材料力学性能课后习题答案 2

《工程材料力学性能》课后答案

机械工业出版社 2008第2版

第一章 单向静拉伸力学性能

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，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变

2、 说明下列力学性能指标的意义。

答：E弹性模量 G切变模量 r规定残余伸长应力 0.2屈服强度

gt金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率

n 应变硬化指数 【P15】

3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？

答：主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。【P4】

10. 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？【P21】

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。

13. 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。

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τmax和最大正应力σmax比值，即：

max 1 3 【新书P39 旧书P46】 max2 1 0.5 2 3（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。【P44 P53】

（3）缺口敏感度——缺口试样的抗拉强度σ

敏感度，即： 【P47 P55 】 bn的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb 的比值，称为缺口 （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。【P49 P58】

（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【P51 P60】。

（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。【P53 P62】

（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）σｂｃ——材料的抗压强度【P41 P48】

（2）σｂｂ——材料的抗弯强度【P42 P50】

（3）τｓ——材料的扭转屈服点【P44 P52】

（4）τｂ——材料的抗扭强度【P44 P52】

（5）σｂｎ——材料的抗拉强度【P47 P55】

（6）NSR——材料的缺口敏感度【P47 P55】

（7）HBW——压头为硬质合金球的材料的布氏硬度【P49 P58】

（8）HRA——材料的洛氏硬度【P52 P61】

（9）HRB——材料的洛氏硬度【P52 P61】

（10）HRC——材料的洛氏硬度【P52 P61】

（11）HV——材料的维氏硬度【P53 P62】

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。

四．试述脆性材料弯曲试验的特点及其应用。

五、缺口试样拉伸时的应力分布有何特点？【P45 P53】

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。

七、试说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理，并比较布氏、洛氏与维氏硬度试验方法的优缺点。

【P49 P57】

原理

布氏硬度：用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位面积所承受的试验力。

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。

维氏硬度：以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头，计算单位面积所承受的试验力。

布氏硬度优点：实验时一般采用直径较大的压头球，因而所得的压痕面积比较大。压痕大的一个优点是其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相得平均性能；另一个优点是实验数据稳定，重复性强。缺点：对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，因而用于自动检测时受到限制。

洛氏硬度优点：操作简便，迅捷，硬度值可直接读出；压痕较小，可在工件上进行试验；采用不同标尺可测量各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度，因而广泛用于热处理质量检测。缺点：压痕较小，代表性差；若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；此外用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。

维氏硬度优点：不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径D之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端；维氏硬度试验时不仅试验力可以任意取，而且压痕测量的精度较高，硬度值较为准确。缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低的多。

第三章 金属在冲击载荷下的力学性能

冲击韧度: :U形缺口冲击吸收功 AKU除以冲击试样缺口底部截面积所得之商，称为冲击韧度，αku=Aku/S （J/cm2）, 反应了材料抵抗冲击载荷的能力,用aKU表示。P57注释/P67

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AK表示，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tk时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型，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） AK：冲击吸收功。含义见上面。冲击吸收功不能真正代表材料的韧脆程度，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：冲击试样断口分为纤维区、放射区（结晶区）与剪切唇三部分，在不同试验温度下，三个 区之间的相对面积不同。温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大，材料由韧变脆。通常取结晶区面积占整个断口面积50%时的温度为tk，并记为50%FATT，或FATT50%，t50。（新书P61，旧书P71） 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：①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。 ②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。

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。

第五章 金属的疲劳

1.名词解释;

应力幅σa:σa=1/2(σmax-σmin) p95/p108

平均应力σm：σm=1/2(σmax+σmin) p95/p107

应力比r:r=σmin/σmax p95/p108

疲劳源：是疲劳裂纹萌生的策源地，一般在机件表面常和缺口，裂纹，刀痕，蚀坑相连。P96

疲劳贝纹线：是疲劳区的最大特征，一般认为它是由载荷变动引起的，是裂纹前沿线留下的弧状台阶痕迹。 P97/p110

疲劳条带：疲劳裂纹扩展的第二阶段的断口特征是具有略程弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（疲劳辉纹，疲劳条纹） p113/p132

驻留滑移带：用电解抛光的方法很难将已产生的表面循环滑移带去除，当对式样重新循环加载时，则循环滑移带又会在原处再现，这种永留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。 P111

ΔK:材料的疲劳裂纹扩展速率不仅与应力水平有关，而且与当时的裂纹尺寸有关。ΔK是由应力范围Δσ和a复合为应力强度因子范围，ΔK=Kmax-Kmin=Yσmax√a-Yσmin√a=YΔσ√a. p105/p120

da/dN:疲劳裂纹扩展速率，即每循环一次裂纹扩展的距离。 P105

疲劳寿命：试样在交变循环应力或应变作用下直至发生破坏前所经受应力或应变的循环次数 p102/p117

过载损伤：金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小，就造成了过载损伤。 P102/p117

2.揭示下列疲劳性能指标的意义

3.试述金属疲劳断裂的特点 p96/p109

（1）疲劳是低应力循环延时断裂，机具有寿命的断裂

（2）疲劳是脆性断裂

（3）疲劳对缺陷（缺口，裂纹及组织缺陷）十分敏感

4．试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程（新书P96~98及PPT，旧书P109~111）

答：典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域—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。

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ⅣB 或ⅤB 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、σscc：材料不发生应力腐蚀的临界应力。

2、KIscc：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。

6.何谓氢致延滞断裂？为什么高强度钢的氢致延滞断裂是在一定的应变速率下和一定的温度范围内出现？

答：高强度钢中固溶一定量的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，金属内部形成裂纹，发生断裂。----氢致延滞断裂。

因为氢致延滞断裂的机理主要是氢固溶于金属晶格中，产生晶格膨胀畸变，与刃位错交互作用，氢易迁移到位错拉应力处，形成氢气团。

当应变速率较低而温度较高时，氢气团能跟得上位错运动，但滞后位错一定距离。因此，气团对位错起“钉扎”作用，产生局部硬化。当位错运动受阻，产生位错塞积，氢气团易于在塞积处聚集，产生应力集中，导致微裂纹。

若应变速率过高以及温度低的情况下，氢气团不能跟上位错运动，便不能产生“钉扎”作用，也不可能在位错塞积处聚集，产生应力集中，导致微裂纹。

所以氢致延滞断裂是在一定的应变速率下和一定的温度范围内出现的。

第七章 金属的磨损与耐磨性

1.名词解释

磨损：机件表面相互接触并产生相对运动，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失、造成表面损伤的现象。

接触疲劳：两接触面做滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片金属剥落而使材料损失的现象。【P153】

3.粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施

----- 又称为咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦副相对滑动速度较小，因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。

磨损机理：

实际接触点局部应力引起塑性变形，使两接触面的原子产生粘着。

粘着点从软的一方被剪断转移到硬的一方金属表面，随后脱落形成磨屑

旧的粘着点剪断后，新的粘着点产生，随后也被剪断、转移。如此重复，形成磨损过程。

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