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材料冲蚀行为及机理研究

材料冲蚀行为及机理研究
材料冲蚀行为及机理研究

浙江工业大学

硕士学位论文

材料冲蚀行为及机理研究

姓名:董刚

申请学位级别:硕士

专业:材料学

指导教师:张九渊

20040301

浙江工业大学硕士学位论文

摘要

固体粒子冲蚀磨损在一些工程应用中是导致材料失效的重要原因,如物料输送管道、煤液化/气化装置、热能装置、航空器喷气引擎、等。研究材料的冲蚀行为及机理,对合理选材,减少损耗,提高经济效益具有重要意义。

采用气流喷砂型实验装置测试了A3钢、lCrl8Ni9Ti不锈钢、高铬铸铁、聚四氟乙烯和刚玉五种工程材料的耐冲蚀性能。研究了冲蚀角度、冲击速度、磨粒尺寸、冲蚀时间等影响因素对材料的冲蚀率的影响。通过组织观察和磨损表面形貌观察,对材料的冲蚀机理进行了探讨。发现:①A3钢和1Crl8Ni9Ti不锈钢的耐冲蚀性能相似,都不太耐磨。高铬铸铁在低角冲蚀时有较高的耐冲蚀性,但高角冲蚀时由于脆性大,易崩裂。聚四氟乙烯因强度太低而磨损严重。刚玉的硬度很高,当结合致密时有很高的耐磨性。②决定材料抗低角冲蚀磨损性能的主要因素是硬度和强度,抗高角度冲蚀能力取决于材料的韧性,在实际应用中需要综合考虑这几个因素。

采用激光熔覆技术分别在45“钢表面制备Ni基合金及Ni基合金/SiC涂层,研究了熔覆层的显微组织、物相组成、硬度和耐冲蚀性能,探讨了熔覆层的冲蚀磨损机理。研究发现:①熔覆层的耐冲蚀性能较A3钢有显著提高。②熔覆层的最大冲蚀角为30。。③熔覆层在低角冲蚀情况下,以微切削为主,在高角冲蚀情况下,挤压成片机理居主导

浙江工业大学硕士学位论文

地位。

关键词:工程材料激光熔覆Ni基合金/SiC涂层冲蚀磨损磨损机理

Il

浙江工业大学颂七学位论文

ABSTRACT

Solidparticleerosionisanimportantreasonofmaterialfailureinanumberofengineeringsystemssuchasmaterialtransportpipelines,coalliguefaction/gasificaionplants,thermalpowerplants,aircraftgasturbineengines.Theresearchonerosionbehaviorsandwearmechanismsofmaterialsisnecessaryforchoosingmaterialsappropriately

Theerosivewearbehaviorsoffiveengineeringmaterials,includeA3steel,1Crl8Ni9Tistainlesssteel,highchromiumcastiron,PTFEandcorundum,werestudiedbyanairblasttesterunderambient.Theeffectsofimpactangle,particlevelocity,erodentsizeandimpacttimeweredemonstrated.ObservingopticalmicrogmphsandusingSEMtoexaminethewornsurfacemorphologyexploredthewearmechanismsofmaterialsTheresultsarelistedasfollowing:@Theanti—erosionproportionofA3steeland1Crl8Ni9Tistainlesssteelisnotgood.Highchromiumcastironhashighererosionresistanceatlowerimpactangle,whiletheerosionresistanceisworseforthelowertoughnessatnormalimpact.TheerosionresistanceofPTFEisworstforthelowerintensity.②Thedominantparametersontheanti—erosionproportionofmaterialsarerigidityandintensityatlowerimpactangle,whilethemainparameteristoughnessatnormalimpact

TheNi--basedalloycoatingandNi?-basedalloy/SiCcoatinghavebeenobtainedbylasercladding.Themicrostructure,compose,hardnessanderosionresistanceofthecoatingshavebeenstudied.Thewearmechanismswereexplored.TheresultsrevealthattheerosionresistanceofthecoatingsisobviouslysuperiortoA3steel.Themaximumerosionpeakofthecoatingtendstoanangleof30。.SEManalysisthewornsurfacemorphologyshowsthefollowingresults:microcuttingisthemainwearmechanismofthecoatingswhenimpactedatlowerangle,whilethedominantmechanismschangeintoextrusionandplatelet.

KEYWORDSEngineeringmaterialsLaserCladding

Ni-basedAlloy/SiCCoatingErosion

WearMechanism

第一章文献综述

1.1磨损及冲蚀磨损概述

磨损是--{ee普遍存在的现象,凡两个物体相互接触并有相对运动的表面都会发生磨损。磨损是机械零件失效的主要形式之一,根据不完全统计,能源的1/3~1/2消耗于摩擦与磨损;对材料来说,约80%的零件失效是磨损引起的口】。在冶金、矿山、建材、电力、化工、煤炭等行业,磨损占生产成本相当大的比例,如矿山在碎矿、磨矿过程中所消耗的耐磨材料占其选矿成本的一半。

工程上的磨损是指材料在使用过程中,由于接触表面受固体、液体或气体的机械作用,引起材料的脱离或转移而造成的损伤。磨损是一个极其复杂的过程,它涉及机械、材料、物理、化学等许多学科。迄今为止,科学界还没有一条简明而可靠的磨损定律。在具体情况下,影响磨损的因素很多,它包括工作条件(载荷、速度、运动方式等)、润滑状态、环境因素(温度、湿度、周围介质等)、材料因素(成分、组织、力学性能等)、零件表面质量及物理化学特性等。

由于磨损过程的复杂性导致其分类也较为复杂,根据不同标准可有不同的分类方法。目前,人们通常从以下几个角度对磨损进行分类:按机制、按表面接触性质、按环境和介质划分。按机制划分,磨损可分为粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损、冲击磨损等。

冲蚀磨损指的是材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨损现象,是由多相流动介质冲击材料表面而造成的。冲蚀磨损已经成为许多工业部位中材料破坏的原因之一,英国科学家Eyre认为冲蚀磨损占工业生产中经常出现的磨损破坏总数的8%【2】。

根据介质可将冲蚀磨损分为两大类:气液喷砂型冲蚀及液流或水滴型冲蚀。流动介质中携带的第二相可以是固体粒子、液滴或气泡,它们有的直接冲击材料表面,有的则在表面上溃灭(气泡),从而对材料表面施加机械力。如果按流动介质及第:相排列组合,则可把冲蚀磨损分为四种类型。表1-1是冲蚀麽损分类及实例。

表1-1冲蚀磨损分类及实例

冲蚀磨损类型介质第二相损坏实例

气固冲蚀磨损固体粒子烟气轮机、管道

气体

液滴冲蚀磨损液滴高速飞行器、汽轮机叶片

泥浆冲蚀磨损固体粒子水轮机叶片、泥浆泵轮

液体

气蚀(空泡腐蚀)气泡水轮机叶片、高压阀门密封面

本文研究的主要是气固冲蚀磨损,按照国外文献中的习惯表述(SolidParticleErosion),以下称为固体粒子冲蚀磨损。

1.2固体粒子冲蚀磨损

1.2.1固体粒子冲蚀磨损的定义

固体粒子冲蚀磨损是指高速气体携带大量尺寸小于10009m的固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击,发生材料损耗的一种现象或过程,冲击速度一般在550m/s内。

工程中存在的固体粒子冲蚀磨损现象随处可见,如空气中的尘埃和砂粒可使直升机发动机寿命降低90%;石油化工厂烟气发电设备中,烟气携带的破碎催化剂粉粒对回收过热气流能量的涡轮叶片会造成冲蚀;火力发电厂粉煤锅炉燃烧尾气对换热器管路的冲蚀而造成的破坏大致占管路破坏的l/3:压缩机叶片的导缘只要有极少量材料冲蚀出现,O.05mm的缝隙便能引进局部失速。

1.2.2冲蚀理论研究进展

从1958年第一个冲蚀理论—徼切削理论问世开始,研究者们提出了一系列关于冲蚀的模型[3-22】,力图解释或预测材料的冲蚀行为,但到目前为止还没有一种能够完整、全面地揭示材料冲蚀的内在机理。

1.2.2.1微切削理论【31

I.Finnie讨论了刚性粒子(有足够硬度,不发生变形)对塑性金属的冲蚀,提出了微切削理论,这是第一个定量描述的完整理论,其体积冲蚀率v随入射角

0【变化的综合表达式为

矿:M-__Lfctl(1)

p。

式中M为粒子的质量,u为粒子速度,p为粒子与靶材间的弹性流动压力。

经实验验证,该模型较好地解释了低冲击角下塑性材料受刚性粒子冲蚀的规律,但对高冲击角或脆性材料的冲蚀偏差较大,特别是在冲击角为90。时,其相对冲蚀体积为零,这与实际情况严重不符。

1.2.2.2基于单点冲蚀的切削模型

Hutchings‘4谰高速摄影法观察单个球形粒子及立方粒子以30。攻角冲击金属表面的情况,根据实验结果提出犁削和两种切削模型,示意图见图1-1。

a)c’—\..——一

图1-1几种典型冲蚀坑侧切面示意图

a)犁削b)切削I型c)切削lie

Hutchings只做了低攻角下的单颗粒实验,其它的一些实验观察表明,多角粒子也不易出现上述典型情况。

Budinskif5]将单点冲蚀划分为四类,主要针对多角粒子:a)点坑型冲蚀(Pitting),类似于硬度压头的对称性菱锥体粒子正面冲击造成的;b)犁削(Plowing),类似于犁铧对土地造成的沟,凹坑的长度大于宽度,材料被挤到沟侧面;c)铲削(Shoveling),在凹坑出口端堆积材料而铲痕两侧几乎不出现变形;d)切片(Chipping),凹坑浅,由粒子斜掠而造成的痕迹。四种基本类型的示意图

见图1.2。

图1-2冲蚀破坏的四种基本类型

a)点坑b)犁前c)铲削d)切片

1.2.2.2锻造挤压理论【6】

锻造挤压理论也叫“成片”(Platelet)理论,是由Levy在大量实验的基础上提出来的。简而言之,冲击时粒子对靶丽施加挤压力,使靶材出现凹坑及凸起的唇片,随后粒子对唇片进行“锻打”,在严重的塑性变形后,靶材呈片屑从表面流失。冲蚀中表面会吸收入射粒子的动能而发热。材料的冲蚀率决定于畸变层性质。

图1.3所示为镀铜钢靶在冲蚀中形成片屑的设想模型。

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初始状态

镀饲层’i。t:誊毒¨乏oo:.:1L.O.“--m-I

图1-3镀铜钢靶在冲蚀中形成片屑的设想模型

①冲蚀坑②唇片再受冲蚀。唇片叠加

浙江T业大学硕十学位论文

1.2.2.3变形磨损理论‘9】

1963年,Bitter提出冲蚀磨损可分为变形磨损和切削磨损两部分,90。冲击角下的冲蚀磨损和粒子冲击时靶材的变形有关。他认为反复冲击产生加工硬化,并提高材料的弹性极限,粒子冲击平面靶的冲击应力(o)小于靶材屈服强度(o。)时,靶材只发生弹性变形;当巧>o。时,形成裂纹,靶材产生弹性和塑性两种变形。他基于冲蚀过程中的能量平衡,推导出变形磨损量和切削磨损量,总磨损量为两者之和。该理论在单颗粒冲蚀磨损试验机上得到了验证,可较好地解释塑性材料的冲蚀现象,但缺乏物理模型的支持。

1.2.2.4弹塑性压痕破裂理论[21】

70年代末,Evans等人提出了弹塑性压痕破裂理论,他们认为压痕区域下形成了弹性变形区,尔后在负荷的作用下,中间裂纹从弹性区向下扩展,形成径向裂纹。同时,在最初的负荷超过中间裂纹的门槛值时,即使没有持续负荷,材料的残余应力也会导致横向裂纹的扩展。他们根据冲击中接触力包括动态应力,粒子透入靶面时不产生破坏的假定,推导出的材料体积冲蚀量V与入射粒子尺寸r、速度vo、密度P、材料硬度H及材料临界应力强度因子k之间存在如下关系:

V“%32r37∥8蜓‘3H。026(2)此外,开始发生断裂的临界速度V。可由下式确定:

K∞世;日。15(3)1.2.2.5二次冲蚀理论f23]

在冲蚀中脆性粒。F冲击靶面会发生破碎,这种碎裂后的粒子碎片将对靶面产生第二次冲蚀。Tilly用高速摄影术、筛分法和电子显微镜术研究了粒子的碎裂对塑性靶材冲蚀的影响,指出粒子碎裂程度与其粒度、速度及入射角有关,粒子碎裂后可产生二次冲蚀。此模型把冲蚀过程视为两个阶段:粒子直接入射造成的一次冲蚀和破碎粒子造成二次冲蚀,可较好地解释脆性粒子的高角冲蚀问题。

上述几种理论中,微切削理论适用于解释刚性粒子低入射角冲蚀时的切削情况,锻造挤压理论侧重于高入射角的冲蚀成片历程,变形磨损理论则着重于冲蚀过程t}t的变形历程及能量变化,弹塑性压痕破裂理论较成功解释_『刚性粒子在较低温度下对脆性利判的冲蚀行为。

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1.2.3影响因素

固体粒子冲到靶材表面上,除入射速度低于某一临界值外,一般都会造成靶材的冲蚀破坏。耐磨性、耐冲蚀性反比于一定条件材料的冲蚀率。材料的冲蚀率是一个受工作环境影响的系统参量,它不仅受入射粒子的速度、粒度、硬度及形状的影响,而且材料的物理、力学性能也对它起作用。同一种材料制造的零件,环境参数稍加变化,其耐冲蚀性就可能发生大幅度的变化。目前对冲蚀影响因素的研究主要集中于以下三方面:①冲蚀发生的环境;②冲蚀发生的条件;③材料的破坏性能。

1.2.3.1冲击角

冲击角是指靶材表面与入射粒子轨迹之间的夹角,也可称为入射角或攻角。材料的冲蚀率和冲击角有密切关系:典型塑性材料(如纯金属和合金)最大冲蚀率出现在15。~30。冲击角内,典型脆性材料(陶瓷和玻璃)则出现在正向冲击角(90。),其它材料一般介于两者之间。冲击角与冲蚀率的关系可表达为:

s=爿’COS2tX-sin棚《望鲞k(4)

式中£为冲蚀率,0t为冲击角,n、A’、B’为常数:典型的脆性材料AJ-0;塑性材料B’=O;n--兀/2ct。其它材料低冲击角下塑性项起主要作用,高冲击角下脆性项起主要作用,改变式中川、B’值便能满足要求。

1.2.3.2冲击速度

材料发生冲蚀磨损存在一个冲击速度的下限(门槛冲击速度,取决于粒子性能和材料性质),低于这个速度,只发生弹性碰撞,在高于这个速度时,材料冲蚀率与粒子冲击速度存在如下关系:

E=KV”(5)

式中v为粒子速度,11为常数。金属材料在低冲击角条件下rl为2.2-+2.4【8041,在正向冲击时为2.55t171,陶瓷材料则在3左右【25]。

1.2.3.3环境温度

从现有研究结果来看,塑性材料冲蚀率随温度的变化大体可分为三类[30131】:a1随温度升高冲蚀率减小,达到最小值后又随温度升高而增大,如5Cr-0.5Mo钢、

410不锈钢、800合金、Ti,6AI一4v和w等;b)低于门槛温度时冲蚀率相差不大,超过这一温度后,冲蚀率随温度升高迅速增大,如Pb(低角冲蚀)、310不锈钢、1018钢、1100铝合金等;c)其它如碳钢、12Cr-lMo—V钢、2.25Cr-lMo钢、Pb(900冲蚀)等的冲蚀率则始终随温度升高而增大。

温度对材料冲蚀的影响很复杂,特别是在高温条件下,很多材料的最大冲蚀角、门槛冲击速度等指标都与较低温度下的冲蚀行为有很大区别,表明其冲蚀机理有所不同。尤其值得一提的是,脆性材料的硬度及临界应力强度因子会随温度变化而改变,根据(3)式,冲蚀率应随之变化,但实验结果表明脆性材料的冲蚀率几乎不随温度变化而改变,这说明弹塑性压痕破裂理论在解释高温下脆性材料的冲蚀行为方面存在较大缺陷,同样地,前面介绍的几种理论在解释高温下塑性材料的冲蚀行为时也有不足之处,需要进一步完善或发展新的理论来加以解释。1.2.3.4粒度

粒度是影响材料冲蚀行为的重要因素。塑性材料冲蚀率在一定粒度范围内随粒度增加而上升,但当粒度达到某一临界值(D。)时,冲蚀率几乎不变,D。的值随材料及冲蚀条件的不同而变化【32】。Zhou等[2剐研究了不同粒度SiC粒子对Ti.6AI.4v冲蚀行为的影响,发现D。值大约为5%m,Yerramareddy掣”1的研究证实了这一结果。Bahadur和Badruddin[341研究了不同粒度A1203、SiC对18Ni马氏体时效钢冲蚀行为的影响,发现A1203的D。值大约为35岬,而SiC则为509m左右。Liebhard和Levy[291的研究结果则表明,SiC粒子冲击1018钢时,D。大约为2009m。这种现象被称为“粒度效应”。

关于“粒度效应”有多种解释,如应变率影响、变形区大小的影响、表面晶粒尺寸及氧化层的影响等,Misra和Firmie[35]对此进行了总结。他们认为在十余种解释中,有一种相对较合理:材料近表面处存在一硬质薄层,小粒子只能对这一硬质层产生影响,当粒度大于D。时,粒子可穿透硬质层,直接作用在材料基体上,硬质层的影响基本消失,从而表现出稳定的较高的冲蚀率。但这种解释并不完善,缺乏数据支持。

粒度对脆性材料冲蚀行为的影响明显区别于塑性材料:冲蚀率随粒度增加不断上升,不存在临界值D。。

在实际冲蚀事例中,冲蚀粒子往往不是单一粒度,而是多种粒度混杂,因此

粒度分布也是较重要的影响因素。Routbort等人㈣研究了不同粒度SiC粒子对单晶硅的冲蚀行为,发现等重的40pm和270Bm的SiC粒子混合后冲击靶材的冲蚀率,高于以其中任何一种单独冲击靶材的冲蚀率。Marshall和Evans[”1的研究结果也表明粒度分布对脆性材料冲蚀率有明显影响。而有关粒度分布对典型塑性材料冲蚀行为的影响的研究目前尚无报道。

Kleis冈在试验中发现用1000目(99m)SiC粒子冲击玻璃时,最大冲蚀角大概是30。,表现出塑性材料的性质。Reddy和Surldararajanl391观察到用球状刚性粒子冲击铜及铜合金时,最大冲击角为90。。这就是脆塑性转变,对于这种现象,尚无合理解释。

1.2.3.5粒子形状

粒子形状是影响材料冲蚀率的一个主要因素。Levy等㈣研究了不同粒度尖角粒子和球状粒子在几种流量条件下塑性材料的冲蚀行为,尖角粒子造成的冲蚀失重远大于球状粒子。Bailout等‘41]的研究结果表明,尖角粒子冲击玻璃导致的冲蚀失重远大于球状粒子造成的冲蚀失重。对于这种情况,一般认为可能是尖角粒子产生较多切削或犁削造成的。

表l-2粒子形状对材料冲蚀失重的影响

Table1-2Theinfluenceofparticleshapeonthemasslossofmaterial

ParticlesizeFeedrateMassloss(mg)

(儿m)(g/min)20m/s60m/s

RoundAngularRoundAngular250—3556.00.21.63028.0250~355O.60.22.O4.532.7495—6006.O0.1l2

495~6002.52.042.4

前述粒度对材料冲蚀率的影响时,所用的都是尖角粒子,球状粒子则有不同的影响:材料冲蚀率随球状粒子粒度增大而增加,达到一最大值后,随粒度增大而减4,t291。

描述尖角粒子通常用两个指标:一个是宽长比(w/L),另一个是周长的平方与面积之比(P2/A)。Bahadur和Badruddini341研究了多角SiC对18Ni马氏体时效钢冲蚀行为的影响,发现材料冲蚀率与w/L呈反比关系,与P2/A呈『F比关系。

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对于其它材料是否存在同样关系还不得而知。

1.2_3.6粒子硬度

粒子与材料表面硬度比(H;H。)对材料冲蚀行为有重要影响。Tabor指出当Hp/Ht>1.2时,塑性材料冲蚀率大,且趋于饱和,当Hp/Hl<1.2时,冲蚀率随H。/Ht减小而降低。章磊、毛志远等人研究了几种模具钢在Alz03、玻璃砂冲击作用下冲蚀行为,认为粒子硬度高于或接近于材料硬度时,材料的冲蚀磨损由切削、犁沟以及薄片机制形成。粒子硬度低于材料硬度时,粒子通过多次冲击造成小片脱落使材料流失[421。

Gulden[431观察到氮化硅在被硅粒子(相对较软)冲击后,没有产生横向裂纹,而用硬粒子冲击后则有横向裂纹,她认为这种差异可能是由于软粒子不会在靶材表面发生弹性流动,材料流失仅仅足没有二次变形的薄片机制造成的,这使得材料冲蚀率较低。与之相反,Srinivasan和Scatteraood[44】认为软粒子冲击材料可能产生横向裂纹,但有赖于是否达到足以产生裂纹的应力水平。Shipway和Hutchings[451发现当Hp/H。逐渐减小到l时,材料冲蚀率迅速降低,他们认为硬粒子冲蚀主要是弹塑性压痕机理所致,而软粒子冲蚀则是薄片机制作用的结果。

1.2.3.7材料的硬度和强度

对其它磨损形式,特别是与冲蚀磨损较相近的磨粒磨损而言,通常材料的硬度和强度越高,其耐磨损性能也越好,但冲蚀磨损不是这样。

Sundararajan和ManishRoy【46]总结了近几十年来在近室温条件下各种硬化(强化)方法对滩相金属及合金以及多相合金冲蚀率的影响的研究结果:退火状态的纯金属硬度与冲蚀率呈良好的线性关系,而冷加工、细晶强化、固溶强化都不能提高单相金属材料的抗冲蚀能力;马氏体硬化、沉淀硬化、弥散强化等方法对多相合金冲蚀率的影响无明显规律。

就现有研究结果来看,在所有金属材料中只有纯金属酬和铸铁㈣的抗冲蚀能力随硬度(强度)的增加而提高。Ninham{491的研究表明,尽管几种铁基、镍基和钠基合金具有区别明显的组成、机械性能和物理性质,但它们冲蚀行为十分相似,冲蚀率区别不大。Foley和Levyl501研究了不同热处理条件AISI4340钢的冲蚀行为,发现在强度和硬度明显提高的同时,冲蚀失重反而略有增加(从O.90mg增至

IO

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1.03mg)。

由式(3)可以看出,硬度对脆性材料的冲蚀率有一定影响,在其它参数不变的情况下,硬度增加有利于提高材料抗冲蚀能力。Srinivasan和Scattergood[511基于Hp/H。对脆性材料冲蚀率影响的研究,认为硬度对脆性材料的抗冲蚀能力起决定性作用,但多数研究者[49,56-611认为硬度对脆性材料的影响是相对的,Shipway和Hutchings[451考虑到H。/I-I。的影响,认为弹塑性压痕破裂理论中对硬度的影响估计略有不足。

总而言之,硬度对材料冲蚀行为有重要影响,但不是决定性因素,在实际选材过程中,硬度是需要考虑的一个因素,尤其是要结合粒子硬度考察H廿/H。的影响,但不能仅根据硬度简单地预测材料的抗冲蚀能力,而应结合使用条件,通过实验来确定。

1f2_3.8材料的塑性和韧性

塑性对材料冲蚀行为的影响主要是针对塑性材料而言。在Foley和Levy[501的研究中,冲蚀失重随强度和硬度增大略有增加,但却表现出随塑性增加而降低的性质。在Cu、cu.A1、cu.zn体系【58]以及铸铁‘叫中也有类似情况,这似乎表明金属材料抗冲蚀能力随塑性增加而提高。然而,其它的研究结果否定了这一说法,如在不锈钢中,中等塑性的不锈钢表现出最好的抗冲蚀性能‘591。

对脆性材料而言,断裂韧性是影响材料冲蚀行为的一个主要因素。从式(3)来看,断裂韧性的影响大于硬度的影响,也就是说在一定范围内,即使硬度相对较低,韧性好的脆性材料抗冲蚀能力仍然较高,这一结论已经得到了证实[52-57]。从另一方面来看,脆性材料低角冲蚀条件下也存在硬粒子对靶材的犁削作用,因此,在保证足够的断裂韧性的前提下,硬度高有利于提高材料的抗冲蚀能力。1.23.9材料的显微组织

Balan等【48】对灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁冲蚀行为的研究表明,它们的抗正向冲出能力由高到低依次为:球墨铸铁>可锻铸铁>灰口铸铁,显微组织的抗冲蚀能力:球状石墨>片状石墨,回火马氏体>片状珠光体。如前所述,有研究表明,不同热处理条件AISI4340钢的冲蚀率区别不大…,因此对AISI4340钢来说,很难断言哪种显微组织的抗冲蚀能力更好。『司时,有研究者‘601发现不同显微

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组织的碳钢具有不同的抗冲蚀能力,由高到低依次为:珠光体>回火马氏体>马氏体,并且马氏体结构的碳钢在较高冲击速率时表现出脆性材料的冲蚀特征。另外,对于硬质第二相对不同双相或多相合金冲蚀行为的影晌,不同研究者[49,60-621的观点不尽相同,较一致的看法是碳化物尺寸、形状、位置等因素对材料冲蚀率有一定影响,但不象对硬度、塑性等机械性能的影响那么明显。Levy[621较系统的研究了碳化物含量对塑性材料抗冲蚀能力的影响,发现碳化物含量的增加导致材料抗冲蚀性能下降,直到碳化物含量达到80%左右,形成连续的碳化物框架,才呈现出相反的趋势。

总体来看,目前对双相或多相合金显微结构对其抗冲蚀能力的影响虽有一些了解,但多局限在某一局部,有时由于评价体系不同,甚至可能得出相互矛盾的结果,缺乏规律性,还需要迸一步深入研究。

脆性材料的显微组织对材料冲蚀行为有重要影响,一般认为163--661,较低的气孔率和较细的晶粒有利于提高材料的抗冲蚀能力,这是因为气孔等缺陷的存在使得裂纹容易在这些部位萌生和扩展,较多的气孔更容易造成材料的流失;晶粒的细化导致晶粒边界的增多,从而限制了裂纹的扩展。

1.2.4高分子材料的冲蚀磨损研究

由于高分子材料具有粘弹性,因此在冲蚀磨损过程中具有“时间依赖性”和“温度依赖性”[6”,表现出与金属材料和陶瓷材料不同的特点。

Tilly掣“j用真空离一15,;0l,(Whirlingarmrig)125~150pmn的石英砂对尼龙66和环氯树脂及其复合材料做了冲蚀实验。从冲蚀粒子的种类和尺寸因素来看,他们认为对较脆的材料如环氧树脂在冲蚀过程中有两种倾向:①冲蚀粒子的硬度越高对聚合物造成的损失越大:②冲蚀粒子的粒径越大其破坏作用也越大;对延性的聚合物情形则有所不同:a)由于它们本身的低硬度,冲蚀粒子的硬度变化对它们不会产生明显的影响;b)冲蚀粒子的尺寸效应仅在直径为lOOgm左右时才产生。

Friedrich[69]将聚合物分为两类:脆性聚合物材料如聚苯乙烯、环氧树脂;韧性聚合物材料如聚乙烯。研究发现脆性高分子材料的冲蚀率从一开始就呈线性增加,而韧性商分子材料的冲蚀率在呈线性增加之前有一个增重的孕育期。无规、不定形的聚丙烯比晶态的聚丙烯有更好的耐冲蚀性能。聚丙烯的耐冲蚀性能可通

过退火来减少球形粒子的大小来提高。此外,他还提出了聚合物冲蚀性能的“脆性指标”即H/GIc’H为材料的硬度,GIc为材料的断裂能。

S.M.Walley等人[70]研究了聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚醚醚酮(PEEK)的冲蚀性能。他们用球形粒子和方形粒子低角冲击这三种材料,并对变形和材料损失过程进行了研究,得出了硬度和脆性由小到大依次为PE<PP<PEEK,而耐磨性的顺序与之相反的结论。说明在低角冲蚀情况下,变形程度大并不意味着重量损失大。

Agarwalt71】等人认为天然橡胶和聚氨脂的共混物比低碳钢具有更优良的耐冲蚀性能。LiJ.等人‘721用粒度为120微米的石英砂对八种有不同机械性能的聚氨脂进行了冲蚀率的测定,发现冲蚀率随材料的硬度和弹性模量增加而增加。

1.2.5冲蚀磨损防护措施

对冲蚀磨损可从三个方面加以控制,即改进设计,使其有利于减少冲蚀;选用耐冲蚀磨损的材料;通过表面强化工艺提高抗冲蚀性能。

1.2.5.1改进设计

在保证工作效率的前提下,合理设计零部件的形状、结构。如用平滑过渡的弯管代替T形接头,减少材料表面粗糙度。

设法减少影响材料冲蚀率的重要参数,如入射颗粒的速度,但应在综合技术指标中加以统一处理,防止片面追求单一指标。

为减少冲蚀,应改变冲击角。塑性材料尽可能避免在20。 ̄30。的冲击角下工作,脆性材料力争不受粒子的垂直入射。

1.2.5|2合理选材

由于改进设计需考虑的因素很多,在实际应用中存在较大难度,同时往往不能完全满足要求,因此合理选材尤为重要。在选材时必须充分考虑工况条件,如冲击角、冲击速度、温度等环境因素以及磨粒性质的影响,在目前情况下,一般需通过实验来确定。

Hasen【73l对部分材料的耐冲蚀性能进行了整理,对多数金属材料而言,相对冲蚀率相差不大,而金属陶瓷和陶瓷材料则表现出较优良的耐冲蚀性能,如WC、

C—BN、Si3N4、SiC等。Roy等人吲在电厂煤粉输送管道中采用99%刚玉替代16Mn钢,使用寿命明显提高。

沈曙明等人‘州对28Cr铸铁在30m/s冲蚀速度情况下的磨损情况进行了研究,结果表明28Cr铸铁的耐冲蚀性能优于20钢,他们认为可用于火电厂煤粉输送管道。

王乙潜等人【75】对超高分子量聚乙烯和45钢的冲蚀磨损性能进行了研究,二:者的冲蚀率处于同一数量级上,超高分子量聚乙烯的耐冲蚀性稍劣于45钢,但成本低于45钢。

1.2.5.3表面强化

表面强化是在通用材料的基础上,采用适当表面技术使材料表面达到耐冲蚀磨损的目的。常用的表面技术有表面热处理,如渗碳、渗氮、渗硼等;表面冶金及粘涂技术,如堆焊、热喷涂、激光熔覆、表面粘涂等;表面薄膜层技术,如气相沉积等。由于金属陶瓷和陶瓷材料加工较困难,成本高,采用表面技术在基材表面涂覆一层一定厚度的金属陶瓷或陶瓷材料,是一种行之有效的冲蚀磨损防护措施。

1.3立题依据及研究内容

固体粒子冲蚀磨损在工程中随处可见,由此导致的材料破坏及失效十分常见,造成了严重的经济损失,研究材料的冲蚀行为,揭示其冲蚀机理及影响因素,正确地选择材料,研制和开发耐冲蚀材料,对节约材料、降低能耗、提高经济效益具有重要的意义

本课题的主要研究内容是:

(1)通过冲蚀磨损实验,研究不同冲击速度、不同冲击角度、不同粒子流量下几种工程材料的重量及体积变化规律,比较其耐冲蚀磨损性能。研究不同粒度分布情况下金属材料的重量及体积变化规律。

(2)用扫描电镜观察典型冲蚀磨损试样表面形貌。用金相显微镜观察材料磨损部位截面组织,与母材金相组织进行比较研究。分析探讨材料冲蚀磨损机理。

(3)采用激光熔覆技术在45“钢表面制备Ni基合金及Ni基合金/SiC涂层,

14

研究熔覆层的耐冲蚀性能,探讨其冲蚀磨损机理。

参考文献

1.李建明,耐磨与减摩材料,机械工业出版社:北京,1987

2.EyreT.S.,TreatiseonMaterialsScienceandTechnology,V01.13,Wear,EditedbyScottD.(1979)

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17.BranchR.M.,Int.J.ImpactEng.,1988,7:37

18.SundararajanG.,ShewmonP.G.,Wear,1983,84:237

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22.WiederhornS.WI,LawnBR,JAmer.Seram.Soc,1979,62:66

材料力学行为及性能

绪论§0.1 工程材料 工程材料分类(按其应用分) ?结构材料 依靠其力学性能得以发展和应用的材料。 ?功能材料 利用物质的声、光、电、磁、化学乃至生物性能得以发展和应用的材料。 (本课程所研究和讲述的重点在第一种,尤其是结构材料中的金属材料) §0.2 力学性能 材料抵抗外加载荷(不仅指外力和能量的作用,而且还包括环境因素例如温度、介质、加载速率等的影响)所引起的变形和断裂的能力。 §0.3 研究内容 研究材料在外力作用下的变形、断裂和寿命。 ?弹性 材料在外力作用下保持固有形状和尺寸的能力;以及在外力去除后恢复固有形状和尺寸的能力。 ?塑性 材料在外力作用下发生永久不可逆变形的能力。 ?强度 材料对塑性变形和断裂的抗力。 ?寿命 材料在外力的长期和重复作用下,或在外力和环境因素的复合作用下,抵抗失效的能力(时间长短)。 (以上只是定性地说明这些力学性能,如果要定量地说明它就必须用一些力学参量(应力、应变、应力场强度因子等)来表示这些力学性能。 如果我们说某材料的力学性能好,就是指这些力学参量的值高或低,所以人们通常将力学参量的临界值或规定值称为材料的力学性能指标。声学材料:隔音层光学材料:玻璃,镜片 电学材料:金属导线,电子元器件 磁学材料:磁头、磁卡 化学材料:高分子材料催化剂 生物材料:人工关节、人工骨骼 生活中常指后者

如:强度指标、塑性指标、韧性指标) 具体研究涉及的内容: ?材料(包括金属材料和非金属材料)在不同形式外力作用下,或者外力、温度、环境等因素的共同作用下,发生变 形、损伤和断裂的过程、机理和力学模型; ?评定力学性能的各项指标的意义(物理意义和工程实用意义)、各指标间的相互关系以及具体的测试技术; ?研究力学性能指标机理、影响因素以及改善或提高这些力学性能指标的方法和途径。 (注:材料力学性能的影响因素 内因:化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力、表面和内部缺陷。 外因:载荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环境介质等。) §0.4学习和研究材料力学性能的目的和意义 机械和工程结构的设计,应当达到所要求的性能,并且在规定的服役期内安全可靠地运行,同时也要具有经济性,即低的设计、制造和维修费用。 ①达到使用要求;②安全性;③经济性 然而,各种机械和结构零部件的使用条件各不相同,因而要选用不同的的材料制成零件,也需要采用不同的工艺手段来完成零件的实际制作。而材料的力学性能及其评定指标,是结构设计时选用材料、制订加工工艺的主要依据,也是评价结构质量的主要依据。 ?在零部件使用中,要求材料具有高的变形和断裂抗力,使零部件在受外力作用时能保持设计所要求的外形和尺寸, 并保证在服役期内安全地运行; ?在零部件的生产过程中,则要求材料具有优良的可加工性。 (例如,在金属的塑性成形中,要求材料具有优良的塑性和低的塑性变形抗力) 对于学生,必须具有材料力学性能方面的知识,以便在研究新材料和改善材料的过程中,能根据材料的使用要求,选用合适的现有材料或研制新材料,制订合适的加工工艺。 §0.5研究方法 ?理论分析 ?试验测定

复合材料力学

复合材料力学 论文题目:用氧化铝填充导热和电绝缘环氧 复合材料的无缺陷石墨烯纳米片 院系班级:工程力学1302 姓名:黄义良 学号: 201314060215

用氧化铝填充导热和电绝缘环氧复合材料的无缺陷石墨烯纳米片 孙仁辉1 ,姚华1 ,张浩斌1 ,李越1 ,米耀荣2 ,于中振3 (1.北京化工大学材料科学与工程学院,有机无机复合材料国家重点实验室北京 100029;2.高级材料技术中心(CAMT ),航空航天,机械和机电工程学院J07,悉尼大学;3.北京化工大学软件物理科学与工程北京先进创新中心,北京100029) 摘要:虽然石墨烯由于其高纵横比和优异的导热性可以显着地改善聚合物的导热性,但是其导致电绝缘的严重降低,并且因此限制了其聚合物复合材料在电子和系统的热管理中的广泛应用。为了解决这个问题,电绝缘Al 2O 3用于装饰高质量(无缺陷)石墨烯纳米片(GNP )。借助超临界二氧化碳(scCO 2),通过Al(NO 3)3 前体的快速成核和水解,然后在600℃下煅烧,在惰性GNP 表面上形成许多Al 2O 3纳米颗粒。或者,通过用缓冲溶液控制Al 2(SO 4)3 前体的成核和水解,Al 2(SO 4)3 缓慢成核并在GNP 上水解以形成氢氧化铝,然后将其转化为Al 2O 3纳米层,而不通过煅烧进行相分离。与在scCO2的帮助下的Al 2O 3@GNP 混合物相比,在缓冲溶液的帮助下制备的混合物高度有效地赋予具有优良导热性的环氧树脂,同时保持其电绝缘。具有12%质量百分比的Al 2O 3@GNP 混合物的环氧复合材料表现出1.49W /(m ·K )的高热导率,其比纯环氧树脂高677%,表明其作为导热和电绝缘填料用于基于聚合物的功能复合材料。 关键词:聚合物复合基材料(PMCs ) 功能复合材料 电气特性 热性能 Decoration of defect-free graphene nanoplatelets with alumina for thermally conductive and electrically insulating epoxy composites Renhui Sun 1,Hua Yao 1, Hao-Bin Zhang 1,Yue Li 1,Yiu-Wing Mai 2,Zhong-Zhen Yu 3 (1.State Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites, College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China; 2.Centre for Advanced Materials Technology (CAMT), School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering J07, The University of Sydney, Sydney, NSW 2006, Australia; 3.Beijing Advanced Innovation Center for Soft Matter Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China) Abstract:Although graphene can significantly improve the thermal conductivity of polymers due to its high aspect ratio and excellent thermal conductance, it causes serious reduction in electrical insulation and thus limits the wide applications of its polymer composites in the thermal management of electronics and systems. To solve this problem, electrically insulating Al 2O 3is used to decorate high quality (defect-free) graphene nanoplatelets (GNPs). Aided by supercritical carbon dioxide (scCO 2), numerous Al 2O 3 nanoparticles are formed

现代材料测试技术试题答案

一、X射线物相分析的基本原理与思路 在对材料的分析中我们大家可能比较熟悉对它化学成分的分析,如某一材料为Fe96.5%,C 0.4%,Ni1.8%或SiO2 61%, Al2O3 21%,CaO 10% ,FeO 4%等。这是材料成分的化学分析。 一个物相是由化学成分和晶体结构两部分所决定的。X射线的分析正是基于材料的晶体结构来测定物相的。 X射线物相分析的基本原理是什么呢? 每一种结晶物质都有自己独特的晶体结构,即特定点阵类型、晶胞大小、原子的数目和原子在晶胞中的排列等。因此,从布拉格公式和强度公式知道,当X射线通过晶体时,每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样,它们的特征可以用各个反射晶面的晶面间距值d和反射线的强度来表征。 其中晶面网间距值d与晶胞的形状和大小有关,相对强度I则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。 衍射花样有两个用途: 一是可以用来测定晶体的结构,这是比较复杂的; 二是用来测定物相。 所以,任何一种结晶物质的衍射数据d和I是其晶体结构的必然反映,因而可以根据它们来鉴别结晶物质的物相,分析的思路将样品的衍射花样与已知标准物质的衍射花样进行比较从中找出与其相同者即可。 X射线物相分析方法有: 定性分析——只确定样品的物相是什么? 包括单相定性分析和多相定性分析定量分析——不仅确定物相的种类还要分析物相的含量。 二、单相定性分析 利用X射线进行物相定性分析的一般步骤为: ①用某一种实验方法获得待测试样的衍射花样; ②计算并列出衍射花样中各衍射线的d值和相应的相对强度I值; ③参考对比已知的资料鉴定出试样的物相。 1、标准物质的粉末衍射卡片 标准物质的X射线衍射数据是X射线物相鉴定的基础。为此,人们将世界上的成千上万种结晶物质进行衍射或照相,将它们的衍射花样收集起来。由于底片和衍射图都难以保存,并且由于各人的实验的条件不同(如所使用的X射线波长不同),衍射花样的形态也有所不同,难以进行比较。因此,通常国际上统一将这些衍射花样经过计算,换算成衍射线的面网间距d值和强度I,制成卡片进行保存。

复合材料力学上机编程作业(计算层合板刚度)要点

复合材料力学上机编程作业 学院:School of Civil Engineering专业:Engineering Mechanics 小组成员信息:James Wilson(2012031890015)、Tau Young(2012031890011)复合材料力学学了五个星期,这是这门课的第一次编程作业。我和杨涛结成一个小组,我用的是Fortran编制的程序,Tau Young用的是matlab编制。其中的算例以我的Fortran计算结果为准。Matlab作为可视化界面有其独到之处,在附录2中将会有所展示。 作业的内容是层合板的刚度的计算和验算,包括拉伸刚度A、弯曲刚度D以及耦合刚度B。 首先要给定层合板的各个参数,具体有:层合板的层数N;各单层的弹性常数 E1、E2、υ21、G12;各单层 对应的厚度;各单层对应的主方向夹角θ。然后就要计算每个单层板的二维刚度矩阵Q,具体公式如下: υ12=υ21E2 E1;Q11=E11-υ12υ21;Q22=E21-υ12υ21;Q12=υ12E1; 1-υ12υ21Q66=G12 得到Q矩阵后,根据课本上讲到的Q=(T-1)TQ(T-1)得到Q。 然后根据z坐标的定义求出z0到zn,接下来,最重要的一步,根据下式计算A、B、D。 n??Aij=∑(Qij)k(zk-zk-1) k=1??1n22?Bij=∑(Qij)k(zk-zk-1) 2k=1??1n33?Dij=∑(Qij)k(zk-zk-1)3k=1? 一、书上P110的几个问题可以归纳为以下几个类型。

第 1 页共 1 页 (4)6层反对称角铺设层合板(T5-10)第 2 页共 2 页

材料分析测试复习题及答案

材料分析测试方法复习题 第一部分 简答题: 1. X 射线产生的基本条件 答:①产生自由电子; ②使电子做定向高速运动; ③在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物。 2. 连续X 射线产生实质 答:假设管电流为10mA ,则每秒到达阳极靶上的电子数可达6.25x10(16)个,如此之多的电子到达靶上的时间和条件不会相同,并且绝大多数达到靶上的电子要经过多次碰撞,逐步把能量释放到零,同时产生一系列能量为hv (i )的光子序列,这样就形成了连续X 射线。 3. 特征X 射线产生的物理机制 答:原子系统中的电子遵从刨利不相容原理不连续的分布在K 、L 、M 、N 等 不同能级的壳层上,而且按能量最低原理从里到外逐层填充。当外来的高速度的粒子动能足够大时,可以将壳层中某个电子击出去,于是在原来的位置出现空位,原子系统的能量升高,处于激发态,这时原子系统就要向低能态转化,即向低能级上的空位跃迁,在跃迁时会有一能量产生,这一能量以光子的形式辐射出来,即特征X 射线。 4. 短波限、吸收限 答:短波限:X 射线管不同管电压下的连续谱存在的一个最短波长值。 吸收限:把一特定壳层的电子击出所需要的入射光最长波长。 5. X 射线相干散射与非相干散射现象 答: 相干散射:当X 射线与原子中束缚较紧的内层电子相撞时,电子振动时向四周发射电磁波的散射过程。 非相干散射:当X 射线光子与束缚不大的外层电子或价电子或金属晶体中的自由电子相撞时的散射过程。 6. 光电子、荧光X 射线以及俄歇电子的含义 答:光电子:光电效应中由光子激发所产生的电子(或入射光量子与物质原子中电子相互碰撞时被激发的电子)。 荧光X 射线:由X 射线激发所产生的特征X 射线。 俄歇电子:原子外层电子跃迁填补内层空位后释放能量并产生新的空位,这些能量被包括空位层在内的临近原子或较外层电子吸收,受激发逸出原子的电子叫做俄歇电子。 7. X 射线吸收规律、线吸收系数 答:X 射线吸收规律:强度为I 的特征X 射线在均匀物质内部通过时,强度的衰减与在物质内通过的距离x 成比例,即-dI/I=μdx 。 线吸收系数:即为上式中的μ,指在X 射线传播方向上,单位长度上的X 射线强弱衰减程度。 8. 晶面及晶面间距 答:晶面:在空间点阵中可以作出相互平行且间距相等的一组平面,使所有的节点均位于这组平面上,各平面的节点分布情况完全相同,这样的节点平面成为晶面。 晶面间距:两个相邻的平行晶面的垂直距离。 9. 反射级数与干涉指数 答:布拉格方程 表示面间距为d ’的(hkl )晶面上产生了n 级衍射,n 就是反射级数 λ θn Sin d ='2:

工程材料力学性能答案

工程材料力学性能答案1111111111111111111111111111111111111 1111111111111111111111111111111111111 111111 决定金属屈服强度的因素有哪 些?12 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。试举出几种能显著强化金属而又不降低其塑性的方法。固溶强化、形变硬化、细晶强化试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险?21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。何谓拉伸断口三要素?影响宏观拉伸断口性态的

因素有哪些?答:宏观断口呈杯锥形,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。上述断口三区域的形态、大小和相对位置,因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化?断裂强度与抗拉强度有何区别?抗拉强度是试样断裂前所承受的最大工程应力,记为σb;拉伸断裂时的真应力称为断裂强度记为σf; 两者之间有经验关系:σf = σb (1+ψ);脆性材料的抗拉强度就是断裂强度;对于塑性材料,于出现颈缩两者并不相等。裂纹扩展受哪些因素支配?答:裂纹形核前均需有塑性变形;位错运动受阻,在一定条件下便会形成裂纹。2222222222222222222222222222222222 2222222222222222222222222222222222 2222 试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围。答:单向拉伸试验的特点及应用:单向拉伸的应力状态较硬,一般用于塑性变形

复合材料力学设计作业1

1、为什么结构复合材料中增强材料的形态主要为纤维? 2、简述树脂基复合材料的优点和缺点? 3、为什么新一代客机中复合材料用量会大幅提高?其复合材料零部件主要用到复合材料的哪些优点? 4、为什么卫星中采用了较多的复合材料? 答:1、利用复合材料的各种良好的力学性能用于制造结构的材料,称为结构复合材料, 它主要有基体材料和增强材料两种组分组成。其中增强材料承受主要载荷,提供复合 材料的刚度和强度,基本控制其力学性能;基体材料固定和保护增强纤维,传递纤维 间剪力和防止纤维屈曲,并改善复合材料的某些性能。用以加强制品力学性能或其他 性能的材料,在橡胶工业中又称补强剂。分纤维状和粒状材料两种。增强材料的增强 效应取决于与被增强材料的相容性,为增进相容能力,有些增强材料在使用前需要进 行表面处理。对粒状增强材料,尚需考虑其表面积(决定于粒径、形状和孔隙度)。 据报道,平均粒径在0.2μm以下的增强材料,随粒径的减小,制品的模量、抗张强度、 屈服强度和伸长率均有所增加。平均粒径较大的增强材料,由于粒径分布的不同其结 果不一致。所以,结构力学复合材料力学性能难以控制。增强材料就象树木中的纤维, 混凝土中的钢筋一样,是复合材料的重要组成部分,并起到非常重要的作用。例如在 纤维增强复合材料中,纤维是承受载荷的组元,纤维的力学性能决定了复合材料的性 能。所以说结构复合材料中增强材料的形态主要为纤维。 2、树脂基复合材料的优点:1)比强度高、比模量大2)耐疲劳性能好3)阻尼减震性 能好4)破损安全性好5)耐化学腐蚀性好6)树脂基复合材料是一种优良的电气绝缘 材料,电性能好7)树脂基复合材料热导率低、线膨胀系数小,优良的绝热材料,热 性能良好。树脂基复合材料的缺点:1)树脂基复合材料的耐热性较低2)材料的性能 分散性大。 3、用复合材料设计的飞机结构,可以推进隐身和智能结构设计的发展,有效地减少了 机体结构重量,提高了飞机运载能力,降低了发动机油耗,减少了污染排放,提高了 经济效益;复合材料优异的抗疲劳和耐介质腐蚀性能,提高了飞机结构的使用寿命和 安全性,减少了飞机的维修成本,从而提高了飞机结构的全寿命期(是指结构从论证 立项开始,有设计研制、生产研制、销售服务、使用运行、维护修理,一直到报废处 理的整个寿命期)经济性;复合材料结构有利于整个设计与整体制造技术的应用,可以 减少结构零部件的数量,提高结构的效率与可靠性,降低制造和运营成本,并可明显 改善飞机气动弹性特性,提高飞机性能。 4、正火箭导弹与航天器均要求结构重量轻,强度高。复合材料不仅兼备这两种优点,而 且还具有一些金属材料无法比拟的优良性能。卫星结构用复合材料具有重量轻、比刚 度、比强度高等特点。其碳纤维复合材料构件还具有弹性模量、热膨胀系数可设计等 特点,对卫星结构件的应用具有材料可设计的特色。

材料分析测试技术复习题 附答案

材料分析测试技术复习题 【第一至第六章】 1.X射线的波粒二象性 波动性表现为: -以波动的形式传播,具有一定的频率和波长 -波动性特征反映在物质运动的连续性和在传播过程中发生的干涉、衍射现象 粒子性突出表现为: -在与物质相互作用和交换能量的时候 -X射线由大量的粒子流(能量E、动量P、质量m)构成,粒子流称为光子-当X射线与物质相互作用时,光子只能整个被原子或电子吸收或散射 2.连续x射线谱的特点,连续谱的短波限 定义:波长在一定范围连续分布的X射线,I和λ构成连续X射线谱 λ∞,波?当管压很低(小于20KV 时),由某一短波限λ 0开始直到波长无穷大长连续分布 ?随管压增高,X射线强度增高,连续谱峰值所对应的波长(1.5 λ 0处)向短波端移动 ?λ 0 正比于1/V, 与靶元素无关 ?强度I:由单位时间内通过与X射线传播方向垂直的单位面积上的光量子数的能量总和决定(粒子性观点描述)

?单位时间通过垂直于传播方向的单位截面上的能量大小,与A2成正比(波动性观点描述) 短波限:对X射线管施加不同电压时,在X射线的强度I 随波长λ变化的关系曲线中,在各种管压下的连续谱都存在一个最短的波长值λ0,称为短波限。 3.连续x射线谱产生机理 【a】.经典电动力学概念解释: 一个高速运动电子到达靶面时,因突然减速产生很大的负加速度,负加速度引起周围电磁场的急剧变化,产生电磁波,且具有不同波长,形成连续X射线谱。 【b】.量子理论解释: * 电子与靶经过多次碰撞,逐步把能量释放到零,同时产生一系列能量为hυi的光子序列,形成连续谱 * 存在ev=hυmax,υmax=hc/ λ0, λ0为短波限,从而推出λ0=1.24/ V (nm) (V为电子通过两极时的电压降,与管压有关)。 * 一般ev≥h υ,在极限情况下,极少数电子在一次碰撞中将全部能量一次性转化为一个光量子 4.特征x射线谱的特点 对于一定元素的靶,当管压小于某一限度时,只激发连续谱,管压增高,射线谱曲线只向短波方向移动,总强度增高,本质上无变化。 当管压超过某一临界值后,在连续谱某几个特定波长的地方,强度突然显著

工程材料力学性能

工程材料力学性能 工程材料力学性能 第一章、金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 一、名词解释 ?弹性比功又称弹性比能、应变比能,表示金属材料吸收弹性变形功的功能。一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。 ?循环韧性:金属材料在交变载荷(震动)下吸收不可逆变形功的能力,称为金属的循环韧性,也叫金属的内耗。 ?包申格效应:金属材料经过预先加载产生多少塑性变形(残余应力为1%~4%),卸载后再同向加载,规定残余伸长应力(弹性极限或屈服强度)增加;反向加载,规定残余伸长应力降低(特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零)的现象,称为包申格效应。 ?塑性:指金属材料断裂前发生塑性变形(不可逆永久变形)的能力。金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分构成。 ?韧性:指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力,或指材料抵抗裂纹扩展的能力。 ?脆性:脆性相对于塑性而言,一般指材料未发生塑性变形而断裂的趋势。 ?解理面:因解理断裂与大理石断裂类似,故称此种晶体学平面为解理面。 ?解理刻面:实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的,这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 ?解理台阶:解理裂纹与螺型位错相交而形成的具有一定高度的台阶称为解理台阶。

?河流花样解理台阶沿裂纹前段滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大。当汇合台阶高度足够大时,便成为了河流花样。 ?穿晶断裂与沿晶断裂:多晶体金属断裂时,裂纹扩展的路径可能是不同的。裂纹穿过晶内的断裂为穿晶断裂;裂纹沿晶界扩展的断裂为沿晶断裂。穿晶断裂和沿晶断裂有时候可以同时发生。 二、下列力学性能指标的的意义 ?E(G):弹性模量,表示的是材料在弹性范围内应力和应变之比; ?σr:规定残余伸长应力,表示试样卸除拉伸力后,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;常用σ0.2表示材料的规定残余延伸率为0.2%时的应力,称为屈服强度;σs:屈服点,表示呈屈服现象的金属材料拉伸时,试样在外力不断增加(保持恒定)仍能继续伸长时的应力称为屈服点。 ?σb:抗拉强度,表示韧性金属材料的实际承载能力; ?n:应变硬化指数,反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力,是表征金属材料应变硬化行为的性能指标; ?δ:断后伸长率,表示试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比; ?δgt:金属材料拉伸时最大力下的总伸长率(最大均匀塑性变形); ?ψ:断面收缩率,表示试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。 三、问答题 ?金属的弹性模量主要取决于什么因素,为何说它是一个对组织不敏感的力学性能指标, 答:由于弹性变形是原子间距在外来作用下可逆变化的结果,应力与应变关系实际上是原子间作用力与原子间距的关系。所以,弹性模量与原子间作用力有关,与原子间距也有一定关系。原子间作用力决定于金属原子本性和晶格类型,故弹性模量也主要决定于金属原子本性

复合材料力学大作业

复合材料力学上机作业 (2013年秋季) 班级力学C102 学生姓名赵玉鹰 学号105634 成绩 河北工业大学机械学院 2013年12月30日

作业1 单向板刚度及柔度的计算 一、要 求 (1)选用FORTRAN 、VB 、MAPLE 或MATLAB 编程计算下列各题; (2)上机报告内容:源程序、题目内容及计算结果; (3)材料工程常数的数值参考教材自己选择; (4)上机学时:2学时。 二、题 目 1、已知单层板材料工程常数1E ,2E ,12G ,计算柔度矩阵[S ]和刚度矩阵[Q ]。(玻璃/环氧树脂单层板材料的MPa 1090.341?=E ,MPa 1030.142?=E ,MPa 1042.0412?=G ,25.021=μ,MPa 1001=σ,MPa 302-=σ,MPa 1012=τ) ●Maple 程序 > restart: > with(linalg): > E[1]:=3.9e10: > E[2]:=1.3e10: > G[12]:=0.42e10: > mu[21]:=0.25: > mu[12]:=E[1]*mu[21]/E[2]: > Q[11]:=E[1]/(1-mu[12]*mu[21]): > Q[12]:=mu[12]*E[2]/(1-mu[12]*mu[21]): > Q[13]:=0: > Q[21]:=Q[12]: > Q[22]:=E[2]/(1-mu[12]*mu[21]): > Q[23]:=0: > Q[31]:=Q[13]: > Q[32]:=Q[23]: > Q[33]:=G[12]: >Q:=evalf(matrix(3,3,[[Q[11],Q[12],Q[13]],[Q[21],Q[22], Q[23]],[Q[31],Q[32],Q[33]]]),4);

《材料分析测试技术》试卷(答案)

《材料分析测试技术》试卷(答案) 一、填空题:(20分,每空一分) 1. X射线管主要由阳极、阴极、和窗口构成。 2. X射线透过物质时产生的物理效应有:散射、光电效应、透射X射线、和热。 3. 德拜照相法中的底片安装方法有:正装、反装和偏装三种。 4. X射线物相分析方法分:定性分析和定量分析两种;测钢中残余奥氏体的直接比较法就属于其中的定量分析方法。 5. 透射电子显微镜的分辨率主要受衍射效应和像差两因素影响。 6. 今天复型技术主要应用于萃取复型来揭取第二相微小颗粒进行分析。 7. 电子探针包括波谱仪和能谱仪成分分析仪器。 8. 扫描电子显微镜常用的信号是二次电子和背散射电子。 二、选择题:(8分,每题一分) 1. X射线衍射方法中最常用的方法是( b )。 a.劳厄法;b.粉末多晶法;c.周转晶体法。 2. 已知X光管是铜靶,应选择的滤波片材料是(b)。 a.Co ;b. Ni ;c. Fe。 3. X射线物相定性分析方法中有三种索引,如果已知物质名时可以采用(c )。 a.哈氏无机数值索引;b. 芬克无机数值索引;c. 戴维无机字母索引。 4. 能提高透射电镜成像衬度的可动光阑是(b)。 a.第二聚光镜光阑;b. 物镜光阑;c. 选区光阑。 5. 透射电子显微镜中可以消除的像差是( b )。 a.球差;b. 像散;c. 色差。 6. 可以帮助我们估计样品厚度的复杂衍射花样是(a)。 a.高阶劳厄斑点;b. 超结构斑点;c. 二次衍射斑点。 7. 电子束与固体样品相互作用产生的物理信号中可用于分析1nm厚表层成分的信号是(b)。 a.背散射电子;b.俄歇电子;c. 特征X射线。 8. 中心暗场像的成像操作方法是(c)。 a.以物镜光栏套住透射斑;b.以物镜光栏套住衍射斑;c.将衍射斑移至中心并以物镜光栏套住透射斑。 三、问答题:(24分,每题8分) 1.X射线衍射仪法中对粉末多晶样品的要求是什么? 答:X射线衍射仪法中样品是块状粉末样品,首先要求粉末粒度要大小 适中,在1um-5um之间;其次粉末不能有应力和织构;最后是样品有一 个最佳厚度(t =

工程材料力学行为

作业习题>>第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能 一、解释下列名词 滞弹性:在外加载荷作用下,应变落后于应力现象。 静力韧度:材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。 弹性极限:试样加载后再卸裁,以不出现残留的永久变形为标准,材料能够完全弹性恢复的最高应力。 比例极限:应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。 二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能? 答案:金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力,而材料的成分和组织对它的影响不大,所以说它是一个对组织不敏感的性能指标,这是弹性模量在性能上的主要特点。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。 三、什么是包辛格效应,如何解释,它有什么实际意义? 答案:包辛格效应就是指原先经过变形,然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零,这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。 包辛格效应可以用位错理论解释。第一,在原先加载变形时,位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍,塞积后便产生了背应力,这背应力反作用于位错源,当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时,可使位错源停止开动。背应力是一种长程(晶粒或位错胞尺寸范围)内应力,是金属基体平均内应力的度量。因为预变形时位错运动的方向和背应力的方向相反,而当反向加载时位错运动的方向与原来的方向相反了,和背应力方向一致,背应力帮助位错运动,塑性变形容易了,于是,经过预变形再反向加载,其屈服强度就降低了。这一般被认为是产生包辛格效应的主要原因。其次,在反向加载时,在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号,要引起异号位错消毁,这也会引起材料的软化,屈服强度的降低。 实际意义:在工程应用上,首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。其次,包辛格效应大的材料,内应力较大。另外包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系,在高周疲劳中,包辛格效应小的疲劳寿命高,而包辛格效应大的,由于疲劳软化也较严重,对高周疲劳寿命不利。 作业习题>>第二章金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词: (1)应力状态软性系数——材料最大且盈利与最大正赢利的比值,记为α。 (2)缺口效应——缺口材料在静载荷作用下,缺口截面上的应力状态发生的变化。 (3)缺口敏感度——金属材料的缺口敏感性指标,用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值表示。 (4)布氏硬度——用钢球或硬质合金球作为压头,采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。 (5)洛氏硬度——采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头,以测量压痕深度所表示的硬度。 (6)维氏硬度——以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头,采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。 (7)努氏硬度——采用两个对面角不等的四棱锥金刚石压头,由试验力除以压痕投影面积得到的硬度。 (8)肖氏硬度——采动载荷试验法,根据重锤回跳高度表证的金属硬度。 (9)里氏硬度——采动载荷试验法,根据重锤回跳速度表证的金属硬度。

2013秋复合材料力学上机作业

《复合材料力学》课程上机指导书(力学101,力学C101-2) 河北工业大学机械学院力学系 2013年9月

目录 作业1单向板刚度及柔度的计算(2学时) (1) 作业2单向板的应力、应变计算(2学时) (2) 作业3绘制表观工程常数随 的变化规律(3学时) (3) 作业4绘制强度准则的理论曲线(包络线)(3学时) (4) 作业5层合板的刚度计算(3学时) (5) *作业6层合板的强度计算(4学时) (6) 附录作业提交说明……………………………………………. . 7 注:带“*”的题目可作为自愿选做题。

作业1 单向板刚度及柔度的计算 一、要 求 (1)选用FORTRAN 、VB 、MAPLE 或MATLAB 编程计算下列各题; (2)上机报告内容:源程序、题目内容及计算结果; (3)材料工程常数的数值参考教材自己选择; (4)上机学时:2学时。 二、题 目 1、已知单层板材料工程常数1E ,2E ,12G ,计算柔度矩阵[S ]和刚度矩阵[Q ]。(玻璃/环氧树脂单层板材料的MPa 1090.341?=E ,MPa 1030.142?=E , MPa 1042.0412?=G ,25.021=μ, MPa 1001=σ,MPa 302-=σ,MPa 1012=τ) 2、已知单层板材料工程常数1E ,2E ,12G ,21μ及θ,计算柔度矩阵][S 和刚度矩阵][Q 。(M P a 1090.341?=E ,MPa 1030.142?=E ,MPa 1042.0412?=G ,25.021=μ,?=30θ)

作业2 单向板的应力、应变计算 一、要 求 1、选用FORTRAN 、VB 、MAPLE 或MATLAB 编程计算下列各题; 2、上机报告内容:源程序、题目内容及计算结果; 3、材料工程常数的数值参考教材自己选择; 4、上机学时:2学时。 二、题 目 1、已知单向板的应力x σ、y σ、xy τ,工程常数1E ,2E ,12G ,21μ及θ,求x ε、 y ε、xy γ;1σ、2σ、12τ;1ε、2ε、12γ。 (知?=30θ,应力MPa 160=x σ,MPa 60=y σ,MPa 20=xy τ,工程常数MPa 1090.341?=E ,MPa 1030.142?=E ,MPa 1042.0412?=G ,25.021=μ,?=30θ) 2、已知1σ、2σ、12τ,工程常数1E ,2E ,12G ,21μ及θ,求1ε、2ε、12γ;x ε、y ε、 xy γ;x σ、y σ、xy τ。 (知MPa 1001=σ,MPa 302-=σ,MPa 1012=τ,MPa 1090.341?=E ,MPa 1030.142?=E ,MPa 1042.0412?=G ,25.021=μ,?=30θ)

材料测试分析方法答案

第一章 一、选择题 1.用来进行晶体结构分析的X射线学分支是() A.X射线透射学; B.X射线衍射学; C.X射线光谱学; D.其它 2. M层电子回迁到K层后,多余的能量放出的特征X射线称() A.Kα; B. Kβ; C. Kγ; D. Lα。 3. 当X射线发生装置是Cu靶,滤波片应选() A.Cu;B. Fe;C. Ni;D. Mo。 4. 当电子把所有能量都转换为X射线时,该X射线波长称() A.短波限λ0; B. 激发限λk; C. 吸收限; D. 特征X射线 5.当X射线将某物质原子的K层电子打出去后,L层电子回迁K层,多余能量将另一个L层电子打出核外,这整个过程将产生()(多选题) A.光电子; B. 二次荧光; C. 俄歇电子; D. (A+C) 二、正误题 1. 随X射线管的电压升高,λ0和λk都随之减小。() 2. 激发限与吸收限是一回事,只是从不同角度看问题。() 3. 经滤波后的X射线是相对的单色光。() 4. 产生特征X射线的前提是原子内层电子被打出核外,原子处于激发状态。() 5. 选择滤波片只要根据吸收曲线选择材料,而不需要考虑厚度。() 三、填空题 1. 当X射线管电压超过临界电压就可以产生X射线和X射线。 2. X射线与物质相互作用可以产生、、、、 、、、。 3. 经过厚度为H的物质后,X射线的强度为。 4. X射线的本质既是也是,具有性。 5. 短波长的X射线称,常用于;长波长的X射线称 ,常用于。 习题 1.X射线学有几个分支?每个分支的研究对象是什么?

2. 分析下列荧光辐射产生的可能性,为什么? (1)用CuK αX 射线激发CuK α荧光辐射; (2)用CuK βX 射线激发CuK α荧光辐射; (3)用CuK αX 射线激发CuL α荧光辐射。 3. 什么叫“相干散射”、“非相干散射”、“荧光辐射”、“吸收限”、“俄歇效应”、“发射谱”、 “吸收谱”? 4. X 射线的本质是什么?它与可见光、紫外线等电磁波的主要区别何在?用哪些物理量 描述它? 5. 产生X 射线需具备什么条件? 6. Ⅹ射线具有波粒二象性,其微粒性和波动性分别表现在哪些现象中? 7. 计算当管电压为50 kv 时,电子在与靶碰撞时的速度与动能以及所发射的连续谱的短 波限和光子的最大动能。 8. 特征X 射线与荧光X 射线的产生机理有何异同?某物质的K 系荧光X 射线波长是否等 于它的K 系特征X 射线波长? 9. 连续谱是怎样产生的?其短波限V eV hc 3 01024.1?= =λ与某物质的吸收限k k k V eV hc 3 1024.1?= =λ有何不同(V 和V K 以kv 为单位)? 10. Ⅹ射线与物质有哪些相互作用?规律如何?对x 射线分析有何影响?反冲电子、光电 子和俄歇电子有何不同? 11. 试计算当管压为50kv 时,Ⅹ射线管中电子击靶时的速度和动能,以及所发射的连续 谱的短波限和光子的最大能量是多少? 12. 为什么会出现吸收限?K 吸收限为什么只有一个而L 吸收限有三个?当激发X 系荧光 Ⅹ射线时,能否伴生L 系?当L 系激发时能否伴生K 系? 13. 已知钼的λK α=0.71?,铁的λK α=1.93?及钴的λK α=1.79?,试求光子的频率和能量。 试计算钼的K 激发电压,已知钼的λK =0.619?。已知钴的K 激发电压V K =7.71kv ,试求其λK 。 14. X 射线实验室用防护铅屏厚度通常至少为lmm ,试计算这种铅屏对CuK α、MoK α辐射 的透射系数各为多少? 15. 如果用1mm 厚的铅作防护屏,试求Cr K α和Mo K α的穿透系数。 16. 厚度为1mm 的铝片能把某单色Ⅹ射线束的强度降低为原来的23.9%,试求这种Ⅹ射 线的波长。 试计算含Wc =0.8%,Wcr =4%,Ww =18%的高速钢对MoK α辐射的质量吸收系数。 17. 欲使钼靶Ⅹ射线管发射的Ⅹ射线能激发放置在光束中的铜样品发射K 系荧光辐射,问 需加的最低的管压值是多少?所发射的荧光辐射波长是多少? 18. 什么厚度的镍滤波片可将Cu K α辐射的强度降低至入射时的70%?如果入射X 射线束 中K α和K β强度之比是5:1,滤波后的强度比是多少?已知μm α=49.03cm 2 /g ,μm β =290cm 2 /g 。 19. 如果Co 的K α、K β辐射的强度比为5:1,当通过涂有15mg /cm 2 的Fe 2O 3滤波片后,强 度比是多少?已知Fe 2O 3的ρ=5.24g /cm 3,铁对CoK α的μm =371cm 2 /g ,氧对CoK β的 μm =15cm 2 /g 。 20. 计算0.071 nm (MoK α)和0.154 nm (CuK α)的Ⅹ射线的振动频率和能量。(答案:4.23

工程材料力学性能课后习题答案

《工程材料力学性能》(第二版)课后答案 第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能 一、解释下列名词 滞弹性:在外加载荷作用下,应变落后于应力现象。 静力韧度:材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。 弹性极限:试样加载后再卸裁,以不出现残留的永久变形为标准,材料 能够完全弹性恢复的最高应力。 比例极限:应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。 包申格效应:指原先经过少量塑性变形,卸载后同向加载,弹性极限 (σP)或屈服强度(σS)增加;反向加载时弹性极限(σP)或屈服 强度(σS)降低的现象。 解理断裂:沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面--解理面,一般是低指数,表面能低的晶面。 解理面:在解理断裂中具有低指数,表面能低的晶体学平面。 韧脆转变:材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象(冲击吸收功明显下降,断裂机理由微孔聚集型转变穿晶断裂,断口特征由纤维状转变为结晶状)。 静力韧度:材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标,是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。 二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学性能? 答案:金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力,而材料的成分和组织对它的影响不大,所以说它是一个对组织不敏感的性能指标,这是弹性模量在性能上的主要特点。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。 三、什么是包申格效应,如何解释,它有什么实际意义? 答案:包申格效应就是指原先经过变形,然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零,这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。

(完整版)材料分析测试技术部分课后答案

材料分析测试技术部分课后答案 太原理工大学材料物理0901 除夕月 1-1 计算0.071nm(MoKα)和0.154nm(CuKα)的X-射线的振动频率和能量。 ν=c/λ=3*108/(0.071*10-9)=4.23*1018S-1 E=hν=6.63*10-34*4.23*1018=2.8*10-15 J ν=c/λ=3*108/(0. 154*10-9)=1.95*1018S-1 E=hν=6.63*10-34*2.8*1018=1.29*10-15 J 1-2 计算当管电压为50kV时,电子在与靶碰撞时的速度与动能以及所发射的连续谱的短波限和光子的最大动能. E=eV=1.602*10-19*50*103=8.01*10-15 J λ=1.24/50=0.0248 nm E=8.01*10-15 J(全部转化为光子的能量) V=(2eV/m)1/2=(2*8.01*10-15/9.1*10-31)1/2=1.32*108m/s 1-3分析下列荧光辐射产生的可能性,为什么? (1)用CuKαX射线激发CuKα荧光辐射; (2)用CuKβX射线激发CuKα荧光辐射;

(3)用CuKαX射线激发CuLα荧光辐射。 答:根据经典原子模型,原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上,在稳定状态下,每个壳层有一定数量的电子,他们有一定的能量。最内层能量最低,向外能量依次增加。 根据能量关系,M、K层之间的能量差大于L、K成之间的能量差,K、L层之间的能量差大于M、L层能量差。由于释放的特征谱线的能量等于壳层间的能量差,所以K?的能量大于Ka 的能量,Ka能量大于La的能量。 因此在不考虑能量损失的情况下: CuKa能激发CuKa荧光辐射;(能量相同) CuK?能激发CuKa荧光辐射;(K?>Ka) CuKa能激发CuLa荧光辐射;(Ka>la) 1-4 以铅为吸收体,利用MoKα、RhKα、AgKαX射线画图,用图解法证明式(1-16)的正确性。(铅对于上述Ⅹ射线的质量吸收系数分别为122.8,84.13,66.14 cm2/g)。再由曲线求出铅对应于管电压为30 kv条件下所发出的最短波长时质量吸收系数。 解:查表得 以铅为吸收体即Z=82 Kαλ3 λ3Z3 μm Mo 0.714 0.364 200698 122.8 Rh 0.615 0.233 128469 84.13 Ag 0.567 0.182 100349 66.14 画以μm为纵坐标,以λ3Z3为横坐标曲线得K≈8.49×10-4,可见下图 铅发射最短波长λ0=1.24×103/V=0.0413nm λ3Z3=38.844×103 μm = 33 cm3/g 1-5. 计算空气对CrKα的质量吸收系数和线吸收系数(假设空气中只有质量分数80%的氮和质量分数20%的氧,空气的密度为1.29×10-3g/cm3)。 解:μm=0.8×27.7+0.2×40.1=22.16+8.02=30.18(cm2/g) μ=μm×ρ=30.18×1.29×10-3=3.89×10-2 cm-1 1-6. 为使CuKα线的强度衰减1/2,需要多厚的Ni滤波片?(Ni的密度为8.90g/cm3)。1-7. CuKα1和CuKα2的强度比在入射时为2:1,利用算得的Ni滤波片之后其比值会有什么变化? 解:设滤波片的厚度为t 根据公式I/ I0=e-Umρt;查表得铁对CuKα的μm=49.3(cm2/g),有:1/2=exp(-μmρt) 即t=-(ln0.5)/ μmρ=0.00158cm 根据公式:μm=Kλ3Z3,CuKα1和CuKα2的波长分别为:0.154051和0.154433nm ,所以μm=K

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