第一篇：材料性能學復習題

1金屬的彈性模量主要取決于什么因素？為什么說它是一個對組織不敏感的力學性能指標？

金屬的彈性模量主要取決于原子間距和原子間作用力，也即金屬原子本性，晶格類型。而材料的成分和組織對它影響不大，所以說它是一個對組織不敏感性能指標。改變材料的成分和組織會對材料的強度（如屈服強度，抗拉強度）有顯著影響，但對材料的剛度影響不大。2決定金屬屈服強度的因素有哪些？

①金屬本性和晶格類型，晶格阻力—派納力，位錯運動交互作用力越強，屈服強度越高；②晶粒大小和亞結構，晶粒減小，屈服強度增加；③溶質元素，加入溶質元素將產生晶格畸變，與位錯應力場交互運動，提高屈服強度；④第二相，不可逆變形第二相將增加流變應力，提高屈服強度，可你變形第二相將產生界面能，提高屈服強度；⑤溫度，派納力屬于短程力，對溫度十分敏感，溫度升高，屈服強度降低⑥應變速率，應變速率大，強度增加；⑦應力狀態，切應力分量越大，越有利塑性變形，屈服強度降低。

3韌性斷裂和脆性斷裂的區別。為什么脆性斷裂更加危險。韌性斷裂：斷裂前產生明顯宏觀塑性變形，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，灰暗色。斷口三要素：纖維區，放射區，剪切唇，這三個區域的比例關系與材料韌度有關，塑性越好，放射線越粗大，塑性越差，放射線變細甚至消失。

脆性斷裂：斷裂前基本上不發生塑性變形的突然斷裂。斷裂面與正應力垂直，斷口平齊而光滑，呈放射狀或結晶狀。（脆性斷裂也產生微量塑性變形，斷面收縮率一般小于5%）

4對金屬材料韌脆轉變的影響因素。

①材料成分，凡加入合金元素引起滑移系減少，孿生，位錯釘扎的都增加脆性，若合金中形成粗大第二相也增加脆性；②雜質，聚集在晶界上的雜質會降低材料的塑性，發生脆斷；③bcc金屬具有低溫脆斷現象，同時在低溫下，塑性變形一孿生為主，易于產生裂紋，低溫脆性大；④晶粒大小，晶粒小，晶界多，不易產生裂紋，也不易擴展，細化晶粒將提高抗脆性能；⑤應力狀態，減少切應力和正應力的比值都將增加金屬的脆性；⑥加載速度，加載速度大，金屬會發生韌脆轉變。

5缺口拉伸是應力分布有何特點

缺口截面上的應力分布是不均勻的，軸向應力在缺口根部最大，離開根部的距離增大，應力不斷減小，即在根部產生應力集中。

6今有如下零件和材料等需要測定硬度，試說明選用何種硬度試驗方法為宜。滲碳層的硬度分布 HK或顯微HV 淬火鋼HRC 灰鑄鐵HB 鑒別鋼種的隱晶馬氏體和殘余奧氏體顯微HV或HK 儀表小黃銅齒輪HV 龍門刨床導軌HS HL 滲氮層HV 高速鋼刀具HRC 退火態低碳鋼HB 硬質合金HRA 火車彈簧HRA 退火狀態下軟鋼HRB 7試說明低溫脆性的物理本質及其影響因素

低溫脆性的本質是材料屈服強度隨溫度降低急劇增加，其影響因素包括晶體結構，化學成分，顯微組織（晶粒大小，晶相組織），溫度，加載速率，試樣的形狀和尺寸。

8韌脆轉變的確定方法有哪些？

①當低于某一溫度材料吸收的沖擊能量基本上不隨溫度變化，形成一個平臺，該能量為低階能，以低階能開始上升的溫度定義，記作NDP②高于某一溫度材料吸收的能量也基本不變，形成一平臺，成為高階能，以高階能對應的溫度定義，記作FTP ③以低階能和高階能的平均值對應的溫度定義，記作 FTE④通常取結晶區占整個斷口面積50%的溫度為韌脆轉變溫度，記作FATT50 9試說明低應力脆斷的原因及方法 原因：與材料內部一定尺寸的裂紋相關，當裂紋在給定的作用力下擴展臨界尺寸時就會突然破壞。

防止方法：添加細化晶粒的合金元素，細化晶粒，形成板條馬氏體及殘留奧氏體薄膜增強韌性，溫度越低，脆性一般就越大，增加應變速率也會降低塑性，因此要降低溫度和應變速率。

10應力場強度因子以及斷裂韌度

應力場強度因子是力學參量，表示裂紋體中裂紋尖端的應力應變場強度的大小，它取決于外加應力，試樣尺寸和裂紋類型，而和材料無關；斷裂韌度是材料的力學性能指標，表示材料在平面應變的狀態下抵抗裂紋失穩擴展的能力，它決定于材料的成分，結構等內在因素，而以外加應力及試樣尺寸等外在因素無關。11疲勞斷口有什么特點

有源疲勞。在形成疲勞裂紋之后，裂紋慢速擴展，形成貝殼狀或海灘狀條紋。這種條紋開始時比較密集，以后間距逐漸增大。由于載荷的間斷或在和大小的改變，裂紋經過多次張開閉合并由于裂紋表面的相互摩擦，形成一條條光亮的弧線，叫做疲勞裂紋前沿線，這個區域通常稱為疲勞裂紋擴展區，而最后斷裂區和靜載下帶尖銳缺口試樣的斷口相似。對于塑性材料，斷口為纖維狀，對于脆性材料，則為結晶狀斷口。總之，一個典型的疲勞斷口總是由疲勞源，疲勞裂紋擴展區和最終斷裂區三部分構成。

12什么是裂紋斷裂門檻值，那些因素影響其值大小？

把裂紋擴展的每一微小過程看成是裂紋體小區域的斷裂過程，則 設想應力強度因子幅度△K=Kmax-Kmin 是疲勞裂紋擴展的控制因子，當△K 小于某臨界值△Kth 時，疲勞裂紋不擴展，所以△Kth 叫疲勞裂紋擴展的門檻 值。應力比、顯微組織、環境及試樣的尺寸等因素對△Kth 的影響很大。13提高零件的疲勞壽命有

①只要能降低第二相或夾雜物的脆性，提高相界面強度，控制第二相或夾雜物的數量，形態，大小，分布，均可抑制或延緩疲勞裂紋的萌生。②晶界強化，凈化和晶粒細化，可以提高材料疲勞壽命，細化晶粒既能阻止疲勞裂紋在晶界處萌生，又能阻止疲勞裂紋的擴展，提高疲勞強度。③表面強化處理可在機件表面產生有利的殘余壓應力，阻止疲勞裂紋的擴展，同時還能提高機件表面強度和硬度。14如何判斷某一零件的破壞是由應力腐蝕引起的

①應力腐蝕顯微裂紋常有分叉的現象，呈枯樹枝狀，即：有一主裂紋擴展較快，其他分支裂紋擴展較慢根據這一特征可以區分；②采用極化實驗方法：當外加小的陽極電流而縮短產生裂紋時間的是應力腐蝕，當外加小的陰極電流而縮短產生裂紋時間的是氫致延滯性斷裂。

15何為氫致延滯性斷裂？為什么高強度的鋼的氫致延滯性斷裂是在一定的應變速率和一定的溫度范圍內出現？ 高強度鋼種固溶一定量的氫，在對于屈服強度的應力持續作用下，經過一段時間的孕育，金屬內部形成裂紋，發生斷裂的現象叫做氫致延滯性斷裂。

氫固溶在金屬晶格中，產生晶格膨脹畸變，與刃位錯交互作用，氫易遷移到位錯應力處，形成氫氣團。當應變速率較低而溫度較高時，氫氣團能夠跟上位錯運動，但滯后位錯一定距離，對位錯起釘扎作用，產生局部硬化。當位錯塞積聚集，產生應力作用，導致微裂紋。當應變速率過高及溫度較低的情況下，氫氣團不能跟上位錯運動，便不能產生釘扎作用，也不可能在位錯塞積聚集，產生微裂紋。16粘著磨損產生的條件、機理及其防止措施-----又稱為咬合磨損，在滑動摩擦條件下，摩擦副相對滑動速度較小，因缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應力 超過實際接觸點處屈服強度而產生的一種磨損。磨損機理： 實際接觸點局部應力引起塑性變形，使兩接觸面的原子產生粘著。粘著點從軟的一方被剪斷轉移到硬的一方金屬表面，隨后脫落形成磨屑 舊的粘著點剪斷后，新的粘著點產生，隨后也被剪斷、轉移。如此重復，形 成磨損過程。

改善粘著磨損耐磨性的措施 1.選擇合適的摩擦副配對材料 選擇原則：配對材料的粘著傾向小 互溶性小 表面易形成化合物的材料 金屬與非金屬配對 2.采用表面化學熱處理改變材料表面狀態 進行滲硫、磷化、碳氮共滲等在表面形成一層化合物或非金屬層，即避免摩 擦副直接接觸又減小摩擦因素。3.控制摩擦滑動速度和接觸壓力 減小滑動速度和接觸壓力能有效降低粘著磨損。4.其他途徑 改善潤滑條件，降低表面粗糙度，提高氧化膜與機體結合力都能降低粘著磨 損。

17影響接觸疲勞壽命的因素？

內因 1.非金屬夾雜物 脆性非金屬夾雜物對疲勞強度有害 適量的塑性非金屬夾雜物（硫化物）能提高接觸疲勞強度 塑性硫化物隨基體一起塑性變形，當硫化物把脆性夾雜物包住形成共生夾雜 物時，可以降低脆性夾雜物的不良影響。生產上盡可能減少鋼中非金屬夾雜物。2.熱處理組織狀態 接觸疲勞強度主要取決于材料的抗剪切強度，并有一定的韌性相配合。當馬氏體含碳量在 0.4~0.5w%時，接觸疲勞壽命最高。馬氏體和殘余奧氏體的級別 殘余奧氏體越多，馬氏體針越粗大，越容易產生微裂紋，疲勞強度低。未溶碳化物和帶狀碳化物越多，接觸疲勞壽命越低。3.表面硬度和心部硬度 在一定硬度范圍內，接觸疲勞強度隨硬度的升高而增加，但并不保持正比線 性關系。表面形成一層極薄的殘余奧氏體層，因表面產生微量塑性變形和磨損，增加 了接觸面積，減小了應力集中，反而增加了接觸疲勞壽命。滲碳件心部硬度太低，表層硬度梯度過大，易在過渡區內形成裂紋而產生深 層剝落。表面硬化層深度和殘余內應力 硬化深度要適中，殘余壓應力有利于提高疲勞壽命。外因 1.表面粗糙度 減少加工缺陷，降低表面粗糙度，提高接觸精度，可以有效增加接觸疲勞壽 命。接觸應力低，表面粗糙度對疲勞壽命影響較大 接觸應力高，表面粗糙度對疲勞壽命影響較小 2.硬度匹配 兩個接觸滾動體的硬度和裝配質量等都應匹配適當。18金屬材料在高溫下的變形機制與斷裂機制，和常溫比較有什么不同 機制：高溫下的蠕變主要是通過位錯攀移，原子擴散等機理進行的。常溫下，若滑移面的位錯運動受阻產生塞積，滑移便不能繼續進行，只有在更大的切應力作用下，才能是位錯重新運動和增值。但在高溫作用下，位錯可借助外界提供的熱激活能和空位擴散來克服某些短程障礙。擴散蠕變，是由于在高溫條件下大量原子和空位定向移動。此外，高溫下，由于晶界上的原子容易擴散，受力后易產生滑移，促進蠕變變形，這就是晶界滑動蠕變。斷裂機制：金屬材料在長時高溫的斷裂，大多為沿晶斷裂，這是由于晶界滑動在晶界上形成裂紋并逐漸擴展引起的。高溫下，裂紋出現在境界上的突起部位和細小的第二相質點附近，由于晶界滑動而產生空洞，最終導致沿晶斷裂。19提高材料的蠕變抗力有哪些途徑 合金化學成分：在基體金屬中加入合金元素形成單相固溶體。加入能夠形成彌散相的合金元素能夠增加晶界擴散激活能的元素。冶煉工藝：珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工藝。奧氏體耐熱鋼或合金一般進行固溶處理和時效。采用形變熱處理改變晶界形狀并在晶內形成多邊化的亞晶界。

晶粒度：使用溫度低于等強溫度時，晶粒細化。奧氏體耐熱鋼及鎳基合金一般以2到4級晶粒度較好。

第二篇：材料性能學復習題

材料性能學復習題

適用于材料成型與控制工程專業

一、填空

1、σe表示材料的彈性極限

；σp表示材料的比例極限

；σs表示材料的屈服強度

；σb表示材料的抗拉強度。

2、斷口的三要素是

纖維區、放射區

和

剪切唇

。微孔聚集型斷裂的微觀特征是

韌窩

；解理斷裂的微觀特征主要有

解理臺階

和

河流和舌狀花樣

；沿晶斷裂的微觀特征為

晶粒狀

斷口和

冰糖塊狀

斷口。

3、應力狀態系數α值越大，表示應力狀態越

軟，材料越容易產生

塑性變形和延性斷裂

。為測量脆性材料的塑性，常選用應力狀態系數α值

大的實驗方法，如

壓縮

等。

4、在扭轉實驗中，塑性材料的斷裂面與試樣軸線

垂直，斷口

平齊，這是由

切

應力造成的切

斷；脆性材料的斷裂面與試樣軸線

450角，這是由

正

應力造成的正

斷。與靜拉伸試樣的宏觀斷口特征

相反。

5、材料截面上缺口的存在，使得缺口根部產生

應力集中

和

雙（三）向應力，試樣的屈服強度

升高，塑性

降低。

6、低溫脆性常發生在具有

體心立方或密排六方

結構的金屬及合金中，而在面心立方

結構的金屬及合金中很少發現。

7、在平面應變斷裂韌性KIC

測試過程中，對試樣的尺寸為，其中B、a、（W-a）分別是三點彎曲試樣的厚度、裂紋長度和韌帶長度，σs是材料的屈服強度；這樣要求是為了保證裂紋尖端處于

平面應變

和

小范圍屈服

狀態；平面應變狀態下的斷裂韌性KIC

小于

平面應力狀態下的斷裂韌性KC。

8、按斷裂壽命和應力水平，疲勞可分為

高周疲勞

和

低周疲勞

；疲勞斷口的典型特征是

疲勞條紋（貝紋線）。

9、對材料的磨損，按機理可分為

粘著

磨損，磨粒

磨損，疲勞

磨損、腐蝕

磨損、沖蝕磨損和微動磨損等形式。

10、材料的拉伸力學性能，包括屈服強度、抗拉強度和實際斷裂強度等強度指標和延伸率

和

斷面收縮率等塑性指標。

12、彈性滯后環是由于材料的加載線和卸載線不重合而產生的。對機床的底座等構件，為保證機器的平穩運轉，材料的彈性滯后環越大

越好；而對彈簧片、鐘表等材料，要求材料的彈性滯后環越小

越好。

13、材料的斷裂按斷裂機理分可分為微孔聚集型斷裂，解理斷裂

和

沿晶

斷裂；按斷裂前塑性變形大小分可分為延性

斷裂和

脆性

斷裂

14、在扭轉實驗中，塑性材料的斷裂面與試樣軸線垂直

；脆性材料的斷裂面與試樣軸線成450角。

15、根據外加應力的類型及其與裂紋擴展面的取向關系，裂紋擴展的基本方式有_張開型(Ⅰ型)裂紋擴展__、滑開型(Ⅱ型)裂紋擴展和撕開型(Ⅲ型)裂紋擴展_三類。

16、根據構件的受力狀態，環境敏感斷裂可分為應力腐蝕開裂，腐蝕疲勞，腐蝕磨損和

微動磨損等四類

17、材料的韌性是表征材料在外力作用下，從變形到斷裂全過程中吸收塑性變形功和斷裂功的能力。根據試樣形狀和加載速率，材料的韌性可分為光滑試樣的靜力韌性、缺口

試樣的沖擊韌性和裂紋

試樣的斷裂韌性。

18、應力強度因子反映了裂紋尖端區域應力場的強度，它綜合反映了_外加應力_和裂紋位置、_長度_對裂紋尖端應力場強度的影響。

19、對于材料的靜拉伸實驗，在整個拉伸過程中的變形分為彈性變形、塑性變形和__斷裂_三個階段，塑性變形又可分為_屈服____、均勻塑性變形和__不均勻集中塑性變形_三個階段。

20、材料塑性的評價，在工程上一般以光滑圓柱試樣的拉伸伸長率和_斷面收縮率_作為塑性性能指標。常用的伸長率指標有_最大應力下非比例伸長率_、最大應力下總伸長率和最常用的_斷后伸長率_三種。

二、判斷題：

1）構件的剛度Q與材料的彈性模量E成正比，而與構件的橫截面積A成反比。（×）

2）對機床的底座等構件，為保證機器的平穩運轉，材料的彈性滯后環越大越好；而對彈簧片、鐘表等材料，要求材料的彈性滯后環越小越好。（√）

3）Bauschinger效應是指經過預先加載變形，然后再反向加載變形時材料的彈性極限升高的現象。（×）

4）鑒于彎曲試驗的特點，彎曲試驗常用于鑄鐵、硬質合金等韌性材料的性能測試。（×）

5）在韌性材料的沖擊試樣斷口上，裂紋會在距缺口一定距離的試樣內部萌生，而不是在缺口根部。（√）

6）利用雙原子模型計算出的材料理論斷裂強度比實際值高出1~3個數量級，這是因為該計算模型不正確。（×）。

7）材料的低周疲勞行為，常通過S-N曲線來表示。（×）

8）奧氏體不銹鋼在硝酸鹽溶液溶液中容易發生應力腐蝕開裂。（×）

9）晶粒與晶界兩者強度相等的溫度，稱為等強溫度。（√）

10）應力松弛是指高溫服役的零件或材料在應力保持不變的條件下，其中的應變自行降低的現象。（×）

1、磨損包括三個階段，這三個階段中均能觀察到摩擦現象，最后發生疲勞韌脆性斷裂。（×）

2、應力狀態軟性系數越大，最大切應力分量越大，表示應力狀態越軟，材料越易于產生塑性變形；反之，應力狀態軟性系數越小，表示應力狀態越硬，則材料越容易產生脆性斷裂。（√）

3、斷裂δ判據是裂紋開始擴展的斷裂判據，而不是裂紋失穩擴展的斷裂判據，顯然，按這種判據設計構件是偏于保守的。（√）

4、測量陶瓷、鑄鐵的沖擊吸收功時，一般采用夏比U型缺口試樣，很少采用X型及無缺口沖擊試樣。（×）

5、應力腐蝕斷裂速度遠大于沒有應力時的腐蝕速度，又遠小于單純力學因素引起的斷裂速度。（√）

6、工程設計和材料選用中一般以工程應力、工程應變為依據；但在材料科學研究中，真應力與真應變具有更重要的意義。（√）

7、同一材料用不同的硬度測定方法所測得的硬度值是不相同的，且完全不可以互相轉換。（×）

8、缺口使塑性材料得到“強化”，因此，可以把“缺口強化”看作是強化材料的一種手段，提高材料的屈服強度。（×）

9、接觸疲勞過程是在純滾動的條件下產生的材料局部破壞，也經歷了裂紋形成與擴展兩個階段。（×）

10、疲勞強度屬于強度類力學性能指標，是屬于高溫拉伸的力學性能指標。（×）

二、選擇題：

1）拉伸試樣的直徑一定，標距越長則測出的斷面收縮率會（C）。

a)

越高；b)

越低；c)

不變；d)

無規律可循

2）材料的彈性比功，可通過（B）來得到提高。

a)

提高抗拉強度、降低彈性模量；b)

提高彈性極限、降低彈性模量；

c)

降低彈性極限、降低彈性模量；d)

降低彈性極限、提高彈性模

3）單向壓縮條件下的應力狀態系數為（D）。

a)

0.5；b)

1.0；c)

0.8；d)

2.0

4）從化學鍵的角度看，一價鍵材料的硬度變化規律是（A）。

a)

離子鍵＞金屬鍵＞氫鍵；b)

離子鍵＞氫鍵＞金屬鍵；

c)

氫鍵＞金屬鍵＞離子鍵；d)

金屬鍵＞離子鍵＞氫鍵

5）HRC是（D）的一種表示方法。

a)

維氏硬度；b)

努氏硬度；c)

肖氏硬度；d)

洛氏硬度

6）在缺口試樣的沖擊實驗中，缺口試樣的厚度越大，試樣的沖擊韌性越（C）、韌脆轉變溫度越（）。

a)

大、高；b)

小、低；c)

小、高；d)

大、低

7）I型（張開型）裂紋的外加應力與裂紋面（B）；而II型（滑開型）裂紋的外加應力與裂紋面（）。

a)

平行、垂直；b)

垂直、平行；c)

成450角、垂直；d)

平行、成450角

8)

平面應變條件下裂紋尖端的塑性區尺寸（B）平面應力下的塑性區。

a)

大于；b)

小于；

c)

等于；

d)

不一定

9）對稱循環應力的應力比R為（C）。

a)

0；b)

1；

c)

-1；

d)

∞

10）KISCC表示材料的（C）。

a)

斷裂韌性；b)

沖擊韌性；c)

應力腐蝕破裂門檻值；d)

應力場強度因子

11）黃銅容易在（C）溶液中發生應力腐蝕開裂。

a)

熱堿溶液；b)

氯化物溶液；c)

氨水溶液；d)

硝酸鹽溶液

12）蠕變是指材料在（B）的長期作用下發生的塑性變形現象。

a)

恒應變；b)

恒應力；c)

恒加載速率；d)

恒定頻率

13）Tts表示給定溫度T下，恰好使材料經過規定的時間t發生斷裂的（B）。

a)

蠕變極限；b)

持久強度；c)

高溫強度；d)

抗拉強度

14）與干摩擦相比，加入潤滑劑后摩擦副間的摩擦系數將會（B）。

a)

增大；b)

減小；c)

不變；d)

不一定

1、形變強化是材料的一種特性，是下列（C）階段產生的現象。

A、彈性變形；

B、沖擊變形；

C、均勻塑性變形；

D、屈服變形。

2、缺口引起的應力集中程度通常用應力集中系數表示，應力集中系數定義為缺口凈截面上的（A）與平均應力之比。

A、最大應力；

B、最小應力；

C、屈服強度；

D、抗拉強度。

3、因相對運動而產生的磨損分為三個階段：（A）、穩定磨損階段和劇烈磨損階段。

A、磨合階段；

B、疲勞磨損階段；C、輕微磨損階段；D、不穩定磨損階段。

4、在拉伸過程中，在工程應用中非常重要的曲線是（B）。

A、力—伸長曲線；

B、工程應力—應變曲線；

C、真應力—真應變曲線。

5、韌度是衡量材料韌性大小的力學性能指標，是指材料斷裂前吸收（A）的能力。

A、塑性變形功和斷裂功；

B、彈性變形功和斷裂功；

C、彈性變形功和塑性變形功；

D、塑性變形功。

6、蠕變是材料的高溫力學性能，是緩慢產生（B）直至斷裂的現象。

A、彈性變形；

B、塑性變形；

C、磨損；

D、疲勞。

7、缺口試樣中的缺口包括的范圍非常廣泛，下列（C）可以稱為缺口。

A、材料均勻組織；B、光滑試樣；C、內部裂紋；D、化學成分不均勻。

8、最容易產生脆性斷裂的裂紋是（A）裂紋。

A、張開；

B、表面；

C、內部不均勻；

D、閉合。

9、空間飛行器用的材料，既要保證結構的剛度，又要求有較輕的質量，一般情況下使用（C）的概念來作為衡量材料彈性性能的指標。

A、楊氏模數；

B、切變模數；

C、彈性比功；

D、比彈性模數。

10、KⅠ的腳標表示I型裂紋，I型裂紋表示（A）裂紋。

A、張開型；

B、滑開型；

C、撕開型；

D、組合型。

11、拉伸試樣的直徑一定，標距越長則測出的抗拉強度會（C）。

a)

越高；b)

越低；c)

不變；d)

無規律可循

12、與維氏硬度值可以互相比較的是（A）。

a)

布氏硬度；b)

洛氏硬度；c)

莫氏硬度；d)

肖氏硬度

13、扭轉加載的應力狀態系數（A）單向拉伸的應力狀態系數。

a)

大于；b)

小于；c)

等于；d)

無關系

14、雙原子模型計算出的材料理論斷裂強度比實際值高出1~3個數量級，是因為（C）。

a)

模型不正確；b)

近似計算太粗太多；c)

實際材料有缺陷；d)

實際材料無缺陷

15、平面應變條件下裂紋尖端的塑性區尺寸（B）平面應力下的塑性區。

a)

大于；b)

小于；

c)

等于；

d)

不一定

16、在研究低周疲勞中，常通過控制（B）的方式進行。

a)

應力；

b)

應變；c)

時間；d)

頻率

17、⊿Kth表示材料的（B）。

a)

斷裂韌性；

b)

疲勞裂紋擴展門檻值；c)

應力腐蝕破裂門檻值；d)

應力場強度因子

18、奧氏體不銹鋼在（B）溶液中容易發生應力腐蝕開裂。

a)

熱堿溶液；

b)

氯化物溶液；c)

氨水溶液；d)

硝酸鹽溶液

19、細晶強化是非常好的強化方法，但不適用于（A）。

a)

高溫；b)

中溫；c)

常溫；d)

低溫

三、名詞解釋：

1、包申格效應：材料預先加載產生少量塑性變形，卸載后再同向加載，規定殘余應力（彈性極限或屈服強度）增加；反向加載，規定殘余應力降低的現象。

2、滯彈性：快速加載或卸載后，材料隨時間的延長而產生的附加彈性應變的性能。

3、剛度：在彈性變形范圍內，構件抵抗變形的能力。

4、彈性不完整性：彈性變形時加載線與卸載線不重合、應變落后于應力的現象。

5、形變強化：材料發生屈服應變后，屈服應力隨屈服應變增加而增大的現象。

6、等強溫度：晶粒與晶界強度相等的溫度。

7、摩擦：兩個相互接觸的物體在外力作用下發生相對運動或有相對運動趨勢，接觸面上具有阻止相對運動或相對運動趨勢的作用，這種現象稱為摩擦。

8、規定非比例伸長應力與彈性極限

1)規定非比例伸長應力，即試驗時非比例伸長達到原始標距長度規定的百分比時的應力，表示此應力的符號附以角注說明。

2)彈性極限是材料由彈性變形過渡到彈—塑性變形時的應力，應力超過彈性極限以后材料便開始產生塑性變形。

9、低溫脆性：當試驗溫度低于某一溫度時，材料由韌性狀態轉變為脆性狀態。

10、韌脆轉變溫度：材料在某一溫度t下由韌變脆，沖擊功明顯下降。該溫度即韌脆轉變溫度。

11、韌性斷裂與裂紋尖端張開位移

韌性斷裂是材料斷裂前及斷裂過程中產生明顯宏觀塑性變形的斷裂過程。

裂紋體受載后，在裂紋尖端沿垂直裂紋方向所產生的位移，稱為裂紋尖端張開位移。

12、變動載荷與疲勞強度

變動載荷是指載荷大小，甚至方向隨時間變化的裁荷。

疲勞強度為在指定疲勞壽命下，材料能承受的上限循環應力，疲勞強度是保證機件疲勞壽命的重要材料性能指標。

13、靜力韌度與疲勞裂紋擴展速率

通常將靜拉伸的σ-ε曲線下包圍的面積減去試樣斷裂前吸收的彈性能定義為靜力韌度，它是派生的力學性能指標。

疲勞裂紋擴展速率指的是疲勞裂紋亞穩擴展階段的速率．該階段是疲勞過程第Ⅱ階段，是材料整個疲勞壽命的主要組成部分。

四、簡答題：

1、簡述洛氏硬度試驗方法的優缺點。

答：洛氏硬度試驗的優點是：

（1）因有硬質、軟質兩種壓頭，故適于各種不同硬質材料的檢驗，不存在壓頭變形問題。

（2）因為硬度值可從硬度機的表盤上直接讀出，故測定洛氏硬度更為簡便迅速，工效高。

（3）對試件表面造成的損傷較小，可用于成品零件的質量檢驗。

（4）因加有預載荷，可以消除表面輕微的不平度對試驗結果的影響。

洛氏硬度的缺點是：

（1）洛氏硬度存在人為的定義，使得不同標尺的洛氏硬度值無法相互比較，不象布氏硬度可以從小到大統一起來。

（2）由于壓痕小，所以洛氏硬度對材料組織的不均勻性很敏感，測試結果比較分散，重復性差，因而不適用具有粗大組成相(如灰鑄鐵中的石墨片)或不均勻組織材料的硬度測定。

2、與純機械疲勞相比，腐蝕疲勞有何特點？

答：與純機械疲勞相比，在水介質中的腐蝕疲勞具有以下的特點：

(1)

在腐蝕疲勞的S~N曲線上，沒有像大氣疲勞那樣具有水平線段，即不存在無限壽命的疲勞極限值。即使交變應力很低，只要循環次數足夠大，材料總會發生斷裂。

(2)

腐蝕疲勞極限與靜強度之間沒有直接的關系。

(3)

在大氣環境中，當加載頻率小于1000Hz時，頻率對疲勞極限基本上無影響。但腐蝕疲勞對加載頻率十分敏感，頻率越低，疲勞強度與壽命也越低。

(4)

腐蝕疲勞條件下裂紋極易萌生，故裂紋擴展是疲勞壽命的主要組成部分。而大氣環境下，光滑試樣的裂紋萌生是疲勞壽命的主要部分。

3、與常溫下力學性能相比，金屬材料在高溫下的力學行為有哪些特點？

答：與常溫下力學性能相比，金屬材料在高溫下的力學行為有如下的特點：

（1）材料在高溫下將發生蠕變現象。即在應力恒定的情況下，材料在應力的持續作用下不斷地發生變形。

（2）材料在高溫下的強度與載荷作用的時間有關了。載荷作用的時間越長，引起一定變形速率或變形量的形變抗力及斷裂抗力越低。

（3）材料在高溫下工作時，不僅強度降低，而且塑性也降低。應變速率越低，載荷作用時間越長，塑性降低得越顯著。因而在高溫下材料的斷裂，常為沿晶斷裂。

（4）在恒定應變條件下，在高溫下工作的材料還會應力松弛現象，即材料內部的應力隨時間而降低的現象。

4、控制摩擦磨損的方法有哪些？

答：對材料的摩擦磨損，其控制方法如下：

（1）潤滑劑的使用：在相對運動的摩擦接觸面之間加入潤滑劑，使兩接觸表面之間形成潤滑膜，變干摩擦為潤滑劑內部分子間的內摩擦，從而達到減少摩擦表面摩擦、降低材料磨損的目的。

（2）摩擦材料的選擇：根據摩擦的具體工況(載荷、速度、溫度、介質等)，選擇合理的摩擦副材料（減摩、摩阻、耐磨），也可達到降低材料摩擦磨損的目的。

（3）材料的表面改性和強化：利用各種物理的、化學的或機械的工藝手段如機械加工強化處理、表面熱處理、擴散處理和表面覆蓋處理，使材料表面獲得特殊的成分、組織結構與性能，以提高材料的耐磨性能。

5、影響材料低溫脆性的因素有哪些？

解：○1晶體結構，體心立方存在低溫脆性，面心立方及其合金一般不存在低溫脆性。○2化學成分，間隙溶質原子含量增加，韌脆轉變溫度提高。○3顯微組織，細化晶粒課是材料韌性增加。金相組織也有影響，低強度水平時，組織不同的剛，索氏體最佳。○4溫度，在某一范圍內碳鋼和某些合金可能出現藍脆。○5加載速率，提高加載速率韌脆轉變溫度提高。○6試樣形狀和尺寸，缺口曲率半徑越小，韌脆轉變溫度越高。

6、解釋形變強化的概念，并闡述其工程意義。

答：拉伸試驗中，材料完成屈服應變后，隨應變的增加發生的應力增大的現象，稱為形變強化。材料的形變強化規律，可用Hollomon公式S=Kεn描述。

形變強化是金屬材料最重要的性質之一，其工程意義在于：

1）形變強化可使材料或零件具有抵抗偶然過載的能力，阻止塑性變形的繼續發展，保證材料安全。

2）形變強化是工程上強化材料的重要手段，尤其對于不能進行熱處理強化的材料，形變強化成為提高其強度的非常重要的手段。

3）形變強化性能可以保證某些冷成形如冷拔線材和深沖成形等工藝的順利進行。

8、簡述布氏硬度試驗方法的原理、計算方法和優缺點。

答：a)

測試原理：用一定的壓力P將直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球壓入試樣表面，保持規定的時間后卸除壓力，于是在試件表面留下壓痕（壓痕的直徑和深度分別為d和h）。布氏硬度用單位壓痕表面積A上所承受的平均壓力表示。

b)

計算方法：

c)

優缺點：

優點：1)

分散性小，重復性好，能反映材料的綜合平均性能。

2)

可估算材料的抗拉強度。

缺點：1)

不能測試薄件或表面硬化層的硬度。

2)

試驗過程中，常需要更換壓頭和實驗載荷，耗費人力和時間。

9、解釋平面應力和平面應變狀態，并用應力應變參數表述這兩種狀態。

答：對薄板，由于板材較薄，在厚度方向上可以自由變形，即0zs=。這種只在兩個方向上存在應力的狀態稱為平面應力。

對厚板，由于厚度方向變形的約束作用，使得ｚ方向不產生應變，即0ze=，這種狀態稱為平面應變。

10、什么是低溫脆性？并闡述低溫脆性的物理本質。

答：材料因溫度的降低由韌性斷裂轉變為脆性斷裂，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型變為穿晶解理，斷口特征由纖維狀變為結晶狀的現象，稱為低溫脆性或冷脆。

低溫脆性是材料屈服強度隨溫度的下降而急劇增加、但材料的斷裂強度σf卻隨溫度變化較小的結果。

112、簡述缺口的兩個效應，并畫出厚板缺口拉伸時彈性狀態下的應力分布圖。

13、簡述氫脆的類型及其特征。

14、簡述韌性斷裂和脆性斷裂，并畫出典型宏觀韌性斷口示意圖，并標注各區名稱。

答：韌性斷裂：①明顯宏觀塑性變形；②裂紋擴展過程較慢；

③斷口常呈暗灰色、纖維狀。④塑性較好的金屬材料及高分子材料易發生韌斷。

脆性斷裂：①無明顯宏觀塑性變形；②突然發生，快速斷裂；

③斷口宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結晶狀。④淬火鋼、灰鑄鐵、玻璃等易發生脆斷。

15、描述典型疲勞斷口的特征，畫出典型疲勞斷口示意圖，并標注各區名稱。

答：典型疲勞斷口具有3個特征區：疲勞源、疲勞裂紋擴展區、瞬斷區。

16、簡述缺口的三個效應是什么?

答：(1)缺口造成應力應變集中，這是缺口的第一個效應。(2)缺口改變了缺口前方的應力狀態，使平板中材料所受的應力由原來的單向拉伸改變為兩向或三向拉伸，這是缺口的第二個效應。(3)缺口使塑性材料強度增高，塑性降低，這是缺口的第三個效應。

17、應力腐蝕斷裂的定義和腐蝕斷裂形態是什么。

答：應力腐蝕斷裂是指金屬材料在拉應力和特定介質的共同作用下所引起的斷裂。金屬發生應力腐蝕時，僅在局部區域出現從表及里的裂紋．裂紋的共同特點是在主干裂紋延伸的同時，還有若干分支同時發展．裂紋的走向宏觀上與拉應力方向垂直．微觀斷裂機理一般為沿晶斷裂，也可能為穿晶解理斷裂或二者的混合．斷裂表面可見到“泥狀花樣”的腐蝕產物及腐蝕坑。

六、計算題：

1、利用Hollomon公式S=Kεn，推導應力-應變曲線上應力達到最大值時開始產生頸縮的條件。

解：應力－應變曲線上的應力達到最大值時開始頸縮。在應力－應變曲線的最高點處有：,其中P和S分別是試樣截面積為A時的載荷和真應力。

由于頸縮開始前試樣的變形是均勻分布的，所以有試樣的體積不變，即lA=常數，或Adl+ldA=0。并考慮到應變的定義，可得：

由dP=0可得：

e

所以

這就是頸縮判據。說明頸縮開始于應變強化速率dS/dε與真應力相等的時刻。

由Hollomon公式S=Kεn和應變強化指數n的定義得出：

將頸縮條件代入上式，得：

n

=

εb

（1分）

說明在頸縮開始時的真應變在數值上與應變強化指數n相等。

2、已知某構件中存在長度為2a0的中心穿透裂紋，構件材料的斷裂韌性為、疲勞裂紋擴展的門檻值為。若該構件在最大應力為σ的脈動應力下工作，且。試用疲勞裂紋擴展速率的表達式，推導該構件的剩余疲勞壽命Nc。

解：對具有中心穿透裂紋的構件。由于構件在最大應力為σ的脈動應力下工作，所以

；且由于，故可以利用Paris公式計算構件的剩余壽命。

中心裂紋的初始長度為a0；而最終裂紋長度可根據求得：，即

根據Paris公式，而，則有：

所以：

對上式進行積分，當m=2時，有：

當m≠2時，有：

3、對質點均勻分布的兩相合金，如質點間距為λ，試用無限大板中心貫穿裂紋（裂紋長度為2a）延長線上的應力場強度分布公式、虎克定律ε=σ/E、最大均勻真應變εb和應變強化指數n，推導材料斷裂韌性KIC的表達式。

解：已知材料為含有均布第二相質點的兩相合金，質點間距為lλ，物體受力后裂紋頂端出現一塑性區，隨著外力增加，塑性區增大，當塑性區與裂紋前方的第一個質點相遇時，即塑性區尺寸

時，質點與基體界面開裂形成孔洞。孔洞與裂紋之間的材料好像一個小的拉伸試樣。當這個小拉伸試樣斷裂時，裂紋便開始向前擴展，此時的KI因子就是材料的斷裂韌性KIC。

裂紋頂端塑性區內的應力為材料的屈服強度。彈性區內的應力分布為。根據虎克定律在彈性區與塑性區的交界處，即l點，應變為

圖1

Krafft斷裂模型

假定裂紋頂端與孔洞之間的小試樣的斷裂條件與單向拉伸時的斷裂條件相同。當塑性區內的應變達到單向拉伸頸縮時的應變時，即最大的均勻真應變be時，小試樣便出現塑性失穩。

于是，裂紋擴展的臨界條件就是塑性區的應變ye達到該材料的最大均勻真應變。而=n（n為應變強化指數）。因此，裂紋擴展的臨界條件為：

pl

所以，微孔集聚型斷裂的斷裂韌性為：

4、有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探傷發現有20mm長的橫向穿透裂紋，若在平均軸向拉應力900MPa下工作，試計算KI及塑性區寬度R0，并判斷該件是否安全？

解：由題意知穿透裂紋受到的應力為σ=900MPa

根據σ/σ0.2的值，確定裂紋斷裂韌度KIC是否休要修正

因為σ/σ0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂紋斷裂韌度KIC需要修正

對于無限板的中心穿透裂紋，修正后的KI為：

（MPa*m1/2）

塑性區寬度為：

=0.004417937(m)=

2.21(mm)

比較K1與KIc：

因為K1=168.13（MPa*m1/2）

KIc=115（MPa*m1/2）

所以：K1>KIc，裂紋會失穩擴展,所以該件不安全。

7、一塊含有長為16mm中心穿透裂紋[KⅠ=

σ(πa)1/2]的鋼板，受到350MPa垂直于裂紋平面的應力作用。（1）如果材料的屈服強度是1400MPa，求塑性區尺寸和裂紋頂端應力場強度因子值；（2）試與第1題相比較，對應力場強度因子進行塑性修正的意義。

解：已知：

a=8mm=0.008m,σ=350

MPa,KⅠ=σ(πa)1/2

（1）σ/σs=350/1400

0.6，KⅠ=σ(πa)1/2=350×(3.14×0.008)1/2=55.5（MPa·m1/2）

R0=1/(2.828π)×(KⅠ/σs)2

=1/(2.828π)(55.5/1400)2=0.00017m=0.17mm

（2）第1題中σ/σs大于0.6，裂紋尖端不但有彈性變形，而且會有塑性變形，不符合彈性力學理論，如不進行修正，計算所得數值會與實際不符。

9、已知某材料的γs＝2J/m2，E＝2×105MPa，2.5×10-10m，(1)如存在0.8mm長的的垂直拉應力的橫向穿透裂紋（可視為無限寬薄板），求該材料的裂紋擴展的臨界應力。(2)求這種材料的理論斷裂強度，并結合(1)題，討論理論斷裂強度和實際斷裂強度。

解：(1)已知2＝0.8mm=0.0008m=8×10-4m

σc=

（Eγs/)1/2=[2×105×106×2/(4×10-4)]1/2=3.16×107Pa=

31.6

MPa

(2)

σm=（Eγs/)1/2=[2×105×106×2/(2.5×10-10)]1/2=

4×1010Pa=

4×104MPa

理論斷裂強度認為材料中沒有任何缺陷，根據原子間的結合力計算斷裂強度；而實際材料中已經存在裂紋，當平均應力還很低時，裂紋尖端的應力集中已達到很高值，從而使裂紋快速擴展并導致脆性斷裂。實際斷裂強度遠遠小于理論斷裂強度。

10、某壓力容器受到升壓降壓交變應力△σ＝120MPa作用，計算得知該容器允許的臨界裂紋長度2ac＝125mm，檢查發現該容器有一長度2a＝42mm的周向穿透裂紋，假設疲勞裂紋擴展符合Paris公式，假設疲勞擴展系數C＝2×10－10，n＝3，試計算該容器的疲勞壽命？

解：設裂紋為無線大板穿透裂紋，則

由Paris公式得

解得

N=301611、有一材料，模量E＝200GPa,單位面積的表面能γS＝8

J/m2,試計算在70MPa的拉應力作用下，該裂紋的臨界裂紋長度？若該材料裂紋尖端的變形塑性功γP＝400

J/m2，該裂紋的臨界裂紋長度又為多少？[利用格里菲斯公式和奧羅萬修正公式計算]

解：由格里菲斯公式得

由奧羅萬修正公式得

12、馬氏體時效鋼的屈服強度是2100MPa，斷裂韌度66MPa·m1/2，用這種材料制造飛機起落架，最大設計應力為屈服強度的70％，若可檢測到的裂紋長度為2.5mm，試計算其應力強度因子，判斷材料的使用安全性。[提示：假設存在的是小的邊緣裂紋，采用有限寬板單邊直裂紋模型，2b>>a;

若存在的是穿透裂紋，則應用無限大板穿透裂紋模型計算]

解：

14、對靜載拉伸實驗，試根據體積不變條件及延伸率、斷面收縮率的概念，推導均勻變形階段材料的延伸率δ與斷面收縮率ψ的關系式。

解：在均勻變形階段，由變形前后體積不變的條件可得：

于是，可推出材料的延伸率δ與斷面收縮率ψ間的關系：

yd-=+

或yyd-

上式表明，在均勻變形階段δ恒大于ψy。

15、有一大型厚板構件制造時，出現了中心穿透裂紋，若2a＝2mm，在工作應力σ＝1000MPa下工作，應該選什么材料的σ0.2與KIC配合比較合適?

已知構件材料經不同熱處理后的σ0.2與KIC值列于下表：

σ0.2/MPa

1100

1200

1300

1400

1500

KIC/

MPa*m1/2

解：

已知工作應力σ＝1000MPa；裂紋長度為2a=2mm，于是a=1mm=0.001m。構件為大型厚板結構，屬平面應變。（1）

對屈服強度為1100

MPa、斷裂韌性為110

MPa*m1/2的材料，因＝1000／1100＝0.91＞0.5，于是裂紋前端的應力強度因子KI為：

＝60.65

MPa*m1/2＜110

MPa*m1/2

因此選用該材料是安全的。（3分）

（2）對屈服強度為1200

MPa、斷裂韌性為95

MPa*m1/2的材料，因＝1000／1200＝0.83＞0.6，于是裂紋前端的應力強度因子KI為：

＝59.79

MPa*m1/2＜95

MPa*m1/2

因此選用該材料是安全的。（3分）

（3）對屈服強度為1300

MPa、斷裂韌性為75

MPa*m1/2的材料，因＝1000／1300＝0.77＞0.5，于是裂紋前端的應力強度因子KI為：

＝59.22

MPa*m1/2＜75

MPa*m1/2

因此選用該材料是安全的。（3分）

（4）對屈服強度為1400

MPa、斷裂韌性為60

MPa*m1/2的材料，因＝1000／1400＝0.71＞0.5，于是裂紋前端的應力強度因子KI為：

＝58.74

MPa*m1/2＜60

MPa*m1/2

因此選用該材料是安全的。（3分）

（5）對屈服強度為1500

MPa、斷裂韌性為55

MPa*m1/2的材料，因＝1000

／1500＝0.67＞0.5，于是裂紋前端的應力強度因子KI為：

＝58.38

MPa*m1/2＞55

MPa*m1/2

因此選用該材料是不安全的。

1、某一高強鋼在化學介質和外加載荷的共同作用下，常發生低應力脆斷。試從斷口和電化學的角度，闡述如何區分鋼的應力腐蝕與氫致延滯斷裂。

斷裂源位置

宏觀特征

微觀特征

二次裂紋

應力腐蝕破裂

在表面上

顏色較暗

有腐蝕產物

較多

氫

脆

在表面下

斷口光亮

無腐蝕產物

很少

答：a)

斷口特征：

13、已知由某種鋼材制作的大型厚板結構（屬平面應變），承受的工作應力為σ=560MPa，板中心有一穿透裂紋（），裂紋的長度為2a=6mm，鋼料的性能指標如下表所示：

σ=560MPa，板中心有一穿透裂紋（aKIps=），裂紋的長度為2a=6mm，鋼料的性能指標如下表所示：

溫度（℃）

σS（MPa）

KIC（MPa*m1/2）

1000

900

0

800

700

150

試求：a）該構件在哪個溫度點使用時是安全的？

b）該構件在0℃和50℃時的塑性區大小R。

c）用作圖法求出該材料的低溫脆性轉變溫度TK。

其中已知：（平面應力）；（平面應變）

（平面應力）；（平面應變）

解：已知σ=560MPa

裂紋長度為2a=6mm，于是a=0.003mm；

構件為大型厚板結構，屬平面應變。

a)

在-50℃下，＝560／1000＝0.56<0.6，于是有：

因此在-50℃下是不安全的。

在-30℃下，＝560／900＝0.62>0.6，于是有：

因此在-30℃下是不安全的。

在0℃下，＝560／800＝0.70>0.6，于是有：

因此在0℃下是安全的。

在50℃下，＝560／700＝0.80>0.6，于是有：

因此在50℃下是安全的。

該構件在0℃、50℃下是安全的。

b)

在0℃下，KI＝56.88

MPa*m1/2，σS=800MPa，所以有：

在50℃下，KI＝57.78

MPa*m1/2，σS=700MPa，所以有：

c)

由，可求出斷裂應力為p。

將裂紋長度、不同溫度下的屈服強度和斷裂韌性代入上式得：

-50℃，σcs＝306.5MPa

-30℃，σc＝497MPa

0℃，σc＝886MPa

50℃，σc＝1455MPa

（2分）

利用不同的屈服強度σss和斷裂強度σc

s與溫度作圖，如下圖：

由圖可見T~sσs和T~σcs兩條曲線相交于-7℃，于是該材料的低溫脆性轉變溫度為-7℃。

5、有一軸件平行軸向工作應力150MPa，使用中發現橫向疲勞脆性正斷，斷口分析表明有25mm深度的表面半橢圓疲勞區，根據裂紋a/c可以確定φ=1，測試材料的σ0.2=720MPa，試估算材料的斷裂韌度KIC為多少？

解：

因為σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂紋斷裂韌度KIC不需要修正

對于無限板的中心穿透裂紋，修正后的KI為：

KIC=Yσcac1/2

對于表面半橢圓裂紋，Y=1.1/φ=1.1

所以，KIC=Yσcac1/2=1.1=46.229（MPa*m1/2）

{已知平面應變修正公式為：KⅠ=Y

σ(a)1/2/[1-0.056(Yσ/σs)2]1/2,R0=1/(2.828π)×(KⅠ/σs)2)

}

σ0.2/MPa

1300

1400

1500

KⅠc/（MPa·m1/2)

0MPa的應力下工作．對下列材料應選哪一種?

解：σ/σs=1000/1300，1000/1400，1000/1500均大于0.6，所以必需進行塑性區修正。

由KⅠ=1.1

σ(πa)1/2/Φ得Y=1.1

(π)1/2/Φ所以修正后的KⅠ=1.1

σ(πa)1/2/[Φ2-0.212(σ/σs)2]1/2

（1）KⅠ=1.1

σ(πa)1/2/[Φ2-0.212(σ/σs)2]1/2

=1.1×1000×(3.14×0.001)1/2/[1.19-0.212(1000/1300)2]1/2

=59.75

MPa·m1/2

（2）KⅠ=1.1

σ(πa)1/2/[Φ2-0.212(σ/σs)2]1/2

=1.1×1000×(3.14×0.001)1/2/[1.19-0.212(1000/1400)2]1/2

=59.23

MPa·m1/2

（3）KⅠ=1.1

σ(πa)1/2/[Φ2-0.212(σ/σs)2]1/2

=1.1×1000×(3.14×0.001)1/2/[1.19-0.212(1000/1500)2]1/2

=58.91

MPa·m1/2

將三者列表比較：

σ/MPa

1000

σ0.2/MPa

1300

1400

1500

KⅠc/（MPa·m1/2)

KⅠ/（MPa·m1/2)

59.75

59.23

58.91

可見應選第一種材料。

8、一塊含有長為16mm中心穿透裂紋[KⅠ=

σ(πa)1/2]的鋼板，受到350MPa垂直于裂紋平面的應力作用。（1）如果材料的屈服強度分別是1400Mpa和385

MPa，求裂紋頂端應力場強度因子值；（2）試比較和討論上述兩種情況下，對應力場強度因子進行塑性修正的意義。

解：已知：

a=8mm=0.008m,σ=350

MPa,KⅠ=σ(πa)1/2

（1）σ/σs=350/1400

0.6，KⅠ=σ(πa)1/2=350×(3.14×0.008)1/2=55.5（MPa·m1/2）

σ/σs=350/385

0.6，所以必須進行塑性區修正，Y=

(π)1/2

KⅠ=Y

σ(a)1/2/[1-0.056(Yσ/σs)2]1/2=σ(πa)1/2/[1-0.056π(σ/σs)2]1/2

=350×(3.14×0.008)1/2/[1-0.056π(350/385)2]1/2=60（MPa·m1/2）

（2）比較列表如下：

σ/MPa

350

σ0.2/MPa

1400

KⅠ/（MPa·m1/2)

55.5

σ/σs=350/385

0.6，裂紋尖端不但有彈性變形，而且會有塑性變形，不符合彈性力學理論，如不進行修正，計算所得數值會與實際不符。

第三篇：材料性能學教學大綱

《材料性能學》課程教學大綱

一、課程基本信息 課程編碼： 課程類別：必修課 適用專業：材料化學

總 學 時：48 學 分：3 課程簡介：本課程是材料化學專業主干課程之一，屬專業基礎課。本課程主要內容為材料物理性能，以材料通用性物理性能及共同性的內容為主。通過本課程的教學，使學生獲得關于材料物理性能包括材料力學性能（受力形變、斷裂與強度）、熱學、光學、導電、磁學等性能及其發展和應用，重點掌握各種重要性能的原理及微觀機制，性能的測定方法以及控制和改善性能的措施，各種材料結構與性能的關系，各性能之間的相互制約與變化規律。

授課教材：《材料物理性能》，吳其勝、蔡安蘭、楊亞群，華東理工大學出版社，2006，10。

2、參考書目: 1.《材料性能學》，北京工業大學出版社，王從曾，2007.1 2.《材料的物理性能》，哈爾濱工業大學出版社，邱成軍等，2009.1

二、課程教育目標

通過學習材料的各種物理性能，使學生掌握以下內容：各種材料性能的各類本征參數的物理意義和單位以及這些參數在解決實際問題中所處的地位；弄清各材料性能和材料的組成、結構和構造之間的關系；掌握這些性能參數的物質規律，從而為判斷材料優劣、正確選擇和使用材料、改變材料性能、探索新材料、新性能、新工藝打下理論基礎；為全面掌握材料的結構，對材料的原料和工藝也應有所認識，以取得分析性能的正確依據。

三、教學內容與要求 第一章：材料的力學性能 重點與難點：

重點：應力、應變、彈性變形行為、Griffith微裂紋理論，應力場強度因子和平面應變斷裂韌性，提高無機材料強度改進材料韌性的途徑。難點：位錯運動理論、應力場強度因子和平面應變斷裂韌性。教學時數：10學時 教學內容：

1.1 應力及應變：應力、應變；

1.2 彈性形變：Hooke定律；彈性模量的影響因素、無機材料的彈性模量、復相的彈性模量、彈性形變的機理；

1.3 材料的塑性形變：晶體滑移、塑性形變的位錯運動理論；

1.4 滯彈性和內耗：粘彈性和滯彈性、應變松弛和應力松弛、松弛時間、無弛豫模量與弛豫模量、模量虧損、材料的內耗；

1.5 材料的高溫蠕變：蠕變曲線、蠕變機理、影響蠕變的因素；

1.6 材料的斷裂強度：理論斷裂強度、Inglis 理論、Griffith微裂紋理論、、Orowan理論；

1.7 材料的斷裂韌性：裂紋擴展方式、裂紋尖端應力場分析、幾何形狀因子、斷裂韌性、裂紋擴展的動力與阻力；

1.8 裂紋的起源與擴展：裂紋的起源、裂紋的快速擴展、影響裂紋擴展的因素、材料的疲勞、應力腐蝕理論、高溫下裂紋尖端的應力空腔作用、亞臨界裂紋生長速率與應力場強度因子的關系、根據亞臨界裂紋擴展預測材料壽命、蠕變斷裂； 1.10 顯微結構對材料脆性斷裂的影響：晶粒尺寸、氣孔的影響；

1.11 提高材料強度及改善脆性的途徑：金屬材料的強化、陶瓷材料的強化； 1.12 復合材料：復合材料的分類、連續纖維單向強化復合材料的強度、短纖維單向強化復合材料；

1.13 材料的硬度：硬度的表示方法、硬度的測量。教學方式：課堂講授與多媒體教學相結合。

教學要求：掌握材料的彈性變形、塑性變形、高溫蠕變及其它力學性能的理論描述、產生的原因、影響因素。掌握斷裂的現象和產生、斷裂力學的原理出發，通過理論結合強度、應力場的分析，斷裂的判據，應力場強度因子、平面應變斷裂韌性、延性斷裂、脆性斷裂、沿晶斷裂、靜態疲勞的概念，并根據此判據來分析提高材料強度及改進材料韌性的途徑。了解斷裂的現象，弄清產生斷裂的原理（斷裂理論），通過應力場的分析。要求掌握斷裂的判據，并根據此判據來分析提高材料強度及改進材料韌性的途徑。

第二章：材料的熱學性能 重點與難點： 重點：材料的熱膨脹，材料的熱穩定性。難點：材料的熱傳導，材料的熱穩定性。教學時數：6學時 教學內容：

2.1 熱學性能的物理基礎；

2.2 材料的熱容：晶體固體熱容的經驗定律和經典理論，晶體固體熱容的量子理論回顧，無機材料的熱容；

2.3 材料的熱膨脹：熱膨脹系數、熱膨脹機理、熱膨脹和其他性能的關系、多晶體和復合材料的熱膨脹；

2.4 材料的熱傳導：固體材料熱傳導的宏觀規律，固體材料熱傳導的微觀機理、影響熱傳導的因素、某些無機材料的熱傳導；

2.5 材料的熱穩定性：熱穩定性的表示方法、熱應力、抗熱沖擊斷裂性能，抗熱沖擊損傷性、提高抗熱沖擊斷裂性能的措施。教學方式：課堂講授與多媒體教學相結合。

教學要求：掌握材料熱容的各種理論及其比較，熱膨脹的定義及其基本機理，熱傳導的宏觀規律和微觀機理，熱穩定性的表示和抗熱沖擊斷裂性能。要求掌握各種熱應力斷裂抵抗因子。總結出提高抗熱沖擊斷裂性能的措施。第三章 材料的光學性能 重點與難點：

重點：光的反射和折射、材料對光的吸收和色散、光的散射 難點：光的散射、電-光效應、光折變效應、非線性光學效應 教學時數：8學時 教學內容：

3.1 光傳播的基本性質：光的波粒二象性、光的干涉和衍射、光通過固體現象；

3.2 光的反射和折射：反射定律和折射定律、折射率的影響因素、晶體的雙折射、材料的反射系數及其影響因素；

3.3 材料對光的吸收和色散：吸收系數與吸收率、光的吸收與波長的關系、光的色散；

3.4 光的散射：散射的一般規律、彈性散射、非彈性散射；

3.5 材料的不透明性與半透明性：材料的不透明性、材料的乳濁、半透明性、透明材料的顏色、材料的著色； 3.6 電-光效應、光折變效應、非線性光學效應：電光效應及電光晶體、光折變效應、非線性光學效應；

3.7光的傳輸與光纖材料：光纖發展概況和基本特征、光纖材料的制備、光纖的應用；

3.8 特種光學材料及其應用：固體激光器材料及其應用、光存儲材料。教學方式：課堂講授與多媒體教學相結合。

教學要求：掌握金屬、半導體、絕緣體的電子能帶結構，光傳播電磁理論、反射、光的吸收和色散、晶體的雙折射、介質的光散射等各種光現象的物理本質。了解影響材料光學性能的各種因素。簡要了解光纖材料、激光晶體材料及光存儲材料等光學材料。

第四章：材料的電導性能 重點與難點：

重點：離子電導，電子電導。

難點：無機材料的電導，半導體陶瓷的物理效應。教學時數：8學時 教學內容：

4.1 電導的物理現象：電導率與電阻率、電導的物理特性；

4.2 離子電導：載流子濃度、離子遷移率、離子電導率、離子電導率的影響因素、固體電解質ZrO2；

4.3 電子電導：電子遷移率、載流子濃度、電子電導率、電子電導率的影響因素 4.4 金屬材料的電導：金屬電導率、電阻率與溫度的關系、電阻率與壓力的關系、冷加工和缺陷對電阻率的影響、電阻率的各向異性、固溶體的電阻率； 4.5 固體材料的電導：玻璃態電導、多晶多相固體材料的電導、次級現象、固體材料電導混合法則；

4.6 半導體陶瓷的物理效應：晶界效應、表面效應、西貝克效應、p-n結； 4.7 超導體：超導體的概念、約瑟夫遜效應、超導體的應用。教學方式：課堂講授與多媒體教學相結合。

教學要求：掌握各種電導的宏觀參數和物理量及電導的主要基本公式；圍繞此公式來討論各種電導的電導率（離子電導率、電子電導率）及其影響因素，材料的電導混合法則和半導體陶瓷的物理效應。第五章 材料的磁學性能 重點與難點：

重點：抗磁性和順磁性、鐵磁性與反鐵磁性 難點：鐵磁性與反鐵磁性 教學時數：8學時 教學內容：

5.1 基本磁學性能：磁學基本量、物質的磁性分類；

5.2 抗磁性和順磁性：原子本征磁矩、抗磁性、物質的順磁性、金屬的抗磁性與順磁性、影響金屬抗、順磁性的因素；

5.3 鐵磁性與反鐵磁性：鐵磁質的自發磁化、反鐵磁性和亞鐵磁性、磁疇、磁化曲線和磁滯回線；

5.4 磁性材料的動態特性：交流磁化過程與交流回線、磁滯損耗和趨膚效應、磁后效應和復數磁導率、磁導率減落及磁共振損耗；

5.5 磁性材料及其應用：軟磁材料、硬磁材料、磁信息存儲材料、納米磁性材料。教學方式：課堂講授與多媒體教學相結合。

教學要求：掌握固體物質的各種磁性(抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性)的形成機理及宏觀表現；重點掌握磁性表征參量、各類磁性物質的內部相互作用；磁性材料在交變磁場中的磁化過程及宏觀磁性；了解磁性材料及其應用。

第六章 材料的功能轉換性能 重點與難點：

重點：介質的極化與損耗、介電強度、壓電性能、鐵電性 難點：壓電性能、鐵電性 教學時數：8學時 教學內容：

6.1 介質的極化與損耗：介質極化相關物理量、極化類型、宏觀極化強度與微觀極化率的關系、介質損耗分析、材料的介質損耗、降低材料介質損耗的方法； 6.2 介電強度：介電強度、固體電介質的擊穿、影響材料擊穿強度的因素； 6.3 壓電性能：壓電效應及其逆效應、壓電材料的研究進程、壓電材料主要表征參數、壓電陶瓷的預極化、壓電陶瓷的穩定性、壓電材料及其應用；

6.4 鐵電性：鐵電性的概念、鐵電體的分類、鐵電體的起源、鐵電體的性能及其應用、反鐵電體； 6.5 熱電性能：熱電效應、熱電材料、熱電材料的應用； 6.6 光電性能：光電效應、光電材料及其應用；

6.7 熱釋電性能：熱釋電效應及其逆效應、熱釋電材料、熱釋電材料的應用； 6.8 智能材料：智能材料的特征與構成、智能材料的分類、智能金屬材料、智能無機非金屬材料、智能高分子材料。教學方式：課堂講授與多媒體教學相結合。

教學要求：掌握電介質的介電性能，包括介電常數、介電損耗、介電強度及其隨環境(溫度、濕度、輻射等)的變化規律。了解極化的微觀機制、電介質的壓電性、鐵電性、熱電性能、光電性能和熱釋電性的性能、常用材料及其應用、智能材料的特征、分類及應用。

四、作業：

每章根據學生學習情況，選擇布置教材中部分習題促進學生課后復習、鞏固課堂教學內容，并進行講評。

五、考核與評定

以期末考試(閉卷)成績為主，參考課堂提問、討論課發言情況以及平時作業和考勤等，綜合評定后，給出結業成績。

期末考試占70％，平時成績占30％。

第四篇：材料性能知識

材料性能知識大全

1、關于拉伸力-伸長曲線和應力-應變曲線的問題 低碳鋼的應力－應變曲線 a、拉伸過程的變形：

彈性變形，屈服變形，加工硬化（均勻塑性變形），不均勻集中塑性變形。b、相關公式：

工程應力 ζ=F/A0 ；工程應變ε=ΔL/L0；比例極限ζP；彈性極限ζε；屈服點ζS；抗拉強度ζb；斷裂強度ζk。

真應變 e=ln(L/L0)=ln(1+ε)；真應力 s=ζ(1+ε)= ζ*eε 指數e為真應變。c、相關理論：

真應變總是小于工程應變，且變形量越大，二者差距越大；真應力大于工程應力。

彈性變形階段，真應力—真應變曲線和應力—應變曲線基本吻合；塑性變形階段兩者出線顯著差異。

2、關于彈性變形的問題 a、相關概念

彈性：表征材料彈性變形的能力 剛度：表征材料彈性變形的抗力

彈性模量：反映彈性變形應力和應變關系的常數，E=ζ/ε ；工程上也稱剛度，表征材料對彈性變形的抗力。

彈性比功：稱彈性比能或應變比能，是材料在彈性變形過程中吸收變形功的能力，評價材料彈性的好壞。包申格效應：金屬材料經預先加載產生少量塑性變形，再同向加載，規定殘余伸長應力增加；反向加載，規定殘余伸長應力降低的現象。滯彈性：（彈性后效）是指材料在快速加載或卸載后，隨時間的延長而產生的附加彈性應變的性能。

彈性滯后環：非理想彈性的情況下，由于應力和應變不同步，使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線。

金屬材料在交變載荷作用下吸收不可逆變形功的能力，稱為金屬的循環韌性，也叫內耗 b、相關理論：

彈性變形都是可逆的。

理想彈性變形具有單值性、可逆性，瞬時性。但由于實際金屬為多晶體并存在各種缺陷，彈性變形時，并不是完整的。

彈性變形本質是構成材料的原子或離子或分子自平衡位置產生可逆變形的反映 單晶體和多晶體金屬的彈性模量，主要取決于金屬原子本性和晶體類型。包申格效應；滯彈性；偽彈性；粘彈性。

包申格效應消除方法：預先大塑性變形，回復或再結晶溫度下退火。循環韌性表示材料的消震能力。

3、關于塑形變形的問題 a、相關概念

滑移：滑移系越多，塑性越好；滑移系不是唯一因素（晶格阻力等因素）；滑移面——受溫度、成分和變形的影響；滑移方向——比較穩定

孿生：fcc、bcc、hcp都能以孿生產生塑性變形；一般在低溫、高速條件下發生；變形量小，調整滑移面的方向

屈服現象：退火、正火、調質的中、低碳鋼和低合金鋼比較常見，分為不連續屈服和連續屈服；

屈服點：材料在拉伸屈服時對應的應力值，ζs；

上屈服點：試樣發生屈服而力首次下降前的最大應力值，ζsu； 下屈服點：試樣屈服階段中最小應力，ζsl； 屈服平臺（屈服齒）：屈服伸長對應的水平線段或者曲折線段；

呂德斯帶：不均勻變形；對于沖壓件，不容許出現，防止產生褶皺。屈服強度：表征材料對微量塑性變形的抗力

連續屈服曲線的屈服強度：用規定微量塑性伸長應力表征材料對微量塑性變形的抗力（1）規定非比例伸長應力ζp：

（2）規定殘余伸長應力ζr：試樣卸除拉伸力后，其標距部分的殘余伸長達到規定的原始標距百分比時的應力；殘余伸長的百分比為0.2%時，記為ζr0.2

（3）規定總伸長應力ζt：試樣標距部分的總伸長（彈性伸長加塑性伸長）達到規定的原始標距百分比時的應力。晶格阻力（派納力）；位錯交互作用阻力

Hollomon公式： S=Ken，S為真應力，e為真應變；n—硬化指數0.1~0.5，n=1,完全理想彈性體，n=0，沒有硬化能力；K——硬化系數

縮頸是：韌性金屬材料在拉伸試驗時變形集中于局部區域的特殊現象。抗拉強度：韌性金屬試樣拉斷過程中最大試驗力所對應的應力。代表金屬材料所能承受的最大拉伸應力，表征金屬材料對最大均勻塑性變形的抗力。與應變硬化指數和應變硬化系數有關。等于最大拉應力比上原始橫截面積。

塑性是指金屬材料斷裂前發生不可逆永久（塑性）變形的能力。b、相關理論

常見的塑性變形方式：滑移，孿生，晶界的滑動，擴散性蠕變。塑性變形的特點：各晶粒變形的不同時性和不均勻性（取向不同；各晶粒力學性能的差異）；各晶粒變形的相互協調性（金屬是一個連續的整體，多系滑移；Von Mises 至少5個獨立的滑移系）。

硬化指數的測定：①試驗方法；②作圖法lgS=lgK+nlge 硬化指數的影響因素：與層錯能有關,層錯能下降，硬化指數升高；對金屬材料的冷熱變形也十分敏感；與應變硬化速率并不相等。

縮頸的判據（失穩臨界條件）拉伸失穩或縮頸的判據應為dF=0 兩個塑性指標：斷后伸長率δ=(L1-L0)/LO*100%； 斷后收縮率：ψ=(A0-A1)/A0*100% ψ>δ，形成為縮頸

ψ=δ或ψ<δ，不形成縮頸

4、關于金屬的韌度斷裂問題 a、相關概念

韌性：斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力 韌度：單位體積材料斷裂前所吸收的功

韌性斷裂：裂紋緩慢擴展過程中消耗能量；斷裂最先發生在纖維區，然后快速擴展形成放射最后斷裂形成剪切唇，放射區在裂紋快速擴展過程中形成，一般放射區匯聚方向指向裂紋源。脆性斷裂：基本不產生塑性變形，危害性大。低應力脆斷，工作應力很低，一般低于屈服極限；脆斷裂紋總是從內部的宏觀缺陷處開始；溫度降低，應變速度增加，脆斷傾向增加。穿晶斷裂：裂紋穿過晶內，可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂，斷口明亮。沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴展，都是脆性斷裂，由晶界處的脆性第二相等造成，斷口相對灰暗。穿晶斷裂和沿晶斷裂可混合發生。高溫下，多由穿晶斷裂轉為沿晶韌性斷裂。沿晶斷裂斷口：斷口冰糖狀；若晶粒細小，斷口呈晶粒狀。剪切斷裂：材料在切應力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂。（滑斷、微孔聚集型斷裂）解理斷裂：材料在正應力作用下，由于原于間結合鍵的破壞引起的沿特定晶面發生的脆性穿晶斷裂。

金屬的強度就是指金屬材料原子間結合力的大小，一般說金屬熔點高，彈性模量大，熱膨脹系數小則其原子間結合力大，斷裂強度高。斷裂的實質就是外力作用下材料沿某個原子面分開的過程。

格里菲思理論：從熱力學觀點看，凡是使能量減低的過程都將自發進行，凡使能量升高的過程必將停止，除非外界提供能量。Griffth指出，由于裂紋存在，系統彈性能降低，與因存在裂紋而增加的表面能平衡。如彈性能降低足以滿足表面能增加，裂紋就會失穩擴展，引起脆性破壞。b、相關理論

斷裂三種主要的失效形式：磨損、腐蝕、斷裂 多數金屬的斷裂包括裂紋的形成和擴展兩個階段。按斷裂的性態：韌性斷裂和脆性斷裂；按裂紋擴展路徑：穿晶斷裂和沿晶斷裂；按斷裂機制：解理斷裂和剪切斷裂 韌性斷裂和脆性斷裂：根據材料斷裂前產生的宏觀塑性變形量的大小來確定。通常脆性斷裂也會發生微量的塑性變形，一般規定斷面收縮率小于5％則為脆性斷裂。反之大于5％的為韌性斷裂。

脆性斷口平齊而光亮，與正應力垂直，斷口常呈人字紋或放射花樣。

解理斷裂是沿特定的晶面發生的脆性穿晶斷裂，通常總沿一定的晶面分離。解理斷裂總是脆性斷裂，但脆性斷裂不一定是解理斷裂。常見的裂紋形成理論：①位錯塞積理論 ②位錯反應理論 解理與準解理

共同點：穿晶斷裂；有小解理刻面；臺階及河流花樣 不同點：①準解理小刻面不是晶體學解理面②解理裂紋常源于晶界，準解理裂紋常源于晶內硬質點。準解理不是一種獨立的斷裂機理，而是解理斷裂的變種。格雷菲斯理論是根據熱力學原理得出的斷裂發生的必要條件，但并不意味著事實上一定斷裂。裂紋自動擴展的充分條件是尖端應力等于或大于理論斷裂強度。

5、關于硬度的問題 a、硬度概念

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標。b、硬度試驗方法: 劃痕法——表征金屬切斷強度 回跳法——表征金屬彈性變形功

壓入法——表征塑性變形抗力及應變硬化能力 布氏硬度

壓頭：淬火鋼球（HBS），硬質合金球（HBW）載荷：3000Kg 硬質合金，500Kg 軟質材料 保載時間：10-15s 黑色金屬，30s 有色金屬 壓痕相似原理

只用一種標準的載荷和鋼球直徑,不能同時適應硬的材料或者軟的材料。為保證不同載荷和直徑測量的 硬度值之間可比，壓痕必須滿足幾何相似。布氏硬度表示方法：600HBW1/30/20 ①度值，②符號HBW，③球直徑，④試驗力(1kgf=9.80665N)，⑤試驗力保持時間 布氏硬度試驗的優缺點： 優點：壓頭直徑較大→壓痕面積較大→硬度值可反映金屬在較大范圍內各組成相的平均性能，不受個別組成 相及微小不均勻性的影響。

缺點：對不同材料需更換壓頭直徑和改變試驗力，壓痕測量麻煩，自動檢測受到限制；壓痕較大時不宜在成品上試驗 洛氏硬度

以測量壓痕深度表示材料硬度值。

壓頭有兩種：α＝120°的金剛石圓錐體，一定直徑的淬火鋼球。洛氏硬度試驗優缺點：

優點：操作簡便、迅速，硬度可直接讀出；壓痕較小，可在工件上試驗；用不同標尺可測定軟硬不同和厚薄不一的試樣。

缺點：壓痕較小，代表性差；材料若有偏析及組織不均勻等缺陷，測試值重復性差，分散度大；用不同標尺測得的硬度值沒有聯系，不能直接比較。維氏硬度

原理與布氏硬度試驗相同，根據單位面積所承受的試驗力計算硬度值。不同的是維氏硬度的壓頭是兩個相對面夾角α為136°的金剛石四棱錐體。努氏硬度

與維氏硬度的區別1）壓頭形狀不同；2）硬度值不是試驗力除以壓痕表面積，而是除以壓痕投影面積 肖氏硬度

一種動載荷試驗法，原理是將一定質量的帶有金剛石圓頭或鋼球的重錘，從一定高度落于金屬試樣表面，根據重錘回跳的高度來表征金屬硬度值大小，也稱回跳硬度。用HS表示。里氏硬度

動載荷試驗法，用規定質量的沖擊體在彈力作用下以一定的速度沖擊試樣表面，用沖頭的回彈速度表征金屬的硬度值。用HL表示。

6、關于金屬在沖擊載荷下的力學性能 a、相關概念 沖擊韌性：指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，常用標準試樣的沖擊吸收功AK表示。

沖擊測量參數：測量沖擊脆斷后的沖擊吸收功（AkU或AKV），沖擊吸收功并不能真正反映材料的韌脆程度（沖擊吸收功 并非完全用于試樣變形和破壞）

低溫脆性:體心立方或某些密排六方晶體金屬及合金，當試驗溫度低于某一溫度tk或溫度區間時，材料由韌性狀態變為脆性狀態，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集變為穿晶解理，斷口特征由纖維狀變為結晶狀。tk或溫度區間稱為韌脆轉變溫度，又稱冷脆轉變溫度。

b、相關理論

韌脆的評價方法：材料的缺口沖擊彎曲試驗，材料的沖擊韌性 韌脆的影響因素：溫度（低溫脆性）；應力狀態（三向拉應力狀態）；變形速度的影響（沖擊脆斷）

低溫脆性的本質：低溫脆性是材料屈服強度隨溫度降低急劇增加的結果。屈服強度ζs的隨溫度降低而升高，而斷裂強度ζc隨溫度變化很小。t>tk ,ζc >ζs ,先屈服再斷裂；t

晶體結構：體心立方金屬及其合金存在低溫脆性。普通中、低強度鋼的基體是體心立方點陣的鐵素體，故這類鋼 有明顯的低溫脆性。

化學成分：間隙溶質元素溶入鐵素體基體中，偏聚于 位錯線附近，阻礙位 錯運動，致ζs升高，鋼的韌脆轉變溫度提高。

顯微組織：晶粒大小，細化晶粒使材料韌性增加；減小亞晶和胞狀結構尺寸也能提高韌性。細化晶粒提高韌性的原因：晶界是裂紋擴展的阻力；晶界前塞積的位錯數減少，有利于降低應力集中；晶界總面積 增加，使晶界上雜質濃度減少，避免產生沿 晶脆性斷裂。金相組織

7、關于金屬疲勞的問題 a、金屬疲勞現象

疲勞：金屬機件在變動應力和應變長期作用下，由于積累損傷而引起的斷裂現象。

疲勞的破壞過程是材料內部薄弱區域的組織在變動應力作用下，逐漸發生變化和損傷累積、開裂，當裂紋擴展達到一定程度后發生突然斷裂的過程，是一個從局部區域開始的損傷累積，最終引起整體破壞的過程。

循環應力的波形：正弦波、矩形波和三角波等。表征應力循環特征的參量有：

最大循環應力ζmax，最小循環應力ζmin；平均應力:ζm=(ζmax+ζmin)/2；應力幅或應力范圍:ζa=(ζmax-ζmin)/2；應力比:r=ζmin/ζmax 疲勞按應力狀態分：彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復合疲勞；

疲勞按環境和接觸情況分：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞及接觸疲勞等。疲勞按應力高低和斷裂壽命分：高周疲勞和低周疲勞。b、金屬疲勞特點 疲勞的特點：該破壞是一種潛藏的突發性破壞，在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料在疲勞破壞前均不會發生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂。

疲勞對缺口、裂紋及組織等缺陷十分敏感，即對缺陷具有高度的選擇性。因為缺口或裂紋會引起應力集中，加大對材料的損傷作用；組織缺陷(夾雜、疏松、白點、脫碳等)，將降低材料的局部強度，二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發展。c、金屬疲勞宏觀斷口

疲勞宏觀斷口的特征：疲勞斷裂經歷了裂紋萌生和擴展過程。由于應力水平較低，因此具有較明顯的裂紋萌生和穩態擴展階段，相應的斷口上也顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴展區與瞬時斷裂區的特征。

疲勞源：是疲勞裂紋萌生的策源地。

位置：多出現在機件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。但若材料內部存在嚴重冶金缺陷(夾雜、縮孔、伯析、白點等)，也會因局部材料強度降低而在機件內部引發出疲勞源。特點：因疲勞源區裂紋表面受反復擠壓，摩擦次數多，疲勞源區比較光亮，而且因加工硬化，該區表面硬度會有所提高。

數量：機件疲勞破壞的疲勞源可以是一個，也可以是多個，它與機件的應力狀態及過載程度有關。如單向彎曲疲勞僅產生一個源區，雙向反復彎曲可出現兩個疲勞源。過載程度愈高，名義應力越大，出現疲勞源的數目就越多。

產生順序：若斷口中同時存在幾個疲勞源，可根據每個疲勞區大小、源區的光亮程度確定各疲勞源產生的先后，源區越光亮，相連的疲勞區越大，就越先產生；反之，產生的就晚。疲勞區是疲勞裂紋亞穩擴展形成的區域。

宏觀特征：斷口較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣)，有時還有裂紋擴展臺階。

斷口光滑是疲勞源區的延續，其程度隨裂紋向前擴展逐漸減弱，反映裂紋擴展快饅、擠壓摩擦程度上的差異。

貝紋線——疲勞區的最典型特征：產生原因:一般認為是因載荷變動引起的，因為機器運轉時常有啟動、停歇、偶然過載等，均要在裂紋擴展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡。

形貌特點：疲勞區的每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側指向疲勞源，凸側指向裂紋擴展方向。近疲勞源區貝紋線較細密，表明裂紋擴展較慢；遠離疲勞源區貝紋線較稀疏、粗糙，表明此段裂紋擴展較快。

影響因素:貝紋區的總范圍與過載程度及材料的性質有關。若機件名義應力較高或材料韌性較差，則疲勞區范圍較小，貝紋線不明顯；反之，低名義應力或高韌性材科，疲勞區范圍較大，貝紋線粗且明顯。貝紋線的形狀則由裂紋前沿線各點的擴展速度、載荷類型、過載程度及應力集中等決定。

瞬斷區是裂紋失穩擴展形成的區域。在疲勞亞臨界擴展階段，隨應力循環增加，裂紋不斷增長，當增加到臨界尺寸ac時，裂紋尖端的應力場強度因子KI達到材料斷裂韌性KIc(Kc)時。裂紋就失穩快速擴展，導致機件瞬時斷裂。

瞬斷區的斷口比疲勞區粗糙，宏觀特征如同靜載，隨材料性質而變。脆性材料斷口呈結晶狀； 韌性材料斷口，在心部平面應變區呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應力區則有剪切唇區存在。位置：瞬斷區一般應在疲勞源對側。但對旋轉彎曲來說，低名義應力時，瞬斷區位置逆旋轉方向偏轉一角度；高名義應力時，多個疲勞源同時從表面向內擴展，使瞬斷區移向中心位置。大小：瞬斷區大小與機件承受名義應力及材料性質有關，高名義應力或低韌性材科，瞬斷區大；反之。瞬斷區則小。

d、疲勞曲線及基本疲勞力學性能

疲勞曲線：疲勞應力與疲勞壽命的關系曲線，即S－N曲線。用途：它是確定疲勞極限、建立疲勞應力判據的基礎。有水平段（碳鋼、合金結構鋼、球鐵等）：經過無限次應力循環也不發生疲勞斷裂，將對應的應力稱為疲勞極限，記為ζ-1（對稱循環）無水平段（鋁合金、不銹鋼、高強度鋼等）：只是隨應力降低，循環周次不斷增大。此時，根據材料的使用要求規定某一循環周次下不發生斷裂的應力作為條件疲勞極限。疲勞曲線的測定——升降法測定疲勞極限 d、疲勞過程及機理

疲勞過程：裂紋萌生、亞穩擴展、失穩擴展三個過程。疲勞壽命Nf＝萌生期N0＋亞穩擴展期Np 金屬材料的疲勞過程也是裂紋萌生相擴展的過程。

裂紋萌生往往在材料薄弱區或高應力區，通過不均勻滑移、微裂紋形成及長大而完成。疲勞微裂紋常由不均勻滑移和顯微開裂引起。主要方式有：表面滑移帶開裂；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。e、如何提高疲勞強度

如何提高疲勞強度——滑移帶開裂產生裂紋角度 從滑移開裂產生疲勞裂紋形成機理看，只要能提高材料滑移抗力（固溶強化、細晶強化等），均可阻止疲勞裂紋萌生，提高疲勞強度。

如何提高疲勞強度——相界面開裂產生裂紋角度 從第二相或夾雜物可引發疲勞裂紋的機理來看，只要能降低第二相或夾雜物脆性，提高相界面強度，控制第二相或夾雜物的數量、形態、大小和分布、使之“少、圓、小、勻”，均可抑制或延緩疲勞裂紋在第二相或夾雜物附近萌生，提高疲勞強度。如何提高疲勞強度——晶界開裂產生裂紋 從晶界萌生裂紋來看，凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔點夾雜物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氫及晶粒粗化等，均易產生晶界裂紋、降低疲勞強度；反之，凡使晶界強化、凈化和細化晶粒的因素，均能抑制晶界裂紋形成，提高疲勞強度。f、影響疲勞強度的主要因素 表面狀態的影響：應力集中——機件表面缺口因應力集中往往是疲勞策源地，引起疲勞斷裂，可用Kf與qf表征缺口應力集中對材料疲勞強度的影響。Kf與qf越大，材料的疲勞強度就降得越低。且這種影響隨材料強度的增高，更加顯著。

表面粗糙度——表面粗糙度越低，材料的疲勞極限越高；表面粗糙度越高，疲勞極限越低。材料強度越高，表面粗糙度對疲勞極限的影響越顯著。

殘余應力及表面強化的影響：殘余壓應力提高疲勞強度；殘余拉應力降低疲勞強度。殘余壓應力的影響與外加應力的應力狀態有關，不同應力狀態，機件表面層的應力梯度不同。彎曲疲勞時,效果比扭轉疲勞大；拉壓疲勞時，影響較小。殘余壓應力顯著提高有缺口機件的疲勞強度，殘余應力可在缺口處集中，能有效地降低缺口根部的拉應力峰值。殘余壓應力的大小、深度、分布以及是否發生松弛都會影響疲勞強度。

表面強化的影響——表面強化可在機件表面產生殘余壓應力，同時提高強度和硬度。兩方面的作用都會提高疲勞強度。（方法：噴丸、滾壓、表面淬火、表面化學熱處理）硬度由高到低的順序：滲氮→滲碳→感應加熱淬火；強化層深度由高到低順序：表面淬火→滲碳→滲氮。材料成分及組織的影響：疲勞強度是對材料組織結構敏感的力學性能。合金成分、顯微組織、非金屬夾雜物及冶金缺陷 g、低周疲勞

低周疲勞：金屬在循環載荷作用下，疲勞壽命為102～105次的疲勞斷裂。循環硬化和循環軟化現象與位錯循環運動有關。

在一些退火軟金屬中，在恒應變幅的循環載荷下，由于位錯往復運動和交互作用，產生了阻礙位錯繼續運動的阻力，從而產生循環硬化。

在冷加工后的金屬中，充滿位錯纏結和障礙，這些障礙在循環加載中被破壞；或在一些沉淀強化不穩定的合金中。由于沉淀結構在循環加載中校破壞均可導致循環軟化。熱疲勞：機件在由溫度循環變化時產生的循環熱應力及熱應變作用下發生的疲勞。熱機械疲勞：溫度循環和機械應力循環疊加所引起的疲勞。產生熱應力的兩個條件：①溫度變化②機械約束

沖擊疲勞：沖擊次數N>105次時，破壞后具有典型的疲勞斷口，即為沖擊疲勞。

第五篇：材料的性能

第一章 材料的性能 1 材料的力學性能主要有哪些？ 強度，塑性，硬度，韌性及疲勞強度。2 簡述低碳鋼的應力－應變曲線（分為幾個階段，各特征點表示什么含義）。彈性變形階段，屈服階段，塑性變形階段，頸縮階段。（畫圖）第二章 材料的結構 1 體心立方晶格的密排面和密排方向各有那些？面心立方晶格呢？ {110}，<111>； {111}，<110> 2 與理想的晶體相比較，實際晶體在結構上有何特征？ ① 多晶體結構；②具有晶體缺陷。3 為何晶粒越細，金屬的強度、硬度越高，塑性、韌性越好？ 金屬的晶粒越細，晶界的總面積越大，位錯阻礙越多，要協調的具有不同位向的晶粒越多，金屬塑性變形的抗力越高，從而導致金屬強度和硬度越高。金屬晶粒越細，單位體積內晶粒數目越多，同時參與變形的晶粒數目也越多，變形越均勻，推遲了裂紋的形成和擴展，使得在斷裂前發生較大的塑性變形，在強度和硬度同時增加的情 況下，金屬在斷裂前消耗的功增大，因而其韌性也較好，因此，金屬的晶粒越細，其塑性和 韌性也越好。4 名詞解釋： 相 固溶體 金屬化合物 固溶強化 彌散強化 相：金屬或合金中，凡成分相同，結構相同，并與其它成分有界面分開的均勻組成部分。固溶體：合金中，其晶體結構與組成元素之一的晶體結構相同的固相稱為固溶體。金屬化合物： 合金中，其晶體結構與組成元素之一的晶體結構均不相同的固相稱為金屬化合 物。固溶強化：隨溶質質量增加，固溶體的強度，硬度增加，塑性，韌性下降，這種現象稱為固 溶強化。彌散強化：即沉淀強化。若合金中的第二相以細小彌散的微粒均勻分布在基體上，則可以顯 著提高合金的強度，稱為彌散強化。5 固態合金中的相分為幾類？它們是如何定義的？（提示：晶格類型）固溶體：合金中，其晶體結構與組成元素之一的晶體結構相同的固相稱為固溶體。金屬化合物： 合金中，其晶體結構與組成元素之一的晶體結構均不相同的固相稱為金屬化合 物。6 鐵素體、奧氏體和滲碳體哪些是固溶體，哪些是金屬化合物，為什么？它們都是間隙型嗎？ 鐵素體，奧氏體是固溶體，滲碳體是金屬化合物。按定義劃分，滲碳體是間隙化合物。（未 完）第三章 材料的凝固 1 為什么過冷是液態結晶的必要條件？液態結晶有那兩種基本的形核方式？哪種形核方式 需要的過冷度較小？在相同的過冷度下，哪種形核方式具有較高的形核率？ 只有“過冷”，才會存在相變驅動力，即能量條件。自發形核和非自發形核。非自發形核需要 的過冷度較小。非自發形核。2 金屬結晶的基本規律是什么？ ① 能量條件：過冷度。②階段性：形核、晶核長大。3 名詞解釋：細晶強化 通過細化晶粒而使金屬材料力學性能（強度，塑性，硬度，韌性及疲勞強度）提高的方法稱 為細晶強化。4 為了細化晶粒，是否應使液態金屬冷得越快越好？試述理由。否。如果過冷度超過一定的限度后，晶粒可能變粗。5 什么是相圖？制定相圖的條件是什么？ 相圖是表示合金系中各合金在極其緩慢的冷卻條件下結晶過程的簡明圖解。6 哪些材料屬于恒溫凝固？哪些材料在某種溫度范圍內凝固？ 純金屬和共晶合金均為恒溫凝固。7 在兩相共存區，相成份的變化有何規律？ 各相成分沿著各自相關的線發生變化。8 工業條件下有可能產生哪兩類成份偏析？應如何消除？ 微觀偏析（枝晶偏析）：擴散退火；宏觀偏析：大變形鍛造（如高速鋼之鍛造）。9 碳在鋼鐵材料中有哪幾種存在形態？ 游離態的石墨、化合態的滲碳體、固溶體的 A 和 F。石墨和滲碳體為碳在鐵碳合金相圖中的 主要存在形式。10 簡述 Fe-Fe3C 相圖中的兩個基本反應，寫出反應式并注明含碳量和溫度。共析反應： 共晶反應： 生成珠光體，727 度 生成高溫萊氏體，1148 度 11 指出下列組織的主要區別： ?高溫萊氏體與低溫萊氏體； 高溫萊氏體：共晶奧氏體和共晶滲碳體的機械混合物 低溫萊氏體：珠光體和共晶滲碳體 ?共晶滲碳體，共析滲碳體，一次滲碳體，二次滲碳體，三次滲碳體。共晶滲碳體：共晶反應產生的滲碳體 共析滲碳體：共析反應產生的滲碳體 一次滲碳體：由液相直接析出的滲碳體 二次滲碳體：奧氏體中析出的滲碳體 三次滲碳體：鐵素體中析出的滲碳體 12 含碳量對碳鋼的力學性能有何影響？ 從相的角度看，貼碳合金在室溫下只有鐵素體和滲碳體兩個相，隨含碳量增加，滲碳體的量 呈線性增加。從組織的角度看，隨含碳量增加，組織中滲碳體不僅數量增加，而且形態也在 變化： 三次滲碳體（不連續的網狀或片狀）共析滲碳體（在珠光體中，片狀）二次滲碳體（連續 網狀）共晶滲碳體（存在低溫萊氏體中，作為基體）一次滲碳體（粗條片狀）13 熟練畫出 Fe-Fe3C 相圖，分析含碳量為 3.5%、0.4%和 1.3%的鐵碳合金從液態緩冷至室 溫的結晶過程，并畫出該合金在室溫下的顯微組織示意圖。14 依據 Fe-Fe3C 相圖，說明產生下列現象的原因： ?1.4%C 的鋼比 0.9%C 的鋼的硬度高； ①隨著含碳量↑，滲碳體含量↑，所以硬度↑ ?室溫下，0.9%C 的鋼比 1.3%C 的鋼的抗拉強度高。② 當含碳量小于 0.9%時，隨著含碳量↑，滲碳體含量↑，且彌散分布，起到彌散強化 的作用，所以強度升高，但含碳量超過 0.9％時，二次滲碳體結成連續的網狀，不再起到彌 散強化的作用，而是主要表現為滲碳體的性能特點，也即脆性大、強度低，故強度↓。15 計算 0.6%C 的 Fe-C 二元合金平衡結晶時，其室溫組織的相對量。16 試計算：室溫下，珠光體中鐵素體和滲碳體的相對含量。17 某優質碳素結構鋼鋼的試樣經金相分析，其組織為鐵素體加珠光體，其中珠光體的面積 約占 40%。試判斷其鋼號。18 計算平衡結晶時，3.2%C 的鐵碳合金，室溫下，其組織的相對量。第四章 金屬的塑性變形與再結晶 1 簡述金屬發生塑性變形的機理。.塑性變形機理：金屬原子在切應力的作用下，以位錯運動方式產生滑移。2 何謂冷變形強化（形變強化、加工硬化、冷變形硬化）？原因何在？它在工程上 有何利弊？ 加工硬化：隨著塑性變形量的增加，金屬的強度、硬度升高、塑性、韌性下降，這種現象稱 為加工硬化，又稱為冷變形強化，或形變強化。產生加工硬化的原因： ① 晶體內部存在位錯源，變形時發生了位錯增值，隨著變形量增加，位錯密度 增加。由于位錯之間的相互作用（堆積，纏結等），使變形抗力增加。② ③ ④ 隨著形變量增加，亞結構細化，亞晶界對位錯運動有阻礙作用。隨著變形量增加，空位密度增加。由于晶粒由有利位向轉到不利位向而發生幾何硬化，因此使變形抗力增加。加工硬化是強化金屬材料的重要手段之一。特別是對那些具有良好塑性且不能以熱處理 強化的材料來說，尤為重要。但是，加工硬化會給金屬的進一步加工帶來困難。3 什么是鍛造流線？它有何特性？它給材料的力學性能帶來什么影響？.鍛造可使鑄態金屬中的非金屬夾雜物沿著變形方向伸長，形成彼此平行的宏觀條紋，稱為 流線，又稱鍛造流線。流線使金屬材料的性能呈現明顯的各向異性，拉伸時沿著流線伸長的方向（縱向）具有較好 的力學性能，垂直于與流線方向的力學性能較差。【在熱加工時應力求使流線與零件工作時 的最大應力方向一致，而與沖擊應力或切應力的方向垂直】 4 將彈簧鋼絲冷繞成形后，為何要進行回復退火？ 消除應力；定型。回復退火又稱去應力退火（250～300℃）。5 試分析再結晶與重結晶有何相同之處？有何不同之處？工業上如何利用再結晶？ 同：皆遵循結晶的基本規律。異：重結晶，相變過程；再結晶，不是相變過程。工業上，可利用再結晶消除加工硬化，恢復材料的塑性，以利于進一步變形。6 在 20℃的室溫下，一塊純錫（熔點 232℃）被槍彈擊穿。彈孔周圍的晶粒有何特 征？試說明原因。為熱加工，且發生了回復、再結晶，晶粒主要為等軸晶粒。7 金屬塑性變形為何會造成殘余應力？殘余應力有何利弊？ 內應力是指平衡于金屬內部的應力，它是由于金屬在外力作用下，內部變形不均勻而引起的。利：有利于提高疲勞極限；弊：引起零件在加工、淬火過程中變形、開裂以及使金屬耐腐蝕 性下降。8 將塑變后的金屬置于再結晶溫度下長時間保溫或繼續升到較高的溫度，金屬的晶粒為什么 會長大？對材料的力學性能會帶來什么影響？ 再結晶完成后，若繼續升高加熱溫度或延長加熱時間，將發生晶粒長大，這是一個自發的過 程。晶粒的長大是通過晶界遷移進行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會使金屬的 強度，尤其是塑性和韌性降低。第五章 鋼的熱處理 1 填空題 ?共析鋼加熱時，其 A 體化過程包括（奧氏體晶核形成 奧氏體晶核形成）、（奧氏體晶核長大 奧氏體晶核長大）、（殘余 奧氏體晶核形成 奧氏體晶核長大 殘余 奧氏體溶解）和（奧氏體成分均勻化 奧氏體成分均勻化）四個基本階段。奧氏體溶解 奧氏體成分均勻化 ?當鋼中發生過冷 A 體→M 體轉變時，原 A 體中含碳量越高，則 Ms 越（低），轉變后的 低 AR 量越（多）。多 ?亞共析鋼的淬火溫度范圍是（Ac3+(30~50)度），共析鋼和過共析鋼的淬火溫度范圍是 度（Ac1+(30~50)度）。度 ?鋼的淬透性越高，則 C 曲線的位置越（靠右 靠右），臨界冷卻速度越（小）。靠右 小 ?共析鋼的臨界冷卻速度比亞共析鋼（小），比過共析鋼（小）。小 ?采用感應加熱表面淬火時，所選擇的電流頻率越高，則工件的淬硬層深度越（淺），原因 淺 是（集膚效應 集膚效應）。集膚效應 集膚效應又叫趨膚效應，當交變電流通過導體時，電流將集中在導體表面流過，這種現象交 集膚效應。電流或電壓以頻率較高的電子在導體中傳導時，會聚集于表層，而非平均分布于 整個導體的截面積中。頻率越高，集膚效應越顯著。2 試述選擇過共析鋼淬火加熱溫度范圍的理由。過共析鋼的淬火溫度范圍是（Ac1+(30~50)度）。過共析鋼由于淬火前經過球化退火，因此淬火后組織為細晶馬氏體加顆粒滲碳體和少量殘余 奧氏體，分散分布的顆粒滲碳體對提高鋼的硬度和耐磨性有利，如果將過共析鋼加熱到 Acm 以上，則由于奧氏體晶粒粗大，含碳量提高，使淬火后馬氏體晶粒也粗大，且殘余奧氏體量 增多，這使得鋼的硬度、耐磨性下降，脆性和變形開裂傾向增加。3 判斷下列說法是否正確，如不正確則請更正，并說明理由： ?除 Co 和≥2.5%Al 外，所有的 AE(Alloy Elements)都使 C 曲線左移，鋼的淬透性隨之下降。錯誤。右移，提高。?完全退火適用于過共析鋼。錯誤。適用于亞共析鋼。?對過共析鋼進行正火的目的是調整硬度，改善切削加工性。錯誤。消除網狀二次滲碳體，為球化退火做組織準備。?M 體的硬度主要取決于過冷 A 體的冷卻速度。錯誤。主要取決于含碳量。?直徑為 10mm 的 45 鋼棒料，加熱到 850℃投入鹽水中，其顯微組織為：馬氏體。正確。?M 體轉變時，鋼的體積將因急劇冷卻而會發生收縮。錯誤。膨脹。?在切削加工前對低碳鋼進行正火處理可以調整其硬度，改善切削加工性。正確。?對工件進行表面淬火后，還須進行高溫回火。錯誤。低溫回火。4 試述下列組織在來源（獲得的方法）、組織形貌和力學性能上有何不同？ M 體與 M 回； S 體與 S 回。M 體：過冷 A，硬而脆；M 回：M 體，硬且耐磨性好； S 體：正火，片狀滲碳體；S 回：調質，顆粒狀滲碳體，強度、硬度、塑性、韌性均好于 S 體。5 兩把 T12 車刀，現將 1 號刀加熱到 780℃，2 號刀加熱到 950℃，保溫后，水冷至室溫。請分析： ?哪把車刀的 M 體組織粗大？ ?哪把車刀的 M 體含碳量較高？ ?哪把車刀中的 AR 較多？ ?你認為哪個淬火加熱溫度合適？為什么？ 前三問均為 2 號。第四問：1 號，部分奧氏體化。6 為什么對合金鋼件，通常采用油冷方式進行淬火？而對碳鋼件常用水冷方式淬火？ 答：合金鋼臨界冷卻速度小。（補充？）7 在對工具鋼毛坯件進行切削加工前，通常須進行何種熱處理？目的是什么？得到何種組 織？ 碳素工具鋼的預備熱處理一般為球化退火，其目的是降低硬度（≤217HB），便于切削加工，并為淬火做組織準備。組織為鐵素體基體＋細小均布的粒狀滲碳體。8 為何經 M 體淬火后的鋼必須進行回火？ ①減少或消除淬火內應力。②穩定零件的尺寸。③使 M+A’ 性能要求。預期組織，以滿足零件的力學 9 分別述敘： ?45 鋼在淬火前（正火狀態）、淬火后和高溫回火后的組織情況，及調質后的力學性能； ?T10 鋼在淬火前（球化退火狀態）、淬火后和低溫回火后的組織情況，及低溫回火后的力 學性能。答：（1）對于 45 號鋼，淬火前（正火態）為鐵素體＋索氏體；淬火后為淬火 M，高溫回 火后為回火 S。調質后由于滲碳體為顆粒狀，教材 91 頁表 5-2 表明，回火 S 的強度、硬度、塑性、韌性均好于 S 體(通常又稱為正火 S 體)。（2）對于 T10 鋼，淬火前（球化退火態）為鐵素體基體上分布著顆粒狀的滲碳體【因為球 化退火還使得珠光體中的片狀滲碳體也變為球狀】；淬火后為細淬火 M【高碳 M】 + 顆粒 狀＋少量殘余奧氏體。低溫回火后為回火 M ＋ 顆粒狀 ＋ 少量殘余奧氏體，低溫回火后的 產物硬度高，耐磨性好。10 ?什么是調質？目的是什么？得到什么組織？ ?什么鋼適合于調質？試述理由。答：（1）調質也即淬火＋高溫回火。目的使獲得良好的綜合力學性能。得到回火 S。（2）含碳量 0.30~0.50%的中碳鋼適合于調質處理，含碳量過低，則影響鋼的強度指標，而含碳量過高則韌性不足。11 什么是淬火應力？對需要淬火的零件，在設計時有哪些要求？ 淬火應力包括熱應力和相變應力。熱應力是指工件在冷卻過程中由于表面和心部的溫差引起的工件體積脹縮不均勻所產生 的內應力。而組織應力則是指由于工件快速冷卻時表層與心部相變不同時而產生的內應力。正確設計零件結構，盡量做到：(1)璧厚均勻，形狀對稱。(2)截面尺寸變化處，應用過渡段。(3)避免薄邊、尖角。12 試比較下列鋼的淬透性和淬硬性： ?20 鋼與 60 鋼； ?T8 鋼與 T13 鋼。（1）60 鋼與 20 鋼都是亞共析鋼，但 60 鋼更接近于共析鋼，或者講亞共析鋼的 C 曲線隨 著含碳量的增加，C 曲線右移，其臨界冷卻速度小些，故 60 鋼的淬透性好些。【鋼的淬透 性取決于過冷奧氏體穩定性的高低，表現為臨界冷卻速度的大小】20 鋼淬火后得到的為低 碳 M，而 60 鋼淬火產物則為低碳 M 和高碳 M 的混合物，故 60 鋼的含碳量高些，故 60 鋼 的淬硬性好些。【因為淬硬性取決于 M 的含碳量】（2）T8 鋼為共析鋼，故在碳鋼中其淬透性最好【C 曲線最右】。T8 鋼淬火產物則為低碳 M 和高碳 M 的混合物，T13 鋼淬火產物全為高碳 M，故 T13 的淬硬性好于 T8 鋼。13 為何過冷 A 體：①在等溫冷卻條件下 M 體轉變量只與冷卻溫度有關？②在連續冷卻條件 下，M 體轉變量與冷卻速度有關？ M 轉變的特點之一為降溫形成，在 Ms 以下，隨溫度下降，轉變量增加，冷卻中斷，轉變即 停止。而連續冷卻時，冷卻速度<臨界冷卻速度，可能會形成珠光體等。14 采用 20 鋼進行高頻感應淬火是否合適？為什么？采用 45 鋼（或 65Mn、T10 鋼）進行 滲碳處理是否合適？為什么？ 20 鋼進行高頻感應淬火不合適，因為含碳量過低會降低表面層的硬度和耐磨性。45 鋼（65Mn、T10 鋼等）均不適于進行滲碳處理，因為含碳量提高，將降低工件心部的韌性。15 表面淬火與滲碳處理有何相同？有何不同？各適合于處理什么鋼？（提示：相同之處 ——工件的性能要求上；工藝上都需要淬火加低溫回火。不同之處——表層化學成份；對象 上，中載與重載、沖擊；工藝上，表面淬火與整體淬火。）第六章 工業用鋼 1.熟練掌握各類合金鋼的典型鋼號、成份特點和主加 AE 的作用。典型鋼號： {Q235(又稱 A3 鋼，武漢長江大橋)碳素結構鋼} {45、65、65Mn 優質碳素結構鋼} {Q345A~E（16Mn，南京長江大橋）低合金高強度結構鋼} {20CrMnTi、18Cr2Ni4WA（滲碳鋼）} {

45、40Cr、40CrNiMoA 調質鋼} {65Mn、60Si2Mn、50CrVA 彈簧鋼} {GCr15 滾動軸承鋼} {ZGMn13 耐磨鋼，A 鋼} {W18Cr4V（0.7~0.8%C）W6Mo5Cr4V2（0.8～0.9%C）高速鋼} {T7～13（A）碳素工具鋼} {9SiCr、CrWMn 低合金工具鋼} {Cr12 和 Cr12MoV 冷作模具鋼} {5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V 熱作模具鋼，中碳合金工具鋼} {T10～12（A）、CrWMn、GCr15 可作量具用鋼}、{Cr13 型(M 不銹鋼)} {1Cr17（F 不銹鋼）} {1Cr18Ni9 和 1Cr18Ni9Ti（A 不銹鋼，無磁性）} {HT150、QT700-2 鑄鐵}、{ZG200-400 鑄鋼} 2.與普通碳素結構鋼相比，低合金高強度結構鋼有何優點？ ①強度高于碳素結構鋼，從而可降低結構自重、節約鋼材（因為加入了元素 Mn）； ②具有足夠的塑性、韌性及良好的焊接性能（小于 0.2%C）； ③具有良好的耐蝕性和低的冷脆轉變溫度（含碳量低、錳還能降低鋼的冷脆轉變溫度）。3.哪些鋼按化學成份編號，哪些鋼按力學性能編號？試分析原因。工程用鋼（碳素結構剛、低合金高強度結構鋼）、鑄鋼按力學性能編號。HT150（最低抗拉 強度）、QT700-2（最低抗拉強度和伸長率）鑄鐵、ZG200-400（最低屈服強度和最低抗拉 強度，MPa）。鑄鐵和鑄鋼強調其性能。此外，鑄鋼還可用化學成分表示。其他鋼一般按化 學成分編號。4.滲碳鋼、彈簧鋼、調質鋼的回火各有何特點？ 滲碳鋼低溫回火；彈簧鋼中溫回火；調質鋼高溫回火。5.試解釋下列現象：?高速鋼的鋼錠在使用前必須反復鍛造；?高速鋼熱鍛后必須 緩冷；?高速鋼淬火后必須進行三次高溫回火。（1）高速鋼反復鍛造的目的：打碎萊氏體中的粗大碳化物。（2）淬透性好，而鍛造溫度在 A 區，相當于 A 化，快冷會產生 M，故熱鍛后須緩冷。（3）三次高溫回火的主要目的是減少殘余奧氏體量，穩定組織，并產生二次硬化（詳見 p.118）。6.刃具鋼、熱作模具鋼、冷作模具鋼和量具鋼在性能要求上有何不同？ 刃具鋼：高紅硬性；熱作模具鋼：導熱性好、抗熱疲勞性能；冷作模具鋼：高硬度、韌性（或 沖擊韌性）；量具：高的尺寸穩定性。7.如果熱處理不當，為什么量具在長期的保存和使用過程中會發生尺寸變化？應如何防止？ 內應力和殘余奧氏體。冷處理和低溫時效（120～150℃）可防止之。8.試述強化金屬材料的基本方法。（提示：四種。）固溶強化、彌散強化（或第二相強化）、細晶強化、加工硬化（或冷變形硬化、冷變形強化、形變強化）。9.試從合金化的角度分析：提高鋼的耐蝕性的基本途徑。（提示：電極電位，單相組織，鈍 化作用）提高基體電極電位，獲得均勻的單相組織，表面形成致密穩定的鈍化膜。10.依據編號原則，判斷下列鋼鐵材料的類別，估算其主要的化學成份或力學性能。并對其 中高級優質者給予注明。主 要 A E 含 量（%）序號 牌 號 材 料 類 別平均 C% 或 力 學 性 能 備 注 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 9SiCr Q345-D GCr15 40Cr 65Mn 20Cr 60Si2Mn W18Cr4V 1Cr18Ni9Ti 5CrNiMo Cr12 45 3Cr13 3Cr2W8 CrWMn ZGMn13 W6Mo5Cr4V2 T10A 50CrVA 低合金工具鋼 低合金高強度鋼 高碳鉻軸承鋼 合金調質鋼 彈簧鋼 合金滲碳鋼 合金彈簧鋼 高速鋼 A 不銹鋼 熱鍛磨具鋼 冷做磨具鋼 碳素調質鋼 馬氏體不銹鋼 壓鑄模具用鋼 低合金工具剛 耐磨鋼 高速鋼 碳素工具鋼 合金彈簧鋼 0.9% 0.16% 1.0% 0.4% 0.65% 0.2% 0.6% 0.75% 0.1% 0.5% 2.2% 0.45% 0.3% 0.3% 1% 1.2% 0.85% 1% 0.5% 1%Si;1%Cr 否 否 1.5%Cr 1%Cr 0.9%~1.2%Mn 1%Cr 2%Si;1%Mn 18%W;4%Cr;1%V 18%Cr;9%Ni;1%Ti 是 否 否 否 否 否 否 否 12%Cr 否 否 13%Cr 2%Cr;8%W;1%V 1%Cr;1%W;1%Mn 13%Mn 6%W;5%Mo;4%Cr;2%V 否 否 否 否 否 是 是 20 ZG200-400 鑄鋼 最低屈服強度 200MPa；最低抗 拉強度 400MPa 11.現有下列牌號的鋼： ①20CrMnTi； ②W18Cr4V； ③5CrNiMo； ④60Si2Mn； ⑤Q345； ⑥1Cr13； ⑦40Cr； ⑧1Cr18Ni9Ti； ⑨GCr15； ⑩Cr12MoV。請按下列用途，選用上述鋼號： ?制造普通車床的齒輪，應選用（40Cr）；?制造汽車板簧應選用（60Si2Mn）； ?制造滾動軸承應選用（GCr15）； ?制造大橋桁架應選用（Q345）； ?制造盤形銑刀應選用（W18Cr4V）； ?制造大尺寸冷作模具應選用（Cr12MoV）； ?制造熱鍛模鋼應選用（5CrNiMo）； ?制造重載變速齒輪應選用（20CrMnTi）； ?制造手術刀應選用（1Cr13）； ?制造耐熱（或耐酸）罐體應選用（1Cr18Ni9Ti）。12.制造下列零件，請選擇材料（具體牌號），并擬定其加工路線：(1)沙發螺旋彈簧 材料：65Mn 加工路線：冷卷成型 去應力退火（250~300 度）(2)汽車板簧（輕型卡車的彈簧鋼板）材料：60Si2Mn 加工路線：下料 鍛造 淬火+中回 噴丸(3)連桿、主軸、普通齒輪 材料：45 鋼 加工路線：下料 鍛造 退火 粗加工 調質 精加工 表面淬火+低回 噴丸 磨削(4)普通車床變速齒輪 材料：45 鋼；40Cr 表面淬火 加工路線：下料 鍛造 退火 粗加工 調質 精加工 表面淬火+低回 噴丸 磨削(5)重載變速齒輪 材料：20Cr 滲碳 20CrMnTi 加工路線：下料 鍛造 正火 機加工 滲碳 淬火+低回 噴丸 磨削(6)銑刀、齒輪滾刀 材料：高速鋼（W18Cr4V;W6Mo5;Cr4V2）加工路線：下料 鍛造 球化退火 機加工 淬火 三次高溫回火 磨削(7)銼刀 材料：T12;T13 加工路線：下料 鍛造 正火 球化退火 機加工 淬火 低回 校直(8)鏨子 材料：T7;T8 加工路線：下料 鍛造 淬火 中回 刃磨(9)精密量具 材料：GCr15 加工路線：下料 鍛造 正火 球化退火 機加工 淬火 冷處理 低回 時效處理 磨削 第七章 鑄鐵 1 鑄鐵中 C 的主要存在形式有哪兩種？據此，鑄鐵可分為幾種？ 答：游離態石墨，化合態滲碳體； 灰口鑄鐵，白口鑄鐵，麻口鑄鐵 2 影響鑄鐵石墨化的主要因素是什么？鑄鐵中 C、Si 的含量范圍是什么？ 答：化學成分和冷卻速度； C 的含量大于 2.11%，Si 的含量大于 1.2%小于 3.0% 3 決定鑄鐵力學性能的兩大因素是什么？ 答：基體組織和石墨形態及其分布 4 HT300、QT600-

3、KTH300-06 分別表示什么意思？ 答：HT300 表示普通灰鑄鐵，最低抗拉強度值為 300MPa QT600-3 表示球墨鑄鐵，最低抗拉強度值為 600MPa，最低伸長率為 3% KTH300-06 表示墨心可鍛鑄鐵，最低抗拉強度值為 300MPa，最低伸長率為 6% 5 灰鑄鐵可否進行表面淬火？若能，其目的是什么？ 答：能，目的是提高其耐磨性 6 依據石墨的形態，鑄鐵可分為哪幾種？可鍛鑄鐵可以鍛造否？ 答：四種，分別為灰鑄鐵（HT），可鍛鑄鐵（KT），球墨鑄鐵（QT），蠕墨鑄鐵（RuT）； 可鍛鑄鐵不可以進行鍛造