金属力学性能习题集.doc

1、 屈服强度的工程意义？l 作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据；l 根据屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆性断裂的参考依据。一、 计算题1、有一化工合成塔，直径为D=3200mm，工作压力P=6MPa，选用材料为0.2=l200MPa，KIC=58MPam12，厚度t=16mm的钢板制作过程中，经探伤发现在纵焊缝中，存在一纵向椭圆裂纹，2a=4mm，2c=6 mm试校核该合成塔能否安全运行。2、有一火箭壳体承受很高的工作压力，其周向最大工作拉应力1400Mpa，采用超高强度钢制造，焊接后往往发现有纵向表面半椭圆裂纹，尺寸为a1.0mm,a/2c=0.3,现有两种材料，其性能如下：A：0.21700Mpa、KIC=78Mpam1/2B：0.22800Mpa、KIC=47Mpam1/2从断裂力学角度考虑，选用哪种材料较为合适？3、有一大型板件，材料的0.2=1200MPa，Kc=115 MPam1/2，探伤发现有20mm长的横向穿透裂纹，若在平均轴向应力900 MPa下工作，试计算K和塑性区宽度，并判断该件是否安全。4、有板件在脉动载荷下工作，max=200MPa，min=0，该材料的b=670MPa，0.2=600MPa，Kc=104 MPam1/2，Paris公式中C=6.9X10-12，n=3.0，使用中发现有0.1mm和1mm的单边横向穿透裂纹，请估算它们的疲劳剩余寿命。2010年考试内容一、名词解释1、弹性比功：弹性比功又称弹性比能或应变比能，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。A1、滞弹性：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。1、循环韧性：金属材料在交变载荷（震动）作用下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，又叫金属的内耗。2、包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于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。3、脆性断裂：脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显征兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。断口一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。A4、韧性断裂：韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。裂纹扩展较慢，消耗大量塑性变形功。断口宏观观察呈灰暗色、纤维状。5、应力状态软性系数：材料所受的应力状态下，最大的切应力分量与最大正应力分量之比，系数越大，最大切应力分量越大，应力状态越软，材料越容易产生塑性变形，反之系数越小，表示应力状态越硬，材料越容易产生脆性断裂。A5、缺口效应：由于缺口的存在，缺口截面上的应力状态将发生变化的现象。6、缺口敏感度：常用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值作为材料敏感性指标，称为缺口敏感度。比值越大，缺口敏感性越小。7、冲击韧度：是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功表示。7、低温脆性：体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，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时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。A7、韧脆转变温度：材料屈服强度急剧升高的温度，或断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收功急剧减少的温度。7、张开型裂纹：拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展的裂纹。7、应力场强度因子KI：张开型裂纹尖端区域各点的应力分量大小除了取决于其位置外，还取决于KI值的大小。KI值越大，则应力场各应力分量也越大。这样，KI就可以表示应力场的强度，故称为引力场强度因子。7、裂纹扩展K判据：根据应力场强度因子KI和断裂韧度KIC的相对大小可以建立裂纹失稳扩展断裂的断裂K判据，即KIKIC时，裂纹失稳扩展。8、裂纹扩展G判据: 根据裂纹扩展能量释放率GI和断裂韧度GIC的相对大小可以建立裂纹失稳扩展断裂的断裂G判据，即GIGIC时，裂纹失稳扩展。8、次载锻炼：材料特别是金属，在低于疲劳强度的应力下先运转一定周次，可以提高材料的疲劳强度的现象。9、过载损伤：材料在过载应力下运行一定周次后，疲劳强度和疲劳寿命降低的现象。A10、热疲劳：由周期变化的热应力或热应变引起的材料破坏称为热疲劳或叫热应力疲劳。10、应力腐蚀断裂：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所发生的低应力脆断现象，称为应力腐蚀断裂。10、氢蚀：由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化的现象。10、白点：当钢中含有过量的氢时，随着温度的降低氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处形成氢分子，体积发生急剧膨胀，内压力很大，足以将金属局部撕裂而形成微裂纹，这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色，故称为白点。10、氢化物致脆：金属中的某些合金元素与氢有较大的亲和力，极易生成脆性氢化物，使金属脆化的现象。10、氢致延滞断裂：由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。11、磨损：在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象。12、粘着磨损：又称咬合磨损，是因为两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料的屈服强度发生粘合并拽开而产生的一种表面损伤磨损，多发生在摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大的滑动摩擦条件下。A13、跑合：是在磨损过程的第一阶段，在此阶段无论摩擦副双方硬度如何，摩擦表面逐渐被磨平，实际接触面积增大，磨损速率逐渐减小。14、耐磨性：是材料抵抗磨损的性能，是一个系统性质。通常用磨损量来表示材料的耐磨性，磨损量越小，耐磨性越高。15、冲蚀磨损：是指流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。16、接触疲劳：是机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使材料流失的现象，又称表面疲劳磨损或疲劳磨损。13、等强温度：材料晶粒与晶界强度相等时的温度。14、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。17、松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性。可以通过应力松弛实验测定应力松弛曲线来评定。二、简答题1、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？由于弹性变形是原子间距在外力作用下可逆变化的结果，应力与应变的关系实际上是原子间作用力与原子间距的关系，所以弹性模量与原子间作用力有关，与原子间距也有一定的关系。原子间作用力取决于金属原子本性和晶格类型，故弹性模量也主要决定于金属原子本性和晶格类型。合金化、热处理（影响显微组织）、冷塑性变形对弹性模量的影响较小，所以，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。温度、加载速率等外在因素对其影响也不大。1、何谓断口三要素？影响宏观拉伸断口的形态的因素有哪些?断口三要素：纤维区、放射区、剪切唇。这三个区域的的形态、大小及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、加载速度和受力状态不同而变化。1、简述应变硬化的工程意义有？A材料的加工硬化性能，在材料的加工和使用中有明显的实用价值：利用加工硬化和塑性变形的合理配合，可使金属进行均匀的塑性变形，保证冷变形工艺顺利实施；低碳钢切削时，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提高强度，降低塑性，使切屑易于脆断脱落，改善切削加工性能；加工硬化可使机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件的使用安全；形变强化也是一种强化金属的手段，尤其是对于那些不能进行热处理强化的材料。2、简述材料屈服强度的工程意义。屈服强度是工程技术上最重要的力学性能指标之一，其工程意义在于：作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据；根据屈服强度和抗拉强度之比（屈强比）的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆断的参考依据。3、简述影响金属材料屈服强度的因素。金属本性及晶格结构：金属晶体结构不同，位错运动的阻力不同，屈服强度也不同；晶粒大小与亚结构：晶粒和亚结构越细小，晶界和亚晶界越多，位错移动越困难，屈服强度越大；溶质元素：溶质元素引起晶格畸变，阻碍位错运动，提高屈服强度（固溶强化）；第二相：第二相的性质、尺寸、形状、数量等均影响强化效果；温度：温度越高，位错越易于移动，屈服强度越低；应变速率和应力状态：应变速率高，屈服强度高，应力状态越软，屈服强度越小。4、简述材料塑性的实际意义。A材料具有一定的塑性，对材料加工和使用具有以下意义：当偶然承受过载时，通过塑性变形和应变硬化的配合可避免机件发生突然破坏；当机件因存在台阶、沟槽、小孔等而产生局部应力集中时，通过材料的塑性变形可削减应力高峰使之重新分布，从而保证机件正常运行；有利于塑性加工和修复工艺的顺利进行；金属材料塑性的好坏是评定冶金质量的重要标准。5、试述缺口的三个效应。缺口造成应力应变集中，这是缺口的第一效应；缺口改变缺口前方的应力状态，使单向应力状态改变为双向或三向应力状态；在有缺口的情况下，由于出现了三向应力，试样的屈服应力比单向拉伸时要高，即产生了所谓的缺口强化现象，这是缺口的第三个效应。6、今有如下工件需要8、试从宏观上解释为什么有些材料有明显的韧脆转变温度而另外一些材料则没有？A从宏观角度分析，材料低温脆性的产生与其屈服强度s断裂强度c随温度的变化情况有关。因热激活裂纹断裂的力学条件没有明显作用，故断裂强度c随温度的变化很小，如图所示。屈服强度随温度的变化情况与材料的本性有关，具有体心立方或密排六方结构的金属或合金的屈服强度对温度的变化十分敏感，温度降低，屈服强度急剧升高，故两线交于一点，该交点对应的温度即为韧脆转变温度，高于该温度时，断裂强度高于屈服强度，材料受载后先屈服再断裂，为韧性断裂，低于该温度时，外加应力首先达到材料的断裂强度，材料表现为脆性断裂。而面心立方结构材料的屈服强度s随温度的下降变化不大，近似为水平线，即使在很低的温度下仍没与断裂强度曲线相交，故此材料的冷脆现象不明显。ss,tsc9、试从微观上解释为什么有些材料有明显的韧脆转变温度而另外一些材料则没有？从微观上讲，体心立方金属的低温脆性与位错在晶体中的运动阻力对温度变化非常敏感有关，运动阻力随温度降低而增加，故该类材料在低温下处于脆性状态，而面心立方金属因位错宽度比较大，位错运动阻力对温度变化不敏感，故一般不显示低温脆性。10、试描述KI和KIC的不同。AKI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、试样尺寸和裂纹形状，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、组织结构等内在因素，而与外加应力及试样尺寸等外在因素无关。KI和KIC的关系与和S的关系相同，KI和都是力学参量，而KIC和S都是材料的力学性能指标。10、试述影响材料断裂韧度KIC的因素。 化学成分、基体相结构和晶粒的大小、杂质及第二相、显微组织、温度、应变速率等因素都影响材料断裂韧度KIC的大小。11、试描述-1和Kth的不同。同为表征材料无限寿命疲劳性能的-1和Kth，它们的意义完全不同，疲劳强度-1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；疲劳裂纹扩展门槛值Kth代表的是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适用于裂纹件的设计和疲劳强度校核。11、试述金属疲劳断裂的特点。 疲劳断裂与静载断裂或一次冲击断裂相比，具有以下特点：（1）疲劳断裂是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至屈服强度。断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿命长。当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。 (2)疲劳断裂是脆性断裂。由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前均不会发生塑性变形及有形变预兆，它是在长期积累损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸时才突然发生的。因此，疲劳是一种潜在的突发性脆性断裂。 （3）疲劳对缺陷十分敏感。由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择性。缺口、裂纹和组织缺陷都加快疲劳破坏的开始和发展。11、试述金属表面强化对疲劳强度的影响。 常用的提高疲劳强度的金属表面强化方法有喷丸、滚压、表面淬火及表面化学热处理。 喷丸是用压缩空气将坚硬的小弹丸高速喷打到机件表面，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，从而提高疲劳强度。 滚压的作用与喷丸相似，只是压应力层较大，适合大工件。 表面热处理和化学热处理都是利用组织相变获得表面强化的工艺方法，也是常用的表面强化方法，使机件表面获得高强度和残余压应力，可有效提高机件疲劳强度和疲劳寿命。11、试述金属产生应力腐蚀的条件。 应力、化学介质和金属材料三者是产生应力腐蚀的条件。 （1）应力 在化学介质诱导开裂过程中起作用的是拉应力，包括工作拉应力和残余拉应力。产生应力腐蚀的拉应力不一定很大，如果没有化学介质的协同作用，机件在该应力的作用下可以长期服役而不会断裂。（2）化学介质 只有在某些特定的化学介质中，某种金属材料才能产生应力腐蚀。（3）金属材料 一般认为，纯金属不会产生应