工程材料力学性能 (1),工程材料力学性能第三版电子书

('1工程材料力学性能第一章1.2.弹性形变可逆，塑性形变不可逆。3.弹性模量即等于弹性应力，即弹性模量是产生百分之百弹性变形所需的应力。工程上的弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。习题3.金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能?答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在2性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。4.弹性比功表示金属材料吸收弹性变形功的能力。一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。一般用提高弹性极限来提高弹性比功。5.在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象，称为滞弹性。6.金属材料在交变载荷（振动）下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也成为金属的内耗。7.金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。8.常见的塑性变形形式主要为滑移和孪生。9.呈现屈服现象的金属材料拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力称为屈服点。试样发生屈服而力首次下降前的最大应力称为上屈服点。当不计初始瞬时效应（指在屈服过程中试验力第一次发生下降）时屈服阶段中的最小应力称为下屈服点。屈服伸长对应的水平线段或曲折线段称为屈服平台或屈服齿。10.与屈服现象有关的因素：1）材料变形前可动位错密度很小2）随塑性变形发生，位错能快速增殖3)位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。11.影响屈服强度的内在因素1）金属本性及晶格类型2）晶粒大小和亚结构【位错运动】3）溶质元素【固溶强化】4）第二相【弥散强化】12.应变硬化：金属材料的一种组织继续塑性变形的能力。应变硬化是位错增殖、运动受阻所致。13.314.韧性断裂：金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45°角。断口成纤维状，灰暗色。15.脆性断裂：突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆。断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。习题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。韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。16.断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇17.韧断:塑变，缓慢。脆断：无塑变，快速18.断裂分类：1）韧断与脆断2）穿晶断裂与沿晶断裂3）纯剪切断裂与微口聚集型断裂、解理断裂。习题11.剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？【P23】答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。419.剪切断裂为韧断。20.解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，基本微观特征：解理台阶、河流花样（判断是否为解理断裂的重要依据）、舌状花样。21.韧窝是微口聚集型断裂的基本特征。分为等轴韧窝、拉长韧窝、撕裂韧窝。第二章1、压缩试验的特点：1）应力状态软性系数α＝2，应力状态较软，材料易产生塑性变形。主要测定拉伸时呈脆性的金属材料在塑性状态下的力学行为。2）拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂。2、弯曲试验的特点1）弯曲试验的试样形状简单，操作方便。2）弯曲试验时不存在试样偏斜对试验结果的影响，可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。3）弯曲试验时，试样的表面应力最大，可较灵敏地反映材料的表面缺陷。3、扭转试验的特点1）扭转的应力状态软性系数α＝0.8，比拉伸大，易显示金属的塑性行为。2）圆形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现象。所以能反映高塑性材料直至断裂前的变形能力和强度。3）能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。4）扭转试验是测定大部分材料切断强度最可靠的方法。4、缺口效应：1)引起应力集中，对于脆性或低塑性材料，使其抗拉强度降低2）使塑性材料强度增高，塑性降低。5、硬度试验方法分类1）弹性回跳法：如肖氏硬度，表示金属弹性变形功的大小。2）压入法：如布氏、洛氏、维氏硬度等，表示金属塑性变形抗力及应变硬化能力。3）划痕法：如莫氏硬度，表示金属对切断的抗力。6、布氏硬度试验的特点：优点：1）压痕面积较大，能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，而不受个别相及微小不均匀性的影响2）试验数据稳定，重复性强缺点：1）布氏硬度试验对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也比较麻烦，因而自动检测受到限制。52）压痕较大时不宜在成品上进行试验7、洛氏硬度试验特点：优点：1）操作简便迅速，硬度值可直接读出；2）压痕较小，可直接在工件上进行试验；3）采用不同标尺，适用范围广，可广泛用于热处理质量的检验；缺点：1）由于压痕小，代表性差2）重复性差，数据分散度大3）用不同标尺的硬度值彼此不能直接进行比较。8、维氏硬度试验的特点优点：维氏硬度试验力可任意选取，压痕测量精度较高，硬度值较为精确；缺点：维氏硬度值需通过测量压痕对角线长度后才能计算或查表，工作效率较低。9.缺口敏感度:试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值。比值越大，缺口敏感性越小，越容易发生塑性变形。习题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：维氏（2）淬火钢：洛氏（3）灰铸铁：布氏（4）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体：维氏（5）仪表小黄铜齿轮：维氏（6）龙门刨床导轨：里氏、肖氏（7）渗氮层：维氏（8）高速钢刀具：洛氏（9）退火态低碳钢：洛氏（10）硬质合金：布氏第三章1、冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。常用标准试样的冲击吸收功Ak表示。2、冲击韧度：U形缺口的冲击吸收功Aku除以试样缺口底部截面积之商。3、当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这即低温脆性，转变温度tk称为韧脆转变温度，亦称冷脆转变温度。(低碳钢—体心立方体—有低温脆性；奥氏体钢—面心立方体—无低温脆性)6第四章1、裂纹扩展的基本形式实际裂纹的扩展往往是上述三种型形式的组合，I型裂纹最危险，易引起脆性断裂2、由应力分量表达式可知，裂纹尖端区域各点的应力分量与其位置(r,θ)以及KI有关。而对于某一确定的点（r,θ），其应力分量由KI决定，因此KI越大，则应力场各个应力分量越大，即KI可以反映应力场的强弱程度，故称KI为应力场强度因子。对于Ⅱ、Ⅲ型裂纹，则分别为KⅡ、KⅢ。73、断裂韧度KIC—当KI增大到某个临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂。这个临界或失稳状态的KI值记作KIC或KC，即为断裂韧度，它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断的能力，是材料的力学性能指标之一。（一般：KIC—平面应变下的断裂韧度KC—平面应力下的断裂韧度）4、影响断裂韧度KIC的因素：材料成分、组织：1）化学成分的影响2）基体相结构和晶粒大小的影响3）杂质及第二相的影响4）纤维组织的影响外界因素;1)温度2）应变速率5、计算题8习题3、试述低应力脆断的原因及防止方法。答：低应力脆断的原因：在材料的生产、机件的加工和使用过程中产生不可避免的宏观裂纹，从而使机件在低于屈服应力的情况发生断裂。预防措施：将断裂判据用于机件的设计上，在给定裂纹尺寸的情况下，确定机件允许的最大工作应力，或者当机件的工作应力确定后，根据断裂判据确定机件不发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸第五章1、变动载荷：载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷。2、金属机件或构件在变动载荷和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。按断裂寿命和应力高低不同分类1）高周疲劳：Nf>105；σ<σs亦称低应力疲劳。2）低周疲劳：Nf=102—105；σ≥σs亦称高应力疲劳或应变疲劳。3、疲劳破坏的特点：1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂，断裂寿命随应力不同而变化。92）不论是韧性材料，还是脆性材料，疲劳断裂均是脆性断裂。3）疲劳对缺陷十分敏感，由于疲劳破坏是从局部开始的，故对缺陷具有高度的选择性。4、典型的疲劳断口按照断裂过程可分为三个区域，疲劳源、疲劳区和瞬断区1、疲劳源（或称疲劳核心），疲劳裂纹萌生的策源地，一般总是产生在构件表面层的局部应力集中处。疲劳源区光亮度最大，在断口上常能看到一个明显的亮斑。源区光亮度↑；相邻疲劳区越大；贝纹线越多越密者→疲劳源越先产生。2、疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域。宏观特征：断口比较光滑并分布有贝纹线（由载荷变动引起）或海滩波纹状花样。贝纹线凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。3、瞬断区是疲劳裂纹达到临界尺寸后发生失稳快速扩展所形成的断口区域。其断口比疲劳区粗糙，宏观特征同静载荷下的断口一样，脆性材料为结晶状断口；若为韧性材料，则在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，边缘平面应力区出现剪切唇。5、过载损伤区—过载损伤界到疲劳曲线高应力区直线段之间的影线区。材料的过载损伤界愈陡直，损伤区愈窄，则其抵抗疲劳过载的能力愈强。6.7.疲劳过程包括：疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段。疲劳微观裂纹由不均匀局部滑移和显微开裂引起。主要方式有表面滑移带开裂；第二相、夹杂物或其界面开裂；界面或亚晶界开裂等。8.呈弯曲并相互平行的沟槽花样，即疲劳条带疲劳条带与贝纹线区别：1.疲劳条带是疲劳断口的微观特征；贝纹线疲劳断口的宏观特征2.在断口上，二者可同时出现也可不同时出现。6、109.金属材料由循环开始状态变成稳定状态的过程，与其在循环应变作用下的形变抗力变化有关。若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（形变抗力）不断增加，即为循环硬化。若在循环过程中，应力逐渐减小，则为循环软化。第六章1、金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象，称为应力腐蚀断裂。产生条件（1）应力（2）化学介质（3）金属材料2、应力腐蚀断口特征：有分叉现象，呈枯树枝状。3、防止应力腐蚀的措施：1、合理选择金属材料2、减少或消除机件中的残余拉应力3、改善化学介质4、采用电化学保护4、由于氢和应力的共同作用，而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂（氢蚀、白点、氢化物致脆、氢致延滞裂纹）5、氢致延滞裂纹的裂纹过程的三个阶段：孕育阶段、裂纹亚稳扩展阶段及失稳扩展阶段。11氢引起氢致延滞裂纹的三个步骤：氢原子进入钢中、氢在钢中迁移、氢的偏聚。6、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裂纹第七章1、根据剥落裂纹起始位置及形态不同，接触疲劳破坏分为麻点剥落、浅层剥落和深层剥落。第八章1、高温力学性能1）产生蠕变：指金属在长时间恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。2）强度下降，塑性下降，应变速度下降，载荷作用时间越长，塑性越低3）高温应力松弛：在规定温度和初始应力条件下，金属材料中的应力随时间增加而减小的现象4）产生疲劳损伤，高温疲劳强度下降2、蠕变断裂机理（金属材料在长时高温载荷作用下的断裂，大多为沿晶断裂。）（1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹。（2）在晶界上由空洞形成晶界裂纹。3、蠕变断裂断口的宏观特征为：1）在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现象。2）由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。4、蠕变断裂微观特征：为冰糖状花样的沿晶断裂形貌。',)