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材料力學(xué)性能課后習(xí)題答案 第一章 單向靜拉伸力學(xué)性能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(shí)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。脆性：指金屬材料受力時(shí)沒有發(fā)生塑性變形而直接斷裂的能力 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(cuò)相遇時(shí)，便形成一個(gè)高度為b的臺階。8.河流花樣：解理臺階沿裂紋前端滑動(dòng)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(shí),便成為河流花樣。是解理臺階的一種標(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(kuò)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(diǎn)時(shí)，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2、 說明下列力學(xué)性能指標(biāo)的意義。答：E彈性模量 G切變模量 規(guī)定殘余伸長應(yīng)力 屈服強(qiáng)度 金屬材料拉伸時(shí)最大應(yīng)力下的總伸長率 n 應(yīng)變硬化指數(shù) P15 3、 金屬的彈性模量主要取決于什么因素？為什么說它是一個(gè)對組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)？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和晶格類型。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】2、現(xiàn)有45、40Cr、35 CrMo鋼和灰鑄鐵幾種材料，你選擇哪種材料作為機(jī)床起身，為什么？選灰鑄鐵，因?yàn)槠浜剂扛?，有良好的吸震減震作用，并且機(jī)床床身一般結(jié)構(gòu)簡單，對精度要求不高，使用灰鑄鐵可降低成本，提高生產(chǎn)效率。5、多晶體金屬產(chǎn)生明顯屈服的條件，并解釋bcc金屬及其合金與fcc金屬及其合金屈服行為不同的原因。答：多晶體金屬產(chǎn)生明顯屈服的條件：1）材料變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度小，或雖有大量位錯(cuò)但被釘扎住，如鋼中的位錯(cuò)為間隙原子、雜質(zhì)原子或第二相質(zhì)點(diǎn)所釘扎。2）隨塑性變形的發(fā)生，位錯(cuò)能快速增殖；3）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與外加應(yīng)力之間有強(qiáng)烈依存關(guān)系。金屬材料塑性變形的應(yīng)變速率與位錯(cuò)密度、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率和柏氏矢量成正比，而位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率又決定于外加應(yīng)力的滑移分切應(yīng)力。（，）塑性變形初始階段，由于可動(dòng)位錯(cuò)密度少，為了維持高的應(yīng)變速率，必須增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率。而要提高位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率必須要有高的應(yīng)力，這對應(yīng)著上屈服點(diǎn)。一旦塑性變形產(chǎn)生，位錯(cuò)大量增殖，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率下降，相應(yīng)的應(yīng)力隨之下降，從而產(chǎn)生了屈服現(xiàn)象。對于bcc金屬及其合金，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率應(yīng)力敏感指數(shù)m低，即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率變化所需應(yīng)力變化大，屈服現(xiàn)象明顯。而fcc金屬及其合金，其位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率應(yīng)力敏感指數(shù)高，屈服現(xiàn)象不明顯。6、 試述退火低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼的屈服現(xiàn)象在拉伸力-伸長曲線圖上的區(qū)別？為什么？答：隨含碳量的增加，屈服現(xiàn)象越來越不明顯。這是由于隨含碳量高，其組織中滲碳體含量增多，對基體起強(qiáng)化作用，使得材料屈服強(qiáng)度很高，塑性降低。7、決定金屬屈服強(qiáng)度的因素有哪些？【P12】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)。晶粒、晶界、第二相等外界影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的因素主要從內(nèi)因和外因兩個(gè)方面考慮（一）影響屈服強(qiáng)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(qiáng)度從理論上說是使位錯(cuò)開始運(yùn)動(dòng)的臨界切應(yīng)力，其值與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受到的阻力（晶格阻力派拉力、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)交互作用產(chǎn)生的阻力）決定派拉力： 位錯(cuò)交互作用力（a是與晶體本性、位錯(cuò)結(jié)構(gòu)分布相關(guān)的比例系數(shù)，L是位錯(cuò)間距。）2晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)晶粒小晶界多（阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）位錯(cuò)塞積提供應(yīng)力位錯(cuò)開動(dòng) 產(chǎn)生宏觀塑性變形 。晶粒減小將增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙的數(shù)目，減小晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積群的長度，使屈服強(qiáng)度降低（細(xì)晶強(qiáng)化）。屈服強(qiáng)度與晶粒大小的關(guān)系：霍爾派奇（Hall-Petch) s= i+kyd-1/2 3溶質(zhì)元素加入溶質(zhì)原子（間隙或置換型）固溶體（溶質(zhì)原子與溶劑原子半徑不一樣）產(chǎn)生晶格畸變產(chǎn)生畸變應(yīng)力場與位錯(cuò)應(yīng)力場交互運(yùn)動(dòng) 使位錯(cuò)受阻提高屈服強(qiáng)度 （固溶強(qiáng)化） 。4第二相（彌散強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化）不可變形第二相提高位錯(cuò)線張力繞過第二相留下位錯(cuò)環(huán) 兩質(zhì)點(diǎn)間距變小 流變應(yīng)力增大。不可變形第二相位錯(cuò)切過（產(chǎn)生界面能），使之與機(jī)體一起產(chǎn)生變形，提高了屈服強(qiáng)度。彌散強(qiáng)化：第二相質(zhì)點(diǎn)彌散分布在基體中起到的強(qiáng)化作用。沉淀強(qiáng)化：第二相質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過固溶后沉淀析出起到的強(qiáng)化作用（二）影響屈服強(qiáng)度的外因素1溫度 一般的規(guī)律是溫度升高，屈服強(qiáng)度降低。原因：派拉力屬于短程力，對溫度十分敏感2應(yīng)變速率 應(yīng)變速率大，強(qiáng)度增加。,t= C1()m3應(yīng)力狀態(tài) 切應(yīng)力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強(qiáng)度越低缺口效應(yīng)：試樣中“缺口”的存在，使得試樣的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響材料的力學(xué)性能的現(xiàn)象。8.試述兩種塑性指標(biāo)評定金屬材料屬性的優(yōu)缺點(diǎn)答：斷后伸長率是試樣拉斷后標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比。斷面收縮率是試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。對于在單一拉伸條件下工作的長形零件，無論其是否產(chǎn)生縮頸，都用和gt評定材料的塑性，因?yàn)楫a(chǎn)生縮頸時(shí)局部區(qū)域的塑性變形量對總伸長實(shí)際上沒有什么影響。若金屬機(jī)件非長形，在拉伸時(shí)形成縮頸，則用作為塑性指標(biāo)。因?yàn)榉从沉瞬牧蠑嗔亚暗淖畲笏苄宰冃瘟?，而此時(shí)不能顯示材料的最大塑性。是在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下形成的，冶金因素的變化對性能的影響在上更為突出，因此比對組織變化更為敏感。10、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(xiǎn)？【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(gè)緩慢的撕裂過程，在裂紋擴(kuò)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。11、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(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。12.在什么條件下易出現(xiàn)沿晶斷裂，怎樣減小沿晶斷裂的傾向？答：當(dāng)晶界分布有連續(xù)或不連續(xù)的脆性第二相、夾雜物，或者有害元素如砷、銻、錫等偏聚于晶界時(shí)，容易造成沿晶斷裂。減輕措施：提高冶金質(zhì)量，降低有害雜質(zhì)元素的含量；細(xì)化晶粒；控制第二相的形成，避免其沿晶分布。13、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(gè)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(yàn)溫度、加載速率和受力狀態(tài)不同而變化。影響因素：斷口三要素的形態(tài)、大小和相對位置與試樣形狀、尺寸和金屬材料的性能以及試驗(yàn)溫度、加載速率和受力狀態(tài)不同而變化。一般，材料強(qiáng)度提高，塑性降低，放射區(qū)的比例增大；試樣尺寸加大，放射區(qū)增大明顯，而纖維區(qū)變化不大。14.8、板材宏觀脆性斷口的主要特征是什么？如何尋找斷裂源？斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀，板狀矩形拉伸試樣斷口中的人字紋花樣的放射方向也與裂紋擴(kuò)展方向平行，其尖端指向裂紋源。17、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。【P32】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。21、答：鐵素體鋼在斷裂時(shí)有明顯屈服現(xiàn)象25材料成分. ：rs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(dòng)位錯(cuò)有關(guān) 具有fcc結(jié)構(gòu)的金屬有效滑移系和可動(dòng)位錯(cuò)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(cuò)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。雜質(zhì)：聚集在晶界上的雜質(zhì)會(huì)降低材料的塑性，發(fā)生脆斷。溫度：i-位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)摩擦阻力。其值高，材料易于脆斷。bcc金屬具有低溫脆斷現(xiàn)象，因?yàn)閕隨著溫度的減低而急劇增加，同時(shí)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。晶粒大?。篸值小位錯(cuò)塞積的數(shù)目少，而且晶界多。故裂紋不易產(chǎn)生，也不易擴(kuò)展。所以細(xì)晶組織有抗脆斷性能。應(yīng)力狀態(tài)：減小切應(yīng)力與正應(yīng)力比值的應(yīng)力狀態(tài)都將增加金屬的脆性加載速度 加載速度大，金屬會(huì)發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變。第二章 金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能1、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max和最大正應(yīng)力max比值，即： （2）缺口效應(yīng) 絕大多數(shù)機(jī)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)。【P44 P53】（3）缺口敏感度缺口試樣的抗拉強(qiáng)度bn的與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強(qiáng)度b 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(yàn)力計(jì)算而得的硬度?！綪49 P58】（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【P51 P60】。（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(yàn)力計(jì)算而得的硬度?！綪53 P62】（7）努氏硬度采用兩個(gè)對面角不等的四棱錐金剛石壓頭，由試驗(yàn)力除以壓痕投影面積得到的硬度。（8）肖氏硬度采動(dòng)載荷試驗(yàn)法，根據(jù)重錘回跳高度表證的金屬硬度。（9）里氏硬度采動(dòng)載荷試驗(yàn)法，根據(jù)重錘回跳速度表證的金屬硬度。2、說明下列力學(xué)性能指標(biāo)的意義（1）材料的抗壓強(qiáng)度【P41 P48】（2）材料的抗彎強(qiáng)度【P42 P50】（3）材料的扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)【P44 P52】（4）材料的抗扭強(qiáng)度【P44 P52】（5）材料的抗拉強(qiáng)度【P47 P55】（6）NSR材料的缺口敏感度【P47 P55】（7）HBW壓頭為硬質(zhì)合金球的材料的布氏硬度【P49 P58】（8）HRA材料的洛氏硬度【P52 P61】（9）HRB材料的洛氏硬度【P52 P61】（10）HRC材料的洛氏硬度【P52 P61】（11）HV材料的維氏硬度【P53 P62】3、試綜合比較單向拉伸、壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。試驗(yàn)方法 特點(diǎn)應(yīng)用范圍拉伸 溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速率確定，采用光滑圓柱試樣，試驗(yàn)簡單，應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)較硬。 塑性變形抗力和切斷強(qiáng)度較低的塑性材料。壓縮 應(yīng)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。 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(xué)行為。彎曲 彎曲試樣形狀簡單，操作方便；不存在拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣軸線與力偏斜問題，沒有附加應(yīng)力影響試驗(yàn)結(jié)果，可用試樣彎曲撓度顯示材料的塑性；彎曲試樣表面應(yīng)力最大，可靈敏地反映材料表面缺陷。 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強(qiáng)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(xué)熱處理機(jī)件的質(zhì)量和性能。扭轉(zhuǎn) 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為0.8，比拉伸時(shí)大，易于顯示金屬的塑性行為；試樣在整個(gè)長度上的塑性變形時(shí)均勻，沒有緊縮現(xiàn)象，能實(shí)現(xiàn)大塑性變形量下的試驗(yàn)；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(yīng)力與最大切應(yīng)力大體相等 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(yàn)熱處理工件的表面質(zhì)量和各種表面強(qiáng)化工藝的效果。1）單向靜拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)較硬（=0.5），適用于塑變抗力與切斷強(qiáng)度較低的塑性材料。2）單向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)2，主要用于拉伸時(shí)呈脆性的金屬材料力學(xué)性能測定。拉伸時(shí)塑性很好的材料在壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變形而不會(huì)斷裂。脆性材料拉伸時(shí)產(chǎn)生垂直于載荷軸線的正斷，塑變量幾乎為零；壓縮時(shí)能產(chǎn)生一定量的變形，沿與軸線呈45方向斷裂，具有切斷特性。3）彎曲：金屬桿狀試樣承受彎矩作用后，其內(nèi)部應(yīng)力主要為正應(yīng)力，桿件截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面最大，中心為零，且應(yīng)力方向發(fā)生變化。彎曲試驗(yàn)的試樣形狀簡單、操作方便，常用于測定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質(zhì)合金等脆性與低塑性材料的強(qiáng)度和顯示塑性的差別。彎曲試驗(yàn)時(shí)，試樣表面應(yīng)力最大，可較靈敏地反映材料表面缺陷。因此，常用來比較和鑒別滲碳層和表面淬火層等表面熱處理機(jī)件的質(zhì)量和性能。4）扭轉(zhuǎn)圓柱形試樣在承受扭矩時(shí)，在與試樣軸線呈45的兩個(gè)截面上作用最大與最小正應(yīng)力；在與軸線平行和垂直的截面上作用最大切應(yīng)力。具有以下特點(diǎn)扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) =0.8，比拉伸時(shí)的大，易于顯示金屬的塑性行為。圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)長度上塑性變形是均勻的，沒有縮頸現(xiàn)象，所以能實(shí)現(xiàn)大塑性變形量下的試驗(yàn)。 能較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是測定生產(chǎn)上所使用的大部分金屬材料切斷強(qiáng)度最可靠的方法。 根據(jù)扭斷斷口宏觀特征可以區(qū)分材料最終是正斷還是切斷。4試述脆性材料彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)及其應(yīng)用。5、缺口試樣拉伸時(shí)的應(yīng)力分布有何特點(diǎn)？【P45 P53】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(jī)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(jī)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(jìn)行靜載力學(xué)性能試驗(yàn)。具有缺口的薄板的受拉伸后，軸向應(yīng)力y在缺口根部最大，隨離開根部的距離x增大而降低，即在缺口根部產(chǎn)生應(yīng)力集中。由于缺口根部可以自由收縮，橫向拉伸應(yīng)力x=0；自根部向內(nèi)部發(fā)展，收縮變形阻力增大，x逐漸增大。增至一定數(shù)值后，隨y的減小而減小，因此，缺口的薄板的受拉伸其中心部分是兩向拉伸的平面應(yīng)力狀態(tài)，缺口根部仍為單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)。有缺口厚板受拉伸作用后，在垂直于板厚方向的收縮變形受到約束，z0 ，=（x+y），如圖示。在缺口根部為兩向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，缺口內(nèi)側(cè)為三向拉伸的平面應(yīng)變狀態(tài)，且xyz。當(dāng)缺口內(nèi)側(cè)截面上局部區(qū)域產(chǎn)生塑變后，最大的應(yīng)力已不在缺口根部，而是在其內(nèi)側(cè)一定距離ry處，該處x最大，因此y、z最大。越過塑變區(qū)與彈性區(qū)交界處，應(yīng)力分布與前述的彈性變形狀態(tài)的應(yīng)力分布稍有不同，x連續(xù)下降。6、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(yàn)的特點(diǎn)。偏斜拉伸試驗(yàn)：在拉伸試驗(yàn)時(shí)在試樣與試驗(yàn)機(jī)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(jìn)行拉伸。該試驗(yàn)用于檢測螺栓一類機(jī)件的安全使用性能。光滑試樣軸向拉伸試驗(yàn)：截面上無應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布均勻，僅在頸縮時(shí)發(fā)生應(yīng)力狀態(tài)改變。缺口試樣軸向拉伸試驗(yàn)：缺口截面上出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布不均，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生兩向或三向拉應(yīng)力狀態(tài)，致使材料的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)降低，脆性增大。 偏斜拉伸試驗(yàn)：試樣同時(shí)承受拉伸和彎曲載荷的復(fù)合作用，其應(yīng)力狀態(tài)更“硬”，缺口截面上的應(yīng)力分布更不均勻，更能顯示材料對缺口的敏感性。1）光滑圓柱試樣軸向靜拉伸試驗(yàn)：試樣橫截面均勻，整個(gè)截面的應(yīng)力狀態(tài)為均勻單向拉伸應(yīng)力（若出現(xiàn)縮頸，則縮頸處承受三向拉伸應(yīng)力），其特點(diǎn)是溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速率通常是確定的，通過試驗(yàn)可以揭示金屬材料在靜載下的力學(xué)行為，即彈性變形、塑性變形和斷裂；測定最基本的力學(xué)性能指標(biāo)，如屈服強(qiáng)度0.2、抗拉強(qiáng)度b、斷后伸長率和斷面收縮率。光滑圓柱試樣軸向靜拉伸試驗(yàn)是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的金屬力學(xué)性能試驗(yàn)方法之一。由于單向靜拉伸的應(yīng)力狀態(tài)較硬，適用于塑變抗力與切斷強(qiáng)度較低的塑性材料。2）缺口試樣軸向拉伸試驗(yàn)：由于缺口的存在，在軸向靜載作用下，缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂“缺口效應(yīng)”，即缺口引起應(yīng)力集中，并改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)，使缺口試樣或機(jī)件中所受的應(yīng)力，由原來的單向應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閮上颍ū“澹┗蛉驊?yīng)力狀態(tài)（厚板）和材料的強(qiáng)度增高，塑性降低。無論塑性材料還是脆性材料，其機(jī)件上的缺口都因造成兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變集中而產(chǎn)生變脆傾向，降低了使用的安全性，為評定不同材料的缺口變脆傾向，必須采用缺口試樣進(jìn)行靜載力學(xué)性能試驗(yàn)。缺口靜拉伸試驗(yàn)廣泛用于研究高強(qiáng)度鋼（淬火低溫回火）的力學(xué)性能、鋼和鈦的氫脆以及研究高溫合金的缺口敏感性等。金屬材料的缺口敏感性指標(biāo)（NSR）用缺口試樣的抗拉強(qiáng)度bn與等截面尺寸光滑試樣的b之比表示。7、試說明布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度的實(shí)驗(yàn)原理，并比較布氏、洛氏與維氏硬度試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。【P49 P57】原理 布氏硬度：用鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，計(jì)算單位面積所承受的試驗(yàn)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(jì)算單位面積所承受的試驗(yàn)力。布氏硬度優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)時(shí)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：對不同材料需更換不同直徑的壓頭球和改變試驗(yàn)力，壓痕直徑的測量也較麻煩，因而用于自動(dòng)檢測時(shí)受到限制。洛氏硬度優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，迅捷，硬度值可直接讀出；壓痕較小，可在工件上進(jìn)行試驗(yàn)；采用不同標(biāo)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(diǎn)：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(fù)性差，分散度大；此外用不同標(biāo)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(diǎn)：不存在布氏硬度試驗(yàn)時(shí)要求試驗(yàn)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(yàn)時(shí)不同標(biāo)尺的硬度值無法統(tǒng)一的弊端；維氏硬度試驗(yàn)時(shí)不僅試驗(yàn)力可以任意取，而且壓痕測量的精度較高，硬度值較為準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是硬度值需要通過測量壓痕對角線長度后才能進(jìn)行計(jì)算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低的多。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(shí)驗(yàn)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(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 除以沖擊試樣缺口底部截面積所得之商，稱為沖擊韌度，ku=Aku/S （J/cm2）, 反應(yīng)了材料抵抗沖擊載荷的能力,用表示。 P57注釋/P67沖擊吸收功: 缺口試樣沖擊彎曲試驗(yàn)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(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（鐵素體-珠光體鋼），在試驗(yàn)溫度低于某一溫度時(shí)，會(huì)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(jī)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(chǔ)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。韌脆轉(zhuǎn)變溫度材料呈現(xiàn)低溫脆性的臨界轉(zhuǎn)變溫度。2（1） ：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(yàn)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：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(yàn)溫度下，三個(gè)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(gè)斷口面積50%時(shí)的溫度為，并記為50%FATT，或FATT50%，t50。（新書P61，舊書P71）或:結(jié)晶區(qū)占整個(gè)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FTP3.W18Cr4V、Cr12MoV、3Cr2W8V鑄鐵球鐵 工具鋼 （脆性材料）不要開缺口 40CrNiMo、30CrMnSi、20CrMnTi要開缺口4、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(qiáng)度會(huì)隨溫度的降低急劇增加，而斷裂強(qiáng)度隨溫度的降低而變化不大。當(dāng)溫度降低到某一溫度時(shí)，屈服強(qiáng)度增大到高于斷裂強(qiáng)度時(shí)，在這個(gè)溫度以下材料的屈服強(qiáng)度比斷裂強(qiáng)度大，因此材料在受力時(shí)還未發(fā)生屈服便斷裂了，材料顯示脆性。 從微觀機(jī)制來看低溫脆性與位錯(cuò)在晶體點(diǎn)陣中運(yùn)動(dòng)的阻力有關(guān)，當(dāng)溫度降低時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，原子熱激活能力下降，因此材料屈服強(qiáng)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(qiáng)度提高的雜質(zhì)或者合金元素都會(huì)引起材料塑性和韌性變差，材料脆性提高。3顯微組織：晶粒大小，細(xì)化晶?？梢酝瑫r(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑韌性。因?yàn)榫Ы缡橇鸭y擴(kuò)展的阻力，晶粒細(xì)小，晶界總面積增加，晶界處塞積的位錯(cuò)數(shù)減 少，有利于降低應(yīng)力集中；同時(shí)晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。 金相組織：較低強(qiáng)度水平時(shí)強(qiáng)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(diǎn)對鋼的脆性有重要影響，當(dāng)其尺寸增大時(shí)均使材料韌性下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。5. 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(cuò)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。7. 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(qiáng)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(qiáng)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(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力對溫度變化非常敏感，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(cuò)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(qiáng)度時(shí)，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(shí)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(kuò)展，往往表現(xiàn)為脆性破壞。bcc類金屬及其合金或有明顯的低溫脆性，而fcc金屬及其合金一般沒有低溫脆性。宏觀上說，這是由于bcc類金屬及其合金的屈服強(qiáng)度隨溫度降低急劇增加而fcc金屬的屈服強(qiáng)度隨溫度降低只緩慢的增加。微觀上說，對于bcc金屬，其派納力較fcc金屬高很多，而派納力在屈服強(qiáng)度中占有很大比例，派納力對溫度非常敏感，隨溫度降低急劇升高，派納力的增加，增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要更大的外加應(yīng)力，其屈服強(qiáng)度隨之提高。因此bcc金屬的屈服強(qiáng)度隨溫度降低而急劇增加，而解理斷裂強(qiáng)度c隨溫度變化不敏感，高于tk，cs，材料受載后先屈服再斷裂，為韌斷；在低于tk時(shí)，材料受載后先達(dá)到斷裂強(qiáng)度，表現(xiàn)為脆斷。第四章 金屬的斷裂韌度一、解釋下列名詞（1）低應(yīng)力脆斷：在屈服應(yīng)力以下發(fā)生的斷裂。（2）張開型（型）裂紋：拉應(yīng)力垂直作用于裂紋擴(kuò)展面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴(kuò)展。（3）應(yīng)力場：應(yīng)力在空間的分布情況。應(yīng)變場：應(yīng)變在空間的分布情況。（4）應(yīng)力強(qiáng)度因子：表示應(yīng)力場的強(qiáng)弱程度?！癐”表示I型裂紋。（5）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(gè)數(shù)量級以上的屈服。（6）塑性區(qū)：金屬材料在裂紋擴(kuò)展前，其尖端附近總要先出現(xiàn)一個(gè)或大或小的塑性變形區(qū)，塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變之間就不再是線性關(guān)系。（7）有效屈服應(yīng)力：裂紋在發(fā)生屈服時(shí)的應(yīng)力（8）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（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。）（9）裂紋擴(kuò)展K判據(jù)：裂紋在受力時(shí)只要滿足 ，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂.反之，即使存在裂紋，若 也不會(huì)斷裂。（10）裂紋擴(kuò)展能量釋放率GI：I型裂紋擴(kuò)展單位面積時(shí)系統(tǒng)釋放勢能的數(shù)值。（11）裂紋擴(kuò)展G判據(jù)： ，當(dāng)滿足上述條件時(shí)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂。（12）J積分：裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能，即應(yīng)力應(yīng)變集中程度（有兩種定義或表達(dá)式：一是線積分：二是形變功率差。）（13）裂紋擴(kuò)展判據(jù)：，只要滿足上述條件，裂紋（或構(gòu)件）就會(huì)斷裂。（14）COD：裂紋尖端沿應(yīng)力方向張開所得到的位移。（判據(jù)：，當(dāng)滿足上述條件時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展。P91/P103）COD判據(jù)：=c2、說明下列斷裂韌度指標(biāo)的意義及其相互關(guān)系和 答： 臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的記作或，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(kuò)展的能力。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(kuò)展的能力。它們都是型裂紋的材料裂紋韌性指標(biāo)，但值與試樣厚度有關(guān)。當(dāng)試樣厚度增加，使裂紋尖端達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，斷裂韌度趨于一穩(wěn)定的最低值，即為，它與試樣厚度無關(guān)，而是真正的材料常數(shù)。P71/P82 答：P77/P89 當(dāng)增加到某一臨界值時(shí)，能克服裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的阻力，則裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂。將的臨界值記作，稱斷裂韌度，表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)單位面積所消耗的能量，其單位與相同，MPam：是材料的斷裂韌度，表示材料抵抗裂紋開始擴(kuò)展的能力，其單位與GIC相同。P90/P102：是材料的斷裂韌度，表示材料阻止裂紋開始擴(kuò)展的能力.P91/P104判據(jù)和判據(jù)一樣都是裂紋開始擴(kuò)展的裂紋判據(jù)，而不是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的裂紋判據(jù)。P91/P1043、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(jī)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(jī)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(jī)件的設(shè)計(jì)上，在給定裂紋尺寸的情況下，確定機(jī)件允許的最大工作應(yīng)力，或者當(dāng)機(jī)件的工作應(yīng)力確定后，根據(jù)斷裂判據(jù)確定機(jī)件不發(fā)生脆性斷裂時(shí)所允許的最大裂紋尺寸。4、為什么研究裂紋擴(kuò)展的力學(xué)條件時(shí)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)力是一個(gè)變化復(fù)雜的多向應(yīng)力，如用它直接建立裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力判據(jù)，顯得十分復(fù)雜和困難；而且當(dāng)r0時(shí)，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(huì)破壞，這顯然與實(shí)際情況不符。這說明經(jīng)典的強(qiáng)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(qiáng)度因子的意義及典型裂紋的表達(dá)式答：新書P69舊書P80參看書中圖（應(yīng)力場強(qiáng)度因子的意義見上） 幾種裂紋的表達(dá)式，無限大板穿透裂紋：；有限寬板穿透裂紋：；有限寬板單邊直裂紋：當(dāng)ba時(shí)，；受彎單邊裂紋梁：；無限大物體內(nèi)部有橢圓片裂紋，遠(yuǎn)處受均勻拉伸：；無限大物體表面有半橢圓裂紋，遠(yuǎn)處均受拉伸：A點(diǎn)的。 6、 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(qiáng)度理論不能解決存在宏觀裂紋為什么會(huì)產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷的原因。K判據(jù)將材料斷裂韌度同機(jī)件的工作應(yīng)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(jì)計(jì)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(jī)件材料、優(yōu)化工藝等。P71/P83 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(jī)件上由于存在裂紋，在裂紋尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)y趨于材料的屈服應(yīng)力時(shí)，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??；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/s)2成正比。8、試述塑性區(qū)對KI的影響及KI的修正方法和結(jié)果。由于裂紋尖端塑性區(qū)的存在將會(huì)降低裂紋體的剛度，相當(dāng)于裂紋長度的增加，因而影響應(yīng)力場和及KI的計(jì)算，所以要對KI進(jìn)行修正。最簡單而適用的修正方法是在計(jì)算KI時(shí)采用“有效裂紋尺寸”，即以虛擬有效裂紋代替實(shí)際裂紋，然后用線彈性理論所得的公式進(jìn)行計(jì)算?；舅悸肥牵核苄詤^(qū)松弛彈性應(yīng)力的作用于裂紋長度增加松弛彈性應(yīng)力的作用是等同的，從而引入“有效長度”的概念，它實(shí)際包括裂紋長度和塑性區(qū)松弛應(yīng)力的作用。（415）的計(jì)算結(jié)果忽略了在塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)變能釋放率與彈性體應(yīng)變能釋放率的差別，因此，只是近似結(jié)果。當(dāng)塑性區(qū)小時(shí)，或塑性區(qū)周圍為廣大的彈性去所包圍時(shí)，這種結(jié)果還是很精確。但是當(dāng)塑性區(qū)較大時(shí)，即屬于大范圍屈服或整體屈服時(shí)，這個(gè)結(jié)果是不適用的。11 的意義：表示裂紋張開位移。表達(dá)式。P91/P10313、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性之間的關(guān)系：總的來說，斷裂韌度隨強(qiáng)度的升高而降低。詳見新P80/P9314試述K1c和Akv的異同及其相互之間的關(guān)系。相同點(diǎn)：斷裂韌性與沖擊韌性都反映了材料的韌性性能。不同點(diǎn)：K1c能滿足平面應(yīng)變的要求，Akv一般不能滿足，應(yīng)力狀態(tài)不同，應(yīng)變速率不同，沖擊是在應(yīng)變速率高的沖擊載荷下對材料的組織缺陷等因素反映更加靈敏，K1c反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，而沖擊Akv則反映裂紋形成和擴(kuò)展過程所消耗的能量，應(yīng)用不同，Akv是安全性能指標(biāo)，K1c用于定量。關(guān)系：中高強(qiáng)鋼K1c與Akv及0.2的關(guān)系15、影響的冶金因素：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。P81/P9516.有一大型板件，材料的0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探傷發(fā)現(xiàn)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(jì)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=900MPa根據(jù)/0.2的值，確定裂紋斷裂韌度KIC是否休要修正 因?yàn)?0.2=900/1200=0.750.7，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： = （MPa*m1/2）塑性區(qū)寬度為： =0.004417937(m)= 2.21(mm)比較K1與KIc：因?yàn)镵1=168.13（MPa*m1/2）KIc=115（MPa*m1/2）所以：K1KIc ，裂紋會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)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=1，測試材料的0.2=720MPa ，試估算材料的斷裂韌度KIC為多少？解： 因?yàn)?0.2=150/720=0.208Kth時(shí)，da/dN0,疲勞裂紋才開始擴(kuò)展。因此，Kth是疲勞裂紋不擴(kuò)展的K臨界值，稱為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。 3.試述金屬疲勞斷裂的特點(diǎn) p96/p109（1）疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，機(jī)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（新書P9698，舊書P109111）答：典型疲勞斷口具有三個(gè)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?yàn)檫@里在整個(gè)裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)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(kuò)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(kuò)展逐漸減弱。貝紋線是由載荷變動(dòng)引起的，如機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的開動(dòng)與停歇，偶然過載引起的載荷變動(dòng)，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(kuò)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P101102，舊書P115117）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(dá)形式。意義：很多機(jī)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(yīng)這類機(jī)件的設(shè)計(jì)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、疲勞圖建立：這種圖的縱坐標(biāo)以表示，橫坐標(biāo)以表示。然后，以不同應(yīng)力比r條件下將表示的疲勞極限分解為和，并在該坐標(biāo)系中作ABC曲線，即為疲勞圖。其幾何關(guān)系為：（用途）：我們知道應(yīng)力比r，將其代入試中，即可求得和，而后從坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)B便是所求的點(diǎn)，其縱、橫坐標(biāo)之和，即為相應(yīng)r的疲勞極限，。2、疲勞圖建立：這種圖的縱坐標(biāo)以或表示，橫坐標(biāo)以表示。然后將不同應(yīng)力比r下的疲勞極限，分別以和表示于上述坐標(biāo)系中，就形成這種疲勞圖。幾何關(guān)系為：（用途）：我們只要知道應(yīng)力比r,就可代入上試求得和，而后從坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)H的縱坐標(biāo)即為疲勞極限。7.試述疲勞裂紋的形成機(jī)理及阻止疲勞裂紋萌生的一般方法。7.機(jī)理： 1、滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋。金屬在循環(huán)應(yīng)力長期作用下，即使其應(yīng)力低于屈服應(yīng)力，也會(huì)發(fā)生循環(huán)滑移并形成循環(huán)滑移帶，這種循環(huán)滑移是極不均勻的，總分布在某些局部薄弱區(qū)，這種循環(huán)滑移帶具有持久駐留性，稱為駐留滑移帶，隨著加載循環(huán)次數(shù)增加，循環(huán)滑移帶會(huì)不斷地加寬，當(dāng)加寬到一定程度時(shí)，由于位錯(cuò)的塞積和交割作用，便在駐留滑移帶處形成微裂紋。2、相界面開裂產(chǎn)生裂紋。材料中的第二相或夾雜物易引發(fā)疲勞裂紋。3、晶界開裂產(chǎn)生裂紋。對晶體材料由于晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位錯(cuò)在某一晶粒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到晶界的阻礙作用，在晶界處發(fā)生位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中現(xiàn)象，在應(yīng)力不斷循環(huán)下，晶界處的應(yīng)力集中得不到松弛時(shí)，則應(yīng)力峰越來越高，當(dāng)超過晶界強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在晶界處產(chǎn)生裂紋。阻止方法：1、固溶強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化，提高材料的滑移抗力，均可以阻止疲勞裂紋的萌生，提高疲勞強(qiáng)度。2、控制第二相或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布，使之“少、圓、小、勻”，均可抑制或延緩疲勞裂紋在第二相或夾雜物附近萌生。3、晶界強(qiáng)化，凈化和細(xì)化晶粒均可抑制晶界裂紋形成。8試述影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的主要因素。答：1、應(yīng)力比r（或平均應(yīng)力）的影響：Forman提出殘余壓應(yīng)力因會(huì)減小r,使降低和升高，對疲勞壽命有利；而殘余拉應(yīng)力因會(huì)增大r，使升高和降低，對疲勞壽命不利。2、過載峰的影響：偶然過載進(jìn)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(shí)反而是有益的。3、材料組織的影響：晶粒大?。壕ЯＴ酱执?，其值越高，越低，對疲勞壽命越有利。組織：鋼的含碳量越低，鐵素體含量越多時(shí)，其值就越高。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(shí)，可以提高鋼的，降低。噴丸處理：噴丸強(qiáng)化也能提高。9試述疲勞微觀斷口的主要特征。（新書P113P114，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(fù)雜的金屬，其疲勞條帶短窄而紊亂。疲勞裂紋擴(kuò)展的塑性鈍化模型(Laird模型)：圖中(a),在交變應(yīng)力為零時(shí)裂紋閉合。圖(b)，受拉應(yīng)力時(shí)，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(kuò)大，裂紋尖端張開呈半圓形，裂紋停止擴(kuò)展。由于塑性變形裂紋尖端的應(yīng)力集中減小，裂紋停止擴(kuò)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(shí)，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(shí)，裂紋完全閉合，裂紋尖端又由鈍變銳，形成一對尖角。疲勞條帶是疲勞斷口最典型的微觀特征，略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣。每一條疲勞條帶可以視作一次應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展痕跡，裂紋的擴(kuò)展方向與條帶垂直。形成模型：塑性鈍化模型疲勞裂紋擴(kuò)展的第二階段是在應(yīng)力循環(huán)下，裂紋尖端鈍銳交替交化的過程，疲勞條帶就是這種疲勞裂紋擴(kuò)展所留下的痕跡。10.試述疲勞裂紋擴(kuò)展壽命和剩余壽命的估算方法和步驟。1、用無損檢驗(yàn)探傷方法確定初始裂紋尺寸ao及形狀、位置和取向。2、確定構(gòu)件交變應(yīng)力max，min，從而得。3、確定應(yīng)力場強(qiáng)度因子幅值K1的表達(dá)式。4、根據(jù)材料的斷裂韌性及工作應(yīng)力確定構(gòu)件的臨界裂紋尺寸ac。5、選擇或試驗(yàn)確定疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式（c，n）。6、用積分方法計(jì)算從ao到ac所需的循環(huán)周次，即疲勞剩余壽命Nf。12試述金屬表面強(qiáng)化對疲勞強(qiáng)度的影響。答：表面強(qiáng)化處理可在機(jī)件表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)還能提高機(jī)件表面的強(qiáng)度和硬度。這兩方面的作用都能提高疲勞強(qiáng)度。表面強(qiáng)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(jiān)硬的小彈丸高速噴打向機(jī)件表面，使機(jī)件表面產(chǎn)生局部形變硬化；同時(shí)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(qiáng)化效果更好。（2） 表面熱處理及化學(xué)熱處理 他們除能使機(jī)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(jī)件表面層獲得高強(qiáng)度和殘余壓應(yīng)力，更有效地提高機(jī)件疲勞強(qiáng)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)變幅和溫度等。循環(huán)硬化和軟化與b / s有關(guān)：b / s1.4，表現(xiàn)為循環(huán)硬化；b / s1.2，表現(xiàn)為循環(huán)軟化；1.2b / s1.4，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，n1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(cuò)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)：退火軟金屬中，位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用，運(yùn)動(dòng)阻力增大而硬化。冷加工后的金屬中，有位錯(cuò)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(shí)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。3、白點(diǎn)：當(dāng)鋼中含有過量的氫時(shí)，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(kuò)散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子。此時(shí)，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B 或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。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、scc：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(qiáng)度因子。3、da/dt：盈利腐蝕列紋擴(kuò)展速率。三.試述金屬產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條件及機(jī)理。條件：應(yīng)力，化學(xué)介質(zhì)，金屬材料三者共存機(jī)理：1、對應(yīng)力腐蝕敏感的合金在特定的化學(xué)介質(zhì)中，首先在表面形成一層鈍化膜，使金屬不致進(jìn)一步受到腐蝕，即處于鈍化狀態(tài)。2、在拉應(yīng)力作用下，使裂紋尖端地區(qū)產(chǎn)生局部塑性變形，滑移臺階在表面露頭時(shí)鈍化 膜破裂，顯露出新鮮表面。3、露出的新鮮表面在電解質(zhì)溶液中成陽極，而其余具有鈍化膜的金屬表面為陰極，從 而形成腐蝕微電池，陽極金屬變成正離子進(jìn)入電解質(zhì)中而產(chǎn)生陽極溶解，于是在金 屬表面形成蝕坑。4、拉應(yīng)力在蝕坑或原有裂紋尖端形成應(yīng)力集中，使陽極電位降低，加速陽極金屬的溶解，如果裂紋尖端的應(yīng)力集中始終存在，那么微電池反。四，應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率曲線：分析應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率da/dt與K1關(guān)系曲線，并與疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線進(jìn)行比較。第一階段：當(dāng)K1剛超過K1scc時(shí)，裂紋經(jīng)過一段孕育期后突然加速擴(kuò)展，da/dt-K1曲線幾乎與縱坐標(biāo)軸平行。第二階段：曲線出現(xiàn)水平階段，da/dt與K1幾乎無關(guān)。第三階段：裂紋長度已接近臨界尺寸，da/dt又明顯地依賴于K1，隨K1增大而急劇增大。 疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線：第一階段：裂紋初始擴(kuò)展階段，da/dN很小，從Kth開始，隨K增加da/dN快速提高，因K變化范圍小，da