材料性能学作业及答案.docx

1、材料性能学作业及答案本学期材料性能学作业及答案第一次作业 P36-37第一章1名词解释4、决定金属屈服强度的因素有哪些？答：内在因素： 金属本性及晶格类型、 晶粒大小和亚结构、 溶质元素、 第二相。外在因素：温度、应变速率和应力状态。10、将某材料制成长 50mm，直径 5mm 的圆柱形拉伸试样，当进行 拉伸试验时塑性变形阶段的外力 F 与长度增量 L的关系为：F/N 6000 8000 10000 12000 14000 L 1 2.5 4.5 7.5 11.5求该材料的硬化系数 K 及应变硬化指数 n解：已知： L0=50mm，r=2.5mm，F 与 L 如上表所示，由公式（工 程应 力）

2、 =F/A 0, （ 工程应变 ）=L/L0,A0= r2,可计 算得 ： A 0=19.6350mm2 1= 305.5768， 1=0.0200，2=407.4357 ， 2=0.0500，3= 509.2946， 3=0.0900， 4= 611.1536， 4=0.1500，5= 713.0125， 5=0.2300，又由公式（真应变） e=ln（L/L 0）=ln（1+ ），（真应力） S=（1+）， 计算得：e1=0.0199，S1=311.6883，e2=0.0489，S2=427.8075，e3=0.0864，S3=555.1311，e4=0.1402，S4=702.8266，

3、e5=0.2076，S5=877.0053，又由公式 S=Ken，即 lgS=lgK+nlge ，可计算出 K=1.2379103，n=0.3521。11、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？ 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂， 这 种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程 中不断地消耗能量；而脆 性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而 危害性很大。韧性断裂 ：是断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂特征： 断裂面一般平行于最大切应力与主应力成 45 度角。 断口成 纤维状（塑变中微裂纹扩展和连接），灰暗色（反光能力弱）。 断

4、口三要素： 纤维区、放射区、剪切唇这三个区域的比例关系与材 料韧断性能有关。脆性断裂 ：断裂前基本不发生塑性变形的，突发的断裂。 特征：断裂面与正应力垂直，断口平齐而光滑，呈放射状或结晶状。 注意 ：脆性断裂也产生微量塑性变形。 断面收缩率小于 5为脆性 断裂，大于 5为韧性断裂。14、通常纯铁的 rs=2J/m2，E=2105MPa，a0=2.5 10-10m，试求其理 论断裂强度 m。解：由公式 m=（Ers/a0）1/2，可得 m=4.0 104MPa。15、若一薄板内有一条长 3mm 的裂纹，且 a0=310-8mm ，试求脆性 断裂时断裂应力 c（设 m=E/10=2105MPa ）

5、。解：由公式 m/c=（a/a0）1/2，a为 c对应的裂纹半长度，即 a=1.5mm， c=28.2845MPa17、断裂强度 c与抗拉强度 b 有何区别？ 答 ： c 是 材 料 裂 纹 产 生 失 稳 扩 展 的 断 裂 强 度 ， 在 应 力 应 变曲线上为断裂时的强度值。b是韧性金属试样拉 断 过程中最大力所对应的应力。第 二 次 作 业 （ P54 ）第二章1.解释下列名词2.说明下列力学性能指标的意义3.简述缺口三效应（1）造成应力集中（2）改变了缺口前方的应力状态，使平板中的材料所受应力由原来的 单向拉伸变为两向或三向拉伸（3）缺口使塑性材料得到强化9.说明下列工件选用何种硬度

6、试验法解：（ 1）渗碳层的硬度分布： HK 或 HV（ 2）淬火钢： HRC（ 3）灰铸铁： HB（ 4）硬质合金： HRA（ 5）鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体： HV 或 HK8）氮化层： HV（ 10）高速钢刀具： HRC10.在 294.3N（30kgf ）载荷下测定某钢材的维氏硬度。测得压痕对 角线长度为 0.454mm，试计算该钢材的维氏硬度值，并推算这种钢 的抗拉强度值 b （抗拉强度不需要算）。解： HV=1854.4F/d 2，式中 F以gf 为单位， d以um为单位。HV=269.9063第三章1 解释下列名词2 说明下列力学性能指标的意义5 下列 3 组试验方法中，请举

7、出每一组中哪种试验方法测得 tK 的较高？为什么？（ 1）拉伸和扭转；（ 2）缺口静弯曲和缺口扭转弯曲；（ 3）光滑试 样拉伸和缺口试样拉伸。答：材料的脆性越大，tK 越高；同一种材料的脆性则随试验条件而定；（1）拉伸测出的 tK 比扭转测出的 tK高，因为扭转条件下，材料容易产生 塑性变形，材料的脆性小。（2）缺口冲击弯曲测出的 tK 比缺口静弯曲测出的 tK 高，因为冲击试验 时，加荷速度增加使变形速度增加，结果使塑性变形受到抑制，从而使材料 的脆性增加。（3）缺口试样拉伸测出的tK比光滑试样拉伸测出的 tK 高，因为缺口使 材料的脆性增加。第三次作业（ P84）第四章1.名词解释2.说明

8、下列符号的名称和含义3.说明 KI和KIC 的异同。 （答案： P68页第四自然段）11.有一构件加工时，出现表面半椭圆裂纹，若 a=1mm ，a/c=0.3，在 =1000MPa的应力下工作，对下列材料应选哪一种？ （P80 页例 1 类似）0.2/MPa11001200130014001500KIC /(MPa m110957560551/2)解：（ 1）/0.2=1000/1100= 0.9091=0.60.7，所以必须考虑塑性区 的修正问题。采用下列公式计算 KI ：其中由第二类椭圆积分：当 a/c=0.3 时，查表得 2=1.19。将有关数据代入上式，得：KI1=61.2(MPam1

9、/2)KIC1=110(MPam1/2)由此可见， KI1KIC1，说明使用材料 1不会发生脆性断裂，可以选用由此类推：(2)KI2=60.4(MPam1/2)KIC2=95(MPam1/2) 由此可见， KIKIC，说明使用材料 2 不会发生脆性断裂，可以选用。(2)KI3=57.9(MPam1/2)KIC3=75(MPam1/2)由此可见， KIKIC5=55(MPam1/2)由此可见， KI5KIC5，说明使用材料 5会发生脆性断裂，不可以选用。第四次作业( P108)第五章1. 名词解释2. 解释下列性能指标的意义4.试述疲劳宏观断口和微观断口的特征及其形成过程或模型。（ P88页）

10、答：（一）疲劳宏观断口（1）具有三个明显特征区：1）疲劳源区：一般较平整和光滑，源区越多，反映外加应力越高， 应力集中位置越多或应力集中系数越大，多源断口的源区存在台阶， 比较粗糙；2）疲劳裂纹扩展区：常形成海滩花样或贝壳花样，出现疲劳弧线， 疲劳源位于疲劳弧线凹的一方；3）瞬断区：视材料塑性显示韧性断裂斜断口或脆性断裂平断口。（2）形成过程：1）疲劳裂纹萌生疲劳裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起， 主要方式有： 表面滑移 带开裂；第二相、 夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂；晶界或亚晶 界处开裂。循环载荷作用下，形成驻留滑移带，随着滑移带在表面加 宽的过程出现挤出脊和侵入沟，引起应力集中。2）疲劳

11、裂纹扩展疲劳裂纹萌生后便开始扩展， 分为两个阶段， 即扩展一阶段是沿 着最大切应力方向向内扩展， 扩展二阶段是沿垂直拉应力方向向前扩 展形成主裂纹，直至最后形成剪切唇。3）断裂（二）疲劳微观断口（1）特征：1）疲劳辉纹（或疲劳条带）：是略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样， 与裂纹扩展方向相垂直， 是裂纹扩展时留下的微观痕迹。 每一条辉纹 表示该循环下疲劳裂纹扩展前沿在前进过程中瞬时微观位置， 辉纹的 数目与载荷循环次数相等。 断裂三阶段的疲劳辉纹略有差异， 从疲劳 源区到终断区依次是弱波浪条纹、细条纹和深条纹。2）轮胎压痕（2）形成过程：L-S 模型，即刚开始时，裂纹处于闭合状态，随着拉应力的增加

12、 到最大值时，裂纹张开至最大，裂尖钝化，向前扩展一段距离；当转 入压应力半周期时， 滑移沿相反方向进行， 原裂纹和新扩展的裂纹表 面被压合，裂纹尖端被弯折成一对耳状切口；最大压应力时，裂纹表 面完全被压合，裂尖变成一对尖角，向前再扩展一段距离，并在断口 上留下一条疲劳条带。 可见在循环应力的作用下， 裂纹尖端的钝锐交 替变化，反复进行，使新的条带不断形成，疲劳裂纹也就不断向前扩 展。F-R模型，即裂纹扩展是断续的， 通过主裂纹前方萌生新裂纹核， 长大并与主裂纹连接起来实现。5.疲劳失效过程可分为哪几个阶段？简述各阶段的机制及提高材料 疲劳抗力的主要方法。答： （1）疲劳失效过程可分为两个阶段，

13、即裂纹萌生、裂纹扩展以及断 裂。（2）裂纹萌生的机理：疲劳裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起，主 要方式有：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本 身开裂；晶界或亚晶界处开裂。循环载荷作用下，形成驻留滑移带， 随着滑移带在表面加宽的过程出现挤出脊和侵入沟，引起应力集中。 裂纹扩展的机理： 分为两个阶段， 即扩展一阶段是沿着最大切应力方 向向内扩展，扩展二阶段是沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹， 直至最后形成剪切唇。（3）提高疲劳抗力的主要方法：1将材料进行次载锻炼和间歇效应，降低温度，减少腐蚀，可 提高材料的疲劳强度，延长疲劳寿命；2表面应仔细加工，尽量减少刀痕、擦伤或大的缺陷，以及

14、尽 量降低尺寸效应；3提高机件表面塑性抗力（强度和硬度），降低表面的有效拉 应力，如采用表面喷丸及滚压、表面热处理和化学热处理、符合强化 等措施，可抑制材料表面疲劳裂纹的萌生和扩展有效的提高疲劳强 度。4进行固溶强化、细晶强化、弥散强化处理，减少非金属夹杂 物及冶金缺陷，提高组织均匀性，可提高材料形变抗力和疲劳强度8.试述应力集中和应力比对疲劳寿命和疲劳强度的影响规律。应力集中处是机件最薄弱的地方， 易形成裂纹， 是疲劳源的萌生处。应力集中越大，材料疲劳强度越低，疲劳寿命也就越短；反之， 应力集中越小，材料疲劳强度越高，疲劳寿命也就越长。应力比 r= min/ max。疲劳强度随应力比的增加而

15、增加，疲劳寿 命也之增长。第五次作 业（ P122）第六章1 名词解释2 磨损有哪几种类型？举例说明它们产生的条件、 磨损过程及表面损 伤形貌。答：磨损可分为 4 类：粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损及麻点疲劳磨 损（接触疲劳）。（1）粘着磨损1）产生条件：摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化薄膜脆弱，润滑 条件差，以及接触应力大的滑动摩擦条件下。2）磨损过程：（ P111页最后一个自然段）3）表面损伤形貌：机件表面有大小不等的结疤。（2）磨料磨损1）产生条件：摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面间 存在硬质粒子（从外界进入或从表面剥落）时产生的磨损。2）磨损过程：（ P113 页倒数第二自然

16、段）3）表面损伤形貌：摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。（3）腐蚀磨损1）产生条件：摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化 学反应。2）磨损过程：以氧化磨损为例。当摩擦副作相对运动时，由于表面 凹凸不平，在凸起部位单位压力很大，导致产生塑性变形。塑性变形 加速了氧向金属内部扩散， 从而形成氧化膜。 由于形成的氧化膜强度 很低，在摩擦副继续作相对运动时， 氧化膜被摩擦副一方的凸起所剥 落，裸露出新表面，从而又发生氧化，随后又再被磨去。如此，氧化 膜形成又除去，机件表面组件被磨损，这就是氧化磨损的过程。3）表面损伤形貌：在摩擦面上沿滑动方向呈均匀细小磨痕。（4）麻点疲劳磨损（接触疲劳）

17、1）产生条件：两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压 应力长期作用使材料表面疲劳损伤， 局部区域出现小片或小块状材料 剥落。2）磨损过程：（ P116页第 3 点）3）表面损伤形貌：接触面表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状 的凹坑（麻坑），有点凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。5 请从金属接触疲劳的 3 种破坏机理、 特征及产生的力学条件比较其 与普通机械疲劳的异同。答：金属接触疲劳的 3 种破坏：麻点剥落（点蚀）、浅层剥落、深层 剥落（表面压碎）。（1）麻点剥落（点蚀）1）机理：（ P116 页）2）特征： 0.10.2mm 深的痘状凹坑3）产生的力学条件：表面接触应力较小、摩

18、擦力较大或表面质量较 差时，易出现麻点剥落。（2）浅层剥落1）机理： P117 页2）特征： 0.20.4mm 的盆状凹坑3）产生的力学条件：最大循环切应力条件下产生（3）深层剥落1）机理： P117 页2）特征：大于 0.4mm 的大块材料剥落3）产生的力学条件：切应力 /抗切强度比值最大时产生（4）普通机械疲劳1）机理：材料或零件在循环应力和应变作用下，在一处或几处逐渐 产生局部永久性积累损伤， 经过一定的循环次数后， 产生裂纹或突发 性断裂的过程称为疲劳。2）特征：裂纹、断裂3）产生的力学条件：在循环应力和应变作用产生第七章1名词解释 4试简述高温下金属蠕变变形与应力松弛的异同点。答：高

19、温蠕变是指金属在高温和应力同时作用下， 应力保持不变， 其 非弹性变形量随时间的延长而缓慢增加的现象。 高温、应力和时间是 蠕变发生的三要素。应力越大，温度越高，且在高温下停留时间越长 则蠕变越甚。应力松弛是指在高温下工作的金属构件， 在总变形量不变的条件 下其弹性变形随时间的延长不断转变成非弹性变形， 从而引起金属中 应力逐渐下降并趋于一个稳定值的现象。 同：蠕变和应力松弛二者实质是相同的， 都是材料在高温下随时间发 生的非弹性变形的积累过程。 异：所不同的是应力松弛是在总变形量一定的特定条件下一部分弹性 变形转变为非弹性变形； 而蠕变则是在恒定应力长期作用下直接产生 非弹性变形。第六次作业

20、（ P258）第十三章1名词解释2 电化学保护保护哪几种保护方式？二者的区别是什么？（ P282页） 答：阴极保护和阳极保护（ 1）阴极保护： 是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属 结构物表面施加一个外加电流， 被保护结构物成为阴极， 从而使得金 属腐蚀发生的电子迁移得到抑制， 避免或减弱腐蚀的发生。 利用阴极 保护效应减轻金属设备腐蚀的防护方法叫做阴极保护 。 1）牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属与被保护金属连接，并处 于同一电解质中， 使该金属上的电子转移到被保护金属上去， 使整个 被保护金属处于一个较负的相同的电位下。2）外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极，是给金属

21、 补充大量的电子， 使被保护金属整体处于电子过剩的状态， 使金属表 面各点达到同一负电位，使被保护金属结构电位低于周围环境。（ 2）阳极保护： 对具有活态 -钝态转变而不能自钝化的腐蚀体系，通 过阳极极化电流， 使金属的电位正移到稳定钝化区内， 金属的腐蚀速 度就会大大降低，这种保护方法称为阳极保护。 阳极保护的实现必须具备两个条件： 1）腐蚀体系的阳极极化曲线上 存在钝化区，即在阳极极化时金属能够钝化； 2）阳极极化时金属的 电位要正移到钝化区内， 否则金属的腐蚀速度不仅不会减小反而会增 大。区别：阴极保护需要外加电流，被保护结构物成为阴极，抑制电子迁 移，达到最小保护电位和最小保护电流密度； 阳极保护需要金属电位 正移到钝化区， 在金属表面建立钝态并维持钝态， 才会起到阳极保护 作用。3 按缓蚀剂的作用机理，缓蚀剂可分为几种类型？简要说明缓蚀剂的电化学原理。 答：阳极型、阴极型、混合型缓蚀剂。原理：（ P283-284 页）P27314 什么是金属钝化现象？典型的阳极钝化曲线上有关参数及区段的意义是什么？（ 页）