材料力学性能试题

一、名词解释1、滞弹性: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2、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。3、包申格效应：材料经过预先加载并产生少量塑性变形，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。4、河流花样：裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面；解理裂纹与很多螺型位错相遇，汇合台阶高度足够大时，便成为在电镜下可以观察到的河流花样。5、穿晶断裂：金属断裂时裂纹穿过晶内。穿晶断裂可以是韧性断裂如室温下的穿晶断裂），也可以是脆性断裂（如低温下的穿晶断裂）。6、沿晶断裂：金属断裂时裂纹沿晶界扩展。沿晶断裂多为脆性断裂。断口形貌呈冰糖状7、韧脆转变温度：体心立方或密排六方金属及合金，在温度低于tk时，会由韧性状态转变为脆性状态，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，这就是低温脆性。转变温度tk称为韧脆转变温度，也称冷脆温度。8、应力场强度因子：在线弹性断裂力学中，表示带初始裂纹构件的裂纹尖端处应力场奇异性性态的一个参数。或者反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为应力强度因子。9、缺口敏感度：用缺口试样的抗拉强度Obn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度Ob的比值表示，记为NSR。是安全性力学性能指标。NSR=Obn/Ob10、裂纹扩展能量释放率：把裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值称为裂纹扩展能量释放率，简称能量释放率或能量率。11、驻留滑移带：金属在循环应力长期作用下，形成永久留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带，具有持久驻留性.12、疲劳条带:电镜断口分析表明，第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（疲劳条纹，疲劳辉纹）。13、应力腐蚀断裂: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。14、磨损：机件表面相接触并作相对运动使，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑（松散的尺寸与形状均不同的碎屑），使表面材料逐渐流失（导致机件尺寸变化和质量损失）、造成表面损伤的现象即为磨损。15、应力松弛：材料在恒定变形条件下，应力随时间的延续而逐渐减少的现象。16、蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。17、氢脆断裂：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m称氢脆18、氢致延滞断裂：高强度钢或a+B钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢（原来存在的或从环境介质中吸收的），在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在金属内部，特别是在三相拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。19、低温脆性：体心立方或密排六方金属及合金，在温度低于tk时，会由韧性状态转变为脆性状态，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，这就是低温脆性。 20、缺1：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生拜年话，产生所谓“缺口效应“缺口引起应力集中，并改变了缺口应力状态，使得缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或者三向应力状态。 缺口使得材料的强度提高，塑性降低，增大材料产生脆断的倾向。21、冲击吸收功：材料在冲击载荷的作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。二、符号及其物理意义1、（1）50.2对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料，塑性变形硬化过程是连续的，产生0.2%残余伸长应力时刻的屈服强度。（2）5s有屈服平台的材料，呈现屈服现象的金属试样拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力称为屈服点。屈服强度：材料抵抗微量塑性变形的能力。（3）5b抗拉强度：韧性金属试样在拉断过程中可以承受的最大应力5b标志韧性金属材料的实际承载能力，但是这样的承载能力仅光滑试样的单向拉伸的受载条件，而且韧性材料的5b不能作为设计参数，因为5b对应的应变远非实际使用中所要达到的。对脆性金属材料而言，一旦拉伸力达到最大值，材料便迅速断裂了，所以5b就是脆性材料的断裂强度，用于产品设计，其许用应力便以5b为判据。 5b的高低决定于屈服强度和应变硬化指数 5b的布氏硬度HBW，疲劳极限5-1之间有一定经验关系，如5b=1/3HBW；对于淬火回火钢5-1=1/25b（4）E（G）弹性模量：描述材料在弹性范围内应力和应变之比，是材料的力学性能指标。（5）疲劳门槛值AKth:表示无限寿命的疲劳性能，也都受到材料成分和组织，载荷条件及环境因素等影响，AKth表示材料阻止疲劳裂纹开始扩充的性能也是材料的力学性能指标，其值越大，阻止疲劳裂纹开始扩展的能力越大，材料性能就越好.（6）KIBCC:试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子称为应力腐蚀临界应力场强度因子，抗应力腐蚀性能指标（7）KZHEC:试样抗氢脆的力学性能指标，在特定条件下不发生氢脆断裂的最大应力场强度因子叫氢脆临界应力强度因子KIC和KIKIC为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。KI为平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。KIC和KI都是I型裂纹的材料断裂韧度指标，但KI值与试样厚度有关。当试样厚度增加,使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一稳定的最低值，即为KIC。它与试样厚度无关，而是真正的材料常数。解理面:一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面解理刻面：大致以晶粒大小为单位的解理面解理断裂断口是由许多解理刻面集合而成解理断裂的基本微观持征：解理台阶、河流花样，舌状花样2、弹性模量是否对组织敏感合金化、热处理（显微组织）、冷塑性变形对弹性模量的影响较小，所以，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。3、标准试样延伸率大小|1、五倍（大）2、十倍（小）由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，发映在S与5的关系上88必须指出，只有测定断后510510伸长率时才要求应有比例拉伸试样，其他性能指标不要求。4、硬度试验压入法有：1、洛氏硬度2、布氏硬度3、维氏硬度4、努氏硬度5、退火低碳钢应力一一应变曲线能测出哪些指标及其意义是什么？e:弹性极限材料做拉伸试验楝，应力与应变将呈现一函数关系，而当应力达到某一值，材料将不会自行恢复原状，此一应力值，称为弹性限度。若材料塑承受的应力小于弹性限度，则可以自行恢复原状s:屈服强度一一是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。大于此极限的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复。b:抗拉强度一一金属由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。对于塑性材料，它表征材料最大均匀塑性变形的抗力，拉伸试样在承受最大拉应力之前，变形是均匀一致的，但超出之后，金属开始出现缩颈现象,即产生集中变形:对于没有（或很小）均匀塑性变形的脆性材料，它反映了材料的断裂抗力。5gt:最大力下的总伸长率（最大均匀塑性变形量）一一指试样拉伸至最大力时标距的总伸长与原始标距的百分比。5刃实际上是金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形（工程应变）量。:断后伸长率试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比6、屈服的定义，上、下屈服点，屈服本质，如何提高屈服强度？在试验过程中，外力不增加（保持恒定）试样仍能继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形，这便是屈服现象。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。本质：（1）柯氏气团：位错与溶质原子交互作用，位错被钉扎。溶质原子聚集在位错线的周围，形成气团。提高外应力，位错才能运动；一旦运动，继续发生塑性变形所需的外应力降低（2）位错塞积群：n个位错同相运动受阻，形成塞积群，导致材料要继续发生塑性变形必须加大外应力；一旦障碍被冲破，继续发生塑性变形所需的外应力降低。（3）应变速率：应变对时间的变化率，即单位时间内应变的变化量称为应变速率也称应变速度。1、扭转2、弯曲3、拉伸4、压缩5、硬度9、弯曲试验特点及应用特点：1、试样形状简单、操作方便。可测定脆性材料的抗弯强度obb，并可用试样弯曲挠度显示材料的塑性2、试样承受弯矩，内部产生正应力上表面为压应力，下表面为拉应力；且表面应力最大，中心的为零。弯曲试验可灵敏地反映材料表面缺陷，如渗碳、表面淬火等化学热处理和表面热处理机件的质量。应用：1、比较和鉴别渗碳和淬火等化学热处理及表面热处理机件的质量和性能。2、测定铸铁、铸铁合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。3、测定脆性或低塑性材料的抗弯强度。4、测定弯曲弹性模量，断裂挠度f人和断裂能量U等力学性能指标。bb10、何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。10、影响宏观拉伸端口形貌的因素？试样形状、尺寸尺寸大，放射区大材料性能强度高，放射区大试验温度、加裁速率、受力状态11、维氏硬度原理及优点（硬用布，软用洛，维氏硬度均可以）原理：采用正四棱锥体金刚石压头，在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后,卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度，试验力除以压痕表面积的商就是维氏硬度值。优点：维氏硬度试验的压痕是正方形，轻廓清晰，对角线测量准确，因此，维氏硬度试验是常用硬度试验方法中精度最高的，同时它的重复性也很好，这一点比布氏硬度计优越。维氏硬度试验测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个维氏硬度单位）都可测量。维氏硬度试验最大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变。这就相当于在一个很宽广的硬度范围内具有一个统一的标尺。这一点又比洛氏硬度试验来得优越。在中、低硬度值范围内，在同一均匀材料上，维氏硬度试验和布氏硬度试验结果会得到近似的硬度值。缺点：维氏硬度试验效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面的光洁度要求较高，通常需要制作专门的试样，操作麻烦费时，通常只在实验室中使用。12、平面应力/应变条件下塑性区尺寸大小有何不同？不同点：平面应变状态塑性区（小）应力状态硬平面应力状态塑性区（大）应力状态软相同点：不论平面应力或平面应变，塑性区宽度总是与（K/b）2成正比，材料的K越icsIC高和b越低，其塑性区宽度越大。s13、奥氏体不锈钢在什么情况下容易开裂？14、疲劳断口微观特征？具有一定间距的、垂直于主裂纹扩展方向的、相互平行的条纹花样，即疲劳条带（或疲劳辉纹、疲劳条纹），这是区别于其他性质断裂的最显著的特征花样。疲劳条带具有如下特点：1、断口上的疲劳条带有时为连续分布。2、在使用状态下，疲劳裂纹往往在不同振幅的交变载荷下发生，裂纹扩展时同一平面、同一方向上疲劳条带间距变化是疲劳载荷谱在断口形貌上的反映，每一条疲劳条带代表一次载荷循环，疲劳条带的间距在裂纹扩展初期较小，而后逐渐变大；3、疲劳条带的形状多为向前凸出的弧形条纹，金属中的第二相粒子可以阻止也可加速疲劳裂纹的扩展，使疲劳条带出现凹形弧线或S形弧线；4、面心立方晶体结构的材料比体心立方晶体结构的材料更易形成连续而清晰的疲劳条带；5、平面应变状态比平面应力状态易形成疲劳条带，一般应力太小时观察不到疲劳条带；6、晶粒边界对疲劳裂纹的扩展起抑制作用，疲劳裂纹扩展方向从一个晶粒到另一个晶粒发生变化，产生的疲劳条带的方向也不一样；7、疲劳条带在常温下往往是穿晶的，而在高温下可以出现沿晶疲劳条带；8、材料的抗拉强度越咼，越不易形成疲劳条带，咼强钢或超咼强度钢的疲劳断口上甚至完全不出现疲劳条带，而往往是沿晶、解理或韧窝形貌；9、高温和腐蚀环境会使断口发生氧化和腐浊，结果使疲劳条带形貌遭到破坏；10、断口两侧条纹形态对称，即峰对峰，谷对谷。疲劳条带有韧性和脆性两种类型。15、细晶强化在什么情况下不适用？（高温、中温、常温）16、关于力学性能指标哪些对组织敏感，哪些不敏感？对组织敏感：弹性极限、屈服强度、断面收缩率、断后伸长率、冲击吸收功、对组织部敏感：弹性模量、17、疲劳断口组成1、疲劳源2、疲劳区3、瞬断区18、单向静拉伸测试的指标？1、屈服强度b2、抗拉强度b3、断后伸长率54、断面收缩率屮0.b19、金属疲劳断裂特点？（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至屈服强度。（2）.疲劳是脆性断裂。由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前均不会发生塑性变形及有形变预兆，它是长期积累的损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸时才突然发生的。（3）疲劳对缺陷（缺口，裂纹及组织缺陷）十分敏感，由于疲劳破坏是从局部开始的，所以他对缺陷具有高度的选择性。（4）疲劳断裂也是裂纹萌生与扩展的过程。21、应力场强度因子的意义及其表达式？表达式：KI%*a意义：K的大小直接影响应力场的大小：K越大，则应力场各应力分量也越大。K就III可以表示应力场的强弱程度22、断裂韧性物理意义及两者区别？*KIC为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。KI和KIC的区别：应力场强度因子KI增大到临界值KIC时，材料发生断裂，这个临界值KIC称为断裂韧度。KI是力学参量，与载荷、试样尺寸有关，而和材料本身无关。KIC是力学性能指标，只与材料组织结构、成分有关，与试样尺寸和载荷无关。根据KI和KIC的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，由于平面应变断裂最危险，通常以KIC为标准建立：KK脆断IIC23、产生应力腐蚀条件及机理？条件：1、应力：机件所承受的应力包括工作应力和残余应力。2、化学介质：只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能产生应力腐蚀。即对一定的金属材料，需要有一定特效作用的离子、分子或络合物才能导致应力腐蚀。3、金属材料：一般认为，纯金属不会才生应力腐蚀，所有合金对应力腐蚀都有不同程度的敏感性。但在每一种合金系列中，都有对应力腐蚀不敏感的合金成分。机理：滑移一一溶解理论（钝化膜破坏理论）a）应力作用下，滑移台阶露头且钝化膜破裂（在表面或裂纹面）b）电化学腐蚀（有钝化膜的金属为阴极，新鲜金属为阳极）；c）应力集中，使阳极电极电位降低，加大腐蚀；d）若应力集中始终存在，则微电池反应不断进行，钝化膜不能恢复。则裂纹逐步向纵深扩展。（该理论只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀）24、低应力脆断在什么条件下出现的？应对低应力脆断的措施?*当容器或构件存在宏观裂纹时，在应力水平不高，甚至低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象称为低应力脆断。这类现象在使用温度较低而且选材不当时，往往发生在材料存在缺陷的地方。25、如果零件前端出现小范围屈服，那么工件在使用时，安全如何考虑?26、试根据下述方程(Gd2+k)k=2G九q，讨论下述因素对金属材料韧脆转的影响:1、材料成分：2、杂质:3、温度4、晶粒大小5、应力状态6、加载速率27、有一轴件平均轴向工作应力150MPa,适用中发生横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹一可以确定=1,测试材料的G=720MPa，C02试估算材料的断裂韧度KIC是多少？因为o/O0.2=150/720=0.2080.7，所以裂纹断裂韧度KIC不需要修正对于无限板的中心穿透裂纹，KI为：Kic=Yga对于表面半椭圆裂纹，y=i.i山/炉=1.1”兀所以，KIC二Yga=1.1飯50xj25x10一3=46.229(MPa*m1/2)28有一构件制造时，出现表面半椭圆裂纹，若a=1mm，在工作应力b=1000MPa下工作,变化于下表:b/MPa0.211001200130014001500K/MPa*m2IC11095756055解：已知工作应力尸1000MPa；裂纹长度为2a=2mm,于是a=1mm=0.001m。构件为大型厚板结构，属平面应变。(1)对屈服强度为1100MPa断裂韧性为110MPa*m2的材料，因b=1000/11000.5于是裂纹前端的应力场强度因子Kt为bI0.2b：兀aK=1.1-0.177(b/b)s丄丄=60.65MP*m20于是裂纹前端的应力场强度因子为bV1-0.177(c/c)1=59.799MP*m2因此选用该材料是安全的。(3)对屈服强度为1300MPa、断裂韧性为75MPa*mj/2的材=1000/1300=0.770.于是裂纹前端的应力场强度因子为o0.2oV兀a,1,iK=5922MP*m275MP*m21x；;1-0.177(o/o)s因此选用该材料是安全的。(4)对屈服强度为1400MPa断裂韧性为60MPa*rm2的材料，因o=1000/1400=0.710.于是裂纹前端的应力场强度因子为o0.2o、/兀a,丄，丄K=5874MP*m20.于是裂纹前端的应力场强度因子为o0.2o乜兀a,1,1K=58.38MP*m255MP*m21J-0.177(o/o)s因此选用该材料是不安全的。