工程材料第56章作业.docx

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1、工程材料第56章作业第五章 1.金属材料的力学性能指的是什么性能？常用的力学性能包括哪些方面的内容？ 答：金属材料的性能是指用来表征材料在给定外界条件下的行为参量，包括使用性能和工艺性能。金属材料的力学性能主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。 2.衡量金属材料强度、塑性及韧性用那些性能指标？各用什么符号和单位表示？ 强度：A.比例极限p和弹性极限e 比例极限p 应力与应变成正比例关系的最大应力 pFp/A0 弹性极限e 材料由弹性变形过渡到塑性变形的应力 eFe/A0 刚度在弹性变形阶段内，当应力低于比例极限时，应力与应变呈线性关系 E 此式为虎克定律。E杨氏模量，反映材料的刚度，E

2、值越大，材料刚度越大，弹性应变越小；E值大小主要取决于材料本性和原子间作用力，与显微组织关系较小，热处理、合金化、冷变形对其影响不大。 B.屈服极限材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。 S =Fs/A0 表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。当材料单位面积上所受的应力es时，材料将产生明显的塑性变形。 C.抗拉强度抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。b =Fb/A0 屈服强度与抗拉强度的比值S / b称为屈强比。可反映材料屈服后强化能力的高低。屈强比越小，S 与b的差距越大，材料的塑性越好，发生脆断的可能性越小，工程构件的可靠性高，说明即使外载荷或某些意外因素使金属变形，也不至于立

3、即断裂。但若屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。相反，屈强比越大，S 越接近b，承载能力越强，但易发生脆断，并对应力集中敏感，耐疲劳抗力下降。 塑性：常用延伸率和断面收缩率作为衡量塑性的指标。 A. 延伸率：B. 断面收缩率: 韧性：分为静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。 A.静力韧度是金属材料在静拉伸是单位体积断裂所吸收的功。 B.冲击韧度：ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积F 单位为焦耳/厘米冲击吸收功：Ak=mg(h1-h2) 单位为焦耳 C.断裂韧度，用KIC表示。 断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。 sC为断裂应力，aC为临界裂纹半长 K KIC，材料必发生裂纹

4、失稳扩展而脆断。K KIC，材料中裂纹不扩展或扩展缓慢。 3、硬度是否为金属材料独立的性能指标？它反映金属材料的什么能力？有5种材料其硬度分别为449HV、80HRB、291HBS、77HRA、62HRC，试比较5种材料硬度的高低。 答：硬度不是金属材料独立的性能指标。硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。硬度从高到低的书序为77HRA,449HV,291HBS,62HRC,80HRB 4、为什么说金属材料的力学性能是一个可变化的性能指标？ 答：金属材料的力学性能是指材料在力或能量的作用下所表现的行为。由于作用力特点的不同，如力的种类、施力方式、应力状态等的不同，以及金属在受力状态下所处环境的

5、不同，使金属在受力后表现出各种不同的行为，显示出各种不同的力学性能。所以说，金属材料的力学性能是一个科变化的性能指标。 5、金属材料的焊接性能包含哪些内容？常用什么指标估算金属材料的焊接性能？ 金属焊接性的概念有两方面内容：一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。 焊接性又可分成工艺焊接性和使用焊接性。 工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，获得优质、无缺陷的焊接接头的能力。如果一种金属材料可以在很简单的工艺条件下焊接而获得完好的接头且能够满足使用要求，就可以说其焊接性良好；反之，则焊接性较差。 使用焊接性是指焊接接头满足某种使用性能的能力，通常包括

6、常规的力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度以及抗腐蚀性和耐磨性等指标。 金属的熔点、导热系数、线膨胀系数、密度、热容量等因素，都会对焊接热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响，从而影响材料的焊接性。 6、如何表示金属材料耐腐蚀性能的高低？ 材料遭受腐蚀后，其质量、厚度、力学性能、组织结构及电极过程等都有可能发生变化，其变化程度可用以衡量材料的耐蚀性能。 第六章 1、名词解释 失效：装备在使用过程中，由于应力、时间、温度和环境介质等因素的作用，失去其原有功能的现象有发生。这种丧失其规定功能的现象称为失效。 失效分析：失效分析是人们认识事物本质和发展规律的逆向思维和探索，是

7、变失效为安全的基本环节和关键，是人们深化对客观事物的认识源头和途径。在失效分析中，通常将失效分类。从技术角度可按失效机制、失效零件类型、引起失效的工艺环节等分类。从质量管理和可靠性工程角度可按产品使用过程分类。失效率曲线通常称浴盆曲线，它描述了失效率与使用时间的关系。 弹性变形失效：有两种情况，一是金属材料失去了弹性功能，另一种是过量的弹性变形。弹性变形失效如果是失去了弹性的能力，它是属于功能性的失效，弹性功能失效也可能导致整台装备失效。弹性变形失效如果是过量的弹性变形引起，则主要发生在构件间有尺寸匹配的情况下。 塑性变形失效：主要是构件失效时，材料产生的塑形变形量超过允许的数值。 蠕变变形失

8、效：金属材料在长时间恒温、恒压力作用下，即使压力低于屈服点也会缓慢产生塑形变形，这种现象称为蠕变，当蠕变变形量超过规定的要求时，称为蠕变变形失效。 韧性断裂：在断裂之前产生显著的宏观塑形变形的断裂。 脆性断裂：金属材料在断裂之前没有发生或很少发生宏观可见的塑形变形的断裂。 疲劳断裂：金属材料在交变载荷作用下，经过一定的周期后所发生的断裂。 腐蚀：是材料表面与服役环境发生物理或化学的反应使材料发生损坏或变质的现象。 磨损：当材料的表面相互接触或材料表面与流体接触并做相对运动时，由于物理或化学的作用，材料表面形状，尺寸或质量发生变化的过程。 2、列举弹性形变失效及塑性形变失效的例子，总结两种变形失

9、效的特征及预防措施。 弹性形变失效： 例子：如压力容器安全阀弹簧式安全阀的重要构件，当弹簧材料失去了变形的可逆性、应力与应变的单值对应性及小变形量的弹性变形特点时，安全阀就不能在原来的压力给定值范围内开启至全启。 特征：弹性变形失效如果是失去了弹性的能力，它是属于功能性的失效，弹性功能失效也可能导致整台装备失效。弹性变形失效如果是过量的弹性变形引起，则主要发生在构件间有尺寸匹配的情况下。 预防措施：如果是有载荷及温度引起的弹性变形失效，则可以通过选择合适的材料和改进结构来降低变形失效的概率。如弹性模量高的材料，不容易引起弹性变形；改进结构增加承载面积、降低应力水平可降低弹性变形量；适当的匹配材

10、料及设计，可避免温差引起的弹性变形失效等。 塑性形变失效： 例子：压力管道及液化石油气罐鼓胀。 特征：引起构件的歪扭、弯曲、薄壁壳的鼓胀及凹陷等变形。 预防措施：如果是过量塑性变形而引起的失效，从设计、制造等环节中降低构件实际应力。包括工作应力、残余应力及各种应力集中，可以有效减少塑性变形，或者选择高屈服强度材料及合适的热处理工艺规范。 3、如何区别韧性断裂及脆性断裂？分析两种断裂失效产生的原因及预防断裂的措施。 区别：在断裂之前产生显著的宏观塑形变形的断裂是韧性断裂。金属材料在断裂之前没有发生或很少发生宏观可见的塑形变形的断裂是脆性断裂。 韧性断裂： 产生原因：往往是因材料受到较大的载荷或过

11、载所引起。 预防措施：选用强度较高的金属材料，设计时充分考虑构件的承载能力，实际操作中严禁超载、超温、超速，注意构件及设备异常的变形，对防止韧性断裂发生都是有效的。 脆性断裂： 产生原因：应力状态与缺口效应 温度的影响 预防措施：设计者在设计的时候需要考虑材料的断裂韧性水平，构件的最低工作温度和构件的应力状态，承受的载荷类型以及环境腐蚀介质。在结构设计时，应使得由缺陷所产生的应力集中减小到最低限度。设计焊接结构时要特别细致，设计中应尽量减少和避免焊缝集中和重叠 4、分析疲劳断裂的特征及预防疲劳断裂的措施。疲劳断口宏观形貌的疲劳弧线与微观形貌的疲劳辉纹有何不同？ 答：特征：疲劳载荷是交变载荷，其

12、载荷形式虽然有许多变化，但其基本形式有三种：反向载荷、单向载荷及单项导前载荷。金属构件在交变载荷作用下，一次应力循环对构件不产生明显的破坏作用，不足以使构件发生断裂。疲劳破坏只可能在有使材料分离扯开的交变拉伸和交变切应力的情况下出现，交变纯压缩载荷不会出现疲劳破坏，压应力使裂纹而不会使裂纹扩展。疲劳断裂与其他形式裂纹一样，经历疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹稳定扩展与快速断裂三个过程，与其他一次载荷断裂不同，它是一种累进式的断裂。疲劳断裂在断口附近没有宏观塑性变形，因此，疲劳断裂在宏观上往往被称为脆性断裂。 预防疲劳断裂的措施：提高构件的表面加工质量及强化表面处理是提高构件疲劳抗力的重要途径。构件应避免

13、应力集中，缺口结构设计一定要考虑疲劳断裂的问题，避免选用缺口敏感的材料。采取有效的焊后热处理以降低或消除焊后残余应力。采用疲劳抗力高的材料制造构件。充分考虑环境条件因素对构件的影响。 疲劳断口宏观形貌的疲劳弧线通常成海滩花样或贝壳花样，微观形貌的疲劳辉纹是一系列基本相互平行的条纹，略带弯曲，呈波浪状，并与裂纹扩展方向相垂直。 5、常见的腐蚀失效有哪几种类型？各种腐蚀有何特征？ 答：均匀腐蚀；特征：在材料整个暴露表面上或者在大面积上产生程度基本相同的腐蚀。 点腐蚀；特征：在材料表面出现个别深坑或密集斑点的腐蚀。 缝隙腐蚀；特征：金属之间或金属与非金属之间形成很小的缝隙，使缝隙内介质处于静滞状态，

14、引起缝内金属加速腐蚀。 晶间腐蚀；特征：局限在金属境界，晶粒本身腐蚀比较小。 应力腐蚀开裂；特征：材料在特定的腐蚀性介质与拉应力共同作用下引起的，材料发生应力腐蚀时，腐蚀与拉应力是相互促进的。 氢腐蚀；特征：常见于碳钢或低合金钢在温度高于200300、一定的氢分压工作条件下。 腐蚀疲劳；特征：构件材料在腐蚀性介质与交变应力共同作用下引起的，有疲劳断裂的特征。 6、常见的磨损失效有哪几种类型？有无可能各种磨损同时在同一个构件上发生？ 答：粘着磨损、磨料磨损、冲击磨损、微动磨损、腐蚀磨损。 有可能各种磨损同时在一个构件上发生。 7.综合分析过程装配及其构件失效的原因？ 答：设计不合理 由于设计上考

15、虑不周密或认识水平的限制，构件或装备在使用过程中失效时有发生，其中结构或形状不合理，构件存在缺口，转角处过渡圆弧过小，不同形状过渡区等高应力区未能恰当设计等引起设备失效比较常见。如，受弯曲或扭转载荷的轴类零件在变截面处的圆角半径过小就属设计缺点。设计中的过载荷、应力集中、结构选择不当及配合不合等都会导致构件及装备失效。构建及装备的设计要有足够的强度、刚度、稳定性，结构设计要合理。 选材不当及材料缺陷 金属装备及构件的材料选择要遵循使用性原则、加工工艺性能原则及经济性原则，遵循使用性原则是首先要考虑的。使用在特定环境中的构件，对可预见的失效形式要为其选择足够的抵抗失效的能力。如对韧性材料可能产生

16、的屈服变形或断裂，应该选择足够的拉伸强度和屈服强度；但对可能产生的脆性断裂、疲劳及应力腐蚀开裂的环境条件，高强度的材料往往适得其反。在符合使用性能的原则下选取的结构材料，对构件的成形要有好的加工工艺性能。在保证构件使用性能、加工工艺性能要求的前提下，经济性也是必须考虑的。 制造工艺不合理 金属装备及其构件往往要经过机加工(车、铣、刨、磨、钻等)、冷热成形(冲、压、卷、弯等)、焊接、装配等制造工艺过程。若工艺规范制订欠合理，则金属设备或构件在这些加工成形过程中，往往会留下各种各样的缺陷。如机加工常出现的圆角过小、倒角尖锐、裂纹、划痕；冷热成形的表面凹凸不平、不直度、不圆度和裂纹；在焊接时可能产生

17、的焊缝表面缺陷(咬边、焊缝凹陷、焊缝过高)、焊接裂纹、焊缝内部缺陷(未焊透、气孔、夹渣)，焊接的热影响区更因在焊接过程经受的温度不同，使其发生组织转变不同，有可能产生组织脆化和裂纹等缺陷；组装的错位、不同心度、不对中及强行组装留下较大的内应力等。所有这些缺陷如超过限度则会导致构件以及装备早期失效。 操作和维修不当 操作不当是金属设备失效的重要原因。如违章操作，超载、超温、超速；缺乏经验、判断错误；无知和训练不够；主观臆测、责任心不强、粗心大意等都是不安全的行为。某时期统计260次压力容器和锅炉事故中，操作事故194次，占745。 设备是要进行定期维修和保养的，如对设备的检查、检修和更换不及时或没有采取适当的修理、防护措施，也回引起设备早期失效。 8失效分析通常通过那几个程序？ 答： 接受任务，明确分析对象、目的与要求 调查研究：调查现场及收集背景资料 失效件的测试：现场测试与实验室测试 失效分析，确定失效原因并提出改进措施