实验思考题

实验思考题

实验一：金属材料硬度测试实验

1.试说明布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和肖氏硬度的实验原理，并比较布氏

硬度、洛氏硬度、维氏硬度和肖氏硬度实验方法的优缺点。 答：布氏硬度原理：用钢球或硬质合金球作压头，计算单位面积所承受的试验力。

洛氏硬度原理：采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度。

维氏硬度原理：以两相对面夹角为136°。的金刚石四棱锥作压头，计算单位面积所承受的试验力。

布氏硬度优点：实验时一般采用直径较大的压头球，因而所得的压痕面积比较大。压痕大的一个优点是其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相得平均性能；另一个优点是实验数据稳定，重复性强。

缺点：对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，因而用于自动检测时受到限制。

洛氏硬度优点：操作简便，迅捷，硬度值可直接读出；压痕较小，可在工件上进行试验；采用不同标尺可测量各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度，因而广泛用于热处理质量检测。

缺点：压痕较小，代表性差；若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；此外用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。

维氏硬度优点：不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径D之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端；维氏硬度试验时不仅试验力可以任意取，而且压痕测量的精度较高，硬度值较为准确。

缺点：是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低的多。

2.如何确保各硬度实验计的测量准确性？

答：（1）了解各仪器的测量范围，确定试样应使用哪种方法测试。 （2）严格按个仪器的操作方法进行硬度测试。

（3）要测试的试样尺寸及外观（如磨制、抛光）应满足相应的实验条件。3.准确测试各种硬度值应满足那些条件？

答：要测试样的特征满足实验仪器的要求； 试样的硬度在仪器的测量范围内；

各仪器正常工作，如需要，应多测试几组数据。

4.金属材料的硬度值（压入法测定的）与其抗拉强度值有何关系？试定性地说

明为什么存在这样的关系？

答：一般压入硬度值和金属抗拉强度值之间近似成正比关系。 因为压入硬度和抗拉强度都是材料抵抗变形可破坏能力的反应。 5. 硬度标准试样块的作用是什么？

答：为了标定仪器是否正常工作，以减小实验误差。 实验二：系列缺口试样静拉伸实验及断口形貌观察

1. 试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸-伸长曲线图上的区别？

为什么？

答：在拉伸-伸长曲线图上，从低碳钢到中碳钢再到高碳钢，它们各自的屈服现象越来越不明显，低碳钢存在明显的屈服现象，高碳钢则不产生屈服直接断裂。 因为随着含碳量的增加，由于固溶强化作用，材料的屈服强度逐渐增大，导致材料在未达到屈服强度前，先达到抗拉强度，从而导致脆性断裂，这就使高碳钢表现为脆性材料。

2. 决定金属材料屈服强度的因素有哪些？

答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。 外在因素：温度、应变速率和应力状态。

3. 拉伸断口的三要素是什么？影响宏观拉伸断口形态的因素有哪些？

答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组

成，即所谓的断口特征三要素。

影响宏观拉伸断口形态的因素有试样形状尺寸、金属材料自身性质、试验温度、加载速率和受力状态。

4. 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？ 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。

5. 剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？ 答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。

6. 在拉伸应力状态下缺口的敏感性是如何变化的？

答：在拉伸应力下，缺口的敏感性是增加；由于缺口的存在，引起材料应力集中，改变材料前方的应力状态，并使材料产生缺口强化，强度增加，即bn σ增大，因为缺口敏感性b

bn NSR σσ=,所以材料缺口敏感性增加 7. 缺口试样拉伸时应力分布有什么特点？

答：缺口拉伸时，缺口会引起应力集中，改变了缺口前方的应力状态，使缺口试样所受的应力由原来的单向应力状态变为两向或三向应力状态，也就是出现了x σ（平面应力状态）或x σ与z σ（平面应变状态），这要视板厚或直径的大小而

定。

8. 试综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏斜拉伸实验的特点。 答：光滑试样轴向拉伸试验：截面上无应力集中现象，应力分布均匀，仅在颈缩时发生应力状态改变。

缺口试样轴向拉伸试验：缺口截面上出现应力集中现象，应力分布不均，应力状态发生变化，产生两向或三向拉应力状态，致使材料的应力状态软性系数降低，脆性增大。

偏斜拉伸试验：试样同时承受拉伸和弯曲载荷的复合作用，其应

力状态更“硬”，缺口截面上的应力分布更不均匀，更能显示材料对缺口的敏感性。

实验三：弯曲冲击实验及韧脆转变温度测定 1. 试说明冲击实验的能量转换。

答：试验是在摆锤式冲击试验机上进行的。将试样水平放在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向上。然后将具有一定质量m 的摆锤举至一定高度0H ，使其获得一定位能0mgH 。释放摆锤冲击试样，摆锤的剩余能量为1m gH ，侧摆锤冲击试样失去的位能10-mgH mgH ，即为试样变性和断裂所消耗的功，就是冲击吸收功K A 。

2. 冲击载荷下金属材料的变形和断裂有什么特点？为什么会有这样的特点？ 答：在冲击载荷下，材料的塑性变形则比较集中在某些部位区域，即塑性变形不均匀。因为在冲击载荷下应力水平比较高，将是许多位错源同时开动，结果抑制了单晶体中的易滑移阶段的产生和发展。此外，冲击载荷还增加位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小为错运动自由程平均长度，增加点缺陷浓度。以上原因均使金属材料在冲击载荷下塑性变形难以充分进行。断裂则有脆断的倾向。

3. 用冲击吸收功和冲击韧性来表示材料的韧性存在哪些问题？ 答：冲击吸收功的大小并不能真正反映材料的任翠程度，因为缺口试样冲击吸收的功并非完全用于试样变形和破断，其中有一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力与测量机构的摩擦消耗中。

4. 试从微观上解释为什么有些材料有明显的韧性转变温度，而有些材料没有。 答：体心立方金属中位错运动的阻力对温度变化非常敏感，位错运动阻力随温度下降而增加，在低温下，该材料处于脆性状态。而面心立方金属因位错宽度比较大，对温度不敏感，故一般不显示低温脆性。

体心立方金属的低温脆性还可能与迟屈服现象有关，对低碳钢施加一高速到高于屈服强度时，材料并不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期（称为迟屈时间）才开始塑性变形，这种现象称为迟屈服现象。由于材料在孕育期中只产生弹性变形，没有塑性变形消耗能量，所以有利于裂纹扩展，往往表现为脆性破坏。

5. 断口分析图的意义是什么？如何应用？有什么局限性？ 答：意义：断裂分析图是表示需用应力、缺陷（裂纹）和温度之间关系的综合图，

它明确提供了低强度钢构件在温度、应力和缺陷联合作用下，脆性断裂开始开始和中指的条件。

应用和局限性：断裂分析图为低强度钢构件防止脆断设计和选材提供里一个有效的方法。此外，这种图还可用来分析脆性断裂事故，帮助积累防止脆性断裂的有关经验；但它没有考虑加载速度和板厚的影响，因为断裂分析图使用25mm 的低强度钢板建立起来的，在钢板厚度增加时，由于约束增加，厚钢板的CAT 要随之提高。

6.影响金属材料的冲击韧性的因素有哪些？

答：晶体结构；材料的化学成分；材料的显微组织，包括晶粒尺寸的大小、金相组织；试样缺口的尺寸；加载速率的。

7.如何保证材料的冲击韧性的测定？

答：测量过程中尽量减少测量机构的摩擦内耗而引起的能量损耗，具体的要保证摆锤轴线与缺口中心线一致。

8.试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。

答：低温脆性的物理本质：宏观上对于那些有低温脆性现象的材料，它们的屈服强度会随温度的降低急剧增加，而断裂强度随温度的降低而变化不大。当温度降低到某一温度时，屈服强度增大到高于断裂强度时，在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大，因此材料在受力时还未发生屈服便断裂了，材料显示脆性。从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关，当温度降低时，位错运动阻力增大，原子热激活能力下降，因此材料屈服强度增加。

影响材料低温脆性的因素有：

1）晶体结构：对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高，材料脆性断裂趋势明显，塑性差。

2）化学成分：能够使材料硬度，强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差，材料脆性提高。

3）显微组织：①晶粒大小，细化晶粒可以同时提高材料的强度和

塑韧性。因为晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒细小，晶界总面积增加，晶界处塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；同时晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。②金相组织：较低强度水平时强度相等而组织不同的钢，冲击吸收功和韧脆转变温度以马氏体高温回火最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，当其尺寸增大时均使材料韧性下降，韧脆转变温度升高。

9.简述根据韧脆性转变温度分析构件脆性断裂失效的优缺点。 答：韧脆转变温度是金属材料的韧性指标，因为它反映了温度对韧脆性影响，所以是从韧脆角度选材的重要依据之一，可用于抗脆断设计。但是不可用于直接设计计算机件的承载能力或截面尺寸。

实验四：疲劳曲线S-N测定

1疲劳断裂一般是高应力还是低应力。 答：低应力。

2高频与低频一般区分是多少。 答：

3试述S-N曲线意义及其用途。

答：疲劳曲线是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S-N曲线，它是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。如下图所示，纵坐标为循环应力的最大应力或应力幅；横坐标为断裂循环周次。可以看出，S-N曲线由高应力段和低应力段组成。前者寿命短，后者寿命长，且随应力水平下降断裂循环周次增加。