中原工学院材料性能学

中 原 工 学 院 材 料 与 化 工 学 院材料性能学 材 控 专 业 课 后 习 题 第 一 章 材 料 在 单 向 拉 伸 时 的 力 学 性 能1-1名 词 解 释1.弹 性 比 功 ： 材 料 在 弹 性 变 形 过 程 中 吸 收 变 形 功 的 能 力 。2.包 申 格 效 应 ： 金 属 材 料 经 预 先 加 载 产 生 少 量 塑 性 变 形 ， 而 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 。 其 来 源 于 金 属 材 料 中 的 位 错 运 动 所 受 阻力 的 变 化 。 可 通 过 热 处 理 （ 再 结 晶 退 火 ） 消 除 。3.塑 性 ： 材 料 断 裂 前 产 生 塑 性 变 形 的 能 力4.韧 性 ： 材 料 变 形 时 吸 收 变 形 力 的 能 力5.脆 性 断 裂 (弹 性 断 裂 )： 材 料 断 裂 前 不 发 生 塑 性 变 形 ， 而 裂 纹 的 扩 展 速 度 往 往 很 快 。 断 口 呈现 与 正 应 力 垂 直 ， 宏 观 上 比 较 齐 平 光 亮 ， 为 放 射 状 或 结 晶 状 。6.韧 性 断 裂 （ 延 性 断 裂 或 者 塑 性 断 裂 ） ： 材 料 断 裂 前 及 断 裂 过 程 中 产 生 明 显 塑 性 变 形 的 断 裂过 程 。 断 口 呈 现 暗 灰 色 、 纤 维 状 。7.剪 切 断 裂 ： 材 料 在 切 应 力 作 用 下 沿 滑 移 面 分 离 而 造 成 断 裂 。 断 口 呈 现 锋 利 的 楔 形 或 微 孔 聚集 型 ， 即 出 现 大 量 韧 窝 。8.河 流 花 样 ： 解 理 裂 缝 相 交 处 会 形 成 台 阶 ， 呈 现 出 形 似 地 球 上 的 河 流 状 形 貌9.解 理 台 阶 ： 解 理 裂 纹 的 扩 展 往 往 是 沿 晶 面 指 数 相 同 的 一 族 相 互 平 行 ， 但 位 于 “ 不 同 高 度 ”的 晶 面 进 行 的 。 不 同 高 度 的 解 理 面 存 在 台 阶 。10.韧 窝 ： 通 过 孔 洞 形 核 、 长 大 和 连 接 而 导 致 韧 性 断 裂 的 断 口1-3材 料 的 弹 性 模 数 主 要 取 决 于 什 么 因 素 ？答 ： 影 响 弹 性 模 数 的 因 素 ： 键 合 方 式 和 原 子 结 构 、 晶 体 结 构 、 化 学 成 分 、 微 观 组 织 、 温 度 、加 载 条 件 和 负 荷 持 续 时 间1 -4 决 定 金 属 材 料 屈 服 强 度 的 主 要 因 素 有 哪 些 ？答 ： 1、 晶 体 结 构 ： 屈 服 是 位 错 运 动 ， 因 此 单 晶 体 理 论 屈 服 强 度 临 界 切 应 力2、 晶 界 和 亚 结 构 ： 晶 界 是 位 错 运 动 的 重 要 障 碍 ， 晶 界 越 多 ， 常 温 时 材 料 的 屈 服 强 度 增加 。 晶 粒 越 细 小 ， 亚 结 构 越 多 ， 位 错 运 动 受 阻 越 多 ， 屈 服 强 度 越 大 。3、 溶 质 元 素 ： 由 于 溶 质 原 子 与 溶 剂 原 子 直 径 不 同 ， 在 溶 质 原 子 周 围 形 成 晶 格 畸 变 应 力场 ， 其 与 位 错 应 力 场 相 互 作 用 ， 使 位 错 运 动 受 阻 ， 增 大 屈 服 强 度 。 固 溶 强 化 、 柯 氏 气 团 强 化 、沉 淀 强 化 、 时 效 强 化 、 弥 散 强 化4、 第 二 相 ： 弥 散 分 布 的 均 匀 细 小 的 第 二 相 有 利 于 提 高 屈 服 强 度5、 环 境 因 素 对 屈 服 强 度 的 影 响1） 温 度 的 影 响 :温 度 升 高 ， 屈 服 强 度 降 低 ， 但 变 化 趋 势 因 不 同 晶 格 类 型 而 异 。2） 加 载 速 度 (变 形 速 度 )的 影 响 :加 载 速 度 增 大 ， 金 属 的 强 度 增 高 ， 但 屈 服 强 度 的 增高 比 抗 拉 强 度 的 增 高 更 为 明 显3） 应 力 状 态 的 影 响 :不 同 加 载 方 式 下 ， 屈 服 强 度 不 同1-8、 金 属 材 料 的 应 变 硬 化 有 何 实 际 意 义 ？答 ： 1、 在 加 工 是 合 理 配 合 应 变 硬 化 和 塑 性 变 形 ， 可 使 金 属 进 行 均 匀 的 塑 性 变 形 ， 保 证 冷 变形 工 艺 的 顺 利 进 行2、 低 碳 钢 切 削 时 易 产 生 粘 刀 ， 表 面 质 量 差 ， 可 进 行 冷 变 形 降 低 塑 性 ， 改 善 切 削 加 工 性能 。 3、 在 材 料 应 用 方 面 ， 应 变 硬 化 可 使 金 属 机 件 具 有 一 定 的 抗 偶 然 过 载 能 力 。 保 证 机 件 使 用安 全 。4、 应 变 硬 化 也 是 强 化 金 属 的 重 要 手 段 ， 尤 其 是 对 那 些 不 能 进 行 热 处 理 强 化 的 材 料 。1-13、 何 谓 拉 伸 端 口 三 要 素 ？ 影 响 宏 观 拉 伸 断 口 的 性 态 因 素 ？答 ： 纤 维 区 放 射 区 剪 切 唇影 响 因 素 ： 试 样 形 状 、 尺 寸 和 金 属 材 料 的 性 能 以 及 实 验 温 度 ， 加 载 速 度 和 受 力 状 态 。1-14、 纯 铁 S=2J/m2,E=2*105MPa , 0=2.5*10-10m,求 理 论 断 裂 强 度 m答 ： 由 公 式 m=(E* S/ 0)1/2得 ： m=(2*105*106*2/2.5*10-10)1/2=4.0*1010Pa=4.0*104MPa1-15、 一 薄 板 内 有 一 条 长 3mm 的 裂 纹 ， 且 0=3*10-8mm.求 脆 性 断 裂 应 力 C（ 设 m=E/10=2*105MPa）答 ： 由 m/ c=( / 0)1/2 解 得 ： C=28.29MPa1-16、 一 材 料 E=2*1011 N/m2, S =8N/m试 计 算 在 7*107N/m2的 拉 应 力 下 材 料 的 临 界 裂 纹 长度 。答 ： 当 C=7*107N/m2时 ， 因 为 aC=E* S/ac2,解 得 aC=0.33mm临 界 裂 纹 长 度 a=2*aC=0.33*2=0.66mm1-18、 格 里 菲 斯 公 式 适 用 哪 些 范 围 及 在 什 么 情 况 下 需 要 修 正 ？答 ： 格 里 菲 斯 只 适 用 于 脆 性 固 体 如 玻 璃 、 无 机 晶 体 材 料 、 超 高 强 钢 。对 于 许 多 工 程 结 构 材 料 如 结 构 钢 、 高 分 子 材 料 、 裂 纹 尖 端 产 生 较 大 的 塑 性 变 形 ， 要 消 耗 大 量塑 性 变 形 功 ， 必 须 对 格 里 菲 斯 进 行 修 正 。1-19 屈 服 强 度 的 工 程 意 义 ？答 ： （ 1） 作 为 防 止 因 材 料 过 量 塑 性 变 形 而 导 致 机 件 失 效 的 设 计 和 选 材 依 据（ 2） 根 据 屈 服 强 度 与 抗 拉 强 度 之 比 的 大 小 ， 衡 量 材 料 进 一 步 产 生 塑 性 变 形 的 倾 向 ， 作为 金 属 材 料 冷 塑 性 变 形 加 工 和 确 定 机 件 缓 解 应 力 集 中 防 止 脆 断 的 参 考 依 据 。1-20.弹 性 极 限 ， 比 例 极 限 的 工 程 意 义答 ： 对 于 要 求 服 役 时 其 应 力 应 变 关 系 严 格 遵 守 线 性 关 系 的 机 件 ， 如 测 力 计 弹 簧 ， 是 依 靠 弹 性变 形 的 应 力 正 比 于 应 变 的 关 系 显 示 载 荷 大 小 的 ， 则 应 以 比 例 极 限 作 为 选 择 材 料 的 依 据 ， 对 于服 役 条 件 不 允 许 产 生 微 量 塑 性 变 形 的 机 件 ， 设 计 时 应 按 弹 性 极 限 来 选 择 材 料 。1-21.金 属 塑 性 的 工 程 意 义答 ： （ 1） 材 料 具 有 一 定 的 塑 性 ， 当 其 偶 然 过 载 时 ， 通 过 塑 性 变 形 和 应 变 硬 化 的 配 合 可 避 免 机件 发 生 突 然 破 坏（ 2） 材 料 具 有 一 定 的 塑 性 还 有 利 于 塑 性 加 工 和 修 复 工 艺 的 顺 利 进 行（ 3） 对 于 金 属 材 料 ， 其 塑 性 的 好 坏 是 评 定 材 料 冶 金 质 量 的 重 要 标 准 。1-22.包 申 格 效 应 的 产 生 原 理 ？答 ： 包 申 格 效 应 与 金 属 材 料 中 位 错 运 动 所 受 的 阻 力 变 化 有 关 。 金 属 受 载 产 生 少 量 塑 性 变 形 时 ，运 动 位 错 遇 林 位 错 而 弯 曲 受 阻 ， 并 形 成 位 错 缠 结 或 胞 状 组 织 ， 如 果 此 时 卸 载 并 随 即 同 向 加 载 ，在 原 先 加 载 的 应 力 水 平 下 ， 被 缠 结 的 位 错 不 能 做 显 著 运 动 ， 宏 观 上 表 现 为 规 定 残 余 伸 长 应 力增 加 。 如 果 卸 载 后 施 加 反 向 应 力 ， 位 错 反 向 运 动 时 前 方 林 位 错 一 类 的 障 碍 较 少 ， 因 此 在 较 低应 力 下 滑 移 较 大 距 离 ， 宏 观 上 表 现 为 规 定 残 余 伸 长 应 力 较 低 的 现 象 。1-23.多 晶 体 材 料 塑 性 变 形 的 特 点 ？答 ： （ 1） 各 晶 粒 变 形 的 不 同 时 性 和 不 均 匀 性（ 2） 各 晶 粒 变 形 的 相 互 协 调 性1-24.金 属 材 料 产 生 明 显 屈 服 的 条 件 ？答 ： 位 错 运 动 速 度 应 力 敏 感 指 数 m 值 越 低 ， 使 位 错 运 动 速 率 变 化 所 需 应 力 变 化 越 大 ， 屈 服现 象 就 越 明 显 ， m 小 于 20， 具 有 明 显 的 屈 服 现 象1-25.加 工 硬 化 指 数 的 几 个 特 点答 ： 金 属 材 料 的 n 值 的 大 小 ， 与 层 错 能 的 高 低 有 关 。 层 错 能 低 的 ， n 值 越 大 。 层 错 能 高 的 ，n 值 越 小 。 n 值 大 的 其 滑 移 变 形 的 特 征 为 平 坦 的 滑 移 带 ， n 值 小 的 材 料 表 现 为 波 纹 状 的 滑 移带 。 退 火 态 金 属 n 值 比 较 大 ， 冷 加 工 状 态 下 n 值 比 较 小 。 n与 材 料 的 屈 服 点 大 致 呈 反 比 关 系 。n值 也 随 溶 质 原 子 数 增 加 而 降 低 。 晶 粒 变 粗 n 值 增 加 。第 二 章 材 料 在 其 他 静 载 下 的 力 学 性 能2-1 名 词 解 释1） 应 力 状 态 软 性 系 数 。最 大 切 应 力 Tmax与 最 大 正 应 力 max的 比 值 = max/ max, 越 大 ， 最 大 切 应 力 分 量 越 大 ，表 示 应 力 状 态 越 软 ， 材 料 易 于 产 生 塑 性 变 形 ， 反 之 ， 越 小 ， 表 示 应 力 状 态 越 硬 ， 材 料 易 于产 生 脆 断 。2） 缺 口 效 应 。即 缺 口 三 效 应 ， 一 ， 缺 口 造 成 应 力 应 变 集 中 ， 二 ， 缺 口 改 变 了 前 方 的 应 力 应 变 状 态 ， 三 ， 缺口 强 化 现 象 。3） 缺 口 敏 感 度 。在 缺 口 试 样 拉 伸 试 验 中 ， 用 试 样 的 抗 拉 强 度 bn与 等 截 面 尺 寸 的 光 滑 试 样 抗 拉 强 度 b 的 比值 作 为 材 料 的 缺 口 敏 感 性 指 标 。 称 为 缺 口 敏 感 度 qe.4） 布 氏 硬 度 。用 一 定 大 小 的 载 荷 F， 把 直 径 为 D的 淬 火 钢 球 或 硬 质 合 金 球 压 入 试 样 表 面 保 持 一 定 时 间 后 卸载 测 定 试 样 表 面 残 留 压 痕 直 径 D 求 压 痕 表 面 积 ， 将 单 位 压 痕 表 面 承 受 的 平 均 压 力 （ F/s） 定义 为 布 氏 硬 度 。 Hb=F/s=2F/FD(D-(D d)。5)洛 氏 硬 度 :是 一 种 压 入 硬 度 式 样 的 方 法 ， 以 测 量 压 痕 深 度 值 大 小 ， 表 示 材 料 的 硬 度 值 ， 所用 压 头 为 圆 锥 角 =120 金 刚 石 圆 锥 或 淬 火 刚 球 ， 其 载 荷 分 两 次 施 加 ， 先 加 初载 荷 F， 再 加 主 载 荷 F2， 保 持 后 卸 载 F2， 测 出 实 际 压 入 深 度 h， 则 HR=（ R-H）/0.002(压 头 为 金 刚 石 时 k=0.2， 为 淬 火 刚 球 是 k=0.26)6)维 氏 硬 度 :实 验 原 理 与 布 氏 硬 度 基 本 相 似 ， 也 是 根 据 压 痕 单 位 面 积 所 受 载 荷 来 计 算 硬 度 值 ，但 所 用 的 压 头 是 两 相 对 面 夹 角 为 136 的 金 刚 石 四 棱 椎 体 ， 试 样 在 载 荷 F作 用下 试 样 表 面 被 压 出 一 个 四 方 锥 行 压 痕 ， 测 量 压 痕 对 角 线 长 度 分 别 为 d1， d2。取 其 平 均 值 为 d， 用 以 计 算 压 痕 表 面 积 s， F/S即 为 试 样 硬 度 值7)努 氏 硬 度 :一 种 显 微 硬 度 试 样 方 法 ， 使 用 两 个 对 角 线 面 不 等 的 四 棱 锥 金 刚 石 压 头 ， 在 试 样上 得 到 长 短 对 角 线 长 度 之 比 为 7： 1 的 棱 形 压 痕 ， 硬 度 值 为 试 样 力 除 以 压 痕 投影 面 积 ， 用 HK 表 示 ， HK=1.451F/L， L 单 位 （ mm） 。8)肖 氏 硬 度 :是 一 种 动 载 实 验 法 ， 将 具 有 一 定 质 量 带 有 金 刚 石 或 金 刚 球 的 重 锤 从 一 定 高 度 向式 样 表 面 砸 落 ， 根 据 重 锤 回 足 兆 高 度 来 表 征 材 料 硬 度 值 大 小 ， 用 KS表 示 。1-3.缺 口 对 材 料 的 拉 伸 力 学 性 能 有 什 么 影 响 ？答 ： 当 缺 口 受 到 单 向 拉 力 时 ， 缺 口 界 面 上 应 力 分 布 为 轴 向 y， 在 缺 口 根 部 最 大 ， 随 离 根 部距 离 的 增 加 ， y不 断 下 降 ， 即 在 根 部 产 生 应 力 集 中 ， 当 这 种 集 中 应 力 达 到 材 料 屈 服 强 度 b时 ， 使 引 起 缺 口 根 部 附 近 的 塑 性 变 形 ， 既 缺 口 造 成 应 力 应 变 集 中 ， 缺 口 改 变 了 缺 口 的 前 方应 力 状 态 ， 使 平 板 中 材 料 所 受 应 力 由 原 来 的 单 向 应 力 拉 伸 变 为 两 或 三 向 拉 伸 ， 在 有 缺 口 的 条件 下 ， 由 于 出 现 了 三 向 应 力 ， 试 样 的 屈 服 应 力 比 单 向 拉 伸 时 要 高 ， 既 产 生 了 所 谓 缺 口 “ 强 化 ”现 象 。1-4.如 何 理 解 塑 性 材 料 的 缺 口 强 化 现 象 ？答 ： 根 据 屈 雷 斯 加 判 据 S = y- x= s 可 得 y= x+ s.在 缺 口 根 部 x=0， 故 y= s。因 此 ， 外 加 载 荷 增 加 时 ， 缺 口 根 部 最 先 满 足 S = y= s而 开 始 屈 服 。 根 部 一 旦 屈 服 ， y便 松 弛 而 降 低 到 材 料 的 s。 但 在 缺 口 内 侧 ， x 0 故 要 满 足 屈 雷 斯 加 判 据 要 求 ， 必 须 增 加纵 向 应 力 y， 即 心 部 屈 服 要 在 y 不 断 增 加 的 情 况 下 才 能 发 生 。 若 满 足 这 一 条 件 ， 塑 性 变形 便 自 表 面 向 心 部 扩 展 ， 与 此 同 时 ， y 与 z 随 x 快 速 增 加 而 增 加 ， 一 直 增 加 到 塑 性 区与 弹 性 区 交 界 处 为 止 。 因 此 ， 当 缺 口 前 方 产 生 塑 性 变 形 后 ， 最 大 应 力 已 经 不 再 缺 口 根 部 ，而 在 其 前 方 一 定 距 离 处 ， 此 处 x 最 大 ， 所 以 y 与 z 也 最 大 ， 这 时 屈 服 应 力 比 平 向 拉 伸高 ， 即 产 生 了 “ 缺 口 强 化 ” 。1-6、 是 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 。单 向 拉 伸 : 特 点 温 度 、 应 力 状 态 、 加 载 速 度 确 定 ， 常 用 标 准 光 滑 试 样 进 行 试 验 。范 围 ： 用 于 塑 性 变 形 抗 力 与 切 断 抗 力 较 低 的 塑 性 材 料 试 验 。扭 转 ： 1、 扭 转 的 应 力 状 态 软 性 系 数 较 拉 伸 时 的 应 力 状 态 软 性 系 数2、 试 样 截 面 的 应 力 分 布 为 表 面 最 大 ， 愈 往 心 部 愈 小 ， 故 对 材 料 表面 硬 化 及 表 面 缺 陷 十 分 敏 感 。3、 圆 柱 形 试 样 在 扭 转 实 验 时 ， 整 个 试 样 长 度 上 基 本 保 持 原 尺 寸 不 变 。4、 扭 转 试 验 正 应 力 与 切 应 力 大 致 相 等 。范 围 ： 测 定 在 拉 伸 时 呈 脆 性 材 料 的 强 度 和 塑 性 ； 对 各 种 表 面 强 化 进 行 研 究 和 对 机 件的 热 处 理 表 面 质 量 进 行 检 测 ； 评 定 拉 伸 时 出 现 颈 缩 的 高 塑 性 材 料 的 形 变 能 力 和 形 变 抗力 ； 测 定 切 断 强 度 。弯 曲 ： 特 点 ： 试 样 形 状 简 单 ， 操 作 方 便 ， 弯 曲 应 力 分 布 不 均 匀 ， 表 面 最 大 ， 中 心 为 零 ， 可 较灵 敏 的 反 应 材 料 的 表 面 缺 陷 。范 围 ： 对 于 承 受 弯 曲 载 荷 的 机 件 测 定 其 力 学 性 能 。压 缩 ： 特 点 ： 单 向 压 缩 试 验 应 力 软 性 系 数 为 2， 比 拉 伸 、 弯 曲 、 扭 转 的 应 力 状 态 都 软 ， 拉 伸时 塑 性 很 好 的 材 料 在 压 缩 时 只 发 生 压 缩 变 形 而 不 会 断 裂 。范 围 ： 拉 伸 时 呈 脆 性 的 金 属 材 料 的 力 学 性 能 测 定 ， 如 果 产 生 明 显 屈 服 ， 还 可 以 测 定 压缩 屈 服 点 。1-8、 试 比 较 布 氏 硬 度 与 维 氏 硬 度 原 理 的 异 同 ， 并 比 较 布 氏 、 洛 氏 和 维 氏 硬 度 优 缺 点 和 应 用范 围 。答 ： 维 氏 硬 度 的 实 验 原 理 与 贝 氏 硬 度 基 本 相 似 ， 也 是 根 据 压 痕 单 位 面 积 所 承 受 的 载 荷 来 计算 硬 度 值 。 所 不 同 的 是 维 氏 硬 度 实 验 所 用 的 压 头 是 两 相 对 面 夹 角 为 136 的 金 刚 石 四 棱 锥 ，布 氏 硬 度 压 头 为 淬 火 钢 球 或 硬 质 合 金 球 。布 氏 试 验 ： 优 点 1、 压 痕 面 积 较 大 ， 其 硬 度 值 能 反 映 材 料 在 较 大 区 域 内 各 组 成 相 的 平 均 性 能 ；2、 实 验 数 据 稳 定 ， 重 复 性 高缺 点 1、 压 痕 直 径 比 较 大 ， 一 般 不 宜 在 成 品 上 直 接 进 行 检 验2、 对 不 同 的 硬 度 材 料 需 要 更 换 压 头 直 径 和 载 荷 ， 压 痕 直 径 测 量 也 比 较 麻 烦 ；3、 淬 火 钢 球 的 硬 度 范 围 为 450HBS， 当 大 于 450 时 需 要 更 换 为 硬 质 合金 球 。范 围 测 定 灰 铸 铁 、 轴 承 、 合 金 等 材 料 的 硬 度 。洛 氏 试 验 ： 优 点 1、 操 作 简 单 迅 速2、 压 痕 小 ， 可 对 工 件 直 接 进 行 检 验3、 采 用 不 同 的 标 尺 ， 可 测 量 软 硬 不 同 、 厚 薄 不 一 试 样 的 硬 度 。缺 点 1、 压 痕 小 ， 代 表 性 差 。 尤 其 是 偏 析 及 组 织 不 均 匀 情 况2、 所 测 硬 度 值 重 复 性 差 、 分 散 度 大3、 用 不 同 标 尺 测 得 的 硬 度 值 既 不 能 直 接 比 较 ， 又 不 能 彼 此 互 换 。范 围 ： 淬 火 、 调 质 等 热 处 理 后 的 材 料 ， 测 量 表 面 很 薄 的 材 料 硬 度 ， 测 定 各 种 材 料 。维 氏 试 验 ： 优 点 1、 角 锥 压 痕 清 晰 ， 采 用 对 角 线 长 度 计 算 ， 精 确 可 靠 2、 压 头 为 四 棱 锥 ，当 载 荷 改 变 时 ， 压 入 角 恒 定 不 变 ， 可 任 意 选 择 载 荷 ；3、 不 存 在 洛 氏 硬 度 不 同 标 尺 无 法 统 一 ， 而 且 比 洛 氏 硬 度 所 测 的 试 件 厚 度 更 薄 。缺 点 1、 测 定 方 法 比 较 麻 烦 ， 工 作 效 率 低2、 压 痕 面 积 小 ， 代 表 性 差3、 不 适 宜 成 批 生 产 的 常 规 检 测范 围 测 定 小 型 精 密 零 件 的 硬 度 ， 表 面 硬 化 和 有 效 硬 化 层 的 深 度 ， 镀 层 表 面 硬 度 ， 薄 片 材 料和 西 线 材 的 硬 度 ， 刀 刃 附 近 的 硬 度 。第 三 章 材 料 的 冲 击 韧 性 及 低 温 脆 性3-1 解 释 下 列 名 词 ：（ 1） 低 温 脆 性 ： 体 心 立 方 金 属 及 合 金 或 某 些 密 排 六 方 晶 体 金 属 及 合 金 ， 尤 其 是 工 程 上 常 用的 中 低 强 度 结 构 钢 ， 当 实 验 温 度 低 于 某 一 温 度 tk时 ， 材 料 由 韧 性 状 态 转 变 为 脆 性 状 态 ， 冲击 吸 收 功 明 显 下 降 ， 断 裂 机 理 由 微 孔 聚 集 变 为 穿 晶 解 理 ， 断 口 特 征 由 纤 维 状 变 为 结 晶 状 。（ 2） 蓝 脆 ： 碳 钢 和 某 些 合 金 钢 在 冲 击 载 荷 或 静 载 荷 作 用 下 ， 在 一 定 温 度 范 围 内 出 现 脆 性 ；在 该 温 度 范 围 内 加 热 钢 时 ， 表 面 氧 化 色 为 蓝 色 ， 称 此 现 象 为 蓝 脆 。（ 3） 迟 屈 服 ： 对 体 心 立 方 金 属 材 料 施 加 一 大 于 屈 服 强 度 s的 高 速 载 荷 时 材 料 并 不 立 即 产生 屈 服 ， 而 需 要 经 过 一 段 孕 育 期 才 开 始 塑 性 变 形 的 现 象 。（ 4） 韧 脆 转 变 温 度 ： 使 材 料 表 现 出 低 温 脆 性 的 临 界 温 度 tk。（ 5） 韧 脆 温 度 储 备 ： 材 料 使 用 温 度 t0与 韧 脆 转 变 温 度 tk的 差 值 ， 用 符 号 表 示 ， 值 常取 20 60 0c。3-6 是 从 宏 观 和 微 观 上 解 释 为 什 么 有 些 材 料 有 明 显 的 韧 脆 转 变 温 度 而 另 外 一 些 材 料 则 没有 。答 ： 从 宏 观 角 度 分 析 ： 材 料 低 温 脆 性 的 产 生 与 其 屈 服 强 度 和 断 裂 强 度 随 着 温 度 的 变 化 有 关 。断 裂 强 度 随 温 度 的 变 化 很 小 ， 屈 服 强 度 随 温 度 的 变 化 与 材 料 的 本 性 有 关 。 具 有 体 心 立 方 或 密排 六 方 结 构 的 金 属 或 合 金 的 屈 服 强 度 对 温 度 十 分 敏 感 ， 温 度 降 低 ， 屈 服 强 度 急 剧 提 高 ， 当 屈服 强 度 与 断 裂 强 度 相 等 时 温 度 即 为 韧 脆 转 变 温 度 。 高 于 此 温 度 时 ， 材 料 受 载 后 先 屈 服 后 断 裂 ，为 韧 性 断 裂 ； 低 于 此 温 度 时 ， 为 脆 性 断 裂 。 而 面 心 立 方 结 构 材 料 的 屈 服 强 度 随 温 度 的 变 化 不大 ， 即 使 在 低 温 时 也 不 与 断 裂 强 度 相 等 ， 此 种 材 料 的 脆 性 断 裂 现 象 不 明 显 。从 微 观 角 度 ： 体 心 立 方 的 金 属 低 温 脆 性 与 位 错 在 晶 体 中 运 动 的 阻 力 对 温 度 变 化 很 敏 感 有 关 ，在 低 温 下 增 加 ， 故 该 类 材 料 在 低 温 下 处 于 脆 性 状 态 。 面 心 立 方 金 属 因 位 错 宽 度 比 较 大 ， 对 温度 变 化 不 敏 感 ， 故 一 般 不 显 示 低 温 脆 性 。 体 心 立 方 金 属 的 低 温 脆 性 还 与 迟 屈 服 现 象 有 关 ， 而具 有 面 心 立 方 金 属 的 迟 屈 服 现 象 不 明 显 ， 故 其 低 温 脆 性 不 明 显 。补 -1. 化 学 成 分 是 如 何 影 响 材 料 低 温 脆 性 的 ？答 ： 1、 间 隙 溶 质 元 素 含 量 增 加 ， 高 阶 能 下 降 ， 韧 脆 转 变 温 度 提 高 。 这 是 由 于 间 隙 溶 质 元 素溶 入 基 体 金 属 晶 格 中 ， 通 过 与 位 错 的 交 互 作 用 偏 聚 于 位 错 线 附 近 形 成 柯 氏 气 团 ， 既 增 加 i，又 使 ky增 加 ， 致 使 s 升 高 ， 所 以 刚 的 脆 性 增 大 。2、 钢 中 加 入 置 换 型 溶 质 元 素 一 般 也 降 低 高 阶 能 ， 提 高 韧 脆 转 变 温 度 。3、 杂 质 元 素 S、 P、 Pb、 Sn、 As等 使 钢 的 韧 性 下 降 ， 这 是 由 于 他 们 偏 聚 于 晶 界 ， 降 低 晶界 的 表 面 能 ， 产 生 沿 晶 脆 性 断 裂 ， 同 时 降 低 脆 断 应 力 所 致 。补 -2. 显 微 组 织 是 如 何 影 响 材 料 低 温 脆 性 的 ？答 ;a 晶 粒 大 小细 化 晶 粒 可 使 材 料 韧 性 增 加 ， 原 因 是 晶 界 是 裂 纹 扩 展 的 阻 力 ； 晶 界 前 塞 集 的 位 错 数减 少 ， 有 利 于 降 低 应 力 集 中 ； 晶 界 总 面 积 增 加 ， 使 晶 界 上 杂 质 浓 度 减 少 ， 避 免 产 生 沿 晶 脆 性断 裂 。b 金 相 组 织在 较 低 强 度 水 平 ， 强 度 相 同 而 组 织 不 同 的 钢 ， 其 冲 击 吸 收 功 和 韧 脆 转 变 温 度 以 回 火 索 氏 体 最佳 ， 贝 氏 体 回 火 组 织 次 之 ， 片 状 珠 光 体 组 织 最 差 ； 在 相 同 的 强 度 水 平 时 ， 典 型 上 贝 氏 体 组 织的 韧 脆 转 变 温 度 高 于 下 贝 氏 体 的 韧 脆 转 变 温 度 ； 在 低 碳 合 金 中 ， 经 不 完 全 等 温 处 理 获 得 的 贝氏 体 和 马 氏 体 的 混 合 组 织 ， 其 韧 性 比 单 一 马 氏 体 或 单 一 贝 氏 体 组 织 要 好 ； 在 马 氏 体 中 存 在 残余 奥 氏 体 时 ， 可 以 抑 制 解 理 断 裂 ， 从 而 显 著 改 善 钢 的 韧 性 ； 钢 中 碳 化 物 及 夹 杂 物 等 第 二 相 对钢 的 脆 性 影 响 ： 第 二 相 尺 寸 增 加 ， 材 料 的 韧 性 下 降 ， 韧 脆 转 变 温 度 升 高 ， 球 状 第 二 相 材 料 的韧 性 较 好 。 第 四 章 材 料 的 断 裂 韧 度4-1名 词 解 释 .低 应 力 脆 性 ： 高 强 度 钢 、 高 超 强 度 钢 的 机 件 ， 中 低 强 度 钢 的 大 型 机 件 常 常 在 工 作 应 力 并不 高 ， 甚 至 远 低 于 屈 服 极 限 的 情 况 下 ， 发 生 脆 性 断 裂 的 现 象应 力 场 强 度 因 子 ： KI= a 反 应 了 裂 纹 尖 端 区 域 应 力 场 的 强 度断 裂 韧 度 ： 当 应 力 或 裂 纹 尺 寸 a 增 大 到 临 界 值 时 ， 也 就 是 在 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 材 料 的 断 裂 ， 这 时 KI 也 达 到 了 一 个 极限 值 ， 这 个 临 界 或 失 稳 状 态 的 KI 记 为 KIC 或 Kc称 为 断 裂 韧 度 。 能 量 释 放 率 ： GI= E a 2 是 平 面 应 力 的 能 量 释 放 率 ， GI= E a 22 )1( 是 平 面 应 变 的 能 量 释 放 率 。 J 积 分 ： Tdsxudy 反 映 了 裂 纹 尖 端 区 的 应 变 能 ， 即 应 力 应 变 集中 程 度 。 裂 纹 尖 端 张 开 位 移 ： 裂 纹 体 受 载 后 ， 在 裂 纹 尖 端 沿 垂 直 裂 纹 方 向 所 产 生 的 位 移 用 表 示 。4-3 说 明 KI和 KIC的 异 同 。答 ： KI 和 KIC是 两 个 不 同 的 概 念 ， KI 是 一 个 力 学 参 量 ， 表 示 裂 纹 体 中 裂 纹 尖 端 的 应 力 应 变场 强 度 的 大 小 ， 它 决 定 于 外 加 应 力 、 试 样 尺 寸 和 裂 纹 类 型 ， 而 和 材 料 无 关 ； 但 KIC是 材 料 的力 学 性 能 指 标 ， 它 决 定 于 材 料 的 成 分 、 组 织 结 构 等 内 在 因 素 ， 而 与 外 加 应 力 及 试 样 尺 寸 等 外在 因 素 无 关 。4-10.有 一 大 型 板 件 材 料 的 2.0 =1200Mpa， K IC =115Mpa.m 21 ,探 伤 发 现 有 20 大 的 横 向穿 透 裂 纹 ， 若 在 平 均 轴 向 应 力 900Mpa 下 工 作 ， 试 计 算 K I 和 塑 性 区 宽 度 ， 并 判 断 该 件 是 否安 全解 ： s= 2.0 =1200Mpa 2a=20 =0.02m =900Mpa Y= 则 / s=900/1200=0.750.6 0.7需 考 虑 修 正 问 题 K I =Y a / 22 /56.01 SY 即 K I = 14.3 *900* 2/02.0 / 275.0*14.3*56.01 =168MpaK IC 不 安 全塑 性 区 宽 度 R0= 22 1 (K I / S ) 2 = 14.3*22 1 *(168/1200)2 =2.2K I 为 168Mpa， 塑 性 区 宽 度 为 2.2 ， 该 件 不 安 全 。11.有 一 构 件 加 工 时 ， 出 现 表 面 半 椭 圆 裂 纹 。 若 a=1mm， a/c=0.3， 在 1000MPa的 应 力 下 工作 ， 对 下 列 材 料 应 选 用 哪 一 种 ？材 料 A B C D E2.0 MPa 1100 1200 1300 1400 1500c1 /(MPa*m 21 ) 110 95 75 60 55解 ： 1.对 于 材 料 A：由 于 / 2.0 =1000/1100=0.909 所 以 必 须 使 用 塑 性 区 的 修 正 公 式 来 计 算 1 即 ：1 = 22.02 212.0 a1.1 ， 其 中 第 二 类 椭 圆 积 分 当 3.0a c 时 ， 得 21.12 将 有 关 数 据 带 入 得 ： 21231 6.5911001000212.021.1 1014.310001.1 ma c1 =55（ MPa 21m ）使 用 材 料 E 后 会 发 生 脆 性 断 裂 ， 不 可 以 选 用 。综 上 所 述 ， 最 好 选 用 材 料 D。补 -1.试 述 化 学 成 分 对 断 裂 韧 度 的 影 响 ？答 ： 对 于 金 属 材 料 ， 细 化 晶 粒 的 合 金 元 素 因 提 高 强 度 和 韧 性 ， 可 使 断 裂 韧 度 提 高 ； 强 烈 固 溶强 化 的 合 金 元 素 因 大 大 降 低 塑 性 而 是 断 裂 韧 度 降 低 ， 并 且 随 合 金 元 素 浓 度 的 提 高 ， 降 低 的 作用 更 加 明 显 ； 形 成 金 属 间 化 合 物 并 呈 第 二 相 析 出 的 合 金 元 素 ， 因 降 低 塑 性 有 利 于 裂 纹 扩 展 而使 断 裂 韧 度 降 低 ； 对 于 陶 瓷 ， 提 高 材 料 强 度 组 元 ， 提 高 断 裂 韧 度 ； 对 于 高 分 子 材 料 ， 增 强 结合 键 的 元 素 将 提 高 断 裂 韧 度 。补 -2.夹 杂 物 和