湖南大学材料性能学作业+习题答案.docx

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湖南大学材料性能学作业+习题答案

第二章作业题

1应力状态软性系数：

按“最大切应力理论”计算的最大切应力和按“相当最大正应力理论”计算的最大正应力的比值。

2缺口效应：

截面的急剧变化产生缺口，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生缺口效应，影响金属材料的力学性能。

3布氏硬度：

用一定直径的硬质合金球做压头，施以一定的试验力，将其压入试样表面，经规定保持时间后卸除，试样表面残留压痕。

HBW通过压痕平均直径求得。

4洛氏硬度：

洛氏硬度以测量压痕深度标识材料的硬度。

HR＝（k-h）/0.002.

二、脆性材料的抗压强度

扭转屈服点

缺口试样的抗拉强度

NSR：

缺口敏感度，为缺口试样的抗拉强度和等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值。

HBS:

用钢球材料的球压头表示洛氏硬度。

HRC:

用金刚石圆锥压头表示的洛氏硬度。

三、试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和使用范围

1单向拉伸

特点：

温度、应力状态和加载速率是确定的，且常用标准的光滑圆柱试样进行试验。

使用范围：

一般是用于那些塑性变形抗力和切断强度较低的所谓塑性材料试验。

2压缩试验

特点：

单向压缩试验的应力状态系数＝2，比拉伸，弯曲，扭转的应力状态都软，拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂。

使用范围：

拉伸时呈脆性的金属材料的力学性能测定。

如果产生明显屈服，还可以测定压缩屈服点。

3弯曲试验

特点：

试样形状简单，操作方便，弯曲试样应力分布不均匀，表面最大，中心为零。

可较灵敏的反映材料表面缺陷。

使用范围：

对于承受弯曲载荷的机件，测定其力学性能。

4扭转试验

特点：

1扭转的应力状态软性系数＝0.8，比拉伸时大，易于显示金属的塑性行为。

2圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有颈缩现象，所以能实现大塑性变形量下的试验。

3能较敏感的反映出金属表面缺陷及硬化层的性能。

4扭转时试样中的最大正应力和最大切应力在数值上大体相等，而生产上所使用的大部分金属材料的正断强度大于切断强度，所以，扭转试验是测定这些材料切断最可靠的办法。

使用范围：

研究金属在热加工条件下的流变性能和断裂性能，评定材料的热压力加工性；研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。

四、缺口拉伸时应力分布有何特点

缺口截面上的应力分布是不均匀的，轴向应力在缺口根部最大，随着离开根部的距离增大，应力不断减小，即在根部产生应力集中。

第三章作业题

冲击韧性:

材料在冲击载荷的作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力

低温脆性：

在试验温度低于某一温度时，会由韧性状态变为脆性状态， 冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状   

韧脆转变温度：

导致低温脆性的转变温度

断裂分析图：

表示许用应力、缺陷和温度之间关系的综合图

2、Ak 冲击韧度

  NDT  无塑性或零塑性转变温度

试说明低温脆性的物理本质及其影响

3、低温脆性本质是材料屈服强度随温度降低急剧增加。

其影响因素包括晶体结构、化学成分、显微组织（晶粒大小、金相组织）等

试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性断裂的原因

4、因为焊接接口之间会从在裂纹，气孔，而且连接体之间不是同一种材料，导致焊口脆性大，同时焊接时钢铁内部发生了组织变化，但铆接就不一样了，它的抗拉能力很强，不易发生脆性断裂。

第四章作业题

1、由宏观裂纹扩展引起。

   表示应力场的强弱程度。

  裂纹体在受力时，只要满足

Ki>=Kic,就会发生脆性断裂。

2、平面应变断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。

  平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。

  平面应变断裂韧度，表示材料阻止裂纹失稳扩散时单位面积所消耗的能量。

试述低应力脆断的原因及方法

3、原因：

和材料内部一定尺寸的裂纹相关，当裂纹在给定的作用应力下扩展临界尺寸

时，就会突然破坏。

 防止方法：

添加细化晶粒的合金元素  细化晶粒  形成板条马氏体及

残留奥氏体薄膜增强塑性  温度越低，脆性一般越大，增加应变速率也会降低塑性，

因此要降低应变速率。

试述K判据的意义及用途

4、 裂纹在受力时，只要满足Ki>=Kic,就会发生脆性断裂。

它将材料断裂韧度同机件的工作应力和裂纹尺寸的关系定量地联系起来，因此可以直接用于设计计算，如估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹尺寸，以及用于正确选择机件材料、优化工艺等

有一大型板件，材料的

0.2=1200MPa。

Kic=115MPa.m.探伤发现有20mm长的横向穿透裂纹，若在平均轴向拉应力900MPa下工作，试计算KI及塑性区宽度RO，并判断该件是否安全。

5 、Ki=

=159.5MPa

  R=2r=

（

）=6.75m

  Ki>Kic,会断，不安全。

第五章作业题

疲劳断裂：

金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于积累损伤而引起的断裂

疲劳源：

疲劳裂纹萌生的策源地

疲劳条带：

具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样

疲劳寿命：

在给定循环载荷条件下，试件或结构由开始加载至出现可检裂纹时的载荷循环数

;疲劳极限

：

疲劳缺口敏感度

:

疲劳裂纹扩展门槛值

疲劳裂纹门槛值影响实用价值

1、疲劳裂纹不扩展的

临界值，其影响因素包括材料成分和组织、载荷条件及环境因素。

其表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能，也是材料的力学指标，其值越大，阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大，材料就越好。

它可以作为裂纹件的设计和校核指标。

 2、提高零件的疲劳寿命的方法主要有：

（1）只要能降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布，均可抑制或延缓疲劳裂纹的萌生，使用实例有真空冶炼和真空浇注。

（2）晶界强化、净化和晶粒细化，可以提高材料疲劳寿命，细化晶粒既能阻止疲劳裂纹在晶界处萌生，又因晶界阻止疲劳裂纹的扩展，故能提高疲劳强度。

使用实例包括低碳钢和钛合金的强化。

（3）表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力，同时还能提高机件表面的强度和硬度。

使用实例有表面喷丸和滚压，其在阻碍疲劳裂纹扩展中有良好的效果。

试说明疲劳裂纹扩展曲线的三个区域的特点和影响因素

3、I区是疲劳裂纹初始扩展的阶段，扩展速率很小。

随△K增加，扩展速率快速提高，但变化范围很小，提高有限，扩展寿命长。

II区是疲劳扩展的主要阶段，占据亚稳态扩散的绝大部分，是决定疲劳寿命的主要组成部分，扩展速率较大，△K变化范围大，扩展寿命长。

III区是疲劳裂纹扩展的最后阶段，扩展速率很大，并随△K增加而很快的增大，只需扩展很少的周次即会导致材料失稳断裂。

影响因素有：

材料的成分、组织、载荷条件及环境因素等。

第六章作业题

名词解释：

应力腐蚀：

金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的地应力脆段现象。

氢蚀：

氢和金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属境界结合力减弱而导致金属脆化。

指标意义：

scc：

材料不发生应力腐蚀的临界应力

KIscc：

应力腐蚀临界应力场强度因子

da/dt：

应力腐蚀裂纹扩展速率

如何判断某一零件的破坏是由应力腐蚀引起的

1、应力腐蚀显微裂纹常有分叉现象，呈枯树枝状，即：

有一主裂纹扩展较快，其他分支裂纹扩展较慢。

根据这一特征即可区分。

、

如何识别氢脆和应力腐蚀

2、采用极化试验方法：

当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹时间的是应力腐蚀，当外加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间的是氢致延滞断裂。

3、 Ki=（1.1

）/

=

代入数据得a=1.91mm

 第二阶段结束时da/dt=0.00002

利用积分公式t=580000s

第七章作业题

磨损：

机件表面接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐流失、造成表面磨损的现象。

粘着磨损：

粘着磨损又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速率较小（钢小于1m/s）时发生的，它是因为缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致材料承受的接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。

耐磨性：

材料在一定的摩擦条件下抵抗磨损的能力。

接触疲劳：

两接触体表面相对运动以滚动为主时，在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，表层引发裂纹并逐步扩展，最后使裂纹以上的材料断裂剥落下来，导致材料损耗的现象。

粘着磨损是如何产生的？

如何提高材料或零件的抗粘着磨损的能力？

1、摩擦副实际表面上总存在局部凸起，当摩擦副双方接触时，即使施加较小载荷，在真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。

倘若接触面上洁净而未受到腐蚀，则局部塑性变形会使两个接触面的原子彼此十分接近而产生强烈粘着。

提高材料抗磨损能力的方式有：

选择的配对材料粘着倾向应比较小、采用表面化学热处理改变材料表面状态、控制摩擦滑动速度和接触压应力，如：

改善润滑条件，提高表面氧化膜和基体金属的结合能力，降低表面粗糙度等。

磨粒磨损分类提高零件的磨损抗力

2、磨粒磨损可分为凿削式磨粒磨损、高应力碾碎性磨粒磨损和低应力擦伤性磨粒磨损。

凿削式磨粒磨损实例如挖掘机斗齿，提高其磨损抗力的方法是增加材料硬度;

高应力碾碎性磨粒磨损实例如球磨机衬板和钢球机件表面的破坏，在高应力冲击载荷下，应选用高硬度材料，利用其高韧性和高加工硬化能力，可得到高耐磨性。

低应力碾碎性磨粒磨损实例如运输槽板的摩擦表面，在这一磨损场合，用中碳低合金钢并作淬火回火处理，可提高材料磨损抗力。

接触疲劳破坏有几种形式？

如何产生的？

如何提高零件的接触疲劳抗力

3、接触疲劳破坏有麻点剥落、浅层破落和深层剥落三类。

麻点剥落：

在滚动接触过程中,由于表面最大综合应力反复作用，在表层局部区域，由于损伤逐步累积，直到表面最大综合切应力超过材料抗剪强度时，就在表面形成裂纹，接着初始裂纹扩展，二次裂纹形成到二次裂纹扩展，形成磨屑最终形成锯齿形表面。

浅层剥落：

在接触应力反复作用下，塑性变形反复进行，使材料局部弱化，遂在该处形成裂纹。

而后裂纹进行扩展，在滚动及摩擦力作用下又和表面生成一倾角的二次裂纹。

二次裂纹扩展到表面，反复弯曲发生弯断，从而形成浅层剥落。

深层剥落：

压碎性剥落的裂纹形成后先平行于表面扩展，而后再垂直于表面扩展，最后形成较深的剥落。

提高表面硬度和心部硬度，加大表面硬化层深度，渗碳层的有利残余压应力，降低表面粗糙度，提高接触精度都能提高零件的接触疲劳抗力。

第八章作业题

等强温度：

晶粒和晶界两者强度相等的温度。

约比温度：

试验温度和金属熔点的比值。

蠕变：

金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。

持久强度：

在规定温度下，达到规定的持续时间而不发生断裂的最大应力。

应力松弛：

在规定温度和初始应力条件下，金属材料中的应力随时间增加而减小的现象。

用稳态蠕变速率表示的蠕变极限。

用蠕变总伸长率表示的蠕变极限。

金属材料的持久强度极限。

松弛应力。

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？

造成这种差别的原因何在

1、高温下，金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂过渡到沿晶断裂。

一个重要特点就是产生蠕变。

这是因为，温度升高时晶粒强度和晶界强度都要降低，但晶界强度下降较快所致。

金属材料在高温下的变形机制和断裂机制，和常温比较有什么不同

2、变形机制：

高温下的蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散等机理进行的。

常温下，若滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移便不能继续进行，只有在更大的切应力作用下，才能使位错重新运动和增殖。

但在高温下，位错可借助外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些短程阻碍。

扩散蠕变，是由于在高温条件下大量原子和空位定向移动。

此外，高温下，由于晶界上的原子容易扩散，受力后易产生滑动，促进蠕变变形，这就是晶界滑动蠕变。

  断裂机制：

金属材料在长时高温下的断裂，大多为沿晶断裂，这是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展而引起的。

高温下，裂纹出现在晶界上的突起部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动而产生空洞，最终导致沿晶断裂。

提高材料的蠕变抗力有哪些途径

3、合金化学成分：

在基体金属中加入合金元素形成单相固溶体。

加入能形成弥散相的合金元素。

添加能增加晶界扩散激活能的元素。

  冶炼工艺：

珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺。

奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶处理和时效。

采用形变热处理改变晶界形状并在晶内形成多边化的亚晶界。

  晶粒度：

使用温度低于等强温度时，晶粒细化。

奥氏体耐热钢及镍基合金，一般以2到4级晶粒度较好。

第九章作业题

粘性变形：

温度高于粘流温度时，聚合物分子链在外力作用下可进行整体相对滑动，呈粘性流动，产生不可逆永久变形。

粘弹性：

高聚物慢性的粘性流变

银纹：

在拉应力作用下，非晶态聚合物的某些薄弱地区，因应力集中产生局部塑性变形，结果在其表面或内部、或在裂纹尖端附近出现闪亮的、细长的类裂纹。

热震断裂：

由热震引起的瞬时断裂

热震损伤：

在热冲击循环作用下，材料先出现开裂，随之裂纹扩展，导致材料强度降低，最终整体破坏。

试述聚合物材料的性能特点

1、聚合物主要的物理、力学性能有：

密度小、高弹性、弹性模量小、粘弹性明显

试述银纹和裂纹的区别

2、银纹和裂纹不同：

前者除其中有孔洞外，孔洞之间还有称为银纹质的聚合物；后者则不含聚合物。

试述陶瓷材料耐磨性的特点

3、陶瓷材料耐磨性

（1）表面接触特性：

一般为弹性接触，滑动时有塑性流动的迹象

（2）摩擦磨损：

陶瓷材料的摩擦学特性，和对磨件的材料种类和性能、摩擦条件、环境，以及陶瓷材料自身的性能和表面状态等因素有关

陶瓷材料和金属材料在弹性变形、塑性变形和断裂方面的区别

4、陶瓷材料和金属材料相比，其弹性变形有如下特点：

（1）弹性模量大，这是由其共价键和离子键的键合结构所决定的。

（2）陶瓷材料的弹性模量不仅和结合键有关，还和其他组成相的种类、分布比例及气孔率有关（3）通常，陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。

在塑性变形方面，陶瓷材料和金属材料的区别有，常温下，大多数陶瓷材料均不产生塑性变形，而且陶瓷材料在具有一定条件时，在高温下还可显示超塑性。

断裂方面,，陶瓷材料的断裂过程都是以其内部或表面的缺陷为起点发生的，以各种缺陷为裂纹源，在一定拉伸应力作用下，其最薄弱环节处的微小裂纹扩展，当裂纹尺寸达到临界值时陶瓷材料瞬时断裂