1、本学期材料性能学作业及答案 第一次作业 P36-37 第一章 1 名词解释 4、 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。 10、 将某材料制成长 50mm，直径 5mm的圆柱形拉伸试样，当进行拉伸试验时塑性变形阶段的外力 F 与长度增量 L的关系为： F/N 6000 8000 10000 12000 14000 L 1 2.5 4.5 7.5 11.5 求该材料的硬化系数 K 及应变硬化指数 n。 解：已知： L0=50mm， r=2.5mm， F 与 L 如上表所示， 由公式（工程应力） =
2、F/A0,（工程应变） = L/L0,A0= r2,可计算得：A0=19.6350mm2 1= 305.5768， 1=0.0200， 2=407.4357 ， 2=0.0500， 3= 509.2946， 3=0.0900， 4= 611.1536， 4=0.1500， 5= 713.0125， 5=0.2300， 又由公式（真应变） e=ln(L/L0)=ln(1+ )， （真应力） S= （ 1+），计算得： e1=0.0199， S1=311.6883， e2=0.0489， S2=427.8075， e3=0.0864， S3=555.1311， e4=0.1402， S4=702.
3、8266， e5=0.2076， S5=877.0053， 又由公式 S=Ken，即 lgS=lgK+nlge，可计算出 K=1.2379103， n=0.3521。 11、 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，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性 很大。 韧性断裂 ：是断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂 特征： 断裂面一般平行于最大切应力与主应力成 45 度角。 断口成纤维状（塑变中微裂纹扩展和连接），灰暗色
4、（反光能力弱）。 断口三要素： 纤维区、放射区、剪切唇这三个区域的比例关系与材料韧断性能有关。 脆性断裂 ：断裂前基本不发生塑性变形的，突发的断裂。 特征：断裂面与正应力垂直，断口平齐而光滑，呈放射状或结晶状。 注意 ：脆性断裂 也产生微量塑性变形。 断面收缩率小于 5为脆性断裂，大于 5为韧性断裂。 14、通常纯铁的 rs=2J/m2， E=2105MPa， a0=2.510-10m，试求其理论断裂强度 m。 解：由公式 m=（ Ers/a0） 1/2， 可得 m=4.0104MPa。 15、 若一薄板内有一条长 3mm的裂纹，且 a0=310-8mm，试求脆性断裂时断裂应力 c（设 m=E
5、/10=2105MPa）。 解：由公式 m/c=(a/a0)1/2， a 为 c对应的裂纹半长度，即 a=1.5mm，c=28.2845MPa 17、断裂强 度 c与抗拉强度 b有何区别？ 答： c 是材料裂纹产生失稳扩展的断裂强度，在应力应变曲线上为断裂时的强度值。 b 是 韧性 金属 试样 拉 断过程 中 最 大 力所对应的应力 。 第二次作业 （ P54） 第二章 1.解释下列名词 2.说明下列力学性能指标的意义 3.简述缺口三效应 （ 1） 造成应力集中 （ 2） 改变了缺口前方的应力状态，使平板中的材料所受应力由原来的单向拉伸变为两向或三向拉伸 （ 3） 缺口使塑性材料得到强化 9.
6、说明下列工件选用何种硬度试验法 解： （ 1）渗碳层的硬度分布： HK 或 HV （ 2）淬火钢： HRC （ 3）灰铸铁： HB （ 4）硬质合金： HRA （ 5）鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体： HV 或 HK （ 8）氮化层： HV （ 10）高速钢刀具： HRC 10. 在 294.3N（ 30kgf）载荷下测定某钢材的维氏硬度。测得压痕对角线长度为 0.454mm，试计算该钢材的维氏硬度值，并推算这种钢的抗拉强度值 b（抗拉强度不需要算）。 解： HV=1854.4F/d2，式中 F 以 gf 为单位， d 以 um 为单位。 HV=269.9063 第三章 1 解释下列名词 2
7、 说明下列力学性能指标的意义 5 下列 3 组试验方法中，请举出每一组中哪种试验方法测 得 tK的较高？为什么？ （ 1）拉伸和扭转；（ 2）缺口静弯曲和缺口扭转弯曲；（ 3）光滑试样拉伸和缺口试样拉伸。 答： 材料的脆性越大， tK越高；同一种材料的脆性则随试验条件而定； （ 1）拉伸测出的 tK比扭转测出的 tK高，因为扭转条件下，材料容易产生塑性变形，材料 的脆性小。 （ 2）缺口冲击弯曲测出的 tK比缺口静弯曲测出的 tK高，因为冲击试验时，加荷速度增加 使变形速度增加，结果使塑性变形受到抑制，从而使材料的脆性增加。 （ 3）缺口试样拉伸测出的 tK比光滑试样拉伸测出的 tK高，因为缺
8、口使材料的脆性增加。 第三 次作业 （ P84） 第四章 1. 名词解释 2. 说明下列符号的名称和含义 3. 说明 KI和 KIC 的异同。 （答案： P68 页第四自然段） 11.有一构件 加工 时，出现表面半椭圆裂纹，若 a=1mm， a/c=0.3， 在=1000MPa 的应力 下工作， 对下列 材料 应选哪一种？ （ P80 页例 1类似 ） 0.2/MPa 1100 1200 1300 1400 1500 KIC/(MPam1/2) 110 95 75 60 55 解：（ 1） /0.2=1000/1100= 0.9091=0.60.7，所以必须考虑塑性区的修正问题。采用 下列公式
9、计算 KI： 其中由第二类椭圆积分： 当 a/c=0.3 时，查表得 2=1.19。将有关数据代入上式，得： KI1=61.2(MPam1/2)KIC5=55(MPam1/2) 由此可见， KI5KIC5，说明使用材料 5 会发生脆性断裂，不可以选用。 第四次作业（ P108） 第五章 1. 名词解释 2. 解释下列性能指标的意义 4.试述疲劳宏观断口和微观断口的特征及其形成过程或模型。（ P88页） 答： （一）疲劳宏观断口 （ 1）具有三个明显特征区： 1）疲劳源区：一般较平整和光滑，源区越多，反映外加应力越高，应力集中位置越多或应力集中系数越大，多源断口的源区存在台阶，比较粗糙； 2）疲
10、劳裂纹扩展区：常形成海滩花样或贝壳花样，出现疲劳弧 线，疲劳源位于疲劳弧线凹的一方； 3）瞬断区：视材料塑性显示韧性断裂斜断口或脆性断裂平断口。 （ 2）形成过程： 1）疲劳裂纹萌生 疲劳裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起，主要方式有：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。循环载荷作用下，形成驻留滑移带，随着滑移带在表面加宽的过程出现挤出脊和侵入沟，引起应力集中。 2） 疲劳裂纹扩展 疲劳裂纹萌生后便开始扩展，分为两个阶段，即扩展一阶段是沿着最大切应力方向向内扩展，扩展二阶段是沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直至最后形成剪 切唇。 3）断裂 （二）疲劳微
11、观断口 （ 1）特征： 1）疲劳辉纹（或疲劳条带）：是略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向相垂直，是裂纹扩展时留下的微观痕迹。每一条辉纹表示该循环下疲劳裂纹扩展前沿在前进过程中瞬时微观位置，辉纹的数目与载荷循环次数相等。断裂三阶段的疲劳辉纹略有差异，从疲劳源区到终断区依次是弱波浪条纹、细条纹和深条纹。 2）轮胎压痕 （ 2）形成过程： L-S 模型，即刚开始时，裂纹处于闭合状态，随着拉应力的增加到最大值时，裂纹张开至最大，裂尖钝化，向前扩展一段距离；当转入压应力半周期时， 滑移沿相反方向进行，原裂纹和新扩展的裂纹表面被压合，裂纹尖端被弯折成一对耳状切口；最大压应力时，裂纹表面完全被压
12、合，裂尖变成一对尖角，向前再扩展一段距离，并在断口上留下一条疲劳条带。可见在循环应力的作用下，裂纹尖端的钝锐交替变化，反复进行，使新的条带不断形成，疲劳裂纹也就不断向前扩展。 F-R 模型，即裂纹扩展是断续的，通过主裂纹前方萌生新裂纹核，长大并与主裂纹连接起来实现。 5.疲劳失效过程可分为哪几个阶段？简述各阶段的机制及提高材料疲劳抗力的主要方法。 答： （ 1） 疲劳失效过程可分为 两个阶段，即裂纹萌生、裂纹扩展 以及断裂。 （ 2） 裂纹萌生的机理： 疲劳裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起，主要方式有：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。循环载荷作用下，
13、形成驻留滑移带，随着滑移带在表面加宽的过程出现挤出脊和侵入沟，引起应力集中。 裂纹扩展的机理： 分为两个阶段，即扩展一阶段是沿着最大切应力方向向内扩展，扩展二阶段是沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直至最后形成剪切唇。 （ 3） 提高疲劳抗力的主要方法： 将材料进行次载锻炼和间歇效应，降低温度，减少腐蚀，可提高材料的疲劳强度，延长疲劳寿命； 表面应仔 细加工，尽量减少刀痕、擦伤或大的缺陷，以及尽量降低尺寸效应； 提高机件表面塑性抗力（强度和硬度），降低表面的有效拉应力，如采用表面喷丸及滚压、表面热处理和化学热处理、符合强化等措施，可抑制材料表面疲劳裂纹的萌生和扩展有效的提高疲劳强度。 进行固溶强化、细晶强化、弥散强化处理，减少非金属夹杂物及冶金缺陷，提高组织均匀性，可提高材料形变抗力和疲劳强度。 8.试述应力集中和应力比对疲劳寿命和疲劳强度的影响规律。 答： 应力集中处是机件最薄弱的地方，易形成裂纹，是疲劳源的萌生处。应力集中越大，材料疲劳强度越低，疲 劳寿命也就越短；反之，
