材料力学性能 课后答案 (时海芳 任鑫)(3)

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。

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