材料力學性能復習重點

期末復習資料一名詞解釋彈性比功：又稱彈性比能、應變比能，表示金屬材料吸收彈性變形功的能力。金屬材料吸收彈性變形功的能力，一般用金屬開始塑性變形前單位體積吸收的最大彈性變形功表示。滯彈性：金屬材料在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時間延長產(chǎn)生附加彈性應變的現(xiàn)象稱為滯彈性，也就是應變落后于應力的現(xiàn)象。循環(huán)韌性：金屬材料在交變載荷〔振動〕下吸收不可逆變形功的能力。也叫金屬的內(nèi)耗。包申格效應：金屬材料經(jīng)過預先加載產(chǎn)生少量塑性變形〔剩余應變?yōu)?%~4%〕，卸載后再同向加載，規(guī)定剩余伸長應力〔彈性極限或屈服強度〕增加；反向加載，規(guī)定剩余伸長應力降低〔特別是彈性極限在反向加載時幾乎降低到零〕的現(xiàn)象。應力狀態(tài)軟性系數(shù)：金屬所受的最大切應力τ與最大正應力σ的比值大小。即：缺口效應：絕大多數(shù)機件的橫截面都不是均勻而無變化的光滑體，往往存在截面的急劇變化，如鍵槽、油孔、軸肩、螺紋、退刀槽及焊縫等，這種截面變化的局部可視為“缺口”，由于缺口的存在，在載荷作用下缺口截面上的應力狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂的缺口效應。缺口第一效應：引起應力集中，改變了缺口前方的應力狀態(tài)，使缺口試樣所受的應力由原來的單向應力狀態(tài)改變?yōu)閮上蚧蛉驊顟B(tài)。缺口第二效應：缺口使塑性材料強度增高，塑性降低。缺口敏感度：缺口試樣的抗拉強度σbn的與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強度σb的比值，稱為缺口敏感度，即：缺口試樣靜拉伸試驗：軸向拉伸、偏斜拉伸兩種。布氏硬度——用鋼球或硬質合金球作為壓頭，采用單位面積所承受的試驗力計算而得的硬度。洛氏硬度——采用金剛石圓錐體或小淬火鋼球作壓頭，以測量壓痕深度所表示的硬度維氏硬度——以兩相對面夾角為136°的金剛石四棱錐作壓頭，采用單位面積所承受的試驗力計算而得的硬度。說明以下力學指標的意義：〔1〕σbc抗壓強度〔2〕σbb抗彎強度〔3〕τs扭轉屈服點〔4〕τb抗扭強度〔5〕σbn缺口試樣的抗拉強度〔6〕NSR缺口敏感度〔7〕HBW壓頭為硬質合金球的材料的布氏硬度〔8〕HRA壓頭為金剛石圓錐的洛氏硬度〔9〕HRB壓頭為Φ1.588mm球的洛氏硬度〔10〕HRC壓頭為金剛石圓錐的洛氏硬度〔11〕HV維氏硬度〔12〕HK努氏硬度值〔13〕HS肖氏硬度值〔14〕HL里氏硬度值。附：布氏硬度壓痕大，試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定、重復性強。對不同材料需要更換不同直徑的壓頭球及改變試驗力。洛氏硬度：以測量壓痕深度表示材料的硬度值，h越大，硬度值越低。沖擊彎曲試驗用途：1〕控制原材料的冶金質量和熱加工產(chǎn)品質量。2〕測定材料的韌脆轉變溫度。低溫脆性：

體心立方晶體金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及其合金，特別是工程上常用的中、低強度結構鋼〔鐵素體-珠光體鋼〕，在試驗溫度低于某一溫度時，會由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫硇停瑪嗫谔卣饔衫w維狀變?yōu)榻Y晶狀，這就是低溫脆性。按能量法定義tk〔韌脆臨界轉變溫度〕的方法：以低階能和高階能平均值對應的溫度定義tk。當?shù)陀谀骋粶囟炔牧衔盏臎_擊能量根本不隨溫度而變化，形成一平臺，該能量稱為“低階能”以低階能開始上升的溫度定義tk，并記為NDT，稱為無塑性或零塑性轉變溫度。這是無預先塑性變形斷裂對應的溫度，是最易確定tk的判據(jù)。在NDT以下，斷口由100％結晶區(qū)(解理區(qū))組成。高于某一溫度材料吸收的能量也根本不變，形成一個上平臺，稱為“高階能”。以高階能對應的溫度為tk，記為FTP。高于FTP的斷裂，將得到100％的纖維狀斷口。顯然，這是一種最保守定義tk的方法。裂紋擴展的根本形式：1〕張開型〔Ⅰ型〕裂紋擴展；2〕滑開型〔Ⅱ型〕裂紋擴展；3〕撕開型〔Ⅲ型〕裂紋擴展。應力場強度因子KI：在裂紋尖端區(qū)域各點的應力分量除了決定于位置外，尚與強度因子KI有關，對于某一確定的點，其應力分量由KI確定，KI

越大，那么應力場各點應力分量也越大，這樣KI就可以表示應力場的強弱程度，稱KI為應力場強度因子?！癐”表示I型裂紋。斷裂韌度KIC：臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的KI值。循環(huán)應力的種類：1〕對稱交變應力2〕脈動應力3〕波動應力4〕不對稱應力。疲勞條帶：疲勞裂紋擴展的第二階段的斷口特征是具有略程彎曲并相互平行的溝槽把戲，稱為疲勞條帶〔疲勞輝紋，疲勞條紋〕。它是疲勞斷口最典型的微觀特征，在失效分析中，常利用疲勞條帶間寬與△K的關系來分析疲勞破壞。應力腐蝕產(chǎn)生條件：應力、化學介質、金屬材料。氫脆：由于氫和應力的共同作用而導致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象。白點：當鋼中含有過量的氫時，隨著溫度降低氫在鋼中的溶解度減小。如果過飽和的氫未能擴散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子。此時，氫的體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力很大足以將金屬局部撕裂，而形成微裂紋。這種微裂紋的斷面呈圓形或橢圓形，顏色為銀白色，故稱白點。約比溫度：試驗溫度值與金屬溫度值的比值金屬的蠕變：金屬在長時間的恒溫、恒壓載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。應力松弛：在規(guī)定溫度和初始應力條件下，金屬材料中的應力隨時間增加而減小的現(xiàn)象。論述、解答P9-10縮頸判據(jù)彎曲試驗的特點及范圍：特點：彎曲試樣形狀簡單，操作方便；不存在拉伸試驗時試樣軸線與力偏斜問題，沒有附加應力影響試驗結果，可用試樣彎曲撓度顯示材料的塑性；彎曲試樣外表應力最大，可靈敏地反映材料外表缺陷。范圍：測定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質合金等脆性與低塑性材料的強度和顯示塑性的差異。也常用于比擬和鑒別滲碳和外表淬火等化學熱處理機件的質量和性能。扭轉試驗的特點：應力狀態(tài)軟性系數(shù)為0.8，比拉伸時大，易于顯示金屬的塑性行為；試樣在整個長度上的塑性變形時均勻，沒有緊縮現(xiàn)象，能實現(xiàn)大塑性變形量下的試驗；較能敏感地反映出金屬外表缺陷和及外表硬化層的性能；試樣所承受的最大正應力與最大切應力大體相等。范圍：用來研究金屬在熱加工條件下的流變性能和斷裂性能，評定材料的熱壓力加工型，并未確定生產(chǎn)條件下的熱加工工藝參數(shù)提供依據(jù)；研究或檢驗熱處理工件的外表質量和各種外表強化工藝的效果。沖擊韌性在實際中有什么價值？控制原材料的冶金質量和熱加工后的產(chǎn)品質量，即將值作為質量控制指標使用。根據(jù)系列沖擊試驗〔低溫沖擊試驗〕可得值與溫度的關系曲線，測定材料的韌脆轉變溫度。據(jù)此可以評定材料的低溫脆性傾向，供選材時參考或用于抗脆斷設計。試述低應力脆斷的原因及防止方法。答：低應力脆斷的原因：在材料的生產(chǎn)、機件的加工和使用過程中產(chǎn)生不可防止的宏觀裂紋，從而使機件在低于屈服應力的情況發(fā)生斷裂。預防措施：將斷裂判據(jù)用于機件的設計上，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。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)。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。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：斷口比擬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。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，脆性材料為結晶狀斷口，韌性材料為纖維狀斷口。疲勞過程及機理：疲勞過程包括疲勞裂紋萌生〔由不均勻的局部滑移和顯微開裂引起〕、裂紋亞穩(wěn)擴展〔第一階段：沿主滑移系，以純剪切方式向內(nèi)擴散。第二階段：擴散方向逐漸垂直于主應力方向，可以穿晶擴散〕及失穩(wěn)擴展〔材料內(nèi)部發(fā)生了裂紋〕。高周與低周疲勞的區(qū)別：高周疲勞是指小型試樣在變動載荷〔應力〕試驗時，疲勞斷裂壽命高于10^5周次的疲勞過程。高周疲勞試驗是在低載荷、高壽命和控制應力下進行的疲勞。而低周疲勞是在高應力、短壽命、控制應變下進行的疲勞過程。改善粘著磨損耐磨性的措施：1〕注意摩擦副配對材料的選擇2〕采用外表化學熱處理改變材料外表狀態(tài)3)控制摩擦滑動速度和接觸壓應力。試分析晶粒大小對金屬材料高溫力學性能的影響：影響很大，當使用溫度低于等強溫度時，細晶粒鋼有較高的強度；當使用溫度高于等強溫度時，粗晶粒鋼及合金有較高的蠕變極限和持久強度極限。但是晶粒太大會降低高溫下的塑性和韌性。對于耐熱鋼及合金來說，隨合金成分及工作條件不同有一最正確晶粒度范圍。金屬材料力學性能在高溫和低溫下各有什么特點、區(qū)別？高溫：1、首先，材料在高溫將發(fā)生蠕變現(xiàn)象。材料在高溫下不僅強度降低，而且塑性也降低。應變速率越低，載荷作用時間越長，塑性降低得越顯著。2、高溫應力松弛。3、產(chǎn)生疲勞損傷，使高溫疲勞強度下降。低溫：計算P9P9-10縮頸判據(jù)P17P84高壓容器承載能力的計算1\有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KIc=115Mpa×m1/2，探傷發(fā)現(xiàn)有20mm長的橫向穿透裂紋，假設在平均軸向拉應力900MPa下工作，試計算KI及塑性區(qū)寬度R0，并判斷該件是否平安。解：由題意知穿透裂紋受到的應力為σ=900MPa根據(jù)σ/σ0.2的值，確定裂紋斷裂韌度KIC是否休要修正。因為σ/σ0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂紋斷裂韌度需要修正。對于無限板的中心穿透裂紋，修正后的為：塑性區(qū)寬度為：比擬與，因為，所以：，裂紋會失穩(wěn)擴展,所以該件不平安。2\.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，斷口分析說明有25mm深度的外表半橢圓疲勞區(qū)，根據(jù)裂紋a/c可以確定φ=1，測試材料的σ0.2=720MPa，試估算材料的斷裂韌度KIC為多少？解：因為σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂紋斷裂韌度KIC不需要修正對于無限板的中心穿透裂紋，修正后的KI為：KIC=Yσcac1/2對于外表半橢圓裂紋，Y=1.1/φ=1.1所以，KIC=Yσcac1/2=1.1=46.229〔MPa*m1/2〕3\一構件的工作應力，裂紋長度，應力場強度因子，鋼材隨增加而下降，其變化如下表所