材料性能与测试习题整理DOCWord格式.docx
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冷加工降低弹性磨练，但一般改变量在5%一下，只有形成强组织才有影响，并出现弹性异变。
2）金属材料应变硬化的概念和实际意义。
定义：
进入塑性变形阶段后，随着变形量增大，形变应力不断提高的现象（屈服-颈缩段）。
意义：
1）加工方面：
使金属进行均匀的塑性变形，保证冷变形工艺顺利实施
2）应用方面：
可使金属机件具有一定的抗偶然过载能力
3）阻止塑性变形继续发展，保证机件使用安全，是一种强化金属的重要手段
3）高分子材料的塑性变形机理。
结晶高分子：
薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束；
非晶高分子：
正应力作用下形成银纹，切应力作用下无取向分子链局部转变为纤维束。
4）拉伸断裂包括几种类型？
什么是拉伸断口三要素？
如何具体分析实际构件的断裂[提示：
参考课件的具体分析实例简单作答]？
分类：
①脆性与韧性断裂：
按宏观塑性变形的程度；
②穿晶和沿晶断裂：
按裂纹扩展的途径；
③解理和剪切断裂：
按微观断裂机理；
④正断和切断：
按作用力的性质。
断口特征三要素：
纤维区F、放射区R、剪切唇S组成；
例：
港口机械用齿轴，最大外径约φ130mm，长约380mm，材质系20CrMnMo，经锻造、正火、渗碳、淬回火处理。
热处理后放置过程中发现纵向开裂，试分析齿轮的断裂原因。
一、宏观检测：
1.外观:
裂纹轴向扩展，从大端面至小端面前止，未完全贯穿，并在齿部有不明显的转折。
从大端面观察，开裂从表面至轴中心止（见图1裂纹在端部形貌所示）。
目视检测轴表面、齿面，均发未现其它裂纹。
2.低倍酸洗:
在轴颈处横向截取约10mm厚低倍试片，经酸洗后观察，除原裂纹、枝晶偏析外未见其它裂纹及低倍缺陷
3.宏观断面分析：
自裂纹表面向轴中心部位切开齿轴，可见其断面形貌在“齿段”区，（见图2“齿段”开裂面形貌）；
断面上箭头所指浅灰色区域为人为打开区域（原未裂开）；
沿齿表面有一层细瓷结晶状断面，即为渗碳层。
整个断面呈现纤维状及结晶状混合态，裂纹整体走向为次表层向心部发展。
在“轴段”断面上可看到裂纹两次扩展台下的弧形痕迹，（见图3“轴段”开裂面形貌）。
3、计算：
1）已知钢的杨氏模量为210GPa，问直径2.5mm,长度120mm的线材承受450N载荷时变形量是多少?
若采用同样长度的铝材来承受同样的载荷，并且变形量要求也相同，问铝丝直径应为多少？
（EAl=70GPa）若用W（E=388GPa）、钢化玻璃（E=345MPa）和尼龙线（E=2.83GPa）呢？
解：
已知：
E=210GPa,d=2.5mm,
=120mm,F=450N。
=E
4.33mm
1.83mm
1.95mm
21.5mm
2）一个拉伸试样，标距50mm，直径13mm，实验后将试样对接起来后测量标距81mm，伸长率多少？
若缩颈处最小直径6.9mm,断面收缩率是多少？
∴断后伸长率
∴断面收缩率
第二章其它静载下力学性能
应力状态软性系数：
α=τmax/σmax（正应力σ切应力τ）
剪切弹性模量：
抗弯强度：
缺口敏感度：
材料因存在缺口造成三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向，NSR=σBN/σb（光滑试样的抗拉强度）
硬度：
硬度是表征材料软硬程度的一种性能。
一般认为硬度是一定体积内材料表面抵抗变形或破裂的能力
1）简述硬度测试的类型、原理和优缺点？
[至少回答三种]
原理：
布氏硬度：
用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位面积所承受的试验力。
洛氏硬度：
采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度。
维氏硬度：
以两相对面夹角为136。
的金刚石四棱锥作压头，计算单位面积所承受的试验力。
布氏硬度的优缺点：
优点：
压痕面积大→反映较大区域内各组成相的平均性能；
→适合灰铸铁、轴承合金等测量。
→试验数据稳定，重复性高。
缺点：
压痕直径大→不宜在成品件上直接进行检验；
硬度不同→更换压头直径D和载荷F；
压痕直径的测量也比较麻烦。
洛氏硬度的优缺点：
压痕小→采用不同标尺，可测定各种软硬不同和薄厚不一试样的硬度。
→压痕小，可对工件直接进行检验；
→操作简便迅速；
压痕较小，代表性差；
尤其是材料中的偏析及组织不均匀等情况，使所测硬度值的重复性差、分散度大；
用不同标尺测得的硬度值既不能直接进行比较，又不能彼此互换→不宜在极薄工件上直接进行检验；
维氏硬度优缺点：
采用对角线长度计量，精确可靠；
可以任意选择载荷；
比洛氏硬度所测试件更薄
测定方法较麻烦，工作效率低，压痕面积小，代表性差，不宜用于成批生产的常规检验。
2）简述扭转实验、弯曲实验的特点？
渗碳淬火钢、陶瓷玻璃试样研究其力学性能常用的方法是什么？
扭转的特点
（1）测定在拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性。
（2）对各种表面强化工艺进行研究和对机件的热处理表面质量进行检验。
（3）精确评定拉伸时出现颈缩的高塑性材料的形变能力和形变抗力。
（4）测定材料的切断强度的最可靠方法。
（5）根据断口特征区分断裂方式是正断还是切断。
弯曲：
：
（1）弯曲加载时受拉的一侧的应力状态基本与静拉伸相同，且不存在试样拉伸时试样偏斜造成对实验结果的影响。
可以用来由于太硬而不好加工拉伸试样的脆性材料的断裂强度。
（2）弯曲试验时，截面上应力分布表面最大。
可以比较和评定材料表面处理的质量。
（3）塑性材料的F—
曲线最后部分可任意伸长。
渗碳淬火钢、陶瓷玻璃试样研究其力学性能常用的方法是扭转实验。
3）有下述材料需要测量硬度，试说明选用何种硬度实验方法？
为什么？
a.渗碳层的硬度分布，
b.淬火钢，
c.灰口铸铁，
d.硬质合金，
e.仪表小黄铜齿轮，
f.高速工具钢，
g.双相钢中的铁素体和马氏体，
h.Ni基高温合金，
i.Al合金中的析出强化相，
j.5吨重的大型铸件，
k.野外矿物
第三章冲击韧性和低温脆性
冲击韧度：
U形缺口冲击吸收功
除以冲击试样缺口底部截面积所得之商，称为冲击韧度，也是度量材料冲击韧性的一种力学性能指标,用
表示
冲击吸收功：
缺口试样冲击弯曲试验中，摆锤冲断试样失去的位能为mgH1-mgH2。
此即为试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功，以
表示，单位为J
低温脆性：
材料在某一温度
下由韧变脆，冲击功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口由纤维状变为结晶状的现象
韧脆转变温度：
低温脆性的转变温度
称为韧脆转变温度
迟屈服：
对材料施加一个大于σs的高速载荷时材料不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期才开始塑性变形的现象。
1）缺口冲击韧性实验能评定哪些材料的低温脆性？
哪些材料不能用此方法检验和评定？
[提示：
低中强度的体心立方金属、Zn等对温度敏感的材料，高强度钢、铝合金以及面心立方金属、陶瓷材料等不能]
可以评定在一定温度区间产生低温脆性转变的材料，如体心立方金属及其合金、某些密排六方金属及其合金，及许多珠光体——铁素体两相钢。
不能评定在很宽的试验温度范围内懂事脆性的材料，如淬火态的高碳马氏体钢；
也不能评定屈服强度对温度和应变速率变化不敏感的材料，如铜铝及其合金。
2）影响材料低温脆性的因素有哪些？
1）．晶体结构的影响：
bcc、hcp有，fcc没有
原因：
加载后屈服速度差别。
前者有迟屈服现象
2）．化学成分的影响：
能够使材料硬度，强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差，材料脆性提高。
3）显微组织的影响：
细化晶粒增加韧性，降低tk
某低碳钢的摆锤系列冲击实验列于下表，
温度（℃）
冲击功（J）
60
75
10
40
20
35
70
-20
5
25
-50
1
试计算：
a.绘制冲击功－温度关系曲线；
b.试确定韧脆转变温度；
c.要为汽车减震器选择一种钢，它在－10℃时所需的最小冲击功为10J，问此种钢适合此项应用么？
有
—t图知，
℃FTP=40℃
第四章断裂韧性
应力场强度因子：
在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚与强度因子
有关，对于某一确定的点，其应力分量由
确定，
越大，则应力场各点应力分量也越大，这样
就可以表示应力场的强弱程度，称
为应力场强度因子。
“I”表示I型裂纹。
断裂韧度：
当应力增大时，KⅠ也逐渐增加，当KⅠ达到某一临界值时，带裂纹的构件就断裂了。
这一临界值便称为断裂韧性Kc或KⅠC
低应力脆断：
高强度、超高强度钢的机件，中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下发生的断裂。
a.格里菲斯公式计算的断裂强度和理论断裂强度差异？
奥罗万修正计算适用范围？
理论强度
格里菲斯断裂强度
奥罗万修正计算适用平面应力状态和平面应变状态。
b.Kl和KlC的异同？
KⅠ是受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也和裂纹的形状类型，以及加载方式有关，但它和材料本身的固有性能无关。
而断裂韧性Kc和K1c则是反映材料阻止裂纹扩展的能力，因此是材料本身的特性。
c.断裂韧性的影响因素有哪些？
如何提高材料的断裂韧性？
一、外因（板厚、温度、应变速率）
二、内因（化学成分、晶粒尺寸和相结构、夹杂和第二相、显微组织）
金属材料通过一些特殊的热处理工艺，可以改变其组织，从而提高断裂韧度：
1亚温淬火2超高温淬火3形变热处理
提高材料的断裂韧性可以通过
亚温淬火
超高温淬火
形变热处理等方法实现。
a.有一材料，模量E＝200GPa,单位面积的表面能γS＝8J/m2,试计算在70MPa的拉应力作用下，该裂纹的临界裂纹长度？
若该材料裂纹尖端的变形塑性功γP＝400J/m2，该裂纹的临界裂纹长度又为多少？
[利用格里菲斯公式和奥罗万修正公式计算]
由格里菲斯公式得
由奥罗万修正公式得
b.已知α-Fe的（100）晶面是解理面，其表面能是2J/m2，杨氏模量E＝200GPa，晶格常数a0＝0.25nm，试计算其理论断裂强度？
56.57GPa
c.马氏体时效钢的屈服强度是2100MPa，断裂韧度66MPa·
m1/2，用这种材料制造飞机起落架，最大设计应力为屈服强度的70％，若可检测到的裂纹长度为2.5mm，试计算其应力强度因子，判断材料的使用安全性。
假设存在的是小的边缘裂纹，采用有限宽板单边直裂纹模型，2b>
>
a;
若存在的是穿透裂纹，则应用无限大板穿透裂纹模型计算]
第五章疲劳性能
循环应力：
周期性变化的应力，变化的波形有正弦波、矩形波、三角波等
贝纹线：
是疲劳区的最大特征，一般认为它是由载荷变动引起的，是裂纹前沿线留下的弧状台阶痕迹。
疲劳条带：
疲劳裂纹的第二阶段的端口特征是具有略程弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（疲劳辉纹，疲劳条纹）
疲劳强：
σ-1，σ-p,τ-1,σ-1N,σ-1:
对称弯曲疲劳极限；
σ-p:
对称拉压疲劳极限；
τ-1:
对称扭转疲劳极限；
σ-1N:
缺口试样疲劳极限。
过载持久值：
（长久过载、有限疲劳寿命）材料在高于疲劳强度的一定应力（σ>
σ-1）下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次
热疲劳：
机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下，发生的疲劳。
高温服役机件:
热轧辊、叶轮、热模具等。
a.比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料疲劳断裂的特点？
1、疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起。
①表面滑移带开裂；
第二相、夹杂物与基体相界面或夹杂物本身断裂；
晶界或亚晶界处开裂。
②在环载荷作用下,即使循环应力不超过屈服强度，也会在试件表面形成滑移带,称为循环滑移带。
③拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移带则集中于某些局部区域。
而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入，从而在试件表面形成微观切口。
2、陶瓷材料常温下难以塑性变形，裂纹尖端不存在循环应力的疲劳效应；
裂纹同样经历了萌生、扩展和瞬时断裂过程，对材料表面的缺陷十分敏感；
强烈依赖于最大应力强度因子KI、环境、成分、组织结构；
断口上不易观测到疲劳贝纹和条带，没有明显的疲劳区和瞬断区
3、高分子材料在拉应力作用下，由于非晶态聚合物的表面和内部出现银纹（craze）,高循环应力时，银纹转变为裂纹，扩展导致材料疲劳破坏；
对于低应力或者不产生银纹的晶态聚合物，疲劳过程特点是疲劳应变软化而不硬化；
分子链间剪切滑移－分子链断裂－结晶损伤－产生显微孔洞-微孔洞聚合成微裂纹－宏观裂纹
4、和金属材料相比，复合材料具有良好的疲劳性能，有以下特点：
1）有多种疲劳损伤形式：
如界面脱粘、分层、纤维断裂等；
2）不会发生瞬时的疲劳破坏：
常用疲劳过程中材料弹性模量下降的百分数等判据
3）较大的应变会使纤维基体变形不协调引起纤维基体界面开裂形成疲劳源，对应变尤其是压缩应变特别敏感；
4）疲劳性能和纤维取向有关：
沿纤维方向好。
b.疲劳断口宏观断口和微观断口分别有什么特征？
疲劳宏观断口分析：
一）、典型疲劳断口具有3个特征区：
疲劳源、疲劳裂纹扩展区（疲劳区）、瞬断区。
二）、疲劳源特点：
1）多出现在机件表面，常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷（夹杂、白点等）有关。
2）疲劳源区比较光亮，该区表面硬度有所提高。
3）疲劳源可以是一个，也可以是多个
三）、疲劳区特点：
1）断口较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶。
2）断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱；
3）贝纹线是疲劳区的最典型特征，一般认为是因载荷变动引起的。
每组贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向
四）、瞬断区特点：
1）KⅠ≥KⅠc时，裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂．断口粗糙，脆性断口呈结晶状；
韧性断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区则有剪切唇区存在。
2）瞬断区一般应在疲劳源对侧
c.列出至少四条提高金属疲劳性能的措施
1次载锻炼：
材料特别是金属在低于疲劳强度的应力先运转一定周次，及经过次载锻炼可以提高材料的疲劳强度，次载应力越接近疲劳强度锻炼效果越明显
2间歇效应：
对应变时效材料，在循环加载的运行中，若间歇空载一段时间或者间隙时适当加温，可太高疲劳强度
3温度适当提高，疲劳强度提高
4材料表面经过仔细加工，防止刀痕、擦伤或大的缺陷
5表面强化，降低表面的有效拉应力，可有效的提高承受弯曲与扭转循环载荷下材料的疲劳强度
a.某材料的应力幅和失效循环周次如下：
应力幅（MPa）
失效循环周次（104）
500
400
7
350
275
100
250
＞1000
225
试绘制S－N曲线，并确定疲劳极限；
如设计要求最少疲劳寿命105次，则许用的最大循环应力是多少？
由图知，疲劳极限=250MPa
设计寿命最少
时，最大需用循环应力为350MPa。
b.某压力容器受到升压降压交变应力△σ＝120MPa作用，计算得知该容器允许的临界裂纹长度2ac＝125mm，检查发现该容器有一长度2a＝42mm的周向穿透裂纹，假设疲劳裂纹扩展符合Paris公式，假设疲劳扩展系数C＝2×
10－10，n＝3，试计算该容器的疲劳寿命和循环10万次后的疲劳裂纹长度是多少？
设裂纹为无线大板穿透裂纹，则
由Paris公式
得
解得
N=3016
当N=10万次时
2a=
第六章磨损性能
磨损：
物体表面相互摩擦时，材料自表面逐渐小时的过程称为磨损。
接触疲劳：
两接触材料作滚动或者滚动滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使得材料表面疲劳磨损，局部区域出现小片或者小块状材料剥落，而产生的磨损
2、简答
a.简述常见的磨损类型和特点？
如何提高材料的耐磨粒磨损抗力？
a粘着磨损（AdhesiveWear）：
材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合并拉开而产生的磨损；
特点：
机件表面有大小不等的结疤，
b磨粒磨损（AbrasiveWear）：
摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触间存在硬质粒子时产生的磨损；
如锉削、磨金相、抛光等。
摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。
c腐蚀磨损（包括氧化、微动、浸蚀磨损）（CorrsionWear）：
在腐蚀应用环境中摩擦表面与周围介质发生反应，在表面形成腐蚀产物粘附不牢，摩擦中被剥落下来，新的表面又进一步发生反应，产生磨损。
1）氧化磨损：
d接触疲劳磨损（RollingContactWear）：
两接触材料作滚动或者滚动滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使得材料表面疲劳磨损，局部区域出现小片或者小块状材料剥落，而产生的磨损；
是齿轮、滚动轴承常见失效方式。
（课件）特点：
出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑（麻坑）。
有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。
减轻磨粒磨损的措施：
p120
b.试从提高材料疲劳强度、接触疲劳、耐磨性观点出发，分析化学热处理时应注意的事项。
化学热处理过程中采用球化退火处理和高温回火，减小碳化物粒度并使之分布均匀。
采取适当的去应力退火工艺使材料在一定范围内保持残余应力，提高疲劳强度和耐磨性。
c.简述非金属材料陶瓷、高分子材料的磨损特点？
陶瓷材料受接触应力后，在局部的应力集中区表层发生塑性变形，或在水、空气、介质、气氛的影响下形成易塑性变形的表层，进而开裂产生磨屑，因此，陶瓷的摩擦磨损行为对表面状态极为敏感。
陶瓷材料的抗冲蚀性能不仅与组分纯度有关，还与制备工艺密切相关。
聚合物对磨粒具有良好的适应性，就范性和埋嵌性，其特有的高弹性可在解除表面产生变形而不发生切削犁沟式损伤，表现出较好的抗磨损性能
第七章高温性能
蠕变：
金属在长时间的恒温、恒载荷下缓慢地产生塑性变形的现象
蠕变极限：
材料对高温蠕变变形的抗力？
持久强度：
高温长时载荷下断裂的抗力。
在规定温度（T）下，达到规定时间（t）而不发生断裂的应力值。
应力松弛：
在规定温度和初始应力条件下，金属材料中的应力随时间增加而减小的现象称应力松驰
a.列出至少四个提高金属蠕变性能的措施
1、化学成分：
耐热钢一般选用熔点高、自扩散激活能大、层错能低的元素；
加入高熔点合金元素；
加入晶界强化元素，如硼、稀土等；
陶瓷材料共价键、离子键，有较高的抵抗晶格畸变、阻碍位错运动的能力，具有较好的抗高温蠕变性能
2、冶金工艺：
耐热钢中的冶金缺陷如夹杂夹气，弱化晶界，降低蠕变性能；
采用定向凝固工艺使柱状晶沿受力方向生长，减少横行晶界，大大提高持久强度
3、热处理工艺：
珠光体耐热钢一般采用正火加回火工艺；
奥氏体耐热钢一般采用固熔处理和时效；
形变热处理改变晶界形状；
陶瓷材料的晶界状态决定了蠕变的机制是扩散还是滑动或者液体粘流为主
4、晶粒尺寸影响：
高温下，晶粒大，蠕变极限和持久强度好；
但是晶粒太大会降低高温塑性和韧性；
耐热钢和Ni基高温合金，一般以2－4级晶粒度为好；
晶粒均匀有益；
陶瓷材料的晶粒尺寸确定其蠕变机理，晶粒大，位错滑动、晶内扩散；
晶粒小，晶界滑动扩散为主
b.高温蠕变变形的机理有哪几种？
1）位错滑移蠕变机理
2）扩散蠕变机理
3）晶界滑动蠕变机理
4）粘弹性机理
稳态蠕变（即蠕变第二阶段）的本构方程ε＝A·
σn·
exp（-Q/RT），某耐热钢538℃下的蠕变系数A＝1.16×
10－24，n＝8，激活能Q＝100kcal/mol，R为摩尔气体常数8.31J/mol·
K，试计算该钢在500℃时应力150MPa下的蠕变速率；
第八章耐腐蚀性能
电化学腐蚀：
与电解质溶液发生电化学反应而引起的破坏
缝隙腐蚀：
局部腐蚀的一种，在腐蚀介质中，缝隙内腐蚀加剧；
电偶腐蚀：
局部腐蚀的一种，异种金属接触，因腐蚀电位不同而产生电偶电流的流动使电极电位较低的金属溶解速度增加。
钝化：
电化学腐蚀的阳极过程在某些情况下受到强烈的阻滞，使腐蚀速度急剧下降的现象。
a.为什么说材料的腐蚀是一个自发过程？
金属比其化合物具有更高的自由能，金属具有释放能量而回到热力学更稳定的自然存在状态——氧化物、硫化物及其他化合物的倾向，腐蚀就是这种变化的表现，因此说腐蚀是一个自发的过程
b.原电池和腐蚀原电池的区别是什么？
原电池可以是化学能转化为电能，有电流通过并能对外做功。
腐蚀原电池是能进行氧化还原反应，但并不能对外做功的短路原电池。
c.应力腐蚀断裂的条件和特征是什么？
1）应力：
必须有拉应力（低于屈服强度）存在。
2）介质：
一定的材料和一定的介质相互组合，形成一个应力腐蚀体系。
3）速度：
约为10-8～10-6m/s；
介于纯腐蚀速度与纯断裂速度之间
4）腐蚀断裂形态：
局部区域出现从表及里的裂纹；
裂纹在主干裂纹延伸的同时，还有若干分支同时发展；
裂纹的走向宏观上与拉应力方向垂直
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