工程材料力學性能課后答案(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 案：在工程應用中，陶瓷構件的失效分析是十分重要的，如果材料的失效，主要是熱震斷裂，例如對高強、微密的精細陶寵，則裂紋的萌生起主導作用，為了防止熱震失效提高熱震斷裂抗力，應當致力于提高材料的強度，并降低它的彈性模量和膨脹系數。若導致熱震失效的主要因素是熱震損壞，這時裂紋的擴展起主要作用，這時應當設法提高它的斷裂韌性，降低它的強度。 什么是低溫脆性、韌脆轉變溫度 tk？產生低溫脆性的原因是什么？體心立方和面心立方金屬的低溫脆性有和差異？為什么？ 答： 在試驗溫度低于某一溫度 tk 時，會由韌性狀態轉變未脆性狀態，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型轉變微穿晶斷裂，斷口特征由纖維狀轉變為結晶狀，這就是低溫脆性。 tk 稱為韌脆轉變溫度。 低溫脆性的原因： 低溫脆性是材料屈服強度隨溫度降低而急劇增加，而解理斷裂強度隨溫度變化很小的結果。 如圖所示： 當溫度高于韌脆轉變溫度時，斷裂強度大于屈服強度，材料先屈服再斷裂（表現為塑韌性）；當溫度低于韌脆 轉變溫度時，斷裂強度 小于 屈服強度，材料 無 屈服 直接 斷裂（表現為 脆 性）。 心立方和面心立方金屬低溫脆性的差異： 體心立方金屬的低溫脆性 比面心立方金屬的低溫脆性 顯著 。 原因： 這 是因為派拉力對其屈服強度的影響占有很大比重，而派拉力是短程力，對溫度很敏感，溫度降低時，派拉力大幅增加，則其強度急劇增加而變脆。 6. 拉伸 沖擊彎曲 缺口試樣拉伸 第四章 金屬的斷裂韌度 一、解釋下列名詞 （ 1） 低應力脆斷 ：在屈服應力以下發生的斷裂。 （ 2） 張開型裂紋 ：拉應力垂直作用于裂紋擴展面，裂 紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴展。 （ 3） 應力強度因子 ：表示應力場的強弱程度。 （ 4） 小范圍屈服 ：塑性尺寸較裂紋尺寸及凈截面尺寸為小，小一個數量級以上的屈服。 （ 5） 有效屈服應力 ：發生屈服時的應力 （ 6） 有效裂紋長度 ：將原有的裂紋長度與松弛后的塑性區相合并得到的裂紋長度 （ 7） 裂紋擴展能量釋放率 ：裂紋擴展單位面積時系統釋放勢能的數值。 （ 8） J 積分 ：裂紋尖端區的應變能，即應力應變集中程度 （ 9） COD：裂紋尖端沿應力方向張開所得到的位移。 二、疲勞斷口 有什么特點 ? 答案：有疲勞源。在形成疲勞裂紋之后，裂紋慢速擴展，形成貝殼狀或海灘狀條紋。這種條紋開始時比較密集，以后間距逐漸增大。由于載荷的間斷或載荷大小的改變，裂紋經過多次張開閉合并由于裂紋表面的相互摩擦，形成一條條光亮的弧線，叫做疲勞裂紋前沿線，這個區域通常稱為疲勞裂紋擴展區，而最后斷裂區則和靜載下帶尖銳缺口試樣的斷口相似。對于塑性材料，斷口為纖維狀，對于脆性材料，則為結晶狀斷口?？傊?，一個典型的疲勞斷口總是由疲勞源，疲勞裂紋擴展區和最終斷裂區三部份構成。 三、什么是疲勞裂紋門檻值，哪些因素影響 其值的大小 ? 答案：把裂紋擴展的每一微小過程看成是裂紋體小區域的斷裂過程，則設想應力強度因子幅度△ K=KmaxKmin 是疲勞裂紋擴展的控制因子，當△ K小于某臨界值△ Kth 時，疲勞裂紋不擴展，所以△ Kth 叫疲勞裂紋擴展的門檻值。 應力比、顯微組織、環境及試樣的尺寸等因素對△ Kth 的影響很大。 KI 稱為 I 型裂紋的應力場強度因子，它是衡量裂紋頂端應力場強烈程度的函數，決定于應力水平、裂紋尺寸和形狀。 塑性區尺寸較裂紋尺寸 a 及靜截面尺寸為小時（小一個數量級以上），即在所謂的小范圍屈服 裂紋的應力場強度因子與其斷裂韌度相比較，若 裂紋要失穩擴展脆斷，則應有： 這就是斷裂 K 判據 。 應力強度因子 K1 是描寫裂紋尖端應力場強弱程度的復合力學參量，可將它看作推動裂紋擴展的動力。對于受載的裂紋體，當 K1 增大到某一臨界值時，裂紋尖端足夠大的范圍內應力達到了材料的斷裂強度，裂紋便失穩擴展而導致斷裂。這一臨界值便稱為斷裂韌度 Kc 或 K1c。 意義： KC平面應力斷裂韌度（薄板受力狀態） KIC平面應變斷裂韌度（厚板受力狀態） ICI KK ?，材料的 =1200MPa， KIc=115MPa*m1/2，探傷發現有20mm長的橫向穿透裂紋，若在平均軸向拉應力 900MPa 下工作 ，試計算 KI及塑性區寬度 R0，并判斷該件是否安全？ 解：由題意知穿透裂紋受到的應力為σ =900MPa 根據 σ/ 的值，確定裂紋斷裂韌度 KIC是否休要修正 因為 σ/=900/1200=，所以裂紋斷裂韌度 KIC需要修正 對于無限板的中心穿透裂紋，修正后的 KI 為： = （ MPa*m1/2） 塑性區寬度為： =(m)= (mm) 比較 K1 與 KIc： 因為 K1=（ MPa*m1/2） KIc=115（ MPa*m1/2） 所以： K1KIc ，裂紋會失穩擴展 , 所以該件不安全。 軸 件 平行軸向工作應力 150MPa， 使用中發現橫向疲勞脆性正斷，斷口分析表明有 25mm深度的表面半橢圓疲勞區， 根據裂紋 a/c 可以確定 φ =1，測試材料的 =720MPa ，試估算材料的斷裂韌度 KIC為多少？ 解： 因為 σ/=150/720=，所以裂紋斷裂韌度 KIC 不 需要修正 對于無限板的中心穿透裂紋，修正后的 KI 為： KIC=Yσcac1/2 對于 表面半橢圓裂紋， Y= ? /φ = ? 所以， KIC=Yσcac1/2= 310251 5 0 ????? =（ MPa*m1/2） 1316875017701 01090017701 22 .).(. .)/(. ????? ?????sIaK20 22 1 ????????? sIKR ??第五章 材料的疲勞 一、解釋下列名詞 腐蝕疲勞 ：材料或零件在交變應力和腐蝕介質的共同作用下造成的失效。 應力腐蝕 ：材料或零件在應力和腐蝕環境的共同作用下引起 的破壞。 氫脆 ：就是材料在使用前內部已含有足夠的氫并導致了脆性破壞。 二．意義 σ 1：疲勞強度。對稱循環應力作用下的彎曲疲勞極限（強度）。（是在循環應力周次增加到一定臨界值后，材料應力基本不再降低時的應力值；或是應力循環 107 周次材料不斷裂所對應的應力值。） σ 1p：對稱拉壓疲勞極限。 τ 1：對稱扭轉疲勞極限。 σ 1N；缺口試樣在對稱應力循環作用下的疲勞極限。 三 、如何判斷某一零件的破壞是由應力腐蝕引起的 ? 答案：應力腐蝕引起的破壞，常有以下特點： 造成應力腐蝕破壞的是靜應力， 遠低于材料的屈服強度，而且一舶是拉伸應力。 應力腐蝕造成的破壞，是腕性斷裂，沒有明顯的塑性變形。 只有在特定的合金成分與特定的介質相組合時才會造成應力腐蝕。 應力腐蝕的裂紋擴展速率一般在 109 一 106m/s，有點象疲勞，是漸進緩慢的，這種亞臨界的擴展狀況一直達到某一臨界尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時，就突然發生斷裂。 應力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直于拉力軸。 應力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產物，而疲勞 斷口的表面，如果是新鮮斷口常常較光滑，有光澤。 應力腐蝕的主裂紋擴展時常有分枝。但不要形成絕對化的概念，應力腐蝕裂紋并不總是分技的。 應力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是晶間斷裂。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準解理的，其裂紋有似人字形或羽毛狀的標記。 四 、如何識別氫脆與應力腐蝕？ 答案：氫脆和應力腐蝕相比，其特點表現在： 實驗室中識別氫脆與應力腐蝕的一種辦法是，當施加一小的陽極電流，如使開裂加速，則為應力腐蝕；而當施加一小的陰極電