材料性能學(xué)作業(yè)及答案

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(zhǎng)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(zhǎng)度增量AL的關(guān)系為：

F/N60008000100001200014000

AL12.54.57.511.5

求該材料的硬化系數(shù)K及應(yīng)變硬化指數(shù)no

解：：L（）=50mm,r=2.5mm,F與AL如上表所示，由公式（工程應(yīng)力）。=F/A（）,

22

〔工程應(yīng)變）￡=AL/Lo,Ao=兀r,可計(jì)算得：Ao=19.6350mm

o1=305.5768,￡i=0.0200,

o2=407.4357,e2=O.O5OO,

。3=509.2946,￡3=0.0900,

04=611.1536,￡4=0.1500,

。5=713.0125,￡5=0.2300,

又由公式（真應(yīng)變）e=ln（L/Lo）=ln（l+e）,（真應(yīng)力）又。（1+￡），計(jì)算得:

e尸0.0199,Si=311.6883,

?2=0.0489,S2=427.8075,

6=0.0864,S3=555.131L

6尸0.1402,S4=702.8266,

e5=0.2076,S5=877.0053,

又由公式養(yǎng)。］,即lgS=lgK+nlge,可計(jì)算出K=1.2379xl()3,『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，斷裂前根本上不發(fā)牛塑性變形，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：斷裂前根本不發(fā)生塑性變形的，突發(fā)的斷裂。

特征：斷裂面與正應(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。

5lo

14、通常純鐵的rs=2J/m2,E=2xl()MPa,ao=2.5xl()-m,試求其理論斷裂強(qiáng)

度(Tmo

1/2

解：由公式(Ers/a0),可得Om=4.0xl()4MPa。

15、假設(shè)一薄板內(nèi)有一條長(zhǎng)3mm的裂紋，且ao=3xlO*mm,試求脆性斷裂時(shí)

斷裂應(yīng)力5(設(shè)施=E/10=2xl()5MPa)。

,/2

解：由公式om/oc=(a/ao),a為仇對(duì)應(yīng)的裂紋半長(zhǎng)度,即a=1.5mm,

oc-28.2845MPa

17、斷裂強(qiáng)度a與抗拉強(qiáng)度Ob有何區(qū)別？

答：?是材料裂紋產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展的斷裂強(qiáng)度，在應(yīng)力應(yīng)變曲線

上為斷裂時(shí)的強(qiáng)度值。最是韌性金屬試樣拉斷過程中最大

力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。

第二次作業(yè)(P54)

第二章

1.解釋以下名詞

2.說明以下力學(xué)性能指標(biāo)的意義

3.簡(jiǎn)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?/p>

(3)缺口使塑性材料得到強(qiáng)化

9.說明以下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

⑵淬火鋼:HRC

⑶灰鑄鐵:HB

(4)硬質(zhì)合金：HRA

(5)鑒別鋼中的隱晶馬氏體與剩余奧氏體：HV或HK

(8)氮化層：HV

(10)高速鋼刀具：HRC

10.在294.3N(30kgf)載荷下測(cè)定某鋼材的維氏硬度。測(cè)得壓痕對(duì)角線長(zhǎng)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)度值內(nèi)(抗

拉強(qiáng)度不需要算)。

解：HV=1854.4F/d2,式中F以gf為單位，d以u(píng)m為單位。

HV=269.9063

弟二早

1解釋以下名詞

2說明以下力學(xué)性能指標(biāo)的意義

5以下3組試驗(yàn)方法中，請(qǐng)舉出每一組中哪種試驗(yàn)方法測(cè)得云的較高？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，口越高：同一種材料的脆性那么隨試驗(yàn)條件而定；

(1)拉伸測(cè)出的tK比扭轉(zhuǎn)測(cè)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(cè)出的tK比缺口靜彎曲測(cè)出的tK高，因?yàn)闆_ft布厥時(shí)，加觸

度t勖喉變形速度增加，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(cè)出的tK比光滑試樣拉伸測(cè)出的tK高，因?yàn)槿笨谑共牧系拇?/p>

性增加。

第三次作業(yè)(P84)

第四章

1.名詞解釋

2.說明以下符號(hào)的名稱和含義

3.說明Ki和Kic的異同。(答案：P68頁(yè)第四自然段)

11.有一構(gòu)件加工時(shí)，出現(xiàn)外表半橢圓裂紋，假設(shè)a=lmm,a/c=0.3,在

『lOOOMPa的應(yīng)力下工作，對(duì)以下材料應(yīng)選哪一種？(P80頁(yè)例1類似)

Go.2/MPa11001200130014001500

Kic/(MPam11095756055

巧

解：(1)o/o0,2=1000/l100=0.9091>=0.6~0.7,所以必須考慮塑性區(qū)的修正問

題。采用以下公式計(jì)算K-

其中由第二類橢圓積分：

當(dāng)a/c=0.3時(shí),查表得①2二1.19。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，得：

K『61.2(MPa-mU2)<Kic]=U0(MPa-mi/2)

由此可見，Kn<KICi，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(MPa-m,/2)<Kic2=95(MPam1/2)

由此可見，K<KQ說明使用材料2不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，可以選用。

,/21/2

(2)KI3=57.9(MPa-m)<Kic3=75(MPa-m)

由此可見，Ki<KiC,說明使用材料3不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，可以選用。

(2)Ki4=59.3(MPa-m,/2)^Kic4=60(MPa-m,/2)

由此可見，Ki戶Kg，說明使用材料4可能會(huì)發(fā)生脆性斷裂，不可以選用。

1/21/2

(2)Ki5=58.9(MPa-m)>Kic5=55(MPa-m)

由此可見，Ki5>K]C5,說明使用材料5會(huì)發(fā)生脆性斷裂，不可以選用。

第四次作業(yè)(P108)

第五章

1.名詞解釋

2.解釋以下性能指標(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(yè)）

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，比擬粗糙；

2）疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)：常形成海灘把戲或貝殼把戲，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。

⑵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：外表滑移帶開裂；

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，隨著滑移帶在外表加寬的過程出現(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把戲，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)展的裂紋外表被壓合，裂紋尖端被彎折成

一對(duì)耳狀切口；最大壓應(yīng)力時(shí)，裂紋外表完全被壓合，裂尖變成一對(duì)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(zhǎng)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)階段？簡(jiǎn)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:

外表滑移帶開裂；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，隨著滑移帶在外表加寬的過程

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

的疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)疲勞壽命；

②外表應(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)件外表塑性抗力（強(qiáng)度和硬度），降低外表的有效拉應(yīng)力，如

采用外表噴丸及滾壓、外表熱處理和化學(xué)熱處理、符合強(qiáng)化等措施，可抑制材

料外表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(duì)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，疲勞壽命也就越長(zhǎng)。

應(yīng)力比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(zhǎng)。

第五次作業(yè)IP122）

第八早

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、磨損過程及外表?yè)p為形貌。

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(duì)滑動(dòng)速度小，接觸面氧化薄膜脆弱，潤(rùn)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(yè)最后一個(gè)自然段）

3）外表?yè)p傷形貌：機(jī)件外表有大小不等的結(jié)疤。

（2）磨料磨損

1）產(chǎn)生條件：摩擦副的一方外表存在堅(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)入或從外表剝落）時(shí)產(chǎn)生的磨殞。

2）磨損過程：（P113頁(yè)倒數(shù)第二自然段）

3）外表?yè)p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外表與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反響。

2）磨損過程：以氧化磨損為例。當(dāng)摩擦副作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于外表凹凸不平,

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(duì)運(yùn)

動(dòng)時(shí)、氧化膜被摩擦副一方的凸起所剝落，裸露出新外表，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)件外表組件被磨損，這就是氧

化磨損的過程。

3）外表?yè)p傷形貌：在摩擦面上沿滑動(dòng)方向呈均勻細(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(zhǎng)期

作用使材料外表疲勞損傷，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(yè)第3點(diǎn)）

3）外表?yè)p傷形貌：接觸面外表出現(xiàn)許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)那么形狀的凹坑

（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(qǐng)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)條件比擬其與普通機(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（外

表壓碎）。

（1）麻點(diǎn)剝落（點(diǎn)蝕）

1）機(jī)理：（PU6頁(yè)）

2）特征：0.1?0.2mm深的痘狀凹坑

3）產(chǎn)生的力學(xué)條件：外表接觸應(yīng)力較小、摩擦力較大或外表質(zhì)量較差時(shí)，易

出現(xiàn)麻點(diǎn)剝落。

⑵淺層剝落

1）機(jī)理：PU7頁(yè)

2）特征：0.2?0.4mm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(yè)

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(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)那么蠕變?cè)缴酢?/p>

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(zhǎng)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局部彈性變形轉(zhuǎn)變

為非彈性變形；而蠕變那么是在恒定應(yīng)力長(zhǎng)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)