《工程材料力学性能》课后答案(2)

二、疲劳断口有什么特点? 答案：有疲劳源。在形成疲劳裂纹之后，裂纹慢速扩展，形成贝壳状或海滩状条纹。这种条纹开始

KI?KIC时比较密集，以后间距逐渐增大。由于载荷的间断或载荷大小的改变，裂纹经过多次张开闭合并由于裂纹表面的相互摩擦，形

成一条条光亮的弧线，叫做疲劳裂纹前沿线，这个区域通常称为疲劳裂纹扩展区，而最后断裂区则和静载下带尖锐缺口试样的断口相似。对于塑性材料，断口为纤维状，对于脆性材料，则为结晶状断口。总之，一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。三、什么是疲劳裂纹门槛值，哪些因素影响其值的大小?答案：把裂纹扩展的每一微小过程看成是裂纹体小区域的断裂过程，则设想应力强度因子幅度△K=Kmax-Kmin是疲劳裂纹扩展的控制因子，当△K小于某临界值△Kth时，疲劳裂纹不扩展，所以△Kth叫疲劳裂纹扩展的门槛值。 应力比、显微组织、环境及试样的尺寸等因素对△Kth的影响很大。 KI称为I型裂纹的应力场强度因子，它是衡量裂纹顶端应力场强烈程度的函数，决定于应力水平、裂纹尺寸和形状。塑性区尺寸较裂纹尺寸a及静截面尺寸为小时（小一个数量级以上），即在所谓的小范围屈服裂纹的应力场强度因子与其断裂韧度相比较，若裂纹要失稳扩展脆断，则应有：这就是断裂K判据。应力强度因子K1是描写裂纹尖端应力场强弱程度的复合力学参量，可将它看作推动裂纹扩展的动力。对于受载的裂纹体，当K1增大到某一临界值时，裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致断裂。这一临界值便称为断裂韧度Kc或K1c。意义：KC平面应力断裂韧度（薄板受力状态）KIC平面应变断裂韧度（厚板受力状态）16.有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探伤发现有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σ/σ0.2的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否休要修正 因为σ/σ0.2=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：

K 1 ? 0 . ( ?= /?177 （MPa*m1/2）

I???as)2?9000.01?2?168.131?0.177(0.75)?KI???塑性区宽度为： R 0 ? =0.004417937(m)= 2.21(mm)比较K1与KIc：因为K1=168.13（MPa*m1/2）KIc=115???22??s?1（MPa*m1/2）所以：K1>KIc ，裂纹会失稳扩展 , 所以该件不安全。17.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σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂纹断裂韧度KIC不需

2要修正对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：KIC=Yσcac1/2对于表面半椭圆裂纹，Y=1.1

?/θ=1.1

?所以，

KIC=Yσcac1/2=1.1第五章 材料的疲劳

??150?25?10?3=46.229（MPa*m1/2）

三、如何判断某一零件的破坏是由应力腐蚀引起的?答案：应力腐蚀引起的破坏，常有以下特点： 1、造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一舶是拉伸应力。 2、应力腐蚀造成的破坏，是腕性断裂，没有明显的塑性变形。3、只有在特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成应力腐蚀。4、应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9一10-6m/s，有点象疲劳，

是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂。5、应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴。 6、应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物，而疲劳断口的表面，如果是新鲜断口常常较光滑，有光泽。 7、应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但不要形成绝对化的概念，应力腐蚀裂纹并不总是分技的。8、应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是晶间断裂。如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。四、如何识别氢脆与应力腐蚀？ 答案：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、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。疲劳缺口敏感度：金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性用疲劳缺口敏感度qf来评定 qf=（Kf-1)/(kt-1) Kt为理论应力集中系数，kf为疲劳缺口系数。kf为光滑试样与缺口试样疲劳极限之比kf =ζ-1/ζ-1N过载损伤界；抗疲劳过载损伤的能力用过载损伤界表示。疲劳门槛值：△Kth是疲劳裂纹不扩展的△ K（应力强度因子范围临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能。9.试述疲劳微观断口的特征及其形成过程。微观形貌有疲劳条带。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)，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，裂纹尖端又由钝便锐。

13.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。14.试述低周疲劳的规律及曼森-柯芬关系。低周疲劳的应变-寿命曲线如图5-34，曼森-柯芬等分析了低周疲劳的实验结果，提出了低周疲劳寿命的公式：

??t2???e2???p2??'fE(2Nf)??f(2Nf)b'c请结合该公式，分析图5-34的变化规律，指出低周疲劳和高周疲劳的什么起主导作用，选材时应分别以什么性能为主答：低周疲劳寿命的公式由弹性应变和塑性应变两部分对应的寿命公式组成，其对应的公式分别为：

??e2??'fE(2Nf)b

??p2??f(2Nf)'c将以上两公式两边分别取对数，在对数坐标上，上两公式就变成了两条直线，分别代表弹性应变幅-寿命线和塑性应变幅-寿命线。两条直线斜率不同，其交点对应的寿命称为过渡寿命。在交点左侧，即低周疲劳范围内，塑性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由塑性控制；在高周疲劳区，弹性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由强度控制。选材时，高周疲劳主要考虑强度，低周疲劳考虑塑性。

第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂

三、如何提高材料或零件的抗粘着磨损能力?答案： 1、注意一对摩擦副的配对。不要用淬硬钢与软钢配对；不要用软金属与软

金属配对。2、金属间互溶程度越小，晶体结构不同，原子尺寸差别较大，形成化合物倾向较大的金属，构成摩擦副时粘着磨损就较轻微。 3、通过表面化学热处理，如渗硫、硫氮共镕、磷化、软氮化等热处理工艺，使表面生成一化合物薄膜，或为硫化物，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系数减小，起到减磨作用也减小粘着磨损。4、改善润滑条件。四、在什么条件下发生微动磨损?如何减少微动磨损? 答案：微动磨损通常发生在一对紧配合的零件，在载荷和一定的振动频率作用下，较长时间后会产生松动，这种松动只是微米级的相对滑动，而微小的相对滑动导致了接触金属间的粘着，随后是粘看点的剪切，粘着物脱落。在大气环境下这些脱落物被氧化成氧化物磨屑，由于两摩擦表面的紧密配合，磨屑不易排出，这些磨屑起着磨料的作用，加速了微动磨损的过程。滚压、喷九和表面化学热处理都可因为表层产生压应力，能有效地减少微动磨损。6.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。 第七章

3.粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施----- 又称为咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦副相对滑动速度较小，因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。磨损机理：实际接触点局部应力引起塑性变形，使两接触面的原子产生粘着。粘着点从软的一方被剪断转移到硬的一方金属表面，随后脱落形成磨屑 旧的粘着点剪断后，新的粘着点产生，随后也被剪断、转移。如此重复，形成磨损过程。改善粘着磨损耐磨性的措施1.选择合适的摩擦副配对材料选择原则：配对材料的粘着倾向小互溶性小表面易形成化合物的材料 金属与非金属配对2.采用表面化学热处理改变材料表面状态进行渗硫、磷化、碳氮共渗等在表面形成一层化合物或非金属层，即避免摩擦副直接接触又减小摩擦因素。3.控制摩擦滑动速度和接触压力减小滑动速度和接触压力能有效降低粘着磨损。4.其他途径改善润滑条件，降低表面粗糙度，提高氧化膜与机体结合力都能降低粘着磨损。影响接触疲劳寿命的因素？

内因1.非金属夹杂物脆性非金属夹杂物对疲劳强度有害适量的塑性非金属夹杂物（硫化物）能提高接触疲劳强度

塑性硫化物随基体一起塑性变形，当硫化物把脆性夹杂物包住形成共生夹杂物时，可以降低脆性夹杂物的不良影响。生产上尽可能减少钢中非金属夹杂物。2.热处理组织状态接触疲劳强度主要取决于材料的抗剪切强度，并有一定的韧性相配合。当马氏体含碳量在0.4~0.5w%时，接触疲劳寿命最高。马氏体和残余奥氏体的级别残余奥氏体越多，马氏体针越粗大，越容易产生微裂纹，疲劳强度低。未溶碳化物和带状碳化物越多，接触疲劳寿命越低。3.表面硬度和心部硬度在一定硬度范围内，接触疲劳强度随硬度的升高而增加，但并不保持正比线性关系。表面形成一层极薄的残余奥氏体层，因表面产生微量塑性变形和磨损，增加了接触面积，减小了应力集中，反而增加了接触疲劳寿命。渗碳件心部硬度太低，表层硬度梯度过大，易在过渡区内形成裂纹而产

生深层剥落。表面硬化层深度和残余内应力硬化深度要适中，残余压应力有利于提高疲劳寿命。外因1.表面粗糙度减少加工缺陷，降低表面粗糙度，提高接触精度，可以有效增加接触疲劳寿命。接触应力低，表面粗糙度对疲劳寿命影响较大接触应力高，表面粗糙度对疲劳寿命影响较小2.硬度匹配两个接触滚动体的硬度和装配质量等都应匹配适当。 第八章

蠕变极限的两种表达方式：1. 在规定温度(t)下，使试样在规定时间内产生的稳态蠕变速率(?)不超过规定值的最大应力（σt?）。ζ6001X10-5=60MPa表示温度为600℃，稳定蠕变速率为1X10-5%/h的蠕变极限为60MPa。2.在规定温度(t)下和实验时间(η)内，是试样产生的蠕变总伸长率(δ)不超过规定的最大值 σtδ/τ。ζ5001/105=100MPa，表示材料在500℃，105h后总的生产率位1%的蠕变极限为100MPa。持久强度极限的表达式在规定温度(t)下，达到规定的持续时间(η)而不发生断裂的最大应力（σtτ ）。ζ7001X103=30MPa表示温度为700℃、1000h的持续强度极限为30MPa。

四、影响金属高温力学性能的主要因素由蠕变断裂机理可知要降低蠕变速度提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速度；要提高断裂抗力，即提高持久强度，必须抑制晶界的滑动，也就是说要控制晶内和晶界的扩散过程。（一）合金化学成分的影响 耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。熔点愈高的金属自扩散愈慢层错能降低易形成扩展位错弥散相能强烈阻碍位错的滑移与攀移在基体金属中加入（高熔点、半径差距大）的铬、钼、钨、铌等元素形成固溶体 固溶强化 降低层错能，易形成扩展位错。 加入能形成弥散相的合金元素 弥散强化阻碍位错的滑移 加入增加晶界扩散激活能的元素（硼、稀土等）阻碍晶界滑动增大晶界裂纹面的表面能二）冶炼工艺的影响 减少钢中的夹杂物和某些缺陷 合金定向生长（减少横向晶界）（三）热处理工艺的影响对于珠光体耐热钢，一般用正火加回火。正火温度较高，促使碳化物较充分而均匀地溶入奥氏体 回火温度应高于使用温度100~150℃以上，以提高其在使用温度下的组织稳定性。对于奥氏体耐热钢，一般进行固溶处理和时效 获得适当的晶粒度 改善强化相的分布状态（四）晶粒度的影响 当使用温度低于等强温度时，细晶钢有较高的强度；当使用温度高于等强温度时，粗晶钢有较高的蠕变极限和持久强度极限。但晶粒太大会降低材料的塑性和韧度 晶粒度要均匀，否则在大小晶粒交界处易产生应力集中而形成裂纹。（高温下金属材料的韧脆变化有和特征？断裂路径变化有何变化？结合等强温度分析晶粒大小对金属材料高温力学性能的影响。）结合等强温度分析晶粒大小对金属材料高温力学性能（韧脆变化、断裂路径、蠕变极限和持久强度极限）的影响。韧脆变化：高温短时加载时，金属的塑性增加。高温长时加载时，塑性降低，缺口敏感度增加，呈现脆断现象。断裂路径变化：常温下的穿晶断裂转变为沿晶断裂。原因：温度升高时晶粒强度和晶界强度都降低，但晶界强度降低较快。等强温度（TE）：晶粒强度与晶界强度相等的温度

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