工程材料力学性能作业答案

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（σP）或屈服强度（σS）增加；反向加载时弹性极限（σP）或屈服强度（σS）降低的现象。解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（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的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。可以从河流花样的反“河流”方向去寻找裂纹源。解理断裂是典型的脆性断裂的代表，微孔聚集断裂是典型的塑性断裂。5.影响屈服强度的因素与以下三个方面相联系的因素都会影响到屈服强度位错增值和运动晶粒、晶界、第二相等外界影响位错运动的因素主要从内因和外因两个方面考虑（一）影响屈服强度的内因素1．金属本性和晶格类型（结合键、晶体结构）单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力，其值与位错运动所受到的阻力（晶格阻力－－派拉力、位错运动交互作用产生的阻力）决定。派拉力：位错交互作用力（a是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数，L是位错间距。）2．晶粒大小和亚结构晶粒小→晶界多（阻碍位错运动）→位错塞积→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的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度提高（细晶强化）。屈服强度与晶粒大小的关系：霍尔－派奇（Hall-Petch)σs=σi+kyd-1/23．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。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的强化作用。沉淀强化：第二相质点经过固溶后沉淀析出起到的强化作用。（二）影响屈服强度的外因素1.温度一般的规律是温度升高，屈服强度降低。原因：派拉力属于短程力，对温度十分敏感。2.应变速率应变速率大，强度增加。σε,t=C1(ε)m3．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”的存在，使得试样的应力状态发生变化，从而影响材料的力学性能的现象。9.细晶强化能强化金属又不降低塑性。10.韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂更加危险？韧性断裂：是断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂特征：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（塑变中微裂纹扩展和连接），灰暗色（反光能力弱）。断口三要素：纤维区、放射区、剪切唇这三个区域的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的，突发的断裂。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5％为韧性断裂。23.断裂发生的必要和充分条件之间的联系和区别。格雷菲斯裂纹理论是根据热力学原理，用能量平衡（弹性能的降低与表面能的增加相平衡）的方法推到出了裂纹失稳扩展的临界条件。该条件是是断裂发生的必要条件，但并不意味着一定会断裂。该断裂判据为：裂纹扩展的充分条件是其尖端应力要大于等于理论断裂强度。（是通过力学方法推到的断裂判据）该应力断裂判据为：对比这两个判据可知：当ρ＝3a0时，必要条件和充分条件相当2/10)2(aEsc2/10)4(aaEscρ3a0时，满足必要条件就可行（同时也满足充分条件）ρ3a0时，满足充分条件就可行（同时也满足必要条件）25.材料成分：rs—有效表面能，主要是塑性变形功，与有效滑移系数目和可动位错有关具有fcc结构的金属有效滑移系和可动位错的数目都比较多，易于塑性变形，不易脆断。凡加入合金元素引起滑移系减少、孪生、位错钉扎的都增加脆性；若合金中形成粗大第二相也使脆性增加。杂质：聚集在晶界上的杂质会降低材料的塑性，发生脆断。温度：σi---位错运动摩擦阻力。其值高，材料易于脆断。Bcc金属具有低温脆断现象，因为σi随着温度的减低而急剧增加，同时在低温下，塑性变形一孪生为主，也易于产生裂纹。故低温脆性大。晶粒大小：d值小位错塞积的数目少，而且晶界多。故裂纹不易产生，也不易扩展。所以细晶组织有抗脆断性能。应力状态：减小切应力与正应力比值的应力状态都将增加金属的脆性加载速度加载速度大，金属会发生韧脆转变。第二章应力状态软化系数：为了表示应力状态对材料塑性变形的影响，引入了应力状态柔度系数a，它的定义为：应力状态柔度系数a，表征应力状态的软硬。表示材料塑性变形的难易程度。缺口效应：试样中“缺口”的存在，使得试样的应力状态发生变化，从而影响材料的力学性能的现象。缺口敏感度：为是有缺口试样的抗拉强度与无缺口试样的抗拉强度的比值。表示缺口的存在对试样抗拉强度的影响程度或材料对缺口的敏感程度。布氏硬度：洛氏硬度：维氏硬度：努氏硬度：肖氏硬度：里氏硬度：7.说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理和优缺点。1、氏硬度试验的基本原理在直径D的钢珠（淬火钢或硬质合金球）上，加一定负荷F，压入被试金属的表面，保持规定时间卸除压力，根据金属表面压痕的陷凹面积计算出应力))((232131maxmaxSbbnNSR值，以此值作为硬度值大小的计量指标。优点：代表性全面，因为其压痕面积较大，能反映金属表面较大体积范围内各组成相综合平均的性能数据，故特别适宜于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组成相的金属材料。试验数据稳定。试验数据从小到大都可以统一起来。缺点：钢球本身变形问题。对HB450以上的太硬材料，因钢球变形已很显著，影响所测数据的正确性，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的成品检验，也不宜于薄件试验。不同材料需更换压头直径和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦。2、洛氏硬度的测量原理洛氏硬度是以压痕陷凹深度作为计量硬度值的指标。洛氏硬度试验的优缺点洛氏硬度试验避免了布氏硬度试验所存在的缺点。它的优点是：1)因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题；2)压痕小，不伤工件，适用于成品检验；3)操作迅速，立即得出数据，测试效率高。缺点是：代表性差，用不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，无法进行比较。3、维氏硬度的测定原理维氏硬度的测定原理和布氏硬度相同,也是根据单位压痕陷凹面积上承受的负荷，即应力值作为硬度值的计量指标。维氏硬度的优缺点1、不存在布氏那种负荷F和压头直径D的规定条件的约束，以及压头变形问题；2、也不存在洛氏那种硬度值无法统一的问题；3、它和洛氏一样可以试验任何软硬的材料，并且比洛氏能更好地测试极薄件(或薄层)的硬度，压痕测量的精确度高，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，因此生产效率没有洛氏硬度高。8.今有如下零件和材料需要测定硬度，试说明选择何种硬度实验方法为宜。（1）渗碳层的硬度分布；（2）淬火钢；（3）灰铸铁；（4）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体；（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；（9）退火态低碳钢；（10）硬质合金。（1）渗碳层的硬度分布----HK或-显微HV（2）淬火钢-----HRC（3）灰铸铁-----HB（4）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体-----显微HV或者HK（5）仪表小黄铜齿轮-----HV（6）龙门刨床导轨-----HS（肖氏硬度）或HL(里氏硬度)（7）渗氮层-----HV（8）高速钢刀具-----HRA（9）退火态低碳钢-----HRB（10）硬质合金-----HRA第三章冲击韧度：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的大小，也即冲击吸收功Ak。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，这就是低温脆性。韧脆转变温度：材料在低于某一温度tk时，会由韧性状态转变未脆性状态，tk称为韧脆转变温度。什么是低温脆性、韧脆转变温度tk？产生低温脆性的原因是什么？体心立方和面心立方金属的低温脆性有和差异？为什么？答：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，这就是低温脆性。tk称为韧脆转变温度。低温脆性的原因：低温脆性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的结果。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）。心立方和面心立方金属低温脆性的差异：体心立方金属的低温脆性比面心立方金属的低温脆性显著。原因：这是因为派拉力对其屈服强度的影响占有很大比重，而派拉力是短程力，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KI称为I型裂纹的应力场强度因子，它是衡量裂纹顶端应力场强烈程度的函数，决定于应力水平、裂纹尺寸和形状。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），即在所谓的小范围屈服裂纹的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：这就是断裂K判据。应力强度因子K1是描写裂纹尖端应力场强弱程度的复合力学参量，可将它看作推动裂纹扩展的动力。对于受载的裂纹体，当K1增大到某一临界值时，裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，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：KC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，材料的σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探伤发现有20mm长的横向穿透裂纹，若在平均轴向拉应力900MPa下工作，试计算KI及塑性区宽度R0，并判断该件是否安全？解：由题意知穿透裂纹受到的应力为σ=900MPa根据σ/σ0.2的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否休要修正因为σ/σ0.2=900/1200=0.750.7，所以裂纹断裂韧度KI需要修正对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：=ICIKK13168750177010109001770122.).(..)/(.sIaK（MPa*m1/2）塑性区宽度为：=0.004417937(m)=2.21(mm)比较K1与KIc：因为K1=168.13（MPa*m1/2）KIc=115（MPa*m1/2）所以：K1KIc，裂纹会失稳扩展,所以该件不安全。17.有一轴件平行轴向工作应力150MPa，使用中发现横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深度的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c可以确定φ=1，测试材料的σ0.2=720MPa，试估算材料的断裂韧度KIC为多少？解：因为σ/σ0.2=150/720=0.2080.7，所以裂纹断裂韧度KIC不需要修正则此时该裂纹的断裂韧度KIC为：KIC=Yσcac1/2对于表面半椭圆裂纹，Y=1.1/φ=1.1所以，KIC=Yσcac1/2=1.131025150=46.229（MPa*m1/2）20221sIKR第五章应力比r=σmin/σmax材料所受循环应力中最小应力与最大应力的比值。fgsdfg疲劳贝纹线：疲劳断口上具有类似贝壳纹路的宏观特征形