《材料性能學》課后答案要點

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1、《工程材料力學性能》（第二版答案 第一章材料單向靜拉伸載荷下的力學性能 一、解釋下列名詞 滯彈性：在外加載荷作用下，應變落后于應力現(xiàn)象。 靜力韌度：材料在靜拉伸時單位體積材科從變形到斷裂所消耗的功。 彈性極限：試樣加載后再卸裁，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標準，材料能夠完全彈性恢復的最高應力。 比例極限：應力一應變曲線上符合線性關系的最高應力。 包申格效應：指原先經(jīng)過少量塑性變形，卸載后同向加載，彈性極限（op） 或屈服強度（oS）增加；反向加載時彈性極限（oP）或屈服強度（oS） 降低的現(xiàn)象。 解理斷裂：沿一定的晶體學平面產(chǎn)生的快速穿晶斷裂。晶體學平面一一解理面，一般是低指數(shù)

2、，表面能低的晶面。解理面：在解理斷裂中具有低指數(shù)，表面能低的晶體學平面。 韌脆轉(zhuǎn)變：材料力學性能從韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變到脆性狀態(tài)的現(xiàn)象（沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型轉(zhuǎn)變微穿晶斷裂，斷口特征由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀）。 靜力韌度：材料在靜拉伸時單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功叫做靜力韌度。是一個強度與塑性的綜合指標，是表示靜載下材料強度與塑性的最佳配合。 二、金屬的彈性模量主要取決于什么?為什么說它是一個對結(jié)構(gòu)不敏感的力學姓能？ 答案：金屬的彈性模量主要取決于金屬鍵的本性和原子間的結(jié)合力，而材料的成分和組織對它的影響不大，所以說它是一個對組織不敏感的性能指標，這是彈性模量在性能上的主要

3、特點。改變材料的成分和組織會對材料的強度如屈服強度、抗拉強度）有顯著影響，但對材料的剛度影響不大。 三、什么是包辛格效應，如何解釋，它有什么實際意義？ 答案：包辛格效應就是指原先經(jīng)過變形，然后在反向加載時彈性極限或屈服強度降低的現(xiàn)象。特別是彈性極限在反向加載時幾乎下降到零，這說明在反向加載時塑性變形立即開始了。 包辛格效應可以用位錯理論解釋。第一，在原先加載變形時，位錯源在滑移面上產(chǎn)生的位錯遇到障礙，塞積后便產(chǎn)生了背應力，這背應力反作用于位錯源，當背應力取決于塞積時產(chǎn)生的應力集中）足夠大時，可使位錯源停止開動。背應力是一種長程（晶?；蛭诲e胞尺寸范圍）內(nèi)應力，是金屬基體平均內(nèi)應力的度量。因

4、為預變形時位錯運動的方向和背應力的方向相反，而當反向加載時位錯運動的方向與原來的方向相反了，和背應力方向一致，背應力幫助位錯運動，塑性變形容易了，于是，經(jīng)過預變形再反向加載，其屈服強度就降低了。這一般被認為是產(chǎn)生包辛格效應的主要原因。其次，在反向加載時，在滑移面上產(chǎn)生的位錯與預變形的位錯異號，要引起異號位錯消毀，這也會引起材料的軟化，屈服強度的降低。 實際意義：在工程應用上，首先是材料加工成型工藝需要考慮包辛格效應。其次，包辛格效應大的材料，內(nèi)應力較大。另外包辛格效應和材料的疲勞強度也有密切關系，在高周疲勞中，包辛格效應小的疲勞壽命高，而包辛格效應大的，由于疲勞軟化也較嚴重，對高周疲勞壽命不

5、利。 可以從河流花樣的反“河流”方向去尋找裂紋源。 解理斷裂是典型的脆性斷裂的代表，微孔聚集斷裂是典型的塑性斷裂。 5. 影響屈服強度的因素 與以下三個方面相聯(lián)系的因素都會影響到屈服強度 1. 位錯增值和運動 2. 晶粒、晶界、第二相等 3. 外界影響位錯運動的因素 主要從內(nèi)因和外因兩個方面考慮 （一）影響屈服強度的內(nèi)因素 1?金屬本性和晶格類型（結(jié)合鍵、晶體結(jié)構(gòu)） 單晶的屈服強度從理論上說是使位錯開始運動的臨界切應力，其值與位錯運動所受到的阻力（晶格阻力一一派拉力、位錯運動交互作用產(chǎn)生的阻力）決定。 派拉力: 位錯交互作用力 aGb bb

6、（a是與晶體本性、位錯結(jié)構(gòu)分布相關的比例系數(shù)，L是位錯間距。） 2?晶粒大小和亞結(jié)構(gòu) 晶粒小一晶界多（阻礙位錯運動）一位錯塞積一提供應力一位錯開動一產(chǎn)生宏觀塑性變形。 晶粒減小將增加位錯運動阻礙的數(shù)目，減小晶粒內(nèi)位錯塞積群的長度，使屈服強度降低（細晶強化）。 屈服強度與晶粒大小的關系： 霍爾一派奇（Hall-Petch）Os=Oi+kyd-1/2 3?溶質(zhì)元素 加入溶質(zhì)原子一（間隙或置換型）固溶體一（溶質(zhì)原子與溶劑原子半徑不一樣）產(chǎn)生晶格畸變一產(chǎn)生畸變應力場一與位錯應力場交互運動一使位錯受阻一提高屈服強度（固溶強化）。 4?第二相（彌散強化，沉淀強化） 不可變形第二相 提高

7、位錯線張力一繞過第二相一留下位錯環(huán)一兩質(zhì)點間距變小一流變應力增大。 不可變形第二相 位錯切過（產(chǎn)生界面能），使之與機體一起產(chǎn)生變形，提高了屈服強度。 彌散強化： 第二相質(zhì)點彌散分布在基體中起到的強化作用。 沉淀強化： 第二相質(zhì)點經(jīng)過固溶后沉淀析出起到的強化作用。 （二）影響屈服強度的外因素 1. 溫度 一般的規(guī)律是溫度升高，屈服強度降低。 原因：派拉力屬于短程力，對溫度十分敏感。 2. 應變速率 應變速率大，強度增加。O&=C］（￡）m 3?應力狀態(tài) 切應力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強度越低。 缺口效應：試樣中“缺口”的存在，使得試樣的應力狀態(tài)發(fā)生變化，從而

8、影響材料的力學性能的現(xiàn)象。 9. 細晶強化能強化金屬又不降低塑性。 10. 韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)別。為什么脆性斷裂更加危險？ 韌性斷裂：是斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂 特征： 斷裂面一般平行于最大切應力與主應力成45度角。 斷口成纖維狀（塑變中微裂紋擴展和連接），灰暗色（反光能力弱）。 斷口三要素： 纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇這三個區(qū)域的比例關系與材料韌斷性能有關。 塑性好，放射線粗大 塑性差，放射線變細乃至消失。 脆性斷裂：斷裂前基本不發(fā)生塑性變形的，突發(fā)的斷裂。 特征： 斷裂面與正應力垂直，斷口平齊而光滑，呈放射狀或結(jié)晶狀。 注意：脆性斷裂也產(chǎn)生微量塑性變形。

9、 斷面收縮率小于5%為脆性斷裂，大于5%為韌性斷裂。 23.斷裂發(fā)生的必要和充分條件之間的聯(lián)系和區(qū)別。 格雷菲斯裂紋理論是根據(jù)熱力學原理，用能量平衡（彈性能的降低與表面能的增加相平衡）的方法推到出了裂紋失穩(wěn)擴展 的臨界條件。該條件是是斷裂發(fā)生的必要條件，但并不意味著一定會斷裂。 該斷裂判據(jù)為：?/2E、 G=（■）1/2 cKa 0 裂紋擴展的充分條件是其尖端應力要大于等于理論斷裂強度。（是通過力學方法推到的斷裂判據(jù)） 該應力斷裂判據(jù)為:對比這兩個判據(jù)可知： 當p=3a0時，必要條件和充分條件相當 p<3a0時，滿足必要條件就可行（同時也滿足充分條件）0p>3a0時，滿

10、足充分條件就可行（同時也滿足必要條件）25. )1/2 1. 材料成分： r—有效表面能，主要是塑性變形功，與有效滑移系數(shù)目和可動位錯有關 s 具有fee結(jié)構(gòu)的金屬有效滑移系和可動位錯的數(shù)目都比較多，易于塑性變形，不易脆斷。 凡加入合金元素引起滑移系減少、孿生、位錯釘扎的都增加脆性；若合金中形成粗大第二相也使脆性增加。 2. 雜質(zhì)：聚集在晶界上的雜質(zhì)會降低材料的塑性，發(fā)生脆斷。 3. 溫度：O廠-位錯運動摩擦阻力。其值高，材料易于脆斷。 bee金屬具有低溫脆斷現(xiàn)象，因為Oi隨著溫度的減低而急劇增加，同時在低溫下，塑性變形一孿生為主，也易于產(chǎn)生裂紋。故低溫脆性大。 4. 晶粒

11、大小：d值小位錯塞積的數(shù)目少，而且晶界多。故裂紋不易產(chǎn)生，也不易擴展。所以細晶組織有抗脆斷性能。 5. 應力狀態(tài)：減小切應力與正應力比值的應力狀態(tài)都將增加金屬的脆性 6. 加載速度：加載速度大，金屬會發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變。 第二章金屬在其他靜載荷下的力學性能 一、解釋下列名詞： （1）應力狀態(tài)軟性系數(shù)一材料最大切應力與最大正應力的比值，記為a。 （2）缺口效應——缺口材料在靜載荷作用下，缺口截面上的應力狀態(tài)發(fā)生的變化。 （3）缺口敏感度一一金屬材料的缺口敏感性指標，用缺口試樣的抗拉強度與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強度的比值表示。 （4）布氏硬度一一用鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，采用單位面積

12、所承受的試驗力計算而得的硬度。 （5）洛氏硬度一一采用金剛石圓錐體或小淬火鋼球作壓頭，以測量壓痕深度所表示的硬度。 （6）維氏硬度一一以兩相對面夾角為136。的金剛石四棱錐作壓頭，采用單位面積所承受的試驗力計算而得的硬度。 （7）努氏硬度一一采用兩個對面角不等的四棱錐金剛石壓頭，由試驗力除以壓痕投影面積得到的硬度。 （8）肖氏硬度一一采動載荷試驗法，根據(jù)重錘回跳高度表證的金屬硬度。 （9）里氏硬度一一采動載荷試驗法，根據(jù)重錘回跳速度表證的金屬硬度。 二、說明下列力學性能指標的意義 （1）a (2)a 材料的抗壓強度 材料的抗彎強度 be (3)T材料的扭轉(zhuǎn)屈服點 S

13、 (4) T材料的抗扭強度 b (5) O——材料的抗拉強度 bn (6) NSR——材料的缺口敏感度 (7) HBS——壓頭為淬火鋼球的材料的布氏硬度 (8) HBW——壓頭為硬質(zhì)合金球的材料的布氏硬度 (9) HRA——材料的洛氏硬度 (10) HRB——材料的洛氏硬度 (11) HRC——材料的洛氏硬度 (12) HV——材料的維氏硬度 (13) HK——材料的努氏硬度 (14) HS――材料的肖氏硬度 (15) HL――材料的里氏硬度 三、缺口沖擊韌性試驗能評定那些材料的低溫脆性?那些材料不能用此方法檢驗和評定？ 答案：缺口沖擊韌性試驗能評定的材料是低、中

14、強度的體心立方金屬以及Bb,Zn,這些材料的沖擊韌性對溫度是很敏感的。對高強度鋼、鋁合金和鈦合金以及面心立方金屬、陶瓷材料等不能用此方法檢驗和評定。 四、在評定材料的缺口敏感應時，什么情況下宜選用缺口靜拉伸試驗?什么情況下宜選用缺口偏斜拉伸?什么情況下則選用缺口靜彎試驗？ 答案：缺口靜拉伸試驗主要用于比較淬火低中溫回火的各種高強度鋼，各種高強度鋼在屈服強度小于1200MPa時，其缺口強度均隨著材料屈服強度的提高而升高；但在屈服強度超過1200MPa以上時，則表現(xiàn)出不同的特性，有的開始降低，有的還呈上升趨勢。 缺口偏斜拉伸試驗就是在更苛刻的應力狀態(tài)和試驗條件下，來檢驗與對比不同材料或不同工

15、藝所表現(xiàn)出的性能差異。缺口試樣的靜彎試驗則用來評定或比較結(jié)構(gòu)鋼的缺口敏感度和裂紋敏感度。 7. 說明布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度的實驗原理和優(yōu)缺點。 1、氏硬度試驗的基本原理 在直徑D的鋼珠(淬火鋼或硬質(zhì)合金球)上，加一定負荷F,壓入被試金屬的表面，保持規(guī)定時間卸除壓力，根據(jù)金屬表面壓痕的陷凹面積計算出應力值，以此值作為硬度值大小的計量指標。 優(yōu)點： 代表性全面，因為其壓痕面積較大，能反映金屬表面較大體積范圍內(nèi)各組成相綜合平均的性能數(shù)據(jù)，故特別適宜于測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶粒或粗大組成相的金屬材料。 試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定。試驗數(shù)據(jù)從小到大都可以統(tǒng)一起來。 缺點： 鋼球本身變形問

16、題。對HB>450以上的太硬材料，因鋼球變形已很顯著，影響所測數(shù)據(jù)的正確性，因此不能使用。 由于壓痕較大，不宜于某些表面不允許有較大壓痕的成品檢驗，也不宜于薄件試驗。 不同材料需更換壓頭直徑和改變試驗力，壓痕直徑的測量也較麻煩。 2、洛氏硬度的測量原理 洛氏硬度是以壓痕陷凹深度作為計量硬度值的指標。 洛氏硬度試驗的優(yōu)缺點 洛氏硬度試驗避免了布氏硬度試驗所存在的缺點。它的優(yōu)點是： 1) 因有硬質(zhì)、軟質(zhì)兩種壓頭，故適于各種不同硬質(zhì)材料的檢驗，不存在壓頭變形問題； 2) 壓痕小，不傷工件，適用于成品檢驗； 3) 操作迅速，立即得出數(shù)據(jù)，測試效率高。 缺點是：代表性差，用不同硬度級

17、測得的硬度值無法統(tǒng)一起來，無法進行比較。 3、維氏硬度的測定原理 維氏硬度的測定原理和布氏硬度相同，也是根據(jù)單位壓痕陷凹面積上承受的負荷，即應力值作為硬度值的計量指標。 維氏硬度的優(yōu)缺點 1）、不存在布氏那種負荷F和壓頭直徑D的規(guī)定條件的約束，以及壓頭變形問題； 2）、也不存在洛氏那種硬度值無法統(tǒng)一的問題； 3）、它和洛氏一樣可以試驗任何軟硬的材料，并且比洛氏能更好地測試極薄件或薄層）的硬度，壓痕測量的精確度高，硬度值較為精確。 4）、負荷大小可任意選擇。（維氏顯微硬度） 唯一缺點是硬度值需通過測量對角線后才能計算（或查表）出來，因此生產(chǎn)效率沒有洛氏硬度高。 8. 今有如下零

18、件和材料需要測定硬度，試說明選擇何種硬度實驗方法為宜。 （1）滲碳層的硬度分布；（2）淬火鋼；（3）灰鑄鐵；（4）鑒別鋼中的隱晶馬氏體和殘余奧氏體；（5）儀表小黃銅齒輪；（6）龍門刨床導軌；（7）滲氮層；（8）高速鋼刀具；（9）退火態(tài)低碳鋼；（10）硬質(zhì)合金。 （1）滲碳層的硬度分布----HK或-顯微HV （2）淬火鋼-----HRC （3）灰鑄鐵-----HB （4）鑒別鋼中的隱晶馬氏體和殘余奧氏休----顯微HV或者HK （5）儀表小黃銅齒輪-----HV （6）龍門刨床導軌-----HS（肖氏硬度）或HL（里氏硬度） （7）滲氮層-----HV （8）高速鋼刀具---

19、--HRC （9）退火態(tài)低碳鋼-----HB （10）硬質(zhì)合金-----HRA 第三章材料在沖擊載荷下的力學性能 一、解釋下列名詞 （1）沖擊韌度一材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。 （2）沖擊吸收功一一沖擊彎曲試驗中試樣變形和斷裂所消耗的功 （3）低溫脆性一一體心立方晶體金屬及其合金或某些密派六方晶體金屬及其合金在試驗溫度低于某一溫度時，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象。 （4）韌脆轉(zhuǎn)變溫度一一材料呈現(xiàn)低溫脆性的臨界轉(zhuǎn)變溫度。 （5）韌性溫度儲備一一材料使用溫度和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的差值，保證材料的低溫服役行為。 二、說明下列力學性能指標的意義 （1）AK—

20、—材料的沖擊吸收功 AKV（CVN）和AKU——V型缺口和U型缺口試樣測得的沖擊吸收功 （2）FATT50——結(jié)晶區(qū)占整個端口面積50%是的溫度定義的韌脆轉(zhuǎn)變溫度 （3）NDT――以低階能開始上升的溫度定義的韌脆轉(zhuǎn)變溫度 （4）FTE――以低階能和高階能平均值對應的溫度定義的韌脆轉(zhuǎn)變溫度 （5）FTP——高階能對應的溫度 三、J積分的主要優(yōu)點是什么?為什么用這種方法測定低中強度材料的斷裂韌性要比一般的KIC測定方法其試樣尺寸要小很多？ 答案：J積分有一個突出的優(yōu)點就是可以用來測定低中強度材料的KIC。 對平面應變的斷裂韌性KIC,測定時要求裂紋一開始起裂，立即達到全而失穩(wěn)擴展，

21、并要求沿裂紋全長，除試樣兩侗 表面極小地帶外，全部達到平面應變狀態(tài)。而JIC的測定，不一定要求試樣完全滿足平面應變條件，試驗時，只在裂紋前沿中間地段首先起裂，然后有較長的亞臨界穩(wěn)定擴展的過程，這樣只需很小的試驗厚度，即只在中心起裂的部分滿足平面應變要求，而韌帶尺寸范圍可以大而積的屈服，甚至全面屈服。因此?作為試樣的起裂點?仍然是平面應變的斷裂韌度，這時JIC的是材料的性質(zhì)。當試樣裂紋繼續(xù)擴展時，進入平面應力的穩(wěn)定擴展階段，此時的J不再單獨是材料的性質(zhì)，還與試樣尺寸有關。 四、如何提高陶瓷材料的熱沖擊抗力？ 答案：在工程應用中，陶瓷構(gòu)件的失效分析是十分重要的，如果材料的失效，主要是熱震斷裂

22、，例如對高強、微密的精細陶寵，則裂紋的萌生起主導作用，為了防止熱震失效提高熱震斷裂抗力，應當致力于提高材料的強度，并降低它的彈性模量和膨脹系數(shù)。若導致熱震失效的主要因素是熱震損壞，這時裂紋的擴展起主要作用，這時應當設法提高它的斷裂韌性，降低它的強度。 什么是低溫脆性、韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk?產(chǎn)生低溫脆性的原因是什么？體心立方和面心立方金屬的低溫脆性有和差異？為什么？ 答：在試驗溫度低于某一溫度tk時，會由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變未脆性狀態(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型轉(zhuǎn)變微穿晶斷裂，斷口特征由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性。tk稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 低溫脆性的原因： 低溫脆性是材料屈服強度

23、隨溫度降低而急劇增加，而解理斷裂強度隨溫度變化很小的結(jié)果。如圖所示：當溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時，斷裂強度大于屈服強度，材料先屈服再斷裂（表現(xiàn)為塑韌性）；當溫度低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時，斷裂強度小于屈服強度，材料無屈服直接斷裂（表現(xiàn)為脆性）。 心立方和面心立方金屬低溫脆性的差異： 體心立方金屬的低溫脆性比面心立方金屬的低溫脆性顯著。 原因： 這是因為派拉力對其屈服強度的影響占有很大比重，而派拉力是短程力，對溫度很敏感，溫度降低時，派拉力大幅增加，則其強度急劇增加而變脆。 6. 拉伸沖擊彎曲缺口試樣拉伸 第四章金屬的斷裂韌度 一、解釋下列名詞 （1）低應力脆斷：在屈服應力以下發(fā)生的斷裂。

24、 （2）張開型裂紋：拉應力垂直作用于裂紋擴展面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴展。 （3）應力強度因子：表示應力場的強弱程度。 （4）小范圍屈服：塑性尺寸較裂紋尺寸及凈截面尺寸為小，小一個數(shù)量級以上的屈服。 （5）有效屈服應力：發(fā)生屈服時的應力 （6）有效裂紋長度：將原有的裂紋長度與松弛后的塑性區(qū)相合并得到的裂紋長度 （7）裂紋擴展能量釋放率：裂紋擴展單位面積時系統(tǒng)釋放勢能的數(shù)值。 （8）J積分：裂紋尖端區(qū)的應變能，即應力應變集中程度 （9）COD:裂紋尖端沿應力方向張開所得到的位移。 二、疲勞斷口有什么特點？ 答案：有疲勞源。在形成疲勞裂紋之后，裂紋慢速擴展，形成貝殼狀

25、或海灘狀條紋。這種條紋開始時比較密集，以后 間距逐漸增大。由于載荷的間斷或載荷大小的改變，裂紋經(jīng)過多次張開閉合并由于裂紋表面的相互摩擦，形成一條條光亮 的弧線，叫做疲勞裂紋前沿線，這個區(qū)域通常稱為疲勞裂紋擴展區(qū)，而最后斷裂區(qū)則和靜載下帶尖銳缺口試樣的斷口相似。對于塑性材料，斷口為纖維狀，對于脆性材料，則為結(jié)晶狀斷口?？傊粋€典型的疲勞斷口總是由疲勞源，疲勞裂紋擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)三部份構(gòu)成。 三、什么是疲勞裂紋門檻值，哪些因素影響其值的大小？ 答案：把裂紋擴展的每一微小過程看成是裂紋體小區(qū)域的斷裂過程，則設想應力強度因子幅度M=Kmax-Kmin是疲勞裂紋擴展的控制因子，當AK小于

26、某臨界值△Kth時，疲勞裂紋不擴展，所以△Kth叫疲勞裂紋擴展的門檻值。 應力比、顯微組織、環(huán)境及試樣的尺寸等因素對AKth的影響很大。 KI稱為I型裂紋的應力場強度因子，它是衡量裂紋頂端應力場強烈程度的函數(shù)，決定于應力水平、裂紋尺寸和形狀。 塑性區(qū)尺寸較裂紋尺寸a及靜截面尺寸為小時（小一個數(shù)量級以上），即在所謂的小范圍屈服 裂紋的應力場強度因子與其斷裂韌度相比較，若裂紋要失穩(wěn)擴展脆斷，則應有： 應力強度因子K1是描寫裂紋尖端應力場強弱程度的復合力學參量，可將它看作推動裂紋擴展的動力。對于受載的裂紋體，當K1增大到某一臨界值時，裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)應力達到了材料的斷裂強度，裂紋

27、便失穩(wěn)擴展而導致斷裂。這一臨界值便稱為斷裂韌度Kc或Klc。 意義： KC平面應力斷裂韌度（薄板受力狀態(tài)）KIC平面應變斷裂韌度（厚板受力狀態(tài)）16.有一大型板件，材料的o02=12OOMPa,匕=115MPa*ml/2,探傷發(fā)現(xiàn)有20mm長的橫向穿透裂紋，若在平均軸向拉應力 0.2Ic 900MPa下工作，試計算KI及塑性區(qū)寬度R0,并判斷該件是否安全？ 解：由題意知穿透裂紋受到的應力為O=900MPa 根據(jù)o/o0.2的值，確定裂紋斷裂韌度KIC是否休要修正 因為oq.2=900/1200=0.75>0.7,所以裂紋斷裂韌度KIC需要修正 對于無限板的中心穿透裂紋，修正后的

28、KI為： _168.13 K__900J0?01兀 (mG-0?1加2丿2一匸0?177(0?75)2 塑性區(qū)寬度為: 比較￡與KIc: 因為叫=168.13(MPa*m"2) =0.0p441793K(m)=22.21(mm) —I Cs丿 Kic=115（MPa*m1/2） 所以：K1>KIc，裂紋會失穩(wěn)擴展,所以該件不安全。 17.有一軸件平行軸向工作應力150MPa，使用中發(fā)現(xiàn)橫向疲勞脆性正斷，斷口分析表明有25mm深度的表面半橢圓疲勞區(qū),根據(jù)裂紋a/c可以確定申=1，測試材料的％2=720MPa，試估算材料的斷裂韌度KIC為多少？ 解： 因為oq.2=

29、150/720=0.208<0.7,所以裂紋斷裂韌度KIC不需要修正 對于無限板的中心穿透裂紋，修正后的KI為： Kic=Y吩嚴 對于表面半橢圓裂紋，Y=1.1 所以, =46.229(MPa*m"2) K=YOa1/2=11証X150心‘25X10-3 ICcc 第五章材料的疲勞 一、解釋下列名詞 腐蝕疲勞：材料或零件在交變應力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下造成的失效。 應力腐蝕：材料或零件在應力和腐蝕環(huán)境的共同作用下引起的破壞。 氫脆：就是材料在使用前內(nèi)部已含有足夠的氫并導致了脆性破壞。 二、意義 O-1：疲勞強度。對稱循環(huán)應力作用下的彎曲疲勞極限（強度）。（是在循環(huán)應

30、力周次增加到一定臨界值后，材料應力基本不再降低時的應力值；或是應力循環(huán)107周次材料不斷裂所對應的應力值。） o-1p:對稱拉壓疲勞極限。 T-1：對稱扭轉(zhuǎn)疲勞極限。 o-1N；缺口試樣在對稱應力循環(huán)作用下的疲勞極限。 三、如何判斷某一零件的破壞是由應力腐蝕引起的？ 答案：應力腐蝕引起的破壞，常有以下特點： 1、造成應力腐蝕破壞的是靜應力，遠低于材料的屈服強度，而且一舶是拉伸應力。 2、應力腐蝕造成的破壞，是腕性斷裂，沒有明顯的塑性變形。 3、只有在特定的合金成分與特定的介質(zhì)相組合時才會造成應力腐蝕。 4、應力腐蝕的裂紋擴展速率一般在10-9—10-6m/s，有點象疲勞，是漸

31、進緩慢的，這種亞臨界的擴展狀況一直達到某一臨界尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時，就突然發(fā)生斷裂。 5、應力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直于拉力軸。 6、應力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產(chǎn)物，而疲勞斷口的表面，如果是新鮮斷口常常較光滑，有光澤。 7、應力腐蝕的主裂紋擴展時常有分枝。但不要形成絕對化的概念，應力腐蝕裂紋并不總是分技的。 8、應力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是晶間斷裂。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準解理的，其裂紋有似人字形或羽毛狀的標記。 四、如何識別氫脆與應力腐蝕？ 答案：氫脆和應力腐蝕相比，其特點表現(xiàn)在： 1、實驗室中識

32、別氫脆與應力腐蝕的一種辦法是，當施加一小的陽極電流，如使開裂加速，則為應力腐蝕；而當施加一小的陰極電流，使開裂加速者則為氫脆。 2、在強度較低的材料中，或者雖為高強度材料但受力不大，存在的殘余拉應力也較小這時其斷裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此處三向拉應力最大，氫濃集在這里造成斷裂。 3、斷裂的主裂紋沒有分枝的悄況?這和應力腐蝕的裂紋是截然不同的。 4、氦脆斷口上一般沒有腐蝕產(chǎn)物或者其量極微。 5、大多數(shù)的氫脆斷裂（氫化物的氫脆除外），都表現(xiàn)出對溫度和形變速率有強烈的依賴關系。氫脆只在一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，出現(xiàn)氫脆的溫度區(qū)間決定于合金的化學成分和形變速率。 疲勞缺口敏感度

33、： 金屬材料在交變載荷作用下的缺口敏感性用疲勞缺口敏感度qf來評定 qf=(Kf-l)/(kt-l) Kt為理論應力集中系數(shù)，kf為疲勞缺口系數(shù)。kf為光滑試樣與缺口試樣疲勞極限之比kf=o-1/0-IN 過載損傷界；抗疲勞過載損傷的能力用過載損傷界表示。 疲勞門檻值： △Kth是疲勞裂紋不擴展的△K(應力強度因子范圍)臨界值，稱為疲勞裂紋擴展門檻值。表示材料阻止疲勞裂紋開始擴展的性能。 9. 試述疲勞微觀斷口的特征及其形成過程。 微觀形貌有疲勞條帶。 滑移系多的面心立方金屬，其疲勞條帶明顯 滑移系少或組織復雜的金屬，其疲勞條帶短窄而紊亂。 疲勞裂紋擴展的塑性鈍化模型(L

34、aird模型)： 圖中(a),在交變應力為零時裂紋閉合。 圖(b),裂紋張開，在裂紋尖端沿最大切應力方向產(chǎn)生滑移。 圖(c),裂紋張開至最大，塑性變形區(qū)擴大，裂紋尖端張開呈半圓形，裂紋停止擴展。由于塑性變形裂紋尖端的應力集中減小,裂紋停止擴展的過程稱為“塑性鈍化”。 圖(d)，當應力變?yōu)閴嚎s應力時，滑移方向也改變了，裂紋尖端被壓彎成，耳狀”切口。 圖(e)，到壓縮應力為最大值時，裂紋完全閉合，裂紋尖端又由鈍便銳。 13.試述金屬的硬化與軟化現(xiàn)象及產(chǎn)生條件。 金屬材料在恒定應變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應力不斷增加，即為循環(huán)硬化。 金屬材料在恒定應變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周

35、次增加其應力逐漸減小，即為循環(huán)軟化。 金屬材料產(chǎn)生循環(huán)硬化與軟化取決于材料的初始狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特性以及應變幅和溫度等。 循環(huán)硬化和軟化與Ob/Os有關： Ob/Os>1.4，表現(xiàn)為循環(huán)硬化； Ob/Os<1.2，表現(xiàn)為循環(huán)軟化； 1.21硬化。 退火狀態(tài)的塑性材料往往表現(xiàn)為循環(huán)硬化，加工硬化的材料表現(xiàn)為循環(huán)軟化。 循環(huán)硬化和軟化與位錯的運動有關： 退火軟金屬中，位錯產(chǎn)生交互作用，運動阻力增大而硬化。 冷加工后的金屬中，有位錯纏結(jié)，在循環(huán)應力下破壞，阻力

36、變小而軟化。 14.試述低周疲勞的規(guī)律及曼森-柯芬關系。 低周疲勞的應變-壽命曲線如圖5-34，曼森-柯芬等分析了低周疲勞的實驗結(jié)果，提出了低周疲勞壽命的公式： AeAeAeb _L=_e+_p=_f(2N)b+e'(2N)c 請結(jié)合該公式，分析圖5-34的變化規(guī)律，指出氐周疲勞和高周疲勞的什么起主導作用，選材時應分別以什么性能為主? 答：低周疲勞壽命的公式由彈性應變和塑性應變兩部分對應的壽命公式組成，其對應的公式分別為: A8 e ~2~ c' 沽（2Nf）b A8 丁=￡f（2N/c 將以上兩公式兩邊分別取對數(shù)，在對數(shù)坐標上，上兩公式就變成了兩條直線，分別代

37、表彈性應變幅壽命線和塑性應變幅-壽命線。兩條直線斜率不同，其交點對應的壽命稱為過渡壽命。在交點左側(cè)，即低周疲勞范圍內(nèi)，塑性應變幅起主導作用,材料的疲勞壽命由塑性控制；在高周疲勞區(qū)，彈性應變幅起主導作用，材料的疲勞壽命由強度控制。選材時，高周疲勞主要考慮強度，低周疲勞考慮塑性。 第六章金屬的應力腐蝕和氫脆斷裂 一、名詞解釋 1、應力腐蝕：金屬在拉應力和特定的化學介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應力脆斷現(xiàn)象。 2、氫脆：由于氫和應力共同作用而導致的金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象。 3、白點：當鋼中含有過量的氫時，隨著溫度降低氫在鋼中的溶解度減小。如果過飽和的氫未能擴散逸出，便聚集在某

38、些缺陷處而形成氫分子。此時，氫的體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力很大足以將金屬局部撕裂，而形成微裂紋。 4、氫化物致脆：對于IVB或VB族金屬，由于它們與氫有較大的親和力，極易生成脆性氫化物，是金屬脆化，這種現(xiàn)象稱氫化物致脆。 5、氫致延滯斷裂：這種由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致延滯斷裂。 二、說明下列力學性能指標的意義 1、Escc：材料不發(fā)生應力腐蝕的臨界應力。 2、Klscc:應力腐蝕臨界應力場強度因子。 3、da/dt:盈利腐蝕列紋擴展速率。 三、如何提高材料或零件的抗粘著磨損能力？ 答案： 1、注意一對摩擦副的配對。不要用淬硬鋼與軟鋼配對；不要用軟金屬與軟金屬配對

39、。 2、金屬間互溶程度越小，晶體結(jié)構(gòu)不同，原子尺寸差別較大，形成化合物傾向較大的金屬，構(gòu)成摩擦副時粘著磨損就較輕微。 3、通過表面化學熱處理，如滲硫、硫氮共镕、磷化、軟氮化等熱處理工藝，使表面生成一化合物薄膜，或為硫化物，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系數(shù)減小，起到減磨作用也減小粘著磨損。 4、改善潤滑條件。 四、在什么條件下發(fā)生微動磨損?如何減少微動磨損？ 答案：微動磨損通常發(fā)生在一對緊配合的零件，在載荷和一定的振動頻率作用下，較長時間后會產(chǎn)生松動，這種松動只是微米級的相對滑動，而微小的相對滑動導致了接觸金屬間的粘著，隨后是粘看點的剪切，粘著物脫落。在大氣環(huán)境下這些脫落物被氧化成氧化

40、物磨屑，由于兩摩擦表面的緊密配合，磨屑不易排出，這些磨屑起著磨料的作用，加速了微動磨損的過程。滾壓、噴九和表面化學熱處理都可因為表層產(chǎn)生壓應力，能有效地減少微動磨損。 6. 何謂氫致延滯斷裂？為什么高強度鋼的氫致延滯斷裂是在一定的應變速率下和一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)？ 答：高強度鋼中固溶一定量的氫，在低于屈服強度的應力持續(xù)作用下，經(jīng)過一段孕育期后，金屬內(nèi)部形成裂紋，發(fā)生斷裂。----氫致延滯斷裂。 因為氫致延滯斷裂的機理主要是氫固溶于金屬晶格中，產(chǎn)生晶格膨脹畸變，與刃位錯交互作用，氫易遷移到位錯拉應力處，形成氫氣團。 當應變速率較低而溫度較高時，氫氣團能跟得上位錯運動，但滯后位錯一定距離。

41、因此，氣團對位錯起“釘扎”作用，產(chǎn)生局部硬化。當位錯運動受阻，產(chǎn)生位錯塞積，氫氣團易于在塞積處聚集，產(chǎn)生應力集中，導致微裂紋。 若應變速率過高以及溫度低的情況下，氫氣團不能跟上位錯運動，便不能產(chǎn)生，釘扎”作用，也不可能在位錯塞積處聚集，產(chǎn)生應力集中，導致微裂紋。 所以氫致延滯斷裂是在一定的應變速率下和一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的。 第七章 磨損：機件表面相互接觸并產(chǎn)生相對運動，表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸損失、造成表面損傷的現(xiàn)象。 接觸疲勞：兩接觸面做滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應力長期作用下，材料表面因疲勞損傷，導致局部區(qū)域產(chǎn)生小片金屬剝落而使材料損失的現(xiàn)象

42、。 3.粘著磨損產(chǎn)生的條件、機理及其防止措施 -----又稱為咬合磨損，在滑動摩擦條件下，摩擦副相對滑動速度較小，因缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應力超過實際接觸點處屈服強度而產(chǎn)生的一種磨損。 磨損機理： 實際接觸點局部應力引起塑性變形，使兩接觸面的原子產(chǎn)生粘著。 粘著點從軟的一方被剪斷轉(zhuǎn)移到硬的一方金屬表面，隨后脫落形成磨屑 舊的粘著點剪斷后，新的粘著點產(chǎn)生，隨后也被剪斷、轉(zhuǎn)移。如此重復，形成磨損過程。 改善粘著磨損耐磨性的措施 1. 選擇合適的摩擦副配對材料 選擇原則：配對材料的粘著傾向小 互溶性小 表面易形成化合物的材料 金屬與非金屬

43、配對 2. 采用表面化學熱處理改變材料表面狀態(tài) 進行滲硫、磷化、碳氮共滲等在表面形成一層化合物或非金屬層，即避免摩擦副直接接觸又減小摩擦因素。 3. 控制摩擦滑動速度和接觸壓力 減小滑動速度和接觸壓力能有效降低粘著磨損。 4. 其他途徑 改善潤滑條件，降低表面粗糙度，提高氧化膜與機體結(jié)合力都能降低粘著磨損。 影響接觸疲勞壽命的因素？ 內(nèi)因 1. 非金屬夾雜物 脆性非金屬夾雜物對疲勞強度有害 適量的塑性非金屬夾雜物（硫化物）能提高接觸疲勞強度 塑性硫化物隨基體一起塑性變形，當硫化物把脆性夾雜物包住形成共生夾雜物時，可以降低脆性夾雜物的不良影響。 生產(chǎn)上盡可能減少鋼中非金

44、屬夾雜物。 2. 熱處理組織狀態(tài) 接觸疲勞強度主要取決于材料的抗剪切強度，并有一定的韌性相配合。 當馬氏體含碳量在0.4~0.5w%時，接觸疲勞壽命最高。 馬氏體和殘余奧氏體的級別 殘余奧氏體越多，馬氏體針越粗大，越容易產(chǎn)生微裂紋，疲勞強度低。 未溶碳化物和帶狀碳化物越多，接觸疲勞壽命越低。 3. 表面硬度和心部硬度 在一定硬度范圍內(nèi)，接觸疲勞強度隨硬度的升高而增加，但并不保持正比線性關系。 表面形成一層極薄的殘余奧氏體層，因表面產(chǎn)生微量塑性變形和磨損，增加了接觸面積，減小了應力集中，反而增加了接觸疲勞壽命。 滲碳件心部硬度太低，表層硬度梯度過大，易在過渡區(qū)內(nèi)形成裂紋而產(chǎn)生

45、深層剝落。 表面硬化層深度和殘余內(nèi)應力 硬化深度要適中，殘余壓應力有利于提高疲勞壽命。 外因 1. 表面粗糙度 減少加工缺陷，降低表面粗糙度，提高接觸精度，可以有效增加接觸疲勞壽命。 接觸應力低，表面粗糙度對疲勞壽命影響較大 接觸應力高，表面粗糙度對疲勞壽命影響較小 2. 硬度匹配 兩個接觸滾動體的硬度和裝配質(zhì)量等都應匹配適當。 第八章 蠕變：在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。 等強溫度（TE）:晶粒強度與晶界強度相等的溫度。 蠕變極限：在高溫長時間載荷作用下不致產(chǎn)生過量塑性變形的抗力指標。該指標與常溫下的屈服強度相似。持久強度極限：在高溫長時載荷

46、作用下的斷裂強度…持久強度極限。 蠕變極限的兩種表達方式： 1. 在規(guī)定溫度（t）下，使試樣在規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)蠕變速率（）不超過規(guī)定值的最大應力（理）。 a6ooix1o-5=6OMPa表示溫度為600°C，穩(wěn)定蠕變速率為1X10-5%/h的蠕變極限為60MPa。 2. 在規(guī)定溫度⑴下和實驗時間（T）內(nèi)，是試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長率e）不超過規(guī)定的最大值?泣。 a500]/105=100MPa,表示材料在500C,105h后總的生產(chǎn)率位1%的蠕變極限為100MPa。 C 持久強度極限的表達式 在規(guī)定溫度（t）下，達到規(guī)定的持續(xù)時間（T）而不發(fā)生斷裂的最大應力（卩）。 a700

47、1X103=30MPa表示溫度為700C、1000h的持續(xù)強度極限為30MPa。 四、影響金屬高溫力學性能的主要因素 由蠕變斷裂機理可知要降低蠕變速度提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的速度； 要提高斷裂抗力，即提高持久強度，必須抑制晶界的滑動，也就是說要控制晶內(nèi)和晶界的擴散過程。 （一）合金化學成分的影響 耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點高、自擴散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合金。 熔點愈高的金屬自擴散愈慢 層錯能降低易形成擴展位錯 彌散相能強烈阻礙位錯的滑移與攀移 在基體金屬中加入（高熔點、半徑差距大）的鉻、鉬、鎢、鈮等元素形成固溶體 固溶強化 降低層錯能，易形成擴展位錯

48、。 加入能形成彌散相的合金元素 彌散強化阻礙位錯的滑移 加入增加晶界擴散激活能的元素（硼、稀土等） 阻礙晶界滑動 增大晶界裂紋面的表面能 二）冶煉工藝的影響 減少鋼中的夾雜物和某些缺陷 合金定向生長（減少橫向晶界） （三）熱處理工藝的影響 對于珠光體耐熱鋼，一般用正火加回火。 正火溫度較高，促使碳化物較充分而均勻地溶入奧氏體 回火溫度應高于使用溫度100~150°C以上，以提高其在使用溫度下的組織穩(wěn)定性。 對于奧氏體耐熱鋼，一般進行固溶處理和時效 獲得適當?shù)木Я６? 改善強化相的分布狀態(tài) （四）晶粒度的影響 當使用溫度低于等強溫度時，細晶鋼有較高的強度；當使用溫

49、度高于等強溫度時，粗晶鋼有較高的蠕變極限和持久強度極限。 但晶粒太大會降低材料的塑性和韌度 晶粒度要均勻，否則在大小晶粒交界處易產(chǎn)生應力集中而形成裂紋。 （高溫下金屬材料的韌脆變化有和特征？斷裂路徑變化有何變化？結(jié)合等強溫度分析晶粒大小對金屬材料高溫力學性能的影響。） 結(jié)合等強溫度分析晶粒大小對金屬材料高溫力學性能（韌脆變化、斷裂路徑、蠕變極限和持久強度極限）的影響。韌脆變化： 高溫短時加載時，金屬的塑性增加。 高溫長時加載時，塑性降低，缺口敏感度增加，呈現(xiàn)脆斷現(xiàn)象。 斷裂路徑變化： 常溫下的穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐嗔选? 原因：溫度升高時晶粒強度和晶界強度都降低，但晶界強度降低較快。 等強溫度（TE:晶粒強度與晶界強度相等的溫度。