工程材料力學(xué)性能作業(yè)答案.doc

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第一章 包申格效應(yīng)：指原先經(jīng)過(guò)少量塑性變形，卸載后同向加載，彈性極限（σP）或屈服強(qiáng)度（σS）增加；反向加載時(shí)彈性極限（σP）或屈服強(qiáng)度（σS）降低的現(xiàn)象。 解理斷裂：沿一定的晶體學(xué)平面產(chǎn)生的快速穿晶斷裂。晶體學(xué)平面－－解理面，一般是低指數(shù)，表面能低的晶面。 解理面：在解理斷裂中具有低指數(shù)，表面能低的晶體學(xué)平面。 韌脆轉(zhuǎn)變：材料力學(xué)性能從韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變到脆性狀態(tài)的現(xiàn)象（沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型轉(zhuǎn)變微穿晶斷裂，斷口特征由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀）。 靜力韌度：材料在靜拉伸時(shí)單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功叫做靜力韌度。是一個(gè)強(qiáng)度與塑性的綜合指標(biāo)，是表示靜載下材料強(qiáng)度與塑性的最佳配合。 可以從河流花樣的反“河流”方向去尋找裂紋源。 解理斷裂是典型的脆性斷裂的代表，微孔聚集斷裂是典型的塑性斷裂。 5.影響屈服強(qiáng)度的因素 與以下三個(gè)方面相聯(lián)系的因素都會(huì)影響到屈服強(qiáng)度 位錯(cuò)增值和運(yùn)動(dòng) 晶粒、晶界、第二相等 外界影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的因素 主要從內(nèi)因和外因兩個(gè)方面考慮 （一） 影響屈服強(qiáng)度的內(nèi)因素 1．金屬本性和晶格類(lèi)型（結(jié)合鍵、晶體結(jié)構(gòu)） 單晶的屈服強(qiáng)度從理論上說(shuō)是使位錯(cuò)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的臨界切應(yīng)力，其值與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受到的阻力（晶格阻力－－派拉力、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)交互作用產(chǎn)生的阻力）決定。 派拉力： 位錯(cuò)交互作用力 （a是與晶體本性、位錯(cuò)結(jié)構(gòu)分布相關(guān)的比例系數(shù)，L是位錯(cuò)間距。） 2．晶粒大小和亞結(jié)構(gòu) 晶粒小→晶界多（阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）→位錯(cuò)塞積→提供應(yīng)力→位錯(cuò)開(kāi)動(dòng) →產(chǎn)生宏觀塑性變形 。 晶粒減小將增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙的數(shù)目，減小晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積群的長(zhǎng)度，使屈服強(qiáng)度提高（細(xì)晶強(qiáng)化）。 屈服強(qiáng)度與晶粒大小的關(guān)系： 霍爾－派奇（Hall-Petch) σs= σi+kyd-1/2 3．溶質(zhì)元素 加入溶質(zhì)原子→（間隙或置換型）固溶體→（溶質(zhì)原子與溶劑原子半徑不一樣）產(chǎn)生晶格畸變→產(chǎn)生畸變應(yīng)力場(chǎng)→與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)交互運(yùn)動(dòng) →使位錯(cuò)受阻→提高屈服強(qiáng)度 （固溶強(qiáng)化） 。 4．第二相（彌散強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化） 不可變形第二相 提高位錯(cuò)線張力→繞過(guò)第二相→留下位錯(cuò)環(huán) →兩質(zhì)點(diǎn)間距變小 → 流變應(yīng)力增大。 可變形第二相 位錯(cuò)切過(guò)（產(chǎn)生界面能），使之與機(jī)體一起產(chǎn)生變形，提高了屈服強(qiáng)度。 彌散強(qiáng)化： 第二相質(zhì)點(diǎn)彌散分布在基體中起到的強(qiáng)化作用。 沉淀強(qiáng)化： 第二相質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過(guò)固溶后沉淀析出起到的強(qiáng)化作用。 （二） 影響屈服強(qiáng)度的外因素 1.溫度 一般的規(guī)律是溫度升高，屈服強(qiáng)度降低。 原因：派拉力屬于短程力，對(duì)溫度十分敏感。 2.應(yīng)變速率 應(yīng)變速率大，強(qiáng)度增加。 σε,t= C1(ε)m 3．應(yīng)力狀態(tài) 切應(yīng)力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強(qiáng)度越低。 缺口效應(yīng)：試樣中“缺口”的存在，使得試樣的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響材料的力學(xué)性能的現(xiàn)象。 9. 細(xì)晶強(qiáng)化能強(qiáng)化金屬又不降低塑性。 10.韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)別。為什么脆性斷裂更加危險(xiǎn)？ 韌性斷裂： 是斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂 特征： 斷裂面一般平行于最大切應(yīng)力與主應(yīng)力成45度角。 斷口成纖維狀（塑變中微裂紋擴(kuò)展和連接），灰暗色（反光能力弱）。 斷口三要素： 纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇 這三個(gè)區(qū)域的比例關(guān)系與材料韌斷性能有關(guān)。 塑性好，放射線粗大 塑性差，放射線變細(xì)乃至消失。 脆性斷裂： 斷裂前基本不發(fā)生塑性變形的，突發(fā)的斷裂。 特征： 斷裂面與正應(yīng)力垂直，斷口平齊而光滑，呈放射狀或結(jié)晶狀。 注意：脆性斷裂也產(chǎn)生微量塑性變形。 斷面收縮率小于5％為脆性斷裂，大于5％為韌性斷裂。 23.斷裂發(fā)生的必要和充分條件之間的聯(lián)系和區(qū)別。 格雷菲斯裂紋理論是根據(jù)熱力學(xué)原理，用能量平衡（彈性能的降低與表面能的增加相平衡）的方法推到出了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界條件。該條件是是斷裂發(fā)生的必要條件，但并不意味著一定會(huì)斷裂。 該斷裂判據(jù)為： 裂紋擴(kuò)展的充分條件是其尖端應(yīng)力要大于等于理論斷裂強(qiáng)度。（是通過(guò)力學(xué)方法推到的斷裂判據(jù)） 該應(yīng)力斷裂判據(jù)為： 對(duì)比這兩個(gè)判據(jù)可知： 當(dāng)ρ＝3a0時(shí)，必要條件和充分條件相當(dāng) ρ<3a0時(shí)，滿(mǎn)足必要條件就可行（同時(shí)也滿(mǎn)足充分條件） ρ> 3a0時(shí)，滿(mǎn)足充分條件就可行（同時(shí)也滿(mǎn)足必要條件） 25. 材料成分： rs—有效表面能，主要是塑性變形功，與有效滑移系數(shù)目和可動(dòng)位錯(cuò)有關(guān) 具有fcc結(jié)構(gòu)的金屬有效滑移系和可動(dòng)位錯(cuò)的數(shù)目都比較多，易于塑性變形，不易脆斷。 凡加入合金元素引起滑移系減少、孿生、位錯(cuò)釘扎的都增加脆性；若合金中形成粗大第二相也使脆性增加。 雜質(zhì)： 聚集在晶界上的雜質(zhì)會(huì)降低材料的塑性，發(fā)生脆斷。 溫度： σi---位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)摩擦阻力。其值高，材料易于脆斷。 Bcc金屬具有低溫脆斷現(xiàn)象，因?yàn)棣襥隨著溫度的減低而急劇增加，同時(shí)在低溫下，塑性變形一孿生為主，也易于產(chǎn)生裂紋。故低溫脆性大。 晶粒大?。? d值小位錯(cuò)塞積的數(shù)目少，而且晶界多。故裂紋不易產(chǎn)生，也不易擴(kuò)展。所以細(xì)晶組織有抗脆斷性能。 應(yīng)力狀態(tài)： 減小切應(yīng)力與正應(yīng)力比值的應(yīng)力狀態(tài)都將增加金屬的脆性 加載速度 加載速度大，金屬會(huì)發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變。 第二章 應(yīng)力狀態(tài)軟化系數(shù)：為了表示應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料塑性變形的影響，引入了應(yīng)力狀態(tài)柔度系數(shù)a，它的定義為： 應(yīng)力狀態(tài)柔度系數(shù)a，表征應(yīng)力狀態(tài)的軟硬。 表示材料塑性變形的難易程度。 缺口效應(yīng)：試樣中“缺口”的存在，使得試樣的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響材料的力學(xué)性能的現(xiàn)象。 缺口敏感度： 為 是有缺口試樣的抗拉強(qiáng)度與無(wú)缺口試樣的抗拉強(qiáng)度的比值。表示缺口的存在對(duì)試樣抗拉強(qiáng)度的影響程度或材料對(duì)缺口的敏感程度。 布氏硬度： 洛氏硬度： 維氏硬度： 努氏硬度： 肖氏硬度： 里氏硬度： 7.說(shuō)明布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度的實(shí)驗(yàn)原理和優(yōu)缺點(diǎn)。 1、氏硬度試驗(yàn)的基本原理 在直徑D的鋼珠（淬火鋼或硬質(zhì)合金球）上，加一定負(fù)荷F，壓入被試金屬的表面，保持規(guī)定時(shí)間卸除壓力，根據(jù)金屬表面壓痕的陷凹面積計(jì)算出應(yīng)力值，以此值作為硬度值大小的計(jì)量指標(biāo)。 優(yōu)點(diǎn)： 代表性全面，因?yàn)槠鋲汉勖娣e較大，能反映金屬表面較大體積范圍內(nèi)各組成相綜合平均的性能數(shù)據(jù)，故特別適宜于測(cè)定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶?；虼执蠼M成相 的金屬材料。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)從小到大都可以統(tǒng)一起來(lái)。 缺點(diǎn)： 鋼球本身變形問(wèn)題。對(duì)HB>450以上的太硬材料，因鋼球變形已很顯著，影響所測(cè)數(shù)據(jù)的正確性，因此不能使用。 由于壓痕較大，不宜于某些表面不允許有較大壓痕的成品檢驗(yàn)，也不宜于薄件試驗(yàn)。 不同材料需更換壓頭直徑和改變?cè)囼?yàn)力，壓痕直徑的測(cè)量也較麻煩。 2、洛氏硬度的測(cè)量原理 洛氏硬度是以壓痕陷凹深度作為計(jì)量硬度值的指標(biāo)。 洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn) 洛氏硬度試驗(yàn)避免了布氏硬度試驗(yàn)所存在的缺點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是： 1)因有硬質(zhì)、軟質(zhì)兩種壓頭，故適于各種不同硬質(zhì)材料的檢驗(yàn)，不存在壓頭變形問(wèn)題； 2)壓痕小，不傷工件，適用于成品檢驗(yàn) ； 3)操作迅速，立即得出數(shù)據(jù)，測(cè)試效率高。 缺點(diǎn)是：代表性差，用不同硬度級(jí)測(cè)得的硬度值無(wú)法統(tǒng)一起來(lái)，無(wú)法進(jìn)行比較。 3、維氏硬度的測(cè)定原理 維氏硬度的測(cè)定原理和布氏硬度相同,也是根據(jù)單位壓痕陷凹面積上承受的負(fù)荷，即應(yīng)力值作為硬度值的計(jì)量指標(biāo)。 維氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn) 1、不存在布氏那種負(fù)荷F和壓頭直徑D的規(guī)定條件的約束，以及壓頭變形問(wèn)題； 2、也不存在洛氏那種硬度值無(wú)法統(tǒng)一的問(wèn)題； 3、它和洛氏一樣可以試驗(yàn)任何軟硬的材料，并且比洛氏能更好地測(cè)試極薄件(或薄層)的硬度，壓痕測(cè)量的精確度高，硬度值較為精確。 4、負(fù)荷大小可任意選擇。（維氏顯微硬度） 唯一缺點(diǎn)是硬度值需通過(guò)測(cè)量對(duì)角線后才能計(jì)算(或查表)出來(lái)，因此生產(chǎn)效率沒(méi)有洛氏硬度高。 8.今有如下零件和材料需要測(cè)定硬度，試說(shuō)明選擇何種硬度實(shí)驗(yàn)方法為宜。 （1）滲碳層的硬度分布；（2）淬火鋼；（3）灰鑄鐵；（4）鑒別鋼中的隱晶馬氏體和殘余奧氏體；（5）儀表小黃銅齒輪；（6）龍門(mén)刨床導(dǎo)軌；（7）滲氮層；（8）高速鋼刀具；（9）退火態(tài)低碳鋼；（10）硬質(zhì)合金。 （1）滲碳層的硬度分布---- HK或-顯微HV （2）淬火鋼-----HRC （3）灰鑄鐵-----HB （4）鑒別鋼中的隱晶馬氏體和殘余奧氏體-----顯微HV或者HK （5）儀表小黃銅齒輪-----HV （6）龍門(mén)刨床導(dǎo)軌-----HS（肖氏硬度）或HL(里氏硬度) （7）滲氮層-----HV （8）高速鋼刀具-----HRA （9）退火態(tài)低碳鋼-----HRB （10）硬質(zhì)合金----- HRA 第三章 沖擊韌度：材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的大小，也即沖擊吸收功Ak。 低溫脆性：在試驗(yàn)溫度低于某一溫度tk時(shí)，會(huì)由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變未脆性狀態(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型轉(zhuǎn)變微穿晶斷裂，斷口特征由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性。 韌脆轉(zhuǎn)變溫度：材料在低于某一溫度tk時(shí)，會(huì)由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變未脆性狀態(tài)，tk稱(chēng)為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 什么是低溫脆性、韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk？產(chǎn)生低溫脆性的原因是什么？體心立方和面心立方金屬的低溫脆性有和差異？為什么？ 答：在試驗(yàn)溫度低于某一溫度tk時(shí)，會(huì)由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變未脆性狀態(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型轉(zhuǎn)變微穿晶斷裂，斷口特征由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性。 tk稱(chēng)為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 低溫脆性的原因： 低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨溫度降低而急劇增加，而解理斷裂強(qiáng)度隨溫度變化很小的結(jié)果。如圖所示：當(dāng)溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，斷裂強(qiáng)度大于屈服強(qiáng)度，材料先屈服再斷裂（表現(xiàn)為塑韌性）；當(dāng)溫度低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，斷裂強(qiáng)度小于屈服強(qiáng)度，材料無(wú)屈服直接斷裂（表現(xiàn)為脆性）。 心立方和面心立方金屬低溫脆性的差異： 體心立方金屬的低溫脆性比面心立方金屬的低溫脆性顯著。 原因： 這是因?yàn)榕衫?duì)其屈服強(qiáng)度的影響占有很大比重，而派拉力是短程力，對(duì)溫度很敏感，溫度降低時(shí)，派拉力大幅增加，則其強(qiáng)度急劇增加而變脆。 6. 拉伸 沖擊彎曲 缺口試樣拉伸 第四章 KI稱(chēng)為I型裂紋的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，它是衡量裂紋頂端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)烈程度的函數(shù)，決定于應(yīng)力水平、裂紋尺寸和形狀。 塑性區(qū)尺寸較裂紋尺寸a及靜截面尺寸為小時(shí)（小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上），即在所謂的小范圍屈服 裂紋的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子與其斷裂韌度相比較，若裂紋要失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷，則應(yīng)有： 這就是斷裂K判據(jù)。 應(yīng)力強(qiáng)度因子K1是描寫(xiě)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度的復(fù)合力學(xué)參量，可將它看作推動(dòng)裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力。對(duì)于受載的裂紋體，當(dāng)K1增大到某一臨界值時(shí)，裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)應(yīng)力達(dá)到了材料的斷裂強(qiáng)度，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。這一臨界值便稱(chēng)為斷裂韌度Kc或K1c。 意義： KC平面應(yīng)力斷裂韌度（薄板受力狀態(tài)） KIC平面應(yīng)變斷裂韌度（厚板受力狀態(tài)） 16.有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探傷發(fā)現(xiàn)有20mm長(zhǎng)的橫向穿透裂紋，若在平均軸向拉應(yīng)力900MPa下工作，試計(jì)算KI及塑性區(qū)寬度R0，并判斷該件是否安全？ 解：由題意知穿透裂紋受到的應(yīng)力為σ=900MPa 根據(jù)σ/σ0.2的值，確定裂紋斷裂韌度KIC是否休要修正 因?yàn)棣?σ0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂紋斷裂韌度KI需要修正 對(duì)于無(wú)限板的中心穿透裂紋，修正后的KI為： = （MPa*m1/2） 塑性區(qū)寬度為： =0.004417937(m)= 2.21(mm) 比較K1與KIc： 因?yàn)镵1=168.13（MPa*m1/2） KIc=115（MPa*m1/2） 所以：K1>KIc ，裂紋會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展 , 所以該件不安全。 17.有一軸件平行軸向工作應(yīng)力150MPa，使用中發(fā)現(xiàn)橫向疲勞脆性正斷，斷口分析表明有25mm深度的表面半橢圓疲勞區(qū)，根據(jù)裂紋a/c可以確定φ=1，測(cè)試材料的σ0.2=720MPa ，試估算材料的斷裂韌度KIC為多少？ 解： 因?yàn)棣?σ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂紋斷裂韌度KIC不需要修正 則此時(shí)該裂紋的斷裂韌度KIC為： KIC=Yσcac1/2 對(duì)于表面半橢圓裂紋，Y=1.1/φ=1.1 所以，KIC=Yσcac1/2=1.1=46.229（MPa*m1/2） 第五章 應(yīng)力比r=σmin /σmax 材料所受循環(huán)應(yīng)力中最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值。 fgsdfg 疲勞貝紋線：疲勞斷口上具有類(lèi)似貝殼紋路的宏觀特征形貌。 疲勞條帶：在疲勞斷口的顯微形貌上，呈現(xiàn)彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱(chēng)為疲勞條帶。 疲勞壽命：在疲勞（斷裂）過(guò)程中，由疲勞裂紋萌生期和裂紋亞穩(wěn)定擴(kuò)展期的時(shí)間段（或循環(huán)周次）組成時(shí)間段（或循環(huán)周次）即是疲勞壽命。 熱疲勞： 機(jī)件在由溫度循環(huán)變化時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及熱應(yīng)力變形作用下發(fā)生的疲勞就叫熱疲勞。 由于溫度周期變化引起零件或構(gòu)件的自由膨脹和收縮，而又因這種膨脹和收縮受到約束，產(chǎn)生了交變熱應(yīng)力，由這種交變熱應(yīng)力引起的破壞就叫熱疲勞。 過(guò)載損傷：金屬在高于疲勞極限的應(yīng)力水平下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后，其疲勞極限的應(yīng)力水平下降，這種現(xiàn)象就是過(guò)載損傷。 金屬的疲勞：金屬在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，由于積累損傷而引起的斷裂現(xiàn)象 （即使所受的應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，也會(huì)發(fā)生斷裂）。 二．意義 σ-1：疲勞強(qiáng)度。對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力作用下的彎曲疲勞極限（強(qiáng)度）。（是在循環(huán)應(yīng)力周次增加到一定臨界值后，材料應(yīng)力基本不再降低時(shí)的應(yīng)力值；或是應(yīng)力循環(huán)107周次材料不斷裂所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。） σ-1p：對(duì)稱(chēng)拉壓疲勞極限。 τ-1：對(duì)稱(chēng)扭轉(zhuǎn)疲勞極限。 σ-1N；缺口試樣在對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)作用下的疲勞極限。 疲勞缺口敏感度： 金屬材料在交變載荷作用下的缺口敏感性用疲勞缺口敏感度qf來(lái)評(píng)定 qf=（Kf-1)/(kt-1) Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)，kf為疲勞缺口系數(shù)。 kf為光滑試樣與缺口試樣疲勞極限之比kf =σ-1/σ-1N 過(guò)載損傷界；抗疲勞過(guò)載損傷的能力用過(guò)載損傷界表示。 疲勞門(mén)檻值： △Kth是疲勞裂紋不擴(kuò)展的△ K（應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍）臨界值，稱(chēng)為疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值。表示材料阻止疲勞裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的性能。 9.試述疲勞微觀斷口的特征及其形成過(guò)程。 微觀形貌有疲勞條帶。 滑移系多的面心立方金屬，其疲勞條帶明顯 滑移系少或組織復(fù)雜的金屬，其疲勞條帶短窄而紊亂。 疲勞裂紋擴(kuò)展的塑性鈍化模型(Laird模型)： 圖中(a),在交變應(yīng)力為零時(shí)裂紋閉合。 圖(b)，裂紋張開(kāi)，在裂紋尖端沿最大切應(yīng)力方向產(chǎn)生滑移。 圖(c),裂紋張開(kāi)至最大，塑性變形區(qū)擴(kuò)大，裂紋尖端張開(kāi)呈半圓形，裂紋停止擴(kuò)展。由于塑性變形裂紋尖端的應(yīng)力集中減小，裂紋停止擴(kuò)展的過(guò)程稱(chēng)為“塑性鈍化”。 圖(d)，當(dāng)應(yīng)力變?yōu)閴嚎s應(yīng)力時(shí)，滑移方向也改變了，裂紋尖端被壓彎成“耳狀”切口。 圖(e)，到壓縮應(yīng)力為最大值時(shí)，裂紋完全閉合，裂紋尖端又由鈍便銳。 13.試述金屬的硬化與軟化現(xiàn)象及產(chǎn)生條件。 金屬材料在恒定應(yīng)變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應(yīng)力不斷增加，即為循環(huán)硬化。 金屬材料在恒定應(yīng)變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應(yīng)力逐漸減小，即為循環(huán)軟化。 金屬材料產(chǎn)生循環(huán)硬化與軟化取決于材料的初始狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特性以及應(yīng)變幅和溫度等。 循環(huán)硬化和軟化與σb / σs有關(guān)： σb / σs>1.4，表現(xiàn)為循環(huán)硬化； σb / σs<1.2，表現(xiàn)為循環(huán)軟化； 1.2<σb / σs<1.4，材料比較穩(wěn)定，無(wú)明顯循環(huán)硬化和軟化現(xiàn)象。 也可用應(yīng)變硬化指數(shù)n來(lái)判斷循環(huán)應(yīng)變對(duì)材料的影響，n<1軟化，n>1硬化。 退火狀態(tài)的塑性材料往往表現(xiàn)為循環(huán)硬化，加工硬化的材料表現(xiàn)為循環(huán)軟化。 循環(huán)硬化和軟化與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)： 退火軟金屬中，位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用，運(yùn)動(dòng)阻力增大而硬化。 冷加工后的金屬中，有位錯(cuò)纏結(jié)，在循環(huán)應(yīng)力下破壞，阻力變小而軟化。 14.試述低周疲勞的規(guī)律及曼森-柯芬關(guān)系。 低周疲勞的應(yīng)變-壽命曲線如圖5-34，曼森-柯芬等分析了低周疲勞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了低周疲勞壽命的公式： 請(qǐng)結(jié)合該公式，分析圖5-34的變化規(guī)律，指出低周疲勞和高周疲勞的什么起主導(dǎo)作用，選材時(shí)應(yīng)分別以什么性能為主？ 答：低周疲勞壽命的公式由彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變兩部分對(duì)應(yīng)的壽命公式組成，其對(duì)應(yīng)的公式分別為： 將以上兩公式兩邊分別取對(duì)數(shù)，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，上兩公式就變成了兩條直線，分別代表彈性應(yīng)變幅-壽命線和塑性應(yīng)變幅-壽命線。兩條直線斜率不同，其交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壽命稱(chēng)為過(guò)渡壽命。在交點(diǎn)左側(cè)，即低周疲勞范圍內(nèi)，塑性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由塑性控制；在高周疲勞區(qū)，彈性應(yīng)變幅起主導(dǎo)作用，材料的疲勞壽命由強(qiáng)度控制。選材時(shí)，高周疲勞主要考慮強(qiáng)度，低周疲勞考慮塑性。 第六章 名詞解釋?zhuān)? 應(yīng)力腐蝕：金屬在拉應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)的共同作用下引起的脆性斷裂叫應(yīng)力腐蝕。 氫蝕：氫與金屬中的第二相作用生成高壓氣體，使機(jī)體金屬晶界結(jié)合力減小而最終斷裂的現(xiàn)象。 白點(diǎn)：在熔煉時(shí)，若鋼中含有過(guò)量的氫，且未能擴(kuò)散逸出，這在冷卻時(shí)聚集到缺陷處，形成氫氣。在該處內(nèi)壓力很大，足以將金屬局部撕裂，形成微裂紋。這種微裂紋的斷面呈銀白色圓或橢圓，故稱(chēng)為白點(diǎn)。 氫化物致脆：第四、五副族金屬易與氫形成脆性氫化物，使金屬脆化的現(xiàn)象。 氫致延滯斷裂：高強(qiáng)度鋼中固溶一定量的氫，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過(guò)一段孕育期后，金屬內(nèi)部形成裂紋，發(fā)生斷裂。 σIscc ：材料不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力。 KIscc：不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子稱(chēng)為應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KIscc。KIscc表示含有宏觀裂紋的材料，在應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂韌度。 6.何謂氫致延滯斷裂？為什么高強(qiáng)度鋼的氫致延滯斷裂是在一定的應(yīng)變速率下和一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)？ 答：高強(qiáng)度鋼中固溶一定量的氫，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過(guò)一段孕育期后，金屬內(nèi)部形成裂紋，發(fā)生斷裂。----氫致延滯斷裂。 因?yàn)闅渲卵訙嗔训臋C(jī)理主要是氫固溶于金屬晶格中，產(chǎn)生晶格膨脹畸變，與刃位錯(cuò)交互作用，氫易遷移到位錯(cuò)拉應(yīng)力處，形成氫氣團(tuán)。 當(dāng)應(yīng)變速率較低而溫度較高時(shí)，氫氣團(tuán)能跟得上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，但滯后位錯(cuò)一定距離。因此，氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)起“釘扎”作用，產(chǎn)生局部硬化。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，氫氣團(tuán)易于在塞積處聚集，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋。 若應(yīng)變速率過(guò)高以及溫度低的情況下，氫氣團(tuán)不能跟上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，便不能產(chǎn)生“釘扎”作用，也不可能在位錯(cuò)塞積處聚集，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋。 所以氫致延滯斷裂是在一定的應(yīng)變速率下和一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的。 第七章 磨損：機(jī)件表面相互接觸并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，表面逐漸有微小顆粒分離出來(lái)形成磨屑，使表面材料逐漸損失、造成表面損傷的現(xiàn)象。 接觸疲勞：兩接觸面做滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，材料表面因疲勞損傷，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片金屬剝落而使材料損失的現(xiàn)象。 3.粘著磨損產(chǎn)生的條件、機(jī)理及其防止措施 ----- 又稱(chēng)為咬合磨損，在滑動(dòng)摩擦條件下，摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度較小，因缺乏潤(rùn)滑油，摩擦副表面無(wú)氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應(yīng)力超過(guò)實(shí)際接觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的一種磨損。 磨損機(jī)理： 實(shí)際接觸點(diǎn)局部應(yīng)力引起塑性變形，使兩接觸面的原子產(chǎn)生粘著。 粘著點(diǎn)從軟的一方被剪斷轉(zhuǎn)移到硬的一方金屬表面，隨后脫落形成磨屑 舊的粘著點(diǎn)剪斷后，新的粘著點(diǎn)產(chǎn)生，隨后也被剪斷、轉(zhuǎn)移。如此重復(fù)，形成磨損過(guò)程。 改善粘著磨損耐磨性的措施 1.選擇合適的摩擦副配對(duì)材料 選擇原則：配對(duì)材料的粘著傾向小 互溶性小 表面易形成化合物的材料 金屬與非金屬配對(duì) 2.采用表面化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài) 進(jìn)行滲硫、磷化、碳氮共滲等在表面形成一層化合物或非金屬層，即避免摩擦副直接接觸又減小摩擦因素。 3.控制摩擦滑動(dòng)速度和接觸壓力 減小滑動(dòng)速度和接觸壓力能有效降低粘著磨損。 4.其他途徑 改善潤(rùn)滑條件，降低表面粗糙度，提高氧化膜與機(jī)體結(jié)合力都能降低粘著磨損。 影響接觸疲勞壽命的因素？ 內(nèi)因 1.非金屬夾雜物 脆性非金屬夾雜物對(duì)疲勞強(qiáng)度有害 適量的塑性非金屬夾雜物（硫化物）能提高接觸疲勞強(qiáng)度 塑性硫化物隨基體一起塑性變形，當(dāng)硫化物把脆性?shī)A雜物包住形成共生夾雜物時(shí)，可以降低脆性?shī)A雜物的不良影響。 生產(chǎn)上盡可能減少鋼中非金屬夾雜物。 2.熱處理組織狀態(tài) 接觸疲勞強(qiáng)度主要取決于材料的抗剪切強(qiáng)度，并有一定的韌性相配合。 當(dāng)馬氏體含碳量在0.4~0.5w%時(shí)，接觸疲勞壽命最高。 馬氏體和殘余奧氏體的級(jí)別 殘余奧氏體越多，馬氏體針越粗大，越容易產(chǎn)生微裂紋，疲勞強(qiáng)度低。 未溶碳化物和帶狀碳化物越多，接觸疲勞壽命越低。 3.表面硬度和心部硬度 在一定硬度范圍內(nèi)，接觸疲勞強(qiáng)度隨硬度的升高而增加，但并不保持正比線性關(guān)系。 表面形成一層極薄的殘余奧氏體層，因表面產(chǎn)生微量塑性變形和磨損，增加了接觸面積，減小了應(yīng)力集中，反而增加了接觸疲勞壽命。 滲碳件心部硬度太低，表層硬度梯度過(guò)大，易在過(guò)渡區(qū)內(nèi)形成裂紋而產(chǎn)生深層剝落。 表面硬化層深度和殘余內(nèi)應(yīng)力 硬化深度要適中，殘余壓應(yīng)力有利于提高疲勞壽命。 外因 1.表面粗糙度 減少加工缺陷，降低表面粗糙度，提高接觸精度，可以有效增加接觸疲勞壽命。 接觸應(yīng)力低，表面粗糙度對(duì)疲勞壽命影響較大 接觸應(yīng)力高，表面粗糙度對(duì)疲勞壽命影響較小 2.硬度匹配 兩個(gè)接觸滾動(dòng)體的硬度和裝配質(zhì)量等都應(yīng)匹配適當(dāng)。 第八章 蠕變：在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。 等強(qiáng)溫度（TE）：晶粒強(qiáng)度與晶界強(qiáng)度相等的溫度。 蠕變極限：在高溫長(zhǎng)時(shí)間載荷作用下不致產(chǎn)生過(guò)量塑性變形的抗力指標(biāo)。 該指標(biāo)與常溫下的屈服強(qiáng)度相似。 持久強(qiáng)度極限：在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的斷裂強(qiáng)度---持久強(qiáng)度極限。 蠕變極限的兩種表達(dá)方式： 1. 在規(guī)定溫度(t)下，使試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)蠕變速率(?)不超過(guò)規(guī)定值的最大應(yīng)力（σt?）。 σ6001X10-5=60MPa表示溫度為600℃，穩(wěn)定蠕變速率為1X10-5%/h的蠕變極限為60MPa。 2.在規(guī)定溫度(t)下和實(shí)驗(yàn)時(shí)間(τ)內(nèi)，是試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長(zhǎng)率(δ)不超過(guò)規(guī)定的最大值 σtδ/τ。 σ5001/105=100MPa，表示材料在500℃，105h后總的生產(chǎn)率位1%的蠕變極限為100MPa。 ℃ 持久強(qiáng)度極限的表達(dá)式 在規(guī)定溫度(t)下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間(τ)而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力（σtτ ）。 σ7001X103=30MPa表示溫度為700℃、1000h的持續(xù)強(qiáng)度極限為30MPa。 四、影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素 由蠕變斷裂機(jī)理可知要降低蠕變速度提高蠕變極限，必須控制位錯(cuò)攀移的速度； 要提高斷裂抗力，即提高持久強(qiáng)度，必須抑制晶界的滑動(dòng)，也就是說(shuō)要控制晶內(nèi)和晶界的擴(kuò)散過(guò)程。 （一）合金化學(xué)成分的影響 耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大或?qū)渝e(cuò)能低的金屬及合金。 熔點(diǎn)愈高的金屬自擴(kuò)散愈慢 層錯(cuò)能降低易形成擴(kuò)展位錯(cuò) 彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)的滑移與攀移 在基體金屬中加入（高熔點(diǎn)、半徑差距大）的鉻、鉬、鎢、鈮等元素形成固溶體 固溶強(qiáng)化 降低層錯(cuò)能，易形成擴(kuò)展位錯(cuò)。 加入能形成彌散相的合金元素 彌散強(qiáng)化阻礙位錯(cuò)的滑移 加入增加晶界擴(kuò)散激活能的元素（硼、稀土等） 阻礙晶界滑動(dòng) 增大晶界裂紋面的表面能 二）冶煉工藝的影響 減少鋼中的夾雜物和某些缺陷 合金定向生長(zhǎng)（減少橫向晶界） （三）熱處理工藝的影響 對(duì)于珠光體耐熱鋼，一般用正火加回火。 正火溫度較高，促使碳化物較充分而均勻地溶入奧氏體 回火溫度應(yīng)高于使用溫度100~150℃以上，以提高其在使用溫度下的組織穩(wěn)定性。 對(duì)于奧氏體耐熱鋼，一般進(jìn)行固溶處理和時(shí)效 獲得適當(dāng)?shù)木Я６? 改善強(qiáng)化相的分布狀態(tài) （四）晶粒度的影響 當(dāng)使用溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，細(xì)晶鋼有較高的強(qiáng)度；當(dāng)使用溫度高于等強(qiáng)溫度時(shí)，粗晶鋼有較高的蠕變極限和持久強(qiáng)度極限。 但晶粒太大會(huì)降低材料的塑性和韌度 晶粒度要均勻，否則在大小晶粒交界處易產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成裂紋。 （高溫下金屬材料的韌脆變化有和特征？斷裂路徑變化有何變化？結(jié)合等強(qiáng)溫度分析晶粒大小對(duì)金屬材料高溫力學(xué)性能的影響。） 結(jié)合等強(qiáng)溫度分析晶粒大小對(duì)金屬材料高溫力學(xué)性能（韌脆變化、斷裂路徑、蠕變極限和持久強(qiáng)度極限）的影響。 韌脆變化： 高溫短時(shí)加載時(shí)，金屬的塑性增加。 高溫長(zhǎng)時(shí)加載時(shí)，塑性降低，缺口敏感度增加，呈現(xiàn)脆斷現(xiàn)象。 斷裂路徑變化： 常溫下的穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐嗔选? 原因：溫度升高時(shí)晶粒強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度都降低，但晶界強(qiáng)度降低較快。 等強(qiáng)溫度（TE）：晶粒強(qiáng)度與晶界強(qiáng)度相等的溫度。 （四）晶粒度的影響 當(dāng)使用溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，細(xì)晶鋼有較高的強(qiáng)度；當(dāng)使用溫度高于等強(qiáng)溫度時(shí)，粗晶鋼有較高的蠕變極限和持久強(qiáng)度極限。 但晶粒太大會(huì)降低材料的塑性和韌度 晶粒度要均勻，否則在大小晶粒交界處易產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成裂紋。 第九章 銀紋：非晶態(tài)聚合物的某些薄弱區(qū)，因拉應(yīng)力塑性變形，在其表面和內(nèi)部出現(xiàn)閃亮的、細(xì)長(zhǎng)形的“類(lèi)裂紋”----銀紋。 玻璃態(tài)：溫度低于玻璃化溫度時(shí)，聚合物所處于的狀態(tài)即為玻璃態(tài)。 3.線型非晶態(tài)聚合物力學(xué)性能的三態(tài)是什么？各有何特點(diǎn)？ 答：一、玻璃態(tài)下的變形 硬玻璃態(tài) 溫度低于脆化溫度tb，聚合物處于硬玻璃態(tài)。其應(yīng)力應(yīng)變曲線只有彈性變形階段，且伸長(zhǎng)很小、斷口與與拉力方向垂直。彈性模量比其他狀態(tài)的大，無(wú)彈性滯后。為普彈性變形。 軟玻璃態(tài) 當(dāng)溫度處于tb-tg之間時(shí)，聚合物處于玻璃態(tài)。（普彈變形、受迫高彈變形、沿外力再取向） 二、高彈態(tài)下的變形 溫度處于tg-tf間時(shí)，聚合物處于高彈態(tài)。室溫下處于高彈態(tài)的聚合物稱(chēng)為橡膠。 其力學(xué)性能特點(diǎn)是具有高彈性。 在外力作用下，長(zhǎng)鏈通過(guò)鏈段調(diào)整構(gòu)象是原卷曲的鏈沿拉應(yīng)力方向伸長(zhǎng)，宏觀上表現(xiàn)為很大的彈性。 在外力去除時(shí)，接點(diǎn)及扭結(jié)的趨勢(shì)使得聚合物鏈又回復(fù)到卷曲狀態(tài)，宏觀變形消失。 高彈性與交聯(lián)度有關(guān) 交聯(lián)少----產(chǎn)生塑性變形 交聯(lián)多----彈性下降，彈性模量和硬度增加。 三、粘流態(tài)下的變形 溫度高于tf時(shí)，聚合物分子鏈在外力作用下可進(jìn)行整體相對(duì)滑動(dòng)，呈粘性滑動(dòng)，導(dǎo)致不可逆永久變形。 通常把這種無(wú)屈服應(yīng)力出現(xiàn)的流動(dòng)變形稱(chēng)為粘性。 第十章 熱震斷裂：陶瓷材料承受溫度驟變產(chǎn)生瞬時(shí)斷裂，稱(chēng)之為熱震斷裂。 熱震損傷：陶瓷材料在熱沖擊循環(huán)作用下，材料先出現(xiàn)開(kāi)裂、剝落，然后碎裂和變質(zhì)，終至整體破壞，稱(chēng)之為熱震損傷。 簡(jiǎn)述陶瓷材料的增韌措施。 1.改善陶瓷顯微結(jié)構(gòu) 使材料達(dá)到細(xì)密、均、純，是陶瓷材料增韌增強(qiáng)的有效途徑之一。 晶粒形狀也影響陶瓷的韌性。 晶粒長(zhǎng)寬比增加，斷裂韌度增加。 2.相變?cè)鲰g 在外力作用下，陶瓷從亞穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相，消耗一部分外加能量，使材料增韌。 相變?cè)鲰g受使用溫度限制。 3.微裂紋增韌 當(dāng)主裂紋擴(kuò)展遇到微裂紋時(shí)，發(fā)生分叉轉(zhuǎn)變擴(kuò)展方向，增加擴(kuò)展過(guò)程的表面能；同時(shí)，主裂紋尖端應(yīng)力集中被松弛，致使擴(kuò)展速度減慢。 簡(jiǎn)述陶瓷材料的耐磨性的特點(diǎn)。 陶瓷材料的耐磨性與材料種類(lèi)和性能、摩擦條件、環(huán)境，以及陶瓷材料自身的性能和表面狀態(tài)等因素有關(guān)。 陶瓷材料的磨損機(jī)理主要是以微斷裂方式導(dǎo)致的磨粒磨損。 陶瓷材料與陶瓷材料的配對(duì)的摩擦副，其粘著傾向很?。唤饘倥c陶瓷的摩擦副比金屬配對(duì)的摩擦副粘著作用也小。這使得其耐磨性?xún)?yōu)良。 陶瓷材料對(duì)環(huán)境介質(zhì)和氣氛極為敏感，在特定條件下可能會(huì)形成摩擦化學(xué)磨損。這是陶瓷材料特有的磨損機(jī)理。