工程材料力学性能答案样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除。111111111.7决定金属屈服强度的因素有哪些? 12 内在因素: 金属本性及晶格类型、 晶粒大小和亚结构、 溶质元素、 第二相。 外在因素: 温度、 应变速率和应力状态。1.9试举出几种能显著强化金属而又不降低其塑性的方法。 固溶强化、 形变硬化、 细晶强化1.10试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险? 21 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。1.13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。上述断口三区域的形态、 大小和相对位置, 因试样形状、 尺寸和金属材料的性能以及试验温度、 加载速率和受力状态不同而变化? 1.20断裂强度与抗拉强度有何区别? 抗拉强度是试样断裂前所承受的最大工程应力, 记为b; 拉伸断裂时的真应力称为 断裂强度记为f; 两者之间有经验关系: f = b (1+); 脆性材料的抗拉强度就是断裂强度; 对于塑性材料, 由于出现颈缩两者并不相等。1.22裂纹扩展受哪些因素支配? 答:裂纹形核前均需有塑性变形; 位错运动受阻, 在一定条件下便会形成裂纹。2.3试综合比较单向拉伸、 压缩、 弯曲及扭转试验的特点和应用范围。答: 单向拉伸试验的特点及应用: 单向拉伸的应力状态较硬, 一般用于塑性变形抗力与切断强度较低得所谓塑性材料试验。压缩试验的特点及应用: ( 1) 单向压缩的应力状态软性系数a=2, 因此, 压缩试验主要用于脆性材料, 以显示其在静拉伸时缩不能反映的材料在韧性状态下的力学行为。( 2) 压缩与拉伸受力方向不但相反, 且两种试验所得的载荷变形曲线、 塑性及断裂形态也存在较大的差别, 特别是压缩不能使塑性材料断裂, 故塑性材料一般不采用压缩方法试验。( 3) 多向不等压缩试验的应力软性系数a2, 故此方法适用于脆性更大的材料, 它能够反映此类材料的微小塑性差异。另外接触表面处承受多向压缩的机件, 也能够采用多向压缩试验, 使试验条件与试验服役条件更接近。弯曲试验的特点及应用: ( 1) 弯曲加载时受拉的一侧应力状态基本上与静拉伸时相同, 且不存在如拉伸时的所谓试样偏斜对试样结果的影响。因此弯曲试验常见于测定那些由于太硬难于加工成拉伸试样的脆性材料的断裂强度, 并能显示出它们的塑性差别。( 2) 弯曲试验时, 截面上的应力分布也是表面上应力最大, 故可灵敏的反映材料的表面缺陷, 因此, 常见来比较和评定材料表面处理层的质量。( 3) 由弯曲图能够看出弯曲试验不能使这些材料断裂, 在这种情况下虽能够测定非比例弯曲应力, 但实际上很少使用。扭转试验的特点及应用: ( 1) 扭转试验中扭转的应力状态软性系数=0.8, 比拉伸时的大, 易于显示金属的塑性行为。圆柱形试件扭转时整个长度上的塑性变形是均匀的, 没有紧缩现象, 因此能实现大塑性变形量下的试验。( 2) 扭转试验时, 试件截面上应力应变分布表明, 该实验对金属表面缺陷及表面硬化层的性能有很大的敏感度。扭转时试件中的最大正应力一最大切应力在数值上大致相等, 而生产上所使用的大部分金属材料的正断强度大于切断强度, 因此, 扭转试验是测定这些材料切断强度最可靠的方法。( 3) 扭转试验时, 试件受到较大的切应力, 而且还被广泛的用于研究有关初始塑性变形的非同时性问题, 如弹性后效、 弹性滞后以及内耗等。扭转试验可用于测定塑性材料和脆性材料的剪切变形和断裂的全部力学性能指标, 而且还有着其它力学性能试验方法所无法比拟的优点, 因此, 在科研及生产检验中得到广泛运用。2.7七、 试说明布氏硬度、 洛氏硬度与维氏硬度的实验原理, 并比较布氏、 洛氏与维氏硬度试验方法的优缺点。P49p57原理; 布氏硬度: 用钢球或硬质合金球作为压头, 计算单位面积所承受的试验力。洛氏硬度: 采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头, 以测量压痕深度。维氏硬度: 以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头, 计算单位面积所承受的试验力。布氏硬度优点: 实验时一般采用直径较大的压头球, 因而所得的压痕面积比较大。压痕大的一个优点是其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相得平均性能; 另一个优点是实验数据稳定, 重复性强。缺点: 对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力, 压痕直径的测量也较麻烦, 因而用于自动检测时受到限制。洛氏硬度优点: 操作简便, 迅捷, 硬度值可直接读出; 压痕较小, 可在工件上进行试验; 采用不同标尺可测量各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度, 因而广泛用于热处理质量检测。缺点: 压痕较小, 代表性差; 若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷, 则所测硬度值重复性差, 分散度大; 另外用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系, 不能直接比较。维氏硬度优点: 不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径D之间所规定条件的约束, 也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端; 维氏硬度试验时不但试验力能够任意取, 而且压痕测量的精度较高, 硬度值较为准确。缺点是硬度值需要经过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表, 因此, 工作效率比洛氏硬度法低的多。2.8今有如下零件和材料需要测定硬度, 试说明选择何种硬度实验方法为宜。1渗碳层的硬度分布; 2淬火钢; 3灰铸铁; 4鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体; 5仪表小黄铜齿轮; 6龙门刨床导轨; 7渗氮层; 8高速钢刀具; 9退火态低碳钢; 10硬质合金。1渗碳层的硬度分布-HK或-显微HV2淬火钢-HRC3灰铸铁-HB4鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体-显微HV或者HK5仪表小黄铜齿轮-HV6龙门刨床导轨-HS( 肖氏硬度) 或HL(里氏硬度)7渗氮层-HV8高速钢刀具-HRC9退火态低碳钢-HB10硬质合金-HRA3.4试说明低温脆性的物理本质及其影响因素低温脆性的物理本质: 宏观上对于那些有低温脆性现象的材料, 它们的屈服强度会随温度的降低急剧增加, 而断裂强度随温度的降低而变化不大。当温度降低到某一温度时, 屈服强度增大到高于断裂强度时, 在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大, 因此材料在受力时还未发生屈服便断裂了, 材料显示脆性。从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关, 当温度降低时, 位错运动阻力增大, 原子热激活能力下降, 因此材料屈服强度增加。影响材料低温脆性的因素有( P63, P73) : 1晶体结构: 对称性低的体心立方以及密排六方金属、 合金转变温度高, 材料脆性断裂趋势明显, 塑性差。2化学成分: 能够使材料硬度, 强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差, 材料脆性提高。3显微组织: 晶粒大小, 细化晶粒能够同时提高材料的强度和塑韧性。因为晶界是裂纹扩展的阻力, 晶粒细小, 晶界总面积增加, 晶界处塞积的位错数减少, 有利于降低应力集中; 同时晶界上杂质浓度减少, 避免产生沿晶脆性断裂。金相组织: 较低强度水平时强度等而组织不同的钢, 冲击吸收功和韧脆转变温度以马氏体高温回火最佳, 贝氏体回火组织次之, 片状珠光体组织最差。钢中夹杂物、 碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响, 当其尺寸增大时均使材料韧性下降, 韧脆转变温度升高。3.8简述根据韧脆转变温度分析机件脆断失效的优缺点。缺点: 脆性断裂一般断裂时间较短, 突发性的断裂, 因此在使用时一旦超过屈服强度就会很快断裂 优点: 脆性断裂在常温下表现为脆性, 因此材料 的变形随温度降低时变化不大, 这样在交变温度 的使用环境下, 就不需要考虑材料的冷脆温度33333334.1( 1) 低应力脆断: 高强度、 超高强度钢的机件, 中低强度钢的大型、 重型机件在屈服应 力以下发生的断裂。( 4) 应力场强度因子K: 在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外, 尚与强度因子K有关, 对于某一确定的点, 其应力分量由K确定, K越大, 则应力场各点应力分量也越大, 这样K就能够表示应力场的强弱程度, 称K为应力场强度因子。”I”表示I型裂纹。P68 ( 9) 裂纹扩展K判据: 裂纹在受力时只要满足 K1=KIC , 就会发生脆性断裂反之, 即使存在裂纹, 若 K1Kth时, da/dN0,疲劳裂纹才开始扩展。因此, Kth是疲劳裂纹不扩展的K临界值, 称为疲劳裂纹扩展门槛值。5.4试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程( 新书P9698及PPT, 旧书P109111) 答: 典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域疲劳源、 疲劳区及瞬断区。( 1) 疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地, 疲劳源区的光亮度最大, 因为这里在整个裂纹亚稳扩展过程中断面不断摩擦挤压, 故显示光亮平滑, 另疲劳源的贝纹线细小。( 2) 疲劳区的疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域, 是判断疲劳断裂的重要特征证据。特征是: 断口比较光滑并分布有贝纹线。断口光滑是疲劳源区域的延续, 但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。贝纹线是由载荷变动引起的, 如机器运转时的开动与停歇, 偶然过载引起的载荷变动, 使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。( 3) 瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。其断口比疲劳区粗糙, 脆性材料为结晶状断口, 韧性材料为纤维状断口。4.5试述疲劳曲线( S N) 及疲劳极限的测试方法升降法测试疲劳极限; 取略高于疲劳极限的5级应力水平, 从最高应力水平测试, 当试样经过时, 增加一级应力水平, 不经过时降低一级应力水平, 出现至少13个有效试样时求的材料的疲劳极限成组法测试高应力部分; 去4级较高应力水平, 在每级应力水平下测试5个试样, 得到每个应力水平的N值两种结构整理并拟合成S-N曲线5.6试述疲劳图的意义, 建立及用途意义; 疲劳图是各种应力比循环疲劳极限的集合图。很多机件或构件是在不对称循环载荷下工作的, 因此, 还需要知道材料的 不对称循环疲劳极限。以适应这类机件的设计和选材的需要。建立; 一般是用工程作图法, 由疲劳图群求得各种不对称循环的疲劳极限。1; a- m 疲劳图; 将不同应力比r条件下的疲劳极限max分解为a和m, 并在该坐标系中作ABC曲线, 即为疲劳图。2; max( min) -m疲劳图: 将不同应力比r下的疲劳极限。分别以max和m表示坐标系中得到的疲劳图。用途: 我们只要知道应力比r, 就能够求得疲劳极限。5.7试述疲劳裂纹的形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法。答:宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、 长大及连接而成的。疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的, 主要有表面滑移开裂, 第二相、 夹夹杂物或其界面开裂; 晶界或亚晶界开裂等。阻止疲劳裂纹萌生方法有: 细晶强化、 固溶强化, 降低第二相和夹杂物的脆性, 提高相界面强度, 控制第二相或夹杂物的数量、 形态、 大小和分布, 使晶界强化, 净化均能抑制晶界裂纹形成, 提高疲劳强度5.10试述疲劳裂纹扩展寿命和剩余寿命的估算方法及步骤。答: 经过疲劳裂纹扩展速率表示式, 用积分方法算出疲劳裂纹扩展寿命和疲劳剩余寿命; 具体步骤如下: 计算KI, 再计算裂纹临界尺寸ac, 最后根据有关公式估算疲劳寿命5.12试述金属的硬化与软化现象及产生条件。金属材料在恒定应变范围循环作用下, 随循环周次增加其应力不断增加, 即为循环硬化。金属材料在恒定应变范围循环作用下, 随循环周次增加其应力逐渐减小, 即为循环软化。金属材料产生循环硬化与软化取决于材料的初始状态、 结构特性以及应变幅和温度等。循环硬化和软化与b/s有关: b/s1.4, 表现为循环硬化; b/s1.2, 表现为循环软化; 1.2b/s1.4, 材料比较稳定, 无明显循环硬化和软化现象。也可用应变硬化指数n来判断循环应变对材料的影响, n1硬化。退火状态的塑性材料往往表现为循环硬化, 加工硬化的材料表现为循环软化。循环硬化和软化与位错的运动有关: 退火软金属中, 位错产生交互作用, 运动阻力增大而硬化。冷加工后的金属中, 有位错缠结, 在循环应力下破坏, 阻力变小而软化。556.1、 名词解释1、 应力腐蚀: 金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下, 经过一段时间后所产生的低应力脆断现象。2、 氢脆: 由于氢和应力共同作用而导致的金属材料产生脆性断裂的现象3、 白点: 当钢中含有过量的氢时, 随着温度降低氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢未能扩散逸出, 便聚集在某些缺陷处而形成氢分子。此时, 氢的体积发生急剧膨胀, 内压力很大足以将金属局部撕裂, 而形成微裂纹。4、 氢化物致脆: 对于B或B族金属, 由于它们与氢有较大的亲和力, 极易生成脆性氢化物, 是金属脆化, 这种现象称氢化物致脆。5、 氢致延滞断裂: 这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。二、 说明下列力学性能指标的意义1、 scc: 材料不发生应力腐蚀的临界应力。2、 KIscc: 应力腐蚀临界应力场强度因子。3、 da/dt: 盈利腐蚀列纹扩展速率。6.4分析应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt与K1关系曲线, 并与疲劳裂纹扩展速率曲线进行比较前者的第一和第三阶段的速率随K的变化非常快, 后者相对较慢。第二阶段前者几乎是平行的, 后者比较平稳可是速率还是会随着 k的变法而变化6.6何谓氢致延滞断裂? 为什么高强度钢的氢致延滞断裂是在一定的应变速率下和一定的温度范围内出现? 答: 高强度钢中固溶一定量的氢, 在低于屈服强度的应力持续作用下, 经过一段孕育期后, 金属内部形成裂纹, 发生断裂。-氢致延滞断裂。因为氢致延滞断裂的机理主要是氢固溶于金属晶格中, 产生晶格膨胀畸变, 与刃位错交互作用, 氢易迁移到位错拉应力处, 形成氢气团。当应变速率较低而温度较高时, 氢气团能跟得上位错运动, 但滞后位错一定距离。因此, 气团对位错起”钉扎”作用, 产生局部硬化。当位错运动受阻, 产生位错塞积, 氢气团易于在塞积处聚集, 产生应力集中, 导致微裂纹。若应变速率过高以及温度低的情况下, 氢气团不能跟上位错运动, 便不能产生”钉扎”作用, 也不可能在位错塞积处聚集, 产生应力集中, 导致微裂纹。因此氢致延滞断裂是在一定的应变速率下和一定的温度范围内出现的。6.7试述区别高强度钢的应力腐蚀与氢致延滞断裂的方法应力腐蚀断裂具有腐蚀产物和氧化现象, 故常呈黑色和灰黑色。而且常有分叉现象, 呈枯树枝状。氢致延滞断裂没有这些现象。6667.1磨损: 机件表面相互接触并产生相对运动, 表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑, 使表面材料逐渐损失、 造成表面损伤的现象粘着: 实际上就是原子间的键合作用犁皱: 相对运动两表面的较软表面因塑形变形而形成的犁痕式的破坏。耐磨性: 耐磨性是材料抵抗磨损的性能。接触疲劳: 两接触面做滚动或滚动加滑动摩擦时, 在交变接触压应力长期作用下, 材料表面因疲劳损伤, 导致局部区域产生小片金属剥落而使材料损失的现象。【P153】7777蠕变: 在长时间的恒温、 恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。.应力松弛: 在规定温度和处事应力条件下, 金属材料中的应力随时间增加而减小的现象。稳态蠕变: 稳态蠕变: 蠕变速率几乎保持不变的蠕变。扩散蠕变: 在高温条件下, 晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移, 原子则朝相反方向流动, 致使晶体逐渐产生伸长的蠕变。持久伸长率; 在高温持久试验后, 试样断裂后的伸长率8.3试说明高温下金属蠕变变形的机理与常温下金属塑性变形的机理有何不同? 答: 常温下金属塑性变形主要是经过位错滑移和孪晶进行的, 以位错滑移为主要机制。当滑移面上的位错运动受阻产生塞积时, 必须在更大的切应力作用下才能使位错重新运动和增值, 宏观变现为加工硬化现象, 或对于螺型位错, 采用交滑移改变滑移面来实现位错继续运动。而当高温下金属蠕变变形主要经过位错滑移, 原子扩散等机理进行。1, 当滑移面上的位错运动受阻产生塞积时, 位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服短程阻碍。主要是经过刃型位错的攀移来实现。2, 另外, 在高温下大量原子和空位定向移动, 即在两端拉应力作用下, 晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移, 原子则朝相反方向流动致使晶体伸长产生蠕变, 即扩散蠕变。总之, 在高温条件下, 金属塑性变形仍得以继续进行, 即高温蠕动变形。-弹性模量E的物理意义? E是一个特殊的力学性能, 表现在哪里物理意义: 弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标, 其值越大, 使材料发生一定弹性变形的应力也越大, 即材料刚度越大, 亦即在一定应力作用下, 发生弹性变形越小。弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标, 相当于普通弹簧中的刚度。表现: 单晶体金属的弹性模量在不同晶体学方向上是不一样的, 表现出弹性各向异性。多晶体金属的弹性模量为各晶粒弹性模量的统计平均值, 呈现伪各向同性。? 你学习了哪几个弹性指标/弹性模量 弹性比功 滞弹性? 什么是滞弹性 内耗 循环韧性 包申格效应? 滞弹性定义: 在弹性范围内快速加载或卸载后, 随时间的延长而产生的附加弹性应变, 即应变落后于应力的现象。循环韧性: 金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力, 内耗: 金属在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力, 用弹性滞后环面积来度量包申格效应定义: 材料经预先加载并产生少量塑性变形(残余应变为1%4%), 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, 称为包申格效应。? 应变硬化指数n的物理意义和实际意义物理意义: 1: 反应了金属材料抵抗均匀塑性变形能力。是表征金属材料应变硬化行为的性能指标。2: n与层错有关, 层错能低的材料应变硬化程度大3: n值多金属材料的冷变形十分敏感实际意义1: 金属材料的n值较大, 则加工成的机件在服役时承受偶然过载的能力也就越大, 能够阻止机件某些薄弱部位继续塑性变形从而保证机件安全服役2: n大的材料冲压性能好, 因为应变形均匀, 减少变薄和增大极限变形程度, 不产生裂纹。? 解理断裂及其微观断口特征解理断裂: 无明显塑性变形, 沿解理面分离, 穿晶断裂微观断口特征: 解理台阶 河流花样 舌状花样? 微观聚集断裂及其微观断口特征微观聚集断裂;沿晶界微孔聚合, 沿晶断裂。在晶内微观聚合穿晶断裂微观断口特征: 端口上分布大量”韧窝”?冲击韧性及其意义冲击韧性;是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变性功和断裂功德能力意义: 显示加载速度和缺口效应对金属材料韧性的影响? 冲击韧性的影响因素加载速度 缺口效应? 韧脆转变的温度材料屈服强度急剧升高的温度或断后伸长率, 断面收缩率, 冲击吸收功急剧减小的温度, 就是任性转变温度?