工程材料力学性能.docx

工程材料力学性能.docx

《工程材料力学性能.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料力学性能.docx（9页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

工程材料力学性能

第一章单向静拉伸力学性能。

1.弹性比功：

金属材料吸收弹性变形功的能力。

2．滞弹性：

金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性。

3．包申格效应：

金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。

4．解理刻面：

这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。

5.金属的弹性模量主要取决于什么因素？

为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？

答：

主要决定于原子本性和晶格类型。

合金化、热处理、冷塑性变形等对弹性模量影响较小，所以它是一个对组织不敏感的力学性能指标。

5.解理断裂；金属材料在一定条件下，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。

6.决定金属屈服强度的因素有哪些？

答：

内在因素：

金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。

外在因素：

温度、应变速率和应力状态。

7.剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？

答：

剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。

8.何谓拉伸断口三要素？

影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？

答：

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，即所谓的断口特征三要素。

上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。

9．试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释bcc金属及其合金与fcc金属及其合金屈服行为不同的原因。

10.试举出几种能显著强化金属而又不降低其塑性的方法。

答：

固溶强化、形变硬化、细晶强化

11.断裂强度sc与抗拉强度sb有何区别？

12.裂纹扩展受哪些因素支配？

答:

裂纹形核前均需有塑性变形；位错运动受阻，在一定条件下便会形成裂纹。

第二章金属在其他静载荷下的力学性能

1.应力状态软性系数:

材料或工件所承受的最大切应力τmax和最大正应力σmax比值.

2.缺口效应:

由于缺口的存在，在载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的缺口效应。

3.缺口敏感度:

缺口试样的抗拉强度σbn的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值，称为缺口敏感度.

4.HBW:

压头为硬质合金球的材料的布氏硬度

5.HRA:

材料的A标尺洛氏硬度

6.HRB:

材料的B标尺洛氏硬度

7.HRC:

材料的C标尺洛氏硬度

8.试说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理，并比较布氏、洛氏与维氏硬度试验方法的优缺点。

布氏硬度：

用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位面积所承受的试验力。

洛氏硬度：

采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度。

维氏硬度：

以两相对面夹角为136。

的金刚石四棱锥作压头，计算单位面积所承受的试验力。

布氏硬度优点：

实验时一般采用直径较大的压头球，因而所得的压痕面积比较大。

压痕大的一个优点是其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相得平均性能；另一个优点是实验数据稳定，重复性强。

缺点：

对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，因而用于自动检测时受到限制。

洛氏硬度优点：

操作简便，迅捷，硬度值可直接读出；压痕较小，可在工件上进行试验；采用不同标尺可测量各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度，因而广泛用于热处理质量检测。

缺点：

压痕较小，代表性差；若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；此外用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。

维氏硬度优点：

不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径D之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端；维氏硬度试验时不仅试验力可以任意取，而且压痕测量的精度较高，硬度值较为准确。

缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低的多。

第三章金属在冲击载荷下的力学性能

1.冲击吸收功:

缺口试样冲击弯曲试验中，摆锤冲断试样失去的位能为mgH1-mgH2。

此即为试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功。

2.低温脆性：

体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，在试验温度低于某一温度时，会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型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。

3.韧脆转变温度：

对体心立方晶体金属及合金或者某些密排六方晶体金属及合金当温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态转变为脆性状态，此时的温度为韧脆转变温度。

4.FATT50：

结晶区占整个断口面积50%是的温度定义的韧脆转变温度.

5.NDT:

以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度,称为无塑性或零塑性转变温度。

6.FTE:

以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义tk，记为FTE

7.FTP:

以高阶能对应的温度为tk，记为FTP

8.试说明低温脆性的物理本质及其影响因素

低温脆性的物理本质：

材料屈服强度随温度降低急剧增加对体心立方金属是派纳力起主要作用所致。

影响材料低温脆性的因素有（P63，P73）：

1．晶体结构：

对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高，材料脆性断裂趋势明显，塑性差。

2．化学成分：

能够使材料硬度，强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差，材料脆性提高。

3．显微组织：

①晶粒大小。

②金相组织。

第四章金属的断裂韧度

1.低应力脆断：

高强度、超高强度钢的机件，中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下发生的断裂。

2.应力场强度因子

：

在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚与强度因子

有关，对于某一确定的点，其应力分量由

确定，

越大，则应力场各点应力分量也越大，这样

就可以表示应力场的强弱程度，称

为应力场强度因子。

“I”表示I型裂纹。

3.小范围屈服：

塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸为小时（小一个数量级以上），这就称为小范围屈服。

4.有效裂纹长度：

因裂纹尖端应力的分布特性，裂尖前沿产生有塑性屈服区，屈服区内松弛的应力将叠加至屈服区之外，从而使屈服区之外的应力增加，其效果相当于因裂纹长度增加ry后对裂纹尖端应力场的影响，经修正后的裂纹长度即为有效裂纹长度:

a+ry。

5.裂纹扩展能量释放率GI：

I型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。

6.Ｊ积分：

有两种定义或表达式：

一是线积分：

二是形变功率差。

7.ＣＯＤ：

裂纹张开位移。

8.试述低应力脆断的原因及防止方法。

答：

低应力脆断的原因：

在材料的生产、机件的加工和使用过程中产生不可避免的宏观裂纹，从而使机件在低于屈服应力的情况发生断裂。

预防措施：

将断裂判据用于机件的设计上，在给定裂纹尺寸的情况下，确定机件允许的最大工作应力，或者当机件的工作应力确定后，根据断裂判据确定机件不发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸。

9.为什么研究裂纹扩展的力学条件时不用应力判据而用其它判据？

答：

由4—1可知，裂纹前端的应力是一个变化复杂的多向应力，如用它直接建立裂纹扩展的应力判据，显得十分复杂和困难；而且当r→0时，不论外加平均应力如何小，裂纹尖端各应力分量均趋于无限大，构件就失去了承载能力，也就是说，只要构件一有裂纹就会破坏，这显然与实际情况不符。

这说明经典的强度理论单纯用应力大小来判断受载的裂纹体是否破坏是不正确的。

因此无法用应力判据处理这一问题。

因此只能用其它判据来解决这一问题。

10.试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。

答：

机件上由于存在裂纹，在裂纹尖端处产生应力集中，当σy趋于材料的屈服应力时，在裂纹尖端处便开始屈服产生塑性变形，从而形成塑性区。

影响塑性区大小的因素有：

裂纹在厚板中所处的位置，板中心处于平面应变状态，塑性区较小；板表面处于平面应力状态，塑性区较大。

但是无论平面应力或平面应变，塑性区宽度总是与（KIC/σs）2成正比。

11.ＣＯＤ的意义及其表达式：

表示裂纹张开位移。

表达式

。

12.试述KＩＣ的测试原理及其对试样的基本要求。

（P77了解）

13.有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探伤发现有20mm长的横向穿透裂纹，若在平均轴向拉应力900MPa下工作，试计算KI及塑性区宽度R0，并判断该件是否安全？

解：

由题意知穿透裂纹受到的应力为σ=900MPa

根据σ/σ0.2的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否休要修正

因为σ/σ0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂纹断裂韧度KIC需要修正

对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：

=

（MPa*m1/2）

塑性区宽度为：

=0.004417937（m）=2.21（mm）

比较K1与KIc：

因为K1=168.13（MPa*m1/2）

KIc=115（MPa*m1/2）

所以：

K1>KIc，裂纹会失稳扩展,所以该件不安全。

14.有一轴件平行轴向工作应力150MPa，使用中发现横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深度的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c可以确定φ=1，测试材料的σ0.2=720MPa，试估算材料的断裂韧度KIC为多少？

解：

因为σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂纹断裂韧度KIC不需要修正

对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：

KIC=Yσcac1/2

对于表面半椭圆裂纹，Y=1.1

/φ=1.1

所以，KIC=Yσcac1/2=1.1

=46.229（MPa*m1/2）

15有一构件制造时，出现表面半椭圆裂纹，若a=1mm,在工作应力s=1000MPa下工作，应该选什么材料的σ0.2与KIC配合比较合适？

构件材料经不同热处理后，其s0.2和KＩＣ的变化列于下表：

第五章金属的疲劳

1.应力比r:

r=σmin/σmax

2.疲劳条带：

疲劳裂纹扩展的第二阶段的断口特征是具有略程弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带

3.驻留滑移带：

用电解抛光的方法很难将已产生的表面循环滑移带去除，当对式样重新循环加载时，则循环滑移带又会在原处再现，这种永留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。

P111

4.过载损伤：

金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限减小，就造成了过载损伤。

5.疲劳强度σ-1，σ-p,τ-1,σ-1N,

σ-1:

对称应力循环作用下的弯曲疲劳极限；σ-p:

对称拉压疲劳极限；τ-1:

对称扭转疲劳极限；σ-1N:

缺口试样在对称应力循环作用下的疲劳极限。

6.过载损伤界：

金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力。

。

7.疲劳门槛值ΔKth：

表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能。

8.试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程

答：

典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域—疲劳源、疲劳区及瞬断区。

（1）疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，疲劳源区的光亮度最大，因为这里在整个裂纹亚稳扩展过程中断面不断摩擦挤压，故显示光亮平滑，另疲劳源的贝纹线细小。

（2）疲劳区的疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，是判断疲劳断裂的重要特征证据。

特征是：

断口比较光滑并分布有贝纹线。

断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。

贝纹线是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动与停歇，偶然过载引起的载荷变动，使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。

（3）瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。

其断口比疲劳区粗糙，脆性材料为结晶状断口，韧性材料为纤维状断口。

第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂

1、应力腐蚀：

金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象。

2、氢化物致脆：

对于ⅣB或ⅤB族金属，由于它们与氢有较大的亲和力，极易生成脆性氢化物，是金属脆化，这种现象称氢化物致脆。

3.σscc：

材料不发生应力腐蚀的临界应力。

4.KIscc：

应力腐蚀临界应力场强度因子。

5．试述金属产生应力腐蚀的条件及机理。

（机理来源于网络，请对照书P129）

5g#k5Y.[-S）`/}3I8m$P"q答：

条件：

应力、化学介质和金属材料。

第七章金属的磨损与耐磨性

1.磨损：

相互作用的物体在相对华东的过程中接触的表面发生材料的损失或塑性变形叫磨损。

2.耐磨性：

耐磨性是材料抵抗磨损的性能。

第八章

1.约比温度T/Tm（试验温度T与金属熔点Tm的比值）

2.蠕变：

金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。

3.应力松弛：

在规定温度和处事应力条件下，金属材料中的应力随时间增加而减小的现象。

4.σte：

在规定温度下，使试样在规定时间内产生的稳态蠕变速率（e）不超过规定值的最大应力。

5.在规定温度下和规定的试验时间（）内，使试样产生的蠕变总伸长率（）不超过规定值的最大应力。

6.金属材料的持久长度极限：

在规定温度（t）下,达到规定的持续时间（）而不发生断裂的最大应力。

7.剩余应力，在应力松弛试验中。

任一时间试样上所保持的应力，是评定金属材料应力松弛稳定性的指标。