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。

3、试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围。

单向拉伸时，正应力分量较大，切应力分量较小，应力状态较硬，一般适用于塑性变形抗力与切断抗力较低的所谓塑性材料的试验。

压缩：单向压缩的应力状态软性系数a＝2，压缩试验主要用于脆性材料。

弯曲：弯曲加载时不存在如拉伸时的所谓试样偏斜对试验结果的影响。

弯曲试验时，截面上的应力分布也是表面上应力最大，故可灵敏地反映材料的表面缺陷。

扭转试验：扭转的应力状态软性系数较拉伸的应力状态软性系数高，故可用来测定那些在拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性。

扭转试验时试样截面的应力分布为表面最大，故对材料表面硬化及表面缺陷的反映十分敏感。

扭转试验时正应力与切应力大致相等；切断断口，断面和试样轴线垂直，塑性材料常为这种断口。

正断断口，断面和试样轴线约成45°角，这是正应力作用的结果，脆性材料常为这种断口。

4、试比较布氏硬度与维氏硬度试验原理的异同，并比较布氏、洛氏和维氏硬度试验的优缺点和应用范围。

维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相似，也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为136°的金刚石四棱锥体。

布氏硬度采用的为淬火钢球或硬质合金球。

布氏硬度试验的优点：压痕面积较大，其硬度值能反映材料在较大区
域内各组成相的平均性能，且试验数据稳定，重复性高。

因此，布氏硬度检验最适合测定灰铸铁、轴承合金等材料的硬度。

布氏硬度试验的缺点：因压痕直径较大，一般不宜在成品件上直接进行检验；此外，对硬度不同的材料需要更换压头直径和载荷，同时压痕直径的测量也比较麻烦。

洛氏硬度试验的优点：操作简便迅速；压痕小，可对工件直接进行检验；缺点：因压痕较小，代表性差；用不同标尺测得的硬度值既不能直接进行比较，又不能彼此互换。

维氏硬度试验具有很多优点：测量精确可靠；可以任意选择载荷。

此外，维氏硬度也不存在洛氏硬度那种不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度所测试件厚度更薄。

维氏硬度试验的缺点：其测定方法较麻烦，工作效率低，压痕面积小，代表性差，所以不宜用于成批生产的常规检验。

03
材料的冲击韧性及低温脆性
1、低温脆性；韧脆转变温度。

体心立方或某些密排六方的晶体金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度tk（韧脆转变温度）时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。

2、试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。

在韧脆转变温度以下，断裂强度低于屈服强度，材料在低温下处于脆性状态。

A．晶体结构的影响
体心立方金属及其合金存在低温脆性，面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性。

体心立方金属的低温脆性可能和迟屈服现象有密切关系。

B.化学成分的影响：间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高。

C.显微组织的影响：细化晶粒和组织可使材料韧性增加。

D. 温度的影响：比较复杂，在一定温度范围内出现脆性（蓝脆）E．加载速率的影响：提高加载速率如同降低温度，使材料脆性增大，韧脆转变温度提高。

F．试样形状和尺寸的影响：缺口曲率半径越小，tk越高
3、细化晶粒提高韧性的原因？
晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。

04
材料的断裂韧性
1、低应力脆断；
大型机件常常在工作应力并不高，甚至远低于屈服极限的情况下，发生脆性断裂现象，这就是所谓的低应力脆断。

2、说明下列符号的名称和含义:KIc；JIc；GIc；δc。

KⅠC（裂纹体中裂纹尖端的应力应变场强度因子）为平面应变断裂韧度，表示材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力。

JⅠc（裂纹尖端区的应变能）也称为断裂韧度，但它表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。

GIc表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。

δc（裂纹张开位移）也称为材料的断裂韧度，表示材料阻止裂纹开始扩展的能力。

3、说明KI和KIc的异同。

KⅠ和KⅠC是两个不同的概念，KⅠ是一个力学参量，表示裂纹体中裂纹尖端的应力应变场强度的大小，它决定于外加应力、试样尺寸和裂纹类型，而和材料无关。

但KⅠC是材料的力学性能指标，它决定于材料的成分、组织结构等内在国素，而与外加应力及试样尺寸等外在因素无关。

KⅠ和KⅠC的关系与σ和σs的关系相同，KⅠ和σ都是力学参量，而KⅠC和σs都是材料的力学性能指标。

05
材料的疲劳性能
1、疲劳破坏的特点？
⑴该破坏是一种潜藏的突发性破坏，在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂。

⑵疲劳破坏属低应力循环延时断裂。

⑶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样性。

⑷可按不同方法对疲劳形式分类。

按应力状态分，有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳；按应力高低和断裂寿命分，有高周疲劳和低周疲劳。

2、疲劳断口的几个特征区?
疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区
3、试述σ-1和ΔKth的异同。

σ-1 (疲劳强度)代表的是光滑试样的无限寿命疲劳强度，适用于传统的疲劳强度设计和校核；△Kth (疲劳裂纹扩展门槛值)代表的是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和疲劳强度校核。

06
材料的磨损性能
1、磨损有几种类型？说明它们的表面损伤形貌。

粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损及麻点疲劳磨损(接触疲劳)
粘着磨损：磨损表面特征是机件表面有大小不等的结疤。

磨料磨损：摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。

接触疲劳：接触表面出现许多凹坑（麻坑），有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹
2、“材料愈硬，耐磨性愈高”的说法对吗?为什么?
正确。

因为磨损量都与硬度成反比。

3、试从提高材料疲劳强度、接触疲劳强度、耐磨性的观点出发，分
析化学热处理时应注意的事项。

增加表面强度和硬度的同时，提高表面表层残余压应力。