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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(shí)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)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(shí)，便形成1個(gè)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(shí),便成為河流花樣。是解理臺階的1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)陀谀骋粶囟赛c(diǎn)時(shí)，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(shí)，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

決定金屬屈服強(qiáng)度的因素有哪些?

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)。

2、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(xiǎn)?

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1個(gè)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，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。

3、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?

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。

4、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3個(gè)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(yàn)溫度、加載速率和受力狀態(tài)不同而變化。

5、論述格雷菲斯裂紋理論分析問題的思路，推導(dǎo)格雷菲斯方程，并指出該理論的局限性。

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τmax和最大正12

應(yīng)力σmax比值，即： max

(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)。

(3)缺口敏感度缺口試樣的抗拉強(qiáng)度σbn的與等截面尺寸光滑試樣的抗拉

強(qiáng)度σb 的比值，稱為缺口敏感度，即：

(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(yàn)力計(jì)算而得的硬度

(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

(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(yàn)力計(jì)算而得的硬度。

(7)努氏硬度采用2個(gè)對面角不等的四棱錐金剛石壓頭，由試驗(yàn)力除以壓痕投影面積得到的硬度。

(8)肖氏硬度采動載荷試驗(yàn)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(yàn)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)σbc材料的抗壓強(qiáng)度

(2)σbb材料的抗彎強(qiáng)度

(3)τs材料的扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)

(4)τb材料的抗扭強(qiáng)度

(5)σbn材料的抗拉強(qiáng)度

(6)NSR材料的缺口敏感度

(7)HBW壓頭為硬質(zhì)合金球的材料的布氏硬度

(8)HRA材料的洛氏硬度

(9)HRB材料的洛氏硬度

(10)HRC材料的洛氏硬度

(11)HV材料的維氏硬度

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，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(yàn)。

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(shí)驗(yàn)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-----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�！綪57】 沖擊韌度: :U形缺口沖擊吸收功 AKU除以沖擊試樣缺口底部截面積所得

之商，稱為沖擊韌度，αku=Aku/S (J/cm2), 反應(yīng)了材料抵抗沖擊載荷的能力,用aKU表示。P57注釋/P67

沖擊吸收功: 缺口試樣沖擊彎曲試驗(yàn)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AK表示，單位為J。P57/P67

低溫脆性： 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(yàn)溫度低于某一溫度tk時(shí)，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) AK：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(yàn)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：通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個(gè)斷口面積50%時(shí)的溫度為tk，并記為

50%FATT，或FATT50%，t50。(

或:結(jié)晶區(qū)占整個(gè)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(shí)，屈服強(qiáng)度增大到高于斷裂強(qiáng)度時(shí)，在這個(gè)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(shí)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(diǎn)陣中運(yùn)動的阻力有關(guān)，當(dāng)溫度降低時(shí)，位錯運(yùn)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起材料塑性和韌性變差，材料脆性提高。

3.顯微組織：①晶粒大小，細(xì)化晶�？梢酝瑫r(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑韌性。因?yàn)?/p>

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(shí)晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。 ②金相組織：較低強(qiáng)度水平時(shí)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(diǎn)對鋼的脆性有重要影響，當(dāng)其尺寸增大時(shí)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、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(yùn)動的阻力對溫度變化非常敏感，位錯運(yùn)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屈服強(qiáng)度時(shí)，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(shí)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

2.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K? ： 在裂紋尖端區(qū)域各點(diǎn)的應(yīng)力分量除了決定于位置外，尚與強(qiáng)度因子K?有關(guān)，對于某一確定的點(diǎn)，其應(yīng)力分量由K?確定， K?越大，則應(yīng)力場各點(diǎn)應(yīng)力分量也越大，這樣K?即可表示應(yīng)力場的強(qiáng)弱程度，稱K?為應(yīng)力場強(qiáng)度因子。 “I”表示I型裂紋。

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(shí)(小1個(gè)數(shù)量級以上)，這就稱為小范圍屈服。

有效屈服應(yīng)力：裂紋在發(fā)生屈服時(shí)的應(yīng)力。

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。

裂紋擴(kuò)展K判據(jù)：裂紋在受力時(shí)只要滿足 KI?KIC，就會發(fā)生脆性斷裂.反之，即使存在裂紋，若 KI?KIC也不會斷裂。新P71：舊83

2、說明下列斷裂韌度指標(biāo)的意義及其相互關(guān)系

K?C和KC 答： 臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的K?記作K?C或KC，K?C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。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(kuò)展的能力。 它們都是?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

39材料力學(xué)性能課后習(xí)題答案_材料力學(xué)課后習(xí)題答案

尖端達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，斷裂韌度趨于一穩(wěn)定的最低值，即為K?C，它與試樣厚度無關(guān)，而是真正的材料常數(shù)。

3、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(jì)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(shí)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(shí)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1個(gè)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)r→0時(shí)，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(shí)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K?的表達(dá)式

答：幾種裂紋的K?表達(dá)式，無限大板穿透裂紋：K???a;有限寬板穿透裂紋：

aaK??1.2?a;有限寬板單邊直裂紋：K???af();K???af()當(dāng)b?a時(shí)，bb

受彎單邊裂紋梁：K??6Maf();無限大物體內(nèi)部有橢圓片裂紋，遠(yuǎn)處受3/2(b?a)b

2均勻拉伸：K???a

?a2(sin??2cos2?)1/4;無限大物體表面有半橢圓裂紋，遠(yuǎn)c

1.1?a。 ?處均受拉伸：A點(diǎn)的K??

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)σy趨于材料的屈服應(yīng)力時(shí)，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)較小;板表面處于平面應(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/σs)2成正比。

13、斷裂韌度KIC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。

15、影響KIC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。

16.有1大型板件，材料的σ0.2=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(jì)算KI及塑性區(qū)寬度R0，并判斷該件是否安全?

解：由題意知穿透裂紋受到的應(yīng)力為σ=900MPa

根據(jù)σ/σ0.2的值，確定裂紋斷裂韌度KIC是否休要修正

因?yàn)棣?σ0.2=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：

?a9000.01?KI???168.1322)?0?0.177(0.75) ( .177(?/?s)1?KI?塑性區(qū)寬度為：??R0???比較K1與KIc： 22???s?

因?yàn)镵1=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可以確定υ=1，測試材料的σ0.2=720MPa ，試估算材料的斷裂韌度KIC為多少?

解： 因?yàn)棣?σ0.2=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=Yσcac1/2

對于表面半橢圓裂紋，Y=1.1/υ=1.1

?3?150?25?10所以，KIC=Yσcac1/2=1.1=46.229(MPa*m1/2)

第五章 金屬的疲勞

1.名詞解釋;

應(yīng)力幅σa:σa=1/2(σmax-σmin) p95/p108

平均應(yīng)力σm：σm=1/2(σmax+σmin) p95/p107

應(yīng)力比r:r=σmin/σmax 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，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(shí)，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。 P111

ΔK: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(shí)的裂紋尺寸有關(guān)。ΔK是由應(yīng)力范圍Δσ和a復(fù)合為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍，ΔK=Kmax-Kmin=Yσmax√a-Yσmin√a=YΔσ√a. p105/p120

da/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(yùn)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/p117

2.揭示下列疲勞性能指標(biāo)的意義

疲勞強(qiáng)度σ-1，σ-p,τ-1,σ-1N, P99,100,103/p114

σ-1: 對稱應(yīng)力循環(huán)作用下的彎曲疲勞極限;σ-p:對稱拉壓疲勞極限;τ-1:對稱扭轉(zhuǎn)疲勞極限;σ-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=(σ-1)/(σ-1N)

過載損傷界 P102,103/p117

由實(shí)驗(yàn)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(yàn)點(diǎn)，連接各點(diǎn)便得到過載損傷界。

疲勞門檻值ΔKth P105/p120

在疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線的Ⅰ區(qū)，當(dāng)ΔK≤ΔKth時(shí)，da/aN=0,表示裂紋不擴(kuò)展;只有當(dāng)ΔK>ΔKth時(shí)，da/dN>0,疲勞裂紋才開始擴(kuò)展。因此，ΔKth是疲勞裂紋不擴(kuò)展的ΔK臨界值，稱為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。

4.試述疲勞宏觀斷口的特征及其形成過程(新書P96~98及PPT，舊書P109~111) 答：典型疲勞斷口具有3個(gè)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?yàn)檫@里在整

個(gè)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)展逐漸減弱。貝紋線是由載荷變動引起的，如機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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P101~102，舊書P115~117)

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1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，因此還需要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(jì)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、?a?

?m疲勞圖

建立：這種圖的縱坐標(biāo)以?a表示，橫坐標(biāo)以?m表示。然后，以不同應(yīng)力比r條

件下將?max表示的疲勞極限?r分解為?a和?m，并在該坐標(biāo)系中作ABC曲線，即

1?a(?max??min)1?r為?a??m疲勞圖。其幾何關(guān)系為：tan?? ???m(?max??min)1?r2

(用途)：我們知道應(yīng)力比r，將其代入試中，就可以求得tan?和?，而后從坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)B便是所求的點(diǎn)，其縱、橫坐標(biāo)之和，即為相應(yīng)r的疲勞極限?rB，?rB??aB??mB。 2、?max(?min)??m疲勞圖

建立：這種圖的縱坐標(biāo)以?max或?min表示，橫坐標(biāo)以?m表示。然后將不同應(yīng)力

比r下的疲勞極限，分別以?max(?min)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：tan???max2?max2 ???m?max??min1?r

(用途)：我們只要知道應(yīng)力比r,就可代入上試求得tan?和?，而后從坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)H的縱坐標(biāo)即為疲勞極限。

8.試述影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的主要因素。(新書P107~109，舊書P123~125)

dac(?K)n

?答：1、應(yīng)力比r(或平均應(yīng)力?m)的影響：Forman提出： dN(1?r)Kc??K

殘余壓應(yīng)力因會減小r,使

因會增大r，使da降低和?Kth升高，對疲勞壽命有利;而殘余拉應(yīng)力dNda升高和?Kth降低，對疲勞壽命不利。 dN

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(shí)反而是有益的。

da3、材料組織的影響：①晶粒大�。壕ЯＴ酱执�，其?Kth值越高，越低，對dN

疲勞壽命越有利。②組織：鋼的含碳量越低，鐵素體含量越多時(shí)，其?Kth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(shí)，可以提

da高鋼的?Kth，降低。③噴丸處理：噴丸強(qiáng)化也能提高?Kth。 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�；�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(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(shí)裂紋閉合。

圖(b)，受拉應(yīng)力時(shí)，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(shí)，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(shí)，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。

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(shí)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(jiān)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(shí)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

39材料力學(xué)性能課后習(xí)題答案_材料力學(xué)課后習(xí)題答案

度等。循環(huán)硬化和軟化與σb / σs有關(guān)：

σb / σs>1.4，表現(xiàn)為循環(huán)硬化;

σb / σs<1.2，表現(xiàn)為循環(huán)軟化;

1.2<σb / σs<1.4，材料比較穩(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，n<1軟化，n>1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(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。

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(shí)間后所產(chǎn)生的

低應(yīng)力脆斷現(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。

4、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。

5、氫致延滯斷裂：這種由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致延滯斷裂。

二、說明下列力學(xué)性能指標(biāo)的意義

1、σscc：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(qiáng)度因子。

3、da/dt：盈利腐蝕列紋擴(kuò)展速率。

第七章 金屬的磨損與耐磨性

1.名詞解釋

磨損：機(jī)件表面相互接觸并產(chǎn)生相對運(yùn)動，表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸損失、造成表面損傷的現(xiàn)象。

接觸疲勞：兩接觸面做滾動或滾動加滑動摩擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力長期作用下，材料表面因疲勞損傷，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片金屬剝落而使材料損失的現(xiàn)象。

3.粘著磨損產(chǎn)生的條件、機(jī)理及其防止措施

----- 又稱為咬合磨損，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(shí)際接觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的1種磨損。

磨損機(jī)理：

實(shí)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.采用表面化學(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非金屬層，即避免摩擦副直接接觸又減小摩擦因素。

3.控制摩擦滑動速度和接觸壓力

減小滑動速度和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。

第八章 金屬高溫力學(xué)性能

蠕變：在長時(shí)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(shí)間載荷作用下不致產(chǎn)生過量塑性變形的抗力指標(biāo)。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(shí)載荷作用下的斷裂強(qiáng)度---持久強(qiáng)度極限。