的表面质量和各种表面强化训练工艺的效果。可以根据扭转断口宏观特征来判断承受扭矩而断裂的机件的性能。
9．缺口试样拉伸时应力分布有何特点？
答：当缺口试样拉伸，处于弹性状态下时，缺口截面上的应力分布是不均匀的，轴向应力?y在缺口根部最大。随着离开根部距离的增大，?y不断下降，即在缺口根部产生应力集中。并且在缺口根部内侧还出现了横向拉应力?x，它是由于材料横向收缩引起的，自缺口根部向内部发展，收缩变形阻力增大，因此?x逐渐增加。当增大到一定数值后，随着?y的不断减小，?x也随之下降。基试样处于塑性状态下时，在存在缺口的条件下会出现三向应力状态，并产生应力集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高，产生所谓“缺口强化”现象。 10．今有如下零件和材料等需测定硬度，试说明选用何种硬度实验方法为宜。 （1）渗碳层的硬度分布：用维氏硬度； （2）淬火钢：用洛氏硬度； （3）灰铸钢：用布氏硬度；
（4）鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体：用维氏硬度； （5）仪表小黄铜齿轮：用维氏硬度； （6）龙门刨床导轨：用肖氏硬度和里氏硬度； （7）渗氮层：用维氏硬度和努氏硬度； （8）高速钢刀具：用维氏硬度； （9）硬质合金：用洛氏硬度；
11．试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。
答：低温度脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加（对体心立方金属，是派拉力起主要作用所致（详细见第一章有关内容）。其影响因素有：晶体结构；化学成分；显微组织； 12．说明下列断裂韧度指标的意义及相互关系：
（1）K1C和KC：表征KI增大达到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂。
（2）G1C；表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。 （3）J1C；表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。 （4）δC：表示材料阻止裂纹开始扩展的能力。 13．有一大型板件，材料的ζ
0.2
=1200MPa，K1C.=115MPa.m，探伤发现有20mm长的横向穿透
1/2
裂纹，若在平均轴向拉应力900MPa下工作，试算KⅠ及塑性区的宽度R0，，并判断该件是否安
全？
解：由题意可知： ζ
0.2
=1200MPa，K1C.=115MPa.m，2a=20mm，??900MPa
1/2
由?/?0.2?900/1200?0.75，必须考虑塑性区修正问题。由于裂纹可以看成是无限大板穿透裂纹，故裂纹的形状系数Y=?。便得到KⅠ修正值：
K1?Y?a1?0.056Y2(?/?0.2)22?900???0.011?0.056??0.7522?167.92 MPa.m1/2
?K1??167.92?R0?0.056?2??0.056?2?????0.0022m?2.2mm
??s??1200?由于KⅠ﹥K1C，所以该件不安全。
14．有一轴件平均轴向工作应力150MPa，使用中发生横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c可以确定Ф＝1,测试材料的ζ材料的断裂韧度KⅠc是多少？
解：由题意可得： ζ
0.2
0.2
=720MPa,试估算
=720MPa，Ф＝1，ζ＝150MPa,a=25mm,那么有：
?/?0.2?150/720?0.21，不须考虑塑性区的修正问题。
k1?Y?a?1.1?1.1??a??150?0.025?81.96 MPa.m1/2
?11/2
由于轴件发生了断裂，则有K1﹥K1C,所以材料的断裂韧度KⅠc小于81.96 MPa.m. 15．有一构件制造时，出现表面半椭圆裂纹，若a=1mm，在工作应力σ＝1000 MPa下工作，应该选什么材料的ζ化列于下表。 ζ0.20.2
与KⅠc配合比较合适？构件材料经不同热处理后，其ζ
0.2
与KⅠc的变
1100 110 1200 95 1300 75 1400 60 1500 55 K1C. 解：由题意和表格可得：
a=1mm，σ＝1000 MPa，那么有：
对于第一种工艺：由于?/?0.2?1000/1100?0.91，必须考虑塑性区修正问题。由于裂纹可以看成半椭圆裂纹，设a/c＝0.6,查表可知φ＝1.28,故裂纹的形状系数Y=
1.1?。便?得到KⅠ修正值：
K1?1.1??a??0.212(?/?0.2)?k1c22根据此式，可求得断裂应力ζc的计算式为：
?c1?3.8a?0.212?k1c/?0.2?2?1.28?1103.8?0.001?0.212?110/1100?2?1828MPa
ζc1﹥ζ,此工艺满足要求。
同理：其它几种工艺可用同样方法分别求出ζc2,ζc3,ζc4,ζc5 对第二种工艺来说：
由于?/?0.2?1000/1200?0.83，必须考虑塑性区修正问题。由于裂纹可以看成半椭圆裂纹，设a/c＝0.6,查表可知φ＝1.28,故裂纹的形状系数Y=
1.1?。便得到KⅠ修正值： ?K1?1.1??a??0.212(?/?0.2)?k1c22根据此式，可求得断裂应力ζc的计算式为：
?c2?3.8a?0.212?k1c/?0.2?2?1.28?953.8?0.001?0.212?95/1200?2?1689MPa
ζc2﹥ζ,此工艺满足要求。 对于第三种工艺：
由于?/?0.2?1000/1300?0.77，必须考虑塑性区修正问题。由于裂纹可以看成半椭圆裂纹，设a/c＝0.6,查表可知φ＝1.28,故裂纹的形状系数Y=
1.1?。便得到KⅠ修正值： ?K1?1.1??a??0.212(?/?0.2)?k1c22根据此式，可求得断裂应力ζc的计算式为：
?c3?3.8a?0.212?k1c/?0.2?2?1.28?753.8?0.001?0.212?75/1300?2?1433MPa
ζc3﹥ζ,此工艺满足要求。 对于第四种工艺：
由于?/?0.2?1000/1400?0.714，必须考虑塑性区修正问题。由于裂纹可以看成半椭圆裂纹，设a/c＝0.6,查表可知φ＝1.28,故裂纹的形状系数Y=
1.1?。便得到KⅠ修正值： ?K1?1.1??a??0.212(?/?0.2)?k1c22根据此式，可求得断裂应力ζc的计算式为：
?c4?3.8a?0.212?k1c/?0.2?2?1.28?603.8?0.001?0.212?60/1400?2?1180MPa
ζc4﹥ζ,此工艺满足要求。 对于第五种工艺：
由于?/?0.2?1000/1500?0.67，不必考虑塑性区修正问题。由于裂纹可以看成半椭圆裂纹，设a/c＝0.6,查表可知φ＝1.28,故裂纹的形状系数Y=的计算式为：
1.1?。便得到断裂应力ζc??c5??k1c1.1??a?1.28?551.1???0.001?1135MPa
ζc5﹥ζ,此工艺满足要求。 16．解释下列疲劳性能指标的意义 （1）疲劳强度ζ-1，ζ
-1p
, τ-1,ζ-1p；
ζ-1：表征对称弯曲疲劳极限； ζ
-1p
：表征对称拉压疲劳极限；
τ-1： 表征对称扭转疲劳极限； ζ-1N；表征缺口试样的疲劳极限；
（2）疲劳疲劳缺口敏感度qf：表征金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性；
（3）过载损伤界：材料在过载应力下工作一定周次后，会造成过载疲劳损伤，而低于某一周次的预先过载对其后进行的疲劳寿命没有影响，该最低循环周次的轨迹叫过载损伤界。 （4）疲劳门槛值△Kth：疲劳裂纹不扩展的△K临界值。 17．试述金属疲劳断裂的特点 答：
? 疲劳断裂是低应力循环延时断裂； ? 疲劳断裂是脆性断裂； ? 疲劳断裂对缺陷十分敏感；
18．试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程。
答：从疲劳的宏观断口的来看，有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区及瞬断区。
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。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证据。瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。
19．试述疲劳曲线（S-N）及疲劳极限的测试方法。
答：疲劳曲线（S-N）通常是用旋转弯曲疲劳试验测定的，用四点弯曲试验机，这种试验机结构简单，操作方面，能够实现对称循环和恒应力幅的要求，因此比较广泛。试验时，用升降法测定条件疲劳极限，用成组试验测定高应力部分，然后将上述两试验数据整理，并拟合成疲劳曲线，再测得疲劳极限。 20．试述疲劳图的意义、建立及用途。
答：疲劳图是各种循环疲劳极限的集合图，也是疲劳曲线的另一种表达形式。根据平均应力对疲劳极限ζr的影响规律建立疲劳图。建立好疲劳图后，只要我们知道应力比r之后，可以根据疲劳图，得到相应的疲劳极限。
21．试述疲劳裂纹的形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法。
答:宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成的。疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要有表面滑移开裂，第二相、夹夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界开裂等。阻止疲劳裂纹萌生方法有：细晶强化、固溶强化，降低第二相和夹杂物的脆性，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，使晶界强化，净化均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳强度。
22．试述影响疲劳裂纹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。 答：影响疲劳裂纹扩展速率的因素有：应力比r（或平均应力ζm）、过载峰、材料的组织；而影响疲劳裂纹萌生因素有：表面滑移开裂，第二相、夹夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界开裂等。从两者来看，疲劳裂纹的产生的主要影响因素是由于材料内部缺陷所引起的，而与外载几乎没有关系。
23．试述疲劳微观断口的主要特征及其形成模型。
答：疲劳微观断口的主要特征是具有疲劳条带；疲劳条带形成的原因中，比较公认是塑性钝化模型，也称为Laird疲劳裂纹扩展模型，在交变应力为零时裂纹闭合，这是在开始一循环周次时的原始状态。当拉应力增加，裂纹张开，在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移。随着拉应力继续增加到最大值时裂纹张开至最大，塑性变形的范围也随之扩大，即表示裂纹尖端的塑性变形范围。由于塑性变形的结果．裂纹尖端的应力集中减小，裂纹尖端钝化：理