工程材料力學(xué)性能三四章習(xí)題

1、1第三章第三章 沖擊韌度沖擊韌度：沖擊載荷下，材料斷裂前單位截面積：沖擊載荷下，材料斷裂前單位截面積吸收的能量（外力做的功）吸收的能量（外力做的功） 沖擊吸收功沖擊吸收功: 沖擊載荷下，材料斷裂前吸收的能沖擊載荷下，材料斷裂前吸收的能量（外力做的功）量（外力做的功） 低溫脆性低溫脆性： 溫度低于某一溫度時(shí)，材料由韌性狀溫度低于某一溫度時(shí)，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象。態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象。 韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度：材料有韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)：材料有韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度。的溫度。 韌性溫度儲(chǔ)備韌性溫度儲(chǔ)備:材料使用溫度和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的差材料使用溫度和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的差值。值。2 A

2、K：沖擊吸收功：沖擊吸收功 AKV(U)：V(U)型缺口試樣的沖擊吸收功型缺口試樣的沖擊吸收功 FATT50：結(jié)晶區(qū)占整個(gè)斷口面積：結(jié)晶區(qū)占整個(gè)斷口面積50%時(shí)的溫度定時(shí)的溫度定義的韌脆轉(zhuǎn)變溫度義的韌脆轉(zhuǎn)變溫度 NDT, FTE, TFPPlasticElastic34 試說(shuō)明低溫脆性的物理本質(zhì)及其影響因素試說(shuō)明低溫脆性的物理本質(zhì)及其影響因素 低溫脆性的物理本質(zhì)：低溫脆性的物理本質(zhì)： 影響因素有：影響因素有：1)晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)：BCC容易出現(xiàn)低溫脆性容易出現(xiàn)低溫脆性2)化學(xué)成分：固溶強(qiáng)化降低塑性（化學(xué)成分：固溶強(qiáng)化降低塑性（Mn, Ni） 3)顯微組織：顯微組織：晶粒大小晶粒大小金相組織金

3、相組織位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)隨溫度降隨溫度降低而困難低而困難45 試述焊接船舶比鉚接船舶容易發(fā)生脆性破壞的原因。試述焊接船舶比鉚接船舶容易發(fā)生脆性破壞的原因。 焊接容易在焊縫處形成粗大金相組織氣孔、夾渣、未焊接容易在焊縫處形成粗大金相組織氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、錯(cuò)邊、咬邊等缺陷，增加裂紋敏感度，增熔合、未焊透、錯(cuò)邊、咬邊等缺陷，增加裂紋敏感度，增加材料的脆性，容易發(fā)生脆性斷裂（落錘試驗(yàn)試樣）。加材料的脆性，容易發(fā)生脆性斷裂（落錘試驗(yàn)試樣）。6 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)得的冷脆溫度較高？為什么？的冷脆溫度較高？為什么？ 冷脆

4、溫度的高低與試驗(yàn)中試樣受力方式有關(guān)，容易發(fā)冷脆溫度的高低與試驗(yàn)中試樣受力方式有關(guān)，容易發(fā)生塑性變形的就能夠提高冷脆溫度。生塑性變形的就能夠提高冷脆溫度。 （1）拉伸和扭轉(zhuǎn)：靜載荷下拉伸的軟性狀態(tài)系數(shù)大于彎曲）拉伸和扭轉(zhuǎn)：靜載荷下拉伸的軟性狀態(tài)系數(shù)大于彎曲大于扭轉(zhuǎn)，因此拉伸和扭轉(zhuǎn)比較時(shí)，在拉伸條件下的塑性大于扭轉(zhuǎn)，因此拉伸和扭轉(zhuǎn)比較時(shí)，在拉伸條件下的塑性比扭轉(zhuǎn)低，因此扭轉(zhuǎn)的冷脆溫度高。比扭轉(zhuǎn)低，因此扭轉(zhuǎn)的冷脆溫度高。 （2）缺口靜彎曲和缺口沖擊彎曲：應(yīng)變速率增加可以提高）缺口靜彎曲和缺口沖擊彎曲：應(yīng)變速率增加可以提高材料的強(qiáng)度同時(shí)降低材料的塑性，因此應(yīng)變速率的增加有材料的強(qiáng)度同時(shí)降低材料的塑性，

5、因此應(yīng)變速率的增加有增加材料脆性的傾向，缺口靜彎曲的冷脆溫度相對(duì)較高。增加材料脆性的傾向，缺口靜彎曲的冷脆溫度相對(duì)較高。 （3）光滑試樣拉伸和缺口試樣拉伸：缺口試樣會(huì)導(dǎo)致材料）光滑試樣拉伸和缺口試樣拉伸：缺口試樣會(huì)導(dǎo)致材料的受力狀態(tài)改變成兩向或者三向，而多向拉伸的軟性系數(shù)的受力狀態(tài)改變成兩向或者三向，而多向拉伸的軟性系數(shù)更小，因此缺口試樣會(huì)使材料變脆的傾向，從而降低冷脆更小，因此缺口試樣會(huì)使材料變脆的傾向，從而降低冷脆溫度溫度57 試從宏觀上和微觀上解釋為什么有些材料有明顯試從宏觀上和微觀上解釋為什么有些材料有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而另外一些材料則沒(méi)有？的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而另外一些材料則沒(méi)有？ 宏

6、觀上：宏觀上： 微觀上：派微觀上：派納力的主導(dǎo)作用及其對(duì)溫度的納力的主導(dǎo)作用及其對(duì)溫度的敏感性敏感性68 根據(jù)韌脆轉(zhuǎn)變溫度分析機(jī)件脆斷失效的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)韌脆轉(zhuǎn)變溫度分析機(jī)件脆斷失效的優(yōu)缺點(diǎn)。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：脆性斷裂一般斷裂時(shí)間較短，突發(fā)性的斷：脆性斷裂一般斷裂時(shí)間較短，突發(fā)性的斷裂，因此在使用時(shí)一旦超過(guò)屈服強(qiáng)度就會(huì)很快斷裂，因此在使用時(shí)一旦超過(guò)屈服強(qiáng)度就會(huì)很快斷裂裂 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：脆性斷裂在常溫下表現(xiàn)為脆性，因此材料：脆性斷裂在常溫下表現(xiàn)為脆性，因此材料的變形隨溫度降低時(shí)變化不大，這樣在交變溫度的變形隨溫度降低時(shí)變化不大，這樣在交變溫度的使用環(huán)境下，就不需要考慮材料的冷脆溫度的使用環(huán)境下，就不需要考慮

7、材料的冷脆溫度7第四章第四章1 名詞解釋名詞解釋 低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷：高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼的機(jī)件：高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼的機(jī)件 ，中低，中低強(qiáng)度鋼的大型、重型機(jī)件在屈服應(yīng)力以下發(fā)生的強(qiáng)度鋼的大型、重型機(jī)件在屈服應(yīng)力以下發(fā)生的斷裂。斷裂。 張開(kāi)型裂紋張開(kāi)型裂紋： 拉應(yīng)力垂直作用于裂紋擴(kuò)展面，裂拉應(yīng)力垂直作用于裂紋擴(kuò)展面，裂紋沿作用力方向張開(kāi)，沿裂紋面擴(kuò)展的裂紋。紋沿作用力方向張開(kāi)，沿裂紋面擴(kuò)展的裂紋。 應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)：應(yīng)力作用范圍：應(yīng)力作用范圍 應(yīng)變場(chǎng)應(yīng)變場(chǎng)：發(fā)生應(yīng)變的試樣區(qū)域：發(fā)生應(yīng)變的試樣區(qū)域 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K： 與位置無(wú)關(guān)，對(duì)應(yīng)力場(chǎng)各與位置無(wú)關(guān)，對(duì)應(yīng)力場(chǎng)各點(diǎn)應(yīng)力分量有很大影響，能夠

8、表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱點(diǎn)應(yīng)力分量有很大影響，能夠表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度的因子。程度的因子。 “I”表示表示I型裂紋。型裂紋。8小范圍屈服小范圍屈服： 塑性區(qū)的尺寸較裂紋尺寸及凈截面尺塑性區(qū)的尺寸較裂紋尺寸及凈截面尺寸為小時(shí)（小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上），這就稱為小寸為小時(shí)（小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上），這就稱為小范圍屈服范圍屈服 塑性區(qū)塑性區(qū)：發(fā)生塑性變形的區(qū)域：發(fā)生塑性變形的區(qū)域有效屈服應(yīng)力有效屈服應(yīng)力：裂紋在發(fā)生屈服時(shí)的應(yīng)力。與材料：裂紋在發(fā)生屈服時(shí)的應(yīng)力。與材料屈服應(yīng)力的區(qū)別，在平面應(yīng)力狀態(tài)下就是屈服屈服應(yīng)力的區(qū)別，在平面應(yīng)力狀態(tài)下就是屈服應(yīng)力，而在平面應(yīng)變狀態(tài)下為應(yīng)力，而在平面應(yīng)變狀態(tài)下為2.5倍的材料屈服倍的材

9、料屈服強(qiáng)度強(qiáng)度有效裂紋長(zhǎng)度有效裂紋長(zhǎng)度：塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力松弛，從而使屈：塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力松弛，從而使屈服區(qū)之外的應(yīng)力增加，其效果相當(dāng)于因裂紋長(zhǎng)服區(qū)之外的應(yīng)力增加，其效果相當(dāng)于因裂紋長(zhǎng)度增加度增加ry后對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的影響，經(jīng)修正后對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的影響，經(jīng)修正后的裂紋長(zhǎng)度即為有效裂紋長(zhǎng)度后的裂紋長(zhǎng)度即為有效裂紋長(zhǎng)度: a+ry。 9裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展K（G,J）判據(jù)）判據(jù)：裂紋在受力時(shí)只要滿足：裂紋在受力時(shí)只要滿足 K（G,J） KIC（GIC,JIC） ，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂.裂紋擴(kuò)展能量釋放率裂紋擴(kuò)展能量釋放率GI：I型裂紋擴(kuò)展單位面積時(shí)系型裂紋擴(kuò)展單位面積時(shí)系統(tǒng)釋放勢(shì)能的數(shù)

10、值。統(tǒng)釋放勢(shì)能的數(shù)值。 積分積分：有兩種定義或表達(dá)式：一是線積分：二是：有兩種定義或表達(dá)式：一是線積分：二是形變功率差。形變功率差。 ：裂紋張開(kāi)位移：裂紋張開(kāi)位移判據(jù)：當(dāng)判據(jù)：當(dāng)C時(shí)，裂紋開(kāi)始擴(kuò)展。時(shí)，裂紋開(kāi)始擴(kuò)展。 韌帶韌帶：裂紋擴(kuò)展方向試樣沒(méi)有裂紋的區(qū)域：裂紋擴(kuò)展方向試樣沒(méi)有裂紋的區(qū)域102、說(shuō)明下列斷裂韌度指標(biāo)的意義及其相互關(guān)系、說(shuō)明下列斷裂韌度指標(biāo)的意義及其相互關(guān)系KIC和和KC： KIC為平面應(yīng)變下裂紋臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)為平面應(yīng)變下裂紋臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，稱斷裂度因子，稱斷裂K韌度。韌度。 KC為平面應(yīng)力斷裂韌度。為平面應(yīng)力斷裂韌度。 KC KICGIC：材料阻止裂

11、紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)單位面積所消耗的能量：材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)單位面積所消耗的能量JIC：是材料的斷裂韌度，表示材料抵抗裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的能力。：是材料的斷裂韌度，表示材料抵抗裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的能力。C：張開(kāi)型裂紋失穩(wěn)的臨界張開(kāi)位移：張開(kāi)型裂紋失穩(wěn)的臨界張開(kāi)位移sICsICsICscccJGEKEa22sICsICICscnJnGKnE22)1 (平面應(yīng)力平面應(yīng)力平面應(yīng)變平面應(yīng)變113、試述低應(yīng)力脆斷的原因及防止方法。、試述低應(yīng)力脆斷的原因及防止方法。 低應(yīng)力脆斷的原因低應(yīng)力脆斷的原因：機(jī)件存在宏觀裂紋，從而使其在：機(jī)件存在宏觀裂紋，從而使其在低于屈服應(yīng)力的情況發(fā)生斷裂。低于屈服應(yīng)力的情況發(fā)生斷裂。 預(yù)防措

12、施預(yù)防措施：將斷裂判據(jù)用于機(jī)件的設(shè)計(jì)上，在給定裂：將斷裂判據(jù)用于機(jī)件的設(shè)計(jì)上，在給定裂紋尺寸的情況下，確定機(jī)件允許的最大工作應(yīng)力，或紋尺寸的情況下，確定機(jī)件允許的最大工作應(yīng)力，或者當(dāng)機(jī)件的工作應(yīng)力確定后，根據(jù)斷裂判據(jù)確定機(jī)件者當(dāng)機(jī)件的工作應(yīng)力確定后，根據(jù)斷裂判據(jù)確定機(jī)件不發(fā)生脆性斷裂時(shí)所允許的最大裂紋尺寸。不發(fā)生脆性斷裂時(shí)所允許的最大裂紋尺寸。4、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)而用其、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)而用其它判據(jù)？它判據(jù)？r=0時(shí)時(shí) =與 實(shí) 際與 實(shí) 際不符不符很 小 的很 小 的應(yīng) 力 就應(yīng) 力 就會(huì)失穩(wěn)會(huì)失穩(wěn)125 5、試述應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的意義及典型

13、裂紋的、試述應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的意義及典型裂紋的K KI I表達(dá)表達(dá)式式 平面應(yīng)變下裂紋臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度平面應(yīng)變下裂紋臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，因子，K判據(jù)。判據(jù)。典型裂紋的典型裂紋的K KI I表達(dá)式表達(dá)式:P69(:P69(略略) )6 6、試述試述K判據(jù)的意義及用途。判據(jù)的意義及用途。 K判據(jù)解決了經(jīng)典的強(qiáng)度理論不能解決存在宏觀判據(jù)解決了經(jīng)典的強(qiáng)度理論不能解決存在宏觀裂紋為什么會(huì)產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷的原因。裂紋為什么會(huì)產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷的原因。K判據(jù)將判據(jù)將材料斷裂韌度同機(jī)件的工作應(yīng)力及裂紋尺寸的材料斷裂韌度同機(jī)件的工作應(yīng)力及裂紋尺寸的關(guān)系定量地聯(lián)系起來(lái)，可直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算，關(guān)系定量地

14、聯(lián)系起來(lái)，可直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算，估算裂紋體的最大承載能力、允許的裂紋最大估算裂紋體的最大承載能力、允許的裂紋最大尺寸，以及用于正確選擇機(jī)件材料、優(yōu)化工藝尺寸，以及用于正確選擇機(jī)件材料、優(yōu)化工藝等。等。 137、試述裂紋尖端塑性區(qū)產(chǎn)生的原因及其影響因素。、試述裂紋尖端塑性區(qū)產(chǎn)生的原因及其影響因素。 原因原因：機(jī)件上由于存在裂紋，在裂紋尖端處產(chǎn)生：機(jī)件上由于存在裂紋，在裂紋尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中，當(dāng)y趨于材料的屈服應(yīng)力時(shí)，在裂紋趨于材料的屈服應(yīng)力時(shí)，在裂紋尖端處便開(kāi)始屈服產(chǎn)生塑性變形，從而形成塑尖端處便開(kāi)始屈服產(chǎn)生塑性變形，從而形成塑性區(qū)。性區(qū)。 影響塑性區(qū)大小的因素影響塑性區(qū)大小的因素：裂

15、紋在厚板中所處的位：裂紋在厚板中所處的位置，板中心處于平面應(yīng)變狀態(tài)，塑性區(qū)較小；置，板中心處于平面應(yīng)變狀態(tài)，塑性區(qū)較小；板表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)，塑性區(qū)較大。但是板表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)，塑性區(qū)較大。但是無(wú)論平面應(yīng)力或平面應(yīng)變，塑性區(qū)寬度總是與無(wú)論平面應(yīng)力或平面應(yīng)變，塑性區(qū)寬度總是與（KIC/s)2成正比。成正比。148、試述塑性區(qū)對(duì)、試述塑性區(qū)對(duì)KI的影響及的影響及KI的修正方法和結(jié)果。的修正方法和結(jié)果。 影響影響：裂紋尖端塑性區(qū)的存在將會(huì)降低裂紋體的剛度，：裂紋尖端塑性區(qū)的存在將會(huì)降低裂紋體的剛度，相當(dāng)于裂紋長(zhǎng)度的增加，因而影響應(yīng)力場(chǎng)和及相當(dāng)于裂紋長(zhǎng)度的增加，因而影響應(yīng)力場(chǎng)和及KI的計(jì)算，的計(jì)

16、算，所以要對(duì)所以要對(duì)KI進(jìn)行修正。進(jìn)行修正。 修正方法修正方法：“有效裂紋尺寸有效裂紋尺寸”，即以虛擬有效裂紋代替，即以虛擬有效裂紋代替實(shí)際裂紋，然后用線彈性理論所得的公式進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際裂紋，然后用線彈性理論所得的公式進(jìn)行計(jì)算。 結(jié)果結(jié)果：221-0.16(/)IsYaKY 平面應(yīng)力221-0.56(/)IsYaKY 平面應(yīng)變1512、試述、試述KIC的測(cè)試原理和對(duì)試樣的要求的測(cè)試原理和對(duì)試樣的要求 原理原理：先用一定的試樣測(cè)試出：先用一定的試樣測(cè)試出FQ和裂紋長(zhǎng)度和裂紋長(zhǎng)度a值得到一個(gè)值得到一個(gè)KQ,如果如果KQ符合條件就說(shuō)明測(cè)試使符合條件就說(shuō)明測(cè)試使用的試樣符合條件，如果不符合就換成較大試

17、用的試樣符合條件，如果不符合就換成較大試樣重新測(cè)試。樣重新測(cè)試。 試樣要求試樣要求：2222.52.52.5ICyICyICyKBKaKWa1613、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性之間的關(guān)系、斷裂韌度與強(qiáng)度、塑性之間的關(guān)系 總的來(lái)說(shuō)，斷裂韌度隨強(qiáng)度的升高而降低?？偟膩?lái)說(shuō)，斷裂韌度隨強(qiáng)度的升高而降低。 1/2*ICyfcKEX 14、試述、試述KIC和和AKV的異同及其相互之間的關(guān)系。的異同及其相互之間的關(guān)系。 相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：都可以表示材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力都可以表示材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力 不同點(diǎn)：不同點(diǎn)：KIC是裂紋失穩(wěn)而導(dǎo)致材料斷裂的臨是裂紋失穩(wěn)而導(dǎo)致材料斷裂的臨界強(qiáng)度因子。而界強(qiáng)度因子。而AKV是

18、是V型試樣的沖擊吸收功。型試樣的沖擊吸收功。試樣的速率不同。試樣的速率不同。 相互關(guān)系：相互關(guān)系：一般一般KIC大的材料其大的材料其AKV較大較大1715、試述影響、試述影響的冶金因素的冶金因素 內(nèi)因內(nèi)因：1、化學(xué)成分的影響；、化學(xué)成分的影響；2、基體相結(jié)構(gòu)和晶粒、基體相結(jié)構(gòu)和晶粒大小的影響；大小的影響；3、雜質(zhì)及第二相的影響；、雜質(zhì)及第二相的影響；4、顯微、顯微組織的影響。組織的影響。外因外因：1、溫度；、溫度；2、應(yīng)變速率。、應(yīng)變速率。 16、已講、已講1817、有一軸件平行軸向工作應(yīng)力、有一軸件平行軸向工作應(yīng)力150MPa，使用中發(fā)現(xiàn)橫向，使用中發(fā)現(xiàn)橫向疲勞脆性正斷，斷口分析表明有疲勞脆

19、性正斷，斷口分析表明有25mm深度的表面半橢圓深度的表面半橢圓疲勞區(qū)，根據(jù)裂紋疲勞區(qū)，根據(jù)裂紋a/c可以確定可以確定=1，測(cè)試材料的，測(cè)試材料的0.2=720MPa ，試估算材料的斷裂韌度，試估算材料的斷裂韌度KIC為多少？為多少？解：解：第一步：是否需要第一步：是否需要K值修訂值修訂 /0.2=150/720=0.2080.7 （不用修訂）（不用修訂） 第二步：材料服役條件和裂紋類型第二步：材料服役條件和裂紋類型 表面半橢圓裂紋（平面應(yīng)變）：表面半橢圓裂紋（平面應(yīng)變）：1.11.1IaKa 第三步：求第三步：求KI, 材料是否能夠安全服役材料是否能夠安全服役150MPa材料斷裂，因此材料斷裂，因此 c=150MPa，a=25mm代入可求代