力学性能讲义.doc

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。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，位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，这背应力反作用于位错源，当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时，可使位错源停止开动。背应力是一种长程(晶粒或位错胞尺寸范围)内应力，是金属基体平均内应力的度量。因为预变形时位错运动的方向和背应力的方向相反，而当反向加载时位错运动的方向与原来的方向相反了，和背应力方向一致，背应力帮助位错运动，塑性变形容易了，于是，经过预变形再反向加载，其屈服强度就降低了。这一般被认为是产生包辛格效应的主要原因。其次，在反向加载时，在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号，要引起异号位错消毁，这也会引起材料的软化，屈服强度的降低。 实际意义：在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。其次，包辛格效应大的材料，内应力较大。另外包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系，在高周疲劳中，包辛格效应小的疲劳寿命高，而包辛格效应大的，由于疲劳软化也较严重，对高周疲劳寿命不利。一、解释下列名词： （1）应力状态软性系数材料最大且盈利与最大正赢利的比值，记为。 （2）缺口效应缺口材料在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生的变化。 （3）缺口敏感度金属材料的缺口敏感性指标，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表示。 （4）布氏硬度用钢球或硬质合金球作为压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。 （5）洛氏硬度采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度所表示的硬度。 （6）维氏硬度以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。 （7）努氏硬度采用两个对面角不等的四棱锥金刚石压头，由试验力除以压痕投影面积得到的硬度。 （8）肖氏硬度采动载荷试验法，根据重锤回跳高度表证的金属硬度。 （9）里氏硬度采动载荷试验法，根据重锤回跳速度表证的金属硬度。二、说明下列力学性能指标的意义 （1）材料的抗压强度 （2）材料的抗弯强度 （3）材料的扭转屈服点 （4）材料的抗扭强度 （5）材料的抗拉强度 （6）NSR材料的缺口敏感度 （7）HBS压头为淬火钢球的材料的布氏硬度 （8）HBW压头为硬质合金球的材料的布氏硬度 （9）HRA材料的洛氏硬度 （）HRB材料的洛氏硬度 （）HRC材料的洛氏硬度 （）HV材料的维氏硬度 （）HK材料的努氏硬度 （）HS材料的肖氏硬度 （）HL材料的里氏硬度三、缺口冲击韧性试验能评定那些材料的低温脆性?那些材料不能用此方法检验和评定？ 答案：缺口冲击韧性试验能评定的材料是低、中强度的体心立方金属以及Bb，Zn，这些材料的冲击韧性对温度是很敏感的。对高强度钢、铝合金和钛合金以及面心立方金属、陶瓷材料等不能用此方法检验和评定。四、在评定材料的缺口敏感应时，什么情况下宜选用缺口静拉伸试验?什么情况下宜选用缺口偏斜拉伸?什么情况下则选用缺口静弯试验? 答案：缺口静拉伸试验主要用于比较淬火低中温回火的各种高强度钢，各种高强度钢在屈服强度小于1200MPa时，其缺口强度均随着材料屈服强度的提高而升高；但在屈服强度超过1200MPa以上时，则表现出不同的特性，有的开始降低，有的还呈上升趋势。 缺口偏斜拉伸试验就是在更苛刻的应力状态和试验条件下，来检验与对比不同材料或不同工艺所表现出的性能差异。 缺口试样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。一、解释下列名词 （1）冲击韧度材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 （2）冲击吸收功冲击弯曲试验中试样变形和断裂所消耗的功 （3）低温脆性体心立方晶体金属及其合金或某些密派六方晶体金属及其合金在试验温度低于某一温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。 （4）韧脆转变温度材料呈现低温脆性的临界转变温度。 （5）韧性温度储备材料使用温度和韧脆转变温度的差值，保证材料的低温服役行为。二、说明下列力学性能指标的意义 （1）AK材料的冲击吸收功 AKV (CVN) 和AKUV型缺口和U型缺口试样测得的冲击吸收功 （2）FATT50结晶区占整个端口面积50%是的温度定义的韧脆转变温度 （3）NDT以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度 （4）FTE以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义的韧脆转变温度 （5）FTP高阶能对应的温度三、J积分的主要优点是什么?为什么用这种方法测定低中强度材料的断裂韧性要比一般的KIC测定方法其试样尺寸要小很多？ 答案：J积分有一个突出的优点就是可以用来测定低中强度材料的KIC。 对平面应变的断裂韧性KIC，测定时要求裂纹一开始起裂，立即达到全而失稳扩展，并要求沿裂纹全长，除试样两侗表面极小地带外，全部达到平面应变状态。而JIC的测定，不一定要求试样完全满足平面应变条件，试验时，只在裂纹前沿中间地段首先起裂，然后有较长的亚临界稳定扩展的过程，这样只需很小的试验厚度，即只在中心起裂的部分满足平面应变要求，而韧带尺寸范围可以大而积的屈服，甚至全面屈服。因此作为试样的起裂点仍然是平面应变的断裂韧度，这时JIC的是材料的性质。当试样裂纹继续扩展时，进入平面应力的稳定扩展阶段，此时的J不再单独是材料的性质，还与试样尺寸有关。四、如何提高陶瓷材料的热冲击抗力? 答案：在工程应用中，陶瓷构件的失效分析是十分重要的，如果材料的失效，主要是热震断裂，例如对高强、微密的精细陶宠，则裂纹的萌生起主导作用，为了防止热震失效提高热震断裂抗力，应当致力于提高材料的强度，并降低它的弹性模量和膨胀系数。若导致热震失效的主要因素是热震损坏，这时裂纹的扩展起主要作用，这时应当设法提高它的断裂韧性，降低它的强度。一、解释下列名词 （1）低应力脆断：在屈服应力以下发生的断裂。 （2）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。 （3）应力强度因子：表示应力场的强弱程度。 （4）小范围屈服：塑性尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸为小，小一个数量级以上的屈服。 （5）有效屈服应力：发生屈服时的应力 （6）有效裂纹长度：将原有的裂纹长度与松弛后的塑性区相合并得到的裂纹长度 （7）裂纹扩展能量释放率：裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。 （8）J积分：裂纹尖端区的应变能，即应力应变集中程度 （9）COD：裂纹尖端沿应力方向张开所得到的位移。二、疲劳断口有什么特点? 答案：有疲劳源。在形成疲劳裂纹之后，裂纹慢速扩展，形成贝壳状或海滩状条纹。这种条纹开始时比较密集，以后间距逐渐增大。由于载荷的间断或载荷大小的改变，裂纹经过多次张开闭合并由于裂纹表面的相互摩擦，形成一条条光亮的弧线，叫做疲劳裂纹前沿线，这个区域通常称为疲劳裂纹扩展区，而最后断裂区则和静载下带尖锐缺口试样的断口相似。对于塑性材料，断口为纤维状，对于脆性材料，则为结晶状断口。总之，一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。三、什么是疲劳裂纹门槛值，哪些因素影响其值的大小? 答案：把裂纹扩展的每一微小过程看成是裂纹体小区域的断裂过程，则设想应力强度因子幅度K=Kmax-Kmin是疲劳裂纹扩展的控制因子，当K小于某临界值Kth时，疲劳裂纹不扩展，所以Kth叫疲劳裂纹扩展的门槛值。 应力比、显微组织、环境及试样的尺寸等因素对Kth的影响很大。一、解释下列名词 腐蚀疲劳：材料或零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下造成的失效。 应力腐蚀：材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的破坏。 氢脆：就是材料在使用前内部已含有足够的氢并导致了脆性破坏。二、如何判断某一零件的破坏是由应力腐蚀引起的? 答案：应力腐蚀引起的破坏，常有以下特点： 1、造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一舶是拉伸应力。 2、应力腐蚀造成的破坏，是腕性断裂，没有明显的塑性变形。 3、只有在特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成应力腐蚀。 4、应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9一10-6m/s，有点象疲劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂。 5、应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴。 6、应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物，而疲劳断口的表面，如果是新鲜断口常常较光滑，有光泽。 7、应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但不要形成绝对化的概念，应力腐蚀裂纹并不总是分技的。 8、应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是晶间断裂。如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。三、如何识别氢脆与应力腐蚀？ 答案：氢脆和应力腐蚀相比，其特点表现在： 1、实验室中识别氢脆与应力腐蚀的一种办法是，当施加一小的阳极电流，如使开裂加速，则为应力腐蚀；而当施加一小的阴极电流，使开裂加速者则为氢脆。 2、在强度较低的材料中，或者虽为高强度材料但受力不大，存在的残余拉应力也较小这时其断裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此处三向拉应力最大，氢浓集在这里造成断裂。 3、断裂的主裂纹没有分枝的悄况这和应力腐蚀的裂纹是截然不同的。 4、氦脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微。 5、大多数的氢脆断裂(氢化物的氢脆除外)，都表现出对温度和形变速率有强烈的依赖关系。氢脆只在一定的温度范围内出现，出现氢脆的温度区间决定于合金的化学成分和形变速率。一、和常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点?答案： 1、首先，材料在高温将发生蠕变现象。材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。 2、高温应力松弛。 3、产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降。二、提高材料的蠕变抗力有哪些途径? 答案：加入的合金元素阻止刃位错的攀移，以及阻止空位的形成与运动从而阻止其扩散。第一章1塑性-材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力2穿晶断裂和沿晶断裂-穿晶断裂，裂纹穿过晶界。沿晶断裂，裂纹沿晶扩展。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。4E-应变为一个单位时，E即等于弹性应力，即E是产生100弹性变形所需的应力5s-屈服强度，一般将0.2定为屈服强度6n应变硬化指数 Hollomon关系式：S=ken （真应力S与真应变e之间的关系）n应变硬化指数；k硬化系数应变硬化指数n反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。分析：n=1，理想弹性体;n=0材料无硬化能力。大多数金属材料的n值在0.10.5之间。710-长比例试样断后延伸率 L0=5d0 或 L0=10d0 L0标注长度 d0名义截面直径）8静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断裂所吸收的功（是强度和塑性的综合指标）。J/m39脆性断裂（1）断裂特点 断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆； 断口与正应力垂直。（2）断口特征 平齐光亮，常呈放射状或结晶状； 人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。通常，脆断前也产生微量的塑性变形，一般规定10 (断后伸长率)30怎样区分韧性断裂和脆性断裂-一般规定2），几乎所有的材料都能产生塑变。6HRC-钢k=0.26锥头又分成=120o的金刚石圆锥主要应用于淬火钢 高硬度铸件 珠光体可锻铸铁7缺口强化在存在缺口的条件下由于出现了三向应力状态，并产生应力集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高，产生了所谓的缺口强化现象。8缺口敏感度-通常用缺口敏感度NSR(Notch Sensitivity Ratio) 衡量静拉伸下缺口敏感度指标： NSR=bn/b bn为缺口试样的抗拉强度，b为等截面光滑试样的抗拉强度。NSR越大，表示缺口敏感度越小.脆性材料(如铸铁、高碳钢），NSR2为应力状态软14硬度 表征材料软硬程度的一种性能15脆性金属材料压缩试验特点 ？除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴线呈45方向产生断裂，具有切断特征。第三章1.50%FATT-断口结晶区占整个断口面积50时的温度。2AKV (CVN)- V形缺口摆锤冲击试验冲击吸收功3韧脆转变温度-当试验温度低于某一温度从时，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。转变温度从称为韧脆转变温度，也称为冷脆转变温度。4冲击吸收功试样变形和断裂所吸收的功。5低温脆性6AKU-U形缺口摆锤冲击试验冲击吸收功7冲击弯曲试验的工程用途及影响韧脆转变温度的冶金因素作用（1）揭示冶金缺陷的影响；（2）对s大致相同的材料，评定缺口敏感性。（3）评定低温脆性倾向。影响韧脆转变温度的冶金因素间隙溶质元素溶人铁素体基体中，偏聚于位错线附近，阻碍位错运动，致升高，钢的韧脆转变温度提高(图3-10)。8冲击韧度-材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的大小。 单位，J；或kgf/cm29落锤试验的特点 ？落锤实验的缺点是对脆性断裂不能给予定量评定。因为试验使用动载荷，其结果能否用于静载荷尚需研究。此外，板厚的影响也未考虑。10按断口形貌定义韧脆转变温度tk的方法 无塑性转变温度NDT（Nil Ductility Temperature）：断口由100结晶区（解理区）组成时对应的温度。 50FATT（Fracture Appearance Temperature）：断口结晶区占整个断口面积50时的温度。11低温脆性现象与晶格的关系f.c.c不存在低温脆性（如Cu、Al、奥氏体不锈钢）。b.c.c金属及其合金存在低温脆性（如Fe、Mo、W等）。第四章1低应力脆性断裂金属材料在屈服应力以下，应力较低的情况下发生的断裂。2断裂K判据应用实例p843C断裂韧度 c越大，说明裂纹尖端区域的塑性储备越大。4KC和KC当KI达到临界值，即在裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展，材料断裂。这个临界或失稳状态的KI记为KIC或KC，称为断裂韧度。 KC 平面应力断裂韧度 KIC 平面应变，I类裂纹时断裂韧度意义： KIC表示材料在平面应变条件下抵抗裂纹失稳扩展的能力。5断裂K判据应用p92-176张开型（I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。7KIc、GIc与KI、GIKI表示应力场的强弱程度，故称为应力场强度因子，KI越大，则应力场各应力分量也越大。GI表示裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值称为裂纹扩展能量释放率，简称为能量释放率或能量率。GI的临界值记为GIC，表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。8影响断裂韧度KIc的因素1、材料因素（内在因素）化学成分对KIC的影响和对AKv的影响相似细晶， 和(塑性)，KIC ；当合金元素 ，固溶强化时，因 ，KIC ；形成金属间化合物并呈析出的合金元素，因 ，KIC 基体相结构和晶粒大小 面心立方（因为塑变抗力低、塑变能力强）比体心立方的KIC高； 一般，晶粒越细，n和s就越高，KIC夹杂、第二相若本身脆裂或在相界面开裂而形成微孔， KIC ；当夹杂物体积分数增多，使得分散的脆性相数量越多，其平均间距越小，促进裂纹的扩展， KIC .第二相或夹杂物呈球状分布时，有利于减缓应力集中，KIC；当碳化物沿晶界呈网状分布（包括夹杂物沿晶界分布），裂纹易沿此扩展， KIC 。显微组织 板条M体（位错型），因强度和塑性较高，对裂纹扩展的阻力大，常呈韧性断裂，则KIC较高；针状M硬而脆，KIC很低；回火S体的KIC较高，回火T体次之、回火M的KIC较低。亚共析钢中，无碳B常因为热加工工艺问题而形成魏氏体组织（F从晶界沿针状向晶内分布），使KIC下降；上B因在F片层间分布有断续碳化物， KIC较低；下B因在过饱和F中分布着弥散细小的碳化物，对裂纹扩展的阻力大，与板条M相近， KIC较高。残余A是一种韧性的第二相，对提高KIC有利，例如高锰钢；低碳M除了因为位错型结构外，M板条间的AR薄膜也起了很大作用。2、（外因）环境因素 温度结构钢的KIC都随toC而应变速率，增加应变速率 相当于温度降低的作用。9裂纹扩展基本形式及特点张开型（I型）裂纹扩展 （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）滑开型（II型）裂纹扩展 （切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平行划开扩展）撕开型（III型）裂纹扩展（切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展）10应力松弛对裂纹尖端附近塑性区尺寸的影响第五章1疲劳-材料在交变应力的作用下，经过一段时间，而发生断裂的现象，叫疲劳。21-疲劳极限3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（2）疲劳是脆性断裂（3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感4疲劳宏观断口的特征及表面状态表面强化对疲劳强度的影响。在断口上，疲劳源一般在机件表面，常与缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连，由于应力不集中会引发疲劳裂纹。从断口形貌看，疲劳源区的光亮度最大疲劳区 断口比较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样）。瞬断区 断口比疲劳区粗糙，同静载的裂纹件的断口一样，随材料的性质而变5热疲劳-机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下发生的疲劳，称为热疲劳。6Kth-疲劳裂纹扩展门槛值，疲劳裂纹不扩展的K临界值。7低周疲劳-低周疲劳（ Nf=（104-105）周次，s,往往有塑性应变 ）。8疲劳现象及疲劳现象的特点机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。特点（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂（2）疲劳是脆性断裂（3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感9材料的过载损伤区如果金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限和疲劳寿命减小，这就造成了过载损伤。金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力，用过载损伤界或过载损伤区表示。10按照断裂寿命和应力高低不同疲劳分类-高周疲劳、低周疲劳11驻留滑移带-用电解抛光方法很难将已产生的表面循环滑移带去除，即使能去除，当对试样重新循环加载时，则循环滑移带又在原处出现，这种永留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。12低周疲劳的特点低周疲劳时，因局部区域产生宏观塑性变形，故循环应力与应变之间不再呈直线关系，形成滞后回线。低周疲劳试验时，或者控制总应变范围，或者控制塑性应变范围，在给定的t或p下测定疲劳寿命。低周疲劳破坏有几个裂纹源，这是由于应力比较大，裂纹容易形核，其形核期较短，只占总寿命的10%。低周疲劳寿命决定于塑性应变幅，而高周疲劳寿命则决定于应力幅或应力场强度因子范围，但两者都是循环塑性变形累计损伤的结果。13对称交变应力m=0，r=-114疲劳断口典型的微观特征 ？疲劳裂纹萌生阶段产生疲劳滑移带第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，成为疲劳条带。疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征。第六章1应力腐蚀断裂-金属在拉应力和特定的介质共同作用下，经过一段时间后，所产生的低应力脆断现象。2应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt与KI关系曲线特点3氢脆断裂-由于氢和应力的共同作用，而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂4氢致裂纹的扩展方式与应力腐蚀裂纹扩展方式孕育，亚稳扩展，失稳扩展。5应力腐蚀现象金属在拉应力和特定的介质共同作用下，经过一段时间后，所产生的低应力脆断现象。第七章1磨损-机件表面相接触并作相对运