低溫工程材料復(fù)習(xí)專題

1、低溫工程材料復(fù)習(xí)題1、 疲勞失效斷口有何特點(diǎn)？有兩個(gè)明顯的部分組成，一部分是疲勞裂紋擴(kuò)展的部分，叫疲勞破壞范圍，其特征是經(jīng)過磨擦而較為光滑，晶粒較細(xì)，有時(shí)呈瓷狀，甚至可以觀察到若弧形或放射形的特征，有時(shí)能發(fā)先疲勞源中心及疲勞源數(shù)目。另一部分是突然斷裂部分，叫瞬時(shí)脆性破壞范圍，斷口呈光亮的結(jié)晶狀或纖維狀，晶粒較粗，有一明顯分界線，稱疲勞前沿線。2、簡述沖擊韌性及其工程意義？沖擊韌性是材料抵抗沖擊性外力而不破壞的能力，其值通過在沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)上的擺錘試驗(yàn)測量一次沖斷時(shí)的沖擊功來確定。它反映了材料承受動(dòng)外力的能力。受材料的強(qiáng)度.塑性的綜合影響。沖擊韌性實(shí)驗(yàn)方法能靈敏反映金屬的破壞趨勢(shì)和韌性，因此被廣泛應(yīng)

2、用于產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗(yàn)。3、 何為無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度？答：鐵素體結(jié)構(gòu)鋼的韌性隨溫度下降而降低 ,當(dāng)溫度降到某一值時(shí) ,達(dá)到臨界點(diǎn) ,此時(shí)斷口完全呈結(jié)晶狀脆性斷裂狀態(tài) ,這一溫度稱為無塑性轉(zhuǎn)變溫度，是以下階能開始上升的溫度定義的韌脆轉(zhuǎn)變溫度 ,表征含有小裂紋的鋼材在動(dòng)態(tài)加載屈服應(yīng)力下發(fā)生脆斷的最高溫度。4、簡述沖擊試樣沖斷后，其斷口形貌？在沖擊力作用下，試樣的斷裂過程也和靜拉伸一樣，仍然表現(xiàn)為彈性變形、塑性變形和斷裂。其不同點(diǎn)僅在于變形速度。由于沖擊速度快，塑性變形跟不上，使其變形不能完全進(jìn)行，集中在某些局部，這種影響也涉及到試樣的斷裂過程。典型沖擊試樣斷口的宏觀形態(tài)，一般分為三個(gè)區(qū)域纖維區(qū)：沖

3、擊試樣缺口底部在沖擊時(shí)受拉應(yīng)力作用，裂紋就在其根部中間或稍離缺口表面處萌生。對(duì)塑性較好的材料，裂紋一般沿兩側(cè)和深度方向穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展，中間部分較深，形成腳跟形（也稱為指甲形）的纖維區(qū)域。其宏觀斷口特征為無光澤的暗灰斷口。放射區(qū)：當(dāng)纖維區(qū)內(nèi)的裂紋長大到一定尺寸后（即臨界裂紋尺寸）。裂紋開始快速失穩(wěn)擴(kuò)展，形成放射區(qū)。其斷口形貌特征是以纖維區(qū)為中心呈放射花樣。剪切唇區(qū)：它在斷裂的最后階段形成。斷口特征為表面光滑，與拉應(yīng)力成約45度角唇口。5、簡述鋼的常用強(qiáng)化方式？(1).固溶強(qiáng)化，置換，間隙固溶體滲入金屬晶格中，造成原子尺度效應(yīng)，彈性模量效應(yīng)，固溶體有序化強(qiáng)化(2).析出強(qiáng)化，時(shí)效硬化，沉淀硬化(3).界

4、面強(qiáng)化6、鋼的韌性及其韌化方式？答：鋼在沖擊力的作用下抵抗斷裂的能力稱為韌性韌化方式：（1）細(xì)化晶粒和組織可同時(shí)提高鋼的強(qiáng)度和韌性，故被廣泛采用（2）改善基體和強(qiáng)化相形態(tài)（3）引入韌性相（4）減少氣體夾雜和控制夾雜的形態(tài)。7、 敘述獲得晶粒細(xì)化的方法？（1）在液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，提高冷卻速度，增大過冷度，來促進(jìn)自發(fā)形核。晶核數(shù)量愈多，則晶粒愈細(xì)。（2）在金屬結(jié)晶時(shí)，有目的地在液態(tài)金屬中加入某些雜質(zhì)，做為外來晶核，進(jìn)行非自發(fā)形核，以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，此方法稱為變質(zhì)處理。這種方法在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。如鑄鐵中加入硅、鈣等。（3）在結(jié)晶過程中，采用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁攪拌等，也可使晶粒細(xì)

5、化。(1增大結(jié)晶過冷度即增大冷卻速度，使形核率急劇增大，使金屬晶粒細(xì)化2加入一些難熔或不熔的合金粉末可促進(jìn)非均勻形核，以細(xì)化晶粒3增加逐漸中液態(tài)金屬的流動(dòng)與振動(dòng)，不但可增加冷卻速度還可沖斷枝晶，增大形核率)8、 簡述解理斷裂？1）解理斷裂是在正應(yīng)力作用產(chǎn)生的一種穿晶斷裂，即斷裂面沿一定的晶面（即解理面）分離。解理斷裂常見于體心立方和密排六方金屬及合金，低溫、沖擊載荷和應(yīng)力集中常促使解理斷裂的發(fā)生。面心立方金屬很少發(fā)生解理斷裂。（2）解理斷裂通常是宏觀脆性斷裂，它的裂紋發(fā)展十分迅速，常常造成零件或構(gòu)件災(zāi)難性的總崩潰。（3）斷口特征：解理斷裂斷口的輪廓垂直于最大拉應(yīng)力方向。新鮮的斷口都是晶粒狀的，

6、有許多強(qiáng)烈反光的小平面（稱為解理刻面）。解理斷口電子圖像的主要特征是“河流花樣”，河流花樣中的每條支流都對(duì)應(yīng)著一個(gè)不同高度的相互平行的解理面之間的臺(tái)階。解理裂紋擴(kuò)展過程中，眾多的臺(tái)階相互匯合，便形成了河流花樣。在河流的“上游”，許多較小的臺(tái)階匯合成較大的臺(tái)階，到“下游”，較大的臺(tái)階又匯合成更大的臺(tái)階。河流的流向恰好與裂紋擴(kuò)展方向一致。所以人們可以根據(jù)河流花樣的流向，判斷解理裂紋在微觀區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)展方向。金屬在低溫條件下，其應(yīng)力值達(dá)到一定的值時(shí)，便以極快的速度沿一定的結(jié)晶學(xué)平面發(fā)生斷裂，斷裂面平滑而光亮，這種斷裂稱解理斷裂。9、 簡述脆性斷裂、韌性斷裂宏觀斷口形貌？裂紋在工作應(yīng)力下失穩(wěn)擴(kuò)展，由于材

7、料的缺陷（斷口有空洞缺口裂紋等）和應(yīng)力集中導(dǎo)致材料發(fā)生低應(yīng)力突然斷裂，斷口分三類為張開型，滑開型，撕開型。韌性斷裂斷口部位有明顯的塑性變形如拉伸試樣斷口有明顯頸縮，高溫蠕變?cè)嚇佑忻黠@伸長；脆性斷裂端口無宏觀塑性變形，斷口表面相對(duì)較平整。答：（1）脆性斷裂斷口的宏觀特征如下：斷口上沒有明顯的宏觀塑性變形；斷口相對(duì)齊平并垂直于拉伸載荷方向；如果沒有被腐蝕產(chǎn)物或贓物污染，表面經(jīng)常呈現(xiàn)晶體學(xué)平面或晶粒的外形；斷口的顏色有時(shí)比較光亮，有時(shí)相對(duì)暗灰一些；光亮的斷口表面有時(shí)有放射狀臺(tái)階，在一定條件下放射狀臺(tái)階會(huì)發(fā)脹為人字紋花樣；較灰暗的脆性斷口呈現(xiàn)無定型的粗糙表面，有時(shí)也呈現(xiàn)出晶粒外形。（2）韌性斷裂斷口的

8、宏觀特征如下：一般分為杯錐狀（或雙杯狀）、鑿峰狀、純剪切斷口等，其中塑性金屬光滑圓試樣拉伸杯錐狀斷口是一種最為常見的韌性斷口。該種類型斷口通?？煞譃槿齻€(gè)區(qū)域，即纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)。10、簡述裂紋擴(kuò)展的基本方式？張開型 外加應(yīng)力垂直與裂紋面，即為正應(yīng)力時(shí)，裂紋尖端張開，并沿與外力垂直的方向上擴(kuò)展?；_型 在剪應(yīng)力作用下，裂紋上下兩面平行滑開，滑開方向和裂紋擴(kuò)展方向沿應(yīng)力作用方向撕開型 再剪應(yīng)力作用下裂紋面上下錯(cuò)開，裂紋沿原來方向擴(kuò)張11、 一實(shí)際構(gòu)件，實(shí)際使用應(yīng)力s1.30gpa， y1.5，有兩種鋼待選：甲鋼：sys=1.95gpa ，kic45mpa·m1/2，乙鋼：sys=

9、1.56gpa ，kic75mpa·m1/2分析選擇那種鋼更為合理？由發(fā)生失穩(wěn)斷裂k=ysa1/2 >=kic 的條件。答：（1）首先根據(jù)應(yīng)力值進(jìn)行判定：因?yàn)?s <s乙 且 s< s甲 所以要再用k判據(jù)。（2）實(shí)際使用應(yīng)力下的k= ysa1/2 =1.5*1.30*103 mpa*0.0011/2 m1/2 =61.66 mpam1/2 因?yàn)閗>k甲 =45 mpam1/2 ， k<k乙 = 75mpam1/2 綜合以上 ：選擇乙鋼更為合理 在 a（裂紋長度）相同的條件下，設(shè)為一個(gè)單位1mmk甲=ysysa1/2 =1.5*1.95*0.11/2/10

10、=92.5mpa·m1/2 > kic45mpa·m1/2 k乙=74mpa·m1/2<kic75mpa·m1/212、 簡述斷裂韌度在工程中的應(yīng)用？材料選擇、安全校核、失效分析、評(píng)價(jià)材料脆性、材料開發(fā)。是材料的韌性指標(biāo)，能反映材料抵抗裂紋時(shí)文擴(kuò)展的能力，1用以確定選材厚度2確定材料工作溫度和應(yīng)變速率3確定其強(qiáng)度和塑性13、 鋼的脆性破壞試驗(yàn)有何作用？答：通過脆性破壞實(shí)驗(yàn)研究脆性破壞的條件特征力求避免發(fā)生結(jié)構(gòu)的脆性破壞；研究各種工作條件下（如低溫，惡劣環(huán)境，復(fù)雜大型工程）的脆性破壞原因，以合理安全選材，保證工程質(zhì)量；對(duì)有裂紋的金屬材料在其生產(chǎn)

11、，加工，使用過程中對(duì)其強(qiáng)度和抵抗脆性斷裂的能力進(jìn)行測量，以對(duì)工程使用提供數(shù)據(jù)支持14、 簡述預(yù)防脆性斷裂的途徑？1、裂紋 當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)的板厚較大時(shí)（大于25mm），如果含碳量高，連接內(nèi)部有約束作用，焊肉外形不適當(dāng)，或冷卻過快，都有可能在焊后出現(xiàn)裂紋，從而產(chǎn)生斷裂破壞。針對(duì)這個(gè)問題，把碳控制在0.22%左右，同時(shí)在焊接工藝上增加預(yù)熱措施使焊縫冷卻緩慢，解決了斷裂問題。 焊縫冷卻時(shí)收縮作用受到約束，有可能促使它出現(xiàn)裂紋。措施是：在兩板之間墊上軟鋼絲留出縫隙，焊縫有收縮余地，裂紋就不會(huì)出現(xiàn)。 把角焊縫的表面作成凹形，有利于緩和應(yīng)力集中。凹形表面的焊縫，焊后比凸形的容易開裂，原因是凹形縫的表面有較大的收

12、縮拉應(yīng)力，并且在45°截面上焊縫厚度最小。凸形縫表面拉力不大，而45°截面又有所增強(qiáng)，情況要好的多。在凹形焊縫開裂的條件下，改用凸形焊縫，就不再開裂。 2、應(yīng)力 考察斷裂問題時(shí)，應(yīng)力是構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力，它不僅和荷載的大小有關(guān)，也和構(gòu)造形狀及施焊條件有關(guān)。幾何形狀和尺寸的突然變化造成應(yīng)力集中，使局部應(yīng)力增高，對(duì)脆性破壞最為危險(xiǎn)。施焊過程造成構(gòu)件內(nèi)的殘余拉應(yīng)力，也是不利的。因此，避免焊縫過于集中和避免截面突然變化，都有助于防止脆性斷裂。 3、材料選用 為了防止脆性斷裂，結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)該具有一定的韌性。材料斷裂時(shí)吸收的能量和溫度有密切關(guān)系。吸收的能量可以劃分為三個(gè)區(qū)域，即變形是塑性的

13、、彈塑性的和彈性的。要求材料的韌性不低于彈性，以避免出現(xiàn)完全脆性的斷裂，也沒有必要高于彈塑性，對(duì)鋼材要求太高，必然會(huì)提高造價(jià)。鋼材的厚度對(duì)它的韌性也有影響。厚鋼板的韌性低于薄鋼板。 4、構(gòu)造細(xì)部 發(fā)生脆性斷裂的原因是存在和焊縫相交的構(gòu)造縫隙，或相當(dāng)于構(gòu)造縫隙的未透焊縫。構(gòu)造焊縫相當(dāng)于狹長的裂紋，造成高度的應(yīng)力集中，焊縫則造成高額殘余拉應(yīng)力并使近旁金屬因熱塑變形而時(shí)效硬化，提高脆性。低溫地區(qū)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細(xì)部應(yīng)該保證焊縫能夠焊透。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意焊縫的施工條件，以保證施焊方便，能夠焊透。15簡述韌性斷裂特征？答：構(gòu)件經(jīng)過大量變形后發(fā)生的斷裂。主要條件是超過工作壓力，主要特征是發(fā)生了明顯的宏觀塑性

14、變形(不包括壓縮失穩(wěn))，且產(chǎn)生延性斷裂。如桿件的過量伸長或彎曲、容器的過量鼓脹。斷口的尺寸(如直徑、厚度)比原始尺寸也明顯變化。韌性斷裂的斷口一般能尋見纖維區(qū)和剪唇區(qū)。斷口尺度較大時(shí)還出現(xiàn)放射形及人字形山脊?fàn)罨y。形成纖維區(qū)斷口的斷裂機(jī)制一般是 “微孔聚合”，在電子顯微鏡中呈韌窩狀花樣。韌性斷裂一般由超載引起，而材料的塑性與韌性又很優(yōu)良。纖維區(qū)一般是斷裂源區(qū)。剪切唇總是在斷口的邊緣，并與構(gòu)件的表面約成45°夾角，是在平面應(yīng)力受力條件下發(fā)生剪切撕裂而形成的斷口，剪切唇表面較光滑，斷裂時(shí)的名義應(yīng)力高于材料的屈服強(qiáng)度。斷口微觀形貌通常有韌窩， 韌窩是材料在為微區(qū)范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞

15、，經(jīng)形核/長大/聚集，最后相互連接而導(dǎo)致斷裂后，在斷口表面所留下的痕跡。16、簡述脆性斷口和韌性斷口微觀形貌的種類？答：（1）脆性斷口的微觀形貌種類：穿晶（解理）斷裂、準(zhǔn)解理、沿晶斷口；（2）韌性斷口的微觀形貌種類：滑移分離、韌窩。17、敘述影響低溫韌性因素？答：溫度、應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力、截面積尺寸、顯微結(jié)構(gòu)及熱處理答：（1）溫度：溫度較高，材料發(fā)生破壞時(shí)，已產(chǎn)生了較大的形變，即材料顯示出良好的韌性性能，其破壞載荷遠(yuǎn)離最大載荷。隨著溫度的降低，材料破壞時(shí)產(chǎn)生形變的能力逐步喪失，當(dāng)載荷達(dá)到最大值的瞬間便形成裂紋，即發(fā)生起始破壞。極低溫度下，載荷突然從最大差不多跌落至零，變現(xiàn)為徹底喪失韌性，發(fā)生完

16、全脆性破壞。（2）應(yīng)力集中：應(yīng)力集中對(duì)低溫韌性性能的影響是復(fù)雜的。當(dāng)溫度降低時(shí)，應(yīng)力集中處造成的破壞取決于下列特性的綜合：溫度降低的程度、應(yīng)力集中特性，這與應(yīng)力集中處的形狀和尺寸有關(guān)、材料在溫度降低時(shí)對(duì)于滑移強(qiáng)度和脆性破壞強(qiáng)度的敏感性，即材料低溫韌性性能。（3）殘余應(yīng)力：殘余應(yīng)力的存在，將大大降低材料的低溫韌性性能，使得低溫設(shè)備更易發(fā)生脆性破壞。（4）截面積尺寸：隨截面尺寸的增大，材料韌性逐步降低，脆性破壞的危險(xiǎn)便顯著地增大。隨著溫度的降低，這一影響更為顯著，對(duì)沖擊載荷和靜載荷時(shí)脆性臨界溫度改變與比列效應(yīng)的關(guān)系研究顯示，隨尺寸的增大，平均脆性臨界溫度提高，同時(shí)脆性范圍的寬度減小，也就是說，尺寸

17、的增大改變了材料的韌性狀況。（5）顯微結(jié)構(gòu)及熱處理：隨著晶粒尺寸的增加，材料的斷裂應(yīng)力顯著降低。當(dāng)晶粒尺寸大于臨界晶粒尺寸時(shí)，即出現(xiàn)脆性斷裂，因此，細(xì)化及減小晶?？商岣卟牧洗嘈詳嗔褢?yīng)力，同時(shí)細(xì)化晶粒可降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。熱處理對(duì)于改進(jìn)材料韌性是顯而易見的。一方面，合適的熱處理通過改變材料顯微結(jié)構(gòu)，達(dá)到細(xì)化晶粒之目的；另一方面，熱處理可通過消除各種殘余應(yīng)力，提高材料韌性性能。18、 敘述奧氏體鋼的應(yīng)變強(qiáng)化機(jī)理？答：對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)。對(duì)于非穩(wěn)定奧氏體不銹鋼，因應(yīng)變產(chǎn)生馬氏體，使 加工硬化率因應(yīng)變的增加而逐漸增大，縮頸被推遲，故延伸率可達(dá)到最大值。同時(shí)，馬氏體 變體的擇優(yōu)形成是應(yīng)力集中被

18、松弛，呈現(xiàn)了相變誘導(dǎo)現(xiàn)象。對(duì)于穩(wěn)定奧氏體不銹鋼，在室溫 下加工不會(huì)形成馬氏體組織，但其晶粒細(xì)化、晶格扭曲和位錯(cuò)密度增大也會(huì)產(chǎn)生硬化效應(yīng)。 奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化這一特性，廣泛用于橋梁、建筑領(lǐng)域，歐洲部分國家已用于壓力容器 領(lǐng)域。奧氏體不銹鋼壓力容器應(yīng)變強(qiáng)化常用兩種模式：avesta模式和ardeform模式。19、敘述9ni鋼的應(yīng)用及其熱處理。答：（1）9ni鋼主要用于制造液化天然氣(lng)儲(chǔ)罐和運(yùn)輸船舶，最低使用溫度可達(dá)-196，其強(qiáng)度高、低溫韌性優(yōu)異、焊接性能良好，是深冷環(huán)境下使用的韌性最好的材料。（2）一般焊接后會(huì)存在應(yīng)力，最好做一次退火處理，如果不考慮應(yīng)力，則不需要做熱處理，因?yàn)樗旧?/p>

19、一種調(diào)質(zhì)鋼，材料出廠是調(diào)質(zhì)狀態(tài)，硬度大概hrc28/35。9ni鋼用于lng技術(shù)焊接，當(dāng)采用鐵素體鋼焊條焊接時(shí)，焊后進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理；之后采用因科鎳型電焊條使用二次正火（900c和700c）或淬火（800c），隨后經(jīng)行550-585c回火以制造壓力容器而不需消除焊后應(yīng)力的處理，在此情況下，設(shè)計(jì)許用應(yīng)力以焊縫強(qiáng)度為準(zhǔn)。20.根據(jù)fe-c相圖，填出焊接熱影響區(qū)的組織狀態(tài)圖。主要影響區(qū)域?yàn)閍1，a2，a3 a3區(qū)為奧氏體和鐵素體 組織狀態(tài)為奧氏體和鐵素體21、 簡述焊接裂紋的種類。答：焊縫中裂紋有熱裂紋和冷裂紋兩類：熱裂紋在液態(tài)到固態(tài)的結(jié)晶過程中產(chǎn)生，其原因主要是焊縫金屬中存在低熔點(diǎn)夾雜物，如硫

20、化鐵；在較大的焊接應(yīng)力下發(fā)生晶間破裂而形成的裂紋：冷裂紋為冷卻時(shí)產(chǎn)生，存在于基體金屬與焊縫交界處，其產(chǎn)生原因包括熱影響區(qū)形成淬火組織、焊接接頭的氫含量多、所受應(yīng)力大等。22、 敘述影響焊接冷裂紋的主要因素？答：主要是由于焊接件熱影響區(qū)的低塑性組織（淬硬組織），焊接接頭中的氫氣和焊接應(yīng)力三個(gè)因素共同作用所致。23、 簡述溫度對(duì)熱塑性和熱固性塑料特性的影響?熱塑性塑料是指具有加熱軟化，冷卻硬化特性的塑料，加熱變軟而流動(dòng)，冷卻變硬，此是鏈間糾纏所造成的暫時(shí)性物理交聯(lián)過程可逆；因此熱塑性塑料會(huì)隨加熱而有軟化變形乃至于流動(dòng)的現(xiàn)象:隨溫度下降則有固化變硬的情形，熱固性材料第一次加熱可以軟化流動(dòng)，加熱到一定溫度，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)-交鏈固化而變硬，此變化不可逆，此后再次加熱，不能再變軟流動(dòng)，因此熱固性塑料在加工后并不會(huì)如熱塑性塑料般會(huì)受熱軟化，若溫度過高則發(fā)生裂解而不會(huì)有軟化變形的現(xiàn)象24、敘述復(fù)合材料的性能特點(diǎn)？1.比強(qiáng)度高：單位重量的機(jī)械強(qiáng)度。玻璃鋼的比重是鋼的1/5-1/4，其機(jī)械強(qiáng)度不比鋼小。2.良好的導(dǎo)熱性：熱導(dǎo)率低，是金屬的1/1000-1/100,線膨脹系數(shù)低。3.良好的導(dǎo)電性。是一種優(yōu)良的電氣絕緣材料，并且在高頻作用下，仍能保持良好的介電性能 4.良好的抗磁性能：是一種抗磁材料，不受電磁作用不反射無線電波，微波通過性能良好 5.工藝性能優(yōu)越25、大