材料性能學期末考試

1、中原工學院材料與化工學院材 料 性 能 學材控專業(yè)課后習題第一章 材料在單向拉伸時的力學性能1-1名詞解釋1 .彈性比功：材料在彈性變形過程中吸收變形功的能力。2 .包申格效應：金屬材料經預先加載產生少量塑性變形， 而后再同向 加載，規(guī)定殘余伸長應力增加，反向加載，規(guī)定殘余伸長應力降低的 現象。其來源于金屬材料中的位錯運動所受阻力的變化?？赏ㄟ^熱處理（再結晶退火）消除。3 .塑性：材料斷裂前產生塑性變形的能力4 .韌性：材料變形時吸收變形力的能力5 .脆性斷裂（彈性斷裂）：材料斷裂前不發(fā)生塑性變形，而裂紋的擴展 速度往往很快。斷口呈現與正應力垂直，宏觀上比較齊平光亮，為放 射狀或結晶狀。6 .

2、韌性斷裂（延性斷裂或者塑性斷裂）：材料斷裂前及斷裂過程中產 生明顯塑性變形的斷裂過程。斷口呈現暗灰色、纖維狀。7 .剪切斷裂：材料在切應力作用下沿滑移面分離而造成斷裂。斷口呈現鋒利的楔形或微孔聚集型，即出現大量韌窩。8 .河流花樣：解理裂縫相交處會形成臺階，呈現出形似地球上的河流 狀形貌9 .解理臺階：解理裂紋的擴展往往是沿晶面指數相同的一族相互平 行，但位于“不同高度”的晶面進行的。不同高度的解理面存在臺階。 10.韌窩：通過孔洞形核、長大和連接而導致韌性斷裂的斷口 1-3材料的彈性模數主要取決于什么因素？答：影響彈性模數的因素：鍵合方式和原子結構、晶體結構、化學成分、微觀組織、溫度、加載條

3、件和負荷持續(xù)時間1-4決定金屬材料屈服強度的主要因素有哪些？答：1、晶體結構：屈服是位錯運動，因此單晶體理論屈服強度=臨 界切應力2 、晶界和亞結構：晶界是位錯運動的重要障礙，晶界越多，常 溫時材料的屈服強度增加。晶粒越細小，亞結構越多，位錯運動受阻 越多，屈服強度越大。3 、溶質元素：由于溶質原子與溶劑原子直徑不同，在溶質原子 周圍形成晶格畸變應力場，其與位錯應力場相互作用，使位錯運動受 阻，增大屈服強度。固溶強化、柯氏氣團強化、沉淀強化、時效強化、彌散強化4 、第二相：彌散分布的均勻細小的第二相有利于提高屈服強度5 、環(huán)境因素對屈服強度的影響1 ）溫度的影響：溫度升高，屈服強度降低，但變化

4、趨勢因不同晶格類型而異。2 ）加載速度（變形速度）的影響：加載速度增大，金屬的強度增高，但屈服強度的增高比抗拉強度的增高更為明顯3 ）應力狀態(tài)的影響：不同加載方式下，屈服強度不同1-8、金屬材料的應變硬化有何實際意義？答：1、在加工是合理配合應變硬化和塑性變形，可使金屬進行均勻 的塑性變形，保證冷變形工藝的順利進行2、低碳鋼切削時易產生粘刀，表面質量差，可進行冷變形降低 塑性，改善切削加工性能。3、在材料應用方面，應變硬化可使金屬機件具有一定的抗偶然過 載能力。保證機件使用安全。4、應變硬化也是強化金屬的重要手段，尤其是對那些不能進行熱 處理強化的材料。1-13、何謂拉伸端口三要素？影響宏觀拉

5、伸斷口的性態(tài)因素？答：纖維區(qū)放射區(qū) 剪切唇影響因素：試樣形狀、尺寸和金屬材料的性能以及實驗溫度，加 載速度和受力狀態(tài)。1-14、純鐵 Ys=2J/m2,E=2*10 5MPa, a 0=2.5*10-10m,求理論斷裂強 度（Tm答：由公式（T m=（E* 丫 s/ a o） 1/2 得：（T 卡（2*10 5*106*2/2.5*10 -10）1/2 =4.0*10 10Pa=4.0*104MPa1-15、一薄板內有一條長 3mmi勺裂紋，且a 0=3*10-8mm求脆性斷裂應力 （設（rm=E/10=2*105MPa答：由（T m/（rc=（%/ % 0） I* 解得：（T c=28.29

6、MPa1-16、一材料 E=2*1011 N/m 2, T s =8N/m試計算在 7*107N/m2 的拉 應力下材料的臨界裂紋長度。答：當 er C=7*107N/n2 時，因為 aC=E、s/a c2,解得 a（=0.33mm臨界裂紋長度 a=2*aC=0.33*2=0.66mm1-18、格里菲斯公式適用哪些范圍及在什么情況下需要修正？ 答：格里菲斯只適用于脆性固體如玻璃、無機晶體材料、超高強鋼。 對于許多工程結構材料如結構鋼、高分子材料、裂紋尖端產生較大的 塑性變形，要消耗大量塑性變形功，必須對格里菲斯進行修正。1-19.屈服強度的工程意義？答：(1)作為防止因材料過量塑性變形而導致機

7、件失效的設計和選材 依據(2)根據屈服強度與抗拉強度之比的大小，衡量材料進一步產 生塑性變形的傾向，作為金屬材料冷塑性變形加工和確定機件緩解應 力集中防止脆斷的參考依據。1-20.彈性極限，比例極限的工程意義答：對于要求服役時其應力應變關系嚴格遵守線性關系的機件，如測力計彈簧，是依靠彈性變形的應力正比于應變的關系顯示載荷大小 的，則應以比例極限作為選擇材料的依據， 對于服役條件不允許產生 微量塑性變形的機件，設計時應按彈性極限來選擇材料。1-21.金屬塑性的工程意義答：(1)材料具有一定的塑性，當其偶然過載時，通過塑性變形和應 變硬化的配合可避免機件發(fā)生突然破壞(2)材料具有一定的塑性還有利于

8、塑性加工和修復工藝的順利進 行(3)對于金屬材料，其塑性的好壞是評定材料冶金質量的重要標 準。1-22.包中格效應的產生原理？答：包申格效應與金屬材料中位錯運動所受的阻力變化有關。金屬受載產生少量塑性變形時，運動位錯遇林位錯而彎曲受阻，并形成位錯 纏結或胞狀組織，如果此時卸載并隨即同向加載，在原先加載的應力 水平下，被纏結的位錯不能做顯著運動，宏觀上表現為規(guī)定殘余伸長 應力增加。如果卸載后施加反向應力，位錯反向運動時前方林位錯一 類的障礙較少，因此在較低應力下滑移較大距離， 宏觀上表現為規(guī)定 殘余伸長應力較低的現象。1-23.多晶體材料塑性變形的特點？答：(1)各晶粒變形的不同時性和不均勻性(

9、2)各晶粒變形的相互協(xié)調性1-24.金屬材料產生明顯屈服的條件？答：位錯運動速度應力敏感指數 m'值越低，使位錯運動速率變化所 需應力變化越大，屈服現象就越明顯，ni小于20,具有明顯的屈服 現象1-25.加工硬化指數的幾個特點答：金屬材料的n值的大小，與層錯能的高低有關。層錯能低的，n值越大。層錯能高的，n值越小。n值大的其滑移變形的特征為平坦 的滑移帶，n值小的材料表現為波紋狀的滑移帶。退火態(tài)金屬 n值比較大，冷加工狀態(tài)下n值比較小。n與材料的屈服點大致呈反比關系 n值也隨溶質原子數增加而降低。晶粒變粗 n值增加。第二章材料在其他靜載下的力學性能2-1 .名詞解釋1）應力狀態(tài)軟性系

10、數。最大切應力 Tmax與最大正應力er max的比值 e = r max/ cr max,6越 大，最大切應力分量越大，表示應力狀態(tài)越軟，材料易于產生塑性變 形，反之，e越小，表示應力狀態(tài)越硬，材料易于產生脆斷。2）缺口效應。即缺口三效應，一，缺口造成應力應變集中，二，缺口改變了前方的應力應變狀態(tài)，三，缺口強化現象。3）缺口敏感度。在缺口試樣拉伸試驗中，用試樣的抗拉強度°bn與等截面尺寸的光滑試樣抗拉強度b的比值作為材料的缺口敏感性指標。稱為缺口敏 感度qe.4）布氏硬度。用一定大小的載荷F,把直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球壓入試樣 表面保持一定時間后卸載測定試樣表面殘留壓痕直徑D

11、求壓痕表面積，將單位壓痕表面承受的平均壓力（ F/s ）定義為布氏硬度。 Hb=F/s=2F/FD（D-（D2 d2 ）?）。5）洛氏硬度：是一種壓入硬度式樣的方法，以測量壓痕深度值大小， 表示材料的硬度值，所用壓頭為圓錐角 =120。金剛石 圓錐或淬火剛球，其載荷分兩次施加，先加初載荷F,再加主載荷F2,保持后卸載F2,測出實際壓入深度h, 則HR=（R-H） /0.002（壓頭為金剛石時k=0.2 ,為淬火 剛球是k=0.26）6）維氏硬度：實驗原理與布氏硬度基本相似，也是根據壓痕單位面積 所受載荷來計算硬度值，但所用的壓頭是兩相對面夾角 為1360的金剛石四棱椎體，試樣在載荷 F作用下試

12、樣 表面被壓出一個四方錐行壓痕，測量壓痕對角線長度分 別為d1, d2。取其平均值為d,用以計算壓痕表面積s, F/S即為試樣硬度值7）努氏硬度：一種顯微硬度試樣方法，使用兩個對角線面不等的四棱 錐金剛石壓頭，在試樣上得到長短對角線長度之比為 7: 1的棱形壓痕，硬度值為試樣力除以壓痕投影面積，用HKg示，HK=1.451F/L2 , L單位（mm。8）肖氏硬度：是一種動載實驗法，將具有一定質量帶有金剛石或金剛 球的重錘從一定高度向式樣表面砸落，根據重錘回足兆 高度來表征材料硬度值大小，用 KS表示。1-3.缺口對材料的拉伸力學性能有什么影響？答：當缺口受到單向拉力時，缺口界面上應力分布為軸向

13、（Ty,在缺口根部最大，隨離根部距離的增加，（T y不斷下降，即在根部產生應 力集中，當這種集中應力達到材料屈服強度0 b時，使引起缺口根部 附近的塑性變形，既缺口造成應力應變集中，缺口改變了缺口的前方 應力狀態(tài)，使平板中材料所受應力由原來的單向應力拉伸變?yōu)閮苫蛉?向拉伸，在有缺口的條件下，由于出現了三向應力，試樣的屈服應力 比單向拉伸時要高，既產生了所謂缺口 “強化”現象。1-4.如何理解塑性材料的缺口強化現象？答：根據屈雷斯加判據SU = o-y-（rx=（TS可得o- y= o- x+ o- s.在缺口根 部（rx=0,故（ry=（TS。因此，外加載荷增加時，缺口根部最先滿足 S II

14、= （T y= （T s而開始屈服。根部一旦屈服，GV便松弛而降低到材料的 （TS。但在缺口內側，（T x?0故要滿足屈雷斯加判據要求，必須增加 縱向應力b y,即心部屈服要在b y不斷增加的情況下才能發(fā)生。若 滿足這一條件，塑性變形便自表面向心部擴展，與此同時，（T y與。 z隨° x快速增加而增加，一直增加到塑性區(qū)與彈性區(qū)交界處為止。因此，當缺口前方產生塑性變形后，最大應力已經不再缺口根部，而 在其前方一定距離處，此處。x最大，所以。y與。z也最大，這時 屈服應力比平向拉伸高，即產生了 “缺口強化”。1-6、是綜合比較單向拉伸、壓縮、彎曲及扭轉試驗的特點和應 用范圍。單向拉伸：特

15、點 溫度、應力狀態(tài)、加載速度確定，常用標準光滑試 樣進行試驗。范圍：用于塑性變形抗力與切斷抗力較低的塑性材料試驗。 扭轉：1、扭轉的應力狀態(tài)軟性系數較拉伸時的應力狀態(tài)軟性系數2 、試樣截面的應力分布為表面最大，愈往心部愈小，故對材料表面硬化及表面缺陷十分敏感。3 、圓柱形試樣在扭轉實驗時，整個試樣長度上基本保持原尺寸不變。4 、扭轉試驗正應力與切應力大致相等。范圍：測定在拉伸時呈脆性材料的強度和塑性；對各種表面 強化進行研究和對機件的熱處理表面質量進行檢測； 評定拉伸 時出現頸縮的高塑性材料的形變能力和形變抗力；測定切斷強度。彎曲：特點：試樣形狀簡單，操作方便，彎曲應力分布不均勻，表面 最大，

16、中心為零，可較靈敏的反應材料的表面缺陷。范圍：對于承受彎曲載荷的機件測定其力學性能。壓縮：特點：單向壓縮試驗應力軟性系數為 2,比拉伸、彎曲、扭轉 的應力狀態(tài)都軟，拉伸時塑性很好的材料在壓縮時只發(fā)生壓 縮變形而不會斷裂。范圍：拉伸時呈脆性的金屬材料的力學性能測定， 如果產生明 顯屈服，還可以測定壓縮屈服點。1-8、試比較布氏硬度與維氏硬度原理的異同，弁比較布氏、洛 氏和維氏硬度優(yōu)缺點和應用范圍。答：維氏硬度的實驗原理與貝氏硬度基本相似，也是根據壓痕單位 面積所承受的載荷來計算硬度值。所不同的是維氏硬度實驗所用的壓 頭是兩相對面夾角為136°的金剛石四棱錐，布氏硬度壓頭為淬火鋼 球或硬

17、質合金球。布氏試驗：優(yōu)點1、壓痕面積較大，其硬度值能反映材料在較大區(qū)域 內各組成相的平均性能；2、實驗數據穩(wěn)定，重復性高缺點1、壓痕直徑比較大，一般不宜在成品上直接進行檢 驗2、對不同的硬度材料需要更換壓頭直徑和載荷， 壓痕直徑測量也比較麻煩；3、淬火鋼球的硬度 范圍為450HBs當大于450時需要更換為硬 質合金球。范圍 測定灰鑄鐵、軸承、合金等材料的硬度。洛氏試驗：優(yōu)點1、操作簡單迅速2、壓痕小，可對工件直接進行檢驗3、采用不同的標尺，可測量軟硬不同、厚薄不一試樣的硬度。缺點1、壓痕小，代表性差。尤其是偏析及組織不均勻情 況2 、所測硬度值重復性差、分散度大3 、用不同標尺測得的硬度值既不

18、能直接比較，又不能彼此互換。范圍：淬火、調質等熱處理后的材料，測量表面很薄的材料硬度，測定各種材料。維氏試驗：優(yōu)點1、角錐壓痕清晰，采用對角線長度計算，精確可靠2、壓頭為四棱錐，當載荷改變時，壓入角恒定不變，可任意選擇載荷；3、不存在洛氏硬度不同標尺無法統(tǒng)一，而且比洛氏硬度所測的試件 厚度更薄。缺點1、測定方法比較麻煩，工作效率低2 、壓痕面積小，代表性差3 、不適宜成批生產的常規(guī)檢測范圍 測定小型精密零件的硬度，表面硬化和有效硬化層的深度，鍍 層表面硬度，薄片材料和西線材的硬度，刀刃附近的硬度。第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性3-1 .解釋下列名詞：(1)低溫脆性：體心立方金屬及合金或某些密

19、排六方晶體金屬及合金，尤其是工程上常用的中低強度結構鋼， 當實驗溫度低于某一溫度 tk時，材料由韌性狀態(tài)轉變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂 機理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y晶狀。(2)藍脆：碳鋼和某些合金鋼在沖擊載荷或靜載荷作用下，在一定 溫度范圍內出現脆性；在該溫度范圍內加熱鋼時，表面氧化色為藍色， 稱此現象為藍脆。(3)遲屈服：對體心立方金屬材料施加一大于屈服強度0 s的高速 載荷時材料并不立即產生屈服，而需要經過一段孕育期才開始塑性變 形的現象。(4)韌脆轉變溫度：使材料表現出低溫脆性的臨界溫度 tk。(5)韌脆溫度儲備：材料使用溫度 3與韌脆轉變溫度tk的差值，

20、 用符號表示，值常取 20 60 °C。3-6 ,是從宏觀和微觀上解釋為什么有些材料有明顯的韌脆轉變溫度而另外一些材料則沒有。答：從宏觀角度分析：材料低溫脆性的產生與其屈服強度和斷裂強度 隨著溫度的變化有關。斷裂強度隨溫度的變化很小，屈服強度隨溫度 的變化與材料的本性有關。具有體心立方或密排六方結構的金屬或合 金的屈服強度對溫度十分敏感，溫度降低，屈服強度急劇提高，當屈 服強度與斷裂強度相等時溫度即為韌脆轉變溫度。高于此溫度時，材 料受載后先屈服后斷裂，為韌性斷裂；低于此溫度時，為脆性斷裂。而面心立方結構材料的屈服強度隨溫度的變化不大，即使在低溫時也不與斷裂強度相等，此種材料的脆性斷

21、裂現象不明顯。從微觀角度：體心立方的金屬低溫脆性與位錯在晶體中運動的阻力對 溫度變化很敏感有關，在低溫下增加，故該類材料在低溫下處于脆性狀態(tài)。面心立方金屬因位錯寬度比較大，對溫度變化不敏感，故一般 不顯示低溫脆性。體心立方金屬的低溫脆性還與遲屈服現象有關，而具有面心立方金屬的遲屈服現象不明顯，故其低溫脆性不明顯。補-1.化學成分是如何影響材料低溫脆性的？答：1、間隙溶質元素含量增加，高階能下降，韌脆轉變溫度提高。這是由于間隙溶質元素溶入基體金屬晶格中， 通過與位錯的交互作用 偏聚于位錯線附近形成柯氏氣團，既增加b i ,又使ky增加，致使（7 s 升高，所以剛的脆性增大。2 、鋼中加入置換型溶

22、質元素一般也降低高階能，提高韌脆轉變 溫度。3 、雜質元素S、P、Pbh Sn、As等使鋼的韌性下降，這是由于他 們偏聚于晶界，降低晶界的表面能，產生沿晶脆性斷裂，同時降低脆 斷應力所致。補-2.顯微組織是如何影響材料低溫脆性的？答;a晶粒大小細化晶粒可使材料韌性增加，原因是晶界是裂紋擴展的阻力；晶界 前塞集的位錯數減少，有利于降低應力集中；晶界總面積增加，使晶 界上雜質濃度減少，避免產生沿晶脆性斷裂。b 金相組織在較低強度水平，強度相同而組織不同的鋼，其沖擊吸收功和韌脆轉 變溫度以回火索氏體最佳，貝氏體回火組織次之，片狀珠光體組織最 差；在相同的強度水平時，典型上貝氏體組織的韌脆轉變溫度高于

23、下 貝氏體的韌脆轉變溫度；在低碳合金中，經不完全等溫處理獲得的貝 氏體和馬氏體的混合組織，其韌性比單一馬氏體或單一貝氏體組織要 好；在馬氏體中存在殘余奧氏體時，可以抑制解理斷裂，從而顯著改 善鋼的韌性；鋼中碳化物及夾雜物等第二相對鋼的脆性影響：第二相尺寸增加，材料的韌性下降，韌脆轉變溫度升高，球狀第二相材料的 韌性較好。第四章材料的斷裂韌度4-1名詞解釋.低應力脆性：高強度鋼、高超強度鋼的機件，中低強度鋼的大型機件常常在工作應力并不高，甚至遠低于屈服極限的情況下，發(fā)生脆性斷裂的現象應力場強度因子：KI=oJs 反應了裂紋尖端區(qū)域應力場的強度斷裂韌度：當應力仃或裂紋尺寸a增大到臨界值時，也就是在

24、裂紋 尖端足夠大的范圍內，應力達到了材料的斷裂強度，裂紋便失穩(wěn)擴展 而導致材料的斷裂，這時 KI也達到了一個極限值，這個臨界或失穩(wěn) 狀態(tài)的KI記為KIC或Kc稱為斷裂韌度。能量釋放率:GI=是平面應力的能量釋放率，GI=22(1 -) -：a 二E是平面應變的能量釋放率。J積分：gdy-史Tds反映了裂紋尖端區(qū)的應變二 x能，即應力應變集中程度。裂紋尖端張開位移：裂紋體受載后，在裂紋尖端沿垂直裂紋方向所 產生的位移用S表示。4-3 .說明KI和KIC的異同。答：KI和KIC是兩個不同的概念，KI是一個力學參量，表示裂紋體 中裂紋尖端的應力應變場強度的大小， 它決定于外加應力、試樣尺寸 和裂紋類

25、型，而和材料無關；但 KIC是材料的力學性能指標，它決定 于材料的成分、組織結構等內在因素，而與外加應力及試樣尺寸等外 在因素無關。i4-10.有一大型板件材料的° 0.2=1200Mpa KIC=115Mpa.m 2,探傷發(fā)現有20 mm大的橫向穿透裂紋，若在平均軸向應力900Mpa下工作，試計算Ki和塑性區(qū)寬度，弁判斷該件是否安全解：er s= er 0,2 =1200Mpa2a=20 mm=0.02m cr =900Mpa Y= Vn則 o/(rS=900/1200=0.75>0.6 0.7需考慮修正問題K尸丫八后/ %-1-0.56 Y2(o/oSf即 KI =7314

26、*900* V0.02/2 / 由一0.56*3.14*0.752 =168Mpa>K 不安全塑性區(qū)寬度2 =2.2 mmR 0= 1一(Ki/ ；飛)2 =1*(168/1200) 2Z22*3.14Ki為168Mpa塑性區(qū)寬度為2.2 mm,該件不安全。11.有一構件加工時，出現表面半橢圓裂紋。若a=1mma/c=0.3 , 在1000MPa的應力下工作，對下列材料應選用哪一種？材料ABCDE仃0.2/MPa11001200130014001500K1c /(MPa*m142 )11095756055解：1.對于材料A：由于。/仃°.2=1000/1100=0.909所以必

27、須使用塑性區(qū)的修正公式來計算備即:1.1。二 a2 -0.212其中第二類橢圓積分當勺=0.3時，得c0.22 =1.211.1 10003.14 10，2,1.21 -0.212 1000 - 1100/1 5 59.6 MP a *m2I )1< "=110 (MPamD說明使用材料A后不會發(fā)生脆性斷裂，可以選用。2.對于材料B:由于。/仃0.2 = 1000/1200=0.833 ,所以必須使用塑性區(qū)的修正公式來計算外即:1.1。 一 二a2代 入數據 得1.1 M1000M J3.14 M101二；CL /n.c 2、=58 %1P a ,m2 < 尺化=95 (

28、MPam2)、1.21 0.212 m (10001200 f J使用材料B后不會發(fā)生脆性斷裂，可以選用。3 .對于材料C:由于仃/。°.2 = 1000/1300=0.769 ,所以必須使用塑性區(qū)的修正公式來計算除即:21.21 -0.212 1000 -1300 21.1 1000 .3.14 102代入數據得：=56.8 聞P a *m1< K1c=75 (MPam2)使用材料C后不會發(fā)生脆性斷裂，可以選用4 .對于材料D:由于仃/。°.2 = 1000/1400=0.714 ,所以必須使用塑性區(qū)的修正公式來計算除即:區(qū)尸：八 2代入數據得:2-0.212；11

29、 >=56 MP a m，I J1< K1c=60 (MPa m土)1.1 10003.14 10，使用材料D后不會發(fā)生脆性斷裂，可以選用。5.對于材料E:由于。/。°.2 = 1000/1500=0.667 ,所以必須使用塑性區(qū)的修正公式來計算以即:1.1c a代入數據得:2 .J""= 0£=55.2MPa.m，Kic=55 (MPar3) ii2 c/vd.21 -0.212x(1000-1500 )<J使用材料E后會發(fā)生脆性斷裂，不可以選用。綜上所述，最好選用材料d補-1.試述化學成分對斷裂韌度的影響？答：對于金屬材料，細化晶粒的合金元素因提高強度和韌性，可使斷 裂韌度提高；強烈固溶強化的合金元素因大大降低塑性而是斷裂韌度 降低，并且隨合金元素濃度的提高，降低的作用更加明顯；形成金屬 間化合物并呈第二相