材料性能学期末考试

1、中原工学院材料与化工学院材料性 能材控专业课后习题第一章 材料在单向拉伸时的力学性能1-1名词解释1. 弹性比功：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。2. 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。其来源于金属材料中的位错运动所受阻力的变化。可通过热处理（再结晶退火）消除。3. 塑性：材料断裂前产生塑性变形的能力4. 韧性：材料变形时吸收变形力的能力5. 脆性断裂（弹性断裂）：材料断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展 速度往往很快。断口呈现与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，为放射状或结晶状。6. 韧性断裂（延

2、性断裂或者塑性断裂）：材料断裂前及断裂过程中产 生明显塑性变形的断裂过程。断口呈现暗灰色、纤维状。7. 剪切断裂：材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成断裂。 断口呈 现锋利的楔形或微孔聚集型，即出现大量韧窝。8. 河流花样：解理裂缝相交处会形成台阶，呈现出形似地球上的河流 状形貌9. 解理台阶：解理裂纹的扩展往往是沿晶面指数相同的一族相互平行，但位于“不同高度”的晶面进行的。不同高度的解理面存在台阶。10. 韧窝：通过孔洞形核、长大和连接而导致韧性断裂的断口1-3材料的弹性模数主要取决于什么因素？答：影响弹性模数的因素：键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载条件和负荷持续

3、时间1-4决定金属材料屈服强度的主要因素有哪些？答：1、晶体结构：屈服是位错运动，因此单晶体理论屈服强度=临界切应力2 、晶界和亚结构：晶界是位错运动的重要障碍，晶界越多，常 温时材料的屈服强度增加。晶粒越细小，亚结构越多，位错运动受阻 越多，屈服强度越大。3 、溶质元素：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，其与位错应力场相互作用，使位错运动受 阻，增大屈服强度。固溶强化、柯氏气团强化、沉淀强化、时效强化、 弥散强化4 、第二相：弥散分布的均匀细小的第二相有利于提高屈服强度5 、环境因素对屈服强度的影响1 )温度的影响：温度升高，屈服强度降低，但变化趋势因不 同

4、晶格类型而异。2 )加载速度(变形速度)的影响:加载速度增大，金属的强度 增高，但屈服强度的增高比抗拉强度的增高更为明显3 )应力状态的影响：不同加载方式下，屈服强度不同1-8、金属材料的应变硬化有何实际意义？答：1、在加工是合理配合应变硬化和塑性变形，可使金属进行均匀 的塑性变形，保证冷变形工艺的顺利进行2、低碳钢切削时易产生粘刀，表面质量差，可进行冷变形降低 塑性，改善切削加工性能。3、在材料应用方面，应变硬化可使金属机件具有一定的抗偶然过 载能力。保证机件使用安全。4、应变硬化也是强化金属的重要手段，尤其是对那些不能进行热 处理强化的材料。1-13、何谓拉伸端口三要素？影响宏观拉伸断口的

5、性态因素？ 答：纤维区放射区 剪切唇影响因素：试样形状、尺寸和金属材料的性能以及实验温度，加 载速度和受力状态。1-14、纯铁 丫 s=2J/m2,E=2*10 5MPa, a。=2.5*10-10m,求理论断裂强 度彷m答：由公式 C n=(E* 丫 s/ a o) "2 得：(T尸(2*105*106*2/2.5*10 -10)1/2=4.0*10 1OPa=4.0*104MPa1-15、一薄板内有一条长 3mnm勺裂纹，且a o=3*1O-8mm求脆性断 裂应力 C C (设 C m=E/10=2*105MPa1/2答：由 Cm Cc=( a / a o)解得：C c=28.2

6、9MPa1-16、一材料 E=2*1011 N/m 2, 丫 s =8N/m试计算在 7*10?N/m2 的拉 应力下材料的临界裂纹长度。答：当 c c=7*107N/m时，因为 ao=E*Y s/a：解得 ao=0.33mm临界裂纹长度 a=2*ac=0.33*2=0.66mm1-18、格里菲斯公式适用哪些范围及在什么情况下需要修正？ 答：格里菲斯只适用于脆性固体如玻璃、无机晶体材料、超高强钢。 对于许多工程结构材料如结构钢、高分子材料、裂纹尖端产生较大的 塑性变形，要消耗大量塑性变形功，必须对格里菲斯进行修正。1-19 .屈服强度的工程意义？答：（1）作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失

7、效的设计和选材 依据（2）根据屈服强度与抗拉强度之比的大小，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和确定机件缓解应 力集中防止脆断的参考依据。1-20.弹性极限，比例极限的工程意义答：对于要求服役时其应力应变关系严格遵守线性关系的机件，如测力计弹簧，是依靠弹性变形的应力正比于应变的关系显示载荷大小 的，则应以比例极限作为选择材料的依据，对于服役条件不允许产生微量塑性变形的机件，设计时应按弹性极限来选择材料。1-21.金属塑性的工程意义答：（1）材料具有一定的塑性，当其偶然过载时，通过塑性变形和应 变硬化的配合可避免机件发生突然破坏（2）材料具有一定的塑性还有利于塑性加工

8、和修复工艺的顺利进 行（3）对于金属材料，其塑性的好坏是评定材料冶金质量的重要标 准。1-22.包申格效应的产生原理？答：包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。金属受载产生少量塑性变形时，运动位错遇林位错而弯曲受阻，并形成位错 缠结或胞状组织，如果此时卸载并随即同向加载，在原先加载的应力 水平下，被缠结的位错不能做显著运动，宏观上表现为规定残余伸长 应力增加。如果卸载后施加反向应力，位错反向运动时前方林位错一 类的障碍较少，因此在较低应力下滑移较大距离， 宏观上表现为规定 残余伸长应力较低的现象。1-23.多晶体材料塑性变形的特点？答：（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性（2）各晶

9、粒变形的相互协调性1-24.金属材料产生明显屈服的条件？答：位错运动速度应力敏感指数 m值越低，使位错运动速率变化所 需应力变化越大，屈服现象就越明显， m小于20，具有明显的屈服 现象1-25.加工硬化指数的几个特点答：金属材料的n值的大小，与层错能的高低有关。层错能低的， n 值越大。层错能高的，n值越小。n值大的其滑移变形的特征为平坦 的滑移带，n值小的材料表现为波纹状的滑移带。退火态金属n值比 较大，冷加工状态下n值比较小。n与材料的屈服点大致呈反比关系 n值也随溶质原子数增加而降低。晶粒变粗 n值增加。第二章材料在其他静载下的力学性能2-1 .名词解释1）应力状态软性系数。最大切应力

10、 Tmax与最大正应力c max的比值 e = t max/c max, 越 大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料易于产生塑性变 形，反之，e越小，表示应力状态越硬，材料易于产生脆断。2）缺口效应。即缺口三效应，一，缺口造成应力应变集中，二，缺口改变了前方的 应力应变状态，三，缺口强化现象。3）缺口敏感度。在缺口试样拉伸试验中，用试样的抗拉强度cbn与等截面尺寸的光滑试样抗拉强度c b的比值作为材料的缺口敏感性指标。称为缺口敏 感度qe.4）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 表面保持一定时间后卸载测定试样表面残留压痕直径D求压痕表面积，将单位压痕

11、表面承受的平均压力（ F/s ）定义为布氏硬度。Hb二F/s=2F/FD（D-（D2 -d2 ）?）。5）洛氏硬度：是一种压入硬度式样的方法，以测量压痕深度值大小，表示材料的硬度值，所用压头为圆锥角a =120。金刚石圆 锥或淬火刚球，其载荷分两次施加，先加初载荷F,再加主载荷F2,保持后卸载F2,测出实际压入深度h,则HR二 （R-H） /0.002（压头为金刚石时 k=0.2，为淬火刚球是k=0.26）6）维氏硬度：实验原理与布氏硬度基本相似，也是根据压痕单位面积所受载荷来计算硬度值，但所用的压头是两相对面夹角为 136°的金刚石四棱椎体，试样在载荷 F作用下试样表面 被压出一个

12、四方锥行压痕，测量压痕对角线长度分别为 d1, d2。取其平均值为d,用以计算压痕表面积 s, F/S 即为试样硬度值7）努氏硬度:一种显微硬度试样方法，使用两个对角线面不等的四棱锥金刚石压头，在试样上得到长短对角线长度之比为7:1的棱形压痕，硬度值为试样力除以压痕投影面积，用HK 表示，HK=1.451F/L2 , L 单位（mr）8）肖氏硬度：是一种动载实验法，将具有一定质量带有金刚石或金刚 球的重锤从一定高度向式样表面砸落，根据重锤回足兆高 度来表征材料硬度值大小，用 KS表示。1-3.缺口对材料的拉伸力学性能有什么影响？答：当缺口受到单向拉力时，缺口界面上应力分布为轴向。y，在缺口根部

13、最大，随离根部距离的增加y不断下降，即在根部产生应 力集中，当这种集中应力达到材料屈服强度c b时，使引起缺口根部 附近的塑性变形，既缺口造成应力应变集中，缺口改变了缺口的前方 应力状态，使平板中材料所受应力由原来的单向应力拉伸变为两或三 向拉伸，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，既产生了所谓缺口“强化”现象。1-4 .如何理解塑性材料的缺口强化现象？答:根据屈雷斯加判据SH = cy- cx= cs可得c y= c x+ c s.在缺口根 部c x=0,故c y= c s。因此，外加载荷增加时，缺口根部最先满足 S II = c y= c s而开始屈服。

14、根部一旦屈服，c y便松弛而降低到材料的 c S。但在缺口内侧，c XM 0故要满足屈雷斯加判据要求，必须增加 纵向应力c y，即心部屈服要在c y不断增加的情况下才能发生。若 满足这一条件，塑性变形便自表面向心部扩展，与此同时，c y与c Z随c X快速增加而增加，一直增加到塑性区与弹性区交界处为止。因此，当缺口前方产生塑性变形后，最大应力已经不再缺口根部，而 在其前方一定距离处，此处c x最大，所以c y与c z也最大，这时 屈服应力比平向拉伸高，即产生了 “缺口强化”。1-6、是综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应 用范围。单向拉伸：特点 温度、应力状态、加载速度确定，常用标

15、准光滑试 样进行试验。范围：用于塑性变形抗力与切断抗力较低的塑性材料试验。扭转：1、扭转的应力状态软性系数较拉伸时的应力状态软性系数2 、试样截面的应力分布为表面最大，愈往心部愈小，故对材 料表面硬化及表面缺陷十分敏感。3 、圆柱形试样在扭转实验时，整个试样长度上基本保持原尺 寸不变。4 、扭转试验正应力与切应力大致相等。范围：测定在拉伸时呈脆性材料的强度和塑性；对各种表面 强化进行研究和对机件的热处理表面质量进行检测； 评定拉伸 时出现颈缩的高塑性材料的形变能力和形变抗力；测定切断强度。弯曲：特点：试样形状简单，操作方便，弯曲应力分布不均匀，表面最大，中心为零，可较灵敏的反应材料的表面缺陷。

16、范围：对于承受弯曲载荷的机件测定其力学性能。压缩：特点：单向压缩试验应力软性系数为 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。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。1-8、试比较布氏硬度与维氏硬度原理的异同，并比较布氏、洛 氏和维氏硬度优缺点和应用范围。答：维氏硬度的实验原理与贝氏硬度基本相似，也是根据压痕单位 面积所承受的载荷来计算硬度值。所不同的是维氏硬度实验所用的压 头是两相对面夹角为136°的金刚石四棱锥，布氏硬度压头为淬火钢 球或硬质合金球。布氏试验：优点1、压痕面积较大

17、，其硬度值能反映材料在较大区域 内各组成相的平均性能；2、实验数据稳定，重复性高缺点1、压痕直径比较大，一般不宜在成品上直接进行检 验2、对不同的硬度材料需要更换压头直径和载荷， 压痕直径测量也比较麻烦；3、淬火钢球的硬度 范围为450HBS当大于450时需要更换为硬 质合金球。范围 测定灰铸铁、轴承、合金等材料的硬度。洛氏试验：优点1、操作简单迅速2 、压痕小，可对工件直接进行检验3 、采用不同的标尺，可测量软硬不同、厚薄不一试 样的硬度。缺点1、压痕小，代表性差。尤其是偏析及组织不均匀情 况2 、所测硬度值重复性差、分散度大3 、用不同标尺测得的硬度值既不能直接比较， 又不能彼此互换。范围

18、：淬火、调质等热处理后的材料，测量表面很薄的材料硬度， 测定各种材料。维氏试验：优点1、角锥压痕清晰，采用对角线长度计算，精确可靠2、压头为四棱锥，当载荷改变时，压入角恒定不变，可任意选择载荷；3、不存在洛氏硬度不同标尺无法统一，而且比洛氏硬度所测的试件 厚度更薄。缺点1、测定方法比较麻烦，工作效率低2 、压痕面积小，代表性差3 、不适宜成批生产的常规检测范围 测定小型精密零件的硬度，表面硬化和有效硬化层的深度，镀 层表面硬度，薄片材料和西线材的硬度，刀刃附近的硬度。第三章 材料的冲击韧性及低温脆性3-1 .解释下列名词：(1) 低温脆性：体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合 金，尤其

19、是工程上常用的中低强度结构钢， 当实验温度低于某一温度 tk时，材料由韧性状态转变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，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。(2) 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 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， 称此现象为蓝脆。(3) 迟屈服：对体心立方金属材料施加一大于屈服强度c s的高速 载荷时材料并不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期才开始塑性变 形的现象。(4) 韧脆转变温度：使材料表现出低温脆性的临界温度 tk。(5) 韧脆温度储备：材料使用温度to与韧脆转变温度tk的差值， 用符号表示，值常

20、取 20 60 °C。3-6 .是从宏观和微观上解释为什么有些材料有明显的韧脆转变 温度而另外一些材料则没有。答：从宏观角度分析：材料低温脆性的产生与其屈服强度和断裂强度 随着温度的变化有关。断裂强度随温度的变化很小，屈服强度随温度 的变化与材料的本性有关。具有体心立方或密排六方结构的金属或合 金的屈服强度对温度十分敏感，温度降低，屈服强度急剧提高，当屈 服强度与断裂强度相等时温度即为韧脆转变温度。高于此温度时，材 料受载后先屈服后断裂，为韧性断裂；低于此温度时，为脆性断裂。 而面心立方结构材料的屈服强度随温度的变化不大，即使在低温时也不与断裂强度相等，此种材料的脆性断裂现象不明显。

21、从微观角度：体心立方的金属低温脆性与位错在晶体中运动的阻力对 温度变化很敏感有关，在低温下增加，故该类材料在低温下处于脆性 状态。面心立方金属因位错宽度比较大，对温度变化不敏感，故一般 不显示低温脆性。体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现象有关， 而 具有面心立方金属的迟屈服现象不明显，故其低温脆性不明显。补-1.化学成分是如何影响材料低温脆性的？答：1、间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高。 这是由于间隙溶质元素溶入基体金属晶格中， 通过与位错的交互作用 偏聚于位错线附近形成柯氏气团，既增加° i，又使ky增加，致使。s 升高，所以刚的脆性增大。2 、钢中加入置换型溶质

22、兀素一般也降低咼阶能，提咼韧脆转变 温度。3 、杂质元素S、P、Pb Sn、As等使钢的韧性下降，这是由于他 们偏聚于晶界，降低晶界的表面能，产生沿晶脆性断裂，同时降低脆 断应力所致。补-2.显微组织是如何影响材料低温脆性的？答;a晶粒大小细化晶粒可使材料韧性增加，原因是晶界是裂纹扩展的阻力；晶界 前塞集的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶 界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。b 金相组织在较低强度水平，强度相同而组织不同的钢，其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；在相同的强度水平时，典型上贝氏体组织的韧脆转变温度高于下

23、贝氏体的韧脆转变温度；在低碳合金中，经不完全等温处理获得的贝 氏体和马氏体的混合组织，其韧性比单一马氏体或单一贝氏体组织要 好；在马氏体中存在残余奥氏体时，可以抑制解理断裂，从而显著改 善钢的韧性；钢中碳化物及夹杂物等第二相对钢的脆性影响：第二相尺寸增加，材料的韧性下降，韧脆转变温度升高，球状第二相材料的 韧性较好。第四章材料的断裂韧度4-1名词解释低应力脆性：高强度钢、高超强度钢的机件，中低强度钢的大型机件常常在工作应力并不高，甚至远低于屈服极限的情况下，发生脆性断裂的现象应力场强度因子：KI二二二a反应了裂纹尖端区域应力场的强度2能量释放率：GI=是平面应力的能量释放率，GI=断裂韧度：当

24、应力二或裂纹尺寸a增大到临界值时，也就是在裂纹 尖端足够大的范围内，应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展 而导致材料的断裂，这时 KI也达到了一个极限值，这个临界或失稳 状态的KI记为KIC或Kc称为断裂韧度。2 2(1i y-.a E是平面应变的能量释放率。E J积分：dy-Tds反映了裂纹尖端区的应变能，即应力应变集中程度。 裂纹尖端张开位移：裂纹体受载后，在裂纹尖端沿垂直裂纹方向所 产生的位移用3表示。4-3 .说明KI和KIC的异同。答：KI和KIC是两个不同的概念，KI是一个力学参量，表示裂纹体 中裂纹尖端的应力应变场强度的大小，它决定于外加应力、试样尺寸和裂纹类型，而和材料无关

25、；但 KIC是材料的力学性能指标，它决定 于材料的成分、组织结构等内在因素，而与外加应力及试样尺寸等外 在因素无关。1 *4-10.有一大型板件材料的(T 0.2=12OOMpa KIC=115Mpa.m 2,探伤发现有20伽大的横向穿透裂纹，若在平均轴向应力900Mpa下工作，试计算Ki和塑性区宽度，并判断该件是否安全解：ts= t 0.2=12OOMpa 2a=20 mm =0.02m t =900Mpa Y=7n则 t / t s=900/1200=0.75>0.6 0.7需考虑修正问题K =Yb掐/ J10.56 Y2Q/b S f即 KI = 3.14*900* ,0.02/2

26、/ 1-0.56* 3.14* 0.752 =168Mpa>K 不安全塑性区宽度 R 0= 1 _ (K|7s)2 =1*(168/1200) 2=2.2 m22口22*3.141.1 1000、3.14 10 *".”0.2121000 500 2r1、=59.6 MP a m2l丿1X1c=110( MPam2)Ki为168Mpa塑性区宽度为2.2 mm,该件不安全。11.有一构件加工时，出现表面半椭圆裂纹。若a=1mma/c=0.3 , 在lOOOMPa的应力下工作，对下列材料应选用哪一种？材料ABCDECT0.2 /MPa11001200130014001500K1c/

27、(MPa*m142)11095756055解：1.对于材料A：由于b / %.2 =1000/1100=0.909所以必须使用塑性区的修正公式来计算、1即:当-=0.3时，得c1.1：2，其中第二类椭圆积分2 -0.212 二-/ ° 0.2 丿2说明使用材料A后不会发生脆性断裂，可以选用。2.对于材料B:由于Mr0.2 = 1000/1200=0.833，所以必须使用塑性区的修正公式来计算二1即:1.1 a-0.2121.1 10003.14 10”代 入数据 得 ：1=58 MP a *m21< j=95 ( MPa m2).1.21 -0.212 10001200使用材料

28、B后不会发生脆性断裂，可以选用。3.对于材料C:由于厲/ %.2 = 1000/1300=0.769 ,所以必须使用塑性区的修正公式来代入数据得：1.1；.二 a1.1 10003.14 10/ 21.21 -0.21210001300计算久i即:f1、1= 56.8MPa*m2 < K1c=75（ MPa m2）使用材料C后不会发生脆性断裂，可以选用4. 对于材料D:由于er 0,2 = 1000/1400=0.714，所以必须使用塑性区的修正公式来计算久1即:1.1 a代入数据得:3厂1、1存1.1 X1000 況（3.14X10lc j环cc /re2x瓦=56 MPam2 <

29、; K1c=60（ MPa m 2）Jl.21 -0.212x（1000 + 1400 fl丿使用材料D后不会发生脆性断裂，可以选用5.对于材料E:由于0.2 = 1000/1500=0.667，所以必须使用塑性区的修正公式来计算二1即:1.1*咤 2-0.212飞2 2代入数据得:匚WOOMWiPa 爲>.c=55 (MPam2) Jl.21 0.212x(1000 + 1500 f<丿使用材料E后会发生脆性断裂，不可以选用。综上所述，最好选用材料Db补-1.试述化学成分对断裂韧度的影响？答：对于金属材料，细化晶粒的合金元素因提高强度和韧性，可使断 裂韧度提高；强烈固溶强化的合金元素因大大降低塑性而是断裂韧度 降低，并且随合金元素浓度的提高，降低的作用更加明显；形成金属 间化