力学性能高阶版

1、金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么它是一个对组织不敏感的力学性能指标？ 取决于金属原子本性和晶格类型。由于弹性变形是原子间距在外力作用下可逆变化的结果，应力与应变关系实际是原子间作用力和原子间距的关系，所以弹性模量与原子间作用力有关，与原子间距也有一定关系。原子间作用力取决于金属原子本性和晶格类型，弹性模量也取决于金属原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形对弹性影响小，所以弹性模量是一个对组织不敏感的指标。

2、今有45、40Cr 、35CrMo 钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作机床床身？为什么？ 灰铸铁，机床机身要求刚度大，抗震性好，运行可靠且耐磨性好，制备简单，价格便宜。

3、试述多晶体金属产生明显屈服的条件。并解释bcc 金属及其合金与fcc 金属及其合金屈服行为不同的原因。

产生屈服的条件：①材料变形前可动位错密度较小。②随塑性变形发生，位错能快速增殖。③位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。

bcc 金属的位错运动速率应力敏感指数数值较低，而此数值越低，则为使位错运动速率变化所需的应力变化越大，则屈服现象越明显，而fcc 的此数值较高，故屈服现象不明显。

4、试述退火低碳钢，中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力伸长曲线图上的区别？为什么？ 低碳钢中有较明显的屈服现象，即在拉伸力—伸长曲线上有屈服平台，有明显屈服现象。而中碳钢和高碳钢则没有屈服平台。

三者的区别主要在于含碳量的不同，导致了间隙固溶原子数量不同。低碳钢小于中碳钢小于高碳钢。而屈服平台的产生和固溶原子的钉扎作用有关。由于钉扎作用，开动位错需要很大的应力，低碳钢中，一但开动了，运动就容易了，应力也就下降了，便产生了屈服平台。但高碳和中碳钢中，由于固溶原子多，开动位错后，接着又被另一柯氏气团钉扎，这一过程不断重复，故曲线呈现连续变化，无屈服平台。

5、决定金属屈服强度的因素有哪些？

内因：①金属本性和晶体结构：晶格阻力，位错交互阻力。②晶粒大小和亚结构：晶界，亚晶界对位错阻力大。③溶质元素：固溶产生的晶格畸变给位错运动带来阻力。④第二相；固溶强化，间隙强化，第二相强化，弥散强化，细晶强化

外因：①温度②应变速率（变形速率[正比]）③应力状态（切应力分量[反比]）

6、试根据下列方程（σid1/2+ky）ky=2Gγsq ，讨论下述因素对金属材料韧脆转变的影响：

（1）材料成分：G 增大，韧性增大，脆断强度越高

（2）杂质：rs 下降，使材料变脆

（3）温度：低温变脆，T 下降，σi 上升

（4）晶粒大小：细晶强化，抗脆断性能优化

（5）应力状态：应力下降，脆性上升

（6）加载速度：加载速度上升，应力上升，脆性降低

7、格雷菲斯理论的局限性：该理论只适用与脆性固体，如玻璃、金刚石等，也就是只适用与那些裂纹尖端塑性变形可以忽略的情况。因此要对该公式进行修正。

8、 试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲和扭转实验特点和应用范围。

拉伸试验的特点是温度、应力状态和加载速率都是确定的，应力状态软性系数硬。且该方法设备简单，操作方便，实验精度高，适用范围广。塑性变形抗力和切断强度较低的塑形材料。 压缩应力状态软性系数软一般都能产生塑性变形，所以该方法适用于测定脆性材料的韧性指标或测定承受多向压力零件的相关性能。

弯曲：杆状材料受弯后，其内部应力主要为正应力，与单向拉伸和压缩时产生的应力雷同，但由于杆件截面上的应力分布不均匀，表面最大，中心为零，因此只有弯曲实验才能较灵敏地反映材料的表面缺陷。弯曲实验具有试样形状简单、操作方便，又不存在拉伸时试样的偏

斜等特点，常用测定铸铁，铸造合金工具钢等脆性和低塑形材料的强度和显示塑性的拆额 扭转：特点有：①扭转的应力状态软性系数为0.8，比拉伸大，因此更易于显示材料的塑性行为；②圆柱试样扭转时，整个长度上的塑性变形是均匀的，没有缩颈现象；③能较敏感反映出试样表面的缺陷及表面硬化层的性能；④扭转时最大的正应力与最大的切应力在数值上大体相等。用来研究金属再来热加工条件下的流变性能和断裂性能 9、试说明布、洛、维硬度实验原理。并比较优缺

布氏硬度：用钢球或硬质合金球作为压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得到的硬度 洛氏硬度：采用金刚石圆锥体或小淬火钢球做压头，以测量压痕深度所表示的硬度

维氏硬度：以两相对面夹角为136°的金刚石四棱锥做压头，采用单位面积所承受的试验力计算得到的硬度 布优：反映宏观性能，适用于测量晶粒粗大或多相材料的综合性能；重复性好，波动性小。布缺：压痕大，且测量较麻烦；不同材料需要更换不同种类压头。

洛优：操作简便；适用硬度范围大；压痕小。洛缺：重复性较差；不同硬度对比性较差。波动大。（波动原因：1，成分偏析，成分波动引起带状，2，夹杂3，铸造疏松，有枝晶） 维优：维氏硬度有一个连续一致的标度（而洛氏硬度则没有）；试验载荷也可任意选择，所得结果相同。

10、如今以下材料和零件测硬度，请选用方法。

渗碳层的硬度分布：显微维氏。②淬火钢：洛氏。③灰铸铁：布氏。④鉴别钢中的隐晶马氏体与残留奥氏体：显微维氏。⑤仪表小黄铜齿轮：肖氏。⑥龙门刨床：肖氏。⑦渗氮层：显微维氏。⑧高速钢刀具：努氏。⑨退火低碳钢：布氏。⑩硬质合金：洛氏。

11、试样是否开口。

开口:韧性材料。不开口:脆性、夹杂、裂纹、有缺陷。不开口:铸铁。开口:40CrNiMo，30CrMnSi ，

20CrMnTi

12、试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。

温度下降对材料屈服强度下降幅度比断裂强度大，致使温度低于tk 时材料不经塑性变形直接脆断。影响冲击韧性和tk 的因素：

内部因素：1晶体结构2化学成分

一般有：间隙元素含量升高，tk 升高，σ升高，δ下降，但ak 一般下降。

置换元素含量升高，tk 升高，σ升高，δ下降，但ak 一般也下降。

3．晶粒大小：晶粒尺寸下降，强度σ升高，塑性δ也升高，因此ak 升高。

4．金相组织5．第二相：第二相存在一般都使σ升高，δ下降 ，ak 一般下降，tk 升高。

6．缺陷（夹杂物，偏析气泡过烧及白点等：缺陷的存在一般都使ak 一般下降，tk 升高。

（二）、外部因素（External factors）

1、温度（Temperature ）

从室温～900℃，对组织均匀的结构钢进行冲击实验时，发现在些温度范围内，ak 值急剧下降，分别为冷脆区，蓝脆区及重结晶脆性区；冷脆区：韧脆转变造成；蓝脆区（由于该温度下，钢的氧化层为蓝色。其机理主要是C 、N 等间隙原子在位错处偏聚造成，因此有变形速率越大，即位错运动速度越快，为保证间隙原子运动速度与位错相同，则温度应越高）； 重结晶脆性区：在A1~A3温度范围内出现的脆性。它与钢处于两相混合状态有关。一般有，当两相组织各占一半时，韧性下降最大。

2、加载速率：加载速率升高，tk 升高，ak 一般下降。

3、试样尺寸及形状（即应力状态）：试样尺寸及形状的改变，实际上改变了材料内部的应力状态（即软、硬状态），从而改变了tk ，ak 。一般地有：缺口尖锐度升高，tk 升高，ak 一般下降；试样尺寸变大，应力状态变硬，tk 升高，ak 下降。

13、下列三组试验方法中，请列举出每组中哪种试验方法测得的tk 比较高？为什么？ ① 拉伸和扭转：拉伸高，拉伸的应力状态系数低，正应力大，容易裂纹扩展。

② 缺口弯曲和缺口冲击弯曲：缺口试样高，变形速率冲击试验高，故高。

③ 光滑试样拉伸和缺口试样拉伸：缺口试样拉伸高。缺口处试样承受三向应力，应力集中，

应力状态系数低，易断。故高。

14、试从宏观和微观上解释为什么有些材料有明显韧脆转变温度。而另一些材料没有呢？ 宏观上看材料韧脆性对温度是否敏感。fcc 和高强度bcc 不敏感，低强度bcc 敏感。 微观上看位错运动是否对温度敏感。低强度bcc 敏感，不敏感。

15、试述低应力脆断的原因及防止方法。

低应力脆断是由宏观裂纹的扩展引起的。由于裂纹破坏了材料的均匀连续性，改变了材料的应力状态和应力分布，在裂纹处应力集中，故在低应力下就满足裂纹扩展，进而脆断。 用裂纹力学对零件进行效验，可有效防止低应力脆断。

16、试述K 判据的意义和用途。

K I ≥K IC ，裂纹体满足这个条件，裂纹就会失稳扩展。此式将材料韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量的联系起来。因此可以直接用于设计计算。

17、影响KIC 的冶金因素。K IC 上升，细化晶粒。K IC 下降，固溶强化；金属化合物并呈第二相析出合金元素；杂质和第二相。

18、金属疲劳断裂特点。(1)低应力循环延时断裂，具有寿命的断裂(2)脆性断裂(3)对缺陷十分敏感(4)是裂纹萌生与扩展的过程

19、试述塑性区对KI 的影响。存在塑性区时，应力应变非线性关系，使得K I =Y σa 不适用要对此式进行修正。

20、金属疲劳断裂特点。(1)低应力循环延时断裂，具有寿命的断裂(2)脆性断裂(3)对缺陷十分敏感(4)是裂纹萌生与扩展的过程

21、试述疲劳宏观断口特征及形成过程。

有疲劳源。在形成疲劳裂纹之后，裂纹慢速扩展，形成贝壳状或海滩状条纹。这种条纹开始时比较密集，以后间距逐渐增大。由于载荷的间断或载荷大小的改变，裂纹经过多次张开闭合并由于裂纹表面的相互摩擦，形成一条条光亮的弧线，叫做疲劳裂纹前沿线，这个区域通常称为疲劳裂纹扩展区，而最后断裂区则和静载下带尖锐缺口试样的断口相似。对于塑性材料，断口为纤维状，对于脆性材料，则为结晶状断口。总之，一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。

22、试述疲劳裂纹形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法。

机理主要有三种方式：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界开裂。 阻止疲劳裂纹萌生的一般方法：1、提高材料表面的强韧性，可以通过渗C ，渗N 、C 、N 共渗或者喷丸技术实现。2、提高表面质量，降低表面粗糙度。3、提高冶金质量，降低夹杂物的含量，减少应力集中。4、通过热处理提高材料中韧性相，减少脆性相。

23、试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素，并和疲劳萌生的影响因素作比较。

①应力比r 。减小r ，减小速率。②过载峰适当可减慢。③材料组织影响：晶粒粗扩展慢。含

K th K th ，抑制扩展。

疲劳扩展的速率主要影响因素是外界因素，而裂纹萌生是内因。两者内因的最大区别在于，抑制萌生要晶粒细，而疲劳裂纹扩展速率则相反。

24、试述金属产生应力腐蚀的条件和机理。

①产生条件：应力、化学介质和金属材料。其中应力包括工作应力和残余应力。特定化学介质中某种金属材料才能应力腐蚀。纯金属不活产生应力腐蚀。

②机理：对应力腐蚀敏感的合金在特定的化学介质中，首先表面形成钝化膜。拉应力引起钝化膜局部区域破坏，并造成裂纹尖端应力集中，致使阳极电位降低，因而阳极溶解加速，钝化膜不能修复，断裂寿命下降。

防治方法：1. 合理选择金属材料，取决于所受应力和化学介质。 2. 减少或消除机件中的残余拉应力。3. 改善化学介质4. 采用电化学保护

25、试述区别刚强度钢的应力腐蚀与氢致延滞断裂的方法。

产生应力腐蚀时总是伴随有氢的析出，析出的氢又易于形成氢致延滞断裂，两者的区别在于应力腐蚀为阳极溶解过程，形成所谓阳极活性通道而使金属开裂；而氢致延滞断裂则为阴极吸氢过程。判别方法为极化法，即当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹的时间则为应力腐蚀，当外加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间则为氢致延滞断裂。

26、试述粘着磨损产生的条件、机理和防止措施。

条件：是指在滑动摩擦条件下，且摩擦副相对滑动速度较小（

机理：粘着实际上是摩擦副两表面原子间的键合作用，在随后的继续滑动时，粘着点被全部剪断。并转移到另一方金属表面。然后脱落形成磨屑。

措施：①注意摩擦副配对材料选择：粘着倾向应力小。②采用化学热处理改变材料表面状态：避免摩擦副直接接触，又减小摩擦因数。③控制摩擦滑动速度和接触压应力：改善润滑，降低表面粗糙度，增强氧化膜稳定性，避免金属直接接触。