材料力学性能知识要点

材料力学性能知识要点材料力学性能知识要点 1 低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形 塑性变形和断裂三个 阶段 2 材料常规力学性能的五大指标为屈服强度 抗拉强度 延伸率断 面收缩率 冲击功 3 陶瓷材料增韧的主要途径有相变增韧 微裂纹增韧 表面残余应 力增韧 晶须或纤维增韧显微结构增韧以及复合增韧六种 4 常用测定硬度的方法有布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度测试法 1 聚合物的弹性模量对结构非常敏感 它的粘弹性表现为滞后环 应力松弛和蠕变 这种现象与温度 时间密切有关 2 影响屈服强度的内在因素有结构健 组织 结构 原子本性 外 在因素有温度 应变速率 应力状态 3 缺口对材料的力学性能的影响归结为四个方面 1 产生应力集中 2 引起三相应力状态 使材料脆化 3 由应力集中带来应变集中 4 使缺口附近的应变速率增高 4 低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形 塑性变形和断裂三个 阶段 5 材料常规力学性能的五大指标为屈服强度 抗拉强度 延伸率断 面收缩率 冲击功 6 陶瓷材料增韧的主要途径有相变增韧 微裂纹增韧 表面残余应 力增韧 晶须或纤维增韧显微结构增韧以及复合增韧六种 请说明下面公式各符号的名称以及其物理意义 7 c ICca YK c断裂应力 表示金属受拉伸离开平衡位置后 位移越大需 克服的引力越大 c表示引力的最大值 K1C平面应变的断裂韧性 它反映了材料组织裂纹扩展的能力 Y几何形状因子a c 裂纹长度 8 对公式mK cdNda 进行解释 并说明各符号的名称及其物理意义 5分 答 表示疲劳裂纹扩展速率与裂纹尖端的应力强度因子幅度之间的关系 dNda裂纹扩展速率 随周次 c与m与材料有关的常数 K 裂纹尖 端的应力强度因子幅度 9 ss 蠕变速率 反映材料在一定的应力作用下 发生蠕变的快慢 n为应 力指数 n并非完全是材料常数 随着温度的升高 n略有降低 A为 常数 为蠕变应力 该公式反映了在稳态蠕变阶段 蠕变速率和蠕变应力之间的关系 10 S K n Hollomon关系式式中n称为加工硬化指数或应变硬化指数 K叫做强 度硬化指数 S 真应力 真应变若取对数 lnS lnK nln 1 提高金属材料的屈服强度有哪些方法 试用已学过的专业知识就 每种方法各举一例 答从组织的影响来看有四种强化机制影响金属材料的屈服强度固溶 强化 形变强化 沉淀强化和弥散强化 晶界和亚晶强化 影响屈 服强度的外在因素还有温度 应变速率 应力状态 随着温度的降低与应变速率的增高 材料的屈服强度也升高 2 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 造成这种差别的原因何在 答首先 材料在高温下将发生蠕变现 象 即在应力恒定的情况下 材料在应力的持续作用下不断发生变 形 其次 材料在高温下不仅强度降低 且塑性也降低 应变越低 载荷作用时间越长 塑性降低得越显著 再次 材料在高温下晶界附近是弱化的区域 但在常温或不太高的温度下 晶界却是阻止变形引起材料强化的因 素 细晶粒不仅强度高 塑韧性也好 另外还有高温应力松弛 蠕变还会产生疲劳损伤 使高温疲劳强度 下降 材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的 3 金属疲劳破坏的特点是什么 典型疲劳断口具有什么特征 提高 疲劳强度的途径有哪些 答金属疲劳破坏有以下三个特点第一 断 裂时并无明显的宏观塑性变形 断裂前没有预兆 而是突然地破坏 第二 引起疲劳破坏的应力很低 常常低于静载时的屈服强度 第三 疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生 扩展和最后断裂三个 组成部分 一个典型的疲劳断口总是有疲劳源 疲劳裂纹扩展源和最终断裂区 三部分组成 4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 答对于体心立方金属来说 随着温度的下降屈服强度上升 剧烈 但形变硬化速率却对温度不太敏感 因此随着温度下降其抗 拉强度与屈服强度的差别基本保持不变 而延伸率则越来越低 这样 当屈服强度上升到和其解离断裂抗力相等时 材料就发生脆 断 对于面心立方金属来说 屈服强度随温度降低基本不变 但加工硬 化速率却迅速上升 相应地也伴随着抗拉强度迅速上升 均匀延伸率随温度的降低不是减小而是明显增大 故面心立方金属没有冷脆现象 5提高零件的疲劳寿命有哪些方法 试就每种方法各举一应用实例 并对这种方法具体分析 其在抑制疲劳裂纹的萌生中起有益作用 还是在阻碍疲劳裂纹扩展中有良好的效果 答提高疲劳寿命的方法有 1 采用滚压或喷丸的表面强化方法 因为疲劳裂纹的萌生大多起源于表面 滚压或喷丸时表面的塑性变 形受到约束 使表面产生很高的残留压应力 这种情况下表面就不 易萌生疲劳裂纹 即使表面有小的裂纹 裂纹也不易扩展 2 利用表面化学热处理的方法来提高零件的疲劳强度 如渗碳氮化等 其表面强化原理和上述的喷丸 滚压法是相同的 也是在渗层表面产生残余压应力 3 减少夹杂物 夹杂物如Al2O 3 硅酸盐和MnS等与基体的膨胀系数不同 在淬火过程中使其周围 产生应力 在夹杂物和基体之间萌生疲劳裂纹 4 细化晶粒 细化晶粒对阻止疲劳裂纹的萌生和扩展都是有好处的 细化晶粒相当于减小了平均滑移距离 减少了在晶界上位错塞积所 引起的应力集中 5 其它因素 对Ti 8Al 1Mo 1V用铍的表面镀层能显著提高疲劳极限 在零件制造过程中 注意消除磨削和焊接等工艺造成的残余拉应力 6 为什么材料的塑性要以延伸率和断面收缩率这两个指标来度量 它们在工程上各有什么实际意义 答试样拉断时所测得的延伸率主要 反映了材料均匀变形的能力 而断面收缩率则反映了材料局部变形 的能力 在试样拉伸过程中 试样伸长包括两部分 均匀伸长 颈缩前 和 局部伸长 颈缩后 因此可以用延伸率和断面收缩率来度量材料 的塑性 7 缺口对材料的性能有哪些影响 为什么缺口冲击韧性被列为材料 常规性能的五大指标之一 它和断裂韧性有何关系 答影响 1 产生应力集中 2 引起三向应力状态 使材料变脆 3 由应力集中带来应变集中 4 使缺口附近的应变速率增高 原因测量简便迅速 综合了缺口 低温及高应变速率这三个因素的 影响 能够用来控制材料的冶金质量和铸造 锻造 焊接及热处理 等热加工工艺的质量 能够评定材料的冷脆倾向 关系温度对二者的影响类似 加载速率所引起的脆性转变温度的改 变一致 二者在低温下有一定的对应关系 8 缺口冲击韧性为什么被列为材料常规性能的五大指标之一 怎样 正确理解冲击韧性的功能 a 它是控制工艺的性能指标 b 它是服 役性能指标 c 两者兼而有之 但要具体分析 你对上述说法有何评论 冲击韧性能理解为材料抵抗冲击载荷而不发 生破坏的能力吗 答缺口冲击韧性试验最大的优点就是测量迅速简便 所以将材料的冲击韧性列为材料的常规力学性能 a 缺口冲击韧性用于控制材料的冶金质量和铸造 锻造 焊接及热 处理等热加工工艺的质量 厂里所规定的冲击韧性值是用来检验材料的冶金质量和热加工工艺 是否正常 而不是作为使用性能或服役性能的指标提出的 b 它是用来评定材料的冷脆倾向 评定脆断倾向的标准常常是和材料的具体服役条件相联系的 在这种情况下所提出的材料冲击韧性值要求 虽然不是一个直接的 服役性能 但应理解为和具体服役条件有关的性能指标 冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力 而不能理解为材料抵抗冲击载荷而不发生破坏的能力 1 某汽车弹簧 在未装满载时已变形到最大位置 缺载后可完全恢 复到原来状态 另一汽车弹簧 使用一段时间后 发现弹簧弓形越 来越小 即产生了塑性变形 而且塑性变形量越来越大 试分析这两种故障的本质及改变措施 答第一种故障主要是材料的刚度 弹性模量 不足 抵抗弹簧变形 能力不够 改进措施 1 更换弹性模量高的材料 2 改变材料的截面形状尺寸 第二种故障主要是材料的弹性极限偏低所致 改进措施 1 更换弹性极限高的材料 2 对材料进行适当热处理3 材料M比材料N的高温蠕变极限 持久 强度以及持久塑性都高 而且表现出高温 强韧化 特点 请在蠕变曲线图上画出材料M和材料N的相对位置 并做以说明 答材料M和N的应力 应变曲线示意图如下 横坐标为应变值 纵坐标为应力值 材料M在断裂时的最大应力值大 于材料N 也就是 材料M的强度比材料N要大 材料M 在应力 应变曲线上有明显的塑性变形阶段 而材料N达到 最大应力值时就断裂了 说明材料M的塑性较好 2 一直径为2 5mm 长为200mm的杆 在载荷2000N作用下 直径缩 小为2 2mm 试计算 1 杆的最终长度 2 在该载荷作用下的真应力S与真应变 3 在该载荷作用下的条件应力 与条件应变 答 1 00A AA 100 22020d dd 100 2222 52 22 5 100 22 56 1 29 13 最终杆长l 0l 1 200 1 29 13 258 26m m 备注也可利用体积不变定律计算 2 S FA 2220001 4 2 2 Nmm 526 13M pa ln 1 ln 129 13 25