材料力学性能复习资料doc.docx

1、材料力学性能复习资料doc一、 说明下列力学性能指标的意义1） 刁比例极限2） q弹性极限3） 抗拉强度4） 匚扭转屈服强度5） q彷抗弯强度6） HBW压头为硬质合金球时的布氏硬度7） HK显微努氏硬度8） HRC压头为顶角120金刚石圆锥体、总试验力为1500N的洛氏硬度9） 冲击韧性10） 需平面应变断裂韧性11） 乐应力比为R下的疲劳极限AKih疲劳裂纹扩展的门槛值13） Kscc应力腐蚀破裂的临界应力强度因了14） 2.5 2 a2.5（M2 W-a2.52 6）高周疲劳与低周疲劳的区别是什么？并从材料的强度和册性出发，分析应如何提高材 料的抗疲劳性能？ 答：高周疲劳是指小型试样在变

2、动载荷（应力）试验时，疲劳断裂寿命高于10周次的疲劳 过稈。高周疲劳试验是在低载荷、高寿命和控制应力下进行的疲劳。而低周疲劳是在高应力、 短寿命、控制应变下进行的疲劳过程。对高周疲劳，由于承受的载荷较小、常处于弹性变形范围内，因而材料的疲劳抗力主 要取决于材料强度。于是提高的材料就可改善材料的高周疲劳抗力。而对低周疲劳，承受的载荷常大于材料的屈服强度、处于槊性变形内，因而材料的疲劳抗力 主要取决于材料的報性。于是增加材料的報性，可提高材料的低周疲劳抗力。7）叙述区分高强钢发生应力腐蚀破裂与氢致滞后断裂的方法。答：应力腐蚀与氢致滞后断裂，虽然都是由于应力和化学介质共同作用而产生的延滞断 裂现象，

3、但可通过以下的方法进行区分：（1）利用外加电流对静载下产生裂纹的时间或裂纹扩展速率的影响来判断。当外加小 的阳极电流而缩短产生裂纹时间的是应力腐蚀;当外加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间的 是氢致延滞断裂。（2） 应力腐蚀的断裂源在试样的表面；而氢致开裂的断裂源在表面以下的某一深度处。（3） 应力腐蚀断口的颜色灰暗，常有腐蚀产物存在；而氢致断裂断口一般较光亮、没有 腐蚀产物或腐蚀产物的量很少。（4） 应力腐蚀的主裂纹有较多的二次裂纹存在；而氢致断裂的主裂纹没有分枝。8） 与常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？答：与常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有如下特点：（

4、1） 材料在高温下将发生蠕变现彖。即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用 下不断地发生变形。（2） 材料在高温下的强度与载荷作用的时间有关了。载荷作用的时间越长，引起一定 变形速率或变形量的形变抗力及断裂抗力越低。（3） 材料在高温下工作时，不仅强度降低，而且犁性也降低。应变速率越低，载荷作 用时间越长，槊性降低得越显著。因而在高温下材料的断裂，常为沿晶断裂。（4）在恒定应变条件下，在高温下丁作的材料还会应力松弛现象，即材料内部的应力 随时间而降低的现彖。9） 金属材料在高温下的变形机制与断裂机制，和常温比较有何不同？答：变形机制：高温下晶内变形以位错滑移和攀移方式交替进行，晶界变形以滑动

5、和迁 移方式交替进行。常温下，变形机制以晶内位错滑移为主，若滑移受到阻碍，滑移便不能进 行，必须在更大切应力作用下才能使位错重新开动和增值。断裂机制：高温下，主要是沿晶断裂，由于晶界滑动，在晶界的台阶（如经第二相质 点或滑移带的交截）处受阻而形成空洞，特别易产生在垂育于拉应力方向的晶界上，空洞连 接而发生断裂。10） 控制摩擦磨损的方法有哪些？（1）润滑剂的使用：在相对运动的摩擦接触血之间加入润滑剂，使两接触血Z间形成润滑 膜，变干摩擦为润滑剂内部分了之间内摩擦，从而达到减少接触血间的摩擦、降低材料磨损 的目的。（2）摩擦材料的选择：根据摩擦的具体T况（载荷、速度、温度、介质），选择 合理的摩

6、擦副材料（减摩、摩阻、耐磨），也可达到降低材料磨损的目的。（3）材料的表 面改性或强化：利用齐种无力的、化学的或机械的工艺手段如机械加工强化处理、表面处理（滚压、喷九和表面化学热处理）都可因为表层产生压应力，能有效地减少材料磨损。 ID M脆可以分为哪些类型？何谓第一类氢脆、，第二类氢脆、，可逆氢脆、，不可逆 氢脆,，他们有什么特点？答：氢脆根据氢的来源可分成两大类：第一类为内部氢脆，它是由于金属材料在冶炼、 锻造、焊接或电镀、酸洗过程屮吸收了过量的氢气而造成的；第二类氢脆称为环境氢脆，它 是在应力和氢气氛或其它含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂，如贮氢的压力容器屮 出现的高压红脆。氢脆按

7、其与外力作用的关系可分成两大类:第一类氢脆和第二类氢脆。 笫一类氢脆是在负荷Z前材料内部已存在某种氢脆断裂源。在应力作用下裂纹迅速形成与扩 展，因而随着加载速度的增加，氢脆的敏感性增大，包括白点、氢蚀、氢化物致脆等。 第二类氢脆是在负荷Z前，材料内部并不存在某种氢脆断裂源。加载示由于氢与应力的交互 作用才形成裂纹源，裂纹逐渐扩展而导致脆断，因而氢脆的敏感性是随着加载速度的降低而 增大，包括可逆氢脆和不可逆盘脆。可逆氢脆是指材料经低速形变变脆示，如果卸载并停留一段时间在进行正常速度变形, 原先已脆化材料的舉性可以得到恢复。通常高强度钢的环境氢脆及低含氢量状况下的内部氢 脆均属此类。不可逆氢脆是指

8、已脆化的材料，卸载后再进行正常速度变形时，其敎性不能恢复。氢化 物致脆属此类。12） 腐蚀疲劳和应力疲劳相比有何不同？答：腐蚀疲劳和应力疲劳相比，主要有以下不同点：（1）应力腐蚀是在特定的材料与介质组合下才发生的，而腐蚀疲劳却没有这个限制，它 在任何介质屮均会出现。（2） 对应力腐蚀来说，有一临界应力强度因了 KISCC ,这是材料固有的性能，当外加应 力强度因了 KKKISCC,材料不会发生应力腐蚀裂纹扩展。但对腐蚀疲劳，即使KKK1SCC , 疲劳裂纹仍I 口会扩展。（3） 应力腐蚀破坏时，只有一两个主裂纹，主裂纹上有分支小裂纹，而腐蚀疲劳裂纹源 有多处，裂纹没有分支。（4） 在一定的介质

9、屮，应力腐蚀裂纹尖端的溶液酸度是较高的，总是高于整体环境的平 均值。13） 试述高温蠕变预应力松弛的异同点。答：蠕变退指在一定的温度和较小的恒定外力作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增 大的现象。应力随时间增加不断下降的现象叫做应力松弛。应力松弛可看作是应力不断降低时的 “多级”蠕变。14） 什么是低循环疲劳、高循环疲劳？什么是应力疲劳.应变疲劳？答：在很高的应力下，在很少的循环次数后，试件即发生断裂，并有较明显的槊性变形。 一般认为，低循环疲劳发生在循环应力超出弹性极限，疲劳寿命在0.25到104或105次之 间。因此，低循环疲劳又可称为应变疲劳。在高循环疲劳区，循环应力低于弹性极限，疲劳

10、寿命长，Nf105次循环，且随循环应 力降低而大大地延长。试件在最终断裂前，整体上无可测的頼性变形，因而在宏观上表现为 脆性断裂。在此区内，试件的疲劳寿命长，故可将高循环疲劳称为应力疲劳。15） 简述布氏便度试验方法的原理、计算方法和优缺点。答：a）测试原理：用一定的压力P将育径为D的淬火钢球或便质合金球压入试样表面，保 持规定的时间后卸除压力，于是在试件表面留下压痕（压痕的一直径和深度分别为力和力）o布 氏硬度用单位压痕表面积/上所承受的平均压力表示。b） 计算方法：p p 2PHB = = . 力江Dh 兀D（D_Jd2 一巧c） 优缺点：优点：1）分散性小，重复性好，能反映材料的综合平均

11、性能。2）可估算材料的抗拉强度。 缺点：1）不能测试薄件或表面硬化层的硬度。2）试验过程屮，常需要更换压头和实验载荷，耗费人力和时间。16）解释平面应力和平面应变状态，并用应力应变参数表述这两种状态。答：对薄板，由于板材较薄，在厚度方向上可以白由变形，H|Jqz=0o这种只在两个方 向上存在应力的状态称为平面应力。（2分）对厚板，由于厚度方向变形的约束作用，使得Z方向不产生应变，即Z=0,这种状态称 为平面应变。推导题D在原了平衡间距为的理想晶体屮，两原了间的作用力b与原了相对位置变化兀的关系为 o=omsin(2nxA)。如晶体断裂的表面能为丫，弹性模量为E,试推导晶体发生断裂的 理论断裂强

12、度。答：材料的理论结合强度，应从原了间的结合力入手，只有克服了原了间的结合力， 材料才能断裂。两个原了面的作用力如下图所示。克服了原了之间作用力的最大值，即可产 生断裂。这一最大值即为理论断裂强度。加O位移X1111线上的最高点代表晶体的最大结合力，即理论断裂强度。作为一级近似，该1111线可 用正弦曲线表示o=o msin (2 n x/a)(1)式屮x为原了间位移，九为正弦曲线的波长。如位移很小，贝Osin(2 n x/X) = (2 n x/k),于是o = o m(2 it x/X) (2)根据虎克定律，在弹性状态下，o =E =Ex/aO (3)式屮E为弹性模量；e为弹性应变；a0为

13、原了间的平衡距离。合并式(2)和(3), 消去x,得o m= X E/2 n a) (4)另一方血，晶体脆性断裂时，形成两个新的表面，需要表血形成功2 Y,其值应等于释 放出的弹性应变能,可用上图中曲线下所包围的面积来计算得,假定sin(2 n xA) = (2 nx/X) o由式5和式4得到:o m= (E Y /ao)122）试用无限大板中心贯穿裂纹（裂纹长度为2g）延长线上应力场强度分布公式 oy*/（27ir）：计算平面应力条件下裂纹前端舉性区的真实大小。其中材料的屈服强 度为旷。注总，计算时需考虑应力松弛的影响。解：按照线弹性断裂力学，oy二”（2社）其丿应力分布如下图屮的|11|线

14、DC；当弹性应力 超过材料有的效屈服强度6时，便产生蜩性变形。原始册性区的大小仏。可按下式计算：O U由 o s=Ki/（27tro） 2,可得:ro=l/（2兀）x（Ki/ o s）2在舉性区q范围内如不考虑形变强化，其应力可视为恒定的，就等于os。但是，在高 出o s的那部分弹性应力，（以阴影线A区表示）势必要发生应力松驰。应力松驰的结果， 使原屈服区外的周I节I弹性区的应力升高，相当于BC线向外推移到EF位置，如图所不。应力 松驰的结果使犁性区从q扩大到勺。从能量角度看，阴影线血积DBA=.形血积BGHE,用积分表示为：iro Kj对于平面应力状态，把D = - / 计算题代入上式得:1

15、、已知由某种钢材制作的大型厚板结构（属平面应变），承受的工作应力为o=560MPa,板 屮心有一穿透裂纹（K严6不），裂纹的长度为2a=6mm,钢料的性能指标如下表所示。 试求：a）该构件在哪个温度点使用时是安全的？b）该构件在0C和50C时的槊性区大小R。温度（TC）q (MPa)-50100030-309005008009050700150C）用作图法求出该材料的低温脆性转变温度ToIX解：已知o=560MPa裂纹长度为2a=6mm,于是a=0.003mm；构件为大型厚板结构，属平面应变。a）在50C下，= 560 / 1000 = 0.5630.0 MPa*m因此在50C下是不安全的。在

16、30C下，=560 / 900=0.620.6,于是有：crjra 1/2 1/2Kf = | =56.32 MPa*m 50 MPa*m因此在30C下是不安全的。在 0C下，=560/ 800 = 0.700.6,于是有：K, = 纭 =56.88 MPa*m血90 MPa*m/2a”因此在oc下是安全的。在5oc下,= 560/700=0.800.6,于是有:1/2 1/2= 57.78 MPa*m 100 MPa*m因此在50C下是安全的。该构件在0C、50C下是安全的。（5分）b）在 0C下，Kj=56&MPa*ml/2, os=800MPa,所以有:c）由 Kfc,可求出断裂应力为e

17、r。二（氐/切在 50C下，Kt=57.78 MPa*ml/2, os=700MPa,所以有:z 2%=7.65*10_4m=0.765mm（5分）e）将裂纹长度、不同温度下的屈服强度和断裂韧性代入上式得:-50C, crc =306.5MPa -30C, 7C =497MPa 0C, t:s2.某单位拟设计一种大型的厚板构件（属平血应变），构件的工作应力为0.6则采用如下公式：（平面应力）；（平面应变）（平面应力）；（平面应变）解:a）设计的构件为大型厚板，属平面应变状态。因 =1.4,根据材料力学的设计依据b 乞,于是对给定的构件工作应力77 cr = l no MPa。因此，1号钢材不合

18、适。对 2 号钢材,a =1200MPa 1120 MPa,而=800 / 1200=0.670.6,于是有: S 6因此选用2号钢材是安全的.1/2 1/2= 66.07 MPa*m 1120MPa, W=800/ 1300=0.610.6,于是有:S 61/2 1/2=65.6 MPa*m 1120MPa,而=800/ 1400=0.5754.3 MPa*m 因此选4号钢材是不安全的.对5号钢林 cr =1500MPa1120 MPa,而=800/ 1500 = 0.5346.5 MPa*m因此选5号钢材是不安全的.所以设计构件时，可选择2、3号钢材。b)因n=1.7,根据材料力学的设计依据于是对给定的构件丁作应力C800MPa, n材料的屈服强度应为 1360 MPa,而=800/ 1400=0.5754.3 M