材料在变动载荷下的力学性能4

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。

4.3.1 裂纹尖端塑性区的形状与尺寸
• 依据屈服判据建立符合塑性变形临界条件的方 程，方程式对应的图形即代表塑形区边界的形 状，其边界值则为塑形区的大小。 • Von Mises屈服判据
(σ 1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ 1 ) = 2σ s
2 2 2
2
4.3 裂纹尖端塑性区及其修正
如前所述，对裂尖应力场，当 r→0 时， σ y →∞ 。这在实际金属中是难以实 现的。 ∵对金属材料，当应力超过材料的屈服 极限时，将屈服而发生塑性变形，塑性 变形会使裂纹尖端区的应力得以松弛， 此塑性变形的区域称为塑性区。
※由于塑性区的存在，其内应力－应变关系 已不再遵循线弹性力学规律。 ◆线弹性力学分析的有效性??◆ ※若塑性区很小，经适当修正后，线弹性力 学的分析仍然有效。否则，结果将失真！ ※首先应确定塑性区的范围，然后提出相应 的修正办法。
• 断裂韧性 KIC 是表征材料抗断裂能力的材料常数。 • 在一定条件（温度、加载速度）下，各种材料的 断裂韧性 KIC 值是确定的，与裂纹尺寸、形状、 外应力大小无关。 • 当 KI 达到了材料的 KIC 时，裂纹就可能发生失稳 扩展而使构件破坏，而不是一定要失稳断裂。因 为，KIC 是 KC 的最低值。 ∴ 断裂判据KI ≥ KIC只是裂纹体失稳断裂的必要 条件，而非充分条件。
不断增多的脆性断裂事故，使人们逐渐有新认识：
• 传统力学是把材料一律看成了理想完整的、均匀的、 无缺陷的连续体。 • 实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，材 料的内部难免存在或多或少的气孔、夹渣、切口或 裂纹等缺陷。
• 传统的强度设计准则不能保证工程构件的安全服役。
• 断裂力学以材料中存在裂纹或类裂纹初始缺陷为前 提，运用连续介质力学的弹塑性理论，考虑材料的 不连续性，研究存在宏观裂纹的裂纹体的断裂问题， 给出了新的材料断裂抗力指标——断裂韧性。

钢材的循环次数一般取 N = 10 7 有色金属的循环次数一般取 N = 10 8
四、 断裂韧性
（一）、低应力脆断 材料抵抗裂纹扩展断裂的能力叫断裂韧性。机械 零件的传统强度设计为σ <[σ ]=σ 0.2/n(n为安全 系数),一般认为用此式设计的零件是安全的,不会 产生塑性变形，更不会断裂。但是，有些高强钢 制造的零件或大型焊接构件如桥梁、船舶等，有 时会在工作应力远低于材料屈服强度甚至低于许 用应力的条件下突然发生脆性断裂，这种工作应 力远低于材料屈服强度的断裂叫低应力脆断。
S0
ψ=
S0 - S k × 100% S0
L k– L 0
δ = × 100%
L0
δ < 2 ~ 5% 属脆性材料，δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料，δ > 10% 属塑性材料 其断口特征如图所示。
（二）硬度
是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。 1. 布什硬度（HBW）
F 2F HBW S D（D D 2 d 2）
（二）、断裂韧度 裂纹扩展的基本形式
a) 张开型
b) 滑开型
c) 撕开型
应力场强度因子Ｋ1 裂纹尖端产生应力集中形成应力场，衡量裂纹尖端附近 应力场强弱程度的力学参量称为应力场强度因子，用KⅠ 表示。其表达式为：
K1 Y a
式中：a为裂纹尺寸。 断裂韧度KⅠC 裂纹扩展时的临界应力场强度因子值称为材料的断裂韧度， 用KⅠC表示，单位为MPa· m1/2。其为材料抵抗裂纹扩展 断裂的能力大小的表现，为材料的固有属性，与材料的成 分、组织、热处理以及加工工艺有关，与裂纹的大小、形 状、外加应力等无关。
K1C c Y a
1.2.1 金属材料的工艺性能
一.铸造性能

显微努氏硬度：维氏硬度实验方法的发展。
第四章 切口试件在静载和冲击载荷作用下的力学性能（六）
切口强度：用带切口的拉伸试件测定其断裂时的名义应力(净断面平均应力)。bn =
切口敏感度（NSR）
：切口强度对抗拉强度的比值。 NSR =
bn

bn

若 NSR≥1.0，表示材料对切口不敏感；
若 NSR＜1.0，则材料对切口敏感。
微孔聚集断裂：通过微孔形核长大聚合而导致的断裂。常用金属材料一般均产生这类性质的断裂。
正断：断裂面垂直于外加应力。
切断：断裂面平行于外加应力。
断口：材料或构件受力断裂后的自然表面。
宏观断口：用肉眼或 20 倍以下的放大镜观察的断口，它反映了断口的全貌。
微观断口：用光学显微镜或扫描电镜观察的断口。

晶体的理论断裂强度（σm）：将晶体原子分离开所需的最大应力。σ = √
得的布氏硬度值为 150
2、洛氏硬度（HR）
o
HRA(120 金钢石圆锥压头、60kgf 负荷)，应用范围：70~85；
HRB(直径 1.588mm 钢球压头、100kgf 负荷)，应用范围：25~100；
o
HRC(120 金钢石圆锥压头、150kgf 负荷)，应用范围：20~67；
标注方法：HRC28
第三章
材料的硬度（四）
金属的硬度：金属在表面上的不大体积内抵抗变形或者破裂的能力。
1、布氏硬度（HB） 一般在 HB450 以上就不能使用了
标注方法：硬度值 HBW(或 HBS)球的直径/载荷大小/保压时间（注：淬硬钢球（HBS)，硬质合金球（HBW），保压时间 10~15s 不用记）
150HBW10/1000/30 表示压头直径为 10mm 的硬质合金球，在 1000kgf 试验力的作用下，保持 30s 时测