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准则，临界裂纹长度ac（即内部裂纹长度的一半）可以取值为 压力容器的壁厚t。允许ac = t 而非 ac = t/2，保证在危险的高压力积累之前发生液体泄露。使用这一准则，将金属合金按类别列表见附录B表B.5，以及最大许用压力。 对于这种球形压力容器，根据下式圆周应力是容器内压力p、半径r和壁厚t的函数
(9.15)
对(a) 和 (b) 均假定为平面应变条件。 解答:
(a) 对第一条设计准则，希望圆周应力小于材料的屈服强度。以σy代公式9.11中的σ，把安全因子N合并得：
由公式9.15得
(9.18)
(9.16)
这里，ac为临界裂纹长度，解出ac得到下式：
(9.19)
用屈服强度代替应力，由于容器要设计成容许压力而不屈服，因此，将公式9.19 带入 9.18，整理后得到下式：
(9.17)
因此，临界裂纹长度与KIc-σy比值的平方呈正比。基于表B.5金属的分类，给出了表9.2，可见，中碳钢（1040）具有最大的比值和最长的临界裂纹长度，因此，根据这一准则，为最合适的材料。
(b) 如前所述，破坏前泄露准则只是当内部裂纹长度的一半等于压力容器壁厚时才会碰到，即a = t. 将 a = t 带入公式9.11得：
(9.20)
因此，对给定半径为r的球罐，与破坏前泄露准则一致的最大许用压力与K2Ic/ σy成正比。根据这一比值将相同的一些材料列于表9.3，如表所注，中碳钢允许压力最大。在表B.5列出的11种金属合金中，根据屈服和破坏前泄露两个准则，中碳钢均排在第一位。因此，当不必考虑高温和腐蚀时很多压力容器都是用中碳钢制造的。
9.3 What is the magnitude of the maximum stress that exists at the tip of an internal crack having a radius of curvature of 2.5 × 10-4 mm and a
crack length of 2.5 × 10-2 mm when a tensile stress of 170 MPa is applied? σm=2404MPa 9.3求曲率半径为2.5 × 10-4 mm和裂纹长度2.5 × 10-2 mm的内部裂纹尖端最大应力幅值，施加拉伸应力为170 MPa。 解：2a=2.5 × 10-2 mm
?m?2?0(a?2?t)1/2?2?170MPa(2.5?102.5?10?4mmmm?2)1/2?2404MPa
9.16 A specimen of a 4340 steel alloy having a plane strain fracture toughness of 45 MPa
m is exposed to a stress of 1000 MPa. Will this
specimen experience fracture if it is known that the largest surface crack is 0.75 mm long? Why or why not? Assume that the parameter Y has a value of 1.0.
9.16 4340钢合金试件平面应变断裂韧性为45 MPa
么会断裂或不断裂？假设参数Y 的值为1.0。 解：由平面应变断裂韧性公式KIc?Y? KIc?Y???KIcYm，受应力1000 MPa，如果已知最大的表面裂纹长0.75 mm，试件会断裂吗？为什
?a得：
?a?1.0?1000MPa??0.75?10?3m?48.53MPam>45 MPam
?a
9.26 Tabulated below are data that were gathered from a series of Charpy impact tests on a ductile cast iron:
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Temperature (℃)
Impact Energy (J) 冲击功 124
温度
-25 -50 -75 -85 -100 -110 -125 -150 -175
140120Impact energy123 115 100 73 52 26 9 6
100806040200-200-10009.26 Temperature (a) Plot the data as impact energy versus temperature.
(b) Determine a ductile-to-brittle transition temperature as that temperature corresponding to the average of the maximum and minimum impact energies. -105℃ (c) Determine a ductile-to-brittle transition temperature as that temperature at which the impact energy is 80 J. -95℃ 9.26 下表中收集的数据是从一系列球铁却贝冲击试验得到的：
(a)把数据作图，冲击功对温度
(b)确定最大和最小冲击功的平均值对应的韧性—脆性转变温度。 (c)确定对应于冲击功为80 J的温度作为塑性—脆性转变温度。 9.33 The fatigue data for a brass alloy are given as follows:
(a) Make an S–N plot (stress amplitude versus logarithm cycles to failure) using these data. (b) Determine the fatigue strength at 5×105 cycles. S=250MPa (c) Determine the fatigue life for 200 MPa. Nf≈2.2×106 cycles 9.33给出黄铜疲劳数据如下：
(a)用这些数据作出S–N曲线图（应力幅值对失效循环的对数作图）。 (b)寿
9.44 List four measures that may be taken to increase the resistance to a metal alloy.
9.44列出四个可采取的增加金属合金疲劳抗力的措施。
A．减少平均应力水平
B．适当表面处理改善疲劳寿命
C．避免设计沟槽等几何不连续造成应力集中，可采取过渡圆角 D．通过喷丸处理消除表面残余压应力 E ．通过渗碳、渗氮处理使表面硬化 Design Problems 设计题
Stress Amplitude (MPa) 应
力幅值 310 223 191 168 153 143 134 127
Cycles to Failure失
fatigue of
确定循环数为5 × 105时的疲劳强度。(c)确定200 MPa时的疲劳命。
效循环数
2×10 1×106 3×106 1×107 3×107 1×108 3×108 1×109
5
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9.D6 (a) For the thin-walled spherical tank discussed in Design Example 9.1, on the basis of critical crack size criterion [as addressed in part (a)], rank the following polymers from longest to shortest critical crack length: nylon 6,6 (50% relative humidity), polycarbonate, polyethylene terephthalate, and polymethyl methacrylate. Comment on the magnitude range of the computed values used in the ranking relative to those tabulated for metal alloys as provided in Table 9.2. For these computations, use data contained in Tables B.4 and B.5 in Appendix B. (b) Now rank these same four polymers relative to maximum allowable pressure according to the leak-before-break criterion, as described in the (b) portion of Design Example 9.1. As above, comment on these values in relation to those for the metal alloys that are tabulated in Table 9.3.
9.D6 (a) 在设计举例9.1中讨论的薄壁球罐，根据临界裂纹尺寸判据[如(a)部分所讨论的]将下列高分子按照临界裂纹从最长到最短排列：尼龙6,6 (50% 相对湿度)，聚碳酸酯、聚乙烯、对苯二酸盐(或酯)、聚甲基丙烯酸甲酯。相对于表9.2所列的金属合金评价计算值的数量级范围。使用附录B中表B.4 and B.5的数据进行计算。
(b) 现在根据破坏前泄露的准则，按最大允许压力排列这四种高分子，如同设计举例9.1的(b)部分，同上，与表9.3列出的金属合金的值相比，评价这些值。
Chapter thirteen Types and Applications of Materials 第13章 材料的类型及应用 Learning Objectives
1、认出四种不同类型的钢，给出每种的成分差别，独特的性质和典型应用。
低碳钢含碳量小于0.25%铁素钢。易於接受各种加工如锻造, 焊接和切削, 常用於制造链条, 铆钉, 螺栓, 轴等。
中碳钢碳量0.25％～0.60％的碳素钢。有镇静钢、半镇静钢、沸腾钢等多种产品。除碳外还可含有少量锰(0.70％～1.20％)。按产品质量分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。热加工及切削性能良好，焊接性能较差。强度、硬度比低碳钢高，而塑性和韧性低于低碳钢。可不经热处理，直接使用热轧材、冷拉材，亦可经热处理后使用。淬火、回火后的中碳钢具有良好的综合力学性能。能够达到的最高硬度约为HRC55(HB538)，σb为600～1100MPa。所以在中等强度水平的各种用途中，中碳钢得到最广泛的应用，除作为建筑材料外，还大量用于制造各种机械零件。
高碳钢常称工具钢 , 含碳量从0.60%至1.40%, 可以淬硬和回火。锤, 撬棍等由含碳量0.75%的钢制造; 切削工具如钻头, 丝攻, 铰刀等由含碳量0.90% 至1.00% 的钢制造。
高合金钢 合金元素的总含量一般在10%以上的合金钢。可用于制造使用温度高于600℃的化工设备。包括不锈钢耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。又称不锈耐酸钢。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素，当钢中含铬量达到12％左右时，铬与腐蚀介质中的氧作用，在钢表面形成一层很薄的氧化膜（ 自钝化膜），可阻止钢的基体进一步腐蚀。除铬外，常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。不锈钢通常按基体组织分为：①铁素体不锈钢。含铬12％～30％。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高 ， 耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。②奥氏体不锈钢。含铬大于18％，还含有 8％左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。③奥氏体 - 铁素体双相不锈钢。兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。④马氏体不锈钢。强度高，但塑性和可焊性较差。 钢的热处理及机械性能指标：
热处理(Heat Treatment) - 是利用加热和冷却以改变金属物理性质的方法。 热处理能改善钢的显微结构, 使达到所需的物理要求。韧性, 硬度 和耐磨性 是通过热处理而获得的特性中的几种。 要获得这些特性, 需使用热处理中的淬硬<又称淬火>, 回火, 退火<又称朡化>和表面淬硬等操作。
淬硬(Hardening, 又称淬火) - 是将金属均匀地加热至适当温度, 然后迅速浸入水或油中急冷, 或在空气中或冷冻区中冷却, 使金属获得所需要的硬度。
回火 - 钢件淬硬后会变脆, 同时由淬火急冷而引致的应力, 可使钢件受到轻击而断裂。 要消除脆性, 可用回火处理法。 回火就是将钢件重新加热至适当的温度或颜色, 然后予以急冷。 回火虽然使钢的硬度略为减少, 但可增加钢的韧性而降低其脆性。
退火 - 退火是消除钢件的内在应力和勒化钢件的方法。 退火法是将钢件加热至高于临界温度, 然后放入干灰, 石灰, 石棉或封闭在炉内, 令它慢慢冷却。
硬度(Hardness) - 是材料抵抗外物刺入的一种能力。试验钢铁硬度的最普通方法是用锉刀在工件边缘上锉擦, 由其表面所呈现的擦痕深浅以判定其硬度的高低。 这种方法称为锉试法 这种方法不太科学。 用硬度试验器来试验极为准确, 是现代试验硬度常用的方法。 最常用的试验法有洛氏硬度试验 洛氏硬度试验机利用钻石冲入金属的深度来测定金属的硬度, 冲入深度愈大, 硬度愈小。 钻石冲入金属的深度, 可从指针指出正确的数字, 该数字称为洛氏硬度数。
锻造 - 是用锤击使金属成为一定形状<成型> 的方法, 当钢件加热达到锻造温度时, 可以从事锻造, 弯屈, 抽拉, 成型等操作。 大多
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数钢材加热至鲜明樱红色时都很易锻造。
脆性 - 表示金属容易破裂的性质, 铸铁的脆性大, 甚至跌落地上亦会破裂。 脆性与硬度有密切关系, 硬度高的材料通常脆性亦大。 延性 - (又称柔软性) 是金属受外力永久变形而不碎裂的性质, 延性的金属可抽拉成细线。
弹性 - 是金属受外力变形, 当外力消除之后又恢复其原有形状的一种性质。 弹簧钢是极富弹性的一种材料。 硬度 - 是金属抵抗外物刺入或切削的一种能增加钢材硬度常用的方法是淬火。
展性 - 又称可锻性, 是金属延性或柔软性的另一种表示法。 展性是金属接受锤锻或滚轧而变形时不致破裂的一种性质。 韧性
铸铁：含碳量在2％以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为2％～4％。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有1％～3％的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。铸铁可分为：
①灰口铸铁。含碳量较高（2.7％～4.0％），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（1145～1250℃），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。
②白口铸铁。碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态存在，断口呈银白色。凝固时收缩大，易产生缩孔、裂纹。硬度高，脆性大，不能承受冲击载荷。多用作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。
③可锻铸铁。由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈团絮状分布，简称韧铁。其组织性能均匀，耐磨损，有良好的塑性和韧性。用于制造形状复杂、能承受强动载荷的零件。
④球墨铸铁。将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。
⑤蠕墨铸铁。将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。力学性能与球墨铸铁相近，铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。用于制造汽车的零部件。
⑥合金铸铁。普通铸铁加入适量合金元素（如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等）获得。合金元素使铸铁的基体组织发生变化，从而具有相应的耐热、耐磨、耐蚀、耐低温或无磁等特性。用于制造矿山、化工机械和仪器、仪表等的零部件。
灰口铸铁 可锻铸铁 白口铸铁
球墨铸铁 3、认出七种不同类型的有色合金，描述每种的独特物理和力学性质，此外，列出至少三个典型应用。
铜及铜合金 以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色﹐又称紫铜。纯铜密度为8.96﹐熔点为1083℃﹐具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性。主要用于制作发电机﹑母线﹑电缆﹑开关装置﹑变压器等电工器材和热交换器﹑管道﹑太阳能加热装置的平板集热器等导热器材。常用的铜合金分为黄铜﹑青铜﹑白铜3大类。
黄铜 以锌作主要添加元素的铜合金﹐具有美观的黄色﹐统称黄铜。铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。含锌低於36％的黄铜合金由固溶体组成﹐具有良好的冷加工性能﹐如含锌30％的黄铜常用来制作弹壳﹐俗称
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弹壳黄铜或七三黄铜。含锌在36～42％之间的黄铜合金由和固溶体组成﹐其中最常用的是含锌40％的六四黄铜。为了改善普通黄铜的性能﹐常添加其他元素﹐如铝﹑镍﹑锰﹑锡﹑硅﹑铅等。铝能提高黄铜的强度﹑硬度和耐蚀性﹐但使塑性降低﹐适合作海轮冷凝管及其他耐蚀零件。锡能提高黄铜的强度和对海水的耐腐性﹐故称海军黄铜﹐用作船舶热工设备和螺旋桨等。铅能改善黄铜的切削性能﹔这种易切削黄铜常用作钟表零件。黄铜铸件常用来制作阀门和管道配件等。
青铜 原指铜锡合金﹐后除黄铜﹑白铜以外的铜合金均称青铜﹐并常在青铜名字前冠以第一主要添加元素的名。锡青铜的铸造性能﹑减摩性能好和机械性能好﹐适合於制造轴承﹑蜗轮﹑齿轮等。铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料。铝青铜强度高﹐耐磨性和耐蚀性好﹐用於铸造高载荷的齿轮﹑轴套﹑船用螺旋桨等。铍青铜和磷青铜的弹性极限高﹐导电性好﹐适於制造精密弹簧和电接触元件﹐铍青铜还用来制造煤矿﹑油库等使用的无火花工具。
白铜 以镍为主要添加元素的铜合金。铜镍二元合金称普通白铜﹔加有锰﹑铁﹑锌﹑铝等元素的白铜合金称复杂白铜。工业用白铜分为结构白铜和电工白铜两大类。结构白铜的特点是机械性能和耐蚀性好﹐色泽美观。这种白铜广泛用於制造精密机械﹑化工机械和船舶构件。电工白铜一般有良好的热电性能。锰铜﹑康铜﹑考铜是含锰量不同的锰白铜﹐是制造精密电工仪器﹑变阻器﹑精密电阻﹑应变片﹑热电偶等用的材料。
铝及铝合金根据铝合金的成分和生产工艺特点,通常分为形变与铸造铝合金两大类.工业上应用的主要有铝-锰,铝-镁,铝-镁-铜,铝-镁-硅-铜,铝-锌-镁-铜等合金.变形铝合金也叫熟铝合金,据其成分和性能特点又分为防锈铝,硬铝,超硬铝,锻铝和特殊铝等五种.
铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如铝—锰合金、铝—铜合金、铝—铜—镁系硬铝合金、铝—锌—镁—铜系超硬铝合金。铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。
铝合金仍然保持了质轻的特点，但机械性能明显提高。铝合金材料的应用有以下三个方面：一是作为受力构件；二是作为门、窗、管、盖、壳等材料；三是作为装饰和绝热材料。利用铝合金阳极氧化处理后可以进行着色的特点，制成各种装饰品。铝合金板材、型材表面可以进行防腐、轧花、涂装、印刷等二次加工，制成各种装饰板材、型材，作为装饰材料。 成本低，而且使用一种加工工艺可以大量生产同样的零部件，这也是他的特点之一。
它的材料特性是轻、容易加工、以及在可耐强度方面不象碳素纤维有一个最大受力范围，铝合金在承受了一定的力量后，会慢慢变形再损坏。
还有就是铝合金容易加工和具有高度的散热性。特别是车辆引擎部分特别适合使用铝合金材料。此外，铝合金的加工工艺多种多样。通用性较强。
镁及镁合金 镁合金的特点:在实用金属中是最轻的金属,镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。它是实用金属中的最轻的金属,高强度、高刚性。
应用范围:镁合金广泛用于携带式的器械和汽车行业中，达到轻量化的目的。
镁合金的比重虽然比塑料重，但是，单位重量的强度和弹性率比塑料高，所以，在同样的强度零部件的情况下，镁合金的零部件能做得比塑料的薄而且轻。另外，由于镁合金的比强度也比铝合金和铁高，因此，在不减少零部件的强度下，可减轻铝或铁的零部件的重量。
应用范围:手机电话，笔记本电脑上的液晶屏幕的尺寸年年增大，在它们的枝撑框架和背面的壳体上使用了镁合金。
传热性:虽然镁合金的导热系数不及铝合金，但是，比塑料高出数十倍，因此，镁合金用于电器产品上，可有效地将内部的热散发到外面。应用范围:在内部产生高温的电脑和投影仪等的外壳和散热部件上使用镁合金。电视机的外壳上使用镁合金可做到无散热孔。 电磁波屏蔽性:镁合金的电磁波屏蔽性能比在塑料上电镀屏蔽膜的效果好，因此，使用镁合金可省去电磁波屏蔽膜的电镀工序。 应用范围:在手机电话的壳体和屏蔽材料上使用了镁合金。机械加工性能:镁合金比其他金属的切削阻力小，在机械加工时，可以较快的速度加工。
耐凹陷性好:镁合金与其他金属相比抗变形力大，由冲撞而引起的凹陷小于其他金属。
对振动?冲击的吸收性:由于镁合金对振动能量的吸收性能好，使用在驱动和传动的部件上可减少振动。另外，冲击能量吸收性能好，比铝合金具有更好的延伸率的镁合金，受到冲击后，能吸收冲击能量而不会产生断裂。
应用范围:在硬盘驱动器的读出装置等的振动源附近的零件上使用镁合金。若在风扇的风叶上使用镁合金，可减小振动达到低骚音。此外，为了在汽车受到撞击后提高吸收冲击力和轻量化，在方向盘和坐椅上使用镁合金。 抗蠕变性能:镁随着时间和温度的变化在尺寸上蠕变少。
再生:镁合金与塑料不同，它可以简单地再生使用且不降低其机械性能，而塑料很难在不降低其机械性能再生使用。镁合金与其他金属相比，熔点低，比热小，在再生熔解时所消耗的能源是新材料制造所消耗的能源的4%。
钛及钛合金 钛合金按组织可分三类.(1钛中加入铝和锡元素.2钛中加入铝铬钼钒等合金元素.3钛中加入铝和钒等元素.)钛合金具有强度高而密度又小,机械性能好,韧性和抗蚀性能很好.另外:钛合金的工艺性能差,切削加工困难.在热加工中,非常容易吸收氢氧氮碳等杂质.还有抗磨性差,生产工艺复杂.
以钛为基加入其他元素组成的合金。钛的工业化生产是1948年开始的。航空工业发展的需要，使钛工业以平均每年约 8％的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是
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