工程材料力學性能第二版課后習題答案(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 樣尺寸有關。四、如何提高陶瓷材料的熱沖擊抗力? 答案：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。總之，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），=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/，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。，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，=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=所以，KIC=Yσcac1/2==（MPa*m1/2）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σ1：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。）σ1p：對稱拉壓疲勞極限。τ1：對稱扭轉疲勞極限。σ1N；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流，使開裂加速者則為氫脆。 在強度較低的材料中，或者雖為高強度材料但受力不大，