材料性能学复习题

第一篇：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NDP②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FATT50 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。

第二篇：材料性能学复习题

材料性能学复习题

适用于材料成型与控制工程专业

一、填空

1、σe表示材料的弹性极限

；σp表示材料的比例极限

；σs表示材料的屈服强度

；σb表示材料的抗拉强度。

2、断口的三要素是

纤维区、放射区

和

剪切唇

。微孔聚集型断裂的微观特征是

韧窝

；解理断裂的微观特征主要有

解理台阶

和

河流和舌状花样

；沿晶断裂的微观特征为

晶粒状

断口和

冰糖块状

断口。

3、应力状态系数α值越大，表示应力状态越

软，材料越容易产生

塑性变形和延性断裂

。为测量脆性材料的塑性，常选用应力状态系数α值

大的实验方法，如

压缩

等。

4、在扭转实验中，塑性材料的断裂面与试样轴线

垂直，断口

平齐，这是由

切

应力造成的切

断；脆性材料的断裂面与试样轴线

450角，这是由

正

应力造成的正

断。与静拉伸试样的宏观断口特征

相反。

5、材料截面上缺口的存在，使得缺口根部产生

应力集中

和

双（三）向应力，试样的屈服强度

升高，塑性

降低。

6、低温脆性常发生在具有

体心立方或密排六方

结构的金属及合金中，而在面心立方

结构的金属及合金中很少发现。

7、在平面应变断裂韧性KIC

测试过程中，对试样的尺寸为，其中B、a、（W-a）分别是三点弯曲试样的厚度、裂纹长度和韧带长度，σs是材料的屈服强度；这样要求是为了保证裂纹尖端处于

平面应变

和

小范围屈服

状态；平面应变状态下的断裂韧性KIC

小于

平面应力状态下的断裂韧性KC。

8、按断裂寿命和应力水平，疲劳可分为

高周疲劳

和

低周疲劳

；疲劳断口的典型特征是

疲劳条纹（贝纹线）。

9、对材料的磨损，按机理可分为

粘着

磨损，磨粒

磨损，疲劳

磨损、腐蚀

磨损、冲蚀磨损和微动磨损等形式。

10、材料的拉伸力学性能，包括屈服强度、抗拉强度和实际断裂强度等强度指标和延伸率

和

断面收缩率等塑性指标。

12、弹性滞后环是由于材料的加载线和卸载线不重合而产生的。对机床的底座等构件，为保证机器的平稳运转，材料的弹性滞后环越大

越好；而对弹簧片、钟表等材料，要求材料的弹性滞后环越小

越好。

13、材料的断裂按断裂机理分可分为微孔聚集型断裂，解理断裂

和

沿晶

断裂；按断裂前塑性变形大小分可分为延性

断裂和

脆性

断裂

14、在扭转实验中，塑性材料的断裂面与试样轴线垂直

；脆性材料的断裂面与试样轴线成450角。

15、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(Ⅰ型)裂纹扩展__、滑开型(Ⅱ型)裂纹扩展和撕开型(Ⅲ型)裂纹扩展_三类。

16、根据构件的受力状态，环境敏感断裂可分为应力腐蚀开裂，腐蚀疲劳，腐蚀磨损和

微动磨损等四类

17、材料的韧性是表征材料在外力作用下，从变形到断裂全过程中吸收塑性变形功和断裂功的能力。根据试样形状和加载速率，材料的韧性可分为光滑试样的静力韧性、缺口

试样的冲击韧性和裂纹

试样的断裂韧性。

18、应力强度因子反映了裂纹尖端区域应力场的强度，它综合反映了_外加应力_和裂纹位置、_长度_对裂纹尖端应力场强度的影响。

19、对于材料的静拉伸实验，在整个拉伸过程中的变形分为弹性变形、塑性变形和__断裂_三个阶段，塑性变形又可分为_屈服____、均匀塑性变形和__不均匀集中塑性变形_三个阶段。

20、材料塑性的评价，在工程上一般以光滑圆柱试样的拉伸伸长率和_断面收缩率_作为塑性性能指标。常用的伸长率指标有_最大应力下非比例伸长率_、最大应力下总伸长率和最常用的_断后伸长率_三种。

二、判断题：

1）构件的刚度Q与材料的弹性模量E成正比，而与构件的横截面积A成反比。（×）

2）对机床的底座等构件，为保证机器的平稳运转，材料的弹性滞后环越大越好；而对弹簧片、钟表等材料，要求材料的弹性滞后环越小越好。（√）

3）Bauschinger效应是指经过预先加载变形，然后再反向加载变形时材料的弹性极限升高的现象。（×）

4）鉴于弯曲试验的特点，弯曲试验常用于铸铁、硬质合金等韧性材料的性能测试。（×）

5）在韧性材料的冲击试样断口上，裂纹会在距缺口一定距离的试样内部萌生，而不是在缺口根部。（√）

6）利用双原子模型计算出的材料理论断裂强度比实际值高出1~3个数量级，这是因为该计算模型不正确。（×）。

7）材料的低周疲劳行为，常通过S-N曲线来表示。（×）

8）奥氏体不锈钢在硝酸盐溶液溶液中容易发生应力腐蚀开裂。（×）

9）晶粒与晶界两者强度相等的温度，称为等强温度。（√）

10）应力松弛是指高温服役的零件或材料在应力保持不变的条件下，其中的应变自行降低的现象。（×）

1、磨损包括三个阶段，这三个阶段中均能观察到摩擦现象，最后发生疲劳韧脆性断裂。（×）

2、应力状态软性系数越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形；反之，应力状态软性系数越小，表示应力状态越硬，则材料越容易产生脆性断裂。（√）

3、断裂δ判据是裂纹开始扩展的断裂判据，而不是裂纹失稳扩展的断裂判据，显然，按这种判据设计构件是偏于保守的。（√）

4、测量陶瓷、铸铁的冲击吸收功时，一般采用夏比U型缺口试样，很少采用X型及无缺口冲击试样。（×）

5、应力腐蚀断裂速度远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯力学因素引起的断裂速度。（√）

6、工程设计和材料选用中一般以工程应力、工程应变为依据；但在材料科学研究中，真应力与真应变具有更重要的意义。（√）

7、同一材料用不同的硬度测定方法所测得的硬度值是不相同的，且完全不可以互相转换。（×）

8、缺口使塑性材料得到“强化”，因此，可以把“缺口强化”看作是强化材料的一种手段，提高材料的屈服强度。（×）

9、接触疲劳过程是在纯滚动的条件下产生的材料局部破坏，也经历了裂纹形成与扩展两个阶段。（×）

10、疲劳强度属于强度类力学性能指标，是属于高温拉伸的力学性能指标。（×）

二、选择题：

1）拉伸试样的直径一定，标距越长则测出的断面收缩率会（C）。

a)

越高；b)

越低；c)

不变；d)

无规律可循

2）材料的弹性比功，可通过（B）来得到提高。

a)

提高抗拉强度、降低弹性模量；b)

提高弹性极限、降低弹性模量；

c)

降低弹性极限、降低弹性模量；d)

降低弹性极限、提高弹性模

3）单向压缩条件下的应力状态系数为（D）。

a)

0.5；b)

1.0；c)

0.8；d)

2.0

4）从化学键的角度看，一价键材料的硬度变化规律是（A）。

a)

离子键＞金属键＞氢键；b)

离子键＞氢键＞金属键；

c)

氢键＞金属键＞离子键；d)

金属键＞离子键＞氢键

5）HRC是（D）的一种表示方法。

a)

维氏硬度；b)

努氏硬度；c)

肖氏硬度；d)

洛氏硬度

6）在缺口试样的冲击实验中，缺口试样的厚度越大，试样的冲击韧性越（C）、韧脆转变温度越（）。

a)

大、高；b)

小、低；c)

小、高；d)

大、低

7）I型（张开型）裂纹的外加应力与裂纹面（B）；而II型（滑开型）裂纹的外加应力与裂纹面（）。

a)

平行、垂直；b)

垂直、平行；c)

成450角、垂直；d)

平行、成450角

8)

平面应变条件下裂纹尖端的塑性区尺寸（B）平面应力下的塑性区。

a)

大于；b)

小于；

c)

等于；

d)

不一定

9）对称循环应力的应力比R为（C）。

a)

0；b)

1；

c)

-1；

d)

∞

10）KISCC表示材料的（C）。

a)

断裂韧性；b)

冲击韧性；c)

应力腐蚀破裂门槛值；d)

应力场强度因子

11）黄铜容易在（C）溶液中发生应力腐蚀开裂。

a)

热碱溶液；b)

氯化物溶液；c)

氨水溶液；d)

硝酸盐溶液

12）蠕变是指材料在（B）的长期作用下发生的塑性变形现象。

a)

恒应变；b)

恒应力；c)

恒加载速率；d)

恒定频率

13）Tts表示给定温度T下，恰好使材料经过规定的时间t发生断裂的（B）。

a)

蠕变极限；b)

持久强度；c)

高温强度；d)

抗拉强度

14）与干摩擦相比，加入润滑剂后摩擦副间的摩擦系数将会（B）。

a)

增大；b)

减小；c)

不变；d)

不一定

1、形变强化是材料的一种特性，是下列（C）阶段产生的现象。

A、弹性变形；

B、冲击变形；

C、均匀塑性变形；

D、屈服变形。

2、缺口引起的应力集中程度通常用应力集中系数表示，应力集中系数定义为缺口净截面上的（A）与平均应力之比。

A、最大应力；

B、最小应力；

C、屈服强度；

D、抗拉强度。

3、因相对运动而产生的磨损分为三个阶段：（A）、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。

A、磨合阶段；

B、疲劳磨损阶段；C、轻微磨损阶段；D、不稳定磨损阶段。

4、在拉伸过程中，在工程应用中非常重要的曲线是（B）。

A、力—伸长曲线；

B、工程应力—应变曲线；

C、真应力—真应变曲线。

5、韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标，是指材料断裂前吸收（A）的能力。

A、塑性变形功和断裂功；

B、弹性变形功和断裂功；

C、弹性变形功和塑性变形功；

D、塑性变形功。

6、蠕变是材料的高温力学性能，是缓慢产生（B）直至断裂的现象。

A、弹性变形；

B、塑性变形；

C、磨损；

D、疲劳。

7、缺口试样中的缺口包括的范围非常广泛，下列（C）可以称为缺口。

A、材料均匀组织；B、光滑试样；C、内部裂纹；D、化学成分不均匀。

8、最容易产生脆性断裂的裂纹是（A）裂纹。

A、张开；

B、表面；

C、内部不均匀；

D、闭合。

9、空间飞行器用的材料，既要保证结构的刚度，又要求有较轻的质量，一般情况下使用（C）的概念来作为衡量材料弹性性能的指标。

A、杨氏模数；

B、切变模数；

C、弹性比功；

D、比弹性模数。

10、KⅠ的脚标表示I型裂纹，I型裂纹表示（A）裂纹。

A、张开型；

B、滑开型；

C、撕开型；

D、组合型。

11、拉伸试样的直径一定，标距越长则测出的抗拉强度会（C）。

a)

越高；b)

越低；c)

不变；d)

无规律可循

12、与维氏硬度值可以互相比较的是（A）。

a)

布氏硬度；b)

洛氏硬度；c)

莫氏硬度；d)

肖氏硬度

13、扭转加载的应力状态系数（A）单向拉伸的应力状态系数。

a)

大于；b)

小于；c)

等于；d)

无关系

14、双原子模型计算出的材料理论断裂强度比实际值高出1~3个数量级，是因为（C）。

a)

模型不正确；b)

近似计算太粗太多；c)

实际材料有缺陷；d)

实际材料无缺陷

15、平面应变条件下裂纹尖端的塑性区尺寸（B）平面应力下的塑性区。

a)

大于；b)

小于；

c)

等于；

d)

不一定

16、在研究低周疲劳中，常通过控制（B）的方式进行。

a)

应力；

b)

应变；c)

时间；d)

频率

17、⊿Kth表示材料的（B）。

a)

断裂韧性；

b)

疲劳裂纹扩展门槛值；c)

应力腐蚀破裂门槛值；d)

应力场强度因子

18、奥氏体不锈钢在（B）溶液中容易发生应力腐蚀开裂。

a)

热碱溶液；

b)

氯化物溶液；c)

氨水溶液；d)

硝酸盐溶液

19、细晶强化是非常好的强化方法，但不适用于（A）。

a)

高温；b)

中温；c)

常温；d)

低温

三、名词解释：

1、包申格效应：材料预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余应力降低的现象。

2、滞弹性：快速加载或卸载后，材料随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。

3、刚度：在弹性变形范围内，构件抵抗变形的能力。

4、弹性不完整性：弹性变形时加载线与卸载线不重合、应变落后于应力的现象。

5、形变强化：材料发生屈服应变后，屈服应力随屈服应变增加而增大的现象。

6、等强温度：晶粒与晶界强度相等的温度。

7、摩擦：两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或有相对运动趋势，接触面上具有阻止相对运动或相对运动趋势的作用，这种现象称为摩擦。

8、规定非比例伸长应力与弹性极限

1)规定非比例伸长应力，即试验时非比例伸长达到原始标距长度规定的百分比时的应力，表示此应力的符号附以角注说明。

2)弹性极限是材料由弹性变形过渡到弹—塑性变形时的应力，应力超过弹性极限以后材料便开始产生塑性变形。

9、低温脆性：当试验温度低于某一温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态。

10、韧脆转变温度：材料在某一温度t下由韧变脆，冲击功明显下降。该温度即韧脆转变温度。

11、韧性断裂与裂纹尖端张开位移

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。

裂纹体受载后，在裂纹尖端沿垂直裂纹方向所产生的位移，称为裂纹尖端张开位移。

12、变动载荷与疲劳强度

变动载荷是指载荷大小，甚至方向随时间变化的裁荷。

疲劳强度为在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力，疲劳强度是保证机件疲劳寿命的重要材料性能指标。

13、静力韧度与疲劳裂纹扩展速率

通常将静拉伸的σ-ε曲线下包围的面积减去试样断裂前吸收的弹性能定义为静力韧度，它是派生的力学性能指标。

疲劳裂纹扩展速率指的是疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率．该阶段是疲劳过程第Ⅱ阶段，是材料整个疲劳寿命的主要组成部分。

四、简答题：

1、简述洛氏硬度试验方法的优缺点。

答：洛氏硬度试验的优点是：

（1）因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题。

（2）因为硬度值可从硬度机的表盘上直接读出，故测定洛氏硬度更为简便迅速，工效高。

（3）对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质量检验。

（4）因加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。

洛氏硬度的缺点是：

（1）洛氏硬度存在人为的定义，使得不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较，不象布氏硬度可以从小到大统一起来。

（2）由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织的不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差，因而不适用具有粗大组成相(如灰铸铁中的石墨片)或不均匀组织材料的硬度测定。

2、与纯机械疲劳相比，腐蚀疲劳有何特点？

答：与纯机械疲劳相比，在水介质中的腐蚀疲劳具有以下的特点：

(1)

在腐蚀疲劳的S~N曲线上，没有像大气疲劳那样具有水平线段，即不存在无限寿命的疲劳极限值。即使交变应力很低，只要循环次数足够大，材料总会发生断裂。

(2)

腐蚀疲劳极限与静强度之间没有直接的关系。

(3)

在大气环境中，当加载频率小于1000Hz时，频率对疲劳极限基本上无影响。但腐蚀疲劳对加载频率十分敏感，频率越低，疲劳强度与寿命也越低。

(4)

腐蚀疲劳条件下裂纹极易萌生，故裂纹扩展是疲劳寿命的主要组成部分。而大气环境下，光滑试样的裂纹萌生是疲劳寿命的主要部分。

3、与常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？

答：与常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有如下的特点：

（1）材料在高温下将发生蠕变现象。即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。

（2）材料在高温下的强度与载荷作用的时间有关了。载荷作用的时间越长，引起一定变形速率或变形量的形变抗力及断裂抗力越低。

（3）材料在高温下工作时，不仅强度降低，而且塑性也降低。应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。因而在高温下材料的断裂，常为沿晶断裂。

（4）在恒定应变条件下，在高温下工作的材料还会应力松弛现象，即材料内部的应力随时间而降低的现象。

4、控制摩擦磨损的方法有哪些？

答：对材料的摩擦磨损，其控制方法如下：

（1）润滑剂的使用：在相对运动的摩擦接触面之间加入润滑剂，使两接触表面之间形成润滑膜，变干摩擦为润滑剂内部分子间的内摩擦，从而达到减少摩擦表面摩擦、降低材料磨损的目的。

（2）摩擦材料的选择：根据摩擦的具体工况(载荷、速度、温度、介质等)，选择合理的摩擦副材料（减摩、摩阻、耐磨），也可达到降低材料摩擦磨损的目的。

（3）材料的表面改性和强化：利用各种物理的、化学的或机械的工艺手段如机械加工强化处理、表面热处理、扩散处理和表面覆盖处理，使材料表面获得特殊的成分、组织结构与性能，以提高材料的耐磨性能。

5、影响材料低温脆性的因素有哪些？

解：○1晶体结构，体心立方存在低温脆性，面心立方及其合金一般不存在低温脆性。○2化学成分，间隙溶质原子含量增加，韧脆转变温度提高。○3显微组织，细化晶粒课是材料韧性增加。金相组织也有影响，低强度水平时，组织不同的刚，索氏体最佳。○4温度，在某一范围内碳钢和某些合金可能出现蓝脆。○5加载速率，提高加载速率韧脆转变温度提高。○6试样形状和尺寸，缺口曲率半径越小，韧脆转变温度越高。

6、解释形变强化的概念，并阐述其工程意义。

答：拉伸试验中，材料完成屈服应变后，随应变的增加发生的应力增大的现象，称为形变强化。材料的形变强化规律，可用Hollomon公式S=Kεn描述。

形变强化是金属材料最重要的性质之一，其工程意义在于：

1）形变强化可使材料或零件具有抵抗偶然过载的能力，阻止塑性变形的继续发展，保证材料安全。

2）形变强化是工程上强化材料的重要手段，尤其对于不能进行热处理强化的材料，形变强化成为提高其强度的非常重要的手段。

3）形变强化性能可以保证某些冷成形如冷拔线材和深冲成形等工艺的顺利进行。

8、简述布氏硬度试验方法的原理、计算方法和优缺点。

答：a)

测试原理：用一定的压力P将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，于是在试件表面留下压痕（压痕的直径和深度分别为d和h）。布氏硬度用单位压痕表面积A上所承受的平均压力表示。

b)

计算方法：

c)

优缺点：

优点：1)

分散性小，重复性好，能反映材料的综合平均性能。

2)

可估算材料的抗拉强度。

缺点：1)

不能测试薄件或表面硬化层的硬度。

2)

试验过程中，常需要更换压头和实验载荷，耗费人力和时间。

9、解释平面应力和平面应变状态，并用应力应变参数表述这两种状态。

答：对薄板，由于板材较薄，在厚度方向上可以自由变形，即0zs=。这种只在两个方向上存在应力的状态称为平面应力。

对厚板，由于厚度方向变形的约束作用，使得ｚ方向不产生应变，即0ze=，这种状态称为平面应变。

10、什么是低温脆性？并阐述低温脆性的物理本质。

答：材料因温度的降低由韧性断裂转变为脆性断裂，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状的现象，称为低温脆性或冷脆。

低温脆性是材料屈服强度随温度的下降而急剧增加、但材料的断裂强度σf却随温度变化较小的结果。

112、简述缺口的两个效应，并画出厚板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布图。

13、简述氢脆的类型及其特征。

14、简述韧性断裂和脆性断裂，并画出典型宏观韧性断口示意图，并标注各区名称。

答：韧性断裂：①明显宏观塑性变形；②裂纹扩展过程较慢；

③断口常呈暗灰色、纤维状。④塑性较好的金属材料及高分子材料易发生韧断。

脆性断裂：①无明显宏观塑性变形；②突然发生，快速断裂；

③断口宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。④淬火钢、灰铸铁、玻璃等易发生脆断。

15、描述典型疲劳断口的特征，画出典型疲劳断口示意图，并标注各区名称。

答：典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。

16、简述缺口的三个效应是什么?

答：(1)缺口造成应力应变集中，这是缺口的第一个效应。(2)缺口改变了缺口前方的应力状态，使平板中材料所受的应力由原来的单向拉伸改变为两向或三向拉伸，这是缺口的第二个效应。(3)缺口使塑性材料强度增高，塑性降低，这是缺口的第三个效应。

17、应力腐蚀断裂的定义和腐蚀断裂形态是什么。

答：应力腐蚀断裂是指金属材料在拉应力和特定介质的共同作用下所引起的断裂。金属发生应力腐蚀时，仅在局部区域出现从表及里的裂纹．裂纹的共同特点是在主干裂纹延伸的同时，还有若干分支同时发展．裂纹的走向宏观上与拉应力方向垂直．微观断裂机理一般为沿晶断裂，也可能为穿晶解理断裂或二者的混合．断裂表面可见到“泥状花样”的腐蚀产物及腐蚀坑。

六、计算题：

1、利用Hollomon公式S=Kεn，推导应力-应变曲线上应力达到最大值时开始产生颈缩的条件。

解：应力－应变曲线上的应力达到最大值时开始颈缩。在应力－应变曲线的最高点处有：,其中P和S分别是试样截面积为A时的载荷和真应力。

由于颈缩开始前试样的变形是均匀分布的，所以有试样的体积不变，即lA=常数，或Adl+ldA=0。并考虑到应变的定义，可得：

由dP=0可得：

e

所以

这就是颈缩判据。说明颈缩开始于应变强化速率dS/dε与真应力相等的时刻。

由Hollomon公式S=Kεn和应变强化指数n的定义得出：

将颈缩条件代入上式，得：

n

=

εb

（1分）

说明在颈缩开始时的真应变在数值上与应变强化指数n相等。

2、已知某构件中存在长度为2a0的中心穿透裂纹，构件材料的断裂韧性为、疲劳裂纹扩展的门槛值为。若该构件在最大应力为σ的脉动应力下工作，且。试用疲劳裂纹扩展速率的表达式，推导该构件的剩余疲劳寿命Nc。

解：对具有中心穿透裂纹的构件。由于构件在最大应力为σ的脉动应力下工作，所以

；且由于，故可以利用Paris公式计算构件的剩余寿命。

中心裂纹的初始长度为a0；而最终裂纹长度可根据求得：，即

根据Paris公式，而，则有：

所以：

对上式进行积分，当m=2时，有：

当m≠2时，有：

3、对质点均匀分布的两相合金，如质点间距为λ，试用无限大板中心贯穿裂纹（裂纹长度为2a）延长线上的应力场强度分布公式、虎克定律ε=σ/E、最大均匀真应变εb和应变强化指数n，推导材料断裂韧性KIC的表达式。

解：已知材料为含有均布第二相质点的两相合金，质点间距为lλ，物体受力后裂纹顶端出现一塑性区，随着外力增加，塑性区增大，当塑性区与裂纹前方的第一个质点相遇时，即塑性区尺寸

时，质点与基体界面开裂形成孔洞。孔洞与裂纹之间的材料好像一个小的拉伸试样。当这个小拉伸试样断裂时，裂纹便开始向前扩展，此时的KI因子就是材料的断裂韧性KIC。

裂纹顶端塑性区内的应力为材料的屈服强度。弹性区内的应力分布为。根据虎克定律在弹性区与塑性区的交界处，即l点，应变为

图1

Krafft断裂模型

假定裂纹顶端与孔洞之间的小试样的断裂条件与单向拉伸时的断裂条件相同。当塑性区内的应变达到单向拉伸颈缩时的应变时，即最大的均匀真应变be时，小试样便出现塑性失稳。

于是，裂纹扩展的临界条件就是塑性区的应变ye达到该材料的最大均匀真应变。而=n（n为应变强化指数）。因此，裂纹扩展的临界条件为：

pl

所以，微孔集聚型断裂的断裂韧性为：

4、有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探伤发现有20mm长的横向穿透裂纹，若在平均轴向拉应力900MPa下工作，试计算KI及塑性区宽度R0，并判断该件是否安全？

解：由题意知穿透裂纹受到的应力为σ=900MPa

根据σ/σ0.2的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否休要修正

因为σ/σ0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂纹断裂韧度KIC需要修正

对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：

（MPa*m1/2）

塑性区宽度为：

=0.004417937(m)=

2.21(mm)

比较K1与KIc：

因为K1=168.13（MPa*m1/2）

KIc=115（MPa*m1/2）

所以：K1>KIc，裂纹会失稳扩展,所以该件不安全。

7、一块含有长为16mm中心穿透裂纹[KⅠ=

σ(πa)1/2]的钢板，受到350MPa垂直于裂纹平面的应力作用。（1）如果材料的屈服强度是1400MPa，求塑性区尺寸和裂纹顶端应力场强度因子值；（2）试与第1题相比较，对应力场强度因子进行塑性修正的意义。

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题中σ/σs大于0.6，裂纹尖端不但有弹性变形，而且会有塑性变形，不符合弹性力学理论，如不进行修正，计算所得数值会与实际不符。

9、已知某材料的γs＝2J/m2，E＝2×105MPa，2.5×10-10m，(1)如存在0.8mm长的的垂直拉应力的横向穿透裂纹（可视为无限宽薄板），求该材料的裂纹扩展的临界应力。(2)求这种材料的理论断裂强度，并结合(1)题，讨论理论断裂强度和实际断裂强度。

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

理论断裂强度认为材料中没有任何缺陷，根据原子间的结合力计算断裂强度；而实际材料中已经存在裂纹，当平均应力还很低时，裂纹尖端的应力集中已达到很高值，从而使裂纹快速扩展并导致脆性断裂。实际断裂强度远远小于理论断裂强度。

10、某压力容器受到升压降压交变应力△σ＝120MPa作用，计算得知该容器允许的临界裂纹长度2ac＝125mm，检查发现该容器有一长度2a＝42mm的周向穿透裂纹，假设疲劳裂纹扩展符合Paris公式，假设疲劳扩展系数C＝2×10－10，n＝3，试计算该容器的疲劳寿命？

解：设裂纹为无线大板穿透裂纹，则

由Paris公式得

解得

N=301611、有一材料，模量E＝200GPa,单位面积的表面能γS＝8

J/m2,试计算在70MPa的拉应力作用下，该裂纹的临界裂纹长度？若该材料裂纹尖端的变形塑性功γP＝400

J/m2，该裂纹的临界裂纹长度又为多少？[利用格里菲斯公式和奥罗万修正公式计算]

解：由格里菲斯公式得

由奥罗万修正公式得

12、马氏体时效钢的屈服强度是2100MPa，断裂韧度66MPa·m1/2，用这种材料制造飞机起落架，最大设计应力为屈服强度的70％，若可检测到的裂纹长度为2.5mm，试计算其应力强度因子，判断材料的使用安全性。[提示：假设存在的是小的边缘裂纹，采用有限宽板单边直裂纹模型，2b>>a;

若存在的是穿透裂纹，则应用无限大板穿透裂纹模型计算]

解：

14、对静载拉伸实验，试根据体积不变条件及延伸率、断面收缩率的概念，推导均匀变形阶段材料的延伸率δ与断面收缩率ψ的关系式。

解：在均匀变形阶段，由变形前后体积不变的条件可得：

于是，可推出材料的延伸率δ与断面收缩率ψ间的关系：

yd-=+

或yyd-

上式表明，在均匀变形阶段δ恒大于ψy。

15、有一大型厚板构件制造时，出现了中心穿透裂纹，若2a＝2mm，在工作应力σ＝1000MPa下工作，应该选什么材料的σ0.2与KIC配合比较合适?

已知构件材料经不同热处理后的σ0.2与KIC值列于下表：

σ0.2/MPa

1100

1200

1300

1400

1500

KIC/

MPa*m1/2

解：

已知工作应力σ＝1000MPa；裂纹长度为2a=2mm，于是a=1mm=0.001m。构件为大型厚板结构，属平面应变。（1）

对屈服强度为1100

MPa、断裂韧性为110

MPa*m1/2的材料，因＝1000／1100＝0.91＞0.5，于是裂纹前端的应力强度因子KI为：

＝60.65

MPa*m1/2＜110

MPa*m1/2

因此选用该材料是安全的。（3分）

（2）对屈服强度为1200

MPa、断裂韧性为95

MPa*m1/2的材料，因＝1000／1200＝0.83＞0.6，于是裂纹前端的应力强度因子KI为：

＝59.79

MPa*m1/2＜95

MPa*m1/2

因此选用该材料是安全的。（3分）

（3）对屈服强度为1300

MPa、断裂韧性为75

MPa*m1/2的材料，因＝1000／1300＝0.77＞0.5，于是裂纹前端的应力强度因子KI为：

＝59.22

MPa*m1/2＜75

MPa*m1/2

因此选用该材料是安全的。（3分）

（4）对屈服强度为1400

MPa、断裂韧性为60

MPa*m1/2的材料，因＝1000／1400＝0.71＞0.5，于是裂纹前端的应力强度因子KI为：

＝58.74

MPa*m1/2＜60

MPa*m1/2

因此选用该材料是安全的。（3分）

（5）对屈服强度为1500

MPa、断裂韧性为55

MPa*m1/2的材料，因＝1000

／1500＝0.67＞0.5，于是裂纹前端的应力强度因子KI为：

＝58.38

MPa*m1/2＞55

MPa*m1/2

因此选用该材料是不安全的。

1、某一高强钢在化学介质和外加载荷的共同作用下，常发生低应力脆断。试从断口和电化学的角度，阐述如何区分钢的应力腐蚀与氢致延滞断裂。

断裂源位置

宏观特征

微观特征

二次裂纹

应力腐蚀破裂

在表面上

颜色较暗

有腐蚀产物

较多

氢

脆

在表面下

断口光亮

无腐蚀产物

很少

答：a)

断口特征：

13、已知由某种钢材制作的大型厚板结构（属平面应变），承受的工作应力为σ=560MPa，板中心有一穿透裂纹（），裂纹的长度为2a=6mm，钢料的性能指标如下表所示：

σ=560MPa，板中心有一穿透裂纹（aKIps=），裂纹的长度为2a=6mm，钢料的性能指标如下表所示：

温度（℃）

σS（MPa）

KIC（MPa*m1/2）

1000

900

0

800

700

150

试求：a）该构件在哪个温度点使用时是安全的？

b）该构件在0℃和50℃时的塑性区大小R。

c）用作图法求出该材料的低温脆性转变温度TK。

其中已知：（平面应力）；（平面应变）

（平面应力）；（平面应变）

解：已知σ=560MPa

裂纹长度为2a=6mm，于是a=0.003mm；

构件为大型厚板结构，属平面应变。

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。

该构件在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，可求出断裂应力为p。

将裂纹长度、不同温度下的屈服强度和断裂韧性代入上式得：

-50℃，σcs＝306.5MPa

-30℃，σc＝497MPa

0℃，σc＝886MPa

50℃，σc＝1455MPa

（2分）

利用不同的屈服强度σss和断裂强度σc

s与温度作图，如下图：

由图可见T~sσs和T~σcs两条曲线相交于-7℃，于是该材料的低温脆性转变温度为-7℃。

5、有一轴件平行轴向工作应力150MPa，使用中发现横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深度的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c可以确定φ=1，测试材料的σ0.2=720MPa，试估算材料的断裂韧度KIC为多少？

解：

因为σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂纹断裂韧度KIC不需要修正

对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：

KIC=Yσcac1/2

对于表面半椭圆裂纹，Y=1.1/φ=1.1

所以，KIC=Yσcac1/2=1.1=46.229（MPa*m1/2）

{已知平面应变修正公式为：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的应力下工作．对下列材料应选哪一种?

解：σ/σs=1000/1300，1000/1400，1000/1500均大于0.6，所以必需进行塑性区修正。

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

将三者列表比较：

σ/MPa

1000

σ0.2/MPa

1300

1400

1500

KⅠc/（MPa·m1/2)

KⅠ/（MPa·m1/2)

59.75

59.23

58.91

可见应选第一种材料。

8、一块含有长为16mm中心穿透裂纹[KⅠ=

σ(πa)1/2]的钢板，受到350MPa垂直于裂纹平面的应力作用。（1）如果材料的屈服强度分别是1400Mpa和385

MPa，求裂纹顶端应力场强度因子值；（2）试比较和讨论上述两种情况下，对应力场强度因子进行塑性修正的意义。

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，所以必须进行塑性区修正，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）比较列表如下：

σ/MPa

350

σ0.2/MPa

1400

KⅠ/（MPa·m1/2)

55.5

σ/σs=350/385

0.6，裂纹尖端不但有弹性变形，而且会有塑性变形，不符合弹性力学理论，如不进行修正，计算所得数值会与实际不符。

第三篇：材料性能学教学大纲

《材料性能学》课程教学大纲

一、课程基本信息 课程编码： 课程类别：必修课 适用专业：材料化学

总 学 时：48 学 分：3 课程简介：本课程是材料化学专业主干课程之一，属专业基础课。本课程主要内容为材料物理性能，以材料通用性物理性能及共同性的内容为主。通过本课程的教学，使学生获得关于材料物理性能包括材料力学性能（受力形变、断裂与强度）、热学、光学、导电、磁学等性能及其发展和应用，重点掌握各种重要性能的原理及微观机制，性能的测定方法以及控制和改善性能的措施，各种材料结构与性能的关系，各性能之间的相互制约与变化规律。

授课教材：《材料物理性能》，吴其胜、蔡安兰、杨亚群，华东理工大学出版社，2006，10。

2、参考书目: 1.《材料性能学》，北京工业大学出版社，王从曾，2007.1 2.《材料的物理性能》，哈尔滨工业大学出版社，邱成军等，2009.1

二、课程教育目标

通过学习材料的各种物理性能，使学生掌握以下内容：各种材料性能的各类本征参数的物理意义和单位以及这些参数在解决实际问题中所处的地位；弄清各材料性能和材料的组成、结构和构造之间的关系；掌握这些性能参数的物质规律，从而为判断材料优劣、正确选择和使用材料、改变材料性能、探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础；为全面掌握材料的结构，对材料的原料和工艺也应有所认识，以取得分析性能的正确依据。

三、教学内容与要求 第一章：材料的力学性能 重点与难点：

重点：应力、应变、弹性变形行为、Griffith微裂纹理论，应力场强度因子和平面应变断裂韧性，提高无机材料强度改进材料韧性的途径。难点：位错运动理论、应力场强度因子和平面应变断裂韧性。教学时数：10学时 教学内容：

1.1 应力及应变：应力、应变；

1.2 弹性形变：Hooke定律；弹性模量的影响因素、无机材料的弹性模量、复相的弹性模量、弹性形变的机理；

1.3 材料的塑性形变：晶体滑移、塑性形变的位错运动理论；

1.4 滞弹性和内耗：粘弹性和滞弹性、应变松弛和应力松弛、松弛时间、无弛豫模量与弛豫模量、模量亏损、材料的内耗；

1.5 材料的高温蠕变：蠕变曲线、蠕变机理、影响蠕变的因素；

1.6 材料的断裂强度：理论断裂强度、Inglis 理论、Griffith微裂纹理论、、Orowan理论；

1.7 材料的断裂韧性：裂纹扩展方式、裂纹尖端应力场分析、几何形状因子、断裂韧性、裂纹扩展的动力与阻力；

1.8 裂纹的起源与扩展：裂纹的起源、裂纹的快速扩展、影响裂纹扩展的因素、材料的疲劳、应力腐蚀理论、高温下裂纹尖端的应力空腔作用、亚临界裂纹生长速率与应力场强度因子的关系、根据亚临界裂纹扩展预测材料寿命、蠕变断裂； 1.10 显微结构对材料脆性断裂的影响：晶粒尺寸、气孔的影响；

1.11 提高材料强度及改善脆性的途径：金属材料的强化、陶瓷材料的强化； 1.12 复合材料：复合材料的分类、连续纤维单向强化复合材料的强度、短纤维单向强化复合材料；

1.13 材料的硬度：硬度的表示方法、硬度的测量。教学方式：课堂讲授与多媒体教学相结合。

教学要求：掌握材料的弹性变形、塑性变形、高温蠕变及其它力学性能的理论描述、产生的原因、影响因素。掌握断裂的现象和产生、断裂力学的原理出发，通过理论结合强度、应力场的分析，断裂的判据，应力场强度因子、平面应变断裂韧性、延性断裂、脆性断裂、沿晶断裂、静态疲劳的概念，并根据此判据来分析提高材料强度及改进材料韧性的途径。了解断裂的现象，弄清产生断裂的原理（断裂理论），通过应力场的分析。要求掌握断裂的判据，并根据此判据来分析提高材料强度及改进材料韧性的途径。

第二章：材料的热学性能 重点与难点： 重点：材料的热膨胀，材料的热稳定性。难点：材料的热传导，材料的热稳定性。教学时数：6学时 教学内容：

2.1 热学性能的物理基础；

2.2 材料的热容：晶体固体热容的经验定律和经典理论，晶体固体热容的量子理论回顾，无机材料的热容；

2.3 材料的热膨胀：热膨胀系数、热膨胀机理、热膨胀和其他性能的关系、多晶体和复合材料的热膨胀；

2.4 材料的热传导：固体材料热传导的宏观规律，固体材料热传导的微观机理、影响热传导的因素、某些无机材料的热传导；

2.5 材料的热稳定性：热稳定性的表示方法、热应力、抗热冲击断裂性能，抗热冲击损伤性、提高抗热冲击断裂性能的措施。教学方式：课堂讲授与多媒体教学相结合。

教学要求：掌握材料热容的各种理论及其比较，热膨胀的定义及其基本机理，热传导的宏观规律和微观机理，热稳定性的表示和抗热冲击断裂性能。要求掌握各种热应力断裂抵抗因子。总结出提高抗热冲击断裂性能的措施。第三章 材料的光学性能 重点与难点：

重点：光的反射和折射、材料对光的吸收和色散、光的散射 难点：光的散射、电-光效应、光折变效应、非线性光学效应 教学时数：8学时 教学内容：

3.1 光传播的基本性质：光的波粒二象性、光的干涉和衍射、光通过固体现象；

3.2 光的反射和折射：反射定律和折射定律、折射率的影响因素、晶体的双折射、材料的反射系数及其影响因素；

3.3 材料对光的吸收和色散：吸收系数与吸收率、光的吸收与波长的关系、光的色散；

3.4 光的散射：散射的一般规律、弹性散射、非弹性散射；

3.5 材料的不透明性与半透明性：材料的不透明性、材料的乳浊、半透明性、透明材料的颜色、材料的着色； 3.6 电-光效应、光折变效应、非线性光学效应：电光效应及电光晶体、光折变效应、非线性光学效应；

3.7光的传输与光纤材料：光纤发展概况和基本特征、光纤材料的制备、光纤的应用；

3.8 特种光学材料及其应用：固体激光器材料及其应用、光存储材料。教学方式：课堂讲授与多媒体教学相结合。

教学要求：掌握金属、半导体、绝缘体的电子能带结构，光传播电磁理论、反射、光的吸收和色散、晶体的双折射、介质的光散射等各种光现象的物理本质。了解影响材料光学性能的各种因素。简要了解光纤材料、激光晶体材料及光存储材料等光学材料。

第四章：材料的电导性能 重点与难点：

重点：离子电导，电子电导。

难点：无机材料的电导，半导体陶瓷的物理效应。教学时数：8学时 教学内容：

4.1 电导的物理现象：电导率与电阻率、电导的物理特性；

4.2 离子电导：载流子浓度、离子迁移率、离子电导率、离子电导率的影响因素、固体电解质ZrO2；

4.3 电子电导：电子迁移率、载流子浓度、电子电导率、电子电导率的影响因素 4.4 金属材料的电导：金属电导率、电阻率与温度的关系、电阻率与压力的关系、冷加工和缺陷对电阻率的影响、电阻率的各向异性、固溶体的电阻率； 4.5 固体材料的电导：玻璃态电导、多晶多相固体材料的电导、次级现象、固体材料电导混合法则；

4.6 半导体陶瓷的物理效应：晶界效应、表面效应、西贝克效应、p-n结； 4.7 超导体：超导体的概念、约瑟夫逊效应、超导体的应用。教学方式：课堂讲授与多媒体教学相结合。

教学要求：掌握各种电导的宏观参数和物理量及电导的主要基本公式；围绕此公式来讨论各种电导的电导率（离子电导率、电子电导率）及其影响因素，材料的电导混合法则和半导体陶瓷的物理效应。第五章 材料的磁学性能 重点与难点：

重点：抗磁性和顺磁性、铁磁性与反铁磁性 难点：铁磁性与反铁磁性 教学时数：8学时 教学内容：

5.1 基本磁学性能：磁学基本量、物质的磁性分类；

5.2 抗磁性和顺磁性：原子本征磁矩、抗磁性、物质的顺磁性、金属的抗磁性与顺磁性、影响金属抗、顺磁性的因素；

5.3 铁磁性与反铁磁性：铁磁质的自发磁化、反铁磁性和亚铁磁性、磁畴、磁化曲线和磁滞回线；

5.4 磁性材料的动态特性：交流磁化过程与交流回线、磁滞损耗和趋肤效应、磁后效应和复数磁导率、磁导率减落及磁共振损耗；

5.5 磁性材料及其应用：软磁材料、硬磁材料、磁信息存储材料、纳米磁性材料。教学方式：课堂讲授与多媒体教学相结合。

教学要求：掌握固体物质的各种磁性(抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性)的形成机理及宏观表现；重点掌握磁性表征参量、各类磁性物质的内部相互作用；磁性材料在交变磁场中的磁化过程及宏观磁性；了解磁性材料及其应用。

第六章 材料的功能转换性能 重点与难点：

重点：介质的极化与损耗、介电强度、压电性能、铁电性 难点：压电性能、铁电性 教学时数：8学时 教学内容：

6.1 介质的极化与损耗：介质极化相关物理量、极化类型、宏观极化强度与微观极化率的关系、介质损耗分析、材料的介质损耗、降低材料介质损耗的方法； 6.2 介电强度：介电强度、固体电介质的击穿、影响材料击穿强度的因素； 6.3 压电性能：压电效应及其逆效应、压电材料的研究进程、压电材料主要表征参数、压电陶瓷的预极化、压电陶瓷的稳定性、压电材料及其应用；

6.4 铁电性：铁电性的概念、铁电体的分类、铁电体的起源、铁电体的性能及其应用、反铁电体； 6.5 热电性能：热电效应、热电材料、热电材料的应用； 6.6 光电性能：光电效应、光电材料及其应用；

6.7 热释电性能：热释电效应及其逆效应、热释电材料、热释电材料的应用； 6.8 智能材料：智能材料的特征与构成、智能材料的分类、智能金属材料、智能无机非金属材料、智能高分子材料。教学方式：课堂讲授与多媒体教学相结合。

教学要求：掌握电介质的介电性能，包括介电常数、介电损耗、介电强度及其随环境(温度、湿度、辐射等)的变化规律。了解极化的微观机制、电介质的压电性、铁电性、热电性能、光电性能和热释电性的性能、常用材料及其应用、智能材料的特征、分类及应用。

四、作业：

每章根据学生学习情况，选择布置教材中部分习题促进学生课后复习、巩固课堂教学内容，并进行讲评。

五、考核与评定

以期末考试(闭卷)成绩为主，参考课堂提问、讨论课发言情况以及平时作业和考勤等，综合评定后，给出结业成绩。

期末考试占70％，平时成绩占30％。

第四篇：材料性能知识

材料性能知识大全

1、关于拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线的问题 低碳钢的应力－应变曲线 a、拉伸过程的变形：

弹性变形，屈服变形，加工硬化（均匀塑性变形），不均匀集中塑性变形。b、相关公式：

工程应力 ζ=F/A0 ；工程应变ε=ΔL/L0；比例极限ζP；弹性极限ζε；屈服点ζS；抗拉强度ζb；断裂强度ζk。

真应变 e=ln(L/L0)=ln(1+ε)；真应力 s=ζ(1+ε)= ζ*eε 指数e为真应变。c、相关理论：

真应变总是小于工程应变，且变形量越大，二者差距越大；真应力大于工程应力。

弹性变形阶段，真应力—真应变曲线和应力—应变曲线基本吻合；塑性变形阶段两者出线显著差异。

2、关于弹性变形的问题 a、相关概念

弹性：表征材料弹性变形的能力 刚度：表征材料弹性变形的抗力

弹性模量：反映弹性变形应力和应变关系的常数，E=ζ/ε ；工程上也称刚度，表征材料对弹性变形的抗力。

弹性比功：称弹性比能或应变比能，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，评价材料弹性的好坏。包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形，再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。滞弹性：（弹性后效）是指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。

弹性滞后环：非理想弹性的情况下，由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线。

金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫内耗 b、相关理论：

弹性变形都是可逆的。

理想弹性变形具有单值性、可逆性，瞬时性。但由于实际金属为多晶体并存在各种缺陷，弹性变形时，并不是完整的。

弹性变形本质是构成材料的原子或离子或分子自平衡位置产生可逆变形的反映 单晶体和多晶体金属的弹性模量，主要取决于金属原子本性和晶体类型。包申格效应；滞弹性；伪弹性；粘弹性。

包申格效应消除方法：预先大塑性变形，回复或再结晶温度下退火。循环韧性表示材料的消震能力。

3、关于塑形变形的问题 a、相关概念

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——受温度、成分和变形的影响；滑移方向——比较稳定

孪生：fcc、bcc、hcp都能以孪生产生塑性变形；一般在低温、高速条件下发生；变形量小，调整滑移面的方向

屈服现象：退火、正火、调质的中、低碳钢和低合金钢比较常见，分为不连续屈服和连续屈服；

屈服点：材料在拉伸屈服时对应的应力值，ζs；

上屈服点：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力值，ζsu； 下屈服点：试样屈服阶段中最小应力，ζsl； 屈服平台（屈服齿）：屈服伸长对应的水平线段或者曲折线段；

吕德斯带：不均匀变形；对于冲压件，不容许出现，防止产生褶皱。屈服强度：表征材料对微量塑性变形的抗力

连续屈服曲线的屈服强度：用规定微量塑性伸长应力表征材料对微量塑性变形的抗力（1）规定非比例伸长应力ζp：

（2）规定残余伸长应力ζr：试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力；残余伸长的百分比为0.2%时，记为ζr0.2

（3）规定总伸长应力ζt：试样标距部分的总伸长（弹性伸长加塑性伸长）达到规定的原始标距百分比时的应力。晶格阻力（派纳力）；位错交互作用阻力

Hollomon公式： S=Ken，S为真应力，e为真应变；n—硬化指数0.1~0.5，n=1,完全理想弹性体，n=0，没有硬化能力；K——硬化系数

缩颈是：韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象。抗拉强度：韧性金属试样拉断过程中最大试验力所对应的应力。代表金属材料所能承受的最大拉伸应力，表征金属材料对最大均匀塑性变形的抗力。与应变硬化指数和应变硬化系数有关。等于最大拉应力比上原始横截面积。

塑性是指金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。b、相关理论

常见的塑性变形方式：滑移，孪生，晶界的滑动，扩散性蠕变。塑性变形的特点：各晶粒变形的不同时性和不均匀性（取向不同；各晶粒力学性能的差异）；各晶粒变形的相互协调性（金属是一个连续的整体，多系滑移；Von Mises 至少5个独立的滑移系）。

硬化指数的测定：①试验方法；②作图法lgS=lgK+nlge 硬化指数的影响因素：与层错能有关,层错能下降，硬化指数升高；对金属材料的冷热变形也十分敏感；与应变硬化速率并不相等。

缩颈的判据（失稳临界条件）拉伸失稳或缩颈的判据应为dF=0 两个塑性指标：断后伸长率δ=(L1-L0)/LO*100%； 断后收缩率：ψ=(A0-A1)/A0*100% ψ>δ，形成为缩颈

ψ=δ或ψ<δ，不形成缩颈

4、关于金属的韧度断裂问题 a、相关概念

韧性：断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力 韧度：单位体积材料断裂前所吸收的功

韧性断裂：裂纹缓慢扩展过程中消耗能量；断裂最先发生在纤维区，然后快速扩展形成放射最后断裂形成剪切唇，放射区在裂纹快速扩展过程中形成，一般放射区汇聚方向指向裂纹源。脆性断裂：基本不产生塑性变形，危害性大。低应力脆断，工作应力很低，一般低于屈服极限；脆断裂纹总是从内部的宏观缺陷处开始；温度降低，应变速度增加，脆断倾向增加。穿晶断裂：裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂，断口明亮。沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，都是脆性断裂，由晶界处的脆性第二相等造成，断口相对灰暗。穿晶断裂和沿晶断裂可混合发生。高温下，多由穿晶断裂转为沿晶韧性断裂。沿晶断裂断口：断口冰糖状；若晶粒细小，断口呈晶粒状。剪切断裂：材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。（滑断、微孔聚集型断裂）解理断裂：材料在正应力作用下，由于原于间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。

金属的强度就是指金属材料原子间结合力的大小，一般说金属熔点高，弹性模量大，热膨胀系数小则其原子间结合力大，断裂强度高。断裂的实质就是外力作用下材料沿某个原子面分开的过程。

格里菲思理论：从热力学观点看，凡是使能量减低的过程都将自发进行，凡使能量升高的过程必将停止，除非外界提供能量。Griffth指出，由于裂纹存在，系统弹性能降低，与因存在裂纹而增加的表面能平衡。如弹性能降低足以满足表面能增加，裂纹就会失稳扩展，引起脆性破坏。b、相关理论

断裂三种主要的失效形式：磨损、腐蚀、断裂 多数金属的断裂包括裂纹的形成和扩展两个阶段。按断裂的性态：韧性断裂和脆性断裂；按裂纹扩展路径：穿晶断裂和沿晶断裂；按断裂机制：解理断裂和剪切断裂 韧性断裂和脆性断裂：根据材料断裂前产生的宏观塑性变形量的大小来确定。通常脆性断裂也会发生微量的塑性变形，一般规定断面收缩率小于5％则为脆性断裂。反之大于5％的为韧性断裂。

脆性断口平齐而光亮，与正应力垂直，断口常呈人字纹或放射花样。

解理断裂是沿特定的晶面发生的脆性穿晶断裂，通常总沿一定的晶面分离。解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂。常见的裂纹形成理论：①位错塞积理论 ②位错反应理论 解理与准解理

共同点：穿晶断裂；有小解理刻面；台阶及河流花样 不同点：①准解理小刻面不是晶体学解理面②解理裂纹常源于晶界，准解理裂纹常源于晶内硬质点。准解理不是一种独立的断裂机理，而是解理断裂的变种。格雷菲斯理论是根据热力学原理得出的断裂发生的必要条件，但并不意味着事实上一定断裂。裂纹自动扩展的充分条件是尖端应力等于或大于理论断裂强度。

5、关于硬度的问题 a、硬度概念

硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。b、硬度试验方法: 划痕法——表征金属切断强度 回跳法——表征金属弹性变形功

压入法——表征塑性变形抗力及应变硬化能力 布氏硬度

压头：淬火钢球（HBS），硬质合金球（HBW）载荷：3000Kg 硬质合金，500Kg 软质材料 保载时间：10-15s 黑色金属，30s 有色金属 压痕相似原理

只用一种标准的载荷和钢球直径,不能同时适应硬的材料或者软的材料。为保证不同载荷和直径测量的 硬度值之间可比，压痕必须满足几何相似。布氏硬度表示方法：600HBW1/30/20 ①度值，②符号HBW，③球直径，④试验力(1kgf=9.80665N)，⑤试验力保持时间 布氏硬度试验的优缺点： 优点：压头直径较大→压痕面积较大→硬度值可反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，不受个别组成 相及微小不均匀性的影响。

缺点：对不同材料需更换压头直径和改变试验力，压痕测量麻烦，自动检测受到限制；压痕较大时不宜在成品上试验 洛氏硬度

以测量压痕深度表示材料硬度值。

压头有两种：α＝120°的金刚石圆锥体，一定直径的淬火钢球。洛氏硬度试验优缺点：

优点：操作简便、迅速，硬度可直接读出；压痕较小，可在工件上试验；用不同标尺可测定软硬不同和厚薄不一的试样。

缺点：压痕较小，代表性差；材料若有偏析及组织不均匀等缺陷，测试值重复性差，分散度大；用不同标尺测得的硬度值没有联系，不能直接比较。维氏硬度

原理与布氏硬度试验相同，根据单位面积所承受的试验力计算硬度值。不同的是维氏硬度的压头是两个相对面夹角α为136°的金刚石四棱锥体。努氏硬度

与维氏硬度的区别1）压头形状不同；2）硬度值不是试验力除以压痕表面积，而是除以压痕投影面积 肖氏硬度

一种动载荷试验法，原理是将一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值大小，也称回跳硬度。用HS表示。里氏硬度

动载荷试验法，用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定的速度冲击试样表面，用冲头的回弹速度表征金属的硬度值。用HL表示。

6、关于金属在冲击载荷下的力学性能 a、相关概念 冲击韧性：指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功AK表示。

冲击测量参数：测量冲击脆断后的冲击吸收功（AkU或AKV），冲击吸收功并不能真正反映材料的韧脆程度（冲击吸收功 并非完全用于试样变形和破坏）

低温脆性:体心立方或某些密排六方晶体金属及合金，当试验温度低于某一温度tk或温度区间时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状。tk或温度区间称为韧脆转变温度，又称冷脆转变温度。

b、相关理论

韧脆的评价方法：材料的缺口冲击弯曲试验，材料的冲击韧性 韧脆的影响因素：温度（低温脆性）；应力状态（三向拉应力状态）；变形速度的影响（冲击脆断）

低温脆性的本质：低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加的结果。屈服强度ζs的随温度降低而升高，而断裂强度ζc随温度变化很小。t>tk ,ζc >ζs ,先屈服再断裂；t

晶体结构：体心立方金属及其合金存在低温脆性。普通中、低强度钢的基体是体心立方点阵的铁素体，故这类钢 有明显的低温脆性。

化学成分：间隙溶质元素溶入铁素体基体中，偏聚于 位错线附近，阻碍位 错运动，致ζs升高，钢的韧脆转变温度提高。

显微组织：晶粒大小，细化晶粒使材料韧性增加；减小亚晶和胞状结构尺寸也能提高韧性。细化晶粒提高韧性的原因：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积 增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿 晶脆性断裂。金相组织

7、关于金属疲劳的问题 a、金属疲劳现象

疲劳：金属机件在变动应力和应变长期作用下，由于积累损伤而引起的断裂现象。

疲劳的破坏过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。

循环应力的波形：正弦波、矩形波和三角波等。表征应力循环特征的参量有：

最大循环应力ζmax，最小循环应力ζmin；平均应力:ζm=(ζmax+ζmin)/2；应力幅或应力范围:ζa=(ζmax-ζmin)/2；应力比:r=ζmin/ζmax 疲劳按应力状态分：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳；

疲劳按环境和接触情况分：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳及接触疲劳等。疲劳按应力高低和断裂寿命分：高周疲劳和低周疲劳。b、金属疲劳特点 疲劳的特点：该破坏是一种潜藏的突发性破坏，在静载下显示韧性或脆性破坏的材料在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂。

疲劳对缺口、裂纹及组织等缺陷十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、疏松、白点、脱碳等)，将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。c、金属疲劳宏观断口

疲劳宏观断口的特征：疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。

疲劳源：是疲劳裂纹萌生的策源地。

位置：多出现在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连。但若材料内部存在严重冶金缺陷(夹杂、缩孔、伯析、白点等)，也会因局部材料强度降低而在机件内部引发出疲劳源。特点：因疲劳源区裂纹表面受反复挤压，摩擦次数多，疲劳源区比较光亮，而且因加工硬化，该区表面硬度会有所提高。

数量：机件疲劳破坏的疲劳源可以是一个，也可以是多个，它与机件的应力状态及过载程度有关。如单向弯曲疲劳仅产生一个源区，双向反复弯曲可出现两个疲劳源。过载程度愈高，名义应力越大，出现疲劳源的数目就越多。

产生顺序：若断口中同时存在几个疲劳源，可根据每个疲劳区大小、源区的光亮程度确定各疲劳源产生的先后，源区越光亮，相连的疲劳区越大，就越先产生；反之，产生的就晚。疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展形成的区域。

宏观特征：断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样)，有时还有裂纹扩展台阶。

断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱，反映裂纹扩展快馒、挤压摩擦程度上的差异。

贝纹线——疲劳区的最典型特征：产生原因:一般认为是因载荷变动引起的，因为机器运转时常有启动、停歇、偶然过载等，均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹线痕迹。

形貌特点：疲劳区的每组贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。近疲劳源区贝纹线较细密，表明裂纹扩展较慢；远离疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙，表明此段裂纹扩展较快。

影响因素:贝纹区的总范围与过载程度及材料的性质有关。若机件名义应力较高或材料韧性较差，则疲劳区范围较小，贝纹线不明显；反之，低名义应力或高韧性材科，疲劳区范围较大，贝纹线粗且明显。贝纹线的形状则由裂纹前沿线各点的扩展速度、载荷类型、过载程度及应力集中等决定。

瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域。在疲劳亚临界扩展阶段，随应力循环增加，裂纹不断增长，当增加到临界尺寸ac时，裂纹尖端的应力场强度因子KI达到材料断裂韧性KIc(Kc)时。裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂。

瞬断区的断口比疲劳区粗糙，宏观特征如同静载，随材料性质而变。脆性材料断口呈结晶状； 韧性材料断口，在心部平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区则有剪切唇区存在。位置：瞬断区一般应在疲劳源对侧。但对旋转弯曲来说，低名义应力时，瞬断区位置逆旋转方向偏转一角度；高名义应力时，多个疲劳源同时从表面向内扩展，使瞬断区移向中心位置。大小：瞬断区大小与机件承受名义应力及材料性质有关，高名义应力或低韧性材科，瞬断区大；反之。瞬断区则小。

d、疲劳曲线及基本疲劳力学性能

疲劳曲线：疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S－N曲线。用途：它是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。有水平段（碳钢、合金结构钢、球铁等）：经过无限次应力循环也不发生疲劳断裂，将对应的应力称为疲劳极限，记为ζ-1（对称循环）无水平段（铝合金、不锈钢、高强度钢等）：只是随应力降低，循环周次不断增大。此时，根据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断裂的应力作为条件疲劳极限。疲劳曲线的测定——升降法测定疲劳极限 d、疲劳过程及机理

疲劳过程：裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展三个过程。疲劳寿命Nf＝萌生期N0＋亚稳扩展期Np 金属材料的疲劳过程也是裂纹萌生相扩展的过程。

裂纹萌生往往在材料薄弱区或高应力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成。疲劳微裂纹常由不均匀滑移和显微开裂引起。主要方式有：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。e、如何提高疲劳强度

如何提高疲劳强度——滑移带开裂产生裂纹角度 从滑移开裂产生疲劳裂纹形成机理看，只要能提高材料滑移抗力（固溶强化、细晶强化等），均可阻止疲劳裂纹萌生，提高疲劳强度。

如何提高疲劳强度——相界面开裂产生裂纹角度 从第二相或夹杂物可引发疲劳裂纹的机理来看，只要能降低第二相或夹杂物脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布、使之“少、圆、小、匀”，均可抑制或延缓疲劳裂纹在第二相或夹杂物附近萌生，提高疲劳强度。如何提高疲劳强度——晶界开裂产生裂纹 从晶界萌生裂纹来看，凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔点夹杂物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氢及晶粒粗化等，均易产生晶界裂纹、降低疲劳强度；反之，凡使晶界强化、净化和细化晶粒的因素，均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳强度。f、影响疲劳强度的主要因素 表面状态的影响：应力集中——机件表面缺口因应力集中往往是疲劳策源地，引起疲劳断裂，可用Kf与qf表征缺口应力集中对材料疲劳强度的影响。Kf与qf越大，材料的疲劳强度就降得越低。且这种影响随材料强度的增高，更加显著。

表面粗糙度——表面粗糙度越低，材料的疲劳极限越高；表面粗糙度越高，疲劳极限越低。材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响越显著。

残余应力及表面强化的影响：残余压应力提高疲劳强度；残余拉应力降低疲劳强度。残余压应力的影响与外加应力的应力状态有关，不同应力状态，机件表面层的应力梯度不同。弯曲疲劳时,效果比扭转疲劳大；拉压疲劳时，影响较小。残余压应力显著提高有缺口机件的疲劳强度，残余应力可在缺口处集中，能有效地降低缺口根部的拉应力峰值。残余压应力的大小、深度、分布以及是否发生松弛都会影响疲劳强度。

表面强化的影响——表面强化可在机件表面产生残余压应力，同时提高强度和硬度。两方面的作用都会提高疲劳强度。（方法：喷丸、滚压、表面淬火、表面化学热处理）硬度由高到低的顺序：渗氮→渗碳→感应加热淬火；强化层深度由高到低顺序：表面淬火→渗碳→渗氮。材料成分及组织的影响：疲劳强度是对材料组织结构敏感的力学性能。合金成分、显微组织、非金属夹杂物及冶金缺陷 g、低周疲劳

低周疲劳：金属在循环载荷作用下，疲劳寿命为102～105次的疲劳断裂。循环硬化和循环软化现象与位错循环运动有关。

在一些退火软金属中，在恒应变幅的循环载荷下，由于位错往复运动和交互作用，产生了阻碍位错继续运动的阻力，从而产生循环硬化。

在冷加工后的金属中，充满位错缠结和障碍，这些障碍在循环加载中被破坏；或在一些沉淀强化不稳定的合金中。由于沉淀结构在循环加载中校破坏均可导致循环软化。热疲劳：机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下发生的疲劳。热机械疲劳：温度循环和机械应力循环叠加所引起的疲劳。产生热应力的两个条件：①温度变化②机械约束

冲击疲劳：冲击次数N>105次时，破坏后具有典型的疲劳断口，即为冲击疲劳。

第五篇：材料的性能

第一章 材料的性能 1 材料的力学性能主要有哪些？ 强度，塑性，硬度，韧性及疲劳强度。2 简述低碳钢的应力－应变曲线（分为几个阶段，各特征点表示什么含义）。弹性变形阶段，屈服阶段，塑性变形阶段，颈缩阶段。（画图）第二章 材料的结构 1 体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 与理想的晶体相比较，实际晶体在结构上有何特征？ ① 多晶体结构；②具有晶体缺陷。3 为何晶粒越细，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好？ 金属的晶粒越细，晶界的总面积越大，位错阻碍越多，要协调的具有不同位向的晶粒越多，金属塑性变形的抗力越高，从而导致金属强度和硬度越高。金属晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使得在断裂前发生较大的塑性变形，在强度和硬度同时增加的情 况下，金属在断裂前消耗的功增大，因而其韧性也较好，因此，金属的晶粒越细，其塑性和 韧性也越好。4 名词解释： 相 固溶体 金属化合物 固溶强化 弥散强化 相：金属或合金中，凡成分相同，结构相同，并与其它成分有界面分开的均匀组成部分。固溶体：合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称为固溶体。金属化合物： 合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构均不相同的固相称为金属化合 物。固溶强化：随溶质质量增加，固溶体的强度，硬度增加，塑性，韧性下降，这种现象称为固 溶强化。弥散强化：即沉淀强化。若合金中的第二相以细小弥散的微粒均匀分布在基体上，则可以显 著提高合金的强度，称为弥散强化。5 固态合金中的相分为几类？它们是如何定义的？（提示：晶格类型）固溶体：合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称为固溶体。金属化合物： 合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构均不相同的固相称为金属化合 物。6 铁素体、奥氏体和渗碳体哪些是固溶体，哪些是金属化合物，为什么？它们都是间隙型吗？ 铁素体，奥氏体是固溶体，渗碳体是金属化合物。按定义划分，渗碳体是间隙化合物。（未 完）第三章 材料的凝固 1 为什么过冷是液态结晶的必要条件？液态结晶有那两种基本的形核方式？哪种形核方式 需要的过冷度较小？在相同的过冷度下，哪种形核方式具有较高的形核率？ 只有“过冷”，才会存在相变驱动力，即能量条件。自发形核和非自发形核。非自发形核需要 的过冷度较小。非自发形核。2 金属结晶的基本规律是什么？ ① 能量条件：过冷度。②阶段性：形核、晶核长大。3 名词解释：细晶强化 通过细化晶粒而使金属材料力学性能（强度，塑性，硬度，韧性及疲劳强度）提高的方法称 为细晶强化。4 为了细化晶粒，是否应使液态金属冷得越快越好？试述理由。否。如果过冷度超过一定的限度后，晶粒可能变粗。5 什么是相图？制定相图的条件是什么？ 相图是表示合金系中各合金在极其缓慢的冷却条件下结晶过程的简明图解。6 哪些材料属于恒温凝固？哪些材料在某种温度范围内凝固？ 纯金属和共晶合金均为恒温凝固。7 在两相共存区，相成份的变化有何规律？ 各相成分沿着各自相关的线发生变化。8 工业条件下有可能产生哪两类成份偏析？应如何消除？ 微观偏析（枝晶偏析）：扩散退火；宏观偏析：大变形锻造（如高速钢之锻造）。9 碳在钢铁材料中有哪几种存在形态？ 游离态的石墨、化合态的渗碳体、固溶体的 A 和 F。石墨和渗碳体为碳在铁碳合金相图中的 主要存在形式。10 简述 Fe-Fe3C 相图中的两个基本反应，写出反应式并注明含碳量和温度。共析反应： 共晶反应： 生成珠光体，727 度 生成高温莱氏体，1148 度 11 指出下列组织的主要区别： ⑪高温莱氏体与低温莱氏体； 高温莱氏体：共晶奥氏体和共晶渗碳体的机械混合物 低温莱氏体：珠光体和共晶渗碳体 ⑫共晶渗碳体，共析渗碳体，一次渗碳体，二次渗碳体，三次渗碳体。共晶渗碳体：共晶反应产生的渗碳体 共析渗碳体：共析反应产生的渗碳体 一次渗碳体：由液相直接析出的渗碳体 二次渗碳体：奥氏体中析出的渗碳体 三次渗碳体：铁素体中析出的渗碳体 12 含碳量对碳钢的力学性能有何影响？ 从相的角度看，贴碳合金在室温下只有铁素体和渗碳体两个相，随含碳量增加，渗碳体的量 呈线性增加。从组织的角度看，随含碳量增加，组织中渗碳体不仅数量增加，而且形态也在 变化： 三次渗碳体（不连续的网状或片状）共析渗碳体（在珠光体中，片状）二次渗碳体（连续 网状）共晶渗碳体（存在低温莱氏体中，作为基体）一次渗碳体（粗条片状）13 熟练画出 Fe-Fe3C 相图，分析含碳量为 3.5%、0.4%和 1.3%的铁碳合金从液态缓冷至室 温的结晶过程，并画出该合金在室温下的显微组织示意图。14 依据 Fe-Fe3C 相图，说明产生下列现象的原因： ⑪1.4%C 的钢比 0.9%C 的钢的硬度高； ①随着含碳量↑，渗碳体含量↑，所以硬度↑ ⑫室温下，0.9%C 的钢比 1.3%C 的钢的抗拉强度高。② 当含碳量小于 0.9%时，随着含碳量↑，渗碳体含量↑，且弥散分布，起到弥散强化 的作用，所以强度升高，但含碳量超过 0.9％时，二次渗碳体结成连续的网状，不再起到弥 散强化的作用，而是主要表现为渗碳体的性能特点，也即脆性大、强度低，故强度↓。15 计算 0.6%C 的 Fe-C 二元合金平衡结晶时，其室温组织的相对量。16 试计算：室温下，珠光体中铁素体和渗碳体的相对含量。17 某优质碳素结构钢钢的试样经金相分析，其组织为铁素体加珠光体，其中珠光体的面积 约占 40%。试判断其钢号。18 计算平衡结晶时，3.2%C 的铁碳合金，室温下，其组织的相对量。第四章 金属的塑性变形与再结晶 1 简述金属发生塑性变形的机理。.塑性变形机理：金属原子在切应力的作用下，以位错运动方式产生滑移。2 何谓冷变形强化（形变强化、加工硬化、冷变形硬化）？原因何在？它在工程上 有何利弊？ 加工硬化：随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度升高、塑性、韧性下降，这种现象称 为加工硬化，又称为冷变形强化，或形变强化。产生加工硬化的原因： ① 晶体内部存在位错源，变形时发生了位错增值，随着变形量增加，位错密度 增加。由于位错之间的相互作用（堆积，缠结等），使变形抗力增加。② ③ ④ 随着形变量增加，亚结构细化，亚晶界对位错运动有阻碍作用。随着变形量增加，空位密度增加。由于晶粒由有利位向转到不利位向而发生几何硬化，因此使变形抗力增加。加工硬化是强化金属材料的重要手段之一。特别是对那些具有良好塑性且不能以热处理 强化的材料来说，尤为重要。但是，加工硬化会给金属的进一步加工带来困难。3 什么是锻造流线？它有何特性？它给材料的力学性能带来什么影响？.锻造可使铸态金属中的非金属夹杂物沿着变形方向伸长，形成彼此平行的宏观条纹，称为 流线，又称锻造流线。流线使金属材料的性能呈现明显的各向异性，拉伸时沿着流线伸长的方向（纵向）具有较好 的力学性能，垂直于与流线方向的力学性能较差。【在热加工时应力求使流线与零件工作时 的最大应力方向一致，而与冲击应力或切应力的方向垂直】 4 将弹簧钢丝冷绕成形后，为何要进行回复退火？ 消除应力；定型。回复退火又称去应力退火（250～300℃）。5 试分析再结晶与重结晶有何相同之处？有何不同之处？工业上如何利用再结晶？ 同：皆遵循结晶的基本规律。异：重结晶，相变过程；再结晶，不是相变过程。工业上，可利用再结晶消除加工硬化，恢复材料的塑性，以利于进一步变形。6 在 20℃的室温下，一块纯锡（熔点 232℃）被枪弹击穿。弹孔周围的晶粒有何特 征？试说明原因。为热加工，且发生了回复、再结晶，晶粒主要为等轴晶粒。7 金属塑性变形为何会造成残余应力？残余应力有何利弊？ 内应力是指平衡于金属内部的应力，它是由于金属在外力作用下，内部变形不均匀而引起的。利：有利于提高疲劳极限；弊：引起零件在加工、淬火过程中变形、开裂以及使金属耐腐蚀 性下降。8 将塑变后的金属置于再结晶温度下长时间保温或继续升到较高的温度，金属的晶粒为什么 会长大？对材料的力学性能会带来什么影响？ 再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长加热时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过 程。晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的 强度，尤其是塑性和韧性降低。第五章 钢的热处理 1 填空题 ⑪共析钢加热时，其 A 体化过程包括（奥氏体晶核形成 奥氏体晶核形成）、（奥氏体晶核长大 奥氏体晶核长大）、（残余 奥氏体晶核形成 奥氏体晶核长大 残余 奥氏体溶解）和（奥氏体成分均匀化 奥氏体成分均匀化）四个基本阶段。奥氏体溶解 奥氏体成分均匀化 ⑫当钢中发生过冷 A 体→M 体转变时，原 A 体中含碳量越高，则 Ms 越（低），转变后的 低 AR 量越（多）。多 ⑬亚共析钢的淬火温度范围是（Ac3+(30~50)度），共析钢和过共析钢的淬火温度范围是 度（Ac1+(30~50)度）。度 ⑭钢的淬透性越高，则 C 曲线的位置越（靠右 靠右），临界冷却速度越（小）。靠右 小 ⑮共析钢的临界冷却速度比亚共析钢（小），比过共析钢（小）。小 ⑯采用感应加热表面淬火时，所选择的电流频率越高，则工件的淬硬层深度越（浅），原因 浅 是（集肤效应 集肤效应）。集肤效应 集肤效应又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象交 集肤效应。电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于表层，而非平均分布于 整个导体的截面积中。频率越高，集肤效应越显著。2 试述选择过共析钢淬火加热温度范围的理由。过共析钢的淬火温度范围是（Ac1+(30~50)度）。过共析钢由于淬火前经过球化退火，因此淬火后组织为细晶马氏体加颗粒渗碳体和少量残余 奥氏体，分散分布的颗粒渗碳体对提高钢的硬度和耐磨性有利，如果将过共析钢加热到 Acm 以上，则由于奥氏体晶粒粗大，含碳量提高，使淬火后马氏体晶粒也粗大，且残余奥氏体量 增多，这使得钢的硬度、耐磨性下降，脆性和变形开裂倾向增加。3 判断下列说法是否正确，如不正确则请更正，并说明理由： ⑪除 Co 和≥2.5%Al 外，所有的 AE(Alloy Elements)都使 C 曲线左移，钢的淬透性随之下降。错误。右移，提高。⑫完全退火适用于过共析钢。错误。适用于亚共析钢。⑬对过共析钢进行正火的目的是调整硬度，改善切削加工性。错误。消除网状二次渗碳体，为球化退火做组织准备。⑭M 体的硬度主要取决于过冷 A 体的冷却速度。错误。主要取决于含碳量。⑮直径为 10mm 的 45 钢棒料，加热到 850℃投入盐水中，其显微组织为：马氏体。正确。⑯M 体转变时，钢的体积将因急剧冷却而会发生收缩。错误。膨胀。⑰在切削加工前对低碳钢进行正火处理可以调整其硬度，改善切削加工性。正确。⑱对工件进行表面淬火后，还须进行高温回火。错误。低温回火。4 试述下列组织在来源（获得的方法）、组织形貌和力学性能上有何不同？ M 体与 M 回； S 体与 S 回。M 体：过冷 A，硬而脆；M 回：M 体，硬且耐磨性好； S 体：正火，片状渗碳体；S 回：调质，颗粒状渗碳体，强度、硬度、塑性、韧性均好于 S 体。5 两把 T12 车刀，现将 1 号刀加热到 780℃，2 号刀加热到 950℃，保温后，水冷至室温。请分析： ⑪哪把车刀的 M 体组织粗大？ ⑫哪把车刀的 M 体含碳量较高？ ⑬哪把车刀中的 AR 较多？ ⑭你认为哪个淬火加热温度合适？为什么？ 前三问均为 2 号。第四问：1 号，部分奥氏体化。6 为什么对合金钢件，通常采用油冷方式进行淬火？而对碳钢件常用水冷方式淬火？ 答：合金钢临界冷却速度小。（补充？）7 在对工具钢毛坯件进行切削加工前，通常须进行何种热处理？目的是什么？得到何种组 织？ 碳素工具钢的预备热处理一般为球化退火，其目的是降低硬度（≤217HB），便于切削加工，并为淬火做组织准备。组织为铁素体基体＋细小均布的粒状渗碳体。8 为何经 M 体淬火后的钢必须进行回火？ ①减少或消除淬火内应力。②稳定零件的尺寸。③使 M+A’ 性能要求。预期组织，以满足零件的力学 9 分别述叙： ⑪45 钢在淬火前（正火状态）、淬火后和高温回火后的组织情况，及调质后的力学性能； ⑫T10 钢在淬火前（球化退火状态）、淬火后和低温回火后的组织情况，及低温回火后的力 学性能。答：（1）对于 45 号钢，淬火前（正火态）为铁素体＋索氏体；淬火后为淬火 M，高温回 火后为回火 S。调质后由于渗碳体为颗粒状，教材 91 页表 5-2 表明，回火 S 的强度、硬度、塑性、韧性均好于 S 体(通常又称为正火 S 体)。（2）对于 T10 钢，淬火前（球化退火态）为铁素体基体上分布着颗粒状的渗碳体【因为球 化退火还使得珠光体中的片状渗碳体也变为球状】；淬火后为细淬火 M【高碳 M】 + 颗粒 状＋少量残余奥氏体。低温回火后为回火 M ＋ 颗粒状 ＋ 少量残余奥氏体，低温回火后的 产物硬度高，耐磨性好。10 ⑪什么是调质？目的是什么？得到什么组织？ ⑫什么钢适合于调质？试述理由。答：（1）调质也即淬火＋高温回火。目的使获得良好的综合力学性能。得到回火 S。（2）含碳量 0.30~0.50%的中碳钢适合于调质处理，含碳量过低，则影响钢的强度指标，而含碳量过高则韧性不足。11 什么是淬火应力？对需要淬火的零件，在设计时有哪些要求？ 淬火应力包括热应力和相变应力。热应力是指工件在冷却过程中由于表面和心部的温差引起的工件体积胀缩不均匀所产生 的内应力。而组织应力则是指由于工件快速冷却时表层与心部相变不同时而产生的内应力。正确设计零件结构，尽量做到：(1)璧厚均匀，形状对称。(2)截面尺寸变化处，应用过渡段。(3)避免薄边、尖角。12 试比较下列钢的淬透性和淬硬性： ⑪20 钢与 60 钢； ⑫T8 钢与 T13 钢。（1）60 钢与 20 钢都是亚共析钢，但 60 钢更接近于共析钢，或者讲亚共析钢的 C 曲线随 着含碳量的增加，C 曲线右移，其临界冷却速度小些，故 60 钢的淬透性好些。【钢的淬透 性取决于过冷奥氏体稳定性的高低，表现为临界冷却速度的大小】20 钢淬火后得到的为低 碳 M，而 60 钢淬火产物则为低碳 M 和高碳 M 的混合物，故 60 钢的含碳量高些，故 60 钢 的淬硬性好些。【因为淬硬性取决于 M 的含碳量】（2）T8 钢为共析钢，故在碳钢中其淬透性最好【C 曲线最右】。T8 钢淬火产物则为低碳 M 和高碳 M 的混合物，T13 钢淬火产物全为高碳 M，故 T13 的淬硬性好于 T8 钢。13 为何过冷 A 体：①在等温冷却条件下 M 体转变量只与冷却温度有关？②在连续冷却条件 下，M 体转变量与冷却速度有关？ M 转变的特点之一为降温形成，在 Ms 以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变即 停止。而连续冷却时，冷却速度<临界冷却速度，可能会形成珠光体等。14 采用 20 钢进行高频感应淬火是否合适？为什么？采用 45 钢（或 65Mn、T10 钢）进行 渗碳处理是否合适？为什么？ 20 钢进行高频感应淬火不合适，因为含碳量过低会降低表面层的硬度和耐磨性。45 钢（65Mn、T10 钢等）均不适于进行渗碳处理，因为含碳量提高，将降低工件心部的韧性。15 表面淬火与渗碳处理有何相同？有何不同？各适合于处理什么钢？（提示：相同之处 ——工件的性能要求上；工艺上都需要淬火加低温回火。不同之处——表层化学成份；对象 上，中载与重载、冲击；工艺上，表面淬火与整体淬火。）第六章 工业用钢 1.熟练掌握各类合金钢的典型钢号、成份特点和主加 AE 的作用。典型钢号： {Q235(又称 A3 钢，武汉长江大桥)碳素结构钢} {45、65、65Mn 优质碳素结构钢} {Q345A~E（16Mn，南京长江大桥）低合金高强度结构钢} {20CrMnTi、18Cr2Ni4WA（渗碳钢）} {

45、40Cr、40CrNiMoA 调质钢} {65Mn、60Si2Mn、50CrVA 弹簧钢} {GCr15 滚动轴承钢} {ZGMn13 耐磨钢，A 钢} {W18Cr4V（0.7~0.8%C）W6Mo5Cr4V2（0.8～0.9%C）高速钢} {T7～13（A）碳素工具钢} {9SiCr、CrWMn 低合金工具钢} {Cr12 和 Cr12MoV 冷作模具钢} {5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V 热作模具钢，中碳合金工具钢} {T10～12（A）、CrWMn、GCr15 可作量具用钢}、{Cr13 型(M 不锈钢)} {1Cr17（F 不锈钢）} {1Cr18Ni9 和 1Cr18Ni9Ti（A 不锈钢，无磁性）} {HT150、QT700-2 铸铁}、{ZG200-400 铸钢} 2.与普通碳素结构钢相比，低合金高强度结构钢有何优点？ ①强度高于碳素结构钢，从而可降低结构自重、节约钢材（因为加入了元素 Mn）； ②具有足够的塑性、韧性及良好的焊接性能（小于 0.2%C）； ③具有良好的耐蚀性和低的冷脆转变温度（含碳量低、锰还能降低钢的冷脆转变温度）。3.哪些钢按化学成份编号，哪些钢按力学性能编号？试分析原因。工程用钢（碳素结构刚、低合金高强度结构钢）、铸钢按力学性能编号。HT150（最低抗拉 强度）、QT700-2（最低抗拉强度和伸长率）铸铁、ZG200-400（最低屈服强度和最低抗拉 强度，MPa）。铸铁和铸钢强调其性能。此外，铸钢还可用化学成分表示。其他钢一般按化 学成分编号。4.渗碳钢、弹簧钢、调质钢的回火各有何特点？ 渗碳钢低温回火；弹簧钢中温回火；调质钢高温回火。5.试解释下列现象：⑪高速钢的钢锭在使用前必须反复锻造；⑫高速钢热锻后必须 缓冷；⑬高速钢淬火后必须进行三次高温回火。（1）高速钢反复锻造的目的：打碎莱氏体中的粗大碳化物。（2）淬透性好，而锻造温度在 A 区，相当于 A 化，快冷会产生 M，故热锻后须缓冷。（3）三次高温回火的主要目的是减少残余奥氏体量，稳定组织，并产生二次硬化（详见 p.118）。6.刃具钢、热作模具钢、冷作模具钢和量具钢在性能要求上有何不同？ 刃具钢：高红硬性；热作模具钢：导热性好、抗热疲劳性能；冷作模具钢：高硬度、韧性（或 冲击韧性）；量具：高的尺寸稳定性。7.如果热处理不当，为什么量具在长期的保存和使用过程中会发生尺寸变化？应如何防止？ 内应力和残余奥氏体。冷处理和低温时效（120～150℃）可防止之。8.试述强化金属材料的基本方法。（提示：四种。）固溶强化、弥散强化（或第二相强化）、细晶强化、加工硬化（或冷变形硬化、冷变形强化、形变强化）。9.试从合金化的角度分析：提高钢的耐蚀性的基本途径。（提示：电极电位，单相组织，钝 化作用）提高基体电极电位，获得均匀的单相组织，表面形成致密稳定的钝化膜。10.依据编号原则，判断下列钢铁材料的类别，估算其主要的化学成份或力学性能。并对其 中高级优质者给予注明。主 要 A E 含 量（%）序号 牌 号 材 料 类 别平均 C% 或 力 学 性 能 备 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 低合金工具钢 低合金高强度钢 高碳铬轴承钢 合金调质钢 弹簧钢 合金渗碳钢 合金弹簧钢 高速钢 A 不锈钢 热锻磨具钢 冷做磨具钢 碳素调质钢 马氏体不锈钢 压铸模具用钢 低合金工具刚 耐磨钢 高速钢 碳素工具钢 合金弹簧钢 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 铸钢 最低屈服强度 200MPa；最低抗 拉强度 400MPa 11.现有下列牌号的钢： ①20CrMnTi； ②W18Cr4V； ③5CrNiMo； ④60Si2Mn； ⑤Q345； ⑥1Cr13； ⑦40Cr； ⑧1Cr18Ni9Ti； ⑨GCr15； ⑩Cr12MoV。请按下列用途，选用上述钢号： ⑪制造普通车床的齿轮，应选用（40Cr）；⑫制造汽车板簧应选用（60Si2Mn）； ⑬制造滚动轴承应选用（GCr15）； ⑮制造大桥桁架应选用（Q345）； ⑭制造盘形铣刀应选用（W18Cr4V）； ⑯制造大尺寸冷作模具应选用（Cr12MoV）； ⑱制造热锻模钢应选用（5CrNiMo）； ⑰制造重载变速齿轮应选用（20CrMnTi）； ⑲制造手术刀应选用（1Cr13）； ⑳制造耐热（或耐酸）罐体应选用（1Cr18Ni9Ti）。12.制造下列零件，请选择材料（具体牌号），并拟定其加工路线：(1)沙发螺旋弹簧 材料：65Mn 加工路线：冷卷成型 去应力退火（250~300 度）(2)汽车板簧（轻型卡车的弹簧钢板）材料：60Si2Mn 加工路线：下料 锻造 淬火+中回 喷丸(3)连杆、主轴、普通齿轮 材料：45 钢 加工路线：下料 锻造 退火 粗加工 调质 精加工 表面淬火+低回 喷丸 磨削(4)普通车床变速齿轮 材料：45 钢；40Cr 表面淬火 加工路线：下料 锻造 退火 粗加工 调质 精加工 表面淬火+低回 喷丸 磨削(5)重载变速齿轮 材料：20Cr 渗碳 20CrMnTi 加工路线：下料 锻造 正火 机加工 渗碳 淬火+低回 喷丸 磨削(6)铣刀、齿轮滚刀 材料：高速钢（W18Cr4V;W6Mo5;Cr4V2）加工路线：下料 锻造 球化退火 机加工 淬火 三次高温回火 磨削(7)锉刀 材料：T12;T13 加工路线：下料 锻造 正火 球化退火 机加工 淬火 低回 校直(8)錾子 材料：T7;T8 加工路线：下料 锻造 淬火 中回 刃磨(9)精密量具 材料：GCr15 加工路线：下料 锻造 正火 球化退火 机加工 淬火 冷处理 低回 时效处理 磨削 第七章 铸铁 1 铸铁中 C 的主要存在形式有哪两种？据此，铸铁可分为几种？ 答：游离态石墨，化合态渗碳体； 灰口铸铁，白口铸铁，麻口铸铁 2 影响铸铁石墨化的主要因素是什么？铸铁中 C、Si 的含量范围是什么？ 答：化学成分和冷却速度； C 的含量大于 2.11%，Si 的含量大于 1.2%小于 3.0% 3 决定铸铁力学性能的两大因素是什么？ 答：基体组织和石墨形态及其分布 4 HT300、QT600-

3、KTH300-06 分别表示什么意思？ 答：HT300 表示普通灰铸铁，最低抗拉强度值为 300MPa QT600-3 表示球墨铸铁，最低抗拉强度值为 600MPa，最低伸长率为 3% KTH300-06 表示墨心可锻铸铁，最低抗拉强度值为 300MPa，最低伸长率为 6% 5 灰铸铁可否进行表面淬火？若能，其目的是什么？ 答：能，目的是提高其耐磨性 6 依据石墨的形态，铸铁可分为哪几种？可锻铸铁可以锻造否？ 答：四种，分别为灰铸铁（HT），可锻铸铁（KT），球墨铸铁（QT），蠕墨铸铁（RuT）； 可锻铸铁不可以进行锻造