材料力学性能大连理工大学课后考虑题答案

千里之行，始于足下。第2页/共2页精品文档推荐材料力学性能大连理工大学课后考虑题答案.第一章单向静拉伸力学性能一、解释下列名词。

1弹性比功：金属材料汲取弹性变形功的能力，普通用金属开始塑性变形前单位体积汲取的最大弹性变形功表示。

2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时刻延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也算是应变降后于应力的现象。

3．循环韧性：金属材料在交变载荷下汲取别可逆变形功的能力称为循环韧性。

4．包申格效应：金属材料通过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力落低的现象。

5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。

6．塑性：金属材料断裂前发生别可逆永远（塑性）变形的能力。

韧性：指金属材料断裂前汲取塑性变形功和断裂功的能力。

7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一具高度为b的台阶。

8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇集,同号台阶相互汇集长大,当汇集台阶高度脚够大时,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志。

9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。

10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，能够是韧性断裂，也能够是脆性断裂。

沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。

11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击汲取功明显下落，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变

12.弹性极限：试样加载后再卸裁，以别浮现残留的永远变形为标准，材料可以彻底弹性恢复的最高应力。

13.比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。

14.解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，普通是低指数、表面能低的晶面。

15.解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。

16.静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一具强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。

二、讲明下列力学性能指标的意义。

答：E弹性模量；G切变模量；rσ规定残余伸长应力；2.0σ屈服强度；gtδ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率；n应变硬化指数【P15】

三、金属的弹性模量要紧取决于啥因素？为啥讲它是一具对组织别敏感的力学性能指标？

答：要紧决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等可以改变金属材料的组织形态和晶粒大小，然而别改变金属原子的本性和晶格类型。组织尽管改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织别敏感。【P4】

四、试述韧性断裂与脆性断裂的区不。为啥脆性断裂最惊险？【P21】

答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一具缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中别断地消耗能量；而脆性断裂是忽然发生的断裂，断裂前都是别发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性非常大。

五、剪切断裂与解理断裂基本上穿晶断裂，为啥断裂性质彻底别同？【P23】

答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，普通是韧性断裂，而解理

断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。

六、何谓拉伸断口三要素？妨碍宏观拉伸断口性态的因素有哪些？

答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态别同而变化。

七、论述格雷菲斯裂纹理论分析咨询题的思路，推导格雷菲斯方程，并指出该理论的局限性。

【P32】答：2

12?????=aEscπγσ，只适用于脆性固体,也算是只适用于那些裂纹尖端塑性变形能够忽略的事情。

答：思路：单位体积储存的弹性能加上新增裂纹表面能对裂纹半长一级偏导数等于零

单位体积弹性能为Ue＝-πσ2a2/E

裂纹所增加的表面能为W＝4aγs

Ue＋W＝－πσ2a2/E＋4aγs

在总能量曲线的最高点处，系统总能量对裂纹半长a的一阶偏导数应等于零。

临界裂纹扩展应力σc与裂纹长度a的平方根成反比。

八、啥是包申格效应，怎么解释，它有啥实际意义?

包申格效应：金属材料通过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力落低的现象。

包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某一滑移面运动，遇林位错而弯曲，结果，在位错前方，林位错密度增加，形成位错缠结和胞状组织。这种位错结构在力学上是相当稳定的，宏观上表现为规定残余伸长应力增加。卸载后施加反向力，位错被迫作反向运动，在反向路径上，像林位错这类障碍数量较少，而且也别一定恰好位于位错运动的前方，故位错能够在较低应力下挪移较大距离，即第二次反向加载，规定残余伸长应力落低。

包申格效应关于研究金属疲劳咨询题是非常重要的。因为材料在疲劳过程中，每一周期内都产生微量塑性变形，在反向加载时，微量塑性变形抗力（规定残余伸长应力）落低，显示循环软化现象。另外，关于预先经受冷变形的材料，如服役时受到反向力的作用，就要思考微量塑性变形抗力落低的有害妨碍，如冷拉型材及管子在受压状态下使用算是这种事情。九、试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释bcc金属与fcc金属及其合金屈服行为别同的缘故。

屈服现象与下列三个因素有关：

材料变形前可动位错密度非常小，或虽有大量位错但被钉扎；

随塑性变形发生，位错能快速增值；

●位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。

由于变形前可动位错密度小，为了满脚一定变形速率，就必须增大位错运动速

率，此刻需要较高的应力，这算是上屈服点。一旦塑性变形产生，位错大量增值，位错运动速率则下落，相应应力落低，从而产生屈服现象。位错运动速率应力敏感指数m越低，则使位错运动速率变化所需的应力就越大，屈服现象越明显。bcc金属的m21212??????≈??????=aEaEsscγπγσ

比fcc金属的m低，故bcc金属普通具有明显的屈服现象。

第二章金属在其他静载荷下的力学性能

一、解释下列名词：（1）应力状态软性系数——材料或工件所承受的最大切应力τ

max和最大正应力σmax比值，即：()

32131maxmax5.02σσσσσστα+--==【新书P39旧书P46】（2）缺口效应——绝大多数机件的横截面都别是均匀而无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等，这种截面变化的部分可视为“缺口”，由于缺口的存在，在载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的缺口效应。【P44P53】

（3）缺口敏感度——金属材料的缺口敏感性指标，用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值表示。即：b

bNNSRσσ=【P47P55】（4）布氏硬度——用钢球或硬质合金球作为压头，采纳单位表面积所承受的试验力计算而得的硬度。【P49P58】

（5）洛氏硬度——采纳金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度所表示的硬度【P51P60】。

（6）维氏硬度——以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头，采纳单位表面积所承受的试

验力计算而得的硬度。【P53P62】

（7）努氏硬度——采纳两个对面角别等的四棱锥金刚石压头，由试验力除以压痕投影面积得到的硬度。

（8）肖氏硬度——采动载荷试验法，依照重锤回跳高度表征的金属硬度。

（9）里氏硬度——采动载荷试验法，依照重锤回跳速度表征的金属硬度。

二、讲明下列力学性能指标的意义

（1）σｂｃ——材料的抗压强度【P41P48】

（2）σｂｂ——材料的抗弯强度【P42P50】

（3）τｓ——材料的扭转屈服点【P44P52】

（4）τｂ——材料的抗扭强度【P44P52】

（5）σｂｎ——缺口试样的抗拉强度【P47P55】

（6）NSR——材料的缺口敏感度【P47P55】

（7）HBW——压头为硬质合金球的材料的布氏硬度【P49P58】

（8）HRA——材料的洛氏硬度【P52P61】

（9）HRB——材料的洛氏硬度【P52P61】

（10）HRC——材料的洛氏硬度【P52P61】

（11）HV——材料的维氏硬度【P53P62】

（12）HK——材料的努氏硬度（13）HS——材料的肖氏硬度

（14）HL——材料的里氏硬度

三、啥是“缺口效应”？它对材料性能有啥妨碍？【P45P53】

缺口的第一具效应是引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，使机件由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态。缺口的第二个效应是试样的屈服应力比单向拉伸时高，即产生了所谓“缺口强化”现象，导致材料强度提高，塑性落低。由于缺口的存在，是缺口处产生较大的

应力集中，材料变脆，落低了使用的安全性。

四、试综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏歪拉伸试验的特点。

光滑试样轴向拉伸试验：截面上无应力集中现象，应力分布均匀，仅在颈缩时发生应力状态改变。

缺口试样轴向拉伸试验：缺口截面上浮现应力集中现象，应力分布别均，应力状态发生变化，产生两向或三向拉应力状态，致使材料的应力状态软性系数落低，脆性增大。

偏歪拉伸试验：在拉伸试验时在试样与试验机夹头之间放一垫圈，使试样的轴线与拉伸力形成一定角度举行拉伸。该试验用于检测螺栓一类机件的安全使用性能。

偏歪拉伸试验：试样并且承受拉伸和弯曲载荷的复合作用，其应力状态更“硬”，缺口截面上的应力分布更别均匀，更能显示材料对缺口的敏感性。

五、试讲明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理，并比较布氏、洛氏与维氏硬度试验办法的优缺点。【P49P57】

原理

布氏硬度：用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位表面积所承受的试验力。

洛氏硬度：采纳金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度。

维氏硬度：以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头，计算单位表面积所承受的试验力。

布氏硬度优点：实验时普通采纳直径较大的压头球，因而所得的压痕面积比较大。压痕大的一具优点是其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相得平均性能；另一具优点是实验数据稳定，重复性强。缺点：对别同材料需更换别同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也较烦恼，因而用于自动检测时受到限制。

洛氏硬度优点：操作简便，迅捷，硬度值可直截了当读出；压痕较小，可在工件上举行试验；采纳别同标尺可测量各种软硬别同的金属和厚薄别一的试样的硬度，因而广泛用于热处理质量检测。缺点：压痕较小，代表性差；若材料中有偏析及组织别均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；此外用别同标尺测得的硬度值彼此没有联系，别能直截了当比较。

维氏硬度优点：别存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径D之间所规定条件的约束，也别存在洛氏硬度试验时别同标尺的硬度值无法统一的弊端；维氏硬度试验时别仅试验力能够任意取，而且压痕测量的精度较高，硬度值较为准确。缺点是硬度值需要经过测量压痕对角线长度后才干举行计算或查表，所以，工作效率比洛氏硬度法低的多。

六、今有如下零件和材料需要测定硬度，试讲明挑选何种硬度实验办法为宜。

（1）渗碳层的硬度分布；（2）淬火钢；（3）灰铸铁；（4）鉴不钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体；（5）仪表小黄铜齿轮；（6）龙门刨床导轨；（7）渗氮层；（8）高速钢刀具；（9）退火态低碳钢；（10）硬质合金。

（1）渗碳层的硬度分布HK或-显微HV

（2）淬火钢HRC

（3）灰铸铁HB

（4）鉴不钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体显微HV或者HK

（5）仪表小黄铜齿轮HV

（6）龙门刨床导轨HS（肖氏硬度）或HL(里氏硬度)

（7）渗氮层HV

（8）高速钢刀具HRC

（9）退火态低碳钢HB

（10）硬质合金HRA

七、在评定材料的缺口敏感性时，啥事情下宜选用缺口静拉伸试验?啥事情下宜选用缺口偏歪

拉伸?啥事情下则选用缺口静弯试验?

答案：缺口静拉伸试验要紧用于比较淬火低中温回火的各种高强度钢，各种高强度钢在屈服强度小于1200MPa时，其缺口强度均随着材料屈服强度的提高而升高；但在屈服强度超过1200MPa以上时，则表现出别同的特性，有的开始落低，有的还呈上升趋势。

缺口偏歪拉伸试验算是在更苛刻的应力状态和试验条件下，来检验与对照别同材料或别同工艺所表现出的性能差异。

缺口试样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。

第三章金属在冲击载荷下的力学性能

一、名词解释

1.冲击韧性:材料在冲击载荷作用下汲取塑性变形功和断裂功的能力。【P57】

2.冲击汲取功:缺口试样冲击弯曲试验中，摆锤冲断试样失去的位能为mgH1-mgH2。此即为试样变

A表示，单位为J。P57/P67

形和断裂所消耗的功，称为冲击汲取功，以

K

3.低温脆性：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特殊是工程上常用的

t时，会由韧性状态变为脆性中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度

k

状态，冲击汲取功明显下落，断裂机理由微孔聚拢型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这算是低温脆性。

4.韧性温度储备:材料使用温度和韧脆转变温度的差值，保证材料的低温服役行为。

二、讲明下面力学性能指标的意义

（1）Ak：冲击汲取功。含义见上面。冲击汲取功别能真正代表材料的韧脆程度，但由于它们对材料内部组织变化十分敏感，而且冲击弯曲试验办法简便易行，被广泛采纳。

AKV：V型缺口试样冲击汲取功.

AKU：U型缺口冲击汲取功.

（2）FATT50：冲击试样断口分为纤维区、放射区（结晶区）与剪切唇三部分，在别同试验温度下，三个区之间的相对面积别同。温度下落，纤维区面积忽然减少，结晶区面积忽然增大，材料由韧变

t，并记为50%FATT，或FATT50%，t50。（新脆。通常取结晶区面积占整个断口面积50%时的温度为

k

书P61，旧书P71）

或:结晶区占整个断口面积50%时的温度定义的韧脆转变温度.

（3）NDT:以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度,称为无塑性或零塑性转变温度。

（4）FTE:以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义tk，记为FTE

（5）FTP:以高阶能对应的温度为tk，记为FTP

三、试讲明低温脆性的物理本质及其妨碍因素

低温脆性的物理本质：宏观上关于那些有低温脆性现象的材料，它们的屈服强度会随温度的落低急剧增加，而断裂强度随温度的落低而变化别大。当温度落低到某一温度时，屈服强度增大到高于断裂强度时，在那个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大，所以材料在受力时还未发生屈服便断裂了，材料显示脆性。

从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关，当温度落低时，位错运动阻力增大，原子热激活能力下落，所以材料屈服强度增加。

妨碍材料低温脆性的因素有（P63，P73）：

1．晶体结构：对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高，材料脆性断裂趋势明显，塑性差。

2．化学成分：可以使材料硬度，强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差，脆性提高。

3．显微组织：①晶粒大小，细化晶粒能够并且提高材料的强度和塑韧性。因为

晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒细小，晶界总面积增加，晶界处塞积的位错数减少，有利于落低应力集中；并且晶界上杂质浓度减少，幸免产生沿晶脆性断裂。②金相组织：较低强度水平常强度相等而组织别同的钢，冲击汲取功和韧脆转变温度以马氏体高温回火最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要妨碍，当其尺寸增大时均使材料韧性下落，韧脆转变温度升高。

四、啥是低温脆性、韧脆转变温度tk？产生低温脆性的缘故是啥？体心立方和面心立方金属的低温脆性有何差异？为啥？

答：在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态转变为脆性状态，冲击汲取功明显下落，断裂机理由微孔聚拢型转变穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状，这算是低温脆性。tk称为韧脆转变温度。

低温脆性是材料屈服强度随温度落低而急剧增加，而解理断裂强度随温度变化非常小的结果。当温度高于韧脆转变温度时，断裂强度大于屈服强度，材料先屈服再断裂；当温度低于韧脆转变温度时，断裂强度小于屈服强度，材料无屈服直截了当断裂。

体心立方金属的低温脆性比面心立方金属的低温脆性显著。

这是因为派拉力对其屈服强度的妨碍占有非常大比重，而派拉力是短程力，对温度非常敏感，温度落低时，派拉力大幅增加，则其强度急剧增加而变脆。

五、试从宏观上和微观上解释为啥有点材料有明显的韧脆转变温度，而另外一些材料则没有？

宏观上，体心立方中、低强度结构钢随温度的落低冲击功急剧下落，具有明显的韧脆转变温度。而高强度结构钢在非常宽的温度范围内，冲击功都非常低，没有明显的韧脆转变温度。面心立方金属及其合金普通没有韧脆转变现象。

微观上，体心立方金属中位错运动的阻力对温度变化很敏感，位错运动阻力随温度下落而增加，在低温下，该材料处于脆性状态。而面心立方金属因位错宽度比较大，对温度别敏感，故普通别显示低温脆性。

体心立方金属的低温脆性还也许与迟屈服现象有关，对低碳钢施加一高于屈服强度的高速载荷时，材料并别马上产生屈服，而需要通过一段孕育期（称为迟屈时刻）才开始塑性变形，这种现象称为迟屈服现象。由于材料在孕育期中只产生弹性变形，没有塑性变形消耗能量，因此有利于裂纹扩展，往往表现为脆性破坏。

六、试述冲击载荷作用下金属变形和断裂的特点。

冲击载荷下，瞬时作用于位错的应力相当高，结果使位错运动速率增加，并且使派纳力增大，滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。并且由于冲击载荷下应力水平比较高，将使许多位错源并且开动，增加了位错密度，减少了位错运动自由行程的平均长度，增加了点缺陷的浓度。这些缘故导致金属材料在冲击载荷作用下塑性变形极别均匀且难以充分举行，使材料屈服强度和抗拉强度提高，塑性和韧性下落，导致脆性断裂。

第四章金属的断裂韧度

一、名词解释

1.低应力脆断：高强度、超高强度钢的机件，中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下发生的断裂。

2.张开型（I型）裂纹：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。

3.应力场强度因子IK：表示应力场的强弱程度。在裂纹尖端区域各点的应力重量除了决定于位置外，尚与强度因子IK有关，关于某一确定的点，其应力重量由IK确定，IK越大，则应力场各点应力重量也越大，如此IK就能够表示应力场的强弱程度，称IK为应力场强度因子。“I”表示I型裂纹。【P68】

4.小范围屈服：塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸小一具数量级以上的屈服，这就称为小范围屈服。【P71】

5.有效屈服应力：裂纹发生屈服时其法向的应力。【新书P73：旧P85】

6.有效裂纹长度：将原有的裂纹长度与松弛后的塑性区相合并得到的裂纹长度【新P74；旧P86】。

7.裂纹扩展K判据：裂纹在受力时只要满脚ICIKK≥，就会发生脆性断裂.反之，即使存在裂纹，若ICIKK也不可能断裂。新P71：旧８３

8.裂纹扩展能量释放率GI：I型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。P76/P88

9.裂纹扩展G判据：ICIGG≥，当ＧＩ满脚上述条件时裂纹失稳扩展断裂。P77/P89

二、讲明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系

CKI和CK答：临界或失稳状态的IK记作CKI或CK，CKI为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料反抗裂纹失稳扩展的能力。CK为平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下材料反抗裂纹失稳扩展的能力。它们基本上I型裂纹的材料裂纹韧性指标，但CK值与试样厚度有关。当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一稳定的最低值，即为CKI，它与试样厚度无关，而是真正的材料常数。P71/P82

CGI答：P77/P89当IG增加到某一临界值时，IG能克服裂纹失稳扩展的阻力，则裂纹失稳扩展断裂。将IG的临界值记作cGI，称断裂韧度，表示材料阻挠裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量，其单位与IG相同，MPa·m

三、试述低应力脆断的缘故及防止办法。

答：低应力脆断的缘故：在材料的生产、机件的加工和使用过程中产生别可幸免的宏观裂纹，从而使机件在低于屈服应力的事情发生断裂。预防措施：将断裂判据用于机件的设计上，在给定裂纹尺寸的事情下，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，依照断裂判据确定机件别发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸。

四、为啥研究裂纹扩展的力学条件时别用应力判据而用其它判据？

答：裂纹前端的应力是一具变化复杂的多向应力，如用它直截了当建立裂纹扩展的应力判据，显得十分复杂和困难；而且当r→0时，别论外加平均应力怎么小，裂纹尖端各应力重量均趋于无限大，构件就失去了承载能力，也算是讲，只要构件一有裂纹就会破坏，这显然与实际事情别符。这讲明经典的强度理论单纯用应力大小来推断受载的裂纹体是否破坏是别正确的。所以无法用应力判据处理这一咨询题。所以只能用其它判据来解决这一咨询题。五、试述应力场强度因子的意义及典型裂纹IK的表达式

答：应力场强度因子IK：表示应力场的强弱程度。在裂纹尖端区域各点的应力重量除了决定于位置外，尚与强度因子IK有关，关于某一确定的点，其应力重量由IK确定，IK越大，则应力场各点应力重量也越大，如此IK就能够表示应力场的强弱程度，称IK为应力场强度因子。“I”表示I型裂纹。几种裂纹的IK表达式，无限大板穿透裂纹：aKπσ=I；有限宽板穿透裂纹：

)(bafaKπσ=I；有限宽板单边直裂纹：)(b

afaKπσ=I当

b≥a时，aKπσ2.1=I；受弯单边裂纹梁：)()(62/XXX

afa

bMK-=I；无限大物体内部有椭圆片裂纹，远处受均匀拉伸：4/12222

)cos(sinββπσcaa

K+Φ=I；无限大物体表面有半椭圆裂纹，远处均受拉伸：A点的Φ

=IaKπσ1.1。六、试述K判据的意义及用途。

答：K判据解决了经典的强度理论别能解决存在宏观裂纹为啥会产生低应力脆断的缘故。K判据将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，可直截了当用于设计计算，估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹最大尺寸，以及用于正确挑选机件材料、优化工艺等。P71/P83

七、试述裂纹尖端塑性区产生的缘故及其妨碍因素。

答：机件上由于存在裂纹，在裂纹尖端处产生应力集中，当σy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，从而形成塑性区。

妨碍塑性区大小的因素有：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；板表面处于平面应力状态，塑性区较大。然而不管平面应力或平面应变，塑性区宽度总是与（KIC/σs)2成正比。

八、试述塑性区对KI的妨碍及KI的修正办法和结果。

由于裂纹尖端塑性区的存在将会落低裂纹体的刚度，相当于裂纹长度的增加，因而妨碍应力场和KI的计算，因此要对KI举行修正。

最简单而适用的修正办法是在计算KI时采纳“有效裂纹尺寸”，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举行计算。基本思路是：塑性区松弛弹性应力的作用与裂纹长度增加松弛弹性应力的作用是等同的，从而引入“有效长度”的概念，它实际包括裂纹长度和塑性区松弛应力的作用。

KI的修正办法忽略了在塑性区内应变能释放率与弹性体应变能释放率的差不，所以，不过近似结果。当塑性区小时，或塑性区身边为广阔的弹性去所包围时，这种结果依然非常精确。然而当塑性区较大时，即属于大范围屈服或整体屈服时，那个结果是别适用的。

九、有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探伤发觉有20mm长的横向穿透裂纹，

若在平均轴向拉应力900MPa下工作，试计算KI及塑性区宽度R0，并推断该件是否安全？

解：由题意知穿透裂纹受到的工作应力为σ=900MPa

依照σ/σ0.2的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否需要修正

因为σ/σ0.2=900/1200=0.75>0.7，因此裂纹断裂韧度KIC需要修正

关于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：

2

/12

2ImMPa168)75.0(177.0101.014.3900)/(177.01?=-??=-=saKσσπσmm16.22212sI0=???????=σπKR塑性区宽度

因为KI=168.13（MPa*m1/2）

KIc=115（MPa*m1/2）

因此：KI>KIc，裂纹会失稳扩展,因此该件别安全。十、有一轴件平行轴向工作应力150MPa，使用中发觉横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深度的表面半椭圆疲劳区，依照裂纹a/c能够确定υ=1，测试材料的σ0.2=720MPa，试估算材料的断裂韧度KIC为多少？

解：因为σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂纹断裂韧度KIC不需要修正

KIC=Yσcac1/2

关于表面半椭圆裂纹，Y=1.1π/υ=1.1π

因此，KIC=Yσcac1/2=1.1

31025150-???π=46.229（MPa*m1/2）

十一、设有屈服强度为415MPa，断裂韧性为132MPa.m1/2，宽度分不100mm、260mm的两块合金

厚钢板。假如板都受400MPa的拉应力作用，并设板内都有长为46mm的中心穿透裂纹。应力场强度因子表达式为)(bafaKπσ=I），已知f(0.46)=1.18，f(0.18)=1.02。试咨询此两板内裂纹是

否都扩展?

解：由于0.24000.960.7415σσ==＞，故需要对KI举行修正。修正后的KI表达式为：)()/(177.012IbafaKsσσπσ-=窄板461.18100f??=???，宽板461.02260f??=???，代入上式，可得：KI窄=138.3MPa＞KIC，KI宽=119.5MPa＜KIC，所以，窄板内的裂纹会扩展，宽板内的裂纹不可能扩展。

第五章金属的疲劳

一、名词解释;

1.应力幅σa:σa=1/2(σmax-σmin)p95/p108

2.平均应力σm：σm=1/2(σmax+σmin)p95/p107

3.应力比r:r=σmin/σmaxp95/p108

4.疲劳源：是疲劳裂纹萌生的策源地，普通在机件表面常和缺口，裂纹，刀痕，蚀坑相连。P96

5.疲劳贝纹线：是疲劳区的最大特征，普通以为它是由载荷变动引起的，是裂纹前沿线留下的弧状台阶痕迹。P97/p110

6.疲劳条带：疲劳裂纹扩展的第二时期的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（疲劳辉纹，疲劳条纹）p113/p132

7.驻留滑移带：用电解抛光的办法非常难将已产生的表面循环滑移带去除，当对试样重新循环加载时，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。P111

8.ΔK:材料的疲劳裂纹扩展速率别仅与应力水平有关，而且与当时的裂纹尺寸有关。ΔK是由应力范围Δσ和a复合为应力强度因子范围，ΔK=Kmax-Kmin=Yσmax√a-Yσmin√a=YΔσ√a.2a

2b

σ

σ

p105/p1209.da/dN:疲劳裂纹扩展速率，即每循环一次裂纹扩展的距离。P105

疲劳寿命：试样在交变循环应力或应变作用下直至发生破坏前所经受应力或应变的循环次数p102/p117

10.过载损伤：金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小，就造成了过载损伤。P102/p117

疲劳：金属构件在变动载荷和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。

二、揭示下列疲劳性能指标的意义

1.疲劳强度σ-1，σ-p,τ-1,σ-1N,P99,100,103/p114

σ-1:对称应力循环作用下的弯曲疲劳极限；σ-p:对称拉压疲劳极限；τ-1:对称扭转疲劳极限；σ-1N:缺口试样在对称应力循环作用下的疲劳极限。

2.疲劳缺口敏感度qfP103/p118

金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性，常用疲劳缺口敏感度来评定。qf=(Kf-1)/（kt-1）.其中Kt为理论应力集中系数且大于1，Kf为疲劳缺口系数。Kf=(σ-1)/(σ-1N)

3.过载损伤界P102,103/p117

由实验测定，测出别同过载应力水平和相应的开始落低疲劳寿命的应力循环周次，得到别同试验点，连接各点便得到过载损伤界。

4.疲劳门槛值ΔKthP105/p120

把裂纹扩展的每一弱小过程看成是裂纹体小区域的断裂过程，则设想应力强度因子幅度△K=Kmax-Kmin是疲劳裂纹扩展的操纵因子，当△K小于某临界值△Kth时，疲劳裂纹别扩展，因此△Kth叫疲劳裂纹扩展的门槛值。

三、试述金属疲劳断裂的特点p96/p109

（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂

（2）疲劳是脆性断裂

（3）疲劳对缺陷（缺口，裂纹及组织缺陷）十分敏感

四、试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程（新书P96~98及PPT，旧书P109~111）

答：典型疲劳断口具有三个形貌别同的区域—疲劳源、疲劳区及瞬断区。

（1）疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，疲劳源区的光亮度最大，因为这个地方在整个裂纹亚稳扩展

过程中断面别断摩擦挤压，故显示光亮平滑，另疲劳源的贝纹线细小。

（2）疲劳区的疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，是推断疲劳断裂的重要特征证据。特征是：

断口比较光滑并分布有贝纹线。断口光滑是疲劳源区域的连续，但其程度随裂纹向前扩展

逐渐减弱。贝纹线是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动与停歇，偶然过载引起的载

荷变动，使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。

（3）瞬