材料性能及测试复习重点.doc

一、推断填空题1、 在整个拉伸过程中的变形可以分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形和不均匀塑性变形四个阶段。2、 一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5%者为脆性断裂；大于5%者为韧性断裂。3、 冲击吸收功和韧脆转变温度以回火索氏体最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。此外球化处理能改善钢的韧性。4、 疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命，疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变。应力高，寿命短；应力低，寿命长。5、 腐蚀电池的特点是它必须具有阳极、阴极、电解质溶液和电路四个不可分割的部分组成，以及电化学腐蚀必须经过阳极过程、阴极过程、电流的流动三个过程。6、 阴极保护法的基本控制参量为最小保护电位和最小保护电流密度。7、 高分子材料的化学老化根据引发自由基而氧化的因素主要可以分为热氧化老化和光氧化老化两种类型。二、名词解释1、弹性比功：又称为弹性比能或者应变比能，用ae 表示，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。2、包申格效应：材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于4%），而后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。3、滞弹性（弹性后效）：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能力。4、内耗：在非理想弹性的情况下，加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功，有一部分加载变形功被材料所吸收，这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的内耗。5、超塑性：材料在一定的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，称为超塑性。6、脆性断裂：材料在断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，没有明显的预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，具有很大的危险性。断口一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。7、韧性断裂：材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量的塑性变形能。8、解理断裂：在正应力的作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解离断裂。9、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。10、解理台阶：实际的解离断口是由许多大致相当于晶粒大小的解离面结合而成。解离裂纹的扩展往往是沿着晶面指数相同的一族相互平行，但位于“不同高度”的晶面进行。不同高度的解离面之间存在的台阶叫做解离台阶。11、韧窝：韧窝是韧性撕裂过程中的微观断口特征，是韧性断裂的一种典型形貌，可用来判断分析断裂的类型。12、缺口效应缺口第一效应：一薄板开有缺口，当板在y方向上的单向拉应力低于材料的弹性极限时，其缺口截面上的应力分布为轴向应力在缺口根部最大，且随离根部距离的增加，轴向应力不断下降，即在根部产生应力集中。当这种应力集中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，即缺口造成应力应变集中。缺口第二效应：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向拉伸改变为两向或三向拉伸。缺口第三效应：在有缺口的条件下，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”现象。缺口使塑性材料得到“强化”。13、 缺口敏感度：缺口试样的抗拉强度bN与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度b的比值作为材料的缺口敏感性指标，称为缺口敏感度，记作qe。14、 低温脆性：材料的冲击吸收功随温度降低而降低。当低于某一温度tk（韧脆转变温度）时，冲击吸收功明显下降，材料由韧性状态转变为脆性状态，这种现象称为低温脆性。断裂机理由微孔聚集变为穿晶解离，断口特征由纤维状变为结晶状。15、 蓝脆：碳钢和某些合金钢在冲击载荷或静载荷作用下，在一定的温度范围内出现脆性。因为在该温度范围内加热钢时，表面氧化色为蓝色，故此现象称为蓝脆。16、 迟屈服：指当用高于材料屈服极限的载荷以高加载速度作用于体心立方结构时，瞬间并不屈服，需在该应力下保持一定的时间后才发生屈服。17、 低应力脆断：材料或机件在工作应力并不高甚至远低于屈服极限的情况下，发生脆性断裂的现象。18、 断裂韧度：在弹塑性条件下，当应力场强度因子KI增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧度，记作KIc。它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断的能力，是材料的力学性能指标。19、 能量释放率：把裂纹扩展单位面积时，系统释放的势能的数值，称为裂纹扩展能量释放率，简称为能量释放率。驱使裂纹扩展的动力是弹性能的释放率，能量释放率是最早的断裂力学参量。平面应力的能量释放率表达式：GI=2a/E平面应变的能量释放率表达式：GI=（1-2）2a/E20、 载荷谱：将实测的材料所受的各种载荷随时间变化的历程舍去小载荷，进行简化及处理后得到的用于疲劳试验的加载谱。21、疲劳源：疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，疲劳断口特征区之一。疲劳源区比较光亮，且表面硬度有所提高。机件的疲劳源可以是一个也可以是多个，它与机件的应力状态即过载程度有关。22、疲劳条带：是略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直，是裂纹扩展时留下的微观痕迹，为疲劳断口最典型的微观特征。23、疲劳寿命：机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命。24、过载损伤：材料在过载应力水平下运转一定的周次后，疲劳强度或疲劳寿命会降低，造成过载损伤。25、热疲劳：由周期变化的热应力或热应变引起的材料破坏称为热疲劳。26、犁皱：相对运动两表面的较软表面因塑性变形而形成的犁痕式的破坏。27、接触疲劳：两种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，局部区域出现麻点、小片或小块状材料剥落，而使材料磨损的现象。28、蠕变极限：表示材料对高温蠕变变形的抗力的力学性能指标，是选用高温材料、设计高温下服役机件的主要依据之一。29、松弛稳定性：材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。材料抵抗应力松弛的能力叫做松弛稳定性。30、老化：高分子材料在加工、贮存和使用过程中，要经受热、光照、潮湿等各种环境因素的影响，使性能下降，最后丧失使用价值，这种现象称为老化。高分子材料的老化，从本质上讲，可以分为化学老化和物理老化两类。化学老化是一种不可逆的化学反应，它是高分子材料分子结构变化的结果。高分子的物理老化是指处于非平衡态的不稳定结构，在玻璃化转变温度以下存放过程中会逐渐趋向稳定的平衡态，从而引起材料物理、力学性能随存放或使用时间而变化的现象第四题、说明下列指标的意义pc ：非比例压缩应力，pc =Fpc/Aobc ：抗拉强度，bc =Fbc/Aopb ：非比例弯曲应力bb ：抗弯强度，bb=Mb/W（Mb为式样断裂时的弯矩）s ：扭转屈服强度，s =Ms/Wp0.3 ：扭转塑性变形抗力b ：扭转强度极限，b =Mb/W（Mb为式样断裂前的最大扭矩）HR30N：表面洛氏硬度HV：维氏硬度qe ：缺口敏感度，qe =bN /bKIC：断裂韧度，指在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展，称这一临界应力场强度因子为断裂韧度GIC：也称为断裂韧度。它表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量JIC：也称为断裂韧度。在平面应变条件下，应力应变场的能量达到使裂纹开始扩展的临界状态时，JI积分相应的临界值JIC。C：同样称作断裂韧度。用材料发生裂纹扩展时裂纹尖端的临界张开位移来表征。-1：对称弯曲疲劳强度-1p：对称拉压疲劳强度-1N：缺口试样的疲劳强度-1：对称扭转疲劳强度qf：疲劳缺口敏感度，qf=Kf-1/Kt-1Kth：代表疲劳裂纹不扩展的KI的临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值，表征材料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力。da/dN：疲劳裂纹扩展速率。不仅与裂纹长度a有关，还与应力水平有关T ：是给定温度下的蠕变极限，它表示的是在T温度下，第二阶段的稳态蠕变速率等于时的蠕变极限。单位是MPa。这种方法用在高温下长时间服役时。T/ ：是给定温度和时间下的蠕变极限。表示的是材料在T时，给定时间t内产生的蠕变应变的蠕变极限。单位是Mpa。这种方法用在蠕变时间短而如变速率又较大的情况下。T t ：是持久强度，单位是Mpa。表示的是材料在T下工作t的持久强度。sh ：是剩余应力，是评价应力松弛稳定性的一个指标。五、简答题1、决定金属材料屈服强度的主要因素有哪些？答：（1）晶体结构。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始运动所需的临界切应力，其值由位错运动所受得各种阻力决定。金属的晶格类型不同，所受得各种阻力也不同。 （2）晶界与亚结构。实际使用的金属材料几乎都是多晶材料，晶界也是位错运动的重要障碍，晶界越多，对称材料屈服强度的提高贡献越大。亚晶界与晶界的作用类似，也阻碍位错的运动。 （3）溶质元素。在固溶合金中，由于溶质原子与溶剂原子直径不同，在溶质原子周围形成晶格畸变应力场。该应力场与位错应力场产生交互作用，使位错运动受阻，从而使屈服强度提高，产生固溶强化。此外，由于溶质和溶剂之间的电学交互作用，化学交互作用及有序化作用等也对固溶强化有影响。 （4）第二相。第二相对位错的运动有很好的钉扎作用，位错通过第二相要消耗能量，形成弥散强化，使材料的屈服强度提高。 （5）温度。一般情况，温度升高金属材料的屈服强度下降，但是金属晶体结构不同，其变化趋势各异。 （6）应变速率和应力状态。应变速率较高的情况下，金属材料的屈服应力将显著升高。应力状态对其的影响规律是，切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度就越低。综上所述，金属材料的屈服强度是一个对成分、组织、温度、应力状态等极为敏感的力学性能指标。因此，改变金属的成分或热处理工艺都可使屈服强度产生明显变化。2 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么说脆性断裂最危险？答：区别：（1）韧性断裂在材料断裂前和断裂过程中产生明显宏观塑性变形，脆性断裂在材料断裂前基本不产生明显的塑性变形（2）韧性断裂时一般裂纹扩展较慢，而且要消耗大量的塑性变形能，而脆性断裂是突然发生的快速断裂。（3）韧性断裂断面一般平行于最大切应力与主应力成45度角。断口用肉眼或放大镜观察时，往往呈暗灰色、纤维状。脆性断裂断裂面一般与正应力垂直，断口宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。通常断面收缩率小于5%为脆性断裂，大于5%为韧性断裂。因为脆性断裂发生时没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，所以难以发现和预防。因此具有很大的危险性。3 疲劳失效过程可分为哪几个阶段？简述各阶段的机制。答：疲劳失效经历了裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂三个阶段。 （1）疲劳裂纹的萌生。因变动应力的循环作用，裂纹萌生往往在材料薄弱区或高应力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成。目前尚无统一的尺度标准确定裂纹的萌生期，常将长0.05-0.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核。对应的循环周期为裂纹萌生期。 （2）疲劳裂纹的扩展。疲劳裂纹萌生后便开始扩展，第1阶段是沿着最大切应力方向向内扩展。裂纹扩展极慢，扩展的总量很小，所以该阶段的断口很难辨析，不易观察其到形貌特征。在室温及无腐蚀的条件下，第2阶段疲劳裂纹是穿晶扩展的，扩展率随循环周次的增加而增加。多数韧性材料的断口上可以用电子显微镜观察到韧性疲劳条带。 （3）裂纹的断裂。随着疲劳裂纹的扩展，当净截面的应力达到材料的拉伸强度时，或是疲劳裂纹的长度达到材料的临界裂纹长度时，便发生最终的瞬时断裂。4 和常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点? 答：金属材料随着温度的升高，强度极限逐渐降低；常温下可以用来强化钢铁的手段，如加工硬化、固溶强化及沉淀强化等随着温度的升高强化效果逐渐失效；常温下脆性断裂的陶瓷材料在高温下也变为半塑性材料；常温下时间对材料的力学性能几乎没有影响。在高温时，材料的力学性能表现出时间效应。5. 试阐述常见的热分析方法及其测试的原理？答：热分析方法是根据材料在不同温度下发生的热量、质量、体积等物理参数与材料组织结构之间的关系，对材料进行分析研究的一类分析方法。（1） 差热分析法（DTA）：差热分析法是在程序控制温度下，将被测材料与参比物在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间的温差（T）随温度（T）或时间（t）的变化关系。（2） 差示扫描量热法（DSC）：是在程序温度控制下用差动方法测量加热或冷却过程中，在试样和标样的温度差保持为零时，所要补充的热量与温度和时间的关系的分析技术。（3） 热重法（TG）：是在程序控制温度下测量材料的质量与温度关系的一种分析技术。6、 为什么说所有的物质都是磁物质？答：物质在磁场中由于磁场的作用都呈现出一定的磁性，这种现象称为磁化。凡是能被磁场磁化的物质称为磁介质实际上包括空气在内的所有物质都能被磁化，因此从广义上讲都属于磁介质。7 为什么说腐蚀是一个自发的过程？答：“腐蚀”是物质的表面因发生化学或电化学反应而受到破坏的现象。材料的腐蚀是一种自发进行的过程，是物质由高能态向低能态的转变形式。例如：铁在自然界中多以赤铁矿的形式存在，属于比较稳定的状态，只有赋予矿石一定的能量，使之还原为金属铁。铁比它的化合物具有更高的自由能，因此金属铁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。8 在评定材料的缺口敏感应时，什么情况下宜选用缺口静拉伸试验?什么情况下宜选用缺口偏斜拉伸?什么情况下则选用缺口静弯试验?答：评价不同的材料的缺口敏感性，要进行缺口敏感性试验。缺口静拉伸试验主要用于比较淬火低中温回火的各种高强度钢，各种高强度钢在屈服强度小于1200MPa时，其缺口强度均随着材料屈服强度的提高而升高；但在屈服强度超过1200MPa时，则表现出不同的特性，有的开始降低，有的还呈上升趋势。缺口偏斜拉伸试验是在更苛刻的应力状态和试验条件下，来检验与对比不同才材料或不同工艺所表现出的性能差异。缺口式样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。9 金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学性能?答：影响因素 （1）键合方式和原子结构。共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数，分子键的结合力较弱，弹性模数亦较低。对于金属元素，原子半径越大，弹性模数越小。 （2）晶体结构。单晶体材料的弹性模量在不同晶体学方向上呈各向异性，沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小。多晶体材料为伪各向同性。非晶体材料各向同性。 （3）化学成分。合金的弹性模数随组成元素的质量分数、晶体结构和组织状态的变化而变化；固溶体的弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构。 （4）微观组织 （5）温度。一般，随着温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，使材料的弹性模数降低。随着温度的变化，材料发生固态相变时，弹性模数发生显著的变化。 （6）加载条件和负荷的持续时间。金属的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而金属材料的成分和组织对它的影响不大，可以说它是一个对组织不敏感的性能指标。10 如何提高材料或零件的抗粘着磨损能力?答：（1）合理选择摩擦副材料。尽量选择互溶性少，粘着倾向小的材料配对，如非同种或晶格类型、电子密度、电化学性质相差甚远的多相或化合物材料；强度高不易塑变的材料。（2） 避免或阻止两摩擦副间直接接触。增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与基体的结合力；降低接触表面粗糙，改善表面润滑条件等。（3） 为使磨屑多沿接触面剥落，以降低磨损量，可采用表面渗硫、渗磷、渗氮等表面处理工艺，在材料表面形成一层化合物层或非金属层，既降低接触层原子间结合力，减少摩擦系数，又避免直接接触。为使磨损发生在较软方材料表层，可用渗碳、渗氮共渗、碳氮硼三元共渗等工艺以提高另一方的硬度。六计算题（每题10分，共20分）1. 对长50mm、直径5mm的圆柱形拉伸试样进行拉伸试验时，塑性变形阶段的外力F与长度增量L的关系为F/N F/N60008000100001200014000L12.54.57.511.5求该材料的硬化系数K及应变硬化指数n.2.有一火箭壳体承受很高的工作压力，其周向最大工作拉应力=1400Mpa。采用超高强度钢制造，焊接后往往发现有纵向表面半椭圆裂纹，尺寸a=1.0mm，a/2c=0.3。现有两种材料，其性能如下：A：0.2=1700Mpa，KIc=62Mpam1/2；B：0.2=2800Mpa, KIc=75Mpam1/2。从断裂力学角度考虑，选用哪种材料较为合适？（注：当a/c=0.6时，2=1.62）4.有板件在脉动载荷下工作，max=200MPa，min=0，该材料的b=670MPa，0.2=600MP，KIC=104MPam1/2，Paris公式中C=6.910-12，n=3.0，使用中发现有0.1mm和1mm的单边横向穿透裂纹，请估算他们的疲劳剩余寿命。5.某校力学性能实验室装有液压万能材料试验机、扭转试验机和疲劳试验机等设备，今欲测定下列材料的塑形：（1）40CrNiMo调质钢试样；（2）20Cr渗碳淬火钢（3）W18Cr4V钢淬火回火试样（4）灰口铸铁。可分别选用哪种试验机？采用何种试验方法？为什么？（1）40CrNiMo，即常见的高淬透性调质钢，良好的综合力学性能，其具有高强度、高硬度和良好的塑、韧性。扭转试验机。（2）20Cr渗碳淬火钢，中等强度和韧性，制造心部强度要求高，表面能承受磨损。弯曲试验。（3）W18Cr4V高速工具钢，主要用作刀具材料，具有高硬度、高强度，高耐磨性。疲劳试验。（4）灰口铸铁。石墨对基体割裂严重，用于制造铸铁，强度、塑性、韧性远低于钢。压缩试验机6.今有如下工件需测定硬度，试说明选用何种硬度试验法为宜？（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HK）（6）仪表小黄钢齿轮（HV）（7）龙门刨床导轨（HS或HL）（8）氮化层（HV）（9）火车圆弹簧（HRC）（10）高速钢刀具（HRC）综述题1. 说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理和优缺点。答：（1）布氏硬度： 用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力F压入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，在试样表面留下球形压痕。布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。用淬火钢球作压头时，布氏硬度用符号“HBS”表示;用硬质合金球作压头，布氏硬度用符号“HBW”表示。 F：试验力（N）； d：压痕平均直径（mm）； D：钢球（硬质合金球）直径（mm） 布氏硬度试验的优点是：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，测得的硬度值也较准确。 缺点是：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件的硬度。 （2）洛氏硬度 洛氏硬度是以顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压