材料性能学复习题

1金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？
金属的弹性模量主要取决于原子间距和原子间作用力，也即金属原子本性，晶格类型。

而材料的成分和组织对它影响不大，所以说它是一个对组织不敏感性能指标。

改变材料的成分和组织会对材料的强度（如屈服强度，抗拉强度）有显著影响，但对材料的刚度影响不大。

2决定金属屈服强度的因素有哪些？
①金属本性和晶格类型，晶格阻力—派纳力，位错运动交互作用力越强，屈服强度越高；②晶粒大小和亚结构，晶粒减小，屈服强度增加；③溶质元素，加入溶质元素将产生晶格畸变，与位错应力场交互运动，提高屈服强度；④第二相，不可逆变形第二相将增加流变应力，提高屈服强度，可你变形第二相将产生界面能，提高屈服强度；⑤温度，派纳力属于短程力，对温度十分敏感，温度升高，屈服强度降低⑥应变速率，应变速率大，强度增加；⑦应力状态，切应力分量越大，越有利塑性变形，屈服强度降低。

3韧性断裂和脆性断裂的区别。

为什么脆性断裂更加危险。

韧性断裂：断裂前产生明显宏观塑性变形，断裂面一般平行于最大切应力与主应力成45度角，断口成纤维状，灰暗色。

断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇，这三个区域的比例关系与材料韧度有关，塑性越好，放射线越粗大，塑性越差，放射线变细甚至消失。

脆性断裂：断裂前基本上不发生塑性变形的突然断裂。

断裂面与正应力垂直，断口平齐而光滑，呈放射状或结晶状。

（脆性断裂也产生微量塑性变形，断面收缩率一般小于5%）
4对金属材料韧脆转变的影响因素。

①材料成分，凡加入合金元素引起滑移系减少，孪生，位错钉扎的都增加脆性，若合金中形成粗大第二相也增加脆性；②杂质，聚集在晶界上的杂质会降低材料的塑性，发生脆断；③bcc金属具有低温脆断现象，同时在低温下，塑性变形一孪生为主，易于产生裂纹，低温脆性大；④晶粒大小，晶粒小，晶界多，不易产生裂纹，也不易扩展，细化晶粒将提高抗脆性能；⑤应力状态，减少切应力和正应力的比值都将增加金属的脆性；⑥加载速度，加载速度大，金属会发生韧脆转变。

5缺口拉伸是应力分布有何特点
缺口截面上的应力分布是不均匀的，轴向应力在缺口根部最大，离开根部的距离增大，应力不断减小，即在根部产生应力集中。

6今有如下零件和材料等需要测定硬度，试说明选用何种硬度试验方法为宜。

渗碳层的硬度分布 HK或显微HV
淬火钢HRC
灰铸铁HB
鉴别钢种的隐晶马氏体和残余奥氏体显微HV或HK
仪表小黄铜齿轮HV
龙门刨床导轨HS HL
渗氮层HV
高速钢刀具HRC
退火态低碳钢HB
硬质合金HRA
火车弹簧HRA
退火状态下软钢HRB
7试说明低温脆性的物理本质及其影响因素
低温脆性的本质是材料屈服强度随温度降低急剧增加，其影响因素包括晶体结构，化学成分，显微组织（晶粒大小，晶相组织），温度，加载速率，试样的形状和尺寸。

8韧脆转变的确定方法有哪些？
①当低于某一温度材料吸收的冲击能量基本上不随温度变化，形成一个平台，该能量为低阶能，以低阶能开始上升的温度定义，记作NDP ②高于某一温度材料吸收的能量也基本不变，形成一平台，成为高阶能，以高阶能对应的温度定义，记作FTP ③以低阶能和高阶能的平均值对应的温度定义，记作 FTE④通常取结晶区占整个断口面积50%的温度为韧脆转变温度，记作FATT
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9试说明低应力脆断的原因及方法
原因：与材料内部一定尺寸的裂纹相关，当裂纹在给定的作用力下扩展临界尺寸时就会突然破坏。

防止方法：添加细化晶粒的合金元素，细化晶粒，，形成板条马氏体及残留奥氏体薄膜增强韧性，温度越低，脆性一般就越大，增加应变速率也会降低塑性，因此要降低温度和应变速率。

10应力场强度因子以及断裂韧度
应力场强度因子是力学参量，表示裂纹体中裂纹尖端的应力应变场强度的大小，它取决于外加应力，试样尺寸和裂纹类型，而和材料无关；断裂韧度是材料的力学性能指标，表示材料在平面应变的状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力，它决定于材料的成分，结构等内在因素，而以外加应力及试样尺寸等外在因素无关。

11疲劳断口有什么特点
有源疲劳。

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。

由于载荷的间断或在和大小的改变，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分构成。

12什么是裂纹断裂门槛值，那些因素影响其值大小？
把裂纹扩展的每一微小过程看成是裂纹体小区域的断裂过程，则设想应力强度因子幅度△K=Kmax-Kmin 是疲劳裂纹扩展的控制因子，当△K 小于某临界值△Kth 时，疲劳裂纹不扩展，所以△Kth 叫疲劳裂纹扩展的门槛值。

应力比、显微组织、环境及试样的尺寸等因素对△Kth 的影响很大。

13提高零件的疲劳寿命有
①只要能降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量，形态，大小，分布，均可抑制或延缓疲劳裂纹的萌生。

②晶界强化，净化和晶粒细化，可以提高材料疲劳寿命，细化晶粒既能阻止疲劳裂纹在晶界处萌生，又能阻止疲劳裂纹的扩展，提高疲劳强度。

③表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力，阻止疲劳裂纹的扩展，同时还能提高机件表面强度和硬度。

14如何判断某一零件的破坏是由应力腐蚀引起的
①应力腐蚀显微裂纹常有分叉的现象，呈枯树枝状，即：有一主裂纹扩展较快，
其他分支裂纹扩展较慢根据这一特征可以区分；②采用极化实验方法：当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹时间的是应力腐蚀，当外加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间的是氢致延滞性断裂。

15何为氢致延滞性断裂？为什么高强度的钢的氢致延滞性断裂是在一定的应变速率和一定的温度范围内出现？
高强度钢种固溶一定量的氢，在对于屈服强度的应力持续作用下，经过一段时间的孕育，金属内部形成裂纹，发生断裂的现象叫做氢致延滞性断裂。

氢固溶在金属晶格中，产生晶格膨胀畸变，与刃位错交互作用，氢易迁移到位错应力处，形成氢气团。

当应变速率较低而温度较高时，氢气团能够跟上位错运动，但滞后位错一定距离，对位错起钉扎作用，产生局部硬化。

当位错塞积聚集，产生应力作用，导致微裂纹。

当应变速率过高及温度较低的情况下，氢气团不能跟上位错运动，便不能产生钉扎作用，也不可能在位错塞积聚集，产生微裂纹。

16粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施 ----- 又称为咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦副相对滑动速度较小，因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。

磨损机理：实际接触点局部应力引起塑性变形，使两接触面的原子产生粘着。

粘着点从软的一方被剪断转移到硬的一方金属表面，随后脱落形成磨屑旧的粘着点剪断后，新的粘着点产生，随后也被剪断、转移。

如此重复，形成磨损过程。

改善粘着磨损耐磨性的措施 1.选择合适的摩擦副配对材料选择原则：配对材料的粘着倾向小互溶性小表面易形成化合物的材料金属与非金属配对 2.采用表面化学热处理改变材料表面状态进行渗硫、磷化、碳氮共渗等在表面形成一层化合物或非金属层，即避免摩擦副直接接触又减小摩擦因素。

3.控制摩擦滑动速度和接触压力减小滑动速度和接触压力能有效降低粘着磨损。

4.其他途径改善润滑条件，降低表面粗糙度，提高氧化膜与机体结合力都能降低粘着磨损。

17影响接触疲劳寿命的因素？
内因 1.非金属夹杂物脆性非金属夹杂物对疲劳强度有害适量的塑性非金属夹杂物（硫化物）能提高接触疲劳强度塑性硫化物随基体一起塑性变形，当硫化物把脆性夹杂物包住形成共生夹杂物时，可以降低脆性夹杂物的不良影响。

生产上尽可能减少钢中非金属夹杂物。

2.热处理组织状态接触疲劳强度主要取决于材料的抗剪切强度，并有一定的韧性相配合。

当马氏体含碳量在 0.4~0.5w%时，接触疲劳寿命最高。

马氏体和残余奥氏体的级别残余奥氏体越多，马氏体针越粗大，越容易产生微裂纹，疲劳强度低。

未溶碳化物和带状碳化物越多，接触疲劳寿命越低。

3.表面硬度和心部硬度在一定硬度范围内，接触疲劳强度随硬度的升高而增加，但并不保持正比线性关系。

表面形成一层极薄的残余奥氏体层，因表面产生微量塑性变形和磨损，增加了接触面积，减小了应力集中，反而增加了接触疲劳寿命。

渗碳件心部硬度太低，表层硬度梯度过大，易在过渡区内形成裂纹而产生深层剥落。

表面硬化层深度和残余内应力硬化深度要适中，残余压应力有利于提高疲劳寿命。

外因 1.表面粗糙度减少加工缺陷，降低表面粗糙度，提高接触精度，可以有效增加接触疲劳寿命。

接触应力低，表面粗糙度对疲劳寿命影响较大接触应力高，表面粗糙度对疲劳寿命影响较小2.硬度匹配两个接触滚动体的硬度和装配质量等都应匹配适当。

18金属材料在高温下的变形机制与断裂机制，和常温比较有什么不同
机制：高温下的蠕变主要是通过位错攀移，原子扩散等机理进行的。

常温下，若滑移面的位错运动受阻产生塞积，滑移便不能继续进行，只有在更大的切应力作用下，才能是位错重新运动和增值。

但在高温作用下，位错可借助外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些短程障碍。

扩散蠕变，是由于在高温条件下大量原子和空位定向移动。

此外，高温下，由于晶界上的原子容易扩散，受力后易产生滑移，促进蠕变变形，这就是晶界滑动蠕变。

断裂机制：金属材料在长时高温的断裂，大多为沿晶断裂，这是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展引起的。

高温下，裂纹出现在境界上的突起部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动而产生空洞，最终导致沿晶断裂。

19提高材料的蠕变抗力有哪些途径
合金化学成分：在基体金属中加入合金元素形成单相固溶体。

加入能够形成弥散相的合金元素能够增加晶界扩散激活能的元素。

冶炼工艺：珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺。

奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶处理和时效。

采用形变热处理改变晶界形状并在晶内形成多边化的亚晶界。

晶粒度：使用温度低于等强温度时，晶粒细化。

奥氏体耐热钢及镍基合金一般以2到4级晶粒度较好。