沈阳理工期末冲击韧性重点大略

一 基本概念 填空 一 基本概念 填空 30 冲击韧性冲击韧性 冲击韧性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 Ak 应力腐蚀断裂 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 经过一点时间后所产生 的低应力脆断现象 应变硬化 应变硬化 金属整个变形过程中 当外力超过屈服强度之后 塑性变形并不是像屈服 平台那样连续流变下去 而需要不断增加外力才能继续进行 这表明金属材料有一种 阻止继续塑性变形的能力 这就是应变硬化 持久强度极限 持久强度极限 在规定温度下 达到规定的持续时间而不发生断裂的最大应力 过载持久值 过载持久值 疲劳曲线高应力区直线段各应力水平下发生疲劳断裂的应力循环周次 屈服强度屈服强度 呈现屈服现象的金属材料拉伸时 试样在外力保持恒定下 仍能继续伸长 时的应力称为屈服强度 弹性比功弹性比功 金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示金属材料吸收弹 性变形功的能力 ae 2E 耐磨性耐磨性 材料抵抗磨损的性能 通常是用磨损量来表示材料的耐磨性 包申格效应 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 抗拉强度 抗拉强度 韧性金属试样拉断过程中最大力所对应的应力称为抗拉强度 s Ps Fo 氢脆断裂 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 硬度 硬度 表征金属材料软硬程度的一种性能 松弛稳定性 松弛稳定性 金属材料抵抗应力松弛的性能 断裂韧度 断裂韧度 当 Ki 增大到临界值时 也就是在裂纹尖端足够大的范围内达到了材料的断 裂强度裂纹便失稳扩展而导致材料断裂 此时临界 Ki 值记作 Kic 或 Kc 循环韧性循环韧性 表示材料吸收不可逆变形功的能力 低温脆性 低温脆性 中 低强度结构钢中 当试验温度低于某一温度 Tk 会由韧性状态变为 脆性断裂 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 冲击吸收功 冲击吸收功 试样变形和断裂所消耗的功 强度因子 强度因子 表示应力场的强弱程度 应力比应力比 r max min 疲劳极限 疲劳极限 当循环应力水平降低到某一临界值时 低应力段变为水平线段 表明试样 可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂 故将对应的应力称为疲劳极限 疲劳寿命 疲劳寿命 材料在疲劳破坏前所经历的应力循环次数称为疲劳寿命 疲劳裂纹门槛值 疲劳裂纹门槛值 Kth 是疲劳裂纹不扩展的 K 临界值 表示材料阻止疲劳裂纹开 始扩展的性能 低周疲劳 低周疲劳 金属在循环载荷作用下 疲劳寿命为10 2 10 5 次的疲劳断裂称为低周疲劳 蠕变极限 蠕变极限 金属材料在高温长时载荷作用下的塑料变形的最大应力 剩余应力 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称为剩余应力 2 简答题简答题 15 1 格雷菲斯理论的前提 格雷菲斯理论的前提 承认实际金属材料中已经存在裂纹 不涉及裂纹的来源问题 2 Sk 和和 b b 有何异同 有何异同 均表示应力 Sk 表示真实应力 而 b 为抗拉强度 即为金属试样拉断 过程中最大力所对应的应力 3 金属发生氢脆断裂的宏观断口形貌特征 金属发生氢脆断裂的宏观断口形貌特征 氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色 颗 粒状 白点 微裂纹断面呈圆形或椭圆形 颜色为银白色 氢化物致脆 在断口 上可以见到氢化物 氢致延带断裂 较平齐光滑 常呈放射状 人字纹或结晶状 在光线照射下转动断口 有时可见闪闪发亮的小晶面 4 单向压缩 弯曲 扭转特点及应用 单向压缩 单向压缩 弯曲 扭转特点及应用 单向压缩 应力状态软性系数 2 比拉 伸 扭转 弯曲的应力状态都软 拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而 不会断裂 压缩应用 压缩应用 测定脆性材料抗压强度 bc 压缩屈服点 sc 弯曲 弯曲 内部应 力主要为正应力 表面最大 中心为零 力点处作用力最大 弯曲应用 弯曲应用 测定脆性或低塑性材料 的抗弯强度 还可测定弯曲弹性模量 断裂挠度fbb 和断裂能量 U 扭转 扭转 扭转的应力状 态软性系数 0 8 比拉伸 大 易于显示金属的塑性行为 圆柱形试样扭转时 整个长度上塑性变形是均匀的 没有颈缩现象 所以能实现大塑性变形量下的实验 能较敏感的反映出金属表面缺陷及表明硬化层的性能 扭转时式样中的最大正应 力与最大切应力在数值上大体相等 而生产上所用的大部分金属材料的正断强度大于 切断强度 扭转应用 扭转应用 切变模量 G 扭转屈服点ts 抗扭强度tb 5 5 硬度的种类及应用 硬度的种类及应用 1 布氏硬度 测定灰铸铁 轴承合金等具有粗大晶粒或组成 相的金属材料的硬度 2 洛氏硬度 HRA 硬质合金 硬化薄钢板 表面薄层硬化钢 HRB 低碳钢 铜合金 铁素体 可锻铸铁 HRC 淬火钢 高硬度铸件 珠光体 可锻铸铁 3 维氏硬度 金属箔 极薄的表面层的硬度以及合金中各种组成相的硬度 4 其他硬度 试验方法 努视硬度 表面淬硬层或渗层 镀层等薄层区域的硬度测定一级渗层截 面上硬度分布 肖氏硬度和里氏硬度 6 6 现检验材料的冲击韧性 判断是否开缺口 现检验材料的冲击韧性 判断是否开缺口 通常情况下 试样需要开缺口 而测量球铁 工具钢或铸铁等脆性材料的冲击吸收功 不需要开缺口 模具钢开缺口 附 40CrNiMo 30CrMnSi 20CrMnTi 开 W18Cr4V Cr12MoV 3Cr2W8V 铸铁不开 答案 为了显示加载速度和缺口效应对金 属材料韧性的影响 需要进行缺口试样冲击弯曲试验 测定材料的冲击韧性 测量球 铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功 常采用 10mm 10mm 55mm 的无缺口冲击试样 7 7 金属材料蠕变变形机理 金属材料蠕变变形机理 位错滑移蠕变 扩散蠕变 8 8 金属中氢的来源 金属中氢的来源 内含的 金属在熔炼过程中及随后加工制造过程 如焊接 酸 洗 电镀等 中吸收的氢 金属机件在服役时从含氢环境禁止中吸收的氢 9 9 工程陶瓷材料常用的硬度检验方法 工程陶瓷材料常用的硬度检验方法 常用洛氏硬度 HRA HR45N 维氏硬度 HV 或努 式硬度 HK 表示 1010 接触疲劳宏观形态特征 接触疲劳宏观形态特征 在接触表面上出现许多小针状或痘状凹坑 有时凹坑很 深 呈贝壳状 有疲劳裂纹扩展线的痕迹 11 工程陶瓷力学性能特点 工程陶瓷力学性能特点 耐高温 硬度高 弹性模量高 耐磨 耐蚀 抗蠕变性 能好 12 磨损基本类型 磨损基本类型 粘着磨损 磨粒磨损 冲蚀磨损 疲劳磨损 接触疲劳 腐蚀磨 损 和微动磨损 13 防止应力腐蚀的措施 防止应力腐蚀的措施 合理选择金属材料 减少或消除机件中的残余拉应力 改 善化学介质 采用电化学保护 14 影响金属高温力学性能的主要因素 影响金属高温力学性能的主要因素 合金化学成分的影响 冶炼工艺的影响 热 处理工艺的影响 晶粒度的影响 15 金属材料拉伸断口三要素 金属材料拉伸断口三要素 纤维区 放射区 剪切唇 16 缺口试样静载荷时缺口效应基本类型 缺口试样静载荷时缺口效应基本类型 1 引起应力集中 并改变了缺口前方应力 状态 使缺口试样或机件中所受应力由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状 态 也就是出现了 x 或 y 或 z 要视板厚或直径而定 2 缺口使塑性材料强度 增高 塑性降低 17 金属材料扭转试验主要显示 金属材料扭转试验主要显示 切变模量 G 扭转屈服点ts 抗扭强度tb 1818 JicJic 在什么条件测定的 能解决什么问题 在什么条件测定的 能解决什么问题 平面应变条件下 解决中低强度钢大 型件的断裂问题 1919 KicKic JicJic GicGic 表示什么 他们之间的关系表示什么 他们之间的关系 Kic 平面应变断裂韧度 Jic 材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 Gic 材料阻止裂纹失稳扩 展时单位面积所消耗的能量 Gic Kic 2 1 v 2 E Kic v E 2 1 Jic 三 论述题三 论述题 15 15 1 1 论述抗拉强度与断裂强度有何区别 论述抗拉强度与断裂强度有何区别 抗拉强度抗拉强度是金属由均匀塑性变形向局部集中塑 性变形过渡的临界值 也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力 对于塑性材料 它 表征材料最大均匀塑性变形的抗力 拉伸试样在承受最大拉应力之前 变形是均匀一 致的 但超出之后 金属开始出现缩颈现象 即产生集中变形 对于没有 或很小 均 匀塑性变形的脆性材料 它反映了材料的断裂抗力 而断裂强度断裂强度是指材料发生断裂的 应力 2 2 论述如何解释金属材料低温脆性 论述如何解释金属材料低温脆性 低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加的 结果屈服点 s 的变化即随温度下降而升高 但材料的解理断裂 c 却随温度变化很 小 因为热激活对裂纹扩展的力学条件没有显著作用 于是两条曲线交于一点 交点 对应温度即为 Tk 高于 Tk 是 c s 材料受载后先屈服再断裂 为人韧性断裂 而 低于 Tk 时 外加应力先达到 c 材料表现为脆性断裂 3 3 论述影响金属材料断裂韧度的条件 论述影响金属材料断裂韧度的条件 材料成分 组织对 Kic 的影响 1 化学成分的影响 2 基体相结构和晶粒大小的影响 3 杂 质及第二相的影响 4 显微组织的影响 影响 Kic 的外界因素 1 温度 2 应变速率 4 4 论述金属材料蠕变断口的特征及细晶能否提高金属材料蠕变性能 论述金属材料蠕变断口的特征及细晶能否提高金属材料蠕变性能 165 170165 170 宏观特征 一是在断口附近产生塑性变形 在变形区域附近有很多裂纹 使断裂机件 表面出现龟裂现象 二是由于高温氧化 断口表面往往被一层氧化膜覆盖 微观特征 主要为冰糖状花样的沿晶断裂形貌 晶粒大小对金属材料高温力学性能的影响很大 当使用温度低于等强温度时 细晶粒 钢有较高的强度 当使用温度高于等强度温度时 粗晶粒钢及合金有较高的蠕变极限 和持久强度极限 5 5 论述金属材料疲劳强度的主要因素论述金属材料疲劳强度的主要因素 1 表面状态的影响 1 应力集中 2 表面粗糙度 残余应力及表面强化的影响 1 面喷丸及滚压 2 表面热处理及化学热处理 材料成分及组织的影响 1 合金成分 2 显微组织 3 非金属夹杂物及冶金缺陷 6 6 论述金属材料应力腐蚀断裂条件及腐蚀断裂形态论述金属材料应力腐蚀断裂条件及腐蚀断裂形态 条件条件 1 应力 机件所承受的应力包括工作应力和残余应力 2 化学介质 只有在特定 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 产生应力腐蚀 所有合金对应力腐蚀都有不同程度的敏感性 形态形态 1 宏观 与疲劳端口颇为相似 也有压稳扩展区和最后瞬断区 在压稳扩展区 可见到腐蚀产物和氧化现象 故常呈黑色或灰黑色 具有脆性特征 最后瞬断区一般 为快速撕裂破断显示出基体材料的特征 2 微观裂纹 常有分叉现象呈枯树枝状 3 微 观 一般为沿晶断裂型 也可能为穿晶解理断裂或准解理断裂型 有时还出现混合断 裂型 其表面可见到 泥状花样 的腐蚀产物及腐蚀坑 7 7 从机理上论述细晶提高屈服强度和疲劳强度的原因从机理上论述细晶提高屈服强度和疲劳强度的原因 细晶提高屈服强度 细晶提高屈服强度 晶界是位错运动的阻碍 在一个晶粒内部内部必须塞积足够数量 的位错才能提供必要的应力 使相邻晶粒中的位错源开动并产生宏观可见的塑性变形 减小晶粒尺寸将增加位错运动阻碍的数目 减少晶粒内位错塞积群的长度使屈服强度 提高 细晶提高疲劳强度 细晶提高疲劳强度 细化晶粒既阻止疲劳裂纹在晶界处萌生 又因晶界阻止疲 劳裂纹的扩展故能提高疲劳强度 8 8 论述金属疲劳断裂特点与断口的特征论述金属疲劳断裂特点与断口的特征 试述金属疲劳断裂的特点试述金属疲劳断裂的特点 1 疲劳是低应力循环延时断裂 机具有寿命的断裂 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 试述金属疲劳断裂的特征试述金属疲劳断裂的特征 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 光亮度最大 2 疲劳区 断口比较光滑并分布有贝纹线 3 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 9 9 论述金属材料应变硬化意义与机理论述金属材料应变硬化意义与机理 意义 意义 1 应变硬化和塑性变形适当配合可使金属进行均匀塑性变形 2 使构件具有一定 的抗偶然过载能力 3 强化金属 提高力学性能 4 提高低碳钢的切削加工能力 机理 机理 塑性变形是印花的原因 而硬化则是塑形应变的结果 应变硬化是位错增殖 运动受阻的结果 1010 论述金属材料缩颈的意义 论述金属材料缩颈的意义 金属试样拉伸至 B 点前 塑性变形是均匀的 在 B 点 之后由于应变硬化跟不上塑性变形的发展 是变形集中于式样局部区域产生缩颈 B 点称拉伸失稳点或塑性失稳点 所以找出 B 点对于机件设计无疑是有益的 1111 论述韧性断口与脆性断口特征 为什么脆性断裂最危险 论述韧性断口与脆性断口特征 为什么脆性断裂最危险 韧性断口 韧性断口 断裂面一般平行于最大切应力并与正应力呈 45 角 用肉眼或放大镜观察 时 端口成纤维状 灰暗色 脆性端口 脆性端口 断裂面一般与切应力垂直 断口平齐而光亮 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 没有明显征兆 因而危害性很大 1212 论述影响屈服强度的因素有哪些 论述影响屈服强度的因素有哪些 1 1 内在因素 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 2 2 外在因素 外在因素 温度 应变速率和应力状态 1313 论述强度因子与断裂韧度表达方法与不同点 论述强度因子与断裂韧度表达方法与不同点 KI a Y KII a Yt KIII a Yt Kic Y ac 两者区别和 和 s 区别相似 金属材料在拉伸试验时 当应力 增大到临界值 s 时 材料发生屈服 这个临界应力值 s 称为屈服点 同样当应力场强度因子 KI 增大到 临界值 Kic 时 材料发生断裂 这个临界值 Kic 称为断裂韧度 因此 KI 和 对应 只和载荷 及材料尺寸有关 而和材料无关 而 Kic 和 s 对应 都是力学性能指标 只和材料 成分组织结构有关而和载荷及试样尺寸无关 1414 论述表面强化及残余应力对金属材料疲劳强度的影响论述表面强化及残余应力对金属材料疲劳强度的影响 表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力 同时还能提高机件表面的强度和 硬度 这两方面的作用都能提高疲劳强度 表面强化方法 通常有表面喷丸 滚压 表面淬火及表面化学热处理等 1515 论述疲劳裂纹扩展寿命和剩余寿命的估算方法与步骤论述疲劳裂纹扩展寿命和剩余寿命的估算方法与步骤 根据疲劳裂纹扩展速率表达式 用积分方法算出疲劳裂纹扩展寿命N p 1 计算KI 2 计算裂纹临界尺寸 3 估算疲劳寿命 ac 1616 试述解除疲劳抗力度因素 试述解除疲劳抗力度因素 内部因素 内部因素 非