第二、三、四章习题ppt课件概要.ppt

,工程材料力学性能习题解答,2022/12/21,2,1,第二章习题解答金属在其他静载荷下的力学性能,2022/12/21,3,1,1、名词解释,（1）应力状态软性系数,定义：材料或工件所承受的最大切应力max和最大正应力max比值，,为什么提出？,材料在一定的载荷条件下产生何种失效形式相关因素,自身的强度大小,应力状态,即：,2022/12/21,4,1,不同的应力状态，对金属的变形和断裂性质将产生不同的影响，为此必须知道，在不同静加载方式下试样中最大切应力max和最大正应力max的计算方法和及其相对大小的表示方法。,值越大的试验方法， max越大，表示应力状态越软“软”，金属越易于产生塑性变形和韧性断裂；反之，值越小的试验方法， max越大，表示应力状态越软“硬”，金属越容易产生脆性断裂。值不能评定材料的塑性变形特性，仅用于比较不同试验方法应力状态的“硬”或“软”，以供选择试验方法。,对于脆性材料常用应力状态较软的试验进行试验，以揭示它们的塑性性能，反之对于塑性材料则用应力状态较硬的试验进行试验，使之在较硬的应力状态下显示其脆性倾向。,2022/12/21,5,1,绝大多数机件的横截面都不是均匀而无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等，这种截面变化的部分可视为“缺口”，由于缺口的存在，在载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的缺口效应。,（2）缺口效应,NSR越大，缺口敏感性越小。脆性材料如铸铁、高碳钢的NSR总是小于1，表面缺口根部尚未发生明显的塑性变形时就也断裂，对缺口很敏感。高强度材料的NSR一般也小于1；塑性材料的NSR一般大于1。,（3）缺口敏感度,定义： 缺口试样的抗拉强度bn的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度b的比值，称为缺口敏感度，即：,2022/12/21,6,1,3、试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围。,2022/12/21,7,1,5、缺口试样拉伸时的应力分布有何特点？,一、在弹性状态下的应力分布：,薄板：在缺口根部处于单向拉应力 状态，在板中心部位处于两 向拉伸平面应力状态。,2022/12/21,8,1,厚板：在缺口根部处于两向拉应力 状态，缺口内侧处三向拉伸 平面应变状态。,无论脆性材料或塑性材料，都因机件上的缺口造成两向或三向应力状态和应力集中而产生脆性倾向，降低了机件的使用安全性。为了评定不同金属材料的缺口变脆倾向，必须采用缺口试样进行静载力学性能试验。,2022/12/21,9,1,6、试综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏斜拉 伸试验的特点。,光滑试样轴向拉伸试验：截面上无应力集中现象，应力分布均匀，仅在紧缩时发生应力状态改变。 缺口试样轴向拉伸试验：缺口截面上出现应力集中现象，应力分布不均，应力状态发生变化，产生两向或三向拉应力状态，致使材料的应力状态软性系数降低，脆性增大。 偏斜拉伸试验：试样同时承受拉伸和弯曲载荷的复合作用，其应力状态更“硬”，缺口截面上的应力分布更不均匀，更能显示材料对缺口的敏感性。,偏斜拉伸试验：在拉伸试验时在试样与试验机夹头之间放一垫圈，使试样的轴线与拉伸力形成一定角度进行拉伸。该试验用于检测螺栓一类机件的安全使用性能。,2022/12/21,10,1,8、有如下和材料需要测定硬度，试说明选用何种硬度试样方法 为宜。,硬度测量方法： 弹性回跳法硬度值主要表征金属弹性变形功的大小。 划痕法主要表征金属的切断强度。 压入法表征金属塑性变形抗力及应变硬化能力。,压入法的2，几乎所有的金属都能产生塑性变形，因此该方法不仅可以测定塑性金属材料的硬度，而且还可以测定淬火钢、硬质合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。,2022/12/21,11,1,布氏硬度（HBW）测试由于压痕面积大，适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度。,洛氏硬度（HR）测试压力大，压痕小，采用不同的标尺可测定各种软硬不同的金属和厚薄不一的工件硬度。如渗碳钢、渗氮钢、极薄钢板、刃刀、零件边沿部分、表面镀层、低碳钢、铜合金、铝合金薄板等。,维氏硬度（HV）测试试验力可以任意选取，压痕测量精度较高，硬度值较为精确，常用来测定金属箔、极薄表面层的硬度以及合金中各种组成相的硬度。,努氏硬度（HK）试验压痕细长，只测量对角线的长度，精度较高。对于表面淬硬层或渗层，镀层等薄层区域以及渗层截面上的硬度分布较为方便。,肖氏硬度（HS）试验原理是将一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落在金属试样表面上，根据回跳的高度来表征金属硬度值的大小。肖氏硬度计为手提式，使用方便，可在现场测量大型工件的硬度。,2022/12/21,12,1,布氏硬度：灰铸铁、退火低碳钢洛氏硬度：淬火钢、渗氮层、高速工具钢、硬质合金。维氏硬度：渗碳层硬度分布、鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体、仪表小 黄铜齿轮。肖氏硬度：龙门刨床导轨、,2022/12/21,13,1,第三章习题解答金属在冲击载荷下的力学性能,2022/12/21,14,1,4. 试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。,低温脆性的物理本质：宏观上对于那些有低温脆性现象的材料，它们的屈服强度会随温度的降低急剧增加，而断裂强度随温度的降低而变化不大。当温度降低到某一温度时，屈服强度增大到高于断裂强度时，在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大，因此材料在受力时还未发生屈服便断裂了，材料显示脆性。 从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关，当温度降低时，位错运动阻力增大，原子热激活能力下降，因此材料屈服强度增加。,影响材料低温脆性的因素有：1晶体结构：对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高，材 料脆性断裂趋势明显，塑性差。2化学成分：能够使材料硬度，强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料 塑性和韧性变差，材料脆性提高。3显微组织：晶粒大小，细化晶粒可以同时提高材料的强度和塑韧性。因为 晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒细小，晶界总面积增加，晶界处塞积的位错,2022/12/21,15,1,数减少，有利于降低应力集中；同时晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆 性断裂。 金相组织（P64）4温度：温度影响晶体中存在的杂质原子的热激活扩散过程，钉扎位错原子气 团的形成会使得材料塑性变差。5. 应力状态的影响：切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低，则 不易产生脆性断裂。6加载速度的影响：提高加载速度如同降低材料的温度，使得材料塑性变差， 脆化温度升高。7试样形状以及尺寸的影响：缺口曲率半径越小，则韧脆转变温度越高；试样 尺寸宽度或厚度增加时，韧脆转变温度升高。,2022/12/21,16,1,5. 试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。,焊接容易在焊缝处形成粗大金相组织气孔、夹渣、未熔合、未焊透、错边、咬边等缺陷，增加裂纹敏感度，增加材料的脆性，容易发生脆性断裂。,7. 试从宏观上和微观上解释为什么有些材料有明显的韧脆转变温 度，而另外一些材料则没有？,宏观上，体心立方中、低强度结构钢随温度的降低冲击功急剧下降，具有明显的韧脆转变温度。而高强度结构钢在很宽的温度范围内，冲击功都很低，没有明显的韧脆转变温度。面心立方金属及其合金一般没有韧脆转变现象。 微观上，体心立方金属中位错运动的阻力对温度变化非常敏感，位错运动阻力随温度下降而增加，在低温下，该材料处于脆性状态。而面心立方金属因位错宽度比较大，对温度不敏感，故一般不显示低温脆性。 体心立方金属的低温脆性还可能与迟屈服现象有关，对低碳钢施加一高速到高于屈服强度时，材料并不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期（称为迟屈时间）才开始塑性变形，这种现象称为迟屈服现象。由于材料在孕育期中只产生弹性变形，没有塑性变形消耗能量，所以有利于裂纹扩展，往往表现为脆性破坏。,2022/12/21,17,1,7. 简述根据韧脆转变温度分析机件脆断失效的优缺点。,焊接容易在焊缝处形成粗大金相组织气孔、夹渣、未熔合、未焊透、错边、咬边等缺陷，增加裂纹敏感度，增加材料的脆性，容易发生脆性断裂。,2022/12/21,18,1,第四章习题解答金属的断裂韧度,2022/12/21,19,1,1、名词解释,（1）低应力脆断：为了防止断裂失效，传统的力学强度理论是根据材料的屈服强度，用强度储备的方法确定机件的工作应力，然后再考虑机件的一些结构特点及环境温度的影响，根据材料使用经验，对塑性、韧度、及缺口敏感度提出附加要求来对机件进行设计，按理不会发生塑性变形和断裂，是安全可靠的。但是，一些高强度、超高强度钢的机件，中低强度钢 的大型、中型机件却经常在屈服应力以下发生断裂，这便是低应力脆断。,（2）张开型（型）裂纹：根据外加应力与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展有三种形式。其中拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展，这便是张开型（型）裂纹,2022/12/21,20,1,（4）应力场强度因子KI：在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚与强度因子KI有关，对于某一确定的点，其应力分量由KI确定， KI越大，则应力场各点应力分量也越大，这样KI就可以表示应力场的强弱程度，称KI为应力场强度因子。 “I”表示I型裂纹。同样可用KK表示型型裂纹的应力场强度因子。,（5）小范围屈服：金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近总要先出现一个或大或小的塑性变形区，如果塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸小一个数量级以上时，这就称为小范围屈服。,（9）裂纹扩展K判据：在线弹性断裂力学分析裂纹扩展时，采用应力应变方法，考虑裂纹尖端附近 的应力场强度，则得到相应的K判据。表达式为：,2022/12/21,21,1,（10）裂纹扩展能量释放率GI：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，并用G表示，对于型裂纹用GI表示。表达式为：,GI的物理意义为使裂纹扩展单位长度的原动力，所以又称为裂纹扩展力，表示裂纹扩展单位长度所需要的力。,（15）COD判据：即裂纹张开位移判据，裂纹张开位移用表示，判据表达式为：,c为裂纹开裂点位移，当 时，裂纹便开始扩展。,2022/12/21,22,1,3、试述低应力脆断的原因及防止方法。,低应力脆断的原因是在材料的生产、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。,4、为什么研究裂纹扩展的力学条件时不用应力判据而用其它 判据？,由41可知，裂纹前端的应力是一个变化复杂的多向应力，如用它直接建立裂纹扩展的应力判据，显得十分复杂和困难；而且当r0时，不论外加平均应力如何小，裂纹尖端各应力分量均趋于无限大，构件就失去了承载能力，也就是说，只要构件一有裂纹就会破坏，这显然与实际情况不符。这说明经典的强度理论单纯用应力大小来判断受载的裂纹体是否破坏是不正确的。因此无法用应力判据处理这一问题。因此只能用其它判据来解决这一问题。,2022/12/21,23,1,6、试述K判据的意义及用途。,K判据解决了经典的强度理论不能解决存在宏观裂纹为什么会产生低应力脆断的原因。 K判据在工程具有重要的实际意义，它将材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来，可以直接用于设计计算，估算裂纹体的最大承受能力、允许的裂纹最大尺寸，以及用于正确选择机件材料、优化工艺等。,7、试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。,机件上由于存在裂纹，在裂纹尖端处产生应力集中，当y趋于材料的屈服应力时，在裂纹尖端处便开始屈服产生塑性变形，从而形成塑性区。 影响塑性区大小的因素有：裂纹在厚板中所处的位置，板中心处于平面应变状态，塑性区较小；板表面处于平面应力状态，塑性区较大。但是无论平面应力或平面应变，塑性区宽度总是与（KIC/s)2成正比。,2022/12/21,24,1,8、试述塑性区对KI的影响及KI的修正方法和结果。,由于裂纹尖端塑性区的存在将会降低裂纹体的刚度，相当于裂纹长度的增加，因而影响应力场和及KI的计算，所以要对KI进行修正。 最简单而适用的修正方法是在计算KI时采用“有效裂纹尺寸”，即以虚拟有效裂纹代替实际裂纹，然后用线弹性理论所得的公式进行计算。基本思路是：塑性区松弛弹性应力的作用于裂纹长度增加松弛弹性应力的作用是等同的，从而引入“有效长度”的概念，它实际包括裂纹长度和塑性区松弛应力的作用。,（415）的计算结果忽略了在塑性区内应变能释放率与弹性体应变能释放率的差别，因此，只是近似结果。当塑性区小时，或塑性区周围为广大的弹性去所包围时，这种结果还是很精确。但是当塑性区较大时，即属于大范围屈服或整体屈服时，这个结果是不适用的。,