工程材料力学性能三四章习题

1、1 第三章第三章 冲击韧度冲击韧度：冲击载荷下，材料断裂前单位截面积：冲击载荷下，材料断裂前单位截面积 吸收的能量（外力做的功）吸收的能量（外力做的功） 冲击吸收功冲击吸收功: 冲击载荷下，材料断裂前吸收的能冲击载荷下，材料断裂前吸收的能 量（外力做的功）量（外力做的功） 低温脆性低温脆性： 温度低于某一温度时，材料由韧性状温度低于某一温度时，材料由韧性状 态变为脆性状态的现象。态变为脆性状态的现象。 韧脆转变温度韧脆转变温度：材料有韧性状态转变为脆性状态：材料有韧性状态转变为脆性状态 的温度。的温度。 韧性温度储备韧性温度储备:材料使用温度和韧脆转变温度的差材料使用温度和韧脆转变温度的差 值

2、。值。 2 AK：冲击吸收功：冲击吸收功 AKV(U)：V(U)型缺口试样的冲击吸收功型缺口试样的冲击吸收功 FATT50：结晶区占整个断口面积：结晶区占整个断口面积50%时的温度定时的温度定 义的韧脆转变温度义的韧脆转变温度 NDT, FTE, TFP Plastic Elastic 3 4 试说明低温脆性的物理本质及其影响因素试说明低温脆性的物理本质及其影响因素 低温脆性的物理本质：低温脆性的物理本质： 影响因素有：影响因素有： 1)晶体结构：晶体结构：BCC容易出现低温脆性容易出现低温脆性 2)化学成分：固溶强化降低塑性（化学成分：固溶强化降低塑性（Mn, Ni） 3)显微组织：显微组织

3、：晶粒大小晶粒大小金相组织金相组织 位错运动位错运动 随温度降随温度降 低而困难低而困难 4 5 试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。 焊接容易在焊缝处形成粗大金相组织气孔、夹渣、未焊接容易在焊缝处形成粗大金相组织气孔、夹渣、未 熔合、未焊透、错边、咬边等缺陷，增加裂纹敏感度，增熔合、未焊透、错边、咬边等缺陷，增加裂纹敏感度，增 加材料的脆性，容易发生脆性断裂（落锤试验试样）。加材料的脆性，容易发生脆性断裂（落锤试验试样）。 6 下列三组试验方法中，请举出每一组中哪种试验方法测得下列三组试验方法中，请举出每一组中哪种试验方法测得 的冷脆温

4、度较高？为什么？的冷脆温度较高？为什么？ 冷脆温度的高低与试验中试样受力方式有关，容易发冷脆温度的高低与试验中试样受力方式有关，容易发 生塑性变形的就能够提高冷脆温度。生塑性变形的就能够提高冷脆温度。 （1）拉伸和扭转：静载荷下拉伸的软性状态系数大于弯曲）拉伸和扭转：静载荷下拉伸的软性状态系数大于弯曲 大于扭转，因此拉伸和扭转比较时，在拉伸条件下的塑性大于扭转，因此拉伸和扭转比较时，在拉伸条件下的塑性 比扭转低，因此扭转的冷脆温度高。比扭转低，因此扭转的冷脆温度高。 （2）缺口静弯曲和缺口冲击弯曲：应变速率增加可以提高）缺口静弯曲和缺口冲击弯曲：应变速率增加可以提高 材料的强度同时降低材料的塑

5、性，因此应变速率的增加有材料的强度同时降低材料的塑性，因此应变速率的增加有 增加材料脆性的倾向，缺口静弯曲的冷脆温度相对较高。增加材料脆性的倾向，缺口静弯曲的冷脆温度相对较高。 （3）光滑试样拉伸和缺口试样拉伸：缺口试样会导致材料）光滑试样拉伸和缺口试样拉伸：缺口试样会导致材料 的受力状态改变成两向或者三向，而多向拉伸的软性系数的受力状态改变成两向或者三向，而多向拉伸的软性系数 更小，因此缺口试样会使材料变脆的倾向，从而降低冷脆更小，因此缺口试样会使材料变脆的倾向，从而降低冷脆 温度温度 5 7 试从宏观上和微观上解释为什么有些材料有明显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

6、度，而另外一些材料则没有？的韧脆转变温度，而另外一些材料则没有？ 宏观上：宏观上： 微观上：派微观上：派纳力的主导作用及其对温度的纳力的主导作用及其对温度的 敏感性敏感性 6 8 根据韧脆转变温度分析机件脆断失效的优缺点。根据韧脆转变温度分析机件脆断失效的优缺点。 缺点缺点：脆性断裂一般断裂时间较短，突发性的断：脆性断裂一般断裂时间较短，突发性的断 裂，因此在使用时一旦超过屈服强度就会很快断裂，因此在使用时一旦超过屈服强度就会很快断 裂裂 优点优点：脆性断裂在常温下表现为脆性，因此材料：脆性断裂在常温下表现为脆性，因此材料 的变形随温度降低时变化不大，这样在交变温度的变形随温度降低时变化不大，

7、这样在交变温度 的使用环境下，就不需要考虑材料的冷脆温度的使用环境下，就不需要考虑材料的冷脆温度 7 第四章第四章 1 名词解释名词解释 低应力脆断低应力脆断：高强度、超高强度钢的机件：高强度、超高强度钢的机件 ，中低，中低 强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下发生的强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下发生的 断裂。断裂。 张开型裂纹张开型裂纹： 拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂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。纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展的裂纹。 应力场应力场：应力作用范围：应力作用范围 应变场应变场：发生应变的试样区域：发生应变的试样区域 应力场强度

8、因子应力场强度因子K ： ： 与位置无关，对应力场各与位置无关，对应力场各 点应力分量有很大影响，能够表示应力场的强弱点应力分量有很大影响，能够表示应力场的强弱 程度的因子。程度的因子。 “I”表示表示I型裂纹。型裂纹。 8 小范围屈服小范围屈服： 塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺 寸为小时（小一个数量级以上），这就称为小寸为小时（小一个数量级以上），这就称为小 范围屈服范围屈服 塑性区塑性区：发生塑性变形的区域：发生塑性变形的区域 有效屈服应力有效屈服应力：裂纹在发生屈服时的应力。与材料：裂纹在发生屈服时的应力。与材料 屈服应力的区别，在平面应力状态下就是屈服

9、屈服应力的区别，在平面应力状态下就是屈服 应力，而在平面应变状态下为应力，而在平面应变状态下为2.5倍的材料屈服倍的材料屈服 强度强度 有效裂纹长度有效裂纹长度：塑性变形导致应力松弛，从而使屈：塑性变形导致应力松弛，从而使屈 服区之外的应力增加，其效果相当于因裂纹长服区之外的应力增加，其效果相当于因裂纹长 度增加度增加ry后对裂纹尖端应力场的影响，经修正后对裂纹尖端应力场的影响，经修正 后的裂纹长度即为有效裂纹长度后的裂纹长度即为有效裂纹长度: a+ry。 9 裂纹扩展裂纹扩展K（G,J）判据）判据：裂纹在受力时只要满足：裂纹在受力时只要满足 K （G,J） KIC（GIC,JIC） ，就会发

10、生脆性断裂，就会发生脆性断裂. 裂纹扩展能量释放率裂纹扩展能量释放率GI：I型裂纹扩展单位面积时系型裂纹扩展单位面积时系 统释放势能的数值。统释放势能的数值。 积分积分：有两种定义或表达式：一是线积分：二是：有两种定义或表达式：一是线积分：二是 形变功率差。形变功率差。 ：裂纹张开位移：裂纹张开位移 判据：当判据：当C时，裂纹开始扩展。时，裂纹开始扩展。 韧带韧带：裂纹扩展方向试样没有裂纹的区域：裂纹扩展方向试样没有裂纹的区域 10 2、说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系、说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系 KIC和和KC： KIC为平面应变下裂纹临界或失稳状态的应力场强为平面应变下裂

11、纹临界或失稳状态的应力场强 度因子，称断裂度因子，称断裂K韧度。韧度。 KC为平面应力断裂韧度。为平面应力断裂韧度。 KC KIC GIC：材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量：材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量 JIC：是材料的断裂韧度，表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。：是材料的断裂韧度，表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。 C：张开型裂纹失稳的临界张开位移：张开型裂纹失稳的临界张开位移 s IC s IC s IC s cc c JG E K E a 2 2 s IC s IC IC s c n J n G K nE 2 2 )1 ( 平面应力平面应力 平面应变平面应变 11 3

12、、试述低应力脆断的原因及防止方法。、试述低应力脆断的原因及防止方法。 低应力脆断的原因低应力脆断的原因：机件存在宏观裂纹，从而使其在：机件存在宏观裂纹，从而使其在 低于屈服应力的情况发生断裂。低于屈服应力的情况发生断裂。 预防措施预防措施：将断裂判据用于机件的设计上，在给定裂：将断裂判据用于机件的设计上，在给定裂 纹尺寸的情况下，确定机件允许的最大工作应力，或纹尺寸的情况下，确定机件允许的最大工作应力，或 者当机件的工作应力确定后，根据断裂判据确定机件者当机件的工作应力确定后，根据断裂判据确定机件 不发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸。不发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸。 4、为什么研究裂纹

13、扩展的力学条件时不用应力判据而用其、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？它判据？ r=0时时 = 与 实 际与 实 际 不符不符 很 小 的很 小 的 应 力 就应 力 就 会失稳会失稳 12 5 5、试述应力场强度因子的意义及典型裂纹的、试述应力场强度因子的意义及典型裂纹的K KI I表达表达 式式 平面应变下裂纹临界或失稳状态的应力场强度平面应变下裂纹临界或失稳状态的应力场强度 因子，因子，K判据。判据。典型裂纹的典型裂纹的K KI I表达式表达式:P69(:P69(略略) ) 6 6、试述试述K判据的意义及用途。判据的意义及用途。 K判据解决了经典的强度理论不能解决

14、存在宏观判据解决了经典的强度理论不能解决存在宏观 裂纹为什么会产生低应力脆断的原因。裂纹为什么会产生低应力脆断的原因。K判据将判据将 材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的 关系定量地联系起来，可直接用于设计计算，关系定量地联系起来，可直接用于设计计算， 估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹最大估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹最大 尺寸，以及用于正确选择机件材料、优化工艺尺寸，以及用于正确选择机件材料、优化工艺 等。等。 13 7、试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。、试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。 原因原因：机件上由于存在裂纹，

15、在裂纹尖端处产生：机件上由于存在裂纹，在裂纹尖端处产生 应力集中，当应力集中，当y趋于材料的屈服应力时，在裂纹趋于材料的屈服应力时，在裂纹 尖端处便开始屈服产生塑性变形，从而形成塑尖端处便开始屈服产生塑性变形，从而形成塑 性区。性区。 影响塑性区大小的因素影响塑性区大小的因素：裂纹在厚板中所处的位：裂纹在厚板中所处的位 置，板中心处于平面应变状态，塑性区较小；置，板中心处于平面应变状态，塑性区较小； 板表面处于平面应力状态，塑性区较大。但是板表面处于平面应力状态，塑性区较大。但是 无论平面应力或平面应变，塑性区宽度总是与无论平面应力或平面应变，塑性区宽度总是与 （KIC/s)2成正比。成正比。

16、 14 8、试述塑性区对、试述塑性区对KI的影响及的影响及KI的修正方法和结果。的修正方法和结果。 影响影响：裂纹尖端塑性区的存在将会降低裂纹体的刚度，：裂纹尖端塑性区的存在将会降低裂纹体的刚度， 相当于裂纹长度的增加，因而影响应力场和及相当于裂纹长度的增加，因而影响应力场和及KI的计算，的计算， 所以要对所以要对KI进行修正。进行修正。 修正方法修正方法：“有效裂纹尺寸有效裂纹尺寸”，即以虚拟有效裂纹代替，即以虚拟有效裂纹代替 实际裂纹，然后用线弹性理论所得的公式进行计算。实际裂纹，然后用线弹性理论所得的公式进行计算。 结果结果： 22 1-0.16(/) I s Ya K Y 平面应力 2

17、2 1-0.56(/) I s Ya K Y 平面应变 15 12、试述、试述KIC的测试原理和对试样的要求的测试原理和对试样的要求 原理原理：先用一定的试样测试出：先用一定的试样测试出FQ和裂纹长度和裂纹长度a 值得到一个值得到一个KQ,如果如果KQ符合条件就说明测试使符合条件就说明测试使 用的试样符合条件，如果不符合就换成较大试用的试样符合条件，如果不符合就换成较大试 样重新测试。样重新测试。 试样要求试样要求： 2 2 2 2.5 2.5 2.5 IC y IC y IC y K B K a K Wa 16 13、断裂韧度与强度、塑性之间的关系、断裂韧度与强度、塑性之间的关系 总的来说，

18、断裂韧度随强度的升高而降低。总的来说，断裂韧度随强度的升高而降低。 1/2 * ICyfc KEX 14、试述、试述KIC和和AKV的异同及其相互之间的关系。的异同及其相互之间的关系。 相同点：相同点：都可以表示材料抵抗裂纹扩展的能力都可以表示材料抵抗裂纹扩展的能力 不同点：不同点：KIC是裂纹失稳而导致材料断裂的临是裂纹失稳而导致材料断裂的临 界强度因子。而界强度因子。而AKV是是V型试样的冲击吸收功。型试样的冲击吸收功。 试样的速率不同。试样的速率不同。 相互关系：相互关系：一般一般KIC大的材料其大的材料其AKV较大较大 17 15、试述影响、试述影响 的冶金因素 的冶金因素 内因内因：

19、1、化学成分的影响；、化学成分的影响；2、基体相结构和晶粒、基体相结构和晶粒 大小的影响；大小的影响；3、杂质及第二相的影响；、杂质及第二相的影响；4、显微、显微 组织的影响。组织的影响。 外因外因：1、温度；、温度；2、应变速率。、应变速率。 16、已讲、已讲 18 17、有一轴件平行轴向工作应力、有一轴件平行轴向工作应力150MPa，使用中发现横向，使用中发现横向 疲劳脆性正断，断口分析表明有疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深度的表面半椭圆深度的表面半椭圆 疲劳区，根据裂纹疲劳区，根据裂纹a/c可以确定可以确定=1，测试材料的，测试材料的 0.2=720MPa ，试估算材料的断裂韧度，试估算材料的断裂韧度KIC为多少？为多少？ 解：解：第一步：是否需要第一步：是否需要K值修订值修订 /0.2=150/720=0.2080.7 （不用修订）（不用修订） 第二步：材料服役条件和裂纹类型第二步：材料服役条件和裂纹类型 表面半椭圆裂纹（平面应变）：表面半椭圆裂纹（平面应变）： 1.1 1.1 I a Ka 第三步：求第三步：求KI, 材料是否能够安全服役材料是否能够安全服役 150MPa材料断裂，因此材料断裂，因此 c=150MPa，a=25mm 代入可求代入可求