金属力学性能脚本 - 张学习2011.2.6 - 图文

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7．词汇表：（不少于50个）

[1] 力学性能： [2] 拉伸曲线： [3] 强度：。

[4] 硬度：金属形的能力。

[5] 塑性：金属材料产生塑性变形而不破坏的能力。

[6] 弹性模量：弹性变形阶段的斜率，表征材料抵抗弹性变形的能力。 [7] 比例极限：材料保持正比例变形关系的最大应力。

[8] 弹性极限：材料发生弹性变形，而不产生塑性变形的最大应力。 [9] 屈服强度：材料产生塑性变形的最小应力。 [10] 抗拉强度：材料断裂前承受的最大应力，由断裂前的最大载荷除以原始截面积得到。 [11] 真实断裂强度：材料断裂处承受的应力。 [12] 颈缩：均匀塑性变形后，发生非均匀变形，而导致应变集中的区域。 [13] 工程应力：载荷除以试样的原始截面积。 [14] 工程延伸率：伸长量除以试样的原始长度。 [15] 真应力：载荷除以试样的真实面积。 [16] 真应变：伸长量与实时样品长度的比值。 [17] 工程断面收缩率：断面收缩量除以原始截面积。 [18] 压入硬度：采用高硬度的压头压入待测物体表面表征材料硬度的方法。 [19] 布氏硬度：采用金刚石球或淬火钢球压入待测物体表面，单位面积上的载荷。测量过程需要满足几何相似性。 [20] 维氏硬度：采用对角136度的金刚石四棱锥压入待测物体表面，单位面积上的载荷。 [21] 显微硬度：小载荷下的维氏硬度，载荷一般小于200g。 [22] 洛氏硬度：采用120度的金刚石圆锥压入待测物体表面，用深度表征材料的硬度。 [23] HRC：C级洛氏硬度。 [24] 表面洛氏硬度：小载荷洛氏硬度。 [25] 压痕：压入法测量硬度过程后，留在待测物体表面的痕迹。 [26] 弹性变形：可完全恢复的应变。 [27] 弹性后效：快速加卸载时应变落后于应力的现象。 [28] 循环韧性：周期性快速加卸载时材料内吸收的弹性能。 [29] 塑性变形：产生不可逆应变的变形。 [30] 位错滑移：位错沿着滑移面和滑移方向运动。 [31] 孪晶：外形对称，好象由两个相同晶体对接起来的晶体；内部原子排列呈镜面对称于结合面。孪晶可分为自然孪晶和形变孪晶。 [32] 派－纳力：位错在晶体内运动的摩擦力。 [33] 物理屈服：弹性变形结束后应力突然上升，随后发生应力陡降，并在此低的应力下发生持续应变的现象，比如退火低碳钢。 [34] 应变时效：发生物理屈服现象的材料，应变超过屈服平台后，在低温或高温下保持一定时间后再次变形，发生屈服强度升高，而塑性韧性降低的现象。 [35] 上屈服点：物理屈服曲线中，弹性变形后、屈服平台形成前的应力最高点。 [36] 下屈服点：物理屈服曲线中屈服平台对应的应力。 [37] 柯氏气团：材料中的间隙原子偏聚到位错周围形成的钉扎位错状态。 [38] 应力状态系数：最大剪切应力与最大正应力的比值。 [39] 第1强度理论：断裂的最大正应力判据。金属承受的最大正应力大于单向拉伸时的断裂强度ζf，由于第一主应力就是最大正应力，因此断裂条件为： ζ1＝ζf。 [40] 第2强度理论：断裂的最大正应变理论。认为材料断裂的条件是材料的最大正应变超过了材料单向拉伸断裂时材料的极限正应变εf。由于第一主应变就是最大正应变，因此断裂条件为： ε1＝εf [41] 第3强度理论：复杂应力状态下的塑性变形条件。认为材料受到的最大切应力达到单向拉伸时的剪切屈服强度时，材料就发生屈服。 [42] 强化：提高位错运动阻力，提高金属屈服强度。 [43] 细晶强化：晶粒尺寸减小导致屈服强度提高的现象。 [44] 位错塞积群：位错运动受到阻碍后，后续同号位错继续运动，形成的同号位错依次排列的现象。

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[45] Hall－Petch公式：σs＝σi＋kD-1/2 [46] 固溶强化：间隙或置换固溶原子与位错交互作用，导致材料屈服强度提高的现象。 [47] 丛聚区：原子局部偏聚区。 [48] 第二相强化：基体中第二相物质导致基体屈服强度提高现象。 [49] 弥散第二相：尺寸远小于基体晶粒尺寸的第二相。 [50] 大块聚集型第二相：尺寸与基体晶粒尺寸可类比的第二相。 [51] 加工硬化：通过应变使金属屈服强度提高的现象。 [52] 变形协调位错：基体和第二相变形不协调，在第二相附近产生的位错。 [53] 形变强化指数：真应力与真应变之间的关系：S=ken，n—形变强化指数 [54] 时效：固溶淬火后形成过饱和固溶态，在室温或高温下析出第二相的过程。 [55] 欠时效：时效初期的状态，材料硬度逐渐升高（Al-Cu中形成铜的丛聚区，共格，容易变形）。 [56] 峰时效：材料硬度最高的时效状态（Al-Cu 中CuAl2 弥散分布，细小，共格关系部分遭到破坏，部分可变形）。 [57] 过时效：时效后期，析出相尺寸长大，硬度逐渐降低（Al-Cu 中CuAl2 长大，共格关系破坏，难以变形，位错只能绕过）。 [58] 韧性断裂：断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂方式。 [59] 脆性断裂：断裂前不产生明显宏观塑性变形的断裂方式。 [60] 正断：断裂的表面垂直于最大正应力的断裂方式。 [61] 切断：断裂的表面平行于最大切应力方向的断裂方式。 [62] 穿晶断裂：裂纹沿晶粒内部扩展导致的断裂方向。 [63] 沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展导致的断裂。 [64] 切离：断面收缩率达到100％的断裂方式。 [65] 微孔聚集型断裂：断裂过程经历微孔的形成、微孔经切离方式而连接的断裂方式。 [66] 韧窝：微孔聚集型断裂方式中裂纹形成后经历外应力方向的伸长和垂直于外应力方向的切离断裂而形成的、凹形形貌。 [67] 撕裂棱：微孔聚聚型断裂方式中裂纹经切离过程而形成的尖锐线状形貌，构成韧窝的边界。 [68] 解理断裂：裂纹沿特定晶面形成并扩展而导致的断裂，为脆性断裂的一种。 [69] 河流花样：解理裂纹形成后沿不同高度的同一晶面族扩展、连接而形成的类似河流状的断口形貌。 [70] 准解理断裂：发生在含有高密度弥散分布的碳化物质点的钢中，裂纹在第二相质点处形成、并向外放射状扩展，形成河流花样。 [71] 应力集中：局部的应力升高现象。 [72] 平面应力：只有二向主应力的应力状态，容易导致塑性变形。 [73] 平面应变：只有两向主应变的应力状态。 [74] 缺口强化：发生在能够发生全面屈服变形（或大部分区域发生塑性变形）的缺口试样中，由于塑性变形区的应力高于材料的屈服强度，而导致缺口断裂强度提高的现象，属于几何强化，不能作为强化手段使用。 [75] 冲击试验：采用机械载荷冲击试样，测试材料冲击韧性、缺口敏感性或低温脆性的试验方法。 [76] 冲击韧性：表征材料在断裂过程中吸收冲击能力的能力，常用Ak值表示。 [77] AK值：冲击试样冲击过程单位面积吸收的能量。 [78] 低温脆性：温度降低导致材料脆性断裂倾向提高的现象，一般发生在bcc和hcp结构的金属中。 [79] 韧脆转变温度：材料韧性断裂和脆性断裂转变的温度。 [80] Griffith理论：Griffith采用能量方式得到的含裂纹试样的断裂应力理论。 [81] 裂纹面：裂纹的延长面。 [82] I型裂纹：裂纹面与应力方向垂直的裂纹。 [83] II型裂纹：裂纹面与应力方向平行，裂纹倾向于滑开的裂纹。 [84] III型裂纹：裂纹面与应力方向平行，裂纹倾向于撕开的裂纹。 [85] 应力场强度因子：表征裂纹尖端应力场强弱的参量。 [86] 平面应变断裂韧性：样品断裂时处于平面应变应力条件下测量的断裂韧性值。 [87] 平面应力断裂韧性：样品断裂时处于平面应力条件下测量的断裂韧性值。 [88] 疲劳：交变的载荷导致材料发生破坏的现象。 [89] 应力比：疲劳载荷的最小值与最大值的比值。 [90] 贝纹线：疲劳裂纹扩展过程中由于突然停机、开机或环境条件的变化，使疲劳断口上出现的条

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纹。 [91] 疲劳条带：疲劳裂纹扩展过程中对应于一个应力循环、或多个应力循环，疲劳裂纹扩展留下的条纹。 [92] 疲劳源：疲劳裂纹萌生区。 [93] Paris公式：疲劳裂纹扩展稳态区中疲劳裂纹扩展速率与应力场强度因子幅的关系。 [94] 疲劳极限：光滑试样不发生疲劳断裂的最大应力。 [95] 疲劳曲线：疲劳断裂周次与疲劳应力的关系。 [96] 疲劳裂纹扩展门槛值：含裂纹试样疲劳裂纹不扩展的最大应力场强度因子幅。 [97] 近门槛区：疲劳裂纹扩展低速区。 [98] 高周疲劳：应力低于金属屈服强度、疲劳断裂前发生107-108以上周次的疲劳形式。 [99] 低周疲劳：应力大于金属屈服强度、疲劳断裂前发生小于102-105周次的疲劳形式。 [100] Paris区：疲劳裂纹扩展稳态区，可以用Paris公式描述。

[101] 驻留滑移带：相对于外加疲劳载荷，晶体取向较好的晶粒中优先发生位错滑移而形成的条带。 [102] 循环硬化：交变载荷作用下，材料发生塑性变形后，相同应变量条件下应力增大的现象。 [103] 循环软化：交变载荷作用下，材料发生塑性变形后，相同应变量条件下应力减小的现象。 [104] 包申格效应：反向加载导致材料屈服强度降低的现象。 [105] 热疲劳：温度变化导致的材料疲劳现象。

[106] 振动疲劳：振动载荷作用导致的材料疲劳现象。

[107] 挤出脊：交变载荷作用下形成的材料挤出样品表面的区域。 [108] 摩擦：相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象。

[109] 磨损：机器运转过程中，相对运动的摩擦表面的物质逐渐损耗，使零件尺寸、形状和位置精度以及表面质量发生变化的现象。

[110] 润滑：减轻摩擦和磨损所应采取的措施。

[111] 滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动而产生的作用。 [112] 滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动而产生的作用。

[113] 干摩擦：两零件表面直接接触后，因为微观局部压力高而形成许多冷焊点，运动时被剪切的现象。

[114] 粘着：两个摩擦表面接触时，在外载荷作用下只有表面上少数微凸起处接触，接触点上的应力很大，产生弹性变形，进而产生塑性变形使接触面积增大。接触点上的氧化膜被压碎，致使两个摩擦表面金属分子相互吸引和扩散而溶合，形成接触点处两种金属冷焊现象。

[115] 边界摩擦：运动副表面有一层厚度<1 μm的薄油膜，不足以将两金属表面完全分开，其表面部分微观高峰部分仍将相互切削。

[116] 液态摩擦：有一层压力油膜将两金属表面隔开，彼此不直接接触。是理想的摩擦状态

[117] 混合摩擦：是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。 [118] 磨合：括摩擦表面轮廓峰的形状变化和表面材料被加工硬化两个过程，它是磨损的不稳定阶段，在整个寿命周期内时间很短。

[119] 磨粒磨损：运动副相对运动时，硬的粗糙表面或硬的颗粒对软的摩擦表面的微切削、刮擦作用和造成表面材料的损耗。 [120] 粘着磨损：也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时的温升和压力发生“冷焊”后，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面。

[121] 疲劳磨损：也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的机械磨损。

[122] 冲蚀磨损—流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬质颗粒冲击零件表面所引起的机械磨损。

[123] 腐蚀磨损：摩擦表面材料在环境的化学或电化学用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产生的磨损。

[124] 耐磨性：金属抵抗磨损的能力。

[125] 相对磨损率：标准试样的磨损量/被测试样的磨损量。

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7、 答疑库：（不少于50个）

金属的强度指标包括 抗拉强度，屈服强度，比例极限 ，塑性指标包括 延伸率，

问题1： 问题2： 问题3： 问题4： 问题5： 问题6：

断面收缩率 。

采用5倍试样测试金属的极限延伸率，比用10倍试样测试的数值 大 。

测试布氏硬度前需要确定的测量参数包括 载荷，压头尺寸，保压时间，

P/D2 。

单晶体的弹性模量具有各向异性，原因是 不同晶向上原子间结合能不同

，且面间距不同 。

金属的塑性变形机制包括 位错滑移机制，孪生机制，扭折机制 。 金属应变时效现象是 具有物理屈服现象的金属应变超过屈服平台后，

低温长时间保温后材料强度升高，但塑性韧性下降的现象 ， 形成的原因是 应变超过屈服平台后，材料位错密度增大，保温后溶质原子重新钉扎高密度位错 。

问题7： 问题8： 问题9：

Al－4.5Cu合金过时效状态比峰时效状态具有更大的形变强化能力，原因是 过时效形

成的析出相尺寸大、且不可切过 。

金属强化实质是 提高位错运动的阻力 。

细晶强化的本质是 晶粒细化后晶粒内容纳的位错塞积群中位错数量减小， 需要

更大的外力才能促使相邻晶粒中的位错开动 。

问题10： 杯锥状断口通常包含下面几个区域 剪切唇，星芒区，纤维区

问题11： 河流花样是指 解理裂纹穿越晶界扩展过程中形成的类似河流的纹理 ，

形成的原因是 解理裂纹穿越晶界时首先在相邻晶粒中一系列的平面上形成裂纹， 随后

裂纹发生汇合而形 。

问题12： 缺口致脆的原因是 缺口尖端产生三向应力状态，塑性变形等效屈服强度提高 。 问题13： 影响裂纹尖端塑性区尺寸的因素包括 应力场强度因子，材料等效屈服强度，泊松比。 问题14： 平面应变断裂韧性测量过程中试样需要处于 平面应变 应力状态，原因是

平面应变状态下测试的断裂韧性最小 。

问题15： 无限大厚板含有一个穿透型I型裂纹，受拉应力作用下裂纹面上的三个主应力是

?1??2?K1/2?r,?3??(?1??2)。

问题16： 疲劳裂纹萌生方式包括 驻留滑移带处萌生，挤入挤出方式，夹杂物、晶界萌生 。

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问题17： 疲劳裂纹扩展过程包括 低速、中速和高速扩展阶段 ，Paris公式描述的是 中速

扩展阶段 区的疲劳裂纹扩展速度，其公式是 da/dN=c(ΔK)n 。

问题18： 疲劳裂纹扩展门槛值是指 疲劳裂纹不扩展的临界应力场强度因子幅 。

问题19： 包申格效应是指 发生一定量的塑性变形后，反向加载材料屈服强度降低的现象 ，

形成原因是 林位错机制 。

问题20： 高周疲劳是指 外加应力小于材料屈服强度，循环周次在105～107 。 问题21： 有颈缩材料的拉伸应力应变曲线分为几个变形阶段？

解答：弹性变形阶段、均匀塑性变形阶段、颈缩阶段、断裂。

问题22： 叙述金属拉伸力学性能指标的物理意义和测量方法。

解答：

（1）弹性模量（E）:反映金属弹性变形能力的参量。通过测量拉伸应力、应变曲线直线部分的斜率得到。

（2）弹性极限：金属发生弹性变形、不产生塑性变形的最大应力。一般取拉伸应变为0.005%时对应的应力。

（3）比例极限：金属应力应变符合正比例关系的最大应力。一般采用作图法得到。 （5）屈服强度（?0.2）：金属发生塑性变形的最小应力。取应变为0.2％时对应的应力。 （6） 抗拉强度（?b）：金属发生失稳破坏前能够承受的最大应力。取金属断裂前承受的最大载荷除以截面积。

（7）延伸率：样品伸长量与原始长度的百分比。采用一定标距的样品测量断裂前后的长度计算得到。

（8）断裂收缩率：样品断裂前后的截面积与原始截面积的比值。

问题23： 说明5倍拉伸试样和10倍拉伸试样测量得到的极限延伸率有什么差别，为什么？

解答：5倍试样测量的极限延伸率大。因为：?K＝ β＋ γ×A0/L0，极限延伸率与试样截面积A0和标距长度L0的比值有关。如果是细长试样，A0/F0比值小，试样极限延伸率小；反之则大。

问题24： 一个直径为2.5mm，长度200mm的杆，在载荷2000N作用下，直径缩小为2.2mm，

计算：a）杆的最终长度；b）该载荷作用的真应力与真应变；c）该载荷作用下的条件应力与条件应变。 解答：

a) 根据体积不变原理：3.14×0.25×2.5×2.5×200=3.14×0.25×2.2×2.2×L，所以L＝258.3 mm b) 计算时采用的面积应当是最终面积，按直径2.2mm计算得到。真应力＝2000/(3.14×0.25×2.2

×2.2)=526.4 MPa. 真应变＝ln（258.3/200）=25.58% c) 计算时采用的面积应当是初始面积，按直径2.5mm计算得到，条件应力＝2000/(3.14×0.25×2.5

×2.5)=407.6 MPa. 条件应变＝58.3/200=29.15%

问题25： 硬度和材料抗拉强度之间具有上述比例关系的原因？

解答：硬度和抗拉强度都反映材料的大塑性变形抗力，具有相似的物理本质。

问题26： 说明布氏硬度的测量原理和测量方法

解答：测量原理：以一定大小的载荷P，将直径为D的球形压头压入金属表面形成球形压痕，单位压痕面积上所承受的载荷即为该金属材料的布氏硬度，单位为kgf/mm2，但通常不标明单位。 测量方法：先根据所测试样估计其硬度范围，选择合适的压头，压头压在试样上后，测量压头的直径，然后查表得到所测的硬度值。

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问题27： 用压入法测量硬度时，讨论如下情况造成的误差：1）过于接近试样端面；2）过于接

近其它硬度测量点；3）试样太薄。

解答：1）测量硬度偏小；2）测量硬度偏小；3）测量硬度偏小

问题28： 说明维氏硬度与布氏硬度和洛氏硬度相比的优点和缺点。

解答：维氏硬度采用的压头为四棱锥体，当载荷改变时，压入角恒定不变。因此载荷可以任意选择，而不存在布氏硬度那种载荷P和球体直径D之间关系的约束，由于四棱锥体压痕清晰，采用对角线长度计量，精确可靠。维氏硬度不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度能更好的测量薄件或薄层的硬度。维氏硬度试验的缺点是硬度值的测量比较麻烦，工作效率不如洛氏硬度稿，不宜用于成批生产的常规检验。

问题29： 今有下面工件需要测量硬度，说明采用那种方法较好？1）渗碳层的硬度分布；2）球

墨铸铁；3）鉴别钢中的马氏体和残余奥氏体；4）仪表小黄铜齿轮；5）氮化层； 解答：1）显微硬度；2）布氏硬度；3）显微硬度；4）维氏硬度；5）表面洛氏硬度）

问题30： 说明弹性模量与原子间结合能和原子间距的关系

2?2解答：采用双原子模型：E?U0，其中r0为原子平衡间距；U0为原子间的结合能。

r0

问题31： 理论上金属弹性变形应变极限值达到41.4%，实际条件下弹性变形应变仅百分之几，

说明原因

解答：弹性变形量增大——金属内应力上升——达到弹性极限后：对塑性材料，产生塑性变形；对脆性材料，产生断裂

问题32： 说明下列因素对金属弹性模量的影响规律：原子间距；冷变形；淬火、回火

解答：对单晶体，不同晶体取向上具有不同的原子间距，如面心立方Al：[100]方向原子间距a，E＝63GPa；[110]方向原子间距0.747a，E＝75GPa；冷加工：冷加工——点阵畸变——减小原子间结合力——E减小；冷加工形成晶粒取向排列（织构）——该方向E增大；淬火——点阵畸变上升——E减小；淬火后回火——点阵畸变减小——E增大；或析出第二相——E增大；

问题33： 说明为什么弹性模量对组织不敏感

解答：弹性模量反映了金属中原子间的结合能（键的强弱）。组织对键的强弱影响微弱。

问题34： 说明火车减震可以采取什么措施（以减震弹簧为例）？

解答：提高减震弹簧所用材料的弹性极限，提高其弹性比功；增大弹簧的体积，增大其吸收的弹性能大小。

问题35： 弹性模量在工程上有什么意义？

解答：过量的弹性变形会使构件失稳，表示构件弹性稳定性的参量为刚度，单向加载时的刚度为 Q＝P/ΔL，其中Q为构件的刚度；P为单向载荷， ΔL为构件的变形量。写成虎克定律 Q＝ζ×F/(δ×L)=E×F/L，其中，F为构件截面积。可以看出，构件截面积和长度确定后，其刚度取决于材料的弹性模量。

问题36：

将弹簧拉直是塑性变形还是弹性变形?怎样判别它的变形性质

解答: 将弹簧拉直是弹性变形。物体在外力的作用下产生变形，该变形如果在外力去除后消失，就属于弹性变形；如果该变形在外力去除后不消失，就属于塑性变形。

问题37： 设一拉伸试样，标距长度为l0，将其拉伸到长度l后，再压缩到l0，求两个过程的条

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件应变和真实应变。

解答：条件应变： 拉伸段：(l－ l0）/ l0；压缩段： (l0－ l）/ l0。真实应变：拉伸段：ln( l/ l0); 压缩段： ln( l0/ l);

问题38： 采用体积不变原理计算均匀塑性变形阶段延伸率和断面收缩率之间的关系。 解答：

F?F0(1??)l?l0??l?l0(1??l)?l0(1??)l0

因此，F0l0＝F（－?）l（＋?）0101（1－?）(1＋?）?1????

?1???1??问题39： 今有45，40Cr，35CrMo钢和灰铸铁等几种材料，你选择那种材料作为机床床身，为

什么？

解答：机床床身主要要求材料具有减震、良好的压缩性能和低价格。灰铸铁满足这方面的综合要求。

问题40： 叙述多晶体金属产生明显屈服的条件和特点。

解答：

1）多晶体中各晶粒变形具有不同时性和不均匀性（由于晶粒取向不同），滑移的临界分切应力 η=(P/A)cosθcosλ

θ—外应力与滑移面法线夹角； λ—外应力与滑移向的夹角； Ω= cosθcosλ称为取向因子。

因为各晶粒的取向不同，cosθcosλ不同。 对于具体材料，还存在母相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。

2）变形的相互协调性。多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。

3）塑性变形后金属的晶格发生点阵畸变，储存能量，产生内应力。第一、第二内应力。 4）塑性应变量提高，金属强度增大，产生加工硬化。

问题41： 孪生变形有什么特点？

解答：1）比滑移困难；时间很短；变形量很小；孪晶层在试样中仅为狭窄的一层，不一定贯穿整个试样。2）孪生与滑移的交互作用，可促进金属塑性变形的发展。3）孪生靠不全位错的运动来实现。

问题42： 有一钢材，其单向拉伸屈服强度为800MPa，在σ1＝σ，σ2＝σ/2, σ3=σ/2下试验，

采用第3强度理论判据计算屈服应力； 解答：

ζ1－ζ3＝ζs

即：ζ/2＝800 （MPa）

所以屈服条件为ζ＝1600 （MPa）

问题43： 退火低碳钢拉伸过程中出现物理屈服现象，分别说明上下屈服点、屈服平台及屈服齿

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形成的原因 解答：

塑性变形开始时，位错密度较小，在外力的作用下，塑性变形开始，使位错扩散速度变大，可得应力提高，得到上屈服点。

塑性变形开始后，位错密度急剧上升，形成位错塞积，使位错扩展速度减小，从而使应力下降，形成下屈服点。

少量位错的移动使应力下降，位错塞积导致应力升高，往复循环形成了屈服齿。

在恒定应力作用下，不断产生化一面，晶粒内部全部形成滑移面后，在开始塑性变形，在这一过程中，应力不变但应变增加，形成屈服平台.

问题44： 低碳钢的应变时效现象是什么？

解答：

低碳钢发生物理屈服后，停止变形，此时放置数天，或在100℃4h、150℃10min，引起材料屈服点升高、同时塑性、韧性下降的现象。低碳钢发生物理屈服后，卸载，如果立刻重新变形，屈服点不增大

问题45： 低碳钢应变时效现象产生的原因是什么？

解答：1）发生了物理屈服后，C、N原子钉扎作用消除；紧接着变形时，C、N原子来不及钉扎，因此物理屈服现象消除。2）放置数天或100℃4h、150℃10min后，C、N原子重新钉扎，因此再次形成物理屈服；3）此时位错密度提高，引起应变强化，因此屈服点升高

问题46： 金属在拉伸、压缩、弯曲、扭转条件下的受力状态和塑性变形有什么特点？

解答：

拉伸：单向受力状态，应力状态系数0.5

压缩：力状态系数α=2，即应力状态软，因此材料易产生塑性变形。

弯曲：弯曲试验常用于测定脆性材料的力学性能。 1）正应力：上表面为压应力，下表面为拉 应力；2）表面应力最大，中心的为零；3）力点处的作用力最大；4）对试样的要求比拉伸时的宽松。铸铁、工具钢、表面渗碳钢，常作弯曲试验。

扭转：平面应力状态，应力状态系数0.8。纵向受力均匀；横向表面受力最大，心部为0；最大正应力与最大切应力相等。平面应力状态，容易发生塑性变形。1）能检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能。2）长度方向，宏观上塑性变形始终是均匀的。3）能敏感地反映材料表面的性能。4）断口的特征最明显。

问题47： 决定金属屈服强度的因素有哪些?

解答：

内因： 界面（晶界）——细晶强化 溶质原子——固溶强化 第二相——第二相强化 提高位错密度——加工硬化 外因：温度提高，位错运动容易，ζs↓ 应变速率提高，ζs↑

应力状态: 切应力分量η↑，ζs↓

问题48： 说明一种提高金属屈服强度而不降低其塑性的方法。

解答：晶粒细化。细化晶粒能够提高金属的屈服强度，符合Hall-Petch公式；细化晶粒还能增大金属解理断裂临界应力，提高金属的韧性。

问题49： 写出Hall－Petch公式并说明金属细晶强化的本质。

解答：σs= σi+k σ-1/2

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金属细晶强化的本质：1）晶粒尺寸越小，位错运动需要的应力越大，材料的屈服强度越高，由于不同晶粒的取向不同，使得一个晶粒间的变形传递更难；2）晶粒越细小，晶界面积就越大，而位错在晶粒内部比在晶界运动容易，故晶界越多，位错运动的阻力就越大，起到强化的作用。

问题50： 金属中第二相形成途径有哪些？

解答：凝固；共析转变；时效；复合方法

问题51： 金属失效方式有哪些？

解答：过量弹性变形；过量塑性变形；断裂。

问题52： 金属中第二相有哪些种类？

解答：

1）弥散分布和大块聚集 2）不可变形和可变形 不可变形的第二相，位错只能绕过它运动。“硬相” 可变形的第二相，位错可以切过。“软相”

问题53： 说明弥散分布的第二相强化的基本原理。

解答：

1） 切过型

第二相－基体界面增大； 第二相有序结构破坏； 第二相变形需要能量 2）绕过型

位错线弯曲成半圆时需要的应力最大，强化效应为：质点周围位错增多后，有效dT减小；形成的位错塞积对后续的位错产生阻碍。

上述两种情况下的强化效果：

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??s??1 dT其中dT为质点间距。

问题54： 说明大块聚集型第二相的强化原理

解答：

11：等应变状态；22：等应力状态，面积为S；基体含量为f1，第二相含量为f2

22方向(等应力)：11方向(等应变)：F总＝Sf1?1?Sf2?2所以：?总＝?1??2所以：?总＝f1?1?f2?2?总＝f1?1?f2?2?E总＝?f1E1??f2E2

E总＝f1E1?f2E2?总E总＝f1?1E1?f2?2E2?总s＝f1?1s?f2?2s这是\混合法则\

111＝f1?f2E总E1E2E总?f1E2?f2E1E1E2?总s＝?1(如果?1??2)?总s＝?2(如果?2??1)问题55： 图为Al-4.5Cu合金在固溶态、欠时效态、峰时效态和过时效态的拉伸应力—应变曲线

示意图，

（1） 在图中括号内填上各拉伸曲线对应的材料状态 （2） 说明不同状态的材料屈服强度差别的原因

（3） 说明不同状态的材料形变强化行为差别的原因

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[ ][ ]应力[ ][ ]应变

解答：

（1） 括号从上到下分别为：峰时效，欠时效，过时效和固溶态。 （2） 欠时效时第二相和基体不共格，发生弥散强化，屈服强度高；

峰时效时第二相和基体部分共格，弥散强化减弱，屈服强度次之；

过时效时第二相与基体完全共格，无弥散强化，也无固溶强化，屈服强度最低。 固溶态时存在固溶强化，但效果不及第二相强化，故屈服强度也较低。

（3）形变强化是由于金属中位错塞积群增大而导致的屈服点升高，位错塞积群有三个来源，一是位错通过晶界，而是位错绕过第二相质点，三是位错自身协调作用。其中第二和第三点都与第二相质点有关，所以峰时效和欠时效因为存在第二相质点，其屈服强度较高，而欠时效时第二相质点最多，其屈服强度最高，而过时效状态由于无第二相质点，屈服强度低。

问题56：

金属晶粒大小对其力学性能有什么影响？

解答: 金属的晶粒越小，金属的力学性能越好。

细化晶粒有几种方法?

解答:（1）增加外来晶核；（2）增加冷却速度；（3）大挤压比成形。室温

问题57：

问题58： 形变强化有什么意义？

解答：

（1）形变强化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。 （2）使构件具有一定的抗偶然过载能力。 （3）强化金属，提高力学性能。 （4）提高低碳钢的切削加工性能

问题59：

为什么形变强化能力越强金属越不容易发生颈缩？

解答：

——产生颈缩

——应变集中到颈缩区域

——颈缩区域由于形变强化，屈服强度提 高（而没有颈缩区域屈服强度不变） ——变形转移到颈缩区域以外 ——颈缩受到抑制

形变强化指数越大，材料越不容易发生颈缩，此时容易发生“超塑性”

问题60：

金属断裂有哪些基本类型？

解答：

1、根据断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂；韧性断裂 2、根据断裂面的取向分类：正断；切断

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3、根据裂纹扩展的途径分类：穿晶断裂；沿晶断裂

4、根据断裂机理分类：解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂

问题61： 何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口形态的因素有哪些？

解答：

断口特征呈杯—锥状，断口三要素：纤维区、星芒区（放射区）、剪切唇。纤维区：纤维状，灰暗色；星芒区：裂纹快速扩展，撕裂时塑性变形量大，放射线粗；剪切唇：切断。 影响宏观拉伸断口形态的因素有：材料的性质；外力的状态等。

问题62： 解理断裂有什么宏观特点？

解答：

1）断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆； 2）断口与正应力垂直，属于正断。

3）断口平齐光亮，常呈放射状或结晶状；断口由许多小晶面构成；晶面的大小与晶粒大小对应。 4）解理面都是特定的晶体学平面，如bcc金属中为{001}面，hcp金属中为{0001}，前者是较密排面，后者为密排面

问题63： 解理断裂的微观特征是什么？

? ? ? ?

解理面形成的每个小晶面都是穿晶断裂形成的，在同一个晶粒内裂纹沿同一晶面发展； 同一晶粒内部，界面面不是一个平坦表面，而是一系列晶面族，即位于不同高度的平行的晶面构成

每个解理面上都能见到河流花样，发源于晶界，中止于晶界

解理面附近的金属中能见到显著的塑性变形痕迹，塑性变形量可达10％～15％。

问题64： 低碳钢解理裂纹形成过程是什么？

解答：

a(011):b1?[111]2a(011):b2?[111]2aa[111]?[111]?a[001]?(1)22能量上：aa22[（－1）?（－1）?12]2?[12?12?12]2?a2223/2a2?a2因此反应（1）在几何上和能量上都是满足的，可以自发进行

a[001]位错布氏矢量从下向上，而在此方向上只有正应力，没有切应力，因此a[001]位错是不可动位错；后续位错反应不断进行，在交叉点处形成位错。

当塞积处的位错数量足够多时，形成的应力集中是该处形成裂纹。解理裂纹一旦形成，位错塞积群b1和b2将会消失，同时产生两个新的表面，位错塞积群b1＋位错塞积群b2——两个新表面，反应是： nb1+ nb2——nb，这部分弹性能转变成两个新表面的能量2γ ：ζnb＝ 2γ

问题65： 解理断裂河流花样形成过程是什么？

解答：

? 解理裂纹形成后，在晶粒A内部扩展只需要克服表面张力，而表面张力数值较小，因此可

以迅速扩展，达到晶界；

? 晶粒B的晶体取向与A不同，因此解理裂纹遇到晶界后停止扩展，外加应力进一步增大，

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?

克服晶界阻力，裂纹才能穿越晶界。穿越晶界过程满足以下条件：B晶粒内仍沿着解理面（001）扩展；转折的角度尽量小

穿越晶界后，上述不同高度的（001）面上有许多裂纹，当这些面上的裂纹相遇时，中间夹着一层金属，这层金属受到很大的应力作用，可以通过二次解理或者切离方式断裂，从而造成裂纹汇合，从支流变成干流，形成河流花样

问题66： 金属圆柱试样拉伸宏观杯锥状断口的形成过程是什么？

解答：

颈缩后，颈缩区域应力集中，变成三向应力状态，且应力在中心处最大——微孔在中心处萌生——微孔在拉应力作用下从中心向边缘长大——达到边缘时，应力变成平面应力状态，裂纹沿45度方向长大，形成杯锥状断口。

问题67： 叙述解理断裂过程中裂纹形成的Cottrell机制及解理裂纹扩展过程

解答：试件受力发生塑性变形，晶粒中出现位错的滑移，发生位错反应b1+b2=b,反应过程能量降低，生成的位错可以稳定存在，反应自发进行。生成的位错无法滑移，但在外力作用下，位错反应不断进行，b1和b2在两个交叉的滑移内面行成两列位错塞积群，在外力的作用下，在两列位错塞积群的顶端，形成了位错b的塞积，产生了很大的应力集中，当应力达到（001）面的界面结合强度的时候，该晶面就被拉开，nb位错就像一个楔子打入晶面（001），当应力集中产生的楔子足够大时，将解理面劈开，形成了初始的解理裂纹。

问题68： 叙述解理断裂过程中解理裂纹扩展过程

解答：解理面的表面能低，在晶内长大消耗的能量很少，裂纹在晶内扩展容易，但是相邻两个晶粒之间有一定的晶体学位相差，而解理裂纹又必须沿着解理面扩展，于是受阻于晶界。在相邻晶粒中与初始裂纹相交的一系列平行的解理面开裂，形成小的裂纹向前扩展，两解理面间金属受压力导致断裂，于是小裂纹汇集在一起，形成台阶，以此方式，小裂纹贯通形成阶梯状的大裂纹，这样完成了裂纹向临界晶粒扩展。

问题69： 解理断裂与准解理断裂有什么异同？

解答：

相比共同点是：都是穿晶断裂、有小解理刻面、台阶、撕裂棱或河流花样。不同点是：准解理小刻面不是晶体学解理面。解理断裂裂纹一般源于晶界；而准解理裂纹常常源于晶内硬的质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。准解理是解理断裂的变种。

问题70： 在什么条件下容易出现沿晶断裂？

解答：晶界上有脆性第二相薄膜或杂质元素偏聚。

问题71： 叙述微孔聚集型断裂裂纹萌生与扩展过程

解答：

微孔形成方式：

1）第二相与基体的界面结合较弱时，通过界面脱粘在第二相/基体界面形成裂纹 2）第二相与基体的界面结合较强时，通过变形协调位错产生 3）第二相质点的断裂

4）晶界处（往往由应力集中导致

微孔扩展和长大过程：

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1）在第二相界面处形成裂纹后，外加应力作用下，裂纹首先沿着界面扩展，形成围绕第二相的圆环，形成微孔；

2）拉应力作用下，微孔沿应力方向伸长，形成椭圆形；

3）随着椭圆增大，质点面上的承载面积减小，变形逐渐集中到质点面上，在此处形成水平椭圆，得到颈缩区域；

4）阴影线区域类似于颈缩后拉伸试样，发生切离断裂，微孔聚合，形成宏观断裂裂纹

问题72： 叙述退火低碳钢和高碳钢的屈服强度在拉伸图上的区别，为什么？

解答：退火低碳钢具有物理屈服现象，屈服强度对应于屈服平台；高碳钢没有物理屈服，屈服强度为对应于0.2%应变的应力。

问题73： 说明细化晶粒能够提高金属屈服强度而不降低其塑性的原因。

解答：细化晶粒强化：Hall－Petch；细化晶粒提高韧性：提高解理断裂临界应力

问题74： 叙述韧性断裂和脆性断裂的区别？为什么脆性断裂最危险？

解答：韧性断裂前发生明显的宏观应变，而脆性断裂没有，因此脆性断裂前没有明显的征兆。

问题75： 剪切断裂和解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？

解答：前者：塑性变形，有明显宏观塑性应变；后者：脆性变形，无宏观塑性应变。

问题76： 说明低温脆性的物理本质。

解答：温度对材料抗拉强度和屈服强度影响不同，如图：

问题77： 分别说明下列因素对金属材料韧脆转变的影响规律并说明原因：（1）温度；（2）晶粒

大小； （3）应力状态；（4）加载速率；（5）缺口；（6）裂纹 解答：（1）温度降低：使材料变脆，根据解理断裂强度与屈服强度随温度的变化规律，当温度低于韧脆转变温度时，材料屈服便以脆性解理方式断裂。

（2）晶粒大小：解理裂纹形成的临界应力反比于晶粒大小的1/2次方，晶粒尺寸越大，临界应力越小，越容易形成裂纹而使材料变脆。

（3）应力状态： 平面应变状态塑性区尺寸小于平面应力状态，即断裂的阻力将低于平面应力状态，脆性较大。

（4）加载速率：加载速率越大，材料变脆。因为屈服强度和断裂强度随应变速率的增大幅度不一样，屈服强度增大的幅度较大，当应变速率较大时，会导致屈服强度大于断裂强度，材料变脆。 （5）缺口：缺口使缺口截面产生应力集中，使材料屈服强度提高而导致材料变脆。

（6）裂纹：裂纹尖端产生应力集中，处于平面应变状态时，使材料的屈服强度提高而导致材料变

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脆。

问题78： 举出三种提高金属材料韧性的途径

解答：晶粒细化；变形温度；强化

问题79： 如何理解“缺口强化”现象？

解答：根据应力分布,缺口样品屈服强度高,最终抗拉强度提高。

问题80： 说明下列力学性能指标的意义：qc，Ak

解答：

qc：缺口敏感性

Ak：冲击过程吸收能

问题81： 试分析厚板缺口试样单向拉伸时缺口处的应力分布特点（拉伸方向垂直于缺口面）

解答：

分析厚板沿厚度方向的对称面，属于平面应变状态，y 方向（拉应力方向）的应力子啊缺口处最大，向中心逐渐减小，且稳定值小于其他面上的拉应力值。由于缺口处的横向收缩产生了x方向的应力。由于缺口顶端可沿x方向自由移动，故在此处x方向应力为零，随着离缺口距离的增加，x方向应力增加并产生一个峰值，在试样中心为0。由于平面应变状态z方向应变为0，可得z方向应力σz= υ（σx+σy）,并在缺口附近产生一个峰值。

问题82： 缺口对材料的拉伸性能有什么影响？

解答：分不同性质材料分别说明。对脆性材料，缺口引起应力集中，降低材料的拉伸性能；对韧性好的材料，缺口面的材料可以发生塑性变形，产生全面屈服，对拉伸性能没有影响，甚至引起“缺口强化”。

问题83： 说明圆柱缺口试样断裂过程。

解答：

? ?

?

脆性材料（a）：最大应力位于缺口面上，裂纹在缺口一侧产生；产生应力集中，裂纹快速通过缺口向另一侧扩展； 中等塑性材料（b）：最大应力位于缺口面内一定范围内，且此位置与缺口面之间的材料发生了塑性变形；裂纹在该最大应力处产生，向外侧缺口面处扩展（以微孔聚集型方式向外侧扩展）；同时向内扩展（快速扩展）；最终中心形成最后断裂区。此时缺口强度可能高于光滑试样抗拉强度，也可能低于光滑试样（取决于材料的塑性大小） 良好塑性材料（c）：材料从缺口面开始向内，发生完全屈服，应力最大点位于缺口中心；此时与光滑试样颈缩后的样品类似，裂纹起源于样品中心，然后以微孔生成、聚集的方式向外

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扩展，最终形成杯锥状断口这种情况下缺口的存在对断裂的影响不大。因此塑性良好的材料缺口敏感性低！由于缺口顶端的三向应力状态，引起抗拉强度增大，即ζbN>ζb

问题84： 说明低温脆性的影响因素。

解答：

1）晶体学特性。

晶体结构：f.c.c不存在低温脆性。b.c.c和某些h.c.p的低温脆性严重。

位错：位错宽度大，不显示低温脆性。层错能↑，韧性↑。形成柯氏气团，韧性↓。 2）冶金因素 （1）溶质元素

间隙原子，使韧性下降。

置换式溶质，对韧性影响不明显

杂质元素S、P、As、Sn 使韧性下降 （2）显微组织 a）晶粒大小 b）金相组织

回火索氏体—贝氏体—珠光体，韧性下降 第二相（大小、形态、数量、分布） 3）外部因素 1、温度

钢的“蓝脆”525～550℃（钢的氧化色为蓝色） C、N原子扩散形成柯氏气团。 2、加载速率

加载速率↑，脆性↑，韧脆转变温度Tk ↑; 3、试样尺寸和形状

试样增厚，Tk↑（表面上的拉压应力最大）; 带缺口/不带缺口时，脆性及Tk不同。

问题85： 结合缺口试样冲击过程中裂纹形成和萌生过程，说明缺口载荷~位移曲线与断口特征之

间的对应关系. 解答：

? ? ?

?

PGY之前，弹性变形

PGY后，塑性变形；载荷增大到Pmax，塑性变形区逐渐扩展到整个缺口面（塑性区为图中红色虚线和缺口面之间面积）；

在Pmax附近，应力最大点位于红色虚线上；因此在此处产生裂纹；随后裂纹向前和向后同时扩展；扩展机制是微孔聚集型，形成图中“脚跟形纤维状区”；此过程中材料承载面积减小，载荷逐渐下降到PF。

载荷达到PF后，裂纹迅速以解理断裂方式快速扩展，在材料中形成“放射形结晶状区”；这时材料承载面积迅速减小，载荷也迅速降低到PD。

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?

载荷达到PD后，裂纹扩展到样品边缘，产生平面应力状态，形成剪切唇区。

问题86： 液氮罐为什么采用奥氏体钢制造，而不能采用低碳钢制造？

解答：奥氏体在液氮温度下没有低温脆性转变。

问题87： 为什么冲击韧性不具有可设计性?

解答：

断裂过程包括弹性变形、塑性变形和断裂。冲击过程吸收的能量为以上所有过程能量的总和。因此“Ak值不具有明确的物理意义”。

问题88： 冲击韧性及其作用？

解答：

1、表征材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的大小。 Ak＝U/F，U为冲击过程吸收的能量，F为缺口面积。 Ak单位，J/cm2；或kgf/cm2 2、作用

（1）揭示冶金缺陷的影响；

（2）对ζs大致相同的材料，评定缺口敏感性。 （3）评定低温脆性倾向。

问题89： 说明KIc的基本原理及对试样尺寸的要求

解答：

试样处于平面应变状态。

设计样品尺寸要满足以下关系：Ba ??2.5(KIC)2?sw?aKIC?y?c?acy,?

c,ac对图中的三点弯曲试样，P3KQSBw3/2[2.9(a1w)2?4.6(aa5a7a9Q＝w)2?21.8(w)2?37.6(w)2?38.7(w)2]其中，PQ为断裂载荷，S，B，w为样品尺寸参数page 17 of 42

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问题90： 平面应变断裂韧性（KIc）的意义和测量方法

解答：表征金属抵抗裂纹扩展的能力。采用三点弯曲或紧凑拉伸试样，保证样品应力状态主要处于平面应变状态，测量样品断裂对应的载荷，由裂纹长度和样品尺寸计算得到。计算结果需要进行验证。

问题91： 有一大型板状构件，具有20mm长的I型穿透型裂纹，构件材料的屈服强度1200MPa，承受900 MPa的平均拉应力，计算其应力场强度因子KI及屈服区宽度R0。 解答：168MPam1/2，2.2mm

问题92： 有一车轴平均工作拉应力

150MPa，在－40℃下材料的屈服强度为300MPa，KIc＝

62MPa?m1/2。问在这种情况下允许表面存在增多深的半椭圆裂纹？ 解答：45mm

问题93： 影响断裂韧性的因素？

解答：

1、材料因素（内在因素）

①晶体特征 （晶体结构、位错） ②化学成分

③显微组织（晶粒大小，各相，第二相，夹杂） ④处理工艺（热处理、强化处理） 2、（外因）环境因素 温度、应变速度等。

问题94： 叙述低应力脆断的原因及在强度设计方面防止低应力脆断的方法

解答：采用断裂强度设计方法。

问题95： 应力场强度因子与应力有什么区别？

解答：同为状态参量，复合参量，有效描述裂纹尖端受力状态

问题96： 叙述影响裂纹尖端塑性区尺寸的因素

解答：根据I型裂纹尖端塑性区尺寸的表达式，看出影响因素：1）所受应力的影响，应力越大，塑性区尺寸越大；2）试样几何形状，不同的几何形状有不同的y值3）裂纹长度的影响，长度越长，塑性区尺寸越大；4）应力状态的影响，分清平面应力状态和平面应变状态的区别。

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问题97： 分析断裂韧性与冲击韧性的异同点及其相互关系

解答：概念差别；测试方法差别；物理意义差别。都描述了材料的韧性。

问题98： 叙述Griffith强度理论分析断裂问题的思路

解答：

（1）出发点

能量观点：材料中已存在裂纹； 局部应力集中；裂纹扩展 （增加新的表面），降低系统弹性 （2）格雷菲斯模型

a）单位厚度、无限宽薄板，仅施加一拉应力（平面应力）。

?

在没有裂纹时，板内任何一点都受到拉应力作用，储存弹性能，

11??2单位面积材料储存的弹性能为：?????

22E2Eb）在板内引入一长度为2a，垂直于应力方向的裂纹。此时引入裂纹的区域， 将释放弹性能Ue????2a2E（释放的能量，前面加负号）

c）裂纹形成产生新表面所需要的能量

W=4aγ （有两个表面） 总能量U?Ue?W????2a2E?4a?

?U?0(a?ac时)?a 12E?s2所以，?c?()?a

问题99： 通常纯铁的γ

解答：4×104MPa

s＝2J/m

2

，E＝2×105 MPa，a0＝2.5×10－10m，试求其理论断裂强度σm。

问题100：

有一材料E＝2×1011N/m2, γs＝8 J/m2,计算在7×107 N/m2的应力作用下，该材料

中能扩展的裂纹最小长度。 解答：0.4mm

问题101：

典型疲劳断口的宏观特征是什么？如何从这些特征判断疲劳源和裂纹萌生方向？

解答： 1、疲劳源

裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。由于应力交变，断面摩擦而光亮。随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。 2、疲劳区（贝纹区）

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断面比较光滑，并分布有贝纹线。循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作用）。 3、瞬断区

一般在疲劳源的对侧。脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘为剪切唇。 疲劳源区的断面一般因摩擦而光亮，可以根据这个特征判断疲劳源区。

当疲劳断口可以观察到疲劳条纹时，可以根据疲劳条纹间距大小判断疲劳裂纹扩展方向，疲劳条纹间距增大的方向为疲劳裂纹扩展方向。

问题102：

某汽车发动机连杆螺栓在工作时承受交变拉应力，最大拉应力59640N，最小拉力

56900N，螺栓螺纹处内径为11.29mm，试求应力半幅，平均应力 解答： 应力半幅：（59640－56900）/2＝1370 N 平均应力：（59640－56900）/（2×3.14×11.29×11.29×0.25×10-6）=6.85 MPa

问题103：

什么是包申格效应？形成的原因是什么？

解答：

反向加载引起屈服强度降低。一般初始应变量为1％～4％才产生。

形成原因为林位错机制：

第一次加载——形成位错塞积群——反向加载——塞积群容易自身排斥

问题104：

低碳钢的疲劳曲线中平台形成的原因是什么？为什么铝合金疲劳曲线中没有平

台？ 解答：

平台形成原因：

1. 应变时效——强化滑移区域，使该区域强度提高——正面作用

2. 塑性滑移和疲劳裂纹生成——使滑移区域承载能力降低——累积损伤作用——负面作用 两者平衡，裂纹停止生长，材料不断裂

问题105：

什么是循环软化和循环硬化？形成的原因是什么？

解答：

恒定应变幅下实验，应力随循环的进行应力增大的为循环硬化，否则为循环软化。

形成原因：取决于应力强化能力，加工硬化指数n<0.1，循环软化；n>0.1，循环硬化或循环稳定

问题106：

疲劳裂纹形成的方式有哪些？

解答： 驻留滑移带 晶界开裂

第二相界面开裂

沿孪晶界形成疲劳裂纹

问题107：

解答：

? 第一阶段

疲劳裂纹扩展第1阶段和第2阶段各有哪些特点？

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[4] 写出Hall－Petch公式并说明金属细晶强化的本质。 解答：σs= σi+k σ-1/2

金属细晶强化的本质：1）晶粒尺寸越小，位错运动需要的应力越大，材料的屈服强度越高，由于不同晶粒的取向不同，使得一个晶粒间的变形传递更难；2）晶粒越细小，晶界面积就越大，而位错在晶粒内部比在晶界运动容易，故晶界越多，位错运动的阻力就越大，起到强化的作用。

[5] 为什么形变强化能力越强金属越不容易发生颈缩？ 解答：

——产生颈缩

——应变集中到颈缩区域

——颈缩区域由于形变强化，屈服强度提高（而没有颈缩区域屈服强度不变） ——变形转移到颈缩区域以外 ——颈缩受到抑制

形变强化指数越大，材料越不容易发生颈缩，此时容易发生“超塑性”

[6] 解理断裂与准解理断裂有什么异同？ 解答：

相比共同点是：都是穿晶断裂、有小解理刻面、台阶、撕裂棱或河流花样。不同点是：准解理小刻面不是晶体学解理面。解理断裂裂纹一般源于晶界；而准解理裂纹常常源于晶内硬的质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。准解理是解理断裂的变种。

三、论述题（每题10分，总计30分）。 [1] 低碳钢解理裂纹形成过程是什么？ 解答：

a(011):b1?[111]2a(011):b2?[111]2aa[111]?[111]?a[001]?(1)22能量上：aa22[（－1）?（－1）?12]2?[12?12?12]2?a2223/2a2?a2因此反应（1）在几何上和能量上都是满足的，可以自发进行

a[001]位错布氏矢量从下向上，而在此方向上只有正应力，没有切应力，因此a[001]位错是不可动位错；后续位错反应不断进行，在交叉点处形成位错。

当塞积处的位错数量足够多时，形成的应力集中是该处形成裂纹。解理裂纹一旦形成，位错塞积群b1和b2将会消失，同时产生两个新的表面，位错塞积群b1＋位错塞积群b2——两个新表面，反应是： nb1+ nb2——nb，这部分弹性能转变成两个新表面的能量2γ ：ζnb＝ 2γ

[2] 分别说明下列因素对金属材料韧脆转变的影响规律并说明原因：（1）温度；（2）晶粒大小； （3）应力状态；（4）加载速率；（5）缺口；（6）裂纹 解答：（1）温度降低：使材料变脆，根据解理断裂强度与屈服强度随温度的变化规律，当温度低于韧脆转变温度时，材料屈服便以脆性解理方式断裂。

（2）晶粒大小：解理裂纹形成的临界应力反比于晶粒大小的1/2次方，晶粒尺寸越大，临界应力越

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小，越容易形成裂纹而使材料变脆。

（3）应力状态： 平面应变状态塑性区尺寸小于平面应力状态，即断裂的阻力将低于平面应力状态，脆性较大。

（4）加载速率：加载速率越大，材料变脆。因为屈服强度和断裂强度随应变速率的增大幅度不一样，屈服强度增大的幅度较大，当应变速率较大时，会导致屈服强度大于断裂强度，材料变脆。 （5）缺口：缺口使缺口截面产生应力集中，使材料屈服强度提高而导致材料变脆。

（6）裂纹：裂纹尖端产生应力集中，处于平面应变状态时，使材料的屈服强度提高而导致材料变脆。

[3] 结合缺口试样冲击过程中裂纹形成和萌生过程，说明缺口载荷~位移曲线与断口特征之间的对应关系. 解答：

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PGY之前，弹性变形

PGY后，塑性变形；载荷增大到Pmax，塑性变形区逐渐扩展到整个缺口面（塑性区为图中红色虚线和缺口面之间面积）；

在Pmax附近，应力最大点位于红色虚线上；因此在此处产生裂纹；随后裂纹向前和向后同时扩展；扩展机制是微孔聚集型，形成图中“脚跟形纤维状区”；此过程中材料承载面积减小，载荷逐渐下降到PF。

载荷达到PF后，裂纹迅速以解理断裂方式快速扩展，在材料中形成“放射形结晶状区”；这时材料承载面积迅速减小，载荷也迅速降低到PD。

载荷达到PD后，裂纹扩展到样品边缘，产生平面应力状态，形成剪切唇区。

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