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作业习题第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能 一、 解释下列名词滞弹性:在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。 弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。 比例极限:应力应变曲线上符合线性关系的最高应力。二、金属的弹性模量主要取决于什么？为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能? 答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力,而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标,这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度）有显著影响，但对材料的刚度影响不大.三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义? 答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象.特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了. 包辛格效应可以用位错理论解释.第一，在原先加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，这背应力反作用于位错源,当背应力（取决于塞积时产生的应力集中）足够大时，可使位错源停止开动.背应力是一种长程(晶粒或位错胞尺寸范围)内应力，是金属基体平均内应力的度量。因为预变形时位错运动的方向和背应力的方向相反,而当反向加载时位错运动的方向与原来的方向相反了,和背应力方向一致，背应力帮助位错运动,塑性变形容易了，于是,经过预变形再反向加载，其屈服强度就降低了.这一般被认为是产生包辛格效应的主要原因。其次，在反向加载时，在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号，要引起异号位错消毁，这也会引起材料的软化，屈服强度的降低。 实际意义：在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。其次,包辛格效应大的材料,内应力较大.另外包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系,在高周疲劳中，包辛格效应小的疲劳寿命高,而包辛格效应大的，由于疲劳软化也较严重，对高周疲劳寿命不利。作业习题第二章金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词： (1）应力状态软性系数材料最大且盈利与最大正赢利的比值，记为。 （2）缺口效应缺口材料在静载荷作用下,缺口截面上的应力状态发生的变化。 （3）缺口敏感度-金属材料的缺口敏感性指标,用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值表示。 （4)布氏硬度-用钢球或硬质合金球作为压头,采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度. （5)洛氏硬度-采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头,以测量压痕深度所表示的硬度。 （6)维氏硬度以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头,采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。 （7）努氏硬度-采用两个对面角不等的四棱锥金刚石压头，由试验力除以压痕投影面积得到的硬度. (8）肖氏硬度-采动载荷试验法，根据重锤回跳高度表证的金属硬度。 （9)里氏硬度-采动载荷试验法，根据重锤回跳速度表证的金属硬度。二、说明下列力学性能指标的意义 （1)材料的抗压强度 （2）材料的抗弯强度 （3)-材料的扭转屈服点 （4）-材料的抗扭强度 (5）材料的抗拉强度 （6）NSR材料的缺口敏感度 （7）HBS压头为淬火钢球的材料的布氏硬度 （8）HBW压头为硬质合金球的材料的布氏硬度 （9)HRA材料的洛氏硬度 （）HRB材料的洛氏硬度 ()HRC-材料的洛氏硬度 （）HV-材料的维氏硬度 （）HK材料的努氏硬度 （）HS材料的肖氏硬度 (）HL-材料的里氏硬度三、缺口冲击韧性试验能评定那些材料的低温脆性？那些材料不能用此方法检验和评定？ 答案：缺口冲击韧性试验能评定的材料是低、中强度的体心立方金属以及Bb,Zn,这些材料的冲击韧性对温度是很敏感的。对高强度钢、铝合金和钛合金以及面心立方金属、陶瓷材料等不能用此方法检验和评定。四、在评定材料的缺口敏感应时，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。作业习题第三章材料在冲击载荷下的力学性能 一、解释下列名词 （1）冲击韧度-材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 （2)冲击吸收功-冲击弯曲试验中试样变形和断裂所消耗的功 （3)低温脆性体心立方晶体金属及其合金或某些密派六方晶体金属及其合金在试验温度低于某一温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。 （4）韧脆转变温度-材料呈现低温脆性的临界转变温度. (5)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、说明下列力学性能指标的意义 （1）AK-材料的冲击吸收功 AKV （CVN) 和AKU-V型缺口和U型缺口试样测得的冲击吸收功 (2)FATT50结晶区占整个端口面积50%是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 （4）FTE-以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义的韧脆转变温度 （5）FTP-高阶能对应的温度三、J积分的主要优点是什么？为什么用这种方法测定低中强度材料的断裂韧性要比一般的KIC测定方法其试样尺寸要小很多？ 答案：J积分有一个突出的优点就是可以用来测定低中强度材料的KIC。 对平面应变的断裂韧性KIC,测定时要求裂纹一开始起裂，立即达到全而失稳扩展,并要求沿裂纹全长，除试样两侗表面极小地带外，全部达到平面应变状态。而JIC的测定,不一定要求试样完全满足平面应变条件,试验时，只在裂纹前沿中间地段首先起裂，然后有较长的亚临界稳定扩展的过程，这样只需很小的试验厚度,即只在中心起裂的部分满足平面应变要求,而韧带尺寸范围可以大而积的屈服，甚至全面屈服。因此作为试样的起裂点仍然是平面应变的断裂韧度,这时JIC的是材料的性质。当试样裂纹继续扩展时，进入平面应力的稳定扩展阶段，此时的J不再单独是材料的性质，还与试样尺寸有关。作业习题第四章金属的断裂韧度 一、解释下列名词 （1）低应力脆断：在屈服应力以下发生的断裂。 （2）张开型裂纹：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。 (3）应力强度因子：表示应力场的强弱程度. (4）小范围屈服：塑性尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸为小,小一个数量级以上的屈服. （5)有效屈服应力：发生屈服时的应力 (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 （7)裂纹扩展能量释放率：裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值. （8）J积分：裂纹尖端区的应变能,即应力应变集中程度 （9）COD：裂纹尖端沿应力方向张开所得到的位移。二、疲劳断口有什么特点？ 答案：有疲劳源。在形成疲劳裂纹之后，裂纹慢速扩展，形成贝壳状或海滩状条纹。这种条纹开始时比较密集，以后间距逐渐增大。由于载荷的间断或载荷大小的改变,裂纹经过多次张开闭合并由于裂纹表面的相互摩擦，形成一条条光亮的弧线，叫做疲劳裂纹前沿线，这个区域通常称为疲劳裂纹扩展区,而最后断裂区则和静载下带尖锐缺口试样的断口相似.对于塑性材料，断口为纤维状,对于脆性材料,则为结晶状断口。总之，一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。三、什么是疲劳裂纹门槛值，哪些因素影响其值的大小？ 答案：把裂纹扩展的每一微小过程看成是裂纹体小区域的断裂过程，则设想应力强度因子幅度K=Kmax-Kmin是疲劳裂纹扩展的控制因子，当K小于某临界值Kth时，疲劳裂纹不扩展，所以Kth叫疲劳裂纹扩展的门槛值。 应力比、显微组织、环境及试样的尺寸等因素对Kth的影响很大。作业习题第五章材料的疲劳 一、解释下列名词腐蚀疲劳：材料或零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下造成的失效. 应力腐蚀：材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的破坏。氢脆：就是材料在使用前内部已含有足够的氢并导致了脆性破坏。二、如何判断某一零件的破坏是由应力腐蚀引起的？ 答案：应力腐蚀引起的破坏，常有以下特点: 1、造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一舶是拉伸应力。 2、应力腐蚀造成的破坏，是腕性断裂,没有明显的塑性变形。 3、只有在特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成应力腐蚀。 4、应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9一106m/s，有点象疲劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂。 5、应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴. 6、应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物,而疲劳断口的表面,如果是新鲜断口常常较光滑,有光泽。 7、应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但不要形成绝对化的概念，应力腐蚀裂纹并不总是分技的。 8、应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是晶间断裂.如果是穿晶断裂,其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。三、如何识别氢脆与应力腐蚀? 答案：氢脆和应力腐蚀相比，其特点表现在： 1、实验室中识别氢脆与应力腐蚀的一种办法是,当施加一小的阳极电流，如使开裂加速，则为应力腐蚀；而当施加一小的阴极电流，使开裂加速者则为氢脆。 2、在强度较低的材料中，或者虽为高强度材料但受力不大,存在的残余拉应力也较小这时其断裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此处三向拉应力最大，氢浓集在这里造成断裂。 3、断裂的主裂纹没有分枝的悄况这和应力腐蚀的裂纹是截然不同的. 4、氦脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微. 5、大多数的氢脆断裂（氢化物的氢脆除外），都表现出对温度和形变速率有强烈的依赖关系。氢脆只在一定的温度范围内出现,出现氢脆的温度区间决定于合金的化学成分和形变速率。作业习题第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂 一、名词解释 1、 应力腐蚀:金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下,经过一段时间后所产生的低应力脆断现象. 2、氢脆：由于氢和应力共同作用而导致的金属材料产生脆性断裂的现象. 3、白点:当钢中含有过量的氢时，随着温度降低氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成氢分子。此时,氢的体积发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕裂,而形成微裂纹。 4、氢化物致脆:对于B或B族金属,由于它们与氢有较大的亲和力，极易生成脆性氢化物，是金属脆化，这种现象称氢化物致脆. 5、 氢致延滞断裂：这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂.二、说明下列力学性能指标的意义 1、 scc：材料不发生应力腐蚀的临界应力。 2、 K1scc：应力腐蚀临界应力场强度因子。 3、da/dt：盈利腐蚀列纹扩展速率。三、如何提高材料或零件的抗粘着磨损能力？ 答案： 1、注意一对摩擦副的配对。不要用淬硬钢与软钢配对;不要用软金属与软金属配对。 2、金属间互溶程度越小，晶体结构不同，原子尺寸差别较大，形成化合物倾向较大的金属，构成摩擦副时粘着磨损就较轻微。 3、通过表面化学热处理，如渗硫、硫氮共镕、磷化、软氮化等热处理工艺,使表面生成一化合物薄膜，或为硫化物，磷化物，含氮的化合物,使摩擦系数减小,起到减磨作用也减小粘着磨损。 4、改善润滑条件。四、在什么条件下发生微动磨损？如何减少微动磨损？ 答案：微动磨损通常发生在一对紧配合的零件,在载荷和一定的振动频率作用下，较长时间后会产生松动，这种松动只是微米级的相对滑动，而微小的相对滑动导致了接触金属间的粘着，随后是粘看点的剪切，粘着物脱落。在大气环境下这些脱落物被氧化成氧化物磨屑，由于两摩擦表面的紧密配合，磨屑不易排出，这些磨屑起着磨料的作用，加速了微动磨损的过程。滚压、喷九和表面化学热处理都可因为表层产生压应力，能有效地减少微动磨损。作业习题第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂 一、和常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？答案:1、首先，材料在高温将发生蠕变现象。材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。应变速率越低，载荷作用时间越长,塑性降低得越显著。 2、高温应力松弛. 3、产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降。二、提高材料的蠕变抗力有哪些途径?答案：加入的合金元素阻止刃位错的攀移，以及阻止空位的形成与运动从而阻止其扩散。1、低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段.2、材料常规力学性能的五大指标为:屈服强度、抗拉强度、延伸率断面收缩率、冲击功.3、陶瓷材料增韧的主要途径有相变增韧、微裂纹增韧、表面残余应力增韧、晶须或纤维增韧显微结构增韧以及复合增韧六种.4、常用测定硬度的方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度测试法。1、聚合物的弹性模量对结构非常敏感，它的粘弹性表现为滞后环、应力松弛和蠕变，这种现象与温度、时间密切有关。2、影响屈服强度的内在因素有:结构健、组织、结构、原子本性；外在因素有：温度、应变速率、应力状态。3、缺口对材料的力学性能的影响归结为四个方面： （1)产生应力集中、 （2）引起三相应力状态，使材料脆化、 （3)由应力集中带来应变集中、（4）使缺口附近的应变速率增高。4、低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段.5、材料常规力学性能的五大指标为:屈服强度、抗拉强度、延伸率断面收缩率、冲击功。6、陶瓷材料增韧的主要途径有相变增韧、微裂纹增韧、表面残余应力增韧、晶须或纤维增韧显微结构增韧以及复合增韧六种。请说明下面公式各符号的名称以及其物理意义7、c：断裂应力，表示金属受拉伸离开平衡位置后，位移越大需克服的引力越大,c表示引力的最大值；K1C:平面应变的断裂韧性，它反映了材料组织裂纹扩展的能力;Y:几何形状因子ac：裂纹长度8、对公式进行解释，并说明各符号的名称及其物理意义（5分)答：表示疲劳裂纹扩展速率与裂纹尖端的应力强度因子幅度之间的关系。：裂纹扩展速率（随周次)；c与m:与材料有关的常数；：裂纹尖端的应力强度因子幅度9、ss-蠕变速率，反映材料在一定的应力作用下，发生蠕变的快慢；n为应力指数，n并非完全是材料常数,随着温度的升高，n略有降低；A为常数;为蠕变应力。该公式反映了在稳态蠕变阶段，蠕变速率和蠕变应力之间的关系。10、S=Kn Hollomon 关系式式中n称为加工硬化指数或应变硬化指数,K叫做强度硬化指数.S-真应力真应变若取对数，lnS=lnK+nln1、 提高金属材料的屈服强度有哪些方法?试用已学过的专业知识就每种方法各举一例。答:从组织的影响来看有四种强化机制影响金属材料的屈服强度：固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、晶界和亚晶强化；影响屈服强度的外在因素还有：温度、应变速率、应力状态。随着温度的降低与应变速率的增高，材料的屈服强度也升高.2、 和常温下力学性能相比,金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？造成这种差别的原因何在？答: 首先,材料在高温下将发生蠕变现象，即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断发生变形；其次,材料在高温下不仅强度降低，且塑性也降低.应变越低,载荷作用时间越长,塑性降低得越显著。再次，材料在高温下晶界附近是弱化的区域。但在常温或不太高的温度下，晶界却是阻止变形引起材料强化的因素,细晶粒不仅强度高,塑韧性也好。另外还有高温应力松弛、蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降.材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。3、金属疲劳破坏的特点是什么？典型疲劳断口具有什么特征？提高疲劳强度的途径有哪些？答： 金属疲劳破坏有以下三个特点：第一，断裂时并无明显的宏观塑性变形,断裂前没有预兆,而是突然地破坏；第二，引起疲劳破坏的应力很低,常常低于静载时的屈服强度;第三，疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部分。 一个典型的疲劳断口总是有疲劳源、疲劳裂纹扩展源和最终断裂区三部分组成。4为什么通常体心立方金属显示低温脆性,而面心立方金属一般没有低温脆性?答：对于体心立方金属来说,随着温度的下降屈服强度上升剧烈，但形变硬化速率却对温度不太敏感，因此随着温度下降其抗拉强度与屈服强度的差别基本保持不变,而延伸率则越来越低。这样，当屈服强度上升到和其解离断裂抗力相等时,材料就发生脆断。对于面心立方金属来说，屈服强度随温度降低基本不变,但加工硬化速率却迅速上升，相应地也伴随着抗拉强度迅速上升。均匀延伸率随温度的降低不是减小而是明显增大。故面心立方金属没有冷脆现象。5提高零件的疲劳寿命有哪些方法?试就每种方法各举一应用实例，并对这种方法具体分析,其在抑制疲劳裂纹的萌生中起有益作用，还是在阻碍疲劳裂纹扩展中有良好的效果？答：提高疲劳寿命的方法有：1、采用滚压或喷丸的表面强化方法.因为疲劳裂纹的萌生大多起源于表面，滚压或喷丸时表面的塑性变形受到约束，使表面产生很高的残留压应力，这种情况下表面就不易萌生疲劳裂纹，即使表面有小的裂纹,裂纹也不易扩展。2、利用表面化学热处理的方法来提高零件的疲劳强度。如渗碳氮化等,其表面强化原理和上述的喷丸、滚压法是相同的，也是在渗层表面产生残余压应力.3、减少夹杂物。夹杂物如Al2O3、硅酸盐和MnS等与基体的膨胀系数不同，在淬火过程中使其周围产生应力，在夹杂物和基体之间萌生疲劳裂纹。4、细化晶粒.细化晶粒对阻止疲劳裂纹的萌生和扩展都是有好处的。细化晶粒相当于减小了平均滑移距离,减少了在晶界上位错塞积所引起的应力集中。5、其它因素。对Ti8Al1Mo-1V用铍的表面镀层能显著提高疲劳极限。在零件制造过程中，注意消除磨削和焊接等工艺造成的残余拉应力。6、为什么材料的塑性要以延伸率和断面收缩率这两个指标来度量？它们在工程上各有什么实际意义？答：试样拉断时所测得的延伸率主要反映了材料均匀变形的能力,而断面收缩率则反映了材料局部变形的能力。在试样拉伸过程中，试样伸长包括两部分,均匀伸长（颈缩前）和局部伸长(颈缩后），因此可以用延伸率和断面收缩率来度量材料的塑性。7、缺口对材料的性能有哪些影响?为什么缺口冲击韧性被列为材料常规性能的五大指标之一?它和断裂韧性有何关系？答：影响：1、产生应力集中；2、引起三向应力状态，使材料变脆；3、由应力集中带来应变集中；4、使缺口附近的应变速率增高。原因：测量简便迅速，综合了缺口、低温及高应变速率这三个因素的影响，能够用来控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量；能够评定材料的冷脆倾向。关系:温度对二者的影响类似、加载速率所引起的脆性转变温度的改变一致,二者在低温下有一定的对应关系.8缺口冲击韧性为什么被列为材料常规性能的五大指标之一，怎样正确理解冲击韧性的功能:(a）它是控制工艺的性能指标；（b）它是服役性能指标；（c）两者兼而有之,但要具体分析。你对上述说法有何评论？冲击韧性能理解为材料抵抗冲击载荷而不发生破坏的能力吗？答:缺口冲击韧性试验最大的优点就是测量迅速简便,所以将材料的冲击韧性列为材料的常规力学性能。(a)缺口冲击韧性用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。厂里所规定的冲击韧性值是用来检验材料的冶金质量和热加工工艺是否正常，而不是作为使用性能或服役性能的指标提出的。（b）它是用来评定材料的冷脆倾向。评定脆断倾向的标准常常是和材料的具体服役条件相联系的.在这种情况下所提出的材料冲击韧性值要求，虽然不是一个直接的服役性能，但应理解为和具体服役条件有关的性能指标。冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。而不能理解为材料抵抗冲击载荷而不发生破坏的能力.1、某汽车弹簧，在未装满载时已变形到最大位置,缺载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小,即产生了塑性变形,而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施.答：第一种故障主要是材料的刚度（弹性模量)不足，抵抗弹簧变形能力不够;改进措施：（1）更换弹性模量高的材料；（2）改变材料的截面形状尺寸.第二种故障主要是材料的弹性极限偏低所致;改进措施：（1）更换弹性极限高的材料(2)对材料进行适当热处理3。 材料M比材料N的高温蠕变极限、持久强度以及持久塑性都高,而且表现出高温“强韧化”特点.请在蠕变曲线图上画出材料M和材料N的相对位置,并做以说明。答:材料M和N的应力应变曲线示意图如下.横坐标为应变值；纵坐标为应力值,材料M在断裂时的最大应力值大于材料N,也就是，材料M的强度比材料N要大.材料M，在应力应变曲线上有明显的塑性变形阶段，而材料N达到最大应力值时就断裂了,说明材料M的塑性较好。2一直径为2。5mm,长为200mm的杆，在载荷2000N作用下，直径缩小为2.2mm,试计算：（1）杆的最终长度;（2）在该载荷作用下的真应力S与真应变；（3）在该载荷作用下的条件应力与条件应变.答：（1)100=100%=100%=22.56%=29。13%最终杆长:l=(1+)=200（1+29.13)=258。26mm（备注:也可利用体积不变定律计算）（2)S=526。13Mpa=25.56 （或=25.56%）(3) =407。44 Mpa(或S=526。131(122。56）407.44 Mpa100=29.134。 产生颈缩的应力条件是什么？ 要抑制颈缩的发生有哪些方法？答：当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩。措施：提高加工硬化指数。