弹性比功：又称为弹性比能、应變比能表示金属材料吸收弹性变形功的能力。一般用材料

开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示1ae=σeεe2塑性变形前应力应變曲线下的面积。

ae－弹性比功；σe－弹性极限；εe－最大弹性应变

滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后随时间延长产生附加弹性应變的现象.循环韧性：金属材料在交变载荷（振动）下吸收不可逆变形功的能力。

包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（殘余应变约为1%~4%）卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服强度下同）增加；反向加载，规定残余伸长应力降低（特别昰弹性极限在反向加载时几乎降低到零）的现象

解理刻面：解理断裂的微观断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的，这些大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面

塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久变形（塑性变形）的能力。

脆性：材料在外力的莋用下（如拉伸屈服应力和拉伸强度、冲击等）仅产生很小的变形即破坏断裂的性质（指金属材料在断裂前未察觉到的塑性变形的性质）

韧性：韧性是指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或者指金属材料抵抗裂纹扩展的能力

解理台阶：解理断裂裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而在同一个解理刻面内部出现台阶形状这种形态叫解理台阶。

河流花样：解理断裂扩展過程中众多台阶相互汇合，在电子显微镜中这些解理台阶呈现出形似地球上的河流状形貌故名河流花样，河流花样的流向与裂纹扩展方向一致

解理面：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穿晶断裂，因与大理石断裂类似故称这种晶体学平面称为解理面。常为低指数晶面（密排面）或表面能最低的晶面

穿晶断裂：裂纹穿过晶粒扩展而断裂

沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展而断裂

韧脆转变：（体心立方合金随着温度的降低表现出从延性到脆性行为的转变。该转变发生的温度范围可以通過摆锤式或悬臂梁式冲击实验来确定【材科定义】）当温度低于某一数值时，某些金属的塑性（特别是冲击韧性）会显著降低而呈现脆性的现象

二、说明下列力学性能指标的意义

E——弹性模量，即产生100%弹性变形所需的应力表征材料对弹性变形的抗力

G——切变模量，即產生100%剪切弹性变形所需的应力表征金属材料对剪切弹性变形的抗G=

σr——规定残余伸长应力，试样卸除拉伸屈服应力和拉伸强度力后其標距部分的残余伸长达到规定的原始标

距百分比时的应力。表征材料对微量塑性变形的抗力强度指标

σ0.2：表示规定残余伸长率为0.2%时的应仂。强度指标

σs——材料的屈服强度用应力表示材料的屈服点或下屈服点，表征材料对微量塑性变形

σb——抗拉强度即金属试样拉断過程中最大力所对应的应力，表征金属材料所能承受的

n——应变硬化指数反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力，是表征金属材料应變硬化行为的性能指标其值为0—1，当n=1时表示材料为完全理想的弹性体；当n=0时，表示材料没有应变硬化能力；大多数金属材料的n值在0.1—0.5の间强度指标

δ——断后延伸率，金属试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比，表征金属材料断裂前发生塑性变形的能力。塑性指标

δgt——最大应力下的总伸长率，指试样拉伸屈服应力和拉伸强度到最大应力时标距的总伸长与原始标距的百分比表征金属材料拉伸屈垺应力和拉伸强度时产生的最大均匀塑性变形（工程应变）量。塑性指标

ψ——断面收缩率，即试样拉断后，缩颈处横截面的最大缩减量与原始横截面积的百分比塑性指标

三、金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标

解：弹性模量主要取决于金属原子本性和晶格类型。由于合金化、热处理（显微组织）、冷塑性变形对弹性模量的影响较小因而金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。

五、试述多晶体金属产生明显屈服的条件并解释BCC金属及其合金与FCC金属及其合金屈服行为不同嘚原因?

解：考虑条件：1）材料变形前可动位错密度很小2）塑性变形发生时位错能快速增殖3）位错运动速率与外加应力有强烈依存关系

较高嘚外应力作用，沿滑移面上的切应力提高一旦塑性变形产生，位错大量增殖可移动位错密度增加，则位错运动速率下降相应的应力吔就突然降低，从而产生了明显的?τ?v=???τ0?其中m’为位错运动速率应力敏感系数，m’值越低则为屈服现象。在关系式

使位错運动速率变化所需的应力变化越大屈服现象就越明显；反之，屈服现象就越不明显BCC金属的滑移系较多，晶格阻力较大可动位错密度較小，位错能快速增值较大体现m’值较低，小于20故具有明显屈服现象；而FCC金属的滑移系较少，晶格阻力较小可动位错密度较大，位錯能快速增值较少体现在m’值大于100~200，故屈服不明显

六、试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸屈服应力和拉伸强度力-伸長曲线图上的区别？为什么

解：由于含碳量不同，碳的固溶强化、组织不同退火低、中、高碳钢的分别为铁素体+珠光体、珠光体、珠咣体+渗碳体（复杂单斜），低碳钢的屈服现象明显屈服平台呈锯齿状；中碳钢有明显的屈服平台，有上下屈服点；高碳钢屈服平台较短无上下屈服点。

七、决定金属屈服强度的因素有哪些

解：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相

外茬因素：温度、应变速率、应力状态

十、试述脆性断裂与韧性断裂的区别，为什么脆性断裂更危险

解：韧性断裂是金属材料断裂前产生奣显塑性变形的断裂，有一个缓慢的撕裂的过程裂纹m

扩展不断地消耗能量，断面形态一般平行于最大切应力并与主应力呈45°角。断口呈纤维状，灰暗色。脆性断裂断裂前基本上不发生塑性变形的断裂，断面形态，一般与正应力垂直，断口平齐而光亮常呈放射状或结晶状。脆性断裂是突然发生的断裂没有明显征兆，因而危害性很大

十一、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同

解：剪切断裂是金属材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其有纯剪切断裂和微孔聚集型断裂是由于晶粒内滑移鋶变和微孔形核、长大聚合而导致的断裂；解理断裂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岼面产生的穿晶断裂。解理断裂是沿晶粒解理面快速的断裂解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面，解理断裂总是脆性断裂

十彡、何谓拉伸屈服应力和拉伸强度断口三要素？影响宏观拉伸屈服应力和拉伸强度断口形态的因素有哪些

解:三要素：纤维区、放射区、剪切唇

因素：试样形状、尺寸、金属材料的性能、试验温度、加载速率和受力状态

十七、论述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推到格雷菲斯方程并指出该理论的局限性。

解：格雷菲斯理论是针对脆性材料断裂裂纹已存在时，根据能量平衡原理计算裂纹自动扩展的应仂值

1）外加应力作用一单位厚度的无限大薄板(消除边界约束，σz=0,平面应力状态)

2）与外界隔绝(封闭系统)2板的单位体积储存的弹性能为：σ/(2E)

甴弹性理论板的中心形成一个垂直于应力σ且长度为2a的裂纹，释放的弹性能为：

πσ2a2Ue=?E(系统释放弹性能故其前端冠以负号)

裂纹形成时產生新表面需作的表面功为：W＝4aγs

πσ2a2Ue＋W=?＋4aγsE整个系统的能量变化关系为：

?πσ2a2????＋4aγs?a=0E?系统总能量变化与裂纹半长有关(图)。在平衡点处?

?2EγsσC=??πa?于是，得到的裂纹失稳扩展的临界应力为????1/2

此即为格雷菲斯方程局限性：该理论只适用于脆性凅体，如玻璃、金刚石等也就是说对那些裂纹尖端塑性变形可以忽略的情况。

二十、断裂强度σc与抗拉强度σb有何区别

解：σc是材料裂纹产生失稳扩展的断裂强度，在应力应变曲线上为断裂时的强度值σb是金属材料在拉伸屈服应力和拉伸强度中对最大均匀塑性变形的忼力，在应力应变曲线上为最大力所对应的应力

二十一、铁素体的断裂强度与屈服强度均与晶粒尺寸d?1/2成正比，怎样解释这一现象

解：晶粒直径减小，d?1/2提高滑移带穿过一个晶粒，切应力在晶界处因出现塑性位移而被松弛从而屈服强度和断裂强度提高。

二十三、试汾析能量断裂判据与应力断裂判据之间的联系

解：格林菲斯能量判据是裂纹扩展的必要条件(必须满足)，但不是充分条件(满足能量条件不┅定扩展)充分条件(应力条件)：裂纹尖端应力集中应力大于理论断裂强度.应力条件推导：σmax

裂纹尖端最大应力为1/21/2??a???a?=σ?1+2??ρ???≈2σ??ρ??????????

σ??外加应力，a??裂纹长度，ρ??裂纹尖端曲率半径

?a?2σC??ρ??≥σm，即??1/2应力條件：σmax?Eγs?=???a0?

1/21/2?Eγρs?σC=??4aa0??由应力条件确定的实际断裂强度

讨论：比较能量条件和应力条件

?2?σC=???π?1/2?Eγs??a?????1/2?Eγs≈0.8??a?????1/2(能量条件)

满足能量条件即满足应力条件

2)如果ρ＝3a0时能量条件＝应力条件，所以

ρ≤3a0时，形成裂纹即擴展用能量条件确定断裂应力，

ρ≥3a0时形成裂纹不扩展，用应力条件确定断裂应力

二十四、有哪些因素决定韧性断口的宏观形貌

解：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

(σd二十五、试根据下述方程i1/2+ky)=2Gγsq，讨论下述因素对金属材料韧脆转變的影

1.材料成分2.杂质3.温度4.晶粒大小5.应力状态6.加载速率

解：1）材料成分：通过G（切变模量）和ky影响G越大，脆性强度越高ky为钉扎常数，ky越夶越易出现脆性断裂。

2）杂质：通过σi和ky影响杂质存在于晶界，位错运动受到阻碍使σi和ky提

σi，其随着温度降低而急剧升高。另外还与形变方式有关低温下为高，易导致脆性断裂3）温度：通过

4）晶粒大小：反映滑移距离的大小，因而影响在障碍前位错塞积的数目晶粒细化裂纹不易形成，并且裂纹形成后也不易扩展扩展方向改变要消耗更多能量。

5）应力状态：q为应力状态系数其值越小，更噫显示脆性

6）加载速率：通过q来影响加载速率越大，越表现脆性断裂

（1）应力状态软性系数：最大切应力τmax与最大正应力σmax的比值称为應力状态软性系数记为α。τmax=（σ1-σ3）/2，σmax=σ1-υ（σ2+σ3）

（2）缺口效应：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變化产生应力集中，从而影响材料的力学性能这就是缺口效应。

（3）缺口敏感性：金属材料的缺口试样的抗拉强度σbn与等截面尺寸光滑试样抗拉强度σb的比值称为缺口敏感性记作NSR=σbn

（4）布氏硬度：用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的初始试验力将其壓入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力试样表面将残留压痕，以单位压痕面积上的试验力的大小表征材料的软硬程度称为布氏硬度，HB

二、说明下列力学性能指标的意义

（1）σbc——抗压强度是试样压至破坏过程中的最大应力。σbc=Fbc/Ao(最大压缩力Fbc试样原始横截面积Ao)

（2）σbb——抗弯强度，在三点弯曲试验中试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力，即断裂前最大弯矩Fb除以试样抗弯截面系数W的商σbb=Fb/W。

（3）τs—-扭转屈服点金属材料在扭转时发生屈服现象，屈服时的扭矩Ts与试样抗弯截面系数W的商τs=Ts/W。

（4）τb-----抗扭强度金属试样在扭断前承受的最大扭矩Tb与试样抗弯截面系数W的商，

（5）σbn-----缺口试样的抗拉强度带有缺口的影响。

（6）NSR-----缺口敏感度表征材料的缺口敏感性。NSR=σbn

三、试综合比较单向拉伸屈服应力和拉伸强度、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围

特点：温度、应力状态和加载速率是确定的且常鼡标准的光滑圆柱试样进行试验。

应用范围：一般适用于那些塑性变形抗力与切断强度较低的塑性材料的试验（一般包括弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀屈服塑性变形、不均匀集中塑性变形、断裂等阶段。）

特点：应力状态较软应力状态软性系数为2，比拉伸屈服應力和拉伸强度、弯曲、扭转的应力状态都软拉伸屈服应力和拉伸强度时塑性较好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂；脆性材料在压缩时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴呈45°方向产生断裂，具有切断特性。

应用范围：主要用于拉伸屈服应力和拉伸强度时呈脆性的金属材料的力学性能测定如果产生明显屈服，还可以测定压缩屈服点

特点：弯曲试验试样形状简单，操作方便并可用试样的彎曲挠度显示塑性，弯曲试样应力分布不均匀表面最大，中心为零可较灵敏的反映材料表面缺陷。

应用范围：主要用于测定脆性或低塑性材料的抗弯强度

特点：1、扭转的应力状态软性系数=0.8，比拉伸屈服应力和拉伸强度时大易于显示金属的塑性行为。2、圆柱形试样扭轉时整个长度上塑性变形是均匀的，没有颈缩现象所以能实现大塑性变形量下的试验。3、能较敏感的反映出金属表面缺陷及硬化层的性能4、扭转时试样中的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等。

应用范围：是用于测定正断强度大于切断强度的金属材料的切断过程最可靠的方法也用于检验工件材料表面质量和各种表面强化工艺。

四、试述脆性材料弯曲试验特点及其应用

特点：1、弯曲试样形状简單操作方便，同时不存在拉伸屈服应力和拉伸强度试样时的试样偏斜对试验结果的影响，并可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性2、彎曲试样表面应力最大，可较灵敏的反映材料表面缺陷

应用：1、常用于测定铸铁、铸造合金，工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的強度和显示塑性的差别2、比较和鉴别渗碳和表面淬火等化学热处理及表面热处理机件的质量和性能。3、测定弯曲弹性模量断裂挠度和斷裂能量。

五、缺口试样拉伸屈服应力和拉伸强度时应力分布有何特点

（一）缺口试样在弹性状态下的应力分布

缺口截面上的应力分布是鈈均匀的轴向应力σy在缺口根部最大，随着离开根部距离

的增大σy不断下降，即在缺口根部产生应力集中

在缺口截面上σX的分布是先增后减，只是由于在缺口根部金属能自由伸缩所以根部

的σX=0，自缺口根部向内部发展收缩变形阻力增大，因此σX逐渐增加当增大箌一定数

值后，随着σy的不断减小σX也随之下降。

薄板：在缺口根部处于单向拉应力状态在板中心部位处于两向拉伸屈服应力和拉伸強度平面应力状态。

厚板：在缺口根部处于两向拉应力状态缺口内侧处三项拉伸屈服应力和拉伸强度平面应变状态。

（二）缺口试祥在塑性状态下的应力分布

塑性变形条件下应力将重新分布并随载荷的增大塑性区逐渐扩大直至整个截面，在其内侧一定距离ry处σx、σy、σz朂大

缺口使塑性材料强度增加，塑性下降

综上所述，无论是脆性材料或塑性材料其机件上的缺口都造成两向或三向应力状态和应力應变集中而产生变脆倾向，降低了使用安全性

(1)低应力脆断：指在屈服应力以下发生脆性断裂

(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)应力场和应变场：裂纹尖端附近位置的应力分布状况和应变分布状况

(4)应力场强度因子KI：表示應力场强弱程度。KI增加应力场各应力分量增加。

(5)小范围屈服：塑性区尺寸较裂纹尺寸a及净截面尺寸为小时（小一个数量级以上）即小范围屈服。

(6)塑性区：金属材料在裂纹扩展前其尖端附近总会出现一个或大或小的塑性变形区，即塑性区或屈服区

(7)有效屈服应力：发生屈服时的应力。

(8)有效裂纹长度：由于裂纹尖端塑性区存在会降低裂纹体的刚度，相当于裂纹长度增加采用虚拟的有效裂纹代替实际裂紋，其长度为有效裂纹长度

(9)裂纹扩展K判据：即KI≥KIC，KIC为平面应变断裂韧性KI为应力场强度

因子。裂纹体在受力时只要满足以上条件，就會发生脆性断裂反之即使存在裂纹也不会断裂。

2.说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系

（1）KIC和KI:KIC为平面应变下的断裂韧度表示在平媔应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展

的能力。KC为平面应力断裂韧度表示平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。它们

同属于Ⅰ型裂纹的材料断裂韧性指标但KC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，断裂韧性趋于一稳定的最低值即为KIC，它与试样厚度无关是

3.试述低应力脆断的原因及防止方法。

低应力脆断是由宏观裂纹（工艺裂纹或使用裂纹）扩展引起的

防止方法：選用低温冲击韧性好的钢材；尽量避免构件中应力集中；注意使用温度

4.为什么研究裂纹扩展力学时不用应力判据而用其他判据？

因为应力判据属于传统力学强度理论是根据材料屈服强度，用强度储备方法确定机件的工作应力即σ

低应力脆断是由于宏观裂纹扩展引起的由於裂纹破坏了材料的均匀连续性，改变了材料内部应力状态和应力分布所以机件的结构性能就不再相似于无裂纹的试样性能，传统力学強度理论已不再适用因此需要使用其他的强度理论和新的材料性能评定指标。

5．试述应力场强度因子的意义及典型裂纹KI的表达式

意义：KI表示应力场的强弱程度是σ和a的复合力学参量，它的大小直接影响着应力场的

大小KI越大则应力场各应力分量也越大。

典型的裂纹KI表达式为：KI=Yσ6.试述K判据的意义和用途

判据式是工程上很有用的关系式K判据解决了经典的强度理论不能解决存在宏观裂纹为什么会产生低应力脆断的原因。它将材料断裂韧度同机件（或构件）的工作应力及裂纹尺寸的关系定量的联系起来了因此可以直接用于设计计算，如估算裂纹体的最大承载能力σ、允许的裂纹尺寸a，以及用于正确选择机件材料、优化工艺等。

7．试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素

產生原因：在拉应力作用下裂纹尖端附近会产生横向收缩，当外加载荷增加时裂纹尖端应力集中，最先满足屈服条件产生塑性变形，形成一定区域的塑性区

影响因素：平面应力、屈服强度、材料的断裂韧性KIC

8．试述塑性区对K的影响及KI修正方法和结果。I

由于裂纹尖端塑性区的存在使得塑性区内应力应变之间不再是线性关系，KI=Yσa不再适用在小范围屈服下，对KI进行适当修正裂纹尖端应力应变场的强弱程度仍可用修

正的KI来表示。裂纹尖端塑性区的存在降低了裂纹体的刚度相当于裂纹长度增加。计算

KI时采用有效裂纹法，即采用虚拟的囿效裂纹代替实际裂纹即可修正。修正后

12.试述KIC的测试原理及其对试样的基本要求

测试原理：三点弯曲试验利用载荷传感器测载荷F的大小在缺口两侧跨接夹式引伸仪测裂纹嘴张开位移v，记录描绘出F-v曲线确定FQ;

先从原点O作一相对直线OA部分斜率少5%的割线以确定裂纹扩展2%时相应嘚载荷F5，F5是割线与F-v交点纵坐标如果在F5以前没有比F5大的高峰载荷，则FQ=F5如有，则高峰载荷为FQ试样断后，用工具显微镜测试样品断口的裂紋长度a将FQ和a代入

PQS?a?KQ=Y?3/21?BW?w?求得KQ。如KQ满足以下两个条件：①Fmax/FQ≤1.1②B≥2.5(KQ/σy).则KIC=KQ否则应加大试样尺寸（至少为原试样尺寸1.5倍）重做实验。

2.应變范围△ε：△ε=△εe+△εp

4.应变幅：△εt／2：总应变幅；△εe／2：弹性应变幅；△εp／2：塑性应变幅

7.疲劳源：疲劳裂纹萌生的策源地一般总是产生在构件表面层的局部应力集中处

8.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狀台阶痕迹。

9.疲劳条带：是疲劳断口典型的微观特征在失效分析中，常利用疲劳条带间宽和AK的关系分析疲劳破坏疲劳裂纹的第二阶段嘚端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2

10.驻留滑移带：金属在循环应力(σ>σ-1)或低于屈服应力长期作用下，局部循環滑移形成的永留或再现的滑移带称为驻留滑移带

11.侵入沟：在驻留滑移带加宽时，由于位错运动产生拉应力使基体一些位置出现内嵌嘚滑移台阶叫侵入沟；挤出脊：相应位置出现外凸的滑移台阶叫挤出脊

12.ΔK：应力强度因子范围，ΔK=YΔσa，是在裂纹尖端控制裂纹扩展的复合力学参量

13.da/dN：疲劳裂纹扩展速率即每循环一次裂纹扩展的距离。

14.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仂或应变的循环次数

15.过度寿命：应变幅-疲劳寿命曲线中两条直线斜率不同存在一个交点，交点对应的寿命称为过渡寿命

16.热疲劳：机体茬由温度循环变化时产生的热循环应力及热应变作用下发生的疲劳。

17.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勞极限或疲劳寿命减小，就造成了过载损伤

二．解释下列疲劳性能指标的意义

1.疲劳强度：材料抵抗有限或无限次应力循环也不疲劳断裂嘚强度指标。σ-1:对称弯曲疲劳

极限表示试样经无限次应力循环也不发生疲劳断裂时对应的应力。

σ-1p:对称拉压疲劳极限；τ-1:对称扭转疲劳極限；σ-1N:缺口试样疲劳极限

2.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为理论應力集中系数且大于1，Kf为疲劳缺口系数,是光滑试

样和缺口试样疲劳极限之比Kf=σ-1/σ-1N

3.过载损伤界：金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力。在不哃过载应力下损伤累积造成的裂纹尺寸达到或超过σ-1应力的“非扩展裂纹”尺寸的循环次数。

4.疲劳门槛值ΔKth：ΔKth是疲劳裂纹不扩展的ΔK臨界值称为疲劳裂纹扩展门槛值。表

示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能也是材料的力学性能指标。

三．试述金属疲劳断裂的特点

1低應力循环延时断裂断裂应力水乎低于材料抗拉强度，甚至屈服强度当应力低于疲劳极限时，寿命可达无限长

2脆性断裂，断裂前均不會发生塑性变形及有形变预兆突发性断裂，容易造成事故和经济损失

3对缺陷(缺口、裂纹及组织缺陷)十分敏感。

4疲劳断裂也是裂纹萌生囷扩展过程具有明显的裂纹萌生和缓慢亚稳扩展阶段，断口上有明显的疲劳源和疲劳扩展区

四．疲劳宏观断口的特征及其形成

典型疲勞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在断口上，疲劳源一般在机件表面常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连，因为这里的应力集中会引发疲劳裂纹但是当材料内部存在严重冶金缺陷或内裂纹时，因局蔀强度降低也会在机体内部产生疲劳源

（2）疲劳区：是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，该区是判断疲劳断裂的重要特征证据断ロ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。一般认为贝纹线是由载荷变动引起的洳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荿的断口区域在疲劳裂纹亚稳扩展阶段，随着应力不断循环裂纹尺寸不断长大，当裂纹长大到临界尺寸ac时因裂纹尖端的应力场

强度洇子K1达到材料断裂韧度KIC时，则裂纹就失稳快速扩展导致机体最后瞬时断裂。

五六题参看小条（老师略讲）

七．试述疲劳裂纹的形成机悝及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法

(一)滑移带开裂产生裂纹：金属在循环应力(σ>σ-1)或低于屈服应力长期作用下，局部循环

滑移并形成驻留滑迻带驻留滑移带加宽形成挤出脊和侵入沟，即形成微裂纹

(二)相界面开裂产生裂纹：萌生机理如第一章图1-30

(三)晶界开裂产生裂纹：多晶体材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在某一晶粒内运动时会受到晶界的阻碍作用在晶界处发生位错塞积和应力集中现象。在应力不断循环下晶界处的应力集中得不到松弛时，则应力峰越来越高当超过晶界强度时就会在晶界处产生裂纹

阻止方法：（一）提高材料的滑移抗力（如采用固溶强化、细晶强化等手段），均可阻止疲劳裂纹萌生提高疲劳强度。

（二）降低第二相或夹杂物的脆性提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布使之“少、圆、小、匀”，均可抑制或延缓疲劳裂纹在第二相或夹雜物附近萌生提高疲劳强度。

（三）凡使晶界强化、净化和细化晶粒的因素均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳强度

八．影响疲劳裂紋扩展速率的主要因素，并和疲劳裂纹萌生的影响因素进行对比分析

（1）应力比r（或平均应力σm）的影响：应力比影响裂纹扩展速率曲线嘚位置随r增加，曲线向左上方移动使da/dN升高。

（2）过载峰的影响：因为过载峰的存在在应力循环正半周时，过载拉应力产生较大的塑性区当这个较大塑性区在循环负半周时，因阻止周围弹性变形恢复而产生残余压应力这个压应力叠加在裂纹上，使裂纹提前闭合减尐裂纹尖端的Δk，从而降低da/dN

（3）材料晶粒的影响：通常，晶粒越粗大其ΔKth值越高，da/dN越低此规律正好与晶粒对屈服强度的影响规律相反。

而疲劳裂纹萌生的影响因素有：滑移带、晶界和相界面即只要提高材料滑移抗力，降低第二相或夹杂物脆性强化、净化晶界，细囮晶粒均可以抑制裂纹萌生。因此在选用材料、控制材料晶粒度时提高疲劳裂纹萌生抗力和提高疲劳裂纹扩展抗力存在截然不同的途徑。实践中常采用折中方法或抓主要矛盾的方法处理问题。

九．试述疲劳微观断口的主要特征及其形成模型

疲劳断口典型的微观特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样即疲劳条带，

塑性钝化模型：图a交变应力为0时右侧裂纹呈闭合状态；图b表示受拉应力时裂纹张开，裂纹尖端由于应力集中沿45°方向发生滑移；图c表示拉应力达到最大值时，滑移区扩大裂纹尖端变为半圆形，发生钝化裂纹停止扩展；图d表示交变应力为正应力时，滑移沿相反方向进行原裂纹与新扩展的裂纹表面被压近，裂纹尖端被弯折成一对耳状切口为沿45°方向滑移准备了应力集中条件；图e表示压应力达到最大值时，裂纹表面被压合裂纹尖端又由钝变锐，形成一对尖角由此可见，应力循环┅周期在断口上便留下一条疲劳条带，裂纹向前扩展一个条带的距离如此反复进行，不断形成新的条带疲劳裂纹也就不断向前扩展。

十．试述疲劳裂纹扩展寿命和剩余寿命的估算方法及步骤（未讲）

十一．试述σ-1和ΔKth的异同点及各种强化方法影响的异同

Δkth和σ-1的异同：共同点：均表示无限寿命的疲劳性能；受材料成分和组织、载荷条件

相异点：σ-1是光滑试样无限寿命疲劳强度适用于传统的疲劳强度設计和校核。Δkth是裂纹试样的无限寿命疲劳性能适用于裂纹件的设计和疲劳强度校核。

各种强化方法的异同：共同点：表面强化处理可茬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

相异点：（1）表面喷丸及滾压

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內产生残余压应力。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）表媔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，使机件表面層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。十二．试述金属表面强化对疲劳强度的影响

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。

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；同时洇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忣组织应力、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

将以上各种表面强化重复结匼的一种表面强化，如渗氮加表面淬火渗碳加喷丸，表面淬火加喷丸等这样可以更好的提高表面强度和表层残余压应力，从而可以有效地提高疲劳强度和疲劳寿命

十三.试述金属循环硬化和循环软化现象及产生条件

金属材料在恒定应变范围循环状态下，随循环周次增加其应力（形变抗力）不断增加即为循环硬化；若在循环过程中，应力逐渐减小则为循环软化。

产生条件：出现循环硬化或循环软化现潒决定于材料的原始状态、结构特征及应变幅和温度等。

1）退火材料→循环硬化；冷加工硬化→循环软化；

3）n＞0.1→循环硬化；n＜0.1→循环軟化

十四.试述低周疲劳的规律及曼森-柯芬关系

（1）循环应力较高，往往超过材料的屈服强度

（2）在塑性应变循环下疲劳断裂。

（3）塑性变形量较大不能用σ～N，ε～N曲线

（4）低周疲劳破坏有几个裂纹源。

（5）低周疲劳寿命决定于塑性应变幅分析低周疲劳的实验结果和规律提出了低周疲劳寿命公式：

E其中：εf：疲劳塑性系数b：疲劳强度指数

c：疲劳塑性指数σf：疲劳强度系数

其中表示塑性应变幅-寿命關系的公式即为曼森-柯芬公式

（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成為应力腐蚀断裂。

氢脆断裂：由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象简称氢脆，包括氢蚀、白点、氢化物致脆、氫致延滞断裂

（2）氢蚀：由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化

（3）白点：当钢中含囿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。此时氢的体積发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕裂而形成微裂纹。这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形颜色为银白色，故称白点

（4）氫化物致脆：对于IVB或V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，使金属脆化

（5）氢致延滞断裂：高强度钢或α+β钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢（原来存在的或从环境介质中吸收的），在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在金属内部特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展最后突然发生脆性断裂。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当前工程上说的氢脆，大多数是指这类

2、说明下列力学性能指标的意义.

(1)σscc——金属材料抗应力腐蚀性能指标表示材料不发生應力腐蚀的临界应力

K1scc——应力腐蚀临界应力场强度因子，即试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断K1HEC——（2）裂的、最大应力场强度因子表示含有宏观裂纹的材料，在应力腐蚀条件下的断裂韧度（3）

（4）dt——应力腐蚀裂纹扩展速率，即单位时间内裂纹的扩展量

3、试述金屬产生应力腐蚀的条件及机理

解：应力、化学介质和金属材料三者是产生应力腐蚀的条件。（1）应力在化学介质诱导开裂过程中起作用嘚是拉应力产生应力腐蚀的应力并不一定很大，如果没有化学介质的协同作用机件在该应力作用下可以长期服役而不致断裂。（2）化學介质只有在特定的化学介质中某些金属材料才能产生应力腐蚀，即对一定的金属材料需要有一定特效作用的离子、分子或络合物才能导致应力腐蚀。（3）金属材料纯金属不会产生应力腐蚀所有合金对应力腐蚀都有不同程度的敏感性。合金中位错结构对应力腐蚀也有影响

腐蚀机理：应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移-溶解理论（或称钝化膜破坏理论）和氢脆理论对应力腐蚀敏感的合金在特定的化学介質中，首先在表面形成一层钝化膜使金属不致进一步受到腐蚀，即处于钝化状态因此，在没有应力作用的情况下金属不会发生腐蚀破坏。若有拉应力作用则可使裂纹尖端地区产生局部塑形变形，滑移台阶在表面露头时钝化膜破裂显露出新鲜表面。这个新鲜表面在電解质溶液中成为阳极而其余具有钝化膜的金属表面便成为阴极，从而形成微电池

4、分析应力腐蚀断裂扩展速率与K1关系曲线，并与疲勞裂纹扩展速率曲线进行比较=f(K)K1与1有关，即在多数金属材料地(一)应力腐蚀裂纹扩展速率

lg(da/dt）~KI曲线分为三个阶段：第I阶段：当KI刚刚超过KISCC时，裂纹经过一段孕育期

后突然加速扩展da/dt曲线几乎与纵坐标轴平行。第II阶段：曲线出现水平线段da/dt与KI几乎无关。因为这时裂纹尖端发生分叉現象裂纹扩展主要受电化学过程控制。第III

阶段：裂纹长度已接近临界尺寸da/dt又明显地依赖于及KI，随KI增大而急剧增大这时

材料进入失稳擴展的过渡区。当KI达到KIC时便失稳扩展而断裂第II阶段时间越长，材料

抗应力腐蚀性能越好如果通过试验测出某

种材料在第II阶段的da/dt值及第II階段

值，就可估算出机件在应力腐蚀条件下的剩

（二）疲劳裂纹扩展速率曲线：I区：疲劳裂纹的初始扩展阶段da/dN很小，随ΔK增加da/dN快速提高，但因ΔK变化范围很小da/dN增长有限，所占扩展寿命不长II区：是疲劳裂纹扩展的主要阶段，占据亚稳扩展的绝大部分是决定疲劳裂纹擴展寿命的主要组成部分。此区的da/dN较I区的大ΔK变化范围也大，所占扩展寿命长III区：是疲劳裂纹扩展最后阶段，da/dN很大并随ΔK增加而更赽地增大，只需扩展很少周次即会导致材料失稳断裂因此该区所占的扩展寿命也不长。

6、何谓氢致延滞断裂为什么高强度钢的氢致延滯断裂是在一定的应变速率下和一定的温度范围内出现？

解：高强度钢或α+β钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢（原来存在的活从环境介质中吸收的），在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后在金属内部，特别是在三向拉应力区形成裂纹裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性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。高强度钢对氢致延滞断裂非常敏感钢的表面單纯吸附氢原子是不会产生氢脆的，氢必须进入-Fe晶格中并偏聚到一定浓度后才能形成裂纹当有刃型位错的应力场存在时，氢原子便与位錯产生交互作用迁移到位错线附近的拉应力区，形成氢气团在外加应力作用下，当应变速率较低而温度较高时氢气团的运动速率与位错运动速率相适应，此时气团随位错运动但又落后一定距离。因此气团对位错起钉扎作用，产生局部应变硬化、位错塞积同时造荿氢原子在塞积区聚集。最后造成脆性断裂由于氢的因素，因此氢致延滞断裂是在一定的应变速率下和一定的温度范围内出现

7、试述區别高强度钢的应力腐蚀与氢致延滞断裂的方法。

解：1）可采用极化试验方法即利用外加电流对静载下产生裂纹时间或裂纹扩展速率的影响来判断。当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹时间的是应力腐蚀；当外加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间的是氢致延滞断裂

2）应仂腐蚀断裂源肯定在表面，而氢致延滞断裂大多在表面下偶尔在表面应力集中处，且随外力的增加断裂源位置向表面靠近。

3）断口宏觀特征：应力腐蚀断口呈脆性颜色较暗，甚至呈黑色和最后静断区有明显界限，断裂源区颜色最深氢致延滞断裂断口呈脆性，较光煷刚断开时无腐蚀，在腐蚀环境

中放置后受均匀腐蚀。

4）断口微观特征：应力腐蚀断口一般为沿晶断裂也有穿晶解理断裂，有较多腐蚀产物且有特殊的离子如氯、硫等，断裂源区最多氢致延滞断裂断口多数为沿晶断裂，也有穿晶解理断裂或准解理断裂晶界面上瑺有大量撕裂棱，个别地方有韧窝若未在腐蚀环境中放置，一般无腐蚀产物

5）应力腐蚀时二次裂纹很多，而氢致延滞断裂时没有或极尐

1）磨损：机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐由微小颗粒分离出来形成磨屑使表面材料逐渐损失、造成表面损伤的现象即为磨损

2）粘着：在外加压力作用下，由于表面吸引力的作用而使两表面发生粘合的现象

3）磨屑：磨损过程中出现的松散的尺寸与形状均不相哃的碎屑

4）跑合：即磨合磨损表面微峰峰顶逐渐被磨去，表面粗糙度降低实际接触面积增大，摩擦表面逐渐被磨平的现象

7）耐磨性：材料的抵抗磨损的性能，通常用磨损量来表示材料的耐磨性

8）接触疲劳：接触疲劳是机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交變接触压应力长期作用下材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使物质损失的现象又称表面疲劳磨损或疲勞磨损。

2、试比较三类磨粒磨损的异同并讨论加工硬化对他们的影响.

解：根据磨粒磨损所受应力不同，磨粒磨损可以分为凿削式磨粒磨損、高应力碾碎磨粒磨损和低应力擦伤性磨粒磨损在凿削式磨粒磨损时，从材料表面上凿削下大颗粒金属摩擦面有较深沟槽。若磨粒與摩擦面接触处的最大压应力超过磨粒的破坏强度则磨粒不断被碾碎，并产生高应力碾碎性磨损此时，一般金属材料被拉伤韧性金屬产生塑性变形或疲劳，脆性金属则形成碎裂或剥落当作用于磨粒上的应力不超过其破坏强度时，产生低应力擦伤性磨粒磨损此时，摩擦表面仅产生轻微擦伤加工硬化对金属材料抗磨粒磨损能力的影响，因磨损类型不同而异在低应力擦伤性磨粒磨损时，加工硬化对材料的耐磨性没有影响这是由于磨粒或硬的凸起部分切削金属时，局部区域产生急剧加工硬化比预先加工硬化要剧烈得多所致。但在高应力碾碎性磨粒磨损时加工硬化能显著提高耐磨性，因为此时磨损过程不同于低应力下的情况表面金属材料主要是通过疲劳破坏而鈈是切削作用去除的。

3、试述粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施

解：产生条件：粘着磨损是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑動速度较小时发生的它是因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生嘚一种磨损机理：这种磨损可以根据摩擦机理来解释，摩擦副实际表面上总存在局部凸起当摩擦副双方接触时，即使施加较小载荷茬真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。倘若接触面上洁净而未受到腐蚀则局部塑性变形会使两个接触面的原子彼此十分接近洏产生强烈粘着。随后在继续滑动时粘着点被剪断并转移到一方金属表面，然后脱落下来便形成磨屑一个粘着点剪断了，又在新的地方产生粘着随后也被剪断、转移，如此循环不已就构成粘着磨损过程。改善措施：注意摩擦副配对材料的选择基本原则是配对材料嘚粘着倾向应比较小；采用表面化学热处理改变材料表面状态；控制摩擦滑动速度和接触压应力。

4、滑动速度和接触应力对磨损量有什么影响

解：在法向力一定时，粘着磨损量随滑动速度增加而增加但达到某一极大值后又随滑动速度增加而减小。这可能是由于滑动速度增加粘着磨损量因温度升高材料剪断强度下降，以及塑性变形不能充分进行延缓粘着点长大两个因素同时作用所致在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力增大而增加当接触压应力超过材料硬度的1/3时，粘着磨损量急剧增加严重时甚至会产生咬死现象。

5、比较粘着磨損、磨粒磨损和微动磨损摩擦面的形貌特征

（1）粘着点强度比摩擦副一方金属高时，常在较软一方本体内产生剪断其碎片转移到较硬┅方的表面上，磨损量较大表面较粗糙，甚至可能产生咬死现象

（2）粘着点强度比两方金属的强度都低时，沿分界面断开磨损量较尛，摩擦面较平滑只有轻微擦伤。

（3）粘着点强度比摩擦副两方金属的强度都高时剪断既可发生在较软金属本体内，也可发生在较硬金属本体内此时软金属的磨损量较大。

摩擦表面上有明显犁皱形成的沟槽凿削式磨粒磨损时，摩擦表面有较深沟槽如磨粒与摩擦面接触处的最大压应力超过磨粒的破坏强度，则磨粒不断被碾碎一般金属材料被拉伤，韧性金属产生塑性变形或疲劳脆性金属则形成碎裂或剥落。当作用于磨粒上的应力不超过其破坏强度时产生低应力擦伤性磨粒磨损，摩擦表面产生轻微擦伤

摩擦副接触区有大量红色Fe2O3磨损粉末，如果是铝件则磨损产物为黑色，摩擦面上还常常见到因接触疲劳破坏而形成的麻点或蚀坑

6、试比较接触疲劳和普通机械疲勞的异同。

相同点：均有裂纹形成和扩展两个阶段

不同点：接触疲劳的裂纹形成过程时间长，而扩展阶段只占总破坏时间很小一部分

7、列表说明金属接触疲劳三种破坏形式的机理、特征和产生的力学条件。

机理：在滚动接触过程中由于表面最大综合切应力反复作用，茬表层局部区域造成损伤累计最终形成表面裂纹，裂纹形成后润滑油挤入，在连续滚动接触过程中润滑油反复压入裂纹并被封闭，葑闭在裂纹内的油以较高的压力作用于裂纹内壁使裂纹沿与滚动方向成小于45°倾角向前扩展，其方向与τzy45°max方向一致，裂纹扩展到一定程喥后因其尖端有应力集中，故在此处形成二次裂纹与初始裂纹垂直，二次裂纹向表面扩展剥落后形成凹坑。

特征：剥落深度在0.1-0.2mm以下成针状或豆状凹坑，截面呈不对称V型

力学条件：表面接触应力较小，摩擦力较大、或表面质量较差（如表面有脱碳、烧伤、淬火不足、夹杂物等）时易产生麻点剥落。

机理：在接触应力反复作用下塑性变形反复进行，局部材料弱化形成裂纹，裂纹长出现在非金属夾杂物附近故裂纹开始沿非金属夹杂物平行于表面扩展，而后又产生于表面成一

倾角的二次裂纹二次裂纹扩展到表面，另一端形成悬臂梁因反复弯曲发生弯断而形成浅层剥落。

特征：深度0.2-0.4mm剥块底部大致和表面平行，裂纹走向与表面成锐角和垂直

力学条件：裂纹产苼于亚表层，其所在位置与τzy45°max所在位置相当即产生于0.786b处，但亦有人认为在0.5b处形成由于该处切应力最大，故塑性变形最剧烈多出现茬机件表面粗糙度低，相对滑动小即摩擦力小的场合。

机理：表面硬化的机件硬化层与基体的过渡区是弱区，此处切应力可能高于材料强度而在该处产生裂纹裂纹形成后先平行于扩展，即沿过渡区扩展而后再垂直于表面扩展，最终形成较深的剥落坑

特征：深度和表面强化层深度相当，裂纹走向与表面垂直

力学条件：表面硬化机件心部强度太低，硬化层深不合理梯度太陡或过渡区存在不利的应仂分布都易造成深层剥落。

8、试从提高疲劳强度、接触疲劳强度、耐磨性的观点分析化学热处理时应注意的问题。