材料力學(xué)性能總結(jié)

1、材料力學(xué)性能總結(jié) 材料力學(xué)性能：材料在各種外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。 屈服現(xiàn)象：外力不增加，試樣仍然繼續(xù)伸長，或外力增加到一定數(shù)值時突然下降，隨后在外力不增加或上下波動情況下，試樣繼續(xù)伸長變形。 屈服過程：在上屈服點，呂德斯帶形成；在下屈服點，呂德斯帶擴展；當(dāng)呂德斯帶掃過整個試樣時，屈服伸長結(jié)束。 屈服變形機制：位錯運動與增殖的結(jié)果。 屈服強度：開始產(chǎn)生塑性變形的最小應(yīng)力。 屈服判據(jù)： 屈雷斯加最大切應(yīng)力理論：在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)最大切應(yīng)力達到或超過相同金屬材料的拉伸屈服強度時產(chǎn)生屈服。 米賽斯畸變能判據(jù)：在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)比畸變能等于或超過相同金屬材料在單向拉伸屈服時的比畸變能時，將

2、產(chǎn)生屈服。 消除辦法： 加入少量能奪取固溶體合金中溶質(zhì)原子的物質(zhì)，使之形成穩(wěn)定化合物的元素； 通過預(yù)變形，使柯氏氣團被破壞。 影響因素： 1. 內(nèi)因： a) 金屬本性及晶格類型：金屬本性及晶格類型不同，位錯運動所受的阻力不同。 b) 晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)：減小晶粒尺寸將使屈服強度提高。 c) 溶質(zhì)元素：固溶強化。 d) 第二相 2. 外因：溫度(-)；應(yīng)變速率(+)；應(yīng)力狀態(tài)。 第二相強化(沉淀強化+彌散強化)：通過第二相阻礙位錯運動實現(xiàn)的強化。 強化效果： 在第二相體積比相同的情況下，第二相質(zhì)點尺寸越小，強度越高，強化效果越好； 在第二相體積比相同的情況下，長形質(zhì)點的強化效果比球形質(zhì)點的強化效果

3、好； 第二相數(shù)量越多，強化效果越好。 細晶強化：通過減小晶粒尺寸增加位錯運動障礙的數(shù)目(阻力大)，減小晶粒內(nèi)位錯塞積群的長度(應(yīng)力小)，從而使屈服強度提高的方法。 同時提高塑性及韌性的機理： 晶粒越細，變形分散在更多的晶粒內(nèi)進行，變形較均勻，且每個晶粒中塞積的位錯少，因應(yīng)力集中引起的開裂機會較少，有可能在斷裂之前承受較大的變形量，即表現(xiàn)出較高的塑性。 細晶粒金屬中，裂紋不易萌生（應(yīng)力集中少），也不易傳播（晶界曲折多），因而在斷裂過程中吸收了更多能量，表現(xiàn)出較高的韌性。 固溶強化：在純金屬中加入溶質(zhì)原子形成固溶合金，將顯著提高屈服強度。 原因：溶質(zhì)原子與位錯的彈性相互作用，使溶質(zhì)原子擴散到位錯周

4、圍，形成柯氏氣團；柯氏氣團釘扎位錯，提高位錯運動阻力。 強化效果：間隙固溶體的強化效果大于置換固溶體；溶質(zhì)和溶劑原子尺寸差越大，強化效果越好；溶質(zhì)濃度越大，強化效果越好。 應(yīng)變硬化(形變強化)：金屬材料塑性變形過程中所需要的外力不斷增大，表明金屬材料有一種阻止繼續(xù)塑性變形的能力。 原因：塑性變形過程中，位錯不斷增殖，運動受阻所致。 斷裂韌度：臨界或失穩(wěn)狀態(tài)下的應(yīng)力場強度因子的大小。 塑性變形：作用在物體上的外力取消后，物體的變形不完全恢復(fù)而產(chǎn)生的永久變形。 1. 單晶體：滑移+孿生； 2. 多晶體：各個晶粒塑性變形的綜合結(jié)果。 特點：各晶粒變形的不同時性；不均勻性；相互協(xié)調(diào)性。 彈性變形：當(dāng)外

5、力去除后，能恢復(fù)到原來形狀或尺寸的變形。 物理實質(zhì)：晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。 特點：可逆性；單值性；全程性；變形量很小。 構(gòu)件的剛度：構(gòu)件產(chǎn)生單位彈性變形所需要的載荷。 物理意義：表示構(gòu)件的彈性穩(wěn)定性的參量，剛度越大，構(gòu)件工作時越穩(wěn)定。 在工程上，為了減輕重量，必須選擇E較大的材料。 彈性極限：金屬產(chǎn)生彈性變形而不產(chǎn)生塑性變形時所受的最大應(yīng)力。它表示材料發(fā)生彈性變形的極限抗力。 縮頸：韌性金屬材料在拉伸試驗時變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象。 原因：應(yīng)變硬化與截面積減小共同作用的結(jié)果。當(dāng)應(yīng)變硬化引起的承載力增加不能補償截面積減小引起的承載力減小時，就會產(chǎn)生縮頸。 縮頸判據(jù)1：當(dāng)應(yīng)變

6、硬化速率等于該處的真應(yīng)力時，發(fā)生縮頸。 縮頸判據(jù)2：當(dāng)應(yīng)變硬化指數(shù)等于最大真實均勻塑性應(yīng)變量時，發(fā)生縮頸。 為什么真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線需要校正？ 因為縮頸產(chǎn)生后，應(yīng)力狀態(tài)由單向應(yīng)力變?yōu)槿驊?yīng)力，為了求得仍然是均勻軸向應(yīng)力狀態(tài)下的真實應(yīng)力，以得到真正的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 為什么校正后的曲線應(yīng)力下降？ 因為三向應(yīng)力狀態(tài)下，材料塑性變形比較困難，所以必須提高軸向應(yīng)力，使塑性變形繼續(xù)發(fā)生。 靜力韌度：金屬材料光滑試樣在靜載荷作用下拉伸至斷裂，單位體積材料所吸收的能量。 韌度指能量，韌性指能力。 韌度：指金屬材料拉伸斷裂前單位體積材料所吸收的能量。 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、純剪切斷裂： 特征：在切應(yīng)力作用下，金屬產(chǎn)生塑性變形，沿滑移面分離而造成的斷裂。試樣內(nèi)部不產(chǎn)生孔洞，位錯只能從試樣表面放出。 微孔聚集型斷裂： 1. 通過微孔形核、長大聚合而導(dǎo)致材料分離的。 2. 宏觀特征：杯錐狀斷口；微觀特征：韌窩。 3. 微孔形核：位錯運動到第二相與基體界面處，塞積產(chǎn)生應(yīng)力集中，使第二相質(zhì)點與基體 分離，形成微孔。 4. 長大與聚合：每個微型拉伸試樣產(chǎn)生縮頸而斷裂，相鄰微孔聚合，形成微裂紋。然后在 裂紋尖端的三向拉應(yīng)力區(qū)及應(yīng)力集中區(qū)形成新的微孔，借助內(nèi)縮頸與裂紋連通，如此擴展直到裂紋斷裂。 5. 韌窩大小的影響因素：第二相質(zhì)點的大小和密度；應(yīng)變硬化指數(shù)；基體材料的塑性變形

8、 能力。 6. 韌窩形狀的影響因素：正應(yīng)力：等軸韌窩；切應(yīng)力：拉長韌窩；撕裂應(yīng)力：撕裂韌窩。 解理斷裂：在一定條件下，當(dāng)外加正應(yīng)力達到一定數(shù)值后，以極快速率沿解理面產(chǎn)生的穿晶斷裂。 基本微觀特征：河流花樣，解理臺階，舌狀花樣。 解理裂紋的形成和擴展： 1. 甄納-斯特羅位錯塞積理論 a) 形成：一群刃型位錯沿滑移面運動遇到晶界等障礙而形成位錯塞積群，產(chǎn)生的應(yīng)力 集中有可能達到斷裂強度而在材料內(nèi)部沿某一晶體學(xué)平面拉出一個裂口。 b) 長大擴展：塑性變形形成裂紋；裂紋在同一晶粒內(nèi)初期長大；裂紋越過晶界向相鄰 晶粒擴展。 晶粒尺寸小于臨界值時，材料受力后先屈服，后斷裂； 晶粒尺寸大于臨界值時，材料受

9、力后直接脆性斷裂。 2. 柯垂?fàn)栁诲e反應(yīng)理論 a) 位錯反應(yīng)必須滿足柏氏矢量守恒性和能量降低性。 b) 原理：通過各相交滑移面上的位錯滑移，相遇后發(fā)生反應(yīng)形成新位錯，新位錯塞積 產(chǎn)生應(yīng)力集中，使解理面開裂。 3. 相同點：都是由于位錯運動受阻產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而形成初始裂紋的，即裂紋形成前都 有少量塑性變形；裂紋擴展力學(xué)條件相同。 4. 不同點：甄納-斯特羅位錯塞積理論的位錯在晶界處受阻，裂紋產(chǎn)生于晶界；柯垂?fàn)栁?錯反應(yīng)理論的位錯在晶內(nèi)解理面處受阻，裂紋產(chǎn)生于晶內(nèi)。 理論斷裂強度(理想晶體解理)：是指在正應(yīng)力作用下，將晶體的兩個原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應(yīng)力。是晶體在彈性狀態(tài)下的最大結(jié)合力

10、。 ?= ? 其中?為表面能，E為彈性模量，?0為原子間的平衡距離。適用于脆性斷裂。 格雷菲斯公式(裂紋物體的實際斷裂強度)： ?= ? 其中?為表面能，a為裂紋的半長度，只適用于薄板。適用于有裂紋試樣的脆性斷裂。 斷裂判據(jù)：外加應(yīng)力大于c時裂紋擴展；裂紋半長度大于ac時裂紋擴展。 位錯塞積及位錯反應(yīng)理論(解理裂紋斷裂應(yīng)力)： ?=?其中G為切變模量，?為釘扎常數(shù)，d為晶粒直徑。適用于塑性變形中的斷裂及無裂紋的完整試樣。 金屬在單向靜拉伸載荷下的性能 1. 名詞解釋 a) ：金屬開始塑性變形前單位體積吸收的最大彈性變形功。 b) ：表征材料對彈性變形的抗力，其值越大，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生彈性變

11、形就越小。 影響因素：原子本性及晶格類型。 c) ：隨時間延長產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變，即應(yīng)變 落后于應(yīng)力的現(xiàn)象。 d) 循環(huán)韌性：金屬材料在交變載荷作用下吸收不可逆變形功的能力。 e) ：材料經(jīng)預(yù)先加載并產(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。 f) ：金屬斷裂前發(fā)生塑性變形（不可逆永久變形）的能力。 意義： i. 延伸率和斷面收縮率是安全性能指標(biāo)，一定的塑性可緩和應(yīng)力集中，避免脆性 斷裂； ii. iii. 金屬的塑變能力是壓力加工成型工藝的基礎(chǔ)； 用縱橫向延伸率之差也可評定鋼材的質(zhì)量。 g) 斷后伸長率：試樣拉斷后標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百

12、分比。 h) 斷面收縮率：試樣拉斷后縮頸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，用斷后伸長率評定其塑性； 對于非長形零件，用斷面收縮率評定其塑性。 i) j) k) l) m) 脆性：材料在外力作用下產(chǎn)生很小的變形即斷裂破壞的能力。 韌性：指金屬材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。 解理臺階：相互平行且位于不同高度的解理面連接形成的臺階。 河流花樣：若干解理臺階匯合形成的花樣。 解理刻面：大致以晶粒大小為單位的解理面。 解理裂紋的擴展：晶界應(yīng)力集中一系列相互平行而位于不同高度的解理面相互連接形成解理臺階若干解理臺階匯合形成河流狀花樣(支流匯合方向即

13、為裂紋擴展方向) n) 解理面：金屬材料在外力作用下嚴格沿著一定晶體學(xué)平面發(fā)生解理斷裂時的平面， 一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面。 o) 穿晶斷裂：裂紋穿過晶內(nèi)發(fā)生的斷裂； p) 沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴展發(fā)生的斷裂； q) 韌脆轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象。 r) ?.?：規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應(yīng)力，用以表示材料的屈服強度。 s) t) u) 屈服點?：屈服狀態(tài)的金屬材料拉伸時，試樣在外力不增加仍能繼續(xù)伸長時的應(yīng)力。 ：韌性金屬材料拉斷過程中最大載荷所對應(yīng)的應(yīng)力。 ：表示金屬的應(yīng)變硬化能力，反映了金屬材料抵抗均勻塑性變形的 能力。(其值越大，曲線越陡，抵抗均

14、勻塑性變形的能力就越強，并不代表其塑S?Ke 性差。) n 2. 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(xué)性能？ 彈性模量主要取決于原子本性及晶格類型。 由于彈性變形是原子間距在外力作用下可逆變化的結(jié)果，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系實際上是原子間作用力與原子間距的關(guān)系，所以彈性模量與原子間作用力與原子間距有關(guān)，導(dǎo)致合金化，熱處理，冷塑性變形對彈性模量的影響較小，因此說它對結(jié)構(gòu)不敏感。 3. 今有45、40Cr、35CrMo鋼和灰鑄鐵幾種材料，你選擇那種材料作為機床機身？為什么？ 機床床身需要良好的減震性能，即選擇高循環(huán)韌性的材料。而灰鑄鐵的循環(huán)韌性最高，消振性最好，因此選擇灰鑄鐵。

15、4. 試舉出幾種能顯著強化金屬而又不降低其塑性的方法。 a) 細晶強化：(阻力大)群的長度(應(yīng)力小)，從而使屈服強度提高的方法。由于細化晶粒后晶界面積增大，而晶界是位錯運動的障礙，因此可以提高屈服強度。而且細晶可以使塑性變形分散到每個晶粒內(nèi)進行，以此提高塑性和韌性。 b) 應(yīng)變硬化：金屬材料塑性變形過程中所需要的外力不斷增大，因此可以通過使金屬 材料發(fā)生塑性變形來強化金屬的方法。由于它只是提高了金屬抵抗均勻塑性變形的能力，并沒有影響金屬的塑性變形量，因此它可以在不影響塑性的情況下強化金屬。 5. 為何工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，塑性變形到一定程度時應(yīng)力卻開始下降？ 因為工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的應(yīng)力和應(yīng)

16、變是用試樣原始截面積和原始標(biāo)距長度來度量的，并不代表實際瞬時的應(yīng)力和應(yīng)變。 6. 如果工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實際不符，那么為何還要使用它？ 因為工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線最重要的作用是可以表現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，可直觀地讀出縮頸點的位置。 7. 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降是否說明應(yīng)變硬化只發(fā)生在縮頸之前？ 否，應(yīng)變硬化自塑性變形開始一直持續(xù)到塑性變形結(jié)束，真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以很好地表現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。 韌性斷裂： 特征：斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形，斷口形貌為暗灰色纖維狀。 脆性斷裂： 特征：斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷裂面一般與正應(yīng)力垂直，斷口呈平齊狀，可見明顯輻射狀線或結(jié)晶狀。 注意： 任何材料在斷裂前都將產(chǎn)生塑

17、性變形； 一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5%為脆性斷裂，大于5%為韌性斷裂； 金屬材料的韌性與脆性是根據(jù)一定條件下的塑性變形量來規(guī)定的。 穿晶可以是韌性或脆性斷裂，但沿晶多為脆性斷裂。 8. 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？ a) 三要素指剪切唇，放射區(qū)及纖維區(qū)。 b) 影響因素有試樣的形狀尺寸，金屬材料的性能以及試驗溫度，加載速率，受力狀 態(tài)。當(dāng)試樣含有缺口，越厚，強度越高，塑性越差，試驗溫度越低，加載速率越快，受到三向應(yīng)力作用時更容易出現(xiàn)脆斷的宏觀形貌。 9. 有一材料E = 21011N/m2，s = 8N/m。試計算在7107 N/m2的拉應(yīng)力作用下，該材

18、料中能擴展的裂紋最小長度？ 2由格里菲斯實際斷裂強度可知，a=2E?/? 代入得裂紋半長度a=0.2mm，即裂紋長度為0.4mm。 10. 試根據(jù)方程 ?+? ?=? a) 材料成分：合金元素引起單系滑移或?qū)\生，產(chǎn)生位錯釘扎，減小表面能及形成粗大 的第二相都會增大脆性斷裂傾向；細化晶粒及獲得彌散第二相可以使脆斷傾向減小。 b) 雜質(zhì)：使釘扎常數(shù)增大，增大脆性斷裂傾向。 c) 溫度：溫度越高，位錯運動阻力越小，越容易發(fā)生韌性斷裂。 d) 晶粒大小：晶粒越細小，塑性韌性提高，脆斷傾向減小。 e) 應(yīng)力狀態(tài)：切應(yīng)力越大，正應(yīng)力越小，脆斷傾向越小。 f) 加載速率：加載速率越高，位錯運動阻力越大，越容

19、易發(fā)生脆斷。 EX. 內(nèi)部因素的影響： i. 切變模量G：G越高，脆斷傾向越??； ii. 有效表面能?(表面能+塑性變形功)：fcc的?更大，不易發(fā)生脆性斷裂； iii. 位錯在金屬中運動的阻力(派納力) ?：越大則位錯越不易運動，脆性越大； iv. 晶粒尺寸d：見上； v. 釘扎常數(shù)?：其越大，位錯越不易運動，越容易出現(xiàn)脆性斷裂。 EX2. 外部因素影響：應(yīng)力狀態(tài)；溫度；應(yīng)變速率：見上。 ?金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能 1. 名詞解釋 a) 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)a：金屬的最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力的比值，即二者的相對大??； 正應(yīng)力促進脆性斷裂；切應(yīng)力促進塑性變形和韌性斷裂。 a越大，最大切應(yīng)力越大，

20、應(yīng)力狀態(tài)越“軟”，越易產(chǎn)生塑性變形和韌性斷裂； a越小，最大正應(yīng)力越大，應(yīng)力狀態(tài)越“硬”，越易產(chǎn)生脆性斷裂。 i. 壓縮實驗的特點： 1. 單向壓縮試驗的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)=2，主要用于拉伸時呈脆性的金屬材料力學(xué)性能測定； 2. 拉伸時塑性很好的材料，在壓縮時只發(fā)生壓縮變形而不斷裂；拉伸為脆性斷裂的材料，在壓縮 時發(fā)生塑性變形而韌斷。 彎曲實驗的特點： 1. 試樣加工方便，試驗操作簡單，且不會出現(xiàn)拉伸試驗時加載偏心等困難； 2. 試樣截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力最大，故可較靈敏地反映材料的表面缺陷。 彎曲實驗的用途： 1. 測定彎曲力學(xué)性能指標(biāo)； 2. 用于反映材料的表面質(zhì)量和表面缺陷； 3

21、. 用于反映脆性或低塑性材料的強度和塑性。 扭轉(zhuǎn)實驗的特點： 1. 應(yīng)力對稱分布； 2. 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)=0.8，比拉伸時的大，易于顯示金屬的塑性行為； 3. 扭轉(zhuǎn)時塑性變形均勻，沒有縮頸現(xiàn)象，所以能實現(xiàn)大塑性變形量下的試驗； 4. 能較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。 5. 根據(jù)斷口的宏觀特征，明確區(qū)分最終斷裂方式。 ii. iii. iv. b) 應(yīng)力集中：應(yīng)力分布不均勻并出現(xiàn)最大值的現(xiàn)象。 c) 應(yīng)力集中系數(shù)Kt：表示缺口試樣的應(yīng)力集中程度。（最大應(yīng)力/平均應(yīng)力） 只取決于缺口的幾何形狀，與材料性質(zhì)無關(guān)。具有局部效應(yīng)。 d) ：由于缺口的存在引起應(yīng)力集中，并引起兩向應(yīng)力狀態(tài)

22、或三向應(yīng)力狀態(tài)， 使材料的強度增高，塑性下降，脆性增大的現(xiàn)象。 薄板缺口前方為兩向應(yīng)力狀態(tài)，厚板缺口前方為三向應(yīng)變狀態(tài)。 彈性和塑性狀態(tài)的比較： 相同點：彈性狀態(tài)下和塑性狀態(tài)下都會產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變集中和三向應(yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致變脆。 不同點：應(yīng)力最大位置不同，且彈性狀態(tài)下，抗拉強度降低；塑性狀態(tài)下，屈服強度和抗拉強度增大。 e) 缺口敏感性：因缺口存在造成兩向/三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變集中而變脆的傾向。 f) 缺口敏感度NSR：缺口試樣的抗拉強度與等截面的光滑試樣的抗拉強度的比值。 ?NSR= ? 脆性材料：NSR<1，敏感；塑性材料：NSR>1，不敏感。NSR值越大，缺口敏感性越小。 g

23、) 布氏硬度HBW：用一定直徑的硬質(zhì)合金球作壓頭，施以一定的試驗力，將其壓入 試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，試樣表面將殘留壓痕。單位壓痕凹面積上承受的載荷值即為布氏硬度值HBW。 優(yōu)點：壓痕面積較大，能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能，不受個別組成相及微小不均勻性的影響，且試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強。 缺點：對HBW>450以上的太硬材料不能使用；不宜于某些表面不允許有較大壓痕的成品或薄件檢驗；不同材料要換球體和載荷，d的測量也比較麻煩。 h) 洛氏硬度HR?：以測量壓頭的壓痕深度來表示的材料硬度值。 優(yōu)點：操作簡便、迅速，硬度值可直接讀出；壓痕小，不傷工件表面，可在工件上直接

24、實驗；采用不同標(biāo)尺可測定各種軟硬不同的金屬和厚薄不一的試樣的硬度。 缺點：壓痕較小，代表性差；所測硬度值重復(fù)性差，分散度大；不同標(biāo)尺測得的硬度值不能直接比較。 i) 維氏硬度HV：根據(jù)壓痕單位面積上承受的試驗力作為硬度值，壓頭為兩相對面間 夾角為136的金剛石四棱錐體。 優(yōu)點：不存在載荷和壓頭直徑的約束，以及壓頭變形問題；不存在洛氏硬度值無法統(tǒng)一的問題；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。 缺點：生產(chǎn)效率沒有洛氏高。 j) 抗壓強度?：試樣壓至破壞過程中的最大應(yīng)力。 k) 抗彎強度?：試樣彎曲至斷裂前達到的最大彎曲力。 l) 抗扭強度?：試樣在扭斷前

25、承受的最大扭矩。 2. 試綜合比較單向拉伸，壓縮，彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗的特點和應(yīng)用范圍。 a) 單向拉伸： i. 容易操作，應(yīng)用廣泛； ii. 測試的是材料與時間無關(guān)的力學(xué)行為； iii. 采用的是光滑完整試樣； iv. 常溫、大氣介質(zhì)，單向靜拉伸載荷； v. 用于測定材料的彈性、強度和塑性性能。 b) 壓縮： i. 單向壓縮試驗的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)=2，主要用于拉伸時呈脆性的金屬材料 力學(xué)性能的測定。 ii. 拉伸時塑性很好的材料，在壓縮時只發(fā)生壓縮變形而不斷裂；拉伸為脆性斷裂 的材料，在壓縮時發(fā)生塑性變形而韌斷。 c) 彎曲： i. 特點： 1. 試樣加工方便，試驗操作簡單，且不會出現(xiàn)拉伸試驗時加

26、載偏心等困難； 2. 試樣截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力最大，故可較靈敏地反映材料的 表面缺陷。 ii. 應(yīng)用： 1. 測定彎曲力學(xué)性能指標(biāo)； 2. 用于反映材料的表面質(zhì)量和表面缺陷； 3. 用于反映脆性或低塑性材料的強度和韌性。 d) 扭轉(zhuǎn)試驗 i. 特點： 1. 應(yīng)力呈中心對稱分布； 2. 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)=0.8，比拉伸時大，易于顯示金屬的塑性行為； 3. 扭轉(zhuǎn)時塑性變形均勻，沒有縮頸現(xiàn)象，所以能實現(xiàn)大塑性變形量下的試 驗。 4. 能較敏感地反映出金屬的性能。 5. 可以根據(jù)斷口的宏觀特征，明確區(qū)分最終斷裂方式。 ii. 應(yīng)用：用于測定材料的切斷強度和表面質(zhì)量。 3. 試述脆性材料彎曲

27、試驗的特點及應(yīng)用。 a) 特點： i. 試樣加工方便，試驗操作簡單，且不會出現(xiàn)拉伸試驗時加載偏心等困難； ii. 試樣截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力最大，故可較靈敏地反映材料的表面 缺陷。 b) 應(yīng)用： i. 測定彎曲力學(xué)性能指標(biāo)； ii. 用于反映材料的表面質(zhì)量和表面缺陷； iii. 用于反映其強度和韌性。 金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能 沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點： 1. 包括彈性變形、塑性變形、斷裂； 2. 沖擊力時間短且測不準(zhǔn)； 3. 對金屬材料的彈性行為及彈性模量無影響。 4. 滑移臨界切應(yīng)力增大，金屬產(chǎn)生應(yīng)變速率硬化。 5. 塑性變形難以充分進行且極不均勻。 1. 名詞解釋 a)

28、 加載速率：載荷施加于試樣或機件時的速率，用單位時間內(nèi)應(yīng)力增加的數(shù)值表示。 b) ：材料在沖擊載荷作用下，吸收塑性變形功和斷裂功的能力。 c) ：試樣變形和斷裂所消耗的功。 Ak，ak值越大，材料的韌性越好。 無論Ak還是ak均不能完全真正反映材料的韌脆程度(包括了部分彈性變形功)。 用途： 沖擊韌度可以作為零件工作時的安全性指標(biāo)； 能反映原材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量； 可以測定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，從而評定材料的低溫脆性傾向。 d) ：BCC或HCP金屬及合金，在低于某一溫度時，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇?性狀態(tài)，斷裂機理由微孔聚集型變?yōu)榻饫硇?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀的特性。 面心立方及

29、高強度材料不存在低溫脆性。 e) ：沖擊韌性顯著下降時的溫度，是衡量材料冷脆轉(zhuǎn)化傾向的重要指標(biāo)。 i. 意義： tk是材料的韌性指標(biāo)，因為它反映了溫度對韌脆性的影響。 tk是安全性指標(biāo)，是從韌性角度選材的重要依據(jù)之一，可用于抗脆斷設(shè)計。 對于低溫下服役的機件，依據(jù)tk可以直接或間接地估計最低使用溫度。 ii. 能量定義法： 以低階能定義tk(NDT)：低于NDT，斷口由100%結(jié)晶區(qū)組成。最危險 以高階能定義tk(FTP)：高于FTP ，斷口由100%纖維區(qū)組成。最保守 以低階能和高階能平均值來定義tk(FTE)。 iii. 斷口形貌定義法 取結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口面積50%時的溫度為tk，稱為

30、50%FATT。 iv. 注意： 由于定義方法不同，同一材料所得到的tk不同； 同一材料，使用同一定義方法，由于外界因素改變，如試樣尺寸、缺口尖銳程度和加載速率發(fā)生變化，tk也發(fā)生變化; 在一定條件下，用試樣測得的tk不能說明該材料構(gòu)成的機件一定在該溫度下脆斷。 f) ：材料的使用溫度與韌脆轉(zhuǎn)變溫度之差。 2. 試說明。 低溫脆性是材料的屈服強度隨溫度降低急劇增加，而材料的 解理斷裂強度卻隨溫度的變化很小的結(jié)果。如圖，兩者的曲線相 交于tk。在高于tk時，c>s，材料先屈服再斷裂，為韌性斷裂； 低于tk時，c<s，外加應(yīng)力先達到c，為脆性斷裂。 影響因素：凡是使c增大的因素，都使t

31、k下降，降低脆性； 凡是使s增大的因素，都使tk上升，增大脆性。 內(nèi)在因素： a) 晶體結(jié)構(gòu)：bcc、hcp金屬及合金存在低溫脆性；fcc金屬及合金在常規(guī)使用溫度下 一般不存在低溫脆性。 b) 化學(xué)成分：間隙原子和大部分置換原子顯著提高材料的tk；雜質(zhì)元素等偏聚于晶界， 降低材料韌性，提高tk。 c) 顯微組織： i. 晶粒大?。杭毣Я＃g性增加；(原因：晶界是裂紋擴展的阻力；晶界前塞積的位 錯數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；晶界總面積增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減小，避免了產(chǎn)生 沿晶脆性斷裂。) 金相組織：球狀第二相Ak>片狀或網(wǎng)狀第二相的Ak；單相的Ak高于復(fù)相合金。 第二相越細小，均勻分布

32、，與基體性能越接近，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低。 iii. 內(nèi)部缺陷：降低Ak； iv. 表面狀態(tài)：Akv<Aku<光滑試樣的Ak。 d) 強度等級：高強度鋼不存在低溫脆性。 3. 試述焊接船舶比鉚接船舶容易發(fā)生脆性破壞的原因。 由于船舶長時間在低溫下航行，因此使用焊接結(jié)構(gòu)很容易產(chǎn)生低溫脆性，導(dǎo)致脆性破壞。而鉚接結(jié)構(gòu)則不存在這一缺陷。而且焊接過程中容易出現(xiàn)粗大的金相組織及氣孔，未熔合等缺陷，增加裂紋敏感度，增加材料脆性，容易發(fā)生脆性斷裂。 4. 下列三組試驗方法中，請舉出每一組中哪種試驗方法測得的tk較高？為什么？ a) 拉伸和扭轉(zhuǎn) 拉伸測得的tk較高。因為拉伸的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)更小，應(yīng)力狀態(tài)

33、更硬，更易顯示材料的脆性性能，因此測得的tk更高。 b) 缺口靜彎曲和缺口沖擊彎曲 缺口沖擊彎曲測得的tk較高。因為在沖擊狀態(tài)下會發(fā)生應(yīng)變速率硬化，材料會表現(xiàn)出脆性的力學(xué)性能，因此測得的tk更高。 c) 光滑試樣拉伸和缺口試樣拉伸 缺口試樣拉伸測得的tk更高。因為在缺口狀態(tài)下會形成缺口效應(yīng)，引起兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)，使塑性材料強度增高，塑性降低，顯示出脆性特征。因此測得的tk更高。 影響金屬韌脆性的三大外部因素：沖擊，溫度，缺口。 ii. 金屬的斷裂韌度 三種裂紋形式：張開型，滑開型，撕開型。 1. 名詞解釋： a) 低應(yīng)力脆斷：材料實際承受的應(yīng)力小于斷裂極限甚至小于屈服極限時發(fā)生的脆性斷 裂。

34、 b) 張開型裂紋：拉應(yīng)力垂直于裂紋擴展面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴展的 裂紋。 c) 滑開型：切應(yīng)力平行于裂紋面，垂直于裂紋線，裂紋沿裂紋面平行滑開擴展。 d) 撕開型：切應(yīng)力平行于裂紋面，平行于裂紋線，裂紋沿裂紋面撕開擴展 e) 應(yīng)力場強度因子：對于 大小或強弱程度的KI值。 ?=? 對于無限大板的穿透裂紋，?=? ，a為半長度。 對于無限大板的表面半橢圓裂紋，?=?.? ?a為裂紋深度，c為裂紋半長度。 修正條件：當(dāng)?/?.?時，需要進行修正。 用以計算圓筒表面應(yīng)力：=pD/2t，P為圓筒內(nèi)部的壓強。 其中，的單位為MPa。 意義： KI表示應(yīng)力場的強弱程度，KI越大，則應(yīng)力場各

35、應(yīng)力分量越大； KI是一個決定于和a的復(fù)合力學(xué)參量，可以把KI看成引起裂紋擴展的動力。 f) 斷裂韌度：臨界或失穩(wěn)狀態(tài)下的應(yīng)力場強度因子的大小。 KIC是真正的材料常數(shù)，與試樣厚度無關(guān)，表示材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展（斷裂）的能力。 如果KI<KIC，即使有裂紋也不會斷裂，稱為破損安全。 g) 小范圍屈服：塑性區(qū)尺寸較裂紋尺寸及靜截面尺寸小一個數(shù)量級以上時的屈服。 h) 裂紋擴展K判據(jù)：當(dāng)應(yīng)力場強度因子KI大于斷裂韌度KIC時裂紋發(fā)生擴展。 i. 應(yīng)用： 1. 確定帶裂紋構(gòu)件的承載能力(求c)； 2. 確定構(gòu)件安全性或為選材提供依據(jù)(求KIC)； 3. 確定臨界裂紋尺寸，為探傷提供理論依據(jù)(求

36、aC)。 ii. KI與KIC的區(qū)別： 1. KI是力學(xué)參量，與載荷、試樣尺寸有關(guān)，和材料本身無關(guān)。 2. KIC是力學(xué)性能指標(biāo)，只與材料組織結(jié)構(gòu)、成分有關(guān)，與試樣尺寸和載荷 無關(guān)。 iii. 影響斷裂韌度KIC的因素： 1. KIC是強度和塑性的綜合性能，對于能同時提高材料的強度和塑性的因素， 都能提高材料的斷裂韌度。 2. KIC和AKV都是材料的斷裂韌性指標(biāo)。提高沖擊韌性的措施一般均可提高 斷裂韌度。 3. 內(nèi)部因素： a) 化學(xué)成分：提高強度和塑性的元素，提高KIC； b) 基體相結(jié)構(gòu)和晶粒大小：fcc比bcc的KIC高，晶粒越細，KIC越高； c) 雜質(zhì)和第二相：使KIC降低； d)

37、 顯微組織：板條>針狀，B下板條>B上，回索>回屈>回馬，A>M。 韌性越好的組織KIC越高。 4. 外部因素： a) 溫度：溫度使KIC； b) 應(yīng)變速率：應(yīng)變速率使KIC，但形變速度很大時的絕熱狀態(tài)，使 KIC； c) 試樣尺寸：板厚，KIC。 i) 應(yīng)力松弛：當(dāng)最大應(yīng)力大于有效屈服強度時，由于屈服時應(yīng)力只能等于有效屈服應(yīng) 力，因此超出的應(yīng)力都會降低的現(xiàn)象。 j) ：在規(guī)定溫度和初始應(yīng)力條件下，金屬材料中的應(yīng)力隨時間增加而減小的 現(xiàn)象。 k) 塑性區(qū)寬度：沿x軸方向的塑性區(qū)尺寸。 考慮了應(yīng)力松弛之后，其塑性區(qū)寬度都正好是原塑性區(qū)寬度的兩倍。 l) 裂紋擴展能量

38、釋放率：裂紋擴展單位面積時系統(tǒng)釋放勢能的數(shù)值。 又稱裂紋擴展力，表示裂紋擴展單位長度所需的力。也是應(yīng)力和裂紋尺寸a的復(fù)合力學(xué)參量。 m) 裂紋擴展G判據(jù)：當(dāng)裂紋擴展能量釋放率GI大于材料的斷裂韌度GIC時裂紋發(fā)生擴 展。 GIC意義：表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴展時單位面積所消耗的能量。 n) J積分法：由GI延伸出來的一種斷裂能量判據(jù)； 為彈塑性應(yīng)變能密度. o) 斷裂韌度JIC：表示材料抵抗裂紋開始擴展的能力 在線彈性條件下，J與G單位相同，意義相同。 在小應(yīng)變彈塑性條件下，JI與GI單位相同，但物理意義不同。JI：形變功差率 p) COD法：由KI延伸出來的一種斷裂應(yīng)變判據(jù)。 斷裂韌度c：表示

39、材料抵抗裂紋開始擴展的能力。 2. 試述低應(yīng)力脆斷的原因及防止方法。 原因：材料在加工過程中產(chǎn)生裂紋，在外界應(yīng)力作用下裂紋發(fā)生擴展，導(dǎo)致在應(yīng)力低于屈服強度時發(fā)生斷裂。 防止方法：采用斷裂力學(xué)等新的強度理論和新的材料性能評定指標(biāo)，在給定裂紋尺寸的情況下，確定允許的最大工作應(yīng)力，或者當(dāng)工作應(yīng)力確定后，根據(jù)斷裂判據(jù)確定不發(fā)生脆性斷裂時所允許的最大裂紋尺寸 3. 為什么研究裂紋擴展的力學(xué)條件時不用應(yīng)力判據(jù)而用其他判據(jù)？ 因為裂紋前端的應(yīng)力十分復(fù)雜，不易建立應(yīng)力判據(jù)；而且在裂紋尺寸極小時，根據(jù)應(yīng)力判據(jù)，裂紋尖端應(yīng)力分量應(yīng)為無窮大，與實際不符。因此不能用應(yīng)力判據(jù)而用其他判據(jù)。 4. 有一大型板件，材料的?

40、0.2=1200?，?=115?1/2，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。 首先?/?0.2=0.75，需要修正。對于無限大板的橫向穿透裂紋，計算得KI=168.1，塑性區(qū)寬度為2.2mm。由于KI>KIC，因此該件不安全。 5. 有一軸件平均軸向工作應(yīng)力150MPa，使用中發(fā)生橫向疲勞脆性正斷，斷口分析表明有 25mm深的表面半橢圓疲勞區(qū)，根據(jù)裂紋a/c得=1，測試材料的?0.2=720?，試估算材料的斷裂韌度KIC是多少？ ?u?J?(dy?Tds)?x 首先?/?0.2=0.21，不需要修正。

41、此處可以認為疲勞斷口正好處于臨界裂紋尺寸時發(fā)生斷裂。因此對于表面半橢圓裂紋，計算得KIC=62.2 ?1/2。 金屬的疲勞 1. 名詞解釋 a) 變動載荷：載荷大小甚至方向均隨時間變化的載荷稱為變動載荷。 b) 疲勞：金屬構(gòu)件在變動應(yīng)力和應(yīng)變長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。 c) 應(yīng)力幅：循環(huán)應(yīng)力中應(yīng)力變動部分的幅值； d) 應(yīng)力比：應(yīng)力循環(huán)對稱系數(shù)，指應(yīng)力循環(huán)的不對稱程度； 按應(yīng)力狀態(tài)分：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、復(fù)合疲勞； 按環(huán)境和接觸情況分：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞； 按壽命、應(yīng)力高低分：高周疲勞、低周疲勞。 特點：疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂；疲勞是脆性

42、斷裂；疲勞對缺陷十分敏感。 斷口的宏觀特征：疲勞源、疲勞區(qū)、瞬斷區(qū)。 i. 疲勞源：光亮度大，是疲勞裂紋的萌生地；應(yīng)力狀態(tài)及大小不同，可有一個或 幾個疲勞源。 ii. 疲勞區(qū)：光滑，分布有貝紋線。貝紋線是疲勞區(qū)的最典型宏觀特征。是判斷疲 勞斷裂的重要依據(jù)。 貝紋線的意義： 1. 是疲勞斷口最典型的宏觀特征；其凹向為疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴展方向， 或者與此相反； 2. 貝紋線的間距越小，說明材料韌性越好，說明疲勞裂紋的擴展速率越慢； 3. 離疲勞源越近，貝紋線越密集。 iii. 瞬斷區(qū)：粗糙，結(jié)晶狀或放射狀。是裂紋失穩(wěn)擴展形成的斷口區(qū)域。 1. 裂紋長大達到臨界尺寸； 2. 裂紋尖端應(yīng)力集中達到

43、斷裂強度； 3. 裂紋尖端的應(yīng)力場強度因子達到斷裂韌度。 4. 一般在疲勞源的對側(cè)。 疲勞過程： i. 疲勞裂紋的萌生 a) 表面滑移帶開裂； b) 第二相、夾雜物或其界面開裂； c) 晶界或亞晶界開裂 ii. 疲勞裂紋的亞穩(wěn)擴展 a) 第一階段：沿主滑移系成45，以純剪切方式向內(nèi)擴展。 b) 第二階段：由于晶粒位向的不同和晶界的阻礙，裂紋方向轉(zhuǎn)向與外力軸垂直， 進入第二階段疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展的主要部分。 c) 塑性鈍化模型機理：拉應(yīng)力下，裂紋張開且發(fā)生塑性變形，拉應(yīng)力達到最大值， 裂紋尖端變?yōu)榘雸A形，發(fā)生鈍化，裂紋尖端應(yīng)力集中減小，裂紋停止擴展，形成一個疲勞條帶。 iii. 疲勞裂紋的失穩(wěn)擴展

44、 e) 疲勞貝紋線：由裂紋擴展前沿線留下的宏觀弧狀臺階痕跡。 貝紋線與疲勞條帶的區(qū)別： i. 疲勞條帶是疲勞斷口微觀特征，一次應(yīng)力循環(huán)產(chǎn)生一條疲勞條帶；貝紋線是疲 勞斷口宏觀特征，由大的載荷變動引起。二者可以同時出現(xiàn)，也可以不同時出現(xiàn)； ii. iii. 相鄰貝紋線間可能有成千上萬條疲勞條帶； 循環(huán)應(yīng)力下疲勞條帶是相互平行、等間距的；貝紋線在疲勞源附近較密，偏離 疲勞源時則較稀疏；判斷裂紋擴展方向通常利用貝紋線； f) 疲勞曲線：疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線。 有應(yīng)變時效的金屬材料的疲勞曲線有水平段。 g) 疲勞極限：材料能經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最大應(yīng)力，也稱疲勞強度。 h) 條件

45、疲勞極限：規(guī)定疲勞壽命下材料能承受的上限循環(huán)應(yīng)力。 疲勞斷裂的條件：對稱應(yīng)力循環(huán)：-1；非對稱應(yīng)力循環(huán)：r。 i) 擠出脊：隨駐留滑移帶的加寬，經(jīng)反復(fù)滑移，金屬從內(nèi)部擠出金屬表面； j) 侵入溝：反復(fù)滑移將金屬擠入內(nèi)部，在表面形成的溝槽。 k) 疲勞條帶：裂紋擴展時留下的微觀痕跡，每一條帶可以看作一次應(yīng)力循環(huán)的擴展痕 跡，是疲勞斷口最典型的微觀特征。 l) 疲勞裂紋擴展速率：在一個應(yīng)力循環(huán)周期內(nèi)，疲勞裂紋向前擴展的距離。 影響因素：應(yīng)力比(-)，過載峰，殘余拉應(yīng)力(+)，材料組織(晶粒直徑+)。 m) 過載損傷界：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， 連接各試驗點得到的

46、直線。 n) 過載持久值：金屬材料在高于疲勞極限的應(yīng)力下運行時，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán) 周次。 o) 過載損傷：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 減小的現(xiàn)象。 疲勞缺口敏感度qf：?=?1 ?1，疲勞缺口系數(shù)?=無缺口/有缺口 意義：反映了在疲勞過程中材料發(fā)生應(yīng)力重新分布，降低應(yīng)力集中的能力。 qf越小，其缺口敏感性越小。 影響因素： i. ii. 強度：qf隨材料強度的升高而增大，高強度材料的疲勞缺口敏感度較高； 缺口半徑：曲率半徑較小時，缺口越尖銳，qf值越低；缺口曲率半徑較大時， 缺口尖銳度對qf的影響不大。 iii. 應(yīng)力大?。焊咧芷跁r，qf值高；低周疲

47、勞時，qf值低。 p) 駐留滑移帶：在循環(huán)應(yīng)力作用下，永留或能再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶。 特點：低應(yīng)力；不均勻性；持久駐留性。 q) 疲勞裂紋擴展門檻值Kth：疲勞裂紋不擴展的應(yīng)力強度因子幅的臨界值。 意義：表示材料阻止疲勞裂紋開始擴展的性能，是材料的力學(xué)性能指標(biāo)。 疲勞裂紋擴展速率曲線： I區(qū)疲勞裂紋初始擴展階段：擴展壽命不長； II區(qū)疲勞裂紋擴展的主要階段：擴展壽命長； III區(qū)疲勞裂紋擴展的最后階段：裂紋失穩(wěn)擴展。 -1：光滑試樣的無限壽命疲勞強度，用于傳統(tǒng)的疲勞強度設(shè)計； Kth：裂紋試樣的無限壽命疲勞性能，適于裂紋體的設(shè)計。 r) s) t) 應(yīng)力強度因子幅：在裂紋尖端控制裂紋擴展的復(fù)合力學(xué)

48、參量； 疲勞壽命：一定max時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N。 熱疲勞：由溫度梯度和不均勻膨脹的循環(huán)變化產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力和熱應(yīng)變作用下，產(chǎn)生的疲勞。 u) 噴丸：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 強化，同時產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。 v) 低周疲勞：金屬在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為102105次的疲勞斷裂。 低周疲勞存在循環(huán)硬化與循環(huán)軟化現(xiàn)象。 w) 循環(huán)硬化：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。 x) 循環(huán)軟化：在循環(huán)過程中，應(yīng)力逐漸減小。 影響疲勞強度的主要因素： a) 表面狀態(tài)及尺寸因素的影響 應(yīng)力集中：缺口導(dǎo)致應(yīng)力集中，產(chǎn)生微裂紋，-1N； 表面粗糙度：提

49、高時，引起應(yīng)力集中，使-1下降； 尺寸因素：尺寸增加，疲勞極限下降； 原因： 尺寸增大，表面積相應(yīng)增加，表面含宏觀、微觀缺陷的絕對量及幾率上升。 彎、扭載荷時，若表面應(yīng)力相同，試樣直徑大則應(yīng)力梯度小，即高應(yīng)力區(qū)體積大，損傷的區(qū)域大。 b) 殘余應(yīng)力及表面強化的影響：表面疊加殘余壓應(yīng)力，使總應(yīng)力降低，疲勞強度提高。 表面強化處理： 目的：產(chǎn)生表面殘余壓應(yīng)力；提高表面強度硬度。 方法：表面噴丸和滾壓處理；表面化學(xué)熱處理；表面淬火。 c) 材料成分及組織的影響 合金成分：碳元素形成固溶強化提高疲勞極限，過高會使其下降。 顯微組織：細化晶粒提高疲勞極限，熱處理組織的球狀第二相優(yōu)于片狀； 非金屬夾雜物及

50、冶金缺陷：使疲勞強度下降。 提高疲勞強度的途徑：減少夾雜物數(shù)量、減小尺寸；夾雜物表面改性。 d) 工作條件的影響 2. 解釋下列疲勞性能指標(biāo)的意義 a) 疲勞極限-1：材料經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最大應(yīng)力； b) 疲勞缺口敏感度qf：反映了在疲勞過程中材料發(fā)生應(yīng)力重新分布，降低應(yīng)力集中的 能力。 c) 過載損傷界：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， 連接各試驗點得到的直線。 d) 疲勞門檻值Kth：表示材料阻止疲勞裂紋開始擴展的性能，是材料的力學(xué)性能指 標(biāo)。 3. 試述金屬疲勞斷裂的特點。 a) 疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂； b) 疲勞是脆性斷裂； c) 疲勞對缺陷十分敏感。 4. 試述疲勞斷口的主要特征及其形成模型。 a) 疲勞源：光亮度最大，是疲勞裂紋的萌生地；應(yīng)力狀態(tài)及大小不同，可有一個或幾 個疲勞源。是由于裂紋在亞穩(wěn)擴展中斷面不斷擠壓摩擦形成的。 b) 疲勞區(qū)：光滑，分布有貝紋線。是由于載荷變動引起的。 c) 瞬斷區(qū)：粗糙，結(jié)晶狀或放射狀。是裂紋失穩(wěn)擴展形成的斷口區(qū)域。 5. 試述金屬表面強化對疲勞強度的影響。 金