工程材料力學性能-第2版習題答案(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 會引起材料塑性和韌性變差，材料脆性提高。3．顯微組織：①晶粒大小，細化晶粒可以同時提高材料的強度和塑韌性。因為 晶界是裂紋擴展的阻力，晶粒細小，晶界總面積增加，晶界處塞積的位錯數減 少，有利于降低應力集中；同時晶界上雜質濃度減少，避免產生沿晶脆性斷裂。 ②金相組織：較低強度水平時強度相等而組織不同的鋼，沖擊吸收功和韌脆轉變溫度以馬氏體高溫回火最佳，貝氏體回火組織次之，片狀珠光體組織最差。鋼中夾雜物、碳化物等第二相質點對鋼的脆性有重要影響，當其尺寸增大時均使材料韌性下降，韌脆轉變溫度升高。五. 試述焊接船舶比鉚接船舶容易發生脆性破壞的原因。焊接容易在焊縫處形成粗大金相組織氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、錯邊、咬邊等缺陷，增加裂紋敏感度，增加材料的脆性，容易發生脆性斷裂。七. 試從宏觀上和微觀上解釋為什么有些材料有明顯的韌脆轉變溫度，而另外一些材料則沒有？宏觀上，體心立方中、低強度結構鋼隨溫度的降低沖擊功急劇下降，具有明顯的韌脆轉變溫度。而高強度結構鋼在很寬的溫度范圍內，沖擊功都很低，沒有明顯的韌脆轉變溫度。面心立方金屬及其合金一般沒有韌脆轉變現象。微觀上，體心立方金屬中位錯運動的阻力對溫度變化非常敏感，位錯運動阻力隨溫度下降而增加，在低溫下，該材料處于脆性狀態。而面心立方金屬因位錯寬度比較大，對溫度不敏感，故一般不顯示低溫脆性。體心立方金屬的低溫脆性還可能與遲屈服現象有關，對低碳鋼施加一高速到高于屈服強度時，材料并不立即產生屈服，而需要經過一段孕育期（稱為遲屈時間）才開始塑性變形，這種現象稱為遲屈服現象。由于材料在孕育期中只產生彈性變形，沒有塑性變形消耗能量，所以有利于裂紋擴展，往往表現為脆性破壞。第四章 金屬的斷裂韌度 名詞解釋低應力脆斷：高強度、超高強度鋼的機件 ，中低強度鋼的大型、重型機件在屈服應力以下發生的斷裂。張開型（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，沿裂紋面擴展的裂紋。應力場強度因子 ： 在裂紋尖端區域各點的應力分量除了決定于位置外，尚與強度因子有關，對于某一確定的點，其應力分量由確定， 越大，則應力場各點應力分量也越大，這樣就可以表示應力場的強弱程度，稱為應力場強度因子。 “I”表示I型裂紋。【P68】小范圍屈服： 塑性區的尺寸較裂紋尺寸及凈截面尺寸為小時（小一個數量級以上），這就稱為小范圍屈服。【P71】有效屈服應力：裂紋在發生屈服時的應力。【新書P73：舊P85】有效裂紋長度：因裂紋尖端應力的分布特性，裂尖前沿產生有塑性屈服區，屈服區內松弛的應力將疊加至屈服區之外，從而使屈服區之外的應力增加，其效果相當于因裂紋長度增加ry后對裂紋尖端應力場的影響，經修正后的裂紋長度即為有效裂紋長度: a+ry。【新P74；舊P86】。裂紋擴展K判據：裂紋在受力時只要滿足 ，即使存在裂紋，若 也不會斷裂。新P71：舊８３裂紋擴展能量釋放率GI：I型裂紋擴展單位面積時系統釋放勢能的數值。P76/P88裂紋擴展G判據： ，當ＧＩ滿足上述條件時裂紋失穩擴展斷裂。P77/P89Ｊ積分：有兩種定義或表達式：一是線積分：二是形變功率差。P89/P101裂紋擴展Ｊ判據： ，只要滿足上述條件，裂紋（或構件）就會斷裂。ＣＯＤ：裂紋張開位移。P91/P102ＣＯＤ判據：，當滿足上述條件時，裂紋開始擴展。P91/P103說明下列斷裂韌度指標的意義及其相互關系和 答： 臨界或失穩狀態的記作或，為平面應變下的斷裂韌度，表示在平面應變條件下材料抵抗裂紋失穩擴展的能力。為平面應力斷裂韌度，表示在平面應力條件下材料抵抗裂紋失穩擴展的能力。 它們都是型裂紋的材料裂紋韌性指標，但值與試樣厚度有關。當試樣厚度增加，使裂紋尖端達到平面應變狀態時，斷裂韌度趨于一穩定的最低值，即為，它與試樣厚度無關，而是真正的材料常數。P71/P82 答：P77/P89 當增加到某一臨界值時，能克服裂紋失穩擴展的阻力，則裂紋失穩擴展斷裂。將的臨界值記作，稱斷裂韌度，表示材料阻止裂紋失穩擴展時單位面積所消耗的能量，其單位與相同，MPamＪＩＣ：是材料的斷裂韌度，表示材料抵抗裂紋開始擴展的能力，其單位與GIC相同。P90/P102：是材料的斷裂韌度，Ｊ判據和判據一樣都是裂紋開始擴展的裂紋判據，而不是裂紋失穩擴展的裂紋判據。P91/P104試述低應力脆斷的原因及防止方法。答： 低應力脆斷的原因：在材料的生產、機件的加工和使用過程中產生不可避免的宏觀裂紋，從而使機件在低于屈服應力的情況發生斷裂。 預防措施：將斷裂判據用于機件的設計上，在給定裂紋尺寸的情況下，確定機件允許的最大工作應力，或者當機件的工作應力確定后，根據斷裂判據確定機件不發生脆性斷裂時所允許的最大裂紋尺寸。為什么研究裂紋擴展的力學條件時不用應力判據而用其它判據？答：由4—1可知，裂紋前端的應力是一個變化復雜的多向應力，如用它直接建立裂紋擴展的應力判據，顯得十分復雜和困難；而且當r→0時，不論外加平均應力如何小，裂紋尖端各應力分量均趨于無限大，構件就失去了承載能力，也就是說，只要構件一有裂紋就會破壞，這顯然與實際情況不符。這說明經典的強度理論單純用應力大小來判斷受載的裂紋體是否破壞是不正確的。因此無法用應力判據處理這一問題。因此只能用其它判據來解決這一問題。 試述應力場強度因子的意義及典型裂紋的表達式答：新書P69舊書P80參看書中圖（應力場強度因子的意義見上） 幾種裂紋的表達式，無限大板穿透裂紋：；有限寬板穿透裂紋：；有限寬板單邊直裂紋：當ba時，；受彎單邊裂紋梁：；無限大物體內部有橢圓片裂紋，遠處受均勻拉伸：；無限大物體表面有半橢圓裂紋，遠處均受拉伸：A點的。 試述K判據的意義及用途。答： K判據解決了經典的強度理論不能解決存在宏觀裂紋為什么會產生低應力脆斷的原因。K判據將材料斷裂韌度同機件的工作應力及裂紋尺寸的關系定量地聯系起來，可直接用于設計計算，估算裂紋體的最大承載能力、允許的裂紋最大尺寸，以及用于正確選擇機件材料、優化工藝等。P71/P83 試述裂紋尖端塑性區產生的原因及其影響因素。答：機件上由于存在裂紋，在裂紋尖端處產生應力集中，當σy趨于材料的屈服應力時，在裂紋尖端處便開始屈服產生塑性變形，從而形成塑性區。影響塑性區大小的因素有：裂紋在厚板中所處的位置，板中心處于平面應變狀態，塑性區較小；板表面處于平面應力狀態，塑性區較大。但是無論平面應力或平面應變，塑性區寬度總是與（KIC/σs)2成正比。試述塑性區對KI的影響及KI的修正方法和結果。由于裂紋尖端塑性區的存在將會降低裂紋體的剛度，相當于裂紋長度的增加，因而影響應力場和及KI的計算，所以要對KI進行修正。最簡單而適用的修正方法是在計算KI時采用“有效裂紋尺寸”，即以虛擬有效裂紋代替實際裂紋，然后用線彈性理論所得的公式進行計算。基本思路是：塑性區松弛彈性應力的作用于裂紋長度增加松弛彈性應力的作用是等同的，從而引入“有效長度”的概念，它實際包括裂紋長度和塑