材料力学第10章 构件的疲劳强度[精]
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第一章 单向静拉伸力学性能1、 解释下列名词。
2.滞弹性:金属材料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,也就是应变落后于应力的现象。
3.循环韧性:金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
4.包申格效应: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。
11.韧脆转变:具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时,冲击吸收功明显下降,断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂,这种现象称为韧脆转变2、 说明下列力学性能指标的意义。
答:E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 【P15】3、 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。
【P4】4、 现有45、40Cr 、35 CrMo 钢和灰铸铁几种材料,你选择哪种材料作为机床起身,为什么?选灰铸铁,因为其含碳量搞,有良好的吸震减震作用,并且机床床身一般结构简单,对精度要求不高,使用灰铸铁可降低成本,提高生产效率。
5、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。
为什么脆性断裂最危险?【P21】答: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。
6、 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。
五种传动轴的静强度、变形及疲劳强度的计算目录设计目的 (2)设计任务及要求 (2)设计题目 (3)传动轴受力简图 (5)弯矩扭矩图 (6)设计等轴的直径 (9)计算齿轮处轴的挠度 (10)阶梯传动轴进行疲劳强度计算 (12)数据说明 (17)设计感想 (17)附:程序计算结果截图,计算机程序设计材料力学课程设计的目的本课程设计是在系统学完材料力学课程之后,结合工程实际中的问题,运用材料力学的基本理论和计算方法,独立地计算工程中的典型零部件,以达到综合运用材料力学知识解决工程实际问题的目的。
同时,可以使学生将材料力学的理论和现代计算方法及手段溶为一体,即从整体上掌握了基本理论和现代的计算方法,又提高了分析问题,解决问题的能力;即是对以前所学知识(高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等)的综合运用,又为后续课程(机械设计、专业课等)的学习打下基础,并初步掌握工程设计思想和设计方法,使实际工作能力有所提高。
具体有以下六项:1. 使所学的材料力学知识系统化、完整化。
2. 在系统全面复习的基础上,运用材料力学知识解决工程实际中的问题。
3. 由于选题力求结合专业实际,因而课程设计可以把材料力学知识与专业需求结合起来。
4. 综合运用以前所学的各门课程的知识(高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等),使相关学科的知识有机地联系起来。
5. 初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法。
6. 为后续课程的教学打下基础。
材料力学课程设计的任务和要求参加设计者要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法,独立分析、判断设计题目的已知条件和所求问题,画出受力分析计算简图和内力图,理出理论依据并导出计算公式,独立编制计算程序,通过计算机给出计算结果,并完成设计计算说明书。
一、设计计算说明书的要求设计计算说明书是该题目设计思想、设计方法和设计结果的说明,要求书写工整,语言简练,条理清晰、明确,表达完整。
工程材料力学性能各个章节主要复习知识点第一章弹性比功:又称弹性比能,应变比能,表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
滞弹性:对材料在弹性范围内快速加载或卸载后随时间延长附加弹性应变的现象。
包申格效应:金属材料经预先加载产生少量塑性变形(残余应变为1%~4%),卸载后再同向加载,规定残余伸长应力(弹性极限或屈服极限)增加,反向加载,规定残余伸长应力降低的现象。
塑性:指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。
脆性:材料在外力作用下(如拉伸,冲击等)仅产生很小的变形及断裂破坏的性质。
韧性:是金属材料断裂前洗手塑性变形功和断裂功的能力,也指材料抵抗裂纹扩展的能力。
应力、应变;真应力,真应变概念。
穿晶断裂和沿晶断裂:多晶体材料断裂时,裂纹扩展的路径可能不同,穿晶断裂穿过晶内;沿晶断裂沿晶界扩展。
拉伸断口形貌特征?①韧性断裂:断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45度角。
用肉眼或放大镜观察时,断口呈纤维状,灰暗色。
纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的,而灰暗色则是纤维断口便面对光反射能力很弱所致。
其断口宏观呈杯锥形,由纤维区、放射区、和剪切唇区三个区域组成。
②脆性断裂: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。
板状矩形拉伸试样断口呈人字形花样。
人字形花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行,但其尖端指向裂纹源。
韧、脆性断裂区别?韧性断裂产生前会有明显的塑性变形,过程比较缓慢;脆性断裂则不会有明显的塑性变形产生,突然发生,难以发现征兆拉伸断口三要素?纤维区,放射区和剪切唇。
缺口试样静拉伸试验种类?轴向拉伸、偏斜拉伸材料失效有哪几种形式?磨损、腐蚀和断裂是材料的三种主要失效方式。
材料的形变强化规律是什么?层错能越低,n越大,形变强化增强效果越大退火态金属增强效果比冷加工态是好,且随金属强度等级降低而增加。
在某些合金中,增强效果随合金元素含量的增加而下降。
材料的晶粒变粗,增强效果提高。
第二章应力状态软性系数:材料某一应力状态,τmax和σmax的比值表示他们的相对大小,成为应力状态软性系数,比为α,α=τmaxσmax缺口敏感度:缺口试样的抗拉强度σbn 与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值表示缺口敏感度,即为NSR=σbnσb第三章低温脆性:在实验温度低于某一温度t2时,会由韧性状态变为脆性状态,冲击吸收功明显降低,断裂机理由微孔聚集性变为穿晶解理型,断口特征由纤维状变为结晶状,这就是低温脆性。
讲解—材料的疲劳性能材料的疲劳性能⼀.本章的教学⽬的与要求本章主要介绍材料的疲劳性能,要求学⽣掌握疲劳破坏的定义和特点,疲劳断⼝的宏观特征,⾦属以及⾮⾦属材料疲劳破坏的机理,各种疲劳抗⼒指标,例如疲劳强度,过载持久值,疲劳缺⼝敏感度,疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值,影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素,⽬的是为疲劳强度设计和选⽤材料建⽴基本思路。
⼆.教学重点与难点1. 疲劳破坏的⼀般规律(重点)2.⾦属材料疲劳破坏机理(难点)3. 疲劳抗⼒指标(重点)4.影响材料及机件疲劳强度的因素(重点)5热疲劳(难点)三.主要外语词汇疲劳强度:fatigue strength 断⼝:fracture 过载持久值:overload of lasting value疲劳缺⼝敏感度:fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率:fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值:threshold of crack propagation 热疲劳:thermal fatigue四. 参考⽂献1.张帆,周伟敏.材料性能学.上海:上海交通⼤学出版社,20092.束德林.⾦属⼒学性能.北京:机械⼯业出版社,19953.⽯德珂,⾦志浩等.材料⼒学性能.西安:西安交通⼤学出版社,19964.郑修麟.材料的⼒学性能.西安:西北⼯业⼤学出版社,19945.姜伟之,赵时熙等.⼯程材料⼒学性能.北京:北京航空航天⼤学出版社,19916.朱有利等.某型车辆扭⼒轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵⼯程学院学报,2010,24(5):78-81五.授课内容第五章材料的疲劳性能第⼀节疲劳破坏的⼀般规律1、疲劳的定义材料在变动载荷和应变的长期作⽤下,因累积损伤⽽引起的断裂现象,称为疲劳。
2、变动载荷指⼤⼩或⽅向随着时间变化的载荷。
变动应⼒:变动载荷在单位⾯积上的平均值分为:规则周期变动应⼒和⽆规则随机变动应⼒3、循环载荷(应⼒)的表征①最⼤循环应⼒:σmax②最⼩循环应⼒:σmin③平均应⼒:σm=(σmax+σmin)/2④应⼒幅σa或应⼒范围Δσ:Δσ=σmax-σminσa=Δσ/2=(σmax-σmin)/2 ⑤应⼒⽐(或称循环应⼒特征系数):r=σmin/σmax5、循环应⼒分类按平均应⼒、应⼒幅、应⼒⽐的不同,循环应⼒分为①对称循环σm=(σmax+ σmin)/2=0 r=-1属于此类的有:⼤多数旋转轴类零件。
第10章 疲劳强度的概念思考题10-1 什么是交变应力?举例说明。
答 随时间作周期性变化的应力称交变应力。
如下图所示的圆轴以角速度ω匀速转动,轴上一点A 的位置随时间变化,从A 到A ′,再到A ′′,再到A ′′′,又到A 处,如此循环往复。
轴上该点的正应力A σ也从0到,再到0,再到,又到0,产生拉压应力循环。
该点的应力即为交变应力。
+max σ−max σ10-2 疲劳失效有何特点?疲劳失效与静载失效有什么区别?疲劳失效时其断口分成几个区域?是如何形成的?答 (1)疲劳失效时的应力σ远低于危险应力u σ(静载荷下的强度指标);需要经过一定的应力循环次数;构件(即使是塑性很好的材料)破坏前和破坏时无显著的塑性变形,呈现脆性断裂破坏特征。
(2)疲劳失效的最大工作应力σ远低于危险应力u σ;静载失效的最大工作应力σ为危险应力u σ。
(3)疲劳失效时其断口分成2个区域:光滑区域和颗粒状粗糙区域。
(4)构件在微观上,其内部组织是不均匀的。
在足够大的交变应力下,金属中受力较大或强度较弱的晶粒与晶界上将出现滑移带。
随着应力变化次数的增加,滑移加剧,滑移带开裂形成微观裂纹,简称“微裂纹”。
另外,构件内部初始缺陷或表面刻痕以及应力集中处,都可能最先产生微裂纹。
这些微裂纹便是疲劳失效的起源,简称“疲劳源”。
微裂纹随着应力交变次数的继续增加而不断扩展,形成了裸眼可见的宏观裂纹。
在裂纹的扩展过程中,由于应力交替变化,裂纹两表面的材料时而互相挤压、时而分离,这样就形成了断口表面的光滑区。
宏观裂纹继续扩展,致使构件的承载截面不断被削弱,类似在构件上形成尖锐的“切口”。
这种切口造成的应力集中,使局部区域内的应力达到很大数值。
最终在较低的应力水平下,由于累积损伤,致使构件在某一次载荷作用时突然断裂。
断口表面的颗粒状区域就是这种突然断裂造成的,所以疲劳失效的过程可以理解为裂纹产生、扩展直至构件断裂的一个过程。
10-3 什么是对称循环?什么是脉冲循环? 答 对称循环是指最大应力与最小应力大小相等,正负号相反的应力循环。
一、单选题共30道试题;共60分..1. 厚壁玻璃杯倒入开水发生破裂时;裂纹起始于A. 内壁B. 外壁C. 壁厚的中间D. 整个壁厚正确答案:B 满分:2 分2.图示结构中;AB杆将发生的变形为A. 弯曲变形B. 拉压变形C. 弯曲与压缩的组合变形D. 弯曲与拉伸的组合变形正确答案:D 满分:2 分3. 关于单元体的定义;下列提法中正确的是A. 单元体的三维尺寸必须是微小的B. 单元体是平行六面体C. 单元体必须是正方体D. 单元体必须有一对横截面正确答案:A 满分:2 分4. 梁在某一段内作用有向下的分布力时;则在该段内M图是一条A. 上凸曲线;B. 下凸曲线;C. 带有拐点的曲线;D. 斜直线正确答案:A 满分:2 分5. 在相同的交变载荷作用下;构件的横向尺寸增大;其 ..A. 工作应力减小;持久极限提高B. 工作应力增大;持久极限降低;C. 工作应力增大;持久极限提高;D. 工作应力减小;持久极限降低..正确答案:D 满分:2 分6. 在以下措施中将会降低构件的持久极限A. 增加构件表面光洁度B. 增加构件表面硬度C. 加大构件的几何尺寸D. 减缓构件的应力集中正确答案:C 满分:2 分7. 材料的持久极限与试件的无关A. 材料;B. 变形形式;C. 循环特征;D. 最大应力..正确答案:D 满分:2 分8. 梁在集中力作用的截面处;它的内力图为A. Q图有突变; M图光滑连续;B. Q图有突变;M图有转折;C. M图有突变;Q图光滑连续;D. M图有突变;Q图有转折..正确答案:B 满分:2 分9.空心圆轴的外径为D;内径为d;α= d / D..其抗扭截面系数为A B CDA. AB. BC. CD. D正确答案:D 满分:2 分10. 在对称循环的交变应力作用下;构件的疲劳强度条件为公式:;若按非对称循环的构件的疲劳强度条件进行了疲劳强度条件校核;则A. 是偏于安全的;B. 是偏于不安全的;C. 是等价的;即非对称循环的构件的疲劳强度条件式也可以用来校核对称循环下的构件疲劳强度D. 不能说明问题;必须按对称循环情况重新校核正确答案:C 满分:2 分11. 关于单元体的定义;下列提法中正确的是A. 单元体的三维尺寸必须是微小的;B. 单元体是平行六面体;C. 单元体必须是正方体;D. 单元体必须有一对横截面..正确答案:A 满分:2 分12. 关于理论应力集中系数α和有效应力集中系数Kσ有以下四个结论..其中是正确的A. α与材料性质无关系;Kσ与材料性质有关系;B. α与材料性质有关系;Kσ与材料性质无关系;C. α和Kσ均与材料性质有关系;D. α和Kσ均与材料性质无关系..正确答案:A 满分:2 分13. 梁发生平面弯曲时;其横截面绕旋转A. 梁的轴线B. 截面对称轴。
绪论单元测试1【单选题】(20分)根据各项同性假设可认为下列各量中的某一量在各方面都相同的是()。
A.材料的弹性模量B.应力C.位移D.应变2【单选题】(20分)均匀性假设认为,材料内部各点的()是相同的。
A.应力B.位移C.应变D.力学性质3【单选题】(20分)根据小变形条件,可以认为()。
A.构件不破坏B.构件不变形C.构件仅发生弹性变形D.构件的变形远小于原始尺寸4【判断题】(20分)压强是构件表面的正应力。
()A.对B.错5【单选题】(20分)在下列三种力(a、支反力;b、自重;c、惯性力)中,()属于外力。
A.全部B.a和cC.b和cD.a和b第一章测试1【判断题】(20分)截面法求解内力时,只能取做左半部分求解。
()A.错B.对2【单选题】(20分)在下列因素中,梁的内力图通常与()有关。
A.横截面面积B.梁的材料C.横截面形状D.载荷作用位置3【单选题】(20分)下列描述内力或外力的说法中,正确的是()。
A.内力的单位是N或kNB.内力随外力的增大而增大C.内力与外力无关D.内力沿杆轴是不变的4【单选题】(20分)静定杆件的内力与其所在的截面的()可能有关。
A.位置B.形状C.材料D.大小5【判断题】(20分)内力分析方法采用截面法。
()A.对B.错第二章测试1【单选题】(20分)某轴的轴力沿杆轴是变化的,则在发生破坏的截面上()。
A.轴力一定最大,且面积一定最小B.外力一定最大,且面积一定最小C.轴力和面积之比一定最大D.轴力不一定最大,但面积一定最小2【单选题】(20分)拉压杆横截面上的正应力公式σ=N/A的主要应用条件是()。
A.杆必须是实心截面直杆B.轴力沿杆轴为常数C.应力在比例极限以内D.外力合力作用线必须重合于杆的轴线3【单选题】(20分)推导拉压杆横截面上正应力公式σ=N/A时,研究杆件的变形规律是为了确定()。
A.杆件变形是否是弹性的B.杆件变形的大小不一C.应力在横截面上的分布规律D.轴力与外力的关系4【单选题】(20分)下图中,若将力P从B截面平移至C截面,则只有()不改变。