西南交大机械学院工程材料第三章作业.doc

工程材料作业 1. 什么是机械工程材料?试举几种常见工程材料并简述其作用。答： 机械工程材料：用于制造各类机械零件、构件的材料和在机械制造过程中所应用的工艺材料。举例：（1）高分子塑料，可制造某些机器零件或构件的工程材料；（2）陶瓷，可以制造工具、用具，在一些特殊情况下可以作为结构材料；（3）合成纤维：合成纤维五十年来在全世界得到了迅速的发展，已成为纺织工业的主要原料。它广泛用于服装、装饰和产业三大领域，它的使用性能有的已经超过了天然纤维。（4）金属陶瓷：金属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等地方。2. 围绕材料与工程的核心关系是什么？答：结构-性能3.机械零件用工程材料的常见失效形式有哪些? 并简述其特点.答：零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类型。1 变形失效 （1）过量弹性变形失效 金属零件或构件在外力作用下总要发生弹性变形。在一些机器结构中有时需要选用弹性模量小、强度高并能承受较大弹性变形的材料来制造弹性元件，如各种弹簧；但大多数零件在工作时要限制其过量的弹性变形，即要求有足够的刚度，如镗床的镗杆，车床的主轴，若发生过大的弹性变形会影响被加工零件的精度。（2）塑性变形失效 塑性变形失效是零件的实际工作应力超过材料的屈服强度引起的。因此，屈服强度是衡量材料承载能力的重要力学性能指标。 （3）蠕变失效 过量蠕变失效是零件或构件在高温、长时间在力的作用下产生的缓慢塑性变形失效。过量变形失效是非突发性失效，一般不会造成灾难性事故，但有时塑性变形失效和过量蠕变失效也可能造成灾难性事故，需加以注意。2 断裂失效（1）塑性断裂失效 零件在所受应力超过其断裂强度，在断裂前有一定程度的塑性变形的失效称为塑性断裂失效。（2）脆性断裂失效 断裂前无明显的塑性变形，它是突然发生的断裂，断裂时名义应力低于或远低于材料的屈服极限。这种断裂经常发生在有尖锐缺口或有裂纹的零件中，特别是在低温或冲击载荷作用下。脆性断裂往往带来灾难性的后果，如飞机坠毁、轮船沉没等： （3）疲劳断裂 在交变载荷反复作用下发生的断裂称为疲劳断裂：疲劳的最终断裂是瞬时的，因此危害性较大，常在齿轮、弹簧、轴、模具等零件中发生。 （4）蠕变断裂失效 在高温缓慢变形过程中发生的断裂属于蠕变断裂失效，最终的断裂也是瞬时的。在工程中常见的多属于高温低应力的沿晶蠕变断裂。3 表面损伤失效 （1）磨损失效 当相互接触的两个零件作相对运动时，由于机械力的作用，零件表面的材料逐渐脱落，从而使零件的尺寸不断变小的一种失效即为磨损失效。磨损失效主要有：粘着磨损、磨粒磨损、接触疲劳磨损、微动磨损、气蚀等几种失效形式。 （2）接触疲劳失效 相互接触的两个运动表面或相对滚动的两个表面，在工作过程中承受交变接触应力的作用，使表层材料发生疲劳破坏而脱落的现象叫接触疲劳失效。例如齿轮和滚动轴承的滚道及滚动体上出现的麻点状小坑：提高材料的冶金质量，提高零件的疲劳强度和表面硬度，降低接触表面粗糙度值，提高接触精度，改善润滑条件都能有效提高接触疲劳抗力。 （3）腐蚀失效 金属与周围介质之间发生化学或电化学作用而造成的破坏，属于腐蚀失效。其中应力腐蚀，腐蚀疲劳是突发性失效，导致“意外”事故不断发生。4. 简述材料选择的原则.答： (1)使用性原则：使用性能是保证零件完成规定功能的必要条件。在大多数情况下，它是选材首先要考虑的问题。使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。材料的使用性能应能满足使用要求。对大量机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。使用性能的要求，是在分析零件工作条件和失效形式的基础上提出的。零件的工作条件包括三个方面：受力状况、环境状况、特殊要求。 （2）工艺性能原则：材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。在选材中，同使用性能相比较，工艺性能常处于次要地位。但是在某些特殊情况下，工艺性能也可成为选材考虑的主要依据。另外，一种材料即使使用性能很好，但是若加工极其困难，或者加工费用太高，它也不是可取的，所以，材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，也是选材所必须考虑的问题。材料所要求的工艺性能与零件生产的加工工艺路线有密切关系，具体的工艺性能就是从工艺路线中提炼出来的。 （3）经济性原则：材料的经济性是选材的根本原则，采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益，使产品在市场上具有最强的竞争力，始终是设计工作者的重要任务，需要考虑的因素有：材料的价格、零件的总成本、国家的资源。5. 名词解释：弹性模量、屈服极限、条件屈服用强度、疲劳极限答： 弹性模量：材料在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变的比值。屈服极限：材料屈服极限是使试样产生给定的永久变形时所需要的应力。条件屈服用强度：是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。疲劳极限：在疲劳试验中，应力交变循环大至无限次而试样仍不破损时的最大应力叫疲劳极限。6. 什么是屈服现象？它的物理意义是什么？为什么有的材料还要规定条件屈服强度？ 答： 屈服现象：当应力达到一定值时，应力虽不增加（或者在小范围内波动），而变形却急剧增长的现象，称为屈服现象； 物理意义：屈服现象的关键是在于这种材料当所受到的应力达到一定值的时候，虽然应力不再增加而形变却依然在继续，而且是不可恢复的塑性变形。也就是说此时外力不再增加但材料的破坏却还在继续，材料已经失去了对变形的抵抗能力。因此，从安全的角度考虑，将此时的材料所受到的应力作为作为该种材料的屈服极限，或叫做屈服强度。在使用材料的时候，一般要保证材料受到的应力要小于该材料的屈服极限。这样才能安全。而同种材料的不同个体其屈服强度也是有一定的离散性分布的，因此在实际中使用材料时，还要增加一个安全系数，用材料的屈服极限值除以材料的安全系数，从而得到一个许用的强度值。你所计算出的材料受到的应力要小于许用强度值才是最安全稳妥的。规定条件屈服强度的原因：(1 )作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据。传统的强度设计：塑性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力=ys/n，安全系数n一般取2或更大：脆性材料：以抗拉强度为标准，规定许用应力=b/n，安全系数n一般取6。 (2) 根据屈强比的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工的参考依据。(3) 在工程上也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如材料屈服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服强度是材料性能中不可缺少的重要指标。7. 何为断裂韧性？请简述如何根据材料的断裂韧性、零件工作应力以及零件中裂纹的长度来判断零构件发生低应力脆断的可能性。答：断裂韧性：桥梁、船舶、转子等有时候会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。尽管在你设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，仍不免破坏。其原因是构件或者零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷照成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破裂。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。判断方法：1 根据断裂韧性：在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言它是一个常数。当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大，其发生低应力脆断可能性越小；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大，其发生低应力脆断的可能性越小。2 根据零件工作应力：其他条件一定时，工作应力越小，零构件发生低应力脆断的可能性越小。3 根据零件中裂纹长度：其他条件一定时，裂纹长度越大，零构件发生低应力脆断的可能性越大。 8. 疲劳断裂和低应力脆断有何异同？答： 零件在交变载荷下经过较长时间的工作而发生断裂的现象就叫作疲劳断裂。条件: 超出材料的疲劳极限。当容器或构件存在宏观裂纹时，在应力水平不高，甚至低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象称为低应力脆断。这类现象在使用温度较低而且选材不当时，往往发生在材料存在缺陷的地方。共同点：都属于断裂范畴，主要针对于金属材料，都是应力作用的结果，都会对生产生活带来重大影响。不同点：1 低应力脆断主要因素是恒载，协助因素是高温、化学；疲劳断裂主要因素是交变载荷，协助因素是化学。2 低应力脆断断口：宏观：结晶状，平齐而光亮，