材料力学性能习题及解答库

第一章 习题答案

一、解释下列名词

1、弹性比功：又称为弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。 2、滞弹性：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。 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，称为金属的循环韧性。 4、包申格效应：先加载致少量塑变，卸载，然后在再次加载时，出现ζe升高或降低的现象。

5、解理刻面：大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。

6、塑性、脆性和韧性：塑性是指材料在断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。韧性：指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力 7、解理台阶：高度不同的相互平行的解理平面之间出现的台阶叫解理台阶； 8、河流花样：当一些小的台阶汇聚为在的台阶时，其表现为河流状花样。

9、解理面：晶体在外力作用下严格沿着一定晶体学平面破裂，这些平面称为解理面。 10、穿晶断裂和沿晶断裂：沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，一定是脆断，且较为严重，为最低级。穿晶断裂裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可能是脆性断裂。

11、韧脆转变：指金属材料的脆性和韧性是金属材料在不同条件下表现的力学行为或力学状态，在一定条件下，它们是可以互相转化的，这样的转化称为韧脆转变。

二、说明下列力学指标的意义

１、Ｅ（Ｇ）：Ｅ（Ｇ）分别为拉伸杨氏模量和切变模量，统称为弹性模量，表示产生100%弹性变形所需的应力。 ２、ζr 、ζ

0.2

、ζs: ζr :表示规定残余伸长应力，试样卸除拉伸力后，其标距部分的

0.2

残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。ζζs：表征材料的屈服点。

：表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。

３、ζb：韧性金属试样在拉断过程中最大试验力所对应的应力称为抗拉强度。

４、n:应变硬化指数，它反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化行为的性能指标。

５、δ、δgt、ψ：δ是断后伸长率，它表征试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。Δgt是最大试验力的总伸长率，指试样拉伸至最大试验力时标距的总伸长与原始标距的百

分比，也就是金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量。ψ是断面收缩率，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。

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

金属的弹性模量主要取决于金属原子本性和晶格类型。合金化、热处理（显微组织）、冷塑性变形对弹性模量的影响较小，温度、加载速率等外在因素对其影响也不大，所以，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。

四、今有45、40Ｃr 、35ＣrＭo钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作机床床身？为什么？

选择灰铸铁，因为作为机床床身材料必须要求循环韧性高，以保证机器的稳定运转。灰铸铁中含有不易传送弹性机械振动的石墨，具有很高的循环韧性。

五、试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释bcc金属及其合金与fcc金属及其合金屈服行为不同的原因。

6、试述退火低碳钢、中碳钢及高碳钢的屈服现象在拉伸力－伸长曲线图上的区别？为什么? 答：从退火低碳钢、中碳钢及高碳钢的拉伸力—伸长曲线图上可以明显看出，三种不同钢种的拉伸力—伸长曲线图有区别，可以看出退火低碳钢的屈服现象最明显，其次是退火中碳钢，而高碳钢几乎看不到屈服现象。但根据条件屈服强度可以判断出随着碳含量的增加，屈服强度在提高。这主要是因为随着碳含量的增加，碳原子对基体的强化作用越来越强，阻碍了位错的运动。

7、决定金属屈服强度的因素有哪些？

答：影响金属屈服强度的因素分为内在因素和外在因素。内在因素有金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相粒子；外在因素有温度、应变速率和应力状态。 8、试述δ、ψ两种塑性指标评定金属材料塑性的优缺点？

答：对于在单一拉伸条件下工作的长形零件，无论其是否产生缩颈，用δ来评定材料的塑性，因为产生缩颈时局部区域的塑性变形量对总伸长实际上没有什么影响。如果金属材料机件是非长形件，在拉伸时形成缩颈，则用φ作为塑性指标。因为φ反映了材料断开前的最大塑性变形量，而此时δ则不能显示材料的最大塑性。Φ是在复杂应力状态下形成的，冶金因素的变化对材料的塑性的影响在φ上更为突出，所以φ比δ对组织变化更为敏感。 9、试举出几种能显著强化金属而又不降低塑性的方法？

答：细晶强化，通过细化晶粒提高金属强度的方法，它既可以显著强化金属，又不降低塑性的方法。

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？

答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显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，断裂前期丁不发生塑性变形，没有明显征兆，因此脆性断裂在生产中是很危险的。 11、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂？为什么断裂的性质完全不同？

答：剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常产生纯剪切断裂，其断口呈锋利的楔形或刀尖型。而解理断裂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。

12、在什么情况下易出现沿晶断裂？怎样才能减小沿晶断裂的倾向？

答：当晶界上有一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续所造成，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的，如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等都是沿晶断裂。要减小沿晶断裂的倾向，则要求防止应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等出现。

13、何为拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？

答：拉伸断口的三要素：纤维区、放射区和剪切唇；影响宏观拉伸断口性态的因素有试样的形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和腕力状态不同而变化。 14、板材宏观断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？

答：板状矩形拉伸试样断口中呈人字纹花样。根据人字纹花样的放射方向，顺着尖顶指向可以找到裂纹源。

15、试证明，滑移相交产生微裂纹的柯垂耳机理对fcc金属而言在能量上是不利的。 16、通常纯铁的γs＝2J／㎡,E=2*10MPa,a0=2.5×10解：由题意可得：

5

－10

m，试求其理论断裂强度ζm 。

?E?s???m? ?a???0?1/2?2?105?2????2.5?10?10????1/2?4.0?104Mpa

17、试述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推导格雷菲斯方程，并指出理论的局限性。 18、若一薄板物体内部存在一条长3㎜的裂纹，且a0＝3×10cm，试求脆性断裂时的断裂应力。（设ζm＝0.1E＝2×10MPa ）

19、有一材料E＝2×10N／㎡，γs＝8N／m，试计算在7×10N／ ㎡的拉应力作用下，该

11

7

5

－8

材料中能扩展的裂纹之最小长度？

20、断裂强度ζc与抗拉强度ζb有何区别？

答：抗拉强度ζb指材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。它表示钢材抵抗断裂的能力大小。断裂强度ζc是指在拉伸过程中，材料断裂时所对应的应力值。 21、铁素体的断裂强度与屈服强度均与晶粒尺寸d成正比，怎样解释这一现象？ 22、裂纹扩展扩展受哪些因素支配？

23、试分析能量断裂判据与应力断裂判据之间的关系 24、有哪些因素决定韧性断口的宏观形貌？

答：韧性断口的宏观形貌决定于第二相质点的大小和密度、基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数，以及外加应力的大小和状态等。

25、试根据下述方程（ζid+ky）ky=2Gγsq,讨论下述因素对金属材料韧脆转变的影响：（1）材料成分；（2）杂质；（3）温度；（4）晶粒大小；（5）应力状态；（6）加载速率。

第二章 习题及答案

1.解释下列名词：

（1）应力状态软性系数：表征最大切应力?max与?max的比值。

（2）缺口效应：由于缺口的存在，在静载作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，这称为“缺口效应”。

（3）缺口敏感度：表征缺口试样的抗拉强度?bn与光滑试样的抗拉强度?b的比值。 （4）布氏硬度：用一定直径的钢球或硬质合金球，以规定的试验力（F）压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径（L）。布氏硬度值是以试验力除以压痕球形表面积所得的商。以HBS（钢球）表示，单位为N/mm2(MPa)。

1/2

1/2

HB?其计算公式为：

0.102F0.204F?A?D(D?D2?d2)

式中：F--压入金属试样表面的试验力，N； D--试验用钢球直径，mm； d--压痕平均直径，mm。

（5）洛氏硬度：在规定的外加载荷下，将钢球或金刚石压头垂直压入试件表面，产生压痕，

测试压痕深度，利用洛氏硬度计算公式HR=（K-H)/C便可计算出洛氏硬度。简单说就是压痕越浅，HR值越大，材料硬度越高。

（6）维氏硬度：是根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。所采用的压头是两相对面间夹角为136°的金刚石四棱锥体，压头的试验力作用下将试样表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后担卸除试验力，测量压痕对角线平均长度d，用以计算压痕表面积。维氏硬度的值为试验力除以压痕表面积A所得的商。

（7）努氏硬度：也一种显微硬度试验方法。与显微维氏硬度相比有两点不同：一是压头形状不同；二是硬度值不是试验力除以压痕表面积之商值，而是除以压痕投影面积之商值。 （8）肖氏硬度：是将一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值大小，因而也称为回跳硬度。

（9）里氏硬度：是用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头的回弹速度表征金属的硬度值。 2.说明下列力学性能指标的意义 （1）ζbc；指抗压强度； （2）ζbb：指抗弯强度； （3)τs ：指材料的扭转屈服点； （4)τb ；指抗扭强度；

（5）ζbn：指有缺口试样的抗拉强度； （6)NSR：指缺口敏感度；

（7)HBS：用压头为淬火钢球时的布氏硬度值； （8)HBW：用压头为硬质合金球时的布氏硬度值；

（9)HRA：指用金刚石圆锥压头，主试验力为490.3N测出的洛氏硬度值； （10)HRB：指用钢球压头测出的洛氏硬度； （11)HRC：指用金刚石圆锥压头的洛氏硬度； （12)HV：指维氏硬度试验； （13)HK：指努氏硬度试验； （14)HS：指肖氏硬度； （15)HL：指里氏硬度；

3．试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转实验的特点和应用范围。

答：单向拉伸的应力状态系数α=0.5，说明应力状态较硬，故一般适用于那些塑性变形

抗力与切断强度较低的塑性材料试验；单向压缩试验的应力状态软性系数α=2，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软，主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能测定，以显示这类材料在塑性状态下的力学行为；弯曲试验试样形状简单、操作方便，试样表面应力最大，可较灵敏地反映材料表面缺陷，弯曲试验主要用于测试铸铁、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，还用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层等表面热处理机件的质量和性能。扭转的应力状态软性系数α=0.8，比拉伸时的α大，易于显示金属的塑性行为；能实现大塑性变形量下的试验；能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能；可以测定这些材料切断强度；主要适用于热扭转来研究金属在热加工条件下的流变性能与断裂性能，评定材料的热压力加工性，并确定适当的工艺，还可用来研究工作热处理的表面质量和各种表面强化训练工艺的效果。可以根据扭转断口宏观特征来判断承受扭矩而断裂的机件的性能。

4．试述脆性材料弯曲实验的特点及其应用。

答：弯曲试验试样形状简单、操作方便，试样表面应力最大，可较灵敏地反映材料表面缺陷，弯曲试验主要用于测试铸铁、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，还用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层等表面热处理机件的质量和性能。

5．缺口试样拉伸时应力分布有何特点？

答：当缺口试样拉伸，处于弹性状态下时，缺口截面上的应力分布是不均匀的，轴向应力?y在缺口根部最大。随着离开根部距离的增大，?y不断下降，即在缺口根部产生应力集中。并且在缺口根部内侧还出现了横向拉应力?x，它是由于材料横向收缩引起的，自缺口根部向内部发展，收缩变形阻力增大，因此?x逐渐增加。当增大到一定数值后，随着?y的不断减小，?x也随之下降。基试样处于塑性状态下时，在存在缺口的条件下会出现三向应力状态，并产生应力集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高，产生所谓“缺口强化”现象。 6．综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏斜拉伸实验的特点。

答：光滑试样在受到轴向拉伸时，在截面上受到均匀的拉应力。缺口试样轴向拉伸时，由于缺口的存在引起了应力的重新分布，且不均匀，它广泛用于研究高强度钢（淬火低温回火）的力学性能、钢和钛的氢脆以及用于研究高温合金的缺口敏感性等。缺口试样偏斜拉伸试验时，试样同时承受拉伸和弯曲载荷复合作用，故应力状态更“硬”，缺口截面上的应力分布更不均匀，因而更能显示材料对缺口的敏感性。这种试验方法很适合高强度螺栓之类零件的选材和热处理工艺的优化，因为螺栓带有缺口，并且在工作时难免有偏斜。

7．试说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理，并比较这三者实验方法的优缺点。

答：布氏硬度是用一定直径的钢球或硬质合金球，以规定的试验力（F）压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径（L）。布氏硬度值是以试验力除以压痕球形表面积所得的商。以HBS（钢球）表示，单位为N/mm2(MPa)。

HB?其计算公式为：

0.102F0.204F?A?D(D?D2?d2)

式中：F--压入金属试样表面的试验力，N； D--试验用钢球直径，mm； d--压痕平均直径，mm。

因布氏硬度压头较大，因而所得压痕面积较大。这样硬度值能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，而不受个别组成相及微小不均匀性的影响。而缺点是对不同材料需更换压头直径和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，因而用于自动检测时受到限制；且不能用在成品上测量。

洛氏硬度：在规定的外加载荷下，将钢球或金刚石压头垂直压入试件表面，产生压痕，测试压痕深度，利用洛氏硬度计算公式HR=（K-H)/C便可计算出洛氏硬度。洛氏硬度试验的优点：操作简便、迅速，硬度可直接读出；压痕较小，可在工件上进行试验；采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度，因而广泛于热处理质量检验。其缺点是：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：是根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。所采用的压头是两相对面间夹角为136°的金刚石四棱锥体，压头的试验力作用下将试样表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后担卸除试验力，测量压痕对角线平均长度d，用以计算压痕表面积。维氏硬度的值为试验力除以压痕表面积A所得的商。维氏硬度试验的优点是不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头不同标尺的硬度值无法统一的弊端。维氏硬度试难时不仅试验力可任意选取，而且压痕测量的精度较高，硬度值较为精确。唯一的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低得多。

8．今有如下零件和材料等需测定硬度，试说明选用何种硬度实验方法为宜。 （1）渗碳层的硬度分布：用维氏硬度； （2）淬火钢：用洛氏硬度；

（3）灰铸钢：用布氏硬度；

（4）鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体：用维氏硬度； （5）仪表小黄铜齿轮：用维氏硬度； （6）龙门刨床导轨：用肖氏硬度和里氏硬度； （7）渗氮层：用维氏硬度和努氏硬度； （8）高速钢刀具：用维氏硬度； （9）硬质合金：用洛氏硬度；

第三章 习题与答案

1．解释下列名词：

（1）冲击韧度：批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）冲击吸引功：然后将具有一定质量m的摆锤兴到一定高度H1，使其获得一定位能mgH1。释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为mgH2，则摆锤冲断试样失去的位能mgH1－mgH2，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。

（3）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（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，断裂机理由微孔聚焦型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。

（4）韧脆转变温度：上述低温脆性中的tk称为韧脆转变温度。

（5）韧性温度储备：指材料的使用温度和材料韧脆转变温度之间的差值。 2．说明下列力学性能指标的意义： （1）AK：冲击功；

AKV（CVN）：V型缺口冲击功； AKU：U型缺口冲击功；

（2）FATT50：在用能量法定义tk时，取结晶区面积占整个断口面积50%j时的温度； （3）NDT：表征以低阶能开始上升的温度；

（4）FTE：表征以低阶能和高阶能平均值对应的温度； （5）FTP：表征高阶能对应的温度。

3．现需检验以下材料的冲击韧性，问哪种材料要开缺口？哪种材料不要开缺口？ W18Cr4V，Cr12MoV，3Cr2W8V，40CrNiMo，30CrMnSi，20CrMnTi，铸铁。

4．试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。

答：低温度脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加（对体心立方金属，是派拉力起主要作用所致（详细见第一章有关内容）。其影响因素有：晶体结构；化学成分；显微组织； 5．试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。

6．下列三组实验方法中，请举出每一组中哪种实验方法测得的tk较高？为什么？ (1)拉伸和扭转；（2）缺口静弯曲和缺口冲击弯曲；（3）光滑试样拉伸和缺口试样拉伸。 7．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，而另外一些材料没有呢？

8．简述根据韧脆转变温度分析机件脆断失效的优缺点。

第四章 习题与答案

1．解释下列名词：

（1）低应力脆断：当容器或构件采用强度高而韧性差的材料时，在应力水平不高，甚至低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象称为低应力脆断。

（2）张开型（1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，沿裂纹面扩展的裂纹称为张开型（1型）裂纹。

（3）应力场和应变场：指在工件上应力分布或应变分布的情况。 （4）应力强度因子K1：表征应力场的强弱程度。

（5）小范围屈服：指在裂纹尖端一定范围内发生的屈服的现象。 （6）塑性区：指在裂纹尖端一定范围内发生塑性变形区域。 （7）有效屈服应力： （8）有效裂纹长度： （9）裂纹扩展K判断：

（10）裂纹扩展能量释放率G1：把裂纹单位面积时系统释放势能的数值称为裂纹扩展能量释放率G1。

（11）裂纹扩展G判断；

（12）J积分：J积分的断裂判据就是G判据的延伸，或者是更广义地将线弹性条件下的G延伸到弹塑性断裂时的J，J的表达式或定义类似于G。 （13）裂纹扩展J判断；

（14）COD： （15）COD判据： （16）韧带：

2．说明下列断裂韧度指标的意义及相互关系：

（1）K1C和KC：表征KI增大达到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂。

（2）G1C；表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。 （3）J1C；表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。 （4）δC：表示材料阻止裂纹开始扩展的能力。 3．试述低应力脆断的原因及其防止方法。

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？ 5试述应力场强度因子的意义及典型裂纹K1的表达式。 6．试述K判据的意义及用途。

7．试述裂纹尖端塑性区产生的原因机器影响因素。 8．试述塑性区对K1的影响及K1的修正方法和结果。 9．试用Griffith模型推导G1和G的判据。 10．简述J积分的意义及其表达式。 11．简单叙述COD的意义及其表达式。

12．试述K1C的测试原理及其对试样的基本要求。 13．试述K1C与材料强度、塑性之间的关系。 14．试述K1C和AKV的异同及其相互之间的关系。 15．试述影响K1C的冶金因素。

答：影响K1C的冶金因素有：化学成分的影响；基体相结构和晶粒大小的影响；杂质及第二相的影响；显微组织的影响。（具体见有关资料） 16．有一大型板件，材料的ζ

0.2

=1200MPa，K1C.=115MPa.m，探伤发现有20mm长的横向穿透

1/2

裂纹，若在平均轴向拉应力900MPa下工作，试算KⅠ及塑性区的宽度R0，，并判断该件是否安全？

解：由题意可知： ζ

0.2

1/2

=1200MPa，K1C.=115MPa.m，2a=20mm，??900MPa

由?/?0.2?900/1200?0.75，必须考虑塑性区修正问题。由于裂纹可以看成是无

答：ζ-1：指当循环应力水平降低到ζ

-1

以下时，试样可以经无限次应力循环也不发生

疲劳断裂，它是光滑试样的无限寿命疲劳强度；△Kth表示材料阻止裂纹开始扩展的性能，是材料的力学性能指标，其值越大，阻止疲劳裂纹开始扩展的能力就越大，材料就越好，是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和校核。 12、试述金属表面强化对疲劳强度的影响。

答：金属表面强化处理可在机件表面产生有利的残余应力，同时还以提高机件表面的强度和

硬度，这两种作用都能提高疲劳强度（具体见有关书籍）。 13、试述金属循环硬化和循环软化现象及产生条件。

答：金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力（形变抗力）不断增加，即称为循环硬化；循环软化指金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力（形变抗力）不断减小；要产生循环硬化和循环软化取决于材料的初始状态、结构特性以及应变幅和温度，还与位错的运动有关。 14、试述低周疲劳的规律及曼森—柯芬关系。 15、试述多冲疲劳规律及提高多冲疲劳强度的方法。

答：多冲疲劳规律是：与低周疲劳相似，在冲击能量高时，材料的冲击疲劳斥力主要取决于塑性；冲击能量低时，冲击疲劳斥力则主要取决于强度。淬火回火钢的冲击疲劳抗力随回火温度不同不是单调变化的，与常规单一力学性能指标之间也不存在对应关系，而是在某一温度下有一个峰值，该峰值随冲击能量增加向高温方向移动。冲击韧度的影响，因材料强度不同而异。对于提高多冲疲劳强度的方法要根据具体材料而定。

16、试述热疲劳和热机械疲劳的特征及规律；欲提高热锻模具的使用寿命，应该如何处理热疲劳与其它性能的相互关系？

答：热疲劳是由于温度周期变化引起零件或构件的自由膨胀和收缩，而又因这种膨胀和收缩受到约束，产生了交变热应力，由这种交变热应力引起的破坏。而热机械疲劳是温度循环和机械应力循环叠加所引起的疲劳。欲提高热锻模具的使用寿命，应注意材料的热传导、比热容等热学性质，还要注意材料的弹性和屈服强度等力学性能。

17、正火上浇油45钢的ζb=610MPa, ζ-1=300MPa，试用Goodman公式绘制ζmax(ζmin)-ζm 疲劳图，并确定ζ-0.5、ζ0和ζ0.5等疲劳极限。

18、有一板件在脉动载荷下工作，ζmax=200MPa,ζmin=0,其材料的ζb=670MPa、ζ0.2=600MPa、K1C=104MPa.m,Paris公式中c=6.9×10，n=3。0，使用中发现有0.1mm和

1/2

-12

1mm的单边横向穿透裂纹，试估算它们的疲劳剩余寿命。

第六章 习题与答案

1、解释下列名词

（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，则称为应力腐蚀。

（2）氢蚀：由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化的现象。

（3）白点：当钢中含有过量的氢时，随温度的降低，氢在钢中的溶解度逐渐减小，如果过饱和的未扩散逸出，便聚集在某些缺陷处形成氢分子。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。这种微裂纹的断面呈圆形和椭圆形，颜色呈银白色，故称为白点。

（4）氢化物致脆：对于ⅣB或ⅤB族金属（如纯钛、α-钛合金、钒、锆、铌及合金），由于它们与氢有较大的亲和力，极易生成氢化物，使金属脆化。这种脆化称为氢化物致脆。 （5）氢致延滞断裂：高强度钢或α+β钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢（原来存在的或从环境介质中吸收的），在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在金属内部，特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。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。 2、说明下列力学 性能指标的意义 （1）ζ

ssc

：表征材料不发生应力腐蚀的临界应力。

（2）KⅠssc：应力腐蚀临界应力场强度因子。 （3）KⅠHEC；氢脆临界应力场强度因子。 （4）da/dt：应力腐蚀裂纹扩展速率。 3、试述金属产生应力腐蚀的条件及机理。

答：金属产生应力腐蚀的条件是应力、化学介质和金属材料。

金属产生应力腐蚀产生的机理：主要介绍以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论。对应力腐蚀敏感的合金在特定的化学介质中，首先在表面形成一层钝化膜，使金属不致进一步受到

腐蚀，即处于钝化状态，因此，在没有应力的作用下，金属不会发生腐蚀破坏。若有拉应力作用，则可使局部地区的钝化膜破裂，显露出新鲜的表面。这个新鲜的表面在电解质溶液中成为阳极，其余具有钝化膜的金属表面成为阴极，从而形成腐蚀微电池。阳极金属变成正离子进入电解质中而产生阳极溶解，于是在金属表面形成蚀坑。拉应力除促使局部地区钝化膜破坏外，更主要的是在蚀坑或原有裂纹的尖端形成应力集中，使阳极电位降低，加速阳极金属的溶解。如果裂纹尖端的应力集中始终存在，那么微电池便不断进行，钝化膜不能恢复，裂纹将逐步纵深扩展。

4、分析应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt与KⅠ关系曲线，并与疲劳裂纹扩展速率曲线进行比较。

5、某高强度钢的ζ0.2= 1400MPa，在水的介质中的KⅠssc=21.3MPa·m,裂纹扩展到第二阶段的da/dt=2×10mm/s，第二阶段结束时的KⅠ＝62MPa·m，该材料制成的机件在水介质中工作，工作拉应力ζ=400MPa。探伤发现该机件表面有半径a0=4mm的半圆形裂纹。试粗略估算其剩余寿命。

6、何为氢致延滞性断裂？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：氢致延滞断裂：高强度钢或α+β钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢（原来存在的或从环境介质中吸收的），在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在金属内部，特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。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。因为当应变率较低时，若试验温度过低，氢的扩散速率很慢，永远跟不上位错的运动。因此不能形成氢气团，氢也难以聚集，就不会出现氢脆，当温度变大一些，氢的扩散速率与位错运动速率逐步适应，于是塑性开始降低。当温度升到更大的时候，两者运动速率完全吻合，此时塑性最差，对氢脆最敏感。温度再升高时，一方面形成氢气团，同时由于热作用，又促进已聚集的氢原子离开气团向四周均匀扩散，降低了气团对位错的“钉扎”作用，并减少氢偏聚的尝试于是金属的塑性开始上升。当温度更大时，氢气团完全被扩散破坏，氢脆现象完全消除。应变速率对氢脆敏感性的影响也是如此。所以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。 7、试述区别高强度钢的应力腐蚀与氢致延滞断裂的认识方法。

答：可采用极化试验方法，即利用外加电流对静载下产生裂纹时或裂纹扩展速率的影响来判断。当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹时间的是应力腐蚀；当外加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间的是氢致延滞断裂。对于一个已断裂的机件来说，还可从断口形貌上来加以区分。

-6

1/2

1/2

（具体见书P168）。

8、有一M24栓焊桥梁用高强度螺栓，采用40B钢调质制成，抗拉强度为1200MPa，承受拉应力650MPa。在使用中，由于潮湿空气及雨淋的影响发生断裂事故。观察断口发现，裂纹从螺纹根部开始，有明显的沿断裂特征，随后是快速脆断部分。断口上较多的腐蚀产物，且有较多的二次裂纹。试分析该螺栓产生断裂的原因，并考虑防止这种断裂的措施。

第七章 习题与答案

1、解释下列名词：

（1）磨损：机械表面相接触并作相对运动时，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。 （2）粘着：实际上就是原子间的键合作用。 （3）磨屑：松散的尺寸与形状均不相同的碎屑。

（4）跑合：在稳定磨损阶段前，摩擦副双方表面逐渐被磨平，实际接触面积增大的过程。 （5）咬死：在粘着磨损的过程中，常在较软一方本体内产生剪断，其碎片则转较硬一方的表面上，软方金属在硬方表面逐步积累最终使不同金属的摩擦副滑动成为相同金属间的滑动，故磨损量较大，表面较粗糙，发生卡死的现象。 （6）犁皱：韧性金属材料在磨粒磨损后表面的形貌。 （7）耐磨性：材料抵抗磨损的性能。

（8）接触疲劳：机件两接触而作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或小块状金属剥落而使物质损失的现象，又称表面疲劳磨损或疲劳磨损。

2、试比较三类磨粒磨损的异同，并讨论加工硬化对它们的影响。

答：(1)低应力划伤式的磨料磨损，它的特点是磨料作用于零件表面的应力不超过磨料的压溃强度，材料表面被轻微划伤。生产中的犁伴，及煤矿机械中的刮板输送机油楷磨损情况就是屑于这种类型。(2)高应力辗碎式的磨料磨损，其特点是磨料与零件表面接触处的最大压应力大于磨料的压溃强度。生产中球磨机村板与磨球，破碎式滚筒的磨损便是属于这种类型。(3)凿削式磨料磨损，其特点是磨料对材料表面有大的冲击力，从材料表面凿下较大颗料的磨屑，如挖掘机斗齿及领式破碎机的齿板。3、试述粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施。

加工硬化对金属材料抗磨粒磨损能力的影响，因磨损类型不同而异。在低应力擦伤性磨粒磨损时，加工硬化对材料的耐磨性没有影响，这是由于磨粒或硬的凸出部分切削金属时，

局部区域产生急剧加工硬化，比预先加工硬化要剧烈得多所致。但在高应力碾碎性磨粒磨损时，加工硬化能显著提高耐磨性，因为此时磨损过程不同于低应力下的情况，表面金属材料主要是通过疲劳破坏而不是切削作用去除的。 3、试述粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施。

答：粘着磨损是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小时发生的，它是因缺乏润滑油，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；其机理是摩擦副实际表面上总存在局部凸起，当摩擦副双方接触时，即使施加较小载荷，在真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。倘若接触面上洁净而未受到腐蚀，则局部塑性变形会使两个接触面的原子彼此十分接近而产生强烈粘着。随后在继续滑动的过程中，粘着点被剪断并转移到一方金属表面，然后脱落下来便形成磨屑。一个粘着点剪断了，又在新的地方粘着，随后也被剪断的过程，构成了磨损过程。 4、滑动速度和接触压力对磨损量有什么影响？

答：滑动速度和接触压力越大，磨损量会越大（具体见有关书籍）。 5、比较粘着磨损、磨粒磨损和微动磨损摩擦面的形貌特征。

答：三者相比，磨粒磨损的特征最明显；磨粒磨损面的形貌特征主要是摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽；（具体见有关书籍） 6、试比较接触疲劳和普通机械疲劳的异同。

答：接触疲劳是工件(如齿轮、滚动轴承，钢轨和轮箍，凿岩机活塞和钎尾的打击端部等)表面在接触压应力的长期不断反复作用下引起的一种表面疲劳破坏现象，表现为接触表面出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也叫点蚀或麻点磨损；而普通机械疲劳指的是在交变应力作用下的损坏。

7、列表说明金属接触疲劳三种破坏形式的机理和特征。`

机理 麻点剥落 在滚动接触过程中，由于表面最大综合切应力反复作用，在表层局部区域，如材料的抗剪屈服强度较低，则将在该处产生塑性变形，同时浅层剥落 在接触应力反复作用下，塑性变形反复进深层剥落 深层剥落的初始裂纹常在表面硬化机件的过渡区内产行，使材料局部弱化，生，该处切应力虽不最大，遂在该处形成裂纹， 但因过渡区是弱区，切应力可能高于材料强度而在该处产生裂纹。

到纤维增强效果，这个值就是纤维的临界体积分数；

（2）纤维的最小体积分数：纤维在复合材料中的体积分数小于某一个值时，纤维对复合材料的性能没有什么贡献，这个值就是纤维的最小体积分数。

（3）短纤维的临界长度：当纤维中点的最大拉应力恰好等于纤维断裂强度时，纤维的长度称为纤维的临界长度。

（4）单向短纤维复合材料：指增强短纤维沿同一方向平等排列的复合材料。 （5）比强度：指强度与密度之比；比模量：指模量与密度之比。

（6）单向复合材料的纵泊松比、横泊松比：在单向复合材料中，当单向复合材料沿纤维方向受到拉伸时，在横向要产生收缩，其横向应变与纵向应力之比称为纵向泊松比。当沿垂直纤维方向弹性拉伸时，其纵向应变与横向应力之比称为横向泊松比。

2、试述纤维复合材料的基本特点，复合材料受力时纤维和基体各起什么作用？

答：纤维复合材料的基本特点：高比强度、比模量；各向异性；抗疲劳性能好；减振性能好；可设计性强。

3、复合材料性能常数在什么条件下符合并联混合律？什么情况下符合串联混合律？并联和串联混合律的形式有什么不同？

4、短纤维复合材料的强度与哪些因素有关？为什么纤维越长，短纤维复合材料的强度越高？ 5、试述复合材料疲劳性能的特点。

答:复合材料与金属材料等一些各向同性材料有完全不同的疲劳机理.对大多数各向同性材料,在受交变载荷作用时,往往出现一个单一的疲劳主裂纹并控制其最终的疲劳破坏;对于纤维复合材料，往往在高应力区出现较大规模的损伤，如界面脱胶、基体开裂、分层和纤维断裂等，这些损伤会相互影响和组合，表现出非常复杂的疲劳破坏行为，很少出现由单一裂纹控制的破坏机理总的来说，复合材料的抗疲劳性能比金属材料好得多。

已知，缩颈判据为dS/de=S。试证明对符合Hollomon关系S=Ke的材料，其n=eB 。 （eB为最大均匀真应变）。

n_

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/utao.html