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果， 應力與應變關系實際是原子間作用力和原子間距的關系，所以彈性模量與原子間作用力有 關，與原子間距也有一定關系。 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

2、，制備簡單，價格便宜。3 、試述多晶體金屬產生明顯屈服的條件。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

3、則沒有屈服平臺。三者的區(qū)別主要在于含碳量的不同， 導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。 而屈服平臺的產生和固溶原子的釘扎作用有關。 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？ 內因：金屬本性和晶體結構：晶格阻力，位錯交互阻力。晶粒大小和亞結構：晶界，亞 晶界對位錯阻力大。 溶質元素：固溶產生的晶格畸變給位錯運動帶來阻力。第二相；固 溶強化，

4、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 ）應力狀態(tài)（切應力分量 反比 ）6、試根據下列方程（ id1/2+ky ）ky=2G sq ，討論下述因素對金屬材料韌脆轉變的影響：（1）材料成分： G 增大，韌性增大，脆斷強度越高（ 2）雜質： 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

5、行修正。8 、 試綜合比較單向拉伸、壓縮、彎曲和扭轉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性能。彎曲：桿狀材料受彎后，其內部應力主要為正應力，與單向拉伸和壓縮時產生的應力雷同， 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

6、， 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：特點有：扭轉的應力狀態(tài)軟性系數(shù)為0.8 ，比拉伸大，因此更易于顯示材料的塑性行為； 圓柱試樣扭轉時，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

7、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

8、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。硬質合金：洛氏。11 、試樣是否開口。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 時材料不經塑性變形直 接脆斷。影響沖擊韌性和 tk 的因素：內部因素： 1 晶體結構 2 化學成分一般有：間隙元素含量升高， tk 升

9、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?，強度升高，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 ，對組織均勻的結構鋼進行沖擊實驗時，發(fā)現(xiàn)在些溫度范圍內， ak 值急劇 下降，分別為冷脆區(qū)，藍脆區(qū)及重結晶脆性區(qū)；冷脆區(qū)：韌脆轉變造成；藍脆區(qū)（

10、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） ； 重結晶脆性區(qū)： 在 A1A3 溫度范圍內出現(xiàn)的脆性。 它與鋼處于兩相混合狀態(tài)有關。 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般下降；試樣尺寸變大，應力狀態(tài)變硬， tk 升

11、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：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 、試從宏觀和微觀上解釋為什么有些材料有明顯韌脆轉變溫度。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

12、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 紋尺寸的關系定量的聯(lián)系起來。因此可以直接用于設計計算。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；雜質和第二相。18 、金屬疲勞斷裂特點。 (1)低應力循環(huán)延時斷裂，

13、 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，應力應變非線性關系，使得KI Y a 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

14、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，則為結晶狀斷口?？傊?，一個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 共滲或者噴丸技術實現(xiàn)。 2、提高表面質量，降低表面粗糙度。 3 、提高冶金質量，降低夾 雜物的含量，減少

15、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。材料組織影響：晶粒粗擴展慢。含應力比 r。減小 r ，減小速率。 過載峰適當可減慢。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，而裂紋萌生是內因。兩者內因的最大區(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 、試述金屬產生應力腐蝕的條件和機理。產生條件：應力、化學介質和金屬材料。其中應力包括工作應力和殘余應力。特定化學介 質中某種金屬材料才能應力腐蝕。純金屬不活產生應力腐蝕。機

16、理： 對應力腐蝕敏感的合金在特定的化學介質中，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。2. 減少或消除機件中的殘余拉應力。 3. 改善化學介質 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陰極 吸氫過程。判別方法為極化法， 即當外加

17、小的陽極電流而縮短產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生裂紋時間則為氫致延滯斷裂。26 、試述粘著磨損產生的條件、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 、列

18、表說明金屬接觸疲勞三種破壞形式的機理和特性。麻點在波動接觸過程中 （ 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，剝落在表層局部區(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并被封閉。封閉在裂紋內的高壓油，以較高的壓力作用于裂 紋內壁 （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生于亞表層，其所在位置與 zy450max 所在位置相當，即產生于 0 786b 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，