第四章 断裂韧性
1、名词解释：
应力场强度因子 断裂韧度 低应力脆断 解：
应力场强度因子：反映裂纹尖端应力场强度的参量。
断裂韧度：当应力场强度因子增大到一临界值，带裂纹的材料发生断裂，
该临界值称为断裂韧性。
低应力脆断：在材料存在宏观裂纹时，在应力水平不高，甚至低于屈服极
限时材料发生脆性断裂的现象。
2、简答
a. 格里菲斯公式计算的断裂强度和理论断裂强度差异？奥罗万修正计算适用范围？
解：理论强度?m?E?s/a0 格里菲斯断裂强度?g?2E?s/?a ??g/?m?2E?s/?a/E?s/a0?a0/a 奥罗万修正计算适用平面应力状态和平面应变状态。 b. Kl和KlC的异同？
解：KI是力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也和裂纹的
形状类型，以及加载方式有关，但它和材料本身的固有性能无关。而断裂韧性KIC则是反映材料阻止裂纹扩展的能力，因此是材料本身的特性。
c. 断裂韧性的影响因素有哪些？如何提高材料的断裂韧性？
1外因，材料的厚度不同，厚度增大断裂韧性增大，当厚度增大到一定程解：○
度后断裂韧性稳定。温度下降断裂韧性下降，应变速率上升，断裂韧性
2内因。金属材料，能细化晶粒的元素提高断裂韧性；形成金属下降。○
化合物和析出第二相降低断裂韧性。晶粒尺寸和相结构，面心立方断裂韧性高，奥氏体大于铁素体和马氏体钢。细化晶粒，断裂韧性提高。夹杂和第二相，脆性夹杂和第二相降低断裂韧性，韧性第二相提高断裂韧性。
1亚温淬火○2超高温淬火○3形变热处理等方法提高材料的断裂韧性可以通过○
实现。
3、计算：
a. 有一材料，模量E＝200GPa, 单位面积的表面能γS＝8 J/m2, 试计算在70MPa的拉应力作用下，该裂纹的临界裂纹长度？若该材料裂纹尖端的变形塑性功γP＝400 J/m2，该裂纹的临界裂纹长度又为多少？[利用格里菲斯公式和奥罗万修正公式计算]
解：由格里菲斯公式得
ac?2a?2E?s/?2?2?200?10^9?8?(702?10^12)?0.653mm
由奥罗万修正公式得
ac?2a?2E(?s??P)/??2?2?2?200?10^9?(8?400)?(702?10^12??)?0.0212m
b. 已知α-Fe的(100)晶面是解理面，其表面能是2 J/m2，杨氏模量E＝200 GPa，晶格常数a0＝0.25nm，试计算其理论断裂强度？
解：?m?E?s/a0?200?10^9?2/(0.125?10^?9?56.57GPa c. 马氏体时效钢的屈服强度是2100MPa，断裂韧度66MPa·m1/2，用这种材料制造飞机起落架，最大设计应力为屈服强度的70％，若可检测到的裂纹长度为2.5mm，试计算其应力强度因子，判断材料的使用安全性。[提示：假设存在的是小的边缘裂纹，采用有限宽板单边直裂纹模型，2b>>a; 若存在的是穿透裂纹，则应用无限大板穿透裂纹模型计算]
1KI?1.12??a?1.12?0.7?2100?10^6???2.5?10^?3?145.9MPa?m1/2 解：○
?KI?KIC ?不安全
2KI???a?0.7?2100?10^6???2.5?10^?3?130.3MPa?m1/2 ○ ?KI?KIC ?不安全
第五章 疲劳性能 1、名词解释：
循环应力 贝纹线 疲劳条带 疲劳强度 过载持久值 热疲劳 解：
循环应力：周期性变化的应力。
贝文线：疲劳裂纹扩展区留下的海滩状条纹。
疲劳条带：略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直，疲
劳断裂时留下的微观痕迹。
疲劳强度：指定疲劳寿命下，材料能够承受的上限循环应力。
过载持久值：材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳断裂的应
力循环周次。
热疲劳：机件在由温度循环变化产生的循环热应力及热应变作用下，发生
的疲劳。
2、简答
a. 比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料疲劳断裂的特点？
1沿切应力最大方向向内扩展○2沿垂直拉解：金属材料的裂纹扩展分两个阶段○
应力方向向前扩展。疲劳断口一般由疲劳源、疲劳区、瞬断区组成。有
贝文线（宏观）和疲劳条带（微观）。
陶瓷材料裂纹尖端不存在循环应力的疲劳效应，裂纹同样经历萌生、扩展和瞬断过程。对材料的表面缺陷十分敏感，强烈依赖于KI、环境、成分、组织结构，不易观察到疲劳贝文线和条带，没有明显的疲劳区和瞬断区。 高分子材料在高循环应力作用下出现银纹，银纹转变为裂纹并扩展，导致疲劳破坏。低应力条件下，疲劳应变软化。分子链间剪切滑移产生微孔洞，随后产生宏观裂纹。循环应力作用下温度升高，产生热疲劳失效。 复合材料有多种损伤形式，如界面脱落、分层、纤维断裂等，不会发生瞬
时的疲劳破坏，较大应变会使纤维基体变形不协调引起开裂，形成疲劳源。疲劳性能和纤维取向有关。
b. 疲劳断口宏观断口和微观断口分别有什么特征？
1疲劳源是解：宏观断口有三个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。○
疲劳裂纹萌生的策源地，多在机件表面常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶
金缺陷有关，比较光亮，表面硬度有所提高，可以是一个也可以是多个。2疲劳裂纹扩展区断口较光滑并分布有贝文线，○有时还有裂纹扩展台阶，断口光滑是疲劳源区的连续，程度随裂纹向前扩展而逐渐减弱，贝文线
3瞬断区断口粗糙，脆性断口呈结晶状，韧性断裂在是最典型的特征。○
心部平面应变区呈放射状或人字纹，边缘应力区有剪切唇存在。一般在疲劳源对侧。
c. 列出至少四条提高金属疲劳性能的措施
1喷丸处理○2表面热处理○3复合强化○4次载锻炼 解：○
3、计算：
a. 某材料的应力幅和失效循环周次如下：
应力幅(MPa) 500 400 350 275 250 225 失效循环周次(104) 1 7 10 100 ＞1000 ＞1000 试绘制S－N曲线，并确定疲劳极限；如设计要求最少疲劳寿命105次，则许用的最大循环应力是多少？ 解：
S—N曲线55050045040035030025020001020304050607080901000000000000循环周次/N×10^-4
由图知，疲劳极限=250MPa
设计寿命最少10^5时，最大需用循环应力为275MPa。
b. 某压力容器受到升压降压交变应力△ζ＝120MPa作用，计算得知该容器允许的临界裂纹长度2ac＝125mm，检查发现该容器有一长度2a＝42mm的周向穿透裂纹，假设疲劳裂纹扩展符合Paris公式，假设疲劳扩展系数C＝2×10－10，n＝3，试计算该容器的疲劳寿命和循环10万次后的疲劳裂纹长度是多少？ 解：设裂纹为无线大板穿透裂纹，则
KI???a ??KI????a da?C(?KI)n得 由Paris公式
dNN?1C(???)3 应力幅/S?62.5?10^?321?10^?3a?3/2da
解得
N=3016
当N=10万次时
2a=
第六章 磨损性能 1、名词解释： 磨损 接触疲劳 解：
磨损：物体表面相互摩擦时，材料自表面逐渐减少时的过程。
接触疲劳：两材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使
得材料表面疲劳磨损，局部区域出现小片或者小块材料剥落而产生的疲劳。
2、简答
a. 简述常见的磨损类型和特点？如何提高材料的耐磨粒磨损抗力？
1粘着磨损，解：常见的磨损类型和特点有○特点是机件表面有大小不等的结疤。
2磨粒磨损，摩擦面上有擦伤或明显犁皱纹。○3腐蚀磨损，氧化磨损，○
4接触疲劳磨损，出现许多磨损产物为氧化物如红褐色的三氧化二铁。○豆状、贝壳状或不规则形状的凹坑。
提高磨粒磨损的抗力可以选用高硬度韧性好的材料或使用表面硬化的材
料。
b. 试从提高材料疲劳强度、接触疲劳、耐磨性观点出发，分析化学热处理时应注意的事项。 解：化学热处理过程中采用球化退火处理和高温回火，减小碳化物粒度并使之分布均匀。采取适当的去应力退火工艺使材料在一定范围内保持残余应力，提高疲劳强度和耐磨性。
c.述非金属材料陶瓷、高分子材料的磨损特点？
解：陶瓷材料对表面状态极为敏感，当气氛压力下降时，磨损率加大。高分子材料硬度虽然较低，但具有较大柔顺性，在不少场合下显示较高的抗划伤能力。对磨粒磨损具有良好的适应性、就范性和埋嵌性。
第七章 高温性能 1、名词解释：
蠕变 蠕变极限 持久强度 应力松弛 解：
蠕变:金属在恒温、恒载荷下缓慢产生塑性变形的现象。
蠕变极限：金属材料在高温长期载荷作用下对塑性变形抗力指标。
持久强度：在规定温度下，达到规定实验时间而不发生断裂的应力值。 应力松弛：在规定温度和初始应力条件下，金属材料中的应力随时间增加
而减少的现象。
2、简答