材料力学性能 课后答案（时海芳 任鑫）

第一章

1.解释下列名词 ①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。 ②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。 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。 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。 ⑤塑性：金属材料断 裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。 ⑥韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力

⑦加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时 ,由于晶粒发生滑移 , 出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现 象。 ⑧解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面 （即解理面）分离。

2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量） ； （2）ζ p（规定非比例伸长应力） 、ζ e（弹性极限） 、ζ s（屈服强度） 、ζ 0.2（屈服强度） ；（3）ζ b（抗拉强度） ； （4）n（加工硬化指数）; （5）δ （断后伸长率） 、ψ （断面收缩率）

4.常用的标准试样有 5 倍和10倍，其延伸率分别用δ 5 和δ 10 表示，说明为什么δ 5>δ 10。 答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的 比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。 5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的弹性比功不足引起的故障，可以通过热处理或合金化提高材料的弹性极限（或屈服极限），或者更换屈服强度更高的材料。

6.今有 45、40Cr、35CrMo 钢和灰铸铁几种材料，应选择哪种材料作为机床机身？为什么？ 答：应选择灰铸铁。因为灰铸铁循环韧性大，也是很好的消

振材料，所以常用它做机床和动力机器的底座、支架，以达到机器稳定运转的目的。刚性好不容易变形加工工艺朱造型好易 成型抗压性好耐磨损好成本低 7.什么是包申格效应？如何解释？它有什么实际意义？ 答： （1） 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，称为包申格效应。 （2）理论解释：首先，在原先加载变形时，位错源在滑移面 上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，背应力反作用于位错源，当背应力足够大 时，可使位错源停止开动。预变形时位错运动的方向和背应力方向相反，而当反向加载时位 错运动方向和背应力方向一致，背应力帮助位错运动，塑性变形容易了，于是，经过预变形 再反向加载，其屈服强度就降低了。（3）实际意义：在工程应用上，首先，材料加工成型工 艺需要考虑包申格效应。例如，大型精油输气管道管线的 UOE 制造工艺：U 阶段是将原始 板材冲压弯曲成 U 形，O 阶段是将 U 形板材径向压缩成 O 形，再进行周边焊接，最后将管 子内径进行扩展，达到给定大小，即 E 阶段。按 UOE 工艺制造的管子，希望材料具有非常小的或者几乎没有包申格效应，以免管子成型后强度的损失。其次，包申格效应大的材料， 内应力大。例如，铁素体+马氏体的双相钢对氢脆就比较敏感，而普通低碳钢或低合金高强度钢对氢脆不敏感，这是因为双相钢中铁素体周围有高密度位错和内应力， 氢原子与长程内应力交互作用导致氢脆。 包申格效应和材料的疲劳强度也有密切关系。

8.产生颈缩的应力条件是什么？要抑制颈缩的发生有哪些方法？ 答：当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩。措施：提高加工硬化指数。 10.试用位错理论解释：粗晶粒不仅屈服强度低，断裂塑性野地；而细晶粒不仅使材料的屈 服强度提高，断裂塑性也提高。 答：主要是因为晶粒细化之后，与粗晶粒相比，晶粒取向更为均匀，从而避免了过早出现应 力集中引起的开裂，提高了韧性。

11.韧性断口由几部分组成？其形成过程如何 答：由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成。 第二章

1.解释下列名词：应力状态软性系数：材料最大切应力与最大正应力的比值，记为α 。 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。 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。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。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。 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。 缺口效应：缺口材料在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生的变化。 缺口敏感度：金属材料的缺口敏感性指标，用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值表示。

2.说明下列性能指标的意义： ζ bc（材料的抗压强度） ； （2）ζ bb（材料的抗弯强度） ； （3） η s（材料的扭转屈服点） ； （4） η s（抗扭强度） ； （5）η p（扭转比例极限） ； （6）ζ bn（抗拉强度） ； （7）HBS（压头为淬 火钢球的材料的布氏硬度） ； （8）HBW：压头为硬质合金球的材料的布氏硬度； （9）HRA （材料的洛氏硬度） ；HRB（材料的洛氏硬度） ；HRC（材料的洛氏硬度） ； （10）HV（材料 的维氏硬度） ； （11）HK（材料的努氏硬度） ； （12）HS（材料的肖氏硬度） ； （13）K（理论 应力集中系数） ； （14）NSR（缺口敏感度）

3.今有如下零件和材料等需测定硬度，试说明选用何种硬度试验方法为宜： （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

4.说明几何强化现象的成因，并说明其本质与形变强化有何不同。 6.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。 拉伸： 特

点：温度、应力状态和加载速率确定，采用光滑圆柱试样，试验简单，应力状态 软性系数较硬。 应用范围：塑性变形抗力和切断强度较低的塑性材料。 压缩：特点：应力状态软，一般都能产生塑性变形，试样常沿与轴线呈 45°方向产生断裂，具有切断特征。应用范围：脆性材料，以观察脆性材料在韧性状态下所表现的力学行为。 弯曲：特点：弯曲试样形状简单，操作方便；不存在拉伸试验时试样轴线与力偏斜问题，没有附加应 力影响试验结果，可用试样弯曲挠度显示材料的塑性；弯曲试样表面应力最大，可灵敏地反映材料表面缺陷。应用范围：测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性

的差别。也常用于比较和鉴别渗碳和表面淬火等化学热处理机件的质量和性能。扭转：特点：应力状态软性系数为 0.8，比拉伸时大，易于显示金属的塑性行为；试样在整个长度上的塑性变形时均匀，没有紧缩现象，能实现大塑性变形量下的试验；较能敏感地 反映出金属表面缺陷和及表面硬化层的性能； 试样所承受的最大正应力与最大切应力大体相等。应用范围：用来研究金属在热加工条件下的流变性能和断裂性能，评定材料的热压力加工型，并未确定生产条件下的热加工工艺参数提供依据；研究或检验热处理工件的表面质量和各种表面强化工艺的效果。

7、 第三章

1.缺口会引起哪些力学响应？ 答：材料截面上缺口的存在，使得在缺口的根部产

生应力集中、双向或三向应力、应力集中 和应变集中，并试样的屈服强度升高，塑性降低。

2.比较平面应力和平面应变的概念。 答：平面应力：只在平面内有应力，与该面

垂直方向的应力可忽略，例如薄板拉压问题。平 面应变：只在平面内有应变，与该面垂直方向的应变可忽略，例如水坝侧向水压问题。具体 说来：平面应力是指所有的应力都在一个平面内，如果平面是 OXY 平面，那么只有正应力 ζ x，ζ y，剪应力η xy(它们都在一个平面内)，没有ζ z，η yz，η zx。平面应变是指所有的 应变都在一个平面内，同样如果平面是 OXY 平面，则只有正应变ε x，ε y 和剪应变γ xy， 而没有ε z，γ yz，γ zx。

3.如何评定材料的缺口敏感性： 答：材料的缺口敏感性，可通过缺口静拉伸、偏斜

拉伸、静弯曲、冲击等方法加以评定。

简述根据韧脆转变温度分析机件脆断失效的优缺点。

缺点：脆性断裂一般断裂时间较短，突发性的断裂，因此在使用时一旦超过屈服强度就会很快断裂 优点：脆性断裂在常温下表现为脆性，因此材料的变形随温度降低时变化不大，这样在交变温度 的使用环境下，就不需要考虑材料的冷脆温度

7.何谓低温脆性？哪些材料易表现出低温脆性？工程上，有哪些方法评定材料低温脆性？ 答：在低温下，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象称为低温脆性。只

有以体心立方金属 为基的冷脆金属才具有明显的低温脆性，如中低强度钢和锌等。而面心立方金属，如铝等， 没有明显的低温脆性。工程上常采用低温脆性通常用脆性转变温度，能量准则，断口形貌准 则，断口变形特征准则评定。

8.说明为什么焊接船只比铆接船只易发生脆性破坏？ 答：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。

10.细化晶粒尺寸可以降低脆性转变温度或者说改善材料低温韧性，为什么？ 答：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界增多有利于降低应力集中，降低晶界上杂质度，避

免产生沿晶界脆性断裂。所以可以提高材料的韧性。

第四章 1.解释下列名词： （1）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； （2）I 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，沿裂纹面扩展的裂纹。 （3）应力强度因子 KI：在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外， 尚与强度因子有关，对于某一确定的点，其应力分量由确定，越大，则应力场各点应力分量也越大，这样就可以表示应力场的强弱程度，称为应力场强度因子。 “I”表示 I 型裂纹。 （4） 裂纹扩展 K 判据：裂纹在受力时只要满足，就会发生脆性断裂反之，即使存在裂纹，若也不会断裂。 （5）裂纹扩展 G 判据：GI>=GIC，当ＧＩ满足上述条件时裂纹失稳扩展断裂。 （6）J 积分：有两种定义或表达式：一是线积分：二是形变功率差。P149 （7）裂纹扩展 J 判据：只要满足JI>=JIC，裂纹（或构件）就会断裂。 （8）COD：裂纹张开位移。（9）COD 判据：当满足，裂纹开始扩展。

2、说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系

K?C和KC

答： 临界或失稳状态的K?记作K?C或KC，K?C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，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。

它们都是?型裂纹的材料裂纹韧性指标，但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

K?C，它与试样厚度无关，而是真正的材料常数。

G?C 答：当G?增加到某一临界值时，G?能克服裂纹失稳扩展的阻力，则裂纹失稳扩展

断裂。将G?的临界值记作G?c，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G?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。

?c：是材料的断裂韧度，表示材料阻止裂纹开始扩展的能力.

Ｊ判据和?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。

4、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。

5、试述应力场强度因子的意义及典型裂纹K?的表达式

答：P121 几种裂纹的K?表达式，无限大板穿透裂纹：K????a；有限宽板穿透裂纹：

aaK????af()；有限宽板单边直裂纹：K????af()当b?a时，K??1.2??a；

bb受弯单边裂纹梁：K??6Maf()；无限大物体内部有椭圆片裂纹，远处受均匀拉伸：3/2(b?a)bK????a?a2(sin??2cos2?)1/4；无限大物体表面有半椭圆裂纹，远处均受拉伸：A点

c2的K??1.1??a。 ?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。

11 ＣＯＤ的意义：表示裂纹张开位移。表达式??13试述KIC与材料强度 塑形之间的关系

总的来说，断裂韧度随韧度随强度的升高而降低

8?sa??lnsec()。 ?E2?s

19. 若一薄板内有一条长3mm的裂纹，且a0=3×10-8mm，试求脆性断裂时断裂应力σc

（设σm=E/10=2×105MPa）。

解：由公式ζm/ζc=(a/a0)1/2，a为ζc对应的裂纹半长度，即a=1.5mm，ζc=28.2845MPa 注：参考，原题可能有误。

21.有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探伤发现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ζ=900MPa

根据ζ/ζ0.2的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否休要修正

因为ζ/ζ0.2=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：

??a9000.01?K???168.13 I 2 = 21?0.177(?/?s)1?0.177(0.75)

（MPa*m1/2）

1?KI???R0??塑性区宽度为： 2 2 ? ? ? s ?? =0.004417937(m)= 2.21(mm)

比较K1与KIc：

因为K1=168.13（MPa*m1/2） KIc=115（MPa*m1/2）

所以：KI>KIc ，裂纹会失稳扩展 , 所以该件不安全。

注：书上原题为：有一大型板件，材料的R0.2=1200Mpa，

22.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ζ/ζ0.2=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=Yζcac1/2 对于表面半椭圆裂纹，Y=1.1所以，KIC=Yζcac1/2=1.1

2?/θ=1.1?

??150?25?10?3=46.229（MPa*m1/2）

注：书上原题为：测试材料的R0.2=720MPa。

23.有一构件制造时,出现表面半椭圆裂纹,若a= 1mm,在工作应力σ=1000MPa下工作,应该选什么材料的σ0.2与KIC配合比较合适?构件材料经不同热处理后,其σ0.2和KIC的变化列于下表.

σ0.2/MPa 1100 1200 1300 1400 1500 KIC/MPa·m1/2 110 95 75 60 55

第五章 金属的疲劳

1.名词解释; 1、疲劳失效：疲劳失效是一种材料在远低于正常强度情况下的往复交替和周期循环应力下，产生逐渐扩展的脆性裂纹，导致最终断裂的倾向。

2、疲劳极限：材料在受到随时间而交替变化的荷载作用时，所产生的应力也会随时间作用交替变化，这种交变应力超过某一极限强度而且长期反复作用即会导致材料的破坏，这个极限称为材料的疲劳极限。

3、应力幅ζa: ζa=1/2(ζmax-ζmin) 4、平均应力ζm： ζm=1/2(ζmax+ζmin) 5、应力比r: r=ζmin/ζmax 6、应力范围?ζ： 7、应变范围?ε：

8、应变幅（?εt/2,?εe/2,?εp/2）:

9、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。 10、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弧状台阶痕迹。 11、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，称为疲劳条带（疲劳辉纹，疲劳条纹）

12、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，当对式样重新循环加载时，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。 13、挤出脊和侵入沟：在拉应力作用下，位错源被激活，使其增殖的位错滑移到表面，形成滑移台阶，应力不断循环，多个位错源引起交互滑移，形成“挤出”和“侵入”的台阶 14、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是由应力范围Δζ和a复合为应力强度因子范围，ΔK=Kmax-Kmin=Yζmax√a-Yζmin√a=YΔζ√a

15、da/dN:疲劳裂纹扩展速率，即每循环一次裂纹扩展的距离。 16、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环

次数

17、热疲劳：机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下的疲劳。

18、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，就造成了过载损伤。

19、银纹：银纹现象是聚合物在张应力作用下，于材料某些薄弱部位出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向，以至在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为100μm、宽度为10μm左右、厚度为1μm的微细凹槽或“裂纹”的现象。

20、静态疲劳：在持续载荷作用下，发生应力断裂破坏的统计平均最小时间。 21、循环疲劳：

2．揭示下列疲劳性能指标的意义

疲劳强度ζ-1，ζ-p,η-1,ζ-1N, ?Kth

ζ-1: 对称应力循环作用下的弯曲疲劳极限； ζ-p:对称拉压疲劳极限； η-1:对称扭转疲劳极限；

ζ-1N:缺口试样在对称应力循环作用下的疲劳极限。

qf ：疲劳缺口敏感度：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=(ζ-1)/(ζ-1N)

?Kth：疲劳门槛值：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

（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 4.试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程

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。

5.试述疲劳曲线（S-N）及疲劳极限的测试方法

升降法测试疲劳极限；取略高于疲劳极限的5级应力水平，从最高应力水平测试，当试样通过时，增加一级应力水平，不通过时降低一级应力水平，出现至少13个有效试样时求的材料的疲劳极限成组法测试高应力部分；去4级较高应力水平，在每级应力水平下测试5个试样，得到每个应力水平的N值，两种结构整理并拟合成S-N曲线 6．试述疲劳图的意义、建立及用途。

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。 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、?a??m疲劳图

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

1?a2(?max??min)1?r其几何关系为：tan?? ??1?m(?max??min)1?r2（用途）：我们知道应力比r，将其代入试中，即可求得tan?和?，而后从坐标原点O引直线，令其与横坐标的夹角等于?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?rB，?rB??aB??mB。

2、?max(?min)??m疲劳图

建立：这种图的纵坐标以?max或?min表示，横坐标以?m表示。然后将不同应力比r下的疲劳极限，分别以?max(?min)和?m表示于上述坐标系中，就形成这种疲劳图。几何关系为：

tan???max2?max2 ???m?max??min1?r（用途）：我们只要知道应力比r,就可代入上试求得tan?和?，而后从坐标原点O引一直线OH，令其与横坐标的夹角等于?，该直线与曲线AHC相交的交点H的纵坐标即为疲劳极限。

7.试述疲劳裂纹的形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法。

答:宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成的。疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要有表面滑移开裂，第二相、夹夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界开裂等。阻止疲劳裂纹萌生方法有：细晶强化、固溶强化，降低第二相和夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布，使晶界强化，净化均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳强度 8．试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素。

dac(?K)n答：1、应力比r（或平均应力?m）的影响：Forman提出 ?dN(1?r)Kc??K残余压应力因会减小r,使使

da降低和?Kth升高，对疲劳寿命有利；而残余拉应力因会增大r，dNda升高和?Kth降低，对疲劳寿命不利。 dN2、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?Kth值越高，

da越低，对疲劳寿命越有利。 dN②组织：钢的含碳量越低，铁素体含量越多时，其?Kth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?Kth，降低喷丸强化也能提高?Kth。

9．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喷丸处理：dN

10.试述疲劳裂纹扩展寿命和剩余寿命的估算方法及步骤。

答：通过疲劳裂纹扩展速率表达式，用积分方法算出疲劳裂纹扩展寿命和疲劳剩余寿命；具体步骤如下：计算KI，再计算裂纹临界尺寸ac，最后根据有关公式估算疲劳寿命 11、试述金属表面强化对疲劳强度的影响。 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。

12.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ζb / ζs有关： ζb / ζs>1.4，表现为循环硬化；

ζb / ζs<1.2，表现为循环软化；1.2<ζb / ζs<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。 19.

20题：两幅图都行

21．有板件在脉动载荷下工作，σmax=200MPa,σmin=0, 该材料的σb=670MPa,

σ0.2=600MPa, KIc=104MPa· m1/2, Paris公式中，C=6.9×10-12,n=3.0，使用中发现有 0.1mm和1mm两处横向穿透裂纹，请估算板件的疲劳剩余寿命？（2.69×105循环周次）解：只需要计算1mm裂纹就可以

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、腐蚀疲劳：当金属受到酸碱的腐蚀，一些部位的应力就比其他部位高得多，加速裂缝的形成，这叫“腐蚀疲劳”。

4、氢蚀：氢蚀指的是在高温高压环境下，氢进入金属内与一种组分或元素产生化学反应使金属破坏。

5、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。

6、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。

7、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、ζscc：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、KI HEC:

4、da/dt：盈利腐蚀列纹扩展速率。

4．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。 5．为什么高强度材料容易产生应力腐蚀和氢脆？

氢脆和应力腐蚀的形成，都有一个必要条件，就是应力。从氢致断裂的形成机理来说，都是在外应力的作用下，渗入基材内的氢原子，在应力梯度作用下，向应力集中的位置偏聚集，形成微裂纹，当微裂纹继续扩展，原本具有韧性的材料就会发生脆性断裂。氢脆和应力腐蚀断裂的机理相同，只是氢的来源不同。

之所以是高强度的材料，一个重要的原因就是应为它们在工作中，需要承受较大的应力。 6.分析应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt与K1关系曲线，并与疲劳裂纹扩展速率曲线进行比较

前者的第一和第三阶段的速率随K的变化非常快，后者相对较慢。第二阶段前者几乎是平行的，后者比较平稳但是速率还是会随着 k的变法而变化

8.何谓氢致延滞断裂？为什么高强度钢的氢致延滞断裂是在一定的应变速率下和一定的温度范围内出现？

答：高强度钢中固溶一定量的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，金属内部形成裂纹，发生断裂。----氢致延滞断裂。

因为氢致延滞断裂的机理主要是氢固溶于金属晶格中，产生晶格膨胀畸变，与刃位错交互作用，氢易迁移到位错拉应力处，形成氢气团。

当应变速率较低而温度较高时，氢气团能跟得上位错运动，但滞后位错一定距离。因此，气团对位错起“钉扎”作用，产生局部硬化。当位错运动受阻，产生位错塞积，氢气团易于在塞积处聚集，产生应力集中，导致微裂纹。

若应变速率过高以及温度低的情况下，氢气团不能跟上位错运动，便不能产生“钉扎”作用，也不可能在位错塞积处聚集，产生应力集中，导致微裂纹。

所以氢致延滞断裂是在一定的应变速率下和一定的温度范围内出现的。 试述区别高强度钢的应力腐蚀与氢致延滞断裂的方法

应力腐蚀断裂具有腐蚀产物和氧化现象，故常呈黑色和灰黑色。并且常有分叉现象，呈枯树枝状。氢致延滞断裂没有这些现象。

第七章 金属的磨损与耐磨性

1.名词解释

1、等强温度（TE）：晶粒强度与晶界强度相等的温度。

2、约比温度：T/Tm，T为实验温度，Tm为金属熔点，都用热力学温度表示。 3、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。

4、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。

5、持久塑性：持久塑性是指材料在一定温度及恒定试验力作用下的塑性变形。用蠕变断裂后试样的延伸率和断面收缩率表示。

6、蠕变脆性：由于蠕变而导致材料塑性降低以及在蠕变过程中发生的低应力蠕变断裂的现象。

7、应力松弛：是在总应变保持不变时材料内部的应力随时间自行降低的现象。

8、松弛稳定性：P233 材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。材料抵抗应力松弛的能力称为松弛稳定性。

9、过渡蠕变：应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。 （它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。） 10、稳态蠕变：蠕变速率几乎保持不变的蠕变。 11、晶界滑动蠕变：

12、扩散蠕变：在高温条件下，晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则朝相反方 向流动，致使晶体逐渐产生伸长的蠕变。 2.说明下列力学性能指标的意义。 （1）P229 (2)P229 (3)P231

3、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?造成这种差别的原因何在？

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。

4.试说明高温下金属蠕变变形的机理与常温下金属塑性变形的机理有何不同？

答：常温下金属塑性变形主要是通过位错滑移和孪晶进行的，以位错滑移为主要机制。当滑移面上的位错运动受阻产生塞积时，必须在更大的切应力作用下才能使位错重新运动和增值，宏观变现为加工硬化现象，或对于螺型位错，采用交滑移改变滑移面来实现位错继续运动。而当高温下金属蠕变变形主要通过位错滑移，原子扩散等机理进行。1，当滑移面上的位错运动受阻产生塞积时，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服短程阻碍。主要是通过刃型位错的攀移来实现。2，此外，在高温下大量原子和空位定向移动，即在两端拉应力作用下，晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则朝相反方向流动致使晶

体伸长产生蠕变，即扩散蠕变。总之，在高温条件下，金属塑性变形仍得以继续进行，即高温蠕动变形。

5.试述金属蠕变断裂的裂纹形成机理与常温下金属断裂的裂纹形成机理有何不同。 答：蠕变变形是通过位错滑移、位错攀移等方式实现的。

在常温下，若滑移面上位错运动受阻，产生塞积现象，滑移便不能进行。

在高温蠕变条件下，由于热激活，就有可能使滑移面上塞积的位错进行攀移，形成小角度亚晶界（此即高温回复阶段的多边化），从而导致金属材料的软化，使滑移继续进行。

在高温蠕变条件下，由于晶界强度降低，其变形量就大，有时甚至占总蠕变变形量的一半，这是蠕变变形的特点之一。

6.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。 7.应力松弛和蠕变有何关系？

首先分清定义.高温蠕变是指金属在高温和应力同时作用下,应力保持不变,其非弹性变形量随时间的延长而缓慢增加的现象.高温、应力和时间是蠕变发生的三要素.应力越大,温度越高,且在高温下停留时间越长则蠕变越甚.应力松弛是指在高温下工作的金属构件,在总变形量不变的条件下其弹性变形随时间的延长不断转变成非弹性变形,从而引起金属中应力逐渐下降并趋于一个稳定值的现象.异同：蠕变和应力松弛二者实质是相同的,都是材料在高温下随时间发生的非弹性变形的积累过程.所不同的是应力松弛是在总变形量一定的特定条件下一部分弹性变形转变为非弹性变形；而蠕变则是在恒定应力长期作用下直接产生非弹性变形.。 8.答案在236页

9. 什么是聚合物的黏弹性？为什么多数聚合物在室温下就会产生明显的蠕变现象？聚合物的蠕变抗力怎样度量？ P236-P240

10.提高陶瓷抗热震性的主要措施有哪些？ P242 最下面：（1）提高材料强度ζ，减小弹性模量E，使ζ/E提高。 （2）减小材料的线胀系数α。（3）提高材料的热导率λ。

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