材料力学性能复习资料.doc

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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。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:(1)材料在高温下将发生蠕变现象。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,而且塑性也降低。应变速率越低,载荷作用时间越长,塑性降低得越显著。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,在高温下工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象。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 ,特别易产生在垂直于拉应力方向的晶界上,)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面之间加入润滑剂, 使两接触面之间形成润滑膜,变干摩擦为润滑剂内部分子之间内摩擦 ,从而达到减少接触面间的摩擦、降低材料磨损的目的。(2)摩擦材料的选择 :根据摩擦的具体工况(载荷、速度、温度、介质),选择合理的摩擦副材料(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:利用各种无力的、 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 .11)氢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、酸洗过程中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 ,如贮氢的压力容器中出现的高压氢脆。 氢脆按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 .第一类氢脆是在负荷之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之前 ,材料内部并不存在某种氢脆断裂源 .加载后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氢脆。可逆氢脆是指材料经低速形变变脆后,如果卸载并停留一段时间在进行正常速度变形,原先已脆化材料的塑性可以得到恢复。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。不可逆氢脆是指已脆化的材料 ,卸载后再进行正常速度变形时 ,其塑性不能恢复。)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, 它在任何介质中均会出现。(2)对应力腐蚀来说,有一临界应力强度因子 ,这是材料固有的性能 ,当外加应力强度因子 KI〈,材料不会发生应力腐蚀裂纹扩展。但对腐蚀疲劳,即使 KI<,疲劳裂纹仍旧会扩展。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)在一定的介质中,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:蠕变是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,并有较明显的塑性变形 .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 。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,疲劳寿命长,Nf>105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,整体上无可测的塑性变形,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)简述布氏硬度试验方法的原理、计算方法和优缺点。答:a)测试原理:用一定的压力P将直径为D的淬火钢球或硬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(压痕的直径和深度分别为d和h)。)计算方法:优缺点:优点:1)分散性小,重复性好,能反映材料的综合平均性能。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)试验过程中,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 ,在厚度方向上可以自由变形,即.z=0。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,,使得z方向不产生应变,即z=0,这种状态称为1)在原子平衡间距为的理想晶体中,两原子间的作用力与原子相对位置变化x的关系为=σmsin(2πx/)。如晶体断裂的表面能为,弹性模量为E,试推导晶体发生断裂的理论断裂强度。答:材料的理论结合强度,应从原子间的结合力入手 ,只有克服了原子间的结合力,材料才能断裂。两个原子面的作用力如下图所示 .克服了原子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σ m 。曲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,该曲线可用正弦曲线表示σ=σmsin(2πx/ ) (1)式中x为原子间位移 , 为正弦曲线的波长。如位移很小,则 sin(2πx/ )=(2πx/ ),于是σ=σm(2πx/ ) (2)根据虎克定律,在弹性状态下 ,σ=Eε=Ex/a0 (3 )式中E为弹性模量;ε为弹性应变 ;a。为原子间的平衡距离。合并式(2)和(3),消去x,得σm=λE/2πa0另一方面,晶体脆性断裂时出的弹性应算得,假定(4),形成两个新的表面, 需要表面形成功 2γ,其值应等于释放变能,可用上图中曲线下所包围的面积来计sin(2πx/ )=(2πx/ ) 。(5)由式5和式4得到:?1/2σm=(Eγ/a0)2)试用无限大板中心贯穿裂纹 (裂纹长度为2a)延长线上应力场强度分布公式σy=KI/(2r)1/2,计算平面应力条件下裂纹前端塑性区的真实大小。其中材料的屈服强度为σ。注意,计算时需考虑应力松弛的影响。S解:按照线弹性断裂力学,σI1/2,其应力分布如下图中的曲线DC;当弹性应力超y=K/(2r)过材料有的效屈服强度σ时,便产生塑性变形。:S0I0)1/20I/σs)2由σs=K/(2r,可得:r=1/(2)(K在塑性区r范围内如不考虑形变强化,其应力可视为恒定的,就等于σ,在高出0s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,使原屈服区外的周围弹性区的应力升高,相当于BC线向外推移到EF位置,如图所示。应力松驰的结果使塑性区从 r扩大到R。0 0从能量角度看,阴影线面积 DBA=矩形面积 BGHE,用积分表示为:计算题1、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 σ=560MPa,板中心有一穿透裂纹( KI a),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0℃和50℃时的塑性区大小 R。c)用作图法求出该材料的低温脆性转变温度 T。K解:已知 σ=560MPa裂纹长度为 2a=6mm,于是a=;构件为大型厚板结构,属平面应变。a)在-50℃下,=560/1000=0。56〈0。6,于是有:sKI1/21/2a=56。4MPa*m>30。0MPa*m因此在-50℃—30℃下,=560/900=0。62〉,于是有:sKIa1/21/21=*m〉50MPa*m122/S4因此在-30℃下是不安全的 .在0℃下,560/800=>,于是有:sKIa1/21/2=56。88MPa*m<90MPa*m1/21S4 2因此在0℃℃下,560/700=0。80>,于是有:sKIa1/21/2=*m〈100MPa*m1/21S42因此在50℃℃、50℃下是安全的。(5分)b)在0℃下,KI=56。88MPa*m1/2,σS=800MPa,所以有:1KI2R022s=5。69*10—4m=0。569mm在50℃下,KI=57。78MPa*m1/2,σS=700MPa,所以有:1KI2R022s=*10-4m=(5分)c)由KICCa,、不同温度下的屈服强度和断裂韧性代入上式得:—50℃,C=306。5MPa—30℃,C=497MPa0℃, C=886MPa50℃, C=1455MPa利用不同的屈服强度 S和断裂强度 C 与温度作图,如下图:由图可见CT和ST两条曲线相交于—7℃,于是该材料的低温脆性转变温度为-7℃。(3分)