材料力学答案.docx

1、材料力学答案第一章包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限（P)或屈服强度(S）增加;反向加载时弹性极限（P）或屈服强度()降低得现象。 解理断裂:沿一定得晶体学平面产生得快速穿晶断裂。晶体学平面-解理面,一般就是低指数，表面能低得晶面.解理面：在解理断裂中具有低指数,表面能低得晶体学平面.韧脆转变:材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态得现象（冲击吸收功明显下降,断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂,断口特征由纤维状转变为结晶状)。静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗得功叫做静力韧度.就是一个强度与塑性得综合指标,就是表示静载下材料强度与塑性得最佳配合。 可

2、以从河流花样得反“河流”方向去寻找裂纹源.解理断裂就是典型得脆性断裂得代表,微孔聚集断裂就是典型得塑性断裂。、影响屈服强度得因素与以下三个方面相联系得因素都会影响到屈服强度位错增值与运动晶粒、晶界、第二相等外界影响位错运动得因素主要从内因与外因两个方面考虑（一)影响屈服强度得内因素1。金属本性与晶格类型(结合键、晶体结构)单晶得屈服强度从理论上说就是使位错开始运动得临界切应力,其值与位错运动所受到得阻力(晶格阻力-派拉力、位错运动交互作用产生得阻力)决定。派拉力:位错交互作用力(a就是与晶体本性、位错结构分布相关得比例系数，L就是位错间距。）2。晶粒大小与亚结构晶粒小晶界多（阻碍位错运动)位错

3、塞积提供应力位错开动 产生宏观塑性变形。晶粒减小将增加位错运动阻碍得数目,减小晶粒内位错塞积群得长度,使屈服强度降低(细晶强化)。屈服强度与晶粒大小得关系：霍尔-派奇（Hll-etch)s= kyd-123.溶质元素加入溶质原子(间隙或置换型）固溶体(溶质原子与溶剂原子半径不一样）产生晶格畸变产生畸变应力场与位错应力场交互运动 使位错受阻提高屈服强度 (固溶强化） 。4第二相（弥散强化,沉淀强化） 不可变形第二相提高位错线张力绕过第二相留下位错环 两质点间距变小 流变应力增大。不可变形第二相位错切过(产生界面能),使之与机体一起产生变形,提高了屈服强度。弥散强化:第二相质点弥散分布在基体中起到

4、得强化作用.沉淀强化：第二相质点经过固溶后沉淀析出起到得强化作用.(二） 影响屈服强度得外因素1、温度一般得规律就是温度升高，屈服强度降低.原因:派拉力属于短程力，对温度十分敏感。、应变速率应变速率大，强度增加.,t(）3。应力状态切应力分量越大,越有利于塑性变形,屈服强度越低。缺口效应：试样中“缺口”得存在，使得试样得应力状态发生变化,从而影响材料得力学性能得现象。细晶强化能强化金属又不降低塑性。、韧性断裂与脆性断裂得区别。为什么脆性断裂更加危险？韧性断裂:就是断裂前产生明显宏观塑性变形得断裂特征:断裂面一般平行于最大切应力与主应力成45度角。断口成纤维状(塑变中微裂纹扩展与连接),灰暗色(

5、反光能力弱).断口三要素:纤维区、放射区、剪切唇这三个区域得比例关系与材料韧断性能有关。塑性好,放射线粗大塑性差,放射线变细乃至消失。脆性断裂：断裂前基本不发生塑性变形得,突发得断裂。特征:断裂面与正应力垂直,断口平齐而光滑,呈放射状或结晶状。注意：脆性断裂也产生微量塑性变形。断面收缩率小于5为脆性断裂，大于为韧性断裂。3、断裂发生得必要与充分条件之间得联系与区别格雷菲斯裂纹理论就是根据热力学原理，用能量平衡(弹性能得降低与表面能得增加相平衡)得方法推到出了裂纹失稳扩展得临界条件。该条件就是就是断裂发生得必要条件,但并不意味着一定会断裂。该断裂判据为：裂纹扩展得充分条件就是其尖端应力要大于等于

6、理论断裂强度。(就是通过力学方法推到得断裂判据）该应力断裂判据为:对比这两个判据可知:当=3a0时，必要条件与充分条件相当0以上得太硬材料,因钢球变形已很显著,影响所测数据得正确性,因此不能使用 由于压痕较大，不宜于某些表面不允许有较大压痕得成品检验，也不宜于薄件试验 不同材料需更换压头直径与改变试验力，压痕直径得测量也较麻烦.、洛氏硬度得测量原理洛氏硬度就是以压痕陷凹深度作为计量硬度值得指标.洛氏硬度试验得优缺点洛氏硬度试验避免了布氏硬度试验所存在得缺点.它得优点就是： 1）因有硬质、软质两种压头,故适于各种不同硬质材料得检验,不存在压头变形问题； 2)压痕小,不伤工件,适用于成品检验 ;

7、3)操作迅速,立即得出数据，测试效率高。 缺点就是:代表性差,用不同硬度级测得得硬度值无法统一起来,无法进行比较。、维氏硬度得测定原理维氏硬度得测定原理与布氏硬度相同,也就是根据单位压痕陷凹面积上承受得负荷,即应力值作为硬度值得计量指标。维氏硬度得优缺点、不存在布氏那种负荷F与压头直径得规定条件得约束，以及压头变形问题;、也不存在洛氏那种硬度值无法统一得问题;3、它与洛氏一样可以试验任何软硬得材料,并且比洛氏能更好地测试极薄件(或薄层)得硬度，压痕测量得精确度高,硬度值较为精确。4、负荷大小可任意选择。（维氏显微硬度)唯一缺点就是硬度值需通过测量对角线后才能计算(或查表)出来，因此生产效率没有

8、洛氏硬度高。8、今有如下零件与材料需要测定硬度，试说明选择何种硬度实验方法为宜.(1)渗碳层得硬度分布;（2)淬火钢;(3)灰铸铁;（4)鉴别钢中得隐晶马氏体与残余奥氏体;（5)仪表小黄铜齿轮;(6）龙门刨床导轨;(7)渗氮层;(8）高速钢刀具;（)退火态低碳钢;（10)硬质合金（1)渗碳层得硬度分布- 或-显微HV(2)淬火钢-HR（3)灰铸铁-B(4）鉴别钢中得隐晶马氏体与残余奥氏体显微HV或者K（5）仪表小黄铜齿轮-HV(6)龙门刨床导轨-H(肖氏硬度)或HL（里氏硬度)(7）渗氮层-HV（)高速钢刀具-HRC（9）退火态低碳钢-HB(0）硬质合金- A第三章冲击韧度:材料在冲击载荷作用

9、下吸收塑性变形功与断裂功得大小,也即冲击吸收功k。低温脆性：在试验温度低于某一温度tk时,会由韧性状态转变未脆性状态，冲击吸收功明显下降,断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂,断口特征由纤维状转变为结晶状,这就就是低温脆性。 韧脆转变温度:材料在低于某一温度t时,会由韧性状态转变未脆性状态,tk称为韧脆转变温度.什么就是低温脆性、韧脆转变温度?产生低温脆性得原因就是什么？体心立方与面心立方金属得低温脆性有与差异？为什么？答:在试验温度低于某一温度t时，会由韧性状态转变未脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂,断口特征由纤维状转变为结晶状，这就就是低温脆性. k称为韧脆转

10、变温度。低温脆性得原因:低温脆性就是材料屈服强度随温度降低而急剧增加,而解理断裂强度随温度变化很小得结果。如图所示:当温度高于韧脆转变温度时,断裂强度大于屈服强度，材料先屈服再断裂(表现为塑韧性)；当温度低于韧脆转变温度时，断裂强度小于屈服强度,材料无屈服直接断裂(表现为脆性)。心立方与面心立方金属低温脆性得差异：体心立方金属得低温脆性比面心立方金属得低温脆性显著。原因：这就是因为派拉力对其屈服强度得影响占有很大比重,而派拉力就是短程力,对温度很敏感，温度降低时,派拉力大幅增加,则其强度急剧增加而变脆。 6、拉伸冲击弯曲缺口试样拉伸第四章K称为I型裂纹得应力场强度因子，它就是衡量裂纹顶端应力场

11、强烈程度得函数，决定于应力水平、裂纹尺寸与形状。塑性区尺寸较裂纹尺寸a及静截面尺寸为小时(小一个数量级以上),即在所谓得小范围屈服裂纹得应力场强度因子与其断裂韧度相比较，若裂纹要失稳扩展脆断，则应有：这就就是断裂K判据。应力强度因子K1就是描写裂纹尖端应力场强弱程度得复合力学参量,可将它瞧作推动裂纹扩展得动力。对于受载得裂纹体,当K增大到某一临界值时,裂纹尖端足够大得范围内应力达到了材料得断裂强度,裂纹便失稳扩展而导致断裂。这一临界值便称为断裂韧度Kc或K1c。意义:K平面应力断裂韧度(薄板受力状态)KIC平面应变断裂韧度(厚板受力状态)16、有一大型板件，材料得、2=1200Ma,KI115

12、MPa*1/2,探伤发现有20m长得横向穿透裂纹,若在平均轴向拉应力90Ma下工作,试计算K及塑性区宽度R0,并判断该件就是否安全？解：由题意知穿透裂纹受到得应力为=0MPa根据/、2得值，确定裂纹断裂韧度KIC就是否休要修正 因为/、2=90/1200=0、750、7,所以裂纹断裂韧度KI需要修正对于无限板得中心穿透裂纹,修正后得KI为: =(MPam/2)塑性区宽度为: 、041937（m)= 2、21(mm)比较K1与Kc:因为K1=18、3(MPam/2）KIc=1(Pam12)所以:K1KI ,裂纹会失稳扩展 ， 所以该件不安全、有一轴件平行轴向工作应力15P,使用中发现横向疲劳脆性

13、正断，断口分析表明有mm深度得表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a可以确定=1，测试材料得0、=720MP ，试估算材料得断裂韧度KI为多少？解: 因为0、=50/720、208、7,所以裂纹断裂韧度KC不需要修正则此时该裂纹得断裂韧度K为：KIC=Yac1/2对于表面半椭圆裂纹,Y=、1/=、所以,KICcac/21、1=46、229（a*m/2)第五章应力比r=n/x材料所受循环应力中最小应力与最大应力得比值.fdfg疲劳贝纹线：疲劳断口上具有类似贝壳纹路得宏观特征形貌疲劳条带:在疲劳断口得显微形貌上,呈现弯曲并相互平行得沟槽花样，称为疲劳条带。疲劳寿命:在疲劳(断裂)过程中,由疲劳裂纹萌生期与裂

14、纹亚稳定扩展期得时间段(或循环周次）组成时间段(或循环周次）即就是疲劳寿命。热疲劳: 机件在由温度循环变化时产生得循环热应力及热应力变形作用下发生得疲劳就叫热疲劳。由于温度周期变化引起零件或构件得自由膨胀与收缩，而又因这种膨胀与收缩受到约束,产生了交变热应力,由这种交变热应力引起得破坏就叫热疲劳过载损伤:金属在高于疲劳极限得应力水平下运转一定周次后,其疲劳极限得应力水平下降，这种现象就就是过载损伤.金属得疲劳：金属在变动应力与应变长期作用下,由于积累损伤而引起得断裂现象 (即使所受得应力低于屈服强度，也会发生断裂)。二.意义-：疲劳强度。对称循环应力作用下得弯曲疲劳极限(强度）。(就是在循环应

15、力周次增加到一定临界值后,材料应力基本不再降低时得应力值;或就是应力循环7周次材料不断裂所对应得应力值。)-:对称拉压疲劳极限。1:对称扭转疲劳极限。1N;缺口试样在对称应力循环作用下得疲劳极限疲劳缺口敏感度：金属材料在交变载荷作用下得缺口敏感性用疲劳缺口敏感度qf来评定 qf=(Kf-1)/（kt-) Kt为理论应力集中系数，f为疲劳缺口系数。kf为光滑试样与缺口试样疲劳极限之比kf-1N过载损伤界;抗疲劳过载损伤得能力用过载损伤界表示。疲劳门槛值：Kth就是疲劳裂纹不扩展得 K（应力强度因子范围)临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值.表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展得性能。、试述疲劳微观断口得特征及

16、其形成过程。微观形貌有疲劳条带。滑移系多得面心立方金属,其疲劳条带明显滑移系少或组织复杂得金属,其疲劳条带短窄而紊乱。疲劳裂纹扩展得塑性钝化模型（aird模型):图中（),在交变应力为零时裂纹闭合。图(),裂纹张开,在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移。图(c)，裂纹张开至最大,塑性变形区扩大,裂纹尖端张开呈半圆形,裂纹停止扩展。由于塑性变形裂纹尖端得应力集中减小,裂纹停止扩展得过程称为“塑性钝化”。图(），当应力变为压缩应力时，滑移方向也改变了,裂纹尖端被压弯成“耳状切口.图（),到压缩应力为最大值时,裂纹完全闭合,裂纹尖端又由钝便锐。13、试述金属得硬化与软化现象及产生条件。金属材料在恒定应

17、变范围循环作用下，随循环周次增加其应力不断增加,即为循环硬化金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力逐渐减小,即为循环软化。金属材料产生循环硬化与软化取决于材料得初始状态、结构特性以及应变幅与温度等。循环硬化与软化与b s有关: s1、4，表现为循环硬化;b s、2,表现为循环软化；1、2b/ s1、4,材料比较稳定，无明显循环硬化与软化现象。也可用应变硬化指数n来判断循环应变对材料得影响，n软化,1硬化。退火状态得塑性材料往往表现为循环硬化,加工硬化得材料表现为循环软化。循环硬化与软化与位错得运动有关:退火软金属中，位错产生交互作用,运动阻力增大而硬化.冷加工后得金属中，有位错

18、缠结，在循环应力下破坏,阻力变小而软化。4、试述低周疲劳得规律及曼森-柯芬关系。低周疲劳得应变寿命曲线如图53,曼森-柯芬等分析了低周疲劳得实验结果,提出了低周疲劳寿命得公式:请结合该公式,分析图3得变化规律,指出低周疲劳与高周疲劳得什么起主导作用,选材时应分别以什么性能为主？答:低周疲劳寿命得公式由弹性应变与塑性应变两部分对应得寿命公式组成,其对应得公式分别为：将以上两公式两边分别取对数，在对数坐标上,上两公式就变成了两条直线,分别代表弹性应变幅寿命线与塑性应变幅-寿命线。两条直线斜率不同，其交点对应得寿命称为过渡寿命。在交点左侧,即低周疲劳范围内,塑性应变幅起主导作用,材料得疲劳寿命由塑性

19、控制;在高周疲劳区，弹性应变幅起主导作用，材料得疲劳寿命由强度控制。选材时，高周疲劳主要考虑强度,低周疲劳考虑塑性。第六章名词解释：应力腐蚀:金属在拉应力与化学介质得共同作用下引起得脆性断裂叫应力腐蚀。氢蚀:氢与金属中得第二相作用生成高压气体,使机体金属晶界结合力减小而最终断裂得现象。白点：在熔炼时，若钢中含有过量得氢,且未能扩散逸出,这在冷却时聚集到缺陷处，形成氢气。在该处内压力很大，足以将金属局部撕裂，形成微裂纹.这种微裂纹得断面呈银白色圆或椭圆,故称为白点氢化物致脆：第四、五副族金属易与氢形成脆性氢化物,使金属脆化得现象.氢致延滞断裂：高强度钢中固溶一定量得氢,在低于屈服强度得应力持续作

20、用下,经过一段孕育期后,金属内部形成裂纹，发生断裂.Icc ：材料不发生应力腐蚀得临界应力。Iscc：不发生应力腐蚀断裂得最大应力场强度因子称为应力腐蚀临界应力场强度因子KIscc。KIscc表示含有宏观裂纹得材料,在应力腐蚀条件下得断裂韧度。6、何谓氢致延滞断裂？为什么高强度钢得氢致延滞断裂就是在一定得应变速率下与一定得温度范围内出现?答:高强度钢中固溶一定量得氢，在低于屈服强度得应力持续作用下,经过一段孕育期后，金属内部形成裂纹，发生断裂。-氢致延滞断裂。因为氢致延滞断裂得机理主要就是氢固溶于金属晶格中,产生晶格膨胀畸变,与刃位错交互作用,氢易迁移到位错拉应力处，形成氢气团。当应变速率较低

21、而温度较高时，氢气团能跟得上位错运动,但滞后位错一定距离。因此,气团对位错起“钉扎”作用，产生局部硬化。当位错运动受阻,产生位错塞积，氢气团易于在塞积处聚集，产生应力集中,导致微裂纹。若应变速率过高以及温度低得情况下，氢气团不能跟上位错运动,便不能产生“钉扎作用，也不可能在位错塞积处聚集,产生应力集中，导致微裂纹。所以氢致延滞断裂就是在一定得应变速率下与一定得温度范围内出现得。第七章磨损: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、造成表面损伤得现象。接触疲劳:两接触面做滚动或滚动加滑动摩擦时,在交变接触压应力长期作用下,材料表面因疲劳损伤,导致局部

22、区域产生小片金属剥落而使材料损失得现象.3、粘着磨损产生得条件、机理及其防止措施 -又称为咬合磨损,在滑动摩擦条件下,摩擦副相对滑动速度较小，因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生得一种磨损。磨损机理:实际接触点局部应力引起塑性变形，使两接触面得原子产生粘着。粘着点从软得一方被剪断转移到硬得一方金属表面,随后脱落形成磨屑旧得粘着点剪断后,新得粘着点产生,随后也被剪断、转移。如此重复，形成磨损过程改善粘着磨损耐磨性得措施1、选择合适得摩擦副配对材料选择原则:配对材料得粘着倾向小互溶性小表面易形成化合物得材料金属与非金属配对、采用表面化学热

23、处理改变材料表面状态进行渗硫、磷化、碳氮共渗等在表面形成一层化合物或非金属层，即避免摩擦副直接接触又减小摩擦因素3、控制摩擦滑动速度与接触压力减小滑动速度与接触压力能有效降低粘着磨损。4、其她途径改善润滑条件，降低表面粗糙度,提高氧化膜与机体结合力都能降低粘着磨损。影响接触疲劳寿命得因素?内因1、非金属夹杂物脆性非金属夹杂物对疲劳强度有害适量得塑性非金属夹杂物(硫化物)能提高接触疲劳强度塑性硫化物随基体一起塑性变形,当硫化物把脆性夹杂物包住形成共生夹杂物时，可以降低脆性夹杂物得不良影响。生产上尽可能减少钢中非金属夹杂物.2、热处理组织状态接触疲劳强度主要取决于材料得抗剪切强度，并有一定得韧性相

24、配合。当马氏体含碳量在0、40、5w%时,接触疲劳寿命最高。马氏体与残余奥氏体得级别残余奥氏体越多,马氏体针越粗大，越容易产生微裂纹,疲劳强度低未溶碳化物与带状碳化物越多,接触疲劳寿命越低.3、表面硬度与心部硬度在一定硬度范围内,接触疲劳强度随硬度得升高而增加,但并不保持正比线性关系。表面形成一层极薄得残余奥氏体层,因表面产生微量塑性变形与磨损,增加了接触面积,减小了应力集中,反而增加了接触疲劳寿命。渗碳件心部硬度太低,表层硬度梯度过大,易在过渡区内形成裂纹而产生深层剥落.表面硬化层深度与残余内应力硬化深度要适中，残余压应力有利于提高疲劳寿命。外因、表面粗糙度减少加工缺陷,降低表面粗糙度，提高

25、接触精度,可以有效增加接触疲劳寿命。接触应力低，表面粗糙度对疲劳寿命影响较大接触应力高,表面粗糙度对疲劳寿命影响较小2、硬度匹配两个接触滚动体得硬度与装配质量等都应匹配适当。第八章蠕变:在长时间得恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形得现象。等强温度(TE):晶粒强度与晶界强度相等得温度。蠕变极限:在高温长时间载荷作用下不致产生过量塑性变形得抗力指标.该指标与常温下得屈服强度相似。持久强度极限：在高温长时载荷作用下得断裂强度持久强度极限蠕变极限得两种表达方式：1、在规定温度（）下，使试样在规定时间内产生得稳态蠕变速率()不超过规定值得最大应力(t）。6001X1560Ma表示温度为600，稳定蠕

26、变速率为X0%/h得蠕变极限为6Ma.2、在规定温度(）下与实验时间()内,就是试样产生得蠕变总伸长率(）不超过规定得最大值/。501/15=0MPa,表示材料在500，105h后总得生产率位得蠕变极限为00MPa持久强度极限得表达式在规定温度(t）下,达到规定得持续时间（)而不发生断裂得最大应力（ ）。70110=30MP表示温度为700、1000h得持续强度极限为30MPa.四、影响金属高温力学性能得主要因素由蠕变断裂机理可知要降低蠕变速度提高蠕变极限,必须控制位错攀移得速度；要提高断裂抗力，即提高持久强度,必须抑制晶界得滑动,也就就是说要控制晶内与晶界得扩散过程。(一）合金化学成分得影响耐热钢及合金得基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低得金属及合金。熔点愈高得金属自扩散愈慢层错能降低易形成扩展位错弥散相能强烈阻碍位错得滑移与攀移在基体金属中加入（高熔点、半径差距大）得铬、钼、钨、铌等元素形成固溶体固溶强化降低层错能，易形成扩展位错。加入能形成弥散相得合金元素弥散强化阻碍位错得滑移加入增加晶界扩散激活能得元素(硼、稀土等）阻碍晶界滑动增大晶界裂纹面得表面能二)冶炼工艺得影响减少钢中得夹杂物与某些缺陷合金定向生长(减少横向晶界）(