材料性能学课后习题与解答概述

内容发布更新时间 : 2024/12/25 0:06:36星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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冲击吸收功:冲击弯曲试验中,试样变形和断裂所吸收的功。 低温脆性:当试验温度低于某一温度时,材料由韧性状态转变

为脆性状态。

韧脆转变温度:材料在某一温度t下由韧变脆,冲击功明显下

降。该温度即韧脆转变温度。

迟屈服:用高于材料屈服极限的载荷以高加载速度作用于体心

立方结构材料时,瞬间并不屈服,需在该应力下保持一段时间后才屈服的现象。

2、简答

1) 缺口冲击韧性实验能评定哪些材料的低温脆性?哪些材料不能用此方法检验和评定?[提示:低中强度的体心立方金属、Zn等对温度敏感的材料,高强度钢、铝合金以及面心立方金属、陶瓷材料等不能]

解:缺口冲击韧性实验能评定中、低强度机构钢的低温脆性。面心

立方金属及合金如氏体钢和铝合金不能用此方法检验和评定。 解:○1晶体结构,体心立方存在低温脆性,面心立方及其合金一

般不存在低温脆性。○2化学成分,间隙溶质原子含量增加,韧脆转变温度提高。○3显微组织,细化晶粒课是材料韧性增加。金相组织也有影响,低强度水平时,组织不同的刚,索氏体最佳。○4温度,在某一范围内碳钢和某些合金可能出现蓝脆。○5加载速率,提高加载速率韧脆转变温度提高。6试样形状和尺寸,缺口曲率半径越小,韧脆转变温度越○高。

2) 影响材料低温脆性的因素有哪些?

3、计算:

某低碳钢的摆锤系列冲击实验列于下表,

温度冲击功(J) 温度(℃) 冲击功(℃) (J) 60 75 10 40

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40 75 0 35 70 -20 25 60 -50 试计算: a. 绘制冲击功-温度关系曲线;

冲击吸收功—温度曲线80706050Ak20 5 1 403020100-6-5-4-3-2-1010203040506070000000t/℃

K

b. 试确定韧脆转变温度;

解:有A—t图知,NDT??20℃ FTP=40℃

c. 要为汽车减震器选择一种钢,它在-10℃时所需的最小冲击功为10J,问此种钢适合此项应用么?

解:

c:此种钢不适合。

1、名词解释:

应力场强度因子 断裂韧度 低应力脆断

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第四章 断裂韧性

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解:

应力场强度因子:反映裂纹尖端应力场强度的参量。

断裂韧度:当应力场强度因子增大到一临界值,带裂纹的材料发

生断裂,该临界值称为断裂韧性。

低应力脆断:在材料存在宏观裂纹时,在应力水平不高,甚至低

于屈服极限时材料发生脆性断裂的现象。

2、简答

a. 格里菲斯公式计算的断裂强度和理论断裂强度差异?奥罗万修正计算适用范围?

解:理论强度?m?E?s/a0 格里菲斯断裂强度?g?2E?s/?a

??g/?m?2E?s/?a/E?s/a0?a0/a

奥罗万修正计算适用平面应力状态和平面应变状态。

b. Kl和KlC的异同?

解:KI是力学度量,它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化,也

和裂纹的形状类型,以及加载方式有关,但它和材料本身的固有性能无关。而断裂韧性KIC则是反映材料阻止裂纹扩展的能力,因此是材料本身的特性。

c. 断裂韧性的影响因素有哪些?如何提高材料的断裂韧性?

解:○1外因,材料的厚度不同,厚度增大断裂韧性增大,当厚度

增大到一定程度后断裂韧性稳定。温度下降断裂韧性下降,应变速率上升,断裂韧性下降。○2内因。金属材料,能细化晶粒的元素提高断裂韧性;形成金属化合物和析出第二相降低断裂韧性。晶粒尺寸和相结构,面心立方断裂韧性高,奥氏体大于铁素体和马氏体钢。细化晶粒,断裂韧性提高。夹杂和第二相,脆性夹杂和第二相降低断裂韧性,韧性第二相提高断裂韧性。

提高材料的断裂韧性可以通过○1亚温淬火○2超高温淬火○3形变热处理等方法实现。

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3、计算:

a. 有一材料,模量E=200GPa, 单位面积的表面能γS=8 J/m2, 试计算在70MPa的拉应力作用下,该裂纹的临界裂纹长度?若该材料裂纹尖端的变形塑性功γ

2

=400 J/m,该裂纹的临界裂纹长度又为多少?[利用P

格里菲斯公式和奥罗万修正公式计算]

解:由格里菲斯公式得

2^92^12 ac?2a?2E?s/??2?200?10?8?(70?10)?0.653mm

由奥罗万修正公式得

b. 已知α-Fe的(100)晶面是解理面,其表面能是2 J/m2,杨氏模量E=200 GPa,晶格常数a0=0.25nm,试计算其理论断裂强度? c. 马氏体时效钢的屈服强度是2100MPa,断裂韧度66MPa·m1/2,用这种材料制造飞机起落架,最大设计应力为屈服强度的70%,若可检测到的裂纹长度为2.5mm,试计算其应力强度因子,判断材料的使用安全性。[提示:假设存在的是小的边缘裂纹,采用有限宽板单边直裂纹模型,2b>>a; 若存在的是穿透裂纹,则应用无限大板穿透裂纹模型计算] 解:?m?E?s/a0?200?10^9?2/(0.125?10^?9?56.57GPa

ac?2a?2E(?s??P)/??2?2?2?200?10^9?(8?400)?(702?10^12??)?0.0212m

^6^?3?145.9MPa?m1/2 解:○1KI?1.12??a?1.12?0.7?2100?10???2.5?10 KI?KIC ?不安全 ^6^?3?130.3MPa?m1/2 2KI???a?0.7?2100?10???2.5?10○

KI?KI C ?不安全

1、名词解释:

循环应力 贝纹线 疲劳条带 疲劳强度 过载持久值 热疲劳

解:

循环应力:周期性变化的应力。

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第五章 疲劳性能

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贝文线:疲劳裂纹扩展区留下的海滩状条纹。

疲劳条带:略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样,与裂纹扩展方向

垂直,疲劳断裂时留下的微观痕迹。

疲劳强度:指定疲劳寿命下,材料能够承受的上限循环应力。 过载持久值:材料在高于疲劳强度的一定应力下工作,发生疲劳

断裂的应力循环周次。

热疲劳:机件在由温度循环变化产生的循环热应力及热应变作用

下,发生的疲劳。

2、简答

a. 比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料疲劳断裂的特点?

解:金属材料的裂纹扩展分两个阶段○1沿切应力最大方向向内扩

展○2沿垂直拉应力方向向前扩展。疲劳断口一般由疲劳源、疲劳区、瞬断区组成。有贝文线(宏观)和疲劳条带(微观)。 陶瓷材料裂纹尖端不存在循环应力的疲劳效应,裂纹同样经历

萌生、扩展和瞬断过程。对材料的表面缺陷十分敏感,强烈依赖于KI、环境、成分、组织结构,不易观察到疲劳贝文线和条带,没有明显的疲劳区和瞬断区。 高分子材料在高循环应力作用下出现银纹,银纹转变为裂纹并扩展,导致疲劳破坏。低应力条件下,疲劳应变软化。分子链间剪切滑移产生微孔洞,随后产生宏观裂纹。循环应力作用下温度升高,产生热疲劳失效。

复合材料有多种损伤形式,如界面脱落、分层、纤维断裂等,

不会发生瞬时的疲劳破坏,较大应变会使纤维基体变形不协调引起开裂,形成疲劳源。疲劳性能和纤维取向有关。

b. 疲劳断口宏观断口和微观断口分别有什么特征?

解:宏观断口有三个特征区:疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。

1疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地,多在机件表面常和缺○

口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷有关,比较光亮,表面硬度有所提高,可以是一个也可以是多个。○2疲劳裂纹扩展区断口较光滑并分布有贝文线,有时还有裂纹扩展台阶,断口光

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