力学性能思考题2011答案.pdf

一 填空 1 影响材料弹性模数的因素有 键合方式和原子结构 晶体结构 化学成分 微观组织 温度 加载条件和载荷持续时间 等 2 提供材料弹性比功的途径有二 提高材料的 弹性极限 或降低 弹性模量 3 退火态和高温回火态的金属都有包申格效应 因此包申格效应是多晶体金属 具有的普遍现象 4 金属材料常见的塑性变形机理为晶体的 滑移 和 孪生 两种 5 多晶体金属材料由于各晶粒位向不同和晶界的存在 其塑性变形更加复杂 主要有各晶粒变形的不同时性和不均匀性及各晶粒变形的 相互协调 的特点 6 影响金属材料屈服强度的因素主要有 金属的本性和晶格类型 晶粒的大小和亚结构 溶质元素 第二相 温度 应变速率 应力状态 等 7 产生超塑性的条件是 1 超细晶粒 2 一定的温度下的低变形速 率 3 应变速率敏感指数较高 0 3 m 1 8 材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段 根据断裂过程材料的 宏观塑性变形过程 可以将断裂分为 脆性断裂 与 韧性断裂 按照晶体 材料断裂时裂纹扩展的途径 分为 穿晶断裂和 沿晶断裂 按照微观断 裂机理分为 剪切断裂 和 解理断裂 按作用力的性质可分为 正断型断 裂 和 切断性断裂 9 包申格效应 金属材料经过 预先加载产生少量 的塑性变形 卸载而 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 10 按断裂机制分为 纯剪切断裂 解理断裂和 微孔聚集断裂 11 解理断口的基本微观特征为 解理台阶 河流花样 和 舌状花样 12 韧性断裂的断口一般呈杯锥状 由 纤维区 放射区 和 剪切 唇区 三个区域组成 13 韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标 其中又分为静力韧度 冲 击韧度 和 断裂韧度 14 材料在受到 三向等轴拉伸 应力作用时压力状态最硬 其 最大切应力分 量为零 材料最易发生 脆性断裂 适用于揭示塑性较好的金属材料的脆性 倾向 越小 时 正应力分量较大 切应力分量较小 应力状态较硬 一般用于塑性变形抗力与切断抗力较低的所谓塑性材料试验 越大时应 力状态较软 材料易产生塑性变形 适用于在单向拉伸时容易发生脆断而不 能充分反映其塑性性能的所谓脆性材料 材料的硬度试验属于 大于 2 三 向压缩 状态 应力状态非常软 可在各种材料上进行 15 材料缺口敏感性除与材料本身性能 压力状态 加载方式 有关外 还与 缺 口的形状 大小 温度 有关 16 硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能 按加载方式基本上可以分为 划 痕法 弹性回跳法 和 压入法 三大类 在压入法中 根据加载速 率的不同又分为 动载荷压入法 和 静载荷压入法 17 国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为 夏氏 U 型缺口 试样和 夏氏 V 型缺口试样 所测得的冲击吸收功分别用 AKU AKV 标记 18 影响材料低温脆性的因素有 晶体结构 化学成分 显微 组织 温度 加载速率 缺口尺寸和形状 等 19 根据外加压力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系 裂纹扩展的基本方式 有 张开型 撕开型 和 滑开型 20 疲劳破坏形式按应力状态分为 弯曲疲劳 扭转疲劳 拉压疲劳 及 复合疲劳 按应力高低和断裂寿命分为 高周疲劳 和 低周疲劳 21 典型的疲劳断口具有 疲劳源 疲劳区 瞬断区 三个特征区 22 疲劳条带是疲劳断口的 微观 特征 贝纹线是断口的 宏观 特征 23 金属材料的疲劳过程也是裂纹的 萌生 和 扩展 过程 24 材料疲劳抗力指标主要有 疲劳极限 抗过载能力 过载持 久值 及 疲劳缺口敏感度 等 25 材料的疲劳强度不仅与载荷条件有关 还受材料 成分 组织 夹杂物 表面粗糙度 表面热处理状态 等因素的影响 26 常用的接触疲劳试验机包括 单面对滚式 双面对滚式 止推式 三种 27 机件的失效形式主要有 腐蚀 磨损 断裂 三种 28 低碳钢的力伸长曲线包括 弹性变形阶段 屈服变形 均匀 塑性变形阶段 集中塑性变形阶段 等四个阶段 29 理想弹性材料的特征为 应力和应变成线性关系 应力和应变同相 位 应变是应力的单值函数 31 内耗又称为 循环韧性 或 消振性 可用 滞后环 面积度量 32 应变硬化是由塑性变形过程中的 多系 滑移和 交 滑移造成的 应变硬化指数与金属材料的层错能有关 层错能低者 n 值 高 冷加工状态 n 值 小 晶粒粗大材料 n 值 高 33 扭转试验时与周线呈 45 角方向的应力作用面上正应力最 大 与周线 平行或垂直方向的应力作用面切应力最 大 34 弹性后效 加载或卸载时 应变落后于 应力 而和 时间 有关的 加载时 称其为 正弹性后效 卸载时称其为 反弹性后效 35 应力状态软性系数 试样在变形过程中 最大切应力 和 最大正 应力 的比值 36 微孔聚集型断裂是包括微孔 形核 长大聚合直至断裂的过程 37 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 称为 缺口敏感度 38 材料在 低应力 作用下 抵抗 裂纹失稳扩展 的 应力场强度因 子 称为 断裂韧度 39 金属材料在 应力 作用下 常见的三种失效形式 过弹性变形 以及 过塑性变形 和 断裂 40 包申格应变是在 给定应力 下 拉伸卸载后第二次 同向加载的应力应 变曲线 与拉伸卸载后第二次 反向加载的应力应变曲线 两曲线之间的应 变差 41 由于 缺口 的存在 在 静载荷 作用下 缺口截面 上的 应力状 态 发生变化的现象 被称为 缺口效应 42 洛氏硬度是在一定的 压力作用 下 将 120 角的 金刚石圆锥体 压入工件表面 用所得的 压痕深度 来测量 硬度 的工艺方法 43 低温脆性是 随着温度 的下降 材料由 韧性 转变为 脆性 的现象 44 解理断裂的基本特征是 河流花样 它是由大量的 解理台阶 汇合而成 二 概念 1 韧脆转变 材料在一定温度下由韧性状态变为脆性状态的现象 叫韧脆转变 2 循环韧性 金属材料在交变载荷下吸收的不可逆变形功的能力 3 解理裂纹 当外加应力达到一定数值后 金属以极快的速率沿一定的晶体学面 产生的穿晶断裂裂纹 4 弹 性 金属材料在外力作用下发生的可逆变形 5 低温脆性 随着温度的下降 材料由韧性转变为脆性的现象 6 低应力脆断 由于宏观裂纹的存在 材料在低于材料屈服极限的情况下所发生的 突然断裂现象称为低应力脆断 7 过载持久值 金属材料在高于疲劳极限的应力下运行时 发生疲劳断裂的循环 周次称为材料的过载持久值 9 穿晶裂纹 发生穿晶断裂时形成的裂纹 10 疲劳缺口敏感性 1 1 t f f K K q Kt 理论应力集中系数 Kf 疲劳缺口系 数 11 韧脆转变温度 当试验温度低于某一温度 tk时 材料由韧性状态变为脆性状 态 冲击吸收功明显下降 断裂机制由微孔聚集型变为穿晶解理断口特征 断口由纤维状变为结晶状 此温度称为韧脆转变温度 12 循环韧性 金属材料在交变载荷下吸收的不可逆变形功的能力 13 解理刻面 发生解理断裂时裂纹所在晶体学平面 14 韧 性 表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力 15 蓝 脆 碳钢和某些合金钢在一定温度范围内出现的脆性 在该温度范 围内钢表面被氧化呈蓝色 故称蓝脆 16 小范围屈服 塑性区尺寸远小于裂纹尺寸和净截面尺寸 至少小一个数量级 时 只要对应力场强度因子进行适当修正就可以使用 这种情况就叫小范围 屈服 17 有效裂纹长度 考虑到裂纹尖端的塑性增加后的裂纹长度总和 18 缺口敏感度 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 19 穿晶断裂 断裂时裂纹穿过晶粒时发生的断裂 20 解理断裂 金属在一定条件下 当外加应力达到一定数值后 以极快的速率 沿一定的晶体学面产生的穿晶断裂 解理台阶 沿两个不同高度的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的台阶 河流花样 解离台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合成足够高度时形成的台阶 舌状花样 解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌状凸台或凹坑 二 说明下列力学性能指标的意义 280HBW10 3000 30表示用直径为10mm的硬质合金球在29 419kN的试验力的作用下保持 30s 测得的布氏硬度值为 280 三 分析问答题 第一章 1 材料的弹性模数主要取决于什么因素 为何说它是一个对组织不敏感的力学 性能指标 材料的弹性模量主要取决于键合方式和原子结构 晶体结构 化学成分 微观组织 温 度 加载条件和负荷持续时间 由于合金化 热处理 显微组织 冷塑性变形对弹性模量 的影响不大 所以说弹性模数是一个对组织不敏感的力学性能指标 2 决定金属材料屈服强度的主要因素有哪些 提高金属材料的屈服强度有哪些 方法 内在因素 晶体结构 位错间的交互作用 平行位错间的交互作用 运动位错与林位错 间的交互作用 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 提高材料屈服强度的方法 细晶强化 加工硬化 固溶强化 弥散强化 降低温度 提 高应变速率 7 何为拉伸断口三要素 影响宏观拉伸断口的形态的因素有哪些 纤维区 放射区和剪切唇被称为拉伸断口三要素 纤维区 断口呈纤维状 灰暗色 垂直于拉伸轴 纤维状是塑性变形中裂纹不断扩展和 相互连接造成的 该区裂纹扩展速度很慢 放射区 断口呈放射状 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 是裂纹快速扩展时形成的区域 剪切唇 断口表面光滑 与拉伸轴线呈 45 是典型的切断型断裂 也是最后断裂阶段 由缩颈形成的 影响因素 试样的形状 尺寸和金属材料的性能及实验温度 加载速率和应力状态 材 料的强度提高 塑性降低 则放射区比例增大 试样的尺寸增大 放射区明显增大 纤维区 变化不大 8 材料的塑性一般以延伸率和断面收缩率这两个指标来度量 它在工程上有什 么实际意义 可以很好的来反映其材料冶金质量 但是延伸率比断面收缩率更常用 工程意义 避免因偶然过载而发生突然之间的破坏 可以松弛裂纹的局部应力 阻止裂纹扩展 即降低应力集中 可以进行塑性加工和修复工艺等 反映冶金质量 评定材料质量 9 包申格效应有何意义 工程中对机件会产生哪些影响 金属材料经过预先加载产生少量塑性变形 残余应变小于 1 4 而后再同向加载 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 称为 包申格效应 包申格效应可以对材料进行循环软化 降低其寿命 降低其强度 由于同向加载应力增 大反向加载应力减小 工程中如果对轧制薄板进行反向弯曲和拉拔棒材进行轧辊压制变直就 可以省力省工 提高效率 10 试述退火低碳钢 中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力 伸长曲线图上的区 别 为什么 低碳钢一般有明显屈服平台 还有弹性变形 均匀塑性变形 集中塑性变形 中碳钢和 高碳钢则没有屈服平台 除了弹性变形外 还有均匀塑性变形 但高碳钢往往没有集中塑性 变形阶段 含碳量越高 其屈服现象越不明显 脆性越强 11 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 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 是一种缓慢的撕裂过程 其 断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成 45 角 其断口呈纤维状 灰暗色 脆性断裂的断面一般垂直于正应力方向 断口平齐且光亮 常呈放射状或结晶状 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 没有明显的征兆 因此脆性断裂较 韧性断裂的危险性更大 12 常温静拉伸试验可确定金属材料的哪些性能指标 说出这些指标的符号定 义 意义 屈服强度 s 产生屈服现象时的应力 表示材料对微量塑性变形的抗力 抗拉强度 b 材料在拉伸试验中所能承受的最大外力所对应的应力值 表示材料对塑 性变形的抗力 0 A Fb b 断面收缩率 试样拉断后 缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 延伸率 试样拉断后 标距的伸长量与原始标距的百分比 16 常用的标准试样有5 倍试样和10 倍试样 其延伸率分别用 5和 10表示 说 明为什么 5 10 为了使同一金属材料制成的不同尺寸的拉伸试样得到相同的 值 要求 实验表明 0001ALLL 得出 0 0 L A 和 对于同一金属材 料的几何形状相似的试样为常数 所以延伸率与K成反比 比例试样的尺寸越短 则断后伸 长率越大 故 5大于 10 18 试分析金属材料在屈服阶段为何存在上下屈服点 屈服现象和下列三个因素有关 1 材料在变形前可动位错密度很小 2 随塑性变形的发生 位错快速增殖 3 位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系 vb 变形前可动的位错较少 较低 为了满足一定的应变速率vb 必须增大位错的运 动速率v 而 m v 0 因此需要较高的应力 此时出现上屈服点 一旦发生塑性变形 0 0 常数K A L 位错大量增殖 增大 则为保持运动速率恒定vb 相应的运动速率v和应力 降低 就出现下屈服点 25 循环韧性有何工程意义 选择音叉需要选择循环韧性高的还是低的材料 循环韧性 塑性应变环 的意义 材料的循环韧性越高 则机件依靠材料自身的消振能 力越好 因此 高的循环韧性对于降低机械噪声 抑制高速机械振动 防止共振导致疲劳断 裂是非常重要的 飞机螺旋桨 气轮机叶片需要高循环韧性 而追求音响效果的元件如音叉 簧片等要低循环韧性 灰铸铁的循环韧性大 常用来作机床的床身 发动机的缸体和支架等 音叉的循环韧性要低 第二章 1 布氏硬度与洛氏硬度的测量原理有何不同 可否直接比较 布氏硬度是用一定直径的硬质合金球为压头 施加一定的试验力 F 将其压入试样表面 经规定的保持一定的时间后卸除试验力 在试样表面留有压痕 测量压痕平均直径以求得其 表面积 A 求得的 HB F A 洛氏硬度是用圆锥角为 120 的金刚石圆锥体或者一定直径的小淬火钢球或者硬质合金 球 经过两次加载后求得压痕深度为 h 然后计算洛氏硬度为 HR K h 0 002 K 为常数 前者通过测量压痕表面积计算的 后者是通过测量压痕深度计算的 两者测量原理不同 载荷大小也不同 不可以直接比较 2 缺口对材料的拉伸力学性能有什么影响 缺口试样一般存在应力应变集中和强化效应 缺口一般使强度增加 塑性下降 增加 材料的变脆倾向 可以用缺口敏感度表示缺口对材料拉伸性能的影响 4 什么叫金属的缺口效应 由于缺口的存在 在静载荷作用下 缺口截面上的应力状态将发生变化 即产生所谓 缺 口效应 缺口的第一个效应是引起应力集中 第二效应是改变了缺口前方的应力状态 由 原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态 第三效应是使屈服强度增加的同时 塑性 明显下降 增加了材料的脆性 5 金属材料在受到扭转 单向拉伸 三向等拉伸 单向压缩 两向压缩 三向压 缩应力作用时 其应力状态软性系数分别为多少 扭转 0 8 单向拉伸 0 5 三向等拉伸 0 单向压缩 2 0 两向压缩 1 0 三等向压缩 硬度测量 7 缺口试样拉伸时应力分布有何特点 产生应力应变集中效应 存在两向或者三向应力状态 缺口使强度增加 塑性下降 增 加材料的变脆倾向 根据缺口试样的材质不同 分为弹性变形和塑性变形两种情况 在弹性状态下应力在缺口根部最大 并随着离开根部的距离加大而降低 在根部产生应 力集中 在塑性状态下最大应力由缺口尖端向内部转移 在缺口根部存在两向应力状态 最大应 力为屈服强度 而在内部出现三向应力状态 当缺口内侧截面上局部区域产生塑性变形后 最大应力已不在缺口根部 而移向中心 在其内侧一定距离 ry处 最大应力甚至接近 3 倍 屈服强度 越过 ry后 弹性区内的应力分布则呈连续下降状态 8 试综合比较光滑试样轴向拉伸 缺口试样轴向拉伸和偏斜拉伸试验的特点 缺口试样的轴向静拉伸与光滑试样轴向拉伸一样 只是将缺口试样夹持在拉伸机上沿试 样轴线方向加载 所用的外力为静拉力 缺口试样一般存在应力应变集中和强化效应 在缺 口内部还存在两向或者三向应力状态 缺口使强度增加 塑性下降 增加材料的变脆倾向 通过比对两者的抗拉强度大小来反映试样的缺口敏感度 缺口偏斜拉伸试验过程中 试样在承受拉伸力的同时还承受弯曲力的作用 承受复合载 荷 故其应力状态更硬 缺口截面上的应力分布更不均匀 更能体现缺口敏感性 国家标准 中规定偏斜角为 4 或 8 13 布 氏 硬 度 与洛氏 硬 度 的 测 量方 法有 何 不 同 280HBW10 1000 30 与 500HBW5 750代表什么意思 HRA HRB HRC分别用于测量何种材料的硬度 布氏硬度是用一定直径的硬质合金球为压头 施加一定的试验力 F 将其压入试样表面 经规定的保持一定的时间后卸除试验力 在试样表面留有压痕 测量压痕平均直径以求得其 表面积 A 求得的 HB F A 布氏硬度的特点 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 受个别相和微区不均匀性的影响 布氏硬度分散性小 重复性好 适合于测定粗大晶粒或粗 大组成相的材料的硬度 例如灰铸铁和轴承合金等 洛氏硬度是用圆锥角为 120 的金刚石圆锥体或者一定直径的小淬火钢球或者硬质合金 球 经过两次加载后求得压痕深度为 h 然后计算洛氏硬度为 HR K h 0 002 K 为常数 前者通过测量压痕表面积计算的 后者是通过测量压痕深度计算的 280HBW10 1000 30表示用直径为10mm的硬质合金球在29 419kN的试验力的作用下保持 30s 测得的布氏硬度值为 280 500HBW5 750 表示用直径为 5mm 的硬质合金球在 7 355kN 的试验力的作用下保持 10 15s 测得的布氏硬度值为 500 HRA 用于测量硬质合金 硬化薄钢板 表面薄层硬化钢 HRB 用于测量低碳钢 铜合金 铁素体可锻铸铁 HRC 用于测量淬火钢 高硬度钢 珠光体可锻铸铁 第三章 1 试说明低温脆性的物理本质及其影响因素 当试验温度低于某一温度 tk 时 材料由韧性状态变为脆性状态 冲击吸收功明显下 降 断裂机制由微孔聚集型变为穿晶解理 断口特征由纤维状变为结晶状 这就是低温脆性 其物理本质是屈服强度随温度降低而升高而断裂强度随温度降低而下降 影响因素 内在因素 晶体结构 体心立方金属及其合金存在低温脆性 而面心立方金属一般不存 在 化学成分 间隙溶质元素增加 偏聚于位错线附近 阻碍位错运动 致使屈服强度升高 韧脆转变温度提高 置换型溶质元素对韧性影响不明显 显微组织 细化晶粒 材料的韧性增加 金相组织 1 低强度钢中 强度相等而组织不同时 其冲击吸收功和韧脆转变温度不 同 如经高温回火后 回火索氏体最好 马氏体 贝氏体回火次之 片状珠光体最差 球 化处理可以提高钢的韧性 2 较高强度水平的钢中 较低等温淬火温度得到的贝氏体 其 冲击吸收功和韧脆转变温度优于同强度的淬火马氏体并回火组织 3 在相同强度水平下 典型上贝氏体的韧脆转变温度高于下贝氏体 低碳钢低温上贝氏体的韧性高于回火马氏体 4 在低碳钢中 经不完全等温处理获得的贝氏体和马氏体混合组织 其韧性好于单一马氏体 或单一贝氏体 5 马氏体钢中存在有残余奥氏体 将显著改善钢的韧性 6 钢中的夹杂物 碳化物等第二相质点都使韧脆转变温度升高 外在因素 一 温度 温度降低 材料的强度增加 塑性 韧性下降 除了冷脆转变 蓝脆和重 也存在结晶脆性随温度降低而降低的现象 二 加载速率 提高加载速率材料脆性增大 韧脆转变温度提高 一般 中 低碳钢 对加载速率较敏感 而高强度钢 或超高强度钢较差 三 试样尺寸形状 不改变缺口尺寸而增加试样宽度 或厚度 tk升高 若试样各 部分尺寸按比例增加 tk也升高 缺口的尖锐度增加 tk亦升高 尺寸增大应力状态变硬 缺 陷几率增加 故脆性增大 3 为何讲冲击韧性无物理意义 有实际意义 主要有哪些用途 冲击韧性 材料在冲击载荷的作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力 数学平均值 实 际上缺口截面上的应力应变分布是极不均匀的 塑性变形和试样所吸收的功主要集中在缺口 附近 取平均值无物理意义 但是冲击韧性对材料的内部组织变化十分敏感 而且冲击弯曲 试验方法简单易行 因此被广泛应用 主要用途 1 反映原材料的冶金质量和热加工后产品质量 2 根据Ak 温度曲线 测定材料的韧脆转变温度 以评定材料的低温脆性倾向 用于抗 脆断设计 并为机件服役条件设定温度范围 3 对于 s相同的材料 评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性 5 细化晶粒尺寸可以降低脆性转变温度或者说改善材料低温脆性 为什么 原因 细化晶粒之后 晶界面积增加 而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 使晶界上杂质浓度下降 避免产生沿晶脆性 断裂 9 为什么通常体心立方金属显示低温脆性 而面心立方金属一般没有低温脆性 材料的低温脆性和金属中的位错运动阻力 i有关 而 i又和位错的宽度有关 体心立 方金属位错宽度较窄 原子的位移较大 故温度 i对影响较大 因此 对低温脆性影响较 大 而面心立方金属 位错宽度较宽 对 i影响较小 反应不敏感 故低温脆性倾向不明 显 再者 屈服强度和断裂强度的交点就是冷脆转变温度 由于体心立方金属的屈服强度随 温度降低显著升高 面心立方金属则几乎不变 而两者断裂强度均随温度降低而降低 结果 面心立方金属的冷脆转变温度要比体心立方金属低很多 第四章 1 说明 KI和 KIC的异同 24 什么叫断裂韧性 它与应力场强度因子有何联系与区别 断裂韧性指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量 也是材料抵抗脆性破坏的韧性参 数 KI为应力场强度因子 KIC为材料的断裂韧性 前者与应力状态有关 后者代表材料本身 的特性 断裂韧度KIC是应力强度因子KI的临界值 不同点 K 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 它取决于外加应 力 试样尺寸和裂纹形状 与材料无关 K c是材料的力学性能指标 它取决于材料的成分 组织结构等内在因素 而与外加应 力及试样尺寸等外在因素无关 相同点 KI和 KIC的量纲及单位相同 同为应力判据 同为是应力和裂纹长度的复合参量 7 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 由于裂纹破坏了材料的均匀连续性 改变了材料内部应力状态和应力分布 使得机件在 低应力下 满足应力判据 即可发生裂纹的扩展断裂 所以机件中裂纹扩展的判据就不能再 采用无裂纹时的应力判据 而采用断裂韧性 K 判据或者断裂韧性 G 判据 8 试述应力场强度因子的意义及典型裂纹 K 的表达式 KI 表示应力场强弱程度的场强因子 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 它取决于外加应力 试样尺寸和裂纹形状 与材料无关 张开型裂纹应力场强度因子的一般表达式 aYKI KI I 型裂纹应力场强度 因子 Y 裂纹形状系数 无量纲 a 裂纹半长 平均应力 KI的量纲为 应力 长度 1 2 其单位为 mMPa 或 2 3 mMN 9 试述 K 判据的意义及用途 K 判据 裂纹体在受力时 只要满足 CICCICI KKaYKKK 或 就会发生脆 性断裂 反之 即使存在裂纹也不会断裂 意义 将材料的断裂韧度和机件的工作应力及裂纹尺寸联系起来 可用于直接设计计算 用途 估算裂纹体的最大承载能力 用于材料的设计 根据结构的许用应力和材料的 断裂韧性 确定结构的形状尺寸 估算允许的裂纹尺寸 ac 根据材料的断裂韧性和结构的承载能力 计算临界裂纹尺寸 校核结构的安全性 选择机件材料 优化工艺等 根据结构的承载要求 和可能出现的裂纹类型 计算最 大应力强度因子 选择满足结构要求的材料 根据断裂韧性的影响因素 有针对地设计合成 新材料 10 试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素 在什么条件下需考虑塑性区 的影响对 K 进行修正 在裂纹尖端存在应力集中 当外应力等于屈服强度时即可发生屈服变形 产生塑性区 影响因素 裂纹尖端的应力状态 材料的 KIC 以及屈服强度 s 只有在小范围屈服 塑性区尺寸小于裂纹尺寸和净截面尺寸 下 才需要考虑塑性区的 影响 以对 K 进行修正 15 断裂时裂纹扩展方式有哪三种 其中哪种最危险 裂纹扩展方向有裂纹张开型 滑开型和撕开型三种 其中张开型 I 型 裂纹最危险 容易引起脆性断裂 18 试述影响 K C和 AKV的异同及其相互之间的关系 20 A 5 Ky KV y 2 y IC 两者均随温度降低而降低 都可以反映韧脆转变温度 同为材料韧性指标 两者测量方 法不同 AkV是冲击试验结果 K C是三点弯曲或者紧凑拉伸试验机结果 两者单位不同 前 者是功或者单位面积的能量 后者是应力和裂纹的复合变量 两者试样不同 前者可以是缺 口试样也可以是光滑试样 后者是缺口试样 且带有预制裂纹 19 K C的影响因素 1 化学成分的影响 细化晶粒元素提高材料的强度和塑性 提高 KIC 强烈固溶强化的元素降低塑性使 KIC降低 形成金属化合物并呈第二相析出的元素降低塑性而使 KIC降低 2 基体相结构和晶粒大小的影响 fcc 固溶体易产生滑移塑性变形而不产生解理断裂 且 n 值较高 其 KIC较体心立方 金属高 基体晶粒越细小 n 和 C就越高 则 KIC也越高 3 杂质及第二相的影响 当材料的 s E 相同时 随着夹杂物体积百分比 f 的增加 其 KIC下降 第二相和夹杂物的形状及其在钢中的分布形式对 KIC也有影响 球状的碳化物好于片 状的 网状分布容易引起沿晶断裂 KIC下降 3 钢中的微量杂质元素 如锑 锡 磷砷等 容易偏聚奥氏体晶界 降低晶间结合力 使裂纹沿晶扩展并断裂 使 KIC降低 4 显微组织的影响 板条型马氏体具有位错型亚结构 具有较高的强度和塑性 裂纹扩展阻力较大呈韧性 断裂 因而 KIC较高 针状马氏体是孪晶型亚结构 硬而脆 裂纹扩展阻力较小 呈准解理 或解理断裂 因而 KIC很低 回火索氏体具有较高的塑性 第二相是粒状碳化物 分布间距较大 裂纹扩展阻力较 大 因而 KIC较高 回火马氏体基体塑性较差 第二相质点小而且分布弥散 裂纹扩展阻力 较小 因而 KIC较低 回火屈氏体的 KIC介于两者之间 在亚共析钢中 无碳贝氏体常因热处理不当而形成魏氏组织使 KIC下降 上贝氏体因片层间有断续碳化物 KIC较低 下贝氏体为过饱和铁素体针中分布有弥散细 小的碳化物 裂纹扩展阻力较大 和板条马氏体相似 KIC较高 残余奥氏体是韧性组织 分布于马氏体中 可以松弛裂纹尖端的应力峰 增大裂纹扩 展阻力 提高 KIC值 5 温度 降低温度 KIC降低 在韧脆转变温度温度以上 断裂是微孔聚集型的 KIC较高 而在韧脆转变温度以下 断裂是解理型的脆性断裂 KIC值较低 6 应变速率 提高应变速率可使 KIC下降 第五章 1 轴对称循环应力的平均应力 应力幅和应力比分别为多少 平均应力 m 2 1 minmax m 0 应力幅 a maxminmax 2 1 a 应力比r max min r 1 4 疲劳宏观断口上的贝纹线与微观断口的条带有什么区别 贝纹线是疲劳区的宏观最大特征 一般认为它是由载荷变动引起的 使裂纹前沿留下了 弧状的台阶痕迹 贝纹线是一簇几乎平行的弧线 其凹侧指向疲劳源 凸侧指向裂纹扩展方 向 贝纹线离疲劳源的距离不同 其间距也不同 近疲劳源者贝纹线较细密 表示裂纹扩展 较慢 远离裂纹源则较稀疏 表示裂纹扩展较快 疲劳条带是金属疲劳破坏的微观特征 相邻的贝纹线之间可能有成千上万条的疲劳条 带 在断口上二者可以同时出现也可不同时出现 即宏观上有贝纹线 而在微观上不一定有 疲劳条带 反之 微观上有疲劳条带 宏观上也不一定有贝纹线 7 试述金属疲劳断裂的特点 1 疲劳是低应力循环延时断裂 即具有寿命的断裂 其应力水平往往低于材料的 屈服强度或抗拉强度 应力高时寿命短 应力低时寿命长 当应力低于材料的疲劳极限时 寿命可达无限长 2 疲劳是脆性断裂 一般疲劳的应力水平低于材料的屈服强度 所以不管是韧性 材料还是脆性材料 疲劳断裂前不会发生塑性变形 因此危害性极大 3 疲劳对缺陷 缺口 裂纹及组织缺陷 十分敏感 疲劳破坏从局部开始 对缺 陷具有高度的选择性 缺口和裂纹产生应力集中 组织缺陷 夹杂 疏松 白点等 降低材 料的局部强度 二者都会加快疲劳破坏的形成和发展 4 疲劳断裂是裂纹萌生和扩展的过程 由于应力水平低 裂纹扩展缓慢 断口有 明显的疲劳源和扩展区 也有一般脆性断口的放射线等 第六章 1 粘着磨损与氧化磨损有何区别 分别随滑动速度和载荷如何变化 粘着磨损 是在滑动摩擦条件下 当摩擦副相对滑动速度较小 1m s 时发生的 它是因 缺乏润滑油 摩擦副表面无氧化膜 且单位法向载荷很大 以致接触应力超过实际接触点的 屈服强度而产生的一种磨损 当法向力一定时 粘着磨损量随滑动速度增加而增加 达某 一极大值后又随滑动速度增加而减小并由氧化磨损转变为粘着磨损 当摩擦速度一定时 粘着磨损量随法向力增大而增加 存在一临界压力 超过此值就有氧化磨损转变为粘着磨损 而氧化磨损是在当摩擦副作运动时 由于表面凹凸不平 在凸起部位单位压力很大 导 致产生塑性变形 加剧了氧向金属内部扩散 从而形成强度低的氧化膜 在摩擦副的继续运 动下 氧化膜逐渐被剥落 裸露出新的表面 从而又发生氧化 随后再被磨去 如此过程反 复进行 机件表面被磨损 氧化磨损体积与接触压力 滑动距离成正比 而与氧化膜的厚度 密度 滑动速度 摩擦副的屈服强度成反比 所以滑动速度越小 载荷越小 氧化磨损越严 重 2 摩擦副材料的硬度一般较测试材料高 请问为何一般不能选择同种材料作摩擦 副 因为相同材料的互溶性大 硬度低 磨损量大 所以要选择互溶性小的不相同的材料做