低温工程材料复习专题

1、低温工程材料复习题1、疲劳失效断口有何特点有两个明显的局部组成,一局部是疲劳裂纹扩展的局部,叫疲劳破坏范围,其特征是经过 磨擦而较为光滑,晶粒较细,有时呈瓷状,甚至可以观察到假设弧形或放射形的特征,有时 能发先疲劳源中央及疲劳源数目.另一局部是突然断裂局部,叫瞬时脆性破坏范围,断口 呈光亮的结晶状或纤维状,晶粒较粗,有一明显分界线,称疲劳前沿线.2、简述冲击韧性及其工程意义冲击韧性是材料对抗冲击性外力而不破坏的水平,其值通过在冲击实验机上的摆锤试验测 量一次冲断时的冲击功来确定.它反映了材料承受动外力的水平.受材料的强度.塑性的综合影响.冲击韧性实验方法能灵敏反映金属的破坏趋势和韧性,因此被广

2、泛应用于产品质量的检验.3、何为无塑性或零塑性转变温度答：铁素体结构钢的韧性随温度下降而降低,当温度降到某一值时,到达临界点,此时断口完全呈结晶状脆性断裂状态,这一温度称为无塑性转变温度,是以下阶能开始上升的温度定 义的韧脆转变温度,表征含有小裂纹的钢材在动态加载屈服应力下发生脆断的最高温度.4、简述冲击试样冲断后,其断口形貌在冲击力作用下,试样的断裂过程也和静拉伸一样,仍然表现为弹性变形、塑性变形和断 裂.其不同点仅在于变形速度.由于冲击速度快,塑性变形跟不上,使其变形不能完全进 行,集中在某些局部,这种影响也涉及到试样的断裂过程.典型冲击试样断口的宏观形态, 一般分为三个区域 纤维区：冲击

3、试样缺口底部在冲击时受拉应力作用,裂纹就在其根部中间或稍离缺口表 面处萌生.对塑性较好的材料,裂纹一般沿两侧和深度方向稳态扩展,中间局部较深,形 成脚跟形也称为指甲形的纤维区域.其宏观断口特征为无光泽的暗灰断口. 放射区：当纤维区内的裂纹长大到一定尺寸后即临界裂纹尺寸.裂纹开始快速失稳扩展,形成放射区.其断口形貌特征是以纤维区为中央呈放射把戏. 剪切唇区：它在断裂的最后阶段形成. 断口特征为外表光滑, 与拉应力成约45度角唇口.5、简述钢的常用强化方式1.固溶强化,置换,间隙固溶体渗入金属晶格中,造成原子尺度效应,弹性模量效应,固 溶体有序化强化2.析出强化,时效硬化,沉淀硬化3.界面强化6、

4、钢的韧性及其韧化方式答：钢在冲击力的作用下对抗断裂的水平称为韧性韧化方式：1细化晶粒和组织可同时提升钢的强度和韧性,故被广泛采用2改善基体和强化相形态3引入韧性相4减少气体夹杂和限制夹杂的形态.7、表达获得晶粒细化的方法1在液态金属结晶时,提升冷却速度,增大过冷度,来促进自发形核.晶核数量愈多, 那么晶粒愈细.2在金属结晶时,有目的地在液态金属中参加某些杂质,做为外来晶核, 进行非自发形核,以到达细化晶粒的目的, 此方法称为变质处理. 这种方法在工业生产中得 到了广泛的应用.如铸铁中参加硅、钙等.3在结晶过程中,采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等,也可使晶粒细化.1增大结晶过冷度即增大冷却速

5、度,使形核率急剧增大,使金属晶粒细化 2参加一些难熔或不熔的合金粉末可促进非均匀形核,以细化晶粒3增加逐渐中液态金属的流动与振动,不但可增加冷却速度还可冲断枝晶,增大形核率8、简述解理断裂1解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂,即断裂面沿一定的晶面即解理面分 离.解理断裂常见于体心立方和密排六方金属及合金,低温、冲击载荷和应力集中常促使解理断裂的发生.面心立方金属很少发生解理断裂.2解理断裂通常是宏观脆性断裂,它的裂纹开展十分迅速,常常造成零件或构件灾难性的总崩溃.3断口特征：解理断裂断口的轮廓垂直于最大拉应力方向.新鲜的断口都是晶粒状的,有许多强烈反光的小平面称为解理刻面.解理断口电子图

6、像的主要特征是“河流把戏,河流把戏中的每条支流都对应着一个不同高度的相互平行的解理面之间的台阶.解理裂纹扩展过程中,众多的台阶相互集合,便形成了河流把戏.在河流的“上游,许多较小的台阶集合成较大的台阶,到“下游,较大的台阶又集合成更大的台阶.河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致.所以人们可以根据河流把戏的流向,判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向. 金属在低温条件下,其应力值到达一定的值时,便以极快的速度沿一定的结晶学平面发生 断裂,断裂面平滑而光亮,这种断裂称解理断裂.9、简述脆性断裂、韧性断裂宏观断口形貌裂纹在工作应力下失稳扩展,由于材料的缺陷断口有空洞缺口裂纹等和应力集中导致 材料发生低应力突

7、然断裂,断口分三类为张开型,滑开型,撕开型.韧性断裂断口部位有 明显的塑性变形如拉伸试样断口有明显颈缩,高温蠕变试样有明显伸长；脆性断裂端口无 宏观塑性变形,断口外表相对较平整.答：1脆性断裂断口的宏观特征如下：断口上没有明显的宏观塑性变形；断口相对齐平 并垂直于拉伸载荷方向；如果没有被腐蚀产物或赃物污染,外表经常呈现晶体学平面或晶 粒的外形；断口的颜色有时比较光亮,有时相对暗灰一些；光亮的断口外表有时有放射状 台阶,在一定条件下放射状台阶会发胀为人字纹把戏；较灰暗的脆性断口呈现无定型的粗 糙外表,有时也呈现出晶粒外形.2韧性断裂断口的宏观特征如下：一般分为杯锥状或双杯状、凿峰状、纯剪切断口等

8、,其中塑性金属光滑圆试样拉伸杯锥状断口是一种最为常见的韧性断口.该种类型断口 通常可分为三个区域,即纤维区、放射区和剪切唇区.10、简述裂纹扩展的根本方式张开型 外加应力垂直与裂纹面,即为正应力时,裂纹尖端张开,并沿与外力垂直的方向上 扩展.滑开型 在剪应力作用下,裂纹上下两面平行滑开,滑开方向和裂纹扩展方向沿应力作用方 向撕开型 再剪应力作用下裂纹面上下错开,裂纹沿原来方向扩张11、 一实际构件,实际使用应力.=1.30GPa, Y= 1.5,有两种钢待选：甲钢：%=1.95GPa , Kic= 45MPa-m1/2,乙钢：Oys=1.56GPa , Kic= 75MPam1/2分析选择那种

9、钢更为合理由发生失稳断裂 K=Yoa1/2 >=Kic的条件.答：1首先根据应力值进行判定：由于s <s乙且s< s甲 所以要再用K判据.2实际使用应力下的 K= Ysa/2 =1.5*1.30*103 MPa*0.0011 /2 m1/2 =61.66 MPa?m1/2 由于K>K甲 =45 MPa?m1/2 , K<K乙=75MPa?m1/2综合以上：选择乙钢更为合理在a 裂纹长度相同的条件下,设为一个单位1mmK甲=YOysa1/2 =1.5*1.95*0.1 '2/10=92.5MPa m1/2 >Kc= 45MPa m1/2 1/21/2K

10、乙=74MPa m <Kc= 75MPa m12、简述断裂韧度在工程中的应用材料选择、平安校核、失效分析、评价材料脆性、材料开发.是材料的韧性指标,能反映材料对抗裂纹时文扩展的水平,1用以确定选材厚度2确定材料工作温度和应变速率 3确定其强度和塑性13、钢的脆性破坏试验有何作用答：通过脆性破坏实验研究脆性破坏的条件特征力求预防发生结构的脆性破坏；研究各种 工作条件下如低温,恶劣环境,复杂大型工程的脆性破坏原因,以合理平安选材,保 证工程质量；对有裂纹的金属材料在其生产,加工,使用过程中对其强度和对抗脆性断裂 的水平进行测量,以对工程使用提供数据支持14、简述预防脆性断裂的途径1、裂纹当焊

11、接结构的板厚较大时 大于25mm,如果含碳量高,连接内部有约束作用, 焊 肉外形不适当,或冷却过快,都有可能在焊后出现裂纹,从而产生断裂破坏.针对这个问 题,把碳限制在0.22%左右,同时在焊接工艺上增加预热举措使焊缝冷却缓慢,解决了断裂 问题.焊缝冷却时收缩作用受到约束,有可能促使它出现裂纹.举措是：在两板之间垫上软钢丝 留出缝隙,焊缝有收缩余地,裂纹就不会出现.把角焊缝的外表作成凹形,有利于缓和应力集中.凹形外表的焊缝,焊后比凸形的容易开裂,原因是凹形缝的外表有较大的收缩拉应力,并且在45截面上焊缝厚度最小.凸形缝外表拉力不大,而 45截面又有所增强,情况要好的多.在凹形焊缝开裂的条件下,

12、改用 凸形焊缝,就不再开裂.2、应力考察断裂问题时,应力是构件的实际应力,它不仅和荷载的大小有关,也和构造形 状及施焊条件有关.几何形状和尺寸的突然变化造成应力集中,使局部应力增高,对脆性 破坏最为危险.施焊过程造成构件内的剩余拉应力,也是不利的.因此,预防焊缝过于集 中和预防截面突然变化,都有助于预防脆性断裂.3、材料选用为了预防脆性断裂,结构的材料应该具有一定的韧性.材料断裂时吸收的能量和温 度有密切关系.吸收的能量可以划分为三个区域,即变形是塑性的、弹塑性的和弹性的. 要求材料的韧性不低于弹性,以预防出现完全脆性的断裂,也没有必要高于弹塑性,对钢 材要求太高,必然会提升造价.钢材的厚度对

13、它的韧性也有影响.厚钢板的韧性低于薄钢 板.4、构造细部发生脆性断裂的原因是存在和焊缝相交的构造缝隙,或相当于构造缝隙的未透焊 缝.构造焊缝相当于狭长的裂纹,造成高度的应力集中,焊缝那么造成高额剩余拉应力并使 近旁金属因热塑变形而时效硬化,提升脆性.低温地区结构的构造细部应该保证焊缝能够 焊透.因此,设计时必须注意焊缝的施工条件,以保证施焊方便,能够焊透.15简述韧性断裂特征答：构件经过大量变形后发生的断裂.主要条件是超过工作压力,主要特征是发生了明显的宏观塑性变形不包括压缩失稳,且产生延性断裂.如杆件的过量伸长或弯曲、容器的过 量鼓胀.断口的尺寸如直径、厚度比原始尺寸也明显变化.韧性断裂的断

14、口一般能寻见纤 维区和剪唇区.断口尺度较大时还出现放射形及人字形山脊状花纹.形成纤维区断口的断 裂机制一般是 微孔聚合,在电子显微镜中呈韧窝状把戏.韧性断裂一般由超载引起,而 材料的塑性与韧性又很优良.纤维区一般是断裂源区.剪切唇总是在断口的边缘,并与构 件的外表约成45夹角,是在平面应力受力条件下发生剪切撕裂而形成的断口,剪切唇外表 较光滑,断裂时的名义应力高于材料的屈服强度.断口微观形貌通常有韧窝,韧窝是材料在为微区范围内塑性变形产生的显微空洞,经形核/长大/聚集,最后相互连接而导致断裂后,在断口外表所留下的痕迹.16、简述脆性断口和韧性断口微观形貌的种类答：(1)脆性断口的微观形貌种类：

15、穿晶(解理)断裂、准解理、沿晶断口；(2)韧性断口的微观形貌种类：滑移别离、韧窝.17、表达影响低温韧性因素答：温度、应力集中、剩余应力、截面积尺寸、显微结构及热处理答：(1)温度：温度较高,材料发生破坏时,已产生了较大的形变,即材料显示出良好的 韧性性能,其破坏载荷远离最大载荷.随着温度的降低,材料破坏时产生形变的水平逐步 丧失,当载荷到达最大值的瞬间便形成裂纹,即发生起始破坏.极低温度下,载荷突然从 最大差不多跌落至零,变现为彻底丧失韧性,发生完全脆性破坏.(2) 应力集中：应力集中对低温韧性性能的影响是复杂的.当温度降低时,应力集中处造 成的破坏取决于以下特性的综合：温度降低的程度、应力

16、集中特性,这与应力集中处的形 状和尺寸有关、材料在温度降低时对于滑移强度和脆性破坏强度的敏感性,即材料低温韧 性性能.(3) 剩余应力：剩余应力的存在,将大大降低材料的低温韧性性能,使得低温设备更易发 生脆性破坏.(4) 截面积尺寸：随截面尺寸的增大,材料韧性逐步降低,脆性破坏的危险便显著地增大. 随着温度的降低,这一影响更为显著,对冲击载荷和静载荷时脆性临界温度改变与比列效 应的关系研究显示,随尺寸的增大,平均脆性临界温度提升,同时脆性范围的宽度减小,也就是说,尺寸的增大改变了材料的韧性状况.(5) 显微结构及热处理：随着晶粒尺寸的增加,材料的断裂应力显著降低.当晶粒尺寸大 于临界晶粒尺寸时

17、,即出现脆性断裂,因此,细化及减小晶粒可提升材料脆性断裂应力,同时细化晶粒可降低脆性转变温度.热处理对于改进材料韧性是显而易见的.一方面,合 适的热处理通过改变材料显微结构,到达细化晶粒之目的；另一方面,热处理可通过消除 各种剩余应力,提升材料韧性性能.18、表达奥氏体钢的应变强化机理答：对奥氏体不锈钢进行单向拉伸试验.对于非稳定奥氏体不锈钢,因应变产生马氏体, 使 加工硬化率因应变的增加而逐渐增大,缩颈被推迟,故延伸率可到达最大值.同时,马 氏体变体的择优形成是应力集中被松弛,呈现了相变诱导现象.对于稳定奥氏体不锈钢, 在室温下加工不会形成马氏体组织,但其晶粒细化、晶格扭曲和位错密度增大也会

18、产生硬 化效应. 奥氏体不锈钢应变强化这一特性,广泛用于桥梁、建筑领域,欧洲局部国家已用 于压力容器领域.奥氏体不锈钢压力容器应变强化常用两种模式：Avesta模式和Ardeform模式.19、表达9Ni钢的应用及其热处理.答：(1) 9Ni钢主要用于制造液化天然气 (LNG赭罐和运输船舶,最低使用温度可达-196C,其强度高、低温韧性优异、焊接性能良好,是深冷环境下使用的韧性最好的材料.(2) 一般焊接后会存在应力,最好做一次退火处理,如果不考虑应力,那么不需要做热处理,由于它本身一种调质钢,材料出厂是调质状态,硬度大概HRC2835.9Ni钢用于LNG技术焊接,当采用铁素体钢焊条焊接时,焊

19、后进行消除应力的热处理；之后采用因科镣型电焊条使用二次正火(900C和700C)或淬火(800C),随后经行550-585C回火以制造压力容器而不需消除焊后应力的处理,在此情况下,设计许用应力以焊缝强度为 准.20、根据Fe-C相图,填出焊接热影响区的组织状态图.主要影响区域为Ai A2 A3A3区为奥氏体和铁素体组织状态为奥氏体和铁素体"C二元相图与焊推热 影响区期M环的美系21、简述焊接裂纹的种类.答：焊缝中裂纹有热裂纹和冷裂纹两类：热裂纹一在液态到固态的结晶过程中产生,其 原因主要是焊缝金属中存在低熔点夹杂物,如硫化铁；在较大的焊接应力下发生晶间破 裂而形成的裂纹：冷裂纹一为冷

20、却时产生,存在于基体金属与焊缝交界处,其产生原因包 括热影响区形成淬火组织、焊接接头的氢含量多、所受应力大等.22、表达影响焊接冷裂纹的主要因素答：主要是由于焊接件热影响区的低塑性组织淬硬组织,焊接接头中的氢气和焊接应力三个因素共同作用所致.23、 简述温度对热塑性和热固性塑料特性的影响热塑性塑料是指具有加热软化,冷却硬化特性的塑料,加热变软而流动,冷却变硬,此是 链间纠缠所造成的暂时性物理交联过程可逆；因此热塑性塑料会随加热而有软化变形乃至 于流动的现象：随温度下降那么有固化变硬的情形,热固性材料第一次加热可以软化流动,加热到一定温度,发生化学反响-交链固化而变硬,此变化不可逆,此后再次加热,不能再变软流动,因此热固性塑料在加工后并不会如热塑 性塑料般会受热软化,假设温度过高那么发生裂解而不会有软化变形的现象24、表达复合材料的性能特点1. 比强度高：单位重量的机械强度.玻璃钢的比重是钢的1/5-1/4,其机械强度不比钢小.2. 良好的导热性：热导率低,是金属的1/1000-1/100,线膨胀系数低.3. 良好的导电性.是一种优良的电气绝缘材料,并且在高频作用下, 仍能保持良好的介电性 能 4.良好的抗磁性能：是一种抗磁材料,不受电磁作用不反射无线电波,微波通过性能良好5.工艺性能优越25、大型低温贮运设备的