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工程材料力学性能复习全


第一章 1、弹性比功:表示金属材料吸收弹性变形功的能力。一般用金属开始塑性变形前单位体积 吸收的最大弹性变形功表示。 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作用下吸收不可逆变形功的能力。 4、包申格效应:材料经预先加载产生少量塑性变形,再同向加载强度升高,反向加载强度 降低。 5、解理刻面:大致以晶粒大小为单位的解理面. 6、塑性:指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。 脆性:指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力。 韧性:指金属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:解理断裂的裂纹要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面,从而在 同一刻面内部出现了解理台阶与和河流花样。 8、河流花样:解理台阶沿裂纹前端滑动儿相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶 高度足够大时,便成为河流花样。 9、解理面:金属材料在一定条件下,当外加正应力达到一定数值后,以极快速率沿一定晶 体学平面产生穿晶断裂,此种晶体学平面即为解理面。 10、穿晶断裂:裂纹穿过晶粒扩展,可以是韧性,也可以是脆性。 沿晶断裂:裂纹沿晶界扩展,多为脆性,是由于晶界上有夹杂,第二相以及杂志偏聚引起晶 界弱化。 11、韧性转变:某些金属材料在低于某一温度时由韧性状态转变为脆性状态,即低温脆性。 12、弹性模量 E:被称为材料的刚度,表征金属材料对弹性变形的抗力。 13、弹性模量:钢210GPa,铝72GPa,氧化铝:380GPa。 第二章 1、应力状态软性系数:τmax 与 σmax 的比值。 2、缺口效应:由于缺口的存在,在静载荷作用下,缺口界面上的应力状态将发生变化。 3、缺口敏感度:缺口式样抗拉强度 σbn 与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度 σb 的比值,记 NSR。 4、布氏硬度:此试验的原理是用一定直径 D 的硬质合金球为压头,施以一定的试验力 F, 将其压入试样表面,经规定时间 t 后卸除试验力,试样表面将残留压痕,布氏硬度值就是试 验力 F 除以压痕球形表面积 A。 5、洛氏硬度:试验测量压痕深度 h 表示材料的硬度值,压头有两种:圆锥角120° 的金刚 石圆锥体;一定直径的小淬火钢球或硬质合金球。 6、维氏硬度:试验原理与布氏硬度相同,也是根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度 值。压头:两相对面间夹角为136° 的金刚石四棱锥体。 7、努氏硬度:试验也是一种显微硬度试验方法,与显微维氏硬度相比有两点不同:1>压 头形状不同,使用的是两个对面角不等的四角棱锥金刚石。2>硬度值不是试验力除以压痕 表面积之值,而是除以压痕投影面积只商值。 8、肖氏硬度:试验是一种动载荷试验法,其原理是将一定质量的带有金刚石圆头或钢球的 重锤,从一定高度落于金属试样表面,根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值大小。 9、里氏硬度:试验也是动载荷试验法,它是用规定质量的冲头在弹力作用下以一定速度冲 击试样表面,用冲头的回弹速度表征金属的硬度值。 第三章 1、冲击韧度:带缺口的试件在冲击破坏时断裂面上所吸收的能量。

2、冲击吸收功:指规定形状和尺寸的试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功。 3、低温脆性:在试验温度低于某一温度 tk 时,会有韧性状态变为脆性状态,冲击吸收功 明显下降,断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型,断口特征由纤维状变为结晶状。 4、韧脆转变温度:当试验温度低于某一温度 tk 时,发生低温脆性,转变温度 tk 为韧脆转 变温度。 5、 韧性温度储备: 为韧性温度储备, 为材料使用温度, 为韧脆转变温度, =to-tk。 △ to tk △ 6、FATT50:断口横截面结晶区面积占整个断口面积50%时的温度。 7、NDT:当低于某一温度,金属材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化,形成一平台, 该能量称为低阶能,以低阶能开始上升的温度即为 NDT。 8、FTE:以低阶能和高阶能平均值对应的温度。 9、FTP:高于某一温度,材料吸收的能量也基本不变,出现一个上平台,称为高阶能,以 高阶能对应的温度记为 FTP。 第四章 1、低应力脆断:材料断裂时的应力低于材料的屈服强度 σs,也往往低于许用应力[σ],断 裂形式为脆性断裂,塑性材料也是这样,这都被称为低应力脆断。 2、张开型(I)裂纹:裂纹拉应力垂直作用于裂纹扩展面,裂纹沿作用力方向张开,沿裂 纹面扩展。 3、应力场:应力在空间的分布情况。 应变场:应变在空间的分布情况。 4、应力场强度因子 K1:表示 I 型应力场的强弱程度。 5、小范围屈服:塑性区尺寸较裂纹尺寸 a 及净截面尺寸为小(小一个数量级以上) 6、塑性区:金属材料在裂纹扩展前,其尖端附近总要先出现一个或大或小的塑性变形区, 塑性区内应力应变之间就不再是线性关系。 7、有效屈服应力:在 y 方向发生屈服时的应力,记 σys。 8、有效裂纹长度:采用虚拟有效裂纹代替实际裂纹。 9、裂纹扩展 K 判据:K1>=K1c 发生断裂。 10、裂纹扩展能量释放率 G1:裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。 11、裂纹扩展 G 判据:G1>=G1c 发生断裂。 12、J 积分:由 G1延伸而来的一种断裂能量判据,其值反映了裂纹尖端区的应变能,即应 力应变集中程度。 13、裂纹扩展 J 判据:J1>=J1c 开裂。 14、COD:由 K1延伸而来的断裂应变判据,裂纹尖端张开位移 δ 称为 COD。 15、COD 判据:δ>=δc。 第五章 1、疲劳源:是疲劳裂纹萌生的策源地。 2、疲劳贝纹线:由变动载荷引起的,使裂纹前沿线留下弧状台阶痕迹,疲劳区的最大特征 (宏观) 。 3、疲劳条带:疲劳裂纹扩展第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样。 4、驻留滑移带:用电解抛光的方法也很难将已产生的表面循环滑移带去除,即使去除,当 对试样重新循环加载时, 则循环滑移带又会在原处再现, 这种永留或再现的循环滑移带称为 驻留滑移带。 5、挤出脊和侵入沟:在拉应力作用下,位错源被激活,使其增殖的位错滑移到表面,形成 滑移台阶,应力不断循环,多个位错源引起交互滑移,形成“挤出”和“侵入”的台阶。 6、疲劳寿命:疲劳失效时材料所经受的应力或应变循环次数。

7、过渡寿命:弹性应变幅-寿命线和塑性应变幅-寿命线的交点对应的寿命。 8、热疲劳:机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下的疲劳。 9、过载损伤:倘若金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后,其疲劳极限或疲劳 寿命减小,这就造成了过载损伤。 10、疲劳缺口敏感度 qf:金属在交变载荷下的缺口敏感性。 11、过载损伤界:在不同过载应力下,损伤累积造成的裂纹尺寸达到或超过 σ-1应力的“非 扩展裂纹”尺寸的循环次数。 12、疲劳门槛值△ Kth:疲劳裂纹不扩展的△ K 临界值,表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的 性能。 第六章 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、氢蚀:由于氢与金属的第二相作用生成高压气体,使基体金属晶界结合力减弱而导致金 属脆化。断口宏观形貌呈氧化色,颗粒状;微观断口上晶界明显加宽,呈沿晶断裂。 3、白点:当钢中有过量的氢时,随着温度降低氢在钢中的溶解减小,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,这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形,颜色为银白色, 故称白点。 4、氢化物致脆:对于ⅣB 或ⅤB 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,使金属脆化。 5、氢致延滞断裂:高强度钢或 α+β 钛合金中,含有适量的处于固溶状态的氢,在低于屈服 强度的应力持续作用下,经一段孕育期后,在金属内部三向拉应力区形成裂纹,裂纹逐步扩 展,最后突然发生脆性断裂。 解释下列名词 第一章 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。 12、形变强化:指材料在外力作用下发生塑性变形后,如欲继续增加其塑性变形量,所需外 力也必须增加的现象。表征材料在发生塑性变形后强度提高。 13、屈服极限:表征在外力作用下材料不发生明显塑性变形的最大抗力。 14、解理断裂:指裂纹沿着特定的晶体学平面分离的断裂方式。断口平整、光亮,由许多相 当于晶粒尺寸大小的小的解理平面组成, 微观表现为解理台阶或河流状花样。 断裂前没有明 显的塑性变形,是典型的脆性断裂方式。 15、脆性断裂:指断裂前没有明显的塑性变形的断裂方式,一般以 5%的变形量作为区分塑 性断裂的标准。断口平整、光亮,呈放射状,或有闪烁状光泽而呈结晶状。 16、 塑性断裂 (韧性断裂) 指断裂前产生明显塑性变形的断裂方式, : 一般以塑性变形量>5% 而作为区分塑性断裂的标准。断口粗糙、暗灰色,呈纤维状。 第二章 (1)应力状态软性系数:表征最大切应力 ? max 与 ? max 的比值。 (2)缺口效应:由于缺口的存在,在静载作用下,缺口截面上的应力状态将发生变化,这 称为“缺口效应” 。 (3)缺口敏感度:表征缺口试样的抗拉强度 ? bn 与光滑试样的抗拉强度 ? b 的比值。 (4)布氏硬度:用一定直径的钢球或硬质合金球,以规定的试验力(F)压入式样表面,经 规定保持时间后卸除试验力,测量试样表面的压痕直径(L) 。布氏硬度值是以试验力除以压 痕球形表面积所得的商。以 HBS(钢球)表示,单位为 N/mm2(MPa)。

HB ?
其计算公式为:

0.102 F 0.204 F ? A ?D( D ? D 2 ? d 2 )

式中:F--压入金属试样表面的试验力,N; D--试验用钢球直径,mm; d--压痕平均直径,mm。 (5)洛氏硬度:在规定的外加载荷下,将钢球或金刚石压头垂直压入试件表面,产生压痕, 测试压痕深度,利用洛氏硬度计算公式 HR=(K-H)/C 便可计算出洛氏硬度。简单说就是压痕 越浅,HR 值越大,材料硬度越高。

(6)维氏硬度:是根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。所采用的压头是两相对 面间夹角为 136°的金刚石四棱锥体, 压头的试验力作用下将试样表面压出一个四方锥形的 压痕, 经一定保持时间后担卸除试验力, 测量压痕对角线平均长度 d, 用以计算压痕表面积。 维氏硬度的值为试验力除以压痕表面积 A 所得的商。 第三章 (1)冲击韧度:批材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 (2) 冲击吸引功: 然后将具有一定质量 m 的摆锤兴到一定高度 H1, 使其获得一定位能 mgH1。 释放摆锤冲断试样,摆锤的剩余能量为 mgH2,则摆锤冲断试样失去的位能 mgH1-mgH2,即 为试样变形和断裂所消耗的功,称为冲击吸收功,以 Ak 表示,单位为 J。 (3)低温脆性:体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金,特别是工程 上常用的中、低强度结构(铁素体-珠光体钢) ,在试验温度低于某一温度 tk 时,会由韧性 状态变为脆性状态,冲击吸收功明显下降,断裂机理由微孔聚焦型变为穿晶解理,断口特征 由纤维状变为结晶状,这就是低温脆性。 (4)韧脆转变温度:上述低温脆性中的 tk 称为韧脆转变温度。 (5)韧性温度储备:指材料的使用温度和材料韧脆转变温度之间的差值。 第四章 (1)低应力脆断:当容器或构件采用强度高而韧性差的材料时,在应力水平不高,甚至低 于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象称为低应力脆断。 (2)张开型(1 型)裂纹:拉应力垂直作用于裂纹扩展面,裂纹沿作用力方向张开,沿裂 纹面扩展的裂纹称为张开型(1 型)裂纹。 (3)应力场和应变场:指在工件上应力分布或应变分布的情况。 (4)应力强度因子 K1:表征应力场的强弱程度。 (5)小范围屈服:指在裂纹尖端一定范围内发生的屈服的现象。 (6)塑性区:指在裂纹尖端一定范围内发生塑性变形区域。 (7)有效屈服应力: (8)有效裂纹长度: (9)裂纹扩展 K 判断: (10) 裂纹扩展能量释放率 G1: 把裂纹单位面积时系统释放势能的数值称为裂纹扩展能量释 放率 G1。 (11)裂纹扩展 G 判断;

(12)J 积分:J 积分的断裂判据就是 G 判据的延伸,或者是更广义地将线弹性条件下的 G 延伸到弹塑性断裂时的 J,J 的表达式或定义类似于 G。 (13)J 积分的守恒性:小应变条件下,J 积分 JI 与积分路径Γ 无关。 即:①积分回路很小时,其包围区域可仅为裂纹尖端,此时 J 积分仅描述了裂纹尖端聚集的 能量,也即该裂纹尖端的应力应变的集中程度,可表征该裂纹的扩展能力,即 JI 也可看成 裂纹扩展的动力; ②积分回路很大时, 积分回路可扩展至裂纹尖端屈服区之外而进入完全的线弹性变形区, 此 时可在完全的线弹性状态下求解该 J 积分,解决弹塑性变形条件下的裂纹扩展问题。 第五章 (1)应力范围△ζ :在循环应力作用下,最大应力与最小应力之间的差值。 (2)应变范围△ε :在循环应力作用下,最大应变与最小应变之间的差值。 (3)应力幅ζ a:在循环应力作用下,最大应力与最小应力之间的差值的一半。 (4)应力幅(△ε t/2,△ε e/2, △ε p/2) : (5)平均应力ζ m:在循环应力作用下,最大应力与最小应力之间的和的一半。 (6)应力比 r:在循环应力作用下,最小应力与最大应力之间的比值。 (7)疲劳源:是疲劳裂纹萌生的策源地,在断口上,疲劳源一般在机件表面,常和缺口、 裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连,因为这里的应力集中会引发疲劳裂纹。 (8)疲劳贝纹线:由载荷变动引起的,如机器运转时的开动和停歇,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。 (9)疲劳条带;是疲劳亚稳扩展的断口特征,它是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样。 (10) 驻留滑移带: 在疲劳多次循环后抛光, 可发现该滑移带会因已经相当深入而未被抛掉, 将成为嵌入材料表面的微小裂纹源,该滑移带被称为“驻留滑移带” 。 (11)挤出脊和侵入沟; (12)△K:疲劳的应力强度因子范围。 (13)da/dN:每循环一次扩展的距离,称为疲劳裂纹扩展速率。 (14)疲劳寿命: (15)过渡寿命; (16)热疲劳:是由于温度周期变化引起零件或构件的自由膨胀和收缩,而又因这种膨胀和 收缩受到约束,产生了交变热应力,由这种交变热应力引起的破坏。 (17)过载损伤:由金属机件偶然经受短期过载,造成疲劳寿命或疲劳极限减小的现象。

第六章 (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,则称为应力腐蚀。 (2)氢蚀:由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体,使基体金属晶界结合力减弱而导 致金属脆化的现象。 (3)白点:当钢中含有过量的氢时,随温度的降低,氢在钢中的溶解度逐渐减小,如果过 饱和的未扩散逸出,便聚集在某些缺陷处形成氢分子。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。这种微裂纹的断面呈圆形和椭圆形,颜色呈银白 色,故称为白点。 (4)氢化物致脆:对于ⅣB 或ⅤB 族金属(如纯钛、α-钛合金、钒、锆、铌及合金) ,由于 它们与氢有较大的亲和力,极易生成氢化物,使金属脆化。这种脆化称为氢化物致脆。 (5)氢致延滞断裂:高强度钢或 α+β 钛合金中,含有适量的处于固溶状态的氢(原来存在 的或从环境介质中吸收的) ,在低于屈服强度的应力持续作用下,经过一段孕育期后,在金 属内部,特别是在三向拉应力区形成裂纹,裂纹逐步扩展,最后突然发生脆性断裂。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。 第七章 (1)磨损:机械表面相接触并作相对运动时,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。 (2)粘着:实际上就是原子间的键合作用。 (3)磨屑:松散的尺寸与形状均不相同的碎屑。 (4)跑合:在稳定磨损阶段前,摩擦副双方表面逐渐被磨平,实际接触面积增大的过程。 (5)咬死:在粘着磨损的过程中,常在较软一方本体内产生剪断,其碎片则转较硬一方的 表面上,软方金属在硬方表面逐步积累最终使不同金属的摩擦副滑动成为相同金属间的滑 动,故磨损量较大,表面较粗糙,发生卡死的现象。 (6)犁皱:韧性金属材料在磨粒磨损后表面的形貌。 (7)耐磨性:材料抵抗磨损的性能。 (8)接触疲劳:机件两接触而作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或小块状金属剥落而使物质损失的现象, 又称 表面疲劳磨损或疲劳磨损。 第八章

(1)等强温度:晶粒与晶界两者强度相等的温度。 (2)约比温度:表征试验温度与金属熔点之间的比值。 (3)蠕变:金属在长时间的恒温、恒载作用下缓慢产生塑性变形的现象。 (4)稳态蠕变:蠕变速度几乎保持不变的现象。 (5)扩散蠕变:在高温条件下,大量原子和空位定向移动造成的蠕变现象。 (6)持久伸长率:在高温持久试验后,试样断裂后的伸长率。 (7)蠕变脆性:材料在高温下发生蠕变后,塑性下降的现象; (8)松弛稳定性:金属材料抵抗应力松弛的性能。 名词综合:解理断裂;形变硬化;冷脆转变;应力柔性系数;缺口效应;平面应变;过载持 久值;过载损伤界;疲劳辉纹;等效裂纹长度;裂纹尖端应力场强度因子;低温脆性;应力 腐蚀;粘着磨损;切削磨损;磨粒磨损;高温蠕变。

第二章 作业题 1 应力状态软性系数:按“最大切应力理论”计算的最大切应力与按“相当最 大正应力理论”计算的最大正应力的比值。 2 缺口效应:截面的急剧变化产生缺口,在静载荷作用下,缺口截面上的应力 状态将发生变化,产生缺口效应,影响金属材料的力学性能。 3 布氏硬度:用一定直径的硬质合金球做压头,施以一定的试验力,将其压入 试样表面,经规定保持时间后卸除,试样表面残留压痕。HBW 通过压痕平均直径求 得。 4 洛氏硬度:洛氏硬度以测量压痕深度标识材料的硬度。HR=(k-h)/0.002. 二、脆性材料的抗压强度 扭转屈服点 缺口试样的抗拉强度 NSR:缺口敏感度,为缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的 比值。 HBS:用钢球材料的球压头表示洛氏硬度。 HRC:用金刚石圆锥压头表示的洛氏硬度。 三、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 1 单向拉伸试验 特点:温度、应力状态和加载速率是确定的,且常用标准的光滑圆柱试样进行试验。 应用范围:一般是用于那些塑性变形抗力与切断强度较低的所谓塑性材料试验。 2 压缩试验 特点:单向压缩试验的应力状态系数=2,比拉伸,弯曲,扭转的应力状态都软,拉伸 时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂。 应用范围:拉伸时呈脆性的金属材料的力学性能测定。如果产生明显屈服,还可以测定 压缩屈服点。 3 弯曲试验

特点:试样形状简单,操作方便,弯曲试样应力分布不均匀,表面最大,中心为零。可 较灵敏的反映材料表面缺陷。 应用范围:对于承受弯曲载荷的机件,测定其力学性能。 4 扭转试验 特点:1 扭转的应力状态软性系数=0.8,比拉伸时大,易于显示金属的塑性行为。2 圆柱形试样扭转时,整个长度上塑性变形是均匀的,没有颈缩现象,所以能实现大塑性变形 量下的试验。3 能较敏感的反映出金属表面缺陷及硬化层的性能。4 扭转时试样中的最大正 应力与最大切应力在数值上大体相等, 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,所以,扭转试验是测定这些材料切断最可靠的办法。 应用范围: 研究金属在热加工条件下的流变性能与断裂性能, 评定材料的热压力加工性; 研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。 四、缺口拉伸时应力分布有何特点 缺口截面上的应力分布是不均匀的, 轴向应力在缺口根部最大, 随着离开根部的距离增 大,应力不断减小,即在根部产生应力集中。

第三章 作业题 冲击韧性:材料在冲击载荷的作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力 低温脆性:在试验温度低于某一温度时,会由韧性状态变为脆性状态, 冲击吸收功明 显下降,断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型,断口特征由纤维状变为结晶状 韧脆转变温度:导致低温脆性的转变温度 断裂分析图:表示许用应力、缺陷和温度之间关系的综合图 2、Ak 冲击韧度 NDT 无塑性或零塑性转变温度

试说明低温脆性的物理本质及其影响 3、低温脆性本质是材料屈服强度随温度降低急剧增加。其影响因素包括晶体结构、化 学成分、显微组织(晶粒大小、金相组织)等 试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性断裂的原因 4、因为焊接接口之间会从在裂纹,气孔,而且连接体之间不是同一种材料,导致焊口 脆性大,同时焊接时钢铁内部发生了组织变化,但铆接就不一样了,它的抗拉能力很强,不 易发生脆性断裂。 第四章 作业题 1、由宏观裂纹扩展引起。

表示应力场的强弱程度。 裂纹体在受力时,只要满足Ki>=Kic,就会发生脆性断裂。 2、平面应变断裂韧度,表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 平面应力断裂韧度,表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 平面应变断裂韧度,表示材料阻止裂纹失稳扩散时单位面积所消耗的能量。 试述低应力脆断的原因及方法 3、原因:与材料内部一定尺寸的裂纹相关,当裂纹在给定的作用应力下扩展临界尺寸 时,就会突然破坏。 防止方法:添加细化晶粒的合金元素 残留奥氏体薄膜增强塑性 因此要降低应变速率。 试述 K 判据的意义及用途 4、 裂纹在受力时,只要满足 Ki>=Kic,就会发生脆性断裂。它将材料断裂韧度同机件 的工作应力和裂纹尺寸的关系定量地联系起来, 因此可以直接用于设计计算, 如估算裂纹体 的最大承载能力、允许的裂纹尺寸,以及用于正确选择机件材料、优化工艺等 有一大型板件,材料的 0.2=1200MPa。Kic=115MPa.m.探伤发现有 20mm 长的横向穿透 裂纹,若在平均轴向拉应力 900MPa 下工作,试计算 KI 及塑性区宽度 RO,并判断该件是否 安全。 5 、Ki= =159.5MPa 细化晶粒 形成板条马氏体及

温度越低,脆性一般越大,增加应变速率也会降低塑性,

R=2r=

(

)=6.75m

Ki>Kic,会断,不安全。

第五章 作业题 疲劳断裂: 金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下, 由于积累损伤而引起的断裂 疲劳源:疲劳裂纹萌生的策源地

疲劳条带:具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样 疲劳寿命: 在给定循环载荷条件下, 试件或结构由开始加载至出现可检裂纹时的载荷循 环数 ;疲劳极限

:疲劳缺口敏感度

:疲劳裂纹扩展门槛值 疲劳裂纹门槛值 影响 实用价值

1、疲劳裂纹不扩展的

临界值,其影响因素包括材料成分和组织、载荷条件及环

境因素。其表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能,也是材料的力学指标,其值越大,阻止 疲劳裂纹开始扩展的能力就越大,材料就越好。它可以作为裂纹件的设计和校核指标。 2、提高零件的疲劳寿命的方法主要有: (1)只要能降低第二相或夹杂物的脆性,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, 均可抑制或延缓疲劳裂纹的萌生, 应用实例有真空冶炼和真空浇注。 (2)晶界强化、净化和晶粒细化,可以提高材料疲劳寿命,细化晶粒既能阻止疲劳裂 纹在晶界处萌生,又因晶界阻止疲劳裂纹的扩展,故能提高疲劳强度。应用实例包括低碳钢 和钛合金的强化。 (3)表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力,同时还能提高机件表面的强 度和硬度。应用实例有表面喷丸和滚压,其在阻碍疲劳裂纹扩展中有良好的效果。 试说明疲劳裂纹扩展曲线的三个区域的特点和影响因素 3、I 区是疲劳裂纹初始扩展的阶段,扩展速率很小。随△K 增加,扩展速率快速提高, 但变化范围很小,提高有限,扩展寿命长。 II 区是疲劳扩展的主要阶段,占据亚稳态扩散的绝大部分,是决定疲劳寿命的主要组 成部分,扩展速率较大,△K 变化范围大,扩展寿命长。 III 区是疲劳裂纹扩展的最后阶段,扩展速率很大,并随△K 增加而很快的增大,只需 扩展很少的周次即会导致材料失稳断裂。 影响因素有:材料的成分、组织、载荷条件及环境因素等。

第六章 作业题 名词解释: 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地应 力脆段现象。 氢蚀: 氢与金属中的第二相作用生成高压气体, 使基体金属境界结合力减弱而导致金属 脆化。 指标意义: scc:材料不发生应力腐蚀的临界应力 KIscc:应力腐蚀临界应力场强度因子 da/dt:应力腐蚀裂纹扩展速率 如何判断某一零件的破坏是由应力腐蚀引起的 1、应力腐蚀显微裂纹常有分叉现象,呈枯树枝状,即:有一主裂纹扩展较快,其他分 支裂纹扩展较慢。根据这一特征即可区分。、 如何识别氢脆与应力腐蚀 2、采用极化试验方法:当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹时间的是应力腐蚀,当外 加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间的是氢致延滞断裂。

3、

Ki=(1.1

)/

= 代入数据得 a=1.91mm 第二阶段结束时 da/dt=0.00002 利用积分公式 t=580000s 第七章 作业题 磨损:机件表面接触并作相对运动时,表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑,使表面 材料逐渐流失、造成表面磨损的现象。 粘着磨损:粘着磨损又称咬合磨损,是在滑动摩擦条件下,当摩擦副相对滑动速率较小 (钢小于 1m/s)时发生的,它是因为缺乏润滑油,摩擦副表面无氧化膜,且单位法向载荷 很大,以致材料承受的接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。 耐磨性:材料在一定的摩擦条件下抵抗磨损的能力。 接触疲劳: 两接触体表面相对运动以滚动为主时, 在接触区形成的循环应力超过材料的 疲劳强度的情况下,表层引发裂纹并逐步扩展,最后使裂纹以上的材料断裂剥落下来,导致 材料损耗的现象。 粘着磨损是如何产生的?如何提高材料或零件的抗粘着磨损的能力? 1、摩擦副实际表面上总存在局部凸起,当摩擦副双方接触时,即使施加较小载荷,在 真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。 倘若接触面上洁净而未受到腐蚀, 则局部塑 性变形会使两个接触面的原子彼此十分接近而产生强烈粘着。 提高材料抗磨损能力的方式有: 选择的配对材料粘着倾向应比较小、 采用表面化学热处 理改变材料表面状态、控制摩擦滑动速度和接触压应力,如:改善润滑条件,提高表面氧化 膜与基体金属的结合能力,降低表面粗糙度等。 磨粒磨损分类 提高零件的磨损抗力

2、 磨粒磨损可分为凿削式磨粒磨损、 高应力碾碎性磨粒磨损和低应力擦伤性磨粒磨损。 凿削式磨粒磨损 实例如挖掘机斗齿,提高其磨损抗力的方法是增加材料硬度; 高应力碾碎性磨粒磨损 实例如球磨机衬板与钢球机件表面的破坏,在高应力冲击载荷 下,应选用高硬度材料,利用其高韧性和高加工硬化能力,可得到高耐磨性。

低应力碾碎性磨粒磨损 实例如运输槽板的摩擦表面,在这一磨损场合,用中碳低合金 钢并作淬火回火处理,可提高材料磨损抗力。 接触疲劳破坏有几种形式?如何产生的?如何提高零件的接触疲劳抗力 3、接触疲劳破坏有麻点剥落、浅层破落和深层剥落三类。 麻点剥落:在滚动接触过程中,由于表面最大综合应力反复作用,在表层局部区域,由 于损伤逐步累积,直到表面最大综合切应力超过材料抗剪强度时,就在表面形成裂纹,接着 初始裂纹扩展 ,二次裂纹形成到二次裂纹扩展 ,形成磨屑最终形成锯齿形表面。 浅层剥落:在接触应力反复作用下,塑性变形反复进行,使材料局部弱化,遂在该处形 成裂纹。而后裂纹进行扩展,在滚动及摩擦力作用下又与表面生成一倾角的二次裂纹。二次 裂纹扩展到表面,反复弯曲发生弯断,从而形成浅层剥落。 深层剥落:压碎性剥落的裂纹形成后先平行于表面扩展,而后再垂直于表面扩展,最后 形成较深的剥落。 提高表面硬度和心部硬度,加大表面硬化层深度,渗碳层的有利残余压应力,降低表面 粗糙度,提高接触精度都能提高零件的接触疲劳抗力。 第八章作业题 等强温度:晶粒与晶界两者强度相等的温度。 约比温度:试验温度与金属熔点的比值。 蠕变:金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。 持久强度:在规定温度下,达到规定的持续时间而不发生断裂的最大应力。 应力松弛: 在规定温度和初始应力条件下, 金属材料中的应力随时间增加而减小的现象。

t ??

用稳态蠕变速率表示的蠕变极限。

? ?t / ? 用蠕变总伸长率表示的蠕变极限。

? ?t 金属材料的持久强度极限。

? sh 松弛应力。

和常温下力学性能相比,金属材料在高温下的力学行为有哪些特点?造成这种差别 的原因何在 1、高温下,金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂过渡到沿晶断裂。一个重要特点就是 产生蠕变。 这是因为, 温度升高时晶粒强度和晶界强度都要降低, 但晶界强度下降较快所致。 金属材料在高温下的变形机制与断裂机制,和常温比较有什么不同 2、变形机制:高温下的蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散等机理进行的。常温 下,若滑移面上的位错运动受阻产生塞积,滑移便不能继续进行,只有在更大的切应力作用 下,才能使位错重新运动和增殖。但在高温下,位错可借助外界提供的热激活能和空位扩散 来克服某些短程阻碍。扩散蠕变,是由于在高温条件下大量原子和空位定向移动。此外,高 温下,由于晶界上的原子容易扩散,受力后易产生滑动,促进蠕变变形,这就是晶界滑动蠕 变。 断裂机制:金属材料在长时高温下的断裂,大多为沿晶断裂,这是由于晶界滑动在 晶界上形成裂纹并逐渐扩展而引起的。 高温下, 裂纹出现在晶界上的突起部位和细小的第二 相质点附近,由于晶界滑动而产生空洞,最终导致沿晶断裂。 提高材料的蠕变抗力有哪些途径 3、合金化学成分:在基体金属中加入合金元素形成单相固溶体。加入能形成弥散相的 合金元素。添加能增加晶界扩散激活能的元素。 冶炼工艺:珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺。奥氏体耐热钢或合金一般 进行固溶处理和时效。采用形变热处理改变晶界形状并在晶内形成多边化的亚晶界。 晶粒度:使用温度低于等强温度时,晶粒细化。奥氏体耐热钢及镍基合金,一般以 2 到 4 级晶粒度较好。 第九章作业题 粘性变形:温度高于粘流温度时,聚合物分子链在外力作用下可进行整体相对滑动,呈 粘性流动,产生不可逆永久变形。 粘弹性:高聚物慢性的粘性流变 银纹: 在拉应力作用下, 非晶态聚合物的某些薄弱地区, 因应力集中产生局部塑性变形, 结果在其表面或内部、或在裂纹尖端附近出现闪亮的、细长的类裂纹。 热震断裂:由热震引起的瞬时断裂 热震损伤: 在热冲击循环作用下, 材料先出现开裂, 随之裂纹扩展, 导致材料强度降低, 最终整体破坏。 试述聚合物材料的性能特点

1、聚合物主要的物理、力学性能有:密度小、高弹性、弹性模量小、粘弹性明显 试述银纹与裂纹的区别 2、银纹和裂纹不同:前者除其中有孔洞外,孔洞之间还有称为银纹质的聚合物;后者 则不含聚合物。 试述陶瓷材料耐磨性的特点 3、陶瓷材料耐磨性 (1)表面接触特性:一般为弹性接触,滑动时有塑性流动的迹象 (2)摩擦磨损:陶瓷材料的摩擦学特性,与对磨件的材料种类和性能、摩擦条件、环 境,以及陶瓷材料自身的性能和表面状态等因素有关 陶瓷材料与金属材料在弹性变形、塑性变形和断裂方面的区别 4、陶瓷材料和金属材料相比,其弹性变形有如下特点:(1)弹性模量大,这是由其共 价键和离子键的键合结构所决定的。(2)陶瓷材料的弹性模量不仅和结合键有关,还与其 他组成相的种类、分布比例及气孔率有关(3)通常,陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹 性模量。 在塑性变形方面,陶瓷材料和金属材料的区别有,常温下,大多数陶瓷材料均不产生塑 性变形,而且陶瓷材料在具有一定条件时,在高温下还可显示超塑性。 断裂方面,,陶瓷材料的断裂过程都是以其内部或表面的缺陷为起点发生的,以各种缺 陷为裂纹源,在一定拉伸应力作用下,其最薄弱环节处的微小裂纹扩展,当裂纹尺寸达到临 界值时陶瓷材料瞬时断裂

第一章 1、金属的弹性模量主要取决于什么因素?为什么说他是一个队组织不敏感的力学性能指 标? 主要取决于金属原子本性和晶格类型 合金化,热处理,冷塑性变形对弹性模量的影响较小,所以。。 。 2、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。 3、试述多晶体金属产生明显屈服的条件,并解释 bcc 金属及其合金与 fcc 金属及其合金屈 服行为不同的原因? 条件:材料变形前可动位错密度很小

随塑性变形发生,位错能快速增殖 位错运动速率与外加应力有强烈依存关系 fcc 金属的滑移系虽比 bcc 金属的少,但因前者晶格阻力低,位错容易运动,塑性优于后 者??? 4、决定金属屈服强度的因素有哪些? 内因:⑴金属本性与晶格类型:一般多相合金的塑性变形主要沿集体相进行,表明位错主要 分布在基体中,而屈服强度由位错运动所受的各种阻力决定,不同金属及晶格类型,位错运 动所受的各种阻力并不相同。 ⑵晶粒大小和亚结构:晶界是位错运动的大障碍,要使邻近晶粒的位错源开动,在晶粒内必 须有足够的位错塞积才能提供必要的应力,因而,晶界越多,屈服应力越高。 ⑶溶质元素:在纯金属中加入间隙或置换原子形成固溶体提高屈服强度,称为固溶强化。溶 质周围形成了晶格畸变应力场,该应力场与位错应力场相互作用,使位错运动受阻,使屈服 强度增加。间隙固溶产生的畸变大,因而强化效果优于置换固溶。 ⑷第二相: 含有不可变形第二相质点的金属材料, 其屈服强度与流变应力就决定于第二相质 点之间的距离,质点的间距减小,流变应力就增大,对于可变第二相质点,位错可以切过, 使之同基体一起产生变形,从而提高屈服强度。 内因:1、升高温度,金属材料的屈服强度降低。2、应变速率增大,金属材料的强度增加, 且屈服强度随应变速率的变化较抗拉强度的变化要明显得多。3、应力状态,切应力分量越 大,越有利于塑性变形,屈服强度则越低,所以扭转比拉伸的屈服强度低,拉伸要比弯曲的 屈服强度低。 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? 韧性断裂:是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂,其有一个缓慢的撕裂过程,在 裂纹扩展中不断消耗能量,其断面一般平行于最大切应力并与主应力成45° 角,断口成纤维 状,灰暗色。 脆性断裂:是突然发生的断裂,断裂前基本不发生塑性变形,没有明显征兆,因而危害性很 大,其断面一般与正应力垂直,断口平齐而光亮,常呈放射状或结晶状。 6、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂,为什么断裂性质完全不同? 剪切断裂:是金属材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂,为韧断。 解理断裂:是金属材料在一定条件下,当外加正应力达到一定数值后,以极快速率沿一定晶 体学平面的穿晶断裂,为脆断。 7、何谓拉伸断口三要素?影响宏观拉伸断口形态的因素有哪些? 纤维区,放射区,剪切唇(放射区越大,脆性越小,消耗能量越多,快速撕裂) 试样形状,尺寸和金属材料的性能以及试验温度,加载速度和受力状态不同而变化。 8、板材宏观脆性断口的主要特征是什么?如何寻找断裂源? 断口平齐而光亮, 常呈放射状或结晶状, 板状矩形拉伸试样断口中的人字纹花样的放射方向 也 与裂纹扩展方向平行,其尖端指向裂纹源。 9、断裂强度 σc 与抗拉强度 σb 有何区别? σb 为试样拉断过程中最大力所对应的应力 σc 为试样发生断裂时所受的应力 当试样为脆性金属材料时,σb=σc 第二章 1、试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特定及应用。 2、硬度试验选择.

渗碳层的硬度分布:努氏硬度 HK/显微 HV 淬火钢:HRC 灰铸铁:HBW 鉴别钢中的隐晶马氏体与残留奥氏体:显微 HV/HK 仪表小黄铜齿轮:显微 HV 龙门刨床导轨:肖氏 HS/里氏 HL 渗氮层:显微 HV/HK 高速钢刀具:HRC 退火态低碳钢:HBW 硬质合金:HRA 3、试综合比较光滑试样轴向拉伸,缺口式样轴向拉伸和偏斜拉伸试验的特点。 光滑试样轴向拉伸时,各截面上应力分布均匀,如低碳钢,它将依次发生弹性变形,塑性屈 服,均匀塑性变形,不均匀塑性变形和断裂。 缺口试样轴向拉伸时,在缺口根部会产生应力集中,脆性材料如铸铁,高碳钢在缺口根部尚 未发生明显塑性变形时就已断裂,对缺口敏感。 缺口试样偏斜拉伸时,缺口根部产生应力集中,除此之外,试样同时承受拉伸和弯曲载荷复 合作用,应力状态更“硬”,缺口截面上的应力分布更不均匀,因而更能表示材料对缺口的敏 感性。 4、60HRC 表示用 C 标尺测得的洛氏硬度为60。 C 标尺 HRC 金刚石圆锥 1373N(主) 1471N(总) 淬火钢,高硬度铸件,珠光体可 锻铸铁 640HV30表示在试验力为294.2N 下保持10~15s 测得的维氏硬度值为640. 维氏硬度 金刚石四棱锥体 第三章 1、W18Cr4V、Cr12MoV、3Cr2W8V 铸铁 球铁 工具钢 (脆性材料)不要开缺口 40CrNiMo、30CrMnSi、20CrMnTi 要开缺口 2、试说明低温脆性的物理本质及影响因素。 低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加的结果。 内因:1晶体结构,体心立方金属及其合金存在低温脆性 2化学成分,间隙溶质元素溶入铁素体基体中,偏聚于位错线附近,阻碍位错运动,致 σs 升高,钢的韧脆转变温度提高 3显微组织,晶粒大小,细化晶粒使材料韧性增加;金相组织,当第二相尺寸增大时,材料 韧性下降,韧脆转变温度升高。 外因:温度,加载速率 3、试从宏观和微观解释为什么有些材料有明显的韧脆转变,而另一些材料则没有? 微观:1、派纳力(τp-n)是短程力,对温度非常敏感,T 下降,派纳力上升。bcc 中的派 纳力较 fcc 高很多,由于派纳力在屈服强度中占的比例很大,故 bcc 的低温脆性很明显。 (P14) 2、bcc 的低温脆性还可能与迟屈服现象有关。 迟屈服即对低碳钢施加一高速载荷到高于 σs,材料并不立即产生屈服而是经过一段孕育期 才开始塑性变形。在孕育期中只产生弹性变形,由于没有塑性变形消耗能量,故有利于裂纹 的扩展,从而易表现为脆性破坏。 宏观:1、对于中低强度的 fcc 材料和大部分 hcp 材料,如铜等,在很低的温度下冲击值还 是较高的,可以不考虑它的低温脆性。

2、对于高强材料,它们在很快的强度范围内都是脆性的,如高强钢,钛合金等。 3、低中强度钢等 bcc 金属及其合金,在低温是脆性解理,在高温为韧性断裂,在一定的温 度范围内产生韧脆转变。 第四章 1、试述低应力脆断的原因及防止方法。 低应力脆断是由宏观裂纹引起的 为防止低应力脆断,根据材料的断裂韧性,可对机件允许的工作应力和裂纹尺寸进行计算, 提出明确的数据要求。 2、试述 K 判据的意义及用途。 当裂纹体在受力时,若 K1>=K1c,就会发生脆性断裂,断裂判据是工程上很有用的关系, 它将材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量的联系起来了, 因此可以直接用 于设计计算,如用以计算裂纹体的最大承载能力 σ,允许的裂纹尺寸 a,以及用于正确选择 机件材料,优化工艺等。 3、试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。 距离裂纹尖端距离 r 越小,各应力分量越大,当 r 趋于0时,各应力分量趋于无穷大,这是 不可能的, 当应力达到材料的屈服强度 σs 时便会发生塑性屈服, 故金属材料在裂纹扩展前, 尖端附近总要出现一个或大或小的塑性区。 影响因素:应力场强度因子 K1,屈服强度 σs 以及是平面应力还是平面应变状态??? 4、试述塑性区对 K1的影响及 K1的修正方法和结果。 5、简述 J 积分意义及其表达式。 6、试述 K1c 和 Akv 的异同及其相互之间的关系。 相同点:断裂韧性与冲击韧性都反映了材料的韧性性能。 不同点:K1c 能满足平面应变的要求,Akv 一般不能满足,应力状态不同,应变速率不同, 冲击是在应变速率高的冲击载荷下对材料的组织缺陷等因素反映更加灵敏,K1c 反映材料 抵抗裂纹失稳扩展的能力,而冲击 Akv 则反映裂纹形成和扩展过程所消耗的能量,应用不 同,Akv 是安全性能指标,K1c 用于定量。 关系:中高强钢 K1c 与 Akv 及 σ0.2的关系。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。 第五章 1、试述金属疲劳断裂的特点。 1、疲劳断裂是低应力脆性断裂,断裂应力低于材料的屈服强度,没有先兆,没有宏观塑性 变形。 2、疲劳是与时间有关的一种失效方式,是累积损伤过程,即变化逐渐发生,逐渐累积。 3、 疲劳断裂对材料的微观组织和材料的缺陷更为敏感, 几乎总是在材料表面的缺陷处产生。 4、疲劳断裂也是由裂纹形成和扩展两个阶段组成,裂纹扩展的亚临界扩展期很长。 2、试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程。 断口分为疲劳源,疲劳区和瞬断区三个。 疲劳源:光亮度最大,平滑 疲劳区:断口比较光滑并分布有贝纹线,贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线 瞬断区:断口比较疲劳区粗糙,脆性材料为结晶状断口,韧性材料在中间平面应变区为放射 状或人字纹断口,在边缘平面应力区为剪切唇。 形成过程:疲劳裂纹萌生,裂纹压稳扩展,裂纹失稳扩展,断裂 3、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。 机理: 1、滑移带开裂产生裂纹。金属在循环应力长期作用下,即使其应力低于屈服应力, 也会发生循环滑移并形成循环滑移带, 这种循环滑移是极不均匀的, 总分布在某些局部薄弱

区,这种循环滑移带具有持久驻留性,称为驻留滑移带,随着加载循环次数增加,循环滑移 带会不断地加宽,当加宽到一定程度时,由于位错的塞积和交割作用,便在驻留滑移带处形 成微裂纹。 2、相界面开裂产生裂纹。材料中的第二相或夹杂物易引发疲劳裂纹。 3、晶界开裂产生裂纹。对晶体材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性,位错在某一 晶粒内运动时会受到晶界的阻碍作用, 在晶界处发生位错塞积和应力集中现象, 在应力不断 循环下,晶界处的应力集中得不到松弛时,则应力峰越来越高,当超过晶界强度时就会在晶 界处产生裂纹。 阻止方法:1、固溶强化,细晶强化,提高材料的滑移抗力,均可以阻止疲劳裂纹的萌生, 提高疲劳强度。 2、控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布,使之“少、圆、小、匀”,均可抑制或 延缓疲劳裂纹在第二相或夹杂物附近萌生。 3、晶界强化,净化和细化晶粒均可抑制晶界裂纹形成。 4、试述疲劳微观断口的主要特征及其形成模型。 疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征, 略呈弯曲并相互平行的沟槽花样。 每一条疲劳条带 可以视作一次应力循环的扩展痕迹,裂纹的扩展方向与条带垂直。 形成模型:塑性钝化模型 疲劳裂纹扩展的第二阶段是在应力循环下, 裂纹尖端钝锐交替交化的过程, 疲劳条带就是这 种疲劳裂纹扩展所留下的痕迹。 5、试述疲劳裂纹扩展寿命和剩余寿命的估算方法和步骤。 1、用无损检验探伤方法确定初始裂纹尺寸 ao 及形状、位置和取向。 2、确定构件交变应力 σmax,σmin,从而得△ σ。 3、确定应力场强度因子幅值△ K1的表达式。 4、根据材料的断裂韧性及工作应力确定构件的临界裂纹尺寸 ac。 5、选择或试验确定疲劳裂纹扩展速率表达式(c,n) 。 6、用积分方法计算从 ao 到 ac 所需的循环周次,即疲劳剩余寿命 Nf。 6、试述金属表面强化对疲劳强度的影响。 7、试述金属循环硬化和循环软化现象及产生条件。 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不断增加。 循环软化: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不断减小。 产生条件:材料的 σb/σs>1.4时,表现为循环硬化。 材料的 σb/σs<1.2时,表现为循环软化。 第六章 1、试述金属产生应力腐蚀的条件及机理。 条件:应力,化学介质,金属材料三者共存 机理:1、对应力腐蚀敏感的合金在特定的化学介质中,首先在表面形成一层钝化膜,使金 属 不致进一步受到腐蚀,即处于钝化状态。 2、在拉应力作用下,使裂纹尖端地区产生局部塑性变形,滑移台阶在表面露头时钝化 膜破裂,显露出新鲜表面。 3、露出的新鲜表面在电解质溶液中成阳极,而其余具有钝化膜的金属表面为阴极,从 而形成腐蚀微电池,阳极金属变成正离子进入电解质中而产生阳极溶解,于是在金 属表面形成蚀坑。 4、拉应力在蚀坑或原有裂纹尖端形成应力集中,使阳极电位降低,加速阳极金属的溶

解,如果裂纹尖端的应力集中始终存在,那么微电池反应不断进行,钝化膜不能恢 复,裂纹将逐步向纵深扩展。 2、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。 应力腐蚀裂纹扩展速率曲线: 第一阶段:当 K1刚超过 K1scc 时,裂纹经过一段孕育期后突然加速扩展,da/dt-K1曲线 几乎与纵坐标轴平行。 第二阶段:曲线出现水平阶段,da/dt 与 K1几乎无关。 第三阶段:裂纹长度已接近临界尺寸,da/dt 又明显地依赖于 K1,随 K1增大而急剧增大。 疲劳裂纹扩展速率曲线: 第一阶段:裂纹初始扩展阶段,da/dN 很小,从△ Kth 开始,随△ K 增加 da/dN 快速提高, 因△ K 变化范围小,da/dN 提高有限。 第二阶段:裂纹扩展主要阶段,da/dN 较大,且△ K 变化范围大,da/dN 均匀提高,扩展 寿命长。 第三阶段:裂纹扩展最后阶段,da/dN 很大,并随△ K 增加而快速增大。 3、为什么高强度钢的氢致延滞断裂是步进式的? 氢原子一般偏聚在裂纹尖端塑性区与弹性区的界面上, 当偏聚浓度再次达到临界值时, 便使 这个区域明显脆化而形成新裂纹,新裂纹与原裂纹的尖端相汇合,裂纹便扩展一段距离,随 后又停止,以后是再孕育,再扩展,最后,当裂纹经亚稳扩展达到临界尺寸时,便失稳扩展 而断裂,故氢致延滞断裂的扩展方式为步进式。 1.材料的弹性模数主要取决于什么因素?为何说它是一个对组织不敏感的力学性能指标? 材料的弹性模量主要取决于键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、 加载条件和负荷持续时间。由于合金化、热处理(显微组织) 、冷塑性变形对弹性模量的影 响不大,所以弹性模数是一个对组织不敏感的力学性能指标。 —————————————— 2. 决定金属材料屈服强度的主要因素有哪些?提高金属材料的屈服强度有哪些方法? 内在因素:晶体结构、位错间的交互作用(平行位错间的交互作用、运动位错与林位错间的 交互作用) 、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 提高材料屈服强度的方法:细晶强化、加工硬化、固溶强化、弥散强化、降低温度、提高应 变速率、 —————————— 7. 何为拉伸断口三要素?影响宏观拉伸断口的形态的因素有哪些? 纤维区:断口呈纤维状,灰暗色。垂直于拉伸轴纤维状是塑性变形中裂纹不断扩展和相互连 接造成的。该区裂纹扩展速度很慢。 放射区:断口呈放射状,放射线平行于裂纹扩展方向,而垂直于裂纹前端的轮廓线,并逆指 向裂纹源。是裂纹快速扩展时形成的区域。 剪切唇:断口表面光滑,与拉伸轴线呈45° ,是典型的切断型断裂。也是最后断裂阶段由缩 颈形成的。 影响因素:试样的形状、尺寸和金属材料的性能及实验温度、加载速率和应力状态。材料的 强度提高,塑性降低,则放射区比例增大,试样的尺寸增大,放射区明显增大,纤维区变化 不大。 ———————————— 8、为什么材料的塑性要以延伸率和断面收缩率这两个指标来度量?它们在工程上各有什么

实际意义? 可以很好的来反映其塑性冶金质量。但是延伸率比断面收缩率更常用。 工程意义:①避免因偶然过载而发生突然之间的破坏 ②可以松弛裂纹的局部应力,阻止裂纹扩展,即降低应力集中 ③可以进行塑性加工和修复工艺等 ④反应冶金质量,评定材料质量 —————————— 9.包申格效应有何意义?工程中对机件会产生哪些影响? 金属材料经过预先加载产生少量塑性变形(残余应变小于1~4%) ,而后再同向加载,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”。 可以对材料进行循环软化,降低其寿命,降低其强度。 ———————————— 10.试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别?为什 么? 对于碳钢,含碳量约高,其屈服现象越不明显,脆性增强。 —————————————— 11. 试述韧性断裂与脆性断裂的区别,为什么说脆性断裂最危险? 韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂, 是一种缓慢的撕裂过程, 其断裂 面一般平行于最大切应力并与主应力成45° 角,其断口呈纤维状,灰暗色。 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,没有明显的征兆。因此脆性断 裂较韧性断裂的危险性更大。脆性断裂的断面一般垂直于正应力方向,断口平齐且光亮,常 呈放射状或结晶状。

12. 常温静拉伸试验可确定金属材料的哪些性能指标?说出这些指标的符号定义、意义。 屈服强度 σs:产生屈服现象时的应力,表示材料对微量塑性变形的抗力。 抗拉强度 σb:材料在拉伸试验中所能承受的最大外力所对应的应力值,表示材料对塑性变 形的抗力, 断面收缩率 ψ:试样拉断后,缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 延伸率 δ:试样拉断后,标距的伸长量与原始标距的百分比 _________________ 18.试分析金属材料在屈服阶段为何存在上下屈服点? 屈服现象和下列三个因素有关: 1.材料在变形前可动位错密度很小。 2.随塑性变形的发生,位错快速增殖。 3.位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系。 变形前可动的位错较少,为了满足一定的应变速率,必须增大位错的运动速率,而 ,因此 需要较高的应力,此时出现上屈服点;一旦发生塑性变形,位错大量增殖,ρ 增大,则运动 速率下降,相应的应力降低,此时出现下屈服点。 _______________________ 25.循环韧性有何工程意义?选择音叉需要选择循环韧性高的还是低的材料? 循环韧性(塑性应变环)的意义:材料的循环韧性越高,则机件依靠材料自身的消振能力越 好。因此,高的循环韧性对于降低机械噪声,抑制高速机械振动,防止共振导致疲劳断裂是 非常重要的。飞机螺旋桨、气轮机叶片需要高 δ;而追求音响效果的元件如音叉、簧片等要 低 δ;灰铸铁的 δ 大,常用来作机床的床身、发动机的缸体和支架等。

音叉的循环韧性要低。 第七章 1、磨损:机件表面相接处并作相对运动时,表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑,使表 面材料逐渐流失、造成表面损伤的现象。 2、粘着:摩擦副实际表面上总存在局部凸起,当摩擦副双方接触时,即使施加较小载荷, 在真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。 倘若接触面上洁净而未受到腐蚀, 则局部 塑性变形会使两个接触面的原子彼此十分接近而产生强烈粘着。 (实际上就是原子间的键合 作用) 3、磨屑:松散的尺寸与形状均不相同的碎屑???? 4、跑合:摩擦表面逐渐被磨平,实际接触面积增大,磨损速率迅速减小。 5、咬死:当接触压应力超过材料硬度 H 的1/3时,粘着磨损量急剧增加,增加到一定程度 就出现咬死现象。 6、犁皱:指表面材料沿硬粒子运动方向被横推而形成沟槽。 7、耐磨性:材料在一定摩擦条件下抵抗磨损的能力 8、冲蚀:流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击。 9、接触疲劳:机件两接触面作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或小块状金属剥落而是材料流失的现象。 10、是比较三类磨粒磨损的异同,并讨论加工硬化对它们的影响? ⑴凿削式磨粒磨损: 从表面上凿削下大颗粒金属, 摩擦面有较深沟槽。 韧性材料——连续屑, 脆性材料——断屑。 ⑵高应力碾碎性磨粒磨损: 磨粒与摩擦面接触处的最大压应力超过磨粒的破坏强度, 磨粒不 断被碾碎,使材料被拉伤,韧性金属产生塑性变形或疲劳,脆性金属则形成碎裂式剥落。 ⑶低应力擦伤性磨粒磨损: 作用于磨粒上的应力不超过其破坏强度, 摩擦表面仅产生轻微擦 伤。 11、试述粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施? 条件:在滑动摩擦条件下,当摩擦副相对滑动速度较小时发生的。 机理:摩擦副实际表面上总存在局部凸起,当摩擦副双方接触时,即使施加较小载荷,在真 实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。 倘若接触面上洁净而未受到腐蚀, 则局部塑性 变形会使两个接触面的原子彼此十分接近而产生强烈粘着。 实际上就是原子间的键合作用) ( 随后在继续滑动时,粘着点被剪断并转移到一方金属表面,然后脱落下来便形成磨屑,一个 粘着点剪断了,又在新的地方产生粘着,随后也被剪断、转移,如此粘着 à剪断 à转移 à再 粘着循环不已,就构成了粘着磨损过程。 防止措施: (1)注意摩擦副配对材料的选择 (2)采用表面化学热处理改变材料表面状态 (3)控制摩擦滑动速度和接触压应力 12、列表说明金属接触疲劳三种破坏形式的机理和特征? 1)麻点剥落:在滚动接触过程中,由于表面最大综合切应力反复作用,在表层局部区域造 成损伤累积,最终形成表面裂纹,裂纹形成后,润滑油挤入,在连续滚动接触过程中,润滑 油反复压入裂纹并被封闭, 封闭在裂纹内的油已较高的压力作用于裂纹内壁, 使裂纹沿与滚 动方向成小于45度倾角向前扩展,其方向与 τzy 方向一致,裂纹扩展到一定的程度后,因 其尖端有应力集中,故在此处形成二次裂纹,与初始裂纹垂直,二次裂纹向表面扩展,剥落 后形成凹坑。 2)浅层剥落:浅层剥落裂纹的位置0.5b 处, 与 Z 轴的两侧作用的切应力 τ0位置相当,

该处切应力最大,塑性变形剧烈,在接触应力反复作用下,塑性变形反复进行,局部材料弱 化,形成裂纹。裂纹常出现在非金属夹杂物附近,故裂纹开始沿非金属夹杂物平行于表面扩 展,而后又产生与表面成一倾角的二次裂纹,二次裂纹扩展到表面,则该处金属受弯曲发生 弯断,形成浅层剥落。 3)深层剥落:表面硬化的机件,硬化层与基体的过渡区是弱区,此处切应力可能高于材料 强度而在该处产生裂纹,裂纹形成后先平行于表面扩展,即沿过渡区扩展,而后再垂直于表 面扩展,最终形成较深的剥落坑。 特征:麻点剥落:剥落深度在0.1~0.2mm 以下,呈针状或痘状凹坑,截面呈不对称 V 型 浅层剥落:深度0.2~0.4mm,剥块底部大致和表面平行,裂纹走向与表面成锐角和垂直。 深层剥落:深度和表面强化层深度相当,裂纹走向与表面垂直。 13、磨损的类型有:粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、微动磨损和表面疲劳磨 损。 14、粘着磨损: 重要特征:摩擦副一方金属表面常粘附一层很薄的转移膜,并伴有化学成分变化。 主要影响因素:材料特性、法向力、滑动速度以及温度。 改善措施:1)合理选择摩擦副配对材料 2)改变材料表面状态 3)控制摩擦滑动速度和接触压应力 15、磨粒磨损主要特征是摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽。 16、冲蚀磨损:塑性材料:冲蚀坑。脆性材料:裂纹 17、腐蚀磨损:在摩擦过程中,由于介质作用形成腐蚀产物,这种腐蚀产物的形成与脱落 引起腐蚀磨损。 18、氧化磨损的产物为红褐色的 Fe2O3或灰黑色的 Fe3O4。 (典型的腐蚀磨损) 19、微动磨损:在机器的嵌合部位和紧配合处,接触表面在外部变动载荷和振动的影响下, 产生微小滑动。 因微小滑动而产生的磨损称为微动磨损或微动腐蚀。 其特征是磨擦副接触区 有大量红色 Fe2O3磨损粉末。表面能看到麻点式蚀坑。 第八章 1、等强温度:晶粒与晶界两者强度相等的温度。 2、约比温度:试验温度 T 与金属熔点 Tm 的比值,T/Tm。 3、蠕变:金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。 4、应力松弛: 在规定温度和初始应力条件下, 金属材料中的应力随时间增加而减小的现象。 5、稳态蠕变:蠕变速率几乎保持不变的蠕变。 6、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。 7、松弛稳定性:金属材料抵抗应力松弛的性能。 8、持久强度极限:在规定温度下,达到规定的持续时间而不发生断裂的最大应力。 表示该合金在700℃、1000h 的持久强度极限为30MPa 9、蠕变极限:金属材料在高温长时间载荷作用下的塑性变形抗力指标。 表示温度为600℃的条件下,稳态蠕变为1× 10-5%/h 的蠕变极限为60MPa 表示在500℃温度下,100000h 后总伸长率为1%的蠕变极限为100MPa 10、剩余应力:在应力松弛实验中,任一时间试样上所保持的应力, r。 11、蠕变断口宏观特征:变形区域有很多裂纹,覆盖有氧化膜。 微观特征:冰糖状花样 12、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?

13、试说明金属蠕变断裂的裂纹形成机理与常温下金属断裂的裂纹形成机理有何不同? 材料力学行为 樊新民 2008年7月 A 1、材料的强度是 材料对微量塑性变形的抗力 。韧性指 金属材料断裂前吸收塑性变形功 和断裂功的能力 。韧性材料从静载强度角度选材的设计性指标有 金属材料拉伸时形成缩 颈,则 δ、ψ 满足 δ<ψ 。循环韧性指 金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力 。 应变硬化指数反映了金属材料 抵抗均匀塑性变形 的能力。 2、微孔聚集断裂的微观端口特征是能观察到 韧窝 。抗拉强度标志着 金属材料的实际承 载能力???。σbc 是 抗压强度???。洛氏硬度 HRC 实验时用的压头和总试验力 金刚 石 圆 锥 , 1471N ( 150kg ) 。 测 定 钢 中 铁 素 体 相 的 硬 度 应 采 用 显 微 维 氏 。 600HBW/1/30/20表示 用直径1mm 的硬质合金球在294N 试验力下保持20s 测得的布 氏硬度值为600 。 3、使金属材料变脆的三大外因是 降低温度,提高加载速率,使应力状态变硬 。拉伸断口 的三要素是指断口由 纤维区,放射区,剪切唇 组成。韧脆转变温度 tk 指 材料由韧性状态 变为脆性状态, 冲击吸收功明显下降, 屈服强度随温度降低急剧增加或断口伸长率急剧减小 时的温度 。NDT 是用 能量法 定义韧脆转变温度。典型的两种应力状态是 平面应力状态 和平面应变状态 。K1称为 应力场强度因子 。 4、无限大板中心有长度为2a 的 I 型裂纹时 K1的表达式为 。COD 称为 裂纹尖端张开位 移 。交变载荷指 大小甚至方向随时间变化而变化的载荷 。疲劳裂纹扩展门槛值△ Kth 表 示 材料阻止疲劳裂纹开始扩展 的性能。 低周疲劳寿命主要取决于材料的 塑性应变幅 。 K1scc 称为 应力腐蚀临界应力场强度因子或应力腐蚀门槛值 。 5、耐磨性是 材料在一定摩擦条件下抵抗磨损能力 的性能,氧化磨损的磨损产物为 红褐 色的 Fe2O3或灰黑色的 Fe3O4 。 约比温度的定义为 试验温度 T 与金属熔点 Tm 的比值 。 蠕变断裂的裂纹通常在 晶界空洞 ???处形成,松弛稳定性指 金属材料抵抗应力松弛的 性能, 表示 温度为600℃的条件下,稳态蠕变速率为1× 10-5%/h 的蠕变极限为600MPa 。 6、磨粒磨损:当摩擦副一方表面存在坚硬的细微突起,或者在接触面之间存在着硬质粒子 时所产 生的一种磨损。 7、冲蚀磨损:流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成 的磨损。 8、蠕变:金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。 材料力学行为 樊新民 2009年5月 B 1、材料的塑性是指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。 脆性是指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力。 弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。 脆性材料从静强度角度选材的设计性指标有 σb、断裂韧性。 n 称为应变硬化指数。 安全性力学性能指标有低温脆性、NSR??? 2、比例拉伸式样的原始标距长度与式样原始截面积应满足 Lo=5do 或 Lo=10do。 滞弹性指弹在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现象。 脆性材料扭转试验断裂面与式样轴线45° 。 σbc 称为抗压强度。 Taob 称为抗扭强度。 拉伸断口的三要素是指断口由纤维区、放射区、剪切唇组成。

3、淬火钢的硬度可以采用洛氏硬度测定。 布氏硬度常用于测定灰铸铁、轴承合金的硬度,640HV30表示在试验力为294.2N 下保持 10~15s 测得的维氏硬度值为640。 使金属材料变脆的三大外因是降低温度、提高加载速率、使应力状态变硬。 高强度螺栓零件选材和热处理工艺优化适合选用缺口式样静拉伸试验。 50%FATT 是用结晶区面积占整个断口面积50%的温度作为韧脆转变温度。 4、测定球铁或工具钢等脆性材料冲击吸收功时式样不用开缺口。 I 型裂纹应力场强度因子的一般表达式为 ,断裂 K 判据是指当满足 K1>=K1c 时会发生脆 性断裂。 循环应力的应力比 r=σmin/σmax,低周疲劳寿命主要取决于材料的强度??? K1scc 称为应力腐蚀临界应力场强度因子(应力腐蚀门槛值) 。 5、在磨损过程中,磨屑的形成也是变形和断裂过程,产生气蚀的介质和第二相分别是氢、 碳化 物??? 高温力学性能除考虑应力-应变为还需考虑蠕变极限、持久强度极限。 蠕变曲线通常分为减速蠕变、恒速蠕变、加速蠕变三个阶段。 蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散机理进行的。 6、什么叫微孔聚集型断裂?什么叫解理断裂?微观断口各有什么特征,这些特征是如何形 成的?微孔聚集型断裂:由微孔形核长大聚合而导致材料断裂,是韧断典型。韧窝 解理断裂:金属材料在一定条件下,当外加正应力达到一定数值后,以极快速率沿一定晶体 学平面产生穿晶断裂。解理台阶,河流花样,舌状花样。 形成机理:1、韧窝??? 2、在解理刻面内部只从一个解理面发生破坏世界上是很少的。在多数情况下,裂纹要跨越 若干相互平行的而且位于不同高度的解理面, 从而在同一刻面内部出现了解理台阶和河流花 样,舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌头状凹坑或凸台。

1.材料的弹性模数主要取决于什么因素?为何说它是一个对组织不敏感的力学性能指标? 材料的弹性模量主要取决于键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、 加载条件和负荷持续时间。由于合金化、热处理(显微组织) 、冷塑性变形对弹性模量的影 响不大,所以弹性模数是一个对组织不敏感的力学性能指标。 —————————————— 2. 决定金属材料屈服强度的主要因素有哪些?提高金属材料的屈服强度有哪些方法? 内在因素:晶体结构、位错间的交互作用(平行位错间的交互作用、运动位错与林位错间的 交互作用) 、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 提高材料屈服强度的方法:细晶强化、加工硬化、固溶强化、弥散强化、降低温度、提高应

变速率、 —————————— 7. 何为拉伸断口三要素?影响宏观拉伸断口的形态的因素有哪些? 纤维区:断口呈纤维状,灰暗色。垂直于拉伸轴纤维状是塑性变形中裂纹不断扩展和相互连 接造成的。该区裂纹扩展速度很慢。 放射区:断口呈放射状,放射线平行于裂纹扩展方向,而垂直于裂纹前端的轮廓线,并逆指 向裂纹源。是裂纹快速扩展时形成的区域。 剪切唇:断口表面光滑,与拉伸轴线呈45° ,是典型的切断型断裂。也是最后断裂阶段由缩 颈形成的。 影响因素:试样的形状、尺寸和金属材料的性能及实验温度、加载速率和应力状态。材料的 强度提高,塑性降低,则放射区比例增大,试样的尺寸增大,放射区明显增大,纤维区变化 不大。 ———————————— 8、为什么材料的塑性要以延伸率和断面收缩率这两个指标来度量?它们在工程上各有什么 实际意义? 可以很好的来反映其塑性冶金质量。但是延伸率比断面收缩率更常用。 工程意义:①避免因偶然过载而发生突然之间的破坏 ②可以松弛裂纹的局部应力,阻止裂纹扩展,即降低应力集中 ③可以进行塑性加工和修复工艺等 ④反应冶金质量,评定材料质量 —————————— 9.包申格效应有何意义?工程中对机件会产生哪些影响? 金属材料经过预先加载产生少量塑性变形(残余应变小于1~4%) ,而后再同向加载,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”。 可以对材料进行循环软化,降低其寿命,降低其强度。

———————————— 10.试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别?为什 么? 对于碳钢,含碳量约高,其屈服现象越不明显,脆性增强。 —————————————— 11. 试述韧性断裂与脆性断裂的区别,为什么说脆性断裂最危险? 韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂, 是一种缓慢的撕裂过程, 其断裂 面一般平行于最大切应力并与主应力成45° 角,其断口呈纤维状,灰暗色。 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,没有明显的征兆。因此脆性断 裂较韧性断裂的危险性更大。脆性断裂的断面一般垂直于正应力方向,断口平齐且光亮,常 呈放射状或结晶状。

12. 常温静拉伸试验可确定金属材料的哪些性能指标?说出这些指标的符号定义、意义。 屈服强度 σs:产生屈服现象时的应力,表示材料对微量塑性变形的抗力。 抗拉强度 σb:材料在拉伸试验中所能承受的最大外力所对应的应力值,表示材料对塑性变 形的抗力, 断面收缩率 ψ:试样拉断后,缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 延伸率 δ:试样拉断后,标距的伸长量与原始标距的百分比 _________________ 18.试分析金属材料在屈服阶段为何存在上下屈服点? 屈服现象和下列三个因素有关: 1.材料在变形前可动位错密度很小。 2.随塑性变形的发生,位错快速增殖。 3.位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系。

变形前可动的位错较少,为了满足一定的应变速率,必须增大位错的运动速率,而 ,因此 需要较高的应力,此时出现上屈服点;一旦发生塑性变形,位错大量增殖,ρ 增大,则运动 速率下降,相应的应力降低,此时出现下屈服点。 _______________________ 25.循环韧性有何工程意义?选择音叉需要选择循环韧性高的还是低的材料? 循环韧性(塑性应变环)的意义:材料的循环韧性越高,则机件依靠材料自身的消振能力越 好。因此,高的循环韧性对于降低机械噪声,抑制高速机械振动,防止共振导致疲劳断裂是 非常重要的。飞机螺旋桨、气轮机叶片需要高 δ;而追求音响效果的元件如音叉、簧片等要 低 δ;灰铸铁的 δ 大,常用来作机床的床身、发动机的缸体和支架等。 音叉的循环韧性要低。1.决定金属屈服强度的因素有哪些? 答:影响金属屈服强度的因素分为内在因素和外在因素。内在因素有金属本性及晶格类型、 晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相粒子;外在因素有温度、应变速率和应力状态。 2.试述韧性断裂与脆性断裂的区别。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,断裂前期丁不发 生塑性变形,没有明显征兆,因此脆性断裂在生产中是很危险的。 剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂?为什么断裂的性质完全不同? 答:剪切断裂是金属材料在切应力作用下,沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂,其中又 分滑断(纯剪切断裂)和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常产生纯剪切断裂,其 断口呈锋利的楔形或刀尖型。 而解理断裂是金属材料在一定条件下, 当外加正应力达到一定 数值后,以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂。 3.在什么情况下易出现沿晶断裂?怎样才能减小沿晶断裂的倾向? 答:当晶界上有一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物,破坏了晶界的连续所造成,也可 能是杂质元素向晶界偏聚引起的,如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等都 是沿晶断裂。要减小沿晶断裂的倾向,则要求防止应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、 磨削裂纹等出现。 4.何为拉伸断口三要素?影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些? 答:拉伸断口的三要素:纤维区、放射区和剪切唇;影响宏观拉伸断口性态的因素有试样的 形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和腕力状态不同而变化。

5.通常纯铁的γ s=2J/㎡,E=2*10 MPa,a0=2.5×10 解:由题意可得:

5

-10

m,试求其理论断裂强度ζ m 。

? E?s ? ?m ? ? ? a ? ? ? 0 ?

1/ 2

? 2 ? 10 5 ? 2 ? ?? ? 2.5 ? 10 ?10 ? ? ? ?

1/ 2

? 4.0 ? 10 4 Mpa

6.有哪些因素决定韧性断口的宏观形貌? 答: 韧性断口的宏观形貌决定于第二相质点的大小和密度、 基体材料的塑性变形能力和应变 硬化指数,以及外加应力的大小和状态等。 7.何谓塑性变形 塑性变形是指材料在外力作用下发生的永久性的、 随外力撤去后而保留下来的不会消失的变 形。有如下特点: ①低应力下产生(远低于理论强度) ; ②具有形变强化效果:应变量与应力保持增函数关系; ③变形的不均匀性:表现在各晶粒的内部、各晶粒之间的变形量的不均匀性和不同时性,但 随变形量的增加,该不均匀性的表现减弱; ④应力应变间不再保持直线关系,在撤去外力后不能完全恢复为零,有残余变形余留; ⑤塑性变形同时伴有弹性变形产生, 其相对应的弹性变形的大小为撤去外力后消失的那部分 变形量,保留下来的残余变形量作为相应的塑性变形量。 塑性变形一般以滑移、孪生方式为主。 8.试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转实验的特点和应用范围。 答:单向拉伸的应力状态系数α =0.5,说明应力状态较硬,故一般适用于那些塑性变形 抗力与切断强度较低的塑性材料试验;单向压缩试验的应力状态软性系数α =2,比拉伸、扭 转、弯曲的应力状态都软,主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能测定,以显示这类材 料在塑性状态下的力学行为;弯曲试验试样形状简单、操作方便,试样表面应力最大,可较 灵敏地反映材料表面缺陷,弯曲试验主要用于测试铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆 性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别, 还用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层等表面热 处理机件的质量和性能。扭转的应力状态软性系数α =0.8,比拉伸时的α 大,易于显示金属 的塑性行为; 能实现大塑性变形量下的试验; 能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层 的性能; 可以测定这些材料切断强度; 主要适用于热扭转来研究金属在热加工条件下的流变 性能与断裂性能,评定材料的热压力加工性,并确定适当的工艺,还可用来研究工作热处理

的表面质量和各种表面强化训练工艺的效果。 可以根据扭转断口宏观特征来判断承受扭矩而 断裂的机件的性能。 9.缺口试样拉伸时应力分布有何特点? 答:当缺口试样拉伸,处于弹性状态下时,缺口截面上的应力分布是不均匀的,轴向应 力 ?y 在缺口根部最大。随着离开根部距离的增大,?y 不断下降,即在缺口根部产生应力集 中。并且在缺口根部内侧还出现了横向拉应力 ?x ,它是由于材料横向收缩引起的,自缺口 根部向内部发展,收缩变形阻力增大,因此 ?x 逐渐增加。当增大到一定数值后,随着 ?y 的 不断减小, ?x 也随之下降。基试样处于塑性状态下时,在存在缺口的条件下会出现三向应 力状态,并产生应力集中,试样的屈服应力比单向拉伸时高,产生所谓“缺口强化”现象。 10.今有如下零件和材料等需测定硬度,试说明选用何种硬度实验方法为宜。 (1)渗碳层的硬度分布:用维氏硬度; (2)淬火钢:用洛氏硬度; (3)灰铸钢:用布氏硬度; (4)鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体:用维氏硬度; (5)仪表小黄铜齿轮:用维氏硬度; (6)龙门刨床导轨:用肖氏硬度和里氏硬度; (7)渗氮层:用维氏硬度和努氏硬度; (8)高速钢刀具:用维氏硬度; (9)硬质合金:用洛氏硬度; 11.试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。 答:低温度脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加(对体心立方金属,是派拉力起主 要作用所致(详细见第一章有关内容) 。其影响因素有:晶体结构;化学成分;显微组织; 12.说明下列断裂韧度指标的意义及相互关系: (1)K1C 和 KC:表征 KI 增大达到临界值时,也就是在裂纹尖端足够大的范围内应力达到了 材料的断裂强度,裂纹便失稳扩展而导致材料断裂。 (2)G1C;表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。 (3)J1C;表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。 (4)δ C:表示材料阻止裂纹开始扩展的能力。 13.有一大型板件,材料的ζ
0.2

=1200MPa,K1C.=115MPa.m ,探伤发现有 20mm 长的横向穿透

1/2

裂纹,若在平均轴向拉应力 900MPa 下工作,试算 KⅠ及塑性区的宽度 R0, ,并判断该件是否安

全? 解:由题意可知: ζ
0.2

=1200MPa,K1C.=115MPa.m ,2a=20mm, ? ? 900 MPa
1/2

由 ? / ? 0.2 ? 900 / 1200 ? 0.75 ,必须考虑塑性区修正问题。由于裂纹可以看成是无 限大板穿透裂纹,故裂纹的形状系数 Y= ? 。便得到 KⅠ修正值:

K1 ?

Y? a 1 ? 0.056Y (? / ? 0.2)
2 2

?

900 ? ? ? 0.01 1 ? 0.056? ? 0.75
2
2

? 167 .92 MPa.m1/2

? K1 ? ? 167 .92 ? R0 ? 0.056 ? 2? ? ? 0.056 ? 2 ? ? ? ? 0.0022 m ? 2.2mm ? ?s ? ? 1200 ?
由于 KⅠ﹥K1C,所以该件不安全。 14.有一轴件平均轴向工作应力 150MPa,使用中发生横向疲劳脆性正断,断口分析表明有 25mm 深的表面半椭圆疲劳区, 根据裂纹 a/c 可以确定Ф=1,测试材料的ζ 材料的断裂韧度 KⅠc 是多少? 解:由题意可得: ζ
0.2 0.2

2

=720MPa,试估算

=720MPa,Ф=1,ζ =150MPa,a=25mm,那么有:

? / ? 0.2 ? 150 / 720 ? 0.21 ,不须考虑塑性区的修正问题。
k1 ? Y? a ? 1.1 ? 1.1 ? ? a? ? 150 ? 0.025 ? 81.96 MPa.m1/2 ? 1
1/2

由于轴件发生了断裂,则有 K1﹥K1C,所以材料的断裂韧度 KⅠc 小于 81.96 MPa.m . 15.有一构件制造时,出现表面半椭圆裂纹,若 a=1mm,在工作应力σ=1000 MPa 下工作, 应该选什么材料的ζ 化列于下表。 ζ
0.2 0.2

与 KⅠc 配合比较合适?构件材料经不同热处理后, 其ζ

0.2

与 KⅠc 的变

1100 110

1200 95

1300 75

1400 60

1500 55

K1C.

解:由题意和表格可得: a=1mm,σ=1000 MPa,那么有: 对于第一种工艺:由于 ? / ? 0.2 ? 1000 / 1100 ? 0.91 ,必须考虑塑性区修正问题。由于裂 纹可以看成半椭圆裂纹,设 a/c=0.6,查表可知φ =1.28,故裂纹的形状系数 Y=

1.1 ? 。便 ?

得到 KⅠ修正值:

K1 ?

1.1? ?a ? ? 0.212 (? / ? 0.2) 2
2

根据此式,可求得断裂应力ζ c 的计算式为:

?c1 ?

?k1c 3.8a ? 0.212 ?k1c / ? 0.2 ?
2

?

1.28 ? 110 3.8 ? 0.001 ? 0.212 ?110 / 1100 ?
2

? 1828 MPa

ζ c1﹥ζ ,此工艺满足要求。 同理:其它几种工艺可用同样方法分别求出ζ c2,ζ c3,ζ c4,ζ c5 对第二种工艺来说: 由于 ? / ? 0.2 ? 1000 / 1200 ? 0.83 ,必须考虑塑性区修正问题。由于裂纹可以看成半椭圆 裂纹,设 a/c=0.6,查表可知φ =1.28,故裂纹的形状系数 Y=

1.1 ? 。便得到 KⅠ修正值: ?

K1 ?

1.1? ?a ? 2 ? 0.212 (? / ? 0.2) 2 ?k1c

根据此式,可求得断裂应力ζ c 的计算式为:

?c 2 ?

3.8a ? 0.212 ?k1c / ? 0.2 ?

2

?

1.28 ? 95 3.8 ? 0.001 ? 0.212 ?95 / 1200 ?
2

? 1689 MPa

ζ c2﹥ζ ,此工艺满足要求。 对于第三种工艺: 由于 ? / ? 0.2 ? 1000 / 1300 ? 0.77 ,必须考虑塑性区修正问题。由于裂纹可以看成半椭圆 裂纹,设 a/c=0.6,查表可知φ =1.28,故裂纹的形状系数 Y=

1.1 ? 。便得到 KⅠ修正值: ?

K1 ?

1.1? ?a ? 2 ? 0.212 (? / ? 0.2) 2 ?k1c

根据此式,可求得断裂应力ζ c 的计算式为:

?c3 ?

3.8a ? 0.212 ?k1c / ? 0.2 ?

2

?

1.28 ? 75 3.8 ? 0.001 ? 0.212 ?75 / 1300 ?
2

? 1433 MPa

ζ c3﹥ζ ,此工艺满足要求。 对于第四种工艺: 由于 ? / ? 0.2 ? 1000 / 1400 ? 0.714 , 必须考虑塑性区修正问题。 由于裂纹可以看成半椭圆 裂纹,设 a/c=0.6,查表可知φ =1.28,故裂纹的形状系数 Y=

1.1 ? 。便得到 KⅠ修正值: ?

K1 ?

1.1? ?a ? 2 ? 0.212 (? / ? 0.2) 2 ?k1c

根据此式,可求得断裂应力ζ c 的计算式为:

?c 4 ?

3.8a ? 0.212 ?k1c / ? 0.2 ?

2

?

1.28 ? 60 3.8 ? 0.001 ? 0.212 ?60 / 1400 ?
2

? 1180 MPa

ζ c4﹥ζ ,此工艺满足要求。 对于第五种工艺: 由于 ? / ? 0.2 ? 1000 / 1500 ? 0.67 ,不必考虑塑性区修正问题。由于裂纹可以看成半椭圆 裂纹,设 a/c=0.6,查表可知φ =1.28,故裂纹的形状系数 Y= 的计算式为:

1.1 ? 。便得到断裂应力ζ c ?

?c5 ?

?k1c 1.1 ? ?a

?

1.28 ? 55 1.1 ? ? ? 0.001

? 1135 MPa

ζ c5﹥ζ ,此工艺满足要求。 16.解释下列疲劳性能指标的意义 (1)疲劳强度ζ -1,ζ
-1p

, τ-1,ζ -1p;

ζ -1:表征对称弯曲疲劳极限; ζ
-1p

:表征对称拉压疲劳极限;

τ-1: 表征对称扭转疲劳极限; ζ -1N;表征缺口试样的疲劳极限; (2)疲劳疲劳缺口敏感度 qf:表征金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性; (3)过载损伤界:材料在过载应力下工作一定周次后,会造成过载疲劳损伤,而低于某一 周次的预先过载对其后进行的疲劳寿命没有影响,该最低循环周次的轨迹叫过载损伤界。 (4)疲劳门槛值△Kth:疲劳裂纹不扩展的△K 临界值。 17.试述金属疲劳断裂的特点 答: ? ? ? 疲劳断裂是低应力循环延时断裂; 疲劳断裂是脆性断裂; 疲劳断裂对缺陷十分敏感;

18.试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程。 答:从疲劳的宏观断口的来看,有三个形貌不同的区域:疲劳源、疲劳区及瞬断区。

疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地,在断口上,疲劳源一般在机件表面,常和缺口、裂纹、 刀痕、蚀坑等缺陷相连,因为这里的应力集中会引发疲劳裂纹。疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展 所形成的断口区域, 该区是判断疲劳断裂的重要证据。 瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形 成的断口区域。 19.试述疲劳曲线(S-N)及疲劳极限的测试方法。 答:疲劳曲线(S-N)通常是用旋转弯曲疲劳试验测定的,用四点弯曲试验机,这种试 验机结构简单,操作方面,能够实现对称循环和恒应力幅的要求,因此比较广泛。试验时, 用升降法测定条件疲劳极限,用成组试验测定高应力部分,然后将上述两试验数据整理,并 拟合成疲劳曲线,再测得疲劳极限。 20.试述疲劳图的意义、建立及用途。 答:疲劳图是各种循环疲劳极限的集合图,也是疲劳曲线的另一种表达形式。根据平均应力 对疲劳极限ζ r 的影响规律建立疲劳图。建立好疲劳图后,只要我们知道应力比 r 之后,可 以根据疲劳图,得到相应的疲劳极限。 21.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。 22.试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素,并和疲劳裂纹萌生的影响因素进行对比分析。 答:影响疲劳裂纹扩展速率的因素有:应力比 r(或平均应力ζ m) 、过载峰、材料的组 织;而影响疲劳裂纹萌生因素有: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。 从两者来看, 疲劳裂纹的产生的主要影响因素是由于材料内部缺陷所引起的, 而与外载几乎没有关系。 23.试述疲劳微观断口的主要特征及其形成模型。 答:疲劳微观断口的主要特征是具有疲劳条带;疲劳条带形成的原因中,比较公认是塑 性钝化模型,也称为 Laird 疲劳裂纹扩展模型,在交变应力为零时裂纹闭合,这是在开始一 循环周次时的原始状态。 当拉应力增加, 裂纹张开, 在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移。 随着拉应力继续增加到最大值时裂纹张开至最大, 塑性变形的范围也随之扩大, 即表示裂纹 尖端的塑性变形范围。由于塑性变形的结果.裂纹尖端的应力集中减小,裂纹尖端钝化:理

想状态是假定裂纹尖端张开呈半圆形,这时裂纹便停止扩展。当应力变为压缩应力时,滑移 方向也改变了,裂纹表面渐被压缩,到压应力为最大值时,裂纹便完全闭合,又恢复到原始 状态, (具体见有关书籍) 。这样反复循环,便留下了疲劳条带。 24.试述疲劳裂纹扩展寿命和剩余寿命的估算方法及步骤。 答:通过疲劳裂纹扩展速率表达式,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(详见书 本上例题) 25.试述ζ
-1

与△Kth 的异同及各种强化方法影响的异同。
-1

答:ζ -1:指当循环应力水平降低到ζ

以下时,试样可以经无限次应力循环也不发生

疲劳断裂,它是光滑试样的无限寿命疲劳强度;△Kth 表示材料阻止裂纹开始扩展的性能, 是材料的力学性能指标,其值越大,阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大,材料就越好,是 裂纹试样的无限寿命疲劳性能,适于裂纹件的设计和校核。 26.试述金属表面强化对疲劳强度的影响。 答: 金属表面强化处理可在机件表面产生有利的残余应力, 同时还以提高机件表面的强度和 硬度,这两种作用都能提高疲劳强度(具体见有关书籍) 。 27.试述金属循环硬化和循环软化现象及产生条件。 答: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(形变抗力)不断增加, 即称为循环硬化; 循环软化指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 (形变抗力)不断减小;要产生循环硬化和循环软化取决于材料的初始状态、结构特性以及 应变幅和温度,还与位错的运动有关。 28.正火上浇油 45 钢的ζ b=610MPa, ζ -1=300MPa,试用 Goodman 公式绘制ζ max(ζ min)ζ m 疲劳图,并确定ζ -0.5、ζ 0 和ζ 0.5 等疲劳极限。 29.试述金属产生应力腐蚀的条件及机理。 答:金属产生应力腐蚀的条件是应力、化学介质和金属材料。 金属产生应力腐蚀产生的机理: 主要介绍以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论。 对应力 腐蚀敏感的合金在特定的化学介质中, 首先在表面形成一层钝化膜, 使金属不致进一步受到 腐蚀,即处于钝化状态,因此,在没有应力的作用下,金属不会发生腐蚀破坏。若有拉应力 作用,则可使局部地区的钝化膜破裂,显露出新鲜的表面。这个新鲜的表面在电解质溶液中 成为阳极,其余具有钝化膜的金属表面成为阴极,从而形成腐蚀微电池。阳极金属变成正离 子进入电解质中而产生阳极溶解, 于是在金属表面形成蚀坑。 拉应力除促使局部地区钝化膜

破坏外,更主要的是在蚀坑或原有裂纹的尖端形成应力集中,使阳极电位降低,加速阳极金 属的溶解。如果裂纹尖端的应力集中始终存在,那么微电池便不断进行,钝化膜不能恢复, 裂纹将逐步纵深扩展。 30. 何为氢致延滞性断裂?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:氢致延滞断裂:高强度钢或 α+β 钛合金中,含有适量的处于固溶状态的氢(原来存在 的或从环境介质中吸收的) ,在低于屈服强度的应力持续作用下,经过一段孕育期后,在金 属内部,特别是在三向拉应力区形成裂纹,裂纹逐步扩展,最后突然发生脆性断裂。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。 因为当应变率较低时, 若试验温度过 低,氢的扩散速率很慢,永远跟不上位错的运动。因此不能形成氢气团,氢也难以聚集,就 不会出现氢脆,当温度变大一些,氢的扩散速率与位错运动速率逐步适应,于是塑性开始降 低。当温度升到更大的时候,两者运动速率完全吻合,此时塑性最差,对氢脆最敏感。温度 再升高时,一方面形成氢气团,同时由于热作用,又促进已聚集的氢原子离开气团向四周均 匀扩散, 降低了气团对位错的 “钉扎” 作用, 并减少氢偏聚的尝试于是金属的塑性开始上升。 当温度更大时,氢气团完全被扩散破坏,氢脆现象完全消除。应变速率对氢脆敏感性的影响 也是如此。所以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。 31.试述区别高强度钢的应力腐蚀与氢致延滞断裂的认识方法。 答: 可采用极化试验方法, 即利用外加电流对静载下产生裂纹时或裂纹扩展速率的影响来判 断。 当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹时间的是应力腐蚀; 当外加小的阴极电流而缩短产 生裂纹时间的是氢致延滞断裂。 对于一个已断裂的机件来说, 还可从断口形貌上来加以区分。 (具体见书 P168) 。 32.试比较三类磨粒磨损的异同,并讨论加工硬化对它们的影响。 答:(1)低应力划伤式的磨料磨损,它的特点是磨料作用于零件表面的应力不超过磨料的压 溃强度,材料表面被轻微划伤。生产中的犁伴,及煤矿机械中的刮板输送机油楷磨损情况就 是屑于这种类型。(2)高应力辗碎式的磨料磨损,其特点是磨料与零件表面接触处的最大压 应力大于磨料的压溃强度。 生产中球磨机村板与磨球, 破碎式滚筒的磨损便是属于这种类型。 (3)凿削式磨料磨损,其特点是磨料对材料表面有大的冲击力,从材料表面凿下较大颗料的 磨屑,如挖掘机斗齿及领式破碎机的齿板。3、试述粘着磨损产生的条件、机理及其防止措 施。 加工硬化对金属材料抗磨粒打拐能力的影响, 因磨损类型不同而异。 在低应力擦伤性磨

粒磨损时,加工硬化对材料的耐磨性没有影响,这是由于磨粒或硬的凸出部分切削金属时, 局部区域产生急剧加工硬化, 比预先加工硬化要剧烈得多所致。 但在高应力碾碎性磨粒磨损 时,加工硬化能显著提高耐磨性,因为此时磨损过程不同于低应力下的情况,表面金属材料 主要是通过疲劳破坏而不是切削作用去除的。 33.试述粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施。 答:粘着磨损是在滑动摩擦条件下,当摩擦副相对滑动速度较小时发生的,它是因缺乏 润滑油,摩擦副表面无氧化膜,且单位法向载荷很大,以致接触应力超过实际接触点处屈服 强度而产生的一种磨损; 其机理是摩擦副实际表面上总存在局部凸起, 当摩擦副双方接触时, 即使施加较小载荷, 在真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。 倘若接触面上洁净而 未受到腐蚀, 则局部塑性变形会使两个接触面的原子彼此十分接近而产生强烈粘着。 随后在 继续滑动的过程中,粘着点被剪断并转移到一方金属表面,然后脱落下来便形成磨屑。一个 粘着点剪断了,又在新的地方粘着,随后也被剪断的过程,构成了磨损过程。 34.滑动速度和接触压力对磨损量有什么影响? 答:滑动速度和接触压力越大,磨损量会越大(具体见有关书籍) 。 35.比较粘着磨损、磨粒磨损和微动磨损摩擦面的形貌特征。 答:三者相比,磨粒磨损的特征最明显;磨粒磨损面的形貌特征主要是摩擦面上有明显 犁皱形成的沟槽; (具体见有关书籍) 36.试比较接触疲劳和普通机械疲劳的异同。 答:接触疲劳是工件(如齿轮、滚动轴承,钢轨和轮箍,凿岩机活塞和钎尾的打击端部 等)表面在接触压应力的长期不断反复作用下引起的一种表面疲劳破坏现象,表现为接触表 面出现许多针状或痘状的凹坑,称为麻点,也叫点蚀或麻点磨损;而普通机械疲劳指的是在 交变应力作用下的损坏。 37.列表说明金属接触疲劳三种破坏形式的机理和特征。` 麻点剥落 机理 在滚动接触过程中,由 于表面最大综合切应力 反复作用,在表层局部 区域,如材料的抗剪屈 服强度较低,则将在该 浅层剥落 在接触应力反复作用 下,塑性变形反复进 深层剥落 深层剥落的初始裂纹常在表 面硬化机件的过渡区内产

行, 使材料局部弱化, 生,该处切应力虽不最大, 遂在该处形成裂纹, 但因过渡区是弱区,切应力 可能高于材料强度而在该处

处产生塑性变形,同时 必伴有形变强化。 特征 表面接触应力较小,摩 擦力较大或表面质量较 差时易产生。 出现在表面粗糙度 低,纯滚动或相对滑 动小、接近纯滚动的 场合。

产生裂纹。

表面硬化机件强度太低,硬 化层深不合理,梯度太陡或 过渡区存在不利的应力分布 都易造成深层剥落。

38.试从提高疲劳强度、接触疲劳强度、耐磨性的观点,分析化学热处理时应注意的事项。 答:对工件进行相应化学热处理,可以提高工件的疲劳强度、接触疲劳强度、耐磨性,但是 在进行化学热处理时,应注意:选择合适的化学热处理;要有一定的渗层梯度;等等; (具 体见有关书籍) 39.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:高温下金属蠕变变形的机理是通过位错滑移、原子扩散引起的;而金属塑性变形主 要是由滑移和孪生引起的。 (具体见有关资料) 40.试说明金属蠕变断裂的裂纹形成机理与常温下金属断裂的裂纹形成机理有何不同? 答:金属蠕变断裂的裂纹形成机理有两种方式:在三晶粒交会处形成楔形裂纹;在晶界上 由空洞形成晶界裂纹。常温下金属断裂的裂纹形成机理有很多,如:位错塞积理论、柯垂耳 位错反应理论、微孔聚集长大等方式。 41.试分析晶粒大小对金属材料高温力学性能的影响。 答:当使用温度低于等强温度时,细晶粒钢有较高的强度;当使用温度高于等强温度时,粗 晶粒钢及合金有较高的野蛮极限和持久强度极限。但是晶粒太大会降低高温下的塑性和韧 性。对于耐热钢及合金来说,随合金万分及工作条件不同有一最佳晶粒度范围。 42.某些用于高温的沉淀强化镍基合金,不仅有晶内沉淀,还有晶界沉淀。晶界沉淀相是一 种硬质金属间化合物,它对这类合金的抗蠕变性能有何贡献? 答:晶界沉淀相能够强化晶界,它可以强烈的阻止位错的滑移,所以能大幅度提高材料 的抗蠕变性能。 (具体见有关资料) 综合题 43.一直径为 10mm,标距长为 50mm 的标准拉伸试样,在拉力 P=10kN 时,测得其标距伸长 为 50.80mm。求拉力 P=32kN 时,试样受到的条件应力、条件应变及真应力、真应变。 该试样在拉力达到 55.42kN 时, 开始发生明显的塑性变形; 在拉力达到 67.76kN 后试样 断裂,测得断后的拉伸试样的标距为 57.6mm,最小处截面直径为 8.32mm;求该材料的屈服 极限 ζ s、断裂极限 ζ b、延伸率和断面收缩率。

解:

d0 =10.0mm, L0 = 50mm, P1=10kN 时 L1 = 50.80mm;P2=32kN 因 P1、P2 均远小于材料的屈服拉力 55.42kN,试样处于弹性变形阶段,据虎克定律有: P1 : P2 =⊿L1 :⊿L2 =(L1-L0):(L2-L0) L2-L0 =(L1-L0)×P2/P1 =0.8 ×32/10 =2.56(mm)=> L2 = 52.56(mm) 2 2 此时: F0 =π d0 /4 =78.54 mm 2 由: F2× L2=F0×L0 => F2= F0× L0/L2 = 78.54×50/52.56 = 74.71 (mm ) 2 条件应力:σ = P/F0 =32kN/78.54mm =407.44Mpa 相对伸长:ε = (L2- L0)/ L0=(52.56-50)/50= 0.0512 = 5.12% 相对收缩:ψ =(F0 –F2)/F0=( 78.54 - 74.71)/ 78.54 = 0.0488=4.88% 2 真实应力: S = P/F2 = 32kN/ 74.71mm =428.32Mpa 真实应变: e =ln(L2 /L0)=ln(52.56/50)=0.0499=4.99%= -ψ e Lk = 57.6mm, 2 2 dk = 8.32mm, Fk =π dK /4 = 54.37 mm 2 屈服极限:ζ S = 55.42kN/78.54 mm = 705.6MPa 2 断裂极限: ζ b = 67.76kN/78.54 mm = 862.7Mpa 延伸率: δ = (LK- L0)/ L0= (57.6-50)/50 = 0.152= 15.2% 断面收缩率:ψ k=(F0-Fk)/F0=(78.54-54.37)/ 78.54=0.3077= 30.77% 44.某大型构件中心有长为 4mm 的原始裂纹,该构件在频率为 50Hz,ζ MAX =-ζ MIN =85MPa n 的周期循环应力下工作,已知该裂纹的扩展速率为:dɑ/dN = C(Δ K ) ,其中:n=3, -16 C=2.4×10 ,且知 Y=√π ,2ɑC=32mm,问该构件在此循环应力下能安全工作多长时间? 解:ɑ0 = 4mm/2 = 2mm=0.002m,ɑC=32mm/2 = 0.016m Δ ζ =ζ MAX - ζ MIN =85Mpa -(-85MPa)= 170Mpa Δ K = KMAX-KMIN =Yζ MAX√ɑ- Yζ MIN√ɑ = Y(ζ MAX - ζ MIN)√ɑ = YΔ ζ √ɑ n n dɑ/dN= C(Δ K ) => dN=[1/ C(Δ K ) ] dɑ Nf ɑc n ɑc n Nf = ∫0 dN =∫ɑ0 [1/ C(Δ K ) ] dɑ=∫ɑ0 [1/ C(YΔ ζ √ɑ) ] dɑ ɑc -16 3/2 3 3/2 = ∫ɑ0 [1/(2.4×10 ×π ×170 ×ɑ )] dɑ 16 3/2 3 ɑc 3/2 = 10 /(2.4×3.14 ×170 )∫ɑ0 [1/ɑ ] dɑ 8 1/2 1/2 =1.523×10 ×[ (-1)/(3/2-1)] [1/ɑC -1/ɑ0 ] 8 1/2 1/2 8 =1. 523×10 ×2(1/0.002 -1/0.016 ) =1. 523×10 ×2×(22.36-7.91) 9 = 4.406×10 (次) 9 7 7 工作时间:T=4.406×10 /50(Hz)=8.81×10 (s) = 8.81×10 /3600 (hr) =24479.5hr 结论:在该应力条件下,该构件大约可工作 24480 小时。 45.一大型板件中心有一宽度为 4.8mm 的穿透裂纹,其材料的 ζ S=760MPa,KIC=102MPa.M ; 板件受 650Mpa 的单向工作应力,问: (1) 该裂纹尖端的塑性屈服区尺寸 (2) 该裂纹尖端的应力场强度因子的大小 (3) 该板件是否能安全工作 (4) 该板带有此裂纹安全工作所能承受的最大应力 解:a = 0.0048 /2=0.0024(m) KI =Y ζ √(a + ry ) =ζ √π (a + ry ) 2 2 ry= Ro/2= KI /4√2π ζ S 2 2 2 联立求解得:KI =Yζ √a/√(1- Y ζ /4√2π ζ S )
1/2

=√π × 650× 10 ×√0.0024/√(1-π ×650 ×/4√2π ×760 ) 6 2 6 1/2 =√π × 650× 10 ×√0.0024/√(1- 0.178×(650/760) )=60.49×10 =60.49 MPa.M 1/2 该裂纹尖端的应力场强度因子:KI=60.49MPa.m 该裂纹尖端的塑性屈服区尺寸 Ro: 2 2 2 2 Ro=2ry=KI /2√2π ζ S =60.49 /2√2π ×760 =0.00071m=0.71mm ry =0.355mm=0.000355m 1/2 1/2 因 K I=60.49 MPa.m < KIC=102MPa.m ,故该板件能安全工作; 在该工作条件下,板件中所允许的最大裂纹尺寸 aC: 2 2 2 KI =Yζ √(a + ry ) => KIC =Y ζ √(aC + ry ) => aC = KIC / Y ζ - ry 2 2 aC = 102 /(π × 650 ) - 0.000355 = 0.00784- 0.000355=7.48mm 板件中所允许的最大裂纹尺寸为:7.48mm× 2 = 14.96mm KI =Y ζ √(a + ry ) => KIC =Y ζ C√(a + ry ) =>ζ C= KIC/ Y√(a + ry ) ζ C= 102/√π √(0.0024+ 0.000355)=1096.4 MPa 此板带此裂纹所能承受的最大安全工作应力为:=1096.4 MPa 46.说明冲击韧性测试原理,测试的力学性能指标 AK 的物理意义并说明它由哪几个阶段部 分组成? 答: 冲击试验原理:能量原则——摆锤冲断试样前后所产生的能量损失 AK; 2 AK= G(H1-H2) α K = AK / F F = 8×10mm AK 的物理意义:试样冲断过程中所吸收的总能量 AK; AK 可分为三个部分:AⅠ、AⅡ、AⅢ AK= AⅠ+AⅡ+AⅢ 其中 AⅠ为弹性功,AⅡ为形变强化阶段的弹塑性变形功,AⅢ为裂纹扩展阶段的裂纹扩展功。 47. 什么是低周疲劳?有何特点? 定义:特指材料在较高的循环应力作用下导致的低寿命的疲劳破坏。 特点: 1) 循环周次低(寿命低); 2) 其工作应力值 ζ max 较高,表现为应变循环破坏;不再适用 ζ ~N 曲线来描述 材料的抗疲劳性能,以Δ ε p~N 曲线来描述材料的抗疲劳性能; 3) 低周疲劳因应力较高,常有不止一个疲劳源; 4) 低周疲劳断口疲劳线间距较宽,数目较少;

6

2

2

48. 某材料的 ζ b 为 1020Mpa,其 ζ -1 为 820Mpa,任选作出一种疲劳图,在图中标明在任意 的 r 条件下的 ζ r 及 ζ max,ζ min,ζ m,ζ a,并标明该疲劳图的应力循环安全工作区。


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