试问: 1)温度高低对渗碳速度有何影响? 2)渗碳应在奥氏体中还是铁素体中进行? 3)空位密度、位错密度和晶粒大小对渗碳速度有何影响? 答: 1)温度越高,渗碳速度越快。因为扩散系数随温度升高,急剧增大。 2)在奥氏体中进行。虽然碳在铁素体中的扩散系数比在奥氏体中大,但是当把 钢加热至奥氏体时,一方面温度升高,扩散系数急剧增加;另一方面,奥氏 体的溶碳能力急剧增大,可增加渗层深度。 3)空位密度和位错密度越多,渗碳速度越快。因为缺陷处能量较高,扩散激活 能降低,增大扩散系数。晶粒越小,渗碳速度越快。因为晶粒越小,晶界面 积越大,而原子沿晶界的扩散速度较快。 第七章 金属及合金的回复和再结晶 7-1 用冷拔铜丝线制作导线,冷拔之后应如何如理,为什么? 答: 应采取回复退火(去应力退火)处理:即将冷变形金属加热到再结晶温度以下某 一温度,并保温足够时间,然后缓慢冷却到室温的热处理工艺。 原因:铜丝冷拔属于再结晶温度以下的冷变形加工,冷塑性变形会使铜丝产生加 工硬化和残留内应力,该残留内应力的存在容易导致铜丝在使用过程中断裂。因此,应当采用去应力退火使冷拔铜丝在基本上保持加工硬化的条件下降低其内应 力(主要是第一类内应力),改善其塑性和韧性,提高其在使用过程的安全性。 7-2 一块厚纯金属板经冷弯并再结晶退火后,试画出截面上的显微组织示意图。 答:解答此题就是画出金属冷变形后晶粒回复、再结晶和晶粒长大过程示意图 (可参考教材 P195,图7-1) 7-3 已知 W、Fe、Cu 的熔点分别为 3399℃、1538℃和1083℃,试估算其再结晶 温度。 答: 再结晶温度:通常把经过严重冷变形(变形度在 70%以上)的金属,在约 1h 的 保温时间内能够完成超过 95%再结晶转变量的温度作为再结晶温度。 1、金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在一经验关系式:T 再≈δ Tm,对于 工业纯金属来说:δ 值为 0.35-0.4,取0.4 计算。 2、应当指出,为了消除冷塑性变形加工硬化现象,再结晶退火温度通常要比其 最低再结晶温度高出 100-200℃。 如上所述取 T 再=0.4Tm,可得: W 再=3399×0.4=1359.6℃ Fe 再=1538×0.4=615.2℃ Cu 再=1083×0.4=433.2℃ 7-4 说明以下概念的本质区别: 1、一次再结晶和二次在结晶。 2、再结晶时晶核长大和再结晶后的晶粒长大。 答: 1、 一次再结晶和二次在结晶。 定义 一次再结晶:冷变形后的金属加热到一定温度,保温足够时间后,在原来的变 形组织中产生了无畸变的新的等轴晶粒,位错密度显著下降,性能发生显著变 化恢复到冷变形前的水平,称为(一次)再结晶。它的实质是新的晶粒形核、长 大的过程。 二次再结晶:经过剧烈冷变形的某些金属材料,在较高温度下退火时,会出现 反常的晶粒长大现象,即少数晶粒具有特别大的长大能力,逐步吞食掉周围的 小晶粒,其最终尺寸超过原始晶粒的几十倍或上百倍,比临界变形后的再结晶 晶粒还要粗大得多,这个过程称为二次再结晶。二次再结晶并不是晶粒重新形 核和长大的过程,它是以一次再结晶后的某些特殊晶粒作为基础而异常长大, 严格来说它是特殊条件下的晶粒长大过程,并非是再结晶过程。 本质区别:是否有新的形核晶粒。 2、 再结晶时晶核长大和再结晶后的晶粒长大。 定义 再结晶晶核长大:是指再结晶晶核形成后长大至再结晶初始晶粒的过程。其长 大驱动力是新晶粒与周围变形基体的畸变能差,促使晶核界面向畸变区域推 进,界面移动的方向,也就是晶粒长大的方向总是远离界面曲率中心,直至所 有畸变晶粒被新的无畸变晶粒代替。 再结晶后的晶粒长大:是指再结晶晶核长大成再结晶初始晶粒后,当温度继续 升高或延长保温时间,晶粒仍然继续长大的过程。此时,晶粒长大的驱动力是 晶粒长大前后总的界面能的差,界面移动的方向,也就是晶粒长大的方向都朝 向晶界的曲率中心,直至晶界变成平面状,达到界面能最低的稳定状态。 本质区别: 1、长大驱动力不同 2、长大方向不同,即晶界的移动方向不同。 7-5 分析回复和再结晶阶段空位与位错的变化及其对性能的影响。 答: 回复阶段: 回复:是指冷塑性变形的金属在加热时,在光学显微组织发生改变前(即再结晶 晶粒形成前)所产生的某些亚结构和性能的变化过程。 空位和位错的变化及对性能的影响: 回复过程中,空位和位错发生运动,从而改变了他们的数量和组态。 低温回复时,主要涉及空位的运动。空位可以移至表面、晶界或位错处消失,也 可以聚集形成空位对、空位群,还可以与间隙原子相互作用而消失,总之空位运 动的结果使空位密度大大减小。电阻率对空位密度比较敏感,因此其数值会有显 著下降。而力学性能对空位的变化不敏感,没有变化。 中温回复时,主要涉及位错的运动。由于位错滑移会导致同一滑移面上异号位错 合并而相互抵消,位错密度略有下降,但降低幅度不大,力学性能变化不大。 高温回复时,主要涉及位错的运动。位错不但可以滑移、而且可以攀移,发生多 边化,使错密度有所降低,降低系统部分内应力,从而使硬度、强度略有下降, 塑性、韧性得到改善。 综上,回复过程可以使冷塑性变形的金属在基本保持加工硬化的状态下降低其内 应力(主要是第一类内应力),减轻工件的翘曲和变形,降低电阻率,提高材料 的耐蚀性并改善其塑性和韧性,提高工件使用时的安全性。 再结晶阶段: 再结晶:冷变形后的金属加热到一定温度,保温足够时间后,在原来的变形组织 中产生了无畸变的新的等轴晶粒,位错密度显著下降,性能也发生显著变化并 恢复到冷变形前的水平。 空位和位错的变化及对性能的影响: 再结晶阶段主要是位错发生滑移、攀移和多变化,新的无畸变晶粒形成,位错 密度显著下降,因塑性变形而造成的内应力可完全被消除,促使硬度和强度显 著下降,塑性和韧性得到明显提高。 7-6 何谓临界变形度?在工业生产中有何实际意义。 答: 临界变形度:金属在冷塑性变形时,当变形度达到某一数值(一般金属均在 2%-10%范围内)时,再结晶后的晶粒变得特别粗大。这是由于此时的变形度不 大,晶核长大线速度和形核率的比值很大,因此得到特别粗大的晶粒。把对应 得到特别粗大晶粒的变形度称为临界变形度。 实际意义:通常,粗大的晶粒对金属的力学性能十分不能,降低力学性能指 标,因此在实际生产时,应当避免在临界变形度范围内进行压力加工。但是, 有时为了某种特殊目的,需要得到粗晶粒钢时,例如用于制造电机或变压器的 硅钢来说,晶粒越粗大越好(磁滞损耗小,效应高),,可以利用这种现象,制 取粗晶粒甚至单晶。 7-7 一块纯锡板被枪弹击穿,经再结晶退火后,弹孔周围的晶粒大小有何特 征,并说明原因。 答: 弹孔周围晶粒大小特征:晶粒大小随距弹孔的距离产生梯度变化,即距离弹孔 距离越近晶粒越细,距离越远晶粒越大,并且在某一距离处(变形量处于临界变 形量范围内),出现特别粗大晶粒组织。 原因: 1、锡板被枪弹击穿产生的弹孔相当于弹孔处产生了剧烈的冷塑性变形,且距离 弹孔越近则变形越剧烈。 2、对冷塑性变形的金属进行再结晶退火,则冷变形的晶粒必然要发生再结晶, 且再结晶后的晶粒大小与变形度密切相关,这是因为随着变形度的增加,形 变储存能增加,再结晶驱动力增加,形核率 N 和晶粒长大线速度 G 同时增加, 但G/N 的比值减小,使再结晶的晶粒随变形度增加而变细。 3、然而,当变形度在某一临界变形度范围内(一般金属在 2%-10%范围内),由 于变形度不大,G/N 的比值很大,使再结晶的晶粒特别粗大。 7-8 某厂对高锰钢制碎矿机颚板进行固溶处理时,经1100℃加热后,用冷拔钢丝 绳吊挂,由起重吊车送往淬火水槽。行至途中,钢丝绳突然断裂。这条钢丝 绳是新的,事先经过检查,并无瑕疵。试分析钢丝绳断裂原因。 答: 原因: 1、按题中所述钢丝绳的质量没有问题,那么钢丝绳发生断裂则必然使是由于所 吊颚板重力对钢丝绳产生的应力超过了钢丝绳的抗拉强度造成的。在吊运过 程中颚板对钢丝绳产生的应力没有变化,那么发生变化的则必然是钢丝绳的 强度。 2、由题述,该钢丝绳是冷拔而成,及结果冷塑性变形而成,必然产生了加工硬 化现象。由于颚板经过 1100 加热固溶处理,所以在吊运过程中,高温颚板对 冷拔钢丝绳起到了加热作用,当钢丝绳温度超过其再结晶温度时,则会发生 再结晶现象,导致钢丝绳强度显著下降,致使颚板重力对钢丝绳产生的应力 超过了钢丝绳的强度,导致钢丝绳断裂。 7-9 设有一楔形板坯结果冷轧后得到相同厚度的板材,然后进行再结晶退火,试 问该板材的晶粒大小是否均匀? 答: 不均匀 原因: 1、对冷塑性变形的金属进行再结晶退火,则冷变形的晶粒必然要发生再结晶, 且再结晶后的晶粒大小与变形度密切相关,这是因为随着变形度的增加,形变储 存能增加,再结晶驱动力增加,形核率 N 和晶粒长大线速度 G 同时增加,但G/N 的比值减小,使再结晶的晶粒随变形度增加而变细。 2、此外,当变形度在临界变形度范围内(一般金属在 2%-10%范围内),由于变 形度不大,G/N 的比值很大,使再结晶的晶粒特别粗大。 3、由题述,是由厚度不一的楔形板冷变形成相同厚度的板材,则板材的不同位 置的变形度必然不同,所以再结晶后的晶粒大小也必然不同。 7-10 金属材料在热加工时为了获得细小晶粒组织,应该注意一些什么问题? 答: 热加工是在高于再结晶温度以上的塑性变形过程,塑性变形引起的加工硬化和回 复再结晶引起的软化几乎同时进行。所以,在热加工时为了获得细小晶粒我觉得 应该注意以下几点: 1、变形程度。变形度越大则再结晶晶粒的尺寸越小,同时要避开临界变形度范 围,防止产生粗大晶粒。 2、热加工的温度。即再结晶温度,再结晶温度越高,再结晶的晶粒越大,而且 易于引起二次再结晶,得到异常粗大的晶粒组织。 3、变形速度。增大变形速度,可推迟再结晶,并提高再结晶转变速度,细化晶 粒。 4、热加工后的冷却。冷却速度过慢,会造成晶粒粗大。 5、原始晶粒的大小。这是因为当变形度一定时,材料的原始晶粒越细,则再结 晶后的晶粒越细。 6、在金属材料中加入适量的 Al、Ti、V、Nb 等碳、氮化物形成元素,析出弥散 的第二相质点,可以有效地阻止高温下晶粒的长大。 7-11 为获得细小的晶粒组织,应根据什么原则制订塑性变形及退火工艺? 答: 塑性变形原则: 增大变形度,避开临界变形度范围,保证变形均匀性。 退火工艺原则: 降低再结晶退火温度,缩短再结晶退火保温时间。 第六章 金属及合金的塑性变形和断裂 6-1 锌单晶体试样截面积 A=78.5mm2,经拉伸试验测定的有关数据如下表: 屈服载荷/N 620 252 184 148 174 273 525 φ 角(°) 83 72.5 62 48.5 30.5 176 5 λ 角(°) 25.5 26 38 46 63 74.8 82.5 τ k(Mpa) 0.87 0.87 0.87 0.87 0.89 0.9 0.87 cosλ cosφ 0.11 0.27 0.37 0.46 0.4 0.26 0.13 σ s(Mpa) 7.90 3.21 2.34 1.89 2.22 3.48 6.69 1)根据以上数据求出临界分切应力τ k 并填入上表 2)求出屈服载荷下的取向因子,作出取向因子和屈服应力的关系曲线,说 明取向因子对屈服应力的影响。 答: 1)需临界临界分切应力的计算公式:τ k=σ s cosφ cosλ ,σ s 为屈服强度=屈 服载荷/截面积 需要注意的是:在拉伸试验时,滑移面受大小相等,方向相反的一对轴向力 的作用。当载荷与法线夹角φ 为钝角时,则按φ 的补角做余弦计算。 2)cosφ cosλ 称作取向因子,由表中σ s 和cosφ cosλ 的数值可以看出,随着取 向因子的增大,屈服应力逐渐减小。cosφ cosλ 的最大值是φ 、λ 均为 45 度时,数值为 0.5,此时σ s 为最小值,金属最易发生滑移,这种取向称为软取 向。当外力与滑移面平行(φ =90°)或垂直(λ =90°)时,cosφ cosλ 为0, 则无论τ k 数值如何,σ s 均为无穷大,表示晶体在此情况下根本无法滑移, 这种取向称为硬取向。 6-2 画出铜晶体的一个晶胞,在晶胞上指出: 1)发生滑移的一个滑移面 2)在这一晶面上发生滑移的一个方向 3)滑移面上的原子密度与{001}等其他晶面相比有何差别 4)沿滑移方向的原子间距与其他方向有何差别。 答: 解答此题首先要知道铜在室温时的晶体结构是面心立方。 1) 发生滑移的滑移面通常是晶体的密排面,也就是原子密度最大的晶面。在面 心立方晶格中的密排面是{111}晶面。 2) 发生滑移的滑移方向通常是晶体的密排方向,也就是原子密度最大的晶向, 在{111}晶面中的密排方向晶向。 3){111}晶面的原子密度为原子密度最大的晶面,其值为 2.3/a2,{001}晶面的原 子密度为 1.5/a2 4) 滑移方向通常是晶体的密排方向,也就是原子密度高于其他晶向,原子排列 紧密,原子间距小于其他晶向,其值为 1.414/a。 6-3 假定有一铜单晶体,其表面恰好平行于晶体的(001)晶面,若在[001]晶向 施加应力,使该晶体在所有可能的滑移面上滑移,并在上述晶面上产生相应 的滑移线,试预计在表面上可能看到的滑移线形貌。 答: 对受力后的晶体表面进行抛光,在金相显微镜下可以观察到在抛光的表面上出现 许多相互平行的滑移带。在电子显微镜下,每条滑移带是由一组相互平行的滑移 线组成,这些滑移线实际上是晶体中位错滑移至晶体表面产生的一个个小台阶, 其高度约为 1000 个原子间距。相临近的一组小台阶在宏观上反映的就是一个大 台阶,即滑移带。 所以晶体表面上的滑移线形貌是台阶高度约为 1000 个原子间距的一个个小台 阶。 6-4 试用多晶体的塑性变形过程说明金属晶粒越细强度越高、塑性越好的原因? 答: 多晶体的塑性变形过程: 1、多晶体中由于各晶粒的位向不同,则各滑移系的取向也不同,因此在外加拉 伸力的作用下,各滑移系上的分切应力也不相同。由此可见,多晶体中各个 晶粒并不是同时发生塑性变形,只有那些取向最有利的晶粒随着外力的增加 最先发生塑性变形。 2、晶粒发生塑性变形就意味着滑移面上的位错源已开启,位错将会源源不断地 沿着滑移面上的滑移方向运动。但是,由于相邻晶粒的位向不同,滑移系的 取向也不同,因此运动着的位错不能够越过晶界,滑移不能发展到相邻晶粒 中,于是位错在晶界处受阻,形成位错的平面塞积群。 3、位错平面塞积群在其前沿附近造成很大的应力集中,这一集中应力与不断增 加的外加载荷相叠加,使相邻晶粒某些滑移系上的分切应力达到临界值,于 是位错源开动,开始塑性变形。 4、为了协调已发生变形的晶粒形状的改变,要求相邻晶粒必须进行多系滑移, 这样就会使越来越多的晶粒参与塑性变形。 5、在多晶体的塑性变形中,由外加载荷直接引起塑性变形的晶粒只占少数,不 产生明显的宏观效果,多数晶粒的塑性变形是由已塑性变形的晶粒中位错平 面塞积群所造成的应力集中所引起,并造成一定的宏观塑性变形效果。 6、多晶体的塑性变形具有不均匀性。由于各晶粒间以及晶粒内和晶界位向不同 的影响,各个晶粒间及晶粒内的变形都是不均匀的。 晶粒越细强度越高、塑性越好的原因: 强度:由多晶体的塑性变形过程可知,多数晶粒的塑性变形是由先塑性变形晶粒 中的位错平面塞积群引起的应力集中于外加载荷相叠加而引起的。由位错运动理 论可以得知,位错塞积群在障碍处产生的应力集中与位错数目有关,位错数目越 多,造成的应力集中越大,而位错数目与位错源到障碍物的距离成正比。所以晶 粒越小,位错源到障碍物(晶界)的距离越短,位错数目越少,造成的应力集中 越小,此时如果要是相邻晶粒发生塑性变形,则需要较大的外加载荷,也就是抵 抗塑性变形的能力月强,强度越高。 塑性:由多晶体的塑性变形过程可知,多晶体的塑性变形具有不均匀性。晶粒越 细,各晶粒间或晶粒内部与晶界处的应变相差越小,变形较均匀,相对来说因不 均匀变形产生应力集中引起开裂的机率较小,这就有可能在断裂前承受较大的塑 性变形量,可以得到较高的伸长率和断面收缩率。 韧性:由于细晶粒的变形较均匀,不易产生应力集中裂纹,而且晶粒越细晶界面 积越大,对裂纹扩展的阻力越大,因此在断裂过程中可以吸收更多的能量,表现 出较高的韧性。 6-5 口杯采用低碳钢板冷冲而成,如果钢板的晶粒大小很不均匀,那么冲压后常 常发现口杯底部出现裂纹,这是为什么? 答: 裂纹原因: 1、低碳钢板冷冲时,各部分的塑性变形是不均匀的,在口杯局内在宏观内应力。 2、由于多晶体晶粒变形的不均匀性,加上原始晶粒大小不一,则更加促进了变 形的不均匀性,由此产生较大的第二类内应力。 3、所以,冲压后口杯底部出现裂纹的原因是由钢板不均匀变形产生的宏观内应 力和晶粒变形不均匀造成的内应力相叠加,超过了钢板的断裂强度,出现裂 纹。 6-6 滑移与孪生有何区别,试比较它们在塑性变形过程中的作用。 答: 滑移定义:晶体在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿某些晶面(滑 移面)和晶向(滑移方向)发生滑动的现象。本质:滑移并不是晶体的一部分相 对于另一部分作整体的刚性移动,而是位错在切应力的作用下沿着滑移面上的滑 移方向逐步移动的结果。 孪生定义:晶体在切应力作用下,晶体的一部分沿一定的晶面(孪生面)和一定 的晶向(孪生方向)相对于另一部分晶体做均匀地切变;在切变区域内,与孪生 面平行的的每层原子的切变量与它距离孪生面的距离成正比,而且不是原子间距 的整数倍,这种切变不会改变晶体的点阵类型,但可使变形部分晶体的位向发生 变化,并与未变形部分的晶体以孪晶界为分界面构成镜面对称的位向关系。通常 把对称的两部分晶体称为孪晶,而将形成孪晶的过程称为孪生。 滑移在塑性变形过程中的作用: 在常温和低温下金属的塑性变形主要通过滑移方式进行。 1、晶体中滑移系越多,则可供滑移采用的空间位向越多,塑性变形越容易进行。 当沿滑移面上滑移方向的分切应力达到临界分切应力时,滑移就可进行,而 且位错只需一个很小的切应力就可以实现运动。 2、在晶体发生滑移的同时,滑移面和滑移方向会发生转动,造成滑移系取向的 变化,有可能使其他滑移系的分切应力达到临界值,产生多滑移现象,促进 晶体的塑性变形。 孪生在塑性变形过程中的作用: 孪生对塑性变形的贡献比滑移要小。 1、孪生的临界分切应力要比滑移的临界分切应力大得多,只有在滑移很难进行 的条件下,晶体才进行孪生变形。 2、但是,由于孪生后变形部分的晶体位向发生改变,可能会使原来处于不利取 向的滑移系转变为新的有利取向,这样可以激发晶体的进一步塑性变形。所 以当金属中存在大量孪晶时,可以促进塑性变形。 6-7 试述金属经塑性变形后组织结构与性能之间的关系,阐明加工硬化在机械零 构件生产和服役过程中的重要意义。 答: 金属塑性变形后组织结构与性能之间的关系: 1、金属塑性变形后,晶粒形状发生变化,沿变形方向伸长,当变形量很大时出 现纤维组织,使金属的力学性能呈方向性。 2、金属塑性变形后,晶体中的亚结构得到细化,形成大量的胞状亚结构。位错密 度增加,位错相互交割出现位错割阶和位错缠结现象,产生加工硬化,硬度、 强度增加,塑性、韧性降低。 3、金属塑性变形后,当变形量很大时,多晶体中原为任意取向的各个晶粒逐渐 调整其取向而趋于彼此一致,产生形变织构。金属性能表现为各向异性。 4、金属塑性变形后,晶体缺陷增加,产生大量的空位。空位增加,电阻率增大, 导电性能和导热性能略为下降。内能增加,化学性提高,耐腐蚀性能降低。 加工硬化在机械零件生产和服役过程中的重要意义: 加工硬化:金属在塑性变形过程中,随着变形程度的增加,金属的硬度、强度增 加,而塑性、韧性下降的现象。又称形变强化。 原因:随着塑性变形的进行,位错密度不断增大,位错在运动时的相互交割加剧, 产生位错割阶和位错缠结等障碍,使位错运动的阻力增大,造成晶体的塑性变形 抗力增大。 在零件生产中的意义: 1、对于用热处理方法不能强化的材料来说,可以用加工硬化方法提高其强度。 如塑性很好而强度较低的铝、铜及某些不锈钢,在生产中往往制成冷拔棒材 或冷轧板材使用。 2、加工硬化也是某些工件或半成品能够加工成型的重要因素。例如钢丝冷拔过 程中产生加工硬化保证其不被拉断。 在零件使用过程中的意义: 提高零件在使用过程中的安全性。零件在使用过程中各个部位的受力是不均匀 的,往往会在某些部位产生应力集中和过载现象,使该处产生塑性变形。如果没 有加工硬化,则该处变形会越来越大直至断裂。正是由于加工硬化的原因,这种 偶尔过载部位的变形会因为强度的增加而自行停止,从而提高零件的安全性。 需要指出的是:加工硬化现象也会给零件生产和使用带来一些不利因素 1、金属随着塑性变形程度的增加,塑性变形抗力不断增大,进一步的变形就必 须增大设备功率,增加能源动力的消耗。 2、金属经加工硬化后,塑性大为降低,在使用过程中,如果继续变形容易导致 开裂。 6-8 金属材料经塑性变形后为什么会保留残留内应力,研究这部分内应力有什么 意义? 答: 残留内应力的形成原因: 金属材料经塑性变形后,外力所做的功大部分转化为热能消耗掉,但尚有一小部 分(约占总变形功的 10%)保留在金属内部,形成残留内应力。 主要分为以下三类: 1、宏观内应力(第一类内应力):它是由于金属材料各部分的不均匀变形引起的, 是整个物体范围内处于平衡的力。 2、微观内应力(第二类内应力):它是由于晶粒或亚晶粒不均匀变形而引起的, 是在晶粒或亚晶粒范围内处于平衡的力。 3、点阵畸变(第三类内应力):它是由于塑性变形使金属内部产生大量的位错和 空位,使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置,造成点阵畸变。它是只在晶 界、滑移面等附近不多的原子群范围内保持平衡的力。 研究这部分内应力的意义: 1、通常情况下,残留内应力的存在对金属材料的力学性能是有害的,它会导致 材料的变形、开裂和产生应力腐蚀,降低材料的力学性能。 2、但是当工件表面残留一薄层压应力时,可以在服役时抵消一部分外加载荷, 反而对使用寿命有利。 因此,研究这部分内应力可以降低其对金属材料的损害,甚至可以利用内应力来 提高工件的使用寿命。 6-9 何谓脆性断裂和塑性断裂,若在材料中存在裂纹时,试述裂纹对脆性材料和 塑性材料断裂过程的影响。 答: 塑性断裂:又称为延性断裂,断裂前发生大量的宏观塑性变形,断裂时承受的工 程应力大于材料的屈服强度。 脆性断裂:又称为低应力断裂,断裂前极少有或没有宏观塑性变形,但在局部区 域仍存在一定的微观塑性变形,断裂时承受的工程应力通常不超过材料的屈服强 度,甚至低于按宏观强度理论确定的许用应力。 裂纹对材料断裂的影响: 当存在裂纹的材料受到外力作用时,会在裂纹尖端附近产生复杂的应力状态,并 引起应力集中。 对于塑性材料,在外力作用下裂纹尖端区域的应力集中很快会超过材料的屈服极 限,形成塑性变形区,微孔很容易在此变形区形成、扩大,并与裂纹连接,使裂 纹失稳扩展,导致材料发生断裂。 对于脆性材料,其塑性较差,在裂纹尖端区域出现析出质点的几率很大,因此, 一旦在裂纹尖端附近形成一个不大的塑性变形区后,此区的析出相质点附近就可 能形成微孔并导致裂纹失稳扩展,直至断裂。此时整个裂纹界面的平均应力σ c 仍低于σ 0.2,也就是说含裂纹的脆性材料往往表现出低应力断裂,但断裂源于 微孔聚集方式,微观断口形貌仍具有韧窝特征。 6-10 何谓断裂韧度,它在机械设计中有何功用? 答: 应力强度因子:材料中不可避免的存在裂纹,当含有裂纹的材料受外加应力σ 作 用时,裂纹尖端应力场的各应力分量中均有一个共同因子 KI(KI=σ √π a,a 为 裂纹长度的一半),用KI 表示裂纹尖端应力场的强弱,简称应力强度因子。 断裂韧度:当外加应力达到临界值σ c 时,裂纹开始失稳扩展,引起断裂,相应 地KI 值增加到临界值 Kc,这个临界应力场强度因子 Kc 称为材料的断裂韧度,可 以通过实验测得。 平面应变断裂韧度:对同一材料来说,Kc 取决于材料的厚度:随着厚度的增加, Kc 单调减小至一常数 KIc,这时裂纹尖端区域处于平面应变状态,KIc 称为平面应 变断裂韧度。 在机械设计中的功用: 1、确定构件的安全性。根据探伤测定构件中的缺陷尺寸,在确定构件工作应力 后,即可算出裂纹尖端应力强度因子 KI。与构件材料的 KIc 相比,如果 KI