工程材料力学性能 第三版课后题答案(束德林)

1 工程材料力学性能工程材料力学性能课后题答案课后题答案 第三版第三版（束德林）（束德林） 第一章第一章 单向静拉伸力学性能单向静拉伸力学性能 1 1、 解释下列名词。解释下列名词。 （1 1）弹性比功：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 2）滞弹性：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 3）循环韧性：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 4）包申格效应：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 5）解理刻面解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 （6 6）塑性：塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。 脆脆性性：指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。 韧性：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 7）解理台阶：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 8） 河流花样：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 9）解理面：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。 （1010）穿晶断裂：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：沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。 （1111）韧脆转变：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 2、 说明下列力学性能指标的意义。说明下列力学性能指标的意义。 答：答：（1）E（G）分别为拉伸杨氏模量和切边模量，统称为弹性模量表示产生 100弹性变所需的应力。 （2） r 规定残余伸长应力，试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。 2 . 0 名义屈服强度（点），对没有明显屈服阶段的塑性材料通常以产生 0.2的塑性形变对应的应力作为屈 服强度或屈服极限。 r0.2规定残余伸长率为 0.2时的应力。 s材料的屈服强度，用应力表示材料的屈服点或下屈服点，表征材料对微量塑性变形的抗力。 b抗拉强度，即金属试样拉断过程中最大力所对应的应力，表征金属材料所能承受的最大拉伸应力。 ReH上屈服强度 ReL下屈服强度 屈服强度是表示材料对微量塑性变形的抗力。 Rp0.2规定塑性延伸率为 0.2时的应力。 Rr0.2规定残余延伸率为 0.2时的应力。 Rt0.5规定总延伸率为 0.5时的应力。 （3）Rm 抗拉强度，只代表金属材料所能承受的最大拉伸应力，表征金属材料对最大均匀塑性变形的抗力。 （4）n 应变硬化指数，反映金属材料抵抗均匀塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化行为的性能指标。 （5）A断后伸长率，是试样拉断后标距的残余伸长（Lu-L0）与原始标距 L0 之比的百分率。 表征金属材料断裂前发生塑性变形的能力。 A11.3原始标距L0=10d0的试样的断后伸长率。 2 A50mm表示原始标距为50mm的断后伸长率。 Agt 最大力总延伸率，它是金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量。 Z断面收缩率，它是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率。 3 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？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：答：弹性模量主要取决于金属原子本性和晶格类型。由于合金化、热处理（显微组织）、冷塑性变形对弹性模量的影响较 小，因而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。 4 4、 今有今有 4545、40Cr40Cr、35CrMo35CrMo 钢和灰铸铁几种材料，你会选择哪种材料用作机床床身？为什么？钢和灰铸铁几种材料，你会选择哪种材料用作机床床身？为什么？ 答：答：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。 5 5、 试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释 bccbcc 金属及其合金与金属及其合金与 fccfcc 金属及其合金屈服行为不同的原因。金属及其合金屈服行为不同的原因。 答：答：产生屈服的条件：材料变形前可动位错密度较小。随塑性变形发生，位错能快速增殖。位错运动速率与外加应 力有强烈依存关系。 bcc 金属的位错运动速率应力敏感指数数值较低，而此数值越低，则为使位错运动速率变化所需的应力变化越大，则 屈服现象越明显，而 fcc 的此数值较高，故屈服现象不明显。 6 6、 试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力现象在拉伸力- -伸长曲线图上的区别？为什么？伸长曲线图上的区别？为什么？ 答：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 7、 决定金属屈服强度的因素有哪些？决定金属屈服强度的因素有哪些？ 答：答：内因：金属本性和晶体结构：晶格阻力，位错交互阻力。晶粒大小和亚结构：晶界，亚 晶界对位错阻力大。 溶质元素：固溶产生的晶格畸变给位错运动带来阻力。第二相；固 溶强化，间隙强化，第二相强化，弥散强化， 细晶强化。 外因：温度应变速率（变形速率正比）应力状态（切应力分量反比）。 8 8、 试述试述 A A、Z Z 两种塑性指标评定金属材料塑性的优缺点？两种塑性指标评定金属材料塑性的优缺点？ 答：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 A 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 Z 作为塑性指 标。 因为 Z 反映了材料断开前的最大塑性变形量， 而此时 A 不能显示材料的最大塑性。Z 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 Z 为突出，所以 Z 比 A 对组织变化更为敏感。 9 9、 试举出几种能显著强化金属而又不降低塑性的方法？试举出几种能显著强化金属而又不降低塑性的方法？ 答：答：固溶强化、形变硬化、细晶强化。 1010、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？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：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。 1111、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂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？，为什么断裂性质完全不同？ 答：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。 1212、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？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：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。 1313、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？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：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、 3 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。 1414、板材宏观断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？板材宏观断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？ 答：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。 1515、试证明，滑移相交产生微裂纹的柯垂耳机理对试证明，滑移相交产生微裂纹的柯垂耳机理对 fccfcc 金属而言在能量上是不利的。金属而言在能量上是不利的。 答：答： 1 16 6、通常纯铁的通常纯铁的s s2J2J,E=2*10,E=2*10 5 5MPa,a MPa,a0 0=2.5=2.51010 1010m m，试求其理论断裂强度 ，试求其理论断裂强度m m 。 解：解：由题意可得：Mpa a sE m 4 2/1 10 5 2/1 0 100 . 4 105 . 2 2102 1717、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，并指出该理论的局限性。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，并指出该理论的局限性。 答：答：格雷菲斯理论是针对脆性材料断裂，裂纹已存在时，根据能量平衡原理计算裂纹自动扩 展的应力值。 假设： 1）外加应力作用一单位厚度的无限大薄板(消除边界约束，z = 0,平面应力状态) 2）与外界隔绝(封闭系统) 板的单位体积储存的弹性能为： 2 /(2E) 由弹性理论，板的中心形成一个垂直于应力且长度为 2a 的裂纹，释放的弹性能为： E a Ue 22 (系统释放弹性 能，故其前端冠以负号) 裂纹形成时产生新表面需作的表面功为：W4as 整个系统的能量变化关系为： s 2 2 4 a E a WUE 系统总能量变化与裂纹半长有关。在平 衡 点处，04 s 22 aa E a 于是，得到的裂纹失稳扩展的临界应力为 2 1 2 a E s c 此即为格雷菲斯方程。局限性：该理论只适用于脆性固体，如玻璃、金刚石等，也就是说对 那些裂纹尖端塑性变形可以忽略的情况。 1818、若一薄板物体内部存在一条长若一薄板物体内部存在一条长 3 3 的裂纹，且的裂纹，且a a0 03 31010 8 8cm cm，试求脆性断裂时的断裂应力。（设，试求脆性断裂时的断裂应力。（设m m0.1E0.1E2 2 1010 5 5MPa MPa ） 解：解： 2 0 2 1 0 ms s m aE a E mc s c a a a E 2 1 0 2 1 22 4 11 3 10 102 105 . 114. 3 1032 2 1 Pa 6 104 .71 1919、有有一材料一材料 E E2 21010 1111N N， ，s s8N8Nm m，试计算在，试计算在 7 71010 7 7N N 的拉应力作用下，该材料中能扩展的裂纹之最小长的拉应力作用下，该材料中能扩展的裂纹之最小长 度？度？ 解：解： 2 1 2 a E s c ma a c c 3 11 7 102 . 0 14. 3 81022 107 2 1 则材料中能扩展的裂纹之最小长度为2ac=0.4mm。 2020、断裂强度断裂强度c c 与抗拉强度与抗拉强度RmRm有何有何区区别？别？ 答：答：抗拉强度Rm 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c 是指在拉伸过程中，材料断裂时所对应的应力值。 2121、铁素体的断裂强度与屈服强度均与晶粒尺寸铁素体的断裂强度与屈服强度均与晶粒尺寸 d d 1/21/2成正比，怎样解释这一现象？ 成正比，怎样解释这一现象？ 答答: : 晶粒直径减小，d 1/2 提高，滑移带穿过一个晶粒，切应力在晶界处因出现塑性位移而被松弛，从而屈服强度和断裂 强度提高。 2222、裂纹扩展扩展受哪些因素支配？裂纹扩展扩展受哪些因素支配？ 答：答：裂纹形核前均需有塑性变形;位错运动受阻,在一定条件下便会形成裂纹。 2323、试分析能量断裂判据与应力断裂判据之间的试分析能量断裂判据与应力断裂判据之间的联系。联系。 答：答：格林菲斯能量判据是裂纹扩展的必要条件(必须满足)，但不是充分条件(满足能量条件不一定扩展)。充分条件(应力 条件)：裂纹尖端应力集中应力大于理论断裂强度. 应力条件推导： 裂纹尖端最大应力为 2/1 max 21 a 2/1 a 2 外加应力， a 裂纹长度， 裂纹尖端曲率半径 应力条件：maxm，即 2/1 0 S 2/1 2 a Ea c 由应力条件确定的实际断裂强度 2/1 0 S 4aa E c 讨论： 比较能量条件和应力条件 2 1 2 a E s c 2/1 0 S 4aa E c 5 1) 如果a0 2/1 s 2/1 s 1/2 a E 8 . 0 a E 2 c (能量条件） 2/1 s 2/1 s a 5 . 0 a 2 1 EE c （应力条件） 满足能量条件即满足应力条件 2)如果3a0时，能量条件应力条件，所以， 3a0 时，形成裂纹即扩展，用能量条件确定断裂应力； 3a0 时，形成裂纹不扩展，用应力条件确定断裂应力。 2424、有哪些因素决定韧性断口的宏观形貌？、有哪些因素决定韧性断口的宏观形貌？ 答：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。 2525、试根据下述方程（试根据下述方程（i id d 1/21/2+k +ky y）k ky y=2G=2Gs sq,q,讨论下述因素对金属材料韧脆转变的影响：（讨论下述因素对金属材料韧脆转变的影响：（1 1）材料成分；（）材料成分；（2 2）杂质；（）杂质；（3 3） 温度；（温度；（4 4）晶粒大小；（）晶粒大小；（5 5）应力状态；（）应力状态；（6 6）加载速率。）加载速率。 答：答：1）材料成分：通过 G（切变模量）和ky影响，G 越大，脆性强度越高。ky为钉扎常数，ky越大，越易出现脆性断裂。 2）杂质：通过i 和ky影响，杂质存在于晶界，位错运动受到阻碍，使i和ky提高，易导致脆性断裂。 3）温度：通过i ，其随着温度降低而急剧升高。另外,还与形变方式有关，低温下为孪生。 4）晶粒大小：反映滑移距离的大小，因而影响在障碍前位错塞积的数目晶粒细化，裂纹不易形成，并且裂纹形成后 也不易扩展，扩展方向改变要消耗更多能量。 5）应力状态：q 为应力状态系数，其值越小，更易显示脆性。 6）加载速率：通过 q 来影响，加载速率越大，越表现脆性断裂。 第二章第二章 金属在其他静载荷下的力学性能金属在其他静载荷下的力学性能 1 1、解释下列名词：解释下列名词： （ 1 ） 应 力 状 态 系 数 ：应 力 状 态 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 ， 记 作 321 31 max max 5 . 02 。 （2）缺缺口效应口效应：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，产生应力集中，从而影响材料的 力学性能，这就是所谓的缺口效应。 （3）缺口敏感度缺口敏感度：缺口试样的抗拉强度bn的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度b 的比值，称为缺口敏感度，记作 。 （4 4）布氏硬度）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， 6 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。 （5 5）洛氏硬度：）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 6）维氏硬度：）维氏硬度：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 7）努氏硬度）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 8）肖氏硬度：）肖氏硬度：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 9）里氏硬度：）里氏硬度：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 2、说明下列力学性能指标的意义说明下列力学性能指标的意义： （1）Rmc: :抗压强度，试样压至破坏过程中的最大应力。 （2）bb:抗弯强度，在三点弯曲试验中，试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力。 （3）eH:扭转上屈服强度，在扭转曲线或试验机扭矩度盘上读出首次下降前的最大扭矩。 eL:扭转下屈服强度，屈服阶段中不计初始瞬时效应的最小扭矩。 （4）m:抗扭强度，金属试样在扭断前承受的最大扭矩 Tm 与试样抗弯截面系数 W 的商，m=Tm/W。 （5）bn:缺口试样的抗拉强度，带有缺口的影响。 （6）NSR:缺口敏感度，表征材料的缺口敏感性。 （7）HBW：压头为硬质合金球的材料的布氏硬度。 （8）HRA：压头为金刚石圆锥的材料的洛氏硬度。测量硬度范围为 2088。 （9）HRB：压头为1.588mm 球的材料的洛氏硬度。测量硬度范围为 20100。 （10）HRC：压头为金刚石圆锥的材料的洛氏硬度。测量硬度范围为 2070。 （11）HV：压头为两相对面间夹角为 136的金刚石四棱锥体的材料的维氏硬度。 （12）HK：压头为两对面角不等的四角棱锥体金刚石的材料的努氏硬度。 （13）HS：肖氏硬度。 （14）HL：里氏硬度。 3 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。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：答：（1）单向拉伸试验： 特点：温度、应力状态和加载速率是确定的，且常用标准的光滑圆柱试样进行试验。 应用范围：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的试验。（一般包括弹性变形、不均匀屈服塑性 变形、均匀屈服塑性变形、不均匀集中塑性变形、断裂等阶段。） （2 2）压缩试验： 特点：应力状态较软，应力状态软性系数为 2，比拉伸、弯曲、扭转的应力状态都软，拉伸时塑性较好的材料在压 缩时只发生压缩变形而不会断裂；脆性材料在压缩时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴呈 45方向产生断裂， 具有切断特性。 应用范围：主要用于拉伸时呈脆性的金属材料的力学性能测定，如果产生明显屈服，还可以测定压缩屈服点。 （3 3）弯曲试验： 特点：弯曲试验试样形状简单，操作方便，并可用试样的弯曲挠度显示塑性，弯曲试样应力分布不均匀，表面最大， 中心为零，可较灵敏的反映材料表面缺陷。 7 应用范围：主要用于测定脆性或低塑性材料的抗弯强度。 （4 4）扭转试验： 特点：1)扭转的应力状态软性系数=0.8，比拉伸时大，易于显示金属的塑性行为。2)圆柱形试样扭转时，整个长度上 塑性变形是均匀的，没有颈缩现象，所以能实现大塑性变形量下的试验。3)能较敏感的反映出金属表面缺陷及硬化层 的性能。4)扭转时试样中的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等。 应用范围：是用于测定正断强度大于切断强度的金属材料的切断过程最可靠的方法，也用于检验工件材料表面质量和 各种表面强化工艺。 4 4、试述脆性材料弯曲试验特点及其应用试述脆性材料弯曲试验特点及其应用 答：答：特点：1）弯曲试样形状简单，操作方便，同时，不存在拉伸试样时的试样偏斜对试验结果的影响，并可用试样弯曲 的挠度显示材料的塑性。2)弯曲试样表面应力最大，可较灵敏的反映材料表面缺陷。 应用：1)常用于测定铸铁、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。2)比较和鉴 别渗碳和表面淬火等化学热处理及表面热处理机件的质量和性能。3)测定弯曲弹性模量，断裂挠度和断裂能量。 5 5、缺口试样拉、缺口试样拉伸时的应力分布有何特点？伸时的应力分布有何特点？ 答：答：（一）缺口试样在弹性状态下的应力分布 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。在缺口截面上x 的分布是先增后减，只是由于在缺口根部金属能自由伸缩，所以根部的 x=0，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。 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，缺口内侧处三项拉伸平面应变状态。 （二）缺口试祥在塑性状态下的应力分布 塑性变形条件下应力将重新分布， 并随载荷的增大塑性区逐渐扩大直至整个截面， 在其内侧一定距离 ry处x、 y、 z 最大。缺口使塑性材料强度增加，塑性下降。 综上所述， 无论是脆性材料或塑性材料， 其机件上的缺口都造成两向或三向应力状态和应力应变集中而产生变脆倾向， 降低了使用安全性。 6 6、试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试验的特点。试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试验的特点。 答：答：光滑试样轴向拉伸试验：截面上无应力集中现象，应力分布均匀，仅在颈缩时发生应力状态改变。 缺口试样轴向拉伸试验：缺口截面上出现应力集中现象，应力分布不均，应力状态发生变化，产生两向或三向拉应力 状态，致使材料的应力状态软性系数降低，脆性增大。 偏斜拉伸试验：试样同时承受拉伸和弯曲载荷的复合作用，其应力状态更“硬”，缺口截面上的应力分布更不均匀， 更能显示材料对缺口的敏感性。 7 7、试说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理，并比较布氏、洛氏与维氏硬度试验方法的优缺点。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。 答：布氏硬度答：布氏硬度是用一定直径 D（mm）的硬质合金球为压头，施以一定的试验力 F（N），将其压入式样表面，经规定保持时 间 t(s)后卸除试验力， 试样表面将残留压痕。 测量压痕平均直径 d （mm） ， 求得压痕球形面积 A （mm 2).布氏硬度值(HBW) 就是试验力 F 除以压痕球形表面积 A 所得的商。 其计算公式为： )( 204. 0102. 0 22 dDDD F A F HBW 优点：布氏硬度试验时一般采用直径较大的压头球，因而所得压痕面积较大。压痕面积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的平均性能，而不受个别组成相及微小不均匀性的影响。压痕较大的另一个优点是实验 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。当压痕 8 直径较大时，不宜在成品上进行试验。 洛氏硬度洛氏硬度是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 h，利用洛氏硬 度计算公式 HR=（k-h)/0.002 便可计算出洛氏硬度。当使用金刚石圆锥压头时，k 取 0.2mm，当使用淬火钢球或硬质 合金压头时，k 取 0.26mm。 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。 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。 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，也不存在洛氏硬度时不同标尺的硬 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。 缺点：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需要测定硬度，试说明选择何种硬度实验方法为宜。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 1）渗碳层的硬度分布；（）渗碳层的硬度分布；（2 2）淬火钢；（）淬火钢；（3 3）灰铸铁；（）灰铸铁；（4 4）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体；（）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体；（5 5）仪表小黄）仪表小黄 铜齿轮；（铜齿轮；（6 6）龙门刨床导轨；（）龙门刨床导轨；（7 7）渗氮层；（）渗氮层；（8 8）高）高速钢刀具；（速钢刀具；（9 9）退火态低碳钢；（）退火态低碳钢；（1010）硬质合金。）硬质合金。 答：答：（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 第三章第三章 金属在冲击载荷下的力学性能金属在冲击载荷下的力学性能 1 1解释下列名词解释下列名词: : (1)(1)冲击吸收能量冲击吸收能量: 缺口试样冲击弯曲试验中，摆锤冲断试样失去的势能为 mgH1-mgH2，此即为试样变形和断裂所消耗 的能量，称为冲击吸收能量，以 K 表示，单位为 J。 (2)(2)冲击韧度冲击韧度: : :U 形缺口冲击吸收功 KU A除以冲击试样缺口底部截面积所得之商. (3)(3)冲击韧性冲击韧性: 材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 (4)(4)低温脆性低温脆性： 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 Tt 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。 (5(5) )韧脆转变温度韧脆转变温度: :材料屈服强度急剧升高的温度，或断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收能量急剧减小偶的温度。 (6)(6)韧性温度储备韧性温度储备: :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。 2 2说明下列力学性能指标的意义：说明下列力学性能指标的意义： （1 1）K:K:冲击吸收能量, 材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 KVKV2 2：摆锤刀刃半径为 2mm 的夏比 V 型缺口试样测得的冲击吸收能量。 9 KVKV8 8：摆锤刀刃半径为 8mm 的夏比 V 型缺口试样测得的冲击吸收能量。 KUKU2 2：摆锤刀刃半径为 2mm 的夏比 U 型缺口试样测得的冲击吸收能量。 KUKU8 8：摆锤刀刃半径为 8mm 的夏比 U 型缺口试样测得的冲击吸收能量。 （2 2）FATT50FATT50：在用能量法定义 Tt 时，取结晶区面积占整个断口面积 50%时的温度。 （3 3）NDT:NDT:无塑性或零塑性转变温度， 以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度。 （4 4）FTE:FTE: 以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义 Tt。 （5 5）FTP:FTP: 以高阶能对应的温度 Tt。 （6 6）CATCAT：断裂终止线，表示不同应力水平线下脆性裂纹扩展的终止温度，即裂纹止裂转变温度。 3 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？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？ W18Cr4VW18Cr4V，Cr12MoVCr12MoV，3Cr2W8V3Cr2W8V，40CrNiMo40CrNiMo，30CrMnSi30CrMnSi，20CrMnTi20CrMnTi，铸铁。，铸铁。 答：答：缺口的作用是增加材料的脆性，塑形好的材料需要开缺口，而脆性大的材料则不需要开缺口。根据材料的化学成分可 判断其脆性大小，通常亚共析钢脆性小，而共析钢和过共析钢脆性大。因此 40CrNiMo，30CrMnSi，20CrMnTi（都是 亚共析钢）需要开缺口;而 W18Cr4V，Cr12MoV，3Cr2W8V（都是过共析钢）、铸铁不需要开缺口。 4 4试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。 答：答：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： 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。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。 5 5试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。 答：答：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。 6 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 t tk k较高？为什么？较高？为什么？ (1)(1)拉伸和扭转；（拉伸和扭转；（2 2）缺口静弯曲和缺口冲击弯曲；（）缺口静弯曲和缺口冲击弯曲；（3 3）光滑试样拉伸和缺口试样拉伸。）光滑试样拉伸和缺口试样拉伸。 答：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 塑形变形受到抑制，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，因为缺口使材料的脆性增加。 7 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？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？ 答：答：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 10 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。 8 8简述根据韧脆转变温度分析机件脆断失效的优缺点。简述根据韧脆转变温度分析机件脆断失效的优缺点。 答：答：优点：脆性断裂在常温下表现为脆性，因此材料的变形随温度降低时变化不大，这样在交变温度的使用环境下，就不 需要考虑材料的冷脆温度。 缺点：脆性断裂一般断裂时间较短，突发性的断裂，因此在使用时一旦超过屈服强度就会很快断裂。 第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 1、解释名词解释名词 （1 1）低应力脆断）低应力脆断：高强度、超高强度钢的机件 ，中低强度钢的大型、重型机件在在屈服应力以下发生脆性断裂。 （2 2）张开型）张开型（I I 型）型）裂纹裂纹：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 3）应力场和应变场）应力场和应变场：裂纹尖端附近位置的应力分布状况和应变分布状况。 （4 4）应力场强度因子）应力场强度因子 K KI I：表示应力场强弱程度。KI增加，应力场各应力分量增加。 （5 5）小范围屈服：）小范围屈服：塑性区尺寸较裂纹尺寸 a 及净截面尺寸为小时（小一个数量级以上），即小范围屈服。 （6 6）塑性区：）塑性区：金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近总会出现一个或大或小的塑性变形区，即塑性区或屈服区。 （7 7）有效屈服应力：）有效屈服应力：发生屈服时的应力。 （8 8）有效裂纹长度：）有效裂纹长度：由于裂纹尖端塑性区存在，会降低裂纹体的刚度，相当于裂纹长度增加。采用虚拟的有效裂纹代替 实际裂纹，其长度为有效裂纹长度。 （9 9）裂纹扩展）裂纹扩展 K K 判据判据：即 KI KIC，KIC为平面应变断裂韧性，KI为应力场强度因子。裂纹体在受力时，只要满足以上条 件，就会发生脆性断裂，反之即使存在裂纹也不会断裂。 （1010）裂纹扩展能量释放率）裂纹扩展能量释放率 GIGI：I 型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。 （1111）裂纹扩展）裂纹扩展 G G 判断判断：GI GIC,当满足上述条件时裂纹失稳扩展断裂。 （1212）J J 积分：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。 （1313）裂纹扩展）裂纹扩展 J J 判断判断：JI JIC,只要满足上述条件，裂纹（或构件）就会断裂。 （1414）CODCOD：裂纹尖端因塑性钝化不增加其长度 2a，但却沿方向张开，其张开位移即为 COD。 （1515）CODCOD 判据判据： C ,当满足上述条件时，裂纹开始扩展。 （1616）韧带：）韧带：裂纹扩展方向试样没有裂纹的区域。 2.2.说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系： （1 1） IC K 和和 C K: : IC K 为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展 的能力。 C K为平面应力断裂韧度，表示平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。它们 同属于型裂纹的材料断裂韧性指标，但 C K与试样厚度有关。当试样厚度增加，使裂纹尖 端达到平面应变状态时，断裂韧性趋于一稳定的最低值，即为 IC K ，它与试样厚度无关，是 真正的材料常数。 （2 2）G G1C1C: :当G增加到某一临界值时，G能克服裂纹失稳扩展的阻力，则裂纹失稳扩展断裂。将G的临界值记作cG，称 断裂韧度，表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。 11 （3 3）J J1C1C：断裂韧度，表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。 （4 4）C C：断裂韧度，表示材料阻止裂纹开始扩展的能力。 3 3、试述低应力脆断的原因及防止方法。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 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？、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：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 5、试述应力场强度因子的意义及典型裂纹试述应力场强度因子的意义及典型裂纹 K KI I的表达式的表达式。 答：答：KI表示应力场的强弱程度，是和 a 的复合力学参量，它的大小直接影响着应力场的大小，KI越大则应力场各应力分 量也越大。 典型裂纹 KI的表达式：aYK 6 6、试述试述 K K 判据的意义及用途。判据的意义及用途。 答：答： K 判据解决了经典的强度理论不能解决存在宏观裂纹为什么会产生低应力脆断的原因。K 判据将材料断裂韧度同机件 的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来，可直接用于设计计算，估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹最大 尺寸，以及用于正确选择机件材料、优化工艺等。 7 7、试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。、试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。 答：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。 8 8、试述塑性区对试述塑性区对K KI I 的影响及的影响及K KI I 的修正方法和结果。的修正方法和结果。 答：答：由于裂纹尖端塑性区的存在将会降低裂纹体的刚度，相当于裂纹长度的增加，因而影响应力场和及KI 的计算， 所以 要对KI 进行修正。 最简单而适用的修正方法是在计算KI 时采用“有效裂纹尺寸”，即以虚拟有效裂纹代替实际裂纹，然后用线弹性理 论所得的公式进行计算。基本思路是：塑性区松弛弹性应力的作用于裂纹长度增加松弛弹性应力的作用是等同的，从 而引入“有效长度”的概念，它实际包括裂纹长度和