《工程材料力学性能》考试复习题

名词解释1，循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力应力状态软性系数材料最大切应力与最大正应力的比值，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，冲击吸收功：冲击弯曲试验中试样变形和断裂所消耗的功5，过载损伤界：抗疲劳过载损伤的能力用过载损伤界表示。6，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7，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8，金属脆化。氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状。微观断口上晶界明显加宽，呈沿晶断裂。9，磨损：机件表面相互接触并产生相对运动，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失、造成表面损伤的现象。10，耐磨性：机件表面相互接触并产生相对运动，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失、造成表面损伤的现象。论述1，影响屈服强度的因素：内因：a金属本性及晶格类型b晶粒大小和亚结构c溶质元素d第二相外因：a温度b应变速率c应力状态2，影响韧脆转变的因素：冶金因素：a晶体结构，体心立方金属及其合金存在低温脆性。 b化学成分,1）间隙溶质元素韧脆转变温度 2置换型溶质元素一般也能提高韧脆转变温度，但Ni和一定量Mn例外。 3杂质元素S、P、As、Sn、Sb等使钢的韧性下降 c晶粒大小，细化晶粒提高韧性的原因有：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，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。 d纤维组织1） 对低强度钢：按tk由高到低的顺序：珠光体上贝氏体铁素体下贝氏体回火马氏体 2） 对中碳合金钢且强度相同，tk：下贝氏体回火马氏体；贝氏体马氏体混合组织回火马氏体 3） 低碳合金钢的韧性：贝氏体马氏体混合组织单一马氏体或单一贝氏体 4） 马氏体钢的韧性：奥氏体的存在将显著改善韧性钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的韧性有重要影响，影响的程度与第二相质点的大小、形状、分布、第二相的性质及其与基体的结合力等性质有关。3，影响韧度断裂的因素：内因：a化学成分： 细化晶粒的元素强度、塑性KIC； 强烈固溶强化的元素塑性KIC； 形成金属间化合物并呈第二相析出的元素塑性KIC； b基体相结构和晶粒大小的影响： 基体相结构易于产生塑性变形KIC，如对钢铁材料：面心立方的KIC高于体心立方的KIC。 晶粒大小对KIC的影响与对常规力学性能的影响不同，一般，晶粒细化KIC，但某些情况下，粗晶粒的KIC反而较高。 c夹杂和第二相的影响 非金属夹杂物KIC； 脆性第二相的体积分数KIC； 韧性第二相形态和数量适当时KIC； 钢中微量杂质元素(Sb、Sn、As等) KIC d显微组织的影响 板条马氏体针状马氏体。 回火索氏体回火托氏体回火马氏体 下贝氏体上贝氏体 马氏体组织中存在一定的残余奥氏体KIC外因：a温度：一般大多数结构钢的断裂韧度随温度降低而下降，但随材料强度增加，KIC随温度变化的趋势趋于缓和。 b应变速率：应变速率KIC，但当应变速率很大时，形变热量来不及传导，造成绝热状态，导致局部温度升高，KIC又回升。计算题1，有一大型圆筒式容器由高强度钢焊接而成，如图所示。钢板厚度t5mm，圆筒内径D1500mm；所用材料的0.2 1800MPa， KIC 62MPam1/2 。焊接后发现焊缝中有纵向半椭圆裂纹，尺寸为2c6mm,a0.9mm，试问该容器能否在p6MPa的压力下正常工作? 解：=pD/2t=6*1.5/（2*0.005）MPa=900MPa 由于/0.2=900/1800=0.5，所以不需要对KI进行修正 c=（1/Y）*KIC/（a0.5） Y=1.1（0.5）/，当a/c=0.9/3=0.3时，查附录得： =1.10，所以Y=0.5 c=1/（0.5）*62/(0.00090.5)=1166MPa显然，c，不会发生爆炸，可以正常工作2，有一高压壳体承受很高的工作压力，其周向工作拉应力=1400MPa，采用超高强度钢制造，探伤时有漏检小裂纹，为纵向表面半椭圆(a=1mm,a/c=0.6)。现对材料进行两种不同工艺热处理，一种是淬火高温回火的A工艺，其性能是0.2 1700MPa， KIC 78 MPam1/2 ；另一种是淬火中低温回火的B工艺，其性能是0.2 2100MPa ， KIC 47 MPam1/2。从断裂 力学角度看，为保证安全应选用哪种工艺为妥？ 解：对于A工艺的材料：/s=1400/1700=0.82，须修正。以KIC代KI c=KIC/3.8a*0.001+0.212(78/1700)20.5MPa=1532MPa cB，会发生脆断，不安全3，有一筒式容器由高强钢45CrNiMoV制成，厚度t2.6mm，筒径D300mm。材料经调质热处理后，力学性能0.2 1510MPa， b 1720MPa,=8.2%， KIC 68 MPam1/2 。在水压p=22.5MPa试验时发生爆破，断口如图，左图a为爆破断裂全貌，右图b 是断口裂源的电镜放大断口形貌。试用断口分析和断裂力学分析该容器的水爆断裂。 解：=（pD/2t）=（22.5*0.3）/（2*0.0026）MPa=1298MPa /s=0.86，须修正。 当a/c=0.74/2.7=.274时，2=1.165 c=1289MPa 容器水压应力略高于脆断应力c，会发生脆性爆炸。4，某冶金厂大型氧气顶吹炉的转动机构主轴，在工作时经61次摇炉炼钢后发生低应力脆断。其断口示意图如图，为疲劳断口，周围是疲劳区，中间是脆断区。该轴材料为40Cr钢，调质处理常规力学性能合格， 0.2 600MPa， b 860MPa，Aku=38J, =8。试用断口分析和断裂力学分析其断裂原因。 解：ac=（1/Y2）*（KIC/c)2 最大轴向外加应力外=25MPa 前缘残余拉应力内=120MPa =外+内=（25+120）MPa=145MPa 查得 KIC=120MPa*m0.5。由于a/c0，是个浅长的表面半椭圆裂纹Y1.95 Ac=1202/(1.952)*(1452)=0.180m=180mm结果与实际断口分析的185mm相比，吻合，分析正确。知识点1，退火低碳钢在拉伸应力作用下的变形过程可分为 弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形和断裂5各阶段。2，弹性模量（刚度）主要决定雨金属原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形对弹性模量的影响较小。3，弹性比功又称弹性比能、弹性必能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。它决定于弹性模量和弹性极限。4，滞弹性：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。5，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。消除方法，预先进行较大的塑性变形，或在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火。6，金属材料常见的塑性变形方式主要为滑移和孪生。7，屈服现象：材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段过渡过程中，外力不增加试样仍然继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形。 屈服点：外力不增加仍能唏嘘伸长时的应力称为屈服点s。力首次下降前的最大应力成为上屈服点su。当不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小应力称下屈服点sl。8，应变硬化：金属材料阻止继续塑性变形的能力 意义：可使金属零件具有抵抗偶然过载的能力， 保证安全 工程上强化材料的重要手段。 应变硬化性能可以保证某些冷成形工艺，如冷拔线材和深冲成形等顺利进行。9，断后伸长率：试样拉伸后标距的伸长与原始标距的百分比断面收缩率：试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量雨原始很截面积的百分比10，三种失效形式，磨损、腐蚀和断裂，其中断裂危害最大。 端口特征三要素：纤维区、放射区和剪切唇。（材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大。）11，断裂分类塑性变形大小（1）脆性断裂：断裂前无明显的塑性变形，断口形貌是光亮的结晶状 （2）韧性断裂：断裂前明显塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状断裂面的取向（1）正断：断裂的宏观表面垂直雨max方向 （2）切断：断裂宏观表面平行与max裂纹扩展途径（1）穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部 （2）沿晶断裂：断裂沿境界扩展 断 裂 机 理（1）解理断裂：无明显塑性变形 沿解理面分离，穿晶断裂 （2）微孔聚集型断裂：沿晶界微孔聚合，沿晶断裂 在晶内微孔聚合，穿晶断裂 （3）纯 剪 切 断 裂：沿滑移面分离剪切断裂（单晶体） 通过缩颈导致最终断裂（多晶体、高纯金属）12，解理断裂的围观端口特征解理断裂：河流花样、舌状花样准 解 理：都是穿晶断裂，有小解理刻面，有台阶或撕裂棱及河流花样；准解理小刻面不是晶体学解理面，真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常袁雨晶内硬质点，形成从晶内某点法院的放射状河流花样。准解理不是一种独立的断裂机理，而是借力断裂的变种。13，围观聚集断裂的微观断口特征：韧窝14，弯曲弯曲试验的特点金属杆状试样承受弯矩作用后，其内部应力主要为正应力。但杆截面上的应力分布不均匀，表面最大，中心为零，且应力方向发生变化。 1） 弯曲试验的试样形状简单，操作方便。常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。 2） 弯曲试验时可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。 3） 弯曲试验时，试样的表面应力最大，可较灵敏地反映材料的表面缺陷。常用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等表面热处理机件的质量和性能。15，缺口效应：引起应力集中，并改变缺口前方的应力状态。对于脆性或低塑性材料，使其抗拉强度降低。使塑性材料强度增高，塑性降低16，硬度硬度测试方法分类 1） 弹性回跳法：如肖氏硬度，表示金属弹性变形功的大小。 2） 压入法：如布氏、洛氏、维氏硬度等，表示金属塑性变形能力及应变硬化能力。 3） 划痕法：如莫氏硬度，表示金属对切断的抗力。布氏硬度特点： 1） 压痕面积较大，优点是能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，而不受个别相及微小不均匀性 的影响，且试验数据稳定，重复性强；缺点是压痕较大时不宜在成品上进行试验。 2） 布氏硬度试验对不同材料需更换压头直径和试验力，压痕直径的测量也比较麻烦，因而自动检测受到限制。 3） 布氏硬度试验特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的材料硬度洛氏硬度特点： 1）操作简便迅速，硬度值可直接读出； 2）压痕较小，可直接在工件上进行试验； 3）适用范围广，可广泛用于热处理质量的检验； 4）由于压痕小，代表性差，重复性差，数据分散度大； 5）用不同标尺的硬度值彼此不能直接进行比较。 其他方法 1）肖氏硬度：重锤落向表面，测回跳高度。使用方便，便于携带。故可现场大型工件的硬度。其缺点是试验结果的准确性受人为因素影响较大，测量精度较低。 2）莫氏硬度：只表示硬度从小到大的顺序，不表示软硬的程度，后面的材料可以划破前面的材料表面。17，冲击韧性,：冲击韧性材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。冲击韧度常用标准试样的冲击吸收功Ak表示。 18，低温脆性：体心立方金属及合金、某些密排六方金属及合金，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，这即低温脆性，转变温度tk称为韧脆转变温度，亦称冷脆转变温度。（材料屈服强度急剧升高的温度，或断后伸长率、断面收缩率、冲级吸收功几句减小的温度，就是人催转变温度tk。19，断裂韧度测试时为什么规定外形和尺寸？由于KIC是擦了在平面应变和小范围屈服条件下的KI临界值，因此，测定KIC时用的试样尺寸，必须保证裂纹尖端附近处于平面应变和小范围屈服状态。为此，厚度B、裂纹长度a及韧带宽度（W-a）满足比塑性区宽度R0大一个数量级。20，影响断裂韧度KIC的因素21，疲劳：金属机件或构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。疲劳的分类 （1）按断裂寿命和应力高低不同分类高周疲劳：Nf 105 ；s 亦称低应力疲劳。低周疲劳：Nf = 102105 ；s 亦称高应力疲劳或应变疲劳。 （2）按应力状态不同分类弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。 （3）按环境和接触情况不同分类大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、热疲劳等。典型疲劳断口三形貌：疲劳源、疲劳区及瞬断区。22，疲劳过程疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段。疲劳裂纹萌生：滑移带开裂相界面开裂晶界开裂疲劳裂纹扩展：疲劳裂纹