材料性能學(xué)作業(yè)及答案

1、本學(xué)期材料性能學(xué)作業(yè)及答案第一次作業(yè) P36-37第一章1名詞解釋4、決定金屬屈服強(qiáng)度的因素有哪些？答：內(nèi)在因素：金屬本性及晶格類型、晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)、溶質(zhì)元素、第二相。外在因素：溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)力狀態(tài)。10、 將某材料制成長50mm，直徑5mm的圓柱形拉伸試樣，當(dāng)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)塑性變形階段的外力F與長度增量L的關(guān)系為：F/N 6000 8000 10000 12000 14000L 1 2.5 4.5 7.5 11.5求該材料的硬化系數(shù)K及應(yīng)變硬化指數(shù)n。解：已知：L0=50mm，r=2.5mm，F(xiàn)與L如上表所示，由公式（工程應(yīng)力）=F/A0,（工程應(yīng)變）=L/L0,A0=r2,可計(jì)算得：

2、A0=19.6350mm21= 305.5768，1=0.0200，2=407.4357 ，2=0.0500，3= 509.2946，3=0.0900，4= 611.1536，4=0.1500，5= 713.0125，5=0.2300，又由公式（真應(yīng)變）e=ln(L/L0)=ln(1+)，（真應(yīng)力）S=（1+），計(jì)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S=Ken，即lgS=lgK+nlge，可計(jì)算出K

3、=1.2379103，n=0.3521。11、試述韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)別。為什么脆性斷裂最危險(xiǎn)？答：韌性斷裂是金屬材料斷裂前產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形的斷裂，這種斷裂有一個(gè)緩慢的撕裂過程，在裂紋擴(kuò)展過程中不斷地消耗能量；而脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害性很大。韌性斷裂：是斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂特征：斷裂面一般平行于最大切應(yīng)力與主應(yīng)力成45度角。斷口成纖維狀（塑變中微裂紋擴(kuò)展和連接），灰暗色（反光能力弱）。斷口三要素：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇這三個(gè)區(qū)域的比例關(guān)系與材料韌斷性能有關(guān)。脆性斷裂：斷裂前基本不發(fā)生塑性變形的，突發(fā)的斷裂。特征：斷裂面與

4、正應(yīng)力垂直，斷口平齊而光滑，呈放射狀或結(jié)晶狀。注意：脆性斷裂也產(chǎn)生微量塑性變形。斷面收縮率小于5為脆性斷裂，大于5為韌性斷裂。14、通常純鐵的rs=2J/m2，E=2105MPa，a0=2.510-10m，試求其理論斷裂強(qiáng)度m。解：由公式m=（Ers/a0）1/2，可得m=4.0104MPa。15、 若一薄板內(nèi)有一條長3mm的裂紋，且a0=310-8mm，試求脆性斷裂時(shí)斷裂應(yīng)力c（設(shè)m=E/10=2105MPa）。解：由公式m/c=(a/a0)1/2，a為c對應(yīng)的裂紋半長度，即a=1.5mm，c=28.2845MPa17、斷裂強(qiáng)度c與抗拉強(qiáng)度b有何區(qū)別？答：c是材料裂紋產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展的斷裂強(qiáng)度，

5、在應(yīng)力應(yīng)變曲線上為斷裂時(shí)的強(qiáng)度值。b是韌性金屬試樣拉斷過程中最大力所對應(yīng)的應(yīng)力。第二次作業(yè)（P54）第二章1. 解釋下列名詞2. 說明下列力學(xué)性能指標(biāo)的意義3. 簡述缺口三效應(yīng) （1）造成應(yīng)力集中 （2）改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)，使平板中的材料所受應(yīng)力由原來的單向拉伸變?yōu)閮上蚧蛉蚶?（3）缺口使塑性材料得到強(qiáng)化9. 說明下列工件選用何種硬度試驗(yàn)法解：（1）滲碳層的硬度分布：HK或HV（2）淬火鋼：HRC（3）灰鑄鐵：HB（4）硬質(zhì)合金：HRA（5）鑒別鋼中的隱晶馬氏體與殘余奧氏體：HV或HK（8）氮化層：HV（10）高速鋼刀具：HRC10. 在294.3N（30kgf）載荷下測定某鋼材的維

6、氏硬度。測得壓痕對角線長度為0.454mm，試計(jì)算該鋼材的維氏硬度值，并推算這種鋼的抗拉強(qiáng)度值b（抗拉強(qiáng)度不需要算）。解：HV=1854.4F/d2，式中F以gf為單位，d以um為單位。HV=269.9063第三章1解釋下列名詞2說明下列力學(xué)性能指標(biāo)的意義5下列3組試驗(yàn)方法中，請舉出每一組中哪種試驗(yàn)方法測得tK的較高？為什么？（1）拉伸和扭轉(zhuǎn)；（2）缺口靜彎曲和缺口扭轉(zhuǎn)彎曲；（3）光滑試樣拉伸和缺口試樣拉伸。答：材料的脆性越大，tK越高；同一種材料的脆性則隨試驗(yàn)條件而定；（1）拉伸測出的tK比扭轉(zhuǎn)測出的tK高，因?yàn)榕まD(zhuǎn)條件下，材料容易產(chǎn)生塑性變形，材料的脆性小。（2）缺口沖擊彎曲測出的tK比缺

7、口靜彎曲測出的tK高，因?yàn)闆_擊試驗(yàn)時(shí)，加荷速度增加使變形速度增加，結(jié)果使塑性變形受到抑制，從而使材料的脆性增加。（3）缺口試樣拉伸測出的tK比光滑試樣拉伸測出的tK高，因?yàn)槿笨谑共牧系拇嘈栽黾?。第三次作業(yè)（P84）第四章1. 名詞解釋2. 說明下列符號的名稱和含義3. 說明KI和KIC的異同。（答案：P68頁第四自然段）11.有一構(gòu)件加工時(shí)，出現(xiàn)表面半橢圓裂紋，若a=1mm，a/c=0.3，在=1000MPa的應(yīng)力下工作，對下列材料應(yīng)選哪一種？（P80頁例1類似）0.2/MPa11001200KIC/(MPam1/2)11095756055解：（1）/0.2=1000/1100= 0.9091

8、=0.60.7，所以必須考慮塑性區(qū)的修正問題。采用下列公式計(jì)算KI：其中由第二類橢圓積分：當(dāng)a/c=0.3時(shí)，查表得2=1.19。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，得：KI1=61.2(MPam1/2)KIC1=110(MPam1/2)由此可見，KI1KIC1，說明使用材料1不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，可以選用。由此類推：（2）KI2=60.4(MPam1/2)KIC2=95(MPam1/2)由此可見，KIKIC，說明使用材料2不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，可以選用。（2）KI3=57.9(MPam1/2)KIC3=75(MPam1/2)由此可見，KIKIC5=55(MPam1/2)由此可見，KI5KIC5，說明使用材料5會(huì)發(fā)生

9、脆性斷裂，不可以選用。第四次作業(yè)（P108）第五章1. 名詞解釋2. 解釋下列性能指標(biāo)的意義4. 試述疲勞宏觀斷口和微觀斷口的特征及其形成過程或模型。（P88頁）答：（一）疲勞宏觀斷口（1）具有三個(gè)明顯特征區(qū)：1）疲勞源區(qū)：一般較平整和光滑，源區(qū)越多，反映外加應(yīng)力越高，應(yīng)力集中位置越多或應(yīng)力集中系數(shù)越大，多源斷口的源區(qū)存在臺(tái)階，比較粗糙；2）疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)：常形成海灘花樣或貝殼花樣，出現(xiàn)疲勞弧線，疲勞源位于疲勞弧線凹的一方；3）瞬斷區(qū)：視材料塑性顯示韌性斷裂斜斷口或脆性斷裂平斷口。（2）形成過程：1）疲勞裂紋萌生疲勞裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起，主要方式有：表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物與基

10、體界面或夾雜物本身開裂；晶界或亞晶界處開裂。循環(huán)載荷作用下，形成駐留滑移帶，隨著滑移帶在表面加寬的過程出現(xiàn)擠出脊和侵入溝，引起應(yīng)力集中。2） 疲勞裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋萌生后便開始擴(kuò)展，分為兩個(gè)階段，即擴(kuò)展一階段是沿著最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展，擴(kuò)展二階段是沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò)展形成主裂紋，直至最后形成剪切唇。3）斷裂（二）疲勞微觀斷口（1）特征：1）疲勞輝紋（或疲勞條帶）：是略呈彎曲并相互平行的溝槽狀花樣，與裂紋擴(kuò)展方向相垂直，是裂紋擴(kuò)展時(shí)留下的微觀痕跡。每一條輝紋表示該循環(huán)下疲勞裂紋擴(kuò)展前沿在前進(jìn)過程中瞬時(shí)微觀位置，輝紋的數(shù)目與載荷循環(huán)次數(shù)相等。斷裂三階段的疲勞輝紋略有差異，從疲勞源區(qū)到終斷區(qū)依次

11、是弱波浪條紋、細(xì)條紋和深條紋。2）輪胎壓痕（2）形成過程：L-S模型，即剛開始時(shí)，裂紋處于閉合狀態(tài)，隨著拉應(yīng)力的增加到最大值時(shí)，裂紋張開至最大，裂尖鈍化，向前擴(kuò)展一段距離；當(dāng)轉(zhuǎn)入壓應(yīng)力半周期時(shí)，滑移沿相反方向進(jìn)行，原裂紋和新擴(kuò)展的裂紋表面被壓合，裂紋尖端被彎折成一對耳狀切口；最大壓應(yīng)力時(shí)，裂紋表面完全被壓合，裂尖變成一對尖角，向前再擴(kuò)展一段距離，并在斷口上留下一條疲勞條帶?？梢娫谘h(huán)應(yīng)力的作用下，裂紋尖端的鈍銳交替變化，反復(fù)進(jìn)行，使新的條帶不斷形成，疲勞裂紋也就不斷向前擴(kuò)展。F-R模型，即裂紋擴(kuò)展是斷續(xù)的，通過主裂紋前方萌生新裂紋核，長大并與主裂紋連接起來實(shí)現(xiàn)。5. 疲勞失效過程可分為哪幾個(gè)階

12、段？簡述各階段的機(jī)制及提高材料疲勞抗力的主要方法。答：（1） 疲勞失效過程可分為兩個(gè)階段，即裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展以及斷裂。（2） 裂紋萌生的機(jī)理：疲勞裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起，主要方式有：表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂；晶界或亞晶界處開裂。循環(huán)載荷作用下，形成駐留滑移帶，隨著滑移帶在表面加寬的過程出現(xiàn)擠出脊和侵入溝，引起應(yīng)力集中。裂紋擴(kuò)展的機(jī)理：分為兩個(gè)階段，即擴(kuò)展一階段是沿著最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展，擴(kuò)展二階段是沿垂直拉應(yīng)力方向向前擴(kuò)展形成主裂紋，直至最后形成剪切唇。（3） 提高疲勞抗力的主要方法：1 將材料進(jìn)行次載鍛煉和間歇效應(yīng)，降低溫度，減少腐蝕，可提高材料的

13、疲勞強(qiáng)度，延長疲勞壽命；2 表面應(yīng)仔細(xì)加工，盡量減少刀痕、擦傷或大的缺陷，以及盡量降低尺寸效應(yīng)；3 提高機(jī)件表面塑性抗力（強(qiáng)度和硬度），降低表面的有效拉應(yīng)力，如采用表面噴丸及滾壓、表面熱處理和化學(xué)熱處理、符合強(qiáng)化等措施，可抑制材料表面疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展有效的提高疲勞強(qiáng)度。4 進(jìn)行固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化處理，減少非金屬夾雜物及冶金缺陷，提高組織均勻性，可提高材料形變抗力和疲勞強(qiáng)度。8.試述應(yīng)力集中和應(yīng)力比對疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度的影響規(guī)律。答：應(yīng)力集中處是機(jī)件最薄弱的地方，易形成裂紋，是疲勞源的萌生處。應(yīng)力集中越大，材料疲勞強(qiáng)度越低，疲勞壽命也就越短；反之，應(yīng)力集中越小，材料疲勞強(qiáng)度越高，疲

14、勞壽命也就越長。應(yīng)力比r=min/max。疲勞強(qiáng)度隨應(yīng)力比的增加而增加，疲勞壽命也之增長。第五次作 業(yè)（P122）第六章1 名詞解釋2磨損有哪幾種類型？舉例說明它們產(chǎn)生的條件、磨損過程及表面損傷形貌。答：磨損可分為4類：粘著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損及麻點(diǎn)疲勞磨損（接觸疲勞）。（1） 粘著磨損1） 產(chǎn)生條件：摩擦副相對滑動(dòng)速度小，接觸面氧化薄膜脆弱，潤滑條件差，以及接觸應(yīng)力大的滑動(dòng)摩擦條件下。2） 磨損過程：（P111頁最后一個(gè)自然段）3） 表面損傷形貌：機(jī)件表面有大小不等的結(jié)疤。（2） 磨料磨損1） 產(chǎn)生條件：摩擦副的一方表面存在堅(jiān)硬的細(xì)微凸起或在接觸面間存在硬質(zhì)粒子（從外界進(jìn)入或從表面剝落）

15、時(shí)產(chǎn)生的磨損。2） 磨損過程：（P113頁倒數(shù)第二自然段）3） 表面損傷形貌：摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的溝槽。（3） 腐蝕磨損1）產(chǎn)生條件：摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)。2）磨損過程：以氧化磨損為例。當(dāng)摩擦副作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于表面凹凸不平，在凸起部位單位壓力很大，導(dǎo)致產(chǎn)生塑性變形。塑性變形加速了氧向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，從而形成氧化膜。由于形成的氧化膜強(qiáng)度很低，在摩擦副繼續(xù)作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剝落，裸露出新表面，從而又發(fā)生氧化，隨后又再被磨去。如此，氧化膜形成又除去，機(jī)件表面組件被磨損，這就是氧化磨損的過程。3）表面損傷形貌：在摩擦面上沿滑動(dòng)方向呈均勻

16、細(xì)小磨痕。（4） 麻點(diǎn)疲勞磨損（接觸疲勞）1） 產(chǎn)生條件：兩接觸材料作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r，交變接觸壓應(yīng)力長期作用使材料表面疲勞損傷，局部區(qū)域出現(xiàn)小片或小塊狀材料剝落。2） 磨損過程：（P116頁第3點(diǎn)）3） 表面損傷形貌：接觸面表面出現(xiàn)許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑（麻坑），有點(diǎn)凹坑較深，底部有疲勞裂紋擴(kuò)展線的痕跡。5請從金屬接觸疲勞的3種破壞機(jī)理、特征及產(chǎn)生的力學(xué)條件比較其與普通機(jī)械疲勞的異同。答：金屬接觸疲勞的3種破壞：麻點(diǎn)剝落（點(diǎn)蝕）、淺層剝落、深層剝落（表面壓碎）。（1）麻點(diǎn)剝落（點(diǎn)蝕）1）機(jī)理：（P116頁）2）特征：0.10.2mm深的痘狀凹坑3）產(chǎn)生的力學(xué)條件：表面接觸應(yīng)

17、力較小、摩擦力較大或表面質(zhì)量較差時(shí)，易出現(xiàn)麻點(diǎn)剝落。（2）淺層剝落1）機(jī)理：P117頁2）特征：0.20.4mm的盆狀凹坑3）產(chǎn)生的力學(xué)條件：最大循環(huán)切應(yīng)力條件下產(chǎn)生（3）深層剝落1）機(jī)理：P117頁2）特征：大于0.4mm的大塊材料剝落3）產(chǎn)生的力學(xué)條件：切應(yīng)力/抗切強(qiáng)度比值最大時(shí)產(chǎn)生（4）普通機(jī)械疲勞1）機(jī)理：材料或零件在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性積累損傷，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，產(chǎn)生裂紋或突發(fā)性斷裂的過程稱為疲勞。2）特征：裂紋、斷裂3）產(chǎn)生的力學(xué)條件：在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用產(chǎn)生第七章1名詞解釋4試簡述高溫下金屬蠕變變形與應(yīng)力松弛的異同點(diǎn)。答：高溫蠕變是指金屬在高溫

18、和應(yīng)力同時(shí)作用下，應(yīng)力保持不變，其非彈性變形量隨時(shí)間的延長而緩慢增加的現(xiàn)象。高溫、應(yīng)力和時(shí)間是蠕變發(fā)生的三要素。應(yīng)力越大，溫度越高，且在高溫下停留時(shí)間越長則蠕變越甚。應(yīng)力松弛是指在高溫下工作的金屬構(gòu)件，在總變形量不變的條件下其彈性變形隨時(shí)間的延長不斷轉(zhuǎn)變成非彈性變形，從而引起金屬中應(yīng)力逐漸下降并趨于一個(gè)穩(wěn)定值的現(xiàn)象。同：蠕變和應(yīng)力松弛二者實(shí)質(zhì)是相同的，都是材料在高溫下隨時(shí)間發(fā)生的非彈性變形的積累過程。異：所不同的是應(yīng)力松弛是在總變形量一定的特定條件下一部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)榉菑椥宰冃危欢渥儎t是在恒定應(yīng)力長期作用下直接產(chǎn)生非彈性變形。第六次作業(yè)（P258）第十三章1名詞解釋2電化學(xué)保護(hù)保護(hù)哪幾種保護(hù)方式？二者的區(qū)別是什么？（P282頁）答：陰極保護(hù)和陽極保護(hù)（1） 陰極保護(hù)：是電化學(xué)保護(hù)技術(shù)的一種，其原理是向被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)物表面施加一個(gè)外加電流，被保護(hù)結(jié)構(gòu)物成為陰極，從而使得金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，避