【文章內(nèi)容簡介】 ，吸收塑性變形功和斷裂功的能力。c) 沖擊吸收功：試樣變形和斷裂所消耗的功。Ak，ak值越大，材料的韌性越好。無論Ak還是ak均不能完全真正反映材料的韌脆程度(包括了部分彈性變形功)。用途：沖擊韌度可以作為零件工作時的安全性指標；能反映原材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量；可以測定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，從而評定材料的低溫脆性傾向。d) 低溫脆性：BCC或HCP金屬及合金，在低于某一溫度時，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，斷裂機理由微孔聚集型變?yōu)榻饫硇停瑪嗫谔卣饔衫w維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀的特性。面心立方及高強度材料不存在低溫脆性。e) 韌脆轉(zhuǎn)變溫度：沖擊韌性顯著下降時的溫度，是衡量材料冷脆轉(zhuǎn)化傾向的重要指標。i. 意義：tk是材料的韌性指標，因為它反映了溫度對韌脆性的影響。tk是安全性指標，是從韌性角度選材的重要依據(jù)之一，可用于抗脆斷設(shè)計。對于低溫下服役的機件，依據(jù)tk可以直接或間接地估計最低使用溫度。ii. 能量定義法：以低階能定義tk(NDT)：低于NDT，斷口由100%結(jié)晶區(qū)組成。最危險以高階能定義tk(FTP)：高于FTP ，斷口由100%纖維區(qū)組成。最保守以低階能和高階能平均值來定義tk(FTE)。iii. 斷口形貌定義法取結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口面積50%時的溫度為tk，稱為50%FATT。iv. 注意：由于定義方法不同，同一材料所得到的tk不同；同一材料，使用同一定義方法，由于外界因素改變，如試樣尺寸、缺口尖銳程度和加載速率發(fā)生變化，tk也發(fā)生變化。在一定條件下，用試樣測得的tk不能說明該材料構(gòu)成的機件一定在該溫度下脆斷。f) 韌性溫度儲備：材料的使用溫度與韌脆轉(zhuǎn)變溫度之差。2. 試說明低溫脆性的物理本質(zhì)及其影響因素。低溫脆性是材料的屈服強度隨溫度降低急劇增加，而材料的解理斷裂強度卻隨溫度的變化很小的結(jié)果。如圖，兩者的曲線相交于tk。在高于tk時，σcσs，材料先屈服再斷裂，為韌性斷裂；低于tk時，σcσs，外加應(yīng)力先達到σc，為脆性斷裂。影響因素：凡是使σc增大的因素，都使tk下降，降低脆性；凡是使σs增大的因素，都使tk上升，增大脆性。內(nèi)在因素：a) 晶體結(jié)構(gòu)：bcc、hcp金屬及合金存在低溫脆性；fcc金屬及合金在常規(guī)使用溫度下一般不存在低溫脆性。b) 化學(xué)成分：間隙原子和大部分置換原子顯著提高材料的tk；雜質(zhì)元素等偏聚于晶界，降低材料韌性，提高tk。c) 顯微組織：i. 晶粒大小：細化晶粒，韌性增加；(原因：晶界是裂紋擴展的阻力；晶界前塞積的位錯數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；晶界總面積增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減小，避免了產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。)ii. 金相組織：球狀第二相Ak片狀或網(wǎng)狀第二相的Ak；單相的Ak高于復(fù)相合金。第二相越細小，均勻分布，與基體性能越接近，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低。iii. 內(nèi)部缺陷：降低Ak；iv. 表面狀態(tài)：AkvAku光滑試樣的Ak。d) 強度等級：高強度鋼不存在低溫脆性。3. 試述焊接船舶比鉚接船舶容易發(fā)生脆性破壞的原因。由于船舶長時間在低溫下航行，因此使用焊接結(jié)構(gòu)很容易產(chǎn)生低溫脆性，導(dǎo)致脆性破壞。而鉚接結(jié)構(gòu)則不存在這一缺陷。而且焊接過程中容易出現(xiàn)粗大的金相組織及氣孔，未熔合等缺陷，增加裂紋敏感度，增加材料脆性，容易發(fā)生脆性斷裂。4. 下列三組試驗方法中，請舉出每一組中哪種試驗方法測得的tk較高？為什么？a) 拉伸和扭轉(zhuǎn)拉伸測得的tk較高。因為拉伸的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)更小，應(yīng)力狀態(tài)更硬，更易顯示材料的脆性性能，因此測得的tk更高。b) 缺口靜彎曲和缺口沖擊彎曲缺口沖擊彎曲測得的tk較高。因為在沖擊狀態(tài)下會發(fā)生應(yīng)變速率硬化，材料會表現(xiàn)出脆性的力學(xué)性能，因此測得的tk更高。c) 光滑試樣拉伸和缺口試樣拉伸缺口試樣拉伸測得的tk更高。因為在缺口狀態(tài)下會形成缺口效應(yīng)，引起兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)，使塑性材料強度增高，塑性降低，顯示出脆性特征。因此測得的tk更高。影響金屬韌脆性的三大外部因素：沖擊，溫度，缺口。金屬的斷裂韌度三種裂紋形式：張開型，滑開型，撕開型。1. 名詞解釋：a) 低應(yīng)力脆斷：材料實際承受的應(yīng)力小于斷裂極限甚至小于屈服極限時發(fā)生的脆性斷裂。b) 張開型裂紋：拉應(yīng)力垂直于裂紋擴展面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴展的裂紋。c) 滑開型：切應(yīng)力平行于裂紋面，垂直于裂紋線，裂紋沿裂紋面平行滑開擴展。d) 撕開型：切應(yīng)力平行于裂紋面，平行于裂紋線，裂紋沿裂紋面撕開擴展e) 應(yīng)力場強度因子：對于給定材料及裂紋尖端附近確定點，決定裂紋尖端應(yīng)力場的大小或強弱程度的KI值。KI=Yσa對于無限大板的穿透裂紋，KI=σπa，a為半長度。對于無限大板的表面半橢圓裂紋，KI=，a為裂紋深度，c為裂紋半長度。修正條件：當(dāng)σ/σs≥，需要進行修正。用以計算圓筒表面應(yīng)力：σ=pD/2t，P為圓筒內(nèi)部的壓強。其中，σ的單位為MPa。意義：KI表示應(yīng)力場的強弱程度，KI越大，則應(yīng)力場各應(yīng)力分量越大；KI是一個決定于σ和a的復(fù)合力學(xué)參量，可以把KI看成引起裂紋擴展的動力。f) 斷裂韌度：臨界或失穩(wěn)狀態(tài)下的應(yīng)力場強度因子的大小。KIC是真正的材料常數(shù)，與試樣厚度無關(guān)，表示材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展（斷裂）的能力。如果KIKIC，即使有裂紋也不會斷裂，稱為破損安全。g) 小范圍屈服：塑性區(qū)尺寸較裂紋尺寸及靜截面尺寸小一個數(shù)量級以上時的屈服。h) 裂紋擴展K判據(jù)：當(dāng)應(yīng)力場強度因子KI大于斷裂韌度KIC時裂紋發(fā)生擴展。i. 應(yīng)用：1. 確定帶裂紋構(gòu)件的承載能力(求σc)；2. 確定構(gòu)件安全性或為選材提供依據(jù)(求KIC)；3. 確定臨界裂紋尺寸，為探傷提供理論依據(jù)(求aC)。ii. KI與KIC的區(qū)別：1. KI是力學(xué)參量，與載荷、試樣尺寸有關(guān)，和材料本身無關(guān)。2. KIC是力學(xué)性能指標，只與材料組織結(jié)構(gòu)、成分有關(guān)，與試樣尺寸和載荷無關(guān)。iii. 影響斷裂韌度KIC的因素：1. KIC是強度和塑性的綜合性能，對于能同時提高材料的強度和塑性的因素，都能提高材料的斷裂韌度。2. KIC和AKV都是材料的斷裂韌性指標。提高沖擊韌性的措施一般均可提高斷裂韌度。3. 內(nèi)部因素：a) 化學(xué)成分：提高強度和塑性的元素，提高KIC；b) 基體相結(jié)構(gòu)和晶粒大?。篺cc比bcc的KIC高，晶粒越細，KIC越高；c) 雜質(zhì)和第二相：使KIC降低；d) 顯微組織：板條針狀，B下≈板條B上，回索回屈回馬，AM。韌性越好的組織KIC越高。4. 外部因素：a) 溫度：溫度↓使KIC↓；b) 應(yīng)變速率：應(yīng)變速率↑使KIC↓，但形變速度很大時的絕熱狀態(tài)，使KIC↑；c) 試樣尺寸：板厚↑，KIC↓。i) 應(yīng)力松弛：當(dāng)最大應(yīng)力大于有效屈服強度時，由于屈服時應(yīng)力只能等于有效屈服應(yīng)力，因此超出的應(yīng)力都會降低的現(xiàn)象。j) 應(yīng)力松弛：在規(guī)定溫度和初始應(yīng)力條件下，金屬材料中的應(yīng)力隨時間增加而減小的現(xiàn)象。k) 塑性區(qū)寬度：沿x軸方向的塑性區(qū)尺寸?？紤]了應(yīng)力松弛之后，其塑性區(qū)寬度都正好是原塑性區(qū)寬度的兩倍。l) 裂紋擴展能量釋放率：裂紋擴展單位面積時系統(tǒng)釋放勢能的數(shù)值。又稱裂紋擴展力，表示裂紋擴展單位長度所需的力。也是應(yīng)力σ和裂紋尺寸a的復(fù)合力學(xué)參量。m) 裂紋擴展G判據(jù)：當(dāng)裂紋擴展能量釋放率GI大于材料的斷裂韌度GIC時裂紋發(fā)生擴展。GIC意義：表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴展時單位面積所消耗的能量。n) J積分法：由GI延伸出來的一種斷裂能量判據(jù)；ω為彈塑性應(yīng)變能密度.o) 斷裂韌度JIC：表示材料抵抗裂紋開始擴展的能力在線彈性條件下，J與G單位相同，意義相同。在小應(yīng)變彈塑性條件下，JI與GI單位相同，但物理意義不同。JI：形變功差率p) COD法：由KI延伸出來的一種斷裂應(yīng)變判據(jù)。斷裂韌度δc：表示材料抵抗裂紋開始擴展的能力。2. 試述低應(yīng)力脆斷的原因及防止方法。原因：材料在加工過程中產(chǎn)生裂紋，在外界應(yīng)力作用下裂紋發(fā)生擴展，導(dǎo)致在應(yīng)力低于屈服強度時發(fā)生斷裂。防止方法：采用斷裂力學(xué)等新的強度理論和新的材料性能評定指標，在給定裂紋尺寸的情況下，確定允許的最大工作應(yīng)力，或者當(dāng)工作應(yīng)力確定后，根據(jù)斷裂判據(jù)確定不發(fā)生脆性斷裂時所允許的最大裂紋尺寸3. 為什么研究裂紋擴展的力學(xué)條件時不用應(yīng)力判據(jù)而用其他判據(jù)？因為裂紋前端的應(yīng)力十分復(fù)雜，不易建立應(yīng)力判據(jù)；而且在裂紋尺寸極小時，根據(jù)應(yīng)力判據(jù)，裂紋尖端應(yīng)力分量應(yīng)為無窮大，與實際不符。因此不能用應(yīng)力判據(jù)而用其他判據(jù)。4. 有一大型板件，=1200MPa，KIC=115MPam1/2，探傷發(fā)現(xiàn)有20mm長的橫向穿透裂紋，若在平均軸向拉應(yīng)力900MPa下工作，試計算KI及塑性區(qū)寬度R0，并判斷該件是否安全。首先σ/=，需要修正。對于無限大板的橫向穿透裂紋，計算得KI=。由于KIKIC，因此該件不安全。5. 有一軸件平均軸向工作應(yīng)力150MPa，使用中發(fā)生橫向疲勞脆性正斷，斷口分析表明有25mm深的表面半橢圓疲勞區(qū)，根據(jù)裂紋a/c得φ=1，=720MPa，試估算材料的斷裂韌度KIC是多少？首先σ/=，不需要修正。此處可以認為疲勞斷口正好處于臨界裂紋尺寸時發(fā)生斷裂。因此對于表面半橢圓裂紋，計算得KIC= MPam1/2。金屬的疲勞1. 名詞解釋a) 變動載荷：載荷大小甚至方向均隨時間變化的載荷稱為變動載荷。b) 疲勞：金屬構(gòu)件在變動應(yīng)力和應(yīng)變長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。c) 應(yīng)力幅：循環(huán)應(yīng)力中應(yīng)力變動部分的幅值；d) 應(yīng)力比：應(yīng)力循環(huán)對稱系數(shù)，指應(yīng)力循環(huán)的不對稱程度；按應(yīng)力狀態(tài)分：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、復(fù)合疲勞；按環(huán)境和接觸情況分：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞；按壽命、應(yīng)力高低分：高周疲勞、低周疲勞。特點：疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂；疲勞是脆性斷裂；疲勞對缺陷十分敏感。斷口的宏觀特征：疲勞源、疲勞區(qū)、瞬斷區(qū)。i. 疲勞源：光亮度大