材料力學(xué)性能總結(jié)

1、材料力學(xué)性能：材料在各種外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。屈服現(xiàn)象：外力不增加，試樣仍然繼續(xù)伸長(zhǎng)，或外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降，隨后在外力不增加或上下波動(dòng)情況下，試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)變形。屈服過(guò)程：在上屈服點(diǎn)，呂德斯帶形成；在下屈服點(diǎn)，呂德斯帶擴(kuò)展；當(dāng)呂德斯帶掃過(guò)整個(gè)試樣時(shí)，屈服伸長(zhǎng)結(jié)束。屈服變形機(jī)制：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與增殖的結(jié)果。屈服強(qiáng)度：開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形的最小應(yīng)力。屈服判據(jù)：屈雷斯加最大切應(yīng)力理論：在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)最大切應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)相同金屬材料的拉伸屈服強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生屈服。米賽斯畸變能判據(jù)：在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)比畸變能等于或超過(guò)相同金屬材料在單向拉伸屈服時(shí)的比畸變能時(shí)，將產(chǎn)生屈服。消除辦法：加入少量能奪

2、取固溶體合金中溶質(zhì)原子的物質(zhì)，使之形成穩(wěn)定化合物的元素；通過(guò)預(yù)變形，使柯氏氣團(tuán)被破壞。影響因素：1. 內(nèi)因：a) 金屬本性及晶格類(lèi)型：金屬本性及晶格類(lèi)型不同，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力不同。b) 晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)：減小晶粒尺寸將使屈服強(qiáng)度提高。c) 溶質(zhì)元素：固溶強(qiáng)化。d) 第二相2. 外因：溫度(-)；應(yīng)變速率(+)；應(yīng)力狀態(tài)。第二相強(qiáng)化(沉淀強(qiáng)化+彌散強(qiáng)化)：通過(guò)第二相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)化。強(qiáng)化效果：在第二相體積比相同的情況下，第二相質(zhì)點(diǎn)尺寸越小，強(qiáng)度越高，強(qiáng)化效果越好；在第二相體積比相同的情況下，長(zhǎng)形質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)化效果比球形質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)化效果好；第二相數(shù)量越多，強(qiáng)化效果越好。細(xì)晶強(qiáng)化：通過(guò)減小晶粒尺寸

3、增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙的數(shù)目(阻力大)，減小晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積群的長(zhǎng)度(應(yīng)力小)，從而使屈服強(qiáng)度提高的方法。同時(shí)提高塑性及韌性的機(jī)理：晶粒越細(xì)，變形分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，變形較均勻，且每個(gè)晶粒中塞積的位錯(cuò)少，因應(yīng)力集中引起的開(kāi)裂機(jī)會(huì)較少，有可能在斷裂之前承受較大的變形量，即表現(xiàn)出較高的塑性。細(xì)晶粒金屬中，裂紋不易萌生（應(yīng)力集中少），也不易傳播（晶界曲折多），因而在斷裂過(guò)程中吸收了更多能量，表現(xiàn)出較高的韌性。固溶強(qiáng)化：在純金屬中加入溶質(zhì)原子形成固溶合金，將顯著提高屈服強(qiáng)度。原因：溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性相互作用，使溶質(zhì)原子擴(kuò)散到位錯(cuò)周?chē)?，形成柯氏氣團(tuán)；柯氏氣團(tuán)釘扎位錯(cuò)，提高位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力。強(qiáng)化效果：間隙固溶體

4、的強(qiáng)化效果大于置換固溶體；溶質(zhì)和溶劑原子尺寸差越大，強(qiáng)化效果越好；溶質(zhì)濃度越大，強(qiáng)化效果越好。應(yīng)變硬化(形變強(qiáng)化)：金屬材料塑性變形過(guò)程中所需要的外力不斷增大，表明金屬材料有一種阻止繼續(xù)塑性變形的能力。原因：塑性變形過(guò)程中，位錯(cuò)不斷增殖，運(yùn)動(dòng)受阻所致。斷裂韌度：臨界或失穩(wěn)狀態(tài)下的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的大小。塑性變形：作用在物體上的外力取消后，物體的變形不完全恢復(fù)而產(chǎn)生的永久變形。1. 單晶體：滑移+孿生；2. 多晶體：各個(gè)晶粒塑性變形的綜合結(jié)果。特點(diǎn)：各晶粒變形的不同時(shí)性；不均勻性；相互協(xié)調(diào)性。彈性變形：當(dāng)外力去除后，能恢復(fù)到原來(lái)形狀或尺寸的變形。物理實(shí)質(zhì)：晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。特

5、點(diǎn)：可逆性；單值性；全程性；變形量很小。構(gòu)件的剛度：構(gòu)件產(chǎn)生單位彈性變形所需要的載荷。物理意義：表示構(gòu)件的彈性穩(wěn)定性的參量，剛度越大，構(gòu)件工作時(shí)越穩(wěn)定。在工程上，為了減輕重量，必須選擇E較大的材料。彈性極限：金屬產(chǎn)生彈性變形而不產(chǎn)生塑性變形時(shí)所受的最大應(yīng)力。它表示材料發(fā)生彈性變形的極限抗力?？s頸：韌性金屬材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象。原因：應(yīng)變硬化與截面積減小共同作用的結(jié)果。當(dāng)應(yīng)變硬化引起的承載力增加不能補(bǔ)償截面積減小引起的承載力減小時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生縮頸?？s頸判據(jù)1：當(dāng)應(yīng)變硬化速率等于該處的真應(yīng)力時(shí)，發(fā)生縮頸?？s頸判據(jù)2：當(dāng)應(yīng)變硬化指數(shù)等于最大真實(shí)均勻塑性應(yīng)變量時(shí)，發(fā)生縮頸。為什么

6、真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線需要校正？因?yàn)榭s頸產(chǎn)生后，應(yīng)力狀態(tài)由單向應(yīng)力變?yōu)槿驊?yīng)力，為了求得仍然是均勻軸向應(yīng)力狀態(tài)下的真實(shí)應(yīng)力，以得到真正的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。為什么校正后的曲線應(yīng)力下降？因?yàn)槿驊?yīng)力狀態(tài)下，材料塑性變形比較困難，所以必須提高軸向應(yīng)力，使塑性變形繼續(xù)發(fā)生。靜力韌度：金屬材料光滑試樣在靜載荷作用下拉伸至斷裂，單位體積材料所吸收的能量。韌度指能量，韌性指能力。韌度：指金屬材料拉伸斷裂前單位體積材料所吸收的能量。韌性：指金屬材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。純剪切斷裂：特征：在切應(yīng)力作用下，金屬產(chǎn)生塑性變形，沿滑移面分離而造成的斷裂。試樣內(nèi)部不產(chǎn)生孔洞，位錯(cuò)只能從試樣表面放出。微孔聚集

7、型斷裂：1. 通過(guò)微孔形核、長(zhǎng)大聚合而導(dǎo)致材料分離的。2. 宏觀特征：杯錐狀斷口；微觀特征：韌窩。3. 微孔形核：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到第二相與基體界面處，塞積產(chǎn)生應(yīng)力集中，使第二相質(zhì)點(diǎn)與基體分離，形成微孔。4. 長(zhǎng)大與聚合：每個(gè)微型拉伸試樣產(chǎn)生縮頸而斷裂，相鄰微孔聚合，形成微裂紋。然后在裂紋尖端的三向拉應(yīng)力區(qū)及應(yīng)力集中區(qū)形成新的微孔，借助內(nèi)縮頸與裂紋連通，如此擴(kuò)展直到裂紋斷裂。5. 韌窩大小的影響因素：第二相質(zhì)點(diǎn)的大小和密度；應(yīng)變硬化指數(shù)；基體材料的塑性變形能力。6. 韌窩形狀的影響因素：正應(yīng)力：等軸韌窩；切應(yīng)力：拉長(zhǎng)韌窩；撕裂應(yīng)力：撕裂韌窩。解理斷裂：在一定條件下，當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，以極快速

8、率沿解理面產(chǎn)生的穿晶斷裂?；疚⒂^特征：河流花樣，解理臺(tái)階，舌狀花樣。解理裂紋的形成和擴(kuò)展：1. 甄納-斯特羅位錯(cuò)塞積理論a) 形成：一群刃型位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)遇到晶界等障礙而形成位錯(cuò)塞積群，產(chǎn)生的應(yīng)力集中有可能達(dá)到斷裂強(qiáng)度而在材料內(nèi)部沿某一晶體學(xué)平面拉出一個(gè)裂口。b) 長(zhǎng)大擴(kuò)展：塑性變形形成裂紋；裂紋在同一晶粒內(nèi)初期長(zhǎng)大；裂紋越過(guò)晶界向相鄰晶粒擴(kuò)展。晶粒尺寸小于臨界值時(shí)，材料受力后先屈服，后斷裂；晶粒尺寸大于臨界值時(shí)，材料受力后直接脆性斷裂。2. 柯垂?fàn)栁诲e(cuò)反應(yīng)理論a) 位錯(cuò)反應(yīng)必須滿足柏氏矢量守恒性和能量降低性。b) 原理：通過(guò)各相交滑移面上的位錯(cuò)滑移，相遇后發(fā)生反應(yīng)形成新位錯(cuò)，新位錯(cuò)塞積產(chǎn)

9、生應(yīng)力集中，使解理面開(kāi)裂。3. 相同點(diǎn)：都是由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而形成初始裂紋的，即裂紋形成前都有少量塑性變形；裂紋擴(kuò)展力學(xué)條件相同。4. 不同點(diǎn)：甄納-斯特羅位錯(cuò)塞積理論的位錯(cuò)在晶界處受阻，裂紋產(chǎn)生于晶界；柯垂?fàn)栁诲e(cuò)反應(yīng)理論的位錯(cuò)在晶內(nèi)解理面處受阻，裂紋產(chǎn)生于晶內(nèi)。理論斷裂強(qiáng)度(理想晶體解理)：是指在正應(yīng)力作用下，將晶體的兩個(gè)原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應(yīng)力。是晶體在彈性狀態(tài)下的最大結(jié)合力。m=Esa012其中s為表面能，E為彈性模量，a0為原子間的平衡距離。適用于脆性斷裂。格雷菲斯公式(裂紋物體的實(shí)際斷裂強(qiáng)度)：c=2Esa12其中s為表面能，a為裂紋的半長(zhǎng)度，只適用于薄板

10、。適用于有裂紋試樣的脆性斷裂。斷裂判據(jù)：外加應(yīng)力大于c時(shí)裂紋擴(kuò)展；裂紋半長(zhǎng)度大于ac時(shí)裂紋擴(kuò)展。位錯(cuò)塞積及位錯(cuò)反應(yīng)理論(解理裂紋斷裂應(yīng)力)：c=2Gskyd其中G為切變模量，ky為釘扎常數(shù)，d為晶粒直徑。適用于塑性變形中的斷裂及無(wú)裂紋的完整試樣。金屬在單向靜拉伸載荷下的性能1. 名詞解釋a) 彈性比功：金屬開(kāi)始塑性變形前單位體積吸收的最大彈性變形功。b) 彈性模量E：表征材料對(duì)彈性變形的抗力，其值越大，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生彈性變形就越小。影響因素：原子本性及晶格類(lèi)型。c) 滯彈性：在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變，即應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象。d) 循環(huán)韌性：金屬材料在交變載荷

11、作用下吸收不可逆變形功的能力。e) 包申格效應(yīng)：材料經(jīng)預(yù)先加載并產(chǎn)生少量塑性變形，卸載后，再同向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力增加，反向加載規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低的現(xiàn)象。f) 塑性：金屬斷裂前發(fā)生塑性變形（不可逆永久變形）的能力。意義：i. 延伸率和斷面收縮率是安全性能指標(biāo)，一定的塑性可緩和應(yīng)力集中，避免脆性斷裂；ii. 金屬的塑變能力是壓力加工成型工藝的基礎(chǔ)；iii. 用縱橫向延伸率之差也可評(píng)定鋼材的質(zhì)量。g) 斷后伸長(zhǎng)率：試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。h) 斷面收縮率：試樣拉斷后縮頸橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。對(duì)于在單一拉伸條件下工作的長(zhǎng)形零件，用斷后伸長(zhǎng)率評(píng)定其塑性；對(duì)于

12、非長(zhǎng)形零件，用斷面收縮率評(píng)定其塑性。i) 脆性：材料在外力作用下產(chǎn)生很小的變形即斷裂破壞的能力。j) 韌性：指金屬材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。k) 解理臺(tái)階：相互平行且位于不同高度的解理面連接形成的臺(tái)階。l) 河流花樣：若干解理臺(tái)階匯合形成的花樣。m) 解理刻面：大致以晶粒大小為單位的解理面。解理裂紋的擴(kuò)展：晶界應(yīng)力集中一系列相互平行而位于不同高度的解理面相互連接形成解理臺(tái)階若干解理臺(tái)階匯合形成河流狀花樣(支流匯合方向即為裂紋擴(kuò)展方向)n) 解理面：金屬材料在外力作用下嚴(yán)格沿著一定晶體學(xué)平面發(fā)生解理斷裂時(shí)的平面，一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面。o) 穿晶斷裂：裂紋穿過(guò)晶內(nèi)發(fā)生的

13、斷裂；p) 沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴(kuò)展發(fā)生的斷裂；q) 韌脆轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象。r) 0.2：規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力，用以表示材料的屈服強(qiáng)度。s) 屈服點(diǎn)s：屈服狀態(tài)的金屬材料拉伸時(shí)，試樣在外力不增加仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力。t) 抗拉強(qiáng)度b：韌性金屬材料拉斷過(guò)程中最大載荷所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。u) 應(yīng)變硬化指數(shù)n：表示金屬的應(yīng)變硬化能力，反映了金屬材料抵抗均勻塑性變形的能力。(其值越大，曲線越陡，抵抗均勻塑性變形的能力就越強(qiáng)，并不代表其塑性差。) 2. 金屬的彈性模量主要取決于什么？為什么說(shuō)它是一個(gè)對(duì)結(jié)構(gòu)不敏感的力學(xué)性能？彈性模量主要取決于原子本性及晶格類(lèi)型。

14、由于彈性變形是原子間距在外力作用下可逆變化的結(jié)果，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系實(shí)際上是原子間作用力與原子間距的關(guān)系，所以彈性模量與原子間作用力與原子間距有關(guān)，導(dǎo)致合金化，熱處理，冷塑性變形對(duì)彈性模量的影響較小，因此說(shuō)它對(duì)結(jié)構(gòu)不敏感。3. 今有45、40Cr、35CrMo鋼和灰鑄鐵幾種材料，你選擇那種材料作為機(jī)床機(jī)身？為什么？機(jī)床床身需要良好的減震性能，即選擇高循環(huán)韌性的材料。而灰鑄鐵的循環(huán)韌性最高，消振性最好，因此選擇灰鑄鐵。4. 試舉出幾種能顯著強(qiáng)化金屬而又不降低其塑性的方法。a) 細(xì)晶強(qiáng)化：通過(guò)減小晶粒尺寸增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙的數(shù)目(阻力大)，減小晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積群的長(zhǎng)度(應(yīng)力小)，從而使屈服強(qiáng)度提高的方法。

15、由于細(xì)化晶粒后晶界面積增大，而晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，因此可以提高屈服強(qiáng)度。而且細(xì)晶可以使塑性變形分散到每個(gè)晶粒內(nèi)進(jìn)行，以此提高塑性和韌性。b) 應(yīng)變硬化：金屬材料塑性變形過(guò)程中所需要的外力不斷增大，因此可以通過(guò)使金屬材料發(fā)生塑性變形來(lái)強(qiáng)化金屬的方法。由于它只是提高了金屬抵抗均勻塑性變形的能力，并沒(méi)有影響金屬的塑性變形量，因此它可以在不影響塑性的情況下強(qiáng)化金屬。5. 為何工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，塑性變形到一定程度時(shí)應(yīng)力卻開(kāi)始下降？因?yàn)楣こ虘?yīng)力-應(yīng)變曲線上的應(yīng)力和應(yīng)變是用試樣原始截面積和原始標(biāo)距長(zhǎng)度來(lái)度量的，并不代表實(shí)際瞬時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變。6. 如果工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)際不符，那么為何還要使用它？因

16、為工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線最重要的作用是可以表現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，可直觀地讀出縮頸點(diǎn)的位置。7. 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降是否說(shuō)明應(yīng)變硬化只發(fā)生在縮頸之前？否，應(yīng)變硬化自塑性變形開(kāi)始一直持續(xù)到塑性變形結(jié)束，真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以很好地表現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。韌性斷裂：特征：斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形，斷口形貌為暗灰色纖維狀。脆性斷裂：特征：斷裂前沒(méi)有明顯的塑性變形，斷裂面一般與正應(yīng)力垂直，斷口呈平齊狀，可見(jiàn)明顯輻射狀線或結(jié)晶狀。注意：任何材料在斷裂前都將產(chǎn)生塑性變形；一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5%為脆性斷裂，大于5%為韌性斷裂；金屬材料的韌性與脆性是根據(jù)一定條件下的塑性變形量來(lái)規(guī)定的。穿晶可以是韌性或脆

17、性斷裂，但沿晶多為脆性斷裂。8. 何謂拉伸斷口三要素？影響宏觀拉伸斷口性態(tài)的因素有哪些？a) 三要素指剪切唇，放射區(qū)及纖維區(qū)。b) 影響因素有試樣的形狀尺寸，金屬材料的性能以及試驗(yàn)溫度，加載速率，受力狀態(tài)。當(dāng)試樣含有缺口，越厚，強(qiáng)度越高，塑性越差，試驗(yàn)溫度越低，加載速率越快，受到三向應(yīng)力作用時(shí)更容易出現(xiàn)脆斷的宏觀形貌。9. 有一材料E = 2×1011N/m2，s = 8N/m。試計(jì)算在7×107 N/m2的拉應(yīng)力作用下，該材料中能擴(kuò)展的裂紋最小長(zhǎng)度？由格里菲斯實(shí)際斷裂強(qiáng)度可知，a=2Es/c2代入得裂紋半長(zhǎng)度a=0.2mm，即裂紋長(zhǎng)度為0.4mm。10. 試根據(jù)方程id1

18、2+kyky=2Gsq，討論下述因素對(duì)金屬材料韌脆轉(zhuǎn)變的影響。a) 材料成分：合金元素引起單系滑移或?qū)\生，產(chǎn)生位錯(cuò)釘扎，減小表面能及形成粗大的第二相都會(huì)增大脆性斷裂傾向；細(xì)化晶粒及獲得彌散第二相可以使脆斷傾向減小。b) 雜質(zhì)：使釘扎常數(shù)增大，增大脆性斷裂傾向。c) 溫度：溫度越高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力越小，越容易發(fā)生韌性斷裂。d) 晶粒大?。壕ЯＴ郊?xì)小，塑性韌性提高，脆斷傾向減小。e) 應(yīng)力狀態(tài)：切應(yīng)力越大，正應(yīng)力越小，脆斷傾向越小。f) 加載速率：加載速率越高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力越大，越容易發(fā)生脆斷。EX.內(nèi)部因素的影響：i. 切變模量G：G越高，脆斷傾向越??；ii. 有效表面能s(表面能+塑性變形功)：

19、fcc的s更大，不易發(fā)生脆性斷裂；iii. 位錯(cuò)在金屬中運(yùn)動(dòng)的阻力(派納力) i：越大則位錯(cuò)越不易運(yùn)動(dòng)，脆性越大；iv. 晶粒尺寸d：見(jiàn)上；v. 釘扎常數(shù)ky：其越大，位錯(cuò)越不易運(yùn)動(dòng)，越容易出現(xiàn)脆性斷裂。EX2.外部因素影響：應(yīng)力狀態(tài)；溫度；應(yīng)變速率：見(jiàn)上。金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能1. 名詞解釋a) 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)a：金屬的最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力的比值，即二者的相對(duì)大小；正應(yīng)力促進(jìn)脆性斷裂；切應(yīng)力促進(jìn)塑性變形和韌性斷裂。a越大，最大切應(yīng)力越大，應(yīng)力狀態(tài)越“軟”，越易產(chǎn)生塑性變形和韌性斷裂；a越小，最大正應(yīng)力越大，應(yīng)力狀態(tài)越“硬”，越易產(chǎn)生脆性斷裂。i. 壓縮實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)：1. 單向壓縮試驗(yàn)

20、的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)=2，主要用于拉伸時(shí)呈脆性的金屬材料力學(xué)性能測(cè)定；2. 拉伸時(shí)塑性很好的材料，在壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變形而不斷裂；拉伸為脆性斷裂的材料，在壓縮時(shí)發(fā)生塑性變形而韌斷。ii. 彎曲實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)：1. 試樣加工方便，試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，且不會(huì)出現(xiàn)拉伸試驗(yàn)時(shí)加載偏心等困難；2. 試樣截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力最大，故可較靈敏地反映材料的表面缺陷。iii. 彎曲實(shí)驗(yàn)的用途：1. 測(cè)定彎曲力學(xué)性能指標(biāo)；2. 用于反映材料的表面質(zhì)量和表面缺陷；3. 用于反映脆性或低塑性材料的強(qiáng)度和塑性。iv. 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)：1. 應(yīng)力對(duì)稱(chēng)分布；2. 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)=0.8，比拉伸時(shí)的大，易于顯示金屬的塑性行

21、為；3. 扭轉(zhuǎn)時(shí)塑性變形均勻，沒(méi)有縮頸現(xiàn)象，所以能實(shí)現(xiàn)大塑性變形量下的試驗(yàn)；4. 能較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。5. 根據(jù)斷口的宏觀特征，明確區(qū)分最終斷裂方式。b) 應(yīng)力集中：應(yīng)力分布不均勻并出現(xiàn)最大值的現(xiàn)象。c) 應(yīng)力集中系數(shù)Kt：表示缺口試樣的應(yīng)力集中程度。（最大應(yīng)力/平均應(yīng)力）只取決于缺口的幾何形狀，與材料性質(zhì)無(wú)關(guān)。具有局部效應(yīng)。d) 缺口效應(yīng)：由于缺口的存在引起應(yīng)力集中，并引起兩向應(yīng)力狀態(tài)或三向應(yīng)力狀態(tài)，使材料的強(qiáng)度增高，塑性下降，脆性增大的現(xiàn)象。薄板缺口前方為兩向應(yīng)力狀態(tài)，厚板缺口前方為三向應(yīng)變狀態(tài)。彈性和塑性狀態(tài)的比較：相同點(diǎn)：彈性狀態(tài)下和塑性狀態(tài)下都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)

22、變集中和三向應(yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致變脆。不同點(diǎn)：應(yīng)力最大位置不同，且彈性狀態(tài)下，抗拉強(qiáng)度降低；塑性狀態(tài)下，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大。e) 缺口敏感性：因缺口存在造成兩向/三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變集中而變脆的傾向。f) 缺口敏感度NSR：缺口試樣的抗拉強(qiáng)度與等截面的光滑試樣的抗拉強(qiáng)度的比值。NSR=bnb脆性材料：NSR<1，敏感；塑性材料：NSR>1，不敏感。NSR值越大，缺口敏感性越小。g) 布氏硬度HBW：用一定直徑的硬質(zhì)合金球作壓頭，施以一定的試驗(yàn)力，將其壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，試樣表面將殘留壓痕。單位壓痕凹面積上承受的載荷值即為布氏硬度值HBW。優(yōu)點(diǎn)：壓痕面積較大

23、，能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能，不受個(gè)別組成相及微小不均勻性的影響，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：對(duì)HBW>450以上的太硬材料不能使用；不宜于某些表面不允許有較大壓痕的成品或薄件檢驗(yàn)；不同材料要換球體和載荷，d的測(cè)量也比較麻煩。h) 洛氏硬度HR?：以測(cè)量壓頭的壓痕深度來(lái)表示的材料硬度值。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便、迅速，硬度值可直接讀出；壓痕小，不傷工件表面，可在工件上直接實(shí)驗(yàn)；采用不同標(biāo)尺可測(cè)定各種軟硬不同的金屬和厚薄不一的試樣的硬度。缺點(diǎn)：壓痕較小，代表性差；所測(cè)硬度值重復(fù)性差，分散度大；不同標(biāo)尺測(cè)得的硬度值不能直接比較。i) 維氏硬度HV：根據(jù)壓痕單位面積上承受的試驗(yàn)力作為硬

24、度值，壓頭為兩相對(duì)面間夾角為136°的金剛石四棱錐體。優(yōu)點(diǎn)：不存在載荷和壓頭直徑的約束，以及壓頭變形問(wèn)題；不存在洛氏硬度值無(wú)法統(tǒng)一的問(wèn)題；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。缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率沒(méi)有洛氏高。j) 抗壓強(qiáng)度bc：試樣壓至破壞過(guò)程中的最大應(yīng)力。k) 抗彎強(qiáng)度bb：試樣彎曲至斷裂前達(dá)到的最大彎曲力。l) 抗扭強(qiáng)度b：試樣在扭斷前承受的最大扭矩。2. 試綜合比較單向拉伸，壓縮，彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。a) 單向拉伸：i. 容易操作，應(yīng)用廣泛；ii. 測(cè)試的是材料與時(shí)間無(wú)關(guān)的力學(xué)行為；iii. 采用的是光滑完整試樣；iv. 常溫、大

25、氣介質(zhì)，單向靜拉伸載荷；v. 用于測(cè)定材料的彈性、強(qiáng)度和塑性性能。b) 壓縮：i. 單向壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)=2，主要用于拉伸時(shí)呈脆性的金屬材料力學(xué)性能的測(cè)定。ii. 拉伸時(shí)塑性很好的材料，在壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變形而不斷裂；拉伸為脆性斷裂的材料，在壓縮時(shí)發(fā)生塑性變形而韌斷。c) 彎曲：i. 特點(diǎn)：1. 試樣加工方便，試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，且不會(huì)出現(xiàn)拉伸試驗(yàn)時(shí)加載偏心等困難；2. 試樣截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力最大，故可較靈敏地反映材料的表面缺陷。ii. 應(yīng)用：1. 測(cè)定彎曲力學(xué)性能指標(biāo)；2. 用于反映材料的表面質(zhì)量和表面缺陷；3. 用于反映脆性或低塑性材料的強(qiáng)度和韌性。d) 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)i. 特

26、點(diǎn)：1. 應(yīng)力呈中心對(duì)稱(chēng)分布；2. 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)=0.8，比拉伸時(shí)大，易于顯示金屬的塑性行為；3. 扭轉(zhuǎn)時(shí)塑性變形均勻，沒(méi)有縮頸現(xiàn)象，所以能實(shí)現(xiàn)大塑性變形量下的試驗(yàn)。4. 能較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。5. 可以根據(jù)斷口的宏觀特征，明確區(qū)分最終斷裂方式。ii. 應(yīng)用：用于測(cè)定材料的切斷強(qiáng)度和表面質(zhì)量。3. 試述脆性材料彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用。a) 特點(diǎn)：i. 試樣加工方便，試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，且不會(huì)出現(xiàn)拉伸試驗(yàn)時(shí)加載偏心等困難；ii. 試樣截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力最大，故可較靈敏地反映材料的表面缺陷。b) 應(yīng)用：i. 測(cè)定彎曲力學(xué)性能指標(biāo)；ii. 用于反映材料的表面質(zhì)量和

27、表面缺陷；iii. 用于反映其強(qiáng)度和韌性。金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點(diǎn)：1. 包括彈性變形、塑性變形、斷裂；2. 沖擊力時(shí)間短且測(cè)不準(zhǔn)；3. 對(duì)金屬材料的彈性行為及彈性模量無(wú)影響。4. 滑移臨界切應(yīng)力增大，金屬產(chǎn)生應(yīng)變速率硬化。5. 塑性變形難以充分進(jìn)行且極不均勻。1. 名詞解釋a) 加載速率：載荷施加于試樣或機(jī)件時(shí)的速率，用單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力增加的數(shù)值表示。b) 沖擊韌性：材料在沖擊載荷作用下，吸收塑性變形功和斷裂功的能力。c) 沖擊吸收功：試樣變形和斷裂所消耗的功。Ak，ak值越大，材料的韌性越好。無(wú)論Ak還是ak均不能完全真正反映材料的韌脆程度(包括了部分彈性變形

28、功)。用途：沖擊韌度可以作為零件工作時(shí)的安全性指標(biāo)；能反映原材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量；可以測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，從而評(píng)定材料的低溫脆性傾向。d) 低溫脆性：BCC或HCP金屬及合金，在低于某一溫度時(shí)，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，斷裂機(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榻饫硇?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀的特性。面心立方及高強(qiáng)度材料不存在低溫脆性。e) 韌脆轉(zhuǎn)變溫度：沖擊韌性顯著下降時(shí)的溫度，是衡量材料冷脆轉(zhuǎn)化傾向的重要指標(biāo)。i. 意義：tk是材料的韌性指標(biāo)，因?yàn)樗从沉藴囟葘?duì)韌脆性的影響。tk是安全性指標(biāo)，是從韌性角度選材的重要依據(jù)之一，可用于抗脆斷設(shè)計(jì)。對(duì)于低溫下服役的機(jī)件，依據(jù)tk可以直接或間接

29、地估計(jì)最低使用溫度。ii. 能量定義法：以低階能定義tk(NDT)：低于NDT，斷口由100%結(jié)晶區(qū)組成。最危險(xiǎn)以高階能定義tk(FTP)：高于FTP ，斷口由100%纖維區(qū)組成。最保守以低階能和高階能平均值來(lái)定義tk(FTE)。iii. 斷口形貌定義法取結(jié)晶區(qū)面積占整個(gè)斷口面積50%時(shí)的溫度為tk，稱(chēng)為50%FATT。iv. 注意：由于定義方法不同，同一材料所得到的tk不同；同一材料，使用同一定義方法，由于外界因素改變，如試樣尺寸、缺口尖銳程度和加載速率發(fā)生變化，tk也發(fā)生變化;在一定條件下，用試樣測(cè)得的tk不能說(shuō)明該材料構(gòu)成的機(jī)件一定在該溫度下脆斷。f) 韌性溫度儲(chǔ)備：材料的使用溫度與韌脆

30、轉(zhuǎn)變溫度之差。2. 試說(shuō)明低溫脆性的物理本質(zhì)及其影響因素。低溫脆性是材料的屈服強(qiáng)度隨溫度降低急劇增加，而材料的解理斷裂強(qiáng)度卻隨溫度的變化很小的結(jié)果。如圖，兩者的曲線相交于tk。在高于tk時(shí)，c>s，材料先屈服再斷裂，為韌性斷裂；低于tk時(shí)，c<s，外加應(yīng)力先達(dá)到c，為脆性斷裂。影響因素：凡是使c增大的因素，都使tk下降，降低脆性；凡是使s增大的因素，都使tk上升，增大脆性。內(nèi)在因素：a) 晶體結(jié)構(gòu)：bcc、hcp金屬及合金存在低溫脆性；fcc金屬及合金在常規(guī)使用溫度下一般不存在低溫脆性。b) 化學(xué)成分：間隙原子和大部分置換原子顯著提高材料的tk；雜質(zhì)元素等偏聚于晶界，降低材料韌性，

31、提高tk。c) 顯微組織：i. 晶粒大?。杭?xì)化晶粒，韌性增加；(原因：晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力；晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；晶界總面積增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減小，避免了產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。)ii. 金相組織：球狀第二相Ak>片狀或網(wǎng)狀第二相的Ak；單相的Ak高于復(fù)相合金。第二相越細(xì)小，均勻分布，與基體性能越接近，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低。iii. 內(nèi)部缺陷：降低Ak；iv. 表面狀態(tài)：Akv<Aku<光滑試樣的Ak。d) 強(qiáng)度等級(jí)：高強(qiáng)度鋼不存在低溫脆性。3. 試述焊接船舶比鉚接船舶容易發(fā)生脆性破壞的原因。由于船舶長(zhǎng)時(shí)間在低溫下航行，因此使用焊接結(jié)構(gòu)很容易產(chǎn)生低溫脆性，導(dǎo)致脆

32、性破壞。而鉚接結(jié)構(gòu)則不存在這一缺陷。而且焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)粗大的金相組織及氣孔，未熔合等缺陷，增加裂紋敏感度，增加材料脆性，容易發(fā)生脆性斷裂。4. 下列三組試驗(yàn)方法中，請(qǐng)舉出每一組中哪種試驗(yàn)方法測(cè)得的tk較高？為什么？a) 拉伸和扭轉(zhuǎn)拉伸測(cè)得的tk較高。因?yàn)槔斓膽?yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)更小，應(yīng)力狀態(tài)更硬，更易顯示材料的脆性性能，因此測(cè)得的tk更高。b) 缺口靜彎曲和缺口沖擊彎曲缺口沖擊彎曲測(cè)得的tk較高。因?yàn)樵跊_擊狀態(tài)下會(huì)發(fā)生應(yīng)變速率硬化，材料會(huì)表現(xiàn)出脆性的力學(xué)性能，因此測(cè)得的tk更高。c) 光滑試樣拉伸和缺口試樣拉伸缺口試樣拉伸測(cè)得的tk更高。因?yàn)樵谌笨跔顟B(tài)下會(huì)形成缺口效應(yīng)，引起兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)

33、，使塑性材料強(qiáng)度增高，塑性降低，顯示出脆性特征。因此測(cè)得的tk更高。影響金屬韌脆性的三大外部因素：沖擊，溫度，缺口。金屬的斷裂韌度三種裂紋形式：張開(kāi)型，滑開(kāi)型，撕開(kāi)型。1. 名詞解釋?zhuān)篴) 低應(yīng)力脆斷：材料實(shí)際承受的應(yīng)力小于斷裂極限甚至小于屈服極限時(shí)發(fā)生的脆性斷裂。b) 張開(kāi)型裂紋：拉應(yīng)力垂直于裂紋擴(kuò)展面，裂紋沿作用力方向張開(kāi)，沿裂紋面擴(kuò)展的裂紋。c) 滑開(kāi)型：切應(yīng)力平行于裂紋面，垂直于裂紋線，裂紋沿裂紋面平行滑開(kāi)擴(kuò)展。d) 撕開(kāi)型：切應(yīng)力平行于裂紋面，平行于裂紋線，裂紋沿裂紋面撕開(kāi)擴(kuò)展e) 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子：對(duì)于給定材料及裂紋尖端附近確定點(diǎn)，決定裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的大小或強(qiáng)弱程度的KI值。KI=Y

34、a對(duì)于無(wú)限大板的穿透裂紋，KI=a，a為半長(zhǎng)度。對(duì)于無(wú)限大板的表面半橢圓裂紋，KI=1.1a，a為裂紋深度，c為裂紋半長(zhǎng)度。修正條件：當(dāng)/s0.7時(shí)，需要進(jìn)行修正。用以計(jì)算圓筒表面應(yīng)力：=pD/2t，P為圓筒內(nèi)部的壓強(qiáng)。其中，的單位為MPa。意義：KI表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度，KI越大，則應(yīng)力場(chǎng)各應(yīng)力分量越大；KI是一個(gè)決定于和a的復(fù)合力學(xué)參量，可以把KI看成引起裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力。f) 斷裂韌度：臨界或失穩(wěn)狀態(tài)下的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的大小。KIC是真正的材料常數(shù)，與試樣厚度無(wú)關(guān)，表示材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展（斷裂）的能力。如果KI<KIC，即使有裂紋也不會(huì)斷裂，稱(chēng)為破損安全。g) 小范圍屈服：塑性區(qū)尺

35、寸較裂紋尺寸及靜截面尺寸小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上時(shí)的屈服。h) 裂紋擴(kuò)展K判據(jù)：當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI大于斷裂韌度KIC時(shí)裂紋發(fā)生擴(kuò)展。i. 應(yīng)用：1. 確定帶裂紋構(gòu)件的承載能力(求c)；2. 確定構(gòu)件安全性或?yàn)檫x材提供依據(jù)(求KIC)；3. 確定臨界裂紋尺寸，為探傷提供理論依據(jù)(求aC)。ii. KI與KIC的區(qū)別：1. KI是力學(xué)參量，與載荷、試樣尺寸有關(guān)，和材料本身無(wú)關(guān)。2. KIC是力學(xué)性能指標(biāo)，只與材料組織結(jié)構(gòu)、成分有關(guān)，與試樣尺寸和載荷無(wú)關(guān)。iii. 影響斷裂韌度KIC的因素：1. KIC是強(qiáng)度和塑性的綜合性能，對(duì)于能同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑性的因素，都能提高材料的斷裂韌度。2. KIC和AK

36、V都是材料的斷裂韌性指標(biāo)。提高沖擊韌性的措施一般均可提高斷裂韌度。3. 內(nèi)部因素：a) 化學(xué)成分：提高強(qiáng)度和塑性的元素，提高KIC；b) 基體相結(jié)構(gòu)和晶粒大小：fcc比bcc的KIC高，晶粒越細(xì)，KIC越高；c) 雜質(zhì)和第二相：使KIC降低；d) 顯微組織：板條>針狀，B下板條>B上，回索>回屈>回馬，A>M。韌性越好的組織KIC越高。4. 外部因素：a) 溫度：溫度使KIC；b) 應(yīng)變速率：應(yīng)變速率使KIC，但形變速度很大時(shí)的絕熱狀態(tài)，使KIC；c) 試樣尺寸：板厚，KIC。i) 應(yīng)力松弛：當(dāng)最大應(yīng)力大于有效屈服強(qiáng)度時(shí)，由于屈服時(shí)應(yīng)力只能等于有效屈服應(yīng)力，因此超

37、出的應(yīng)力都會(huì)降低的現(xiàn)象。j) 應(yīng)力松弛：在規(guī)定溫度和初始應(yīng)力條件下，金屬材料中的應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象。k) 塑性區(qū)寬度：沿x軸方向的塑性區(qū)尺寸?？紤]了應(yīng)力松弛之后，其塑性區(qū)寬度都正好是原塑性區(qū)寬度的兩倍。l) 裂紋擴(kuò)展能量釋放率：裂紋擴(kuò)展單位面積時(shí)系統(tǒng)釋放勢(shì)能的數(shù)值。又稱(chēng)裂紋擴(kuò)展力，表示裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度所需的力。也是應(yīng)力和裂紋尺寸a的復(fù)合力學(xué)參量。m) 裂紋擴(kuò)展G判據(jù)：當(dāng)裂紋擴(kuò)展能量釋放率GI大于材料的斷裂韌度GIC時(shí)裂紋發(fā)生擴(kuò)展。GIC意義：表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)單位面積所消耗的能量。n) J積分法：由GI延伸出來(lái)的一種斷裂能量判據(jù)；為彈塑性應(yīng)變能密度.o) 斷裂韌度JIC：表示材

38、料抵抗裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的能力在線彈性條件下，J與G單位相同，意義相同。在小應(yīng)變彈塑性條件下，JI與GI單位相同，但物理意義不同。JI：形變功差率p) COD法：由KI延伸出來(lái)的一種斷裂應(yīng)變判據(jù)。斷裂韌度c：表示材料抵抗裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的能力。2. 試述低應(yīng)力脆斷的原因及防止方法。原因：材料在加工過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，在外界應(yīng)力作用下裂紋發(fā)生擴(kuò)展，導(dǎo)致在應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生斷裂。防止方法：采用斷裂力學(xué)等新的強(qiáng)度理論和新的材料性能評(píng)定指標(biāo)，在給定裂紋尺寸的情況下，確定允許的最大工作應(yīng)力，或者當(dāng)工作應(yīng)力確定后，根據(jù)斷裂判據(jù)確定不發(fā)生脆性斷裂時(shí)所允許的最大裂紋尺寸3. 為什么研究裂紋擴(kuò)展的力學(xué)條件時(shí)不用應(yīng)力判據(jù)而

39、用其他判據(jù)？因?yàn)榱鸭y前端的應(yīng)力十分復(fù)雜，不易建立應(yīng)力判據(jù)；而且在裂紋尺寸極小時(shí)，根據(jù)應(yīng)力判據(jù)，裂紋尖端應(yīng)力分量應(yīng)為無(wú)窮大，與實(shí)際不符。因此不能用應(yīng)力判據(jù)而用其他判據(jù)。4. 有一大型板件，材料的0.2=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。首先/0.2=0.75，需要修正。對(duì)于無(wú)限大板的橫向穿透裂紋，計(jì)算得KI=168.1，塑性區(qū)寬度為2.2mm。由于KI>KIC，因此該件不安全。5. 有一軸件平均軸向工作應(yīng)力150MPa，使用中發(fā)生橫向疲勞脆性正斷

40、，斷口分析表明有25mm深的表面半橢圓疲勞區(qū)，根據(jù)裂紋a/c得=1，測(cè)試材料的0.2=720MPa，試估算材料的斷裂韌度KIC是多少？首先/0.2=0.21，不需要修正。此處可以認(rèn)為疲勞斷口正好處于臨界裂紋尺寸時(shí)發(fā)生斷裂。因此對(duì)于表面半橢圓裂紋，計(jì)算得KIC=62.2 MPa·m1/2。金屬的疲勞1. 名詞解釋a) 變動(dòng)載荷：載荷大小甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷稱(chēng)為變動(dòng)載荷。b) 疲勞：金屬構(gòu)件在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。c) 應(yīng)力幅：循環(huán)應(yīng)力中應(yīng)力變動(dòng)部分的幅值；d) 應(yīng)力比：應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱(chēng)系數(shù)，指應(yīng)力循環(huán)的不對(duì)稱(chēng)程度；按應(yīng)力狀態(tài)分：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉

41、壓疲勞、復(fù)合疲勞；按環(huán)境和接觸情況分：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞；按壽命、應(yīng)力高低分：高周疲勞、低周疲勞。特點(diǎn)：疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂；疲勞是脆性斷裂；疲勞對(duì)缺陷十分敏感。斷口的宏觀特征：疲勞源、疲勞區(qū)、瞬斷區(qū)。i. 疲勞源：光亮度大，是疲勞裂紋的萌生地；應(yīng)力狀態(tài)及大小不同，可有一個(gè)或幾個(gè)疲勞源。ii. 疲勞區(qū)：光滑，分布有貝紋線。貝紋線是疲勞區(qū)的最典型宏觀特征。是判斷疲勞斷裂的重要依據(jù)。貝紋線的意義：1. 是疲勞斷口最典型的宏觀特征；其凹向?yàn)槠谠?，凸?cè)指向裂紋擴(kuò)展方向，或者與此相反；2. 貝紋線的間距越小，說(shuō)明材料韌性越好，說(shuō)明疲勞裂紋的擴(kuò)展速率越慢；3. 離疲勞源越

42、近，貝紋線越密集。iii. 瞬斷區(qū)：粗糙，結(jié)晶狀或放射狀。是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的斷口區(qū)域。1. 裂紋長(zhǎng)大達(dá)到臨界尺寸；2. 裂紋尖端應(yīng)力集中達(dá)到斷裂強(qiáng)度；3. 裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子達(dá)到斷裂韌度。4. 一般在疲勞源的對(duì)側(cè)。 疲勞過(guò)程：i. 疲勞裂紋的萌生a) 表面滑移帶開(kāi)裂；b) 第二相、夾雜物或其界面開(kāi)裂；c) 晶界或亞晶界開(kāi)裂ii. 疲勞裂紋的亞穩(wěn)擴(kuò)展a) 第一階段：沿主滑移系成45°，以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)展。b) 第二階段：由于晶粒位向的不同和晶界的阻礙，裂紋方向轉(zhuǎn)向與外力軸垂直，進(jìn)入第二階段疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展的主要部分。c) 塑性鈍化模型機(jī)理：拉應(yīng)力下，裂紋張開(kāi)且發(fā)生塑性變形，拉

43、應(yīng)力達(dá)到最大值，裂紋尖端變?yōu)榘雸A形，發(fā)生鈍化，裂紋尖端應(yīng)力集中減小，裂紋停止擴(kuò)展，形成一個(gè)疲勞條帶。iii. 疲勞裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展e) 疲勞貝紋線：由載荷變動(dòng)在裂紋擴(kuò)展前沿線留下的宏觀弧狀臺(tái)階痕跡。貝紋線與疲勞條帶的區(qū)別：i. 疲勞條帶是疲勞斷口微觀特征，一次應(yīng)力循環(huán)產(chǎn)生一條疲勞條帶；貝紋線是疲勞斷口宏觀特征，由大的載荷變動(dòng)引起。二者可以同時(shí)出現(xiàn)，也可以不同時(shí)出現(xiàn)；ii. 相鄰貝紋線間可能有成千上萬(wàn)條疲勞條帶；iii. 循環(huán)應(yīng)力下疲勞條帶是相互平行、等間距的；貝紋線在疲勞源附近較密，偏離疲勞源時(shí)則較稀疏；判斷裂紋擴(kuò)展方向通常利用貝紋線；f) 疲勞曲線：疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線。有應(yīng)變時(shí)效的金

44、屬材料的疲勞曲線有水平段。g) 疲勞極限：材料能經(jīng)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最大應(yīng)力，也稱(chēng)疲勞強(qiáng)度。h) 條件疲勞極限：規(guī)定疲勞壽命下材料能承受的上限循環(huán)應(yīng)力。疲勞斷裂的條件：對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)：-1；非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)：r。i) 擠出脊：隨駐留滑移帶的加寬，經(jīng)反復(fù)滑移，金屬?gòu)膬?nèi)部擠出金屬表面；j) 侵入溝：反復(fù)滑移將金屬擠入內(nèi)部，在表面形成的溝槽。k) 疲勞條帶：裂紋擴(kuò)展時(shí)留下的微觀痕跡，每一條帶可以看作一次應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展痕跡，是疲勞斷口最典型的微觀特征。l) 疲勞裂紋擴(kuò)展速率：在一個(gè)應(yīng)力循環(huán)周期內(nèi)，疲勞裂紋向前擴(kuò)展的距離。影響因素：應(yīng)力比(-)，過(guò)載峰，殘余拉應(yīng)力(+)，材料組織(晶粒直徑+)

45、。m) 過(guò)載損傷界：測(cè)出不同過(guò)載應(yīng)力水平和相應(yīng)的開(kāi)始降低疲勞壽命的應(yīng)力循環(huán)周次，連接各試驗(yàn)點(diǎn)得到的直線。n) 過(guò)載持久值：金屬材料在高于疲勞極限的應(yīng)力下運(yùn)行時(shí)，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次。o) 過(guò)載損傷：在高于疲勞極限的應(yīng)力水平下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后，其疲勞極限或疲勞壽命減小的現(xiàn)象。疲勞缺口敏感度qf：qf=Kf-1Kt-1，疲勞缺口系數(shù)Kf=無(wú)缺口/有缺口意義：反映了在疲勞過(guò)程中材料發(fā)生應(yīng)力重新分布，降低應(yīng)力集中的能力。qf越小，其缺口敏感性越小。影響因素：i. 強(qiáng)度：qf隨材料強(qiáng)度的升高而增大，高強(qiáng)度材料的疲勞缺口敏感度較高；ii. 缺口半徑：曲率半徑較小時(shí)，缺口越尖銳，qf值越低；缺口曲率半徑

46、較大時(shí)，缺口尖銳度對(duì)qf的影響不大。iii. 應(yīng)力大?。焊咧芷跁r(shí)，qf值高；低周疲勞時(shí)，qf值低。p) 駐留滑移帶：在循環(huán)應(yīng)力作用下，永留或能再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶。特點(diǎn)：低應(yīng)力；不均勻性；持久駐留性。q) 疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值Kth：疲勞裂紋不擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的臨界值。意義：表示材料阻止疲勞裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的性能，是材料的力學(xué)性能指標(biāo)。疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線：I區(qū)疲勞裂紋初始擴(kuò)展階段：擴(kuò)展壽命不長(zhǎng)；II區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展的主要階段：擴(kuò)展壽命長(zhǎng)；III區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展的最后階段：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。-1：光滑試樣的無(wú)限壽命疲勞強(qiáng)度，用于傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)；Kth：裂紋試樣的無(wú)限壽命疲勞性能，適于裂紋體的設(shè)計(jì)。r)

47、 應(yīng)力強(qiáng)度因子幅：在裂紋尖端控制裂紋擴(kuò)展的復(fù)合力學(xué)參量；s) 疲勞壽命：一定max時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N。t) 熱疲勞：由溫度梯度和不均勻膨脹的循環(huán)變化產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力和熱應(yīng)變作用下，產(chǎn)生的疲勞。u) 噴丸：用壓縮空氣將堅(jiān)硬的小彈丸高速?lài)姶蛳驒C(jī)件表面，使機(jī)件表面產(chǎn)生局部形變強(qiáng)化，同時(shí)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。v) 低周疲勞：金屬在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為102105次的疲勞斷裂。低周疲勞存在循環(huán)硬化與循環(huán)軟化現(xiàn)象。w) 循環(huán)硬化：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。x) 循環(huán)軟化：在循環(huán)過(guò)程中，應(yīng)力逐漸減小。影響疲勞強(qiáng)度的主要因素：a) 表面狀態(tài)及尺寸因素的影響應(yīng)力集中：缺口導(dǎo)致應(yīng)力集

48、中，產(chǎn)生微裂紋，-1N；表面粗糙度：提高時(shí)，引起應(yīng)力集中，使-1下降；尺寸因素：尺寸增加，疲勞極限下降；原因：尺寸增大，表面積相應(yīng)增加，表面含宏觀、微觀缺陷的絕對(duì)量及幾率上升。彎、扭載荷時(shí)，若表面應(yīng)力相同，試樣直徑大則應(yīng)力梯度小，即高應(yīng)力區(qū)體積大，損傷的區(qū)域大。b) 殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響：表面疊加殘余壓應(yīng)力，使總應(yīng)力降低，疲勞強(qiáng)度提高。表面強(qiáng)化處理：目的：產(chǎn)生表面殘余壓應(yīng)力；提高表面強(qiáng)度硬度。方法：表面噴丸和滾壓處理；表面化學(xué)熱處理；表面淬火。c) 材料成分及組織的影響合金成分：碳元素形成固溶強(qiáng)化提高疲勞極限，過(guò)高會(huì)使其下降。顯微組織：細(xì)化晶粒提高疲勞極限，熱處理組織的球狀第二相優(yōu)于片狀；

49、非金屬夾雜物及冶金缺陷：使疲勞強(qiáng)度下降。提高疲勞強(qiáng)度的途徑：減少夾雜物數(shù)量、減小尺寸；夾雜物表面改性。d) 工作條件的影響2. 解釋下列疲勞性能指標(biāo)的意義a) 疲勞極限-1：材料經(jīng)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最大應(yīng)力；b) 疲勞缺口敏感度qf：反映了在疲勞過(guò)程中材料發(fā)生應(yīng)力重新分布，降低應(yīng)力集中的能力。c) 過(guò)載損傷界：測(cè)出不同過(guò)載應(yīng)力水平和相應(yīng)的開(kāi)始降低疲勞壽命的應(yīng)力循環(huán)周次，連接各試驗(yàn)點(diǎn)得到的直線。d) 疲勞門(mén)檻值Kth：表示材料阻止疲勞裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的性能，是材料的力學(xué)性能指標(biāo)。3. 試述金屬疲勞斷裂的特點(diǎn)。a) 疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂；b) 疲勞是脆性斷裂；c) 疲勞對(duì)缺陷十分敏感

50、。4. 試述疲勞斷口的主要特征及其形成模型。a) 疲勞源：光亮度最大，是疲勞裂紋的萌生地；應(yīng)力狀態(tài)及大小不同，可有一個(gè)或幾個(gè)疲勞源。是由于裂紋在亞穩(wěn)擴(kuò)展中斷面不斷擠壓摩擦形成的。b) 疲勞區(qū)：光滑，分布有貝紋線。是由于載荷變動(dòng)引起的。c) 瞬斷區(qū)：粗糙，結(jié)晶狀或放射狀。是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的斷口區(qū)域。5. 試述金屬表面強(qiáng)化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。金屬表面強(qiáng)化方式有表面噴丸和滾壓處理，表面化學(xué)熱處理及表面淬火。它們可以使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，提高表面強(qiáng)度硬度，借此提高金屬的疲勞強(qiáng)度。金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂1. 名詞解釋a) 應(yīng)力腐蝕：金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆

51、斷現(xiàn)象。產(chǎn)生條件：拉應(yīng)力；特定的化學(xué)介質(zhì)；合金材料。i. 機(jī)理：滑移-溶解理論（鈍化膜破壞理論）1. 鈍化：在特定化學(xué)介質(zhì)中，表面形成一層鈍化膜；2. 滑移：拉應(yīng)力作用下，局部塑性變形，產(chǎn)生滑移；3. 膜破：滑移臺(tái)階在表面露頭時(shí)鈍化膜破裂，露出新鮮表面；4. 陽(yáng)極溶解：新鮮金屬為陽(yáng)極，有鈍化膜的金屬為陰極，形成電化學(xué)腐蝕ii. 斷口特征1. 宏觀形貌：有亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)，最后瞬斷區(qū)(與疲勞裂紋相似)；斷口呈黑色或灰色。2. 微觀形貌：顯微裂紋呈枯樹(shù)枝狀；沿晶斷裂和穿晶斷裂；表面可見(jiàn)泥狀花樣的腐蝕產(chǎn)物及腐蝕坑。b) 應(yīng)力腐蝕門(mén)檻值KIscc：將試樣放在特定化學(xué)介質(zhì)中永不斷裂的最大應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子。斷裂判

52、據(jù)：1. KI初始<KISCC時(shí)，在應(yīng)力作用下，材料或零件可以長(zhǎng)期處于腐蝕環(huán)境中而不發(fā)生破壞。2. KISCCKI初始<KIC時(shí)，在腐蝕性環(huán)境和應(yīng)力共同作用下，裂紋呈亞臨界擴(kuò)展，隨裂紋不斷增長(zhǎng)，裂紋尖端KI值不斷增大，達(dá)到KIC斷裂。3. KI初始 KIC時(shí)，加上初始載荷后試樣立即斷裂。意義：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。c) 應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)裂紋的擴(kuò)展量。第I階段：KI剛超過(guò)KIscc時(shí)，裂紋突然加速擴(kuò)展；第階段：裂紋尖端鈍化、分叉，曲線出現(xiàn)水平線段；第階段：裂紋長(zhǎng)度接近臨界尺寸，快速擴(kuò)展失穩(wěn)斷裂。防止應(yīng)力腐蝕的措施：1. 合理選擇金屬材料：

53、選用KISCC較高的合金。2. 減少或消除機(jī)件中的殘余拉應(yīng)力：主要是應(yīng)力集中，注意工藝措施。3. 改善化學(xué)介質(zhì)：減少和消除有害化學(xué)離子，添加緩蝕劑。4. 采用電化學(xué)保護(hù)小結(jié)：應(yīng)力腐蝕i. 造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，而且一般是拉伸應(yīng)力；ii. 應(yīng)力腐蝕造成的破壞是脆性斷裂，沒(méi)有明顯的塑性變形。iii. 只有在特定的合金成分與特定的介質(zhì)相組合時(shí)才會(huì)造成應(yīng)力腐蝕。iv. 應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展是漸進(jìn)緩慢的，這種亞臨界的擴(kuò)展?fàn)顩r一直達(dá)到某一臨界尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時(shí)，就突然發(fā)生斷裂。v. 應(yīng)力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直于拉力軸。vi. 應(yīng)力腐蝕

54、破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產(chǎn)物，而疲勞斷口的表面，如果是新鮮斷口常常較光滑，有光澤。vii. 應(yīng)力腐蝕的主裂紋擴(kuò)展一般有分枝。viii. 應(yīng)力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是沿晶斷裂。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準(zhǔn)解理的。d) 氫脆：由于氫和應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象。按照氫脆的來(lái)源可將氫脆分為：內(nèi)部氫脆；環(huán)境氫脆。e) 氫蝕：氫與金屬第二相作用生成高壓氣體，使基體金屬晶界結(jié)合力減弱而導(dǎo)致金屬脆化。按照脆斷機(jī)制不同將氫脆分為：1. 氫蝕：高壓氣體使晶界結(jié)合力減弱而導(dǎo)致金屬脆化。2. 白點(diǎn)：聚集在缺陷處的H2發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力很大足以將金屬局部撕裂，形成微

55、裂紋，微裂紋的斷面呈圓形或橢圓形，顏色為銀白色。3. 氫化物致脆：IVB或VB族金屬與氫極易形成氫化物，使金屬脆化。4. 氫致延滯斷裂(HIC)特點(diǎn)：(1) 只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)。(2) 提高應(yīng)變速率，材料對(duì)氫脆的敏感性降低。(3) 可顯著降低和。(4) 高強(qiáng)度鋼的HIC具有可逆性。斷口特征：與脆性斷口相似，沿晶斷裂，晶界面上有許多撕裂棱。斷裂機(jī)理：(1) 孕育階段；H進(jìn)入鋼中， H在鋼中的遷移，氫的偏聚。(2) 裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段；H向裂尖的塑性與彈性區(qū)界面處偏聚脆化形成新裂紋，新裂紋與原裂紋尖端匯合裂紋擴(kuò)展(3) 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段；f) 白點(diǎn)：聚集在缺陷處的H2發(fā)生急劇膨脹，很大的內(nèi)壓力將金屬局部撕裂，形成的圓形或橢圓形，顏色為銀白色的微裂紋。g) 氫化物致脆：IVB或VB族金屬與氫極易形成氫化物，使金屬脆化。h) 氫致延滯斷裂：由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象。應(yīng)變速率大時(shí)：氫原子的運(yùn)動(dòng)跟不上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，無(wú)氫脆；溫度過(guò)高時(shí)：熱擴(kuò)散作用增強(qiáng)，氫氣團(tuán)難以形成，也無(wú)氫脆；因此氫致延滯斷裂在一定應(yīng)變速率和一定溫度范圍內(nèi)才能出現(xiàn)。氫脆和應(yīng)力腐蝕相比，其特點(diǎn)表現(xiàn)在：a) 實(shí)驗(yàn)室中識(shí)別氫脆與應(yīng)力腐蝕的一種辦法是，當(dāng)施加一小的陽(yáng)極電流，如使開(kāi)裂加速,則為應(yīng)力腐蝕，而