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1、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(yīng)變的現(xiàn)象稱為滯彈性，也就是應(yīng)變落后于應(yīng)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(yīng)：金屬材料經(jīng)過預(yù)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(yīng)力增加;反向加載，規(guī)定殘余伸長應(yīng)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(dāng)解理裂紋與螺型位錯相遇時，便形成1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(dāng)匯合臺階高度足夠大時,便成為河流花樣。是解理臺階的1種標(biāo)志。

9.解理面：是金屬材料在一定條件下，當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學(xué)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(xué)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(dāng)?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.彈性不完整性：理想的彈性體是不存在的，多數(shù)工程材料彈性變形時，可能出現(xiàn)加載線與卸載線不重合、應(yīng)變滯后于應(yīng)力變化等現(xiàn)象,稱之為彈性不完整性。彈性不完整性現(xiàn)象包括包申格效應(yīng)、彈性后效、彈性滯后和循環(huán)韌性等

決定金屬屈服強度的因素有哪些?

答：內(nèi)在因素：金屬本性及晶格類型、晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)、溶質(zhì)元素、第二相。外在因素：溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)力狀態(tài)。

2、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?

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1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。

3、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?

答：剪切斷裂是在切應(yīng)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(yīng)力作用以極快的速率沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂，解理斷裂通常是脆性斷裂。

4、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3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。

5、論述格雷菲斯裂紋理論分析問題的思路，推導(dǎo)格雷菲斯方程，并指出該理論的局限性。

答：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。

第二章 金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能

一、解釋下列名詞：

(1)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 材料或工件所承受的最大切應(yīng)力τmax和最大正12

應(yīng)力σmax比值，即： max

(2)缺口效應(yīng) 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(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂的缺口效應(yīng)。

(3)缺口敏感度缺口試樣的抗拉強度σbn的與等截面尺寸光滑試樣的抗拉

強度σb 的比值，稱為缺口敏感度，即：

(4)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

(5)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

(6)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。

(7)努氏硬度采用2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(xué)性能指標(biāo)的意義

(1)σbc材料的抗壓強度

(2)σbb材料的抗彎強度

(3)τs材料的扭轉(zhuǎn)屈服點

(4)τb材料的抗扭強度

(5)σbn材料的抗拉強度

(6)NSR材料的缺口敏感度

(7)HBW壓頭為硬質(zhì)合金球的材料的布氏硬度

(8)HRA材料的洛氏硬度

(9)HRB材料的洛氏硬度

(10)HRC材料的洛氏硬度

(11)HV材料的維氏硬度

在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布：薄板：在缺口根部處于單向拉應(yīng)力狀態(tài)，在板中

心部位處于兩向拉伸平面應(yīng)力狀態(tài)。厚板：在缺口根部處于兩向拉應(yīng)力狀態(tài)，缺口內(nèi)側(cè)處三向拉伸平面應(yīng)變狀態(tài)。

無論脆性材料或塑性材料，都因機件上的缺口造成兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力集中而產(chǎn)生脆性傾向，降低了機件的使用安全性。為了評定不同金屬材料的缺口變脆傾向，必須采用缺口試樣進行靜載力學(xué)性能試驗。

八.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(dǎo)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體-----顯微HV或者HK

(5)儀表小黃銅齒輪-----HV

(6)龍門刨床導(dǎo)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

第三章 金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能

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】 沖擊韌度: :U形缺口沖擊吸收功 AKU除以沖擊試樣缺口底部截面積所得

之商，稱為沖擊韌度，αku=Aku/S (J/cm2), 反應(yīng)了材料抵抗沖擊載荷的能力,用aKU表示。P57注釋/P67

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

mgH1-mgH2。此即為試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收功，以AK表示，單位為J。P57/P67

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tk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。

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、 (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 (CVN)：V型缺口試樣沖擊吸收功.

AKU：U型缺口沖擊吸收功.

(2)FATT50：通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口面積50%時的溫度為tk，并記為

50%FATT，或FATT50%，t50。(

或:結(jié)晶區(qū)占整個斷口面積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,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(yīng)的溫度定義tk，記為FTE

(5)FTP: 以高階能對應(yīng)的溫度為tk，記為FTP

四、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(dāng)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(dāng)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(xué)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，材料脆性提高。

3.顯微組織：①晶粒大小，細(xì)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(xì)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(yīng)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(dāng)其尺寸增大時均使材料韌性下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。

五. 試述焊接船舶比鉚接船舶容易發(fā)生脆性破壞的原因。

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。

七. 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非常敏感，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)，對低碳鋼施加一高速到高于屈服強度時，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。

第四章 金屬的斷裂韌度

2.名詞解釋

低應(yīng)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(yīng)力以下發(fā)生的斷裂。

張開型(?型)裂紋： 拉應(yīng)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。

應(yīng)力場強度因子K? ： 在裂紋尖端區(qū)域各點的應(yīng)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(yīng)力分量由K?確定， K?越大，則應(yīng)力場各點應(yīng)力分量也越大，這樣K?即可表示應(yīng)力場的強弱程度，稱K?為應(yīng)力場強度因子。 “I”表示I型裂紋。

小范圍屈服： 塑性區(qū)的尺寸較裂紋尺寸及凈截面尺寸為小時(小1個數(shù)量級以上)，這就稱為小范圍屈服。

有效屈服應(yīng)力：裂紋在發(fā)生屈服時的應(yīng)力。

有效裂紋長度：因裂紋尖端應(yīng)力的分布特性，裂尖前沿產(chǎn)生有塑性屈服區(qū)，屈服區(qū)內(nèi)松弛的應(yīng)力將疊加至屈服區(qū)之外，從而使屈服區(qū)之外的應(yīng)力增加，其效果相當(dāng)于因裂紋長度增加ry后對裂紋尖端應(yīng)力場的影響，經(jīng)修正后的裂紋長度即為有效裂紋長度: a+ry。

裂紋擴展K判據(jù)：裂紋在受力時只要滿足 KI?KIC，就會發(fā)生脆性斷裂.反之，即使存在裂紋，若 KI?KIC也不會斷裂。新P71：舊83

2、說明下列斷裂韌度指標(biāo)的意義及其相互關(guān)系

K?C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(yīng)變下的斷裂韌度，表示在平面應(yīng)變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。KC為平面應(yīng)力斷裂韌度，表示在平面應(yīng)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(biāo)，但KC值與試樣厚度有關(guān)。當(dāng)試樣厚度增加，使裂紋

39材料力學(xué)性能課后習(xí)題答案_材料力學(xué)課后習(xí)題答案

尖端達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)時，斷裂韌度趨于一穩(wěn)定的最低值，即為K?C，它與試樣厚度無關(guān)，而是真正的材料常數(shù)。

3、試述低應(yīng)力脆斷的原因及防止方法。

答： 低應(yīng)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(yīng)力的情況發(fā)生斷裂。 預(yù)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(yīng)力，或者當(dāng)機件的工作應(yīng)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。

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

答：由41可知，裂紋前端的應(yīng)力是1個變化復(fù)雜的多向應(yīng)力，如用它直接建立裂紋擴展的應(yīng)力判據(jù)，顯得十分復(fù)雜和困難;而且當(dāng)r→0時，不論外加平均應(yīng)力如何小，裂紋尖端各應(yīng)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(yīng)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(yīng)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。

5、試述應(yīng)力場強度因子的意義及典型裂紋K?的表達(dá)式

答：幾種裂紋的K?表達(dá)式，無限大板穿透裂紋：K???a;有限寬板穿透裂紋：

aaK??1.2?a;有限寬板單邊直裂紋：K???af();K???af()當(dāng)b?a時，bb

受彎單邊裂紋梁：K??6Maf();無限大物體內(nèi)部有橢圓片裂紋，遠(yuǎn)處受3/2(b?a)b

2均勻拉伸：K???a

?a2(sin??2cos2?)1/4;無限大物體表面有半橢圓裂紋，遠(yuǎn)c

1.1?a。 ?處均受拉伸：A點的K??

7、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(yīng)力集中，當(dāng)σy趨于材料的屈服應(yīng)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(yīng)變狀態(tài)，塑性區(qū)較小;板表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)，塑性區(qū)較大。但是無論平面應(yīng)力或平面應(yīng)變，塑性區(qū)寬度總是與(KIC/σs)2成正比。

13、斷裂韌度KIC與強度、塑性之間的關(guān)系：總的來說，斷裂韌度隨強度的升高而降低。

15、影響KIC的冶金因素：內(nèi)因：1、學(xué)成分的影響;2、集體相結(jié)構(gòu)和晶粒大小的影響;3、雜質(zhì)及第二相的影響;4、顯微組織的影響。外因：1、溫度;2、應(yīng)變速率。

16.有1大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探傷發(fā)現(xiàn)有20mm長的橫向穿透裂紋，若在平均軸向拉應(yīng)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(yīng)力為σ=900MPa

根據(jù)σ/σ0.2的值，確定裂紋斷裂韌度KIC是否休要修正

因為σ/σ0.2=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KI為：

?a9000.01?KI???168.1322)?0?0.177(0.75) ( .177(?/?s)1?KI?塑性區(qū)寬度為：??R0???比較K1與KIc： 22???s?

因為K1=168.13(MPa*m1/2)

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(yīng)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υ=1，測試材料的σ0.2=720MPa ，試估算材料的斷裂韌度KIC為多少?

解： 因為σ/σ0.2=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=Yσcac1/2

對于表面半橢圓裂紋，Y=1.1/υ=1.1

?3?150?25?10所以，KIC=Yσcac1/2=1.1=46.229(MPa*m1/2)

第五章 金屬的疲勞

1.名詞解釋;

應(yīng)力幅σa:σa=1/2(σmax-σmin) p95/p108

平均應(yīng)力σm：σm=1/2(σmax+σmin) p95/p107

應(yīng)力比r:r=σmin/σmax p95/p108

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

疲勞貝紋線：是疲勞區(qū)的最大特征，一般認(rèn)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/p110

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) p113/p132

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(dāng)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。 P111

ΔK:材料的疲勞裂紋擴展速率不僅與應(yīng)力水平有關(guān)，而且與當(dāng)時的裂紋尺寸有關(guān)。ΔK是由應(yīng)力范圍Δσ和a復(fù)合為應(yīng)力強度因子范圍，ΔK=Kmax-Kmin=Yσmax√a-Yσmin√a=YΔσ√a. p105/p120

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(yīng)力或應(yīng)變作用下直至發(fā)生破壞前所經(jīng)受應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù) p102/p117

過載損傷：金屬在高于疲勞極限的應(yīng)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

2.揭示下列疲勞性能指標(biāo)的意義

疲勞強度σ-1，σ-p,τ-1,σ-1N, P99,100,103/p114

σ-1: 對稱應(yīng)力循環(huán)作用下的彎曲疲勞極限;σ-p:對稱拉壓疲勞極限;τ-1:對稱扭轉(zhuǎn)疲勞極限;σ-1N:缺口試樣在對稱應(yīng)力循環(huán)作用下的疲勞極限。 疲勞缺口敏感度qf P103/p118

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=(Kf-1)/(kt-1).其中Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)且大于一，Kf為疲勞缺口系數(shù)。 Kf=(σ-1)/(σ-1N)

過載損傷界 P102,103/p117

由實驗測定，測出不同過載應(yīng)力水平和相應(yīng)的開始降低疲勞壽命的應(yīng)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。

疲勞門檻值ΔKth P105/p120

在疲勞裂紋擴展速率曲線的Ⅰ區(qū)，當(dāng)ΔK≤ΔKth時，da/aN=0,表示裂紋不擴展;只有當(dāng)ΔK>ΔKth時，da/dN>0,疲勞裂紋才開始擴展。因此，ΔKth是疲勞裂紋不擴展的ΔK臨界值，稱為疲勞裂紋擴展門檻值。

4.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P109~111) 答：典型疲勞斷口具有3個形貌不同的區(qū)域疲勞源、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(xì)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。

6.試述疲勞圖的意義、建立及用途。(新書P101~102，舊書P115~117)

答：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1種表達(dá)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，因此還需要知道材料的不對稱循環(huán)疲勞極限，以適應(yīng)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。

1、?a?

?m疲勞圖

建立：這種圖的縱坐標(biāo)以?a表示，橫坐標(biāo)以?m表示。然后，以不同應(yīng)力比r條

件下將?max表示的疲勞極限?r分解為?a和?m，并在該坐標(biāo)系中作ABC曲線，即

1?a(?max??min)1?r為?a??m疲勞圖。其幾何關(guān)系為：tan?? ???m(?max??min)1?r2

(用途)：我們知道應(yīng)力比r，將其代入試中，就可以求得tan?和?，而后從坐標(biāo)原點O引直線，令其與橫坐標(biāo)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(biāo)之和，即為相應(yīng)r的疲勞極限?rB，?rB??aB??mB。 2、?max(?min)??m疲勞圖

建立：這種圖的縱坐標(biāo)以?max或?min表示，橫坐標(biāo)以?m表示。然后將不同應(yīng)力

比r下的疲勞極限，分別以?max(?min)和?m表示于上述坐標(biāo)系中，就形成這種疲勞圖。幾何關(guān)系為：tan???max2?max2 ???m?max??min1?r

(用途)：我們只要知道應(yīng)力比r,就可代入上試求得tan?和?，而后從坐標(biāo)原點O引一直線OH，令其與橫坐標(biāo)的夾角等于?，該直線與曲線AHC相交的交點H的縱坐標(biāo)即為疲勞極限。

8.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)

dac(?K)n

?答：1、應(yīng)力比r(或平均應(yīng)力?m)的影響：Forman提出： dN(1?r)Kc??K

殘余壓應(yīng)力因會減小r,使

因會增大r，使da降低和?Kth升高，對疲勞壽命有利;而殘余拉應(yīng)力dNda升高和?Kth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(dāng)，有時反而是有益的。

da3、材料組織的影響：①晶粒大小：晶粒越粗大，其?Kth值越高，越低，對dN

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?Kth值就越

高。當(dāng)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

da高鋼的?Kth，降低。③噴丸處理：噴丸強化也能提高?Kth。 dN

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�；�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(fù)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(yīng)力為零時裂紋閉合。

圖(b)，受拉應(yīng)力時，裂紋張開，在裂紋尖端沿最大切應(yīng)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(yīng)力集中減小，裂紋停止擴展的過程稱為“塑性鈍化”。

圖(d)，當(dāng)應(yīng)力變?yōu)閴嚎s應(yīng)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(yīng)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。

12.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(yīng)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(xué)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(yīng)力。 表面滾壓和噴丸的作用相似，只是其壓應(yīng)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(xué)熱處理

他們除能使機件獲得表硬心韌的綜合力學(xué)性能外，還可以利用表面組織相變及組織應(yīng)力、熱應(yīng)力變化，使機件表面層獲得高強度和殘余壓應(yīng)力，更有效地提高機件疲勞強度和疲勞壽命。

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(yīng)變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應(yīng)力不斷增加，即為循環(huán)硬化。金屬材料在恒定應(yīng)變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應(yīng)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(yīng)變幅和溫

39材料力學(xué)性能課后習(xí)題答案_材料力學(xué)課后習(xí)題答案

度等。循環(huán)硬化和軟化與σb / σs有關(guān)：

σb / σs>1.4，表現(xiàn)為循環(huán)硬化;

σb / σs<1.2，表現(xiàn)為循環(huán)軟化;

1.2<σb / σs<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(yīng)變硬化指數(shù)n來判斷循環(huán)應(yīng)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)為循環(huán)軟化。 循環(huán)硬化和軟化與位錯的運動有關(guān)：

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(yīng)力下破壞，阻力變小而軟化。

第六章 金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂

一、名詞解釋

1、應(yīng)力腐蝕：金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的

低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。

2、氫脆：由于氫和應(yīng)力共同作用而導(dǎo)致的金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象。

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(xué)性能指標(biāo)的意義

1、σscc：材料不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力。

2、KIscc：應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子。

3、da/dt：盈利腐蝕列紋擴展速率。

第七章 金屬的磨損與耐磨性

1.名詞解釋

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?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力長期作用下，材料表面因疲勞損傷，導(dǎo)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。

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(yīng)力超過實際接觸點處屈服強度而產(chǎn)生的1種磨損。

磨損機理：

實際接觸點局部應(yīng)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(fù)，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(xué)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。

第八章 金屬高溫力學(xué)性能

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(biāo)。標(biāo)與常溫下的屈服強度相似。

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。