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(完整word版)材料性能学期末考试

中原工学院材料与化工学院

材
料
性
能
学

《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γS=2J/m2,E=2*105MPa ,α0=2.5*10-10m,求理论断裂强度σm
答：由公式σm=(E*γS/α0)1/2得：
σm=(2*105*106*2/2.5*10-10)1/2=4.0*1010Pa=4.0*104MPa
1-15、一薄板内有一条长3mm的裂纹，且α0=3*10-8mm.求脆性断裂应力σC（设σm=E/10=2*105MPa）
答：由σm/σc=(α/α0)1/2 解得：σC=28.29MPa
1-16、一材料E=2*1011 N/m2, γS =8N/m试计算在7*107N/m2的拉应力下材料的临界裂纹长度。
答：当σC=7*107N/m2时，因为aC=E*γS/ac2,解得aC=0.33mm
临界裂纹长度a=2*aC=0.33*2=0.66mm
1-18、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Tmax与最大正应力σmax的比值ð=τmax/σmax,σ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，ð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σbn与等截面尺寸的光滑试样抗拉强度σb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，将单位压痕表面承受的平均压力（F/s）定义为布氏硬度。Hb=F/s=2F/FD(D-(D²－d²)½)。
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α=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=（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（mm）。
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σy，在缺口根部最大，随离根部距离的增加，σy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σb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SⅡ=σy-σx=σs可得σy=σx+σs.在缺口根部σx=0，故σy=σs。因此，外加载荷增加时，缺口根部最先满足SⅡ=σy=σs而开始屈服。根部一旦屈服，σy便松弛而降低到材料的σs。但在缺口内侧，σx≠0故要满足屈雷斯加判据要求，必须增加纵向应力σy，即心部屈服要在σy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，σy与σz随σx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σx最大，所以σy与σz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。
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，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：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σs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t0与韧脆转变温度tk的差值，用符号Δ表示，Δ值常取20—60 0c。
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。
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σi，又使ky增加，致使σs升高，所以刚的脆性增大。
2、钢中加入置换型溶质元素一般也降低高阶能，提高韧脆转变温度。
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
①.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= 反应了裂纹尖端区域应力场的强度
ƒ断裂韧度：当应力或裂纹尺寸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。
④能量释放率：GI= 是平面应力的能量释放率，GI= 是平面应变的能量释放率。
⑤J积分： 反映了裂纹尖端区的应变能，即应力应变集中程度。
⑥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δ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；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。
4-10.有一大型板件材料的σ=1200Mpa，K=115Mpa.m,探伤发现有20㎜大的横向穿透裂纹，若在平均轴向应力900Mpa下工作，试计算K和塑性区宽度，并判断该件是否安全
解：σs=σ=1200Mpa 2a=20㎜=0.02m σ=900Mpa Y=
则σ/σs=900/1200=0.75>0.6～0.7
需考虑修正问题 K=Y/
即K=*900*/=168Mpa>K 不安全
塑性区宽度 R=(K/)=*(168/1200)=2.2㎜
K为168Mpa，塑性区宽度为2.2㎜，该件不安全。
11.有一构件加工时，出现表面半椭圆裂纹。若a=1mm，a/c=0.3，在1000MPa的应力下工作，对下列材料应选用哪一种？

材料
A
B
C
D
E
／MPa
1100
1200
1300
1400
1500
/(MPa*m)
110
95
75
60
55
解：1.对于材料A：
由于/=1000/1100=0.909 所以必须使用塑性区的修正公式来计算即：
=，其中第二类椭圆积分 当 时，得
将有关数据带入得：<=110（MPa）
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/=1000/1200=0.833，所以必须使用塑性区的修正公式来计算即：
=代入数据得：<=95（MPa）
使用材料B后不会发生脆性断裂，可以选用。
3. 对于材料C：
由于/=1000/1300=0.769，所以必须使用塑性区的修正公式来计算即：
= 代入数据得：<=75（MPa）
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/=1000/1400=0.714，所以必须使用塑性区的修正公式来计算即：
= 代入数据得：
<=60（MPa）
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/=1000/1500=0.667，所以必须使用塑性区的修正公式来计算即：
= 代入数据得：
>=55（MPa）
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D。
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；形成金属间化合物并呈第二相析出的合金元素，因降低塑性有利于裂纹扩展而使断裂韧度降低；对于陶瓷，提高材料强度组元，提高断裂韧度；对于高分子材料，增强结合键的元素将提高断裂韧度。
补-2.夹杂物和第二相对断裂韧度的影响？
答： 1.非金属夹杂物往往使断裂韧度降低
2.脆性第二相随着体积分数的增加，使得断裂韧度降低
3.韧性第二相当其形态和数量是适当时，可以提高材料的断裂韧度。

第五章 材料的疲劳性能
5-1.名词解释
（1）疲劳贝纹线：贝纹线是疲劳区的最典型特征，一般认为是因载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免的常有启动.停歇.偶然过载等，均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹线痕迹。
（2）疲劳寿命：机件疲劳失效前的工作时间
（3）次载锻炼：材料特别是金属在低于疲劳强度的应力先运转一定周次，即经过次载锻炼，可以提高材料的疲劳强度
（4）高周疲劳和低周疲劳：高周疲劳的断裂寿命（N）较长，N>10，断裂应力水平较低，，又称低应力疲劳；低周疲劳的断裂寿命较短，N=10～，断裂应力水平较高，，往往伴有塑性应变发生，常称为高应力疲劳或应力疲劳。
5-5.疲劳失效过程可分为哪几个阶段？
答：疲劳裂纹形成，裂纹扩展，当裂纹扩展达到临界尺寸时发生瞬时断裂
补5-1疲劳破坏的特点：
答：（1）该破坏是一种潜在的突发性破坏，在静载下显示韧性或脆性破坏的材料，在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂，易引起事故造成经济损失。
（2）疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测就显得十分重要和必要
（3）疲劳对缺陷（缺口.裂纹及组织）十分敏感，及对缺陷具有高度的选择性。因为缺口和裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷（夹杂.疏松.白点.脱碳等）,将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始和发展。
（4）可按不同方法对疲劳强度分类，按应力状态分，有弯曲疲劳，扭转疲劳，拉压疲劳，接触疲劳及复合疲劳；按应力高低和断裂寿命分，有高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳的断裂寿命（N）较长，N>10，断裂应力水平较低，，又称低力应疲劳；低周疲劳的断裂寿命较短，N=10～，断裂应力水平较高，，往往伴有塑性应变发生，常称为高应力疲劳或应力疲劳。
最终的断裂。