材料的力學性能課后問題詳解

1、第一章1. 解釋下列名詞 滯彈性：金屬材料在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時 間延長產(chǎn)生附加彈性應變的現(xiàn)象稱為滯彈性， 也就是應變落后于應力的現(xiàn)象。 彈性比功：金屬材料吸收彈性變形功的能力，一般用金屬開始塑性變形前單位體 積吸收的最大彈性變形功表示。循環(huán)韌性：金屬材料在交變載荷下吸收不可 逆變形功的能力稱為循環(huán)韌性。包申格效應：金屬材料經(jīng)過預先加載產(chǎn)生少 量塑性變形，卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長應力增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長應力降低的現(xiàn)象。 塑性：金屬材料斷 裂前發(fā)生不可逆永久（塑性）變形 的能力。韌性：指金屬材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。脆性：指金屬材料受力時沒有發(fā)生塑性變形而

2、直接斷裂的能力加工硬化：金屬材料在再結晶溫度以下塑性變形時，由于晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結，使晶粒拉長、破碎和纖維化,使金屬的強度和硬度升高，塑性和韌 性降低的現(xiàn) 象。解理斷裂：解理斷裂是在正應力作用產(chǎn)生的一種穿晶斷裂， 即斷裂面沿一定的晶面 （即解理面）分離。2. 解釋下列力學性能指標的意義彈性模量）；（2） Z p規(guī)定非比例伸長應力）、Z e（彈性極限）、Z s（屈服強度）、10.2 （屈服強度）；（3）Z b（抗拉強度）；（4） n （加工硬化指數(shù)）；（5） S （斷后伸長率）、書（斷 面收縮率）4. 常用的標準試樣有 5倍和10倍，其延伸率分別用 S 5和S 10表示，說 明為什么S

3、 5> S 1。答：對于韌性金屬材料，它的塑性變形量大于均勻塑性變 形量，所以對于它的式樣的 比例，尺寸越短，它的斷后伸長率越大。5. 某汽車彈簧，在未裝滿時已變形到最大位置，卸載后可完全恢復到原來狀態(tài)；另一汽車彈簧，使用一段時間后，發(fā)現(xiàn)彈簧弓形越來越小，即產(chǎn)生了塑性 變形，而且塑性變形量越來越大。試分析這兩種故障的本質(zhì)及改變措施。答：（1）未裝滿載時已變形到最大位置：彈簧彈性極限不夠導致彈性比功小；（ 2） 使用一段時間后，發(fā)現(xiàn)彈簧弓形越來越小，即產(chǎn)生了塑性變形，這是構件材料的 彈性比功不足引起的故障，可以通過熱處理或合金化提高材料的彈性極限 （或屈 服極限），或者更換屈服強度更高的材

4、料。6. 今有45、40Cr、35CrMo鋼和灰鑄鐵幾種材料，應選擇哪種材料作為機 床機身？為什么？ 答：應選擇灰鑄鐵。因為灰鑄鐵循環(huán)韌性大，也是很好的消振材料，所以常用它做機床和動力機器的底座、支架，以達到機器穩(wěn)定運轉的目 的。剛性好不容易變形加工工藝朱造型好易 成型抗壓性好耐磨損好成本低7. 什么是包申格效應？如何解釋？它有什么實際意義？答：（1）金屬材料經(jīng)過預先加載產(chǎn)生少量塑性變形，卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長應力增加； 反向加載，規(guī)定殘余伸長應力降低的現(xiàn)象，稱為包申格效應。（2）理論解釋：首先，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，背應力反作

5、用于位錯源，當背應力足夠大時，可使位錯源停止開動。預變形時位錯運動的方向和背應力方向相反，而當反向加載時位錯運動方向和背應力方向一致，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。 （3）實際意義：在工程應用上，首先, 材料加工成型工藝需要考慮包申格效應。例如，大型精油輸氣管道管線的 UOE 制造工藝：U階段是將原始 板材沖壓彎曲成U形，0階段是將U形板材徑 向壓縮成0形，再進行周邊焊接，最后將管 子內(nèi)徑進行擴展，達到給定大小， 即E階段。按UOE工藝制造的管子，希望材料具有非常小的或者幾乎沒有包 申格效應，以免管子成型后強度的損失。其次，包申格效應大

6、的材料，內(nèi)應力大。例如，鐵素體+馬氏體的雙相鋼對氫脆就比較敏感，而普通低碳鋼或低合金 高強度鋼對氫脆不敏感，這是因為雙相鋼中鐵素體周圍有高密度位錯和內(nèi)應力， 氫原子與長程內(nèi)應力交互作用導致氫脆。包申格效應和材料的疲勞強度也有密切關系。8. 產(chǎn)生頸縮的應力條件是什么？要抑制頸縮的發(fā)生有哪些方法？答：當加工硬化速率等于該處的真應力時就開始頸縮。措施：提高加工硬化指數(shù)。10. 試用位錯理論解釋：粗晶粒不僅屈服強度低，斷裂塑性野地；而細晶粒不僅使材料的屈 服強度提高，斷裂塑性也提高。答：主要是因為晶粒細化之后，與粗晶粒相比，晶粒取向更為均勻，從而避免了過早出現(xiàn)應力集中引起的開裂， 提高了韌性。11.

7、韌性斷口由幾部分組成？其形成過程如何 答：由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切 唇三個區(qū)域組成。第二章1. 解釋下列名詞：應力狀態(tài)軟性系數(shù)：材料最大切應力與最大正應力的比值， 記為a。布氏硬度：用鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，采用單位面積所承受的試驗力計算而得的硬度。洛氏硬度：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。維氏硬度：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。努氏硬度：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。肖 氏硬度：采動載荷試驗法，根據(jù)重錘回跳高度表證的金屬硬度。缺口效應：缺口材料在靜載荷作用下

8、，缺口截面上的應力狀態(tài)發(fā)生的變化。缺口敏感度：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。2說明下列性能指標的意義：Z bc（材料的抗壓強度）；（2） Z bb（材料的抗彎強度）;（3） n s（材料的扭轉屈服點）；（4） n s（抗扭強度）；（5）n P（扭轉比例極限）;（6）Zbn（抗拉強度）;（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）；HRB （材料的洛氏硬度）；HRC（材料的洛氏硬度）；（10） HV （材料 的維氏硬度）；（11） HK （材料

9、的努氏硬度）；（12 ） HS （材料的肖氏硬度）；（13） K （理論 應力集中 系數(shù)）；（14） NSR （缺口敏感度）3今有如下零件和材料等需測定硬度，試說明選用何種硬度試驗方法為宜：（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體-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-HRC （9）退火態(tài)低碳鋼-HB （10） 硬質(zhì)合金-HRA4說明幾何強化現(xiàn)象的成因，并說明其本質(zhì)與形變強化有何不同。6. 試綜合比較單向拉伸、

10、壓縮、彎曲及扭轉試驗的特點和應用范圍。拉伸：特點：溫度、應力狀態(tài)和加載速率確定，采用光滑圓柱試樣，試驗簡單，應力狀態(tài)軟性系數(shù)較硬。 應用范圍：塑性變形抗力和切斷強度較低的塑性材料。壓縮：特點：應力狀態(tài)軟，一般都能產(chǎn)生塑性變形， 試樣常沿與軸線呈 45。方向產(chǎn)生斷裂，具有切斷特征。應用范圍： 脆性材料，以觀察脆性材料在韌性狀態(tài)下所表現(xiàn)的力學行為。彎曲：特點：彎曲試樣形狀簡單，操作方便；不存在拉伸試驗時試樣軸線與力偏斜問題，沒有附加應 力影響試驗結果，可用試樣彎曲撓度顯示材料的塑性；彎曲試樣表面應力最大，可靈敏地反映材料表面缺陷。 應用范圍：測定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質(zhì)合金等脆性與低塑性材料的

11、強度和顯示塑性的差別。也常用于比較和鑒別滲碳和表面淬火等化學熱處理機件的質(zhì)量和性能。扭轉：特點:應力狀態(tài)軟性系數(shù)為 0.8，比拉伸時大，易于顯示金屬的塑性行為；試樣在整個長度上的塑 性變形時均勻，沒有緊縮現(xiàn)象，能實現(xiàn)大塑性變形量下的試驗；較能敏感地反映出金屬表面缺陷和及表面硬化層的性能；試樣所承受的最大正應力與最大切應力大體相等。應用范圍：用來研究金屬在熱加工條件下的流變性能和斷裂性能，評定材料的熱壓力加工型，并未確定生產(chǎn)條件下的熱加工工藝參數(shù)提供依據(jù)；研究或檢驗熱處理工件的表面質(zhì)量和各種表面強化工藝的效果。7、AVV*第二早1.缺口會引起哪些力學響應？答：材料截面上缺口的存在，使得在缺口的根

12、部產(chǎn)生應力集中、雙向或三向應力、應力集中 和應變集中，并試樣的屈服強度升高，塑性降低。2. 比較平面應力和平面應變的概念。答：平面應力：只在平面內(nèi)有應力，與該面垂直方向的應力可忽略，例如薄板拉壓問題。平面應變：只在平面內(nèi)有應變，與該面垂直方向的應變可忽略，例如水壩側向水壓問題。具體說來：平面應力是指所有的應力都在一個平面內(nèi)，如果平面是 OXY平面，那么只有正應力Zx, Zy,剪應力nxy（它們都在一個平面內(nèi)），沒有Zz, nyz, nzx。平面應變是指所有的 應變都在一個平面內(nèi)，同樣如果平面是 OXY 平面，則只有正應變 £ X £ y和剪應變Yxy,而沒有S, Yyz,

13、Yzx。3. 如何評定材料的缺口敏感性：答：材料的缺口敏感性，可通過缺口靜拉伸、偏斜拉伸、靜彎曲、沖擊等方法加以評定。簡述根據(jù)韌脆轉變溫度分析機件脆斷失效的優(yōu)缺點。缺點：脆性斷裂一般斷裂時間較短，突發(fā)性的斷裂，因此在使用時一旦超過屈服強度就會很快斷裂 優(yōu)點：脆性斷裂在常溫下表現(xiàn)為脆性，因此材料的變形隨溫度降低時變化不大，這樣在交變溫度的使用環(huán)境下，就不需要考慮材料的冷脆溫度7. 何謂低溫脆性？哪些材料易表現(xiàn)出低溫脆性？工程上，有哪些方法評定材料低溫脆性？ 答：在低溫下，材料由韌性狀態(tài)轉變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象稱為低溫脆性。只 有以體心立方金屬 為基的冷脆金屬才具有明顯的低溫脆性，如中低強度鋼和鋅等。

14、而面心立方金屬，如鋁等，沒有明顯的低溫脆性。工程上常采用低溫脆性通常用脆性轉變溫度，能量準則，斷口形貌準 貝V，斷口變形特征準則評定。8. 說明為什么焊接船只比鉚接船只易發(fā)生脆性破壞？答：焊接容易在焊縫處形成粗大金相組織氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、錯邊、咬邊等缺陷，增加裂紋敏感度，增加材料的脆性，容易發(fā)生脆性斷裂。10.細化晶粒尺寸可以降低脆性轉變溫度或者說改善材料低溫韌性，為什 么？答：晶界是裂紋擴展的阻力；晶界增多有利于降低應力集中，降低晶界上雜質(zhì)度，避 免產(chǎn)生沿晶界脆性斷裂。所以可以提高材料的韌性。第四章1.解釋下列名詞：（1）低應力脆斷：高強度、超高強度鋼的機件，中低強度鋼的大型、重型

15、機件在屈服應力以下發(fā)生的斷裂；（2）I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，沿裂紋面擴展的裂紋。（3）應力強度因子 KI :在裂紋尖端區(qū)域各點的應力分量除了決定于位置外，尚與強度因子有關，對于某一確定的點，其應力分量由確定，越大，則應力場各點應力分量也越大，這樣就可以表示應力場的強弱程度，稱為應力場強度因子?！?I表示I型裂紋。（4）裂紋擴展 K判據(jù)：裂紋在受力時只要滿足，就會發(fā)生脆性斷裂反之，即使存在裂紋，若也不會斷裂。（5）裂紋擴展 G判據(jù)：GI>=GIC，當GI滿足上述條件時裂紋失穩(wěn)擴展斷裂。（6） J積分：有兩種定義或表達式：一是線積分：二是形變功率差。P14

16、9 （7 ）裂紋擴展J判據(jù)：只要滿足 J>=Jic，裂紋（或構件）就會斷裂。 （8） COD :裂紋張開位移。（9） COD判據(jù)：當滿足，裂紋開始擴展。2、說明下列斷裂韌度指標的意義及其相互關系Kc 和 Kc答：臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的 K 記作K c或Kc，K c為平面應變下的斷裂韌度，表示在平面應 變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。 Kc為平面應力斷裂韌度，表示在平面應力條件下 材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。它們都是型裂紋的材料裂紋韌性指標，但 Kc值與試樣厚度有關。當試樣厚 度增加，使裂紋尖端達到平面應變狀態(tài)時， 斷裂韌度趨于一穩(wěn)定的最低值，即為 Kc,它與試樣厚度無關，而是真正的材料常數(shù)

17、。Gc 答：當G 增加到某一臨界值時，G 1能克服裂紋失穩(wěn)擴展的阻力，則裂紋失穩(wěn)擴展 斷裂。將G ：的臨界值記作 Gc，稱斷裂韌度，表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴展時單位面積所消 耗的能量，其單位與 G 相同，MPa mJ IC：是材料的斷裂韌度，表示材料抵抗裂紋開始擴展的能力， 其單位與GIC 相同。c :是材料的斷裂韌度，表示材料阻止裂紋開始擴展的能力.J判據(jù)和判據(jù)一樣都是裂紋開始擴展的裂紋判據(jù)，而不是裂紋失穩(wěn)擴展的 裂紋判據(jù)。4、試述低應力脆斷的原因及防止方法。答：低應力脆斷的原因：在材料的生產(chǎn)、機件的加工和使用過程中產(chǎn)生不可避免的宏觀裂 紋，從而使機件在低于屈服應力的情況發(fā)生斷裂。預防措施：將

18、斷裂判據(jù)用于機件的設計上,在給定裂紋尺寸的情況下， 確定機件允許的最大工作應力，或者當機件的工作應力確定后，根據(jù)斷裂判據(jù)確定機件不發(fā)生脆性斷裂時所允許的最大裂紋尺寸。5、試述應力場強度因子的意義及典型裂紋 K的表達式答：P121幾種裂紋的 K表達式，無限大板穿透裂紋：. a ;有限寬板穿透裂紋:K -二a f (-a)；有限寬板單邊直裂紋：K - - ；二a f (旦)當 b _ a 時，K =1.2?.二a ；bb受彎單邊裂紋梁：6M/ a、K3/2 f();無限大物體內(nèi)部有橢圓片裂紋，遠處受均勻拉伸:(b-a)bKa(s in2無限大物體表面有半橢圓裂紋，遠處均受拉伸:冷 cos2 J/4

19、 ；c1.1匚、二 a6、試述K判據(jù)的意義及用途答：K判據(jù)解決了經(jīng)典的強度理論不能解決存在宏觀裂紋為什么會產(chǎn)生低應力脆斷的原因。K判據(jù)將材料斷裂韌度同機件的工作應力及裂紋尺寸的關系定量地聯(lián)系起來，可直接用于設計計算，估算裂紋體的最大承載能力、允許的裂紋最大尺寸，以及用于正確選擇機件材料、 優(yōu)化工藝等。11 COD的意乂：表示裂紋張開位移。表達式4 nsec(M)。 E2匚 s13試述KIC與材料強度 塑形之間的關系 總的來說，斷裂韌度隨韌度隨強度的升高而降低QC19.若一薄板內(nèi)有一條長3mm的裂紋，且 a0=3 x 10-8mm，試求脆性斷裂時斷裂應力(T c(設 d m=E/10=2 x 1

20、05MPa )。解：由公式 d m/ d c=(a/a0)1/2 , a為d c對應的裂紋半長度，即a=1.5mm, d c=28.2845MPa注：參考，原題可能有誤。1/221.有一大型板件，材料的 d 0.2=1200MPa , Klc=115MPa*m ，探傷發(fā)現(xiàn) 20mm長的橫向 穿透裂紋，若在平均軸向拉應力 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d =900MPa根據(jù)d/d 0.2的值，確定裂紋斷裂韌度KIC是否休要修正因為d / d 0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂紋斷裂韌度KIC需要修正

21、900.0.01 二對于無限板的中心穿透裂紋，修正后的KI為：Ki=：168.13-0.177(二/；亠)2 =1 -0.177( 0.75)2Ro =0.004417937(m)= 2.21(mm)(MPa*m 1/2)塑性區(qū)寬度為：比較K1與Klc : 因為 K仁 168.13 ( MPa*m1/2 )Klc=115 (MPa*m1/2 )所以：KI>KIc ，裂紋會失穩(wěn)擴展，所以該件不安全。注：書上原題為：有一大型板件，材料的R°.2=1200Mpa，22.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)

22、裂紋a/c可以確定$ =1,測試材料的<r 0.2=720MPa試估算材料的斷裂韌度KIC為多少？解： 因為d / d 0.2=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 d cac1/2對于表面半橢圓裂紋，丫=1.1 二/$ =1.1 '二所以，KIC=Y d cac1/2=1.1 i 二 1502510 " =46.229 (MPa*m1/2 )注：書上原題為：測試材料的Ro.2=72OMPa。23.有一構件制造時，出現(xiàn)表面半橢圓裂紋，若a= 1mm,在工作應力d =1000MPa

23、下工作，應該 選什么材料的d 0.2與KIC配合比較合適？構件材料經(jīng)不同熱處理后，其d 0.2和KIC的變化 歹U于下表.d 0.2/MPa11001200130014001500KIC/MPa -m1/211095756055解：1000/0-71429,即材料的屈服強度在1429MPa以下時 需要修正表面半橢圓裂紋(平面應變：r-K = =1石(題中沒給出，假設為I)6=61.6(不修正時)1 Aa «61.6'- D.2I2(<t- 0.212(1000 /tr j2(題中沒給出，假設為1,修正時)從題中可知，只有ISOOMPa時不需要修正，但 是此時K=6_L6

24、值大于Kic=55，材料不可用其它都需要修正：o() 2=1100 時代入可 f#KF67.8<110%2=1200 時代入可得 K1=66.7<956尸1300時代入可得Kl=65.8<75oQ2=1400時代入可得K二652>60因為只要保證材料能夠使用時，材料的屈服強 度高點好，所以最合適的為2=1300MPa, KIC=75 時的狀態(tài)第五章金屬的疲勞i.名詞解釋；1、疲勞失效：疲勞失效是一種材料在遠低于正常強度情況下的往復交替和周期循環(huán)應力下， 產(chǎn)生逐漸擴展的脆性裂紋，導致最終斷裂的傾向。2、疲勞極限：材料在受到隨時間而交替變化的荷載作用時，所產(chǎn)生的應力也會隨時

25、間作用交替變化，這種交變應力 超過某一極限強度 而且長期反復作用即會導致材料的破壞，這個極限稱為材料的疲勞極限。3、應力幅 d a:d a=1/2( max- min)4、平均應力 d m: d m=1/2( d max+ d min)5、應力比 r:r= d min/ d max6、應力范圍？ d :7、應變范圍？£ :8、應變幅(?£ t/2,?£ e/2,? £ p/2):9、疲勞源：是疲勞裂紋萌生的策源地，一般在機件表面常和缺口，裂紋，刀痕，蝕坑相連。10、 疲勞貝紋線：是疲勞區(qū)的最大特征，一般認為它是由載荷變動引起的，是裂紋前沿線留下的弧狀臺階

26、痕跡。11、疲勞條帶：疲勞裂紋擴展的第二階段的斷口特征是具有略程彎曲并相互平行的溝槽花樣， 稱為疲勞條帶(疲勞輝紋，疲勞條紋)12、 駐留滑移帶：用電解拋光的方法很難將已產(chǎn)生的表面循環(huán)滑移帶去除，當對式樣重新循 環(huán)加載時，則循環(huán)滑移帶又會在原處再現(xiàn)，這種永留或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶稱為駐留滑移帶。13、擠出脊和侵入溝：在拉應力作用下，位錯源被激活，使其增殖的位錯滑移到表面，形成 滑移臺階，應力不斷循環(huán)，多個位錯源引起交互滑移，形成“擠出”和“侵入”的臺階14、 K:材料的疲勞裂紋擴展速率不僅與應力水平有關，而且與當時的裂紋尺寸有關。 K是由應力范圍 d和a復合為應力強度因子范圍， K=Kmax-Km

27、in=Y d maxVa-Y d min V a=Y d V a15、da/dN:疲勞裂紋擴展速率，即每循環(huán)一次裂紋擴展的距離。16、疲勞壽命：試樣在交變循環(huán)應力或應變作用下直至發(fā)生破壞前所經(jīng)受應力或應變的循環(huán)次數(shù)17、熱疲勞：機件在由溫度循環(huán)變化時產(chǎn)生的循環(huán)熱應力及熱應變作用下的疲勞。18、 過載損傷：金屬在高于疲勞極限的應力水平下運轉一定周次后，其疲勞極限或疲勞壽命 減小，就造成了過載損傷。19、 銀紋：銀紋現(xiàn)象是聚合物在張應力作用下，于材料某些薄弱部位出現(xiàn)應力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變和取向，以至在材料表面或內(nèi)部垂直于應力方向上出現(xiàn)長度為100m、寬度為10ym左右、厚度為1 ym的微細凹

28、槽或 裂紋”的現(xiàn)象。20、靜態(tài)疲勞：在持續(xù)載荷作用下，發(fā)生應力斷裂破壞的統(tǒng)計平均最小時間。21、循環(huán)疲勞：2. 揭示下列疲勞性能指標的意義疲勞強度 d -1 , d -p, t -1,b -1N, ?Kthd -1：對稱應力循環(huán)作用下的彎曲疲勞極限；d -p:對稱拉壓疲勞極限；T -1：對稱扭轉疲勞極限；d -1N:缺口試樣在對稱應力循環(huán)作用下的疲勞極限。qf :疲勞缺口敏感度：Qf=(Kf-1)/ ( kt-1)其中Kt為理論應力集中系數(shù)且大于一，Kf為疲勞缺口系數(shù)。 Kf=( d -1)/( d -1N)?Kth :疲勞門檻值：在疲勞裂紋擴展速率曲線的I區(qū)，當 K< A Kth時，d

29、a/aN=0,表示裂紋不擴展；只有當A K> A Kth時，da/dN>0,疲勞裂紋才開始擴展。因此， A Kth是疲勞裂紋不 擴展的A K臨界值，稱為疲勞裂紋擴展門檻值。3. 試述金屬疲勞斷裂的特點(1) 疲勞是低應力循環(huán)延時斷裂，機具有壽命的斷裂(2 )疲勞是脆性斷裂(3)疲勞對缺陷(缺口，裂紋及組織缺陷)十分敏感4. 試述疲勞宏觀斷口的特征及其形成過程答：典型疲勞斷口具有三個形貌不同的區(qū)域一疲勞源、疲勞區(qū)及瞬斷區(qū)。(1) 疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地，疲勞源區(qū)的光亮度最大，因為這里在整個裂紋亞穩(wěn) 擴展過程中斷面不斷摩擦擠壓，故顯示光亮平滑，另疲勞源的貝紋線細小。(2) 疲勞區(qū)

30、的疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展所形成的斷口區(qū)域，是判斷疲勞斷裂的重要特征證據(jù)。特征是：斷口比較光滑并分布有貝紋線。 斷口光滑是疲勞源區(qū)域的延續(xù)， 但其程度隨裂紋向前 擴展逐漸減弱。貝紋線是由載荷變動引起的， 如機器運轉時的開動與停歇， 偶然過載引起的 載荷變動，使裂紋前沿線留下了弧狀臺階痕跡。(3) 瞬斷區(qū)是裂紋最后失穩(wěn)快速擴展所形成的斷口區(qū)域。其斷口比疲勞區(qū)粗糙，脆性材料 為結晶狀斷口，韌性材料為纖維狀斷口。5. 試述疲勞曲線(S-N )及疲勞極限的測試方法升降法測試疲勞極限； 取略高于疲勞極限的 5級應力水平，從最高應力水平測試， 當試樣通 過時，增加一級應力水平，不通過時降低一級應力水平，出現(xiàn)至少1

31、3個有效試樣時求的材料的疲勞極限成組法測試高應力部分；去4級較高應力水平，在每級應力水平下測試5個試樣，得到每個應力水平的N值，兩種結構整理并擬合成S-N曲線6. 試述疲勞圖的意義、建立及用途。定義：疲勞圖是各種循環(huán)疲勞極限的集合圖/也是疲勞曲線的另一種表達形式。意義：很多機件或構件是在不對稱循環(huán)載荷下工作的，因此還需知道材料的不對稱循環(huán)疲勞極限，以適應這類機件的設計和選材的需要。通常是用工程作圖法，由疲勞圖求得各種不對稱循環(huán)的疲勞極限。1、；a -；m疲勞圖建立：這種圖的縱坐標以 匚a表示，橫坐標以匚m表示。然后，以不同應力比r條件下將匚max表示的疲勞極限 6分解為二a和二m，并在該坐標系

32、中作 ABC曲線，即為二a-；m疲勞圖。1其幾何關系為： ("J max-'mintan Jrm+p.)"r2（用途）：我們知道應力比r,將其代入試中，即可求得tan和：，而后從坐標原點 0引直線，令其與橫坐標的夾角等于值，該直線與曲線ABC相交的交點B便是所求的點，其縱、橫坐標之和，即為相應r的疲勞極限r(nóng)rB，.- rB - ；aB :mB。2、二max（二 min）7m 疲勞圖建立：這種圖的縱坐標以 二max或匚min表示，橫坐標以 6表示。然后將不同應力比r下的疲勞極限，分別以 二max （二min）和二m表示于上述坐標系中，就形成這種疲勞圖。幾何關系為：ta

33、n -二 max2 二 max二 max- min（用途）：我們只要知道應力比 r,就可代入上試求得tan和：，而后從坐標原點 0引一直 線0H，令其與橫坐標的夾角等于 ：，該直線與曲線 AHC相交的交點H的縱坐標即為疲勞 極限。7. 試述疲勞裂紋的形成機理及阻止疲勞裂紋萌生的一般方法。答:宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋的形成、長大及連接而成的。疲勞微觀裂紋都是由不均勻的 局部滑移和顯微開裂引起的，主要有表面滑移開裂，第二相、夾夾雜物或其界面開裂；晶界或亞晶界開裂等。阻止疲勞裂紋萌生方法有：細晶強化、固溶強化，降低第二相和夾雜物的脆性，提高相界面強度，控制第二相或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布，使晶

34、界強化，凈 化均能抑制晶界裂紋形成，提高疲勞強度8試述影響疲勞裂紋擴展速率的主要因素。答：1、應力比r (或平均應力；m)的影響:Forman提出dac(K)n而二(仁 r)Kc _ ：Kda殘余壓應力因會減小r,使降低和.-：Kth升高，對疲勞壽命有利；而殘余拉應力因會增大r，dNda使 升高和. -：Kth降低，對疲勞壽命不利。dN2、過載峰的影響：偶然過載進入過載損傷區(qū)內(nèi)，使材料受到損傷并降低疲勞壽命。但若過 載適當，有時反而是有益的。3、材料組織的影響：da 晶粒大小：晶粒越粗大，其."：Kth值越高，越低，對疲勞壽命越有利。dN 組織：鋼的含碳量越低，鐵素體含量越多時，其A

35、Kth值就越高。當鋼的淬火組織中存在da一定量的殘余奧氏體和貝氏體等韌性組織時，可以提高鋼的.-：Kth，降低 竺。噴丸處理：dN噴丸強化也能提高.-：Kth。9 試述疲勞微觀斷口的主要特征。答：斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱疲勞條帶(疲勞條紋、疲勞輝紋)。疲勞條帶是疲勞斷口最典型的微觀特征。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(Laird模型):圖中(a),在交變應力為零時裂紋閉合。圖(b)，受拉應力時，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

36、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，裂紋尖端又由鈍變銳，形成一對尖角。10. 試述疲勞裂紋擴展壽命和剩余壽命的估算方法及步驟。答：通過疲勞裂紋擴展速率表達式，用積分方法算出疲勞裂紋擴展壽命和疲勞剩余壽命；具體步驟如下：計算 KI，再計算裂紋臨界尺寸 ac,最后根據(jù)有關公式估算疲勞壽命11、試述金屬表面強化對疲勞強度的影響。答：表面強化處理可在機件表面產(chǎn)生有利的殘余壓應力，同時還能提高機件表面的強度和硬度。

37、這兩方面的作用都能提高疲勞強度。表面強化方法，通常有表面噴丸、滾壓、表面淬火及表面化學熱處理等。（1）表面噴丸及滾壓噴丸是用壓縮空氣將堅硬的小彈丸高速噴打向機件表面，使機件表面產(chǎn)生局部形變硬化；同時因塑變層周圍的彈性約束，又在塑變層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應力。表面滾壓和噴丸的作用相似，只是其壓應力層深度較大，很適于大工件；而且表面粗糙 度低，強化效果更好。（2）表面熱處理及化學熱處理他們除能使機件獲得表硬心韌的綜合力學性能外，還可以利用表面組織相變及組織應力、熱應力變化，使機件表面層獲得高強度和殘余壓應力，更有效地提高機件疲勞強度和疲勞壽命。12. 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

38、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)、結構特性以及應變幅和溫度等。循環(huán)硬化和軟化與（T b / （T s有關：（T b / （T s>1.4，表現(xiàn)為循環(huán)硬化；d b / t s<1.2,表現(xiàn)為循環(huán)軟化；1.2< t b / t s<1.4,材料比較穩(wěn)定，無明顯循環(huán)硬化和軟化 現(xiàn)象。也可用應變硬化指數(shù)n來判斷循環(huán)應變對材料的影響，n<1軟化，n>1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

39、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，在循環(huán)應力下破壞，阻力變小而軟化。19.20題：兩幅圖都行血正火45鋼的ab：610MPa. a4=300MPa.試用Goodman 式繪制Qmax（唏丿疲勞圖，并確定工05, %4另等疲勞極' 限。1-max2Bun(l-C + Tl+F)%=用>y弘lb品二廠=rS4022MPa*848MP 迄3436MP 辺由 Goodman 公式 j_ 2CT1+尸= 6 1-r = C.5Ttan = 4 t = 343.66 r = OTtan <X =

40、 2 t = 402 2r =Q 5ttana= =484 7721.有板件在脈動載荷下工作，（T max=200MPa, （T min=O,該材料的（T b=670MPa,d o.2=6OOMPa, Klc=104MPa m1/2, Paris 公式中，C=6.9 x 10-12,n=3.0，使用中發(fā)現(xiàn)有0.1mm和1mm兩處橫向穿透裂紋，請估算板件的疲勞剩余壽命？ （2.69 x 105循環(huán)周次）解：只需要計算1mm裂紋就可以_ 200600=0.333 < 0.7;r 104? 1<200)3J4蟲=6.9xl0_l2(AK)3= &9xl(T%(200-0)Vr帀葛

41、 F dNcr da0.086= 3.256x10s |J da dN Jo00053.071xl0_4£jJo.0005L0 8 6；a da= -6.512xloV 005600005 = 6-512xl°31170.0005Vo.086= 2,69x10、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、腐蝕疲勞：當金屬受到酸堿的腐蝕，一些部位的應力就比其他部位高得多，加速裂縫的 形成，這叫腐蝕疲勞”。4、氫蝕：氫

42、蝕指的是在高溫高壓環(huán)境下，氫進入金屬內(nèi)與一種組分或元素產(chǎn)生化學反應使 金屬破壞。5、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。6、氫化物致脆：對于W B或V B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。7、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、d see:材料不發(fā)生應力腐蝕的臨界應力。2、KIsee :應力腐蝕臨界應力場強度因子

43、。3、Kihec :4、da/dt :盈利腐蝕列紋擴展速率。4.如何識別氫脆與應力腐蝕？答：氫脆和應力腐蝕相比，其特點表現(xiàn)在：1實驗室中識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、氫脆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

44、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。5 為什么高強度材料容易產(chǎn)生應力腐蝕和氫脆？氫脆和應力腐蝕的形成， 都有一個必要條件， 就是應力。從氫致斷裂的形成機理來說，都是在外應力的作用下，滲入基材內(nèi)的氫原子，在應力梯度作用下，向應力集中的位置偏聚集， 形成微裂紋，當微裂紋繼續(xù)擴展，原本具有韌性的材料就會發(fā)生脆性斷裂。氫脆和應力腐蝕斷裂的機理相同，只是氫的來源不同。之所以是高強度的材料，一個重要的原因就是應為它們在工作中，需要承受較大的應力。6、 分析應力腐蝕裂紋擴展速率da/dt與K1關系曲線，并與疲勞裂紋擴展速率曲線進行

45、比較圖516錢勞裂紋擴履連率曲線前者的第一和第三階段的速率隨K的變化非常快，后者相對較慢。第二階段前者幾乎是平行的，后者比較平穩(wěn)但是速率還是會隨著k的變法而變化8. 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。因此,氣團對位錯起“

46、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。試述區(qū)別高強度鋼的應力腐蝕與氫致延滯斷裂的方法應力腐蝕斷裂具有腐蝕產(chǎn)物和氧化現(xiàn)象，故常呈黑色和灰黑色。 并且常有分叉現(xiàn)象， 呈枯樹枝狀。氫致延滯斷裂沒有這些現(xiàn)象。第七章金屬的磨損與耐磨性1、名詞解釋1等強溫度（TE）:晶粒強度與晶界強度相等的溫度。2、約比溫度：T/Tm, T為實驗溫度，Tm為金屬熔點，都用熱力學溫度表示。3、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。4、 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。5、持久塑性：持久塑性是指材料在一定溫度及恒定試驗力作用下的塑性變形。用蠕變斷裂后試樣的延伸率和斷面收縮率表示。6、蠕變脆性：由于蠕變而導致材料塑性降低以及在蠕變過程中發(fā)生的低應力蠕變斷裂的現(xiàn) 象。7、應力松弛：是在總應變