力學性能高階版

1、1、 金屬的彈性模量主要取決于什么因素？為什么它是一個對組織不敏感的力學性能指標？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，應力與應變關(guān)系實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、冷塑性變形對彈性影響小，所以彈性模量是一個對組織不敏感的指標。2、 今有45、40Cr、35CrMo鋼和灰鑄鐵幾種材料，你選擇哪種材料作機床床身？為什么？灰鑄鐵，機床機身要求剛度大，抗震性好，運行可靠且耐磨性好，制備簡單，價格便宜。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：材料變形前可動位錯密度較小。隨塑性變形發(fā)生，位錯能快速增殖。位錯運動速率與外加應力有強烈依存關(guān)系。bcc金屬的位錯運動速率應力敏感指數(shù)數(shù)值較低，而此數(shù)值越低，則為使位錯運動速率變化所需的應力變化越大，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，即在拉伸力伸長曲線上有屈服平臺，有明顯屈服現(xiàn)象。而中碳鋼和高碳鋼則沒有屈服平臺。三者的區(qū)別主要在于含碳量的不同，導

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，開動位錯需要很大的應力，低碳鋼中，一但開動了，運動就容易了，應力也就下降了，便產(chǎn)生了屈服平臺。但高碳和中碳鋼中，由于固溶原子多，開動位錯后，接著又被另一柯氏氣團釘扎，這一過程不斷重復，故曲線呈現(xiàn)連續(xù)變化，無屈服平臺。5、 決定金屬屈服強度的因素有哪些？內(nèi)因：金屬本性和晶體結(jié)構(gòu)：晶格阻力，位錯交互阻力。晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)：晶界，亞晶界對位錯阻力大。溶質(zhì)元素：固溶產(chǎn)生的晶格畸變給位錯運動帶來阻力。第二相；固溶強化，間隙強化，第二相強化，彌散強化，細晶強化外因：溫度應變速率（變形速率正比）應力

4、狀態(tài)（切應力分量反比）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?。杭毦娀勾鄶嘈阅軆?yōu)化（5）應力狀態(tài)：應力下降，脆性上升（6）加載速度：加載速度上升，應力上升，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。因此要對該公式進行修正。8、 試綜合比較單向拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)實驗特點和應用范圍。拉伸試驗的特點是溫度、應力狀態(tài)和加載速率都

5、是確定的，應力狀態(tài)軟性系數(shù)硬。且該方法設備簡單，操作方便，實驗精度高，適用范圍廣。塑性變形抗力和切斷強度較低的塑形材料。壓縮應力狀態(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定脆性材料的韌性指標或測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)部應力主要為正應力，與單向拉伸和壓縮時產(chǎn)生的應力雷同，但由于桿件截面上的應力分布不均勻，表面最大，中心為零，因此只有彎曲實驗才能較靈敏地反映材料的表面缺陷。彎曲實驗具有試樣形狀簡單、操作方便，又不存在拉伸時試樣的偏斜等特點，常用測定鑄鐵，鑄造合金工具鋼等脆性和低塑形材料的強度和顯示塑性的拆額扭轉(zhuǎn)：特點有：扭轉(zhuǎn)的應力狀態(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，整個長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)時最大的正應力與最大的切應力在數(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、維硬度實驗原理。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力計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，以測量壓痕深度所表示的硬度維氏硬度：以兩相對面夾角為136的金剛石四棱錐做壓頭，采用單位面積所承受的試驗力計算得到的硬度布優(yōu)：反映宏觀性能，適用于測量晶粒粗大或多相材料的綜合性能；重

7、復性好，波動性小。布缺：壓痕大，且測量較麻煩；不同材料需要更換不同種類壓頭。洛優(yōu)：操作簡便；適用硬度范圍大；壓痕小。洛缺：重復性較差；不同硬度對比性較差。波動大。（波動原因：1，成分偏析，成分波動引起帶狀，2，夾雜3，鑄造疏松，有枝晶）維優(yōu)：維氏硬度有一個連續(xù)一致的標度（而洛氏硬度則沒有）；試驗載荷也可任意選擇，所得結(jié)果相同。10、 如今以下材料和零件測硬度，請選用方法。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。溫度下降對材料屈服強度下降幅度比斷裂強度大，致使溫度低于tk時材料不經(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?。壕Я３叽缦陆担瑥姸壬?，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，對組織均勻的結(jié)構(gòu)鋼進行沖擊實驗時，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)，藍脆區(qū)及重結(jié)晶脆性區(qū)；冷脆區(qū)：韌脆轉(zhuǎn)變造成；藍脆區(qū)（由于該溫度下，鋼的氧化層為藍色。其機理主要是C、N等間隙原子在位錯處偏聚造成，因此有變形速率越大，即位錯運動速度越快，為保證間隙原子運動速度與位錯相同，則溫度應越高）；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，當兩相組織各占一半時，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（即應力狀態(tài)）：試樣尺寸及形狀的改變，實際上改變了材料內(nèi)部的應力狀態(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，應力狀態(tài)變硬，tk 升高，ak 下降。13、 下列三組試驗方法中，請列舉出每組中哪種試驗方法測得的tk比較高？為什么？ 拉伸和扭轉(zhuǎn)：拉伸高，拉伸的應力狀態(tài)系數(shù)低，正應力大，容易裂紋擴展。 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力，應力集中，應力狀態(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溫度是否敏感。fcc和高強度bcc不敏感，低強度bcc敏感。微觀上看位錯運動是否對溫度敏感。低強度bcc敏感，不敏感。15、 試述低應力脆斷的原因及防止方法。低應力脆斷是由宏觀裂紋的擴展引起的。由于裂紋破壞了材料的均勻連續(xù)性，改變了材料的應力狀態(tài)和應力分布，在裂紋處應力集中，故在低應力下就滿足裂紋擴展，進而脆斷。用裂紋力學對零件進行效驗，可有效防止低應力脆斷。16、 試述K判據(jù)的意義和用途。KIKIC，裂紋體滿足這個條件，裂紋就會失穩(wěn)擴展。此式將材料韌度同機件的工作應力及裂紋尺寸的關(guān)系定量的聯(lián)系起來。因此可以

12、直接用于設計計算。17、 影響KIC的冶金因素。KIC上升，細化晶粒。KIC下降，固溶強化；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。(1)低應力循環(huán)延時斷裂，具有壽命的斷裂(2)脆性斷裂(3)對缺陷十分敏感(4)是裂紋萌生與擴展的過程19、 試述塑性區(qū)對KI的影響。存在塑性區(qū)時，應力應變非線性關(guān)系，使得不適用要對此式進行修正。20、 金屬疲勞斷裂特點。(1)低應力循環(huán)延時斷裂，具有壽命的斷裂(2)脆性斷裂(3)對缺陷十分敏感(4)是裂紋萌生與擴展的過程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，裂紋慢速擴展，形成貝殼狀或海灘狀條紋。這

13、種條紋開始時比較密集，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，這個區(qū)域通常稱為疲勞裂紋擴展區(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。對于塑性材料，斷口為纖維狀，對于脆性材料，則為結(jié)晶狀斷口?？傊粋€典型的疲勞斷口總是由疲勞源，疲勞裂紋擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)三部份構(gòu)成。22、 試述疲勞裂紋形成機理及阻止疲勞裂紋萌生的一般方法。機理主要有三種方式：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、提高材料表面的強韌性，可以通過滲C，滲N、C、N共滲或

14、者噴丸技術(shù)實現(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展速率的主要因素，并和疲勞萌生的影響因素作比較。應力比r。減小r，減小速率。過載峰適當可減慢。材料組織影響：晶粒粗擴展慢。含碳低擴展?jié)M。韌性組織增加可提高 Kth可抑制擴展。噴丸也可提高 Kth，抑制擴展。疲勞擴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，而疲勞裂紋擴展速率則相反。24、 試述金屬產(chǎn)生應力腐蝕的條件和機理。產(chǎn)生條件：應力、化學介質(zhì)和金屬材料。其中應力包括工作應力和

15、殘余應力。特定化學介質(zhì)中某種金屬材料才能應力腐蝕。純金屬不活產(chǎn)生應力腐蝕。機理：對應力腐蝕敏感的合金在特定的化學介質(zhì)中，首先表面形成鈍化膜。拉應力引起鈍化膜局部區(qū)域破壞，并造成裂紋尖端應力集中，致使陽極電位降低，因而陽極溶解加速，鈍化膜不能修復，斷裂壽命下降。防治方法：1.合理選擇金屬材料，取決于所受應力和化學介質(zhì)。 2.減少或消除機件中的殘余拉應力。3.改善化學介質(zhì)4.采用電化學保護25、 試述區(qū)別剛強度鋼的應力腐蝕與氫致延滯斷裂的方法。產(chǎn)生應力腐蝕時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，即當外加小的陽極電流而縮短產(chǎn)生裂紋的時間則為應力腐蝕，當外加小的陰極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時間則為氫致延滯斷裂。26、 試述粘著磨損產(chǎn)生的條件、機理和防止措施。條件：是指在滑動摩擦條件下，且摩擦副相對滑動速度較小（1m/s）的磨損。機理：粘著實際上是摩擦副兩表面原子間的鍵合作用，在隨后的繼續(xù)滑動時，粘著點被全部剪斷。并轉(zhuǎn)移到另一方金屬表面。然后脫落形成磨屑。措施：注意摩擦副配對材料選擇：粘著傾向應力小。采用化學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)。控制摩擦滑動速度和接觸壓應力：改善潤滑，降低表面粗糙度，增強氧化膜穩(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理和特性。麻點剝落在波動接觸過程中(實際條件下尚應有滑動)，由于表面最大綜合切應力反復作用，在表層局部區(qū)域，如材料的抗剪屈服強度較低，則將在該處產(chǎn)生塑性變形，同時必伴有形變強化。由于損傷逐步累積，直到表面最大綜合切應力超過材料的抗剪強度時，就在表層形成裂紋。裂紋形成后，潤滑油擠入裂紋。在連續(xù)波動接觸過程中，潤滑泊反復壓入裂紋內(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(實際上是使裂紋張開的應力)，使裂紋沿與滾動方向成小于45。傾角向前擴展。在純滾動條件下裂紋擴展方向與zy450max方向一致；有滑動摩擦時，傾角減小，摩擦力越大，傾角越小。當裂紋擴展到一定程度后，因尖端有應力集中，故在該處產(chǎn)生二次裂紋。二次裂紋與韌始裂紋垂直，其中也有潤滑油。二次裂紋也受高壓油作用而不斷向表面擴展。當二次裂紋擴展到表面時，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，即產(chǎn)生于0786b處，但亦有人認為在0.56b處形成。由于該處切應力最大，故塑性變形員劇烈。在接觸應力反復作用下，塑性變形反復進