湖南大學材料性能學作業(yè)+習題答案

1、第二章 作業(yè)題1應力狀態(tài)軟性系數(shù)：按“最大切應力理論”計算的最大切應力與按“相當最大正應力理論”計算的最大正應力的比值。2缺口效應：截面的急劇變化產(chǎn)生缺口，在靜載荷作用下，缺口截面上的應力狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生缺口效應，影響金屬材料的力學性能。3 布氏硬度：用一定直徑的硬質(zhì)合金球做壓頭，施以一定的試驗力，將其壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除，試樣表面殘留壓痕。HBW通過壓痕平均直徑求得。4 洛氏硬度：洛氏硬度以測量壓痕深度標識材料的硬度。HR(k-h)/0.002.二、脆性材料的抗壓強度扭轉(zhuǎn)屈服點缺口試樣的抗拉強度NSR：缺口敏感度，為缺口試樣的抗拉強度與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強度的比值。H

2、BS:用鋼球材料的球壓頭表示洛氏硬度。HRC:用金剛石圓錐壓頭表示的洛氏硬度。三、試綜合比較單向拉伸、壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗的特點和應用范圍1單向拉伸特點：溫度、應力狀態(tài)和加載速率是確定的，且常用標準的光滑圓柱試樣進行試驗。應用范圍：一般是用于那些塑性變形抗力與切斷強度較低的所謂塑性材料試驗。2壓縮試驗特點：單向壓縮試驗的應力狀態(tài)系數(shù)2，比拉伸，彎曲，扭轉(zhuǎn)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。應用范圍：拉伸時呈脆性的金屬材料的力學性能測定。如果產(chǎn)生明顯屈服，還可以測定壓縮屈服點。3彎曲試驗特點：試樣形狀簡單，操作方便，彎曲試樣應力分布不均勻，表面最大，中心為零?？?/p>

3、較靈敏的反映材料表面缺陷。應用范圍：對于承受彎曲載荷的機件，測定其力學性能。4扭轉(zhuǎn)試驗特點：1扭轉(zhuǎn)的應力狀態(tài)軟性系數(shù)0.8，比拉伸時大，易于顯示金屬的塑性行為。2圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時，整個長度上塑性變形是均勻的，沒有頸縮現(xiàn)象，所以能實現(xiàn)大塑性變形量下的試驗。3能較敏感的反映出金屬表面缺陷及硬化層的性能。4扭轉(zhuǎn)時試樣中的最大正應力與最大切應力在數(shù)值上大體相等，而生產(chǎn)上所使用的大部分金屬材料的正斷強度大于切斷強度，所以，扭轉(zhuǎn)試驗是測定這些材料切斷最可靠的辦法。應用范圍：研究金屬在熱加工條件下的流變性能與斷裂性能，評定材料的熱壓力加工性；研究或檢驗工件熱處理的表面質(zhì)量和各種表面強化工藝的效果。四、缺口拉

4、伸時應力分布有何特點缺口截面上的應力分布是不均勻的，軸向應力在缺口根部最大，隨著離開根部的距離增大，應力不斷減小，即在根部產(chǎn)生應力集中。第三章 作業(yè)題沖擊韌性:材料在沖擊載荷的作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力低溫脆性：在試驗溫度低于某一溫度時，會由韌性狀態(tài)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型變?yōu)榇┚Ы饫硇停瑪嗫谔卣饔衫w維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀   韌脆轉(zhuǎn)變溫度：導致低溫脆性的轉(zhuǎn)變溫度斷裂分析圖：表示許用應力、缺陷和溫度之間關系的綜合圖2、Ak  沖擊韌度   NDT   無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度

5、試說明低溫脆性的物理本質(zhì)及其影響3、低溫脆性本質(zhì)是材料屈服強度隨溫度降低急劇增加。其影響因素包括晶體結(jié)構(gòu)、化學成分、顯微組織（晶粒大小、金相組織）等試述焊接船舶比鉚接船舶容易發(fā)生脆性斷裂的原因4、因為焊接接口之間會從在裂紋，氣孔，而且連接體之間不是同一種材料，導致焊口脆性大，同時焊接時鋼鐵內(nèi)部發(fā)生了組織變化，但鉚接就不一樣了，它的抗拉能力很強，不易發(fā)生脆性斷裂。第四章 作業(yè)題1、由宏觀裂紋擴展引起。   表示應力場的強弱程度。   裂紋體在受力時，只要滿足Ki>=Kic,就會發(fā)生脆性斷裂。2、平面應變斷裂韌度，表示在平面應變條件下材料抵抗

6、裂紋失穩(wěn)擴展的能力。   平面應力斷裂韌度，表示在平面應力條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。   平面應變斷裂韌度，表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴散時單位面積所消耗的能量。試述低應力脆斷的原因及方法3、原因：與材料內(nèi)部一定尺寸的裂紋相關，當裂紋在給定的作用應力下擴展臨界尺寸時，就會突然破壞。  防止方法：添加細化晶粒的合金元素   細化晶粒   形成板條馬氏體及殘留奧氏體薄膜增強塑性   溫度越低，脆性一般越大，增加應變速率也會降低塑性，因此要降低應變速率。試述K判據(jù)的意義及用途4、 

7、;裂紋在受力時，只要滿足Ki>=Kic,就會發(fā)生脆性斷裂。它將材料斷裂韌度同機件的工作應力和裂紋尺寸的關系定量地聯(lián)系起來，因此可以直接用于設計計算，如估算裂紋體的最大承載能力、允許的裂紋尺寸，以及用于正確選擇機件材料、優(yōu)化工藝等有一大型板件，材料的0.2=1200MPa。Kic=115MPa.m.探傷發(fā)現(xiàn)有20mm長的橫向穿透裂紋，若在平均軸向拉應力900MPa下工作，試計算KI及塑性區(qū)寬度RO，并判斷該件是否安全。5 、Ki=159.5MPa   R=2r=()=6.75m   Ki>Kic,會斷，不安全。第五章 作業(yè)題疲勞斷裂：

8、金屬機件或構(gòu)件在變動應力和應變長期作用下，由于積累損傷而引起的斷裂疲勞源：疲勞裂紋萌生的策源地疲勞條帶：具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣疲勞壽命：在給定循環(huán)載荷條件下，試件或結(jié)構(gòu)由開始加載至出現(xiàn)可檢裂紋時的載荷循環(huán)數(shù);疲勞極限：疲勞缺口敏感度:疲勞裂紋擴展門檻值疲勞裂紋門檻值 影響 實用價值1、疲勞裂紋不擴展的臨界值，其影響因素包括材料成分和組織、載荷條件及環(huán)境因素。其表示材料阻止疲勞裂紋開始擴展的性能，也是材料的力學指標，其值越大，阻止疲勞裂紋開始擴展的能力就越大，材料就越好。它可以作為裂紋件的設計和校核指標。 2、提高零件的疲勞壽命的方法主要有：（1）只要能降低第二相或夾雜物的脆

9、性，提高相界面強度，控制第二相或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布，均可抑制或延緩疲勞裂紋的萌生，應用實例有真空冶煉和真空澆注。（2）晶界強化、凈化和晶粒細化，可以提高材料疲勞壽命，細化晶粒既能阻止疲勞裂紋在晶界處萌生，又因晶界阻止疲勞裂紋的擴展，故能提高疲勞強度。應用實例包括低碳鋼和鈦合金的強化。（3）表面強化處理可在機件表面產(chǎn)生有利的殘余壓應力，同時還能提高機件表面的強度和硬度。應用實例有表面噴丸和滾壓，其在阻礙疲勞裂紋擴展中有良好的效果。試說明疲勞裂紋擴展曲線的三個區(qū)域的特點和影響因素3、I區(qū)是疲勞裂紋初始擴展的階段，擴展速率很小。隨K增加，擴展速率快速提高，但變化范圍很小，提高有限，擴展壽

10、命長。II區(qū)是疲勞擴展的主要階段，占據(jù)亞穩(wěn)態(tài)擴散的絕大部分，是決定疲勞壽命的主要組成部分，擴展速率較大，K變化范圍大，擴展壽命長。III區(qū)是疲勞裂紋擴展的最后階段，擴展速率很大，并隨K增加而很快的增大，只需擴展很少的周次即會導致材料失穩(wěn)斷裂。   影響因素有：材料的成分、組織、載荷條件及環(huán)境因素等。 第六章 作業(yè)題名詞解釋：應力腐蝕：金屬在拉應力和特定的化學介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的地應力脆段現(xiàn)象。氫蝕：氫與金屬中的第二相作用生成高壓氣體，使基體金屬境界結(jié)合力減弱而導致金屬脆化。指標意義：scc：材料不發(fā)生應力腐蝕的臨界應力KIscc：應力腐

11、蝕臨界應力場強度因子da/dt：應力腐蝕裂紋擴展速率如何判斷某一零件的破壞是由應力腐蝕引起的1、應力腐蝕顯微裂紋常有分叉現(xiàn)象，呈枯樹枝狀，即：有一主裂紋擴展較快，其他分支裂紋擴展較慢。根據(jù)這一特征即可區(qū)分。、如何識別氫脆與應力腐蝕2、采用極化試驗方法：當外加小的陽極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時間的是應力腐蝕，當外加小的陰極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時間的是氫致延滯斷裂。3、  Ki=(1.1)/=代入數(shù)據(jù)得a=1.91mm 第二階段結(jié)束時da/dt=0.00002利用積分公式t=580000s第七章 作業(yè)題磨損：機件表面接觸并作相對運動時，表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸

12、流失、造成表面磨損的現(xiàn)象。粘著磨損：粘著磨損又稱咬合磨損，是在滑動摩擦條件下，當摩擦副相對滑動速率較?。ㄤ撔∮?m/s）時發(fā)生的，它是因為缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很大，以致材料承受的接觸應力超過實際接觸點處屈服強度而產(chǎn)生的一種磨損。 耐磨性：材料在一定的摩擦條件下抵抗磨損的能力。接觸疲勞：兩接觸體表面相對運動以滾動為主時，在接觸區(qū)形成的循環(huán)應力超過材料的疲勞強度的情況下，表層引發(fā)裂紋并逐步擴展，最后使裂紋以上的材料斷裂剝落下來，導致材料損耗的現(xiàn)象。粘著磨損是如何產(chǎn)生的？如何提高材料或零件的抗粘著磨損的能力？1、摩擦副實際表面上總存在局部凸起，當摩擦副雙方接觸時，即使施加較

13、小載荷，在真實接觸面上的局部應力就足以引起塑性變形。倘若接觸面上潔凈而未受到腐蝕，則局部塑性變形會使兩個接觸面的原子彼此十分接近而產(chǎn)生強烈粘著。提高材料抗磨損能力的方式有：選擇的配對材料粘著傾向應比較小、采用表面化學熱處理改變材料表面狀態(tài)、控制摩擦滑動速度和接觸壓應力，如：改善潤滑條件，提高表面氧化膜與基體金屬的結(jié)合能力，降低表面粗糙度等。磨粒磨損分類 提高零件的磨損抗力2、磨粒磨損可分為鑿削式磨粒磨損、高應力碾碎性磨粒磨損和低應力擦傷性磨粒磨損。鑿削式磨粒磨損 實例如挖掘機斗齒，提高其磨損抗力的方法是增加材料硬度;高應力碾碎性磨粒磨損 實例如球磨機襯板與鋼球機件表面的破壞，在高應力沖擊載荷下

14、，應選用高硬度材料，利用其高韌性和高加工硬化能力，可得到高耐磨性。低應力碾碎性磨粒磨損 實例如運輸槽板的摩擦表面，在這一磨損場合，用中碳低合金鋼并作淬火回火處理，可提高材料磨損抗力。接觸疲勞破壞有幾種形式？如何產(chǎn)生的？如何提高零件的接觸疲勞抗力3、接觸疲勞破壞有麻點剝落、淺層破落和深層剝落三類。                 麻點剝落：在滾動接觸過程中,由于表面最大綜合應力反復作用，在表層局部區(qū)域，由于損傷逐步累積，直到表面

15、最大綜合切應力超過材料抗剪強度時，就在表面形成裂紋，接著初始裂紋擴展 ，二次裂紋形成到二次裂紋擴展 ，形成磨屑最終形成鋸齒形表面。淺層剝落：在接觸應力反復作用下，塑性變形反復進行，使材料局部弱化，遂在該處形成裂紋。而后裂紋進行擴展，在滾動及摩擦力作用下又與表面生成一傾角的二次裂紋。二次裂紋擴展到表面，反復彎曲發(fā)生彎斷，從而形成淺層剝落。深層剝落：壓碎性剝落的裂紋形成后先平行于表面擴展，而后再垂直于表面擴展，最后形成較深的剝落。提高表面硬度和心部硬度，加大表面硬化層深度，滲碳層的有利殘余壓應力，降低表面粗糙度，提高接觸精度都能提高零件的接觸疲勞抗力。第八章作業(yè)題等強溫度：晶粒與晶界兩者強度相等的

16、溫度。約比溫度：試驗溫度與金屬熔點的比值。蠕變：金屬在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。持久強度：在規(guī)定溫度下，達到規(guī)定的持續(xù)時間而不發(fā)生斷裂的最大應力。應力松弛：在規(guī)定溫度和初始應力條件下，金屬材料中的應力隨時間增加而減小的現(xiàn)象。用穩(wěn)態(tài)蠕變速率表示的蠕變極限。用蠕變總伸長率表示的蠕變極限。金屬材料的持久強度極限。松弛應力。和常溫下力學性能相比，金屬材料在高溫下的力學行為有哪些特點？造成這種差別的原因何在1、高溫下，金屬的斷裂由常溫下常見的穿晶斷裂過渡到沿晶斷裂。一個重要特點就是產(chǎn)生蠕變。這是因為，溫度升高時晶粒強度和晶界強度都要降低，但晶界強度下降較快所致。金屬材料在高溫下

17、的變形機制與斷裂機制，和常溫比較有什么不同2、變形機制：高溫下的蠕變變形主要是通過位錯滑移、原子擴散等機理進行的。常溫下，若滑移面上的位錯運動受阻產(chǎn)生塞積，滑移便不能繼續(xù)進行，只有在更大的切應力作用下，才能使位錯重新運動和增殖。但在高溫下，位錯可借助外界提供的熱激活能和空位擴散來克服某些短程阻礙。擴散蠕變，是由于在高溫條件下大量原子和空位定向移動。此外，高溫下，由于晶界上的原子容易擴散，受力后易產(chǎn)生滑動，促進蠕變變形，這就是晶界滑動蠕變。   斷裂機制：金屬材料在長時高溫下的斷裂，大多為沿晶斷裂，這是由于晶界滑動在晶界上形成裂紋并逐漸擴展而引起的。高溫下，裂紋出現(xiàn)在晶界上的

18、突起部位和細小的第二相質(zhì)點附近，由于晶界滑動而產(chǎn)生空洞，最終導致沿晶斷裂。提高材料的蠕變抗力有哪些途徑3、合金化學成分：在基體金屬中加入合金元素形成單相固溶體。加入能形成彌散相的合金元素。添加能增加晶界擴散激活能的元素。   冶煉工藝：珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工藝。奧氏體耐熱鋼或合金一般進行固溶處理和時效。采用形變熱處理改變晶界形狀并在晶內(nèi)形成多邊化的亞晶界。      晶粒度：使用溫度低于等強溫度時，晶粒細化。奧氏體耐熱鋼及鎳基合金，一般以2到4級晶粒度較好。第九章作業(yè)題粘性變形：溫度高于粘流溫度時，聚合物分子鏈在外力作用下可進行整體相對滑動，呈粘性流動，產(chǎn)生不可逆永久變形。粘彈性：高聚物慢性的粘性流變銀紋：在拉應力作用下，非晶態(tài)聚合物的某些薄弱地區(qū)，因應力集中產(chǎn)生局部塑性變形，結(jié)果在其表