材料的断裂与控制

1、名词解释：1 . 应力场强度因子：反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为应力强度因子。2 . 能量释放率G：能量释放率是指裂纹由某一端点向前扩展一个单位长度时，平板每单位厚度所释放出来的能量。3 . 断裂韧性：断裂韧性表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。4 . 有效裂纹长度：由于裂纹尖端塑性区存在，会降低裂纹体的刚度，相当于裂纹长度增加，采用虚拟的有效裂纹代替实际裂纹，其长度为有效裂纹长度。5 .小范围屈服：塑性区尺寸较裂纹尺寸a及净截面尺寸为小时（小一个数量级以上），即小范围屈服。6 . 低应力脆断：指有些高强度钢制造的零件，中、低强度钢制造的大零件，往往在工作应

2、力远低于屈服强度时发生的脆性 断裂。7 . CTOD裂纹临界张开位移。8 .:表示裂纹尖端张开位移，用来测试材料的韧度（韧性的度量）。9 . 积分：有两种定义或表达式：一是线积分：二是形变功率差。10 . I型裂纹：张开型裂纹指的是正应力垂直于裂纹面，扩展方向和正应力垂直。11 .柔性系数：在各种加载条件下，最大切应力和正应力的比值称为应力状态的柔性系数（也叫软性系数）a ,即 。12 .解理断裂：裂纹沿解理面（低指数面，如 bcc为100面）扩展而使晶体沿解理面分裂的一种脆性断裂方式。13 .沿晶断裂：裂纹沿多晶体的晶界发展而引起的断裂。14 .穿晶断裂：裂纹穿过晶粒扩展引起的断裂。15 .

3、准解理断口：既没有沿晶特征也没有解理特征（即找不到河流、扇形、舌状花样）的脆性断口。16 .无位错区：裂尖前方位错密度等于零的区间，即无位错的区间。17 .位错像力：自由表面吸引位错的力。18 .位错塞集：位错运动遇到障碍（晶界、第二相粒子以及不动位错等）,如果其向前运动的力不能克服障碍物的力，位错就会停在障碍物面前，由同一个位错源放出的其他位错也会被阻在障碍物前的现象。19 .反塞积群：离裂尖越远，位错越稀疏，即位错反塞积在无位错区的尾端，称为反塞积群。20 .疲劳断裂：由于在局部应力集中或强度较低部位首先产生裂纹，裂纹随后扩展导致的断裂。21 .贝纹线：疲劳断裂的工件中由于交变应力使裂纹扩

4、展，在裂纹源和瞬断区之间形成像贝壳表面的同心圆弧线，裂纹前沿线弧状台阶痕迹，像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线。22 .疲劳极限：经过无穷多次应力循环而不发生破坏时的最大应力值。23 .驻留滑移带：用电解抛光的方法很难将已产生的表面循环滑移带去除，当对式样重新循环加载时，则循环滑移带又会在原处再现，这种永留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。24 .高周疲劳：在应力较低，应变交变频率较高情况下产生的疲劳。25 .应力比：也叫应力循环对称系数，是对试件加载时的最小应力和最大应力之比。26 .应力腐蚀开裂：材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的开裂。27 .阳极溶解型：若应力腐蚀阴极反应是吸氧或者

5、虽然是放氢，但进入试样的氢低于氢致开裂的临界值的应力腐蚀。28 .活性通路：在合金中存在的一条易于腐蚀的、大致连续的路线。29 .:临界应力强度因子。30 .氯脆：奥氏体不锈钢在含的溶液环境中发生脆断的简称。31 .硫脆：硫化物导致奥氏体不锈钢的应力腐蚀。32 .碱脆：碳钢在高温碱性溶液中及拉应力（残余的、外部的）作用下的脆性断裂。33 .沿晶应力腐蚀开裂：材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的沿晶开裂。34 .穿晶应力腐蚀开裂：材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的穿晶开裂。35 .氢脆：氢进入材料内部而引起材料的塑性下降的现象，也称氢损伤。36 .氢陷阱：指钢中富集了氢的缺陷的

6、位置。37 .晶格弱化机制：当氢进入金属中时，固溶的氢使晶格膨胀，导致原子的键合力下降，使得晶格弱化，在比较低的外力作用下便使材料开裂，从而产生氢脆。38 .:位错引起的附加应力强度因子。:裂纹发射位错的临界应力强度因子。:裂纹形核的临界应力强度因子。:裂纹尖端的有效应力强度因子。:外加应力强度因子。:临界应力强度因子。简答：1. 为什么裂纹尖端会发生应力松弛 ？裂纹尖端附近存在着小范围的塑性区（以裂纹尖端为圆心，半径为 r0的圆形区域），材料屈服后，多出来的应力将要松 弛，使r0前方局部地区的应力升高，又导致这些地方发生屈服。即屈服导致应力松弛。2. K, G和J的关系。三个参量可以互相替换

7、，各自的断裂判据是等效的，对I型裂纹：_，其中平面应力状态：，平面应变:。3. 说明 与 的意义及其相互关系。为平面应力下裂纹临界或失稳状态的应力场强度因子，称为所裂韧性。为平面应变下的断裂韧性。通常情况下，。4. 断裂力学中，按受力及扩展途径裂纹的分类及其特点。三种类型 I张开型 口剪切型 W撕裂型I型：拉应力垂直于裂纹扩展面。口型：裂纹扩展受切应力控制，切应力平行作用于裂纹面且垂直于裂纹线。W型：平行于裂纹面而与裂纹前沿线方向平行的剪切力作用。5. 说明的意义，指出其适用的条件。裂纹在弹塑性条件下发生失稳扩展的临界裂纹张开位移，测量的试样厚度和构件应该相同。6. 说明的意义，指出其适用的条

8、件。I型裂纹失稳扩展的临界能量释放率，适用于脆性材料。7. 说明提高材料强韧性的热处理工艺。亚温淬火、超高温淬火、形变热处理。8. 为什么平面应变状态裂纹尖端塑性区尺寸比平面应力状态小，当 =时，他们的塑性区尺寸分别等于多少 ？在平面应变状态下，沿板厚方向（Z方向）的弹性约束是裂纹尖端材料处于三向拉应力作用下，三向拉应力状态会对塑性流动起约束作用，即不易发生塑性变形，所以平面应变状态裂纹尖端塑性区尺寸比平面应力状态的小。当 = 时平面应力状态：-（一）-（一）平面应变状态：-（一）（一）或：9. 有一大型厚板构件，构件材料的屈服强度=1200MPa断裂韧度=115MPa 一。经探伤发现，厚板构

9、件中存在长度2a=20mm勺中心穿透裂纹，若构件在平均轴向拉应力为900MPa的条件下工作。试着择合适的公式计算以及塑性区尺寸 。并判断该构件安全？ （附：；=;-（）;（一）（一）（）解：已知中心穿透裂纹的长度为 2 =20mm于是 =10mm且由于构件为大型厚板，属平面应变状态。=0.750.7 。需要 进行修（1）已知该材料的屈服强度=1200 MPa,而构件的工作应力为 900 MPa考虑到正。所以裂纹前端的应力场强度因子可按下式计算:=168.1 (MPa -) (-)（2）由于在平面应变下，裂纹前端的塑性区尺寸为一（_）于是该构件裂纹前端的塑性区尺寸为:)=2.2 (mn（3）由于

10、=168.1 MPa -10. 已知一个构件的工作应力=800所以该构件不安全。裂纹长度2a=4mm应力场强度因子一。钢材和的变化趋势如下。若按照屈服强度计算的安全系数n=1.45.使者确定材料的热处理状态。（附:下表）回火温度/C600500400300200/11451200130014001500/ MPa10885705545解：（1）应力场强度因子可按下式计算：=71.55 (MPa构件安全。因为 =71.55,所以600和500c符合要求。（2）强度判据:=1.45 X 800=1600 MP3所以只有500c回火处理符合要求。11.有一厚板状的工程构件，使用钢的=80 MPa ,

11、 和=800现一长为40mm勺中心穿透裂纹，完成以下问题（附:1.说明的物理意义。是裂纹发生快速扩展的临界应力强度因子，当 KO该构件的工作应力为）=400。在例行检测中发裂纹不扩展，K,裂纹发生快速扩展。2 .试判断该结构的安全性。构件的应力强度因子=400 X 1.77 X-=100.13(MPa )=80,所以结构不安全3 .如果不对结构进行维修，如何保证结构使用安全?降低构件所承受的外力，不超过、=320 (MPa12 .说明解理台阶的性质。P40裂纹扩展过程中发生合并或消失；相同方向的台阶合并后高度增加；相反方向的台阶合并后高度减小或消失；台阶的高 度与位错柏氏矢量和位错密度之间存在

12、一定的关系。13 .说明韧性断裂和脆fiE断裂的区别。p30断裂前有明显的塑性变形，微观为韧窝特征；脆性断裂前几乎没有塑性变形，微观为解理特征。P3614 .说明韧性断裂产生的条件、基本特征和典型的微观形貌。当外力首先达到材料的屈服强度，位错运动，产生明显的塑性变形；韧性断裂时，材料（试样）将产生明显的塑性变形，拉伸试样形成杯锥状断口，断口有相当比例的纤维区，裂纹是通过微 孔形核、长大形成微裂纹；韧性断裂的典型形貌是韧窝，在韧窝底部可观察到第二相粒子，因受力条件不同有拉长韧窝等。P3915 .说明解理断裂产生的条件、基本特征和典型的微观形貌。产生条件：有解理面；应力集中大于解理断裂强度。基本特

13、征：解理台阶。典型微观形貌：河流花样；扇形花样；羽毛状花样。P4916 .说明变温引起的韧-脆转变现象，对比光滑试样和缺口试样拉伸断裂的韧脆性。-脆转变温度。当温度降低时，材料由韧性的断裂转变为脆性的断裂的现象。材料的冲击韧性明显减低，存在一个韧 缺口试样比光滑试样呈现更大的脆性。17 .说明微裂纹的形核方式。P54位错滑移形成微裂纹、微孔聚合形成微裂纹、空位聚合成空洞形成微裂纹、 应力集中使原子键断裂形成微裂纹。18 .说明位错塞集形成微裂纹的机制。P56运动的位错遇到障碍物（第二相、晶界等），产生位错塞积，在障碍物前方产生应力集中。应力集中达到材料解理面的断 裂强度，使解理面开裂，导致微裂

14、纹形成。19 .说明位错反应形成微裂纹的机制。P5719.BCC结构的晶体，两个相交滑移面运动的位错相遇，发生位错反应，形成刃型位错，在解理面（001）产生应力，当应力达到解理面的断裂强度，导致晶体沿解理面分离。 20.写出位错像力的表达式。P59（1） 刃型位错： ;位错塞积形成微裂纹、位错反应形成微裂纹、（2） 螺型位错:21 .说明疲劳断裂的主要特点。零件承受的应力低于材料的屈服强度；承受的载荷是交变载荷，发生脆性断裂；往往突然发生，危险性很大。22 .画出疲劳裂纹速率曲线，并说明每个阶段的特征及寿命估算方法。P109I区：低速率区，该区域内，随着应力强度因子AK的降低，裂纹扩展速率迅速

15、下降；口区：中速率区，此时，裂纹扩展速率一般在mm/cycle ；W区：高速率区，在这一区域内，da/dN大，随着4K的升高，裂纹扩展速率升高。 寿命估算方法：a. Paris 公式一适用于中部区;b. Forman 公式一适用于中部区和快速扩展区;c.） 适用于近门槛区和中部区;d.-描述整个裂纹速率曲线。23 .西出光滑试样的疲劳寿命（S-N）曲线，说明疲劳极限的测试方法，指出疲劳失效的一般过程、微裂纹的形成方式，说明 疲劳裂纹扩展的典型微观机制。S-N曲线。疲劳极限的测定采用单点试样法或者升降法，单点试样法理想情况下最 少可采用两个试样确定疲劳极限，根据断裂和不断裂试样的应力幅求加权平均

16、值，升降 法是单点法的多次重复。p81在交变应力作用下，首先在试样 （机件）表面形成疲劳裂纹，疲劳裂纹发生第I阶段 扩展，裂纹和试样的轴线呈 45 ,然后和与试样轴线垂直的方向扩展，当裂纹长度到达 临界值或裂纹尖端的 达到 裂纹快速扩展试样断裂。P80表面滑移带开裂，决定了疲劳裂纹从构件或试样的表面萌生；夹杂物开裂与基体相界面分离，疲劳裂纹会从试样内部萌生；晶界或亚晶界开裂。另外，疲劳裂纹扩展也会出现解理、韧窝、疲劳辉纹（疲劳条带），这种辉纹常常是用来判断零件是否疲劳断裂的有力依据。沿晶断裂24 .画出典型疲劳宏观断口的示意图，并说明每个区的特征及疲劳裂纹萌生的方式。疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生

17、的策源地，是疲劳破坏的起点，多处于机件的表面，源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光亮，且呈半圆形或半椭圆形。疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域，该区是判断疲劳断裂的最重要特征区域，其基本特征是呈 现贝壳花样或海滩花样，它是以疲劳源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧线。与其它两个区相比，瞬断区的明显特征是具有不平坦的粗糙表面，而裂纹源区及裂纹扩展区则为光亮区，有时光亮区仅 为疲劳源区。疲劳微裂纹的萌生有三种方式：表面滑移系开裂；夹杂物与基体相界面分离或夹杂物本身断裂；晶界或亚晶界开裂。25 .指出疲劳宏观断口的特征、并说明疲劳贝纹线和疲劳条带的区

18、别。包括疲劳源、裂纹扩展区和快速扩展区。贝纹线疲劳断口的前沿线是机器启动或停止，或超载造成的，贝纹线是疲劳宏 观断口观察的痕迹；疲劳条带是稳定扩展区的微观形貌。26 .说明影响材料疲劳性能的因素载荷形式尺寸效应表面光洁度 表面处理27 .说明应力腐蚀敏感性的评价方法。p133电化学方法：电位范围 极化测试法；电位快慢扫描比较法；临界开裂电位的预测。力学方法：静载荷试验法；断裂力学法；慢应变速率法；应变电极法。28 .采用钝化膜破坏理论说明应力腐蚀裂纹的萌生。p122大多数材料和特定环境组成的应力腐蚀体系，具有明显的钝化现象，材料表面形成钝化膜；在一定的电化学电位条件下，钝化膜破裂，在材料表面产

19、生点腐蚀；当腐蚀坑形成后，破坏了试样表面的几何连续性，从而在腐蚀坑底部产生应力集中；虽然试样所承受的名义应力比较低，但由于应力集中腐蚀坑底部的应力超过材料的屈服强度，材料发生局部的塑性变形,即腐蚀坑底部形成滑移台阶，这些滑移台阶作为阳极，加速腐蚀，在应力和阳极溶解的共同作用下，导致裂纹的萌生。29 .简述应力腐蚀三阶段理论。p129(1)材料表明生成钝化膜或保护膜，全面腐蚀率相对地非常低，使腐蚀只发生在高度局部的区域；(2)保护膜局部开裂，形成孔蚀或裂纹源；(3)裂纹内环境发生了关键性的变化，裂纹向纵深扩展，而不是在表面径向扩展。30 .简述氢使材料变脆的途径。p128氢原子进入金属空穴，生成氢气，造成高压氢，使材料承受载荷能力下降；氢扩散到蚀坑或裂纹尖端三轴应力区，使材料结合力下降；生成脆性氢化物，裂尖吸附氢，降低表面能，使材料易于开裂。31 .说明氢脆的氢压机制。p150进入金属中的氢原子在氢陷阱聚集，复合成氢气，在局部产生压力，当局部的氢压等于原子的键合力，则使局部地区的原子键断裂，形成微裂纹。32 .画出应力腐蚀裂纹扩展曲线， 说明应力腐蚀裂纹护展速率与裂纹尖端应力强度因子的关系，指出不发生应力腐蚀的条件分为3个阶段：I阶段，应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt主要取决于，同时也与环境介质和温度有关。对一定的环境，增加，da/dt迅速增加，裂纹扩展的主导因素是力学因素