力學性能復習題

1、（一）1. 金屬的彈性模量主要取決于什么因素？為什么說它是一個對組織不敏感的力學性能指標？答：主要決定于原子本性和晶格類型。合金化、熱處理、冷塑性變形等能夠改變金屬材料的組織形態(tài)和晶粒大小， 但是不改變金屬原子的本性和晶格類型。 組織雖然改變了， 原子的本性和晶格類型未發(fā)生改變，故彈性模量對組織不敏感。2. 決定金屬屈服強度的因素有哪些？答：內(nèi)在因素：金屬本性及晶格類型、晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)、溶質(zhì)元素、第二相。外在因素：溫度、應變速率和應力狀態(tài)。3. 何謂拉伸斷口三要素？影響宏觀拉伸斷口性態(tài)的因素有哪些？答：斷口特征三要素：宏觀斷口呈杯錐形，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個區(qū)域組成。上述斷口三區(qū)域的形

2、態(tài)、 大小和相對位置， 因試樣形狀、 尺寸和金屬材料的性能以及試驗溫度、加載速率和受力狀態(tài)不同而變化。4.是根據(jù)下述方程（ id1/2 +k y）ky=2Gsq 試述下述因素對金屬材料對金屬材料韌脆轉(zhuǎn)變的影響：（ 1）材料成分（ 2）雜質(zhì)（ 3）溫度（ 4）晶粒大?。?5）應力狀態(tài)（ 6）加載速率。（二）1. 試說明布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度的實驗原理，并比較布氏、洛氏與維氏硬度試驗方法的優(yōu)缺點。答：原理布氏硬度：用鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，計算單位面積所承受的試驗力。洛氏硬度：采用金剛石圓錐體或小淬火鋼球作壓頭，以測量壓痕深度。維氏硬度：以兩相對面夾角為136。的金剛石四棱錐作壓頭，計算單

3、位面積所承受的試驗力。布氏硬度優(yōu)點：實驗時一般采用直徑較大的壓頭球，因而所得的壓痕面積比較大。壓痕大的一個優(yōu)點是其硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相得平均性能；另一個優(yōu)點是實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復性強。缺點：對不同材料需更換不同直徑的壓頭球和改變試驗力，壓痕直徑的測量也較麻煩，因而用于自動檢測時受到限制。洛氏硬度優(yōu)點：操作簡便，迅捷，硬度值可直接讀出；壓痕較小，可在工件上進行試驗；采用不同標尺可測量各種軟硬不同的金屬和厚薄不一的試樣的硬度，因而廣泛用于熱處理質(zhì)量檢測。缺點：壓痕較小，代表性差；若材料中有偏析及組織不均勻等缺陷，則所測硬度值重復性差， 分散度大； 此外用不同標尺測得的硬度值彼此沒有聯(lián)

4、系，不能直接比較。維氏硬度優(yōu)點：不存在布氏硬度試驗時要求試驗力F 與壓頭直徑D 之間所規(guī)定條件的約束，也不存在洛氏硬度試驗時不同標尺的硬度值無法統(tǒng)一的弊端；維氏硬度試驗時不僅試驗力可以任意取，而且壓痕測量的精度較高，硬度值較為準確。缺點：硬度值需要通過測量壓痕對角線長度后才能進行計算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低的多。2. 試綜合比較單向拉伸、壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗的特點和應用范圍。答：單向拉伸：單向拉伸的應力狀態(tài)較硬，一般用于塑性變形抗力與切斷強度較低得所謂塑性材料試驗。壓縮試驗：（ 1）單向壓縮的應力狀態(tài)軟性系數(shù)a=2，因此，壓縮試驗主要用于脆性材料，以顯示其在靜拉伸時縮不能反映的材料

5、在韌性狀態(tài)下的力學行為。（ 2） 壓縮與拉伸受力方向不僅相反，且兩種試驗所得的載荷變形曲線、塑性及斷裂形態(tài)也存在較大的差別，特別是壓縮不能使塑性材料斷裂，故塑性材料一般不采用壓縮方法試驗。（ 3） 多向不等壓縮試驗的應力軟性系數(shù)a 2，故此方法適用于脆性更大的材料，它可以反映此類材料的微小塑性差異。此外接觸表面處承受多向壓縮的機件，也可以采用多向壓縮試驗，使試驗條件與試驗服役條件更接近。彎曲試驗：（ 1） 彎曲加載時受拉的一側(cè)應力狀態(tài)基本上與靜拉伸時相同，且不存在如拉伸時的所謂試樣偏斜對試樣結(jié)果的影響。因此彎曲試驗常用于測定那些由于太硬難于加工成拉伸試樣的脆性材料的斷裂強度，并能顯示出它們的塑

6、性差別。（ 2） 彎曲試驗時， 截面上的應力分布也是表面上應力最大，故可靈敏的反映材料的表面缺陷，因此，常用來比較和評定材料表面處理層的質(zhì)量。（ 3） 由彎曲圖可以看出彎曲試驗不能使這些材料斷裂，在這種情況下雖可以測定非比例彎曲應力，但實際上很少使用。扭轉(zhuǎn)試驗：（1） 扭轉(zhuǎn)試驗中扭轉(zhuǎn)的應力狀態(tài)軟性系數(shù) =0.8，比拉伸時的 大，易于顯示金屬的塑性行為。圓柱形試件扭轉(zhuǎn)時整個長度上的塑性變形是均勻的，沒有緊縮現(xiàn)象，所以能實現(xiàn)大塑性變形量下的試驗。（ 2） 扭轉(zhuǎn)試驗時， 試件截面上應力應變分布表明， 該實驗對金屬表 面缺陷及表面硬化層的性能有很大的敏感度。 扭轉(zhuǎn)時試件中的最大正應力一最大切應力在數(shù)值

7、上大體相等， 而生產(chǎn)上所使用的大部分金屬材料的正斷強度大于切斷強度，所以，扭轉(zhuǎn)試驗是測定這些材料切斷強度最可靠的方法。（ 3） 扭轉(zhuǎn)試驗時， 試件受到較大的切應力，而且還被廣泛的用于研究有關初始塑性變形的非同時性問題，如彈性后效、 彈性滯后以及內(nèi)耗等。扭轉(zhuǎn)試驗可用于測定塑性材料和脆性材料的剪切變形和斷裂的全部力學性能指標，并且還有著其他力學性能試驗方法所無法比擬的優(yōu)點，因此，在科研及生產(chǎn)檢驗中得到廣泛運用。（三）1. 試說明低溫脆性的物理本質(zhì)及其影響因素答：物理本質(zhì)： 宏觀上對于那些有低溫脆性現(xiàn)象的材料，它們的屈服強度會隨溫度的降低急劇增加， 而斷裂強度隨溫度的降低而變化不大。當溫度降低到某一

8、溫度時，屈服強度增大到高于斷裂強度時，在這個溫度以下材料的屈服強度比斷裂強度大，因此材料在受力時還未發(fā)生屈服便斷裂了，材料顯示脆性。從微觀機制來看低溫脆性與位錯在晶體點陣中運動的阻力有關，當溫度降低時， 位錯運動阻力增大，原子熱激活能力下降，因此材料屈服強度增加。影響因素：1晶體結(jié)構(gòu)：對稱性低的體心立方以及密排六方金屬、合金轉(zhuǎn)變溫度高，材料脆性斷裂趨勢明顯，塑性差。2化學成分：能夠使材料硬度，強度提高的雜質(zhì)或者合金元素都會引起材料塑性和韌性變差，材料脆性提高。3顯微組織：晶粒大小，細化晶?？梢酝瑫r提高材料的強度和塑韌性。因為晶界是裂紋擴展的阻力，晶粒細小，晶界總面積增加， 晶界處塞積的位錯數(shù)減

9、少，有利于降低應力集中；同時晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。金相組織： 較低強度水平時強度相等而組織不同的鋼， 沖擊吸收功和韌脆轉(zhuǎn)變溫度以馬氏體高溫回火最佳，貝氏體回火組織次之，片狀珠光體組織最差。鋼中夾雜物、 碳化物等第二相質(zhì)點對鋼的脆性有重要影響，使材料韌性下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。當其尺寸增大時均（四）1. 試述低應力脆斷的原因和防止方法。答：產(chǎn)生原因：機件存在宏觀裂紋防止方法：應用斷裂判據(jù)，在給定裂紋尺寸的情況下，確定機件允許的最大工作應力，或者當機件的工作應力確定后， 根據(jù)斷裂判據(jù)確定機件不發(fā)生脆性斷裂時所允許的最大裂紋尺寸。2. 試述 K 判據(jù)的意義及用途。答：因。K判據(jù)解

10、決了經(jīng)典的強度理論不能解決存在宏觀裂紋為什么會產(chǎn)生低應力脆斷的原K 判據(jù)將材料斷裂韌度同機件的工作應力及裂紋尺寸的關系定量地聯(lián)系起來， 可直接用于設計計算，估算裂紋體的最大 承載能力、允許的裂紋最大尺寸，以及用于正確選擇機件材料、優(yōu)化工藝等。3. 試述塑性區(qū)對 KI 的影響及 KI 的修正方法和結(jié)果。答：由于裂紋尖端塑性區(qū)的存在將會降低裂紋體的剛度， 相當于裂紋長度的增加， 因而影響應力場和及 KI 的計算，所以要對 KI 進行修正。最簡單而適用的修正方法是在計算 KI 時采用“有效裂紋尺寸”，即以虛擬有效裂紋代替實際裂紋，然后用線彈性理論所得的公式進行計算?；舅悸肥牵核苄詤^(qū)松弛彈性應力的作

11、用于裂紋長度增加松弛彈性應力的作用是等同的，從而引入“有效長度”的概念，它實際包括裂紋長度和塑性區(qū)松弛應力的作用。4-15 計算結(jié)果忽略了在塑性區(qū)內(nèi)應變能釋放率與彈性體應變能釋放率的差別，因此，只是近似結(jié)果。 當塑性區(qū)小時， 或塑性區(qū)周圍為廣大的彈性去所包圍時， 這種結(jié)果還是很精確。但是當塑性區(qū)較大時，即屬于大范圍屈服或整體屈服時，這個結(jié)果是不適用的。4. 有一大形板件，材料的 0.2 =1200MPa， KIC =115MPa*m1/2，探傷發(fā)現(xiàn)有 20mm長的橫向穿透裂紋，若在平均軸向拉應力 900MPa下工作，試計算 KI 及塑性區(qū)寬度 R0，并判斷該件是否安全？解：由題意知穿透裂紋受到

12、的應力為=900MPa 根據(jù) / 0.2 的值，確定裂紋斷裂韌度 KIC是否休要修正因為 / 0.2=900/1200=0.75>0.7 ，所以裂紋斷裂韌度K IC 需要修正 對于無限板的中心穿透裂紋，修正后的KI 為：比較 K1 與 KIc ：因為 K1=168.13 （ MPa*m1/2 ） KIc=115 （ MPa*m1/2 ）所以： K1>KIc ，裂紋會失穩(wěn)擴展, 所以該件不安全。5. 有一軸件平行軸向工作應力 150MPa，使用中發(fā)現(xiàn)橫向疲勞脆性正斷，斷口分析表明有 25mm深度的表面半橢圓疲勞區(qū)，根據(jù)裂紋 a/c 可以確定 =1，測試材料的 0.2 =720MPa，

13、是估算材料的斷裂韌度 KIC 為多少？6.（五）1. 試述疲勞宏觀斷口的特征及其形成過程。答：典型疲勞斷口具有三個形貌不同的區(qū)域疲勞源、疲勞區(qū)及瞬斷區(qū)。（ 1） 疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地， 疲勞源區(qū)的光亮度最大， 因為這里在整個裂紋亞穩(wěn)擴展過程中斷面不斷摩擦擠壓，故顯示光亮平滑，另疲勞源的貝紋線細小。（2） 疲勞區(qū)的疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展所形成的斷口區(qū)域，是判斷疲勞斷裂的重要特征證據(jù)。特征是： 斷口比較光滑并分布有貝紋線。斷口光滑是疲勞源區(qū)域的延續(xù)，但其程度隨裂紋向前擴展逐漸減弱。 貝紋線是由載荷變動引起的，如機器運轉(zhuǎn)時的開動與停歇，偶然過載引起的載荷變動，使裂紋前沿線留下了弧狀臺階痕跡。（3）

14、 瞬斷區(qū)是裂紋最后失穩(wěn)快速擴展所形成的斷口區(qū)域。其斷口比疲勞區(qū)粗糙，脆性材料為結(jié)晶狀斷口，韌性材料為纖維狀斷口。2. 試述金屬疲勞斷裂的特點3. 試述疲勞微觀斷口的主要特征及其形成模型答：斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱疲勞條帶 （疲勞條紋、 疲勞輝紋） 。疲勞條帶是疲勞斷口最典型的微觀特征?；葡刀嗟拿嫘牧⒎浇饘伲淦跅l帶明顯；滑移系少或組織復雜的金屬，其疲勞條帶短窄而紊亂。疲勞裂紋擴展的塑性鈍化模型(Laird 模型 )：圖(a) ，在交變應力為零時裂紋閉合。圖(b) ，受拉應力時，裂紋張開，在裂紋尖端沿最大切應力方向產(chǎn)生滑移。圖 (c)，裂紋張開至最大，塑性變形區(qū)擴大，裂

15、紋尖端張開呈半圓形，裂紋停止擴展。由于塑性變形裂紋尖端的應力集中減小，裂紋停止擴展的過程稱為“塑性鈍化”。圖(d) ，當應力變?yōu)閴嚎s應力時，滑移方向也改變了，裂紋尖端被壓彎成“耳狀”切口。圖(e) ，到壓縮應力為最大值時，裂紋完全閉合，裂紋尖端又由鈍變銳，形成一對尖角。（六）1. 試述金屬產(chǎn)生應力腐蝕的條件和機理。答：條件：應力，化學介質(zhì)，金屬材料三者共存機理： 1、對應力腐蝕敏感的合金在特定的化學介質(zhì)中，首先在表面形成一層鈍化膜，使金屬不致進一步受到腐蝕，即處于鈍化狀態(tài)。2、在拉應力作用下，使裂紋尖端地區(qū)產(chǎn)生局部塑性變形，滑移臺階在表面露頭時鈍化膜破裂，顯露出新鮮表面。3、露出的新鮮表面在電

16、解質(zhì)溶液中成陽極，而其余具有鈍化膜的金屬表面為陰極，從成腐蝕微電池，陽極金屬變成正離子進入電解質(zhì)中而產(chǎn)生陽極溶解，于是在金而形屬表面形成蝕坑。4、拉應力在蝕坑或原有裂紋尖端形成應力集中，使陽極電位降低，加速陽極金屬的溶解，如果裂紋尖端的應力集中始終存在，那么微電池反應不斷進行，鈍化膜不能恢 復，裂紋將逐步向縱深擴展。2. 何為氫致延滯斷裂？為什么高強度鋼的氫致研滯斷裂是在一定的應變速率下和一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)？答：高強度鋼中固溶一定量的氫，在低于屈服強度的應力持續(xù)作用下，經(jīng)過一段孕育期后，金屬內(nèi)部形成裂紋，發(fā)生斷裂。 - 氫致延滯斷裂。因為氫致延滯斷裂的機理主要是氫固溶于金屬晶格中， 產(chǎn)生晶格膨脹畸變， 與刃位錯交互作用，氫易遷移到位錯拉應力處， 形成氫氣團。 當應變速率較低而溫度較高時， 氫氣團能跟得上位錯運動，但滯后位錯一定距離。因此，氣團對位錯起 “釘扎” 作用，產(chǎn)生局部硬化。當位錯運動受阻，產(chǎn)生位錯塞積，氫氣團易于在塞積處聚集，產(chǎn)生應力集中，導致微裂紋。若應變