材料力學(xué)性能大連理工大學(xué)課后思考題答案

1、第一章 單向靜拉伸力學(xué)性能一、 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(kāi)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)應(yīng)力增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)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

2、吸收塑性變形功和斷裂功的能力。7.解理臺(tái)階：當(dāng)解理裂紋與螺型位錯(cuò)相遇時(shí)，便形成一個(gè)高度為b的臺(tái)階。8.河流花樣：解理臺(tái)階沿裂紋前端滑動(dòng)而相互匯合,同號(hào)臺(tái)階相互匯合長(zhǎng)大,當(dāng)匯合臺(tái)階高度足夠大時(shí),便成為河流花樣。是解理臺(tái)階的一種標(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(guò)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(lái)的韌性斷

3、裂變?yōu)榇嘈詳嗔?，這種現(xiàn)象稱為韌脆轉(zhuǎn)變12.彈性極限：試樣加載后再卸裁，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標(biāo)準(zhǔn)，材料能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力。13.比例極限：應(yīng)力應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力。14.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)平面解理面，一般是低指數(shù)、表面能低的晶面。15.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。16.靜力韌度：材料在靜拉伸時(shí)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(gè)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。二、說(shuō)明下列力學(xué)性能指標(biāo)的意義。答：E彈性模量；G切變模量；規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力；屈服強(qiáng)度；金屬材料拉伸時(shí)最大應(yīng)

4、力下的總伸長(zhǎng)率；n 應(yīng)變硬化指數(shù) 【P15】三、金屬的彈性模量主要取決于什么因素？為什么說(shuō)它是一個(gè)對(duì)組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)？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(tài)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(fā)生改變，故彈性模量對(duì)組織不敏感?！綪4】四、 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)？【P21】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，這種斷裂有一個(gè)緩慢的撕裂過(guò)程，在裂紋擴(kuò)展過(guò)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(méi)有明顯征兆，

5、因而危害性很大。五、 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？【P23】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。六、 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)和剪切唇三個(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(duì)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。七、 論述格雷菲斯裂紋理論分析問(wèn)題的思路，推導(dǎo)格雷菲斯方程，并指出該理論的局限性?！綪

6、32】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。答：思路：?jiǎn)挝惑w積儲(chǔ)存的彈性能加上新增裂紋表面能對(duì)裂紋半長(zhǎng)一級(jí)偏導(dǎo)數(shù)等于零單位體積彈性能為Ue-2a2/E裂紋所增加的表面能為W4asUeW2a2/E4as在總能量曲線的最高點(diǎn)處，系統(tǒng)總能量對(duì)裂紋半長(zhǎng)a的一階偏導(dǎo)數(shù)應(yīng)等于零。臨界裂紋擴(kuò)展應(yīng)力c與裂紋長(zhǎng)度a的平方根成反比。八、什么是包申格效應(yīng)，如何解釋，它有什么實(shí)際意義? 包申格效應(yīng)：金屬材料經(jīng)過(guò)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(zhǎng)應(yīng)力增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低的現(xiàn)象。 包申格效應(yīng)與金屬材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力變化有關(guān)。在金屬預(yù)先受載產(chǎn)

7、生少量塑性變形時(shí)，位錯(cuò)沿某一滑移面運(yùn)動(dòng)，遇林位錯(cuò)而彎曲，結(jié)果，在位錯(cuò)前方，林位錯(cuò)密度增加，形成位錯(cuò)纏結(jié)和胞狀組織。這種位錯(cuò)結(jié)構(gòu)在力學(xué)上是相當(dāng)穩(wěn)定的，宏觀上表現(xiàn)為規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力增加。卸載后施加反向力，位錯(cuò)被迫作反向運(yùn)動(dòng)，在反向路徑上，像林位錯(cuò)這類障礙數(shù)量較少，而且也不一定恰好位于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的前方，故位錯(cuò)可以在較低應(yīng)力下移動(dòng)較大距離，即第二次反向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低。包申格效應(yīng)對(duì)于研究金屬疲勞問(wèn)題是很重要的。因?yàn)椴牧显谄谶^(guò)程中，每一周期內(nèi)都產(chǎn)生微量塑性變形，在反向加載時(shí)，微量塑性變形抗力（規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力）降低，顯示循環(huán)軟化現(xiàn)象。另外，對(duì)于預(yù)先經(jīng)受冷變形的材料，如服役時(shí)受到反向力的作用，就

8、要考慮微量塑性變形抗力降低的有害影響，如冷拉型材及管子在受壓狀態(tài)下使用就是這種情況。九、試述多晶體金屬產(chǎn)生明顯屈服的條件，并解釋bcc金屬與fcc金屬及其合金屈服行為不同的原因。屈服現(xiàn)象與下列三個(gè)因素有關(guān)：j材料變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度很小，或雖有大量位錯(cuò)但被釘扎；k隨塑性變形發(fā)生，位錯(cuò)能快速增值；l位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與外加應(yīng)力有強(qiáng)烈依存關(guān)系。由于變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度小，為了滿足一定變形速率，就必須增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率，此時(shí)需要較高的應(yīng)力，這就是上屈服點(diǎn)。一旦塑性變形產(chǎn)生，位錯(cuò)大量增值，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率則下降，相應(yīng)應(yīng)力降低，從而產(chǎn)生屈服現(xiàn)象。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率應(yīng)力敏感指數(shù)m越低，則使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率變化所需的應(yīng)力就越大，屈服

9、現(xiàn)象越明顯。bcc金屬的m比f(wàn)cc金屬的m低，故bcc金屬一般具有明顯的屈服現(xiàn)象。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max和最大正應(yīng)力max比值，即：   【新書(shū)P39 舊書(shū)P46】（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(wú)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)?！綪44 P53】（3）缺口敏感度金屬材料的缺

10、口敏感性指標(biāo)，用缺口試樣的抗拉強(qiáng)度與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強(qiáng)度的比值表示。即： 【P47 P55 】 （4）布氏硬度用鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，采用單位表面積所承受的試驗(yàn)力計(jì)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(cè)量壓痕深度所表示的硬度【P51 P60】。 （6）維氏硬度以兩相對(duì)面夾角為136。的金剛石四棱錐作壓頭，采用單位表面積所承受的試驗(yàn)力計(jì)算而得的硬度?！綪53 P62】（7）努氏硬度采用兩個(gè)對(duì)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(dòng)載荷試驗(yàn)法，根據(jù)重錘回跳高度表征

11、的金屬硬度。 （9）里氏硬度采動(dòng)載荷試驗(yàn)法，根據(jù)重錘回跳速度表征的金屬硬度。二、說(shuō)明下列力學(xué)性能指標(biāo)的意義    （1）材料的抗壓強(qiáng)度【P41 P48】    （2）材料的抗彎強(qiáng)度【P42 P50】    （3）材料的扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)【P44 P52】    （4）材料的抗扭強(qiáng)度【P44 P52】    （5）缺口試樣的抗拉強(qiáng)度【P47 P55】    （6）NSR材料的缺口敏感度【P47 P55】  

12、 （7）HBW壓頭為硬質(zhì)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】（12）HK材料的努氏硬度 （13）HS材料的肖氏硬度 （14）HL材料的里氏硬度三、什么是“缺口效應(yīng)”？它對(duì)材料性能有什么影響？【P45 P53】缺口的第一個(gè)效應(yīng)是引起應(yīng)力集中，并改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)

13、，使機(jī)件由原來(lái)的單向應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閮上蚧蛉驊?yīng)力狀態(tài)。缺口的第二個(gè)效應(yīng)是試樣的屈服應(yīng)力比單向拉伸時(shí)高，即產(chǎn)生了所謂“缺口強(qiáng)化”現(xiàn)象，導(dǎo)致材料強(qiáng)度提高，塑性降低。由于缺口的存在，是缺口處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，材料變脆，降低了使用的安全性。四、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(yàn)的特點(diǎn)。 光滑試樣軸向拉伸試驗(yàn)：截面上無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布均勻，僅在頸縮時(shí)發(fā)生應(yīng)力狀態(tài)改變。缺口試樣軸向拉伸試驗(yàn)：缺口截面上出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布不均，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生兩向或三向拉應(yīng)力狀態(tài)，致使材料的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)降低，脆性增大。偏斜拉伸試驗(yàn)：在拉伸試驗(yàn)時(shí)在試樣與試驗(yàn)機(jī)夾頭之間放一墊圈，

14、使試樣的軸線與拉伸力形成一定角度進(jìn)行拉伸。該試驗(yàn)用于檢測(cè)螺栓一類機(jī)件的安全使用性能。偏斜拉伸試驗(yàn)：試樣同時(shí)承受拉伸和彎曲載荷的復(fù)合作用，其應(yīng)力狀態(tài)更“硬”，缺口截面上的應(yīng)力分布更不均勻，更能顯示材料對(duì)缺口的敏感性。五、試說(shuō)明布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度的實(shí)驗(yàn)原理，并比較布氏、洛氏與維氏硬度試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)?！綪49 P57】原理布氏硬度：用鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，計(jì)算單位表面積所承受的試驗(yàn)力。洛氏硬度：采用金剛石圓錐體或小淬火鋼球作壓頭，以測(cè)量壓痕深度。維氏硬度：以兩相對(duì)面夾角為136。的金剛石四棱錐作壓頭，計(jì)算單位表面積所承受的試驗(yàn)力。布氏硬度優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)時(shí)一般采用直徑較大的壓頭球，因而所得

15、的壓痕面積比較大。壓痕大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相得平均性能；另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：對(duì)不同材料需更換不同直徑的壓頭球和改變?cè)囼?yàn)力，壓痕直徑的測(cè)量也較麻煩，因而用于自動(dòng)檢測(cè)時(shí)受到限制。洛氏硬度優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，迅捷，硬度值可直接讀出；壓痕較小，可在工件上進(jìn)行試驗(yàn)；采用不同標(biāo)尺可測(cè)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(zhì)量檢測(cè)。缺點(diǎn)：壓痕較小，代表性差；若材料中有偏析及組織不均勻等缺陷，則所測(cè)硬度值重復(fù)性差，分散度大；此外用不同標(biāo)尺測(cè)得的硬度值彼此沒(méi)有聯(lián)系，不能直接比較。維氏硬度優(yōu)點(diǎn)：不存在布氏硬度試驗(yàn)時(shí)要求試驗(yàn)力F與壓頭直徑D之間

16、所規(guī)定條件的約束，也不存在洛氏硬度試驗(yàn)時(shí)不同標(biāo)尺的硬度值無(wú)法統(tǒng)一的弊端；維氏硬度試驗(yàn)時(shí)不僅試驗(yàn)力可以任意取，而且壓痕測(cè)量的精度較高，硬度值較為準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是硬度值需要通過(guò)測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度后才能進(jìn)行計(jì)算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低的多。六、今有如下零件和材料需要測(cè)定硬度，試說(shuō)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）

17、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七、在評(píng)定材料的缺口敏感性時(shí)，什么情況下宜選用缺口靜拉伸試驗(yàn)?什么情況下宜選用缺口偏斜拉伸?什么情況下則選用缺口靜彎試驗(yàn)? 答案：缺口靜拉伸試驗(yàn)主要用于比較淬火低中溫回火的各種高強(qiáng)度鋼，各種高強(qiáng)度鋼在屈服強(qiáng)度小于1200MPa時(shí)，其缺口強(qiáng)度均隨著材料屈服強(qiáng)度的提高而升高；但在屈服強(qiáng)度超過(guò)1200MPa以上時(shí)，則表現(xiàn)出不同的特性，有的開(kāi)始降低，有的還呈上升趨勢(shì)。 缺口偏斜拉伸試

18、驗(yàn)就是在更苛刻的應(yīng)力狀態(tài)和試驗(yàn)條件下，來(lái)檢驗(yàn)與對(duì)比不同材料或不同工藝所表現(xiàn)出的性能差異。 缺口試樣的靜彎試驗(yàn)則用來(lái)評(píng)定或比較結(jié)構(gòu)鋼的缺口敏感度和裂紋敏感度。第三章 金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能 一、 名詞解釋1.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】2.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，以表示，單位為J。P57/P673.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)溫度低于某一溫度時(shí)，會(huì)

19、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?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性。4.韌性溫度儲(chǔ)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、 說(shuō)明下面力學(xué)性能指標(biāo)的意義（1）Ak：沖擊吸收功。含義見(jiàn)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(duì)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(jiǎn)便易行，被廣泛采用。 AKV：V型缺口試樣沖擊吸收功. AKU：U型缺口沖擊吸收功. （2）FATT50：沖擊試樣斷口分為纖維區(qū)、放射區(qū)（結(jié)晶區(qū)）與剪切唇三部分，在不同試驗(yàn)溫度下，三個(gè)區(qū)之間的相對(duì)面積不同。溫度下降，纖維區(qū)面積突然減少

20、，結(jié)晶區(qū)面積突然增大，材料由韌變脆。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，并記為50%FATT，或FATT50%，t50。（新書(shū)P61，舊書(shū)P71）或:結(jié)晶區(qū)占整個(gè)斷口面積50%時(shí)的溫度定義的韌脆轉(zhuǎn)變溫度.（3）NDT: 以低階能開(kāi)始上升的溫度定義的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,稱為無(wú)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(duì)應(yīng)的溫度定義tk，記為FTE（5）FTP: 以高階能對(duì)應(yīng)的溫度為tk，記為FTP三、試說(shuō)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(duì)于那些有低溫脆性現(xiàn)象的材料，它們的屈服強(qiáng)度會(huì)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

21、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(lái)看低溫脆性與位錯(cuò)在晶體點(diǎn)陣中運(yùn)動(dòng)的阻力有關(guān)，當(dāng)溫度降低時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(duì)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(shì)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(huì)引起材料塑性和韌性變差，脆性提高。3顯微組織：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)?晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力，晶粒細(xì)

22、小，晶界總面積增加，晶界處塞積的位錯(cuò)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。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(duì)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。四、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？體心立方和面心立方金屬的低溫脆性有何差異？為什么？答：在試驗(yàn)溫度低于某一溫度tk時(shí)，會(huì)由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型轉(zhuǎn)變穿晶斷裂，斷口特征由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)

23、晶狀，這就是低溫脆性。 tk稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。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。當(dāng)溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，斷裂強(qiáng)度大于屈服強(qiáng)度，材料先屈服再斷裂；當(dāng)溫度低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，斷裂強(qiáng)度小于屈服強(qiáng)度，材料無(wú)屈服直接斷裂。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。這是因?yàn)榕衫?duì)其屈服強(qiáng)度的影響占有很大比重，而派拉力是短程力，對(duì)溫度很敏感，溫度降低時(shí)，派拉力大幅增加，則其強(qiáng)度急劇增加而變脆。五、 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(méi)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

24、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(méi)有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。面心立方金屬及其合金一般沒(méi)有韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。微觀上，體心立方金屬中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力對(duì)溫度變化非常敏感，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(cuò)寬度比較大，對(duì)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(duì)低碳鋼施加一高于屈服強(qiáng)度的高速載荷時(shí)，材料并不立即產(chǎn)生屈服，而需要經(jīng)過(guò)一段孕育期（稱為遲屈時(shí)間）才開(kāi)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(méi)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。六、試述沖

25、擊載荷作用下金屬變形和斷裂的特點(diǎn)。沖擊載荷下，瞬時(shí)作用于位錯(cuò)的應(yīng)力相當(dāng)高，結(jié)果使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率增加，同時(shí)使派納力增大，滑移臨界切應(yīng)力增大，金屬產(chǎn)生附加強(qiáng)化。同時(shí)由于沖擊載荷下應(yīng)力水平比較高，將使許多位錯(cuò)源同時(shí)開(kāi)動(dòng)，增加了位錯(cuò)密度，減少了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由行程的平均長(zhǎng)度，增加了點(diǎn)缺陷的濃度。這些原因?qū)е陆饘俨牧显跊_擊載荷作用下塑性變形極不均勻且難以充分進(jìn)行，使材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高，塑性和韌性下降，導(dǎo)致脆性斷裂。第四章 金屬的斷裂韌度一、 名詞解釋1.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。2.張開(kāi)型（型）裂紋： 拉應(yīng)力垂直作用于裂紋擴(kuò)展面，裂紋沿

26、作用力方向張開(kāi)，沿裂紋面擴(kuò)展的裂紋。3.應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子 ：表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度。 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)度因子有關(guān)，對(duì)于某一確定的點(diǎn)，其應(yīng)力分量由確定， 越大，則應(yīng)力場(chǎng)各點(diǎn)應(yīng)力分量也越大，這樣就可以表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度，稱為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子。 “I”表示I型裂紋?！綪68】4.小范圍屈服： 塑性區(qū)的尺寸較裂紋尺寸及凈截面尺寸小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的屈服，這就稱為小范圍屈服?！綪71】5.有效屈服應(yīng)力：裂紋發(fā)生屈服時(shí)其法向的應(yīng)力?！拘聲?shū)P73：舊P85】6.有效裂紋長(zhǎng)度：將原有的裂紋長(zhǎng)度與松弛后的塑性區(qū)相合并得到的裂紋長(zhǎng)度【新P74；舊P86】。7.裂紋擴(kuò)展K判據(jù)：裂紋在受

27、力時(shí)只要滿足 ，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂.反之，即使存在裂紋，若 也不會(huì)斷裂。新P71：舊8.裂紋擴(kuò)展能量釋放率GI：I型裂紋擴(kuò)展單位面積時(shí)系統(tǒng)釋放勢(shì)能的數(shù)值。P76/P889.裂紋擴(kuò)展G判據(jù)： ，當(dāng)滿足上述條件時(shí)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂。P77/P89二、說(shuō)明下列斷裂韌度指標(biāo)的意義及其相互關(guān)系和 答： 臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的記作或，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。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)，但值與試樣厚度有關(guān)。當(dāng)試樣厚度增加，使裂紋尖端達(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，它與試樣厚

28、度無(wú)關(guān)，而是真正的材料常數(shù)。P71/P82 答：P77/P89 當(dāng)增加到某一臨界值時(shí)，能克服裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的阻力，則裂紋失穩(wěn)擴(kuò)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(wěn)擴(kuò)展時(shí)單位面積所消耗的能量，其單位與相同，MPa·m三、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(guò)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。四、為什么研究裂紋擴(kuò)

29、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：裂紋前端的應(yīng)力是一個(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)r0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(wú)限大，構(gòu)件就失去了承載能力，也就是說(shuō)，只要構(gòu)件一有裂紋就會(huì)破壞，這顯然與實(shí)際情況不符。這說(shuō)明經(jīng)典的強(qiáng)度理論單純用應(yīng)力大小來(lái)判斷受載的裂紋體是否破壞是不正確的。因此無(wú)法用應(yīng)力判據(jù)處理這一問(wèn)題。因此只能用其它判據(jù)來(lái)解決這一問(wèn)題。五、 試述應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的意義及典型裂紋的表達(dá)式答：應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子 ：表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度。 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)度因子有關(guān)，對(duì)于某一確定的點(diǎn)

30、，其應(yīng)力分量由確定， 越大，則應(yīng)力場(chǎng)各點(diǎn)應(yīng)力分量也越大，這樣就可以表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度，稱為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子。 “I”表示I型裂紋。 幾種裂紋的表達(dá)式，無(wú)限大板穿透裂紋：；有限寬板穿透裂紋：；有限寬板單邊直裂紋：當(dāng)ba時(shí)，；受彎單邊裂紋梁：；無(wú)限大物體內(nèi)部有橢圓片裂紋，遠(yuǎn)處受均勻拉伸：；無(wú)限大物體表面有半橢圓裂紋，遠(yuǎn)處均受拉伸：A點(diǎn)的。 六、 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(qiáng)度理論不能解決存在宏觀裂紋為什么會(huì)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(jī)件的工作應(yīng)力及裂紋尺寸的關(guān)系定量地聯(lián)系起來(lái)，可直接用于設(shè)計(jì)計(jì)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

31、機(jī)件材料、優(yōu)化工藝等。P71/P83 七、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)y趨于材料的屈服應(yīng)力時(shí)，在裂紋尖端處便開(kāi)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(wú)論平面應(yīng)力或平面應(yīng)變，塑性區(qū)寬度總是與（KIC/s)2成正比。八、試述塑性區(qū)對(duì)KI的影響及KI的修正方法和結(jié)果。由于裂紋尖端塑性區(qū)的存在將會(huì)降低裂紋體的剛度，相當(dāng)于裂紋長(zhǎng)度的增加，因而影響應(yīng)力場(chǎng)和KI的計(jì)算，所以要對(duì)KI進(jìn)行修正。最簡(jiǎn)單而適用的修正方法是在計(jì)算K

32、I時(shí)采用“有效裂紋尺寸”，即以虛擬有效裂紋代替實(shí)際裂紋，然后用線彈性理論所得的公式進(jìn)行計(jì)算。基本思路是：塑性區(qū)松弛彈性應(yīng)力的作用與裂紋長(zhǎng)度增加松弛彈性應(yīng)力的作用是等同的，從而引入“有效長(zhǎng)度”的概念，它實(shí)際包括裂紋長(zhǎng)度和塑性區(qū)松弛應(yīng)力的作用。KI的修正方法忽略了在塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)變能釋放率與彈性體應(yīng)變能釋放率的差別，因此，只是近似結(jié)果。當(dāng)塑性區(qū)小時(shí)，或塑性區(qū)周圍為廣大的彈性去所包圍時(shí)，這種結(jié)果還是很精確。但是當(dāng)塑性區(qū)較大時(shí)，即屬于大范圍屈服或整體屈服時(shí)，這個(gè)結(jié)果是不適用的。九、有一大型板件，材料的0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探傷發(fā)現(xiàn)有20mm長(zhǎng)的橫向穿透裂紋，若在平均軸向拉

33、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工作應(yīng)力為=900MPa根據(jù)/0.2的值，確定裂紋斷裂韌度KIC是否需要修正 因?yàn)?0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂紋斷裂韌度KIC需要修正對(duì)于無(wú)限板的中心穿透裂紋，修正后的KI為： 因?yàn)镵I=168.13（MPa*m1/2）KIc=115（MPa*m1/2）所以：KI>KIc ，裂紋會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展 , 所以該件不安全。十、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=1，測(cè)試材料的

34、0.2=720MPa ，試估算材料的斷裂韌度KIC為多少？解： 因?yàn)?0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂紋斷裂韌度KIC不需要修正KIC=Ycac1/2對(duì)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）十一、設(shè)有屈服強(qiáng)度為415 MPa，斷裂韌性為132 MPa.m1/2 ，寬度分別100mm、260 mm的兩塊合金厚鋼板。如果板都受400 MPa 的拉應(yīng)力作用，并設(shè)板內(nèi)都有長(zhǎng)為46mm的中心穿透裂紋。應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子表達(dá)式為 ）， 已知f(0.46)=1.18，f(0.18)=1.02。 試問(wèn)此兩板內(nèi)裂紋是否都擴(kuò)

35、展? 解：由于，故需要對(duì)KI進(jìn)行修正。修正后的KI表達(dá)式為： 窄板，寬板，代入上式，可得： KI窄=138.3MPaKIC，KI寬=119.5MPaKIC，因此，窄板內(nèi)的裂紋會(huì)擴(kuò)展，寬板內(nèi)的裂紋不會(huì)擴(kuò)展。第五章 金屬的疲勞一、名詞解釋;1.應(yīng)力幅a:a=1/2(max-min) p95/p1082.平均應(yīng)力m：m=1/2(max+min) p95/p1073.應(yīng)力比r:r=min/max p95/p1084.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。P965.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(dòng)引起的，是裂紋前沿線留下的弧狀臺(tái)階痕跡。 P9

36、7/p1106.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呈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/p1327.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(duì)試樣重新循環(huán)加載時(shí)，則循環(huán)滑移帶又會(huì)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。 P1118.K: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)。K是由應(yīng)力范圍和a復(fù)合為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍，K=Kmax-Kmin=Ymaxa-Ymina=Ya. p105/p1209.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

37、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/p11710.過(guò)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(guò)載損傷。 P102/p117疲勞：金屬構(gòu)件在變動(dòng)載荷和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞。二、揭示下列疲勞性能指標(biāo)的意義1.疲勞強(qiáng)度-1，-p,-1,-1N, P99,100,103/p114 -1: 對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)作用下的彎曲疲勞極限；-p:對(duì)稱拉壓疲勞極限；-1:對(duì)稱扭轉(zhuǎn)疲勞極限；-1N:缺口試樣在對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)作用下的疲勞極限。2.疲勞缺口敏感度qf P103/p118 金屬材料在交變載荷作用下的

38、缺口敏感性，常用疲勞缺口敏感度來(lái)評(píng)定。qf=(Kf-1)/（kt-1）.其中Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)且大于1，Kf為疲勞缺口系數(shù)。 Kf=(-1)/(-1N)3.過(guò)載損傷界 P102,103/p117 由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，測(cè)出不同過(guò)載應(yīng)力水平和相應(yīng)的開(kāi)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(guò)載損傷界。 4.疲勞門檻值Kth P105/p120把裂紋擴(kuò)展的每一微小過(guò)程看成是裂紋體小區(qū)域的斷裂過(guò)程，則設(shè)想應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度K=Kmax-Kmin是疲勞裂紋擴(kuò)展的控制因子，當(dāng)K小于某臨界值Kth時(shí)，疲勞裂紋不擴(kuò)展，所以Kth叫疲勞裂紋擴(kuò)展的門檻值。三、試述金屬疲勞斷裂的特點(diǎn) p96/p109

39、 （1）疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，即具有壽命的斷裂 （2）疲勞是脆性斷裂 （3）疲勞對(duì)缺陷（缺口，裂紋及組織缺陷）十分敏感四、試述疲勞宏觀斷口的特征及其形成過(guò)程（新書(shū)P9698及PPT，舊書(shū)P109111）答：典型疲勞斷口具有三個(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(guò)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

40、由載荷變動(dòng)引起的，如機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的開(kāi)動(dòng)與停歇，偶然過(guò)載引起的載荷變動(dòng)，使裂紋前沿線留下了弧狀臺(tái)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。五、試述影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的主要因素。（新書(shū)P107109，舊書(shū)P123125）答：1、應(yīng)力比r（或平均應(yīng)力）的影響：Forman提出：殘余壓應(yīng)力因會(huì)減小r,使降低和升高，對(duì)疲勞壽命有利；而殘余拉應(yīng)力因會(huì)增大r，使升高和降低，對(duì)疲勞壽命不利。2、過(guò)載峰的影響：偶然過(guò)載進(jìn)入過(guò)載損傷區(qū)內(nèi)，使材料受到損傷并降低疲勞壽命。但若過(guò)載適當(dāng)，有時(shí)反而是有益的。3、材料組織的影響：晶粒大?。壕?/p>

41、粒越粗大，其值越高，越低，對(duì)疲勞壽命越有利。組織：鋼的含碳量越低，鐵素體含量越多時(shí)，其值就越高。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)，可以提高鋼的，降低。噴丸處理：噴丸強(qiáng)化也能提高。六、試述疲勞微觀斷口的主要特征。（新書(shū)P113P114，舊書(shū)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。滑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。七、試述金屬表面強(qiáng)化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。（新書(shū)P117P118，舊書(shū)P135P136）答：表面強(qiáng)化處理可在機(jī)件表面產(chǎn)生有利

42、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。第六章

43、 金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂一、名詞解釋1、應(yīng)力腐蝕斷裂：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(guò)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。3、白點(diǎn)：當(dāng)鋼中含有過(guò)量的氫時(shí)，隨著溫度降低氫在鋼中的溶解度減小。如果過(guò)飽和的氫未能擴(kuò)散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子。此時(shí)，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。4、氫化物致脆：對(duì)于B 或B 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，使金屬脆化，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。6、腐蝕疲

44、勞：材料或零件在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下造成的失效。二、說(shuō)明下列力學(xué)性能指標(biāo)的意義1、scc：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(chǎng)強(qiáng)度因子。3、da/dt：應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率。三、如何識(shí)別氫脆與應(yīng)力腐蝕？答：氫脆和應(yīng)力腐蝕相比，其特點(diǎn)表現(xiàn)在：1、實(shí)驗(yàn)室中識(shí)別氫脆與應(yīng)力腐蝕的一種辦法是，當(dāng)施加一小的陽(yáng)極電流，如使開(kāi)裂加速，則為應(yīng)力腐蝕；而當(dāng)施加一小的陰極電流，使開(kāi)裂加速者則為氫脆。2、在強(qiáng)度較低的材料中，或者雖為高強(qiáng)度材料但受力不大，存在的殘余拉應(yīng)力也較小這時(shí)其斷裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此處三向拉應(yīng)力最大，氫濃集在這里造成氫脆斷裂。3、氫脆斷

45、裂的主裂紋沒(méi)有分枝的情況這和應(yīng)力腐蝕的裂紋是截然不同的。4、氫脆斷口上一般沒(méi)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(duì)溫度和形變速率有強(qiáng)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。四、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)變速率下和一定的溫度范圍內(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，經(jīng)過(guò)一段孕育期后，金屬內(nèi)部形成裂紋，發(fā)生斷裂。-氫致延滯斷裂。因?yàn)闅渲卵訙嗔训臋C(jī)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(cuò)交互作用，氫易遷移到位錯(cuò)拉應(yīng)力處，形成氫氣團(tuán)

46、。當(dāng)應(yīng)變速率較低而溫度較高時(shí)，氫氣團(tuán)能跟得上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，但滯后位錯(cuò)一定距離。因此，氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)起“釘扎”作用，產(chǎn)生局部硬化。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生位錯(cuò)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(guò)高以及溫度低的情況下，氫氣團(tuán)不能跟上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，便不能產(chǎn)生“釘扎”作用，也不可能在位錯(cuò)塞積處聚集，不能產(chǎn)生應(yīng)力集中，不會(huì)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。五、如何判斷某一零件的破壞是由應(yīng)力腐蝕引起的? 答案：應(yīng)力腐蝕引起的破壞，常有以下特點(diǎn)： 1、造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，而且一般是拉伸應(yīng)力。 2、應(yīng)力腐蝕造成的破壞，是脆性

47、斷裂，沒(méi)有明顯的塑性變形。 3、只有在特定的合金成分與特定的介質(zhì)相組合時(shí)才會(huì)造成應(yīng)力腐蝕。 4、應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展速率一般在10-910-6m/s，有點(diǎn)象疲勞，是漸進(jìn)緩慢的，這種亞臨界的擴(kuò)展?fàn)顩r一直達(dá)到某一臨界尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時(shí)，就突然發(fā)生斷裂。 5、應(yīng)力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直于拉力軸。 6、應(yīng)力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產(chǎn)物，而疲勞斷口的表面，如果是新鮮斷口常常較光滑，有光澤。 7、應(yīng)力腐蝕的主裂紋擴(kuò)展時(shí)常有分枝。但應(yīng)力腐蝕裂紋并不總是分技的。 8、應(yīng)力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是晶間斷裂。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準(zhǔn)

48、解理的，其裂紋有似人字形或羽毛狀的標(biāo)記。第七章 金屬的磨損與耐磨性一、名詞解釋1.磨損：機(jī)件表面相互接觸并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，表面逐漸有微小顆粒分離出來(lái)形成磨屑，使表面材料逐漸損失、造成表面損傷的現(xiàn)象。2.接觸疲勞：兩接觸面做滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力長(zhǎng)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。【P153】二、如何提高材料或零件的抗粘著磨損能力? 1、注意一對(duì)摩擦副的配對(duì)。不要用淬硬鋼與軟鋼配對(duì)；不要用軟金屬與軟金屬配對(duì)。 2、金屬間互溶程度越小，晶體結(jié)構(gòu)不同，原子尺寸差別較大，形成化合物傾向較大的金屬，構(gòu)成摩擦副時(shí)粘著磨損就較輕微。 3、通過(guò)表面化

49、學(xué)熱處理，如滲硫、硫氮共熔、磷化、軟氮化等熱處理工藝，使表面生成一化合物薄膜，或?yàn)榱蚧铮谆?，含氮的化合物，使摩擦系?shù)減小，起到減磨作用也減小粘著磨損。 4、改善潤(rùn)滑條件。三、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(dòng)摩擦條件下，摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度較小，因缺乏潤(rùn)滑油，摩擦副表面無(wú)氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應(yīng)力超過(guò)實(shí)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(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(guò)程。改善粘著磨

50、損耐磨性的措施1.選擇合適的摩擦副配對(duì)材料選擇原則：配對(duì)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(duì)。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(dòng)速度和接觸壓力：減小滑動(dòng)速度和接觸壓力能有效降低粘著磨損。4.其他途徑：改善潤(rùn)滑條件，降低表面粗糙度，提高氧化膜與基體結(jié)合力都能降低粘著磨損。四、在什么條件下發(fā)生微動(dòng)磨損?如何減少微動(dòng)磨損? 答案：微動(dòng)磨損通常發(fā)生在一對(duì)緊密配合的零件，在載荷和一定的振動(dòng)頻率作用下，較長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，這種松動(dòng)只是微米級(jí)的相對(duì)滑動(dòng)，而微小

51、的相對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)致了接觸金屬間的粘著，隨后是粘著點(diǎn)的剪切，粘著物脫落。在大氣環(huán)境下這些脫落物被氧化成氧化物磨屑，由于兩摩擦表面的緊密配合，磨屑不易排出，這些磨屑起著磨料的作用，加速了微動(dòng)磨損的過(guò)程。滾壓、噴九和表面化學(xué)熱處理都可因?yàn)楸韺赢a(chǎn)生壓應(yīng)力，能有效地減少微動(dòng)磨損。五、影響接觸疲勞壽命的因素？?jī)?nèi)因1.非金屬夾雜物：脆性非金屬夾雜物對(duì)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?shī)A雜物包住形成共生夾雜物時(shí)，可以降低脆性?shī)A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)度主要取決于材料的抗剪切強(qiáng)度，并有

52、一定的韌性相配合。當(dāng)馬氏體含碳量在0.40.5w%時(shí)，接觸疲勞壽命最高。殘余奧氏體越多，馬氏體針越粗大，越容易產(chǎn)生微裂紋，疲勞強(qiáng)度低。未溶碳化物和帶狀碳化物越多，接觸疲勞壽命越低。3.表面硬度和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)生微量塑性變形和磨損，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(guò)大，易在過(guò)渡區(qū)內(nèi)形成裂紋而產(chǎn)生深層剝落。表面硬化層深度要適中，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，可以有效增加接觸疲

53、勞壽命。接觸應(yīng)力低，表面粗糙度對(duì)疲勞壽命影響較大接觸應(yīng)力高，表面粗糙度對(duì)疲勞壽命影響較小2.硬度匹配兩個(gè)接觸滾動(dòng)體的硬度和裝配質(zhì)量等都應(yīng)匹配適當(dāng)。第八章 金屬高溫力學(xué)性能一、名詞解釋1.蠕變：在長(zhǎng)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。2.等強(qiáng)溫度（TE）：晶粒強(qiáng)度與晶界強(qiáng)度相等的溫度。3.蠕變極限：在高溫長(zhǎng)時(shí)間載荷作用下不致產(chǎn)生過(guò)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。4.持久強(qiáng)度極限：在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的斷裂強(qiáng)度-持久強(qiáng)度極限。二、和常溫下力學(xué)性能相比，金屬材料在高溫下的力學(xué)行為有哪些特點(diǎn)?答案：1、首先，材料在高溫將發(fā)生蠕變現(xiàn)象。材料在高溫下不僅強(qiáng)度降低，而且塑

54、性也降低。應(yīng)變速率越低，載荷作用時(shí)間越長(zhǎng)，塑性降低得越顯著。2、高溫應(yīng)力松弛。3、產(chǎn)生疲勞損傷，使高溫疲勞強(qiáng)度下降。三、提高材料的蠕變抗力有哪些途徑?答案：加入的合金元素阻止刃位錯(cuò)的攀移，以及阻止空位的形成與運(yùn)動(dòng)從而阻止其擴(kuò)散。四、影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素由蠕變斷裂機(jī)理可知要降低蠕變速度提高蠕變極限，必須控制位錯(cuò)攀移的速度；要提高斷裂抗力，即提高持久強(qiáng)度，必須抑制晶界的滑動(dòng)，也就是說(shuō)要控制晶內(nèi)和晶界的擴(kuò)散過(guò)程。（一）合金化學(xué)成分的影響耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大或?qū)渝e(cuò)能低的金屬及合金。熔點(diǎn)愈高的金屬自擴(kuò)散愈慢，層錯(cuò)能降低易形成擴(kuò)展位錯(cuò)。彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)的滑移與攀移，在基體金屬中加入（高熔點(diǎn)、半徑差距大）的鉻、鉬、鎢、鈮等元素形成固溶體固溶強(qiáng)化，降低層錯(cuò)能，易形成擴(kuò)展位錯(cuò)。加入能形成彌散相的合金元素彌散強(qiáng)化阻礙位錯(cuò)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(dòng)，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和某些缺陷，合金定向生長(zhǎng)（減少橫向晶界）。（三）熱處理工藝的影響對(duì)于珠光體耐熱鋼，一般用正火加回火。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100150以上，以提高其在使用溫度下的組織穩(wěn)定性。對(duì)于奧氏體耐熱鋼，一般進(jìn)行固