本學期材料性能學作業(yè)及答案

第一次作業(yè)P36-37

第一章

1名詞解釋

4、決定金屬屈服強度的因素有哪些？

答：內在因素：金屬本性及晶格類型、晶粒大小和亞結構、溶質元素、第二相。

外在因素：溫度、應變速率和應力狀態(tài)。

10、將某材料制成長50mm,直徑5mm的圓柱形拉伸試樣，當進行拉伸試驗

時塑性變形階段的外力F與長度增量AL的關系為：

F/N60008000100001200014000

AL12.54.57.511.5

求該材料的硬化系數(shù)K及應變硬化指數(shù)no

解：：L（）=50mm,r=2.5mm,F與AL如上表所示，由公式（工程應力）。=F/A（）,

22

〔工程應變）￡=AL/Lo,Ao=兀r,可計算得：Ao=19.6350mm

o1=305.5768,￡i=0.0200,

o2=407.4357,e2=O.O5OO,

。3=509.2946,￡3=0.0900,

04=611.1536,￡4=0.1500,

。5=713.0125,￡5=0.2300,

又由公式（真應變）e=ln（L/Lo）=ln（l+e）,（真應力）又。（1+￡），計算得:

e尸0.0199,Si=311.6883,

?2=0.0489,S2=427.8075,

6=0.0864,S3=555.131L

6尸0.1402,S4=702.8266,

e5=0.2076,S5=877.0053,

又由公式養(yǎng)。］,即lgS=lgK+nlge,可計算出K=1.2379xl()3,『0.3521。

11、試述韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)別。為什么脆性斷裂最危險？

答：韌性斷裂是金屬材料斷裂前產生明顯的宏觀塑性變形的斷裂，這種斷裂有

一個緩慢的撕裂過程，在裂紋擴展過程中不斷地消耗能量；而脆性斷裂是突然發(fā)生的

斷裂，斷裂前根本上不發(fā)牛塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害性很大。

韌性斷裂：是斷裂前產生明顯宏觀塑性變形的斷裂

特征：斷裂面一般平行于最大切應力與主應力成45度角。斷口成纖維狀(塑

變中微裂紋擴展和連接)，灰暗色(反光能力弱)。

斷口三要素：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇這三個區(qū)域的比例關系與材料韌斷性能

有關。

脆性斷裂：斷裂前根本不發(fā)生塑性變形的，突發(fā)的斷裂。

特征：斷裂面與正應力垂直，斷口平齊而光滑，呈放射狀或結晶狀。

注意：脆性斷裂也產生微量塑性變形。斷面收縮率小于5%為脆性斷裂，大于

5%為韌性斷裂。

5lo

14、通常純鐵的rs=2J/m2,E=2xl()MPa,ao=2.5xl()-m,試求其理論斷裂強

度(Tmo

1/2

解：由公式(Ers/a0),可得Om=4.0xl()4MPa。

15、假設一薄板內有一條長3mm的裂紋，且ao=3xlO*mm,試求脆性斷裂時

斷裂應力5(設施=E/10=2xl()5MPa)。

,/2

解：由公式om/oc=(a/ao),a為仇對應的裂紋半長度,即a=1.5mm,

oc-28.2845MPa

17、斷裂強度a與抗拉強度Ob有何區(qū)別？

答：?是材料裂紋產生失穩(wěn)擴展的斷裂強度，在應力應變曲線

上為斷裂時的強度值。最是韌性金屬試樣拉斷過程中最大

力所對應的應力。

第二次作業(yè)(P54)

第二章

1.解釋以下名詞

2.說明以下力學性能指標的意義

3.簡述缺口三效應

(1)造成應力集中

(2)改變了缺口前方的應力狀態(tài)，使平板中的材料所受應力由原來的單向拉伸

變?yōu)閮上蚧蛉蚶?/p>

(3)缺口使塑性材料得到強化

9.說明以下工件選用何種硬度試驗法

解：

(1)滲碳層的硬度分布：HK或HV

⑵淬火鋼:HRC

⑶灰鑄鐵:HB

(4)硬質合金：HRA

(5)鑒別鋼中的隱晶馬氏體與剩余奧氏體：HV或HK

(8)氮化層：HV

(10)高速鋼刀具：HRC

10.在294.3N(30kgf)載荷下測定某鋼材的維氏硬度。測得壓痕對角線長度

為0.454mm,試計算該鋼材的維氏硬度值，并推算這種鋼的抗拉強度值內(抗

拉強度不需要算)。

解：HV=1854.4F/d2,式中F以gf為單位，d以um為單位。

HV=269.9063

弟二早

1解釋以下名詞

2說明以下力學性能指標的意義

5以下3組試驗方法中，請舉出每一組中哪種試驗方法測得云的較高？為什

么？

(1)拉伸和扭轉；(2)缺口靜彎曲和缺口扭轉彎曲；(3)光滑試樣拉伸和

缺口試樣拉伸。

答：

材料的脆性越大，口越高：同一種材料的脆性那么隨試驗條件而定；

(1)拉伸測出的tK比扭轉測出的tK高，因為扭轉條件下，材料容易產生塑性變形,

材料的脆性小。

(2)缺口沖擊彎曲測出的tK比缺口靜彎曲測出的tK高，因為沖ft布厥時，加觸

度t勖喉變形速度增加，結果使塑性變形受到抑制，從而使材料的脆性增加。

(3)缺口試樣拉伸測出的tK比光滑試樣拉伸測出的tK高，因為缺口使材料的脆

性增加。

第三次作業(yè)(P84)

第四章

1.名詞解釋

2.說明以下符號的名稱和含義

3.說明Ki和Kic的異同。(答案：P68頁第四自然段)

11.有一構件加工時，出現(xiàn)外表半橢圓裂紋，假設a=lmm,a/c=0.3,在

『lOOOMPa的應力下工作，對以下材料應選哪一種？(P80頁例1類似)

Go.2/MPa11001200130014001500

Kic/(MPam11095756055

巧

解：(1)o/o0,2=1000/l100=0.9091>=0.6~0.7,所以必須考慮塑性區(qū)的修正問

題。采用以下公式計算K-

其中由第二類橢圓積分：

當a/c=0.3時,查表得①2二1.19。將有關數(shù)據(jù)代入上式，得：

K『61.2(MPa-mU2)<Kic]=U0(MPa-mi/2)

由此可見，Kn<KICi，說明使用材料?1不會發(fā)生脆性斷裂，可以選用。

由此類推：

(2)Ki2=60.4(MPa-m,/2)<Kic2=95(MPam1/2)

由此可見，K<KQ說明使用材料2不會發(fā)生脆性斷裂，可以選用。

,/21/2

(2)KI3=57.9(MPa-m)<Kic3=75(MPa-m)

由此可見，Ki<KiC,說明使用材料3不會發(fā)生脆性斷裂，可以選用。

(2)Ki4=59.3(MPa-m,/2)^Kic4=60(MPa-m,/2)

由此可見，Ki戶Kg，說明使用材料4可能會發(fā)生脆性斷裂，不可以選用。

1/21/2

(2)Ki5=58.9(MPa-m)>Kic5=55(MPa-m)

由此可見，Ki5>K]C5,說明使用材料5會發(fā)生脆性斷裂，不可以選用。

第四次作業(yè)(P108)

第五章

1.名詞解釋

2.解釋以下性能指標的意義

4.試述疲勞宏觀斷口和微觀斷口的特征及其形成過程或模型。（P88頁）

答：

（一）疲勞宏觀斷口

（1）具有三個明顯特征區(qū)：

1）疲勞源區(qū)：一般較平整和光滑，源區(qū)越多，反映外加應力越高，應力集中

位置越多或應力集中系數(shù)越大，多源斷口的源區(qū)存在臺階，比擬粗糙；

2）疲勞裂紋擴展區(qū)：常形成海灘把戲或貝殼把戲，出現(xiàn)疲勞弧線，疲勞源位

于疲勞弧線凹的一方；

3）瞬斷區(qū)：視材料塑性顯示韌性斷裂斜斷口或脆性斷裂平斷口。

⑵形成過程：

1）疲勞裂紋萌生

疲勞裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起，主要方式有：外表滑移帶開裂；

第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂；晶界或亞晶界處開裂。循環(huán)載

荷作用下，形成駐留滑移帶，隨著滑移帶在外表加寬的過程出現(xiàn)擠出脊和侵入

溝，引起應力集中。

2）疲勞裂紋擴展

疲勞裂紋萌生后便開始擴展，分為兩個階段，即擴展一階段是沿著最大切

應力方向向內擴展，擴展二階段是沿垂直拉應力方向向前擴展形成主裂紋，直

至最后形成剪切唇。

3）斷裂

（二）疲勞微觀斷口

（1）特征：

1）疲勞輝紋（或疲勞條帶）：是略呈彎曲并相互平行的溝槽狀把戲，與裂紋

擴展方向相垂直，是裂紋擴展時留下的微觀痕跡。每一條輝紋表示該循環(huán)下疲

勞裂紋擴展前沿在前進過程中瞬時微觀位置，輝紋的數(shù)目與載荷循環(huán)次數(shù)相

等。斷裂三階段的疲勞輝紋略有差異，從疲勞源區(qū)到終斷區(qū)依次是弱波浪條紋、

細條紋和深條紋。

2）輪胎壓痕

（2）形成過程：

L-S模型，即剛開始時，裂紋處于閉合狀態(tài)，隨著拉應力的增加到最大值

時，裂紋張開至最大，裂尖鈍化，向前擴展一段距離；當轉入壓應力半周期時,

滑移沿相反方向進行，原裂紋和新擴展的裂紋外表被壓合，裂紋尖端被彎折成

一對耳狀切口；最大壓應力時，裂紋外表完全被壓合，裂尖變成一對尖角，向

前再擴展一段距離，并在斷口上留下一條疲勞條帶?？梢娫谘h(huán)應力的作用下,

裂紋尖端的鈍銳交替變化，反復進行，使新的條帶不斷形成，疲勞裂紋也就不

斷向前擴展。

F-R模型，即裂紋擴展是斷續(xù)的，通過主裂紋前方萌生新裂紋核，長大并

與主裂紋連接起來實現(xiàn)。

5.疲勞失效過程可分為哪幾個階段？簡述各階段的機制及提高材料疲勞抗力

的主要方法。

答：

（1）疲勞失效過程可分為兩個階段，即裂紋萌生、裂紋擴展以及斷裂。

（2）裂紋萌生的機理：疲勞裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起，主要方式有:

外表滑移帶開裂；第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂；晶界或亞晶

界處開裂。循環(huán)載荷作用下，形成駐留滑移帶，隨著滑移帶在外表加寬的過程

出現(xiàn)擠出脊和侵入溝，引起應力集中。

裂紋擴展的機理：分為兩個階段，即擴展一階段是沿著最大切應力方向向內擴

展，擴展二階段是沿垂直拉應力方向向前擴展形成主裂紋，直至最后形成剪切

唇。

（3）提高疲勞抗力的主要方法：

①將材料進行次載鍛煉和間歇效應，降低溫度，減少腐蝕，可提高材料

的疲勞強度，延長疲勞壽命；

②外表應仔細加工，盡量減少刀痕、擦傷或大的缺陷，以及盡量降低尺

寸效應；

③提高機件外表塑性抗力（強度和硬度），降低外表的有效拉應力，如

采用外表噴丸及滾壓、外表熱處理和化學熱處理、符合強化等措施，可抑制材

料外表疲勞裂紋的萌生和擴展有效的提高疲勞強度。

④進行固溶強化、細晶強化、彌散強化處理，減少非金屬夾雜物及冶金

缺陷，提高組織均勻性，可提高材料形變抗力和疲勞強度。

8.試述應力集中和應力比對疲勞壽命和疲勞強度的影響規(guī)律。

答：

應力集中處是機件最薄弱的地方，易形成裂紋，是疲勞源的萌生處。應力

集中越大，材料疲勞強度越低，疲勞壽命也就越短；反之，應力集中越小，材

料疲勞強度越高，疲勞壽命也就越長。

應力比min/。max。疲勞強度隨應力比的增加而增加，疲勞壽命也之增

長。

第五次作業(yè)IP122）

第八早

1名詞解釋

2磨損有哪幾種類型？舉例說明它們產生的條件、磨損過程及外表損為形貌。

答：磨損可分為4類：粘著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損及麻點疲勞磨損（接觸

疲勞）。

（1）粘著磨損

1）產生條件：摩擦副相對滑動速度小，接觸面氧化薄膜脆弱，潤滑條件差，

以及接觸應力大的滑動摩擦條件下。

2）磨損過程：（P111頁最后一個自然段）

3）外表損傷形貌：機件外表有大小不等的結疤。

（2）磨料磨損

1）產生條件：摩擦副的一方外表存在堅硬的細微凸起或在接觸面間存在硬質

粒子（從外界進入或從外表剝落）時產生的磨殞。

2）磨損過程：（P113頁倒數(shù)第二自然段）

3）外表損傷形貌：摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的溝槽。

（3）腐蝕磨損

1）產生條件：摩擦副之間或摩擦副外表與環(huán)境介質發(fā)生化學或電化學反響。

2）磨損過程：以氧化磨損為例。當摩擦副作相對運動時，由于外表凹凸不平,

在凸起部位單位壓力很大，導致產生塑性變形。塑性變形加速了氧向金屬內部

擴散，從而形成氧化膜。由于形成的氧化膜強度很低，在摩擦副繼續(xù)作相對運

動時、氧化膜被摩擦副一方的凸起所剝落，裸露出新外表，從而又發(fā)生氧化，

隨后又再被磨去。如此，氧化膜形成又除去，機件外表組件被磨損，這就是氧

化磨損的過程。

3）外表損傷形貌：在摩擦面上沿滑動方向呈均勻細小磨痕。

（4）麻點疲勞磨損（接觸疲勞）

1）產生條件：兩接觸材料作滾動或滾動加滑動摩擦時，交變接觸壓應力長期

作用使材料外表疲勞損傷，局部區(qū)域出現(xiàn)小片或小塊狀材料剝落。

2）磨損過程：（P116頁第3點）

3）外表損傷形貌：接觸面外表出現(xiàn)許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)那么形狀的凹坑

（麻坑），有點凹坑較深，底部有疲勞裂紋擴展線的痕跡。

5請從金屬接觸疲勞的3種破壞機理、特征及產生的力學條件比擬其與普通機

械疲勞的異同。

答：金屬接觸疲勞的3種破壞：麻點剝落（點蝕）、淺層剝落、深層剝落（外

表壓碎）。

（1）麻點剝落（點蝕）

1）機理：（PU6頁）

2）特征：0.1?0.2mm深的痘狀凹坑

3）產生的力學條件：外表接觸應力較小、摩擦力較大或外表質量較差時，易

出現(xiàn)麻點剝落。

⑵淺層剝落

1）機理：PU7頁

2）特征：0.2?0.4mm的盆狀凹坑

3）產生的力學條件：最大循環(huán)切應力條件下產生

（3）深層剝落

1）機理：P117頁

2）特征：大于0.4mm的大塊材料剝落

3）產生的力學條件：切應力/抗切強度比值最大時產生

（4）普通機械疲勞

1）機理：材料或零件在循環(huán)應力和應變作用下，在一處或幾處逐漸產生局部

永久性積累損傷，經過一定的循環(huán)次數(shù)后，產生裂紋或突發(fā)性斷裂的過程稱為

疲勞。

2）特征：裂紋、斷裂

3）產生的力學條件：在循環(huán)應力和應變作用產生

第七章

1名詞解釋

4試簡述高溫下金屬蠕變變形與應力松弛的異同點。

答：

高溫蠕變是指金屬在高溫和應力同時作用下，應力保持不變，其非彈性變

形量隨時間的延長而緩慢增加的現(xiàn)象。高溫、應力和時間是蠕變發(fā)生的三要素。

應力越大，溫度越高，且在高溫下停留時間越長那么蠕變越甚。

應力松弛是指在高溫下工作的金屬構件，在總變形量不變的條件下其彈性

變形隨時間的延長不斷轉變成非彈性變形，從而引起金屬中應力逐漸下降并趨

于一個穩(wěn)定值的現(xiàn)象。

同：蠕變和應力松弛二者實質是相同的，都是材料在高溫下隨時間發(fā)生的非彈

性變形的積累過程。

異：所不同的是應力松弛是在總變形量一定的特定條件下一局部彈性變形轉變

為非彈性變形；而蠕變那么是在恒定應力長期作用下直接產生非彈性變形。

第六次作業(yè)（P258）

第十三章

1名詞解釋

2電化學保護保護哪幾種保護