材料性能学作业及答案.doc

本学期材料性能学作业及答案
第一次作业 P36-37
第一章
1名词解释
4、决定金属屈服强度的因素有哪些？
答：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。

10、 将某材料制成长50，直径5的圆柱形拉伸试样，当进行拉伸试验时塑性变形阶段的外力F和长度增量ΔL的关系为：
6000 8000 10000 12000 14000
ΔL 1 2.5 4.5 7.5 11.5
求该材料的硬化系数K及应变硬化指数n。
解：已知：L0=50，2.5，F和ΔL如上表所示，由公式（工程应力）σ0,（工程应变）ε=Δ00=πr2,可计算得：A0=19.63502
σ1= 305.5768，ε1=0.0200，
σ2=407.4357 ，ε2=0.0500，
σ3= 509.2946，ε3=0.0900，
σ4= 611.1536，ε4=0.1500，
σ5= 713.0125，ε5=0.2300，
又由公式（真应变）(0)(1+ε)，（真应力）σ（1+ε），计算得：
e1=0.0199，S1=311.6883，
e2=0.0489，S2=427.8075，
e3=0.0864，S3=555.1311，
e4=0.1402，S4=702.8266，
e5=0.2076，S5=877.0053，
又由公式，即，可计算出1.2379×103，0.3521。
11、试述韧性断裂和脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？ 
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。
韧性断裂：是断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂
 特征： 断裂面一般平行于最大切应力和主应力成45度角。 断口成纤维状（塑变中微裂纹扩展和连接），灰暗色（反光能力弱）。
 断口三要素： 纤维区、放射区、剪切唇这三个区域的比例关系和材料韧断性能有关。 
脆性断裂：断裂前基本不发生塑性变形的，突发的断裂。
 特征：断裂面和正应力垂直，断口平齐而光滑，呈放射状或结晶状。
 注意：脆性断裂也产生微量塑性变形。 断面收缩率小于5％为脆性断裂，大于5％为韧性断裂。
14、通常纯铁的22，2×105，a0=2.5×10-10m，试求其理论断裂强度σm。
解：由公式σ（0）1/2，可得σ4.0×104。
15、 若一薄板内有一条长3的裂纹，且a0=3×10-8，试求脆性断裂时断裂应力σc（设σ10=2×105）。
解：由公式σσ(0)1/2，a为σc对应的裂纹半长度，即1.5，σ28.2845
17、断裂强度σc和抗拉强度σb有何区别？
答：σc是材料裂纹产生失稳扩展的断裂强度，在应力应变曲线上为断裂时的强度值。σb是韧性金属试样拉断过程中最大力所对应的应力。
第二次作业（P54）
第二章
1. 解释下列名词
2. 说明下列力学性能指标的意义
3. 简述缺口三效应
（1）造成应力集中
（2）改变了缺口前方的应力状态，使平板中的材料所受应力由原来的单向拉伸变为两向或三向拉伸
（3）缺口使塑性材料得到强化
9. 说明下列工件选用何种硬度试验法
解：
（1）渗碳层的硬度分布：或
（2）淬火钢：
（3）灰铸铁：
（4）硬质合金：
（5）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体：或
（8）氮化层：
（10）高速钢刀具：
10. 在294.3N（30）载荷下测定某钢材的维氏硬度。测得压痕对角线长度为0.454，试计算该钢材的维氏硬度值，并推算这种钢的抗拉强度值σb（抗拉强度不需要算）。
解：1854.42，式中F以为单位，d以为单位。
269.9063
第三章
1解释下列名词
2说明下列力学性能指标的意义
5下列3组试验方法中，请举出每一组中哪种试验方法测得的较高？为什么？
（1）拉伸和扭转；（2）缺口静弯曲和缺口扭转弯曲；（3）光滑试样拉伸和缺口试样拉伸。
答：
材料的脆性越大，越高；同一种材料的脆性则随试验条件而定； 
（1）拉伸测出的比扭转测出的高，因为扭转条件下，材料容易产生塑性变形，材料的脆性小。 
（2）缺口冲击弯曲测出的比缺口静弯曲测出的高，因为冲击试验时，加荷速度增加使变形速度增加，结果使塑性变形受到抑制，从而使材料的脆性增加。
（3）缺口试样拉伸测出的比光滑试样拉伸测出的高，因为缺口使材料的脆性增加。
第三次作业（P84）
第四章
1. 名词解释
2. 说明下列符号的名称和含义
3. 说明和的异同。（答案：P68页第四自然段）
11.有一构件加工时，出现表面半椭圆裂纹，若1，0.3，在σ=1000的应力下工作，对下列材料应选哪一种？（P80页例1类似）
σ0.2
1100
1200
1300
1400
1500
(·m1/2)
110
95
75
60
55
解：（1）σ/σ0.2=1000/1100= 0.9091>=0.6~0.7，所以必须考虑塑性区的修正问题。采用下列公式计算：

其中由第二类椭圆积分：

当0.3时，查表得Ф2=1.19。将有关数据代入上式，得：
1=61.2(·m1/2)<1=110(·m1/2)
由此可见，1<1，说明使用材料1不会发生脆性断裂，可以选用。
由此类推：
（2）2=60.4(·m1/2)<2=95(·m1/2)
由此可见，<，说明使用材料2不会发生脆性断裂，可以选用。
（2）3=57.9(·m1/2)<3=75(·m1/2)
由此可见，<，说明使用材料3不会发生脆性断裂，可以选用。
（2）4=59.3(·m1/2)≈4=60(·m1/2)
由此可见，4≈4，说明使用材料4可能会发生脆性断裂，不可以选用。
（2）5=58.9(·m1/2)>5=55(·m1/2)
由此可见，5>5，说明使用材料5会发生脆性断裂，不可以选用。
第四次作业（P108）
第五章
1. 名词解释
2. 解释下列性能指标的意义
4. 试述疲劳宏观断口和微观断口的特征及其形成过程或模型。（P88页）
答：
（一）疲劳宏观断口
（1）具有三个明显特征区： 
1）疲劳源区：一般较平整和光滑，源区越多，反映外加应力越高，应力集中位置越多或应力集中系数越大，多源断口的源区存在台阶，比较粗糙； 
2）疲劳裂纹扩展区：常形成海滩花样或贝壳花样，出现疲劳弧线，疲劳源位于疲劳弧线凹的一方； 
3）瞬断区：视材料塑性显示韧性断裂斜断口或脆性断裂平断口。 
（2）形成过程：
1）疲劳裂纹萌生
疲劳裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起，主要方式有：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物和基体界面或夹杂物本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。循环载荷作用下，形成驻留滑移带，随着滑移带在表面加宽的过程出现挤出脊和侵入沟，引起应力集中。
2） 疲劳裂纹扩展
疲劳裂纹萌生后便开始扩展，分为两个阶段，即扩展一阶段是沿着最大切应力方向向内扩展，扩展二阶段是沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直至最后形成剪切唇。
3）断裂
（二）疲劳微观断口
（1）特征：
1）疲劳辉纹（或疲劳条带）：是略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样，和裂纹扩展方向相垂直，是裂纹扩展时留下的微观痕迹。每一条辉纹表示该循环下疲劳裂纹扩展前沿在前进过程中瞬时微观位置，辉纹的数目和载荷循环次数相等。断裂三阶段的疲劳辉纹略有差异，从疲劳源区到终断区依次是弱波浪条纹、细条纹和深条纹。 
2）轮胎压痕
（2）形成过程：
模型，即刚开始时，裂纹处于闭合状态，随着拉应力的增加到最大值时，裂纹张开至最大，裂尖钝化，向前扩展一段距离；当转入压应力半周期时，滑移沿相反方向进行，原裂纹和新扩展的裂纹表面被压合，裂纹尖端被弯折成一对耳状切口；最大压应力时，裂纹表面完全被压合，裂尖变成一对尖角，向前再扩展一段距离，并在断口上留下一条疲劳条带。可见在循环应力的作用下，裂纹尖端的钝锐交替变化，反复进行，使新的条带不断形成，疲劳裂纹也就不断向前扩展。
模型，即裂纹扩展是断续的，通过主裂纹前方萌生新裂纹核，长大并和主裂纹连接起来实现。
5. 疲劳失效过程可分为哪几个阶段？简述各阶段的机制及提高材料疲劳抗力的主要方法。
答：
（1） 疲劳失效过程可分为两个阶段，即裂纹萌生、裂纹扩展以及断裂。
（2） 裂纹萌生的机理：疲劳裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起，主要方式有：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物和基体界面或夹杂物本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。循环载荷作用下，形成驻留滑移带，随着滑移带在表面加宽的过程出现挤出脊和侵入沟，引起应力集中。
裂纹扩展的机理：分为两个阶段，即扩展一阶段是沿着最大切应力方向向内扩展，扩展二阶段是沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直至最后形成剪切唇。
（3） 提高疲劳抗力的主要方法：
①　 将材料进行次载锻炼和间歇效应，降低温度，减少腐蚀，可提高材料的疲劳强度，延长疲劳寿命；
②　 表面应仔细加工，尽量减少刀痕、擦伤或大的缺陷，以及尽量降低尺寸效应；
③　 提高机件表面塑性抗力（强度和硬度），降低表面的有效拉应力，如采用表面喷丸及滚压、表面热处理和化学热处理、符合强化等措施，可抑制材料表面疲劳裂纹的萌生和扩展有效的提高疲劳强度。
④　 进行固溶强化、细晶强化、弥散强化处理，减少非金属夹杂物及冶金缺陷，提高组织均匀性，可提高材料形变抗力和疲劳强度。
8.试述应力集中和应力比对疲劳寿命和疲劳强度的影响规律。
答：
应力集中处是机件最薄弱的地方，易形成裂纹，是疲劳源的萌生处。应力集中越大，材料疲劳强度越低，疲劳寿命也就越短；反之，应力集中越小，材料疲劳强度越高，疲劳寿命也就越长。
应力比σσ。疲劳强度随应力比的增加而增加，疲劳寿命也之增长。
第五次作 业（P122）
第六章
1 名词解释
2磨损有哪几种类型？举例说明它们产生的条件、磨损过程及表面损伤形貌。
答：磨损可分为4类：粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损及麻点疲劳磨损（接触疲劳）。
（1） 粘着磨损
1） 产生条件：摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化薄膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大的滑动摩擦条件下。
2） 磨损过程：（P111页最后一个自然段）
3） 表面损伤形貌：机件表面有大小不等的结疤。
（2） 磨料磨损
1） 产生条件：摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面间存在硬质粒子（从外界进入或从表面剥落）时产生的磨损。
2） 磨损过程：（P113页倒数第二自然段）
3） 表面损伤形貌：摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。
（3） 腐蚀磨损
1）产生条件：摩擦副之间或摩擦副表面和环境介质发生化学或电化学反应。
2）磨损过程：以氧化磨损为例。当摩擦副作相对运动时，由于表面凹凸不平，在凸起部位单位压力很大，导致产生塑性变形。塑性变形加速了氧向金属内部扩散，从而形成氧化膜。由于形成的氧化膜强度很低，在摩擦副继续作相对运动时，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剥落，裸露出新表面，从而又发生氧化，随后又再被磨去。如此，氧化膜形成又除去，机件表面组件被磨损，这就是氧化磨损的过程。
3）表面损伤形貌：在摩擦面上沿滑动方向呈均匀细小磨痕。
（4） 麻点疲劳磨损（接触疲劳）
1） 产生条件：两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使材料表面疲劳损伤，局部区域出现小片或小块状材料剥落。
2） 磨损过程：（P116页第3点）
3） 表面损伤形貌：接触面表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑（麻坑），有点凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。
5请从金属接触疲劳的3种破坏机理、特征及产生的力学条件比较其和普通机械疲劳的异同。
答：金属接触疲劳的3种破坏：麻点剥落（点蚀）、浅层剥落、深层剥落（表面压碎）。
（1）麻点剥落（点蚀）
1）机理：（P116页）
2）特征：0.1~0.2深的痘状凹坑
3）产生的力学条件：表面接触应力较小、摩擦力较大或表面质量较差时，易出现麻点剥落。
（2）浅层剥落
1）机理：P117页
2）特征：0.2~0.4的盆状凹坑
3）产生的力学条件：最大循环切应力条件下产生
（3）深层剥落
1）机理：P117页
2）特征：大于0.4的大块材料剥落
3）产生的力学条件：切应力/抗切强度比值最大时产生
（4）普通机械疲劳
1）机理：材料或零件在循环应力和应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性积累损伤，经过一定的循环次数后，产生裂纹或突发性断裂的过程称为疲劳。
2）特征：裂纹、断裂
3）产生的力学条件：在循环应力和应变作用产生
第七章
1名词解释
4试简述高温下金属蠕变变形和应力松弛的异同点。
答：
高温蠕变是指金属在高温和应力同时作用下，应力保持不变，其非弹性变形量随时间的延长而缓慢增加的现象。高温、应力和时间是蠕变发生的三要素。应力越大，温度越高，且在高温下停留时间越长则蠕变越甚。
应力松弛是指在高温下工作的金属构件，在总变形量不变的条件下其弹性变形随时间的延长不断转变成非弹性变形，从而引起金属中应力逐渐下降并趋于一个稳定值的现象。
同：蠕变和应力松弛二者实质是相同的，都是材料在高温下随时间发生的非弹性变形的积累过程。
异：所不同的是应力松弛是在总变形量一定的特定条件下一部分弹性变形转变为非弹性变形；而蠕变则是在恒定应力长期作用下直接产生非弹性变形。
第六次作业（P258）
第十三章
1名词解释
2电化学保护保护哪几种保护方式？二者的区别是什么？（P282页）
答：阴极保护和阳极保护
（1） 阴极保护：是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。利用阴极保护效应减轻金属设备腐蚀的防护方法叫做阴极保护 。
1） 牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属和被保护金属连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的相同的电位下。
2） 外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极，是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，使被保护金属结构电位低于周围环境。
（2） 阳极保护：对具有活态-钝态转变而不能自钝化的腐蚀体系，通过阳极极化电流，使金属的电位正移到稳定钝化区内，金属的腐蚀速度就会大大降低，这种保护方法称为阳极保护。
阳极保护的实现必须具备两个条件：1）腐蚀体系的阳极极化曲线上存在钝化区，即在阳极极化时金属能够钝化；2）阳极极化时金属的电位要正移到钝化区内，否则金属的腐蚀速度不仅不会减小反而会增大。
区别：阴极保护需要外加电流，被保护结构物成为阴极，抑制电子迁移，达到最小保护电位和最小保护电流密度；阳极保护需要金属电位正移到钝化区，在金属表面建立钝态并维持钝态，才会起到阳极保护作用。
3按缓蚀剂的作用机理，缓蚀剂可分为几种类型？简要说明缓蚀剂的电化学原理。
答：阳极型、阴极型、混合型缓蚀剂。
原理：（P283-284页）

14什么是金属钝化现象？典型的阳极钝化曲线上有关参数及区段的意义是什么？（P273页）
15应力腐蚀断裂的条件及特征是什么？（P274页）