《材料力學性能》課后思考題答案

第一章單向靜拉伸力學性能

一、解釋下列名詞。

1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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.解理刻面：這種大致以晶粒大小為單位的解理面稱為解理刻面。

6.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。

7.解理臺階：當解理裂紋與螺型位錯相遇時，便形成一個高度為b的臺階。

8.河流花樣：解理臺階沿裂紋前端滑動而相互匯合，同號臺階相互匯合長大，當匯合臺階

高度足夠大時，便成為河流花樣。是解理臺階的一種標志。

9.解理面：是金屬材料在一定條件下，當外加正應力達到一定數(shù)值后，以極快速率沿一

定晶體學平面產(chǎn)生的穿晶斷裂，因與大理石斷裂類似，故稱此種晶體學平面為解理面。

10.穿晶斷裂：穿晶斷裂的裂紋穿過晶內(nèi)，可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂。

沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴展，多數(shù)是脆性斷裂。

11.韌脆轉(zhuǎn)變：具有一定韌性的金屬材料當?shù)陀谀骋粶囟赛c時，沖擊吸收功明顯下降，斷

裂方式由原來的韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔?，這種現(xiàn)象稱為韌脆轉(zhuǎn)變

12.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。

13.比例極限：應力一應變曲線上符合線性關(guān)系的最高應力。

14.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)、表面能低的晶面。

15.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。

16.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。

17.約比溫度：材料的試驗溫度與熔點的比值。高于這個溫度的環(huán)境，材料的性能會隨溫

度和時間而變化。

18、松弛穩(wěn)定性：金屬抵抗應力松弛的性能?？赏ㄟ^應力松弛實驗測定的應力松弛曲線

來評定。

19、低周疲勞：金屬材料在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為1O2/O5次的疲勞斷裂為低周疲

勞。

二、說明下列力學性能指標的意義。

答：E彈性模量；G切變模量；巴規(guī)定殘余伸長應力；氣.2屈服強度；勿金屬材料拉

伸時最大應力下的總伸長率；n應變硬化指數(shù)【P15】

三、金屬的彈性模量主要取決于什么因素？為什么說它是一個對組織不敏感的力學性能

指標？

答：主要決定于原子本性和晶格類型。合金化、熱處理、冷塑性變形等能夠改變金屬

材料的組織形態(tài)和晶粒大小，但是不改變金屬原子的本性利晶格類型。組織雖然改變

了，原子的本性和晶格類型未發(fā)生改變，故彈性模量對組織不敏感?！綪4】

四、試述韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)別。為什么脆性斷裂最危險？【P21】

答：韌性斷裂是金屬材料斷裂前產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形的斷裂，這種斷裂有一個緩

慢的撕裂過程，在裂紋擴展過程中不斷地消耗能量；而脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，

斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害性很大。

五、剪切斷裂與解理斷裂都是穿晶斷裂，為什么斷裂性質(zhì)完全不同？【P23】

答：剪切斷裂是在切應力作用下沿滑移面分離而造成的滑移面分離，一般是韌性斷裂,

而解理斷裂是在正應力作用以極快的速率沿一定晶體學平面產(chǎn)生的穿晶斷裂，解理斷

裂通常是脆性斷裂。

六、何謂拉伸斷口三要素？影響宏觀拉伸斷口性態(tài)的因素有哪些？

答：宏觀斷口呈杯錐形，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個區(qū)域組成，即所謂的斷口特

征三要素。上述斷口三區(qū)域的形態(tài)、大小和相對位置，因試樣形狀、尺寸和金屬材料

的性能以及試驗溫度、加載速率和受力狀態(tài)不同而變化。

七、論述格雷菲斯裂紋理論分析問題的思路，推導格雷菲斯方程，并指出該理論

的局限性?！綪32】

答：4=（甘，，只適用于脆性固體，也就是只適用于那些裂紋尖端塑性變形可以

忽略的情況。

答：思路：單位體積儲存的彈性能加上新增裂紋表面能對裂紋半長一級偏導數(shù)等

于零

單位體積彈性能為Ue=?n02a2/E

裂紋所增加的表面能為W=4ays

22

Ue+W=-Jioa/E+4ays

在總能量曲線的最高點處，系統(tǒng)總能量對裂紋半長a的一階偏導數(shù)應等于零。

/倍）Y利

臨界裂紋擴展應力。c與裂紋長度a的平方根成反比。

八、什么是包申格效應，如何解釋，它有什么實際意義？

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。

包申格效應與金屬材料中位錯運動所受的阻力變化有關(guān)。在金屬預先受載產(chǎn)生少量

塑性變形時，位錯沿某一滑移面運動，遇林位錯而彎曲，結(jié)果，在位錯前方，林位錯密

度增加，形成位錯纏結(jié)和胞狀組織。這種位錯結(jié)構(gòu)在力學上是相當穩(wěn)定的，宏觀上表現(xiàn)

為規(guī)定殘余伸長應力增加。

卸教后施加反向力，位錯被迫作反向運動，在反向路徑上，像林位錯這類障礙數(shù)量較少,

而且也不一定恰好位于位錯運動的前方，故位錯可以在較低應力下移動較大距離，即第

二次反向加載，規(guī)定殘余伸長應力降低。

包申格效應對于研究金屬疲勞問題是很重要的。因為材料在疲勞過程中，每一周期內(nèi)都

產(chǎn)生微量塑性變形，在反向加或時，微量塑性變形抗力（規(guī)定殘余伸長應力）降低，顯

示循環(huán)軟化現(xiàn)象。另外，對于預先經(jīng)受冷變形的材料，如服役時受到反向力的作用，就

要考慮微量塑性變形抗力降低的有害影響，如冷拉型材及管子在受壓狀態(tài)下使用就是這

2

種情況。

九、試述多晶體金屬產(chǎn)生明顯屈服的條件，并解釋力CC金屬與我。金屬及其合金屈服行

為不同的原囚。

屈服現(xiàn)象與下列三個因素有關(guān)：

①材料變形前可動位錯密度很小，或雖有大量位錯但被釘扎；

②隨塑性變形發(fā)生，位錯能快速增值；

③位錯運動速率與外加應力有強烈依存關(guān)系。

由于變形前可動位錯密度小，為了滿足一定變形速率，就必須增大位錯運動速率,

此時需要較高的應力，這就是上屈服點。一旦塑性變形產(chǎn)生，位錯大量增值，位錯運動

速率則下降，相應應力降低，從而產(chǎn)生屈服現(xiàn)象。位錯運動速率應力敏感指數(shù)m越低，

則使位錯運動速率變化所需的應力就越大，屈服現(xiàn)象越明顯。兒c金屬的m比代c金屬的

m低，故bcc金屬一般具有明顯的屈服現(xiàn)象。

十、試述純剪切斷裂、解理斷裂以及微孔聚集型斷裂的斷口特征。

純剪切斷裂：沿滑移面分離剪切斷裂（單晶體）；通過頸縮導致最終斷裂（多晶體，

高純金屬）

解理斷裂：無明顯塑性變形，沿解理面斷裂，穿晶斷裂；

微孔聚集型斷裂：沿晶界微孔聚合，沿晶斷裂；在晶內(nèi)微孔聚合，穿晶斷裂；

十一、試分析金屬材料在屈服階段為何存在上、下屈服點？

位錯運動速率與外加應力有強烈的依存關(guān)系，S=bpvo變形初期可動位錯較少，P

較低，為了滿足一定的變形速率2=8-必須加大位錯運動速率八而卜=（上）m正比

%

于剪切應力，因此需要較高的應力「才能發(fā)生屈服，此時出現(xiàn)上屈服點；一旦發(fā)生塑性

變形，位錯大量繁殖，p增大，則為保持應變速率恒定2=*八相應的位錯運動速率〃

和應力,降低，出現(xiàn)下屈服點。

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)一一材料或工件所承受的最大切應力T皿和最大正應力

。皿比值，即：————；【新書P39舊書P46]

bmax2/-0.5（%+

（2）缺口效應一一絕大多數(shù)機件的橫截面都不是均勻而無變化的光滑體，往往存在截

面的急劇變化，如鍵槽、油孔、軸肩、螺紋、退刀槽及焊縫等，這種截面變化的部分可

視為“缺口”，由于缺口的存在，在載荷作用下缺口截面上的應力狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)

生所謂的缺口效應。[P44P53]

（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。即：NSR4[P47P55]

（4）布氏硬度一一用鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，采用單位表面積所承受的試驗力計

算而得的硬度。[P49P58]

3

（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[P51P60]o

（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，采用單位表面積

所承受的試驗力計算而得的硬度。[P53P62]

（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)重錘回跳高度表征的金屬硬度。

（9）里氏硬度一一采動載荷試驗法，根據(jù)重錘回跳速度表征的金屬硬度。

二、說明下列力學性能指標的意義

（1）。入----材料的抗壓強度【P41P48]

（2）obb一一材料的抗彎強度【P42P50]

（3）Ts一一材料的扭轉(zhuǎn)屈服點[P44P52]

（4）Tb——材料的抗扭強度[P44P52]

（5）?？凇笨谠嚇拥目估瓘姸取綪47P55]

（6）NSR——材料的缺口敏感度【P47P55]

（7）HBW——壓頭為硬質(zhì)合金球的材料的布氏硬度[P49P58]

（8）IIRA材料的洛氏硬度【P52P61]

（9）HRB——材料的洛氏硬度[P52P61]

（10）HRC——材料的洛氏硬度[P52P61]

（11）HV——材料的維氏硬度【P53P62]

（12）HK——材料的努氏硬度

（13）HS——材料的肖氏硬度

（14）HL一—材料的里氏硬度

三、什么是“缺口效應”？它對材料性能有什么影響？[P45P53]

缺口的第一個效應是引起應力集中，并改變了缺口前方的應力狀態(tài)，使機件由原來

的單向應力狀態(tài)改變?yōu)閮上蚧蛉驊顟B(tài)。缺口的第二個效應是試樣的屈服應力比單

向拉伸時高，即產(chǎn)生了所謂“缺口強化”現(xiàn)象，導致材料強度提高，塑性降低。由于缺

口的存在，是缺口處產(chǎn)生較大的應力集中，材料變脆，降低了使用的安全性。

四、試綜合比較光滑試樣軸向拉伸、缺口試樣軸向拉伸和偏斜拉伸試驗的特點。

光滑試樣軸向拉伸試瞼；截面上無應力集中現(xiàn)象，應力分布均勻，僅在頸縮時發(fā)生應

力狀態(tài)改變。

缺口試樣軸向拉伸試驗：缺口截面上出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，應力分布不均，應力狀態(tài)

發(fā)生變化，產(chǎn)生兩向或三向拉應力狀態(tài)，致使材料的應力狀態(tài)軟性系數(shù)降低，脆性增大。

偏斜拉伸試驗：在拉伸試驗時在試樣與試驗機夾頭之間放一墊圈，使試樣的軸線與拉

伸力形成一定角度進行拉伸。該試驗用于檢測螺栓一類機件的安全使用性能。

偏斜拉伸試驗：試樣同時承受拉伸和彎曲載荷的復合作用，其應力狀態(tài)更“硬”，缺

口截面上的應力分布更不均勻，更能顯示材料對缺口的敏感性。

五、試說明布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度的實驗原理，并比較布氏、洛氏與維氏硬度

試驗方法的優(yōu)缺點。HRA,HRB,HRC,分別適合測那些硬度的材料?！綪49P57]

原理

布氏硬度：用鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，計算單位表面積所承受的試驗力。

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。

維氏硬度：以兩相對面夾角為136的金剛石四棱錐作壓頭，計算單位表面積所承受

4

的試驗力。

布氏硬度優(yōu)點：實驗時一般采用直徑較大的壓頭球，因而所得的壓痕面積比較大。

壓痕大的一個優(yōu)點是其硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相得平均性能；另一個優(yōu)

點是實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復性強C缺點：對不同材料需更換不同直徑的壓頭球和改變試驗

力，壓痕直徑的測量也較麻煩，因而用于自動檢測時受到限制。

洛氏硬度優(yōu)點：操作簡便，迅捷，硬度值可直接讀出；壓痕較小，可在工件上進行

試驗；采用不同標尺可測量各種軟硬不同的金屬和厚薄不一的試樣的硬度，因而廣泛用

于熱處理質(zhì)量檢測。缺點：壓痕較小，代表性差；若材料中有偏析及組織不均勻等缺陷,

則所測硬度值重復性差，分散度大；此外用不同標尺測得的硬度值彼此沒有聯(lián)系，不能

直接比較。

維氏硬度優(yōu)點：不存在布氏硬度試驗時要求試驗力F與壓頭直徑D之間所規(guī)定條件

的約束，也不存在洛氏硬度試驗時不同標尺的硬度值無法統(tǒng)一的弊端；維氏硬度試驗時

不僅試驗力可以任意取，而且壓痕測量的精度較高，硬度值較為準確。缺點是硬度值需

要通過測量壓痕對角線長度后才能進行計算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低的

多。

HRA用于測量硬質(zhì)合金、硬化薄鋼板、表面薄層硬化剛；

HRB用于測量低碳鋼，銅合金，鐵素體可鍛鑄鐵；

HRC用于測量淬火鋼、高硬度鑄件、珠光體可鍛鑄鐵。

六、今有如下零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）滲碳層的硬度分布一一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-----HRA

七、在評定材料的缺口敏感性時，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12OOMPa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。

第三章金屬在沖擊載荷下的力學性能

名詞解釋

5

1.沖擊韌性:材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力?！綪57】

2.沖擊吸收功：缺口試樣沖擊彎曲試驗中，擺錘沖斷試樣失去的位能為mgHi-mgH?。此即

為試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收功，以4表示，單位為J。P57/P67

3.低溫脆性：體心立方晶體金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及其合金，特別是工程

上常用的中、低強度結(jié)構(gòu)鋼（鐵素體-珠光體鋼），在試驗溫度低于某一溫度1卜時，會由

韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫硇?

斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性。

4.韌性溫度儲備: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、說明下面力學性能指標的意義

（1）Ak：沖擊吸收功。含義見上面。沖擊吸收功不能真正代表材料的韌脆程度，但由于

它們對材料內(nèi)部組織變化十分敏感，而且沖擊彎曲試驗方法簡便易行，被廣泛采用。

AKV：V型缺口試樣沖擊吸收功.

AKU：U型缺口沖擊吸收功.

（2）FATT50：沖擊試樣斷口分為纖維區(qū)、放射區(qū)（結(jié)晶區(qū)）與剪切唇三部分，在不同

試驗溫度下，二個區(qū)之間的相對面積不同。溫度下降，纖維區(qū)面積突然減少，結(jié)晶區(qū)面

積突然增大，材料由韌變脆。通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口面積50%時的溫度為并

記為50%FATT,或FATT50%,t50o（新書P6L舊書P71）

或:結(jié)晶區(qū)占整個斷口面積50%時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,稱為無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫

度。

（4）FTE:以低階能和高階能平均值對應的溫度定義tk,記為FTE

（5）FTP:以高階能對應的溫度為tk,記為FTP

三、試說明低溫脆性的物理本質(zhì)及其影響因素

低溫脆性的物理本質(zhì)：宏觀上對于那些有低溫脆性現(xiàn)象的材料，它們的屈服強度會

隨溫度的降低急劇增加，而斷裂強度隨溫度的降低而變化不大。當溫度降低到某一溫度

時，屈服強度增大到高于斷裂強度時，在這個溫度以下材料的屈服強度比斷裂強度大，

因此材料在受力時還未發(fā)生屈服便斷裂了，材料顯示脆性。

從微觀機制來看低溫脆性與位錯在晶體點陣中運動的阻力有關(guān)，當溫度降低時，位

錯運動阻力增大，原子熱激活能力下降，因此材料屈服強度增加。

影響材料低溫脆性的因素有（P63,P73）：

1.晶體結(jié)構(gòu)：對稱性低的體心立方以及密排六方金屬、合金轉(zhuǎn)變溫度高，材料脆性斷裂

趨勢明顯，塑性差。

2.化學成分：能夠使材料硬度，強度提高的雜質(zhì)或者合金元素都會引起材料塑性和韌性

變差，脆性提高。

3.顯微組織：①晶粒大小，細化晶?？梢酝瑫r提高材料的強度和塑韌性。因為晶界是裂

紋擴展的阻力，晶粒細小，晶界總面積增加，晶界處塞積的位錯數(shù)減少，有利于降低應

力集中；同時晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。②金相組織：較低強度水

平時強度相等而組織不同的鋼，沖擊吸收功和韌脆轉(zhuǎn)變溫度以馬氏體高溫回火最佳，貝

氏體回火組織次之，片狀珠光體組織最差。鋼中夾雜物、碳化物等第二相質(zhì)點對鋼的脆

性有重要影響，當其尺寸增大時均使材料韌性下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。

四、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

6

立方金屬的低溫脆性有何差異？為什么？

在試驗溫度低于某一溫度tk時，會由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下

降，斷裂機理由微孔聚集型轉(zhuǎn)變穿晶斷裂，斷口特征由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低

溫脆性。7；稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

低溫脆性是材料屈服強度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。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；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。

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。

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。

五、試從宏觀上和微觀上解釋為什么有些材料有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而另外一些材料

則沒有？

宏觀上，體心立方中、低強度結(jié)構(gòu)鋼隨溫度的降低沖擊功急劇下降，具有明顯的韌

脆轉(zhuǎn)變溫度。而高強度結(jié)構(gòu)鋼在很寬的溫度范圍內(nèi)，沖擊功都很低，沒有明顯的韌脆轉(zhuǎn)

變溫度。面心立方金屬及其合金一般沒有韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

微觀上，體心立方金屬中位錯運動的阻力對溫度變化#常敏感，位錯運動阻力隨溫

度下降而增加，在低溫下，該材料處于脆性狀態(tài)。而面心立方金屬因位錯寬度比較大，

對溫度不敏感，故一般不顯示低溫脆性。

體心立方金屬的低溫脆性還可能與遲屈服現(xiàn)象有關(guān)，對低碳鋼施加一高于屈服強度

的高速載荷時，材料并不立即產(chǎn)生屈服，而需要經(jīng)過一段孕育期（稱為遲屈時間）才開

始塑性變形，這種現(xiàn)象稱為遲屈服現(xiàn)象。由于材料在孕育期中只產(chǎn)生彈性變形，沒有塑

性變形消耗能量，所以有利于裂紋擴展，往往表現(xiàn)為脆性破壞。

六、試述沖擊載荷作用下金屬變形和斷裂的特點。

沖擊載荷下，瞬時作用于位錯的應力相當高，結(jié)果使位錯運動速率增加，同時使派

納力增大，滑移臨界切應力增大，金屬產(chǎn)生附加強化。同時由于沖擊載荷下應力水平比

較高，將使許多位錯源同時開動，增加了位錯密度，減少了位錯運動自由行程的平均長

度，增加了點缺陷的濃度。這些原因?qū)е陆饘俨牧显跊_擊載荷作用下塑性變形極不均勻

且難以充分進行，使材料屈服強度和抗拉強度提高，塑性和韌性下降，導致脆性斷裂。

第四章金屬的斷裂韌度

一、名詞解釋

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、重型機件在屈服應力

以下發(fā)生的斷裂。

2.張開型（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.應力場強度因子K：表示應力場的強弱程度。在裂紋尖端區(qū)域各點的應力分量除了

決定于位置外，尚與強度因子用有關(guān)，對于某一確定的點，其應力分量由K確定，K越

大，則應力場各點應力分量也越大，這樣K就可以表示應力場的強弱程度，稱K為應力

場強度因子?！癐”表示I型裂紋。【P68】

4.小范圍屈服：塑性區(qū)的尺寸較裂紋尺寸及凈截面尺寸小一個數(shù)量級以上的屈服，這就

稱為小范圍屈服?！綪71】

5.有效屈服應力：裂紋發(fā)生屈服時其法向的應力?！拘聲鳳73：10P85]

7

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【新P74；

舊P861

7.裂紋擴展K判據(jù)：裂紋在受力時只要滿足K,>Klct就會發(fā)生脆性斷裂.反之，即使

存在裂紋，若&YA；。也不會斷裂。新P71：舊83

8.裂紋擴展能量釋放率G：I型裂紋擴展單位面積時系統(tǒng)釋放勢能的數(shù)值。P76/P88

9.裂紋擴展G判據(jù)：G/>G/c，當G?滿足上述條件時裂紋失穩(wěn)擴展斷裂。P77/P89

二、說明下列斷裂韌度指標的意義及其相互關(guān)系

Kc?和Kc答：臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的K記作Kc?或Kc,Kc?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I型裂紋的材料裂紋韌性指標，

但Kc值與試樣厚度有關(guān)。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(guān)，而是真正的材料常數(shù)。P71/P82

Gc答：P77/P89當Gi增加到某一臨界值時，G能克服裂紋失穩(wěn)擴展的阻力，則裂紋

失穩(wěn)擴展斷裂。將Gi的臨界值記作稱斷裂韌度，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Gi相同，MPa-m

三、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：將斷裂判據(jù)用于機件的

設(shè)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。

四、為什么研究裂紋擴展的力學條件時不用應力判據(jù)而用其它判據(jù)？

答：裂紋前端的應力是一個變化復雜的多向應力，如用它直接建立裂紋擴展的應力判據(jù),

顯得十分復雜和困難；而且當L0時，不論外加平均應力如何小，裂紋尖端各應力分量

均趨于無限大，構(gòu)件就失去了承載能力，也就是說，只要構(gòu)件一有裂紋就會破壞，這顯

然與實際情況不符。這說明經(jīng)典的強度理論單純用應力大小來判斷受載的裂紋體是否破

壞是不正確的。因此無法用應力判據(jù)處理這一問題。因此只能用其它判據(jù)來解決這一問

題。

五、試述應力場強度因子的意義及典型裂紋R的表達式

答：應力場強度因子K：表示應力場的強弱程度。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K有關(guān)，對于某一確定的點，其應力分量由K確定，K

越大，則應力場各點應力分量乜越大，這樣K就可以表示應力場的強弱程度，稱K為應

力場強度因子?！癐”表示I型裂紋。幾種裂紋的K表達式，無限大板穿透裂紋：

K=o■疝；有限寬板穿透裂紋：K=cr疝/(f)；有限寬板單力直裂紋：=

bb

當bNa時，K\=1；受彎單邊裂紋梁：K=6加心無限大物體內(nèi)部有橢

(b-a)b

圓片裂紋，遠處受均勻拉伸：K=S應(sii?6+[cos2/)"4；無限大物體表面有半橢圓

①c~

8

裂紋，遠處均受拉伸：A點的由二1.5疝。

①

六、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(guān)系定量地聯(lián)系起來，可直

接用于設(shè)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。P71/P83

七、試述裂紋尖端塑性區(qū)產(chǎn)生的原因及其影響因素。

答：機件上由于存在裂紋，在裂紋尖端處產(chǎn)生應力集中，當%趨于材料的屈服應力時，

在裂紋尖端處便開始屈服產(chǎn)生塑性變形，從而形成塑性區(qū)。

影響塑性區(qū)大小的因素有：裂紋在厚板中所處的位置，板中心處于平面應變狀態(tài)，塑

性區(qū)較??；板表面處于平面應力狀態(tài)，塑性區(qū)較大。但是無論平面應力或平面應變，塑

性區(qū)寬度總是與(K“oM成正比。

八、試述塑性區(qū)對｛的影響及m的修正方法和結(jié)果。

由于裂紋尖端塑性區(qū)的存在將會降低裂紋體的剛度，相當于裂紋長度的增加，因而影

響應力場和小的計算，所以要對片進行修正。

最簡單而適用的修正方法是在計算用時采用“有效裂紋尺寸”，即以虛擬有效裂紋代

替實際裂紋，然后用線彈性理論所得的公式進行計算?；舅悸肥牵核苄詤^(qū)松弛彈性應

力的作用與裂紋長度增加松弛彈性應力的作用是等同的，從而引入“有效長度”的概念,

它實際包括裂紋長度和塑性區(qū)松弛應力的作用。

%的修正方法忽略了在塑性區(qū)內(nèi)應變能釋放率與彈性體應變能釋放率的差別，因此，

只是近似結(jié)果。當塑性區(qū)小時，或塑性區(qū)周圍為廣大的彈性去所包圍時，這種結(jié)果還是

很精確。但是當塑性區(qū)較大時，即屬于大范圍屈服或整體屈服時，這個結(jié)果是不適用的。

1/2

九、有一大型板件，材料的0o.2=12OOMPa,KIC=115MPa*m,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900MPa下工作，試計算Ki及塑性區(qū)寬度Ro,并判斷該

件是否安全？

解：由題意知穿透裂紋受到的工作應力為。=900MPa

根據(jù)。/。。.2的值，確定裂紋斷裂韌度人是否需要修正

因為c/o0.2=900/1200=0.75>0.7,所以裂紋斷裂韌度。需要修正

對于無限板的中心穿透裂紋，修正后的K為；

」樂=9Txy=168MPa.ml/2

71-0.177(。/qy-0.177(0.75)2

塑性區(qū)寬颯=2.16mm

因為K.168.13(MPa*ml/2)

l/2

Kic=115(MPa*m)

所以：KI>Kk,裂紋會失穩(wěn)擴展，所以該件不安全。

十、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6=1,測試材料的

oo.2=72OMPa,試估算材料的斷裂韌度。為多少？

9

解：因為。/。o.2=15O/72O=C.208<0.7,所以裂紋斷裂韌度K1(,不需要修正

l2

氏廣丫Ocac

對于表面半橢圓裂紋，Y-l.1n/q)-i.1?

,/2-3,/2

所以，KIC=Yocac=l.1V^X150XV25X10=46.229(MPa*m)

H^一、設(shè)有屈服強度為415MPa,斷裂韌性為132MPa.m1/2,寬度分別100mm、260mm

的兩塊合金厚鋼板。如果板都受400MPa的拉應力作用，并設(shè)板內(nèi)都有長為46mm的中

K\=/(—)

心穿透裂紋。應力場強度因子表達式為b),已知f(0.46)=1.18,

f(0.18)=1.02o試問此兩板內(nèi)裂紋是否都擴展？

b=4()0=Q6AC7

解：由于標7一方一’,故需要對K1進行修正。修正后的絡表達式為:

_.疝a

1Jl—0.177(o7q)2'b

生］=1.18/f—>1=1.02

窄板，寬板1260J,代入上式，

可得：K*138.3MPa>K?M寬=119.5MPaVK?因此，窄板內(nèi)的裂

紋會擴展，寬板內(nèi)的裂紋不會擴展。

第五章金屬的疲勞

一、名詞解釋；

1.應力幅oa:oa=l/2(oMX-oBin)p95/pl08

2.平均應力。.：。薩1/2(o曰+。Gp95/pl07

3.應力比r:r=omin/0maxp95/pl08

4.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。P96

5.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

留下的弧狀臺階痕跡。P97/pll0

6.疲勞條帶：疲勞裂紋擴展的第二階段的斷口特征是具有略呈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)P113/P132

7.駐留滑移帶：用電解拋光的方法很難將己產(chǎn)生的表面循環(huán)滑移帶去除，當對試樣重新

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。P111

8.AK:材料的疲勞裂紋擴展速率不僅與應力水平有關(guān)，而且與當時的裂紋尺寸有關(guān)。AK

是由應力范圍△。和a復合為應力強度因子范圍，△仁心黑小丫。砌,Ja-Yomm。

Va.pl05/pl20

9.da/dN:疲勞裂紋擴展速率，即每循環(huán)一次裂紋擴展的距離。P105

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)pl02/pll7

10

10.過載損傷：金屬在高于疲勞極限的應力水平下運轉(zhuǎn)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。P102/P117

疲勞：金屬構(gòu)件在變動載荷和應變長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲

勞。

二、揭示下列疲勞性能指標的意義

1.疲勞強度。T,。-p,T-I,。-IX,P99,100,103/P114

0-1：對稱應力循環(huán)作用下的彎曲疲勞極限；。一P：對稱拉壓疲勞極限；Tr：對稱扭轉(zhuǎn)疲

勞極限；。小:缺口試樣在對稱應力循環(huán)作用下的疲勞極限。

2.疲勞缺口敏感度卬P103/pll8

金屬材料在交變載荷作用下的缺口敏感性，常用疲勞缺口敏感度來評定。qf=（K-l）/

（kHD.其中凡為理論應力集中系數(shù)且大于1,跖為疲勞缺口系數(shù)。KL（。）/（。?。?/p>

3.過載損傷界P102,103/pll7

由實驗測定，測出不同過載應力水平和相應的開始降低疲勞壽命的應力循環(huán)周次，得到

不同試驗點，連接各點便得到過載損傷界。

4疲勞門檻值A(chǔ)KthP105/pl20

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(shè)想應力強度因子幅度

△K二Kmax-Kmin是疲勞裂紋擴展的控制因子，當小于某臨界值△Kh時，疲勞裂紋不

擴展，所以叫疲勞裂紋擴展的門檻值。

三、試述金屬疲勞斷裂的特點P96/P109

（1）疲勞是低應力循環(huán)延時斷裂，即具有壽命的斷裂

（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

四、試述疲勞宏觀斷口的特征及其形成過程（新書P96~98及PPT,舊書P1O9~H1）

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)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(zhuǎn)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(jié)晶狀斷口，韌性材料為纖維狀斷口。

五、試述影響疲勞裂紋擴展速率的主要因素。（新書P107~109,舊書P123~125）

答：1、應力比r（或平均應力的影響：Forman提出：—=一超5—

dN（y-r）Ke-\K

殘余壓應力因會減小r,使半降低和△時升高，對疲勞壽命有利；而殘余拉應力因會增

dN

大r,使半升高和降低，對疲勞壽命不利。

dN

2、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。

11

3、材料組織的影響：①晶粒大?。壕ЯＴ酱执?，其△心值越高，子越低，對疲勞壽命

越有利。②組織：鋼的含碳量越低，鐵素體含量越多時，其△降值就越高。當鋼的淬火

組織中存在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AK”降低也。

dN

③噴丸處理：噴丸強化也能提高AK“

六、試述疲勞微觀斷口的主要特征。（新書P113~P114,舊書P132）

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?；葡刀嗟拿嫘牧⒎浇饘?，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。

七、試述金屬表面強化對疲勞強度的影響。（新書P117~P118,舊書P135~P136〉

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。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。

八、試述疲勞圖的意義、建立及用途。（新書P101~102,舊書P115~H7）

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(gòu)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(shè)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。

aoQd疲勞圖

1、q-4疲勞圖

12

建立：這種圖的縱坐標以乙表示，橫坐標以?表示。然后，以不同應力比r條件下

將bmax表示的疲勞極限5.分解為%和⑦”，并在該坐標系中作ABC曲線，即為％-5,疲

勞圖。其幾何關(guān)系為：

b5（bfnax-bmin）\-f

tana=-3-=-f-----------=----

1+r

5”L（a）

2、"niaxQmin"

（用途）：我們知道應力比r,將其代入試中，即可求得tana和a,而后從坐標原點。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。加，。也=4"+,出。

2、。2（。歷）一巧”疲勞圖

建立：這種圖的縱坐標以。儂或0mm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bgjbmin）和b〃，表示于上述坐標系中，就形成這種疲勞圖。幾何

關(guān)系為：

tana=4^=2bmax=^

5〃5nax+5nin1+〃

（用途）：我們只要知道應力比r,就可代入上試求得tana和。，而后從坐標原點o

引一直線OH,令其與橫坐標的夾角等于a,該直線與曲線AHC相交的交點H的縱坐標即

為疲勞極限。

第六章金屬的應力腐蝕和氫脆斷裂

一、名詞解釋

1、應力腐蝕斷裂：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，使金屬脆化，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。

6、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。

二、說明下列力學性能指標的意義

1、。赳：材料不發(fā)生應力腐蝕的臨界應力。

2、Kiscc：應力腐蝕臨界應力場強度因子。

13

3、da/dt：應力腐蝕裂紋擴展速率。

三、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

這里造成氫脆斷裂。

3、氫脆斷裂的主裂紋沒有分枝的情況.這和應力腐蝕的裂紋是截然不同的。

4、氫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(guān)

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。

四、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)？

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。-一氫致延滯斷裂。

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“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，不能產(chǎn)生應力集中，不會導致微裂紋。

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。

五、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，而且一般是拉伸應力。

2、應力腐蝕造成的破壞，是脆性斷裂，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/$,有點象疲勞，是漸進緩慢的，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。

第七章金屬的磨損與耐磨性

一、名詞解釋

1.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。

14

2.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?！綪153】

二、如何提高材料或零件的抗拈著磨損能力？

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。

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、硫氮共熔、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。

三、粘著,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，提高氧化膜與基體結(jié)合力都能降低粘著磨損。

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)生在一對緊密配合的零件，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，隨后是粘著點的剪切，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。

五、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: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屬夾雜物。

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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。

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(guān)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)生深層剝落。

表面硬化層深度要適中，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。

第八章金屬高溫力學性能

一、名詞解釋

1.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。

2.等強溫度（TE）：晶粒強度與晶界強度相等的溫度。

3.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。

4.持久強度極限：在高溫長時載荷作用下的斷裂強度---持久強度極限。

二、和常溫下力學性能相比，金屬材料在高溫下的力學行為有哪些特點？

1、首先，材料在高溫將發(fā)生蠕變現(xiàn)象。材料在高溫下不僅強度降低，而且塑性也降

低。應變速率越低，載荷作用時間越長，塑性降低得越顯著。

2、高溫應力松弛。

3、產(chǎn)生疲勞損傷，使高溫疲勞強度下降。

三、提高材料的蠕變抗力有哪些途徑？

答案：加入的合金元素阻止刃位錯的攀移，以及阻止空位的形成與運動從而阻止其擴散。

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）的銘、鑰、鴿、銀等元素形成固

溶體固溶強化，降低層錯能，易形成擴展位錯。加入能形成彌散相的合金元素彌散強化

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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?150C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)钠妨６雀纳茝娀嗟姆植紶?/p>

態(tài)。

（四）晶粒度的影響

當使用溫度低于等強溫度E寸，細晶鋼有較高的強度；當使用溫度高于等強溫度時，

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。

五、試分析晶粒大小對金屬高溫力學性能的影響。

當使用溫度低于等強溫度對，細晶粒鋼有較高的強度，而當使用溫度高于等強溫度

時，粗晶粒鋼有較高的蠕變極限和持久強度極限，但是晶粒太大也會降低高溫下材料的

塑性和韌性，一般有一個最佳的晶粒度范圍。若晶粒度不均勻，會在大小晶粒交界處產(chǎn)

生應力集中形成裂紋，會顯著降低其高溫性能。

六、蠕變極限有哪兩種表達方式？持久強度極限的表達式代表什么？

1.在規(guī)定溫度⑴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（o%）。

。^ixio-^bOMPa表示溫度為600℃,穩(wěn)定蠕變速率為1X105%/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（6）不超過規(guī)定的

最大值

o500i/io5=!OOMPa,表示材料在500℃,Uh后總的生產(chǎn)率位1%的蠕變極限為］ooMPa。

持久強度極限的表達式

在規(guī)定溫度⑴下，達到規(guī)定的持續(xù)時間（?。┒话l(fā)生斷裂的最大應力（已）o

7003

。ixio=3OMPa表示溫度為700℃,l（XX）h的持續(xù)強度極限為30MPao

3.試說明某一溫度不同應力下，規(guī)定蠕變速率的蠕變極限是由如何實驗方法確定的？一

般要經(jīng)過哪些步驟？

1）測定方法：在同一溫度、不同應力下進行蠕變試驗，測出不少于4條的蠕變曲線，

求出蠕變曲線第二階段直線部分的斜率，