1. 幻灯演示，启发 2. 幻灯演示，讨论、启发 3. 先提问、举例，再讨论、讲解 思考、作业 总结：材料使用性能划分、材料行为描述及性能表征类型、材料性能的微观本质。 参考文献： 1. 《无机材料物理性能》王秀峰等主编化学工业出版社 2. 《无机材料性能》关振铎主编清华大学出版社 3.《材料性能学》张帆等主编上海交通大学出版社 课程章节第2章无机材料的受力形变 2.1 应力和应变 2.2 弹性形变 2.3 滞弹性 第 2 次课授课时间2015年3月6日授课班级1220731、732 授课类型：√理论课讨论课实践课习题课 教学目标 1. 了解滞弹性的理想流变模型和滞弹性的概念、弹性模量的影响因素。 2. 掌握应力和应变的概念、各向同性和各向异性广义虎克定律。 3. 理解弹性形变的机理。 4. 学会分析材料中某一点的应力和应变状态，学会使用应力-应变曲线分析实际问题。 教学内容（注明重点、难点）课堂教学设计与教学方法 2.1 应力和应变【重点】 应力和应变的基本概念、 材料中某点的应力、应变分析、 应力-应变曲线 2.2 弹性形变 广义虎克定律【重点】 弹性形变的机理【难点】 弹性模量的影响因素。 2.3 滞弹性 流变模型 滞弹性【难点】1. 总结、复习上次课程重点 2. 幻灯演示，公式推导 3. 幻灯演示，讨论、启发 4. 先提问、举例，再讨论、讲解 思考、作业 作业：P72第4题 思考题：应力-应变曲线的测试方法 参考文献： 1. 《无机材料物理性能》王秀峰等主编化学工业出版社 2. 《无机材料性能》关振铎主编清华大学出版社4.《材料性能学》张帆等主编上海交通大学出版社 材料的疲劳性能 一.本章的教学目的与要求 本章主要介绍材料的疲劳性能，要求学生掌握疲劳破坏的定义和特点，疲劳断口的宏观特征，金属以及非金属材料疲劳破坏的机理，各种疲劳抗力指标，例如疲劳强度，过载持久值，疲劳缺口敏感度，疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值，影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素，目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路。 二．教学重点与难点 1. 疲劳破坏的一般规律（重点） 2．金属材料疲劳破坏机理（难点） 3. 疲劳抗力指标（重点） 4.影响材料及机件疲劳强度的因素（重点） 5热疲劳（难点） 三．主要外语词汇 疲劳强度：fatigue strength 断口：fracture 过载持久值：overload of lasting value 疲劳缺口敏感度：fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率：fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值：threshold of crack propagation 热疲劳：thermal fatigue 四. 参考文献 1.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，2009 2.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1995 3.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，1996 4.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，1994 5.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天大学出版社，1991 6.朱有利等.某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵工程学院学报，2010,24（5）：78-81 五．授课内容 一、名词解释 第一章力学 1.真实应变一根长度为L 的杆，在单向拉应力作用下被拉长到L ,则ε = ，为真实应变。 2.名义应变一根长度为L 的杆，在单向拉应力作用下被拉长到L ,则ε=L –L /L =△L/L , ε为名义应变。 3.弹性模量材料在阶段，其和应变成线性关系（即符合），其称为弹性模量。对各向同性体为一常数。是原子间结合强度的 一个标志。 4.弹性柔顺系数弹性体在单位应力下所发生的应变，是弹性体柔性的千种量度。S =-μ/E ,其下标十位数为应变方向，个位 数为所受应力的方向。 5.材料的蠕变对粘弹性体施加恒定应力σ时，其应变随时间而增加。 6.材料的弛豫对粘弹性体施加恒定应变ε时，则应力将随时间而减小。 7.位错增殖系数 n个位错通过试样边界时引起位错增殖，使通过边界的位错数增加到nc个，c即为位错增殖系数。 8.滞弹性一些非晶体，有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性。 9.粘弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性，即弹性形变的产生与消除需要有限时间。 10.粘性系数(粘度) 单位接触面积、单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力。单位Pa·S. 是流体抵抗流动的量度。 11.脆性断裂构件未经明显的变形而发生的断裂。断裂时材料几乎没有发生过塑性变形。在外力作用下，任意一个结构单 元上主应力面的拉应力足够大超过材料的临界拉应力值时，会产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。与此同时，外力引起的平均剪应力尚小于临界值，不足以产生明显的塑性变形或粘性流动。 12.裂纹亚临界生长裂纹在使用应力下，随时间的推移而缓慢扩展。其结果是裂纹尺寸逐渐加大，一旦达到临界尺寸就会 失稳扩展而破坏。 13.材料的理论结合强度根据Orowan提出的原子间约束力随原子间的距离x的变化曲线（正弦曲线），得到σ=σ×sin2 πx/λ，σ为理论结合强度。单位面积的原子平面分开所作的功应等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能，材料才能断裂，根据公式得出σ = Eγ/a 。理论结合强度只与弹性模量、表面能和晶格距离等材料常数有关。材料性能学教学大纲
材料性能学
材料性能学预测终结版
付华材料性能学部分习题答案
材料的疲劳与断裂
南昌大学《材料性能学》课后答案
材料性能学重点(完整版)
疲劳和断裂读书报告
断裂与疲劳
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材料性能学作业(2)
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无机材料性能教
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