湖南大學(xué)材料性能學(xué)作業(yè)+習(xí)題答案.doc

1、第二章 作業(yè)題1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù):按“最大切應(yīng)力理論”計(jì)算的最大切應(yīng)力與按“相當(dāng)最大正應(yīng)力理論”計(jì)算的最大正應(yīng)力的比值.2缺口效應(yīng):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(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生缺口效應(yīng)，影響金屬材料的力學(xué)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(yàn)力，將其壓入試樣表面,經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除，試樣表面殘留壓痕。HBW通過(guò)壓痕平均直徑求得。4 洛氏硬度：洛氏硬度以測(cè)量壓痕深度標(biāo)識(shí)材料的硬度。HR(kh）/0.002.二、脆性材料的抗壓強(qiáng)度扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)缺口試樣的抗拉強(qiáng)度NSR:缺口敏感度,為缺口試樣的抗拉強(qiáng)度與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強(qiáng)度的比值。HB

2、S: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(yàn)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍1單向拉伸特點(diǎn)：溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速率是確定的，且常用標(biāo)準(zhǔn)的光滑圓柱試樣進(jìn)行試驗(yàn)。應(yīng)用范圍:一般是用于那些塑性變形抗力與切斷強(qiáng)度較低的所謂塑性材料試驗(yàn)。2壓縮試驗(yàn)特點(diǎn)：?jiǎn)蜗驂嚎s試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)2,比拉伸，彎曲，扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)都軟，拉伸時(shí)塑性很好的材料在壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變形而不會(huì)斷裂。應(yīng)用范圍:拉伸時(shí)呈脆性的金屬材料的力學(xué)性能測(cè)定。如果產(chǎn)生明顯屈服，還可以測(cè)定壓縮屈服點(diǎn)。3彎曲試驗(yàn)特點(diǎn)：試樣形狀簡(jiǎn)單,操作方便，彎曲試樣應(yīng)力分布不均勻,表面最大，中心為零?？奢^

3、靈敏的反映材料表面缺陷。應(yīng)用范圍:對(duì)于承受彎曲載荷的機(jī)件，測(cè)定其力學(xué)性能。4扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)特點(diǎn)：1扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)0.8,比拉伸時(shí)大,易于顯示金屬的塑性行為。2圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)長(zhǎng)度上塑性變形是均勻的，沒(méi)有頸縮現(xiàn)象，所以能實(shí)現(xiàn)大塑性變形量下的試驗(yàn)。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(shí)試樣中的最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)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(qiáng)度大于切斷強(qiáng)度，所以，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是測(cè)定這些材料切斷最可靠的辦法。 應(yīng)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(píng)定材料的熱壓力加工性;研究或檢驗(yàn)工件熱處理的表面質(zhì)量和各種表面強(qiáng)化工藝的效果。四、缺口拉

4、伸時(shí)應(yīng)力分布有何特點(diǎn)缺口截面上的應(yīng)力分布是不均勻的，軸向應(yīng)力在缺口根部最大，隨著離開根部的距離增大，應(yīng)力不斷減小,即在根部產(chǎn)生應(yīng)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(yàn)溫度低于某一溫度時(shí)，會(huì)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(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫硇?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀   韌脆轉(zhuǎn)變溫度：導(dǎo)致低溫脆性的轉(zhuǎn)變溫度斷裂分析圖：表示許用應(yīng)力、缺陷和溫度之間關(guān)系的綜合圖2、Ak  沖擊韌度   NDT   無(wú)塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度

5、試說(shuō)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(qiáng)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(xué)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?yàn)楹附咏涌谥g會(huì)從在裂紋，氣孔，而且連接體之間不是同一種材料,導(dǎo)致焊口脆性大，同時(shí)焊接時(shí)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(qiáng)，不易發(fā)生脆性斷裂.第四章 作業(yè)題1、由宏觀裂紋擴(kuò)展引起。   表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度。   裂紋體在受力時(shí)，只要滿足Ki=Kic，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。2、平面應(yīng)變斷裂韌度，表示在平面應(yīng)變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)

6、擴(kuò)展的能力。   平面應(yīng)力斷裂韌度，表示在平面應(yīng)力條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。   平面應(yīng)變斷裂韌度，表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)散時(shí)單位面積所消耗的能量。試述低應(yīng)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(guān)，當(dāng)裂紋在給定的作用應(yīng)力下擴(kuò)展臨界尺寸時(shí),就會(huì)突然破壞。  防止方法：添加細(xì)化晶粒的合金元素   細(xì)化晶粒   形成板條馬氏體及殘留奧氏體薄膜增強(qiáng)塑性   溫度越低,脆性一般越大，增加應(yīng)變速率也會(huì)降低塑性，因此要降低應(yīng)變速率。試述K判據(jù)的意義及用途4、 裂紋在

7、受力時(shí),只要滿足Ki=Kic，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。它將材料斷裂韌度同機(jī)件的工作應(yīng)力和裂紋尺寸的關(guān)系定量地聯(lián)系起來(lái)，因此可以直接用于設(shè)計(jì)計(jì)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(jī)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(zhǎng)的橫向穿透裂紋，若在平均軸向拉應(yīng)力900MPa下工作,試計(jì)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(huì)斷，不安全。第五章 作業(yè)題疲勞斷裂:金屬機(jī)件或構(gòu)件在

8、變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長(zhǎng)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(shí)的載荷循環(huán)數(shù);疲勞極限：疲勞缺口敏感度:疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值疲勞裂紋門檻值 影響 實(shí)用價(jià)值1、疲勞裂紋不擴(kuò)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(kuò)展的性能,也是材料的力學(xué)指標(biāo),其值越大,阻止疲勞裂紋開始擴(kuò)展的能力就越大，材料就越好。它可以作為裂紋件的設(shè)計(jì)和校核指標(biāo)。 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性，提高相界面強(qiáng)

9、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(yīng)用實(shí)例有真空冶煉和真空澆注.(2)晶界強(qiáng)化、凈化和晶粒細(xì)化，可以提高材料疲勞壽命，細(xì)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(kuò)展,故能提高疲勞強(qiáng)度。應(yīng)用實(shí)例包括低碳鋼和鈦合金的強(qiáng)化.（3）表面強(qiáng)化處理可在機(jī)件表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)還能提高機(jī)件表面的強(qiáng)度和硬度。應(yīng)用實(shí)例有表面噴丸和滾壓，其在阻礙疲勞裂紋擴(kuò)展中有良好的效果。試說(shuō)明疲勞裂紋擴(kuò)展曲線的三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)和影響因素3、I區(qū)是疲勞裂紋初始擴(kuò)展的階段，擴(kuò)展速率很小。隨K增加，擴(kuò)展速率快速提高，但變化范圍很小，提高有限,擴(kuò)展壽命長(zhǎng).II區(qū)是疲

10、勞擴(kuò)展的主要階段，占據(jù)亞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的絕大部分，是決定疲勞壽命的主要組成部分，擴(kuò)展速率較大，K變化范圍大，擴(kuò)展壽命長(zhǎng).III區(qū)是疲勞裂紋擴(kuò)展的最后階段,擴(kuò)展速率很大,并隨K增加而很快的增大，只需擴(kuò)展很少的周次即會(huì)導(dǎo)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(yīng)力腐蝕：金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后所產(chǎn)生的地應(yīng)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(dǎo)致金屬脆化。指標(biāo)意義:scc:材料不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力KIscc：應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度

11、因子da/dt：應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率如何判斷某一零件的破壞是由應(yīng)力腐蝕引起的1、應(yīng)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(kuò)展較快,其他分支裂紋擴(kuò)展較慢。根據(jù)這一特征即可區(qū)分。、如何識(shí)別氫脆與應(yīng)力腐蝕2、采用極化試驗(yàn)方法：當(dāng)外加小的陽(yáng)極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時(shí)間的是應(yīng)力腐蝕，當(dāng)外加小的陰極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時(shí)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(shí)da/dt=0。00002利用積分公式t=580000s第七章 作業(yè)題磨損：機(jī)件表面接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面逐漸有微小顆粒分離出來(lái)形成磨屑，使表面材料逐漸流失、造成表面磨

12、損的現(xiàn)象.粘著磨損:粘著磨損又稱咬合磨損，是在滑動(dòng)摩擦條件下，當(dāng)摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速率較?。ㄤ撔∮?m/s）時(shí)發(fā)生的，它是因?yàn)槿狈?rùn)滑油，摩擦副表面無(wú)氧化膜，且單位法向載荷很大,以致材料承受的接觸應(yīng)力超過(guò)實(shí)際接觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)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(duì)運(yùn)動(dòng)以滾動(dòng)為主時(shí),在接觸區(qū)形成的循環(huán)應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞強(qiáng)度的情況下，表層引發(fā)裂紋并逐步擴(kuò)展,最后使裂紋以上的材料斷裂剝落下來(lái)，導(dǎo)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(shí)際表面上總存在局部凸起，當(dāng)摩擦副雙方接觸時(shí)，即使施加較小載荷，在真實(shí)接

13、觸面上的局部應(yīng)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(huì)使兩個(gè)接觸面的原子彼此十分接近而產(chǎn)生強(qiáng)烈粘著。提高材料抗磨損能力的方式有：選擇的配對(duì)材料粘著傾向應(yīng)比較小、采用表面化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài)、控制摩擦滑動(dòng)速度和接觸壓應(yīng)力，如：改善潤(rùn)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(yīng)力碾碎性磨粒磨損和低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損。鑿削式磨粒磨損 實(shí)例如挖掘機(jī)斗齒，提高其磨損抗力的方法是增加材料硬度；高應(yīng)力碾碎性磨粒磨損 實(shí)例如球磨機(jī)襯板與鋼球機(jī)件表面的破壞，在高應(yīng)力沖擊載荷下，應(yīng)選用高硬度材

14、料，利用其高韌性和高加工硬化能力，可得到高耐磨性。低應(yīng)力碾碎性磨粒磨損 實(shí)例如運(yùn)輸槽板的摩擦表面，在這一磨損場(chǎng)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(diǎn)剝落、淺層破落和深層剝落三類。                 麻點(diǎn)剝落：在滾動(dòng)接觸過(guò)程中,由于表面最大綜合應(yīng)力反復(fù)作用，在表層局部區(qū)域,由于損傷逐步累積，直到表面最大綜合切應(yīng)力超

15、過(guò)材料抗剪強(qiáng)度時(shí)，就在表面形成裂紋，接著初始裂紋擴(kuò)展 ，二次裂紋形成到二次裂紋擴(kuò)展 ，形成磨屑最終形成鋸齒形表面。淺層剝落：在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，塑性變形反復(fù)進(jìn)行,使材料局部弱化，遂在該處形成裂紋.而后裂紋進(jìn)行擴(kuò)展，在滾動(dòng)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(kuò)展到表面，反復(fù)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(kuò)展，而后再垂直于表面擴(kuò)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(yīng)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(qiáng)溫度：晶粒與晶界兩者強(qiáng)度相等的溫度.約比溫度:

16、試驗(yàn)溫度與金屬熔點(diǎn)的比值。蠕變：金屬在長(zhǎng)時(shí)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(qiáng)度：在規(guī)定溫度下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。應(yīng)力松弛：在規(guī)定溫度和初始應(yīng)力條件下，金屬材料中的應(yīng)力隨時(shí)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(zhǎng)率表示的蠕變極限。金屬材料的持久強(qiáng)度極限。松弛應(yīng)力。和常溫下力學(xué)性能相比，金屬材料在高溫下的力學(xué)行為有哪些特點(diǎn)?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(guò)渡到沿晶斷裂。一個(gè)重要特點(diǎn)就是產(chǎn)生蠕變。這是因?yàn)椋瑴囟壬邥r(shí)晶粒強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度都要降低，但晶界強(qiáng)度下降較快所致。金屬材料在高溫下的變形機(jī)制與斷裂

17、機(jī)制，和常溫比較有什么不同2、變形機(jī)制：高溫下的蠕變變形主要是通過(guò)位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散等機(jī)理進(jìn)行的。常溫下，若滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻產(chǎn)生塞積，滑移便不能繼續(xù)進(jìn)行，只有在更大的切應(yīng)力作用下，才能使位錯(cuò)重新運(yùn)動(dòng)和增殖。但在高溫下，位錯(cuò)可借助外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散來(lái)克服某些短程阻礙。擴(kuò)散蠕變，是由于在高溫條件下大量原子和空位定向移動(dòng)。此外，高溫下，由于晶界上的原子容易擴(kuò)散,受力后易產(chǎn)生滑動(dòng)，促進(jìn)蠕變變形，這就是晶界滑動(dòng)蠕變.   斷裂機(jī)制：金屬材料在長(zhǎng)時(shí)高溫下的斷裂，大多為沿晶斷裂，這是由于晶界滑動(dòng)在晶界上形成裂紋并逐漸擴(kuò)展而引起的。高溫下，裂紋出現(xiàn)在晶界上的突起部位和細(xì)小的

18、第二相質(zhì)點(diǎn)附近，由于晶界滑動(dòng)而產(chǎn)生空洞，最終導(dǎo)致沿晶斷裂.提高材料的蠕變抗力有哪些途徑3、合金化學(xué)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(kuò)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(jìn)行固溶處理和時(shí)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(qiáng)溫度時(shí)，晶粒細(xì)化.奧氏體耐熱鋼及鎳基合金，一般以2到4級(jí)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(shí)，聚合物分子鏈在外力作用下可進(jìn)行整體相對(duì)滑動(dòng)，呈粘性流動(dòng)，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(yīng)力作用下，非晶態(tài)聚合物的某些薄弱地區(qū)，因應(yīng)力集中產(chǎn)生局部塑性變形，結(jié)果在其