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材料力学性能考试答案


《工程材料力学性能》课后答案 工程材料力学性能》 机械工业出版社 2008 第 2 版
第一章 单向静拉伸力学性能 试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别? 1、 试述退火低碳钢 、 中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力 - 伸长曲线图上的区别 ? 为什 么? 决定金属屈服强度的因素有哪些? 2、 决定金属屈服强度的因素有哪些?【P12】 答:内在因素:金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。 外在因素:温度、应变速率和应力状态。 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险? 3、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险?【P21】 答:韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂,这种断裂有一个缓慢 的撕裂过程,在裂纹扩展过程中不断地消耗能量;而脆性断裂是突然发生的断裂,断裂 前基本上不发生塑性变形,没有明显征兆,因而危害性很大。 剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂,为什么断裂性质完全不同? 4、 剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂,为什么断裂性质完全不同?【P23】 答:剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离,一般是韧性断裂, 而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂,解理断裂 通常是脆性断裂。 何谓拉伸断口三要素?影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些? 5、 何谓拉伸断口三要素?影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些? 答:宏观断口呈杯锥形,由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成,即所谓的断口特征 三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置,因试样形状、尺寸和金属材料的性 能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。 论述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路,推导格雷菲斯方程,并指出该理论的局限性。 6、 论述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路,推导格雷菲斯方程,并指出该理论的局限性。 【P32】

? 2 Eγ s ? 2 答: σ c = ? ? ,只适用于脆性固体,也就是只适用于那些裂纹尖端塑性变形可以 ? πa ?
忽略的情况。 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词: 解释下列名词: (1)应力状态软性系数—— 材料或工件所承受的最大切应力 τmax 和最大正应力 σmax 比

1

值,即:

α=

τ max σ1 ?σ 3 = σ max 2σ 1 ? 0.5(σ 2 + σ 3 )

【新书 P39 旧书 P46】

(2) 缺口效应—— 绝大多数机件的横截面都不是均匀而无变化的光滑体, 往往存在截面的 急剧变化,如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等,这种截面变化的部分可视为“缺 口”,由于缺口的存在,在载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化,产生所谓的缺口 效应。 【P44 P53】 (3)缺口敏感度——缺口试样的抗拉强度 σbn 的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度 σb 的 比值,称为缺口敏感度,即: 【P47 P55 】

(4)布氏硬度——用钢球或硬质合金球作为压头,采用单位面积所承受的试验力计算而得 的硬度。 【P49 P58】 (5)洛氏硬度——采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头,以测量压痕深度所表示的硬度 【P51 P60】 。 (6)维氏硬度——以两相对面夹角为 136。的金刚石四棱锥作压头,采用单位面积所承受

的试验力计算而得的硬度。 【P53 P62】 (7)努氏硬度——采用两个对面角不等的四棱锥金刚石压头,由试验力除以压痕投影面 积得到的硬度。 (8)肖氏硬度——采动载荷试验法,根据重锤回跳高度表证的金属硬度。 (9)里氏硬度——采动载荷试验法,根据重锤回跳速度表证的金属硬度。 解释下列名词。 7、 解释下列名词。 弹性比功: 1 弹性比功:金属材料吸收弹性变形功的能力,一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的 最大弹性变形功表示。 滞弹性: 2.滞弹性:金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后,随时间延长产生附加弹性应变的现 象称为滞弹性,也就是应变落后于应力的现象。 循环韧性: 3.循环韧性:金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。 包申格效应: 4.包申格效应:金属材料经过预先加载产生少量塑性变形,卸载后再同向加载,规定残余 伸长应力增加;反向加载,规定残余伸长应力降低的现象。 解理刻面: 5.解理刻面:这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 塑性: 6.塑性:金属材料断裂前发生不可逆永久(塑性)变形的能力。 韧性: 韧性:指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 7.解理台阶 解理台阶: 7.解理台阶:当解理裂纹与螺型位错相遇时,便形成一个高度为 b 的台阶。 8.河流花样 解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度 河流花样: 8.河流花样: 足够大时,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志。 9.解理面 解理面: 9.解理面:是金属材料在一定条件下,当外加正应力达到一定数值后,以极快速率沿一定晶 体学平面产生的穿晶断裂,因与大理石断裂类似,故称此种晶体学平面为解理面。 10.穿晶断裂 穿晶断裂: 10.穿晶断裂:穿晶断裂的裂纹穿过晶内,可以是韧性断裂,也可以是脆性断裂。 沿晶断裂: 沿晶断裂:裂纹沿晶界扩展,多数是脆性断裂。 11.韧脆转变 韧脆转变: 11.韧脆转变:具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时,冲击吸收功明显下降,断裂 方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂,这种现象称为韧脆转变 12.弹性不完整性:理想的弹性体是不存在的,多数工程材料弹性变形时,可能出现加载线 弹性不完整性: 弹性不完整性 与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。弹性不完整性现象包 括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等 说明下列力学性能指标的意义。 8、 说明下列力学性能指标的意义。 答:E 弹性模量 G 切变模量

σ r 规定残余伸长应力 σ 0.2 屈服强度 δ gt 金属材料拉伸

时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 【P15】 金属的弹性模量主要取决于什么因素? 9、 金属的弹性模量主要取决于什么因素?为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指 标? 答:主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材 料的组织形态和晶粒大小,但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了, 原子的本性和晶格类型未发生改变,故弹性模量对组织不敏感。 【P4】

二、说明下列力学性能指标的意义

(1)σbc——材料的抗压强度【P41 P48】 (2)σbb——材料的抗弯强度【P42 P50】 (3)τs——材料的扭转屈服点【P44 P52】

(4)τb——材料的抗扭强度【P44 P52】 (5)σbn——材料的抗拉强度【P47 P55】 (6)NSR——材料的缺口敏感度【P47 P55】 (7)HBW——压头为硬质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——材料的维氏硬度【P53 P62】 试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围。 三、试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围。 试 验 方 特点 法 应用范围

拉伸

温度、应力状态和加载速率确定, 塑性变形抗力和切断强度较 采用光滑圆柱试样,试验简单,应力状态 低的塑性材料。 软性系数较硬。 应力状态软,一般都能产生塑性 脆性材料, 以观察脆性材料在 变形,试样常沿与轴线呈 45? 方向产生断 韧性状态下所表现的力学行为。 裂,具有切断特征。 弯曲试样形状简单,操作方便; 测定铸铁、铸造合金、工具钢 不存在拉伸试验时试样轴线与力偏斜问 及硬质合金等脆性与低塑性材料的强 题,没有附加应力影响试验结果,可用试 度和显示塑性的差别。也常用于比较 样弯曲挠度显示材料的塑性;弯曲试样表 和鉴别渗碳和表面淬火等化学热处理 面应力最大,可灵敏地反映材料表面缺 机件的质量和性能。 陷。 应力状态软性系数为 0.8, 比拉伸 用来研究金属在热加工条件 时大,易于显示金属的塑性行为;试样在 下的流变性能和断裂性能,评定材料 整个长度上的塑性变形时均匀,没有紧缩 的热压力加工型,并未确定生产条件 现象,能实现大塑性变形量下的试验;较 下的热加工工艺参数提供依据;研究 能敏感地反映出金属表面缺陷和及表面 或检验热处理工件的表面质量和各种 硬化层的性能;试样所承受的最大正应力 表面强化工艺的效果。 与最大切应力大体相等

压缩

弯曲

扭转

四.试述脆性材料弯曲试验的特点及其应用。 缺口试样拉伸时的应力分布有何特点?【 ?【P45 P53】 五、缺口试样拉伸时的应力分布有何特点?【P45 P53】 在弹性状态下的应力分布:薄板:在缺口根部处于单向拉应力状态,在板中心部位处于 两向拉伸平面应力状态。厚板:在缺口根部处于两向拉应力状态,缺口内侧处三向拉伸平面 应变状态。 无论脆性材料或塑性材料, 都因机件上的缺口造成两向或三向应力状态和应力集中而产生脆 性倾向,降低了机件的使用安全性。为了评定不同金属材料的缺口变脆倾向,必须采用缺口 试样进行静载力学性能试验。 六、试综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏斜拉伸试验的特点。 试综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏斜拉伸试验的特点。 偏斜拉伸试验: 在拉伸试验时在试样与试验机夹头之间放一垫圈, 使试样的轴线与拉伸 力形成一定角度进行拉伸。该试验用于检测螺栓一类机件的安全使用性能。 光滑试样轴向拉伸试验:截面上无应力集中现象,应力分布均匀,仅在颈缩时发生应力 状态改变。 缺口试样轴向拉伸试验:缺口截面上出现应力集中现象,应力分布不均,应力状态发生

变化,产生两向或三向拉应力状态,致使材料的应力状态软性系数降低,脆性增大。 偏斜拉伸试验:试样同时承受拉伸和弯曲载荷的复合作用,其应力状态更“硬”,缺口 截面上的应力分布更不均匀,更能显示材料对缺口的敏感性。 试说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理,并比较布氏、 七、试说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理,并比较布氏、洛氏与维氏硬度试 验方法的优缺点。 【P49 P57】 验方法的优缺点。 P49 P57】 【 原理 布氏硬度:用钢球或硬质合金球作为压头,计算单位面积所承受的试验力。 洛氏硬度:采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头,以测量压痕深度。 维氏硬度: 以两相对面夹角为 136。 的金刚石四棱锥作压头, 计算单位面积所承受的试验力。 布氏硬度优点:实验时一般采用直径较大的压头球,因而所得的压痕面积比较大。压痕大的 一个优点是其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相得平均性能; 另一个优点是实验数据 稳定,重复性强。缺点:对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力,压痕直径的测 量也较麻烦,因而用于自动检测时受到限制。 洛氏硬度优点:操作简便,迅捷,硬度值可直接读出;压痕较小,可在工件上进行试验;采 用不同标尺可测量各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度, 因而广泛用于热处理质量 检测。缺点:压痕较小,代表性差;若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷,则所测硬度值重 复性差,分散度大;此外用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系,不能直接比较。 维氏硬度优点:不存在布氏硬度试验时要求试验力 F 与压头直径 D 之间所规定条件的约 束,也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端;维氏硬度试验时不仅 试验力可以任意取,而且压痕测量的精度较高,硬度值较为准确。缺点是硬度值需要通 过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表,因此,工作效率比洛氏硬度法低的多。 今有如下零件和材料需要测定硬度, 八.今有如下零件和材料需要测定硬度,试说明选择何种硬度实验方法为宜。 今有如下零件和材料需要测定硬度 试说明选择何种硬度实验方法为宜。 (1)渗碳层的硬度分布; (2)淬火钢; (3)灰铸铁; (4)鉴别钢中的隐晶马氏体和残 余奥氏体; (5)仪表小黄铜齿轮; (6)龙门刨床导轨; (7)渗氮层; (8)高速钢刀具; (9)退火态低碳钢; (10)硬质合金。 (1)渗碳层的硬度分布---- HK 或-显微 HV (2)淬火钢-----HRC (3)灰铸铁-----HB (4)鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体-----显微 HV 或者 HK (5)仪表小黄铜齿轮-----HV (6)龙门刨床导轨-----HS(肖氏硬度)或 HL(里氏硬度) (7)渗氮层-----HV (8)高速钢刀具-----HRC (9)退火态低碳钢-----HB (10)硬质合金----- HRA 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 冲击韧性:材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 【P57】 冲击韧性 冲击韧度: :U 形缺口冲击吸收功 AKU 除以冲击试样缺口底部截面积所得之商,称为 冲击韧度: 冲击韧度,αku=Aku/S (J/cm2), 反应了材料抵抗冲击载荷的能力,用 a KU 表示。P57 注 释/P67 冲击吸收功: 冲击吸收功 缺口试样冲击弯曲试验中,摆锤冲断试样失去的位能为 mgH1-mgH2。此 即为试样变形和断裂所消耗的功,称为冲击吸收功,以 AK 表示,单位为 J。P57/P67

低温脆性: 特别是工程 低温脆性 体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金, 上常用的中、低强度结构钢(铁素体-珠光体钢) ,在试验温度低于某一温度 t k 时,会由韧 性状态变为脆性状态,冲击吸收功明显下降,断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型,断口 特征由纤维状变为结晶状,这就是低温脆性。 韧性温度储备: 韧性温度储备:材料使用温度和韧脆转变温度的差值,保证材料的低温服役行为。

AK
二、 (1) :冲击吸收功。含义见上面。冲击吸收功不能真正代表材料的韧脆程度, 但由于它们对材料内部组织变化十分敏感,而且冲击弯曲试验方法简便易行,被广泛采 用。 AKV (CVN):V 型缺口试样冲击吸收功. AKU:U 型缺口冲击吸收功. (2)FATT50:冲击试样断口分为纤维区、放射区(结晶区)与剪切唇三部分,在不同试验 温度下,三个区之间的相对面积不同。温度下降,纤维区面积突然减少,结晶区面积突然增 大, 材料由韧变脆。 通常取结晶区面积占整个断口面积 50%时的温度为 t k , 并记为 50%FATT, 或 FATT50%,t50。 (新书 P61,旧书 P71) 或:结晶区占整个断口面积 50%是的温度定义的韧脆转变温度. (3)NDT: 以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度,称为无塑性或零塑性转变温度。 (4)FTE: 以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义 tk,记为 FTE (5)FTP: 以高阶能对应的温度为 tk,记为 FTP 四、试说明低温脆性的物理本质及其影响因素 低温脆性的物理本质:宏观上对于那些有低温脆性现象的材料,它们的屈服强度会随 温度的降低急剧增加,而断裂强度随温度的降低而变化不大。当温度降低到某一温度时,屈 服强度增大到高于断裂强度时, 在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大, 因此材料在 受力时还未发生屈服便断裂了,材料显示脆性。 从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关,当温度降低时,位错 运动阻力增大,原子热激活能力下降,因此材料屈服强度增加。 影响材料低温脆性的因素有(P63,P73) : 1.晶体结构:对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高,材料脆性断裂趋 势明显,塑性差。 2.化学成分:能够使材料硬度,强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变 差,材料脆性提高。 3.显微组织:①晶粒大小,细化晶粒可以同时提高材料的强度和塑韧性。因为 晶界是裂纹扩展的阻力,晶粒细小,晶界总面积增加,晶界处塞积的位错数减 少, 有利于降低应力集中; 同时晶界上杂质浓度减少, 避免产生沿晶脆性断裂。 ②金相组织: 较低强度水平时强度相等而组织不同的钢, 冲击吸收功和韧脆转变温度以马氏体高温回火最 佳,贝氏体回火组织次之,片状珠光体组织最差。钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的 脆性有重要影响,当其尺寸增大时均使材料韧性下降,韧脆转变温度升高。 试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。 五. 试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。 焊接容易在焊缝处形成粗大金相组织气孔、夹渣、未熔合、 未焊透、错边、咬边等缺陷, 增加裂纹敏感度,增加材料的脆性,容易发生脆性断裂。 试从宏观上和微观上解释为什么有些材料有明显的韧脆转变温度 和微观上解释为什么有些材料有明显的韧脆转变温度, 七. 试从宏观上和微观上解释为什么有些材料有明显的韧脆转变温度,而另外一些材料则 没有? 没有?

宏观上,体心立方中、低强度结构钢随温度的降低冲击功急剧下降,具有明显的韧脆转 变温度。而高强度结构钢在很宽的温度范围内,冲击功都很低,没有明显的韧脆转变温度。 面心立方金属及其合金一般没有韧脆转变现象。 微观上, 体心立方金属中位错运动的阻力对温度变化非常敏感, 位错运动阻力随温度下 降而增加,在低温下,该材料处于脆性状态。而面心立方金属因位错宽度比较大,对温度不 敏感,故一般不显示低温脆性。 体心立方金属的低温脆性还可能与迟屈服现象有关, 对低碳钢施加一高速到高于屈服强 度时,材料并不立即产生屈服,而需要经过一段孕育期(称为迟屈时间)才开始塑性变形, 这种现象称为迟屈服现象。由于材料在孕育期中只产生弹性变形,没有塑性变形消耗能量, 所以有利于裂纹扩展,往往表现为脆性破坏。

第四章 金属的断裂韧度 1、名词解释 低应力脆断: 低应力脆断:高强度、超高强度钢的机件 ,中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下 发生的断裂。 张开型( 裂纹: 拉应力垂直作用于裂纹扩展面,裂纹沿作用力方向张开,沿裂纹面 张开型( Ι 型)裂纹 扩展的裂纹。 应力场强度因子 KΙ : 在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外,尚与强度因子 KΙ 有关,对于某一确定的点,其应力分量由 KΙ 确定, KΙ 越大,则应力场各点应力分量也 越大,这样 KΙ 就可以表示应力场的强弱程度,称 KΙ 为应力场强度因子。 “I”表示 I 型裂 纹。 【P68】 小范围屈服: ,这就称 小范围屈服 塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸为小时(小一个数量级以上) 为小范围屈服。 【P71】 有效屈服应力:裂纹在发生屈服时的应力。 【新书 P73:旧 P85】 有效屈服应力 有效裂纹长度:因裂纹尖端应力的分布特性,裂尖前沿产生有塑性屈服区,屈服区内松弛 有效裂纹长度 的应力将叠加至屈服区之外, 从而使屈服区之外的应力增加, 其效果相当于因裂纹长度增加 ry 后对裂纹尖端应力场的影响,经修正后的裂纹长度即为有效裂纹长度: a+ry。 【新 P74; 旧 P86】 。 判据:裂纹在受力时只要满足 K I ≥ K IC ,就会发生脆性断裂.反之,即使存 裂纹扩展 K 判据 在裂纹,若 K I p K IC 也不会断裂。新 P71:旧83 GI:I 型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。P76/P88 裂纹扩展能量释放率 GI 判据: G I ≥ G IC ,当GI满足上述条件时裂纹失稳扩展断裂。P77/P89 裂纹扩展 G 判据 J积分:有两种定义或表达式:一是线积分:二是形变功率差。P89/P101 积分 裂纹扩展J判据 裂纹扩展J判据: J I ≥ J IC ,只要满足上述条件,裂纹(或构件)就会断裂。 COD:裂纹张开位移。P91/P102 COD判据: δ ≥ δc ,当满足上述条件时,裂纹开始扩展。P91/P103 2、说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系 KΙC 和 KC 答: 临界或失稳状态的 KΙ 记作 KΙC 或 KC , KΙC 为平面应变下的断裂韧度,表 示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 KC 为平面应力断裂韧度,表示在平面 但 应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 它们都是 Ι 型裂纹的材料裂纹韧性指标, KC

值与试样厚度有关。当试样厚度增加,使裂纹尖端达到平面应变状态时,断裂韧度趋于一稳 定的最低值,即为 KΙC ,它与试样厚度无关,而是真正的材料常数。P71/P82 GΙC 答:P77/P89 当 GΙ 增加到某一临界值时, GΙ 能克服裂纹失稳扩展的阻力,则裂纹失 稳扩展断裂。将 GΙ 的临界值记作 GΙc ,称断裂韧度,表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面 积所消耗的能量,其单位与 GΙ 相同,MPa·m JIC:是材料的断裂韧度,表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力,其单位与 GIC 相同。 P90/P102 δc :是材料的断裂韧度,表示材料阻止裂纹开始扩展的能力.P91/P104 J判据和 δ 判据一样都是裂纹开始扩展的裂纹判据,而不是裂纹失稳扩展的裂纹判据。 P91/P104 3、试述低应力脆断的原因及防止方法。 试述低应力脆断的原因及防止方法。 试述低应力脆断的原因及防止方法 答: 低应力脆断的原因:在材料的生产、机件的加工和使用过程中产生不可避免的宏观裂 纹,从而使机件在低于屈服应力的情况发生断裂。 预防措施:将断裂判据用于机件的设计 上,在给定裂纹尺寸的情况下,确定机件允许的最大工作应力,或者当机件的工作应力确定 后,根据断裂判据确定机件不发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸。 为什么研究裂纹扩展的力学条件时不用应力判据而用其它判据? 4、为什么研究裂纹扩展的力学条件时不用应力判据而用其它判据? 答:由 4—1 可知,裂纹前端的应力是一个变化复杂的多向应力,如用它直接建立裂纹扩展 的应力判据,显得十分复杂和困难;而且当 r→0 时,不论外加平均应力如何小,裂纹尖端 各应力分量均趋于无限大, 构件就失去了承载能力, 也就是说, 只要构件一有裂纹就会破坏, 这显然与实际情况不符。 这说明经典的强度理论单纯用应力大小来判断受载的裂纹体是否破 坏是不正确的。因此无法用应力判据处理这一问题。因此只能用其它判据来解决这一问题。 5、试述应力场强度因子的意义及典型裂纹 KΙ 的表达式 答:新书 P69 旧书 P80 参看书中图(应力场强度因子的意义见上) 几种裂纹的 KΙ 表达式, 无限大板穿透裂纹: KΙ = σ

πa ;有限宽板穿透裂纹: KΙ = σ πa f ( ) ;有限宽板单边直
a 6M f( ); 3/ 2 b (b ? a )

a b

K 裂纹: Ι = σ πa f ( ) 当 b ≥ a 时, Ι = 1.2σ πa ; K K 受弯单边裂纹梁: Ι =

a b

无限大物体内部有椭圆片裂纹,远处受均匀拉伸: KΙ =

σ πa
Φ

(sin 2 β +

a2 cos 2 β )1/ 4 ;无 2 c

限大物体表面有半椭圆裂纹,远处均受拉伸:A 点的 KΙ =

1.1σ πa 。 Φ

判据的意义及用途。 6、试述 K 判据的意义及用途。 答: K 判据解决了经典的强度理论不能解决存在宏观裂纹为什么会产生低应力脆断的原因。 K 判据将材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来,可直接用于设 计计算,估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹最大尺寸,以及用于正确选择机件材料、 优化工艺等。P71/P83 试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。 7、试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。 答:机件上由于存在裂纹,在裂纹尖端处产生应力集中,当σy 趋于材料的屈服应力时,在 裂纹尖端处便开始屈服产生塑性变形,从而形成塑性区。 影响塑性区大小的因素有:裂纹在厚板中所处的位置,板中心处于平面应变状态,塑性 影响塑性区大小的因素有 区较小;板表面处于平面应力状态,塑性区较大。但是无论平面应力或平面应变,塑性区宽

度总是与(KIC/σs)2 成正比。 8、试述塑性区对 KI 的影响及 KI 的修正方法和结果。 由于裂纹尖端塑性区的存在将会降低裂纹体的刚度,相当于裂纹长度的增加,因而影响 应力场和及 KI 的计算,所以要对 KI 进行修正。 最简单而适用的修正方法是在计算 KI 时采用“有效裂纹尺寸”,即以虚拟有效裂纹代 替实际裂纹,然后用线弹性理论所得的公式进行计算。基本思路是:塑性区松弛弹性应力的 塑性区松弛弹性应力的 作用于裂纹长度增加松弛弹性应力的作用是等同的,从而引入“有效长度”的概念, 作用于裂纹长度增加松弛弹性应力的作用是等同的,从而引入“有效长度”的概念,它实 际包括裂纹长度和塑性区松弛应力的作用。 际包括裂纹长度和塑性区松弛应力的作用 (4—15)的计算结果忽略了在塑性区内应变能释放率与弹性体应变能释放率的差别, 因此,只是近似结果。当塑性区小时,或塑性区周围为广大的弹性去所包围时,这种结果还 是很精确。但是当塑性区较大时,即属于大范围屈服或整体屈服时,这个结果是不适用的。 11 COD的意义:表示裂纹张开位移。表达式 δ =

8σ s a πσ ln sec( ) 。P91/P103 πE 2σ s

13、断裂韧度KIC与强度、塑性之间的关系:总的来说,断裂韧度随强度的升高而降低。 详见新 P80/P93 15、影响KIC的冶金因素:内因:1、学成分的影响;2、集体相结构和晶粒大小的影响; 3、杂质及第二相的影响;4、显微组织的影响。外因:1、温度;2、应变速率。P81/P95 16.有一大型板件,材料的 σ0.2=1200MPa,KIc=115MPa*m1/2,探伤发现有 20mm 长的横向 穿透裂纹,若在平均轴向拉应力 900MPa 下工作,试计算 KI 及塑性区宽度 R0,并判断该件 是否安全? 解:由题意知穿透裂纹受到的应力为σ=900MPa 根据 σ/σ0.2 的值,确定裂纹断裂韧度 KIC 是否休要修正 因为 σ/σ0.2=900/1200=0.75>0.7,所以裂纹断裂韧度 KIC 需要修正 对于无限板的中心穿透裂纹,修正后的 KI 为:

900 0.01π σ πa = = KI = = 168.13 1 ? 0.177(σ / σ s ) 2 1 ? 0.177(0.75) 2 (MPa*m1/2) 2 塑性区宽度为: R = 1 ? K I ? =0.004417937(m)= 2.21(mm) ? ? 0 2 2π ? σ s ? 比较 K1 与 KIc: ? ? 因为 K1=168.13(MPa*m1/2) KIc=115(MPa*m1/2) 所以:K1>KIc ,裂纹会失稳扩展 , 所以该件不安全。 17.有一轴件平行轴向工作应力 150MPa,使用中发现横向疲劳脆性正断,断口分析表明有 25mm 深度的表面半椭圆疲劳区,根据裂纹 a/c 可以确定φ=1,测试材料的 σ0.2=720MPa , 试估算材料的断裂韧度 KIC 为多少? 解: 因为 σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7,所以裂纹断裂韧度 KIC 不需要修正 对于无限板的中心穿透裂纹,修正后的 KI 为: KIC=Yσcac1/2
对于表面半椭圆裂纹,Y=1.1

π /φ=1.1 π

所以,KIC=Yσcac1/2=1.1

π × 150 × 25 × 10 ?3 =46.229(MPa*m1/2)
第五章 金属的疲劳

1.名词解释; a:σa=1/2(σmax-σmin) p95/p108 应力幅 σa: 平均应力 σm:σm=1/2(σmax+σmin) p95/p107 p95/p108 应力比 r:r=σmin/σmax 疲劳源:是疲劳裂纹萌生的策源地,一般在机件表面常和缺口,裂纹,刀痕,蚀坑相连。P96 疲劳源 疲劳贝纹线:是疲劳区的最大特征,一般认为它是由载荷变动引起的,是裂纹前沿线留下的 疲劳贝纹线 弧状台阶痕迹。 P97/p110 疲劳条带: 称 疲劳条带 疲劳裂纹扩展的第二阶段的断口特征是具有略程弯曲并相互平行的沟槽花样, 为疲劳条带(疲劳辉纹,疲劳条纹) p113/p132 驻留滑移带: 当对式样重新循环加 驻留滑移带 用电解抛光的方法很难将已产生的表面循环滑移带去除, 载时, 则循环滑移带又会在原处再现, 这种永留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。 P111 ΔK:材料的疲劳裂纹扩展速率不仅与应力水平有关,而且与当时的裂纹尺寸有关。ΔK 是由 ΔK 应力范围 Δσ 和 a 复合为应力强度因子范围, ΔK=Kmax-Kmin=Yσmax√a-Yσmin√a=YΔσ √a. p105/p120 da/dN:疲劳裂纹扩展速率,即每循环一次裂纹扩展的距离。 P105 da/dN 疲劳寿命:试样在交变循环应力或应变作用下直至发生破坏前所经受应力或应变的循 疲劳寿命 环次数 p102/p117 过载损伤: 金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后, 其疲劳极限或疲劳寿命减小, 过载损伤: 就造成了过载损伤。 P102/p117 2.揭示下列疲劳性能指标的意义 疲劳强度 σ-1,σ-p,τ-1,σ-1N, P99,100,103/p114 σ-1: 对称应力循环作用下的弯曲疲劳极限;σ-p:对称拉压疲劳极限;τ-1:对称扭转疲 劳极限;σ-1N:缺口试样在对称应力循环作用下的疲劳极限。 疲劳缺口敏感度 qf P103/p118 金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性, 常用疲劳缺口敏感度来评定。 Qf=(Kf-1)/ kt-1) ( . 其中 Kt 为理论应力集中系数且大于一,Kf 为疲劳缺口系数。 Kf=(σ-1)/(σ-1N) 过载损伤界 P102,103/p117 由实验测定,测出不同过载应力水平和相应的开始降低疲劳寿命的应力循环周次,得到不 同试验点,连接各点便得到过载损伤界。 疲劳门槛值 ΔKth P105/p120 在疲劳裂纹扩展速率曲线的Ⅰ区,当 ΔK≤ΔKth 时,da/aN=0,表示裂纹不扩展;只有当 ΔK>ΔKth 时,da/dN>0,疲劳裂纹才开始扩展。因此,ΔKth 是疲劳裂纹不扩展的 ΔK 临界 值,称为疲劳裂纹扩展门槛值。 3.试述金属疲劳断裂的特点 p96/p109 3.试述金属疲劳断裂的特点 (1)疲劳是低应力循环延时断裂,机具有寿命的断裂 (2)疲劳是脆性断裂 (3)疲劳对缺陷(缺口,裂纹及组织缺陷)十分敏感 试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程( PPT, P109~111) 4.试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程(新书 P96~98 及 PPT,旧书 P109~111) 答:典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域—疲劳源、疲劳区及瞬断区。 (1) 疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地,疲劳源区的光亮度最大,因为这里在整个裂纹亚 稳扩展过程中断面不断摩擦挤压,故显示光亮平滑,另疲劳源的贝纹线细小。 (2) 疲劳区的疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域,是判断疲劳断裂的重要特征证据。 特征是:断口比较光滑并分布有贝纹线。断口光滑是疲劳源区域的延续,但其程度 随裂纹向前扩展逐渐减弱。贝纹线是由载荷变动引起的,如机器运转时的开动与停

歇,偶然过载引起的载荷变动,使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。 (3) 瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。其断口比疲劳区粗糙,脆性材 料为结晶状断口,韧性材料为纤维状断口。 试述疲劳图的意义、建立及用途。 (新书 P101~102, P115~117) 6.试述疲劳图的意义、建立及用途。 新书 P101~102,旧书 P115~117) ( 答:定义:疲劳图是各种循环疲劳极限的集合图,也是疲劳曲线的另一种表达形式。 定义: 定义 意义: 很多机件或构件是在不对称循环载荷下工作的, 因此还需知道材料的不对称循环疲劳 意义: 极限,以适应这类机件的设计和选材的需要。通常是用工程作图法,由疲劳图求得各种不对 称循环的疲劳极限。

1、 σ a ? σ m 疲劳图 横坐标以 σ m 表示。 然后, 以不同应力比 r 条件下将 σ max 建立: 建立: 这种图的纵坐标以 σ a 表示, 表示的疲劳极限 σ r 分解为 σ a 和 σ m ,并在该坐标系中作 ABC 曲线,即为 σ a ? σ m 疲劳图。

(σ max ? σ min ) σ 1? r 其几何关系为: tan α = a = 2 = σ m 1 (σ + σ ) 1 + r max min 2
:我们知道应力比 r,将其代入试中,即可求得 tan α 和 α ,而后从坐标原点 O 引 (用途) 用途) : 直线,令其与横坐标的夹角等于 α 值,该直线与曲线 ABC 相交的交点 B 便是所求的点,其 纵、横坐标之和,即为相应 r 的疲劳极限 σ rB , σ rB = σ aB + σ mB 。 2、 σ max (σ min ) ? σ m 疲劳图 建立: 建立:这种图的纵坐标以 σ max 或 σ min 表示,横坐标以 σ m 表示。然后将不同应力比 r 下的 疲劳极限, 分别以 σ max (σ min ) 和 σ m 表示于上述坐标系中, 就形成这种疲劳图。 几何关系为:

1

tan α =

σ max 2σ max 2 = = σ m σ max + σ min 1 + r

:我们只要知道应力比 r,就可代入上试求得 tan α 和 α ,而后从坐标原点 O 引一直 (用途) 用途) : 线 OH,令其与横坐标的夹角等于 α ,该直线与曲线 AHC 相交的交点 H 的纵坐标即为疲劳极 限。 试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素。 (新书 P107~109, P123~125) 8.试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素。 新书 P107~109,旧书 P123~125) ( 答:1、应力比 r(或平均应力 σ m )的影响:Forman 提出:

da c(?K ) n = dN (1 ? r ) K c ? ?K

残余压应力因会减小 r,使

da 降低和 ?K th 升高,对疲劳寿命有利;而残余拉应力因会增大 dN

r,使

da 升高和 ?K th 降低,对疲劳寿命不利。 dN

2、过载峰的影响:偶然过载进入过载损伤区内,使材料受到损伤并降低疲劳寿命。但若过 载适当,有时反而是有益的。 3、材料组织的影响:①晶粒大小:晶粒越粗大,其 ?K th 值越高,

da 越低,对疲劳寿命越 dN

有利。②组织:钢的含碳量越低,铁素体含量越多时,其 ?K th 值就越高。当钢的淬火组织 中存在一定量的残余奥氏体和贝氏体等韧性组织时,可以提高钢的 ?K th ,降低 丸处理:喷丸强化也能提高 ?K th 。 (新书 P113~P114, P132) 9.试述疲劳微观断口的主要特征。 新书 P113~P114,旧书 P132) 试述疲劳微观断口的主要特征。 ( 答:断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样,称疲劳条带(疲劳条纹、疲劳辉纹) 。 疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征。滑移系多的面心立方金属,其疲劳条带明显;滑移 系少或组织复杂的金属,其疲劳条带短窄而紊乱。 疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型(Laird 模型): 图中(a),在交变应力为零时裂纹闭合。 图(b),受拉应力时,裂纹张开,在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移。 图(c),裂纹张开至最大,塑性变形区扩大,裂纹尖端张开呈半圆形,裂纹停止扩展。由于塑 性变形裂纹尖端的应力集中减小,裂纹停止扩展的过程称为“塑性钝化”。 图(d),当应力变为压缩应力时,滑移方向也改变了,裂纹尖端被压弯成“耳状”切口。 图(e),到压缩应力为最大值时,裂纹完全闭合,裂纹尖端又由钝变锐,形成一对尖角。

da 。③喷 dN

12.试述金属表面强化对疲劳强度的影响。 P135~P136) 12.试述金属表面强化对疲劳强度的影响。 新书 P117~P118,旧书 P135~P136) 金属表面强化对疲劳强度的影响 (新书 P117~P118, ( 答: 表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力, 同时还能提高机件表面的强度和硬 度。这两方面的作用都能提高疲劳强度。 表面强化方法,通常有表面喷丸、滚压、表面淬火及表面化学热处理等。 (1) 表面喷丸及滚压 喷丸是用压缩空气将坚硬的小弹丸高速喷打向机件表面,使机件表面产生局部形变硬 化;同时因塑变层周围的弹性约束,又在塑变层内产生残余压应力。 表面滚压和喷丸的作用相似,只是其压应力层深度较大,很适于大工件;而且表面粗糙 度低,强化效果更好。 (2) 表面热处理及化学热处理 他们除能使机件获得表硬心韧的综合力学性能外,还可以利用表面组织相变及组织应 力、热应力变化,使机件表面层获得高强度和残余压应力,更有效地提高机件疲劳强度和疲 劳寿命。 13.试述金属的硬化与软化现象及产生条件。 试述金属的硬化与软化现象及产生条件。 试述金属的硬化与软化现象及产生条件 金属材料在恒定应变范围循环作用下,随循环周次增加其应力不断增加,即为循环硬化。 金属材料在恒定应变范围循环作用下,随循环周次增加其应力逐渐减小,即为循环软化。 金属材料产生循环硬化与软化取决于材料的初始状态、结构特性以及应变幅和温度等。 循环硬化和软化与σb / σs 有关: σb / σs>1.4,表现为循环硬化; σb / σs<1.2,表现为循环软化; 1.2<σb / σs<1.4,材料比较稳定,无明显循环硬化和软化现象。 也可用应变硬化指数 n 来判断循环应变对材料的影响,n<1 软化,n>1 硬化。 退火状态的塑性材料往往表现为循环硬化,加工硬化的材料表现为循环软化。 循环硬化和软化与位错的运动有关: 退火软金属中,位错产生交互作用,运动阻力增大而硬化。 冷加工后的金属中,有位错缠结,在循环应力下破坏,阻力变小而软化。 第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂 一、名词解释 1、应力腐蚀:金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下,经过一段时间后所产生的 低应力脆断现象。 2、氢脆:由于氢和应力共同作用而导致的金属材料产生脆性断裂的现象。 3、白点:当钢中含有过量的氢时,随着温度降低氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢 未能扩散逸出,便聚集在某些缺陷处而形成氢分子。此时,氢的体积发生急剧膨胀,内压力 很大足以将金属局部撕裂,而形成微裂纹。 4、氢化物致脆:对于ⅣB 或ⅤB 族金属,由于它们与氢有较大的亲和力,极易生成脆性氢 化物,是金属脆化,这种现象称氢化物致脆。 5、氢致延滞断裂:这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。 二、说明下列力学性能指标的意义 1、σscc:材料不发生应力腐蚀的临界应力。 2、KIscc:应力腐蚀临界应力场强度因子。 3、da/dt:盈利腐蚀列纹扩展速率。 7.如何识别氢脆与应力腐蚀?。 .如何识别氢脆与应力腐蚀?。 答:氢脆和应力腐蚀相比,其特点表现在: 1、实验室中识别氢脆与应力腐蚀的一种办法是,当施加一小的阳极电流,如使开裂加速,

则为应力腐蚀;而当施加一小的阴极电流,使开裂加速者则为氢脆。 2、在强度较低的材料中,或者虽为高强度材料但受力不大,存在的残余拉应力也较小这时 其断裂源都不在表面,而是在表面以下的某一深度,此处三向拉应力最大,氢浓集在这里造 成断裂。 3、氢脆断裂的主裂纹没有分枝的悄况.这和应力腐蚀的裂纹是截然不同的。 4、氦脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微。 5、 大多数的氢脆断裂(氢化物的氢脆除外), 都表现出对温度和形变速率有强烈的依赖关系。 氢脆只在一定的温度范围内出现,出现氢脆的温度区间决定于合金的化学成分和形变速率。 第七章 金属的磨损与耐磨性 1.名词解释 磨损: 磨损:机件表面相互接触并产生相对运动,表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑,使表面 材料逐渐损失、造成表面损伤的现象。 接触疲劳: 接触疲劳:两接触面做滚动或滚动加滑动摩擦时,在交变接触压应力长期作用下,材料表面 因疲劳损伤,导致局部区域产生小片金属剥落而使材料损失的现象。 【P153】 第八章 金属高温力学性能 蠕变: 蠕变:在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。 等强温度( ) :晶粒强度与晶界强度相等的温度。 等强温度(TE) : 蠕变极限: 蠕变极限:在高温长时间载荷作用下不致产生过量塑性变形的抗力指标。 该指标与常温下 的屈服强度相似。 持久强度极限:在高温长时载荷作用下的断裂强度---持久强度极限。 持久强度极限 和常温下力学性能相比,金属材料在高温下的力学行为有哪些特点 材料在高温下的力学行为有哪些特点? 一、和常温下力学性能相比,金属材料在高温下的力学行为有哪些特点 答案:1、首先,材料在高温将发生蠕变现象。材料在高温下不仅强度降低,而且塑性也降 低。应变速率越低,载荷作用时间越长,塑性降低得越显著。 2、高温应力松弛。 3、产生疲劳损伤,使高温疲劳强度下降。 提高材料的蠕变抗力有哪些途径? 二、提高材料的蠕变抗力有哪些途径 答案:加入的合金元素阻止刃位错的攀移,以及阻止空位的形成与运动从而阻止其扩散。 第九章 陶瓷材料的力学性能 银纹:非晶态聚合物的某些薄弱区,因拉应力塑性变形,在其表面和内部出现闪亮的、细长 银纹 形的“类裂纹”----银纹。 玻璃态:温度低于玻璃化温度时,聚合物所处于的状态即为玻璃态。 玻璃态 第十章 热震断裂:陶瓷材料承受温度骤变产生瞬时断裂,称之为热震断裂。 热震断裂 热震损伤:陶瓷材料在热冲击循环作用下,材料先出现开裂、剥落,然后碎裂和变质,终至 热震损伤 整体破坏,称之为热震损伤。 简述陶瓷材料的增韧措施。 简述陶瓷材料的增韧措施。 1.改善陶瓷显微结构 使材料达到细密、均、纯,是陶瓷材料增韧增强的有效途径之一。 晶粒形状也影响陶瓷的韧性。 晶粒长宽比增加,断裂韧度增加。 2.相变增韧 在外力作用下,陶瓷从亚稳定相转变为稳定相,消耗一部分外加能量,使材料增韧。 相变增韧受使用温度限制。 3.微裂纹增韧

当主裂纹扩展遇到微裂纹时,发生分叉转变扩展方向,增加扩展过程的表面能;同时,主裂 纹尖端应力集中被松弛,致使扩展速度减慢。


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