材料力學性能-機械工業(yè)出版社 2008第2版習題答案

1、工程材料力學性能課后答案機械工業(yè)出版社 2008第2版第一章 單向靜拉伸力學性能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)

2、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?/p>

3、一溫度點時，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、應變滯后于應力變化等現(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、彈性后效、彈性滯后和循環(huán)韌性等2、 說明下列力學性能指標的意義。答：E彈性模量 G切變模量 規(guī)定殘余伸長應力 屈服強度 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】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

4、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】4、 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？5、 決定金屬屈服強度的因素有哪些？【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、應變速率和應力狀態(tài)。6、 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

5、，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。7、 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。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？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。9、 論述格雷菲斯裂紋理論分析問題的思路，

6、推導格雷菲斯方程，并指出該理論的局限性?！綪32】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性能一、解釋下列名詞：  （1）應力狀態(tài)軟性系數(shù)  材料或工件所承受的最大切應力max和最大正應力max比值，即：   【新書P39 舊書P46】（2）缺口效應 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?！?/p>

7、P44 P53】（3）缺口敏感度缺口試樣的抗拉強度bn的與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強度b 的比值，稱為缺口敏感度，即： 【P47 P55 】 （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?！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力計算而得的硬度?！綪53 P62】（7）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。 （8）肖氏硬度采

8、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、說明下列力學性能指標的意義    （1）材料的抗壓強度【P41 P48】    （2）材料的抗彎強度【P42 P50】    （3）材料的扭轉(zhuǎn)屈服點【P44 P52】    （4）材料的抗扭強度【P44 P52】    （5）材料的抗拉強度【P47 P55】    （6）NSR材料的缺口敏感度【P47 P

9、55】   （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】三、試綜合比較單向拉伸、壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗的特點和應用范圍。試驗方法特點應用范圍拉伸 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。 塑性變

10、形抗力和切斷強度較低的塑性材料。壓縮 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45º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)的力學行為。彎曲 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(jié)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。 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(zhuǎn) 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

11、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 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。四試述脆性材料彎曲試驗的特點及其應用。五、缺口試樣拉伸時的應力分布有何特點？【P45 P53】在彈性狀態(tài)下的應力分布：薄板：在缺口根部處于單向拉應力狀態(tài)，在板中心部位處于兩向拉伸平面應力狀態(tài)。厚板：在缺口根部處于兩向拉應力狀態(tài)，缺口內(nèi)側(cè)處三向拉伸平面應變狀態(tài)。無論脆性材料或塑性材料

12、，都因機件上的缺口造成兩向或三向應力狀態(tài)和應力集中而產(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性能試驗。六、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。 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。光滑試樣軸向拉伸試驗：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

13、低，脆性增大。 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。七、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?！綪49 P57】原理布氏硬度：用鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，計算單位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，計算單位面積所承受的試驗力。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

14、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。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；

15、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。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-

16、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第三章 金屬在沖擊載荷下的力學性能 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

17、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） ：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：

18、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，三個區(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%，t50。（新書P61，舊書P71）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四、試說明低溫脆性的物理本質(zhì)及其影響因素 低溫脆性

19、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

20、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。 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。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、

21、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

22、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1、 名詞解釋低應力脆斷：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。張開型（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。應力場強度因子 ： 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(guān)，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

23、的強弱程度，稱為應力場強度因子。 “I”表示I型裂紋。【P68】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（小一個數(shù)量級以上），這就稱為小范圍屈服?！綪71】有效屈服應力：裂紋在發(fā)生屈服時的應力?！拘聲鳳73：舊P85】有效裂紋長度：因裂紋尖端應力的分布特性，裂尖前沿產(chǎn)生有塑性屈服區(qū)，屈服區(qū)內(nèi)松弛的應力將疊加至屈服區(qū)之外，從而使屈服區(qū)之外的應力增加，其效果相當于因裂紋長度增加ry后對裂紋尖端應力場的影響，經(jīng)修正后的裂紋長度即為有效裂紋長度: a+ry。【新P74；舊P86】。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。新P71：舊裂

24、紋擴展能量釋放率GI：I型裂紋擴展單位面積時系統(tǒng)釋放勢能的數(shù)值。P76/P88裂紋擴展G判據(jù)： ，當滿足上述條件時裂紋失穩(wěn)擴展斷裂。P77/P89積分：有兩種定義或表達式：一是線積分：二是形變功率差。P89/P101裂紋擴展判據(jù)： ，只要滿足上述條件，裂紋（或構(gòu)件）就會斷裂。：裂紋張開位移。P91/P102判據(jù)：，當滿足上述條件時，裂紋開始擴展。P91/P1032、說明下列斷裂韌度指標的意義及其相互關(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。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

25、料裂紋韌性指標，但值與試樣厚度有關(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，它與試樣厚度無關(guān)，而是真正的材料常數(shù)。P71/P82 答：P77/P89 當增加到某一臨界值時，能克服裂紋失穩(wěn)擴展的阻力，則裂紋失穩(wěn)擴展斷裂。將的臨界值記作，稱斷裂韌度，表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴展時單位面積所消耗的能量，其單位與相同，MPa·m：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。P90/P102：是材料的斷裂韌度，表示材料阻止裂紋開始擴展的能力.P91/P104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)。P9

26、1/P1043、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。4、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：由41可知，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r0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

27、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。5、 試述應力場強度因子的意義及典型裂紋的表達式答：新書P69舊書P80參看書中圖（應力場強度因子的意義見上） 幾種裂紋的表達式，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ba時，；受彎單邊裂紋梁：；無限大物體內(nèi)部有橢圓片裂紋，遠處受均勻拉伸：；無限大物體表面有半橢圓裂紋，遠處均受拉伸：A點的。 6、 試述K判據(jù)的意義及用途。答： K判據(jù)解決了經(jīng)典的強度理論不能解決存在

28、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 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)生應力集中，當y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)較小；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（KIC/s)2成正比。8、試述塑性

29、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，因而影響應力場和及KI的計算，所以要對KI進行修正。最簡單而適用的修正方法是在計算KI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于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。（415）的計算結(jié)果忽略了在塑性區(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

30、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。11 的意義：表示裂紋張開位移。表達式。P91/P10313、斷裂韌度與強度、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。詳見新P80/P9315、影響的冶金因素：內(nèi)因：1、學成分的影響；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)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R0，并判斷該件是否安全？解：由題意知

31、穿透裂紋受到的應力為=900MPa根據(jù)/0.2的值，確定裂紋斷裂韌度KIC是否休要修正 因為/0.2=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： = （MPa*m1/2）塑性區(qū)寬度為： =0.004417937(m)= 2.21(mm)比較K1與KIc：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

32、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： 因為/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=Ycac1/2對于表面半橢圓裂紋，Y=1.1/=1.1所以，KIC=Ycac1/2=1.1=46.229（MPa*m1/2）第五章 金屬的疲勞1.名詞解釋;應力幅a:a=1/2(max-min) p95/p108平均應力m：m=1/2(max+min) p95/p107應力比r:r=min/max 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

33、，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。 P111K: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)。K是由應力范圍和a復合為應力強度因子范圍，K=Kmax-Kmin=Ymaxa-Ymina=Ya

34、. p105/p120da/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) p102/p117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/p1172.揭示下列疲勞性能指標的意義疲勞強度-1，-p,-1,-1N, P99,100,103/p114 -1: 對稱應力循環(huán)作用下的彎曲疲勞極限；-p:對稱拉壓疲勞極限；-1:對稱扭轉(zhuǎn)疲勞極限；-1N:缺口試樣在對稱應力循環(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

35、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為理論應力集中系數(shù)且大于一，Kf為疲勞缺口系數(shù)。 Kf=(-1)/(-1N) 過載損傷界 P102,103/p117 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。 疲勞門檻值Kth P105/p120 在疲勞裂紋擴展速率曲線的區(qū)，當KKth時，da/aN=0,表示裂紋不擴展;只有當K>Kth時，da/dN>0,疲勞裂紋才開始擴展。因此，Kth是疲勞裂紋不擴展的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

36、 p96/p109 （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（新書P9698及PPT，舊書P109111）答：典型疲勞斷口具有三個形貌不同的區(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

37、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P101102，舊書P115117）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。1、疲勞圖建立：這種圖的縱坐標以表示，橫

38、坐標以表示。然后，以不同應力比r條件下將表示的疲勞極限分解為和，并在該坐標系中作ABC曲線，即為疲勞圖。其幾何關(guān)系為：（用途）：我們知道應力比r，將其代入試中，即可求得和，而后從坐標原點O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，。2、疲勞圖建立：這種圖的縱坐標以或表示，橫坐標以表示。然后將不同應力比r下的疲勞極限，分別以和表示于上述坐標系中，就形成這種疲勞圖。幾何關(guān)系為：（用途）：我們只要知道應力比r,就可代入上試求得和，而后從坐標原點O引一直線OH，令其與橫坐標的夾角等于，該直線與曲線AHC相交的交點H的縱坐標即為

39、疲勞極限。8試述影響疲勞裂紋擴展速率的主要因素。（新書P107109，舊書P123125）答：1、應力比r（或平均應力）的影響：Forman提出：殘余壓應力因會減小r,使降低和升高，對疲勞壽命有利；而殘余拉應力因會增大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：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，其值就越高。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，降低。噴丸處理：噴丸強化也能提高。9試述

40、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。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

41、，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。12試述金屬表面強化對疲勞強度的影響。（新書P117P118，舊書P135P136）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。13.試述金屬的硬化與軟化現(xiàn)象及產(chǎn)生條件。金屬材料在恒定應變范圍循環(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(jié)構(gòu)特性以及應變幅和溫度等。循環(huán)硬化和軟化與b / s有關(guān)：b / s>1.4