材料性能学复习题(3)

晶格常数a0＝0.25nm，试计算其理论断裂强度？

^9^?9解：?m?E?s/a0?200?10?2/(0.125?10?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]

^6^?31K?1.12??a?1.12?0.7?2100?10???2.5?10?145.9MPa?m1/2 解：○I ?KI?KIC

?不安全

?KI?KIC ?不安全

^6^?32K???a?0.7?2100?10???2.5?10?130.3MPa?m1/2 ○I

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沿垂直拉应力方向解：金属材料的裂纹扩展分两个阶段○

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疲劳源是疲劳裂纹解：宏观断口有三个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。○

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

2疲劳裂纹扩展区断口较光滑亮，表面硬度有所提高，可以是一个也可以是多个。○

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

3瞬断区断口粗糙，脆性断口呈纹向前扩展而逐渐减弱，贝文线是最典型的特征。○

结晶状，韧性断裂在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时，最大需用循环应力为275MPa。

^5b. 某压力容器受到升压降压交变应力△σ＝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

应力幅/S由Paris公式

da?C(?KI)n得 dNKI???a ??KI????a N?解得

1C(???)3?62.5?10^?321?10^?3a?3/2da

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，2磨粒磨解：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。○

3腐蚀磨损，氧化磨损，磨损产物为氧化物如损，摩擦面上有擦伤或明显犁皱纹。○

4接触疲劳磨损，红褐色的三氧化二铁。○出现许多豆状、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

a. 列出至少四个提高金属蠕变性能的措施