工程材料作业第五、六章
第五章 金属材料的主要性能
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:金属的力学性能是指在力的作用下,材料所表现出来的一系列力学性能指标,反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力。
主要包括:强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳等。
2 衡量金属材料强度、塑性及韧性常用哪些性能指标?各用什么符号和单位表示?
答:衡量金属材料的强度指标为:比例极限σp、弹性极限σe、弹性模量E、屈服
强度σs、抗拉强度σb、屈强比σs/σb
衡量金属材料的塑性指标为:延伸率δ、断面收缩率ψ。
衡量金属材料的韧性指标为:冲击韧性指标:冲击吸收功Ak;断裂韧性指标:断裂韧度。
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性能?有5种材料其硬度
别为449HV80HRB 291HBS 77HRA 62 HRC,试比较五种材料硬度高低。
答:硬度不是金属材料的独立性能(它与金属抗拉强度成正比),是反映材料软硬程度的指标,表征材料表面抵抗外物压入时所引起局部塑性变形的能力。
80HRB<291HBS<449HV<77HRA <62HRC
4、为什么说金属材料的力学性能是个可变化的性能指标?
答:(1)温度的改变会影响金属的塑性,而塑性与韧性和强度、硬度有关,则改变
温度会导致力学性能改变;
2)不同的承载情况会改变材料的力学性能,如很小的交变载荷也可使钢丝折断;不同的加工工艺也会改变材料的力学性能(为了使材料有不同的性能来满足我们的需要,就用了回火、淬火、正火等加工工艺)。
5、金属材料的焊接性能包括哪些内容?常用什么指标估算金属材料的焊接性能?
答:金属的焊接性能:①接合性能:金属材料在一定焊接工艺条件下,形成焊接缺
陷的敏感性。②使用性能:某金属材料在一定的焊接工艺条件下其焊接接头对使用要求的适应性,也就是焊接接头承受载荷的能力。
金属的焊接性能指标:碳当量、冷裂纹敏感系数。
6、如何表示金属材料耐腐蚀性能的高低?
答:金属的耐腐蚀性能通过材料遭腐蚀后,其质量、厚度、力学性能、组织结构及电极过程等的变化程度来衡量。
第六章、过程装备失效与材料的关系
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,总结两种变形失效的特征及预防措施。
答:
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。
答: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:⑴应力状态与缺口效应⑵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(交变载荷,冲击载荷等)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:(1)疲劳载荷是交变载荷,其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。(2)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。(3)疲劳破坏只可能在有使材
料分离扯开的交变拉伸(或挤压)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。(4)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。(5)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:(1)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。(2)构件应避免应力集中,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。(3)采取有效的焊后热处理以降低或消除焊后残余应力。(4)采用疲劳抗力高的材料制造构件。(5)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:(1)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。
(2)点腐蚀;
特征:在材料表面出现个别深坑或密集斑点的腐蚀。
(3)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,引起缝内金属加速腐蚀。
(4)晶间腐蚀;
特征:局限在金属境界,晶粒本身腐蚀比较小。
(5)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。
(6)氢腐蚀;
特征:常见于碳钢或低合金钢在温度高于200~300℃、一定的氢分压工作条件下。
(7)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:(1)设计不合理
由于设计上考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。
(2)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。
(3)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。

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