工程材料力学性能课后答案

工程材料力学性能课后答案内容摘要：

案：在工程应用中，陶瓷构件的失效分析是十分重要的，如果材料的失效，主要是热震断裂，例如对高强、微密的精细陶宠，则裂纹的萌生起主导作用，为了防止热震失效提高热震断裂抗力，应当致力于提高材料的强度，并降低它的弹性模量和膨胀系数。 若导致热震失效的主要因素是热震损坏，这时裂纹的扩展起主要作用，这时应当设法提高它的断裂韧性，降低它的强度。 什么是低温脆性、韧脆转变温度 tk。 产生低温脆性的原因是什么。 体心立方和面心立方金属的低温脆性有和差异。 为什么。 答： 在试验温度低于某一温度 tk 时，会由韧性状态转变未脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状，这就是低温脆性。 tk 称为韧脆转变温度。 低温脆性的原因： 低温脆性是材料屈服强度随温度降低而急剧增加，而解理断裂强度随温度变化很小的结果。 如图所示： 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（表现为塑韧性）；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 直接 断裂（表现为 脆 性）。 心立方和面心立方金属低温脆性的差异： 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。 原因： 这 是因为派拉力对其屈服强度的影响占有很大比重，而派拉力是短程力，对温度很敏感，温度降低时，派拉力大幅增加，则其强度急剧增加而变脆。 6. 拉伸 冲击弯曲 缺口试样拉伸 第四章 金属的断裂韧度 一、解释下列名词 （ 1） 低应力脆断 ：在屈服应力以下发生的断裂。 （ 2） 张开型裂纹 ：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。 （ 3） 应力强度因子 ：表示应力场的强弱程度。 （ 4） 小范围屈服 ：塑性尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸为小，小一个数量级以上的屈服。 （ 5） 有效屈服应力 ：发生屈服时的应力 （ 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 （ 7） 裂纹扩展能量释放率 ：裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。 （ 8） J 积分 ：裂纹尖端区的应变能，即应力应变集中程度 （ 9） COD：裂纹尖端沿应力方向张开所得到的位移。 二、疲劳断口 有什么特点 ? 答案：有疲劳源。 在形成疲劳裂纹之后，裂纹慢速扩展，形成贝壳状或海滩状条纹。 这种条纹开始时比较密集，以后间距逐渐增大。 由于载荷的间断或载荷大小的改变，裂纹经过多次张开闭合并由于裂纹表面的相互摩擦，形成一条条光亮的弧线，叫做疲劳裂纹前沿线，这个区域通常称为疲劳裂纹扩展区，而最后断裂区则和静载下带尖锐缺口试样的断口相似。 对于塑性材料，断口为纤维状，对于脆性材料，则为结晶状断口。 总之，一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。 三、什么是疲劳裂纹门槛值，哪些因素影响 其值的大小 ? 答案：把裂纹扩展的每一微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=KmaxKmin 是疲劳裂纹扩展的控制因子，当△ K小于某临界值△ Kth 时，疲劳裂纹不扩展，所以△ Kth 叫疲劳裂纹扩展的门槛值。 应力比、显微组织、环境及试样的尺寸等因素对△ Kth 的影响很大。 KI 称为 I 型裂纹的应力场强度因子，它是衡量裂纹顶端应力场强烈程度的函数，决定于应力水平、裂纹尺寸和形状。 塑性区尺寸较裂纹尺寸 a 及静截面尺寸为小时（小一个数量级以上），即在所谓的小范围屈服 裂纹的应力场强度因子与其断裂韧度相比较，若 裂纹要失稳扩展脆断，则应有： 这就是断裂 K 判据。 应力强度因子 K1 是描写裂纹尖端应力场强弱程度的复合力学参量，可将它看作推动裂纹扩展的动力。 对于受载的裂纹体，当 K1 增大到某一临界值时，裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致断裂。 这一临界值便称为断裂韧度 Kc 或 K1c。 意义： KC平面应力断裂韧度（薄板受力状态） KIC平面应变断裂韧度（厚板受力状态） ICI KK ?，材料的 =1200MPa， KIc=115MPa*m1/2，探伤发现有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，并判断该件是否安全。 解：由题意知穿透裂纹受到的应力为σ =900MPa 根据 σ/ 的值，确定裂纹断裂韧度 KIC是否休要修正 因为 σ/=900/1200=，所以裂纹断裂韧度 KIC需要修正 对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的 KI 为： = （ MPa*m1/2） 塑性区宽度为： =(m)= (mm) 比较 K1 与 KIc： 因为 K1=（ MPa*m1/2） KIc=115（ MPa*m1/2） 所以： K1KIc ，裂纹会失稳扩展 , 所以该件不安全。 轴 件 平行轴向工作应力 150MPa， 使用中发现横向疲劳脆性正断，断口分析表明有 25mm深度的表面半椭圆疲劳区， 根据裂纹 a/c 可以确定 φ =1，测试材料的 =720MPa ，试估算材料的断裂韧度 KIC为多少。 解： 因为 σ/=150/720=，所以裂纹断裂韧度 KIC 不 需要修正 对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的 KI 为： KIC=Yσcac1/2 对于 表面半椭圆裂纹， Y= ? /φ = ? 所以， KIC=Yσcac1/2= 310251 5 0 ????? =（ MPa*m1/2） 1316875017701 01090017701 22 .).(. .)/(. ????? ?????sIaK20 22 1 ????????? sIKR ??第五章 材料的疲劳 一、解释下列名词 腐蚀疲劳 ：材料或零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下造成的失效。 应力腐蚀 ：材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起 的破坏。 氢脆 ：就是材料在使用前内部已含有足够的氢并导致了脆性破坏。 二．意义 σ 1：疲劳强度。 对称循环应力作用下的弯曲疲劳极限（强度）。 （是在循环应力周次增加到一定临界值后，材料应力基本不再降低时的应力值；或是应力循环 107 周次材料不断裂所对应的应力值。 ） σ 1p：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。 三 、如何判断某一零件的破坏是由应力腐蚀引起的 ? 答案：应力腐蚀引起的破坏，常有以下特点： 造成应力腐蚀破坏的是静应力， 远低于材料的屈服强度，而且一舶是拉伸应力。 应力腐蚀造成的破坏，是腕性断裂，没有明显的塑性变形。 只有在特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成应力腐蚀。 应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在 109 一 106m/s，有点象疲劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂。 应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴。 应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物，而疲劳 断口的表面，如果是新鲜断口常常较光滑，有光泽。 应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。 但不要形成绝对化的概念，应力腐蚀裂纹并不总是分技的。 应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是晶间断裂。 如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。 四 、如何识别氢脆与应力腐蚀。 答案：氢脆和应力腐蚀相比，其特点表现在： 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，则为应力腐蚀；而当施加一小的阴极电。