材料性能學課后習題與解答(編輯修改稿)
2024-09-01 08:25 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 a. 有一材料，模量E＝200GPa, 單位面積的表面能γS＝8 J/m2, 試計算在70MPa的拉應力作用下，該裂紋的臨界裂紋長度？若該材料裂紋尖端的變形塑性功γP＝400 J/m2，該裂紋的臨界裂紋長度又為多少？[利用格里菲斯公式和奧羅萬修正公式計算]解：由格里菲斯公式得 由奧羅萬修正公式得 b. 已知αFe的(100)晶面是解理面，其表面能是2 J/m2，楊氏模量E＝200 GPa，晶格常數(shù)a0＝，試計算其理論斷裂強度？解：c. 馬氏體時效鋼的屈服強度是2100MPa，斷裂韌度66MPam1/2，用這種材料制造飛機起落架，最大設計應力為屈服強度的70％，試計算其應力強度因子，判斷材料的使用安全性。[提示：假設存在的是小的邊緣裂紋，采用有限寬板單邊直裂紋模型，2ba。 若存在的是穿透裂紋，則應用無限大板穿透裂紋模型計算]解： 第五章 疲勞性能名詞解釋：循環(huán)應力 貝紋線 疲勞條帶 疲勞強度 過載持久值 熱疲勞 解：循環(huán)應力：周期性變化的應力。貝文線：疲勞裂紋擴展區(qū)留下的海灘狀條紋。疲勞條帶：略呈彎曲并相互平行的溝槽狀花樣，與裂紋擴展方向垂直，疲勞斷裂時留下的微觀痕跡。疲勞強度：指定疲勞壽命下，材料能夠承受的上限循環(huán)應力。過載持久值：材料在高于疲勞強度的一定應力下工作，發(fā)生疲勞斷裂的應力循環(huán)周次。熱疲勞：機件在由溫度循環(huán)變化產(chǎn)生的循環(huán)熱應力及熱應變作用下，發(fā)生的疲勞。簡答 a. 比較金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復合材料疲勞斷裂的特點？解：金屬材料的裂紋擴展分兩個階段沿切應力最大方向向內(nèi)擴展沿垂直拉應力方向向前擴展。疲勞斷口一般由疲勞源、疲勞區(qū)、瞬斷區(qū)組成。有貝文線（宏觀）和疲勞條帶（微觀）。 陶瓷材料裂紋尖端不存在循環(huán)應力的疲勞效應，裂紋同樣經(jīng)歷萌生、擴展和瞬斷過程。對材料的表面缺陷十分敏感，強烈依賴于、環(huán)境、成分、組織結(jié)構(gòu)，不易觀察到疲勞貝文線和條帶，沒有明顯的疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)。高分子材料在高循環(huán)應力作用下出現(xiàn)銀紋，銀紋轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y并擴展，導致疲勞破壞。低應力條件下，疲勞應變軟化。分子鏈間剪切滑移產(chǎn)生微孔洞，隨后產(chǎn)生宏觀裂紋。循環(huán)應力作用下溫度升高，產(chǎn)生熱疲勞失效。 復合材料有多種損傷形式，如界面脫落、分層、纖維斷裂等，不會發(fā)生瞬時的疲勞破壞，較大應變會使纖維基體變形不協(xié)調(diào)引起開裂，形成疲勞源。疲勞性能和纖維取向有關(guān)。b. 疲勞斷口宏觀斷口和微觀斷口分別有什么特征？解：宏觀斷口有三個特征區(qū)：疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)。疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地，多在機件表面常和缺口、裂紋等缺陷及內(nèi)部冶金缺陷有關(guān)，比較光亮，表面硬度有所提高，可以是一個也可以是多個。疲勞裂紋擴展區(qū)斷口較光滑并分布有貝文線，有時還有裂紋擴展臺階，斷口光滑是疲勞源區(qū)的連續(xù)，程度隨裂紋向前擴展而逐漸減弱，貝文線是最典型的特征。瞬斷區(qū)斷口粗糙，脆性斷口呈結(jié)晶狀，韌性斷裂在心部平面應變區(qū)呈放射狀或人字紋，邊緣應力區(qū)有剪切唇存在。一般在疲勞源對側(cè)。c. 列出至少四條提高金屬疲勞性能的措施解：噴丸處理表面熱處理復合強化次載鍛煉計算：a. 某材料的應力幅和失效循環(huán)周次如下：應力幅(MPa)失效循環(huán)周次(104)5001400735010275100250＞1000225＞1000試繪制S－N曲線，并確定疲勞極限；如設計要求最少疲勞壽命105次，則許用的最大循環(huán)應力是多少？解： 由圖知，疲勞極限=250MPa設計壽命最少時，最大需用循環(huán)應力為275MPa。b. 某壓力容器受到升壓降壓交變應力△σ＝120MPa作用，計算得知該容器允許的臨界裂紋長度2ac＝125mm，檢查發(fā)現(xiàn)該容器有一長度2a＝42mm的周向穿透裂紋，假設疲勞裂紋擴展符合Paris公式，假設疲勞擴展系數(shù)C＝210－10，n＝3，試計算該容器的疲勞壽命和循環(huán)10萬次后的疲勞裂紋長度是多少？解：設裂紋為無線大板穿透裂紋，則由Paris公式得解得N=3016當N=10萬次時2a=第六章 磨損性能名詞解釋： 磨損 接觸疲勞 解：磨損：物體表面相互摩擦時，材料自表面逐漸減少時的過程。接觸疲勞：兩材料作滾動或滾動加滑動摩擦時，交變接觸壓應力長期作用使得材料表面疲勞磨損，局部區(qū)域出現(xiàn)小片或者小塊材料剝落而產(chǎn)生的疲勞。簡答a. 簡述常見的磨損類型和特點？如何提高材料的耐磨粒磨損抗力？解：常見的磨損類型和特點有粘著磨損，特點是機件表面有大小不等的結(jié)疤。磨粒磨損，摩擦面上有擦傷或明顯犁皺紋。腐蝕磨損，氧化磨損，磨損產(chǎn)物為氧化物如紅褐色的三氧化二鐵。接觸疲勞磨損，出現(xiàn)許多豆狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑。 提高磨粒磨損的抗力可以選用高硬度韌性好的材料或使用表面硬化的材料。b. 試從提高材料疲勞強度、接觸疲勞、耐磨性觀點出發(fā)，分析化學熱處理時應注意的事項。解：化學熱處理過程中采用球化退火處理和高溫回火，減小碳化物粒度并使之分布均勻。采取適當?shù)娜ν嘶鸸に囀共牧显谝欢ǚ秶鷥?nèi)保持殘余應力，提高疲勞強度和耐磨性。、高分子材料的磨損特點？解
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