工程材料力學(xué)性能作業(yè)答案

工程材料力學(xué)性能作業(yè)答案

包申格效應(yīng)：指原先通過少量塑性變形，卸載后同向加載，彈性極限（OP）

或者屈服強(qiáng)度（OS）增加；反向加載時彈性極限（OP）或者屈服強(qiáng)度（。

S）降低的現(xiàn)象。

解理斷裂：沿一定的晶體學(xué)平面產(chǎn)生的快速穿晶斷裂。晶體學(xué)平面一一解理

面，通常是低指數(shù)，表面能低的晶面。

解理面：在解理斷裂中具有低指數(shù)，表面能低的晶體學(xué)平面。

韌脆轉(zhuǎn)變：材料力學(xué)性能從韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變到脆性狀態(tài)的現(xiàn)象（沖擊汲取功明

顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型轉(zhuǎn)變微穿晶斷裂，斷口特征由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

結(jié)晶狀）。

靜力韌度：材料在靜拉伸時單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功叫做靜力

韌度。是一個強(qiáng)度與塑性的綜合指標(biāo)，是表示靜載下材料強(qiáng)度與塑性的最佳

配合。

能夠從河流花樣的反“河流”方向去尋找裂紋源。

解理斷裂是典型的脆性斷裂的代表，微孔聚集斷裂是典型的塑性斷裂。

5.影響屈服強(qiáng)度的因素

與下列三個方面相聯(lián)系的因素都會影響到屈服強(qiáng)度

位錯增值與運(yùn)動

晶粒、晶界、第二相等

外界影響位錯運(yùn)動的因素

要緊從內(nèi)因與外因兩個方面考慮

（一）影響屈服強(qiáng)度的內(nèi)因素

1.金屬本性與晶格類型（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開始運(yùn)動的臨界切應(yīng)力，其值與位錯運(yùn)

動所受到的阻力（晶格阻力一一派拉力、位錯運(yùn)動交互作用產(chǎn)生的阻力）決

定。

派拉力：

=沁6一^5=恐&袈（113）

位錯交互作用力

（a是與晶體本性、位錯結(jié)構(gòu)分布有關(guān)的比例系數(shù)，L是位錯間距。）

2.晶粒大小與亞結(jié)構(gòu)

晶粒小一晶界多（阻礙位錯運(yùn)動）一位錯塞積一提供應(yīng)力一位錯開動一產(chǎn)生

宏觀塑性變形。

晶粒減小將增加位錯運(yùn)動阻礙的數(shù)目，減小晶粒內(nèi)位錯塞積群的長度，使屈

服強(qiáng)度提高（細(xì)晶強(qiáng)化）。

屈服強(qiáng)度與晶粒大小的關(guān)系：

霍爾一派奇（HalLPelch）

os=oi+kyd-1/2

3.溶質(zhì)元素

加入溶質(zhì)原子一（間隙或者置換型）固溶體一（溶質(zhì)原子與溶劑原子半徑不

一樣）產(chǎn)生晶格畸變f產(chǎn)生畸變應(yīng)力場f與位錯應(yīng)力場交互運(yùn)動一使位錯受

阻一提高屈服強(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

提高位錯線張力一繞過第二相f留下位錯環(huán)一兩質(zhì)點(diǎn)叵距變小一流變應(yīng)

力增大。

可變形第二相

位錯切過（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)通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

通常的規(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。

oe,t=Cl（￡）m

3.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。

細(xì)晶強(qiáng)化能強(qiáng)化金屬又不降低塑性o

10.韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)別。為什么脆性斷裂更加危險？

韌性斷裂：

是斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂

特征：

斷裂面通常平行于最大切應(yīng)力與主應(yīng)力成45度角。

斷口成纖維狀（塑變中微裂紋擴(kuò)展與連接），灰暗色（反光能力弱）。

斷口三要素：

纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇

這三個區(qū)域的比例關(guān)系與材料韌斷性能有關(guān)。

塑性好，放射線粗大

塑性差，放射線變細(xì)乃至消失。

脆性斷裂：

斷裂前基本不發(fā)生塑性變形的，突發(fā)的斷裂。

特征：

斷裂面與正應(yīng)力垂直，斷口平齊而光滑，呈放射狀或者結(jié)晶狀。

注意：脆性斷裂也產(chǎn)生微量塑性變形。

斷面收縮率小于5%為脆性斷裂，大于5%為韌性斷裂。

23.斷裂發(fā)生的必要與充分條件之間的聯(lián)系與區(qū)別。

格雷菲斯裂紋理論是根據(jù)熱力學(xué)原理，用能量平衡（彈性能的降低與表面能

的增加相平衡）的方法推到出了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界條件。該條件是是斷裂

發(fā)生的必要條件，但并不意味著一定會斷裂。

該斷裂判據(jù)為：o二（2E九嚴(yán)

‘叫

裂紋擴(kuò)展的充分條件是其尖端應(yīng)力要大于等于理論斷裂強(qiáng)度。（是通過力學(xué)

方法推到的斷裂判據(jù)）yp

該應(yīng)力斷裂判據(jù)為：，二（就嚴(yán)

對比這兩個判據(jù)可知：

當(dāng)P=3ao時，必要條件與充分條件相當(dāng)

P<3ao時，滿足必要條件就可行（同時也滿足充分條件）

。>3即時，滿足充分條件就可行（同時也滿足必要條件）

25.

材料成分：

rs—有效表面能，要緊是塑性變形功，與有效滑移系數(shù)目與可動位錯有關(guān)

具有fee結(jié)構(gòu)的金屬有效滑移系與可動位錯的數(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、李生、位錯釘扎的都增加脆性；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)會降低材料的塑性，發(fā)生脆斷。

溫度：

?？?位錯運(yùn)動摩擦阻力。其值高，材料易于脆斷。

Bee金屬具有低溫脆斷現(xiàn)象，由于。i隨著溫度的減低而急劇增加，同時在低

溫下，塑性變形一攣生為主，也易于產(chǎn)生裂紋。故低溫脆性大。

晶粒大小：

d值小位錯塞積的數(shù)目少，而且晶界多。故裂紋不易產(chǎn)生，也不易擴(kuò)展。因

此細(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，金屬會發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變。

第二章

應(yīng)力狀態(tài)軟化系數(shù)：為了表示應(yīng)力狀態(tài)對材料塑性變形的影響，引入了應(yīng)力

狀態(tài)柔度系數(shù)a,它的定義為T(J.—(J.

@-max_iJ

￡ax2(0-1/(%+%))

應(yīng)力狀態(tài)柔度系數(shù)a,表征應(yīng)力狀態(tài)的軟硬。

表示材料塑性變形的難易程度。

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。

缺口敏感度：為小吟是有缺口試樣的抗拉強(qiáng)度與無缺口試樣的抗拉

強(qiáng)度的比值。表示缺口的存在對試樣抗拉強(qiáng)度的影響程度或者材料對缺口的

敏感程度。

布氏硬度：

洛氏硬度：

維氏硬度：

努氏硬度：

肖氏硬度：

里氏硬度：

7.說明布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度的實驗原理與優(yōu)缺點(diǎn)。

1、氏硬度試驗的基本原理

在直徑D的鋼珠(淬火鋼或者硬質(zhì)合金球)上，加一定負(fù)荷E壓入被試金

屬的表面，保持規(guī)定時間卸除壓力，根據(jù)金屬表面壓痕的陷凹面積計算出應(yīng)

力值，以此值作為硬度值大小的計量指標(biāo)。

優(yōu)點(diǎn)：

代表性全面，由于其壓痕面積較大，能反映金屬表面較大體積范圍內(nèi)各

構(gòu)成相綜合平均的性能數(shù)據(jù)，故特別適宜于測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗

大晶?；蛘叽执髽?gòu)成相的金屬材料。

試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)固。試驗數(shù)據(jù)從小到大都能夠統(tǒng)一起來。

缺點(diǎn)：

鋼球本身變形問題。對HB>450以上的太硬材料，因鋼球變形已很顯著,

影響所測數(shù)據(jù)的正確性，因此不能使用。

由于壓痕較大，不宜于某些表面不同意有較大壓痕的成品檢驗，也不宜

于薄件試驗。

不一致材料需更換壓頭直徑與改變試驗力，壓痕直徑的測量也較煩惱。

2、洛氏硬度的測量原理

洛氏硬度是以壓痕陷凹深度作為計量硬度值的指標(biāo)。

洛氏硬度試驗的優(yōu)缺點(diǎn)

洛氏硬度試驗避免了布氏硬度試驗所存在的缺點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是：

1）因有硬質(zhì)、軟質(zhì)兩種壓頭，故適于各類不一致硬質(zhì)材料的檢驗，不存在

壓頭變形問題；

2）壓痕小，不傷工件，適用于成品檢驗；

3）操作迅速，立即得出數(shù)據(jù)，測試效率高。

缺點(diǎn)是：代表性差，用不一致硬度級測得的硬度值無法統(tǒng)一起來，無法進(jìn)

行比較。

3、維氏硬度的測定原理

維氏硬度的測定原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)單位壓痕陷凹面積上承受的

負(fù)荷，即應(yīng)力值作為硬度值的計量指標(biāo)。

維氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)

1、不存在布氏那種負(fù)荷F與壓頭直徑D的規(guī)定條件的約束，與壓頭變形問

題；

2、也不存在洛氏那種硬度值無法統(tǒng)一的問題；

3、它與洛氏一樣能夠試驗任何軟硬的材料，同時比洛氏能更好地測試極薄件

（或者薄層）的硬度，壓痕測量的精確度高，硬度值較為精確。

4、負(fù)荷大小可任意選擇。（維氏顯微硬度）

唯一缺點(diǎn)是硬度值需通過測量對角線后才能計算（或者查表）出來，因此生產(chǎn)

效率沒有洛氏硬度高。

8.今有如下零件與材料需要測定硬度，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

晶馬氏體與殘余奧氏體；（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）滲碳層的硬度分布一-HK或者-顯微HV

（2）淬火鋼一一HRC

（3）灰鑄鐵…HB

（4）鑒別鋼中的隱晶馬氏體與殘余奧氏體--顯微HV或者者HK

（5）儀表小黃銅齒輪--HV

（6）龍門刨床導(dǎo)軌-----HS（肖氏硬度）或者HL（里氏硬度）

（7）滲氮層——HV

（8）高速鋼刀具一一HRA

（9）退火態(tài)低碳鋼一-HRB

（10）硬質(zhì)合金一一HRA

第三章

沖擊韌度：材料在沖擊載荷作用下汲取塑性變形功與斷裂功的大小，也即沖

擊汲取功Ako

低溫脆性：在試驗溫度低于某一溫度tk時，會由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變未脆性狀態(tài)，

沖擊汲取功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型轉(zhuǎn)變微穿晶斷裂，斷口特征由

纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性。

韌脆轉(zhuǎn)變溫度：材料在低于某一溫度tk時，會由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變未脆性狀態(tài)，

tk稱之韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

什么是低溫脆性、韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk?產(chǎn)生低溫脆性的原因是什么？體心立方

與面心立方金屬的低溫脆性有與差異？為什么？

答：在試驗溫度低于某一溫度tk時，會由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變未脆性狀態(tài)，沖擊汲

取功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型轉(zhuǎn)變微穿晶斷裂，斷口特征由纖維狀

轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性。tk稱之韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

低溫脆性的原因：

低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨溫度降低而急劇增加，而解理斷裂強(qiáng)度隨

溫度變化很小的結(jié)果。如圖所示：當(dāng)溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時，斷裂

強(qiáng)度大于屈服強(qiáng)度，材料先屈服再斷裂（表現(xiàn)為塑韌性）；當(dāng)溫度低

于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時，斷裂強(qiáng)度小于屈服強(qiáng)度，材料無屈服直接斷裂（表

現(xiàn)為脆性）。

圖6和6隨溫度變化示意圖

心立方與面心立方金屬低溫脆性的差異：

體心立方金屬的低溫脆性比面心立方金屬的低溫脆性顯著。

原因：

這是由于派拉力對其屈服強(qiáng)度的影響占有很大比重，而派拉力是短程

力，對溫度很敏感，溫度降低時，派拉力大幅增加，則其強(qiáng)度急劇增

加而變脆。

6.

拉伸

沖擊彎曲

缺口試樣拉伸

第四章

K1稱之I型裂紋的應(yīng)力場強(qiáng)度因子，它是衡量裂紋頂端應(yīng)力場強(qiáng)烈程度的函

數(shù)，決定于應(yīng)力水平、裂紋尺寸與形狀。

塑性區(qū)尺寸較裂紋尺寸a及靜截面尺寸為小時（小一個數(shù)量級以上），即在

所謂的小范圍屈服

裂紋的應(yīng)力場強(qiáng)度因子與其斷裂韌度相比較，若裂紋要失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷，則應(yīng)

有：&NKIC

這就是斷裂K判據(jù)。

應(yīng)力強(qiáng)度因子K1是描寫裂紋尖端應(yīng)力場強(qiáng)弱程度的復(fù)合力學(xué)參量，可將它

看作推動裂紋擴(kuò)展的動力。關(guān)于受載的裂紋體，當(dāng)K1增大到某一臨界值時,

裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)應(yīng)力達(dá)到了材料的斷裂強(qiáng)度，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)

致斷裂。這一臨界值便稱之?dāng)嗔秧g度Kc或者Klc。

意義：

KC平面應(yīng)力斷裂韌度（薄板受力狀態(tài)）

KIC平面應(yīng)變斷裂韌度（厚板受力狀態(tài)）

16.有一大型板件，材料的oo.2=1200MPa,Kic=l15MPa*ml/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Ro,并推斷該件是否安全？

解：由題意知穿透裂紋受到的應(yīng)力為。=900MPa

根據(jù)HGO.2的值，確定裂紋斷裂韌度Kg是否休要修正

由于a/oo.2=900/1200=0.75>0.7,因此裂紋斷裂韌度Ki需要修正

關(guān)于無限板的中心穿透裂紋，修正后的Ki為：

900JO.Ol/r

Kj=/=?=]=168.13

71-0.177（a/crj2=71-0.177（0.75）2

(MPa*m1/2)

塑性區(qū)寬度為：

R_1(3]=0.004417937(m尸2.2l(mm)

比較K1與Klc：

由于Kl=168.13(MPa*m,/2)

KIc=115(MPa*m1/2)

因此：Kl>KIc,裂紋會失穩(wěn)擴(kuò)展，因此該件不安全。

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

口分析說明有25mm深度的表面半橢圓疲勞區(qū)，根據(jù)裂紋a/c能夠確定6=1,

測試材料的。o.2=72OMPa,試估算材料的斷裂韌度Kic為多少？

解：

由于。/。().2二150/720=0.208<0.7,因此裂紋斷裂韌度Kic不需要修正

則如今該裂紋的斷裂韌度Kic為：

,/2

Kic=Yocac

關(guān)于表面半橢圓裂紋，Y=1.1V^/^=1.1V^

,/2-3,/2

因此，KiC=Yacac=l.1^x150x725xlO=46.229(MPa*m)

第五章

應(yīng)力比匚。min/。max

材料所受循環(huán)應(yīng)力中最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值。

fgsdfg

疲勞貝紋線：疲勞斷口上具有類似貝殼紋路的宏觀特征形貌。

疲勞條帶：在疲勞斷口的顯微形貌上，呈現(xiàn)彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱

之疲勞條帶。

疲勞壽命：在疲勞（斷裂）過程中，由疲勞裂紋萌生期與裂紋亞穩(wěn)固擴(kuò)展期

的時間段（或者循環(huán)周次）構(gòu)成時間段（或者循環(huán)周次）即是疲勞壽命。

熱疲勞：機(jī)件在由溫度循環(huán)變化時產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及熱應(yīng)力變形作用下發(fā)

生的疲勞就叫熱疲勞。

由于溫度周期變化引起零，牛或者構(gòu)件的自由膨脹與收縮，而又因這種膨脹與

收縮受到約束，產(chǎn)生了交變熱應(yīng)力，由這種交變熱應(yīng)力引起的破壞就叫熱疲

勞。

過載損傷：金屬在高于疲勞極限的應(yīng)力水平下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后，其疲勞極限

的應(yīng)力水平下降，這種現(xiàn)象就是過載損傷。

金屬的疲勞：金屬在變動應(yīng)力與應(yīng)變長期作用下，由于積存損傷而引起的斷

裂現(xiàn)象（即使所受的應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，也會發(fā)生斷裂）。

二.意義

0-1:疲勞強(qiáng)度。對稱循環(huán)應(yīng)力作用下的彎曲疲勞極限(強(qiáng)度)。(是在循

環(huán)應(yīng)力周次增加到一定臨界值后，材料應(yīng)力基木不再降低時的應(yīng)力值；或者

是應(yīng)力循環(huán)107周次材料不斷裂所對應(yīng)的應(yīng)力值。)

。-lp：對稱拉壓疲勞極限。

T-1：對稱扭轉(zhuǎn)疲勞極限。

0-1N；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：

金屬材料在交變載荷作用下的缺口敏感性用疲勞缺口敏感度qf來評定

qf=(Kf-l)Z(kt-l)

Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)，kf為疲勞缺口系數(shù)。

kf為光滑試樣與缺口試樣疲勞極限之比kf=o-l/a-lN

過載損傷界；抗疲勞過載損傷的能力用過載損傷界表示。

疲勞門檻值：

△Kth是疲勞裂紋不擴(kuò)展的△K(應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍)臨界值，稱之疲勞裂

紋擴(kuò)展門檻值。表示材料阻止疲勞裂紋開始擴(kuò)展的性能。

9.試述疲勞微觀斷口的特征及其形成過程。

微觀形貌有疲勞條帶。

滑移系多的面心立方金屬，其疲勞條帶明顯

滑移系少或者組織復(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),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)展的過程稱之“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，裂紋尖端又由鈍便銳。

圖5“26Laird疲勞裂紋擴(kuò)展模型

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)力逐步減小，即

為循環(huán)軟化0

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)特性與應(yīng)變幅與

溫度等。

循環(huán)硬化與軟化與。b/OS有關(guān)：

ob/os>1.4,表現(xiàn)為循環(huán)硬化；

0b/osvl.2,表現(xiàn)為循環(huán)軟化；

1.2<ob/os<1.4,材料比較穩(wěn)固，無明顯循環(huán)硬化與軟化現(xiàn)象。

也可用應(yīng)變硬化指數(shù)n來推斷循環(huán)應(yīng)變對材料的影響，n<l軟化，n>l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)硬化與軟化與位錯的運(yùn)動有關(guān)：

退火軟金屬中，位錯產(chǎn)生交互作用，運(yùn)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。

14.試述低周疲勞的規(guī)律及曼森-柯芬關(guān)系。

低周疲勞的應(yīng)變-壽命曲線如圖5-34,曼森-柯芬等分析了低周疲勞的實驗結(jié)

果，提出了低周疲勞壽命的公式：

萼=萼+學(xué)嚏（2"+。2”

請結(jié)合該公式，分析圖5?34的變化規(guī)律，指出低周疲勞與高周疲勞的什么起

主導(dǎo)作用，選材時應(yīng)分別以什么性能為主?

答：低周疲勞壽命的公式由彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變兩部分對應(yīng)的壽命公式構(gòu)成,

其對應(yīng)的公式分別為：

將以上兩公式兩邊分別取對數(shù)，在對數(shù)坐標(biāo)上，上兩公式就變成了兩條直線,

分別代表彈性應(yīng)變幅■壽命線與塑性應(yīng)變幅■壽命線。兩條直線斜率不一致，

其交點(diǎn)對應(yīng)的壽命稱之過渡壽命.在交點(diǎn)左側(cè)，即低周疲勞范圍內(nèi)，塑性應(yīng)

變幅起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由塑性操縱；在高周疲勞區(qū)，彈性應(yīng)變幅

起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由強(qiáng)度操縱。選材時，高周疲勞要緊考慮強(qiáng)度,

低周疲勞考慮塑性。

館(2/)

圖1應(yīng)變幅-疲勞壽命曲線

1—3€力/2-2N.r曲線2—■曲線

3—W2-2M曲線

第六章

名詞解釋：

應(yīng)力腐蝕：金屬在拉應(yīng)力與化學(xué)介質(zhì)的共同作用下引起的脆性斷裂叫應(yīng)力腐

蝕。

氫蝕：氫與金屬中的第二相作用生成高壓氣體，使機(jī)體金屬晶界結(jié)合力減小

而最終斷裂的現(xiàn)象。

白點(diǎn)：在熔煉時，若鋼中含有過量的氫，且未能擴(kuò)散逸出，這在冷卻時聚集

到缺陷處，形成氫氣。在該處內(nèi)壓力很大，足以將金屬局部撕裂，形成微裂

紋。這種微裂紋的斷面呈銀白色圓或者橢圓，故稱之白點(diǎn)。

氫化物致脆：第四、五副族金屬易與氫形成脆性氫化物，使金屬脆化的現(xiàn)象。

氫致延滯斷裂：高強(qiáng)度鋼中固溶一定量的氫，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作

用下，通過一段孕育期后，金屬內(nèi)部形成裂紋，發(fā)生斷裂。

Olscc：材料不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力。

KIscc：不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大應(yīng)力場強(qiáng)度因子稱之應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場

強(qiáng)度因子KIscc。KIscc表示含有宏觀裂紋的材料，在應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂

韌度。

6.何謂氫致延滯斷裂？為什么高強(qiáng)度鋼的氫致延滯斷裂是在一定的應(yīng)變速率

下與一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)？

答：高強(qiáng)度鋼中固溶一定量的氫，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下，通過

一段孕育期后，金屬內(nèi)部形成裂紋，發(fā)生斷裂。一氫致延滯斷裂。

由于氫致延滯斷裂的機(jī)理要緊是氫固溶于金屬晶格中，產(chǎn)生晶格膨脹畸變，

與刃位錯交互作用，氫易遷移到位錯拉應(yīng)力處，形成氫氣團(tuán)。

當(dāng)應(yīng)變速率較低而溫度較高時，氫氣團(tuán)能跟得上位錯運(yùn)動，但滯后位錯一定

距離.因此，氣團(tuán)對位錯起“釘扎”作用，產(chǎn)生局部硬化.當(dāng)位錯運(yùn)動受阻，

產(chǎn)生位錯塞積，氫氣團(tuán)易于在塞積處聚集，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋。

若應(yīng)變速率過高與溫度低的情況下，氫氣團(tuán)不能跟上位錯運(yùn)動，便不能產(chǎn)生

“釘扎”作用，也不可能在位錯塞積處聚集，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋。

因此氫致延滯斷裂是在一定的應(yīng)變速率下與一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的。

第七章

磨損：機(jī)件表面相互接觸并產(chǎn)生相對運(yùn)動，表面逐步有微小顆粒分離出來形

成磨屑，使表面材料逐步缺失、造成表面損傷的現(xiàn)象。

接觸疲勞：兩接觸面做滾動或者滾動加滑動摩擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力長期

作用下，材料表面因疲勞殞傷，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片金屬剝落而使材料缺

失的現(xiàn)象。

3.粘著磨損產(chǎn)生的條件、機(jī)理及其防止措施

-----又稱之咬合磨損，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(diǎn)處屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的一種磨損。

磨損機(jī)理：

實際接觸點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)剪斷后，新的粘著點(diǎn)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.使用表面化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài)

進(jìn)行滲硫、磷化、碳氮共滲等在表面形成一層化合物或者非金屬層，即避免

摩擦副直接接觸又減小摩擦因素。

3.操縱摩擦滑動速度與接觸壓力

減小滑動速度與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(jī)體結(jié)合力都能降低粘著磨

損。

影響接觸疲勞壽命的因素？

內(nèi)因

1.非金屬夾雜物

脆性北金屬夾雜物對疲勞強(qiáng)度有害

適量的塑性非金屬夾雜物（硫化物）能提高接觸疲勞強(qiáng)度

塑性硫化物隨基體一起塑性變形，當(dāng)硫化物把脆性夾雜物包住形成共生夾雜

物時，能夠降低脆性夾雜物的不良影響。

生產(chǎn)上盡可能減少鋼中非金屬夾雜物。

2.熱處理組織狀態(tài)

接觸疲勞強(qiáng)度要緊取決于材料的抗剪切強(qiáng)度，并有一定的韌性相配合。

當(dāng)馬氏體含碳量在0.4~0.5w%時，接觸疲勞壽命最高。

馬氏體與殘余奧氏體的級別

殘余奧氏體越多，馬氏休針越粗大，越容易產(chǎn)生微裂紋，疲勞強(qiáng)度低。

未溶碳化物與帶狀碳化物越多，接觸疲勞壽命越低。

3.表面硬度與心部硬度

在一定硬度范圍內(nèi)，接觸疲勞強(qiáng)度隨硬度的升高而增加，但并不保持正比線

性關(guān)系。

表面形成一層極薄的殘余奧氏體層，因表面產(chǎn)生微量塑性變形與磨損，增加

了接觸面積，減小了應(yīng)力集中，反而增加了接觸疲勞壽命。

滲碳件心部硬度太低，表層硬度梯度過大，易在過渡區(qū)內(nèi)形成裂紋而產(chǎn)生深

層剝落。

表面硬化層深度與殘余內(nèi)應(yīng)力

硬化深度要適中，殘余壓應(yīng)力有利于提高疲勞壽命。

外因

1.表面粗糙度

減少加工缺陷，降低表面粗糙度，提高接觸精度，能夠有效增加接觸疲勞壽

命O

接觸應(yīng)力低，表面粗糙度對疲勞壽命影響較大

接觸應(yīng)力高，表面粗糙度對疲勞壽命影響較小

2.硬度匹配

兩個接觸滾動體的硬度與裝配質(zhì)量等都應(yīng)匹配適當(dāng)。

第八章

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(qiáng)溫度（TE）：晶粒強(qiáng)度與晶界強(qiáng)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)。該

指標(biāo)與常溫下的屈服強(qiáng)度相似。

持久強(qiáng)度極限：在高溫長時載荷作用下的斷裂強(qiáng)度一持久強(qiáng)度極限。

蠕變極限的兩種表達(dá)方式：

1.在規(guī)定溫度⑴下，使試樣在規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)蠕變速率（￡）不超過規(guī)定

值的最大應(yīng)力（J的。

。600ixio-5=60MPa表示溫度為600C,穩(wěn)固蠕變速率為lXl（y5%/h的蠕變極限

為60MPao

2.在規(guī)定溫度⑴下與實驗時間（T）內(nèi)，是試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長率（6）不超過

規(guī)定的最大值

o5°°i/io5=lOOMPa,表示材料在500℃,gh后總的生產(chǎn)率位1%的蠕變極限

為100Mpa。

℃

持久強(qiáng)度極限的表達(dá)式

在規(guī)定溫度⑴下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時間（T）而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力）o

。7O°ixio3=3OMPa表示溫度為700℃.1000h的持續(xù)強(qiáng)度極限為30Mpa。

四、影響金屬高溫力學(xué)性能的要緊因素

由蠕變斷裂機(jī)理可知要降低蠕變速度提高蠕變極限，務(wù)必操縱位錯攀移的速

度；

要提高斷裂抗力，即提高持久強(qiáng)度，務(wù)必抑制品界的滑動，也就是說要操縱

晶內(nèi)與晶界的擴(kuò)散過程。

（一）合金化學(xué)成分的影響

耐熱鋼及合金的基體材料通常選用熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大或者層錯能低的

金屬及合金。

熔點(diǎn)愈高的金屬自擴(kuò)散愈慢

層錯能降低易形成擴(kuò)展位錯

彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯的滑移與攀移

在基體金屬中加入（高熔點(diǎn)、半徑差距大）的銘、鋁、鋁、鈍等元素形成固

溶體

固溶強(qiáng)化

降低層錯能，易形成擴(kuò)展位錯。

加入能形成彌散相的合金元素

彌散強(qiáng)化阻礙位錯的滑移

加入增加晶界擴(kuò)散激活能的元素（硼、稀土等）

阻礙晶界滑動

增大晶界裂紋面的表面能

二）冶煉工藝的影響

減少鋼中的夾雜物與某些缺陷

合金定向生長（減少橫向晶界）

（三）熱處理工藝的影響

關(guān)于珠光體耐熱鋼，通常用正火加回火。

正火溫度較高，促使碳化物較充分而均勻地溶入奧氏體

回火溫度應(yīng)高于使用溫度100?150℃以上，以提高其在使用溫度下的組織穩(wěn)

固性。

關(guān)于奧氏體耐熱鋼，通常進(jìn)行固溶處理與時效

獲得適當(dāng)?shù)木Я６?/p>

改善強(qiáng)化相的分布狀態(tài)

（四）晶粒度的影響

當(dāng)使用溫度低于等強(qiáng)溫度時，細(xì)晶鋼有較高的強(qiáng)度；當(dāng)使用溫度高于等強(qiáng)溫

度時，粗晶鋼有較高的蠕變極限與持久強(qiáng)度極限。

但晶粒太大會降低材料的塑性與韌度

晶粒度要均勻，否則在大小晶粒交界處易產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成裂紋。

（高溫下金屬材料的韌脆變化有與特征？斷裂路徑變化有何變化？結(jié)合等強(qiáng)

溫度分析晶粒大小對金屬財料高溫力學(xué)性能的影響。）

結(jié)合等強(qiáng)溫度分析晶粒大小對金屬材料高溫力學(xué)性能（韌脆變化、斷裂路徑、

蠕變極限與持久強(qiáng)度極限）的影響。

韌脆變化：

高溫短時加載時，金屬的塑性增加。

高溫長時加載時，塑性降低，缺口敏感度增加，呈現(xiàn)脆斷現(xiàn)象。

斷裂路徑變化：

常溫下的穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐嗔选?/p>

原因：溫度升高時晶粒強(qiáng)度與晶界強(qiáng)度都降低，但晶界強(qiáng)度降低較快。

等強(qiáng)溫度（TE）：晶粒強(qiáng)度與晶界強(qiáng)度相等的溫度。

圖81