材料力学性能习题及解答库

1、习题答案一. 解释下列名词1、弹性比功：又称为弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。2、滞弹性：在弹性范囤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。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，称为金属的循环韧性。4、包申格效应：先加载致少疑塑变，卸载，然后在再次加载时，出现oe升髙或降低的现 象。5、解理刻而：大致以晶粒大小为单位的解理而称为解理刻而。6、塑性、脆性和韧性：塑性是指材料在断裂前发生不可逆永久(塑性)变形的能力。韧性： 指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力7、解理台阶：高度不同的相互平行的解理平而之间岀现的

2、台阶叫解理台阶；8、河流花样：当一些小的台阶汇聚为在的台阶时，英表现为河流状花样。I9、解理而：晶体在外力作用下严格沿着一泄晶体学平而破裂，这些平而称为解理而。10、穿晶断裂和沿晶断裂：沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，一左是脆断，且较为严重，为最低 级。穿晶断裂裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可能是脆性断裂。11、韧脆转变：指金属材料的脆性和韧性是金属材料在不同条件下表现的力学行为或力学状 态，在一定条件下，它们是可以互相转化的，这样的转化称为韧脆转变。二、说明下列力学指标的意义1、E (G)： E (G)分别为拉伸杨氏模量和切变模呈:，统称为弹性模量，表示产生100% 弹性变形所需的应力。2、。、

3、os:(儿：表示规定残余伸长应力，试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余 伸长达到规左的原始标距百分比时的应力。o :表示规立残余伸长率为时的应力。os： 表征材料的屈服点。3、ob：韧性金属试样在拉断过程中最大试验力所对应的应力称为抗拉强度。4、n:应变硬化指数，它反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬 化行为的性能指标。5、figt.巾：是断后伸长率，它表征试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。 A gt是最大试验力的总伸长率，指试样拉伸至最大试验力时标距的总伸长与原始标距的百分 比，也就是金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量。巾是断面收缩率，缩颈处横截而积 的最大缩减

4、量与原始横截而积的百分比。三、金属的弹性模量主要取决于什么因素为什么说它是一个组织不敏感的力学性能指标 金属的弹性模量主要取决于金属原子本性和晶格类型。合金化、热处理（显微组织）、冷塑性变形对弹性模量的影响较小，温度、加载速率等外在因素对英影响也不大，所以，金 属材料的弹性模呈:是一个对组织不敏感的力学性能指标。四、今有45、40Cr、35CrM。钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作机床床身为什么 选择灰铸铁，因为作为机床床身材料必须要求循环韧性髙，以保证机器的稳泄运转。灰铸铁中含有不易传送禅性机械振动的石墨，具有很高的循环韧性。五、试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释bcc金属及其合金与

5、fee金属及苴合金屈 服行为不同的原因。6、试述退火低碳钢、中碳钢及髙碳钢的屈服现象在拉伸力一伸长曲线图上的区别为什么 答：从退火低碳钢、中碳钢及髙碳钢的拉伸力一伸长曲线图上可以明显看出，三种不同钢种 的拉伸力一伸长曲线图有区别，可以看岀退火低碳钢的屈服现象最明显，其次是退火中碳钢, 而高碳钢几乎看不到屈服现象。但根据条件屈服强度可以判断出随着碳含量的增加，屈服强 度在提髙。这主要是因为随着碳含量的增加，碳原子对基体的强化作用越来越强，阻碍了位 错的运动。7、决左金属屈服强度的因素有哪些答：影响金属屈服强度的因素分为内在因素和外在因素。内在因素有金属本性及晶格类型、 晶粒大小和亚结构、溶质元素

6、、第二相粒子：外在因素有温度、应变速率和应力状态。）8、试述、两种塑性指标评泄金属材料塑性的优缺点答：对于在单一拉伸条件下工作的长形零件，无论苴是否产生缩颈，用8来评泄材料的塑性, 因为产生缩颈时局部区域的塑性变形量对总伸长实际上没有什么影响。如果金属材料机件是 非长形件，在拉伸时形成缩颈，则用4作为塑性指标。因为4反映了材料断开前的最大塑 性变形呈:，而此时则不能显示材料的最大塑性。是在复杂应力状态下形成的，冶金因素 的变化对材料的塑性的影响在4）上更为突出，所以4）比8对组织变化更为敏感。9、试举岀几种能显著强化金属而又不降低塑性的方法答：细晶强化，通过细化晶粒提髙金属强度的方法，它既可以

7、显著强化金属，又不降低塑性 的方法。10、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂 过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前期丁不发 生塑性变形，没有明显征兆，因此脆性断裂在生产中是很危险的。11、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂为什么断裂的性质完全不同答：剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移而分离而造成的滑移而分离断裂，其中又 分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常产生纯剪切断裂，英 断口呈锋利的楔形或刀尖型。而解理断裂是金属材料在一左条件下，当

8、外加正应力达到一眾 数值后，以极快速率沿一建晶体学平而产生的穿晶断裂。12、在什么情况下易出现沿晶断裂怎样才能减小沿晶断裂的倾向答：当晶界上有一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续所造成，也可 能是杂质元素向晶界偏聚引起的，如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等都 是沿晶断裂。要减小沿晶断裂的倾向，则要求防止应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、 磨削裂纹等出现。13、何为拉伸断口三要素影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些答：拉伸断口的三要素：纤维区、放射区和剪切曆；影响宏观拉伸断口性态的因素有试样的 形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和腕力状态不同而变化。1

9、4、板材宏观断口的主要特征是什么如何寻找断裂源答：板状矩形拉伸试样断口中呈人字纹花样。根据人字纹花样的放射方向，顺着尖顶指向可 以找到裂纹源。15、试证明，滑移相交产生微裂纹的柯垂耳机理对fee金属而言在能量上是不利的。16、通常纯铁的Y S = 2J / m1/E=2*lO5MPa,ao=XlO 10m,试求其理论断裂强度。m。解：由题意可得:E冷、1/22x105x2、 6/0 )(2.5x10。丿=4.0 x 104 Mpa17、试述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推导格雷菲斯方程，并指岀理论的局限性。18、若一薄板物体内部存在一条长3 mm的裂纹，且a0 = 3X10 8cm,试求脆性

10、断裂时的断裂 应力。（设 o m=2X105MPa ）19、有一材料E=2X10uN/m ys=8N/m,试计算在7X107N/ nV的拉应力作用下,该材料中能扩展的裂纹之最小长度20、断裂强度与抗拉强度Qb有何区别答：抗拉强度ob指材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。它表示 钢材抵抗断裂的能力大小。断裂强度oc是指在拉伸过程中，材料断裂时所对应的应力值。21、铁素体的断裂强度与屈服强度均与晶粒尺寸d咗成正比，怎样解释这一现象22、裂纹扩展扩展受哪些因素支配23、试分析能量断裂判据与应力断裂判据之间的关系24、有哪些因素决左韧性断口的宏观形貌答：韧性断口的宏观形貌决左于第二

11、相质点的大小和密度、基体材料的塑性变形能力和应变 硬化指数，以及外加应力的大小和状态等。25、试根据下述方程（Sd+kyky=2G Y sq,讨论下述因素对金属材料韧脆转变的影响：（1） 材料成分；（2）杂质；（3）温度：（4）晶粒大小；（5）应力状态：（6）加载速率。第二承习题及答案1解释下列名词：（1）应力状态软性系数：表征最大切应力fax与的比值。（2）缺口效应：由于缺口的存在，在静载作用下，缺口截而上的应力状态将发生变化，这 称为“缺口效应”。（3）缺口敏感度：表征缺口试样的抗拉强度0,”与光滑试样的抗拉强度6,的比值。（4）布氏硬度：用一立直径的钢球或硬质合金球，以规圧的试验力（F）

12、压入式样表而，经 规泄保持时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径（L）。布氏硬度值是以试验力除以压 痕球形表而积所得的商。以HBS （钢球）表示，单位为N/mm2（MPa）oHB = 002F =0.204F其计算公式为：A D（D-ylD-d）式中：F-压入金属试样表而的试验力，N；D-试验用钢球直径，mm：d-压痕平均直径，mm。（5）洛氏硬度：在规定的外加载荷下，将钢球或金刚石压头垂直圧入试件表而，产生压痕, 测试压痕深度，利用洛氏硬度计算公式HR= （K-H）/C便可计算岀洛氏硬度。简单说就是压痕 越浅，HR值越大，材料硬度越髙。$（6）维氏硬度：是根据圧痕单位面积所承受的试验力计算

13、硬度值。所采用的压头是两相对 而间夹角为136的金刚石四棱锥体，压头的试验力作用下将试样表而压出一个四方锥形的 压痕，经一立保持时间后担卸除试验力，测量压痕对角线平均长度d,用以汁算压痕表面积。 维氏硬度的值为试验力除以压痕表而积A所得的商。（7）努氏硬度：也一种显微硬度试验方法。与显微维氏硬度相比有两点不同：一是压头形 状不同；二是硬度值不是试验力除以压痕表面积之商值，而是除以压痕投影而积之商值。（8）肖氏硬度：是将一泄质疑的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落于金属试样 表而，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值大小，因而也称为回跳硬度。（9）里氏硬度：是用规泄质呈:的冲击体在弹力作用下

14、以一左速度冲击试样表面，用冲头的 回弹速度表征金属的硬度值。2. 说明下列力学性能指标的意义（1）bc：指抗压强度;（2）obb:指抗弯强度：（3）Ts：指材料的扭转屈服点：（4）xb :指抗扭强度；（5）obn：指有缺口试样的抗拉强度；I（6JNSR：指缺口敏感度:（7）HBS：用压头为淬火钢球时的布氏硬度值；（8）HBW：用压头为硬质合金球时的布氏硬度值：（9）HRA：指用金刚石圆锥压头，主试验力为测出的洛氏硬度值；（10）HRB：指用钢球压头测出的洛氏硬度：（11）HRC：指用金刚石圆锥压头的洛氏硬度：（12）HV：指维氏硬度试验:（13）HK:指努氏硬度试验;（14）HS：指肖氏硬度：

15、（15）HL:指里氏硬度;2_2)式中：F-压入金属试样表而的试验力，N；D-试验用钢球直径，mm：d-压痕平均直径，mm。因布氏硬度压头较大，因而所得圧痕而积较大。这样硬度值能反映金属在较大范囤内各 组成相的平均性能，而不受个别组成相及微小不均匀性的影响。而缺点是对不同材料需更换 压头直径和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，因而用于自动检测时受到限制：且不能 用在成品上测量。洛氏硬度：在规泄的外加载荷下，将钢球或金刚石压头垂直压入试件表而，产生压痕, 测试压痕深度，利用洛氏硬度计算公式HR= （K-H）/C便可计算岀洛氏硬度。洛氏硬度试验的 优点：操作简便、迅速，硬度可直接读出；压痕较小，

16、可在工件上进行试验：采用不同标尺 可测左各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度，因而广泛于热处理质量检验。其缺点 是：压痕较小，代表性差；若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差, 分散度大：此外用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。维氏硬度：是根据压痕单位而枳所承受的试验力汁算硬度值。所采用的压头是两相对而 间夹角为136的金刚石四棱锥体，压头的试验力作用下将试样表而压岀一个四方锥形的压 痕，经一立保持时间后担卸除试验力，测量压痕对角线平均长度d,用以汁算压痕表而积。 维氏硬度的值为试验力除以压痕表而积A所得的商。维氏硬度试验的优点是不存在布氏硬 度试验时要求试验

17、力F与压头不同标尺的硬度值无法统一的弊端。维氏硬度试难时不仅试验 力可任意选取，而且压痕测量的精度较高，硬度值较为精确。唯一的缺点是硬度值需要通过 测量压痕对角线长度后才能进行计算或査表，因此，工作效率比洛氏硬度低得多。&今有如下零件和材料等需测左硬度，试说明选用何种硬度实验方法为宜。（1）渗碳层的硬度分布：用维氏硬度：（2）淬火钢：用洛氏硬度；（3）灰铸钢：用布氏硬度；（4）鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体：用维氏硬度；（5）仪表小黄铜齿轮：用维氏硬度：（6）龙门刨床导轨：用肖氏硬度和里氏硬度；（7）渗氮层：用维氏硬度和努氏硬度；（8）髙速钢刀具：用维氏硬度：（9）硬质合金：用洛氏硬度；第三

18、章习题与答案1. 解释下列名词:（1）冲击韧度：批材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。（2）冲击吸引功:然后将具有一泄质量m的摆锤兴到一立髙度H1,使其获得一泄位能mgHl. 释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为mgH2,则摆锤冲断试样失去的位能mgHl -mgH2, 即为试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功，以Ak表示，单位为J。（3）低温脆性：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程 上常用的中、低强度结构（铁素体一珠光体钢），在试验温度低于某一温度M时，会由韧性 状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚焦型变为穿晶解理，断口特征 由纤

19、维状变为结晶状，这就是低温脆性。（4）韧脆转变温度：上述低温脆性中的tk称为韧脆转变温度。（5）韧性温度储备：指材料的使用温度和材料韧脆转变温度之间的差值。2. 说明下列力学性能指标的意义：（1）Ak:冲击功；Akv（CVN）: V型缺口冲击功：Aku: U型缺口冲击功；（2）FATT5o：在用能量法左义tk时，取结晶区而枳占整个断口而积50洵时的温度：（3）NDT：表征以低阶能开始上升的温度：（4）FTE：表征以低阶能和髙阶能平均值对应的温度：（5 FTP：表征高阶能对应的温度。3. 现需检验以下材料的冲击韧性，问哪种材料要开缺口哪种材料不要开缺口W18Cr4V, Crl2MoV. 3Cr2

20、W8V, 40CrNiMo, 30CrMnSi, 20CrMnTi,铸铁。4. 试说明低温脆性的物理本质及英影响因素。答：低温度脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加（对体心立方金属，是派拉力起主 要作用所致（详细见第一章有关内容）。其影响因素有：晶体结构；化学成分：显微组织：5. 试述焊接船舶比钾接船舶容易发生脆性破坏的原因。6. 下列三组实验方法中，请举出每一组中哪种实验方法测得的tk较高为什么拉伸和扭转：（2）缺口静弯曲和缺口冲击弯曲：（3）光滑试样拉伸和缺口试样拉伸。7. 试从宏观上和微观上解释为什么有些材料有明显的韧脆转变温度，而另外一些材料没有 呢&简述根拯韧脆转变温度分析机件脆断失

21、效的优缺点。第四章习题与答案1.解释下列名词:（1）低应力脆断：当容器或构件采用强度髙而韧性差的材料时，在应力水平不髙，甚至低 于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象称为低应力脆断。（2）张开型（1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 纹面扩展的裂纹称为张开型（1型）裂纹。（3）应力场和应变场：指在工件上应力分布或应变分布的情况。（4应力强度因子K】：表征应力场的强弱程度。（5）小范I科屈服：指在裂纹尖端一圧范|1：1内发生的屈服的现象。（6）塑性区：指在裂纹尖端一泄范围内发生塑性变形区域。（7）有效屈服应力：（8）有效裂纹长度：（9）裂纹扩展K判断：（10）裂

22、纹扩展能量释放率G1：把裂纹单位而积时系统释放势能的数值称为裂纹扩展能疑 释放率G】（11）裂纹扩展G判断：（12）J积分：J积分的断裂判据就是G判据的延伸，或者是更广义地将线弹性条件下的G 延伸到弹塑性断裂时的J，J的表达式或左义类似于G。（13）裂纹扩展J判断;（14）COD：（15）COD 判据:（16）韧带：2说明下列断裂韧度指标的意义及相互关系：（1）Klci Kc：表征KI增大达到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范吊I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断裂。（2）G1C:表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位而积所消耗的能量。（3）J1C：表示材料抵抗裂纹开始扩展的能

23、力。（4）6C：表示材料阻止裂纹开始扩展的能力。3. 试述低应力脆断的原因及其防止方法。4. 为什么研究裂纹扩展的力学条件时不用应力判据而用其它判据5试述应力场强度因子的意义及典型裂纹a的表达式。6. 试述K判据的意义及用途。7. 试述裂纹尖端塑性区产生的原因机器影响因素。&试述塑性区对Ki的影响及Kt的修正方法和结果。9. 试用Griffith模型推导6和G的判据。10. 简述J积分的意义及其表达式。11. 简单叙述COD的意义及苴表达式。12. 试述Kg的测试原理及其对试样的基本要求。13. 试述Kg与材料强度、塑性之间的关系。14. 试述K】c和Akv的异同及其相互之间的关系。15. 试

24、述影响Kg的冶金因素。答：影响Kg的冶金因素有：化学成分的影响：基体相结构和晶粒大小的影响：杂质及第二 相的影响；显微组织的影响。（具体见有关资料）16. 有一大型板件，材料的=1200MPa. K1C=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，试算心及塑性区的宽度R。.，并判断该件是否安全解：由题意可知：J =1200MPa, Kic=2. 2a=20mm, tr = 900MPa由r/70.2 = 900/1200 = 0.75,必须考虑塑性区修正问题。由于裂纹叮以看成是无限大板穿透裂纹，故裂纹的形状系数Y二石。便得到Ki修Ycyfa/1一0056厂（07

25、刊2）2900xvx0.0171-0.056 x0.752= 167.92 2 yzi /?0 =0.056x2 一 :0丿= 0.056x2xr 167,92 V=0.0022/? = 2.2mm由于Ki K1C,所以该件不安全。17. 有一轴件平均轴向工作应力150MPa,使用中发生横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c可以确泄中=1,测试材料的 =720MPa,试估算 材料的断裂韧度Ki c是多少解：由题意可得：O =720MPa. =l O =150MPa/a=25mm/那么有：b/b0.2 = 150/720 = 0.21,不须考虑塑性区的修正问

26、题=150 xV0025 =81.96 2 1由于轴件发生了断裂，则有KI K1C/所以材料的断裂创度Kg小于18、有一构件制造时，出现表而半椭圆裂纹，若a=lmm,在工作应力o= 1000 MPa I ll作, 应该选什么材料的o与Qc配合比较合适构件材料经不同热处理后，英。与Re的变化列于 下表。011001200130014001500Kic.11095756055解：由题意和表格可得:a=lmmt o =1000 MPa,那么有:对于第一种工艺：由于b/b02 = 1000/1100 = 0.91,必须考虑塑性区修正问题。由于裂 纹町以看成半椭圆裂纹，设a/c=，査表可知=,故裂纹的形

27、:兰 便得到K； 修正值:K1 =_=根据此式，可求得断裂应力 c的计算式为:1.28x110J，-0212(b/b02)2orl = j八j . = 1828 MPaj38a + 0.212(klc/b02)23.8 x 0.001 + 0.212(110/1100)2ocl匕工艺满足要求。同理:其它几种工艺可用同样方法分别求出o c2, o c3, o c4zo c5对第二种工艺来说: 由于7/匕工艺满足要求。对于第三种工艺:由于 b/ a0.2 = 1000/1300 = 0.77,必须考虑塑性区修正问题。由于裂纹可以看成半椭圆裂纹，设a/c=，査表可知，故裂纹的形状系数丫=四鱼。便得到

28、Ki修正值:Kl = jLib厉根据此式，可求得断裂应力o c的讣算式为:klc1.28x752 -O212(b/bO2)2or 3 =j= 1433 MPaJ3& + 0.212(/clc/a0.2)23.8 x 0.001 + 0.212(75 /13OO)2oc3 o匕工艺满足要求。对于第四种工艺: 由于er/匕工艺满足要求。对于第五种工艺：由于ct/oO.2 = 1000/1500 = 0.67,不必考虑塑性区修正问题。由于裂纹町以看成丫赴罔 裂纹，设a/c=，査表可知 A故裂纹的形状系数丫=丄巫。便得到断裂应力的计算式 为:1.28x55GCS =1X yjm.1=-1135 MPa

29、1.1x7x0.0010 c5 o，此工艺满足要求。第五章习题与答案1、解释下列名词（1）应力范囤:在循环应力作用下，最大应力与最小应力之间的差值。（2）应变范用：在循环应力作用下，最大应变与最小应变之间的差值。（3）应力幅Q a:在循环应力作用下，最大应力与最小应力之间的差值的一半。（4）应力幅（ t/2, e/2, p/2）:（5）平均应力m：在循环应力作用下，最大应力与最小应力之间的和的一半。（6）应力比r：在循环应力作用下，最小应力与最大应力之间的比值。（7）疲劳源：是疲劳裂纹萌生的策源地，在断口上，疲劳源一般在机件表而，常和缺口、 裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连，因为这里的应力集中会引发

30、疲劳裂纹。（8）疲劳贝纹线：由载荷变动引起的，如机器运转时的开动和停歇，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。（9）疲劳条带：是疲劳亚稳扩展的断口特征，它是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样。（10）驻留滑移带：在疲劳多次循环后抛光，可发现该滑移带会因已经相当深入而未被抛掉, 将成为嵌入材料表而的微小裂纹源，该滑移带被称为“驻留滑移带”。（11）挤出脊和侵入沟：（12）AK：疲劳的应力强度因子范围。（13）da/dN：每循环一次扩展的距离，称为疲劳裂纹扩展速率。（24）疲劳寿命：（15）过渡寿命；（16）热疲劳：是由于温度周期变化引起零件或构件的自由膨胀和收缩，而又因这种膨胀

31、和 收缩受到约束，产生了交变热应力，由这种交变热应力引起的破坏。（17）过载损伤:由金属机件偶然经受短期过载，造成疲劳寿命或疲劳极限减小的现象。2、解释下列疲劳性能指标的意义（1）疲劳强度 0-1， -ip, T .lfO -lp；0-i：表征对称弯曲疲劳极限：0-lp：表征对称拉压疲劳极限；T-1:表征对称扭转疲劳极限：-lN：表征缺口试样的疲劳极限：（2）疲劳疲劳缺口敏感度qf：表征金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性；（3）过载损伤界：材料在过载应力下工作一泄周次后，会造成过载疲劳损伤，而低于某一 周次的预先过载对其后进行的疲劳寿命没有影响，该最低循环周次的轨迹叫过载损伤界。（4）疲劳门

32、槛值AKth：疲劳裂纹不扩展的!临界值。3、试述金属疲劳断裂的特点答：疲劳断裂是低应力循环延时断裂；疲劳断裂是脆性断裂；疲劳断裂对缺陷十分敏感：4、试述疲劳宏观断口的特征及英形成过程。答：从疲劳的宏观断口的来看，有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区及瞬断区。e疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，在断口上，疲劳源一般在机件表面，常和缺口、裂纹、 刀痕、蚀坑等缺陷相连，因为这里的应力集中会引发疲劳裂纹。疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展 所形成的断口区域，该区是判断疲劳断裂的重要证拯。瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形 成的断口区域。5、试述疲劳曲线（S-N）及疲劳极限的测试方法。答：疲劳曲线（S-N）通常是用旋转

33、弯曲疲劳试验测定的，用四点弯曲试验机，这种试 验机结构简单，操作方面，能够实现对称循环和恒应力幅的要求，因此比较广泛。试验时， 用升降法测定条件疲劳极限，用成组试验测定髙应力部分，然后将上述两试验数拯整理，并 拟合成疲劳曲线，再测得疲劳极限。6、试述疲劳图的意义、建立及用途。答：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。根据平均应力 对疲劳极限or的影响规律建立疲劳图。建立好疲劳图后，只要我们知道应力比r之后，可 以根据疲劳图，得到相应的疲劳极限。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

34、由不均 匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要有表而滑移开裂，第二相、夹夹杂物或其界而开裂： 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，提髙相界面强度，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，并和疲劳裂纹萌生的影响因素进行对比分析。答：影响疲劳裂纹扩展速率的因素有：应力比r （或平均应力om）、过载峰、材料的组 织：而影响疲劳裂纹萌生因素有：表而滑移开裂，第二相、夹夹杂物或其界而开裂：晶界或 亚晶界开裂等。从两者来看，疲劳裂纹的产生的主要影响因素是由于

35、材料内部缺陷所引起的, 而与外载几乎没有关系。9、试述疲劳微观断口的主要特征及英形成模型。答：疲劳微观断口的主要特征是具有疲劳条带；疲劳条带形成的原因中，比较公认是塑 性钝化模型，也称为Laird疲劳裂纹扩展模型，在交变应力为零时裂纹闭合，这是在开始一 循环周次时的原始状态。当拉应力增加，裂纹张开，在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移。 随着拉应力继续增加到最大值时裂纹张开至最大，塑性变形的范用也随之扩大，即表示裂纹 尖端的塑性变形范用。由于塑性变形的结果.裂纹尖端的应力集中减小，裂纹尖端钝化：理 想状态是假泄裂纹尖端张开呈半圆形，这时裂纹便停I匕扩展。当应力变为压缩应力时，滑移 方向也改变了，

36、裂纹表面渐被压缩，到压应力为最大值时，裂纹便完全闭合，又恢复到原始 状态，（具体见有关书籍）。这样反复循环，便留下了疲劳条带。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K,.再计算裂纹临界尺寸ac,最后根据有关公式估算疲劳寿命（详见书 本上例题）11、试述与AKth的异同及各种强化方法影响的异同。答：-i：指当循环应力水平降低到以下时，试样可以经无限次应力循环也不发生 疲劳断裂，它是光滑试样的无限寿命疲劳强度；AKth表示材料阻止裂纹开始扩展的性能， 是材料的力学性能指标，英值越大，阻

37、I上疲劳裂纹开始扩展的能力就越大，材料就越好，是 裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和校核。12、试述金属表面强化对疲劳强度的影响。答：金属表而强化处理可在机件表面产生有利的残余应力，同时还以提髙机件表而的强度和硬度，这两种作用都能提高疲劳强度（具体见有关书籍）。13、试述金属循环硬化和循环软化现象及产生条件。答：金属材料在恒定应变范囤循环作用下，随循环周次增加其应力（形变抗力）不断增 加，即称为循环硬化：循环软化指金属材料在恒定应变范鬧循环作用下，随循环周次增加英 应力（形变抗力）不断减小：要产生循环硬化和循环软化取决于材料的初始状态、结构特性 以及应变幅和温度，还与位错的运动有关

38、。14、试述低周疲劳的规律及曼森一柯芬关系。（15、试述多冲疲劳规律及提髙多冲疲劳强度的方法。答：多冲疲劳规律是：与低周疲劳相似，在冲击能量髙时，材料的冲击疲劳斥力主要取 决于塑性：冲击能量低时，冲击疲劳斥力则主要取决于强度。淬火回火钢的冲击疲劳抗力随 回火温度不同不是单调变化的，与常规单一力学性能指标之间也不存在对应关系，而是在某 一温度下有一个峰值，该烽值随冲击能量增加向髙温方向移动。冲击韧度的影响，因材料强 度不同而异。对于提髙多冲疲劳强度的方法要根据具体材料而左。16、试述热疲劳和热机械疲劳的特征及规律：欲提髙热锻模具的使用寿命，应该如何处理热 疲劳与其它性能的相互关系答：热疲劳是由于

39、温度周期变化引起零件或构件的自由膨胀和收缩，而又因这种膨胀和 收缩受到约束，产生了交变热应力，由这种交变热应力引起的破坏。而热机械疲劳是温度循 环和机械应力循环叠加所引起的疲劳。欲提高热锻模具的使用寿命，应注意材料的热传导、 比热容等热学性质，还要注意材料的弹性和屈服强度等力学性能。17、正火上浇油 45 钢的 o b=610MPa/。-l=300MPat 试用 Goodman 公式绘制。max o min）- om 疲劳图，并确左。、和。等疲劳极限。18 有一板件在脉动载荷下工作,o max=200MPa/ o min=0,其材料的。b=670MPa. o =600MPa. KicParis

40、公式中c=X1012t n=3o 0,使用中发现有0.1mm和1mm的单边横向 穿透裂纹，试估算它们的疲劳剩余寿命。第六章习题与答案1、解释下列名词（1）应力腐蚀：金属在拉应力和特左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，则称为应力腐蚀。（2）氢蚀：由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导 致金属脆化的现象。（3）白点：当钢中含有过呈:的氢时，随温度的降低，氢在钢中的溶解度逐渐减小，如果过 饱和的未扩散逸出，便聚集在某些缺陷处形成氢分子。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。这种微裂纹的断而呈圆形和椭圆形，颜色

41、呈银白 色，故称为白点。（4）氢化物致脆：对于【VB或VB族金属（如纯钛、a-钛合金、锐、错、規及合金），由于 它们与氢有较大的亲和力，极易生成氢化物，使金属脆化。这种脆化称为氢化物致脆。（5）氢致延滞断裂：髙强度钢或a+B钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢（原来存在 的或从环境介质中吸收的），在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在金 属内部，特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。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。2、说明下列力学性能指标的意义（1）0SSC：表征材料不发生应力腐蚀的临界应力。（2）Klssc:应力腐蚀临界应力场

42、强度因子。（3）K I HEC：氢脆临界应力场强度因子。（4）da/dt：应力腐蚀裂纹扩展速率。3、试述金属产生应力腐蚀的条件及机理。答：金属产生应力腐蚀的条件是应力、化学介质和金属材料。金属产生应力腐蚀产生的机理：主要介绍以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论。对应 力腐蚀敏感的合金在特左的化学介质中，首先在表而形成一层钝化膜，使金属不致进一步受 到腐蚀，即处于钝化状态，因此，在没有应力的作用下，金属不会发生腐蚀破坏。若有拉应 力作用，则可使局部地区的钝化膜破裂，显需出新鲜的表而。这个新鲜的表而在电解质溶液 中成为阳极，其余具有钝化膜的金属表面成为阴极，从而形成腐蚀微电池。阳极金属变成正 离子进入

43、电解质中而产生阳极溶解，于是在金属表而形成蚀坑。拉应力除促使局部地区钝化 膜破坏外，更主要的是在蚀坑或原有裂纹的尖端形成应力集中，使阳极电位降低，加速阳极 金属的溶解。如果裂纹尖端的应力集中始终存在，那么微电池便不断进行，钝化膜不能恢复, 裂纹将逐步纵深扩展。4、分析应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt与K I关系曲线，并与疲劳裂纹扩展速率曲线进行比较。5、某髙强度钢的。=1400MPa,在水的介质中的K I ssc= - 裂纹扩展到第二阶段的 da/dt=2X10-6mm/s,第二阶段结朿时的K I =62MPa该材料制成的机件在水介质中 工作，工作拉应力 =400MPao探伤发现该机件表而有半径

44、a0=4mm的半圆形裂纹。试粗略 估算英剩余寿命。6、何为氢致延滞性断裂为什么髙强度钢的氢致延滞断裂是在一立的应变速率下和一泄的温 度范用内岀现答：氢致延滞断裂：高强度钢或a+B钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢（原来存在 的或从环境介质中吸收的），在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕疗期后，在金 属内部，特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。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。因为当应变率较低时，若试验温度过 低，氢的扩散速率很慢，永远跟不上位错的运动。因此不能形成氢气团，氢也难以聚集，就 不会岀现氢脆，当温度变大一些，氢的扩散速率与位

45、错运动速率逐步适应，于是塑性开始降 低。当温度升到更大的时候，两者运动速率完全吻合，此时塑性最差，对氢脆最敏感。温度 再升高时，一方而形成氢气团，同时由于热作用，又促进已聚集的氢原子离开气团向四周均 匀扩散，降低了气团对位错的“钉扎”作用，并减少氢偏聚的尝试于是金属的塑性开始上升。 当温度更大时，氢气团完全被扩散破坏，氢脆现象完全消除。应变速率对氢脆敏感性的影响 也是如此。所以髙强度钢的氢致延滞断裂是在一立的应变速率下和一泄的温度范用内岀现。7、试述区別高强度钢的应力腐蚀与氢致延滞断裂的认识方法。答：可采用极化试验方法，即利用外加电流对静载下产生裂纹时或裂纹扩展速率的影响来判 断。当外加小的阳

46、极电流而缩短产生裂纹时间的是应力腐蚀；当外加小的阴极电流而缩短产 生裂纹时间的是氢致延滞断裂。对于一个已断裂的机件来说，还可从断口形貌上来加以区分。（具体见书P168）O8、有一 M24栓焊桥梁用髙强度螺栓，采用40B钢调质制成，抗拉强度为1200MPa,承受 拉应力650MPao在使用中，由于潮湿空气及雨淋的影响发生断裂事故。观察断口发现，裂 纹从螺纹根部开始，有明显的沿断裂特征，随后是快速脆断部分。断口上较多的腐蚀产物, 且有较多的二次裂纹。试分析该螺栓产生断裂的原因，并考虑防止这种断裂的措施。第七章习题与答案1、解释下列名词:（1）磨损：机械表而相接触并作相对运动时，表而逐渐有微小颗粒分

47、离出来形成磨眉，使 表而材料逐渐损失、造成表而损伤的现象。（2）粘着：实际上就是原子间的键合作用。（3）磨屑：松散的尺寸与形状均不相同的碎屑。（4）跑合：在稳左磨损阶段前，摩擦副双方表而逐渐被磨平，实际接触而积增大的过程。（5）咬死：在粘着磨损的过程中，常在较软一方本体内产生剪断，英碎片则转较硬一方的 表而上，软方金属在硬方表而逐步积累最终使不同金属的摩擦副滑动成为相同金属间的滑 动，故磨损量较大，表而较粗糙，发生卡死的现象。（6）犁皱：韧性金属材料在磨粒磨损后表面的形貌。（7）耐磨性：材料抵抗磨损的性能。（8）接触疲劳：机件两接触而作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下, 材料

48、表而因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使物质损失的现象，又称 表而疲劳磨损或疲劳磨损。2、试比较三类磨粒磨损的异同，并讨论加工硬化对它们的影响。答：（1）低应力划伤式的磨料磨损，它的特点是磨料作用于零件表面的应力不超过磨料的压 溃强度，材料表而被轻微划伤。生产中的犁伴，及煤矿机械中的刮板输送机油楷磨损情况就 是屑于这种类型。（2）髙应力辗碎式的磨料磨损，苴特点是磨料与零件表面接触处的最大压 应力大于磨料的压溃强度。生产中球磨机村板与磨球，破碎式滚筒的磨损便是属于这种类型。（3）凿削式磨料磨损，其特点是磨料对材料表而有大的冲击力，从材料表面凿下较大颗料的 磨屑,如挖掘机斗齿及领式

49、破碎机的齿板。3、试述粘着磨损产生的条件、机理及其防止措 施。加工硬化对金属材料抗磨粒磨损能力的影响，因磨损类型不同而异。在低应力擦伤性磨 粒磨损时，加工硬化对材料的耐磨性没有影响，这是由于磨粒或硬的凸岀部分切削金属时， 局部区域产生急剧加工硬化，比预先加工硬化要剧烈得多所致。但在高应力碾碎性磨粒磨损 时，加工硬化能显著提髙耐磨性，因为此时磨损过程不同于低应力下的情况，表面金属材料 主要是通过疲劳破坏而不是切削作用去除的。3、试述粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施。答：粘着磨损是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小时发生的，它是因缺乏 润滑汕，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以

50、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：其机理是摩擦副实际表面上总存在局部凸起，当摩擦副双方接触时, 即使施加较小载荷，在真实接触而上的局部应力就足以引起塑性变形。倘若接触而上洁净而 未受到腐蚀，则局部塑性变形会使两个接触而的原子彼此十分接近而产生强烈粘着。随后在 继续滑动的过程中，粘着点被剪断并转移到一方金属表而，然后脱落下来便形成磨酬。一个 粘着点剪断了，又在新的地方粘着，随后也被剪断的过程，构成了磨损过程。4、滑动速度和接触压力对磨损量有什么影响答：滑动速度和接触压力越大，磨损量会越大（具体见有关书籍）。（5、比较粘着磨损、磨粒磨损和微动磨损摩擦而的形貌特征。答：三者相比，磨粒磨损的特征最明显：磨粒磨损而