1、材料力学性能课后答案(整理版)1、解释下列名词。1 弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。2滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。3循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。4包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。5解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。6塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。韧性：指金属材料断
2、裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为 b 的台阶。8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志。9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来
3、的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等决定金属屈服强度的因素有哪些？ 答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。外在因素：温度、应变速率和应力状态。2、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？ 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前
4、基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。3、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？ 答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。4、何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。5、论述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推导格雷菲斯方程，并指
5、出该理论的局限性。答： ，只适用于脆性固体,也就是只适用于那些裂纹尖端塑21aEsc性变形可以忽略的情况。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 材料或工件所承受的最大切应力 max和最大正应力 max比值，即： 【新书 P39 旧书 P46】321max5.0（2）缺口效应 绝大多数机件的横截面都不是均匀而无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等，这种截面变化的部分可视为“缺口” ，由于缺口的存在，在载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的缺口效应。（3）缺口敏感度缺口试样的抗拉强度 bn的与等截面尺
6、寸光滑试样的抗拉强度 b 的比值，称为缺口敏感度，即：（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（
7、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）HBW压头为硬质合金球的材料的布氏硬度（8）HRA材料的洛氏硬度（9）HRB材料的洛氏硬度（10）HRC材料的洛氏硬度（11）HV材料的维氏硬度三、试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围试验方法 特点 应用范围拉伸 温度、应力状态和加载速率确定，采用光滑圆柱试样，试验简 塑性变形抗力和切断强度较低的塑性材料。单，应力状态软性系数较硬。压缩应力状态软，一般都能产生塑性变形，试样常沿与轴线呈 45方向产生断裂，具有切断特征。脆性材料，以观察脆性材料在韧性状态下所表现的力学行为。弯曲弯曲试
8、样形状简单，操作方便；不存在拉伸试验时试样轴线与力偏斜问题，没有附加应力影响试验结果，可用试样弯曲挠度显示材料的塑性；弯曲试样表面应力最大，可灵敏地反映材料表面缺陷。测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。也常用于比较和鉴别渗碳和表面淬火等化学热处理机件的质量和性能。扭转应力状态软性系数为 0.8，比拉伸时大，易于显示金属的塑性行为；试样在整个长度上的塑性变形时均匀，没有紧缩现象，能实现大塑性变形量下的试验；较能敏感地反映出金属表面缺陷和及表面硬化层的性能；试样所承受的最大正应力与最大切应力大体相等用来研究金属在热加工条件下的流变性能和断裂性能，评定材料的
9、热压力加工型，并未确定生产条件下的热加工工艺参数提供依据；研究或检验热处理工件的表面质量和各种表面强化工艺的效果。五、缺口试样拉伸时的应力分布有何特点？ 在弹性状态下的应力分布：薄板：在缺口根部处于单向拉应力状态，在板中心部位处于两向拉伸平面应力状态。厚板：在缺口根部处于两向拉应力状态，缺口内侧处三向拉伸平面应变状态。无论脆性材料或塑性材料，都因机件上的缺口造成两向或三向应力状态和应力集中而产生脆性倾向，降低了机件的使用安全性。为了评定不同金属材料的缺口变脆倾向，必须采用缺口试样进行静载力学性能试验。八.今有如下零件和材料需要测定硬度，试说明选择何种硬度实验方法为宜。（1）渗碳层的硬度分布；（
10、2）淬火钢；（3）灰铸铁；（4）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体；（5）仪表小黄铜齿轮；（6）龙门刨床导轨；（7）渗氮层；（8）高速钢刀具；（9）退火态低碳钢；（10）硬质合金。（1）渗碳层的硬度分布- HK 或-显微 HV（2）淬火钢-HRC（3）灰铸铁-HB（4）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体-显微 HV 或者 HK（5）仪表小黄铜齿轮-HV（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第三章 金属在冲击载荷下的力学性能冲击韧性: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
11、】冲击韧度: :U 形缺口冲击吸收功 除以冲击试样缺口底部截面积所得KUA之商，称为冲击韧度，ku=Aku/S （J/cm2）, 反应了材料抵抗冲击载荷的能力,用 表示。P57 注释/P67 KUa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 表示，KA单位为 J。P57/P67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 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kt由微孔聚集型变为穿晶解
12、理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。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、 （1） ：冲击吸收功。含义见上面。冲击吸收功不能真正代表材料KA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 (CVN)：V 型缺口试样冲击吸收功. AKU：U 型缺口冲击吸收功.（2）FATT50：通常取结晶区面积占整个断口面积 50%时的温度为 ，并记为kt50%FATT，或 FATT50%，t50。 （或:结晶区占整个断口面积 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
13、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四、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
14、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，材料脆性提高。3显微组织：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。 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
15、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。五. 试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。焊接容易在焊缝处形成粗大金相组织气孔、夹渣、未熔合、未焊透、错边、咬边等缺陷，增加裂纹敏感度，增加材料的脆性，容易发生脆性断裂。七. 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
16、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，对低碳钢施加一高速到高于屈服强度时，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。第四章 金属的断裂韧度2.名词解释低应力脆断：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。张开型（ 型）裂纹： 拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿
17、作用力方向张开，沿裂纹面扩展的裂纹。应力场强度因子 ： 在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚K与强度因子 有关，对于某一确定的点，其应力分量由 确定， 越大，则K应力场各点应力分量也越大，这样 就可以表示应力场的强弱程度，称 为应K力场强度因子。 “I”表示 I 型裂纹。小范围屈服： 塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸为小时（小一个数量级以上） ，这就称为小范围屈服。有效屈服应力：裂纹在发生屈服时的应力。有效裂纹长度：因裂纹尖端应力的分布特性，裂尖前沿产生有塑性屈服区，屈服区内松弛的应力将叠加至屈服区之外，从而使屈服区之外的应力增加，其效果相当于因裂纹长度增加 ry 后对裂纹尖端应
18、力场的影响，经修正后的裂纹长度即为有效裂纹长度: a+ry。裂纹扩展 K 判据：裂纹在受力时只要满足 ，就会发生脆性断裂.反之，ICIK即使存在裂纹，若 也不会断裂。新 P71：旧ICI2、说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系和 答： 临界或失稳状态的 记作 或 ， 为平面应变下的断CK KCCK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。 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 值与试样厚度有关。当试样厚度增加，使 C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 ，它C与试样厚度无关，而是真正的
19、材料常数。3、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。4、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：由 41 可知，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 r0 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
20、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。5、试述应力场强度因子的意义及典型裂纹 的表达式K答：几种裂纹的 表达式，无限大板穿透裂纹： ；有限宽板穿透裂Ka纹： ；有限宽板单边直裂纹： 当 b a 时，)(baf )(f ；受弯单边裂纹梁： ；无限大物体内部有椭圆2.1 )(62/3bfaMK片裂纹，远处受均匀拉伸： ；无限大物体表面有4/122)cossin半椭圆裂纹，远处均受拉伸：A 点的 。 aK1.7、试述裂纹尖端塑
21、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 y 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，塑性区宽度总是与（KIC/s)2 成正比。13、断裂韧度与强度、塑性之间的关系：总的来说，断裂韧度随强度的升高而降低。15、影响的冶金因素：内因：1、学成分的影响；2、集体相结构和晶粒大小的影响；3、杂质及第二相的影响；4、显微组织的影响。外因：1、温度；2、应变速率。16.有一大型板件，材
22、料的 0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，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应力为 =900MPa根据 /0.2 的值，确定裂纹断裂韧度 KIC 是否休要修正因为 /0.2=900/1200=0.750.7，所以裂纹断裂韧度 KIC 需要修正对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的 KI 为：=（MPa*m1/2）塑性区宽度为： =0.004417937(m)= 2.21(mm)比较 K1 与 KIc：因为 K1=168.13（MPa*m1/2）KIc=1
23、15（MPa*m1/2）所以：K1KIc ，裂纹会失稳扩展 , 所以该件不安全。17.有一轴件平行轴向工作应力 150MPa，使用中发现横向疲劳脆性正断，断口分析表明有 25mm 深度的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹 a/c 可以确定 =1，测试材料的 0.2=720MPa ，试估算材料的断裂韧度 KIC 为多少？解： 因为 /0.2=150/720=0.208Kth 时，da/dN0,疲劳裂纹才开始扩展。因此，Kth 是疲劳裂纹不扩展的 K 临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。 4试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程（新书 P9698 及 PPT，旧书P109111）答：典型疲劳断口具有三个形貌不同的
24、区域疲劳源、疲劳区及瞬断区。（1） 疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，疲劳源区的光亮度最大，因为这里在整个裂纹亚稳扩展过程中断面不断摩擦挤压，故显示光亮平滑，另疲劳源的贝纹线细小。（2） 疲劳区的疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，是判断疲劳断裂的重要特征证据。特征是：断口比较光滑并分布有贝纹线。断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。贝纹线是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动与停歇，偶然过载引起的载荷变动，使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。（3） 瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。其断口比疲劳区粗糙，脆性材料为结晶状断口，韧性材料为纤维状断口。6试述疲劳图的意义、建
25、立及用途。 （新书 P101102，旧书 P115117）答：定义：疲劳图是各种循环疲劳极限的集合图，也是疲劳曲线的另一种表达形式。意义：很多机件或构件是在不对称循环载荷下工作的，因此还需知道材料的不对称循环疲劳极限，以适应这类机件的设计和选材的需要。通常是用工程作图法，由疲劳图求得各种不对称循环的疲劳极限。1、 疲劳图am建立：这种图的纵坐标以 表示，横坐标以 表示。然后，以不同应力比 ram条件下将 表示的疲劳极限 分解为 和 ，并在该坐标系中作 ABC 曲线，maxra即为 疲劳图。其几何关系为：a maxini1()12tna r（用途）：我们知道应力比 r，将其代入试中，即可求得 和
26、 ，而后从坐t标原点 O 引直线，令其与横坐标的夹角等于 值，该直线与曲线 ABC 相交的交点 B 便是所求的点，其纵、横坐标之和，即为相应 r 的疲劳极限 ，rB。ramB2、 疲劳图xin()建立：这种图的纵坐标以 或 表示，横坐标以 表示。然后将不同应力maxinm比 r 下的疲劳极限，分别以 和 表示于上述坐标系中，就形成这种i()m疲劳图。几何关系为： axaxin2tn1r（用途）：我们只要知道应力比 r,就可代入上试求得 和 ，而后从坐标ta原点 O 引一直线 OH，令其与横坐标的夹角等于 ，该直线与曲线 AHC 相交的交点 H 的纵坐标即为疲劳极限。8试述影响疲劳裂纹扩展速率的
27、主要因素。 （新书 P107109，旧书 P123125）答：1、应力比 r（或平均应力 ）的影响：Forman 提出：m()ncdaKN残余压应力因会减小 r,使 降低和 升高，对疲劳寿命有利；而残余拉应daNthK力因会增大 r，使 升高和 降低，对疲劳寿命不利。daNthK2、过载峰的影响：偶然过载进入过载损伤区内，使材料受到损伤并降低疲劳寿命。但若过载适当，有时反而是有益的。3、材料组织的影响：晶粒大小：晶粒越粗大，其 值越高， 越低，对thKdaN疲劳寿命越有利。组织：钢的含碳量越低，铁素体含量越多时，其 值就thK越高。当钢的淬火组织中存在一定量的残余奥氏体和贝氏体等韧性组织时，可
28、以提高钢的 ，降低 。喷丸处理：喷丸强化也能提高 。thKdaNth9试述疲劳微观断口的主要特征。答：断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称疲劳条带（疲劳条纹、疲劳辉纹） 。疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征。滑移系多的面心立方金属，其疲劳条带明显；滑移系少或组织复杂的金属，其疲劳条带短窄而紊乱。疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型(Laird 模型)：图中(a),在交变应力为零时裂纹闭合。图(b)，受拉应力时，裂纹张开，在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移。图(c),裂纹张开至最大，塑性变形区扩大，裂纹尖端张开呈半圆形，裂纹停止扩展。由于塑性变形裂纹尖端的应力集中减小，裂纹停止扩展的过程称为“塑性钝化” 。图(d)，当应力变为压缩应力时，滑移方向也改变了，裂纹尖端被压弯成“耳状”切口。图(e)，到压缩应力为最大值时，裂纹完全闭合，裂纹尖端又由钝变锐，形成一对尖角。
