材料力學(xué)性能-課后答案

第一章

1.解釋以下名詞①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。②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。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

用格效應(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)定剩余伸長

應(yīng)力增加；反向加載，規(guī)定剩余伸長應(yīng)力降低的現(xiàn)象。⑤塑性：金屬材料斷裂前發(fā)生不

可逆永久（塑性）變形的能力。⑥韌性：指金屬材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能

力。

脆性：指金屬材料受力時沒rr發(fā)生塑性變形而直接斷裂的能力

⑦加工硬化：金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時，由于晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的

纏結(jié),使晶粒拉長、破碎和纖維化，使金屬的強度和硬度升高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象。⑧

解理斷裂：解理斷裂是在正應(yīng)力作用產(chǎn)生的一種穿晶斷裂，即斷裂面沿一定的晶面（即解

理面）別離。

2.解釋以下力學(xué)性能指標(biāo)的意義彈性模量）；（2）Cp（規(guī)定非比例伸長應(yīng)力）、《e

（彈性極限）、（s（屈服強度）、《0.2（屈服強度）；⑶4b（抗拉強度）；（4）

n（加工硬化指數(shù)）；（5）6（斷后伸長率）、ip〔斷面收縮率）

4,常用的標(biāo)準(zhǔn)試樣有5倍和10倍，其延伸率分別用b5和G10表示，說明為什么6

5>610o答：對于韌性金屬材料，它的塑性變形量大于均勻塑性變形量，所以對于它的式

樣的比例，尺寸越短，它的斷后伸長率越大。

5.某汽車彈簧，在未裝滿時已變形到最大位置，卸載后可完全恢復(fù)到原來狀態(tài)；另一汽

車彈簧，使用一段時間后，發(fā)現(xiàn)彈簧弓形越來越小，即產(chǎn)生了塑性變形，而且塑性變形量

越來越大。試分析這兩種故障的本質(zhì)及改變措施。答：（1）未裝滿載時已變形到最大位置:

效贊彈性極限不夠?qū)е聫椥员裙π?；?）使用一段時間后，發(fā)現(xiàn)彈簧弓形越來越小，即產(chǎn)

生了塑性變形，這是構(gòu)件材料的彈性比功缺乏引起的故障，可以通過熱處理或合金化提高

材料的彈性極限（或屈服極限），或者更換屈服強度更高的材料。

6.今有45、40Cr、35CrMo鋼和灰鑄鐵幾種材料，應(yīng)選擇哪種材料作為機床機身？

為什么？答：應(yīng)選擇灰鑄鐵。因為灰鑄鐵循環(huán)韌性大，也是很好的消振材料，所以常用它

做機床和動力機器的底座、支架，以到達機器穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的目的。剛性好不容易變形加工工

藝朱造型好易成型抗壓性好耐磨損好本錢低

7.什么是包申格效應(yīng)？如何解釋？它有什么實際意義？答：［1）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)定剩余伸長應(yīng)力增加；反向加載，規(guī)定剩

余伸長應(yīng)力降低的現(xiàn)象，稱為包申格效應(yīng)。（2）理論解釋：首先，在原先加載變形時，

位錯源在滑移面上產(chǎn)生的位錯遇到障礙，塞積后便產(chǎn)生了背應(yīng)力，背應(yīng)力反作用于位錯源,

當(dāng)背應(yīng)力足夠大時，可使位錯源停止開動。預(yù)變形時位錯運動的方向和背應(yīng)力方向相反，

而當(dāng)反向加載時位錯運動方向和背應(yīng)力方向一致，背應(yīng)力幫助位錯運動，塑性變形容易了，

丁是，經(jīng)過預(yù)變形再反向加載，其屈服強度就降低了。（3）實際意義：在工程應(yīng)用上，

首先，材料加工成型工藝需要考慮包中格效應(yīng)。例如，大型精油輸氣管道管線的UOE制

造工藝：U階段是將原始板材沖壓彎曲成U形，0階段是將U形板材徑向壓縮成0

形，再進行周邊焊接，最后將管子內(nèi)徑進行擴展，到達給定大小，即E階段。按UOE工

藝制造的管子，希望材料具有非常小的或者幾乎沒有包中格效應(yīng)，以免管子成型后強度的

損失。其次，包申格效應(yīng)大的材料，內(nèi)應(yīng)力大。例如，鐵素體+馬氏體的雙相鋼對氫脆就

比擬敏感，而普通低碳鋼或低合金高強度鋼對氫脆不敏感，這是因為雙相鋼中鐵素休周圍

有高密度位錯和內(nèi)應(yīng)力，氫原子與長程內(nèi)應(yīng)力交互作用導(dǎo)致氫脆。包申格效應(yīng)和材料的

疲勞強度也有密切關(guān)系。

8,產(chǎn)生頸縮的應(yīng)力條件是什么？要抑制頸縮的發(fā)生有哪些方法？答:當(dāng)加工硬化速率等

于該處的真應(yīng)力時就開始頸縮。措施：提高加工硬化指數(shù)。

10.試用位錯理論解釋：粗晶粒不僅屈服強度低，斷裂塑性野地；而細晶粒不僅使材料

的屈服強度提高，斷裂塑性也提高。答：主要是因為晶粒細化之后，與粗晶粒相比，晶

粒取向更為均勻，從而防止了過早出現(xiàn)應(yīng)力集中引起的開裂，提高了韌性。

11.韌性斷口由幾局部組成？其形成過程如何答：由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個區(qū)域

組成。

第二章

1.解釋以下名詞：應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)：材料最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力的比值，記為。。

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。

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。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。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。肖氏硬度：采動載荷試驗法，根據(jù)重錘回跳高度表證的金屬硬度。

缺口效應(yīng)：缺口材料在靜載荷作用下，缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生的變化。缺口敏感度：

金屬材料的缺口敏感性指標(biāo)，用缺口試樣的抗拉強度與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強度的

比值表示。

2.說明以下性能指標(biāo)的意義：《be（材料的抗壓強度）；（2）<bb（材料的抗彎強

度）；（3）ns（材料的扭轉(zhuǎn)屈服點）；（4）ns（抗扭強度）；（5）np（扭

轉(zhuǎn)比例極限）；（6）（bn（抗拉強度）；（7）HBS（壓頭為淬火鋼球的材料的布氏

硬度）；（8）HBW：壓頭為硬質(zhì)合金球的材料的布氏硬度；（9）HRA（材料的洛氏

硬度）；HRB（材料的洛氏硬度）；HRC（材料的洛氏硬度）；（10）HV（材料的

維氏硬度）；（11）HK（材料的努氏硬度）；（12）HS（材料的肖氏硬度）；（13）

K（理論應(yīng)力集中系數(shù)）；（14）NSR（缺口敏感度）

3.今有如下零件和材料等需測定硬度，試說明選用何種硬度試驗方法為宜：（1）滲碳

層的硬度分布一?HK或-顯微HV（2）淬火鋼---HRC（3）灰鑄鐵--HB（4）鑒別鋼中

的隱晶馬氏體和剩余奧氏體-----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（8）高速鋼刀

具--HRC（9）退火態(tài)低碳鋼一一HB（10）硬質(zhì)合金---HRA

4.說明幾何強化現(xiàn)象的成因，并說明其本質(zhì)與形變強化有何不同。

6,試綜合比擬單向拉伸、壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗的特點和應(yīng)用范圍。拉伸：特點：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。應(yīng)用范圍：塑性

變形抗力和切斷強度較低的塑性材料。壓縮：特點：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。應(yīng)用范圍：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：特點：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；彎曲試樣外表應(yīng)力最大，可

靈敏地反映材料外表缺陷。應(yīng)用范圍：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異。也常用于比擬和鑒別滲碳和外表淬火等化學(xué)熱處理機件的質(zhì)量和性能。扭轉(zhuǎn)：

特點：應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為08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

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外表缺陷和及外表

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。應(yīng)用范圍：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外表質(zhì)量和各種外表強化工藝的效果。

7、

第三章

1.缺口會引起哪些力學(xué)響應(yīng)？答：材料截血上缺口的存在，使得在缺口的根部產(chǎn)生應(yīng)力集中、

雙向或三向應(yīng)力、應(yīng)力集中和應(yīng)變集中，并試樣的屈服強度升高，塑性降低。

2.比擬平面應(yīng)力和平面應(yīng)變的概念。答：平面應(yīng)力：只在平面內(nèi)有應(yīng)力，與該面垂直方向的應(yīng)

力可忽略，例如薄板拉壓問題。平面應(yīng)變：只在平面內(nèi)有應(yīng)變，與該面垂直方向的應(yīng)變可忽略，例如

水壩側(cè)向水壓問題。具體說來：平面應(yīng)力是指所有的應(yīng)力都在一個平面內(nèi)，如果平面是OXY平面，

那么只有正應(yīng)力3,，y,剪應(yīng)力（它們都在一個平面內(nèi)），沒有，z，nyz，Hzx。平面應(yīng)變是指所有的應(yīng)

變都在一個平面內(nèi)，同樣如果平面是OXY平面，那么只有正應(yīng)變￡X,ey和剪應(yīng)變Yxy，而沒有￡z，

Yyz，Yzxo

3.如何評定材料的缺口敏感性：答：材料的缺口敏感性，可通過缺口靜拉伸、偏斜拉伸、靜彎

曲、沖擊等方法加以評定。

簡述根據(jù)韌脆轉(zhuǎn)變溫度分析機件脆斷失效的優(yōu)缺點。

缺點：脆性斷裂?般斷裂時間較短，突發(fā)性的斷裂，因此在使用時?旦超過屈服強度就會很快斷裂優(yōu)

點：脆性斷裂在常溫下表現(xiàn)為脆性，因此材料的變形隨溫度降低時變化不大，這樣在交變溫度的使用

環(huán)境下，就不需要考慮材料的冷脆溫度

7.何謂低溫脆性？哪些材料易表現(xiàn)出低溫脆性？工程上，有哪些方法評定材料低溫脆

性？答：在低溫下，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象稱為低溫脆性。只有以體心立方金屬為

基的冷脆金屬才具有明顯的低溫脆性，如中低強度鋼和鋅等。而面心立方金屬，如鋁等，沒有明顯的

低溫脆性。工程上常采用低溫脆性通常用脆性轉(zhuǎn)變溫度，能量準(zhǔn)那么，斷口形貌準(zhǔn)那么，斷口變形特

征準(zhǔn)那么評定。

8.說明為什么焊接船只比斜接船只易發(fā)生脆性破壞？答：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、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。

10.細化晶粒尺寸可以降低脆性轉(zhuǎn)變溫度或者說改善材料低溫韌性，為什么？答：晶界

是裂紋擴展的阻力；晶界增多有利于降低應(yīng)力集中，降低晶界上雜質(zhì)度，防止產(chǎn)生沿晶界脆性斷裂。所

以可以提高材料的韌性。

第四章1.解釋以下名詞：（I）低應(yīng)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(yīng)力以下發(fā)生的斷裂：（2）I型裂紋：拉應(yīng)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。13）應(yīng)力強度因子KI：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，那么應(yīng)力場各點應(yīng)力分

量也越大，這樣就可以表示應(yīng)力場的強弱程度，稱為應(yīng)力場強度因子。力”表示I型裂紋。（4）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，假設(shè)也不會斷裂。（5）

裂紋擴展G判據(jù)：GI>=GIC,當(dāng)GI滿足上述條件時裂紋失穩(wěn)擴展斷裂。（6）J積分：有兩種定義

或表達式：一是線積分：二是形變功率差。PI49（7）裂紋擴展J判據(jù)：只要滿足力>=比，裂紋（或

構(gòu)件）就會斷裂。（8）COD：裂紋張開位移。（9）COD判據(jù)：當(dāng)滿足，裂紋開始擴展。

2、說明以下斷裂韌度指標(biāo)的意義及其相互關(guān)系

Kic和KG

答：臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的Ki記作Kc或Kc,Kc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)擴展的能力。Kc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)擴展

的能力。

它們都是I型裂紋的材料裂紋韌性指標(biāo)，但Kc值與試樣厚度有關(guān)。當(dāng)試樣厚度增加，使

裂紋尖端到達平面應(yīng)變狀態(tài)時，斷裂韌度趨于一穩(wěn)定的最低值，即為Kc,它與試樣厚度無

關(guān)，而是真正的材料常數(shù)。

Gc答；當(dāng)G增加到某一臨界值時，G能克服裂紋失穩(wěn)擴展的阻力，那么裂紋失穩(wěn)擴展斷裂。將G的

臨界值記作G-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Gi相同，

MPa,m

Jic：是材料的斷裂韌度，表示材料抵抗裂紋開始獷展的能力，其單位與GIC相同。

是材料的斷裂韌度，表示材料阻止裂紋開始擴展的能力.

J判據(jù)和b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)。

4、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)、機件的加工和使用過程中產(chǎn)生不可防止的宏觀裂紋，從而使機

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)用于機件的設(shè)計I-.,在給定裂紋尺寸的情況

下，確定機件允許的最大工作應(yīng)力，或者當(dāng)機件的工作應(yīng)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。

5、試述應(yīng)力場強度因子的意義及典型裂紋K的表達式

答:P121幾種裂紋的Ki表達式,無限大板穿透裂紋：Ki=；有限寬板穿透裂紋：Ki=o疝/（-）:

b

有限寬板單邊直裂紋：K=石/（巴）當(dāng)bNa時，K=1.2。向；受彎單邊裂紋梁：

b

K=6M/（￡）；無限大物體內(nèi)部有橢圓片裂紋，遠處受均勻拉伸：

（b-ayb

I2

M二空空Qin之4+「COS2￡）“4；無限大物體外表有半橢圓裂紋，遠處均受拉伸：A點的

①c~

片1.1c/五

AI=-------------------<,

①

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件材料、優(yōu)化工藝等。

11COD的意義：表示裂紋張開位移。表達式b=&lnsec（二）。

TTE2a

13試述KIC與材料強度塑形之間的關(guān)系

總的來說，斷裂韌度隨韌度隨強度的升高而降低

19.假設(shè)一薄板內(nèi)有一條長3mm的裂紋，且aO=3X試求脆性斷裂時斷裂應(yīng)力。c(設(shè)。

m=E/10=2X105MPa)o

解：由公式。m/oc=(a/a0)l/2,a為。c對應(yīng)的裂紋半長度，即a=1.5mm,oc=28.2845MPa

注：參考，原題可能有誤。

21.有一大型板件，材料的。0.2=1200MPa,KIc=115MPa*m,/2,探傷發(fā)現(xiàn)20mm長的橫向穿透裂紋，假

設(shè)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,并判斷該件是否平安？

解：由題意知穿透裂紋受到的應(yīng)力為。=900MPa

根據(jù)。/。U.2的值，確定裂紋斷裂切度KIC是否體耍修正

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：

LMPa*m,/2)

塑性區(qū)寬度為：=0.004417937(m)=2.21(mm)

比擬K1與KIc：

因為Kl=168.13(MPa*ml/2)

KIc=ll5(MPa*ml/2)

所以：KI>KIc,裂紋會失穩(wěn)擴展,所以該件不平安。

注：書上原題為：有一大型板件，材料的Ro.2=12OOMpa,

22.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

的外表半橢圓疲勞區(qū)，根據(jù)裂紋a/c可以確定6=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O/。0.2=150/720=0.20*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=Yocacl/2

對于外表半橢圓裂紋,Y=l.l&g=1.1近

所以，KIC=Yocac1/2=1.17必450x425xICT'=46.229(MPa*ml/2)

注：書上原題為：測試材料的Ro.2=72OMPa”

23.有一構(gòu)件制造時,出現(xiàn)外表半桶圓裂紋，假設(shè)a=1mm,在工作應(yīng)力。=1000MPa下工作，應(yīng)該選什么材料

的。().2與KIC配合比擬適宜?構(gòu)件材料經(jīng)不同熱處理后，其。0.2和KIC的變化列于下表.o().2/MPa

11001200130014001500

KIC/MPa?ml/211095756055

第五章金屬的疲勞

1.名詞解釋；

1、疲勞失效：疲勞失效是一種勸料在遠低于正常強度情況下的往復(fù)交替和周期循環(huán)應(yīng)力下，產(chǎn)生逐漸

擴展的脆性裂紋，導(dǎo)致最終斷裂的傾向。

2、疲勞極限：材料在受到隨時間而交替變化的荷載作用時，所產(chǎn)生的應(yīng)力也會隨時間作用交替變化，

這種交變應(yīng)力超過某一極限強度而且長期反復(fù)作用即會導(dǎo)致材料的破壞，這個極限稱為材料的疲勞極

限。

3、應(yīng)力幅。a:。a=l/2(。max-。min)

4、平均應(yīng)力。m：om=l/2(omax+omin)

5、應(yīng)力比亡r=omin/omax

6、應(yīng)力范圍A。：

7、應(yīng)變范圍AJ

8、應(yīng)變幅(Aet/2,Aee/2,Aep/2):

9、疲勞源：是疲勞裂紋萌生的策源地，一般在機件外表常和缺口，裂紋，刀痕，蝕坑相連。

10、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。

11、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穹曲并相互平行的溝槽把戲，稱為疲勞

條帶(疲勞輝紋，疲勞條紋)

12、駐留滑移帶；用電解拋光的方法很難將已產(chǎn)生的外表循環(huán)滑移帶去除，當(dāng)對式樣重新循環(huán)加載時，

那么循環(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。

13、擠出脊和侵入溝：在拉應(yīng)方作用下，位錯源被激活，使其增殖的位錯滑移到外表，形成滑移臺階，

應(yīng)力不斷循環(huán)，多個位錯源引起交互滑移，形成“擠出”和“侵入”的臺階

14、AK:材料的疲勞裂紋擴展速率不僅與應(yīng)力水平有關(guān)，而且與當(dāng)時的裂紋尺寸有關(guān),AK是由應(yīng)力

范圍A。和a復(fù)合為應(yīng)力強度因子范圍,AK=Kmax-Kmin=YomaxVa-YominVa=YAoJa

15、da/dN:疲勞裂紋擴展速率，即每循環(huán)一次裂紋擴展的距離。

16、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)

17、熱疲勞：機件在由溫度循環(huán)變化時產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及熱應(yīng)變作用下的疲勞。

18、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。

19、銀紋：銀紋現(xiàn)象是聚合物在張應(yīng)力作用下，于材料某些薄弱部位出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形

變和取向，以至在材料外表或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為100pm、寬度為10pm左右、厚度為1pm

的微細凹槽或“裂紋”的現(xiàn)象。

20、靜態(tài)疲勞：在持續(xù)載荷作用下，發(fā)生應(yīng)力斷裂破壞的統(tǒng)計平均最小時間。

21、循環(huán)疲勞：

2.揭示以下疲勞性能指標(biāo)的意義

疲勞強度o-1,o-p,T-IN&Cth

。-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；

T-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。

qf：疲勞缺口敏感度：Qf=(Kf-li/(kt-1)其中Kt為理論應(yīng)力案中系數(shù)且大于一，Kf為疲勞缺口系數(shù)。

Kf=(o-l)/(o-IN)

△Kth：疲勞門檻值：在疲勞裂紋擴展速率曲線的I區(qū)，當(dāng)△KWAK由時，da/aN=O,表示裂紋不擴展;只

有當(dāng)AK>AKih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

(1)疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂，機具有壽命的斷裂

(2)疲勞是脆性斷裂

13)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

答：典型疲勞斷口具有三個形貌不同的區(qū)域一疲勞源、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)的光亮度最天，因為這里在整個裂紋亞格擴展過程中

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

比擬光滑并分布有貝紋線。斷II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,偶然過我引起的載荷變動,使裂紋前沿線留下r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

U,韌性材料為纖維狀斷U。

5?試述疲勞曲線（S?N）及疲勞極限的測試方法

升降法測試疲勞極限：取略高于疲勞極限的5級應(yīng)力水平，從最高應(yīng)力水平測試，當(dāng)試樣通過時，增加

一級應(yīng)力水平，不通過時降低一級應(yīng)力水平，出現(xiàn)至少13個有效試樣時求的材料的疲勞極限成組法測

試高應(yīng)力局部；去4級較高應(yīng)力水平，在每級應(yīng)力水平下測試5個試樣，得到每個應(yīng)力水平的N值，兩

種結(jié)構(gòu)整理并擬合成S-N曲線

6.試述疲勞圖的意義、建立及用途。

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(yīng)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(biāo)以?表示，橫坐標(biāo)以表示。然后，以不同應(yīng)力比I?條件下將。max表示的疲勞

極限分解為?！ê?？”，并在該坐標(biāo)系中作ABC曲線，即為a-?！?疲勞圖。其幾何關(guān)系為:

（JJ（°"max一°"niin）

tana=—=-y-----------

1+r

（用途）：我們知道應(yīng)力比r,將其代入試中，即可求得tana和a,而后從坐標(biāo)原點0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)之卻，即為相

應(yīng)r的疲勞極限arR，arR=a1）h+amR

2、疲勞圖

建立：這種圖的縱坐標(biāo)以0nm或5.表示，橫坐標(biāo)以區(qū)”表示。然后將不同應(yīng)力比「下的疲勞極限，分

別以bmaxOmin）和。m表示于上述坐標(biāo)系中，就形成這種疲勞圖。幾何關(guān)系為：

<y“2b”2

tana=—=.....-

C”心+"1+r

（用途）：我們只要知道應(yīng)力比r,就可代入上試求得tana和。，而后從坐標(biāo)原點0引一直線0H,令其

與橫坐標(biāo)的夾角等于夕,該直線與曲線AHC相交的交點H的縱坐標(biāo)即為疲勞極限。

7.試述疲勞裂紋的形成機理及阻止疲勞裂紋萌生的一般方法。

答:宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋的形成、長大及連接而成的。疲勞微觀裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯

微開裂引起的，主要有外表滑移開裂，第二相、夾夾雜物或其界面開裂；晶界或亞晶界開裂等。阻止疲

勞裂紋萌生方法有：細晶強化、固溶強化，降低第二相和夾雜物的脆性，提高相界面強度，控制第二相

或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布，使晶界強化，凈化均能抑制晶界裂紋形成，提高疲勞強度

8.試述影響疲勞裂紋擴展速率的主要因素。

答：1、應(yīng)力比r(或平均應(yīng)力0,3的影響：Forman提出友=—四竺一

dN(\-r)Kc-\K

剩余壓應(yīng)力因會減小r,使業(yè)降低和升高，對疲勞壽命有利；而剩余拉應(yīng)力因會增大r,使也升

dNdN

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。但假設(shè)過載適當(dāng)，

有時反而是有益的。

3、材料組織的影響；

①晶粒大?。壕ЯＴ酱执?，其值越高，也越低，對疲勞壽命越有利。

dN

②組織：鋼的含碳量越低，鐵素體含量越多時，其力值就越高。當(dāng)鋼的淬火組織中存在一定量的剩

余奧氏體和貝氏體等韌性組織時，可以提高鋼的AK”，降低也。③噴丸處理：噴丸強化也能提高AK”,。

dN

9.試述疲勞微觀斷口的主要特征。

答：斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽把戲，稱疲勞條帶(疲勞條紋、疲勞輝紋)C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。

疲勞裂紋擴展的塑性鈍化模型(Laird模型)：

圖中⑶,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(yīng)力集中減小，裂紋停止擴展的過程稱為“塑性鈍化”。

圖(d),當(dāng)應(yīng)力變?yōu)閴嚎s應(yīng)力時，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。

10.試述疲勞裂紋擴展壽命和剩余壽命的估算方法及步驟。

答：通過疲勞裂紋擴展速率表達式，用積分方法算出疲勞裂紋擴展壽命和疲勞剩余壽命；具體步驟如下:

計算KI,再計算裂紋臨界尺寸ac,最后根據(jù)有關(guān)公式估算疲勞壽命

1k試述金屬外表強化對疲勞強度的影響。

答：外表強化處理可在機件外表產(chǎn)生有利的剩余壓應(yīng)力，同時還能提高機件外表的強度和硬度。這兩方

面的作用都能提高疲勞強度。

外表強化方法，通常有外表噴丸、滾壓、外表淬火及外表化學(xué)熱處理等。

(1)外表噴丸及滾壓

噴丸是用壓縮空氣將堅硬的小彈丸高速噴打向機件外表，使機件外表產(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)生剩余壓應(yīng)力。

外表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；而且外表粗糙度低，強化

效果更好。

(2)外表熱處理及化學(xué)熱處理

他們除能使機件獲得表硬心韌的綜合力學(xué)性能外，還可以利用外表組織相變及組織應(yīng)力、熱應(yīng)力變化，

使機件外表層獲得高強度和剩余壓應(yīng)力，更有效地提高機件疲勞強度和疲勞壽命。

12.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):ob/。s>1.4,表現(xiàn)為循環(huán)硬化：

ob/os<1.2,表現(xiàn)為循環(huán)軟化：1.2<ob/osvl.4,材料比擬穩(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，nvl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)硬化和軟化與位錯的運動有關(guān)：

退火軟金屬中，位錯產(chǎn)生交互作用，運動阻力增大而硬化。

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。

19.

20題：兩幅圖都行

21.有板件在脈動載荷下工作，。max=200MPa,。min=O,該材料的。b=670MPa,

oo.2=6OOMPa,KIc=104MPa-m1/2,Paris公式中，C=6.9X10-12,n=3.0,使用中發(fā)現(xiàn)有0.1mm和1mm

兩處橫向穿透裂紋，請估算板件的疲勞剩余壽命？（2.69X105循環(huán)周次）解：只需要計算1mm裂紋就

可以

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)過一段時間后所產(chǎn)生的低應(yīng)方脆斷現(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、腐蝕疲勞：當(dāng)金屬受到酸堿的腐蝕，一些部位的應(yīng)力就比其他部位高得多，加速裂縫的形成，這叫“腐

蝕疲勞”。

4、氫蝕：氫蝕指的是在高溫高壓環(huán)境下，氫進入金屬內(nèi)與一種組分或元素產(chǎn)生化學(xué)反響使金屬破壞。

5、白點：當(dāng)鋼中含有過量的氫時，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散逸

出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子。此時，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。

6,氫化物致脆：對于IVB或VB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。

7,氫致延滯斷裂：這種由丁氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致延滯斷裂。

二、說明以下力學(xué)性能指標(biāo)的意義

1、oscc：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)力場強度因子。

3、KIHEC：

&da/dt：盈利腐蝕列紋擴展速率。

4.如何識別氫脆與應(yīng)力腐蝕？

笞：氫脆和應(yīng)力腐蝕相比，其特點表現(xiàn)在：

1、實驗室中識別氫脆與應(yīng)力腐蝕的一種方法是，當(dāng)施加一小的陽極電流，如使開裂加速，那么為應(yīng)力

腐蝕；而當(dāng)施加一小的陰極電流，使開裂加速者那么為氫脆。

2、在強度較低的材料中，或者雖為高強度材料但受力不大，存在的剩余拉應(yīng)力也較小這時其斷裂源都

不在外表，而是在外表以下的某一深度，此處三向拉應(yīng)力最大，氫濃集在這里造成斷裂。

3、氫脆斷裂的主裂紋沒有分枝的悄況.這和應(yīng)力腐蝕的裂紋是截然不同的。

4、氮脆斷口上一般沒有腐蝕產(chǎn)物或者其量極微。

5、大多數(shù)的氫脆斷裂（氫化物的氫脆除外），都表現(xiàn)出對溫度和形變速率有強烈的依賴關(guān)系。氫脆只在一

定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，出現(xiàn)氫脆的溫度區(qū)間決定于合金的化學(xué)成分和形變速率。

5.為什么高強度材料容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和氫脆？

氫脆和應(yīng)力腐蝕的形成，都有一個必要條件，就是應(yīng)力。從氫致斷裂的形成機理來說，都是在外應(yīng)力的

作用下，滲入基材內(nèi)的氫原子，在應(yīng)力梯度作用下，向應(yīng)力集中的位置偏聚集，形成微裂紋，當(dāng)微裂紋

繼續(xù)擴展，原本具有韌性的材料就會發(fā)生脆性斷裂。氫脆和應(yīng)力腐蝕斷裂的機理相同，只是氫的來源不

同。

之所以是高強度的材料，一個重要的原因就是應(yīng)為它們在工作中，需要承受較大的應(yīng)力。

6.分析應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率da/dt與K1關(guān)系曲線，并與疲勞裂紋擴展速率曲線進行比擬

前者的第一和第三階段的速率隨K的變化非?？?，后者相對較慢。第二階段前者幾乎是平行的，后者比

擬平穩(wěn)但是速率還是會隨著k的變法而變化

8.何謂氫致延滯斷裂？為什么高強度鋼的氫致延滯斷裂是在一定的應(yīng)變速率下和一定的溫度范圍內(nèi)出

現(xiàn)？

答：高強度鋼中固溶一定量的氫，在低于屈服強度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過一段孕育期后，金屬內(nèi)部形

成裂紋，發(fā)生斷裂。一一氫致延滯斷裂。

因為氫致延滯斷裂的機理主要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。

當(dāng)應(yīng)變速率較低而溫度較高時，氫氣團能跟得上位錯運動，但滯后位錯一定距離。因此，氣團對位錯起

“釘扎”作用，產(chǎn)生局部硬化。當(dāng)位錯運動受阻，產(chǎn)生位錯塞積，氫氣團易于在塞積處聚集，產(chǎn)生應(yīng)力

集中，導(dǎo)致微裂紋。

假設(shè)應(yīng)變速率過高以及溫度低的情況下，氫氣團不能跟上位錯運動，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)尢集中，導(dǎo)致微裂紋。

所以氫致延滯斷裂是在一定的應(yīng)變速率下和一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的。

試述區(qū)別高強度鋼的應(yīng)力腐蝕與氫致延滯斷裂的方法

應(yīng)力腐蝕斷裂具有腐蝕產(chǎn)物和氧化現(xiàn)象，故常呈黑色和灰黑色。并且常有分叉現(xiàn)象，呈枯樹枝狀。氫致

延滯斷裂沒有這些現(xiàn)象。

第七章金屬的磨損與耐磨性

L名詞解釋

1、等