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材料力學(xué)課后習題答案
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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(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快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長(cháng)產(chǎn)生附加彈性應變的現象稱(chēng)為滯彈性，也就是應變落后于應力的現象。
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(chēng)為循環(huán)韌性。
4.包申格效應：金屬材料經(jīng)過(guò)預先加載產(chǎn)生少量塑性變形，卸載后再同向加載，規定殘余伸長(cháng)應力增加;反向加載，規定殘余伸長(cháng)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(chēng)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(dòng)而相互匯合,同號臺階相互匯合長(cháng)大,當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(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂，因與大理石斷裂類(lèi)似，故稱(chēng)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，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(diǎn)時(shí)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂方式由原來(lái)的韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔�，這種現象稱(chēng)為韌脆轉變
12.彈性不完整性：理想的彈性體是不存在的，多數工程材料彈性變形時(shí)，可能出現加載線(xiàn)與卸載線(xiàn)不重合、應變滯后于應力變化等現象,稱(chēng)之為彈性不完整性。彈性不完整性現象包括包申格效應、彈性后效、彈性滯后和循環(huán)韌性等
決定金屬屈服強度的因素有哪些?
答：內在因素：金屬本性及晶格類(lèi)型、晶粒大小和亞結構、溶質(zhì)元素、第二相。外在因素：溫度、應變速率和應力狀態(tài)。
2、試述韌性斷裂與脆性斷裂的區別。為什么脆性斷裂最危險?
答：韌性斷裂是金屬材料斷裂前產(chǎn)生明顯的宏觀(guān)塑性變形的斷裂，這種斷裂有1個(gè)緩慢的撕裂過(guò)程，在裂紋擴展過(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，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(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(guān)拉伸斷口性態(tài)的因素有哪些?
答：宏觀(guān)斷口呈杯錐形，由纖維區、放射區和剪切唇3個(gè)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(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(wèn)題的思路，推導格雷菲斯方程，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)應力狀態(tài)軟性系數 材料或工件所承受的最大切應力τmax和最大正12
應力σmax比值，即： max
(2)缺口效應 絕大多數機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力狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂的缺口效應。
(3)缺口敏感度缺口試樣的抗拉強度σbn的與等截面尺寸光滑試樣的抗拉
強度σb 的比值，稱(chēng)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力計算而得的硬度
(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?xún)上鄬γ鎶A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。
(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)載荷試驗法，根據重錘回跳高度表證的金屬硬度。
(9)里氏硬度采動(dòng)載荷試驗法，根據重錘回跳速度表證的金屬硬度。
二、說(shuō)明下列力學(xué)性能指標的意義
(1)σbc材料的抗壓強度
(2)σbb材料的抗彎強度
(3)τs材料的扭轉屈服點(diǎn)
(4)τb材料的抗扭強度
(5)σbn材料的抗拉強度
(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)下的應力分布：薄板：在缺口根部處于單向拉應力狀態(tài)，在板中
心部位處于兩向拉伸平面應力狀態(tài)。厚板：在缺口根部處于兩向拉應力狀態(tài)，缺口內側處三向拉伸平面應變狀態(tài)。
無(wú)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(tài)和應力集中而產(chǎn)生脆性?xún)A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(jìn)行靜載力學(xué)性能試驗。
八.今有如下零件和材料需要測定硬度，試說(shuō)明選擇何種硬度實(shí)驗方法為宜。
(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(mén)刨床導軌;(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(mén)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(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(chēng)為沖擊韌度，αku=Aku/S (J/cm2), 反應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(chēng)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、低強度結構鋼(鐵素體-珠光體鋼)，在試驗溫度低于某一溫度tk時(shí)，會(huì )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。
二、 (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，但由于它們對材料內部組織變化十分敏感，而且沖擊彎曲試驗方法簡(jiǎn)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：通常取結晶區面積占整個(gè)斷口面積50%時(shí)的溫度為tk，并記為
50%FATT，或FATT50%，t50。(
或:結晶區占整個(gè)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(kāi)始上升的溫度定義的韌脆轉變溫度,稱(chēng)為無(wú)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FTP
四、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(guān)上對于那些有低溫脆性現象的材料，它們的屈服強度會(huì )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(shí)，屈服強度增大到高于斷裂強度時(shí)，在這個(gè)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(shí)還未發(fā)生屈服便斷裂了，材料顯示脆性。 從微觀(guān)機制來(lái)看低溫脆性與位錯在晶體點(diǎn)陣中運動(dòng)的阻力有關(guān)，當溫度降低時(shí)，位錯運動(dòng)阻力增大，原子熱激活能力下降，因此材料屈服強度增加。 影響材料低溫脆性的因素有(P63，P73)：
1.晶體結構：對稱(chēng)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(xué)成分：能夠使材料硬度，強度提高的雜質(zhì)或者合金元素都會(huì )引起材料塑性和韌性變差，材料脆性提高。
3.顯微組織：①晶粒大小，細化晶�？梢酝瑫r(shí)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(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：較低強度水平時(shí)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、碳化物等第二相質(zhì)點(diǎn)對鋼的脆性有重要影響，當其尺寸增大時(shí)均使材料韌性下降，韌脆轉變溫度升高。
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(guān)上和微觀(guān)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(méi)有?
宏觀(guān)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(méi)有明顯的韌脆轉變溫度。面心立方金屬及其合金一般沒(méi)有韌脆轉變現象。
微觀(guān)上，體心立方金屬中位錯運動(dòng)的阻力對溫度變化非常敏感，位錯運動(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(guān)，對低碳鋼施加一高速到高于屈服強度時(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(chēng)為遲屈時(shí)間)才開(kāi)始塑性變形，這種現象稱(chēng)為遲屈服現象。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，所以有利于裂紋擴展，往往表現為脆性破壞。
第四章 金屬的斷裂韌度
2.名詞解釋
低應力脆斷：高強度、超高強度鋼的機件 ，中低強度鋼的大型、重型機件在屈服應力以下發(fā)生的斷裂。
張開(kāi)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(kāi)，沿裂紋面擴展的裂紋。
應力場(chǎng)強度因子K? ： 在裂紋尖端區域各點(diǎn)的應力分量除了決定于位置外，尚與強度因子K?有關(guān)，對于某一確定的點(diǎn)，其應力分量由K?確定， K?越大，則應力場(chǎng)各點(diǎn)應力分量也越大，這樣K?即可表示應力場(chǎng)的強弱程度，稱(chēng)K?為應力場(chǎng)強度因子。 “I”表示I型裂紋。
小范圍屈服： 塑性區的尺寸較裂紋尺寸及凈截面尺寸為小時(shí)(小1個(gè)數量級以上)，這就稱(chēng)為小范圍屈服。
有效屈服應力：裂紋在發(fā)生屈服時(shí)的應力。
有效裂紋長(cháng)度：因裂紋尖端應力的分布特性，裂尖前沿產(chǎn)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(cháng)度增加ry后對裂紋尖端應力場(chǎng)的影響，經(jīng)修正后的裂紋長(cháng)度即為有效裂紋長(cháng)度: a+ry。
裂紋擴展K判據：裂紋在受力時(shí)只要滿(mǎn)足 KI?KIC，就會(huì )發(fā)生脆性斷裂.反之，即使存在裂紋，若 KI?KIC也不會(huì )斷裂。新P71：舊83
2、說(shuō)明下列斷裂韌度指標的意義及其相互關(guān)系
K?C和KC 答： 臨界或失穩狀態(tài)的K?記作K?C或KC，K?C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。KC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KC值與試樣厚度有關(guān)。當試樣厚度增加，使裂紋
39材料力學(xué)性能課后習題答案_材料力學(xué)課后習題答案
尖端達到平面應變狀態(tài)時(shí)，斷裂韌度趨于一穩定的最低值，即為K?C，它與試樣厚度無(wú)關(guān)，而是真正的材料常數。
3、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(chǎn)、機件的加工和使用過(guò)程中產(chǎn)生不可避免的宏觀(guān)裂紋，從而使機件在低于屈服應力的情況發(fā)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(fā)生脆性斷裂時(shí)所允許的最大裂紋尺寸。
4、為什么研究裂紋擴展的力學(xué)條件時(shí)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1個(gè)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r→0時(shí)，不論外加平均應力如何小，裂紋尖端各應力分量均趨于無(wú)限大，構件就失去了承載能力，也就是說(shuō)，只要構件一有裂紋就會(huì )破壞，這顯然與實(shí)際情況不符。這說(shuō)明經(jīng)典的強度理論單純用應力大小來(lái)判斷受載的裂紋體是否破壞是不正確的。因此無(wú)法用應力判據處理這一問(wèn)題。因此只能用其它判據來(lái)解決這一問(wèn)題。
5、試述應力場(chǎng)強度因子的意義及典型裂紋K?的表達式
答：幾種裂紋的K?表達式，無(wú)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b?a時(shí)，bb
受彎單邊裂紋梁：K??6Maf();無(wú)限大物體內部有橢圓片裂紋，遠處受3/2(b?a)b
2均勻拉伸：K???a
?a2(sin??2cos2?)1/4;無(wú)限大物體表面有半橢圓裂紋，遠c
1.1?a。 ?處均受拉伸：A點(diǎn)的K??
7、試述裂紋尖端塑性區產(chǎn)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(chǎn)生應力集中，當σy趨于材料的屈服應力時(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。
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(tài)，塑性區較小;板表面處于平面應力狀態(tài)，塑性區較大。但是無(wú)論平面應力或平面應變，塑性區寬度總是與(KIC/σs)2成正比。
13、斷裂韌度KIC與強度、塑性之間的關(guān)系：總的來(lái)說(shuō)，斷裂韌度隨強度的升高而降低。
15、影響KIC的冶金因素：內因：1、學(xué)成分的影響;2、集體相結構和晶粒大小的影響;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)現有20mm長(cháng)的橫向穿透裂紋，若在平均軸向拉應力900MPa下工作，試計算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σ=900MPa
根據σ/σ0.2的值，確定裂紋斷裂韌度KIC是否休要修正
因為σ/σ0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂紋斷裂韌度KIC需要修正 對于無(wú)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?塑性區寬度為：??R0???比較K1與KIc： 22???s?
因為K1=168.13(MPa*m1/2)
KIc=115(MPa*m1/2)
所以：K1>KIc ，裂紋會(huì )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(fā)現橫向疲勞脆性正斷，斷口分析表明有25mm深度的表面半橢圓疲勞區，根據裂紋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： 因為σ/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(wú)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;
應力幅σa:σa=1/2(σmax-σmin) p95/p108
平均應力σm：σm=1/2(σmax+σmin) p95/p107
應力比r:r=σmin/σmax p95/p108
疲勞源：是疲勞裂紋萌生的策源地，一般在機件表面常和缺口，裂紋，刀痕，蝕坑相連。P96
疲勞貝紋線(xiàn)：是疲勞區的最大特征，一般認為它是由載荷變動(dòng)引起的，是裂紋前沿線(xiàn)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(chēng)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，當對式樣重新循環(huán)加載時(shí)，則循環(huán)滑移帶又會(huì )在原處再現，這種永留或再現的循環(huán)滑移帶稱(chēng)為駐留滑移帶。 P111
ΔK:材料的疲勞裂紋擴展速率不僅與應力水平有關(guān)，而且與當時(shí)的裂紋尺寸有關(guān)。ΔK是由應力范圍Δσ和a復合為應力強度因子范圍，ΔK=Kmax-Kmin=Yσmax√a-Yσmin√a=YΔσ√a. p105/p120
da/dN:疲勞裂紋擴展速率，即每循環(huán)一次裂紋擴展的距離。 P105
疲勞壽命：試樣在交變循環(huán)應力或應變作用下直至發(fā)生破壞前所經(jīng)受應力或應變的循環(huán)次數 p102/p117
過(guò)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減小，就造成了過(guò)載損傷。 P102/p117
2.揭示下列疲勞性能指標的意義
疲勞強度σ-1，σ-p,τ-1,σ-1N, P99,100,103/p114
σ-1: 對稱(chēng)應力循環(huán)作用下的彎曲疲勞極限;σ-p:對稱(chēng)拉壓疲勞極限;τ-1:對稱(chēng)扭轉疲勞極限;σ-1N:缺口試樣在對稱(chēng)應力循環(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(lái)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=(σ-1)/(σ-1N)
過(guò)載損傷界 P102,103/p117
由實(shí)驗測定，測出不同過(guò)載應力水平和相應的開(kāi)始降低疲勞壽命的應力循環(huán)周次，得到不同試驗點(diǎn)，連接各點(diǎn)便得到過(guò)載損傷界。
疲勞門(mén)檻值ΔKth P105/p120
在疲勞裂紋擴展速率曲線(xiàn)的Ⅰ區，當ΔK≤ΔKth時(shí)，da/aN=0,表示裂紋不擴展;只有當ΔK>ΔKth時(shí)，da/dN>0,疲勞裂紋才開(kāi)始擴展。因此，ΔKth是疲勞裂紋不擴展的ΔK臨界值，稱(chēng)為疲勞裂紋擴展門(mén)檻值。
4.試述疲勞宏觀(guān)斷口的特征及其形成過(guò)程(新書(shū)P96~98及PPT，舊書(shū)P109~111) 答：典型疲勞斷口具有3個(gè)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(gè)裂紋亞穩擴展過(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(xiàn)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(xiàn)。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(xiàn)是由載荷變動(dòng)引起的，如機器運轉時(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(xiàn)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(shū)P101~102，舊書(shū)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(xiàn)的另1種表達形式。
意義：很多機件或構件是在不對稱(chēng)循環(huán)載荷下工作的，因此還需要知道材料的不對稱(chēng)循環(huán)疲勞極限，以適應這類(lèi)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(chēng)循環(huán)的疲勞極限。
1、?a?
?m疲勞圖
建立：這種圖的縱坐標以?a表示，橫坐標以?m表示。然后，以不同應力比r條
件下將?max表示的疲勞極限?r分解為?a和?m，并在該坐標系中作ABC曲線(xiàn)，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)：我們知道應力比r，將其代入試中，就可以求得tan?和?，而后從坐標原點(diǎn)O引直線(xiàn)，令其與橫坐標的夾角等于?值，該直線(xiàn)與曲線(xiàn)ABC相交的交點(diǎn)B便是所求的點(diǎn)，其縱、橫坐標之和，即為相應r的疲勞極限?rB，?rB??aB??mB。 2、?max(?min)??m疲勞圖
建立：這種圖的縱坐標以?max或?min表示，橫坐標以?m表示。然后將不同應力
比r下的疲勞極限，分別以?max(?min)和?m表示于上述坐標系中，就形成這種疲勞圖。幾何關(guān)系為：tan???max2?max2 ???m?max??min1?r
(用途)：我們只要知道應力比r,就可代入上試求得tan?和?，而后從坐標原點(diǎn)O引一直線(xiàn)OH，令其與橫坐標的夾角等于?，該直線(xiàn)與曲線(xiàn)AHC相交的交點(diǎn)H的縱坐標即為疲勞極限。
8.試述影響疲勞裂紋擴展速率的主要因素。(新書(shū)P107~109，舊書(shū)P123~125)
dac(?K)n
?答：1、應力比r(或平均應力?m)的影響：Forman提出： dN(1?r)Kc??K
殘余壓應力因會(huì )減小r,使
因會(huì )增大r，使da降低和?Kth升高，對疲勞壽命有利;而殘余拉應力dNda升高和?Kth降低，對疲勞壽命不利。 dN
2、過(guò)載峰的影響：偶然過(guò)載進(jìn)入過(guò)載損傷區內，使材料受到損傷并降低疲勞壽命。但若過(guò)載適當，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：噴丸強化也能提高?Kth。 dN
9.試述疲勞微觀(guān)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(chēng)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(guān)特征�；葡刀嗟拿嫘牧⒎浇饘�，其疲勞條帶明顯;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(shí)裂紋閉合。
圖(b)，受拉應力時(shí)，裂紋張開(kāi)，在裂紋尖端沿最大切應力方向產(chǎn)生滑移。
圖(c),裂紋張開(kāi)至最大，塑性變形區擴大，裂紋尖端張開(kāi)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(guò)程稱(chēng)為“塑性鈍化”。
圖(d)，當應力變?yōu)閴嚎s應力時(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.試述金屬表面強化對疲勞強度的影響。
答：表面強化處理可在機件表面產(chǎn)生有利的殘余壓應力，同時(shí)還能提高機件表面的強度和硬度。這兩方面的作用都能提高疲勞強度。
表面強化方法，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硬的小彈丸高速?lài)姶蛳驒C件表面，使機件表面產(chǎn)生局部形變硬化;同時(shí)因塑變層周?chē)膹椥约s束，又在塑變層內產(chǎn)生殘余壓應力。 表面滾壓和噴丸的作用相似，只是其壓應力層深度較大，很適于大工件;而且表面粗糙度低，強化效果更好。
(2) 表面熱處理及化學(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，還可以利用表面組織相變及組織應力、熱應力變化，使機件表面層獲得高強度和殘余壓應力，更有效地提高機件疲勞強度和疲勞壽命。
13.試述金屬的硬化與軟化現象及產(chǎn)生條件。
金屬材料在恒定應變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應力不斷增加，即為循環(huán)硬化。金屬材料在恒定應變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應力逐漸減小，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)、結構特性以及應變幅和溫
39材料力學(xué)性能課后習題答案_材料力學(xué)課后習題答案
度等。循環(huán)硬化和軟化與σb / σs有關(guān)：
σb / σs>1.4，表現為循環(huán)硬化;
σb / σs<1.2，表現為循環(huán)軟化;
1.2<σb / σs<1.4，材料比較穩定，無(wú)明顯循環(huán)硬化和軟化現象。
也可用應變硬化指數n來(lái)判斷循環(huán)應變對材料的影響，n<1軟化，n>1硬化。 退火狀態(tài)的塑性材料往往表現為循環(huán)硬化，加工硬化的材料表現為循環(huán)軟化。 循環(huán)硬化和軟化與位錯的運動(dòng)有關(guān)：
退火軟金屬中，位錯產(chǎn)生交互作用，運動(dòng)阻力增大而硬化。
冷加工后的金屬中，有位錯纏結，在循環(huán)應力下破壞，阻力變小而軟化。
第六章 金屬的應力腐蝕和氫脆斷裂
一、名詞解釋
1、應力腐蝕：金屬在拉應力和特定的化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后所產(chǎn)生的
低應力脆斷現象。
2、氫脆：由于氫和應力共同作用而導致的金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現象。
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，這種現象稱(chēng)氫化物致脆。
5、氫致延滯斷裂：這種由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現象稱(chēng)為氫致延滯斷裂。
二、說(shuō)明下列力學(xué)性能指標的意義
1、σscc：材料不發(fā)生應力腐蝕的臨界應力。
2、KIscc：應力腐蝕臨界應力場(chǎng)強度因子。
3、da/dt：盈利腐蝕列紋擴展速率。
第七章 金屬的磨損與耐磨性
1.名詞解釋
磨損：機件表面相互接觸并產(chǎn)生相對運動(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、造成表面損傷的現象。
接觸疲勞：兩接觸面做滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦時(shí)，在交變接觸壓應力長(cháng)期作用下，材料表面因疲勞損傷，導致局部區域產(chǎn)生小片金屬剝落而使材料損失的現象。
3.粘著(zhù)磨損產(chǎn)生的條件、機理及其防止措施
----- 又稱(chēng)為咬合磨損，在滑動(dòng)摩擦條件下，摩擦副相對滑動(dòng)速度較小，因缺乏潤滑油，摩擦副表面無(wú)氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應力超過(guò)實(shí)際接觸點(diǎn)處屈服強度而產(chǎn)生的1種磨損。
磨損機理：
實(shí)際接觸點(diǎn)局部應力引起塑性變形，使兩接觸面的原子產(chǎn)生粘著(zhù)。
粘著(zhù)點(diǎn)從軟的一方被剪斷轉移到硬的一方金屬表面，隨后脫落形成磨屑
舊的粘著(zhù)點(diǎn)剪斷后，新的粘著(zhù)點(diǎn)產(chǎn)生，隨后也被剪斷、轉移。如此重復，形成磨損過(guò)程。
改善粘著(zhù)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(zhù)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(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(zhù)磨損。
4.其他途徑
改善潤滑條件，降低表面粗糙度，提高氧化膜與機體結合力都能降低粘著(zhù)磨損。
第八章 金屬高溫力學(xué)性能
蠕變：在長(cháng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現象。 等強溫度(TE)：晶粒強度與晶界強度相等的溫度。
蠕變極限：在高溫長(cháng)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。標與常溫下的屈服強度相似。
持久強度極限：在高溫長(cháng)時(shí)載荷作用下的斷裂強度---持久強度極限。