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工业纯钛高温动态拉伸力学行为的微观机制_陈翔

工业纯钛高温动态拉伸力学行为的微观机制_陈翔
工业纯钛高温动态拉伸力学行为的微观机制_陈翔

第39卷第6

期Vol.39,No.6

2009年6月

J OURNAL OF UNIVE RSITY OF SCIE NCE AND TECHNOLO GY OF CHINA

J un.2009

文章编号:025322778(2009)0620619208

收稿日期:2008204208;修回日期:2008205227基金项目:国家自然科学基金(10472110)资助.

作者简介:陈翔,男,1982年生,硕士.研究方向:材料力学行为.E 2mail :sandycx @https://www.docsj.com/doc/e05259853.html, 通讯作者:夏源明,教授.E 2mail :ymxia @https://www.docsj.com/doc/e05259853.html,

工业纯钛高温动态拉伸力学行为的微观机制

陈 翔,龚 明,夏源明

(中国科学技术大学近代力学系,中国科学院材料力学行为和设计重点实验室,安徽合肥230027)

摘要:利用光学金相显微镜和透射电子显微镜(TEM )对多晶工业纯钛(CP 2Ti )在不同温度(298~

973K )和应变率(10-3~1400s -1)下的拉伸断裂试件的试验段进行了观察分析,考察了形变孪晶、位错和析出相等微观组织随温度和加载应变率的变化规律.在此基础上,提出了孪晶系的分步激活模型并对动态高温力学行为进行了解释.此外,还对位错2溶质原子相互作用的微观表现及其对工业纯钛准静态力学行为的影响进行了探讨.关键词:形变孪晶;动态应变时效;微观分析中图分类号:T G113.25 文献标识码:A

Microscopic mechanisms underlying the dynamic tensile behaviors

of a commercially pure titanium at elevated temperatures

C H EN Xiang ,GON G Ming ,XIA Yuan 2ming

(Depart ment of Modern Mechanics ,CA S Key L aboratory of Mechanical Behavior and Desi gn of M ateri als ,

Universit y of Science and Technolog y of China ,Hef ei 230027,China )

Abstract :The test sections of commercially p ure (CP )polycrystal titanium specimens tensilely impacted until f ract ure at different temperat ures (298~973K )and st rain rates (10-3~1400s -1)were analyzed under metallograp hic and t ransmission elect ron microscopes (TEM ),and t he variations of micro scopic feat ures such as deformation twins ,dislocations and p recipitated p hases in t hese specimens wit h temperat ure and st rain rate were summerized.Based on t hese observations ,a stepwise activation model of twinning systems was p roposed to explain t he dynamic tensile behaviors of CP 2Ti at elevated temperat ures.The micro scopic manifestation of interaction between dislocations and interstitial atoms and it s influence on t he quasi 2static mechanical behavior of CP 2Ti were also discussed.

K ey w ords :deformation twinning ;dynamic strain aging ;micro st ruct ural characterization

0 引言

纯钛在1155.5K 以下具有密排六方(hcp )的晶体结构.由于六方晶格在晶体学上具有较低的对称

性,因此具有比较复杂的变形模式:包括〈1120〉

{1010}、〈1120〉{0001}和〈1120〉{1011}三类较常见

的a 型的滑移系,〈1213〉{1011}和〈1123〉{1122}两

类滑移阻力较大的锥面c +a 型滑移系,以及〈1011〉{1012}、〈1123〉{1122}等孪生系[1].以上各种微观变

形模式在纯钛塑性变形中的贡献随温度和应变率的

改变而变化,各模式间既共同作用又相互影响,造成了纯钛塑性变形微观机制的多元性和复杂性.

工业纯钛(CP2Ti)纯度通常在9912%~9919%之间.见诸文献报道的大量准静态不同温度下的加载试验均发现,CP2Ti的力学行为除表现出热激活控制的位错滑移机制主导的温度相关性外,在500~900K之间内还明显受杂质含量的影响[2~4],出现屈服应力、流动应力、应变硬化率和断裂应变等随温度的反常变化现象.目前人们对上述现象的微观解释是CP2Ti在相应的变形工况下发生了溶质原子与位错相互作用的动态应变时效过程[3,4],但该过程影响CP2Ti力学性能的显微观察证据目前尚不多见.

在动态力学行为方面,Chichili等[5]和Nemat2 Nasser等[6]对CP2Ti进行了系统的不同温度和应变率下的压缩试验.前者通过微观分析指出位错滑移始终是纯钛塑变的主要微观机制;但孪晶及孪晶2位错相互作用也会对纯钛的动态力学行为产生不可忽略的影响;后者则认为孪晶对总体塑性力学行为不一定有显著影响,并将在压缩试验中观察到的“三段硬化”现象(即塑性流动段的应变硬化率随应变增加经历“下降———上升———下降”三个阶段)归因于动态应变时效的作用.然而Salem等[7]在难以发生动态应变时效的高纯钛中同样观察到了上述“三段硬化”行为,并发现加载过程中的孪晶出现点和孪晶饱和点恰好对应“三段硬化”应力应变曲线中的两个转变点,从而提出该行为应由孪晶而非动态应变时效所引起.此外,Harding[8]在利用位错滑移的热激活模型对CP2Ti在温度77~288K、应变率10-3~2500s-1工况范围内的拉伸力学行为进行解释时,发现根据实验结果得到的模型参数与热激活理论预测值始终存在矛盾.以上研究均显示,人们对纯钛动态力学行为的微观机制可能还认识不足,有必要通过进一步的微观分析探索其机理.

Huang等[9]系统地完成了对多晶工业纯钛在不同温度(298~973K)和应变率(10-3~1400 s-1)下的拉伸试验,并对试件的断口附近进行了初步的金相分析,得到了孪晶密度随温度和应变率变化的定性规律.由于受金相显微镜适用范围的限制,文献[9]除孪晶密度的变化趋势外未能得到更深入的微观信息.此外,由于文献[9]金相实验的观察点位于断口处,其变形已不再均匀,所以这一结果未能准确反映试件变形段的孪晶演化规律.

在文献[9]工作的基础上,本文拟对其拉伸试验得到的断裂试件的试验段进行更为深入的微观分析———通过进一步的金相观察和TEM观察探索其变形(尤其是高温动态变形)的微观机理,并试图根据观察结果对工业纯钛宏观拉伸力学行为的应变率和温度相关性作出解释.

1 微观分析和设备

本文观察的试件来自Huang等[9]拉伸试验的断裂试件,其拉伸前形状如图1所示.观察点选在距端口

2~3mm处.

图1 拉伸试样

Fig.1 Schem atic of tensile specimens

金相试件经机械抛光和电解抛光(抛光液成分为6%高氯酸∶94%冰醋酸)并经腐蚀液(5%氢氟酸∶20%硝酸∶75%水)腐蚀后,在Keyence V HX 光学显微镜下进行观察.

TEM观察样品为直径为3mm的圆形薄片,切取自拉伸断裂试件的试验段,截取点距断口约2 mm以避免观察点位于变形不均匀的颈缩区.切下的样品经机械方法减薄,用成分为10%高氯酸: 90%无水乙醇的电解液在-30℃环境下双喷减薄至恰好出现小孔.制成的样品在J EOL J EM23010型TEM上进行了显微分析,加速电压设置为300kV.

表1 试验材料的化学成分(引自文献[9])

T ab.1 Chemical composition of the specimens(from R ef.[9])

成分(element)Fe C N H O Si Ti

含量(composition)0.12%0.04%0.02%0.007%0.07%<0.04%balance

026中国科学技术大学学报第39卷

2 工业纯钛的宏观力学试验结果

文献[9]对工业纯钛进行的大量不同温度和应变率下的宏观力学试验结果如图2所示.文献[9]还进一步给出了宏观力学行为的温度相关性和应变率相关性规律(图3),具体如下.

(Ⅰ)温度相关性

①如图3(a )所示,10-3s -1应变率下,623K <

T s <773K 时,流动应力2温度曲线下降趋于平缓,

显示流动应力的温度相关性明显降低.

②应变硬化率在准静态条件约423~623K 间和动态条件约523~773K 下受温度影响较小,其他条件下与温度呈明显的负相关性;

(Ⅱ)应变率相关性①如图3(b )所示,同一应变率下的断裂应变2温度曲线在动态条件下呈“U ”形趋势,

而在准静态

1

26第6期工业纯钛高温动态拉伸力学行为的微观机制

图4 几种典型加载工况下变形后试样的光学金相照片,箭头标示拉伸方向

Fig.4 Optical micrographs of specimens deformed under typical loading conditions ,tensile directions are specif ied by arrow s

条件下呈“W ”形的趋势;其中在温度为773K 时,试

样的断裂应变出现极小值点(俗称“蓝脆”点);

②在不同温度下准静态的应力应变曲线均看不到明显的屈服点(见图2(a ),(b ));而在动态加载下,当T s >693K 时出现了明显的屈服点;在1400s -1应变率下,流动应力在屈服点后还发生了振荡①(见图2(d )).

①Nemat 2Nasser 等[6]在对工业纯钛在温度在600~800K ,2200s -1和8000s -1应变率压缩试验结果中也出现了类似的振荡现象.

3 显微观察结果

3.1 晶粒整体形貌

金相观察结果(如图4)显示,所观察的试件中晶粒均在拉伸方向伸长.孪晶的出现能使晶粒细化,因此动态试件中的平均晶粒尺寸明显小于相应温度下的准静态试件.另外,变形温度在773K 以上的各试件中,晶粒整体形貌与未变形时相比变化很小,在TEM 下也发现其位错密度等变形特征大大减少.由于773K 已达到纯钛的再结晶温度(纯钛熔点为1941K ),因此结合以上观察结果可以断定高温加载条件下的断裂应变增加、应变硬化率降低等现象均是由于试验中试件发生动态再结晶,使内部缺陷在变形的同时得到修复的缘故.3.2 形变孪晶

图4显示,孪晶普遍存在于各工况加载试件中,

且晶粒内形变孪晶的密度(单位体积内的孪晶数目)和总体积分数(注:本文中以金相图片中孪晶区的面积分数作为孪晶体积分数测量值)与加载工况显著相关.通过图像分析软件Image 2Pro Plus 对各工况变形试件金相照片中孪生区域的体积分数进行统计,得到结果如图5所示.在室温准静态变形试件中,孪晶分布很不均匀,主要集中在少数晶粒中(图4(a )).同一温度下随着应变率的提高,孪晶密度和体积分数相应增大,且分布趋向均匀化.而同一应变率下随着变形温度的提高,

孪晶密度和总体积分数

图5 孪晶体积分数随温度和应变率的变化

Fig.5 V ariation of volume fractions of deform ation

twins with temperature and strain rate

226中国科学技术大学学报第39卷

都将减小.

如图6所示,TEM 下观察到的形变孪晶呈透镜状.准静态变形试件中的孪晶呈细长形,多横贯晶粒,其形态且受温度影响不大(图6(a )).而动态室温~中温(600K 左右)变形试件中,同一晶粒内往往出现孪晶聚集生长形成的孪晶簇(图6(b )).这些孪晶簇内不同孪晶片属同一族,且形貌、大小和内部位错密度均十分接近,显示其应为同时形成.在中高温(623K 以上)的动态变形试件中,孪晶的簇集现象基本消失,孪晶片大致均匀分散在晶粒中(图6(c )),其个体之间分属不同的孪晶族,形貌和内部位错密度差别较大,显示其应形成于变形中的不同阶段.

3.3 位错与析出相

应变率和温度对工业纯钛拉伸试件中位错的组态与分布都有较大的影响.如TEM 照片图7(a )所示,在准静态室温变形试件中,位错除在部分晶界和孪晶界有塞积外,在晶粒内基本呈弥散和稀疏的分布状态,较少发生相互缠结现象.在准静态中温段(523~773K )变形试件中能普遍观察到大量位错缠结形成的复杂位错网以及伸长的胞状亚结构(图7(b )),这些伸长的位错胞胞壁由高密度(1012cm -2量级)的a 类位错构成[10],同一晶粒内往往有多个这样的位错胞并排地生长,最终在晶粒中形成一系列平行排列、明暗相间的带状组织(图7(c )).可见若固定应变率,提高变形温度,

则位错密度将显著增

3

26第6期工业纯钛高温动态拉伸力学行为的微观机制

加.而在773K以上的高温段试件中,上述带状/胞状组织完全消失,位错密度低于室温变形试件中的位错密度.另外,在准静态中温与高温段变形试件中,在晶界处能观察到含铁量为10at%~13%at(能谱分析结果)的竹叶形析出相组织,其中以发生“蓝脆”的773K变形试件中最为普遍.部分析出相甚至在制备TEM样品过程中发生了脱落(图7(d)),导致部分晶界处出现竹叶形空洞.胞状位错结构和富铁析出相的出现表明,位错与溶质原子的作用在准静态中高温段工业纯钛的变形中扮演重要角色.

在动态(应变率为300s-1和1400s-1)拉伸试件中,孪晶对位错组态有着显著影响.动态室温变形试件中,位错除在少数孪晶尖端附近有积聚外,在其他区域的分布则较为稀疏.在中温段,动态试件中同样出现了大量的带状/胞状亚结构,但由于孪晶的存在细化了晶粒,导致这些组织的生长常受到孪晶界的阻挡而终止(图7(e)),因此其分布范围要显著小于同一温度下的准静态试件,但在孪晶界两侧的位错密度则显著高于准静态中温段变形试件.在高温段,带状/胞状组织完全消失,此时位错较均匀地分布于试件中.所有动态变形试件中均未发现析出相组织.

4 机理分析

综合上一节中的观察分析结果可以看出,在本文研究的各加载工况变形试件中主要发生了以下几种影响力学性能的微观机制,分别为形变孪晶、位错滑移及位错2溶质原子相互作用和动态再结晶.与一般金属材料相比,形变孪晶和位错2溶质原子相互作用机制为一般金属材料所不具有的.以下讨论此两种机制对工业纯钛拉伸力学行为的影响.

4.1 孪晶的影响

孪晶的形成对材料的塑性变形力学行为主要有以下4种作用:①直接提供剪切应变;②细化晶粒,缩短位错的平均滑移距离(Hall2Petch强化);③改变晶格取向,使晶粒内原先的可滑移(glissile)位错变为不可动(sessile)位错,从而提高孪晶强度(Basinski强化)[11];④改变晶格取向,开动新的滑移方向,从而降低孪晶强度(织构转变机制);其中Basinski机制作用的前提是发生孪生前基体内已经存在大量的可动位错.在上述机制中,Hall2Petch机制对孪晶和基体都有影响,其作用大小受孪晶密度的控制,而最后两种只对孪晶发生作用而不影响基体的性质.考虑到准静态拉伸试件中孪晶的体积分数一般在10%以下(见图5)且分布密度很低,因此可以认为孪晶对CP2Ti的准静态力学性质无显著影响.

动态拉伸试件中,由于孪晶体积分数的显著提高,因此需全面考虑其对试件整体性质的影响.首先,在动态室温条件下,由于滑移屈服应力水平较高,大量孪晶以类似图6(b)所示的孪晶簇形式被诱发,造成晶粒内极高的初始孪晶密度,使得Hall2 Petch机制的作用在此之后大大增加.其次,由于此时材料内滑移还未充分进行,因此位错密度很低.在这种情况下生成的孪晶并未达到Basinski硬化机制发生作用的基本条件,所以生成的孪晶主要通过Hall2Petch机制和织构转变机制影响材料的后续响应.

动态条件下中温与高温段发生的明显屈服点的出现和流动应力振荡等现象可通过孪晶系的分布激活模型进行解释.随着温度的升高,滑移系的激活能逐渐降低,材料的屈服从由孪生控制转变为由位错滑移控制[12],而孪生系的启动却由于流动应力的降低而变得更为困难(启动孪生系所需的孪生应力随温度变化极小,可视为温度无关量,有关实验数据见文献[13]).此时由于屈服应力已不足以同时激活多个孪生系,而这些孪生系之间的启动应力又存在差别(单晶拉伸、单晶压缩实验结果和夹杂理论预测结果分别见文献[14~16]),因此它们将在塑性变形过程中随着流动应力的增加被依次启动.而在发生孪生前基体内位错滑移已在进行,造成了孪生区域较高的初始位错密度,这意味着孪晶生成后Basinski 机制将发生作用,并且由于不可动位错处于与可动位错滑移面相交截的位置上,通过Basinski机制形成的不可动位错将阻碍孪晶内滑移的进行,从而抑制织构转变机制产生的软化作用,因此在两个孪生系被激活之间的一段时间里,孪晶对材料的两种硬化机制完全有效,而软化作用被抑制,材料的应变硬化率应升高,直至下一个孪生系被激活使应变得到释放并降低流动应力.

按照上述模型,在动态中高温段变形试件中观察到的孪晶由于形成的先后有差异,因此它们之间的形貌/大小及内部位错密度应存在明显差别,这与本文TEM观察结果是一致的.另外根据该模型,在动态中温段变形试件内形成孪晶的硬度将大于基体的硬度(见文献[11]中的微米和纳米压痕实验数

426中国科学技术大学学报第39卷

据),由此导致材料总体模量的上升将抵消因温度增加而导致的材料软化,这可能是导致动态试验中发现的应变硬化率在523~773K之间与温度基本无关这一现象的主要原因.而由于上述温度区间变形试件中基体与孪晶间硬度的差异导致的材料变形协调性的降低可能是导致本文节2里提到的动态试验中中温段断裂应变降低的主要原因.

4.2 位错2溶质原子相互作用(动态应变时效)

在一般条件下,固溶材料中的溶质原子都有向位错偏聚,在其周围形成溶质原子气团的倾向;而在特定的温度和应变率范围内,若溶质原子的移动速度可接近或达到位错运动的速度,就能随位错运动,并对位错的运动产生连续的“钉扎”作用[17].根据节313的TEM观察结果以及动态应变时效(dynamic st rain aging,DSA)理论,准静态中温段出现位错密度的显著升高以及位错间相互作用的明显增强,是因为在中温段,材料中的溶质原子因温度的升高,其扩散速度接近了位错运动的速度,能在位错周围形成足够大的溶质原子气团将其钉扎住,使这些位错成为新的位错源.另外,由于大量位错受到钉扎增加了宏观塑性变形的阻力,引起了流动应力的上升,使得原先在较低应力水平下无法启动的滑移系可能被启动,.而在773K变形试件的晶界位置大量观察到的富Fe析出相及其脱落后的空洞则是由于在此温度下试件内的杂质(尤其是Fe元素)在试件变形过程中随位错大量运动到了晶界处,这导致了晶界强度的大大降低,直接造成了在此工况下试件在宏观力学行为上表现出的“蓝脆”现象.

由于DSA的作用,在623~773K的中温段,因位错受到溶质原子的钉扎导致流动应力高于相应温度下的正常水平,这导致了在拉伸试验中观察到的在上述温度区间流动应力的温度相关性下降现象.而在423~623K之间的应变硬化率的温度相关性下降现象则是由于在此一温度段因溶质原子的迁移率不断增加而导致的DSA效应不断增强,抵消了因温度升高导致的位错滑移晶格阻力(Peierls势)下降的缘故.

5 结论

通过对工业纯钛不同温度下的准静态和动态拉伸试件进行金相和TEM观察得到了微观特征变化规律,对工业纯钛的力学性能的温度和应变率相关性作出了以下解释:

(Ⅰ)变形温度在773K以上的各工况下出现的断裂应变提高应变硬化率降低是由于加载的同时材料中发生了动态再结晶.

(Ⅱ)动态中温段变形试件中出现的复杂屈服行为可用孪生系的分布激活模型来解释,而此时出现的应变硬化率的温度不敏感性是由于此工况下生成的孪晶受Basinski机制强化,导致了材料总体模量的增加;断裂应变降低的原因则为基体与此工况下生成的孪晶间硬度存在差别,降低了变形协调性的缘故.

(Ⅲ)动态应变时效强化作用导致了准静态623~773K变形试件中流动应力随温度变化趋势减缓,而动态应变时效强化作用随温度的增强抵消了位错滑移阻力随温度下降的软化作用,导致了423~623K间应变硬化率随温度的不敏感现象.

(Ⅳ)杂质原子在01001s-1,773K变形试件中在晶界的大量析出对晶界的弱化造成了此工况下工业纯钛的“蓝脆”现象.

致谢 本文透射电镜实验是在西安理工大学现代分析测试中心卢正欣副教授的指导和帮助下完成的,金相照片的拍照得到了中国科学技术大学近代力学系龚兴龙教授的帮助.实验及成文过程中得到了李子然、汪洋、昝祥、蔡盛强和宫旭辉等老师和同学的指导和帮助.本课题所用的纯钛试件由西北有色金属研究院提供.作者在此向以上各单位及个人表示衷心感谢!

参考文献(R eferences)

[1]Partridge P G.The crystallography and deformation

modes of hexagonal close2packed metals[J].Metall Rev,1967,12,118:1692194.

[2]Conrad H.The rate controlling mechanism during

yielding and flow ofα2titanium at temperatures below

0.4T M[J].Acta Metall,1966,14:163121633. [3]Senkov O N,Jonas J J.Dynamic strain aging and

hydrogen2induced softening in alpha titanium[J].

Metall Mater Trans A,1996,27A(7):187721887.

[4]G arde A M,Santhanam A T,Reed2Hill R E.The

significance of dynamic strain aging in titanium[J].

Acta Metall,1972,20:2152220.

[5]Chichili D R,Ramesh K T,Hemker K J.The high2

strain2rate response of alpha2titanium:Experiments, deformation mechanisms and modeling[J].Acta

526

第6期工业纯钛高温动态拉伸力学行为的微观机制

Mater ,1998,46(3):102521043.

[6]Nemat 2Nasser S ,Guo W G ,Cheng J Y.Mechanical

properties

and

deformation

mechanisms

of

a

commercially pure titanium[J ].Acta Mater ,1999,47(13):370523720.

[7]Salem A A ,Kalidindi S R ,Doherty R D.Strain

hardening of titanium :Role of deformation twinning [J ].Acta Mater ,2003,51:422524237.

[8]Harding J.The temperature and strain rate sensitivity

of α2titanium[J ].Arch Mech ,1975,27:7152732.[9]Huang W ,Zan X ,Nie X ,et al.Experimental study on

the dynamic tensile behavior of a poly 2crystal pure titanium at elevated temperatures [J ].Mater Sci Eng ,2007,A443:33241.

[10]Moskalenko V A ,Smirnov A R.Temperature effect on formation of reorientation bands in α2Ti [J ].Mater

Sci Eng A ,1998,A246:2822288.

[11]Salem A A ,Kalidindi S R ,Doherty R D.Strain

hardening due to deformation twinning in α2titanium :mechanisms[J ].Metall Mater Trans A ,2006,37A :2592268.

[12]Song S G ,Gray G T.Influence of temperature and

strain rate on slip and twinning behavior of Zr [J ].Metall Mater Trans A ,1995,26A :266522675.[13]Meyers M A ,V hringer O ,L ubarda V A.The onset

of twinning in metals :A constitutive description [J ].Acta Mater ,2001,49:402524039.

[14]Akhtar A.Basal slip and twinning in α2titanium single

crystals[J ].Metall Trans A ,1975,6:110521113.[15]Paton N E ,Backofen W A.Plastic deformation of

titanium at elevated temperatures [J ].Metall.Trans ,

1970,1(10):283922847.

[16]Cai S ,Li Z ,Xia Y.Evolution equations of deformation

twins in metals :Evolution of twins in pure titanium [J ].Physica B ,2008,403:166021665.

[17]Qian Kuang 2wu ,Li Xiao 2qi ,Xiao Lin 2gang ,et al.

Dynamic strain aging phenomenon in metals and alloys [J ].Journal of Fuzhou University (Natural Science Edition ),2001,29(6):8223.

钱匡武,李效琦,萧林钢,等.金属和合金中的动态应变

时效现象[J ].福州大学学报(自然科学版),2001,29(6):8223.

(上接第611页)

杨俊峰,王砚方,武杰.高速串行互联系统数据相关性

抖动峰峰值分析[J ].中国科学技术大学学报,2006,36(3):2682272.

[3]Buckwalter J ,Analui B ,Hajimiri A.Predicting data 2

dependent jitter [J ].IEEE Transactions On Circuits and Systems Ⅱ:Express Brief s ,2004,51(9):4532457.

[4]Analui B ,Buckwalter J ,Hajimiri A.Data 2dependent

jitter in serial communications [J ].IEEE Transactions On Microwave Theory and Techniques ,2005,53(11):338823397.

[5]徐守时.信号与系统:理论、方法和应用[M ].合肥:中

国科学技术大学出版社,1999:3752392.

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26中国科学技术大学学报第39卷

材料力学行为及性能

绪论§0.1 工程材料 工程材料分类(按其应用分) ?结构材料 依靠其力学性能得以发展和应用的材料。 ?功能材料 利用物质的声、光、电、磁、化学乃至生物性能得以发展和应用的材料。 (本课程所研究和讲述的重点在第一种,尤其是结构材料中的金属材料) §0.2 力学性能 材料抵抗外加载荷(不仅指外力和能量的作用,而且还包括环境因素例如温度、介质、加载速率等的影响)所引起的变形和断裂的能力。 §0.3 研究内容 研究材料在外力作用下的变形、断裂和寿命。 ?弹性 材料在外力作用下保持固有形状和尺寸的能力;以及在外力去除后恢复固有形状和尺寸的能力。 ?塑性 材料在外力作用下发生永久不可逆变形的能力。 ?强度 材料对塑性变形和断裂的抗力。 ?寿命 材料在外力的长期和重复作用下,或在外力和环境因素的复合作用下,抵抗失效的能力(时间长短)。 (以上只是定性地说明这些力学性能,如果要定量地说明它就必须用一些力学参量(应力、应变、应力场强度因子等)来表示这些力学性能。 如果我们说某材料的力学性能好,就是指这些力学参量的值高或低,所以人们通常将力学参量的临界值或规定值称为材料的力学性能指标。声学材料:隔音层光学材料:玻璃,镜片 电学材料:金属导线,电子元器件 磁学材料:磁头、磁卡 化学材料:高分子材料催化剂 生物材料:人工关节、人工骨骼 生活中常指后者

如:强度指标、塑性指标、韧性指标) 具体研究涉及的内容: ?材料(包括金属材料和非金属材料)在不同形式外力作用下,或者外力、温度、环境等因素的共同作用下,发生变 形、损伤和断裂的过程、机理和力学模型; ?评定力学性能的各项指标的意义(物理意义和工程实用意义)、各指标间的相互关系以及具体的测试技术; ?研究力学性能指标机理、影响因素以及改善或提高这些力学性能指标的方法和途径。 (注:材料力学性能的影响因素 内因:化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力、表面和内部缺陷。 外因:载荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环境介质等。) §0.4学习和研究材料力学性能的目的和意义 机械和工程结构的设计,应当达到所要求的性能,并且在规定的服役期内安全可靠地运行,同时也要具有经济性,即低的设计、制造和维修费用。 ①达到使用要求;②安全性;③经济性 然而,各种机械和结构零部件的使用条件各不相同,因而要选用不同的的材料制成零件,也需要采用不同的工艺手段来完成零件的实际制作。而材料的力学性能及其评定指标,是结构设计时选用材料、制订加工工艺的主要依据,也是评价结构质量的主要依据。 ?在零部件使用中,要求材料具有高的变形和断裂抗力,使零部件在受外力作用时能保持设计所要求的外形和尺寸, 并保证在服役期内安全地运行; ?在零部件的生产过程中,则要求材料具有优良的可加工性。 (例如,在金属的塑性成形中,要求材料具有优良的塑性和低的塑性变形抗力) 对于学生,必须具有材料力学性能方面的知识,以便在研究新材料和改善材料的过程中,能根据材料的使用要求,选用合适的现有材料或研制新材料,制订合适的加工工艺。 §0.5研究方法 ?理论分析 ?试验测定

材料力学期末考试复习题及答案

二、计算题: 1.梁结构尺寸、受力如图所示,不计梁重,已知q=10kN/m,M=10kN·m,求A、B、C处的约束力。 2.铸铁T梁的载荷及横截面尺寸如图所示,C为截面形心。已知I z=60125000mm4,y C=157.5mm,材料许用压应力[σc]=160MPa,许用拉应力[σt]=40MPa。试求:①画梁的剪力图、弯矩图。②按正应力强度条件校核梁的强度。 3.传动轴如图所示。已知F r=2KN,F t=5KN,M=1KN·m,l=600mm,齿轮直径D=400mm,轴的[σ]=100MPa。试求:①力偶M的大小;②作AB轴各基本变形的力图。③用第三强度理论设计轴AB 的直径d。 4.图示外伸梁由铸铁制成,截面形状如图示。已知I z=4500cm4,y1=7.14cm,y2=12.86cm,材料许用压应力[σc]=120MPa,许用拉应力[σt]=35MPa,a=1m。试求:①画梁的剪力图、弯矩图。②按正应力强度条件确定梁截荷P。 5.如图6所示,钢制直角拐轴,已知铅垂力F1,水平力F2,实心轴AB的直径d,长度l,拐臂的长度a。试求:①作AB轴各基本变形的力图。②计算AB轴危险点的第三强度理论相当应力。

6.图所示结构,载荷P=50KkN,AB杆的直径d=40mm,长度l=1000mm,两端铰支。已知材料E=200GPa,σp=200MPa,σs=235MPa,a=304MPa,b=1.12MPa,稳定安全系数n st=2.0,[σ]=140MPa。试校核AB杆是否安全。 7.铸铁梁如图5,单位为mm,已知I z=10180cm4,材料许用压应力[σc]=160MPa,许用拉应力[σt]=40MPa,试求:①画梁的剪力图、弯矩图。②按正应力强度条件确定梁截荷P。 8.图所示直径d=100mm的圆轴受轴向力F=700kN与力偶M=6kN·m的作用。已知M=200GPa,μ=0.3,[σ]=140MPa。试求:①作图示圆轴表面点的应力状态图。②求圆轴表面点图示方向的正应变。③按第四强度理论校核圆轴强度。 9.图所示结构中,q=20kN/m,柱的截面为圆形d=80mm,材料为Q235钢。已知材料E=200GPa,σp=200MPa,σs=235MPa,a=304MPa,b=1.12MPa,稳定安全系数n st=3.0,[σ]=140MPa。试校核柱BC是否安全。

材料力学期末考试习题集

材料力学期末复习题 判断题 1、强度是构件抵抗破坏的能力。(√ ) 2、刚度是构件抵抗变形的能力。(√ ) 3、均匀性假设认为,材料内部各点的应变相同。(×) 4、稳定性是构件抵抗变形的能力。(×) 5、对于拉伸曲线上没有屈服平台的合金塑性材料,工程上规定2.0σ作为名义屈服极限,此时相对应的应变为2.0%=ε。(×) 6、工程上将延伸率δ≥10%的材料称为塑性材料。(×) 7、任何温度改变都会在结构中引起应变与应力。(×) 8、理论应力集中因数只与构件外形有关。(√ ) 9、任何情况下材料的弹性模量E都等于应力和应变的比值。(×) 10、求解超静定问题,需要综合考察结构的平衡、变形协调和物理三个方面。(√ ) 11、未知力个数多于独立的平衡方程数目,则仅由平衡方程无法确定全部未知力,这类问题称为超静定问题。(√ ) 12、矩形截面杆扭转变形时横截面上凸角处切应力为零。(√ ) 13、由切应力互等定理可知:相互垂直平面上的切应力总是大小相等。(×) 14、矩形截面梁横截面上最大切应力maxτ出现在中性轴各点。(√ ) 15、两梁的材料、长度、截面形状和尺寸完全相同,若它们的挠曲线相同,则受力相同。(√ ) 16、材料、长度、截面形状和尺寸完全相同的两根梁,当载荷相同,其变形和位移也相同。(×) 17、主应力是过一点处不同方向截面上正应力的极值。(√ ) 18、第四强度理论用于塑性材料的强度计算。(×) 19、第一强度理论只用于脆性材料的强度计算。(×) 20、有效应力集中因数只与构件外形有关。(×) 绪论 1.各向同性假设认为,材料内部各点的()是相同的。 (A)力学性质;(B)外力;(C)变形;(D)位移。 2.根据小变形条件,可以认为( )。 (A)构件不变形;(B)构件不变形; (C)构件仅发生弹性变形;(D)构件的变形远小于其原始尺寸。 3.在一截面的任意点处,正应力σ与切应力τ的夹角( )。 (A)α=900;(B)α=450;(C)α=00;(D)α为任意角。 4.根据材料的主要性能作如下三个基本假设___________、___________、___________。 5.材料在使用过程中提出三个方面的性能要求,即___________、___________、___________。 6.构件的强度、刚度和稳定性()。 (A)只与材料的力学性质有关;(B)只与构件的形状尺寸关 (C)与二者都有关;(D)与二者都无关。 7.用截面法求一水平杆某截面的内力时,是对( )建立平衡方程求解的。 (A) 该截面左段; (B) 该截面右段; (C) 该截面左段或右段; (D) 整个杆。 8.如图所示,设虚线表示单元体变形后的形状,则该单元体

材料力学拉伸实验报告

材料的拉伸压缩实验 徐浩1221241020 机械一班 一、实验目的 1.观察试件受力和变形之间的相互关系; 2.观察低碳钢在拉伸过程中表现出的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物 理现象。观察铸铁在压缩时的破坏现象。 3.测定拉伸时低碳钢的强度指标(σs、σb)和塑性指标(δ、ψ)。测定压缩 时铸铁的强度极限σb。 二、实验设备 1.微机控制电子万能试验机; 2.游标卡尺。 三、实验材料 拉伸实验所用试件(材料:低碳钢)如图所示, 四、实验原理 低碳钢试件拉伸过程中,通过力传感器和位移传感器进行数据采集,A/D转换和处理,并输入计算机,得到F-?l曲线,即低碳钢拉伸曲线,见图2。 对于低碳钢材料,由图2曲线中发现OA直线,说明F正比于?l,此阶段称为弹性阶段。屈服阶段(B-C)常呈锯齿形,表示载荷基本不变,变形增加很快,材料失去抵抗变形能力,这时产生两个屈服点。其中,B'点为上屈服点,它受变形大小和试件等因素影响;B点为下屈服点。下屈服点比较稳定,所以工程上均以下屈服点对应的载荷作为屈服载荷。测定屈服载荷Fs时,必须缓慢而均匀地加载,并应用σs=F s/ A0(A0为试件变形前的横截面积)计算屈服极限。

图2 低碳钢拉伸曲线 屈服阶段终了后,要使试件继续变形,就必须增加载荷,材料进入强化阶段。当载荷达到强度载荷F b 后,在试件的某一局部发生显著变形,载荷逐渐减小,直至试件断裂。应用公式σb =F b /A 0计算强度极限(A 0为试件变形前的横截面积)。 根据拉伸前后试件的标距长度和横截面面积,计算出低碳钢的延伸率δ和端面收缩率ψ,即 %100001?-= l l l δ,%1000 1 0?-=A A A ψ 式中,l 0、l 1为试件拉伸前后的标距长度,A 1为颈缩处的横截面积。 五、实验步骤及注意事项 1、拉伸实验步骤 (1)试件准备:在试件上划出长度为l 0的标距线,在标距的两端及中部三 个位置上,沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值,再从三个平均值中取最小值作为试件的直径d 0。 (2)试验机准备:按试验机→计算机→打印机的顺序开机,开机后须预热十分钟才可使用。按照“软件使用手册”,运行配套软件。 (3)安装夹具:根据试件情况准备好夹具,并安装在夹具座上。 (4)夹持试件:若在上空间试验,则先将试件夹持在上夹头上,力清零消除试件自重后再夹持试件的另一端;若在下空间试验,则先将试件夹持在下夹头上,力清零消除试件自重后再夹持试件的另一端。 (5)开始实验:消除夹持力;位移清零;按运行命令按钮,按照软件设定的方案进行实验。 (6)记录数据:试件拉断后,取下试件,将断裂试件的两端对齐、靠紧,用游标卡尺测出试件断裂后的标距长度l 1及断口处的最小直径d 1(一般从相

材料力学期末考试复习题及答案#(精选.)

材料力学期末考试复习题及答案 配高等教育出版社第五版 一、填空题: 1.受力后几何形状和尺寸均保持不变的物体称为刚体。 2.构件抵抗破坏的能力称为强度。 3.圆轴扭转时,横截面上各点的切应力与其到圆心的距离成正比。 4.梁上作用着均布载荷,该段梁上的弯矩图为二次抛物线。 5.偏心压缩为轴向压缩与弯曲的组合变形。 6.柔索的约束反力沿柔索轴线离开物体。 7.构件保持原有平衡状态的能力称为稳定性。 8.力对轴之矩在力与轴相交或平行情况下为零。 9.梁的中性层与横截面的交线称为中性轴。 10.图所示点的应力状态,其最大切应力是 100Mpa 。 11.物体在外力作用下产生两种效应分别是变形效应运动效应。 12.外力解除后可消失的变形,称为弹性变形。 13.力偶对任意点之矩都相等。 14.阶梯杆受力如图所示,设AB和BC段的横截面面积分别为2A和A,弹性模量为E,则杆中最大正应力 为 5F/2A 。 15.梁上作用集中力处,其剪力图在该位置有突变。 16.光滑接触面约束的约束力沿接触面的公法线指向物体。 17.外力解除后不能消失的变形,称为塑性变形。 18.平面任意力系平衡方程的三矩式,只有满足三个矩心不共线的条件时,才能成为力系 平衡的充要条件。 19.图所示,梁最大拉应力的位置在 C 点处。

20.图所示点的应力状态,已知材料的许用正应力[σ],其第三强度理论的强度条件是 2τ《=【σ】 。 21.物体相对于地球处于静止或匀速直线运动状态,称为平衡。 22.在截面突变的位置存在应力集中现象。 23.梁上作用集中力偶位置处,其弯矩图在该位置有突变。 24.图所示点的应力状态,已知材料的许用正应力[σ],其第三强度理论的强度条件是。 25.临界应力的欧拉公式只适用于细长杆。 26.只受两个力作用而处于平衡状态的构件,称为而力构件。 27.作用力与反作用力的关系是。 28.平面任意力系向一点简化的结果的三种情形是力,力偶,平衡。 29.阶梯杆受力如图所示,设AB和BC段的横截面面积分别为2A和A,弹性模量为E,则截面C的位移为 7Fa/2EA 。 30.若一段梁上作用着均布载荷,则这段梁上的剪力图为斜直线。 二、计算题: 1.梁结构尺寸、受力如图所示,不计梁重,已知q=10kN/m,M=10kN·m,求A、B、C处的约束力。 2.铸铁T梁的载荷及横截面尺寸如图所示,C为截面形心。已知I z=60125000mm4,y C=157.5mm,材料许用压应力[σc]=160MPa,许用拉应力[σt]=40MPa。试求:①画梁的剪力图、弯矩图。②按正应力强度条件校核梁的强度。

《材料力学》实验报告

材料力学 实验报告 对应课程 学号 学生 专业 班级 指导教师 成绩总评 学年第学期

目录 1.低碳钢及铸铁拉伸破坏实验???????????????(3 ) 2.低碳钢及铸铁压缩破坏实验???????????????(8 ) 3.引伸计法测定材料的弹性模量??????????????( 12 ) 4.低碳钢及铸铁扭转破坏实验???????????????(15) 5.载荷识别实验?????????????????????( 19) 成绩总评定 : 拉伸压缩测E扭转载荷识别

低碳钢及铸铁拉伸破坏实验 实验日期: 同组成员: 一、实验目的及原理 二、实验设备和仪器 1、试验机名称及型号: 吨位: 精度: 2、量具名称: 精度: 三、实验步骤 (一)、低碳钢、铸铁拉伸实验步骤:

四、试样简图 低碳钢试样 实验前实验后试 样 简 图 铸铁试样 实验前实验后试 样 简 图

五、实验数据及计算 低碳钢拉伸试验 (一)试件尺寸 (a)试验前 试件标直径d0( mm )最小横截距 横截面 1横截面 2横截面 3面面积L0平平平A (1)(2)(1)(2)(1) ( 2)02 ( mm )均均均( mm ) (b)试验后 断后标断口直径 d 1 ( mm )距 L1 12平均( mm )断口(颈缩处)最小横截面面 积 A1 ( mm2 ) 屈服极限:强度极限:断后延伸率: F s s (MPa) A0 F b b (MPa) A0 ( L 1 L O ) 100% L0

A0 A1100% 断面收缩率: A0 铸铁拉伸试验 (a)试验前 试件标直径d0( mm )最小横截距 横截面 1横截面 2横截面 3面面积L0平平平A (1)(2)(1)(2)(1) ( 2)02 ( mm )均均均( mm ) (b)试验后 F b 强度极限:b(MPa ) (二)绘出低碳钢的“力—位移、及铸铁的“ 力-位移”曲线低碳钢铸铁

材料力学期末考试试题库

材料力学复习题(答案在最后面) 绪论 1.各向同性假设认为,材料内部各点的()是相同的。 (A)力学性质;(B)外力;(C)变形;(D)位移。 2.根据小变形条件,可以认为()。 (A)构件不变形;(B)构件不变形; (C)构件仅发生弹性变形;(D)构件的变形远小于其原始尺寸。 3.在一截面的任意点处,正应力σ与切应力τ的夹角()。 (A)α=900;(B)α=450;(C)α=00;(D)α为任意角。 4.根据材料的主要性能作如下三个基本假设___________、___________、___________。 5.材料在使用过程中提出三个方面的性能要求,即___________、___________、___________。 6.构件的强度、刚度和稳定性()。 (A)只与材料的力学性质有关;(B)只与构件的形状尺寸关 (C)与二者都有关;(D)与二者都无关。 7.用截面法求一水平杆某截面的内力时,是对()建立平衡方程求解的。 (A)该截面左段;(B)该截面右段; (C)该截面左段或右段;(D)整个杆。 8.如图所示,设虚线表示单元体变形后的形状,则该单元体 的剪应变为()。 α (A)α;(B)π/2-α;(C)2α;(D)π/2-2α。 答案 1(A)2(D)3(A)4均匀性假设,连续性假设及各向同性假设。5强度、刚度和稳定性。6(A)7(C)8(C) 拉压 1.轴向拉伸杆,正应力最大的截面和切应力最大的截面()。 (A)分别是横截面、45°斜截面;(B)都是横截面, (C)分别是45°斜截面、横截面;(D)都是45°斜截面。 2.轴向拉压杆,在与其轴线平行的纵向截面上()。 (A)正应力为零,切应力不为零; (B)正应力不为零,切应力为零; (C)正应力和切应力均不为零; (D)正应力和切应力均为零。 3.应力-应变曲线的纵、横坐标分别为σ=F /A,△ε=L/L,其中()。 N (A)A和L均为初始值;(B)A和L均为瞬时值; (C)A为初始值,L为瞬时值;(D)A为瞬时值,L均为初始值。 4.进入屈服阶段以后,材料发生()变形。 (A)弹性;(B)线弹性;(C)塑性;(D)弹塑性。 5.钢材经过冷作硬化处理后,其()基本不变。 (A)弹性模量;(B)比例极限;(C)延伸率;(D)截面收缩率。 6.设一阶梯形杆的轴力沿杆轴是变化的,则发生破坏的截面上()。

材料力学性能习题及解答库

第一章习题答案 一、解释下列名词 1、弹性比功:又称为弹性比能、应变比能,表示金属材料吸收弹性变形功的能力。 2、滞弹性: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。 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,称为金属的循环韧性。 4、包申格效应:先加载致少量塑变,卸载,然后在再次加载时,出现ζ e 升高或降低的现 象。 5、解理刻面:大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 6、塑性、脆性和韧性:塑性是指材料在断裂前发生不可逆永久(塑性)变形的能力。韧性:指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力,或指材料抵抗裂纹扩展的能力 7、解理台阶:高度不同的相互平行的解理平面之间出现的台阶叫解理台阶; 8、河流花样:当一些小的台阶汇聚为在的台阶时,其表现为河流状花样。 9、解理面:晶体在外力作用下严格沿着一定晶体学平面破裂,这些平面称为解理面。 10、穿晶断裂和沿晶断裂:沿晶断裂:裂纹沿晶界扩展,一定是脆断,且较为严重,为最低级。穿晶断裂裂纹穿过晶内,可以是韧性断裂,也可能是脆性断裂。 11、韧脆转变:指金属材料的脆性和韧性是金属材料在不同条件下表现的力学行为或力学状态,在一定条件下,它们是可以互相转化的,这样的转化称为韧脆转变。 二、说明下列力学指标的意义 1、E(G): E(G)分别为拉伸杨氏模量和切变模量,统称为弹性模量,表示产生100%弹性变形所需的应力。 2、Z r 、Z 0.2、Z s: Z r :表示规定残余伸长应力,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。ζ 0.2:表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。 Z S:表征材料的屈服点。 3、Z b韧性金属试样在拉断过程中最大试验力所对应的应力称为抗拉强度。 4、n:应变硬化指数,它反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力,是表征金属材料应变硬 化行为的性能指标。 5、3、δ gt、ψ : δ是断后伸长率,它表征试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。 Δgt 是最大试验力的总伸长率,指试样拉伸至最大试验力时标距的总伸长与原始标距的百

(完整版)材料力学期末复习试题库(你值得看看)

第一章 一、选择题 1、均匀性假设认为.材料内部各点的是相同的。 A:应力 B:应变 C:位移 D:力学性质 2、各向同性认为.材料沿各个方向具有相同的。 A:力学性质 B:外力 C:变形 D:位移 3、在下列四种材料中. 不可以应用各向同性假设。 A:铸钢 B:玻璃 C:松木 D:铸铁 4、根据小变形条件.可以认为: A:构件不变形 B:构件不破坏 C:构件仅发生弹性变形 D:构件的变形远小于原始尺寸 5、外力包括: A:集中力和均布力 B:静载荷和动载荷 C:所有作用在物体外部的力 D:载荷与支反力 6、在下列说法中.正确的是。 A:内力随外力的增大而增大; B:内力与外力无关; C:内力的单位是N或KN; D:内力沿杆轴是不变的; 7、静定杆件的内力与其所在的截面的有关。 A:形状;B:大小;C:材料;D:位置 8、在任意截面的任意点处.正应力σ与切应力τ的夹角α=。 A:α=90O; B:α=45O; C:α=0O;D:α为任意角。 9、图示中的杆件在力偶M的作用下.BC段上。 A:有变形、无位移; B:有位移、无变形; C:既有位移、又有变形;D:既无变形、也无位移; 10、用截面法求内力时.是对建立平衡方程而求解的。 A:截面左段 B:截面右段 C:左段或右段 D:整个杆件 11、构件的强度是指.刚度是指.稳定性是指。 A:在外力作用下抵抗变形的能力; B:在外力作用下保持其原有平衡态的能力; C:在外力的作用下构件抵抗破坏的能力; 答案:1、D 2、A 3、C 4、D 5、D 6、A 7、D 8、A 9、B 10、C 11、C、B、A 二、填空 1、在材料力学中.对变形固体作了 . . 三个基本假设.并且是在 . 范围内研究的。 答案:均匀、连续、各向同性;线弹性、小变形 2、材料力学课程主要研究内容是:。 答案:构件的强度、刚度、稳定性;

材料的力学行为要点

郑州铁路局电大教师教案第2-1 页 2 材料的力学行为 金属材料的性能包括:使用性能、工艺性能、经济性能。 使用性能包括:物理性能、化学性能、力学性能(或称机械性能)。 力学性能:指金属材料在外力作用下所表现出来的性能,是机械设计的重要依据,包括强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳极限和断裂韧度等。 2.1.1 强度和塑性 1、强度 概念:金属材料抵抗朔性变形和断裂的能力。 分类:抗拉、抗压、抗弯、抗扭、抗剪强度 (1)拉伸试验 试验方法:拉伸试验 标准拉伸试样:长试样L0=10d0 短试样L0=10d0 拉伸曲线:力——伸长曲线 四个变形阶段: 1)oe弹性变形阶段 2)es屈服阶段 3)sb强化阶段 4)bk缩颈阶段 ⑵强度指标 屈服强度σs(又称屈服点): 概念:在拉伸过程中力不增加(保持恒定),试样仍能继续伸长时的应力。 σs=F s/S0 规定残余伸长应力(σr0。2称条件屈服极限): σr=F r/S0 抗拉强度σb 概念:在拉伸条件下所能承受的最大应力值。 σb=F b/S0 2、塑性 概念:断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。 表达方式:断后伸长率和断面收缩率。

郑州铁路局电大教师教案 第 2-2 页 断后伸长率 δ=ΔL /L 0 断面收缩率 ψ=ΔS /S 0 δ、ψ数值越大,材料的塑性越好。 2.1.2 硬度 硬度的概念:金属材料表面抵抗其它更硬物体压入的能力。 硬度的测试方法:压入法(布、洛、维氏及显微硬度)。 划痕法(莫氏硬度)。 回跳法(肖氏硬度) 一、布氏硬度: 1、测试原理 (GB231-84) HBS (HBW )=0.102F πDh =0.102×2F πD(D-22d D -) 2、实验条件 压头,载荷,载荷保持时间 压头:材料——淬火钢球,硬质合金球 直径 D ——10mm ,5 mm ,2.5 mm ,1 mm 载荷:F /D 2=30(钢铁30,铜10,铅5) 载荷保持时间 t :12秒,30秒,60秒 3、标注方法 淬火钢球 225HBS 10/1000/30 硬质合金球 500HBW 5/750/10 4、适用范围 测量原材料、退火和正火钢、铸铁、非铁金属的硬度 二、洛氏硬度 1、测试原理 测量压痕深度,确定硬度值。 压头 顶角1200金钢石圆锥体或直径为Φ1.588(1/16吋)的淬火钢球。 HR= 002 .0h K - 2、实验条件 标尺,压头,载荷

材料的力学行为及性能

第二章 材料在其他静载荷下的力学性能 研究材料在常温静载荷下的力学性能时,除采用单向静拉伸试验方法外,有时还选用压缩、弯曲、扭转等试验方法,目的是: ①很多机件在服役过程中常承受弯矩、扭矩或轴向压力的作用,有必要测定试样在相应承载条件下的力学性能指标,做为设计和选材的依据;(实际中存在) ②不同的加载方式产生不同的应力状态,材料在不同应力状态中表现的力学性能不完全相同,因此,应选用不同应力状态的试验方法。(和单向拉伸应力状态不同) 本章介绍压缩、弯曲、扭转和剪切等试验方法及测定的力学性能指标 §2.1 应力状态柔度因数(软性系数) 一、柔度因数 塑性变形和断裂是金属材料在静载荷下失效的两种主要形式,它们是金属所能承受的应力达到其相应的强度极限而产生的。当金属所受的最大切应力τmax 达到屈服强度τs 时,产生屈服;当τmax 达到切断强度τk 时,产生剪切型断裂;当最大正应力S max 达到正断强度S k 时,产生正断型断裂。但同一种金属材料,在一定承载条件下产生何种失效方式,除与自身的强度大小有关以外,还与承载条件下的应力状态有关。不同的应力状态,其最大正应力与最大切应力的相对大小是不一样的。 考虑到三向应力状态下另外两向应力的贡献,因此材料的最大正应力的计算采用第二强度理论给出: 即:不再采用S max =σ1 而采用(第二强度理论): ()max 123S σνσσ=-+ 称为最大当量正应力 最大切应力由第三强度理论给出: 13 max 2 σστ-=

观塑性变形,属正断型脆性断裂; ②单向拉伸(α=0.5)时,先与τs线相交,发生塑性变形(屈服),然后与S k线相交,发生正断,属正断型的韧性断裂; ③扭转(α=0.8)时,先与τs线相交,发生塑性变形(屈服),然后与τk线相交,发生切断,属于切断型的韧性断裂。 即:相同的材料在不同应力状态下表现出不同的断裂模式,也可称为在不同应力状态条件下的韧脆转变。(材料在其他外界因素下也会发生韧脆转变,因涉及到具体的试验测试手段,因此后面讲。) §2.2 材料在轴向压缩载荷下的力学行为(单向压缩试验)一、试样型式 常用的压缩试样为圆柱体(也可采用立方体或棱柱体), 为防止压缩时试件失稳,试件的高度与直径之比h0/d0=1.5~2.0,同时h0/d0越大,抗压强度越低,因此对于几何形状的试件,需要保证h0/d0为定值。(GB7314-87)二、试验过程 ①为保证两端面的自由变形,试件的两端面必须光滑平整(涂润滑油、石墨);或者将试样的端面加工成圆锥凹面,使锥面的倾角等于摩擦角,即tanα=f,f为摩擦因数,也要将压头改成相应的锥体; ②压缩可以看作是反向拉伸,因此,拉伸试验中所定义的各个力学性能指标和相应的计算公式,在压缩试验中基本可以应用; 1-高塑性材料;2-低塑性材料1-拉伸;2-压缩

材料的宏微观力学性能习题及答案..

习题1 1.1弹塑性力学的研究对象、内容是什么?与材料力学比较,有何异同?其基本假设又是什么? 1. 2如图1.21所示的三角形截面水坝,材料的比重为γ,承受着比重为1γ液体的压力,已 求得应力解为 ???? ?? ?--=-+=+=ay dx y dy cx by ax xy yy xx σγσσ,试根据直边及斜边上的表面条件确定系数a ,b ,c 和d 1.3如图1.22所示的矩形板,AB 边只受垂直于边界的面力作用,而CD 边为自由表面,设其 应力分量为 ? ?? ??? ?? ?+-=+-=-=x c qxy c y c qy qy y qx xy y x 122133 2313 2 τσσ,若体积力为零,试求常数1c 和2c ,并画出AB 及BC 边上的面力分布图。 1.4证明 (1) 应力的三个主方向互相垂直;(2) 三个主应力1σ,2σ,3σ必为实根。 1.5判断下述命题是否正确,并简短说明理由: (1) 若物体内一点的位移w v u ,,均为零,则该点必有应变 ===z y x εεε。 (2) 在x 为常数的直线上,若0=u ,则沿该线必有0=x ε。 (3) 在y 为常数的直线上,若0=u ,则沿该线必有0=x ε。 (4) 满足平衡微分方程又满足应力边界条件的应力必为正确解(设该问题的边界条件全 部为应力边界条件)。 1.6假定物体被加热至定常温度场()321,,x x x T 时,应变分量为T αεεε===332211 ; 图1.21 y o D 图1.21

0323112===γγγ,其中α为线膨胀系数,试根据应变协调方程确定温度场T 的函数形式。 1.7试问什么类型的曲面在均匀变形后会变成球面。 1.8将某一小的物体放入高压容器内,在静水压力2 /45.0mm N p =作用下,测得体积应变 5106.3-?-=e ,若泊松比3.0=v ,试求该物体的弹性模量E 。 1.9在某点测得正应变的同时,也测得与它成?60和?90方向上的正应变,其值分别为 6010100-?-=ε,6601050-?=ε,69010150-?=ε,试求该点的主应变、最大剪应变和主应 力(2 5/101.2mm N E ?=,3.0=ν)。 1.10试推导体积变形应变能密度v W 及畸变应变能密度d W 的公式分别为: ()2181 61ii jj ii v K W σεσ= = () ()??? ???-=== 2' '''31414121ii ij ij ij ij ij ij d G G W σσσσσεσ 1.11根据弹性应变能理论的应变能公式ij ij W εσ21 =,导出材料力学中杆件拉伸、弯曲及圆轴 扭转的应变能公式分别为: ()dx dx du EA dx EA x N U l l 2 0022121???? ??=?=拉伸 ()dx dx d EI dx EI x M U l l ????? ??=?=02 22022121ω弯曲 ()dz dz d GI dz GI z M U l P l P 2 0022121??? ???=?=φ扭转 1.12设1s 、2s 、3s 为应力偏量,试证明用应力偏量表示Mises 屈服条件时,其形式为 () s s s s σ=++2 3222123。 1.13设1I 、2I 为应力张量第一、第二不变量,试用1I 、2I 表示Mises 屈服条件。 1.14已知半径50mm ,厚为3mm 的薄壁圆管,保持1=z z στθ ,材料拉伸屈服极限为40kg/mm 2, 试求此圆管屈服时轴向载荷P 和扭矩s M 的值。 1.15续上题,在如下二种情况下,试求塑性应变增量的比。

青岛理工大学--材料力学--实验报告

材料力学实验报告 系别 班级 姓名 学号 青岛理工大学力学实验室 目录 实验一、拉伸实验报告 实验二、压缩实验报告 实验三、材料弹性模量E和泊松比μ的测定报告 实验四、扭转实验报告 实验五、剪切弹性模量实验报告 实验六、纯弯曲梁的正应力实验报告 实验七、等强度梁实验报告 实验八、薄壁圆筒在弯扭组合变形下主应力测定报告 实验九、压杆稳定实验报告 实验十、偏心拉伸实验报告 实验十一、静定桁架结构设计与应力分析实验报告 实验十二、超静定桁架结构设计与应力分析实验报告 实验十三、静定刚架与压杆组合结构设计与应力分析实验报告实验十四、双悬臂梁组合结构设计与应力分析实验 实验十五、岩土工程材料的多轴应力特性实验报告 实验一拉伸实验报告

一、实验目的与要求: 二、实验仪器设备和工具: 三、实验记录: 1、试件尺寸 实验后: 屈服极限载荷:P S = kN 强度极限载荷:P b = kN 四、计算 屈服极限: == A P s s σ MPa 强度极限: == A P b b σ MPa 延伸率: =?-= %10000 L L L δ 断面收缩率: =?-= %1000 0A A A ψ 五、绘制P -ΔL 示意图: 实验二 压缩实验报告 一、实验目的与要求: 二、实验仪器设备和工具: 三、试件测量: 材 料 标 距 L 0 (mm) 直径(mm ) 截面 面积 A 0 (mm 2) 截面(1) 截面(2) 截面(3) (1) (2) 平均 (1) (2) 平均 (1) (2) 平均 材 料 标 距 L (mm) 断裂处直径(mm ) 断裂处 截面面积 A(mm 2) (1) (2) 平均 材 料 直 径(mm ) 截面面积 A 0(mm 2)

材料力学实验参考要点

实验一、测定金属材料拉伸时的力学性能 一、实验目的 1、测定低碳钢的屈服极限s σ,强度极限b σ,延伸率δ和面积收缩率ψ。 2、测定铸铁的强度极限b σ。 3、观察拉伸过程中的各种现象,并绘制拉伸图(l F ?-曲线)。 二、仪器设备 1、液压式万能试验机。 2、游标卡尺。 三、实验原理简要 材料的力学性质s σ、b σ、δ和ψ是由拉伸破坏试验来确定的。试验时,利用试验机自动绘出低碳钢拉伸图和铸铁拉伸图。对于低碳材料,确定屈服载荷s F 时,必须缓慢而均匀地使试件产生变形,同时还需要注意观察。测力回转后所指示的最小载荷即为屈服载荷s F ,继续加载,测得最大载荷b F 。试件在达到最大载荷前,伸长变形在标距范围内均匀分布。从最大载荷开始,产生局部伸长和颈缩。颈缩出现后,截面面积迅速减小,继续拉伸所需的载荷也变小了,直至断裂。 铸铁试件在极小变形时,就达到最大载荷,而突然发生断裂。没有流动和颈缩现象,其强度极限远低于碳钢的强度极限。 四、实验过程和步骤 1、用游标卡尺在试件的标距范围内测量三个截面的直径,取其平均值,填入记录表内。取三处中最小值作为计算试件横截面积的直径。 2、 按要求装夹试样(先选其中一根),并保持上下对中。 3、 按要求选择“试验方案”→“新建实验”→“金属圆棒拉伸实验”进行试验,详细操 作要求见万能试验机使用说明。 4、 试样拉断后拆下试样,根据试验机使用说明把试样的l F ?-曲线显示在微机显示屏 上。从低碳钢的l F ?-曲线上读取s F 、b F 值,从铸铁的l F ?-曲线上读取b F 值。 5、 测量低碳钢(铸铁)拉断后的断口最小直径及横截面面积。 6、 根据低碳钢(铸铁)断口的位置选择直接测量或移位方法测量标距段长度1l 。 7、 比较低碳钢和铸铁的断口特征。 8、 试验机复原。

经典力学守恒定律的微观证明

经典力学守恒定律的微观证明 发表时间:2015-07-20T16:47:50.817Z 来源:《科学教育前沿》2015年4期作者:韩瑞功[导读] 经典物理是研究物理问题的基础,将经典物理的有关知识引深到微观物理学中,对于研究问题,扩展思维空间,培养创造力具有重要作用。 韩瑞功(潍坊科技学院山东寿光 262700)【摘要】经典物理是研究物理问题的基础,将经典物理的有关知识引深到微观物理学中,对于研究问题,扩展思维空间,培养创造力具有重要作用。 【关键词】经典力学定律证明 在经典物理学中,有众多我们熟悉的守恒定律,而这些守恒定律为我们解决经典力学问题,特别是物理学中有关应用提供了极其重要的方法和理论依据,是普通物理,及至中学物理解决问题的基本思维形式。物理学是一门自然科学,其中守恒定律与其对称性的密切关系,贯穿于整个物理学的始终,研究和分析物理学的微观原理,对于全面掌握物理学研究、发展规律,提高其分析问题、解决问题的能力,培养其创新思维和创新能力都具有重要的现实意义。 此外,我们还可以用一个有心力场中运动的粒子进行证明,证明的结果是完全相同,此时粒子系统的角动量守恒。对称性与守恒定律联系是密切的,它们的关系起源于经典力学,这种辩证的思维方法和解决问题的基本思路,是当今及至今后一个时期物理学教学的基本方法之一,以到延续到高等物理且继续推广到电磁学、量子力学、量子场论和基本粒子理论,需要广大的物理教育工作者,特别是基础教育和中等教育工作者进行深入研究。 尽管物理学中有许多复杂的细节,但却存在不少这样简单而优美的方面,并且常常在物理学中表现为物质的对称性以及动力学规律的不变性(守恒)。物理学中最重要的一些守恒例如能量、动量以及角动量守恒定律等,同位旋、重子数、奇异数、超荷、色、味等内禀守恒量等等都可以用现代实验测定,是研究和应用的重要理论基础。 参考文献 1、金仲辉梁德余主编科学出版社 2000、3

材料力学性能考试题与答案

07 秋材料力学性能 一、填空:(每空1分,总分25分) 1. 材料硬度的测定方法有、和。 2. 在材料力学行为的研究中,经常采用三种典型的试样进行研究,即、和。 3.平均应力越高,疲劳寿命。 4.材料在扭转作用下,在圆杆横截面上无正应力而只有 , 中心处切应力为 ,表面处。 5.脆性断裂的两种方式为和。 6.脆性材料切口根部裂纹形成准则遵循断裂准则; 塑性材料切口根部裂纹形成准则遵循断裂准则; 7.外力与裂纹面的取向关系不同,断裂模式不同,张开型中外加 拉应力与断裂面,而在滑开型中两者的取向关系则为。 8.蠕变断裂全过程大致由、和 三个阶段组成。

9.磨损目前比较常用的分类方法是按磨损的失效机制分为、和腐蚀磨损等。 10.深层剥落一般发生在表面强化材料的区域。 11.诱发材料脆断的三大因素分别是、和。 二、选择:(每题1分,总分15分) ()1. 下列哪项不是陶瓷材料的优点 a)耐高温 b) 耐腐蚀 c) 耐磨损 d)塑性好 ()2. 对于脆性材料,其抗压强度一般比抗拉强度 a) 高b) 低c) 相等d) 不确定 ()3.用10mm直径淬火钢球,加压3000kg,保持30s,测得的布氏硬度值为150的正确表示应为 a) 150HBW10/3000/30 b) 150HRA3000/l0/ 30 c) 150HRC30/3000/10 d) 150HBSl0/3000/30 ()4.对同一种材料,δ5比δ10 a) 大 b) 小 c) 相同 d) 不确定 ()5. 下列哪种材料用显微硬度方法测定其硬度。

a) 淬火钢件 b) 灰铸铁铸件 c) 退货态下的软钢 d) 陶瓷 ()6.下列哪种材料适合作为机床床身材料 a) 45钢 b) 40Cr钢 c) 35CrMo钢 d) 灰铸铁()7. 下列哪种断裂模式的外加应力与裂纹面垂直,因而它是最危险的一种断裂方式。 a) 撕开型 b) 张开型 c) 滑开型 d) 复合型()8. 下列哪副图是金属材料沿晶断裂的典型断口形貌 a) b) c) d) ()9. 下列哪种材料中的弹性模量最高 a) 氧化铝 b) 钢 c) 铝 d) 铜 ()10. 韧性材料在什么样的条件下可能变成脆性材料 a) 增大缺口半径 b) 增大加载速度 c) 升高温度 d) 减小晶粒尺寸 ()11.应力腐蚀门槛值正确的符号为 a) K ISCC b) ΔK th c) K IC d) CF ()12.σm=0 , R=-1 表示下列哪种循环应力

拉伸试验材料力学试验报告

拉伸试验材料力学试验报告 拉伸实验 一(实验目的: 1.学习了解电子万能试验机的结构原理,并进行操作练习。 2.确定低碳钢试样的屈服极限、强度极限、伸长率、面积收缩率。 3.确定铸铁试样的强度极限。 4.观察不同材料的试样在拉伸过程中表现的各种现象。 二(实验设备及工具: 电子万能试验机、游标卡尺、记号笔。 三(试验原理: 塑性材料和脆性材料拉伸时的力学性能。(在实验过程及数据处理时所支撑的理论依据。参考材料力学、工程力学课本的介绍,以及相关的书籍介绍,自己编写。) 四(实验步骤 1.低碳钢实验 (1)量直径、画标记: 用游标卡尺量取试样的直径。在试样上选取3各位置,每个位置互相垂直地测量2次直径,取其平均值;然后从3个位置的平均值中取最小值作为试样的直径。用记号笔在试样中部画一个或长的标距,作为原始标距。 (2)安装试样:

启动电子万能试验机,手动立柱上的“上升”或“下降”键,调整活动横梁位置,使上、下夹头之间的位置能满足试样长度,把试样放在两夹头之间,沿箭头方向旋转手柄,夹紧试样。 (3)调整试验机并对试样施加载荷: 调整负荷(试验力)、峰值、变形、位移、试验时间的零点;根据计算出加载速度,其中为试样中部平行段长度,当测定下屈服强度和抗拉强度时 ,并将计算结果归整后输入;按下显示屏中的“开始”键,给试样施加载荷;在加载过程中,注意观察屈服载荷的变化,记录下屈服载荷的大小,当载荷达到峰值时,注意观察试样发生的颈缩现象;直到试样断裂后按下“停止”键。 (4)试样断裂后,记录下最大载荷。从夹头上取下试样,重新对好,量取断后标距和断口处最小直径。 2.铸铁实验 1)量直径: ( 用游标卡尺量取试样的直径。在试样上选取3各位置,每个位置互相垂直地测量2次直径,取其平均值;然后从3个位置的平均值中取最小值作为试样的直径。 (2)安装试样: 启动电子万能试验机,手动立柱上的“上升”或“下降”键,调整活动横梁位置,使上、下夹头之间的位置能满足试样长度,把试样放在两夹头之间,沿箭头方向旋转手柄,加紧试样。 (3)调整试验机并对试样施加载荷:

第二章材料的力学行为课后习题答案.doc

第二章 材料的力学行为 1.说明下列力学性能指标的名称、单位及其含义:σb 、σs 、σ0.2、σ-1、δ、αk 答:σb 抗拉强度:单位为MPa ,指材料在拉伸断裂前所能够承受的最大拉应力。 σs 屈服强度:单位MPa ,指材料开始产生宏观塑性变形时的应力。 σ0.2国标GB228-87规定发生0.2%残余伸长的应力作为屈服点。 δ:可测力学性能指标中的塑性指标 αk 冲击韧性,指用一定尺寸和形状的金属试样,在规定类型的冲击试验上受冲击负荷折断时,试样刻槽处单位横截面上所消耗的冲击功 2.试绘出低碳钢的σ-ε曲线,指出在曲线上哪些出现颈缩现象;如果拉断后试棒上没有颈缩,是否表示它未发生塑性变形? 答:低碳钢的σ-ε曲线如下图,试样将在曲线B 点处出现颈缩现象。如果拉断后试棒上没有颈缩,并不表示它未发生塑性变形,只是塑性变形量很小。 3.在什么条件下,应用布氏硬度试验比洛氏硬度试验好? 在测试低硬度零件的时候,布氏硬度比洛氏硬度要更准确些,当然零件厚度及相关尺寸必须满足布氏硬度测试的条件。洛式硬度压痕很小,测量值有局部性,须测数点求平均值,适用成品和薄片,归于无损检测一类。布式硬度压痕较大,测量值准,不适用成品和薄片,一般不归于无损检测一类。 4. K σ与1c K 的概念有什么不同? 答:K σ是工程材料中的材料的屈服点。只要裂纹很尖锐,顶端附近各点应力K σ的大小取决与一比例系数1K 。由于1K 反映了裂纹尖端附近各点的强弱,故称为应力强度因子。当1K 增大到某一临界值时,就会使裂纹尖端附近各点的应力大到足以是裂纹失稳扩展,从而引起脆断。这个应力强度因子的临界值,称为材料的断裂韧性,用1c K 表示。 5.在什么情况下应考虑材料的高低温性能?它们的主要性能指标是什么?

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