材料强度与断裂.doc

1. 试从微观机制的角度阐述加工硬化现象。答：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比值和硬化层深度来表示。 2. 影响材料强度的因素有哪些？可采取哪些措施来提高材料的强度？答：影响强度的内在因素有：结合键、组织、结构、原子本性。如将金属的强度与陶瓷、高分子材料比较可看出结合键的影响是根本性的。从组织结构的影响来看，可以有四种强化机制影响金属材料的强度，这就是：(1)固溶强化；(2)形变强化；(3)沉淀强化和弥散强化；(4)晶界和亚晶强化。沉淀强化和细晶强化是工业合金中提高材料屈服强度的最常用的手段。在这几种强化机制中，前三种机制在提高材料强度的同时，也降低了塑性，只有细化晶粒和亚晶，既能提高强度又能增加塑性。影响强度的外在因素有：温度、应变速率、应力状态。随着温度的降低与应变速率的增高，材料的强度升高，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。应力状态的影响也很重要。虽然强度是反映材料的内在性能的一个本质指标，但应力状态不同，强度值也不同。我们通常所说的材料的强度一般是指在单向拉伸时的强度。典型的工艺有弥散强化、共格强化和细晶强化等（1）进行热处理工艺，按照所需要的性能和组织进行热处理，淬火 回火 正火等。（2）表面进行喷丸处理也可以提高强度。（3）进行控制轧制和控制冷却获得较细小的晶粒，更具霍尔-佩奇公式。（4）还有一些单晶的物质有较高的强度，主要是里面位错较少，所以减少位错也可以提高强度（5）通过形变和时效析出一些化合物可以提高强度。3. 材料的断裂行为跟哪些因素有关？答：1. 内因：组织，成分。外因：温度，应变速率等。（1）化学成分的影响含有细化晶粒元素时，会增大断裂韧度，减慢材料断裂。含有固溶强化元素时，断裂韧度下降，加快断裂行为。含有形成第二相粒子的元素时，断裂韧度下降，加快断裂行为。含有杂质时，会加快断裂行为的发生。（2）组织的影响基体组织的韧度大，强度高，则断裂就不易发生。组织的晶粒大小有关系，晶粒越小，越难发生断裂行为。组织的纯净度越高，断裂越难。回火组织的回火温度越高，越难断裂。（3）温度和应变速率的影响 温度升高，断裂越困难。应变速率越大，越容易断裂。2. 特殊热处理的影响（1）形变热处理 （2）亚温淬火淬火加热温度在AA3之间，晶界增多，断裂不易发生。晶界处杂质浓度增加，则断裂容易发生。（3）超高温淬火 淬火加热温度远高于正常的加热温度，F杂质溶解，此时不易发生断裂。4. 以弥散强化合金为例，阐述其蠕变机理及特征。答：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随时间缓慢增长的现象。金属、高分子材料和岩石等在一定条件下都具有蠕变性质。蠕变材料的瞬时应力状态不仅与瞬时变形有关，而且与该瞬时以前的变形过程有关。瞬时响应后随时间发展的蠕变一般可分成 3个阶段：第一阶段是衰减蠕变，应变率（应变的时间变化率）随时间增加而逐渐减小；第二阶段是定常蠕变，应变率近似为常值；第三阶段是加速蠕变，应变率随时间逐渐增加，最后导致蠕变断裂。同一材料在不同的应力水平或不同温度下，可处在不同的蠕变阶段。通常温度升高或应力增大会使蠕变加快。不同材料的蠕变微观机制不同。引起多晶体材料蠕变的原因是原子晶间位错引起的点阵滑移以及晶界扩散等；而聚合物的蠕变机理则是高聚物分子在外力长时间作用下发生的构形和位移变化。弥散强化的蠕变机制为晶格自扩散引起的高温攀移控制的蠕变。从能量角度出发，在恒温和常压体系中，随着溶质原子的增加，界面自由能降低，所以溶质原子要偏聚到界面上。溶质原子偏聚到晶界，减少晶界缺陷，提高晶界结合力，降低晶界扩散速率，从而减缓位错攀移，强化晶界。通过温度来控制位错攀移速率，从而控制蠕变速率。5. 室温断裂和高温蠕变断裂有哪些相同点和不同点？答：相同点：均表现为晶内夹杂物或第二相粒子处形成空洞，空洞长大和连接而断裂损伤均表现为空洞形核、长大和合并而断裂。空洞形核的过程均导致弹性应变能被释放，系统的自由能降低、表面能增加。不同点：室温断裂分为韧性断裂与脆性断裂，而高温蠕变不会发生脆性断裂。温室断裂是沿晶体学平面扩展导致断裂，而且室温断裂即有由于连续的切变或华裔引起的纯剪切断裂，又由于微空洞的形成、长大和聚集引起的韧性断裂。而高温蠕变断裂在较高应力下晶界上形成锲型裂纹导致局部晶界分离，裂纹相互作用并连接而最终断裂。当应力较低时，蠕变损伤表现为晶界空洞形核，长大和合并而断裂。6、 材料产生超塑性需要的条件和机理答：出现超塑性需要以下条件： 1）在T0.5Tm的高温下出现； 2）要求变形速度要足够小； 3）要求微观组织为等轴小晶粒（10um以下），且晶粒稳定，在变形过程中不会长大。超塑性变形机理： 在一定的变形速度、温度和晶粒尺寸条件下可以得到大的m值，激活能小于自由扩散能，晶粒保持