力學(xué)性能高階版

1、1、 金屬的彈性模量主要取決于什么因素？為什么它是一個(gè)對(duì)組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)？取決于金屬原子本性和晶格類型。由于彈性變形是原子間距在外力作用下可逆變化的結(jié)果，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系實(shí)際是原子間作用力和原子間距的關(guān)系，所以彈性模量與原子間作用力有關(guān)，與原子間距也有一定關(guān)系。原子間作用力取決于金屬原子本性和晶格類型，彈性模量也取決于金屬原子本性和晶格類型。合金化、熱處理、冷塑性變形對(duì)彈性影響小，所以彈性模量是一個(gè)對(duì)組織不敏感的指標(biāo)。2、 今有45、40Cr、35CrMo鋼和灰鑄鐵幾種材料，你選擇哪種材料作機(jī)床床身？為什么？灰鑄鐵，機(jī)床機(jī)身要求剛度大，抗震性好，運(yùn)行可靠且耐磨性好，制備簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。3

2、、 試述多晶體金屬產(chǎn)生明顯屈服的條件。并解釋bcc金屬及其合金與fcc金屬及其合金屈服行為不同的原因。產(chǎn)生屈服的條件：材料變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度較小。隨塑性變形發(fā)生，位錯(cuò)能快速增殖。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與外加應(yīng)力有強(qiáng)烈依存關(guān)系。bcc金屬的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率應(yīng)力敏感指數(shù)數(shù)值較低，而此數(shù)值越低，則為使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率變化所需的應(yīng)力變化越大，則屈服現(xiàn)象越明顯，而fcc的此數(shù)值較高，故屈服現(xiàn)象不明顯。4、 試述退火低碳鋼，中碳鋼和高碳鋼的屈服現(xiàn)象在拉伸力伸長(zhǎng)曲線圖上的區(qū)別？為什么？低碳鋼中有較明顯的屈服現(xiàn)象，即在拉伸力伸長(zhǎng)曲線上有屈服平臺(tái)，有明顯屈服現(xiàn)象。而中碳鋼和高碳鋼則沒有屈服平臺(tái)。三者的區(qū)別主要在于含碳量的不同，導(dǎo)

3、致了間隙固溶原子數(shù)量不同。低碳鋼小于中碳鋼小于高碳鋼。而屈服平臺(tái)的產(chǎn)生和固溶原子的釘扎作用有關(guān)。由于釘扎作用，開動(dòng)位錯(cuò)需要很大的應(yīng)力，低碳鋼中，一但開動(dòng)了，運(yùn)動(dòng)就容易了，應(yīng)力也就下降了，便產(chǎn)生了屈服平臺(tái)。但高碳和中碳鋼中，由于固溶原子多，開動(dòng)位錯(cuò)后，接著又被另一柯氏氣團(tuán)釘扎，這一過程不斷重復(fù)，故曲線呈現(xiàn)連續(xù)變化，無屈服平臺(tái)。5、 決定金屬屈服強(qiáng)度的因素有哪些？?jī)?nèi)因：金屬本性和晶體結(jié)構(gòu)：晶格阻力，位錯(cuò)交互阻力。晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)：晶界，亞晶界對(duì)位錯(cuò)阻力大。溶質(zhì)元素：固溶產(chǎn)生的晶格畸變給位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶來阻力。第二相；固溶強(qiáng)化，間隙強(qiáng)化，第二相強(qiáng)化，彌散強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化外因：溫度應(yīng)變速率（變形速率正比）應(yīng)力

4、狀態(tài)（切應(yīng)力分量反比）6、 試根據(jù)下列方程（id1/2+ky）ky=2Gsq，討論下述因素對(duì)金屬材料韌脆轉(zhuǎn)變的影響：（1）材料成分：G增大，韌性增大，脆斷強(qiáng)度越高（2）雜質(zhì)：rs下降，使材料變脆（3）溫度：低溫變脆，T下降，i上升（4）晶粒大?。杭?xì)晶強(qiáng)化，抗脆斷性能優(yōu)化（5）應(yīng)力狀態(tài)：應(yīng)力下降，脆性上升（6）加載速度：加載速度上升，應(yīng)力上升，脆性降低7、 格雷菲斯理論的局限性：該理論只適用與脆性固體，如玻璃、金剛石等，也就是只適用與那些裂紋尖端塑性變形可以忽略的情況。因此要對(duì)該公式進(jìn)行修正。8、 試綜合比較單向拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。拉伸試驗(yàn)的特點(diǎn)是溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速率都

5、是確定的，應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)硬。且該方法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，實(shí)驗(yàn)精度高，適用范圍廣。塑性變形抗力和切斷強(qiáng)度較低的塑形材料。壓縮應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)軟一般都能產(chǎn)生塑性變形，所以該方法適用于測(cè)定脆性材料的韌性指標(biāo)或測(cè)定承受多向壓力零件的相關(guān)性能。彎曲：桿狀材料受彎后，其內(nèi)部應(yīng)力主要為正應(yīng)力，與單向拉伸和壓縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力雷同，但由于桿件截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面最大，中心為零，因此只有彎曲實(shí)驗(yàn)才能較靈敏地反映材料的表面缺陷。彎曲實(shí)驗(yàn)具有試樣形狀簡(jiǎn)單、操作方便，又不存在拉伸時(shí)試樣的偏斜等特點(diǎn)，常用測(cè)定鑄鐵，鑄造合金工具鋼等脆性和低塑形材料的強(qiáng)度和顯示塑性的拆額扭轉(zhuǎn)：特點(diǎn)有：扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為0.8，

6、比拉伸大，因此更易于顯示材料的塑性行為；圓柱試樣扭轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)長(zhǎng)度上的塑性變形是均勻的，沒有縮頸現(xiàn)象；能較敏感反映出試樣表面的缺陷及表面硬化層的性能；扭轉(zhuǎn)時(shí)最大的正應(yīng)力與最大的切應(yīng)力在數(shù)值上大體相等。用來研究金屬再來熱加工條件下的流變性能和斷裂性能9、 試說明布、洛、維硬度實(shí)驗(yàn)原理。并比較優(yōu)缺布氏硬度：用鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，采用單位面積所承受的試驗(yàn)力計(jì)算而得到的硬度洛氏硬度：采用金剛石圓錐體或小淬火鋼球做壓頭，以測(cè)量壓痕深度所表示的硬度維氏硬度：以兩相對(duì)面夾角為136的金剛石四棱錐做壓頭，采用單位面積所承受的試驗(yàn)力計(jì)算得到的硬度布優(yōu)：反映宏觀性能，適用于測(cè)量晶粒粗大或多相材料的綜合性能；重

7、復(fù)性好，波動(dòng)性小。布缺：壓痕大，且測(cè)量較麻煩；不同材料需要更換不同種類壓頭。洛優(yōu)：操作簡(jiǎn)便；適用硬度范圍大；壓痕小。洛缺：重復(fù)性較差；不同硬度對(duì)比性較差。波動(dòng)大。（波動(dòng)原因：1，成分偏析，成分波動(dòng)引起帶狀，2，夾雜3，鑄造疏松，有枝晶）維優(yōu)：維氏硬度有一個(gè)連續(xù)一致的標(biāo)度（而洛氏硬度則沒有）；試驗(yàn)載荷也可任意選擇，所得結(jié)果相同。10、 如今以下材料和零件測(cè)硬度，請(qǐng)選用方法。滲碳層的硬度分布：顯微維氏。淬火鋼：洛氏?；诣T鐵：布氏。鑒別鋼中的隱晶馬氏體與殘留奧氏體：顯微維氏。儀表小黃銅齒輪：肖氏。龍門刨床：肖氏。滲氮層：顯微維氏。高速鋼刀具：努氏。退火低碳鋼：布氏。硬質(zhì)合金：洛氏。11、 試樣是否開

8、口。開口:韌性材料。不開口:脆性、夾雜、裂紋、有缺陷。不開口:鑄鐵。開口:40CrNiMo，30CrMnSi，20CrMnTi12、 試說明低溫脆性的物理本質(zhì)及其影響因素。溫度下降對(duì)材料屈服強(qiáng)度下降幅度比斷裂強(qiáng)度大，致使溫度低于tk時(shí)材料不經(jīng)塑性變形直接脆斷。影響沖擊韌性和tk的因素：內(nèi)部因素：1晶體結(jié)構(gòu)2化學(xué)成分一般有：間隙元素含量升高，tk升高，升高，下降，但ak一般下降。 置換元素含量升高，tk升高，升高，下降，但ak一般也下降。3晶粒大小：晶粒尺寸下降，強(qiáng)度升高，塑性也升高，因此ak 升高。4金相組織5第二相：第二相存在一般都使升高，下降 ，ak一般下降，tk升高。6缺陷（夾雜物，偏析

9、氣泡過燒及白點(diǎn)等：缺陷的存在一般都使ak一般下降，tk升高。（二）、外部因素（External factors）1、溫度（Temperature）從室溫900，對(duì)組織均勻的結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在些溫度范圍內(nèi)，ak值急劇下降，分別為冷脆區(qū)，藍(lán)脆區(qū)及重結(jié)晶脆性區(qū)；冷脆區(qū)：韌脆轉(zhuǎn)變?cè)斐?；藍(lán)脆區(qū)（由于該溫度下，鋼的氧化層為藍(lán)色。其機(jī)理主要是C、N等間隙原子在位錯(cuò)處偏聚造成，因此有變形速率越大，即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度越快，為保證間隙原子運(yùn)動(dòng)速度與位錯(cuò)相同，則溫度應(yīng)越高）；重結(jié)晶脆性區(qū)：在A1A3溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的脆性。它與鋼處于兩相混合狀態(tài)有關(guān)。一般有，當(dāng)兩相組織各占一半時(shí)，韌性下降最大。2、加載速率：加載

10、速率升高，tk升高，ak一般下降。3、試樣尺寸及形狀（即應(yīng)力狀態(tài)）：試樣尺寸及形狀的改變，實(shí)際上改變了材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)（即軟、硬狀態(tài)），從而改變了tk ，ak。一般地有：缺口尖銳度升高，tk升高，ak一般下降；試樣尺寸變大，應(yīng)力狀態(tài)變硬，tk 升高，ak 下降。13、 下列三組試驗(yàn)方法中，請(qǐng)列舉出每組中哪種試驗(yàn)方法測(cè)得的tk比較高？為什么？ 拉伸和扭轉(zhuǎn)：拉伸高，拉伸的應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)低，正應(yīng)力大，容易裂紋擴(kuò)展。 缺口彎曲和缺口沖擊彎曲：缺口試樣高，變形速率沖擊試驗(yàn)高，故高。 光滑試樣拉伸和缺口試樣拉伸：缺口試樣拉伸高。缺口處試樣承受三向應(yīng)力，應(yīng)力集中，應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)低，易斷。故高。14、 試從宏觀

11、和微觀上解釋為什么有些材料有明顯韌脆轉(zhuǎn)變溫度。而另一些材料沒有呢？宏觀上看材料韌脆性對(duì)溫度是否敏感。fcc和高強(qiáng)度bcc不敏感，低強(qiáng)度bcc敏感。微觀上看位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是否對(duì)溫度敏感。低強(qiáng)度bcc敏感，不敏感。15、 試述低應(yīng)力脆斷的原因及防止方法。低應(yīng)力脆斷是由宏觀裂紋的擴(kuò)展引起的。由于裂紋破壞了材料的均勻連續(xù)性，改變了材料的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布，在裂紋處應(yīng)力集中，故在低應(yīng)力下就滿足裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而脆斷。用裂紋力學(xué)對(duì)零件進(jìn)行效驗(yàn)，可有效防止低應(yīng)力脆斷。16、 試述K判據(jù)的意義和用途。KIKIC，裂紋體滿足這個(gè)條件，裂紋就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展。此式將材料韌度同機(jī)件的工作應(yīng)力及裂紋尺寸的關(guān)系定量的聯(lián)系起來。因此可以

12、直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算。17、 影響KIC的冶金因素。KIC上升，細(xì)化晶粒。KIC下降，固溶強(qiáng)化；金屬化合物并呈第二相析出合金元素；雜質(zhì)和第二相。18、 金屬疲勞斷裂特點(diǎn)。(1)低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，具有壽命的斷裂(2)脆性斷裂(3)對(duì)缺陷十分敏感(4)是裂紋萌生與擴(kuò)展的過程19、 試述塑性區(qū)對(duì)KI的影響。存在塑性區(qū)時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變非線性關(guān)系，使得不適用要對(duì)此式進(jìn)行修正。20、 金屬疲勞斷裂特點(diǎn)。(1)低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，具有壽命的斷裂(2)脆性斷裂(3)對(duì)缺陷十分敏感(4)是裂紋萌生與擴(kuò)展的過程21、 試述疲勞宏觀斷口特征及形成過程。有疲勞源。在形成疲勞裂紋之后，裂紋慢速擴(kuò)展，形成貝殼狀或海灘狀條紋。這

13、種條紋開始時(shí)比較密集，以后間距逐漸增大。由于載荷的間斷或載荷大小的改變，裂紋經(jīng)過多次張開閉合并由于裂紋表面的相互摩擦，形成一條條光亮的弧線，叫做疲勞裂紋前沿線，這個(gè)區(qū)域通常稱為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，而最后斷裂區(qū)則和靜載下帶尖銳缺口試樣的斷口相似。對(duì)于塑性材料，斷口為纖維狀，對(duì)于脆性材料，則為結(jié)晶狀斷口?？傊?，一個(gè)典型的疲勞斷口總是由疲勞源，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)三部份構(gòu)成。22、 試述疲勞裂紋形成機(jī)理及阻止疲勞裂紋萌生的一般方法。機(jī)理主要有三種方式：表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物或其界面開裂；晶界或亞晶界開裂。阻止疲勞裂紋萌生的一般方法：1、提高材料表面的強(qiáng)韌性，可以通過滲C，滲N、C、N共滲或

14、者噴丸技術(shù)實(shí)現(xiàn)。2、提高表面質(zhì)量，降低表面粗糙度。3、提高冶金質(zhì)量，降低夾雜物的含量，減少應(yīng)力集中。4、通過熱處理提高材料中韌性相，減少脆性相。23、 試述影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的主要因素，并和疲勞萌生的影響因素作比較。應(yīng)力比r。減小r，減小速率。過載峰適當(dāng)可減慢。材料組織影響：晶粒粗?jǐn)U展慢。含碳低擴(kuò)展?jié)M。韌性組織增加可提高 Kth可抑制擴(kuò)展。噴丸也可提高 Kth，抑制擴(kuò)展。疲勞擴(kuò)展的速率主要影響因素是外界因素，而裂紋萌生是內(nèi)因。兩者內(nèi)因的最大區(qū)別在于，抑制萌生要晶粒細(xì)，而疲勞裂紋擴(kuò)展速率則相反。24、 試述金屬產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條件和機(jī)理。產(chǎn)生條件：應(yīng)力、化學(xué)介質(zhì)和金屬材料。其中應(yīng)力包括工作應(yīng)力和

15、殘余應(yīng)力。特定化學(xué)介質(zhì)中某種金屬材料才能應(yīng)力腐蝕。純金屬不活產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。機(jī)理：對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感的合金在特定的化學(xué)介質(zhì)中，首先表面形成鈍化膜。拉應(yīng)力引起鈍化膜局部區(qū)域破壞，并造成裂紋尖端應(yīng)力集中，致使陽極電位降低，因而陽極溶解加速，鈍化膜不能修復(fù)，斷裂壽命下降。防治方法：1.合理選擇金屬材料，取決于所受應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)。 2.減少或消除機(jī)件中的殘余拉應(yīng)力。3.改善化學(xué)介質(zhì)4.采用電化學(xué)保護(hù)25、 試述區(qū)別剛強(qiáng)度鋼的應(yīng)力腐蝕與氫致延滯斷裂的方法。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕時(shí)總是伴隨有氫的析出，析出的氫又易于形成氫致延滯斷裂，兩者的區(qū)別在于應(yīng)力腐蝕為陽極溶解過程，形成所謂陽極活性通道而使金屬開裂；而氫致延滯斷裂則為

16、陰極吸氫過程。判別方法為極化法，即當(dāng)外加小的陽極電流而縮短產(chǎn)生裂紋的時(shí)間則為應(yīng)力腐蝕，當(dāng)外加小的陰極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時(shí)間則為氫致延滯斷裂。26、 試述粘著磨損產(chǎn)生的條件、機(jī)理和防止措施。條件：是指在滑動(dòng)摩擦條件下，且摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度較?。?m/s）的磨損。機(jī)理：粘著實(shí)際上是摩擦副兩表面原子間的鍵合作用，在隨后的繼續(xù)滑動(dòng)時(shí)，粘著點(diǎn)被全部剪斷。并轉(zhuǎn)移到另一方金屬表面。然后脫落形成磨屑。措施：注意摩擦副配對(duì)材料選擇：粘著傾向應(yīng)力小。采用化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài)：避免摩擦副直接接觸，又減小摩擦因數(shù)。控制摩擦滑動(dòng)速度和接觸壓應(yīng)力：改善潤(rùn)滑，降低表面粗糙度，增強(qiáng)氧化膜穩(wěn)定性，避免金屬直接接觸。27、

17、 列表說明金屬接觸疲勞三種破壞形式的機(jī)理和特性。麻點(diǎn)剝落在波動(dòng)接觸過程中(實(shí)際條件下尚應(yīng)有滑動(dòng))，由于表面最大綜合切應(yīng)力反復(fù)作用，在表層局部區(qū)域，如材料的抗剪屈服強(qiáng)度較低，則將在該處產(chǎn)生塑性變形，同時(shí)必伴有形變強(qiáng)化。由于損傷逐步累積，直到表面最大綜合切應(yīng)力超過材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就在表層形成裂紋。裂紋形成后，潤(rùn)滑油擠入裂紋。在連續(xù)波動(dòng)接觸過程中，潤(rùn)滑泊反復(fù)壓入裂紋內(nèi)并被封閉。封閉在裂紋內(nèi)的高壓油，以較高的壓力作用于裂紋內(nèi)壁(實(shí)際上是使裂紋張開的應(yīng)力)，使裂紋沿與滾動(dòng)方向成小于45。傾角向前擴(kuò)展。在純滾動(dòng)條件下裂紋擴(kuò)展方向與zy450max方向一致；有滑動(dòng)摩擦?xí)r，傾角減小，摩擦力越大，傾角越小。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度后，因尖端有應(yīng)力集中，故在該處產(chǎn)生二次裂紋。二次裂紋與韌始裂紋垂直，其中也有潤(rùn)滑油。二次裂紋也受高壓油作用而不斷向表面擴(kuò)展。當(dāng)二次裂紋擴(kuò)展到表面時(shí)，就剝落下一塊金屬而形成一凹坑。淺層剝落淺層剝落裂紋產(chǎn)生于亞表層，其所在位置與zy450max所在位置相當(dāng)，即產(chǎn)生于0786b處，但亦有人認(rèn)為在0.56b處形成。由于該處切應(yīng)力最大，故塑性變形員劇烈。在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，塑性變形反復(fù)進(jìn)