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材料力学性能考试答案
导读：P111ΔK:材料的疲劳裂纹扩展速率不仅与应力水平有关，2.揭示下列疲劳性能指标的意义，金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性，韧性材料为纤维状断口，因此还需知道材料的不对称循环疲劳极限，使材料受到损伤并降低疲劳寿命，3、材料组织的影响：①晶粒大小：晶粒越粗大，他们除能使机件获得表硬心韧的综合力学性能外，金属材料在恒定应变范围循环作用下，金属材料产生循环硬化与软化取决于材料的初始状态、结构特性以
1.名词解释;
应力幅σa:σa=1/2(σmax-σmin)
平均应力σm：σm=1/2(σmax+σmin)
应力比r:r=σmin/σmax
疲劳源：是疲劳裂纹萌生的策源地，一般在机件表面常和缺口，裂纹，刀痕，蚀坑相连。P96 疲劳贝纹线：是疲劳区的最大特征，一般认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
疲劳条带：疲劳裂纹扩展的第二阶段的断口特征是具有略程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）
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。 P111 ΔK:材料的疲劳裂纹扩展速率不仅与应力水平有关，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.
da/dN:疲劳裂纹扩展速率，即每循环一次裂纹扩展的距离。
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
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。
2.揭示下列疲劳性能指标的意义
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。
疲劳缺口敏感度qf
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一，Kf为疲劳缺口系数。 Kf=(σ-1)/(σ-1N)
过载损伤界
P102,103/p117
由实验测定，测出不同过载应力水平和相应的开始降低疲劳寿命的应力循环周次，得到不同试验点，连接各点便得到过载损伤界。
疲劳门槛值ΔKth
在疲劳裂纹扩展速率曲线的Ⅰ区，当ΔK≤ΔKth时，da/aN=0,表示裂纹不扩展;只有当ΔK&ΔKth时，da/dN&0,疲劳裂纹才开始扩展。因此，ΔKth是疲劳裂纹不扩展的ΔK临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。
3.试述金属疲劳断裂的特点
（1）疲劳是低应力循环延时断裂，机具有寿命的断裂
（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
4．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不同的区域―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，因为这里在整个裂纹亚
稳扩展过程中断面不断摩擦挤压，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，是判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延续，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） 瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。其断口比疲劳区粗糙，脆性材
料为结晶状断口，韧性材料为纤维状断口。
6．试述疲劳图的意义、建立及用途。（新书P101~102，旧书P115~117）
答：定义：疲劳图是各种循环疲劳极限的集合图，也是疲劳曲线的另一种表达形式。
意义：很多机件或构件是在不对称循环载荷下工作的，因此还需知道材料的不对称循环疲劳极限，以适应这类机件的设计和选材的需要。通常是用工程作图法，由疲劳图求得各种不对称循环的疲劳极限。
?m疲劳图 建立：这种图的纵坐标以?a表示，横坐标以?m表示。然后，以不同应力比r条件下将?max表示的疲劳极限?r分解为?a和?m，并在该坐标系中作ABC曲线，即为?a??m疲劳图。1?a(?max??min)1?r其几何关系为：tan?? ???m(?max??min)1?r
（用途）：我们知道应力比r，将其代入试中，即可求得tan?和?，而后从坐标原点O引直线，令其与横坐标的夹角等于?值，该直线与曲线ABC相交的交点B便是所求的点，其纵、横坐标之和，即为相应r的疲劳极限?rB，?rB??aB??mB。
2、?max(?min)??m疲劳图
建立：这种图的纵坐标以?max或?min表示，横坐标以?m表示。然后将不同应力比r下的
疲劳极限，分别以?max(?min)和?m表示于上述坐标系中，就形成这种疲劳图。几何关系为：tan???max2?max2?? ?m?max??min1?r
（用途）：我们只要知道应力比r,就可代入上试求得tan?和?，而后从坐标原点O引一直线OH，令其与横坐标的夹角等于?，该直线与曲线AHC相交的交点H的纵坐标即为疲劳极限。
8．试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素。（新书P107~109，旧书P123~125）
答：1、应力比r（或平均应力?m）的影响：Forman提出： ?dN(1?r)Kc??K
残余压应力因会减小r,使
r，使da降低和?Kth升高，对疲劳寿命有利；而残余拉应力因会增大dNda升高和?Kth降低，对疲劳寿命不利。 dN
2、过载峰的影响：偶然过载进入过载损伤区内，使材料受到损伤并降低疲劳寿命。但若过载适当，有时反而是有益的。
3、材料组织的影响：①晶粒大小：晶粒越粗大，其?Kth值越高，da越低，对疲劳寿命越dN
有利。②组织：钢的含碳量越低，铁素体含量越多时，其?Kth值就越高。当钢的淬火组织中存在一定量的残余奥氏体和贝氏体等韧性组织时，可以提高钢的?Kth，降低
丸处理：喷丸强化也能提高?Kth。
9．试述疲劳微观断口的主要特征。（新书P113~P114，旧书P132）
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)：
图中(a),在交变应力为零时裂纹闭合。
图(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。
图(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”。
图(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。 图(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。
da。③喷dN
12．试述金属表面强化对疲劳强度的影响。（新书P117~P118，旧书P135~P136）
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。这两方面的作用都能提高疲劳强度。
表面强化方法，通常有表面喷丸、滚压、表面淬火及表面化学热处理等。
（1） 表面喷丸及滚压
喷丸是用压缩空气将坚硬的小弹丸高速喷打向机件表面，使机件表面产生局部形变硬化；同时因塑变层周围的弹性约束，又在塑变层内产生残余压应力。
表面滚压和喷丸的作用相似，只是其压应力层深度较大，很适于大工件；而且表面粗糙度低，强化效果更好。
（2） 表面热处理及化学热处理
他们除能使机件获得表硬心韧的综合力学性能外，还可以利用表面组织相变及组织应力、热应力变化，使机件表面层获得高强度和残余压应力，更有效地提高机件疲劳强度和疲劳寿命。
13.试述金属的硬化与软化现象及产生条件。
金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力不断增加，即为循环硬化。 金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力逐渐减小，即为循环软化。 金属材料产生循环硬化与软化取决于材料的初始状态、结构特性以及应变幅和温度等。 循环硬化和软化与σb / σs有关：
σb / σs&1.4，表现为循环硬化；
σb / σs&1.2，表现为循环软化；
1.2&σb / σs&1.4，材料比较稳定，无明显循环硬化和软化现象。
也可用应变硬化指数n来判断循环应变对材料的影响，n&1软化，n&1硬化。
退火状态的塑性材料往往表现为循环硬化，加工硬化的材料表现为循环软化。
循环硬化和软化与位错的运动有关：
退火软金属中，位错产生交互作用，运动阻力增大而硬化。
冷加工后的金属中，有位错缠结，在循环应力下破坏，阻力变小而软化。
第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
一、名词解释
1、应力腐蚀：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的 低应力脆断现象。
2、氢脆：由于氢和应力共同作用而导致的金属材料产生脆性断裂的现象。
3、白点：当钢中含有过量的氢时，随着温度降低氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成氢分子。此时，氢的体积发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕裂，而形成微裂纹。
4、氢化物致脆：对于ⅣB 或ⅤB 族金属，由于它们与氢有较大的亲和力，极易生成脆性氢化物，是金属脆化，这种现象称氢化物致脆。
5、氢致延滞断裂：这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。
二、说明下列力学性能指标的意义
1、σscc：材料不发生应力腐蚀的临界应力。
2、KIscc：应力腐蚀临界应力场强度因子。
3、da/dt：盈利腐蚀列纹扩展速率。
7．如何识别氢脆与应力腐蚀？。
答：氢脆和应力腐蚀相比，其特点表现在：
1、实验室中识别氢脆与应力腐蚀的一种办法是，当施加一小的阳极电流，如使开裂加速，
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