材料力學(xué)性能課后習(xí)題答案(2).doc

1、材料力學(xué)性能課后答案 （整理版 ）1、解釋下列名詞。1彈性比功 ：金屬材料吸收彈性變形功的能力，一般用金屬開始塑性變形前單位 體積吸收的最大彈性變形功表示。2滯彈性 ：金屬材料在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長產(chǎn)生附加彈 性應(yīng)變的現(xiàn)象稱為滯彈性，也就是應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象。3循環(huán)韌性 ：金屬材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力稱為循環(huán)韌性。 4包申格效應(yīng) ：金屬材料經(jīng)過預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形， 卸載后再同向加載， 規(guī)定殘余伸長應(yīng)力增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力降低的現(xiàn)象。5解理刻面：這種大致以晶粒大小為單位的解理面稱為解理刻面。6塑性：金屬材料斷裂前發(fā)生不可逆永久（塑性）變形的能力

2、。 韌性：指金屬材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。7.解理臺(tái)階：當(dāng)解理裂紋與螺型位錯(cuò)相遇時(shí)，便形成一個(gè)高度為 b 的臺(tái)階。8.河流花樣：解理臺(tái)階沿裂紋前端滑動(dòng)而相互匯合 ,同號(hào)臺(tái)階相互匯合長大 , 當(dāng)匯 合臺(tái)階高度足夠大時(shí) , 便成為河流花樣。是解理臺(tái)階的一種標(biāo)志。9.解理面：是金屬材料在一定條件下， 當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后， 以極快速 率沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂， 因與大理石斷裂類似， 故稱此種晶體學(xué)平 面為解理面。10.穿晶斷裂：穿晶斷裂的裂紋穿過晶內(nèi)， 可以是韌性斷裂， 也可以是脆性斷裂。 沿晶斷裂 ：裂紋沿晶界擴(kuò)展，多數(shù)是脆性斷裂。11.韌脆轉(zhuǎn)變 ：具有一定韌性的金屬材

3、料當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟赛c(diǎn)時(shí)，沖擊吸收功明顯 下降，斷裂方式由原來的韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔?，這種現(xiàn)象稱為韌脆轉(zhuǎn)變12.彈性不完整性：理想的彈性體是不存在的，多數(shù)工程材料彈性變形時(shí)，可能 出現(xiàn)加載線與卸載線不重合、 應(yīng)變滯后于應(yīng)力變化等現(xiàn)象 , 稱之為彈性不完整性。 彈性不完整性現(xiàn)象包括包申格效應(yīng)、彈性后效、彈性滯后和循環(huán)韌性等 決定金屬屈服強(qiáng)度的因素有哪些？ 答：內(nèi)在因素：金屬本性及晶格類型、晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)、溶質(zhì)元素、第二 相。外在因素：溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)力狀態(tài)。2、試述韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)別。為什么脆性斷裂最危險(xiǎn)？ 答：韌性斷裂是金屬材料斷裂前產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形的斷裂，這種斷裂 有一個(gè)緩慢的撕

4、裂過程，在裂紋擴(kuò)展過程中不斷地消耗能量；而脆性斷裂是 突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害 性很大。3、剪切斷裂與解理斷裂都是穿晶斷裂，為什么斷裂性質(zhì)完全不同？ 答：剪切斷裂是在切應(yīng)力作用下沿滑移面分離而造成的滑移面分離，一般是 韌性斷裂，而解理斷裂是在正應(yīng)力作用以極快的速率沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生 的穿晶斷裂，解理斷裂通常是脆性斷裂。4、何謂拉伸斷口三要素？影響宏觀拉伸斷口性態(tài)的因素有哪些？ 答：宏觀斷口呈杯錐形，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個(gè)區(qū)域組成，即所謂 的斷口特征三要素。 上述斷口三區(qū)域的形態(tài)、 大小和相對(duì)位置， 因試樣形狀、 尺寸和金屬材料的性能以及試驗(yàn)溫度

5、、加載速率和受力狀態(tài)不同而變化。5、論述格雷菲斯裂紋理論分析問題的思路，推導(dǎo)格雷菲斯方程，并指出該理論 的局限性。1 f 2F Y V答：be =I2E上i ,只適用于脆性固體,也就是只適用于那些裂紋尖端塑性0.7 ,所以裂紋斷裂韌度 KIC需要修正 對(duì)于無限板的中心穿透裂紋，修正后的 KI為：168.131 0.177( 0.75)2匕 *0004417937(m)= 2.21(mm)22兀IGS丿因?yàn)?K1= 168.13( MPa*m12KIc=115(MPa*m12所以：K1KIc ,裂紋會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展,所以該件不安全。17.有一軸件平行軸向工作應(yīng)力150MPa使用中發(fā)現(xiàn)橫向疲勞脆性正斷，

6、斷口分 析表明有25mm深度的表面半橢圓疲勞區(qū)，根據(jù)裂紋 a/c可以確定=1,測試材料的0.2=720MPa ,試估算材料的斷裂韌度KIC為多少？解： 因?yàn)? 0.2=150720=0.208Kth時(shí)，dadN0,疲勞裂紋才開始擴(kuò)展。因此，Kth是疲勞裂紋 不擴(kuò)展的K臨界值，稱為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。4.試述疲勞宏觀斷口的特征及其形成過程 (新書P9698及PPT舊書P10911D 答：典型疲勞斷口具有三個(gè)形貌不同的區(qū)域一疲勞源、疲勞區(qū)及瞬斷區(qū)。(1)疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地，疲勞源區(qū)的光亮度最大，因?yàn)檫@里在整個(gè)裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展過程中斷面不斷摩擦擠壓， 故顯示光亮平滑，另疲勞源的貝紋線細(xì)小。(2

7、) 疲勞區(qū)的疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域， 是判斷疲勞斷裂的重要特征證據(jù)。特征是：斷口比較光滑并分布有貝紋線。 斷口光滑是疲勞源區(qū)域的延續(xù)，但其程度隨裂紋向前擴(kuò)展逐漸減弱。貝紋線是由載荷變動(dòng)引起的， 如機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的開動(dòng)與停歇，偶然過載引起的載荷變動(dòng)，使裂紋前沿線留 下了弧狀臺(tái)階痕跡。(3)瞬斷區(qū)是裂紋最后失穩(wěn)快速擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域。其斷口比疲勞區(qū)粗 糙，脆性材料為結(jié)晶狀斷口，韌性材料為纖維狀斷口。6試述疲勞圖的意義、建立及用途。(新書P101102舊書P115117)答：定義：疲勞圖是各種循環(huán)疲勞極限的集合圖， 也是疲勞曲線的另一種表達(dá)形式。意義：很多機(jī)件或構(gòu)件是在不對(duì)稱循環(huán)載荷下工作的

8、，因此還需知道材料的不對(duì) 稱循環(huán)疲勞極限，以適應(yīng)這類機(jī)件的設(shè)計(jì)和選材的需要。通常是用工程作圖法， 由疲勞圖求得各種不對(duì)稱循環(huán)的疲勞極限。建立：這種圖的縱坐標(biāo)以二a表示，橫坐標(biāo)以Cm表示。然后，以不同應(yīng)力比r條件下將二max表示的疲勞極限-r分解為二a和二m，并在該坐標(biāo)系中作ABC曲線，即（JIgmaX - Jn）為匚a- ；m疲勞圖。其幾何關(guān)系為：tan a= 1Dm Sax Jin）rB ,二 rB =二 aB mB。（用途）：我們知道應(yīng)力比r ,將其代入試中，即可求得tan和，而后從坐標(biāo) 原點(diǎn)O引直線，令其與橫坐標(biāo)的夾角等于:值，該直線與曲線ABC相交的交點(diǎn)B 便是所求的點(diǎn)，其縱、橫坐標(biāo)之

9、和，即為相應(yīng)r的疲勞極限2二max（6in） Ym 疲勞圖建立：這種圖的縱坐標(biāo)以 二max或二min表示，橫坐標(biāo)以匚m表示。然后將不同應(yīng)力比r下的疲勞極限，分別以二maximin）和二m表示于上述坐標(biāo)系中，就形成這種疲（用途）：我們只要知道應(yīng)力比r,就可代入上試求得tan和，而后從坐標(biāo)原 點(diǎn)O引一直線OH令其與橫坐標(biāo)的夾角等于：，該直線與曲線AHC相交的交點(diǎn)H 的縱坐標(biāo)即為疲勞極限。8.試述影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的主要因素。 （新書P107109,舊書P123123殘余壓應(yīng)力因會(huì)減小r,使da降低和AKth升高，對(duì)疲勞壽命有利；而殘余拉應(yīng)力dN因會(huì)增大r ,使-da升高和AKth降低，對(duì)疲勞壽命

10、不利。dN2、 過載峰的影響：偶然過載進(jìn)入過載損傷區(qū)內(nèi)，使材料受到損傷并降低疲勞壽命。但若過載適當(dāng)，有時(shí)反而是有益的。3、 材料組織的影響：晶粒大?。壕ЯＴ酱执?，其 AKth值越高，蟲 越低，對(duì)dN疲勞壽命越有利。組織：鋼的含碳量越低，鐵素體含量越多時(shí)，其 AKth值就越 高。當(dāng)鋼的淬火組織中存在一定量的殘余奧氏體和貝氏體等韌性組織時(shí)， 可以提 高鋼的AKth ,降低。噴丸處理：噴丸強(qiáng)化也能提高 AKth。dN9.試述疲勞微觀斷口的主要特征。答：斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱疲勞條帶（疲勞條紋、 疲勞輝紋）。疲勞條帶是疲勞斷口最典型的微觀特征。 滑移系多的面心立方金屬， 其疲勞

11、條帶明顯；滑移系少或組織復(fù)雜的金屬，其疲勞條帶短窄而紊亂。疲勞裂紋擴(kuò)展的塑性鈍化模型（Laird模型）:圖中（a）,在交變應(yīng)力為零時(shí)裂紋閉合。圖（b）,受拉應(yīng)力時(shí)，裂紋張開，在裂紋尖端沿最大切應(yīng)力方向產(chǎn)生滑移。圖(C),裂紋張開至最大，塑性變形區(qū)擴(kuò)大，裂紋尖端張開呈半圓形，裂紋停止擴(kuò) 展。由于塑性變形裂紋尖端的應(yīng)力集中減小， 裂紋停止擴(kuò)展的過程稱為“塑性鈍 化”。圖(d),當(dāng)應(yīng)力變?yōu)閴嚎s應(yīng)力時(shí)，滑移方向也改變了，裂紋尖端被壓彎成“耳狀” 切口。圖(e),到壓縮應(yīng)力為最大值時(shí)，裂紋完全閉合，裂紋尖端又由鈍變銳，形成一 對(duì)尖角。12.試述金屬表面強(qiáng)化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。答：表面強(qiáng)化處理可在機(jī)件表面產(chǎn)

12、生有利的殘余壓應(yīng)力， 同時(shí)還能提高機(jī)件表面的強(qiáng)度和硬度。這兩方面的作用都能提高疲勞強(qiáng)度。表面強(qiáng)化方法，通常有表面噴丸、滾壓、表面淬火及表面化學(xué)熱處理等。(1)表面噴丸及滾壓噴丸是用壓縮空氣將堅(jiān)硬的小彈丸高速噴打向機(jī)件表面，使機(jī)件表面產(chǎn)生局 部形變硬化；同時(shí)因塑變層周圍的彈性約束，又在塑變層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。表面滾壓和噴丸的作用相似，只是其壓應(yīng)力層深度較大，很適于大工件；而 且表面粗糙度低，強(qiáng)化效果更好。(2)表面熱處理及化學(xué)熱處理他們除能使機(jī)件獲得表硬心韌的綜合力學(xué)性能外，還可以利用表面組織相變 及組織應(yīng)力、熱應(yīng)力變化，使機(jī)件表面層獲得高強(qiáng)度和殘余壓應(yīng)力，更有效地提 高機(jī)件疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。

13、13.試述金屬的硬化與軟化現(xiàn)象及產(chǎn)生條件。金屬材料在恒定應(yīng)變范圍循環(huán)作用下， 隨循環(huán)周次增加其應(yīng)力不斷增加，即為循 環(huán)硬化。金屬材料在恒定應(yīng)變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應(yīng)力逐漸減小， 即為循環(huán)軟化。金屬材料產(chǎn)生循環(huán)硬化與軟化取決于材料的初始狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特性以及應(yīng)變幅和溫度等。循環(huán)硬化和軟化與 b / s 有關(guān)：b / s1.4 ，表現(xiàn)為循環(huán)硬化；b / s1.2 ，表現(xiàn)為循環(huán)軟化；1.2 b / s1.4 ，材料比較穩(wěn)定，無明顯循環(huán)硬化和軟化現(xiàn)象。也可用應(yīng)變硬化指數(shù)n來判斷循環(huán)應(yīng)變對(duì)材料的影響，n1硬化。 退火狀態(tài)的塑性材料往往表現(xiàn)為循環(huán)硬化，加工硬化的材料表現(xiàn)為循環(huán)軟化。 循環(huán)硬化和軟化

14、與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)： 退火軟金屬中，位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用，運(yùn)動(dòng)阻力增大而硬化。冷加工后的金屬中，有位錯(cuò)纏結(jié)，在循環(huán)應(yīng)力下破壞，阻力變小而軟化。第六章 金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂一、名詞解釋1、 應(yīng)力腐蝕：金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時(shí)間后所 產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。2、 氫脆：由于氫和應(yīng)力共同作用而導(dǎo)致的金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象。4、 氫化物致脆：對(duì)于W B或V B族金屬，由于它們與氫有較大的親和力，極易 生成脆性氫化物，是金屬脆化，這種現(xiàn)象稱氫化物致脆。5、 氫致延滯斷裂： 這種由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致延滯斷裂。 二、說明下列力學(xué)性能指標(biāo)的意義1、 SCC :材料

15、不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力。2、 KIscc ：應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子。3、 da/dt ：盈利腐蝕列紋擴(kuò)展速率。第七章 金屬的磨損與耐磨性1.名詞解釋磨損：機(jī)件表面相互接觸并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨 屑，使表面材料逐漸損失、造成表面損傷的現(xiàn)象。接觸疲勞：兩接觸面做滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r， 在交變接觸壓應(yīng)力長期作用下， 材料表面因疲勞損傷，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片金屬剝落而使材料損失的現(xiàn)象。3. 粘著磨損產(chǎn)生的條件、機(jī)理及其防止措施又稱為咬合磨損，在滑動(dòng)摩擦條件下，摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度較小，因 缺乏潤滑油， 摩擦副表面無氧化膜， 且單位法向載荷很大， 以致接觸應(yīng)力超過實(shí) 際接觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的一種磨損。磨損機(jī)理： 實(shí)際接觸點(diǎn)局部應(yīng)力引起塑性變形，使兩接觸面的原子產(chǎn)生粘著。 粘著點(diǎn)從軟的一方被剪斷轉(zhuǎn)移到硬的一方金屬表面，隨后脫落形成磨屑 舊的粘著點(diǎn)剪斷后，新的粘著點(diǎn)產(chǎn)生，隨后也被剪斷、轉(zhuǎn)移。如此重復(fù)，形成磨 損過程。改善粘著磨損耐磨性的措施1.選擇合適的摩擦副配對(duì)材料 選擇原則：配對(duì)材料的粘著傾向小 互溶性小表面易形成化合物的材料 金屬與非金屬配對(duì)2.采用表面化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài)進(jìn)行滲硫、 磷化、碳氮共滲等在表面形成一層化合物或非金屬層，