材料力學(xué)性能第2版習(xí)題答案

1、工程材料力學(xué)性能課后答案機(jī)械工業(yè)出版社 2008第2版第一章 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)

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(dāng)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(dāng)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(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?/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(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

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(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)。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(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

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(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。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(dǎo)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(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max和最大正應(yīng)力max比值，即：   【新書P39 舊書P46】（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)?！?/p>

7、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： 【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(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【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 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(yīng)用范圍。試驗方法特點應(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，試驗簡單，應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)較硬。 塑性變

10、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(xué)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(yīng)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(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(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)；研究或檢驗熱處理工件的表面質(zhì)量和各種表面強(qiáng)化工藝的效果。四試述脆性材料彎曲試驗的特點及其應(yīng)用。五、缺口試樣拉伸時的應(yīng)力分布有何特點？【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

12、，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。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(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：截面上無應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布均勻，僅在頸縮時發(fā)生應(yīng)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(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

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(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。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。【P49 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(fù)性強(qiáng)。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(jìn)行試驗；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：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：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(biāo)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(zhǔn)確。缺點是硬度值需要通過測量壓痕對角線長度后才能進(jìn)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(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-

16、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。【P57】 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(qiáng)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(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫硇停瑪嗫谔卣饔衫w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(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

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(qiáng)度會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，屈服強(qiáng)度增大到高于斷裂強(qiáng)度時，在這個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(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(xì)化晶?？梢酝瑫r提高材料的強(qiáng)度和塑韌性。因為 晶界是裂紋擴(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。 金相組織：較低強(qiáng)度水平時強(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、

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(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(qiáng)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(kuò)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(yīng)力脆斷：高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼的機(jī)件 ，中低強(qiáng)度鋼的大型、重型機(jī)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(kuò)展面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴(kuò)展的裂紋。應(yīng)力場強(qiáng)度因子 ： 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(qiáng)度因子有關(guān)，對于某一確定的點，其應(yīng)力分量由確定， 越大，則應(yīng)力場各點應(yīng)力分量也越大，這樣就可以表示應(yīng)力場

23、的強(qiáng)弱程度，稱為應(yīng)力場強(qiáng)度因子。 “I”表示I型裂紋?！綪68】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(yīng)力：裂紋在發(fā)生屈服時的應(yīng)力?！拘聲鳳73：舊P85】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?！拘翽74；舊P86】。裂紋擴(kuò)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(kuò)展能量釋放率GI：I型裂紋擴(kuò)展單位面積時系統(tǒng)釋放勢能的數(shù)值。P76/P88裂紋擴(kuò)展G判據(jù)： ，當(dāng)滿足上述條件時裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂。P77/P89積分：有兩種定義或表達(dá)式：一是線積分：二是形變功率差。P89/P101裂紋擴(kuò)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(dāng)滿足上述條件時，裂紋開始擴(kuò)展。P91/P1032、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

25、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，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，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(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)。P9

26、1/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，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

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(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，；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

28、宏觀裂紋為什么會產(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(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，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?。话灞砻嫣幱谄矫鎽?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

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(dāng)于裂紋長度的增加，因而影響應(yīng)力場和及KI的計算，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(jìn)行計算?；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，它實際包括裂紋長度和塑性區(qū)松弛應(yīng)力的作用。（415）的計算結(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，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(dāng)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(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/P9315、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)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

31、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(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

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(yīng)力幅a:a=1/2(max-min) p95/p108平均應(yīng)力m：m=1/2(max+min) p95/p107應(yīng)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(jī)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(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(kuò)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。 P111K:材料的疲勞裂紋擴(kuò)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)。K是由應(yīng)力范圍和a復(fù)合為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍，K=Kmax-Kmin=Ymaxa-Ymina=Ya

34、. p105/p120da/dN:疲勞裂紋擴(kuò)展速率，即每循環(huán)一次裂紋擴(kuò)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/p1172.揭示下列疲勞性能指標(biāo)的意義疲勞強(qiáng)度-1，-p,-1,-1N, P99,100,103/p114 -1: 對稱應(yīng)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(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

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(yīng)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(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Kth P105/p120 在疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線的區(qū)，當(dāng)KKth時，da/aN=0,表示裂紋不擴(kuò)展;只有當(dāng)K>Kth時，da/dN>0,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

36、 p96/p109 （1）疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂，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(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

37、漸減弱。貝紋線是由載荷變動引起的，如機(jī)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(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）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(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

38、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，。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

39、疲勞極限。8試述影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的主要因素。（新書P107109，舊書P123125）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)，有時反而是有益的。3、材料組織的影響：晶粒大?。壕ЯＴ酱执螅渲翟礁?，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(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，可以提高鋼的，降低。噴丸處理：噴丸強(qiáng)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?；葡刀嗟拿嫘牧⒎浇饘伲淦跅l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(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

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(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(qiáng)化對疲勞強(qiáng)度的影響。（新書P117P118，舊書P135P136）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 / s>1