低温工程材料复习专题

低温工程材料复习题1、疲劳失效断口有何特点？有两个明显的部分组成，一部分是疲劳裂纹扩展的部分，叫疲劳破坏范围，其特征是经过磨擦而较为光滑，晶粒较细，有时呈瓷状，甚至可以观察到若弧形或放射形的特征，有时能发先疲劳源中心及疲劳源数目。另一部分是突然断裂部分，叫瞬时脆性破坏范围，断口呈光亮的结晶状或纤维状，晶粒较粗，有一明显分界线，称疲劳前沿线。2、简述冲击韧性及其工程意义？冲击韧性是材料抵抗冲击性外力而不破坏的能力，其值通过在冲击实验机上的摆锤试验测量一次冲断时的冲击功来确定。它反映了材料承受动外力的能力。受材料的强度.塑性的综合影响。冲击韧性实验方法能灵敏反映金属的破坏趋势和韧性，因此被广泛应用于产品质量的检验。3、何为无塑性或零塑性转变温度？答：铁素体结构钢的韧性随温度下降而降低,当温度降到某一值时,达到临界点,此时断口完全呈结晶状脆性断裂状态,这一温度称为无塑性转变温度，是以下阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度,表征含有小裂纹的钢材在动态加载屈服应力下发生脆断的最高温度。4、简述冲击试样冲断后，其断口形貌？在冲击力作用下，试样的断裂过程也和静拉伸一样，仍然表现为弹性变形、塑性变形和断裂。其不同点仅在于变形速度。由于冲击速度快，塑性变形跟不上，使其变形不能完全进行，集中在某些局部，这种影响也涉及到试样的断裂过程。典型冲击试样断口的宏观形态，一般分为三个区域①纤维区：冲击试样缺口底部在冲击时受拉应力作用，裂纹就在其根部中间或稍离缺口表面处萌生。对塑性较好的材料，裂纹一般沿两侧和深度方向稳态扩展，中间部分较深，形成脚跟形（也称为指甲形）的纤维区域。其宏观断口特征为无光泽的暗灰断口。②放射区：当纤维区内的裂纹长大到一定尺寸后（即临界裂纹尺寸）。裂纹开始快速失稳扩展，形成放射区。其断口形貌特征是以纤维区为中心呈放射花样。③剪切唇区：它在断裂的最后阶段形成。断口特征为表面光滑，与拉应力成约45度角唇口。5、简述钢的常用强化方式？(1).固溶强化，置换，间隙固溶体渗入金属晶格中，造成原子尺度效应，弹性模量效应，固溶体有序化强化(2).析出强化，时效硬化，沉淀硬化(3).界面强化6、钢的韧性及其韧化方式？答：钢在冲击力的作用下抵抗断裂的能力称为韧性韧化方式：（1）细化晶粒和组织可同时提高钢的强度和韧性，故被广泛采用（2）改善基体和强化相形态（3）引入韧性相（4）减少气体夹杂和控制夹杂的形态。7、叙述获得晶粒细化的方法？（1）在液态金属结晶时，提高冷却速度，增大过冷度，来促进自发形核。晶核数量愈多，则晶粒愈细。（2）在金属结晶时，有目的地在液态金属中加入某些杂质，做为外来晶核，进行非自发形核，以达到细化晶粒的目的，此方法称为变质处理。这种方法在工业生产中得到了广泛的应用。如铸铁中加入硅、钙等。（3）在结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等，也可使晶粒细化。(1增大结晶过冷度即增大冷却速度，使形核率急剧增大，使金属晶粒细化2加入一些难熔或不熔的合金粉末可促进非均匀形核，以细化晶粒3增加逐渐中液态金属的流动与振动，不但可增加冷却速度还可冲断枝晶，增大形核率)8、简述解理断裂？1）解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。解理断裂常见于体心立方和密排六方金属及合金，低温、冲击载荷和应力集中常促使解理断裂的发生。面心立方金属很少发生解理断裂。（2）解理断裂通常是宏观脆性断裂，它的裂纹发展十分迅速，常常造成零件或构件灾难性的总崩溃。（3）断口特征：解理断裂断口的轮廓垂直于最大拉应力方向。新鲜的断口都是晶粒状的，有许多强烈反光的小平面（称为解理刻面）。解理断口电子图像的主要特征是“河流花样”，河流花样中的每条支流都对应着一个不同高度的相互平行的解理面之间的台阶。解理裂纹扩展过程中，众多的台阶相互汇合，便形成了河流花样。在河流的“上游”，许多较小的台阶汇合成较大的台阶，到“下游”，较大的台阶又汇合成更大的台阶。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。所以人们可以根据河流花样的流向，判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向。金属在低温条件下，其应力值达到一定的值时，便以极快的速度沿一定的结晶学平面发生断裂，断裂面平滑而光亮，这种断裂称解理断裂。9、简述脆性断裂、韧性断裂宏观断口形貌？裂纹在工作应力下失稳扩展，由于材料的缺陷（断口有空洞缺口裂纹等）和应力集中导致材料发生低应力突然断裂，断口分三类为张开型，滑开型，撕开型。韧性断裂断口部位有明显的塑性变形如拉伸试样断口有明显颈缩，高温蠕变试样有明显伸长；脆性断裂端口无宏观塑性变形，断口表面相对较平整。答：（1）脆性断裂断口的宏观特征如下：断口上没有明显的宏观塑性变形；断口相对齐平并垂直于拉伸载荷方向；如果没有被腐蚀产物或赃物污染，表面经常呈现晶体学平面或晶粒的外形；断口的颜色有时比较光亮，有时相对暗灰一些；光亮的断口表面有时有放射状台阶，在一定条件下放射状台阶会发胀为人字纹花样；较灰暗的脆性断口呈现无定型的粗糙表面，有时也呈现出晶粒外形。（2）韧性断裂断口的宏观特征如下：一般分为杯锥状（或双杯状）、凿峰状、纯剪切断口等，其中塑性金属光滑圆试样拉伸杯锥状断口是一种最为常见的韧性断口。该种类型断口通常可分为三个区域，即纤维区、放射区和剪切唇区。10、简述裂纹扩展的基本方式？张开型外加应力垂直与裂纹面，即为正应力时，裂纹尖端张开，并沿与外力垂直的方向上扩展。滑开型在剪应力作用下，裂纹上下两面平行滑开，滑开方向和裂纹扩展方向沿应力作用方向撕开型再剪应力作用下裂纹面上下错开，裂纹沿原来方向扩张11、一实际构件，实际使用应力＝1.30GPa，Y＝1.5，有两种钢待选：甲钢：ys=1.95GPa，KIc＝45MPa·m1/2，乙钢：ys=1.56GPa，KIc＝75MPa·m1/2分析选择那种钢更为合理？由发生失稳断裂K=Ya1/2=KIc的条件。答：（1）首先根据应力值进行判定：因为ss乙且ss甲所以要再用K判据。（2）实际使用应力下的K=Ysa1/2=1.5*1.30*103MPa*0.0011/2m1/2=61.66MPa•m1/2因为KK甲=45MPa•m1/2，KK乙=75MPa•m1/2综合以上：选择乙钢更为合理在a（裂纹长度）相同的条件下，设为一个单位1mmK甲=Yysa1/2=1.5*1.95*0.11/2/10=92.5MPa·m1/2KIc＝45MPa·m1/2K乙=74MPa·m1/2KIc＝75MPa·m1/212、简述断裂韧度在工程中的应用？材料选择、安全校核、失效分析、评价材料脆性、材料开发。是材料的韧性指标，能反映材料抵抗裂纹时文扩展的能力，1用以确定选材厚度2确定材料工作温度和应变速率3确定其强度和塑性13、钢的脆性破坏试验有何作用？答：通过脆性破坏实验研究脆性破坏的条件特征力求避免发生结构的脆性破坏；研究各种工作条件下（如低温，恶劣环境，复杂大型工程）的脆性破坏原因，以合理安全选材，保证工程质量；对有裂纹的金属材料在其生产，加工，使用过程中对其强度和抵抗脆性断裂的能力进行测量，以对工程使用提供数据支持14、简述预防脆性断裂的途径？1、裂纹当焊接结构的板厚较大时（大于25mm），如果含碳量高，连接内部有约束作用，焊肉外形不适当，或冷却过快，都有可能在焊后出现裂纹，从而产生断裂破坏。针对这个问题，把碳控制在0.22%左右，同时在焊接工艺上增加预热措施使焊缝冷却缓慢，解决了断裂问题。焊缝冷却时收缩作用受到约束，有可能促使它出现裂纹。措施是：在两板之间垫上软钢丝留出缝隙，焊缝有收缩余地，裂纹就不会出现。把角焊缝的表面作成凹形，有利于缓和应力集中。凹形表面的焊缝，焊后比凸形的容易开裂，原因是凹形缝的表面有较大的收缩拉应力，并且在45°截面上焊缝厚度最小。凸形缝表面拉力不大，而45°截面又有所增强，情况要好的多。在凹形焊缝开裂的条件下，改用凸形焊缝，就不再开裂。2、应力考察断裂问题时，应力是构件的实际应力，它不仅和荷载的大小有关，也和构造形状及施焊条件有关。几何形状和尺寸的突然变化造成应力集中，使局部应力增高，对脆性破坏最为危险。施焊过程造成构件内的残余拉应力，也是不利的。因此，避免焊缝过于集中和避免截面突然变化，都有助于防止脆性断裂。3、材料选用为了防止脆性断裂，结构的材料应该具有一定的韧性。材料断裂时吸收的能量和温度有密切关系。吸收的能量可以划分为三个区域，即变形是塑性的、弹塑性的和弹性的。要求材料的韧性不低于弹性，以避免出现完全脆性的断裂，也没有必要高于弹塑性，对钢材要求太高，必然会提高造价。钢材的厚度对它的韧性也有影响。厚钢板的韧性低于薄钢板。4、构造细部发生脆性断裂的原因是存在和焊缝相交的构造缝隙，或相当于构造缝隙的未透焊缝。构造焊缝相当于狭长的裂纹，造成高度的应力集中，焊缝则造成高额残余拉应力并使近旁金属因热塑变形而时效硬化，提高脆性。低温地区结构的构造细部应该保证焊缝能够焊透。因此，设计时必须注意焊缝的施工条件，以保证施焊方便，能够焊透。15简述韧性断裂特征？答：构件经过大量变形后发生的断裂。主要条件是超过工作压力，主要特征是发生了明显的宏观塑性变形(不包括压缩失稳)，且产生延性断裂。如杆件的过量伸长或弯曲、容器的过量鼓胀。断口的尺寸(如直径、厚度)比原始尺寸也明显变化。韧性断裂的断口一般能寻见纤维区和剪唇区。断口尺度较大时还出现放射形及人字形山脊状花纹。形成纤维区断口的断裂机制一般是“微孔聚合”，在电子显微镜中呈韧窝状花样。韧性断裂一般由超载引起，而材料的塑性与韧性又很优良。纤维区一般是断裂源区。剪切唇总是在断口的边缘，并与构件的表面约成45°夹角，是在平面应力受力条件下发生剪切撕裂而形成的断口，剪切唇表面较光滑，断裂时的名义应力高于材料的屈服强度。断口微观形貌通常有韧窝，韧窝是材料在为微区范围内塑性变形产生的显微空洞，经形核/长大/聚集，最后相互连接而导致断裂后，在断口表面所留下的痕迹。16、简述脆性断口和韧性断口微观形貌的种类？答：（1）脆性断口的微观形貌种类：穿晶（解理）断裂、准解理、沿晶断口；（2）韧性断口的微观形貌种类：滑移分离、韧窝。17、叙述影响低温韧性因素？答：温度、应力集中、残余应力、截面积尺寸、显微结构及热处理答：（1）温度：温度较高，材料发生破坏时，已产生了较大的形变，即材料显示出良好的韧性性能，其破坏载荷远离最大载荷。随着温度的降低，材料破坏时产生形变的能力逐步丧失，当载荷达到最大值的瞬间便形成裂纹，即发生起始破坏。极低温度下，载荷突然从最大差不多跌落至零，变现为彻底丧失韧性，发生完全脆性破坏。（2）应力集中：应力集中对低温韧性性能的影响是复杂的。当温度降低时，应力集中处造成的破坏取决于下列特性的综合：温度降低的程度、应力集中特性，这与应力集中处的形状和尺寸有关、材料在温度降低时对于滑移强度和脆性破坏强度的敏感性，即材料低温韧性性能。（3）残余应力：残余应力的存在，将大大降低材料的低温韧性性能，使得低温设备更易发生脆性破坏。（4）截面积尺寸：随截面尺寸的增大，材料韧性逐步降低，脆性破坏的危险便显著地增大。随着温度的降低，这一影响更为显著，对冲击载荷和静载荷时脆性临界温度改变与比列效应的关系研究显示，随尺寸的增大，平均脆性临界温度提高，同时脆性范围的宽度减小，也就是说，尺寸的增大改变了材料的韧性状况。（5）显微结构及热处理：随着晶粒尺寸的增加，材料的断裂应力显著降低。当晶粒尺寸大于临界晶粒尺寸时，即出现脆性断裂，因此，细化及减小晶粒可提高材料脆性断裂应力，同时细化晶粒可降低脆性转变温度。热处理对于改进材料韧性是显而易见的。一方面，合适的热处理通过改变材料显微结构，达到细化晶粒之目的；另一方面，热处理可通过消除各种残余应力，提高材料韧性性能。18、叙述奥氏体钢的应变强化机理？答：对奥氏体不锈钢进行单向拉伸试验。对于非稳定奥氏体不锈钢，因应变产生马氏体，使加工硬化率因应变的增加而逐渐增大，缩颈被推迟，故延伸率可达到最大值。同时，马氏体变体的择优形成是应力集中被松弛，呈现了相变诱导现象。对于稳定