材料力学性能课后习题答案(1).doc

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

2、。 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

3、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

4、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。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

5、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，并指出该理论 的局限性。2E 2答：c I ，只适用于脆性固体,也就是只适用于那些裂纹尖端塑性a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 T max和最大正应力(7 max比值，即： 上 1 3【新书P39旧书P46】max 2 1 0.52 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

6、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 7 bn的与等截面尺寸光滑试样的抗拉 强度7 b的比值，称为缺口敏感度，即：NSR = _r(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)洛氏硬度一一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) 维氏硬度一一以两相对面夹角为 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)努氏硬度一一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)肖氏硬度一

7、一采动载荷试验法，根据重锤回跳高度表证的金属硬度。(9)里氏硬度一一采动载荷试验法，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)crbc -材料的抗压强度(2)ebb-材料的抗弯强度(3)TS -材料的扭转屈服点(4)Tb -材料的抗扭强度(5)ebn -材料的抗拉强度(6)NS-材料的缺口敏感度(7)HBV-压头为硬质合金球的材料的布氏硬度(8)HR-材料的洛氏硬度(9)HR-材料的洛氏硬度(10)HR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

8、滑圆柱试样，试验简单，塑性变形抗力和切断强 度较低的塑性材料。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

9、， 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

10、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；（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-

11、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】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，a ku=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

12、的功，称为冲击吸收功，以 A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

13、泛采用。Akv (CVN): V型缺口试样冲击吸收功.Au： 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%寸的温度为tk，并记为50TT 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

14、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：晶粒大小

15、，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，

16、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

17、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，裂纹沿作用力方向张开， 沿裂纹面扩展的裂纹。应力场强度因子 K ： 在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚 与强度因子 K 有关，对于某一确定的点，其应力分量由 K 确定， K 越大

18、，则 应力场各点应力分量也越大，这样 K 就可以表示应力场的强弱程度，称 K 为应 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 KI KIC,就会发生脆性断裂.反之,即使存在裂

19、纹，若 Ki Kic也不会断裂。新P71:旧8 32、说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系K C 和 KC 答： 临界或失稳状态的 K 记作 K C 或 KC ， K C 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。 KC 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 KC 值与试样厚度有关。当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一稳定的最低值，即为 Kc，它与试样厚度无关，而是真正的材料常数。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

20、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 r-0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

21、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 K的表达式答：几种裂纹的K表达式，无限大板穿透裂纹：K a ；有限宽板穿透裂纹：K . af(a);有限宽板单边直裂纹：K , af(；)当b a时，K 1.2 - a ;受弯单边裂纹梁：K 6M3/2 f (a);无限大物体内部有椭圆片裂纹，远处受(b a) b2均匀拉伸：K (sin2笃cos2 )1/4;无限大物体表面有半椭圆裂纹，远c处均受拉伸：A点的K1.1 . a。7、试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。

22、答：机件上由于存在裂纹，在裂纹尖端处产生应力集中，当 cy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/ cs)2成正比。13、断裂韧度KIC与强度、塑性之间的关系：总的来说，断裂韧度随强度的升 咼而降低。15、 影响KIC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，材料的c 0.2=1200MPa Klc=115MPa*m1/2探伤发现有20mm 长的横向