（6）龙门刨床导轨-----HS（肖氏硬度）或HL(里氏硬度) （7）渗氮层-----HV

（8）高速钢刀具-----HRC （9）退火态低碳钢-----HB （10）硬质合金----- HRA

七、在评定材料的缺口敏感性时，什么情况下宜选用缺口静拉伸试验?什么情况下宜选用缺口偏斜拉伸?什么情况下则选用缺口静弯试验? 答案：缺口静拉伸试验主要用于比较淬火低中温回火的各种高强度钢，各种高强度钢在屈服强度小于1200MPa时，其缺口强度均随着材料屈服强度的提高而升高；但在屈服强度超过1200MPa以上时，则表现出不同的特性，有的开始降低，有的还呈上升趋势。 缺口偏斜拉伸试验就是在更苛刻的应力状态和试验条件下，来检验与对比不同材料或不同工艺所表现出的性能差异。

缺口试样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。

第三章 金属在冲击载荷下的力学性能

一、 名词解释

1.冲击韧性:材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。【P57】

2.冲击吸收功: 缺口试样冲击弯曲试验中，摆锤冲断试样失去的位能为mgH1-mgH2。此即为试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功，以AK表示，单位为J。P57/P67

3.低温脆性： 体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。

4.韧性温度储备:材料使用温度和韧脆转变温度的差值，保证材料的低温服役行为。 二、

说明下面力学性能指标的意义

（1）Ak：冲击吸收功。含义见上面。冲击吸收功不能真正代表材料的韧脆程度，但由于它们对材料内部组织变化十分敏感，而且冲击弯曲试验方法简便易行，被广泛采用。 AKV：V型缺口试样冲击吸收功. AKU：U型缺口冲击吸收功.

（2）FATT50：冲击试样断口分为纤维区、放射区（结晶区）与剪切唇三部分，在不同试验温度下，三个区之间的相对面积不同。温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大，材料由韧变脆。通常取结晶区面积占整个断口面积50%时的温度为tk，并记为50úTT，或FATT50%，t50。（新书P61，旧书P71）

或:结晶区占整个断口面积50%时的温度定义的韧脆转变温度.

（3）NDT:以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度,称为无塑性或零塑性转变温度。 （4）FTE: 以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义tk，记为FTE （5）FTP: 以高阶能对应的温度为tk，记为FTP 三、试说明低温脆性的物理本质及其影响因素

低温脆性的物理本质：宏观上对于那些有低温脆性现象的材料，它们的屈服强度会随

温度的降低急剧增加，而断裂强度随温度的降低而变化不大。当温度降低到某一温度时，屈服强度增大到高于断裂强度时，在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大，因此材料在受力时还未发生屈服便断裂了，材料显示脆性。

从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关，当温度降低时，位错运动阻力增大，原子热激活能力下降，因此材料屈服强度增加。 影响材料低温脆性的因素有（P63，P73）：

1．晶体结构：对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高，材料脆性断裂趋势明显，塑性差。

2．化学成分：能够使材料硬度，强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差，脆性提高。

3．显微组织：①晶粒大小，细化晶粒可以同时提高材料的强度和塑韧性。因为

晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒细小，晶界总面积增加，晶界处塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；同时晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。②金相组织：较低强度水平时强度相等而组织不同的钢，冲击吸收功和韧脆转变温度以马氏体高温回火最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，当其尺寸增大时均使材料韧性下降，韧脆转变温度升高。

四、什么是低温脆性、韧脆转变温度tk？产生低温脆性的原因是什么？体心立方和面心立方金属的低温脆性有何差异？为什么？

答：在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态转变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状，这就是低温脆性。 tk称为韧脆转变温度。

低温脆性是材料屈服强度随温度降低而急剧增加，而解理断裂强度随温度变化很小的结果。当温度高于韧脆转变温度时，断裂强度大于屈服强度，材料先屈服再断裂；当温度低于韧脆转变温度时，断裂强度小于屈服强度，材料无屈服直接断裂。 体心立方金属的低温脆性比面心立方金属的低温脆性显著。

这是因为派拉力对其屈服强度的影响占有很大比重，而派拉力是短程力，对温度很敏感，温度降低时，派拉力大幅增加，则其强度急剧增加而变脆。

五、试从宏观上和微观上解释为什么有些材料有明显的韧脆转变温度，而另外一些材料则没有？

宏观上，体心立方中、低强度结构钢随温度的降低冲击功急剧下降，具有明显的韧脆转变温度。而高强度结构钢在很宽的温度范围内，冲击功都很低，没有明显的韧脆转变温度。面心立方金属及其合金一般没有韧脆转变现象。 微观上，体心立方金属中位错运动的阻力对温度变化非常敏感，位错运动阻力随温度下降而增加，在低温下，该材料处于脆性状态。而面心立方金属因位错宽度比较大，对温度不敏感，故一般不显示低温脆性。

体心立方金属的低温脆性还可能与迟屈服现象有关，对低碳钢施加一高于屈服强度的高速载荷时，材料并不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期（称为迟屈时间）才开始塑性变形，这种现象称为迟屈服现象。由于材料在孕育期中只产生弹性变形，没有塑性变形消耗能量，所以有利于裂纹扩展，往往表现为脆性破坏。

六、试述冲击载荷作用下金属变形和断裂的特点。 冲击载荷下，瞬时作用于位错的应力相当高，结果使位错运动速率增加，同时使派纳力增大，滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。同时由于冲击载荷下应力水平比较高，将使许多位错源同时开动，增加了位错密度，减少了位错运动自由行程的平均长度，增加了点缺陷的

浓度。这些原因导致金属材料在冲击载荷作用下塑性变形极不均匀且难以充分进行，使材料屈服强度和抗拉强度提高，塑性和韧性下降，导致脆性断裂。

第四章 金属的断裂韧度

一、 名词解释

1.低应力脆断：高强度、超高强度钢的机件 ，中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下发生的断裂。

2.张开型（?型）裂纹： 拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展的裂纹。

3.应力场强度因子K? ：表示应力场的强弱程度。 在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚与强度因子K?有关，对于某一确定的点，其应力分量由K?确定， K?越大，则应力场各点应力分量也越大，这样K?就可以表示应力场的强弱程度，称K?为应力场强度因子。 “I”表示I型裂纹。【P68】

4.小范围屈服： 塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸小一个数量级以上的屈服，这就称为小范围屈服。【P71】

5.有效屈服应力：裂纹发生屈服时其法向的应力。【新书P73：旧P85】

6.有效裂纹长度：将原有的裂纹长度与松弛后的塑性区相合并得到的裂纹长度【新P74；旧P86】。 7.裂纹扩展K判据：裂纹在受力时只要满足 KI?KIC，就会发生脆性断裂.反之，即使存在裂纹，若 KI?KIC也不会断裂。新P71：旧８３

8.裂纹扩展能量释放率GI：I型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。P76/P88 9.裂纹扩展G判据： GI?GIC，当ＧＩ满足上述条件时裂纹失稳扩展断裂。P77/P89 二、说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系

K?C和KC答： 临界或失稳状态的K?记作K?C或KC，K?C为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。KC为平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 它们都是?型裂纹的材料裂纹韧性指标，但KC值与试样厚度有关。当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一稳定的最低值，即为K?C，它与试样厚度无关，而是真正的材料常数。P71/P82

G?C 答：P77/P89 当G?增加到某一临界值时，G?能克服裂纹失稳扩展的阻力，则裂纹失稳扩展断裂。将G?的临界值记作G?c，称断裂韧度，表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量，其单位与G?相同，MPa·m 三、试述低应力脆断的原因及防止方法。

答： 低应力脆断的原因：在材料的生产、机件的加工和使用过程中产生不可避免的宏观裂纹，从而使机件在低于屈服应力的情况发生断裂。 预防措施：将断裂判据用于机件的设计上，在给定裂纹尺寸的情况下，确定机件允许的最大工作应力，或者当机件的工作应力确定后，根据断裂判据确定机件不发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸。 四、为什么研究裂纹扩展的力学条件时不用应力判据而用其它判据？

答：裂纹前端的应力是一个变化复杂的多向应力，如用它直接建立裂纹扩展的应力判据，显得十分复杂和困难；而且当r→0时，不论外加平均应力如何小，裂纹尖端各应力分量均趋于无限大，构件就失去了承载能力，也就是说，只要构件一有裂纹就会破坏，这显然与实际情况不符。这说明经典的强度理论单纯用应力大小来判断受载的裂纹体是否破坏是不正确的。

因此无法用应力判据处理这一问题。因此只能用其它判据来解决这一问题。 五、 试述应力场强度因子的意义及典型裂纹K?的表达式

答：应力场强度因子K? ：表示应力场的强弱程度。 在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚与强度因子K?有关，对于某一确定的点，其应力分量由K?确定， K?越大，则应力场各点应力分量也越大，这样K?就可以表示应力场的强弱程度，称K?为应力场强度因子。 “I”表示I型裂纹。 几种裂纹的K?表达式，无限大板穿透裂纹：K????a；

K????af()；K????af()当b?a时，有限宽板穿透裂纹：有限宽板单边直裂纹：

ababK??1.2??a；受弯单边裂纹梁：K??6Maf()；无限大物体内部有椭圆片裂纹，

(b?a)3/2b远处受均匀拉伸：K????a?a2(sin??2cos2?)1/4；无限大物体表面有半椭圆裂纹，远

c2处均受拉伸：A点的K??1.1??a。 ?六、 试述K判据的意义及用途。 答： K判据解决了经典的强度理论不能解决存在宏观裂纹为什么会产生低应力脆断的原因。K判据将材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来，可直接用于设计计算，估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹最大尺寸，以及用于正确选择机件材料、优化工艺等。P71/P83

七、试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。

答：机件上由于存在裂纹，在裂纹尖端处产生应力集中，当σy趋于材料的屈服应力时，在裂纹尖端处便开始屈服产生塑性变形，从而形成塑性区。

影响塑性区大小的因素有：裂纹在厚板中所处的位置，板中心处于平面应变状态，塑性区较小；板表面处于平面应力状态，塑性区较大。但是无论平面应力或平面应变，塑性区宽度总

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是与（KIC/σs)成正比。

八、试述塑性区对KI的影响及KI的修正方法和结果。 由于裂纹尖端塑性区的存在将会降低裂纹体的刚度，相当于裂纹长度的增加，因而影响应力场和KI的计算，所以要对KI进行修正。

最简单而适用的修正方法是在计算KI时采用“有效裂纹尺寸”，即以虚拟有效裂纹代替实际裂纹，然后用线弹性理论所得的公式进行计算。基本思路是：塑性区松弛弹性应力的作用与裂纹长度增加松弛弹性应力的作用是等同的，从而引入“有效长度”的概念，它实际包括裂纹长度和塑性区松弛应力的作用。

KI的修正方法忽略了在塑性区内应变能释放率与弹性体应变能释放率的差别，因此，只是近似结果。当塑性区小时，或塑性区周围为广大的弹性去所包围时，这种结果还是很精确。但是当塑性区较大时，即属于大范围屈服或整体屈服时，这个结果是不适用的。

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九、有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m，探伤发现有20mm长的横向穿透裂纹，若在平均轴向拉应力900MPa下工作，试计算KI及塑性区宽度R0，并判断该件是否安全？

解：由题意知穿透裂纹受到的工作应力为σ=900MPa 根据σ/σ0.2的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否需要修正