2022年力学性能复习题 .pdf

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1、（一）1. 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。2. 决定金属屈服强度的因素有哪些？答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。外在因素：温度、应变速率和应力状态。3. 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：断口特征三要素：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。上述断口三区域的形态、大

2、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。4.是根据下述方程（id1/2+ky）ky=2Gsq 试述下述因素对金属材料对金属材料韧脆转变的影响：（ 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。（二）1. 试说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理，并比较布氏、洛氏与维氏硬度试验方法的优缺点。答：原理布氏硬度：用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位面积所承受的试验力。洛氏硬度：采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度。维氏硬度：以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头，计算单位面积所承受的试验

3、力。布氏硬度优点： 实验时一般采用直径较大的压头球，因而所得的压痕面积比较大。压痕大的一个优点是其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相得平均性能；另一个优点是实验数据稳定，重复性强。缺点：对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，因而用于自动检测时受到限制。洛氏硬度优点：操作简便，迅捷，硬度值可直接读出；压痕较小，可在工件上进行试验；采用不同标尺可测量各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度，因而广泛用于热处理质量检测。缺点：压痕较小，代表性差；若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差， 分散度大； 此外用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较

4、。维氏硬度优点：不存在布氏硬度试验时要求试验力F 与压头直径D 之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端；维氏硬度试验时不仅试验力可以任意取，而且压痕测量的精度较高，硬度值较为准确。缺点：硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低的多。2. 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。答：单向拉伸：单向拉伸的应力状态较硬，一般用于塑性变形抗力与切断强度较低得所谓塑性材料试验。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 6 页压缩试验：（ 1）单向

5、压缩的应力状态软性系数a=2，因此，压缩试验主要用于脆性材料，以显示其在静拉伸时缩不能反映的材料在韧性状态下的力学行为。（2） 压缩与拉伸受力方向不仅相反，且两种试验所得的载荷变形曲线、塑性及断裂形态也存在较大的差别，特别是压缩不能使塑性材料断裂，故塑性材料一般不采用压缩方法试验。（3） 多向不等压缩试验的应力软性系数a2，故此方法适用于脆性更大的材料，它可以反映此类材料的微小塑性差异。此外接触表面处承受多向压缩的机件，也可以采用多向压缩试验，使试验条件与试验服役条件更接近。弯曲试验：（ 1） 弯曲加载时受拉的一侧应力状态基本上与静拉伸时相同，且不存在如拉伸时的所谓试样偏斜对试样结果的影响。因

6、此弯曲试验常用于测定那些由于太硬难于加工成拉伸试样的脆性材料的断裂强度，并能显示出它们的塑性差别。（2） 弯曲试验时， 截面上的应力分布也是表面上应力最大，故可灵敏的反映材料的表面缺陷，因此，常用来比较和评定材料表面处理层的质量。（3） 由弯曲图可以看出弯曲试验不能使这些材料断裂，在这种情况下虽可以测定非比例弯曲应力，但实际上很少使用。扭转试验：（1） 扭转试验中扭转的应力状态软性系数=0.8，比拉伸时的 大，易于显示金属的塑性行为。圆柱形试件扭转时整个长度上的塑性变形是均匀的，没有紧缩现象，所以能实现大塑性变形量下的试验。（2） 扭转试验时， 试件截面上应力应变分布表明，该实验对金属表面缺陷

7、及表面硬化层的性能有很大的敏感度。扭转时试件中的最大正应力一最大切应力在数值上大体相等， 而生产上所使用的大部分金属材料的正断强度大于切断强度，所以，扭转试验是测定这些材料切断强度最可靠的方法。（3） 扭转试验时， 试件受到较大的切应力，而且还被广泛的用于研究有关初始塑性变形的非同时性问题，如弹性后效、 弹性滞后以及内耗等。扭转试验可用于测定塑性材料和脆性材料的剪切变形和断裂的全部力学性能指标，并且还有着其他力学性能试验方法所无法比拟的优点，因此，在科研及生产检验中得到广泛运用。（三）1. 试说明低温脆性的物理本质及其影响因素答：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

8、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。影响因素：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。

9、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： 较低强度水平时强度相等而组织不同的钢，冲击吸收功和韧脆转变温度以马氏体高温回火最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 6 页钢中夹杂物、 碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，当其尺寸增大时均使材料韧性下降，韧脆转变温度升高。（四）1. 试述低应力脆断的原因和防止方法。答：产生原因：机件存在宏观裂纹防止方法：应用断裂判据，在给定裂

10、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。2. 试述 K判据的意义及用途。答：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，可直接用于设计计算，估算裂纹体的最大承载能力、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。3. 试述塑性区对 KI 的影响及 KI 的修正方法和结果。答：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

11、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。4-15 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。4. 有一大形板件，材料的0.2=1200MPa ，KIC=115MPa*m1/2

12、 ，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=900MPa 根据 /0.2的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否休要修正因为 /0.2=900/1200=0.750.7 ，所以裂纹断裂韧度KIC需要修正对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI 为：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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结

13、- - - - - - -第 3 页，共 6 页5. 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 =1，测试材料的0.2=720MPa ，是估算材料的断裂韧度KIC为多少？6.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页（五）1. 试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程。答：典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域疲劳源、疲劳区及瞬断区。（1） 疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，疲劳源区的光亮度最大，因为这里在整个裂纹亚稳扩展过程中断面不断摩

14、擦挤压，故显示光亮平滑，另疲劳源的贝纹线细小。（2） 疲劳区的疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，是判断疲劳断裂的重要特征证据。特征是： 断口比较光滑并分布有贝纹线。断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。 贝纹线是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动与停歇，偶然过载引起的载荷变动，使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。（3） 瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。其断口比疲劳区粗糙，脆性材料为结晶状断口，韧性材料为纤维状断口。2. 试述金属疲劳断裂的特点3. 试述疲劳微观断口的主要特征及其形成模型答：断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称疲劳条带 （疲劳条纹、 疲

15、劳辉纹） 。疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征。滑移系多的面心立方金属，其疲劳条带明显；滑移系少或组织复杂的金属，其疲劳条带短窄而紊乱。疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型(Laird 模型 )：图(a)，在交变应力为零时裂纹闭合。图(b)，受拉应力时，裂纹张开，在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移。图(c)，裂纹张开至最大，塑性变形区扩大，裂纹尖端张开呈半圆形，裂纹停止扩展。由于塑性变形裂纹尖端的应力集中减小，裂纹停止扩展的过程称为“塑性钝化”。图(d)，当应力变为压缩应力时，滑移方向也改变了，裂纹尖端被压弯成“耳状”切口。图(e)，到压缩应力为最大值时，裂纹完全闭合，裂纹尖端又由钝变锐，形成一对尖角。

16、（六）1. 试述金属产生应力腐蚀的条件和机理。答：条件：应力，化学介质，金属材料三者共存机理： 1、对应力腐蚀敏感的合金在特定的化学介质中，首先在表面形成一层钝化膜，使金属不致进一步受到腐蚀，即处于钝化状态。2、在拉应力作用下，使裂纹尖端地区产生局部塑性变形，滑移台阶在表面露头时钝化膜破裂，显露出新鲜表面。3、露出的新鲜表面在电解质溶液中成阳极，而其余具有钝化膜的金属表面为阴极，从而形成腐蚀微电池，阳极金属变成正离子进入电解质中而产生阳极溶解，于是在金属表面形成蚀坑。4、拉应力在蚀坑或原有裂纹尖端形成应力集中，使阳极电位降低，加速阳极金属的溶解，如果裂纹尖端的应力集中始终存在，那么微电池反应不

17、断进行，钝化膜不能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 6 页2. 何为氢致延滞断裂？为什么高强度钢的氢致研滞断裂是在一定的应变速率下和一定的温度范围内出现？答：高强度钢中固溶一定量的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，金属内部形成裂纹，发生断裂。- 氢致延滞断裂。因为氢致延滞断裂的机理主要是氢固溶于金属晶格中，产生晶格膨胀畸变，与刃位错交互作用，氢易迁移到位错拉应力处，形成氢气团。 当应变速率较低而温度较高时，氢气团能跟得上位错运动，但滞后位错一定距离。因此， 气团对位错起 “钉

18、扎” 作用，产生局部硬化。当位错运动受阻，产生位错塞积，氢气团易于在塞积处聚集，产生应力集中，导致微裂纹。若应变速率过高以及温度低的情况下，氢气团不能跟上位错运动，便不能产生 “钉扎” 作用，也不可能在位错塞积处聚集，产生应力集中，导致微裂纹。所以氢致延滞断裂是在一定的应变速率下和一定的温度范围内出现的。（七）1. 试比较三类磨粒磨损的异同，并讨论加工硬化对他们的影响。（八）1. 试分析晶粒大小对金属材料高温力学性能的影响当使用温度低于等强温度时，细晶钢有较高的强度；当使用温度高于等强温度时，粗晶钢有较高的蠕变极限和持久强度极限。但晶粒太大会降低材料的塑性和韧度晶粒度要均匀，否则在大小晶粒交界处易产生应力集中而形成裂纹。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页