付华-材料性能学-部分习题答案1

第一章 材料的弹性变形 一 填空题 1 金属材料的力学性能是指在载荷作用下其抵抗 变形 或 断裂 的能力 2 低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形 塑性变形和 断裂 三 个阶段 3 线性无定形高聚物的三种力学状态是 玻璃态 高弹态 粘流 态 它们的基本运动单元相应是 链节或侧基 链段 大分子 链 它们相应是 塑料 橡胶 流动树脂 胶粘剂 的使用状态 二 名词解释 1 弹性变形 去除外力 物体恢复原形状 弹性变形是可逆的 2 弹性模量 拉伸时 E E 弹性模量 杨氏模数 切变时 G G 切变模量 3 虎克定律 在弹性变形阶段 应力和应变间的关系为线性关系 4 弹性比功 定义 材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力 又称为弹性比能或应变比能 表示材料的弹性好坏 三 简答 1 金属材料 陶瓷 高分子弹性变形的本质 答 金属和陶瓷材料的弹性变形主要是指其中的原子偏离平衡位置所作的微小 的位移 这部分位移在撤除外力后可以恢复为0 对高分子材料弹性变形在玻璃 态时主要是指键角键长的微小变化 而在高弹态则是由于分子链的构型发生变 化 由链段移动引起 这时弹性变形可以很大 2 非理想弹性的概念及种类 答 非理想弹性是应力 应变不同时响应的弹性变形 是与时间有关的弹性变 形 表现为应力应变不同步 应力和应变的关系不是单值关系 种类主要包括 滞弹性 粘弹性 伪弹性和包申格效应 3 什么是高分子材料强度和模数的时 温等效原理 答 高分子材料的强度和模数强烈的依赖于温度和加载速率 加载速率一定时 随温度的升高 高分子材料的会从玻璃态到高弹态再到粘流态变化 其强度和 模数降低 而在温度一定时 玻璃态的高聚物又会随着加载速率的降低 加载 时间的加长 同样出现从玻璃态到高弹态再到粘流态的变化 其强度和模数降 低 时间和温度对材料的强度和模数起着相同作用称为时 温等效原理 四 计算题 气孔率对陶瓷弹性模量的影响用下式表示 E E 0 1 1 9P 0 9P2 E0为无气孔时的弹性模量 P 为气孔率 适用于 P 50 370 E0 1 1 9 0 05 0 9 0 052 则 E0 407 8 Gpa 260 407 8 1 1 9 P 0 9 P2 P 0 207 其孔隙度为 20 7 五 综合问答 1 不同材料 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 的弹性模量主要受什么因素 影响 答 金属材料的弹性模量主要受键合方式 原子结构以及温度影响 也就是原 子之间的相互作用力 化学成分 微观组织和加载速率对其影响不大 陶瓷材料的弹性模量受强的离子键和共价键影响 弹性模量很大 另外 其弹性模量还和构成相的种类 粒度 分布 比例及气孔率有关 即与成型工 艺密切相关 高分子聚合物的弹性模量除了和其键和方式有关外 还与温度和时间有密切 的关系 时 温等效原理 综合分析的话 每一条需展开 第二章 材料的塑性变形 一 填空题 1 金属塑性的指标主要有 伸长率 和 断面收缩率 两种 2 单晶体的塑性变形方式有 滑移 和 孪生 2 种 3 非晶态高分子材料的塑变过程主要是 银纹 的形成 二 简答题 1 1 弹性变形与塑性变形 去除外力 恢复原形状 弹性变形是可逆的 塑性变形 微观结构的相邻部分产生永久性位移 屈服强度 s 抗拉强度 b 答 1 塑性变形是指微观结构的相邻部分产生永久性位移在外力撤除后不可恢 复 即变形不可逆 2 屈服强度 s 材料发生起始塑性变形所对应的应力 表征材料抵抗起 始 或微量 塑变的能力 是材料由 弹性 变形向 弹 塑性 变形过渡的 明显标志 3 抗拉强度 b材料在拉伸到断裂的过程中所经历的最大应力 是韧性金属单向拉伸光滑试样的实际最大承载能力 b易于测 定 重复性好 选材设计的重要依据 2 一次再结晶 二次再结晶 一次再结晶是指冷变形金属在再结晶温度以上退火时 变形伸长晶粒被无变形 的等轴晶粒取代的过程 二次再结晶是指在再结晶晶粒长大过程中出现的晶粒 异常长大的现象 3 热加工与冷加工 热加工是指金属在再结晶温度以上进行的塑性加工 冷加工是在再结晶温度 以下进行的塑性加工 4 丝织构与板织构 答 丝织构是指晶体在某一晶向趋于某一特定方向 或有优势取向 板织构是 指某一晶面和某一晶向有优势取向 4 银纹 答 高分子材料在塑性变形过程中 某些缺陷处会有局部塑变产生 取向纤维 和空洞交织分布 该区域密度减小50 对光线的反射能力很高 呈银色 称为 银纹 简答 1 金属单晶体的塑性变形方式 答滑移和孪生 2 什么是滑移系 产生晶面滑移的条件是什么 写出面心立方金属在室温下所 有可能的滑移系 答 滑移系是一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合 产生晶面滑移 的条件是在这个面上的滑移方向的分切应力大于其临界分切应力 3 试述Zn Fe Cu等几种金属塑性不同的原因 答 Zn Fe Cu这三种晶体的晶体结构分别是密排六方 体心立方和面心立 方结构 密排六方结构的滑移系少 塑性变形困难 所以Zn的塑性差 面心立方结构滑移系多 滑移系容易开动 所以对面心立方结构的金属Cu塑性 好 体心立方结构虽然滑移系多 但滑移面密排程度低于fcc 滑移方向个数少 较 难开动 所以塑性低于面心立方结构材料 但优于密排六方结构晶体 所以 Fe的塑性较Cu差 优于Zn 4 孪晶和滑移的变形机制有何不同 答 主要的不同1 晶体位向在滑移前后不改变 而在孪生前后晶体位向改变 形成镜面对称关系 2 滑移的变形量为滑移方向原子间距的整数倍 而孪生过 程中的位移量为孪生方向的原子间距的分数倍 3 滑移是全位错运动的结果而 孪生是分位错运动的结果 5 什么是应变硬化 有何实际意义 答 随着应变量的增加 让材料继续变形需要更大的应力 这种现象称为应变 硬化 随变形量的增加 材料的 强度 硬度升高 而 塑性 韧性下降 的 现象 为加工 应变 硬化 形变强化 冷作强化 其意义是可以使得塑变均匀 可以防止突然过载断裂 强化金属的一种手段 通过形变硬化可以改善某些金属的切削性能 6 在室温下对铅板进行弯折 越弯越硬 但如果稍隔一段时间再弯折 铅板又 像最初一样柔软 这是什么原因 答 铅板在室温下的加工属于热加工 加工硬化的同时伴随回复和再 结晶过程 越弯越硬是由于位错大量增加而引起的加工硬化造成 而过一段时间又会变软 是因为室温对于铅已经是再结晶温度以上 所以伴随着回复和再结晶过程 等 轴的没有变形晶粒取代了变形晶粒 硬度和塑性又恢复到了未变形之前 综合问答 1 位错在金属晶体中运动可能受到哪些阻力 对金属专业要求详细展开 答 晶格阻力 位错之间的相互作用力 固溶体中的溶质原子造成的晶格畸变 引起的阻力 晶界对位错的阻力 弥散的第二相对位错运动造成的阻力 三 计算 1 沿铁单晶的 110 方向对其施加拉力 当力的大小为 50MPa 时 在 101 面上的 方向 1 的分切应力应为多少 若 c 31 1MPa 外加拉应力应为多大 cos 110 方向与 滑移方向的夹角 1 1212 10 1 263 110 方向与 101 面法线方向夹角 1212coshkl 1012 s 500 426MPa 在 101 面上的 方向的分切应力应为 20 4Mpa 1 cos Mpa31 76 2cos 若 c 31 1MPa 外加拉应力应为 76 2Mpa 2 有一 70MPa 应力作用在 fcc 晶体的 001 方向上 求作用在 111 和 111 10 滑移系上的分切应力 10 cos 001 方向与 滑移方向的夹角 1212 01 1 2 001 方向与 111 面法线方向夹角 1212coshkl 0113 s 708 623MPa 在 111 面上的 方向的分切应力应为 28 6Mpa 1 001 方向与 滑移方向的夹角 1212cos 0 1 0 s 0MPa 在 111 面上的 方向的分切应力应为 0Mpa 10 3 有一 bcc 晶体的 111 滑移系的临界分切力为 60MPa 试问在 001 和 010 方向必 须施加多少的应力才会产生滑移 cos 1 001 方向与 111 滑移方向的夹角 1212 0113 001 方向与 面法线方向夹角 0 1212coshkl 0 1 0 由于 001 方向与滑移面 平行 因此 无论在 001 方向施加多大的应力不会使 0 111 滑移系产生滑移 10 2 010 方向与 111 滑移方向的夹角 1212cos 0113 010 方向与 面法线方向夹角 10 1212coshkl 0 1 012 647cos23MPa 在 010 方向必须施加 147Mpa 的应力才会产生滑移 5 为什么晶粒大小影响屈服强度 经退火的纯铁当晶粒大小为 16 个 mm 2 时 s 100MPa 而当晶粒大小为 4096 个 mm 2 时 s 250MPa 试求晶粒大小为 256 个 mm 2 时的 s 12sid 16 个 mm 2 时 d 0 25mm 4096 个 mm 2 时 64 个 mm d 1 64mm 256 个 mm 2 时 16 个 mm d 1 16mm1210 5i 求得 564i 502i 1250506s MPa 第三章 材料的断裂与断裂韧性 一 填空题 1 材料中裂纹的 形成 和扩展 的研究是微观断裂力学的核心问题 2 材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段 3 按照断裂前材料宏观塑性变形的程度 断裂分为脆性断裂与韧性断裂 4 按照材料断裂时裂纹扩展的途径 断裂分为穿晶断裂和沿晶 晶界 断裂 5 按照微观断裂机理 断裂分为解理断裂和剪切断裂 6 对于无定型玻璃态聚合物材料 其断裂过程是银纹产生和发展的过程 7 韧性断裂断口一般呈杯锥状 断口特征三要素由纤维区 放射区和剪切唇 3 个区组成 8 根据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系 裂纹扩展的基本方式 有张开型 型 滑开型 型 撕开型 型 3 种 其中 以张开型 型 裂 纹扩展最危险 9 Griffith 裂纹理论是为解释玻璃 陶瓷等脆性材料断裂强度理论值与实际值 的巨大差异现象而提出的 10 线弹性断裂力学处理裂纹尖端问题有应力应变分析和能量分析两种方 法 二 名词解释 1 韧性断裂 韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程 韧 性断裂时一般裂纹扩展过程较慢 而且要消耗大量塑性变形能 2 脆性断裂 脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形 没有明显预兆 往往表现为突然发生的快速断裂过程 因而具有很大的危险性 3 剪切断裂 剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂 包括纯剪 切断裂和微孔聚集型断裂 微观断口特征花样则是断口上分布大量 韧窝 4 解理断裂 在正应力作用下 由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿 晶断裂称为解理断裂 解理台阶 河流花样和舌状花样是解理断口的基本微观特征 5 断裂韧度 K C K c 为平面应变断裂韧度 表示材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩 展的能力 K I K c 裂纹失稳扩展 引起脆性断裂 K I K c 时 存在的断 裂不会引起断裂 6 韧度 韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标 其中又分为静力韧度 冲击韧度和断 裂韧度 习惯上 韧性和韧度这两个名词混用 但它们的含义不同 韧性是材料的力学性 能 它是指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力 韧度是韧性的度量 7 韧性 韧性是材料的力学性能 它是指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力 三 简答题 1 材料断裂的过程包括哪些 断裂 过程 裂纹的 形成与扩展 稳态扩展 失稳扩展 过程 2 非晶态高分子材料的塑变与断裂过程主要是什么过程 银纹的形成和扩展过程 3 低碳钢典型拉伸断口的宏观特征是什么 对应的微观断口特征是什么 宏观特征由纤维区 放射区和剪切唇 3 个区 韧窝 撕裂韧窝 链波 花样 4 晶粒的形状 大小及分布对材料强度与韧性的影响 细小 弥散 均匀分布 提高材料强度与韧性 5 说明 K 与 K c 的关系 K 与 K c KI 应力场强度因子 力学参量 表示裂纹尖端应力应变场强度大小 K 与外加应力 试样尺寸 a 裂纹类型 Y 有关 与材料无关 K c 断裂韧度 材料的力学性能指标 表示平面应变状态下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 与材料成分 组织结构有关 与外加应力 试样尺寸等外因素无关 当 增加到临界值 a 增大到临界值 a K 达到临界值 K c Kc 裂纹失稳扩展至断裂 KI K c 裂纹失稳扩展 引起脆性断裂 K I K c 105Mpa m1 2 构件不安全 第四章 材料的扭转 弯曲 压缩性能 一 填空题 1 单向拉伸 扭转和压缩试验方法中 应力状态最软的加载方式是 压缩 该方法易 于显示材料的 塑性 塑性 脆性 行为 可用于考查 脆性 塑性 脆性 材料的 塑性 塑性 脆性 指标 2 要测试灰铸铁和陶瓷材料的塑性指标 在常用的单向拉伸 扭转和压缩试验方法 中 可选择 压缩 试验方法 二 名词解释 1 应力状态软性系数 和 的比值称为应力状态软性系数 用 表示 max a 越大 最大切应力分量越大 材料越易于产生塑性变形 则应力状态越软 反之 越 小 最大切应力分量越小 则应力状态越硬 材料越易产生脆性断裂 2 抗扭强度 试样在扭断前承受的最大扭矩 T b W 为试样抗扭截面系数 反映材料的最大抗扭矩能力 第 5 章 材料的硬度 一 填空题 1 硬度表征材料的软硬程度 材料表面上不大体积内抵抗变形或破裂的能力 2 常用硬度试验方法有 布氏硬度 洛氏硬度 和维氏硬度 等 3 测 45 钢调质后的硬度 可选用洛氏硬度 维氏 硬度实验方法 4 要鉴别淬火钢中马氏体组织的硬度 可用 显微维氏硬度 显微努氏 硬度实验方法 5 测量灰铸铁的硬度 可用 布氏硬度 硬度实验方法 6 石膏和金刚石的硬度可用莫氏硬度 表示 7 测橡胶垫的硬度可用 邵氏硬度 表示 二 简答题 1 试比较布氏硬度与维氏硬度实验原理的异同 并比较布氏 洛氏 维氏硬度实验 的优缺点及应用范围 维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相似 也是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬 度值的 所不同的是维氏硬度试验所用的压头是两相对面夹角 a 为 136 的金刚石四棱锥 体 布氏硬度试验的优点是压痕面积较大 其硬度值能反映材料在较大区域内各组成相的 平均性能 因此 布氏硬度检验最适合测定灰铸铁 轴承合金等材料的硬度 压痕大的另 一优点是试验数据稳定 重复性高 布氏硬度试验的缺点是因压痕直径较大 一般不宜在成品件上直接进行检验 此外 对硬度不同的材料需要更换压头直径 D 和载荷 F 同时压痕直径的测量也比较麻烦 洛氏硬度试验的优点是操作简便迅速 压痕小 可对工件直接进行检验 采用不同标 尺 可测定各种软硬不同和薄厚不一试样的硬度 缺点是因压痕较小 代表性差 尤其是 材料中的偏析及组织不均匀等情况 使所测硬度值的重复性差 分散度大 用不同标尺测 得的硬度值即不能直接进行比较 又不能彼此互换 维氏硬度试验角锥压痕清晰 采用对角线长度计量 精确可靠 压头为四棱锥体 当 载荷改变时 压入角恒定不变 因此可以任意选择载荷 而不存在布氏硬度那种载荷 F 与 压球直径 D 之间的关系约束 此外 维氏硬度也不存在洛氏硬度那种不同标尺的硬度 2 今有如下工作需测定硬度 试说明选用何种硬度实验法为宜 1 渗碳层的硬度分布 显微维氏硬度 显微努氏 表面洛氏硬度 2 淬火钢 洛氏硬度 HRC 3 灰铸铁 布氏硬度 HB 4 硬质合金 洛氏硬度 HRA 维氏硬度 5 鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体 显微维氏硬度 显微努氏 6 仪表小黄铜齿轮 显微 维氏硬度 HV 7 龙门刨床导轨 肖氏硬度 KS 里氏硬度 8 氮化层 显微维氏硬度 显微努氏 表面洛氏硬度 9 火车圆弹簧 洛氏硬度 HRC 维氏硬度 10 高速钢刀具 洛氏硬度 HRC 3 在用压入法测量硬度时 试讨论如下情况的误差 1 压入点过于接近试样端面 2 压入点过于接近其他测试点 3 试样太薄 试样厚度应大于压入深度的 10 倍 压痕中心距试样边缘 2 5d 两相邻痕中心距离应 4d d 压痕平均直径 第 6 章 材料的冲击韧性及低温脆性 一 填空题 1 测定 W18Cr4V 高速钢 20 钢 灰铸铁 陶瓷材料 聚乙烯板的冲击韧性 要开 缺口的是 不需开缺口的是 2 同一材料分别采用拉伸和扭转试验方法 测得的 tk 较低的是 若试样 分别制成光滑试样和缺口试样 都采用拉伸试验 测得的 tk 较低的是 二 名词解释 1 冲击吸收功 2 冲击韧性 3 低温脆性 4 韧脆转变温度 三 简答题 1 什么是冲击韧性 用于测定冲击韧性的试件有哪两种主要形式 测定的冲击韧性如何表示 2 什么是低温脆性 在哪些材料中容易发生低温脆性 3 说明下列力学性能指标的意义 1 2 3 FATT 50 4 NDT 5 FTE 6 FTPkuAvku v 4 简述影响冲击韧性和韧脆转变温度的内在因素与外在因素 第 7 章 材料的疲劳性能 一 填空题 1 疲劳断裂的过程包括裂纹萌生 扩展 和 断裂 三个阶段 2 低碳钢典型的疲劳断口上有 疲劳源 疲劳裂纹扩展区 和 瞬时断裂区 断裂特征区 3 疲劳裂纹一般发源于构件的 表面缺陷 处 4 贝纹线是 疲劳裂纹扩展 区的宏观特征 疲劳条带是疲劳裂纹扩展区的微观特征 二 名词解释 2 疲劳贝纹线 贝纹线是疲劳裂纹扩展区的宏观特征 疲劳裂纹扩展时 变动的载荷在前 沿形成贝壳状或海滩状条纹 3 疲劳条带 疲劳条带是疲劳裂纹扩展区的微观特征 疲劳条纹间距表示裂纹扩展速率 间距越宽 扩展速率越大 简单情况下 条带间距等于循环一周时裂纹伸长量 复杂载荷 下 不一定每一循环都产生条带 裂纹可能不扩展 韧性疲劳条带略呈波浪形 基本平行 的纹路 条带显示清楚 脆性疲劳条带呈羽毛状 条带短 窄 紊乱 不明显 贝纹线与疲劳条带 不一定同时 出现 2 条贝纹线间有成千上万条疲劳条带 4 疲劳强度 极限 1 是指光滑试样在指定疲劳寿命 无限 有限周次 下 材料 能承受的上限循环应力 用于传统的疲劳强度设计和校核 是保证寿命 选材 设计 制 定工艺的重要依据 5 疲劳门槛 Kth 疲劳裂纹不扩展的 K 临界值即疲劳裂纹扩展门槛值 表示材料阻 止裂纹开始疲劳扩展的性能 是裂纹试样的无限寿命疲劳性能 用于裂纹件的无限寿命设 计校核 三 简答题 1 试述疲劳断裂的特点有哪些 2 疲劳断口包括哪些区域 各有何特征 3 试述材料疲劳裂纹扩展的两个阶段各有什么特征 4 材料的疲劳抗力指标有哪些 5 影响材料疲劳强度的因素有哪些 各自对疲劳强度有何影响 答案 第 12 章 一 填空题 1 材料的热学性能包括热容 热膨胀 热传导 热稳定性等 2 固体材料的比热 热膨胀 热传导等热性能都直接与晶格振动有关 四 计算题 1 计算室温 298K 时莫来石瓷的摩尔热容值 并请和按杜隆 珀替定律计算的结果比 较 T1 298K Cp1 a bT cT 2 365 96 62 53 10 3 298 111 52 105 298 2 365 96 18 63 125 58 259 01 J mol k 莫来石 3Al 2O3 2SiO2 原子数 21 按杜隆 珀替定律 C 21 25 525 J mol k 室温下两者误差较大 因为热容受温度影响 杜隆 珀替定律适用高温 低原子序数的元素其摩尔热容小于 25 J mol k 陶瓷显微结构对热容也有影响 尤其是气孔等