材料性能复习资料

材料性能复习资料材料性能复习资料 参考答案 一 名词解释顺磁性铁磁性磁致伸缩磁滞效应剩余磁感应强度矫顽 力磁滞损耗热容比热容比定压热容比定容热容热膨胀热传导热导率 蠕变等强温度蠕变极限持久强度应力松弛松弛稳定性疲劳工件在变 动载荷和应变长期作用下 因累积损伤而引起的断裂现象 驻留滑移带在循环载荷作用下 即使循环应力未超过材料屈服强度 也会在表面产生循环滑移带 用电解抛光也难以去除 即使去除 了再重新加载后还会在原处出现 这种永留或再现的循环滑移带为驻留滑移带 疲劳强度在指定疲劳寿命下 材料能承受的上限循环应力 过载持久值材料在高于疲劳强度的一定应力下工作 发生疲劳断裂 的应力循环周次 次载锻炼材料在低于疲劳强度的应力下先运转一定周次 可提高机 件疲劳强度 延长使用寿命的方法 热疲劳由周期变化的热应力或热应变引起的材料破坏 低应力脆断材料或机件在工作应力并不高 甚至在远低于屈服极限 的情况下 发生的脆性断裂 应力场强度因子综合反映了外加应力 长度 裂纹尖端应力场对裂 纹尖端应力场强度的影响 断裂韧度当应力或裂纹尺寸增大到临界值时 裂纹尖端应力达到了 材料的断裂韧度 裂纹失稳扩展导致断裂 此时的应力长强度因子 也达到了一个临界值 称为断裂韧度 断裂强度裂纹失稳扩展的临界状态所对应的平均应力 J积分裂纹尖端区域的应变能 即应力应变的集中程度 低温脆性当试验温度低于某一温度tk时 材料由韧性状态变为脆性 状态 冲击功明显下降 断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理 断口 特征由纤维状变为结晶状 韧脆转变温度低于某一温度tk后 材料由韧性状态变为脆性状态 冲击功明显下降 tk即是韧脆转变温度 或称为冷脆转变温度 迟屈服对材料施加一大于屈服强度的高速载荷时材料并不立即产生 屈服 而需要经过一段时间孕育期才开始塑性变形 韧性是材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力 是强度和塑性 的综合表现 蓝脆碳钢或某些合金钢在冲击载荷或静载荷作用下 在一定温度范 围内出现脆性 在该温度范围内加热钢时 表面氧化色为蓝色 称为蓝脆 缺口敏感性材料因存在三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向 称为缺口敏感性 硬度衡量材料软硬程度的一种力学性能 布氏硬度用一定大小的载荷F 把直径为D的淬火钢球或硬质合金球 压入试样表面 保持规定时间后卸除载荷 测量试样表面的残留压 痕直径d 求压痕的表面积S 将单位压痕面积承受的平均压力定义为布氏硬度 洛氏硬度在一定大小的载荷F下 通过测量压痕深度值的大小来表示 材料的硬度值 维氏硬度在一定大小的载荷F下 用两相对面为136o的金刚石四棱锥 体 测量压痕表面积S 将单位压痕面积承受的平均压力定义为维氏 硬度 弹性模数弹性模数在数值上等于弹性应力 即弹性模数是产生100 弹性变形所需的应力 比例极限是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力 弹性极限是材料由弹性变形过渡到弹 塑性变形是的应力 弹性比功又称为弹性比能或应变比能 是材料在弹性变形过程中吸 收变形功的能力 滞弹性又称为弹性后效 是指材料在快速加载或卸载后 随时间的 延长而产生的附加弹性应变的性能 粘弹性是指材料在外力作用下 弹性和粘性两种变形机理同时存在 的力学行为 伪弹性是指在一定温度下 当应力达到一定水平后 金属和合金将 产生应力诱发马氏体相变 伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变 形的现象 包申格效应金属材料经预先加载产生少量塑性变形 而后再同向加 载 规定参与伸长应力增加 反向加载 规定残余伸长应力降低的 现象 内耗在非理想弹性的情况下 由于应力和应变不同步 有一部分加 载变形功被材料所吸收 这一被吸收的功称为材料的内耗 塑性变形材料微观结构的相邻部分产生永久性位移 并不引起材料 破裂的现象 屈服外力达到一定程度后 材料开始产生不均匀的塑性变形 此过 程中 外力不增加或上下波动的情况下 试样仍然继续伸长 称为 屈服 应变强化材料在应力作用下进入塑性变形阶段后 随着变形量的增 大 形变应力不断提高的现象 抗拉强度材料在承受拉伸载荷时的实际承载能力 对应拉伸试验中 拉断过程中最大实验力所对应的应力 缩颈一些金属材料在拉伸实验时 变形集中于局部区域的特殊状态 塑性材料断裂前产生塑性变形的能力 超塑性材料在一定条件下呈现非常大的伸长率 约1000 而不发生 缩颈和断裂的现象 断裂固体材料在力的作用下分成若干部分的现象 剪切断裂材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂 解理断裂在正应力作用下 沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂 理论断裂强度在外加正应力作用下 将晶体中的两个原子面沿垂直 于外力方向拉断所需的应力 韧性指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力 二 1 根据材料磁滞回线的形状 可将磁性材料分为 软磁材料 和 永磁材料 硬磁材料 填空 2 材料被磁化后对磁场将产生影响 使磁场减弱的物质称为 抗磁 性材料 使磁场略有增强的为 顺磁性材料 使磁场强烈增加 的为 铁磁性材料 3 晶格振动按频率高低划分 有 声频支振动 和 光频支振动 两类 4 固体中的导热主要是由 晶格振动 格波 和 自由电子 的 运动来实现 5 随着温度升高 金属材料的强度极限 降低 断裂方式由 晶 内断裂 逐渐向 沿晶断裂 过渡 6 典型疲劳断口具有3个特征区 分别是 疲劳源 疲劳裂 纹扩展区 瞬断区 7 在非对称循环应力作用下 疲劳应力判据为 r 8 杂质元素S P Pb等使钢的韧性下降 这是由于他们偏聚于 晶 界 降低 晶界表面能 产生沿晶脆性断裂 同时降低 脆断应力 9 应力状态软性系数越大 表示应力状态越软 材料越易于产生塑 性变形 应力状态软性系数越小 表示应力状态越硬 则材料越容 易产生脆性断裂 10 按加载方式 硬度实验方法基本上可以分为压入法和刻划法 11 在硬度实验的压入法中 根据加载速率的不同分为动载压入法 和静载压入法 12 在液压万能材料试验机 扭转试验机和疲劳试验机等设备 如 欲测定下列材料的塑性 需采用何种设备 40CrNiMo调质钢采用万能材料试验机 20Cr渗碳淬火钢采用扭转试 验机 W18Cr4V钢淬火回火试样采用扭转试验机 灰铸铁试样采用万 能试验机 13 材料的变形分为可逆和不可逆的 可逆的变形是弹性变形 不可逆的变形是塑性变形 14 材料的非理想弹性行为大致可以分为滞弹性 粘弹性 伪弹性 及包申格效应等几种类型 15 金属材料的屈服过程主要是位错的运动 纯金属单晶体的屈服强度从理论上讲是位错开动所需的临界切应力 其值由位错运动所受的各种阻力决定 这些阻力包括晶格阻力 和位错间交互作用产生的阻力等 16 产生超塑性的条件是超细晶粒 合适的变形条件 应变速率敏 感指数较高 17 断裂分为多种类型 按照断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度 断裂分为脆 性断裂与韧性断裂 按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径 分为穿 晶断裂和沿晶断裂 按照微观断裂机理 分为解理断裂和剪切断裂 按照作用力的性质还可分为正断和切断等 18 中 低碳钢静拉伸断裂时 为韧性断裂 断口一般呈杯锥状 由纤维区 放射区 剪切唇等3个区域组成 此即断口特征三要素 19 三 1 试说明材料产生铁磁性的条件 2 试画出磁滞回线 标明各特征点符号 说出特征点的含义 简述 磁滞回线的形成过程 问答 3 试比较同一材料在非晶体 多晶体 单晶体等不同状态下的热导 率大小 并解释原因 4 试述化学组成对材料热导率的影响 5 晶粒尺寸对金属材料高温力学性能有什么因素 6 疲劳破坏有何特点 答1 是一种潜藏的突发性破坏 静载下显示韧性或脆性的材料 在疲劳破坏前均不会发生明显的塑 性变形 呈脆性断裂 2 属于低应力循环延时断裂 3 对缺陷 如缺口 裂纹 组织 十分敏感 7 采用哪些表面强化工艺可以抑制材料表面疲劳裂纹的萌生和扩展 为什么 答采用表面喷丸 表面滚压 避免淬火 表面热处理等 工艺 可以抑制材料表面疲劳裂纹的萌生和扩展 因为一方面 表面强化工艺提高机件表面塑性变形的抗力 使裂纹 难于萌生和扩展 另一方面 这些工艺在材料表面形成残余压应力 有效抵消部分表层工作的拉应力 降低缺口应力集中系数和疲劳 缺口敏感度 提高材料的疲劳抗力 8 试比较相同强度下回火马氏体与贝氏体的断裂韧度 并说明原因 答低碳钢中 回火马氏体的断裂韧度高于贝氏体 高碳钢中 回火马氏体的断裂韧度低高于上贝氏体 低于下贝氏体 原因低碳钢中 回火马氏体呈板条状 而高碳钢中 回火马氏体呈 针状 上贝氏体有贝氏体铁素体和片层间断续分布的碳化物组成 下贝氏 体由贝氏体铁素体和其中弥散分布的碳化物组成 板条马氏体主要是位错亚结构 具有较高的强度和塑性 裂纹扩展 阻力大 呈韧性断裂 针状马氏体主要是孪晶亚结构 硬度高而脆 性大 裂纹扩展阻力小 呈准解理或解理端粒 9 举例说明超高温淬火对中碳合金结构钢断裂韧度的改进 并说明 原因 答40CrNiMo钢 采用1200C超高温淬火 KIC提高50 42CrMo钢 淬 火温度1170C KIC提高40 原因马氏体形态由孪晶型变为位错型 使断裂机理由准解理变为微 孔聚集型 马氏体板条间10 20nm的参与奥氏体薄膜很稳定 可阻止 裂纹扩展 碳化物及夹杂物能融入奥氏体 减少裂纹源 10 举例说明形变热处理对金属材料断裂韧度的改进 并说明原因 11 一次冲击弯曲实验被广泛采用 请问主要有哪些方面的应用 答1 反映出原始材料的冶金质量和热加工产品的质量 2 测定材料的韧脆性转变温度 3 对 s大致相同的材料 根据Ak值可以评定材料对大能量冲击破 坏的缺口敏感型 12 实验中归纳有3种不同的冲击吸收功 温度关系曲线 请举例说明 答1 材料在很宽温度范围内都是脆性的 如淬火态的高碳马氏体钢 2 在很低温度下材料仍具有较高的韧性 这类材料的屈服强度对温 度和应变速率的变化不敏感 如面心立方的铜 铝等金属 3 材料在一定温度区间产生低温脆性转变 这类材料的屈服强度对 温度和应变速率的变化是十分敏感的 如体系立方金属 及许多珠光体 铁素体两相钢 13 缺口对材料性能有何影响 答1 缺口根部产生应力集中 当这种集中应力达到材料的屈服强度时 便引起缺口根部附近区域 的塑性变形 2 缺口改变了缺口前方的应力状态 使平板中材料所受的应力由原 来的单相拉伸变为两向或三向拉伸 3 在缺口条件下 由于出现了三向应力 试样的屈服应力比单向拉 伸时要高 即产生了所谓缺口 强化 效应 14 简述压入法和刻划法硬度实验的物理含义 为什么压入法硬度实验可应用于所有材料 答压入法的硬度值是材 料表面抵抗另一物体局部压入时所引起的塑性变形能力 刻划法硬 度值表征材料表面对局部切断破坏的抗力 硬度是指材料表面上不大体积内抵抗变形或破裂的能力 压入法硬度实验的应力状态最软 最大切应力远大于正应力 因此 在此应力状态下 几乎所有材料都可产生塑性变形 因而几乎可用 于所有材料 15 试写出霍耳 配奇 Hall Petch 公式 简述各符号含义 及晶粒尺寸对材料力学性能的影响 答1 2siyk d s 为屈服强度 i 为位错运动的总阻力 决定于晶体结构和位错密 度 yk为度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数 或表示滑移带端部 的应力集中系数 d为晶粒平均直径 由上式可见 屈服强度与晶粒平均直径的平方根成反比 及减小晶 粒尺寸将增大屈服强度 实际上 参数d不仅指晶粒尺寸 也可指亚晶粒尺寸 片层宽度等 因此 减小这些组织特征参数 也可提高屈服强度 16 简述金属材料屈服发生的原因和过程 答金属材料屈服前 可 动位错密度很小 或虽有大量位错 但被钢中杂质原子或第二相质 点所钉扎 因此 只有增加应力 才能增加位错运动速率 这就是上屈服点的 由来 材料一旦屈服 可动位错大大增加 位错运动速度必然下降 相应 的应力也就突然降低 从而产生屈服现象 另一方面 对于滑移系较少的材料 孪生往往是主要变形机制 孪晶的成核需要很高的应力 而孪晶长大所需的应力往往比成核应 力小得多 同时 随着孪生变形的发展 晶体内部部分区域位向发生变化 使 位错处于有利位向而产生滑移 17 简述金属材料中第二相及其分布 形状对屈服强度的影响 答第二相质点分为不可变形的和可变形的两类 第二相分布则有细小弥散分布和块状分布两种情况 对细小弥散分布的不可变形的第二相质点 材料屈服