《材料的力学性能》西北工业大学出版社复习资料.pdf

1 材料的力学 性能 第一章 材料 的 拉伸 性能 名词 解释： 比例极限 P ， 弹性极限 e ， 屈服 极限 s ， 屈服强度 0.2 ，抗拉强度 b ，延 伸率 k ，断面收缩率 k （ P7-8） ，断裂 强度 f （ k ） ，韧度（ P10） 1、拉伸试验可以测定那些力学性能？ 对拉伸试件有什么基本要求？ 答： 拉伸试验可以测定的力学性能为：弹性模量 E， 屈服强度 s， 抗拉强度 b， 延伸率 ， 断面收缩率 。 2、 拉伸图 和工程应力 -应变曲线有什么区别？试验机 上 记录的是拉伸 图还是工程应力 -应变曲线？ 答：拉伸图和工程应力 应变曲线具有相似的形状，但坐标物理含义不同，单位 也不同。拉伸图横坐标为伸长量（单位 mm），纵坐标为载荷（单位 N）；工程应 力 -应变曲线横坐标为工程应力（单位 MPa），纵坐标为工程应变（单位无）。 试 验机 记录的是拉伸图。 2 3、 脆性 材料与塑性材料的应力 -应变曲线有 什么 区别？ 脆性 材料的力 学性能可以用哪两个指标表征？ 答： 如下图 所示， 左图近似为一直线，只有弹性变形阶段，没有塑性变形阶段， 在弹性变形阶段断裂，说明是脆性材料。右图为弯钩形曲线，既有弹性变形阶段， 又有塑性变形阶段，在塑性变形阶段断裂，说明是塑性材料。 脆性 材料力学性能 用 “ 弹性 模量 “ 和 ” 脆性 断裂 强度 ” 来描述 。 4、 塑性材料的应力 -应变曲线 有 哪两种 基本 形式？ 如何 根据应力 -应 变曲线确定拉伸性能？ 答： 分为 低塑性和高塑性两种，如下图所示。 左图曲线有弹性变形阶段与均匀塑 性变形阶段，没有颈缩现象，曲线在最高点处中断，即在均匀塑性变形阶段断裂， 且塑性变形量小，说明是低塑性材料。 右图曲线有弹性变形阶段，均匀塑性变形阶段，颈缩后的局集塑性变形阶段， 曲线在经过最高点后向下延伸一段再中断，即在颈缩后的局集塑性变形阶段断 裂，且塑性变形量大，说明是高塑性材料。 3 5、何谓 工程应力和工程应变？ 何谓 真应力和真应变？两者 之间 有什 么 定量 关系？ 答： 6、 如何 测定板材的断面收缩率？ 答 ： 断面收缩率是材料本身的性质，与试件的几何形状无关， 其 测试 方法见 P8。 7、颈 缩发生后，如何计算真应力和真应变？ 答 ： P10 上面 补充 ： 1、 拉伸图、工程应 力 -应变曲线，真应力 -真应变曲线有什么区别？ 答：拉伸图和工程应力 -应变曲线具有相似的形状，但坐标物理含义不同，单位 也不同。拉伸图横坐标为伸长量（单位 mm），纵坐标为载荷（单位 N）；工程应 力 应变曲线横坐标为工程应力（单位 MPa），纵坐标为工程应变（单位无）。 工程应力 -应变曲线和真应力 -真应变曲线坐标单位相同，但坐标物理含 义不 同。工程 应力 -应变曲线一般呈现先升后降的变化趋势。真应力 -真应变曲线呈现 一直增大的趋 势。真应力 -真应变曲线在工程应力 -应变曲线的左上方。 2、工程材料在使 用过程中不可避免会产生（弹性变形）；工程构件在 生产过程中要（提高 ）材料的塑性，（降低）材料的强度；工程构件 在使用过程中要（提高）材料的塑性，（提高）材料的强度。 4 3、拉伸试样的直径一定，标距越长，则测出的抗拉强度值会（不变 ）， 延伸率会（越低），断面收缩率会（不变） 。 4、能否由材料的延伸率和断面收缩率的数值来判断材料的属性：脆 性材料、低塑性材料、高塑 性材料？ （ P8） 5、工程应力 应变曲线上 b 点的物理意义？试说明 b 点前后试样变 形和强化的特点？ 答：工程应力 -应变曲线上 b 点的纵坐标代表抗拉强度，定义为试件短裂前 所能承受的最大工程应力。 b 点之前，试样的塑性变形是均匀的：哪里有变形，哪里就强化，难于再继 续变形，变形便转移到别处，如此反复交替进行，就达到均匀变形的效果。 b 点之后，试样的塑性变形集中在颈缩区附近：由于形变强化跟不上变形的 发展，于是从均匀变形转为集中变形，导致形成颈缩。 第二章 弹性 变形与塑性变形 （重点 ） 名词解释 1）比例极限 P，金 属弹性变形时应变与应力成严格正比关系的上限应力； 2） 弹性极限 e， 金属 材料发生最大弹性形变时的应力值 ， 当应力超过弹性极限， 金属变开始发生塑性变形； 3） 弹性比功， 又称为 弹性应变能密度， 是指 金属材料吸收变形功而又不发生永 久变形的能力，是在开始塑性变形前单位体积 金属 所能吸收的最大弹性变形功 ， 是一个韧度指标 ； 4） 弹性后效， 弹性后效指的是材料在弹性范围内受某一不变载荷作用，其弹性 5 变形随时间缓缓增长的现象。在去除载荷后，不能立即恢复而需要 经过一段足够 时间之后才能逐渐恢复原状。材料越均匀，弹性后效越小 ； 5） 弹性 滞后， 金属在弹性区内加载卸载时，由于应变落 后于应力，使加载线与 卸载线不重合而形成一封闭回线，是为弹性滞后 ， 封闭回线称为弹性滞后环。 6） 内耗 ， 由于 弹性滞后，加载时金属所吸收的弹性变 形 能大于卸载时所释放的 弹性变形 能 ， 即 有一部分变形 能 不可逆地 为金属所吸收。这部分吸收的功就称为 金属的内耗，其大小用 弹性 滞后环的 回线面积度量。 7） 包申格效应， 金属材料 预先 经少量塑性变形 （ 1%4%）后再同向加载 ， 弹 性极限与屈服强度升高；若 反向加载 ，则弹性极限与屈服强度 降低 。 1、金属的弹性模量主要取决于哪些因素？ 为什么说它是一个对 组织 较不敏感的力学性能指标？ 答： 影响 金属弹性模量的因素有纯 金属 的弹性模量，合金元素与第二相的影响 ； 外部因素有温度， 加载速率 和冷变形的影响。 1）纯金属 的弹性模量 ： 金属的弹性模量与原子间作用力和距离有关， 主要 决定 于金属原子本性和晶格类型 ， 随原子序数而发生周期性变化 ； 1）合金 元素：溶质原子可改变原子间作用力，进而影响弹性模量，但影响不大。 2） 温度：温度升高，原子间距增大，原子间结合力减弱，弹性模量下降。 3） 加载速率：弹性变形速率与声速相当，加载速率一般远小于声速，故基本不 影响弹性模量。 4） 冷变形： 稍稍 降低金属的 弹性模量，但影响不大。 5） 热处理：弹性模量可能增大可能减小，但影响不大。 综上所述， 金属 的弹性模量主要取决于金属键 本性 和原子间的结合力，而材 料的 成分 和组织对它的影响不大， 金属的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性 能指标。 2、 今 有 45， 35CrMo 钢，灰口铸铁，哪个 选作 机床床身的材料？ 答： 灰口铸铁 ，其内耗大，是消 震 能力很强的材料，有利于 机器 的稳定运转。 注意 ： 金属 的内耗与材料消震能力相关， 内耗 越大， 弹性 滞后越大，消震能力越强。 对于要求音响效果好的元器件， 要 保持长时间震动，用小内耗材料 ；对于 一些仪 器传感 器，其内耗越小， 灵敏度 越高 。 6 3、 试 阐述弹性极限，比例极限， 屈服 强度的意义 、 区别 与 测试方法 答： 屈服强度 0.2： 是 金属材料 发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性 变形的 应力 。（ 1）对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点的应力（屈 服 值） ； （ 2） 对于无明显屈服的金属材料，规定以产生 0.2%残余变形的应力值为其 屈服 极限 ，称为条件屈服极限或屈服强度。大于此极限的外力作用， 会 产生颈缩，应 变增大 ， 将会使零件永久失效，无法恢复。 当应力超过弹性极限后，进入屈服阶段后，变形增加较快，此时除了产生弹 性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到 b 点后 （书 P6， 图 4-1） ，塑性应 变急剧增加，应力应变出现微小波动，这 种现象称为屈服。 如低碳钢的屈服极限为 207MPa，当大于此极限的外力作用之下，零件将会 产生永久变形，小于这个的，零件还会恢复原来的样子。 其余见 上面定义解释 及 书本对应章节。 4、 试述多晶体金属产生明显屈服的条件 （ P23） 答 ： 多晶体金属产生明显屈服的条件： 1）材料变形前可动位错密度小，或虽有 大量位错 但被钉扎住，如钢中的位错为间隙原子、杂质原子或第二相质点所钉扎； 2） 压力 敏感因素 m小 ，即 位错运动速率与外加应力之间有强烈依存关系 ， 屈服 现象越明显。 注意 ： 塑性变形初始阶段， 由于可动位错密度少，为了维持高的应变 速率，必须增大位错 运动速率， 因而 要提高位错运动速率必须要有高的应力，这对应于 “ 上屈服点 ” 。 接着 塑性变形产生，位错大量增殖， 为适应 原先的形变速率， 位错运动速率 必然 下降，相应 的应力随之下降，从而产生了屈服 降落 的 现象。 对于 bcc（体心 ） 金属及其合金，位错运动速率应力敏感指数 m低，即位错运动速 率变化所需应力变化大，屈服现象明显。而 fcc（面心 ） 金属及其合金，其位错运动速 率应力敏感指数高，屈服现象不明显。因此 bcc 金属及其合金与 fcc 金属及其合金屈服 行为不同。 随含碳量的增加，屈服现象越来越不明显。这是由 于随含碳量高，其组织中渗碳 体含量增多，对基体起强化作用，使得材料屈服强度很高，塑性降低。 7 5、 哪些 因素影响金属材料的屈服强度？ P24-26 答 ： 1） 纯金属的屈服强度影响因素：点阵阻力、位错间交互作用阻力、晶界阻 力； 2） 合金屈服强度的影响因素：固溶原子、第二相粒子、晶界阻力； 3） 其他 因素：温度、加载速度、应力状态等。 详细 解答如下： （ 1）内因 金属本性及晶格类型：不同的金属及 晶格类型，位错运动所受阻力（包括派纳 力、位错间交互作用力）不同； 晶粒大小和结构：减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位 错 塞积群的长度，使屈服强度提高，即细晶强化。屈服强度与晶粒尺寸之间符合 H-P 公式。 溶质元素：溶质元素的加入，使得晶格发生畸变，在溶质原子周围形成晶格畸 变应力场，与位错应力场交互作用，阻碍位错运动，提高屈服强度，即固溶强化。 第二相：对于可变形的第二相质点，位错可以切过，使之同基体一起变形，由 于质点与基体间晶格错排及位错切过第二相质点产生新的界面需要作功等原因， 使得屈服强度提高。 对于不可变形的第二相粒子，位错只能绕过，绕过质点的位错线在质点周围留下 一个位错环，随着绕过质点的位错数量的增加，留下位错环的 数量亦增加，相当 于质点的间距减小，流变应力增大，屈服强度 提高。颗粒半径越小，数目越多， 间距越小，位错运动阻力越大，强化效应越大 （ 2）外因 温度：升高温度，金属材料的屈服强度降低，但金属结构不同，变化趋势亦不 同。 Bcc 结构的屈服强度具有明显的温度效应，即温度降低，屈服强度急剧上升。 应变速率：应变速率增大，金属的屈服强度增加 应力状态：切应力分量大，易于塑性变形， 则 材料的屈服强度低。不同应力状 态下材料的屈服强度不同，不是材料性质的变化，而是材料在不同的条件下表现 的力学行为不同。 8 6、 为什么晶粒大 小会影响屈服强度？ P25 答 ： 因为位错间的交互作用力对屈服强度的影响很大，若将多晶体中的晶粒看作 单晶体，因为晶界两侧的晶粒取向不同，单晶体中位错的运动会受阻于晶界，其 中一个晶粒内滑移的位错并不能直接进入邻近晶粒，于是位错在晶界附近塞积， 造成应力集中，当应力达到一定程度后才会激发相邻晶粒内的位错源开动，引起 宏观的屈服应变 。 因此 细化晶粒是提高金属屈服强度的有效办法，而且细化晶粒还可以提高塑 性和韧度 。 7、 弹性后效，弹性滞后和包申格效应有何实用意义？哪些 金属 和合 金在什么情况下最容易出现这种状况？如何 防止 和消除 ？ 答 ： 弹性后效，弹性滞后和包申格效应 统称为 弹性的不完善，指对于实际的金属 材料 ，即使在弹性变形范围内，应变与应力也不呈严格的对应关系，应变不仅与 应力有关，还与时间 和加载 方向有关。 实用意义： 对于 弹性滞后，我们可以用内耗大的金属材料来 作为 消震材料。 对于 包申格 效应， 例如 经微量冷变形的材料，如使用时的受力方向与原变形方向 相反，应考虑弹性极限与屈服强度的降低。 在 加工过程中，使材料交替承受反向 应力，以降低材料的变形抗力。 另外 对于研究材料的疲劳也很重要，因为疲劳失 效是在反复交变加载 的 情况下出现的。 当材料内部组织 不均匀、晶体内残存应力或者加载速度很快的时候，很容易 出现弹性 的 不完善 ，例如 经淬火或者塑性变形的钢 。 防止 办法： 减少 弹性后效的方法是长时间回火，若减弱或者消除包申格效应 则进行较大的预应变， 或在 回复和再结晶温度下退火。 9 补充 ： 1、包申格效应的解释？ 3、 几个概念： 材料的弹性常数是（ E， G， ） ；影响弹性模量最基本的原因是（原子半径）； 当合金中晶粒愈细小时，其（强度提高，韧性提高，耐热性降低，塑性提高）； 多晶体金属塑性变形的特点是（非同时性，非均匀性，协调性）； 位错增殖理论 可用于解释（ 屈服现象） ； 细晶强化是非常好的强化方法，但不适用于 （ 高温）。 晶粒 细化既可以提高材料的强度，又提高了它的韧性和塑性。 两种既能 显著强化金属又不会降低其塑性的办法：细化晶粒；第二相以弥散 形式均匀强化。 10 4、 高温拉伸为什么往往不测抗拉强度，只考察高温时的屈服强度？ 答 ：高温拉伸不是不测 抗拉强度 ， 抗拉强度 包括了屈服强度和断裂强度， 一般是根据材料和条件确定选用哪一个。高温拉伸选用屈服强度，是因为大多数 材料在高温下 蠕变 性很大，出现断裂的点滞后太多，所以不以断裂强度表征拉伸 性能。 第三章 其他 静加载下的力学性能 名词解释 （ 1） 应力状态柔度系数： 在各种加载条件下，最大切应力 max 与最大正应力 max 之比，记为 ， max max/ ， 拉伸 扭转 A，故 KIC时 ， 裂纹 尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度 ， 裂 纹会失稳扩展 导致 材料断裂，称为 KIC 判据 。 P78 补充 ： KI 参数的建立主要是因为裂纹的引入改变了周围应力、应变的分布，使得 “ 抗拉 强度 ” 不能再作为评价材料是否失效的标准 。 而 KIC指的是含有裂纹的物体 ， 在断裂之 前裂纹尖 端所承受的最大应力强度因子 ， 由于在线弹性范围内， KIC 是一个临界值，即 一旦 KI超过 KIC，则裂纹将迅速失稳，扩展，断裂。 因此 ， 裂纹尖端的应力强度因子 KI 越大 ， 不代表说这个材料 中 裂纹容易扩展，只 能说明这个时候裂纹尖端的应力集中越明显，至于裂纹会不会扩展 、 容不容易扩展，还 要看材料的断裂韧性 KIC。 KIC 称为 平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变 条件 下 材料 抵抗裂纹失稳扩展的 能力； KC 称为 平面应力断裂韧度，表示在平面应 力 条件下 材料 抵抗裂纹失稳扩展的能 力 。 它们都是 I 型 裂纹的材料断裂韧性指标。 4、 试述 KIC判据 的意 义 和 用途 答 ： 意义：将材料的断裂韧度 KIC 同机件或（构件）的工作应力及裂纹尺寸的 关系定量地联系起来了； 用途：可解决裂纹体的断裂问题。如可以估计裂纹体的最大承载能力，允许 裂纹尺寸 c及材料的断裂韧度 KIC 等。 实例 ： 有一个构件，实际使用应力 1.3GPa ， 有两种待选 钢材 ：甲 钢 屈服强度 1.95ys GPa ， KIC=45MPam-1/2；乙 钢屈服强度 1.56ys GPa ， KIC=75MPam-1/2。 根据 传统 的 理论 ，肯定是选用屈服强度高的甲钢 。 但是 根据 断裂力学的观点，构 23 件的脆性断裂是裂纹扩展的结果，所以应该计算 KI和 KIC 之间 的大小。 设 两种钢中最大裂纹尺寸 c为 1mm， 相应 的裂纹几何 形状 因子 Y=1.5，且 已 知 IK Y c ，得断裂 应力 /c IcK Y c ， 甲 钢的断裂应力 按此 计算为 1GPa， 乙为 1.67GPa， 甲 钢材的 1GPa1.3GPa， 所以甲不安全，要选乙。 对于 大多数无机材料 而言 ， 如 陶瓷， 其断裂韧性 KIC 值 较小， 一般 在 0.515MPam1/2 之间 ， 所以 其 断裂 应力 c 较低 ，当 材料 中存在很小的一条裂纹 时即可导致断裂。 例如 Al2O3 多晶体的 断裂韧性 只有 3 MPam1/2， 如果要求材料在 500MPa 条件 下工作，根据 断裂 应力 / 5 0 0c IcK Y c M P a ， 取 Y ， 可得材料中固 有裂纹尺寸不能超过 12m， 这对于材料制备提出了很高的要求。 因此 我们 希望陶瓷的断裂韧性能够大一些，以防止其发生低应力下的脆 断， 这 就涉及到陶瓷的增韧，见书 P193。 5、 分析 无机材料 显微结构 对断裂韧性的影响 ？ （无机材料 物理性能， P63） 答： 绝大多数 无机材料的断裂韧性都比较低， 例如 对于陶瓷材料其断裂韧性 KIC 值 按下式估算： （ P192） 2 1/ 22 (1 )ICKE 造成陶瓷 等无机材料断裂韧性值低的其根本原因是 在 裂纹扩展过程中，除 了形成新 表面 消耗能量之外，传统的无机材料中几乎 就 没有 其他任何 可以 显著 消耗 能量 的机制 。 而对于 金属材料 断裂 要吸收大量塑性变形 能 ， 而 塑性变性能比 表面能要高几个数量级，所以其断裂韧性 KIC值会 比陶瓷高 12 个数量级。 1）裂纹 偏转与裂纹偏转增韧 裂纹 扩展过程中扩展方向 发生 变化称为裂纹偏转，由于裂纹偏转而导致的材 料断裂韧性提高称为裂纹偏转增韧。 大多数 无机材料中，由于晶界间的结合力一般小于晶粒内部原子的结合力， 固有裂纹大多存在于晶界处。当 发生 沿晶断裂时， 固有裂纹 沿晶界扩展时将具有 曲折的路径， 裂纹 扩展途径的延长将导致裂纹扩展过程中消耗的能量增多， 表观 断裂表面能增大，相应地，断裂韧性有所增加 。 晶粒 尺寸的增大在增大 表观 断裂表面能 时， 也会使得固有裂纹尺寸可能由于 24 晶粒尺寸的增大而增大 ，总得效果是 材料 断裂韧性提高了，但材料的断裂强度下 降。 2） 裂纹桥接与裂纹桥接增韧 导致 裂纹桥接的组元有 大晶粒 、 纤维 、 晶须、第二相延性颗粒 。 比如说 裂纹 扩展过程 中 遇到大晶粒，其存在 相当于 在两个相对裂纹面之间架了一座桥，随着 裂纹的进一步扩展，两个相对裂纹面之间距离的增大必然受到 晶粒的 这种 “架桥 ” 作用 的抑制，宏观上就表现为提高了材料的扩展阻力。 由 裂纹桥接导致的材料断裂韧性的 提高 称为桥接增韧。 3）微裂纹 增韧 ， 相变增韧 材料中 均匀分布的微裂纹和 主 裂纹联接，将使 裂尖 钝化（主裂纹 分叉） ， 改 变了 主裂纹尖端的应力场，并使 主裂纹扩展路径曲折，增加了扩展过程中的表面 能，总而使裂纹快速扩展受到阻碍，增加了材料的断裂韧性。 ZrO2 颗粒 小到一定值时，足以使相变温度降到室温以下，陶瓷基体中的四 方 ZrO2 颗粒 可以一直保持到室温 。 裂纹 扩展 时，处于裂纹尖端区域的四方 ZrO2 发生 t-m 的相变和体积膨胀，相变要吸收能量，而 体积膨胀可以松弛裂纹尖端的 拉应力，甚至产生压应力，从而提高了材料对裂纹扩展的抗力 ，改善了材料的断 裂韧性。 6、 简述无机材料中（ 以 陶瓷为例） “ 裂纹 成核 ” 的因素 （笔记 ） 答 ： 在 前面介绍 Griffith 理论， 应力 强度 因子 KI， 断裂 韧性 KIC 时 都是针对裂纹 进行分析的，但没有涉及到裂纹的来源，这里简单介绍下 裂纹 成核因素： 1） 室温下，制备过程中引入，如机械加工 、 冲撞引入裂纹 ； 2） 中 温 下，位错成核引入裂纹 ； 3） 高温下，高温蠕变引入位错和裂纹 ； 其中 制备过程中引入裂纹可分为以下三种情况： 1） 热压烧结 ： 缺陷、夹杂物 、 加工缺陷 、 非均匀物质 ； 2） 无压烧结：气孔； 3） 气相沉积：表面缺陷，晶粒间界，分层 该部分 内容另见 无机材料 物理性能 P36-“ 无机 材料中微裂纹起源 ” 25 7、简述 无机材料裂纹 “ 亚临界 扩展 ” （ 缓慢扩展 ） 答 ： 无机 材料中的裂 纹在受到外力作用 时 ， 除了 发生 “ 快速失稳扩展 ” 和 “ 稳态 扩展 ” 之外， 在 一定条件下还会发生一种扩展速率 相对 较慢的 “ 亚临界扩展 ”（ 缓 慢 扩展） 。 裂纹 的 亚临界 扩展 是 一个与 时间 有关的过程， 材料 在 受到 一个 恒定 的外 加 应 力 a （ 低于 其自身断裂强度 ） 的作用时，虽然 不会 发生瞬时断裂， 但 随着时间 的延续，裂纹扩展持续发生，最终 在 外力作用一段时间后突然 断裂 。 这种 滞后于 外力作用的断裂现象称为 “ 延迟断裂 ” 。 这种 延迟断裂现象其实 就 对应于 陶瓷 的 静态疲劳 ， 即 在持久 恒定 载荷 （低于 断裂强度） 的作用 下发生的失效断裂 。 对于 绝大多数无机材料而言，在室温下发生延迟断裂 一般 都是由于 材料中 存 在 固有裂纹 在外力作用下发生缓慢扩展导致的， 这种 裂纹从 “ 初始尺寸 ”经 亚临 界 扩展 发育到 “ 临界尺寸 ” 并最终导致材料断裂所需的时间 称为 断裂寿命， 断裂 寿命的预测见 无机 材料物理性能 P76。 8、 裂纹的亚临界扩展机理 （无机 材料物理性能 P72） 答 ： 1） 低温下 ， 应力 腐蚀扩展理论 在 应力作用下， 裂纹 尖端处原子键受力而处于高能状态， 裂纹 尖端处的 材料 与 腐蚀介质 起 化学反应 引起 破坏 。 这种 由 外力作用 诱发 的化学反应导致的裂纹 亚临界 （缓慢 ） 扩展 过程通常称 为应力腐蚀裂纹扩展 ， 是一个 外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破 坏过程。 2） 高温下 ， 裂纹缓慢扩展机理 在 高温下， 晶界玻璃相的 黏度 下降， 在 裂纹尖端处，由于局部的应力集中， 除了晶相的蠕变变形加大之外，晶界玻璃相将发生 黏滞 流动 。 在 黏滞 流动的过程 中，材料中存有的气孔 或者 是由于黏滞流动而相应形成的气孔 空腔 被拉长，并向 裂纹尖端处移动，与主裂纹汇合，这在宏观上就表现为裂纹尖端缓慢向前移动。 26 9、裂纹 的 “亚临界 扩展 ” 与 裂纹“ 稳态扩展 ”之间有何 不同？ 答 ： 两者 之间有着本质的不同，从以下几方面理解 ： 1） 亚临界扩展是一个与 时间 有关的过程， 在 外加应力恒定情况下，随着时 间的延续裂纹扩展持续进行，最终导致材料断裂； 2） 而稳态扩展是一个与时间无关 的 过程，在一定的外力下，裂纹 很快 扩展 到相应尺寸，并且此时裂纹扩展阻力和外 加 裂纹扩展动力之间达到平衡， 只有进 一步提高外力才能导致裂纹 进一步 扩展 ； 3）裂纹 的 亚临界 扩展导致材料 断裂 强度降低，而裂纹的稳态扩展不会导致 材料强度降低； 10、 可 采取怎么样的技术措施提高材料的断裂韧性 KIC值 ？ 答： 金属 的韧化， 即 增韧。 见书 P83。 11、 试比较静力韧度，缺口冲击韧度，断裂韧度 的异同点和 它 们用来 衡量材料韧度的合理性 第八章 金属 的疲劳 1、用哪几个参数表示应力的循环特 征 ？ 答： 应力 幅 a，应力范围 ， 平均应力 m， 应力 比 R， P91。 2、疲劳 寿命曲线如何测定？如何 定量地 表示？ 答： P92 3、什么 是低循环疲劳 、 高循环疲劳 ？ 答： P92 4、 工程中如何定义疲劳极限？如何 测定 ？ 答： 在 指定 的疲劳寿命 Nf 值下，试件所能承受的上限应力幅值 （最大 应力幅值 a） 称为 “ 疲劳极限 ” 。 对于结构钢 ， 指定 寿命 常取 Nf=107cycles。 27 5、 “循环 应力比 ” 或 “ 平均 应力 ” 对疲劳 寿命 和疲劳 极限 有何影响？ 如何 定量地表示应力比对疲劳寿命和 理论 疲劳极限的影响？ 答： 在 给定的应力幅下，随着平均应力升高，疲劳寿命缩短，疲劳极限降低， 对 于 给定的疲劳寿命，平均应力升高，材料所能承受的应力幅值降低。 平均 应力对疲劳极限的影响 ， Goodman 公式： 1 (1 / )a m b 上式中 a 表示疲劳极限， 1 表示在应力比 R=-1 时测定的疲劳极限， m 表 示 平均应力 。 具体 影响见 P94 6、 疲劳 失效过程可以分为哪几个阶段？并 简述 各阶段的机制 答： 疲劳 失效过程 可以 分成三个主要阶段：疲劳裂纹形成，疲劳裂纹扩展，当疲 劳达到临界尺寸时发生 最终 断裂 。 具体 见 P97。 7、 试述疲劳微观断口的主要特征 答：断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称疲劳条带（疲劳条纹、 疲劳辉纹）。疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征。滑移系多的面心立方金属， 其疲劳条带明显；滑移系少或组织复杂的金属，其疲劳条带短窄而紊乱。 疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型 （ Laird 模型 ） ： (a)在交变 应力为零 时裂纹闭合； (b)受 拉应力 时，裂纹张开，在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移； (c)裂纹张开至最大，塑性变形区扩大，裂纹尖端张开呈半圆形，裂纹停止扩展 。 由于塑性变形裂纹尖端的应力集中减小，裂纹停止扩展的过程称为 “ 塑性钝 化 ” ； (d)当应力变为 压缩应力 时，滑移方向也改变了，裂纹尖端被压弯成 “ 耳状 ” 切 口； (e)到压缩应力为最大值时， 裂纹完全闭合 ，裂纹尖端又由钝变锐，形成一对尖 角。 28 8、 如何延长裂纹形成寿命？有哪些技术 措施既延长“ 裂纹形成寿命 ” 又延长 “ 裂纹扩展寿命 ” ？ 答： 零件 的疲劳寿命由 “ 疲劳裂 纹形成寿命 Ni” 和 “ 裂纹扩展寿命 Np” 两部分 组成 。 但 对于 很多材料，尤其是高强度材料制成的构件中，裂纹形成寿命在疲劳 寿命中占主要部分。 延长 裂纹形成寿命的措施 如下 ： （ P108） （ 1） 细化 晶粒 随着 晶粒尺寸的减小，合金 的 裂纹 形成 寿命和疲劳总寿命延长 。 因为 晶粒 细 化可以提高 金属 的微量塑性抗力，使塑性变形均匀分布 ， 因而 延缓 疲劳微裂纹的 形成。再则 ， 晶界有阻碍微裂纹长大和联接作用。 （ 2） 减少 和细化合金中的夹杂物 减少 和细化合金中的夹杂物 颗粒 ， 可以延长 疲劳寿命。 （ 3） 微量 合金化 向 低碳钢中加铌，大幅提高钢材的强度和裂 纹形成门槛值，大幅度地延长裂 纹形成寿命。 （ 4） 减少 高强度钢中的残余奥氏体 因为 奥氏体比较软。 （ 5） 改善 切口根部的表面状态 （ 6） 孔挤压强 化 29 疲劳 裂纹 常 在 孔 边形成，因而对孔壁进行冷挤压， 在孔边造成残余压应力 并 使孔边材料发生强化 ， 从而延长裂纹形成寿命。 （ 7） 表面喷丸 ，激光脉冲强化，离子注入。 9、 试述金属表面强化对疲劳强度的影响 答：表面强化处理可在机件表面产生 有利的残余压应力 ，同时还能提高机件表面 的强度和硬度 ， 这两方面的作用