材料力學(xué)性能復(fù)習(xí)重點(diǎn)

期末復(fù)習(xí)資料一名詞解釋彈性比功：又稱彈性比能、應(yīng)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(kāi)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(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象稱為滯彈性，也就是應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象。循環(huán)韌性：金屬材料在交變載荷〔振動(dòng)〕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(yīng)：金屬材料經(jīng)過(guò)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形〔剩余應(yīng)變?yōu)?%~4%〕，卸載后再同向加載，規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力〔彈性極限或屈服強(qiáng)度〕增加；反向加載，規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低〔特別是彈性極限在反向加載時(shí)幾乎降低到零〕的現(xiàn)象。應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)：金屬所受的最大切應(yīng)力τ與最大正應(yīng)力σ的比值大小。即：缺口效應(yīng)：絕大多數(shù)機(jī)件的橫截面都不是均勻而無(wú)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(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂的缺口效應(yīng)。缺口第一效應(yīng)：引起應(yīng)力集中，改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)，使缺口試樣所受的應(yīng)力由原來(lái)的單向應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閮上蚧蛉驊?yīng)力狀態(tài)。缺口第二效應(yīng)：缺口使塑性材料強(qiáng)度增高，塑性降低。缺口敏感度：缺口試樣的抗拉強(qiáng)度σbn的與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強(qiáng)度σb的比值，稱為缺口敏感度，即：缺口試樣靜拉伸試驗(yàn)：軸向拉伸、偏斜拉伸兩種。布氏硬度——用鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，采用單位面積所承受的試驗(yàn)力計(jì)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(cè)量壓痕深度所表示的硬度維氏硬度——以兩相對(duì)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(yàn)力計(jì)算而得的硬度。說(shuō)明以下力學(xué)指標(biāo)的意義：〔1〕σbc抗壓強(qiáng)度〔2〕σbb抗彎強(qiáng)度〔3〕τs扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)〔4〕τb抗扭強(qiáng)度〔5〕σbn缺口試樣的抗拉強(qiáng)度〔6〕NSR缺口敏感度〔7〕HBW壓頭為硬質(zhì)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(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、重復(fù)性強(qiáng)。對(duì)不同材料需要更換不同直徑的壓頭球及改變?cè)囼?yàn)力。洛氏硬度：以測(cè)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(yàn)用途：1〕控制原材料的冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品質(zhì)量。2〕測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)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(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼〔鐵素體-珠光體鋼〕，在試驗(yàn)溫度低于某一溫度時(shí)，會(huì)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(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫硇?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性。按能量法定義tk〔韌脆臨界轉(zhuǎn)變溫度〕的方法：以低階能和高階能平均值對(duì)應(yīng)的溫度定義tk。當(dāng)?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(tái)，該能量稱為“低階能”以低階能開(kāi)始上升的溫度定義tk，并記為NDT，稱為無(wú)塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度。這是無(wú)預(yù)先塑性變形斷裂對(duì)應(yīng)的溫度，是最易確定tk的判據(jù)。在NDT以下，斷口由100％結(jié)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(gè)上平臺(tái)，稱為“高階能”。以高階能對(duì)應(yīng)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(kuò)展的根本形式：1〕張開(kāi)型〔Ⅰ型〕裂紋擴(kuò)展；2〕滑開(kāi)型〔Ⅱ型〕裂紋擴(kuò)展；3〕撕開(kāi)型〔Ⅲ型〕裂紋擴(kuò)展。應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI：在裂紋尖端區(qū)域各點(diǎn)的應(yīng)力分量除了決定于位置外，尚與強(qiáng)度因子KI有關(guān)，對(duì)于某一確定的點(diǎn)，其應(yīng)力分量由KI確定，KI

越大，那么應(yīng)力場(chǎng)各點(diǎn)應(yīng)力分量也越大，這樣KI就可以表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度，稱KI為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)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(yīng)力的種類(lèi)：1〕對(duì)稱交變應(yīng)力2〕脈動(dòng)應(yīng)力3〕波動(dòng)應(yīng)力4〕不對(duì)稱應(yīng)力。疲勞條帶：疲勞裂紋擴(kuò)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(guān)系來(lái)分析疲勞破壞。應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生條件：應(yīng)力、化學(xué)介質(zhì)、金屬材料。氫脆：由于氫和應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象。白點(diǎn)：當(dāng)鋼中含有過(guò)量的氫時(shí)，隨著溫度降低氫在鋼中的溶解度減小。如果過(guò)飽和的氫未能擴(kuò)散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子。此時(shí)，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(diǎn)。約比溫度：試驗(yàn)溫度值與金屬溫度值的比值金屬的蠕變：金屬在長(zhǎng)時(shí)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(yīng)力松弛：在規(guī)定溫度和初始應(yīng)力條件下，金屬材料中的應(yīng)力隨時(shí)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(yàn)的特點(diǎn)及范圍：特點(diǎn)：彎曲試樣形狀簡(jiǎn)單，操作方便；不存在拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣軸線與力偏斜問(wèn)題，沒(méi)有附加應(yīng)力影響試驗(yàn)結(jié)果，可用試樣彎曲撓度顯示材料的塑性；彎曲試樣外表應(yīng)力最大，可靈敏地反映材料外表缺陷。范圍：測(cè)定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質(zhì)合金等脆性與低塑性材料的強(qiáng)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(xué)熱處理機(jī)件的質(zhì)量和性能。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)：應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為0.8，比拉伸時(shí)大，易于顯示金屬的塑性行為；試樣在整個(gè)長(zhǎng)度上的塑性變形時(shí)均勻，沒(méi)有緊縮現(xiàn)象，能實(shí)現(xiàn)大塑性變形量下的試驗(yàn)；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(yīng)力與最大切應(yīng)力大體相等。范圍：用來(lái)研究金屬在熱加工條件下的流變性能和斷裂性能，評(píng)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(yàn)熱處理工件的外表質(zhì)量和各種外表強(qiáng)化工藝的效果。沖擊韌性在實(shí)際中有什么價(jià)值？控制原材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量，即將值作為質(zhì)量控制指標(biāo)使用。根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)〔低溫沖擊試驗(yàn)〕可得值與溫度的關(guān)系曲線，測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。據(jù)此可以評(píng)定材料的低溫脆性傾向，供選材時(shí)參考或用于抗脆斷設(shè)計(jì)。試述低應(yīng)力脆斷的原因及防止方法。答：低應(yīng)力脆斷的原因：在材料的生產(chǎn)、機(jī)件的加工和使用過(guò)程中產(chǎn)生不可防止的宏觀裂紋，從而使機(jī)件在低于屈服應(yīng)力的情況發(fā)生斷裂。預(yù)防措施：將斷裂判據(jù)用于機(jī)件的設(shè)計(jì)上，在給定裂紋尺寸的情況下，確定機(jī)件允許的最大工作應(yīng)力，或者當(dāng)機(jī)件的工作應(yīng)力確定后，根據(jù)斷裂判據(jù)確定機(jī)件不發(fā)生脆性斷裂時(shí)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(guò)程。答：典型疲勞斷口具有三個(gè)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?yàn)檫@里在整個(gè)裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展過(guò)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(xì)小。疲勞區(qū)的疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)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(kuò)展逐漸減弱。貝紋線是由載荷變動(dòng)引起的，如機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的開(kāi)動(dòng)與停歇，偶然過(guò)載引起的載荷變動(dòng)，使裂紋前沿線留下了弧狀臺(tái)階痕跡。瞬斷區(qū)是裂紋最后失穩(wěn)快速擴(kuò)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(jié)晶狀斷口，韌性材料為纖維狀斷口。疲勞過(guò)程及機(jī)理：疲勞過(guò)程包括疲勞裂紋萌生〔由不均勻的局部滑移和顯微開(kāi)裂引起〕、裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展〔第一階段：沿主滑移系，以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)散。第二階段：擴(kuò)散方向逐漸垂直于主應(yīng)力方向，可以穿晶擴(kuò)散〕及失穩(wěn)擴(kuò)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(dòng)載荷〔應(yīng)力〕試驗(yàn)時(shí)，疲勞斷裂壽命高于10^5周次的疲勞過(guò)程。高周疲勞試驗(yàn)是在低載荷、高壽命和控制應(yīng)力下進(jìn)行的疲勞。而低周疲勞是在高應(yīng)力、短壽命、控制應(yīng)變下進(jìn)行的疲勞過(guò)程。改善粘著磨損耐磨性的措施：1〕注意摩擦副配對(duì)材料的選擇2〕采用外表化學(xué)熱處理改變材料外表狀態(tài)3)控制摩擦滑動(dòng)速度和接觸壓應(yīng)力。試分析晶粒大小對(duì)金屬材料高溫力學(xué)性能的影響：影響很大，當(dāng)使用溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，細(xì)晶粒鋼有較高的強(qiáng)度；當(dāng)使用溫度高于等強(qiáng)溫度時(shí)，粗晶粒鋼及合金有較高的蠕變極限和持久強(qiáng)度極限。但是晶粒太大會(huì)降低高溫下的塑性和韌性。對(duì)于耐熱鋼及合金來(lái)說(shuō)，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(xué)性能在高溫和低溫下各有什么特點(diǎn)、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(qiáng)度降低，而且塑性也降低。應(yīng)變速率越低，載荷作用時(shí)間越長(zhǎng)，塑性降低得越顯著。2、高溫應(yīng)力松弛。3、產(chǎn)生疲勞損傷，使高溫疲勞強(qiáng)度下降。低溫：計(jì)算P9P9-10縮頸判據(jù)P17P84高壓容器承載能力的計(jì)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(zhǎng)的橫向穿透裂紋，假設(shè)在平均軸向拉應(yīng)力900MPa下工作，試計(jì)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(yīng)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?yàn)棣?σ0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂紋斷裂韌度需要修正。對(duì)于無(wú)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?yàn)?，所以：，裂紋會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展,所以該件不平安。2\.有一軸件平行軸向工作應(yīng)力150MPa，使用中發(fā)現(xiàn)橫向疲勞脆性正斷，斷口分析說(shuō)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(cè)試材料的σ0.2=720MPa，試估算材料的斷裂韌度KIC為多少？解：因?yàn)棣?σ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂紋斷裂韌度KIC不需要修正對(duì)于無(wú)限板的中心穿透裂紋，修正后的KI為：KIC=Yσcac1/2對(duì)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(gòu)件的工作應(yīng)力，裂紋長(zhǎng)度，應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，鋼材隨增加而下降，其變化如下表所