金属材料力学性能

一．名词解释1，E,弹性模量，表征材料对弹性变形的抗力，2，δs：呈现屈服现象的金属拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长的应力，表征材料对微量塑性变形的抗力。3，σbb：是灰铸铁的重要力学性能指标，是灰铸铁试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲里（按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力）4δ：延伸率，反应材料均匀变形的能力。5，韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力（或指材料抵抗裂纹扩展能力）6低温脆性:某些金属及中低强度钢，在实验的温度低于某一温度Tk时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔集聚型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状态变为结晶状，这就是低温脆性7Kic：断裂韧度，为平面应变的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂变失稳扩展的能力8弹性比功（弹性比能）：表示单位体积金属材料吸收变形功的能力9σ-1：疲劳极限，表明试样经无限次应力循环也不发生疲劳断裂所对应的能力10循环韧性(消振性)：表示材料吸收不可逆变形功的能力（塑性加载）11Ψ：断面收缩率，缩经处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，12Ak：冲击功、，冲击试样消耗的总能量或试样断裂过程中吸收的总能量13蠕变：材料在长时间的恒温应力作用下，（即使应力低于屈服强度）也会缓慢地产生塑性变形的现象。14σtて：在规定温度（t）下，达到规定的持续时间（て）而不发生断裂的最大应力。15：氢致延滞断裂：由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。17.δ0.2：屈服强度18.△Kth：疲劳裂纹扩展门槛值，表征阻止裂纹开始扩展的能力19δbc：抗拉强度，式样压至破坏过程中的最大应力。20.包申效应：金属材料经过预加载产生少量塑变，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余应力减低的现象，称为包申效应。21．NSR：缺口敏感度，缺口试样的抗拉强度δbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度δb之比。22.力学行为：材料在外加载荷，环境条件及综合作用下所表现出的行为特征。23.强度24：应力腐蚀：金属在拉应力和特定化学介质共同作用下，进过一段时间后所产生的应力脆断现象。25．滞弹性：（弹性后效）在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长而产生附加弹性应变的现象。二、填空题17、断裂可以分为（裂纹形成）与（扩展）两个阶段。静拉伸断裂宏观断口分为（纤维区）、（放射区）、（剪切唇）三个区域。该断口微观特征：（纤维状）对于脆性穿晶断裂断口主要特征：（放射状）和（结晶状）18、典型疲劳断裂的宏观断口分为三个区（疲劳源）（疲劳区）（瞬间区）疲劳断口宏观特征（贝纹线、海滩花样）、微观特征（疲劳条带）19、应力腐蚀微观断口可以看到呈（枯树枝状）的微观裂纹，呈（泥状花样）的腐蚀产物和（腐蚀抗）20微孔聚集型断裂的微观特征（韧窝），解理断裂的微观特征主要有（解理台阶）和（河流花样），沿晶断裂的微观特征(冰糖状)断口和(晶粒状)断口。21应力状态系数值越大，表示应力状态越（软），材料越容易产生（塑性）变形和（韧性）断裂。为测量脆性材料的塑性，常选用应力状态系数值（较大）的试验方法。22在扭转实验中，塑性材料的断裂面与式样轴线（垂直），脆性材料的断裂面与式样轴线（成45°角）。23接触疲劳和应力水平，疲劳可分为（高周疲劳）和（低周疲劳），疲劳断裂的典型宏观特征是（贝纹线），微观特征是（疲劳条带）。24在缺口式样冲击试验中，缺口式样的厚度越大式样的冲击韧性越（小）韧脆转变温度越（高）。三问答题1.温度对塑形、强度的影响（趁热打铁的科学道理）：1）当温度升高，没有相变发生时，材料结构不发生改变，因此派纳力不会变化，一方面温度升高，原子运动能力增加，热运动加剧，另一方面若温度高于再结晶温度，会发生软化，显示不出加工硬化。因此，材料的塑形就会升高，强度降低。2）当温度升高，有相变发生时，材料结构发生了改变，派纳力改变，与此同时，α+Fe3C→δ，使间隔半径增大，原子间作用力减弱，且第二相强化消失，使材料强度降低，塑形升高。2.低碳钢强化机理：1)低碳钢适温下相组成物为α+Fe3C，淬火后变为M，而M为过饱和固溶体，C原子溶入M间隙中心，会产生畸变偶极应力场，与位错产生交互作用，从而产生固溶强化效应。2)低碳M压结构为位错，因此会产生位错塞积现象，从而产生强化效应，低碳M又叫板条M，板条之间晶界相互作用，也会产生强化作用。3)由于MS点在260℃左右，会发生自回火现象，提高钢的强度和塑形，保持优良的综合力学性能。4有一弹簧产生塑性变形导致其不能正常工作，试分析是什么力学性能不足导致及改变措施？答：产生塑性变形，表面弹簧对塑性变形的抗力不足，即弹性极限过低所致。措施：（1）采用含碳量较高的弹簧钢，并加入SiMnCrV等元素以强化铁素体机体和提高钢的淬透性；（2）采用淬火加中温回火获得回火托氏体。（3）采用冷变形强化加工硬化。5板材宏观断口的主要特征是什么？如何根据断口特征寻找断裂源？答：脆性断裂断裂面与正应力垂直，断口平齐而光亮，呈放射状或结晶状。判断方法：断口为人字花样人字花样的放射方向与裂纹扩展方向平行，但其尖端指向裂纹源。6何谓低温脆性？产生低温脆性的原因是什么？答：材料冲击韧度值随温度的降低而减小，当温度降到某一温度范围时，冲击韧度急剧下降，材料由韧性状态转为脆性状态，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，这就是低温脆性。产生原因是;低温脆性是材料屈服强度随温度下降急剧增加的结果，对于体心立方金属是派纳力起主要作用。屈服点的变化随温度下降而升高，但材料的解理断裂强度却随温度变化很小。体心立方金属低温脆性还与形变方式，屈服现象有关。7粘着磨损产生的条件是什么？如何预防粘着磨损的产生？答：条件：滑动摩擦，相对滑动速度较小；缺乏润滑油，表面没有氧化膜；单位法向载荷很大，接触应力超过实际接触点处的屈服强度而产生的一种磨损。措施：（1）合理选择摩擦副材料，尽量选择互溶性少，粘着倾向少的材料配对。改善表面润滑条件等。（2）可采用表面渗碳、渗磷、渗氮等表面处理工艺。（3）控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损大为减轻。（4）改善表面润滑条件等。8疲劳裂纹通常发生在那些位置？分别说明其原因？为什么发动机曲轴轴劲通过表面淬火可以提高其疲劳强度？答：（1）表面滑移带开裂，式样薄弱地区产生驻留滑移带，随着加载循环次数的增加，循环滑移带不断加宽，至一定程度时，由于位错的塞积和交割作用，便在驻留滑移带处形成微裂纹。（2）第二相夹杂物或其界面开裂。微孔通过第二相质点成核长大，导致位错所受排斥力大大下降，迅速推向微孔为错缘激活不断推出新位错，最后微孔连接形成微裂纹。（3）晶界或亚晶界开裂；多晶体材料由于晶界有在和相邻晶粒不同的取向性，位错在某一晶粒内运动时受晶界阻碍，在晶界处发生位错塞积和应力集中。应力不断循环下，应力峰越来越高，超过晶界强度时就在晶界处产生裂纹。表面淬火处了能使机件获得表硬心韧的综合力学性能，还可以利用表面组织相变及组织应力、热应力变化，使机件表面获得高强度和残余应力，更有效的提高疲劳强度和疲劳寿命。9细化晶粒可以提高材料屈服强度，而且塑性也提高，其原因？答：（1）晶粒尺寸减小，使晶界增多，而且晶界是位错运动的阻碍，因此，将导致位错塞积，屈服强度提高；（2）晶界面积增多，分布于晶界附近的杂质浓度降低，晶界强度提高，晶界不易开裂。（3）一定体积金属内部晶粒数目越多，晶粒之间位相差减小，塑性变形可以被更多的晶粒分担，所以塑性也会提高。10为什么焊接船只比铆接船易发生脆性破坏？答：（1）焊接热影响区晶粒粗大；（2）存在成分偏析；（3）在晶界有夹杂物和第二相析出，导致其塑性和韧性降低。而铆接金属不存在组织和性能明显变化。11.与拉伸试验相比弯曲试验有何特点？①弯曲试验试样变形简单，操作方便，同时，弯曲试样不存在拉伸试验时的试样偏斜对试验结果的影响，并可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。②弯曲试样表面应力最大，可较灵敏地反映材料表面缺陷。③对于脆性难加工材料，可用弯曲代替拉伸。12.与拉伸实验相比，扭转实验有何特点？①扭转的应力状态软性系数α=0.8，比拉伸时α大，易于显示金属塑性行为。②扭转时，塑性均匀，无缩颈现象，能实现大塑性变形量下的试验。③能敏感反映金属缺陷及表面硬化层性能。④扭转试验中最大正应力与最大切应力大体相同。是测定材料强度最可靠的方法，还可区分金属断裂是正断还是切断。13.同一种材料拉伸与扭转试验哪种试验测得的韧脆转变T较高？答：拉伸；①扭转的应力状态系数比拉伸大，可测脆性或低塑性材料强度、塑性、扭转。②扭转的最大正应力与最大切应力在数值上大体相同。（参考12题）14.试样表面存在缺口对其强度和塑性有何影响？原因？①对于脆性材料，强度和塑性均降低，缺口引起应力集中，使缺口处应力由单向应力状态改变为两向或三向应力状态，使应力状态软性系数α0.5，金属难以产生塑性变形；缺口试样拉伸时，往往直接由弹性过度到断裂，因此，抗拉强度必然比光滑试验低。②对于塑性材料，强度增高，塑性降低，缺口处有在三向应力状态，并产生应力集中，屈服应力比单向拉伸高，产生“缺口强化”；缺口约束塑变，因此塑性降低，增加变脆倾向。15.为了保证布氏硬度测量的有效性，在试验参数选择上应注意什么？答：①在选配压头球直径D及试验力F时，应使压痕压入角Ψ保持不变，保证得到几何相似的压痕，应使F1/D1²=F2/D2²=……=F²/D²=常数②压痕直径d应控制在（0.24~0.6）D之间③压痕深度h小于试验厚度1/8④试验力保持时间10~15s，允许误差±2s。16.说明过载对在交变载荷作用下的零件的使用寿命及疲劳极限都有哪些影响？为什么？答：①过载进入过载损伤区内，将使材料受到损伤，并降低疲劳寿命或疲劳极限，根据“非扩展裂纹”理论，当过载运转到一定循环周次后，并降低疲劳寿命或疲劳极限。没尺寸超过疲劳极限下“非扩展裂纹”，则裂纹在以后的疲劳极限下运转将继续扩展，因此造成损伤。②过载适当，会延长疲劳寿命。适当过载会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，发生裂纹扩展过载停滞现象，从而延长疲劳寿命。17.同一种材料在凝固过程中增加其冷却速度，会导致强度、塑性增加，解释之：冷却速度增加，使过冷度增大，晶粒变细，细晶强化导致塑性，强度增加。机理同918.解释淬火后随回火温度增加，材料的硬度一般会随之下降的原因：1）当粒子体积分数f一定时，随着温度升高，粒子尺寸变大，晶粒数减少，原子间距变大，位错运动障碍减少，位错强化机制减弱。2）晶界表面第二相粒子减少，弥散强化机制减弱。3）网状分布时，位错堆积，应力不可以松弛，脆性增加。4）片状球状。19.何为过载损伤，原因是：金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小，这就造成了过载损伤。原因：材料内部存在裂纹，σσ-1时裂纹非扩展；时裂纹由于积累，尺寸增大，经过一定周次后，若其尺寸＜非扩展裂纹临界尺寸，σ-1不变，若其尺寸≤非扩展裂纹临界尺寸，则σ-1降低。20.如何从宏观和微观特征判断一种金属属于韧性断裂还是脆性断裂：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观朔变的断裂。韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45°角，断口呈纤维状，灰暗色。脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本不发生塑变，断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。21.给出合适硬度测试方法：渗碳体HV淬火钢HR灰铸铁HB29.硬度测试方法：A．淬火钢HRB.灰铸铁HBC.马氏体：显微维氏D.仪表黄铜小齿轮HVE.渗氮件表面硬度HV22为何bcc结构金属比fcc更易于产生低温脆性？加入何种元素有效防止？（1）bcc在低温下σi较大，高的σi值易导致脆性断裂，因为屈服前能达到的应力值必较大。（2）低温下孪生是朔性主要方式，孪晶彼此相交或孪晶与晶界相交处常常是断裂纹形核的地方。（3）bcc低温脆性与屈服现象有关。在孕育期只产生弹性形变，朔变，故有利于裂纹扩展，产生脆性破坏。防止（1）加入间隙溶质元素，偏聚于位错线附近，阻