1、精選優質文檔-傾情為你奉上材料力學性能課后習題答案 第一章 單向靜拉伸力學性能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快速加載或卸載后，隨時間延長產生附加彈性應變的現象稱為滯彈性，也就是應變落后于應力的現象。3循環韌性：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韌性。4包申格效應：金屬材料經過預先加載產生少量塑性變形，卸載后再同向加載，規定殘余伸長應力增加；反向加載，規定殘余伸長應力降低的現象。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：金屬材料斷裂前發生

2、不可逆永久（塑性）變形的能力。脆性：指金屬材料受力時沒有發生塑性變形而直接斷裂的能力 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志。9.解理面：是金屬材料在一定條件下，當外加正應力達到一定數值后，以極快速率沿一定晶體學平面產生的穿晶斷裂，因與大理石斷裂類似，故稱此種晶體學平面為解理面。10.穿晶斷裂：穿晶斷裂的裂紋穿過晶內，可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂。 沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴展，多數是

3、脆性斷裂。11.韌脆轉變：具有一定韌性的金屬材料當低于某一溫度點時，沖擊吸收功明顯下降，斷裂方式由原來的韌性斷裂變為脆性斷裂，這種現象稱為韌脆轉變2、 說明下列力學性能指標的意義。答：E彈性模量 G切變模量 規定殘余伸長應力 屈服強度 金屬材料拉伸時最大應力下的總伸長率 n 應變硬化指數 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性能指標？答：主要決定于原子本性和晶格類型。合金化、熱處理、冷塑性變形等能夠改變金屬材料的組織形態和晶粒大小，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生改變，故彈性模量對組織不敏感?！綪4】2

4、、現有45、40Cr、35 CrMo鋼和灰鑄鐵幾種材料，你選擇哪種材料作為機床起身，為什么？選灰鑄鐵，因為其含碳量搞，有良好的吸震減震作用，并且機床床身一般結構簡單，對精度要求不高，使用灰鑄鐵可降低成本，提高生產效率。5、多晶體金屬產生明顯屈服的條件，并解釋bcc金屬及其合金與fcc金屬及其合金屈服行為不同的原因。答：多晶體金屬產生明顯屈服的條件：1）材料變形前可動位錯密度小，或雖有大量位錯但被釘扎住，如鋼中的位錯為間隙原子、雜質原子或第二相質點所釘扎。2）隨塑性變形的發生，位錯能快速增殖；3）位錯運動速率與外加應力之間有強烈依存關系。金屬材料塑性變形的應變速率與位錯密度、位錯運動速率和柏氏矢

5、量成正比，而位錯運動速率又決定于外加應力的滑移分切應力。（，）塑性變形初始階段，由于可動位錯密度少，為了維持高的應變速率，必須增大位錯運動速率。而要提高位錯運動速率必須要有高的應力，這對應著上屈服點。一旦塑性變形產生，位錯大量增殖，位錯運動速率下降，相應的應力隨之下降，從而產生了屈服現象。對于bcc金屬及其合金，位錯運動速率應力敏感指數m低，即位錯運動速率變化所需應力變化大，屈服現象明顯。而fcc金屬及其合金，其位錯運動速率應力敏感指數高，屈服現象不明顯。6、 試述退火低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼的屈服現象在拉伸力-伸長曲線圖上的區別？為什么？答：隨含碳量的增加，屈服現象越來越不明顯。這是由于隨含碳

6、量高，其組織中滲碳體含量增多，對基體起強化作用，使得材料屈服強度很高，塑性降低。7、決定金屬屈服強度的因素有哪些？【P12】答：內在因素：金屬本性及晶格類型、晶粒大小和亞結構、溶質元素、第二相。外在因素：溫度、應變速率和應力狀態。晶粒、晶界、第二相等外界影響位錯運動的因素主要從內因和外因兩個方面考慮（一）影響屈服強度的內因素1金屬本性和晶格類型（結合鍵、晶體結構）單晶的屈服強度從理論上說是使位錯開始運動的臨界切應力，其值與位錯運動所受到的阻力（晶格阻力派拉力、位錯運動交互作用產生的阻力）決定派拉力： 位錯交互作用力（a是與晶體本性、位錯結構分布相關的比例系數，L是位錯間距。）2晶粒大小和亞結構

7、晶粒小晶界多（阻礙位錯運動）位錯塞積提供應力位錯開動 產生宏觀塑性變形 。晶粒減小將增加位錯運動阻礙的數目，減小晶粒內位錯塞積群的長度，使屈服強度降低（細晶強化）。屈服強度與晶粒大小的關系：霍爾派奇（Hall-Petch) s= i+kyd-1/2 3溶質元素加入溶質原子（間隙或置換型）固溶體（溶質原子與溶劑原子半徑不一樣）產生晶格畸變產生畸變應力場與位錯應力場交互運動 使位錯受阻提高屈服強度 （固溶強化） 。4第二相（彌散強化，沉淀強化）不可變形第二相提高位錯線張力繞過第二相留下位錯環 兩質點間距變小 流變應力增大。不可變形第二相位錯切過（產生界面能），使之與機體一起產生變形，提高了屈服強度

8、。彌散強化：第二相質點彌散分布在基體中起到的強化作用。沉淀強化：第二相質點經過固溶后沉淀析出起到的強化作用（二）影響屈服強度的外因素1溫度 一般的規律是溫度升高，屈服強度降低。原因：派拉力屬于短程力，對溫度十分敏感2應變速率 應變速率大，強度增加。,t= C1()m3應力狀態 切應力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強度越低缺口效應：試樣中“缺口”的存在，使得試樣的應力狀態發生變化，從而影響材料的力學性能的現象。8.試述兩種塑性指標評定金屬材料屬性的優缺點答：斷后伸長率是試樣拉斷后標距的伸長與原始標距的百分比。斷面收縮率是試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。對于在單一拉

9、伸條件下工作的長形零件，無論其是否產生縮頸，都用和gt評定材料的塑性，因為產生縮頸時局部區域的塑性變形量對總伸長實際上沒有什么影響。若金屬機件非長形，在拉伸時形成縮頸，則用作為塑性指標。因為反映了材料斷裂前的最大塑性變形量，而此時不能顯示材料的最大塑性。是在復雜應力狀態下形成的，冶金因素的變化對性能的影響在上更為突出，因此比對組織變化更為敏感。10、試述韌性斷裂與脆性斷裂的區別。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，在裂紋擴展過程中不斷地消耗能量；而脆性斷裂是突然發生的斷裂，斷裂前基本上不發生塑性變形，沒有明顯征

10、兆，因而危害性很大。11、剪切斷裂與解理斷裂都是穿晶斷裂，為什么斷裂性質完全不同？【P23】答：剪切斷裂是在切應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力作用以極快的速率沿一定晶體學平面產生的穿晶斷裂，解理斷裂通常是脆性斷裂。12.在什么條件下易出現沿晶斷裂，怎樣減小沿晶斷裂的傾向？答：當晶界分布有連續或不連續的脆性第二相、夾雜物，或者有害元素如砷、銻、錫等偏聚于晶界時，容易造成沿晶斷裂。減輕措施：提高冶金質量，降低有害雜質元素的含量；細化晶粒；控制第二相的形成，避免其沿晶分布。13、何謂拉伸斷口三要素？影響宏觀拉伸斷口性態的因素有哪些？答：宏觀斷口呈杯錐形，

11、由纖維區、放射區和剪切唇三個區域組成，即所謂的斷口特征三要素。上述斷口三區域的形態、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不同而變化。影響因素：斷口三要素的形態、大小和相對位置與試樣形狀、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不同而變化。一般，材料強度提高，塑性降低，放射區的比例增大；試樣尺寸加大，放射區增大明顯，而纖維區變化不大。14.8、板材宏觀脆性斷口的主要特征是什么？如何尋找斷裂源？斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結晶狀，板狀矩形試樣斷口中的人字紋花樣的放射方向也與裂紋擴展方向平行，其尖端指向裂紋源。17、論述格雷菲斯裂紋理論分析問題

12、的思路，推導格雷菲斯方程，并指出該理論的局限性。【P32】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。21、答：鐵素體鋼在斷裂時有明顯屈服現象25材料成分. ：rs有效表面能，主要是塑性變形功，與有效滑移系數目和可動位錯有關 具有fcc結構的金屬有效滑移系和可動位錯的數目都比較多，易于塑性變形，不易脆斷。凡加入合金元素引起滑移系減少、孿生、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：聚集在晶界上的雜質會降低材料的塑性，發生脆斷。溫度：i-位錯運動摩擦阻力。其值高，材料易于脆斷。bcc金屬具有低溫脆斷現象，因為i隨著溫度的減低而急劇增加，同時在低

13、溫下，塑性變形一孿生為主，也易于產生裂紋。故低溫脆性大。晶粒大小：d值小位錯塞積的數目少，而且晶界多。故裂紋不易產生，也不易擴展。所以細晶組織有抗脆斷性能。應力狀態：減小切應力與正應力比值的應力狀態都將增加金屬的脆性加載速度 加載速度大，金屬會發生韌脆轉變。第二章 金屬在其他靜載荷下的力學性能1、解釋下列名詞：（1）應力狀態軟性系數材料或工件所承受的最大切應力max和最大正應力max比值，即： （2）缺口效應 絕大多數機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

14、的應力狀態將發生變化，產生所謂的缺口效應。【P44 P53】（3）缺口敏感度缺口試樣的抗拉強度bn的與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強度b 的比值，稱為缺口敏感度，即：（4）布氏硬度用鋼球或硬質合金球作為壓頭，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）肖氏硬度采動載荷試驗法，根

15、據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，根據重錘回跳速度表證的金屬硬度。2、說明下列力學性能指標的意義（1）材料的抗壓強度【P41 P48】（2）材料的抗彎強度【P42 P50】（3）材料的扭轉屈服點【P44 P52】（4）材料的抗扭強度【P44 P52】（5）材料的抗拉強度【P47 P55】（6）NSR材料的缺口敏感度【P47 P55】（7）HBW壓頭為硬質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】

16、3、試綜合比較單向拉伸、壓縮、彎曲及扭轉試驗的特點和應用范圍。試驗方法 特點應用范圍拉伸 溫度、應力狀態和加載速率確定，采用光滑圓柱試樣，試驗簡單，應力狀態軟性系數較硬。 塑性變形抗力和切斷強度較低的塑性材料。壓縮 應力狀態軟，一般都能產生塑性變形，試樣常沿與軸線呈45º方向產生斷裂，具有切斷特征。 脆性材料，以觀察脆性材料在韌性狀態下所表現的力學行為。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，沒有附加應力影響試驗結果，可用試樣彎曲撓度顯示材料的塑性；彎曲試樣表面應力最大，可靈敏地反映材料表面缺陷。 測定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質合金等脆性與低塑性材料

17、的強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熱處理機件的質量和性能。扭轉 應力狀態軟性系數為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形時均勻，沒有緊縮現象，能實現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力與最大切應力大體相等 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，并未確定生產條件下的熱加工工藝參數提供依據；研究或檢驗熱處理工件的表面質量和各種表面強化工藝的效果。1）單向靜拉伸試驗的應力狀態較硬（=0.5），適用于塑變抗力與切斷強度較低的塑性材料。2）單向壓縮的應力

18、狀態軟性系數2，主要用于拉伸時呈脆性的金屬材料力學性能測定。拉伸時塑性很好的材料在壓縮時只發生壓縮變形而不會斷裂。脆性材料拉伸時產生垂直于載荷軸線的正斷，塑變量幾乎為零；壓縮時能產生一定量的變形，沿與軸線呈45°方向斷裂，具有切斷特性。3）彎曲：金屬桿狀試樣承受彎矩作用后，其內部應力主要為正應力，桿件截面上的應力分布不均勻，表面最大，中心為零，且應力方向發生變化。彎曲試驗的試樣形狀簡單、操作方便，常用于測定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質合金等脆性與低塑性材料的強度和顯示塑性的差別。彎曲試驗時，試樣表面應力最大，可較靈敏地反映材料表面缺陷。因此，常用來比較和鑒別滲碳層和表面淬火層等表面熱

19、處理機件的質量和性能。4）扭轉圓柱形試樣在承受扭矩時，在與試樣軸線呈45的兩個截面上作用最大與最小正應力；在與軸線平行和垂直的截面上作用最大切應力。具有以下特點扭轉的應力狀態軟性系數 =0.8，比拉伸時的大，易于顯示金屬的塑性行為。圓柱形試樣扭轉時，整個長度上塑性變形是均勻的，沒有縮頸現象，所以能實現大塑性變形量下的試驗。 能較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。 扭轉試驗是測定生產上所使用的大部分金屬材料切斷強度最可靠的方法。 根據扭斷斷口宏觀特征可以區分材料最終是正斷還是切斷。4試述脆性材料彎曲試驗的特點及其應用。5、缺口試樣拉伸時的應力分布有何特點？【P45 P53】在彈性狀態下

20、的應力分布：薄板：在缺口根部處于單向拉應力狀態，在板中心部位處于兩向拉伸平面應力狀態。厚板：在缺口根部處于兩向拉應力狀態，缺口內側處三向拉伸平面應變狀態。無論脆性材料或塑性材料，都因機件上的缺口造成兩向或三向應力狀態和應力集中而產生脆性傾向，降低了機件的使用安全性。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行靜載力學性能試驗。具有缺口的薄板的受拉伸后，軸向應力y在缺口根部最大，隨離開根部的距離x增大而降低，即在缺口根部產生應力集中。由于缺口根部可以自由收縮，橫向拉伸應力x=0；自根部向內部發展，收縮變形阻力增大，x逐漸增大。增至一定數值后，隨y的減小而減小，因此，缺口的薄板的受拉伸

21、其中心部分是兩向拉伸的平面應力狀態，缺口根部仍為單向拉伸應力狀態。有缺口厚板受拉伸作用后，在垂直于板厚方向的收縮變形受到約束，z0 ，=（x+y），如圖示。在缺口根部為兩向拉伸應力狀態，缺口內側為三向拉伸的平面應變狀態，且x>y>z。當缺口內側截面上局部區域產生塑變后，最大的應力已不在缺口根部，而是在其內側一定距離ry處，該處x最大，因此y、z最大。越過塑變區與彈性區交界處，應力分布與前述的彈性變形狀態的應力分布稍有不同，x連續下降。6、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夾頭之間放一墊圈，使試樣的軸線與拉伸力形

22、成一定角度進行拉伸。該試驗用于檢測螺栓一類機件的安全使用性能。光滑試樣軸向拉伸試驗：截面上無應力集中現象，應力分布均勻，僅在頸縮時發生應力狀態改變。缺口試樣軸向拉伸試驗：缺口截面上出現應力集中現象，應力分布不均，應力狀態發生變化，產生兩向或三向拉應力狀態，致使材料的應力狀態軟性系數降低，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合作用，其應力狀態更“硬”，缺口截面上的應力分布更不均勻，更能顯示材料對缺口的敏感性。1）光滑圓柱試樣軸向靜拉伸試驗：試樣橫截面均勻，整個截面的應力狀態為均勻單向拉伸應力（若出現縮頸，則縮頸處承受三向拉伸應力），其特點是溫度、應力狀態和加載速率通常是確定的

23、，通過試驗可以揭示金屬材料在靜載下的力學行為，即彈性變形、塑性變形和斷裂；測定最基本的力學性能指標，如屈服強度0.2、抗拉強度b、斷后伸長率和斷面收縮率。光滑圓柱試樣軸向靜拉伸試驗是工業上應用最廣泛的金屬力學性能試驗方法之一。由于單向靜拉伸的應力狀態較硬，適用于塑變抗力與切斷強度較低的塑性材料。2）缺口試樣軸向拉伸試驗：由于缺口的存在，在軸向靜載作用下，缺口截面上的應力狀態發生變化，產生所謂“缺口效應”，即缺口引起應力集中，并改變了缺口前方的應力狀態，使缺口試樣或機件中所受的應力，由原來的單向應力狀態改變為兩向（薄板）或三向應力狀態（厚板）和材料的強度增高，塑性降低。無論塑性材料還是脆性材料，

24、其機件上的缺口都因造成兩向或三向應力狀態和應力應變集中而產生變脆傾向，降低了使用的安全性，為評定不同材料的缺口變脆傾向，必須采用缺口試樣進行靜載力學性能試驗。缺口靜拉伸試驗廣泛用于研究高強度鋼（淬火低溫回火）的力學性能、鋼和鈦的氫脆以及研究高溫合金的缺口敏感性等。金屬材料的缺口敏感性指標（NSR）用缺口試樣的抗拉強度bn與等截面尺寸光滑試樣的b之比表示。7、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缺點?！綪49 P57】原理 布氏硬度：用鋼球或硬質合金球作為壓頭，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

25、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。壓痕大的一個優點是其硬度值能反映金屬在較大范圍內各組成相得平均性能；另一個優點是實驗數據穩定，重復性強。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，可在工件上進行試驗；采用不同標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

26、測硬度值重復性差，分散度大；此外用不同標尺測得的硬度值彼此沒有聯系，不能直接比較。維氏硬度優點：不存在布氏硬度試驗時要求試驗力F與壓頭直徑D之間所規定條件的約束，也不存在洛氏硬度試驗時不同標尺的硬度值無法統一的弊端；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，硬度值較為準確。缺點是硬度值需要通過測量壓痕對角線長度后才能進行計算或查表，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- 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

27、小黃銅齒輪-HV（6）龍門刨床導軌-HS（肖氏硬度）或HL(里氏硬度)（7）滲氮層-HV（8）高速鋼刀具-HRC（9）退火態低碳鋼-HB（10）硬質合金- HRA第三章 金屬在沖擊載荷下的力學性能沖擊韌性: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/P

28、67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、低強度結構鋼（鐵素體-珠光體鋼），在試驗溫度低于某一溫度時，會由韌性狀態變為脆性狀態，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型變為穿晶解理型，斷口特征由纖維狀變為結晶狀，這就是低溫脆性。韌性溫度儲備:材料使用溫度和韌脆轉變溫度的差值，保證材料的低溫服役行為。韌脆轉變溫度材料呈現低溫脆性的臨界轉變溫度。2（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

29、：U型缺口沖擊吸收功. （2）FATT50：沖擊試樣斷口分為纖維區、放射區（結晶區）與剪切唇三部分，在不同試驗溫度下，三個區之間的相對面積不同。溫度下降，纖維區面積突然減少，結晶區面積突然增大，材料由韌變脆。通常取結晶區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:結晶區占整個斷口面積50%是的溫度定義的韌脆轉變溫度.（3）NDT: 以低階能開始上升的溫度定義的韌脆轉變溫度,稱為無塑性或零塑性轉變溫度。（4）FTE: 以低階能和高階能平均值對應的溫度定義tk，記為FTE（5）FTP: 以高階能對應的溫度為tk，記為FTP3.W

30、18Cr4V、Cr12MoV、3Cr2W8V  球鐵 工具鋼 （脆性材料）不要開缺口 40CrNiMo、30CrMnSi、20CrMnTi要開缺口4、試說明低溫脆性的物理本質及其影響因素低溫脆性的物理本質：宏觀上對于那些有低溫脆性現象的材料，它們的屈服強度會隨溫度的降低急劇增加，而斷裂強度隨溫度的降低而變化不大。當溫度降低到某一溫度時，屈服強度增大到高于斷裂強度時，在這個溫度以下材料的屈服強度比斷裂強度大，因此材料在受力時還未發生屈服便斷裂了，材料顯示脆性。 從微觀機制來看低溫脆性與位錯在晶體點陣中運動的阻力有關，當溫度降低時，位錯運動阻力增大，原子熱激活能力下降，因此材料

31、屈服強度增加。影響材料低溫脆性的因素有（P63，P73）：1晶體結構：對稱性低的體心立方以及密排六方金屬、合金轉變溫度高，材料脆性斷裂趨勢明顯，塑性差。2化學成分：能夠使材料硬度，強度提高的雜質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：晶粒大小，細化晶?？梢酝瑫r提高材料的強度和塑韌性。因為晶界是裂紋擴展的阻力，晶粒細小，晶界總面積增加，晶界處塞積的位錯數減 少，有利于降低應力集中；同時晶界上雜質濃度減少，避免產生沿晶脆性斷裂。 金相組織：較低強度水平時強度相等而組織不同的鋼，沖擊吸收功和韌脆轉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

32、、碳化物等第二相質點對鋼的脆性有重要影響，當其尺寸增大時均使材料韌性下降，韌脆轉變溫度升高。5. 試述焊接船舶比鉚接船舶容易發生脆性破壞的原因。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，容易發生脆性斷裂。7. 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變溫度，而另外一些材料則沒有？宏觀上，體心立方中、低強度結構鋼隨溫度的降低沖擊功急劇下降，具有明顯的韌脆轉變溫度。而高強度結構鋼在很寬的溫度范圍內，沖擊功都很低，沒有明顯的韌脆轉變溫度。面心立方金屬及其合金一般沒有韌脆轉變現象。微觀上，體心立方金屬中位錯運動的阻力對溫度變

33、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。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象有關，對低碳鋼施加一高速到高于屈服強度時，材料并不立即產生屈服，而需要經過一段孕育期（稱為遲屈時間）才開始塑性變形，這種現象稱為遲屈服現象。由于材料在孕育期中只產生彈性變形，沒有塑性變形消耗能量，所以有利于裂紋擴展，往往表現為脆性破壞。bcc類金屬及其合金或有明顯的低溫脆性，而fcc金屬及其合金一般沒有低溫脆性。宏觀上說，這是由于bcc類金屬及其合金的屈服強度隨溫度降低急劇增加而fcc金屬的屈服強度隨溫度降低只緩慢的

34、增加。微觀上說，對于bcc金屬，其派納力較fcc金屬高很多，而派納力在屈服強度中占有很大比例，派納力對溫度非常敏感，隨溫度降低急劇升高，派納力的增加，增大了位錯運動阻力，使得位錯運動需要更大的外加應力，其屈服強度隨之提高。因此bcc金屬的屈服強度隨溫度降低而急劇增加，而解理斷裂強度c隨溫度變化不敏感，高于tk，c>s，材料受載后先屈服再斷裂，為韌斷；在低于tk時，材料受載后先達到斷裂強度，表現為脆斷。第四章 金屬的斷裂韌度一、解釋下列名詞（1）低應力脆斷：在屈服應力以下發生的斷裂。（2）張開型（型）裂紋：拉應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。（3）應力場：應力在

35、空間的分布情況。應變場：應變在空間的分布情況。（4）應力強度因子：表示應力場的強弱程度?！癐”表示I型裂紋。（5）小范圍屈服：塑性尺寸較裂紋尺寸及凈截面尺寸為小，小一個數量級以上的屈服。（6）塑性區：金屬材料在裂紋擴展前，其尖端附近總要先出現一個或大或小的塑性變形區，塑性區內應力應變之間就不再是線性關系。（7）有效屈服應力：裂紋在發生屈服時的應力（8）有效裂紋長度：將原有的裂紋長度與松弛后的塑性區相合并得到的裂紋長度（因裂紋尖端應力的分布特性，裂尖前沿產生有塑性屈服區，屈服區內松弛的應力將疊加至屈服區之外，從而使屈服區之外的應力增加，其效果相當于因裂紋長度增加ry后對裂紋尖端應力場的影響，經修

36、正后的裂紋長度即為有效裂紋長度: a+ry。）（9）裂紋擴展K判據：裂紋在受力時只要滿足 ，就會發生脆性斷裂.反之，即使存在裂紋，若 也不會斷裂。（10）裂紋擴展能量釋放率GI：I型裂紋擴展單位面積時系統釋放勢能的數值。（11）裂紋擴展G判據： ，當滿足上述條件時裂紋失穩擴展斷裂。（12）J積分：裂紋尖端區的應變能，即應力應變集中程度（有兩種定義或表達式：一是線積分：二是形變功率差。）（13）裂紋擴展判據：，只要滿足上述條件，裂紋（或構件）就會斷裂。（14）COD：裂紋尖端沿應力方向張開所得到的位移。（判據：，當滿足上述條件時，裂紋開始擴展。P91/P103）COD判據：>=c2、說明下

37、列斷裂韌度指標的意義及其相互關系和 答： 臨界或失穩狀態的記作或，為平面應變下的斷裂韌度，表示在平面應變條件下材料抵抗裂紋失穩擴展的能力。為平面應力斷裂韌度，表示在平面應力條件下材料抵抗裂紋失穩擴展的能力。它們都是型裂紋的材料裂紋韌性指標，但值與試樣厚度有關。當試樣厚度增加，使裂紋尖端達到平面應變狀態時，斷裂韌度趨于一穩定的最低值，即為，它與試樣厚度無關，而是真正的材料常數。P71/P82 答：P77/P89 當增加到某一臨界值時，能克服裂紋失穩擴展的阻力，則裂紋失穩擴展斷裂。將的臨界值記作，稱斷裂韌度，表示材料阻止裂紋失穩擴展時單位面積所消耗的能量，其單位與相同，MPa·m：是材料

38、的斷裂韌度，表示材料抵抗裂紋開始擴展的能力，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展的能力.P91/P104判據和判據一樣都是裂紋開始擴展的裂紋判據，而不是裂紋失穩擴展的裂紋判據。P91/P1043、試述低應力脆斷的原因及防止方法。答： 低應力脆斷的原因：在材料的生產、機件的加工和使用過程中產生不可避免的宏觀裂紋，從而使機件在低于屈服應力的情況發生斷裂。 預防措施：將斷裂判據用于機件的設計上，在給定裂紋尺寸的情況下，確定機件允許的最大工作應力，或者當機件的工作應力確定后，根據斷裂判據確定機件不發生脆性斷裂時所允許的最大裂紋尺寸。4、為什么研究裂紋擴展的力

39、學條件時不用應力判據而用其它判據？答：由41可知，裂紋前端的應力是一個變化復雜的多向應力，如用它直接建立裂紋擴展的應力判據，顯得十分復雜和困難；而且當r0時，不論外加平均應力如何小，裂紋尖端各應力分量均趨于無限大，構件就失去了承載能力，也就是說，只要構件一有裂紋就會破壞，這顯然與實際情況不符。這說明經典的強度理論單純用應力大小來判斷受載的裂紋體是否破壞是不正確的。因此無法用應力判據處理這一問題。因此只能用其它判據來解決這一問題。5、 試述應力場強度因子的意義及典型裂紋的表達式答：新書P69舊書P80參看書中圖（應力場強度因子的意義見上） 幾種裂紋的表達式，無限大板穿透裂紋：；有限寬板穿透裂紋：

40、；有限寬板單邊直裂紋：當ba時，；受彎單邊裂紋梁：；無限大物體內部有橢圓片裂紋，遠處受均勻拉伸：；無限大物體表面有半橢圓裂紋，遠處均受拉伸：A點的。 6、 試述K判據的意義及用途。答： K判據解決了經典的強度理論不能解決存在宏觀裂紋為什么會產生低應力脆斷的原因。K判據將材料斷裂韌度同機件的工作應力及裂紋尺寸的關系定量地聯系起來，可直接用于設計計算，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、優化工藝等。P71/P83 7、試述裂紋尖端塑性區產生的原因及其影響因素。答：機件上由于存在裂紋，在裂紋尖端處產生應力集中，當y趨于材料的屈服應力時，在裂紋尖端處便開始屈服產生塑

41、性變形，從而形成塑性區。影響塑性區大小的因素有：裂紋在厚板中所處的位置，板中心處于平面應變狀態，塑性區較??；板表面處于平面應力狀態，塑性區較大。但是無論平面應力或平面應變，塑性區寬度總是與（KIC/s)2成正比。8、試述塑性區對KI的影響及KI的修正方法和結果。由于裂紋尖端塑性區的存在將會降低裂紋體的剛度，相當于裂紋長度的增加，因而影響應力場和及KI的計算，所以要對KI進行修正。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行計算?；舅悸肥牵核苄詤^松弛彈性應力的作用于裂紋長度增加松弛彈性應力的作用是等同的，從而引入“有效長

42、度”的概念，它實際包括裂紋長度和塑性區松弛應力的作用。（415）的計算結果忽略了在塑性區內應變能釋放率與彈性體應變能釋放率的差別，因此，只是近似結果。當塑性區小時，或塑性區周圍為廣大的彈性去所包圍時，這種結果還是很精確。但是當塑性區較大時，即屬于大范圍屈服或整體屈服時，這個結果是不適用的。11 的意義：表示裂紋張開位移。表達式。P91/P10313、斷裂韌度與強度、塑性之間的關系：總的來說，斷裂韌度隨強度的升高而降低。詳見新P80/P9314試述K1c和Akv的異同及其相互之間的關系。相同點：斷裂韌性與沖擊韌性都反映了材料的韌性性能。不同點：K1c能滿足平面應變的要求，Akv一般不能滿足，應力

43、狀態不同，應變速率不同，沖擊是在應變速率高的沖擊載荷下對材料的組織缺陷等因素反映更加靈敏，K1c反映材料抵抗裂紋失穩擴展的能力，而沖擊Akv則反映裂紋形成和擴展過程所消耗的能量，應用不同，Akv是安全性能指標，K1c用于定量。關系：中高強鋼K1c與Akv及0.2的關系15、影響的冶金因素：內因：1、學成分的影響； 2、集體相結構和晶粒大小的影響； 3、雜質及第二相的影響； 4、顯微組織的影響。外因：1、溫度； 2、應變速率。P81/P9516.有一大型板件，材料的0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探傷發現20mm長的橫向穿透裂紋，若在平均軸向拉應力900MPa下工作，試計

44、算KI及塑性區寬度R0，并判斷該件是否安全？解：由題意知穿透裂紋受到的應力為=900MPa根據/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）塑性區寬度為： =0.(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 ，裂紋會失穩擴展 , 所以該件不安全。17.有一軸件平行軸向工作應力150MPa，使用中發現橫向疲勞脆性正斷，斷口分析表明有25mm深

45、度的表面半橢圓疲勞區，根據裂紋a/c可以確定=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;應力幅a: a=1/2(max-min) p95/p108平均應力m： m=1/2(max+min) p95/p107應力比r: r=min/max p95/p108疲勞源：是疲勞

46、裂紋萌生的策源地，一般在機件表面常和缺口，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。 P97/p110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擠出脊和侵入溝：在拉應力作用下，位錯源被激活，使其增殖的位錯滑移到表面，形成滑移臺階，應力不斷循環，多個位錯源引起交互滑移，形成“擠出”和“侵入”的臺階。駐留滑移帶：用電解拋光的方法很難將已產生的表面循環滑移帶去除，當對式樣重新循環加載時，則循環滑移帶又會在原處再現，這種永留或再現的循

47、環滑移帶稱為駐留滑移帶。 P111過渡壽命：彈性應變幅-壽命線和塑性應變幅-壽命線的交點對應的壽命。熱疲勞：機件在由溫度循環變化時產生的循環熱應力及熱應變作用下的疲勞。K: 材料的疲勞裂紋擴展速率不僅與應力水平有關，而且與當時的裂紋尺寸有關。K是由應力范圍和a復合為應力強度因子范圍，K=Kmax-Kmin=Ymaxa-Ymina=Ya p105/p120da/dN:疲勞裂紋擴展速率，即每循環一次裂紋擴展的距離。 P105疲勞壽命：試樣在交變循環應力或應變作用下直至發生破壞前所經受應力或應變的循環次數 p102/p117過載損傷：金屬在高于疲勞極限的應力水平下運轉一定周次后，其疲勞極限或疲勞壽命

48、減小，就造成了過載損傷。 P102/p117疲勞缺口敏感度qf：金屬在交變載荷下的缺口敏感性。過載損傷界：在不同過載應力下，損傷累積造成的裂紋尺寸達到或超過-1應力的“非擴展裂紋”尺寸的循環次數。疲勞門檻值Kth：疲勞裂紋不擴展的K臨界值，表示材料阻止疲勞裂紋開始擴展的性能。2.揭示下列疲勞性能指標的意義疲勞強度-1，-p,-1,-1N, P99,100,103/p114 -1: 對稱應力循環作用下的彎曲疲勞極限；-p:對稱拉壓疲勞極限；-1:對稱扭轉疲勞極限；-1N:缺口試樣在對稱應力循環作用下的疲勞極限。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

49、缺口敏感度來評定。Qf=(Kf-1)/（kt-1）.其中Kt為理論應力集中系數且大于一，Kf為疲勞缺口系數。 Kf=(-1)/(-1N) 過載損傷界 由實驗測定，測出不同過載應力水平和相應的開始降低疲勞壽命的應力循環周次，得到不同試驗點，連接各點便得到過載損傷界。P102,103/p117 疲勞門檻值Kth 在疲勞裂紋擴展速率曲線的區，當KKth時，da/aN=0,表示裂紋不擴展;只有當K>Kth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 p96/p109（1）疲勞是低應力循環延時斷裂，機具有

50、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，舊書P109111）答：典型疲勞斷口具有三個形貌不同的區域疲勞源、疲勞區及瞬斷區。（1） 疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地，疲勞源區的光亮度最大，因為這里在整個裂紋亞穩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） 疲勞區的疲勞裂紋亞穩擴展所形成的斷口區域，是判斷疲勞斷裂的重要特征證據。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域的延續，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，如機器運轉時的開動與停歇，偶然過載引

51、起的載荷變動，使裂紋前沿線留下了弧狀臺階痕跡。（3） 瞬斷區是裂紋最后失穩快速擴展所形成的斷口區域。其斷口比疲勞區粗糙，脆性材料為結晶狀斷口，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）定義：疲勞圖是各種循環疲勞極限的集合圖/也是疲勞曲線的另一種表達形式。意義：很多機件或構件是在不對稱循環載荷下工作的，因此還需知道材料的不對稱循環疲勞極限，以適應這類機件的設計和選材的需要。通常是用工程作圖法，由疲勞圖求得各種不對稱循環的疲勞極限。1、疲勞圖建立：這種圖的縱坐標以表示，橫坐標以表示。然后，以不同應力比r條件下將表示的疲勞極限分解為和，并在該坐標

52、系中作ABC曲線，即為疲勞圖。其幾何關系為：（用途）：我們知道應力比r，將其代入試中，即可求得和，而后從坐標原點O引直線，令其與橫坐標的夾角等于值，該直線與曲線ABC相交的交點B便是所求的點，其縱、橫坐標之和，即為相應r的疲勞極限，。2、疲勞圖建立：這種圖的縱坐標以或表示，橫坐標以表示。然后將不同應力比r下的疲勞極限，分別以和表示于上述坐標系中，就形成這種疲勞圖。幾何關系為：（用途）：我們只要知道應力比r,就可代入上試求得和，而后從坐標原點O引一直線OH，令其與橫坐標的夾角等于，該直線與曲線AHC相交的交點H的縱坐標即為疲勞極限。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。7.機理

53、： 1、滑移帶開裂產生裂紋。在循環應力長期作用下，即使其應力低于屈服應力，也會發生循環滑移并形成循環滑移帶，這種循環滑移是極不均勻的，總分布在某些局部薄弱區，這種循環滑移帶具有持久駐留性，稱為駐留滑移帶，隨著加載循環次數增加，循環滑移帶會不斷地加寬，當加寬到一定程度時，由于位錯的塞積和交割作用，便在駐留滑移帶處形成微裂紋。2、相界面開裂產生裂紋。材料中的第二相或夾雜物易引發疲勞裂紋。3、晶界開裂產生裂紋。對晶體材料由于晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位錯在某一晶粒內運動時會受到晶界的阻礙作用，在晶界處發生位錯塞積和集中現象，在應力不斷循環下，晶界處的應力集中得不到松弛時，則應力峰越來越高，當

54、超過晶界強度時就會在晶界處產生裂紋。阻止方法：1、固溶強化，細晶強化，提高材料的滑移抗力，均可以阻止疲勞的萌生，提高疲勞強度。2、控制第二相或夾雜物的數量、形態、大小和分布，使之“少、圓、小、勻”，均可抑制或延緩疲勞裂紋在第二相或夾雜物附近萌生。3、晶界強化，凈化和細化晶粒均可抑制晶界裂紋形成。8試述影響疲勞裂紋擴展速率的主要因素。答：1、應力比r（或平均應力）的影響：Forman提出殘余壓應力因會減小r,使降低和升高，對疲勞壽命有利；而殘余拉應力因會增大r，使升高和降低，對疲勞壽命不利。2、過載峰的影響：偶然過載進入過載損傷區內，使材料受到損傷并降低疲勞壽命。但若過載適當，有時反而是有益的。

55、3、材料組織的影響：晶粒大?。壕ЯＴ酱执?，其值越高，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：噴丸強化也能提高。9試述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(a),在交變應力為零時裂紋閉合。圖(b)，受拉應力時，裂紋張開，在裂紋尖端沿最大切應力方向產生滑移。圖(c),裂紋張開至最大，塑性變形區擴大，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力集中減小，裂紋停止擴展的過程稱為“塑性鈍化”。圖(d)，當應力變為壓縮應力時，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。疲勞條帶是疲勞斷口最典型的微觀特征，略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣。每一條疲勞條帶可以視作一次應力循環的擴展痕跡，裂紋的擴展方向與條帶垂直。形成模型：鈍化模型疲勞裂紋擴展的第二階段是在