第一章材料的断裂和机械强度
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机械工程中的材料强度与断裂研究在机械工程领域中,材料的强度与断裂特性是非常重要的研究课题。
它们直接关系到机械结构的稳定性、可靠性和寿命等方面。
本文将对机械工程中的材料强度与断裂研究进行深入探讨。
首先,我们来介绍关于材料强度的研究。
材料的强度是指材料能够经受的外部负荷而不发生破坏的能力。
在机械工程中,常用的材料强度参数包括屈服强度、抗拉强度和断裂强度等。
屈服强度是指材料发生塑性变形时的应力值,它是材料的弹塑性转变点。
而抗拉强度则是指材料能够承受的最大拉伸应力,它反映了材料的抗拉能力。
断裂强度则是指材料在承受拉伸应力时发生破坏的应力值,它是材料的疲劳极限。
材料的强度受到多种因素的影响,其中最重要的因素之一是材料的微观结构。
不同的晶体结构和晶粒大小对于材料的强度有着显著的影响。
细小的晶粒可以提高材料的屈服强度和拉伸强度,因为晶界阻碍了位错的运动,从而增加了材料的强度。
此外,材料的化学成分也会影响材料的强度。
例如在钢中加入适量的碳元素可以增加其硬度和强度。
除了材料本身的因素之外,加载条件也对材料强度有很大的影响。
在不同的加载条件下,材料的强度参数有所差异。
例如,材料在拉伸和压缩加载下的强度相差很大。
这是由于材料的晶体结构对于不同方向的应力响应有所不同。
其次,我们来探讨关于材料断裂的研究。
材料的断裂特性决定了材料在受力时发生破坏的方式和破坏过程。
常见的材料断裂形式包括脆性断裂和延性断裂。
脆性断裂是指材料在受到加载时迅速破裂的现象,这种破裂往往是不可逆的。
与之相对的是延性断裂,它指的是材料在受到加载时会先发生塑性变形,所以破裂过程比较缓慢,并且具有一定的韧性。
材料的断裂特性与其晶体结构和晶界有着密切的关系。
晶粒形状和尺寸是影响材料断裂形式的重要因素。
细小的晶粒可以增加材料的韧性,因为大量的晶界可以阻止裂纹的扩展。
此外,材料的化学成分和相变也会影响材料的断裂行为。
例如,在某些金属材料中加入适量的合金元素可以改变其晶粒形状,从而提高材料的韧性。
第一章机械零件失效的模式与其机理在设备使用过程中,机械零件由于设计、材料、工艺与装配等各种原因,丧失规定的功能,无法继续工作的现象称为失效。
当机械设备的关键零部件失效时,就意味着设备处于故障状态。
机械零件失效的模式,即失效的外在表现形式,主要表现为磨损、变形、断裂等;而失效机理是指失效的物理、化学、机械等变化的过程和内在原因的实质。
第一节机械零件的磨损通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损五种形式。
一、粘着磨损当构成摩擦副的两个摩擦外表相互接触并发生相对运动时,由于粘着作用,接触外表的材料从一个外表转移到另一个外表所引起的磨损称为粘着磨损。
粘着磨损又称粘附磨损。
二、磨料磨损磨料磨损又称磨粒磨损。
它是当摩擦副的接触外表之间存在着硬质颗粒,或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时,所产生的一种类似金属切削过程的磨损,其特征是在接触面上有明显的切削痕迹。
磨料磨损是十分常见又是危害最严重的一种磨损。
其磨损速率和磨损强度都很大,致使机械设备的使用寿命大大降低,能源和材料大量损耗。
三、疲劳磨损疲劳磨损是摩擦外表材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形,导致产生裂纹和别离出微片或颗粒的一种磨损。
四、腐蚀磨损在摩擦过程中,金属同时与周围介质发生化学反响或电化学反响,引起金属外表的腐蚀产物剥落,这种现象称为腐蚀磨损。
它是在腐蚀现象与机械磨损、粘着磨损、磨料磨损等相结合时才能形成的一种机械化学磨损。
它是一种极为复杂的磨损过程,经常发生在高温或潮湿的环境,更容易发生在有酸、碱、盐等特殊介质条件下。
按腐蚀介质的不同类型,腐蚀磨损可分为氧化磨损和特殊介质下腐蚀磨损两大类。
五、微动磨损两个接触外表由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损叫做微动磨损。
它产生于相对静止的接合零件上,因而往往易被无视。
微动磨损的最大特点是:在外界变动载荷作用下,产生振幅很小〔一般为2-20微米〕的相对运动,由此发生摩擦磨损。
《工程材料及机械制造基础》习题答案齐乐华主编第一章材料的种类与性能(P7)1、金属材料的使用性能包括哪些?力学性能、物理性能、化学性能等。
2、什么是金属的力学性能?它包括那些主要力学指标?金属材料的力学性能:金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。
主要包括:弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
3、一根直径10mm的钢棒,在拉伸断裂时直径变为8.5mm,此钢的抗拉强度为450Mpa,问此棒能承受的最大载荷为多少?断面收缩率是多少?F=35325N ψ=27.75%4、简述洛氏硬度的测试原理。
以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。
5、什么是蠕变和应力松弛?蠕变:金属在长时间恒温、恒应力作用下,发生缓慢塑性变形的现象。
应力松弛:承受弹性变形的零件,在工作过程中总变形量不变,但随时间的延长,工作应力逐渐衰减的现象。
6、金属腐蚀的方式主要有哪几种?金属防腐的方法有哪些?主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。
防腐方法:1)改变金属的化学成分;2)通过覆盖法将金属同腐蚀介质隔离;3)改善腐蚀环境;4)阴极保护法。
第二章材料的组织结构(P26)1、简述金属三种典型结构的特点。
体心立方晶格:晶格属于立方晶系,在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。
每个体心立方晶格的原子数为:2个。
塑性较好。
面心立方晶格:晶格属于立方晶系,在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。
每个面心立方晶格的原子数为:4个。
塑性优于体心立方晶格的金属。
密排六方晶格:晶格属于六方棱柱体,在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子,两个端面的中心各有一个原子,晶胞内部有三个原子。
每个密排六方晶胞原子数为:6个,较脆2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷?它们对性能有什么影响?存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。
使金属抵抗塑性变形的能力提高,从而使金属强度、硬度提高,但防腐蚀能力下降。
3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种?各具备什么特性?存在的形式有固溶体和金属化合物两种。
第一章材料的种类与性能1.强度:强度是指在外力作用下,材料抵抗变形和断裂的能力。
2.屈服强度:材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值。
3.弹性极限:产生的变形是可以恢复的变形的点对应的弹性变形阶段最大应力称为弹性极限。
4.弹性模量:材料在弹性变形范围内的应力与应变的比值称为弹性模量。
5.抗拉强度:抗拉强度是试样拉断前所能承受的最大应力值。
6.塑性:断裂前材料产生的塑性变形的能力称为塑性。
7.硬度:硬度是材料抵抗硬物压入其表面的能力。
8.冲击韧度:冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。
9.断裂韧度:断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力。
10.疲劳强度:疲劳强度是用来表征材料抵抗疲劳的能力。
11.黏着磨损:黏着磨损又称咬合磨损,其实质是接触面在接触压力作用下局部发生黏着,在相对运动时黏着处又分离,使接触面上有小颗粒被拉拽出来,反复进行造成黏着磨损。
12.磨粒磨损:磨粒磨损是当摩擦副一方的硬度比另一方大的多时,或者在接触面之间存在着硬质粒子是所产生的磨损。
13.腐蚀磨损:腐蚀磨损是由于外界环境引起金属表面的腐蚀物剥落,与金属表面之间的机械磨损相结合而出现的磨损。
14.功能材料:是具有某种特殊的物理性能,化学性能,生物性能以及某些功能之间可以相互转化的材料。
15.使用性能:是指在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能,包括材料的力学性能,物理性能,化学性能等。
16.工艺性能:是指材料的可加工性,包括可锻性,铸造性能,焊接性,热处理性能及切削加工性。
17.交变载荷:大小,方向随时间呈周期性变化的载荷作用。
18.疲劳:是机械零件在循环或交变载荷作用下,经过较长时间的工作而发生断裂的现象。
20.蠕变:固体材料在保持应力不变的条件下,应变随时间延长而增加的现象。
21.脆断:在拉应力状态下没有出现塑性变形而突然发生脆性断裂的现象。
22.应力松弛:是指承受弹性应变的零件在工作过程中总变形量保持不变,但随时间的延长,工作应力自行逐渐衰减的现象。
无机材料的脆性断裂与强度脆性断裂是指在受力条件下,无机材料会发生不可逆的破裂现象,而无法发生塑性变形。
与之相对的是韧性断裂,韧性断裂发生在材料能够发生塑性变形的情况下。
无机材料的脆性断裂与强度有密切关系。
强度是指材料抵抗外力的能力,是一个评价材料抗拉、抗压、抗弯等载荷的指标。
脆性材料的强度主要受材料内部微观缺陷和断裂导致的应力集中影响。
下面分三个方面介绍无机材料的脆性断裂与强度的关系。
首先,无机材料的脆性断裂与晶体结构有关。
无机材料的晶体结构决定了材料的原子排列和键合情况,从而影响了材料的力学性能。
晶体结构中的离子键、共价键或金属键不易发生移动,因此无机材料的塑性变形能力较弱。
当材料受到外力作用时,由于无法有效地分散应力,应力会在缺陷处或晶界处集中,导致材料的断裂。
例如,金刚石具有非常坚硬的晶体结构,但其断裂韧性很低,容易在受力时发生脆性断裂。
其次,无机材料的脆性断裂与材料的纯度和缺陷有关。
纯度高的材料内部缺陷较少,力学性能较好,强度较高。
材料的缺陷可以包括晶界、孔洞、裂纹等,这些缺陷会导致应力的集中。
晶界是由于晶体的生长形成的界面,常常是材料中最脆弱的部分。
孔洞和裂纹是材料中的缺陷,它们会在受力时成为应力集中的位置,从而导致材料的脆性断裂。
因此,提高无机材料的纯度,减少缺陷的存在,可以提高材料的强度和抗断裂能力。
最后,无机材料的脆性断裂与外界温度和应力速率有关。
温度对材料的强度和断裂行为有很大影响。
低温会导致材料的强度和韧性下降,使得材料更容易发生脆性断裂。
高温会增加材料的塑性,降低材料的强度,使得材料更容易发生韧性断裂。
应力速率也是影响材料脆性断裂的因素之一、应力速率较快时,材料不容易发生塑性变形,从而容易发生脆性断裂。
应力速率较慢时,材料有足够的时间进行塑性变形,从而能够发生韧性断裂。
综上所述,无机材料的脆性断裂与强度有着紧密的关系。
晶体结构、纯度和缺陷、温度以及应力速率都会对材料的强度和断裂行为产生影响。
第一章材料的性能第一节材料的机械性能一、强度、塑性及其测定1、强度是指在静载荷作用下,材料抵抗变形和断裂的才能。
材料的强度越大,材料所能承受的外力就越大。
常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度,它们是重要的力学性能指标,是设计,选材和评定材料的重要性能指标之一。
2、塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的才能。
塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ф表示。
二、硬度及其测定硬度是衡量材料软硬程度的指标。
目前,消费中测量硬度常用的方法是压入法,并根据压入的程度来测定硬度值。
此时硬度可定义为材料抵抗外表局部塑性变形的才能。
因此硬度是一个综合的物理量,它与强度指标和塑性指标均有一定的关系。
硬度试验简单易行,有可直接在零件上试验而不破坏零件。
此外,材料的硬度值又与其他的力学性能及工艺能有亲密联络。
三、疲劳机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象称为疲劳。
疲劳强度是指被测材料抵抗交变载荷的才能。
四、冲击韧性及其测定材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的才能被称为冲击韧性。
为评定材料的性能,需在规定条件下进展一次冲击试验。
其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验,或称一次摆锤冲击试验。
五、断裂韧性材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的才能称为断裂韧性。
它是材料本身的特性。
六、磨损由于相对摩擦,摩擦外表逐渐有微小颗粒别离出来形成磨屑,使接触外表不断发生尺寸变化与重量损失,称为磨损。
引起磨损的原因既有力学作用,也有物理、化学作用,因此磨损使一个复杂的过程。
按磨损的机理和条件的不同,通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损四大根本类型。
第二节材料的物理化学性能1、物理性能:材料的物理性能主要是密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性。
不同用途的机械零件对物理性能的要求也各不一样。
2、化学性能:材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀才能。
第三节材料的工艺性能一、铸造性能:铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析的倾向。