材料力学性能第三章-金属在冲击载荷下的力学性能
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第三章金属在冲击载荷下的力学性能前面我们讲述的是材料在常温、静载下的力学性能。
工程中,还有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作的,如:汽车在凸凹不平的道路上行驶;飞机的起飞和降落;材料的压力加工等;其性能将与常温、静载的不同。
冲击载荷与静载的主要差异:在于加载速率不同,加载速率是指载荷施加于试样或机件的速率,用单位时间内应力增加的数值表示。
因加载速率提高,形变速率也随之增加,形变速率是单位时间的变形量。
因此,用形变速率(又分绝对变形速率和相对变形速率)可以间接地反映加载速率的变化。
相对变形速率又称应变率。
不同机件的应变速率范围大约为10-6~106s-1。
静拉伸试验的应变速率为10-5~10-2s-1,冲击试验的应变速率为102~104s-1。
试验表明,应变速率在10-4~10-2s-1内,金属的力学性能没有明显变化,可按静载荷处理。
当应变速率大于10-2s-1时,力学性能将发生明显变化。
缺口冲击载荷使塑性变形得不到充分发展,更灵敏地反映材料的变脆倾向。
降低温度(脆断趋势)钢的冷脆是一种低能量断裂,一般为解理断裂,有时为准解理断裂或沿晶断裂。
冷脆的最大特点是断裂功极低,后果是灾难性的。
(原因是断裂面间距为原子间距,力的作用距离只有0.1nm数量级,即使力很大,断裂所消耗的功W=F.S也相当低)。
第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点1、应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。
因弹性变形是以声速在介质中传播的,声速在金属介质中相当大,钢中为4982 m/s,普通摆锤冲击时绝对变形速率只有5~5.5m/s冲击弹性变形总能跟上冲击力的变化。
2、金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行。
金属产生附加强化。
冲击载荷下塑性变形比较集中在某些区域(与静载荷下不同),说明塑性变形是极不均匀的。
3、材料塑性和应变率之间无单值依存关系。
第二节冲击弯曲和冲击韧性一、冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收(弹性变形功)塑性变形功和断裂功的能力。
材料力学性能课后习题答案1弹性比功:金属材料吸收弹性变形功的能力,一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
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.xx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。
5.解理刻面:这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
6.塑性:金属材料断裂前发生不可逆永久(塑性)变形的能力。
韧性:指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7.解理台阶:当解理裂纹与螺型位错相遇时,便形成一个高度为b的台阶。
8.河流花样:解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
9.解理面:是金属材料在一定条件下,当外加正应力达到一定数值后,以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂,因与大理石断裂类似,故称此种晶体学平面为解理面。
10.穿晶断裂:穿晶断裂的裂纹穿过晶内,可以是韧性断裂,也可以是脆性断裂。
沿晶断裂:裂纹沿晶界扩展,多数是脆性断裂。
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12.弹性不完整性:理想的弹性体是不存在的,多数工程材料弹性变形时,可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。
弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等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。
材料力学性能课后习题答案第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
1弹性比功:金属材料吸收弹性变形功的能力.一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
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。
5.解理刻面:这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
6.塑性:金属材料断裂前发生不可逆永久(塑性)变形的能力。
脆性:指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力韧性:指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7.解理台阶:当解理裂纹与螺型位错相遇时.便形成一个高度为b的台阶。
8.河流花样:解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
9.解理面:是金属材料在一定条件下.当外加正应力达到一定数值后.以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂.因与大理石断裂类似.故称此种晶体学平面为解理面。
10.穿晶断裂:穿晶断裂的裂纹穿过晶内.可以是韧性断裂.也可以是脆性断裂。
沿晶断裂:裂纹沿晶界扩展.多数是脆性断裂。
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 P153、 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。
材料性能学1一14周第三章金属在冲击载荷下的力学性能许多机器零件在服役时往往受到冲击载荷的作用,如火箭的发射、飞机的起飞和降落、汽车通过道路上的凹坑以及金属压力加工(铸造)等,为了评定材料传递冲击载荷的能力,揭示材料在冲击载荷下的力学行为,就需要进行相应的力学性能试验。
冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率的不同加载速率:载荷施加于试样或机件时的速率,用单位时间内应力增加的数值表示。
形变速率:单位时间的变形量。
加载速率提高,形变速率也增加。
相对形迹速率也称为应变速率,即单位时间内应变的变化量。
冲击载荷2-104s-1 de10d静载荷10-5-10-2s-1一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲击载荷下,由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能,所以机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的时间,从而影响加速度和惯性力的大小。
由于冲击过程持续时间短,测不准确,难于按惯性力计算机件内的应力,所以机件在冲击载荷下所受的应力,通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能,再按能量守恒法计算。
冲击弹性变形(弹性变形以声速传播,在金属介质中为4982m/s)能紧跟上冲击外力(5m/s)的变化,应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。
应变速率对塑性变形、断裂却有显著的影响。
金属材料在冲击载荷下难以发生塑性变形。
1.1 应变速率对塑性变形的影响金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行,主要有以下两方面的原因:1. 由于冲击载荷下应力水平比较高,使许多位错源同时起作用,结果抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。
2. 冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目,出现孪晶,减小了位错运动自由行程平均长度,增加了点缺陷的浓度。
纯铁的应力-应变曲线1-冲击载荷1.2 应变速率对强度的影响2-静载荷静载荷作用时:塑性变形比较均匀的分布在各个晶粒中;冲击载荷作用时:塑性变形则比较集中于某一局部区域,反映了塑性变形不均匀。
这种不均匀限制了塑性变形的发展,导致了屈服强度、抗拉强度的提高。
第一章 单向静拉伸力学性能1、 解释下列名词。
1弹性比功:金属材料吸收弹性变形功的能力,一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
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。
5.解理刻面:这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面.6.塑性:金属材料断裂前发生不可逆永久(塑性)变形的能力。
韧性:指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7.解理台阶:当解理裂纹与螺型位错相遇时,便形成一个高度为b 的台阶.8。
河流花样:解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
9.解理面:是金属材料在一定条件下,当外加正应力达到一定数值后,以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂,因与大理石断裂类似,故称此种晶体学平面为解理面。
10.穿晶断裂:穿晶断裂的裂纹穿过晶内,可以是韧性断裂,也可以是脆性断裂.沿晶断裂:裂纹沿晶界扩展,多数是脆性断裂.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12.弹性不完整性:理想的弹性体是不存在的,多数工程材料弹性变形时,可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。
弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等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。
工程材料力学性能课后题答案第三版(束德林)第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
(1)弹性比功:金属材料吸收弹性变形功的能力,一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
(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。
(5)解理刻面:这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
(6)塑性:金属材料断裂前发生不可逆永久(塑性)变形的能力。
脆性:指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。
韧性:指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
(7)解理台阶:当解理裂纹与螺型位错相遇时,便形成一个高度为b的台阶。
(8)河流花样:解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
(9)解理面:是金属材料在一定条件下,当外加正应力达到一定数值后,以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂,因与大理石断裂类似,故称此种晶体学平面为解理面。
(10)穿晶断裂:穿晶断裂的裂纹穿过晶内,可以是韧性断裂,也可以是脆性断裂。
沿晶断裂:裂纹沿晶界扩展,多数是脆性断裂。
(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:(1)E(G)分别为拉伸杨氏模量和切边模量,统称为弹性模量表示产生100%弹性变所需的应力。
σ规定残余伸长应力,试样卸除拉伸力后,其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。
(2)rσ名义屈服强度(点),对没有明显屈服阶段的塑性材料通常以产生0.2%的塑性形变对应的应力作为屈2.0服强度或屈服极限。