材料力學性能-第2版課后習題答案

1、第一章 單向靜拉伸力學性能1、 解釋下列名詞。2滯彈性：金屬材料在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時間延長產(chǎn)生附加彈性應變的現(xiàn)象稱為滯彈性，也就是應變落后于應力的現(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：金屬材料經(jīng)過預先加載產(chǎn)生少量塑性變形，卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長應力增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長應力降低的現(xiàn)象。11.韌脆轉(zhuǎn)變：具有一定韌性的金屬材料當?shù)陀谀骋粶囟赛c時，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2、 說明下列力學性能指標的意義。答：E彈性模量 G切變模量 規(guī)定殘余伸長應力 屈服強度 金屬材料拉

2、伸時最大應力下的總伸長率 n 應變硬化指數(shù) 【P15】3、 金屬的彈性模量主要取決于什么因素？為什么說它是一個對組織不敏感的力學性能指標？答：主要決定于原子本性和晶格類型。合金化、熱處理、冷塑性變形等能夠改變金屬材料的組織形態(tài)和晶粒大小，但是不改變金屬原子的本性和晶格類型。組織雖然改變了，原子的本性和晶格類型未發(fā)生改變，故彈性模量對組織不敏感?！綪4】4、 現(xiàn)有45、40Cr、35 CrMo鋼和灰鑄鐵幾種材料，你選擇哪種材料作為機床起身，為什么？ 選灰鑄鐵，因為其含碳量搞，有良好的吸震減震作用，并且機床床身一般結(jié)構(gòu)簡單，對精度要求不高，使用灰鑄鐵可降低成本，提高生產(chǎn)效率。5、 試述韌性斷裂與脆

3、性斷裂的區(qū)別。為什么脆性斷裂最危險？【P21】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，這種斷裂有一個緩慢的撕裂過程，在裂紋擴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。6、 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)、大小和相對位置，因試樣形狀、尺寸和金屬材料的性能以及試驗溫度、加載速率和受力狀態(tài)不同而變化。7、 板材宏觀脆性斷口的主要特征是什么？如何尋找斷裂源？斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀

4、，板狀矩形拉伸試樣斷口中的人字紋花樣的放射方向也 與裂紋擴展方向平行，其尖端指向裂紋源。第二章 金屬在其他靜載荷下的力學性能一、解釋下列名詞： （1）應力狀態(tài)軟性系數(shù)材料或工件所承受的最大切應力max和最大正應力max比值，即： 【新書P39 舊書P46】（3）缺口敏感度缺口試樣的抗拉強度bn的與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強度b 的比值，稱為缺口敏感度，即： 【P47 P55 】 （三、試綜合比較單向拉伸、壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗的特點和應用范圍。試驗方法特點應用范圍拉伸 溫度、應力狀態(tài)和加載速率確定，采用光滑圓柱試樣，試驗簡單，應力狀態(tài)軟性系數(shù)較硬。 塑性變形抗力和切斷強度較低的塑性材料。壓縮 應

5、力狀態(tài)軟，一般都能產(chǎn)生塑性變形，試樣常沿與軸線呈45方向產(chǎn)生斷裂，具有切斷特征。 脆性材料，以觀察脆性材料在韌性狀態(tài)下所表現(xiàn)的力學行為。彎曲 彎曲試樣形狀簡單，操作方便；不存在拉伸試驗時試樣軸線與力偏斜問題，沒有附加應力影響試驗結(jié)果，可用試樣彎曲撓度顯示材料的塑性；彎曲試樣表面應力最大，可靈敏地反映材料表面缺陷。 測定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質(zhì)合金等脆性與低塑性材料的強度和顯示塑性的差別。也常用于比較和鑒別滲碳和表面淬火等化學熱處理機件的質(zhì)量和性能。扭轉(zhuǎn) 應力狀態(tài)軟性系數(shù)為0.8，比拉伸時大，易于顯示金屬的塑性行為；試樣在整個長度上的塑性變形時均勻，沒有緊縮現(xiàn)象，能實現(xiàn)大塑性變形量下的試驗；

6、較能敏感地反映出金屬表面缺陷和及表面硬化層的性能；試樣所承受的最大正應力與最大切應力大體相等 用來研究金屬在熱加工條件下的流變性能和斷裂性能，評定材料的熱壓力加工型，并未確定生產(chǎn)條件下的熱加工工藝參數(shù)提供依據(jù)；研究或檢驗熱處理工件的表面質(zhì)量和各種表面強化工藝的效果。六、試綜合比較光滑試樣軸向拉伸、缺口試樣軸向拉伸和偏斜拉伸試驗的特點。 偏斜拉伸試驗：在拉伸試驗時在試樣與試驗機夾頭之間放一墊圈，使試樣的軸線與拉伸力形成一定角度進行拉伸。該試驗用于檢測螺栓一類機件的安全使用性能。光滑試樣軸向拉伸試驗：截面上無應力集中現(xiàn)象，應力分布均勻，僅在頸縮時發(fā)生應力狀態(tài)改變。缺口試樣軸向拉伸試驗：缺口截面上出

7、現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，應力分布不均，應力狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生兩向或三向拉應力狀態(tài)，致使材料的應力狀態(tài)軟性系數(shù)降低，脆性增大。 偏斜拉伸試驗：試樣同時承受拉伸和彎曲載荷的復合作用，其應力狀態(tài)更“硬”，缺口截面上的應力分布更不均勻，更能顯示材料對缺口的敏感性。七、試說明布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度的實驗原理，并比較布氏、洛氏與維氏硬度試驗方法的優(yōu)缺點?！綪49 P57】原理布氏硬度：用鋼球或硬質(zhì)合金球作為壓頭，計算單位面積所承受的試驗力。洛氏硬度：采用金剛石圓錐體或小淬火鋼球作壓頭，以測量壓痕深度。維氏硬度：以兩相對面夾角為136。的金剛石四棱錐作壓頭，計算單位面積所承受的試驗力。布氏硬度優(yōu)點：實驗時一般

8、采用直徑較大的壓頭球，因而所得的壓痕面積比較大。壓痕大的一個優(yōu)點是其硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相得平均性能；另一個優(yōu)點是實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復性強。缺點：對不同材料需更換不同直徑的壓頭球和改變試驗力，壓痕直徑的測量也較麻煩，因而用于自動檢測時受到限制。洛氏硬度優(yōu)點：操作簡便，迅捷，硬度值可直接讀出；壓痕較小，可在工件上進行試驗；采用不同標尺可測量各種軟硬不同的金屬和厚薄不一的試樣的硬度，因而廣泛用于熱處理質(zhì)量檢測。缺點：壓痕較小，代表性差；若材料中有偏析及組織不均勻等缺陷，則所測硬度值重復性差，分散度大；此外用不同標尺測得的硬度值彼此沒有聯(lián)系，不能直接比較。維氏硬度優(yōu)點：不存在布氏硬度試驗

9、時要求試驗力F與壓頭直徑D之間所規(guī)定條件的約束，也不存在洛氏硬度試驗時不同標尺的硬度值無法統(tǒng)一的弊端；維氏硬度試驗時不僅試驗力可以任意取，而且壓痕測量的精度較高，硬度值較為準確。缺點是硬度值需要通過測量壓痕對角線長度后才能進行計算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低的多。八.今有如下零件和材料需要測定硬度，試說明選擇何種硬度實驗方法為宜。（1）滲碳層的硬度分布；（2）淬火鋼；（3）灰鑄鐵；（4）鑒別鋼中的隱晶馬氏體和殘余奧氏體；（5）儀表小黃銅齒輪；（6）龍門刨床導軌；（7）滲氮層；（8）高速鋼刀具；（9）退火態(tài)低碳鋼；（10）硬質(zhì)合金。（1）滲碳層的硬度分布- HK或-顯微HV（2）淬火鋼-

10、HRC（3）灰鑄鐵-HB（4）鑒別鋼中的隱晶馬氏體和殘余奧氏體-顯微HV或者HK（5）儀表小黃銅齒輪-HV（6）龍門刨床導軌-HS（肖氏硬度）或HL(里氏硬度)（7）滲氮層-HV（8）高速鋼刀具-HRC（9）退火態(tài)低碳鋼-HB（10）硬質(zhì)合金- HRA第三章 金屬在沖擊載荷下的力學性能四、試說明低溫脆性的物理本質(zhì)及其影響因素 低溫脆性的物理本質(zhì)：宏觀上對于那些有低溫脆性現(xiàn)象的材料，它們的屈服強度會隨溫度的降低急劇增加，而斷裂強度隨溫度的降低而變化不大。當溫度降低到某一溫度時，屈服強度增大到高于斷裂強度時，在這個溫度以下材料的屈服強度比斷裂強度大，因此材料在受力時還未發(fā)生屈服便斷裂了，材料顯示脆

11、性。 從微觀機制來看低溫脆性與位錯在晶體點陣中運動的阻力有關(guān)，當溫度降低時，位錯運動阻力增大，原子熱激活能力下降，因此材料屈服強度增加。 影響材料低溫脆性的因素有（P63，P73）：1晶體結(jié)構(gòu)：對稱性低的體心立方以及密排六方金屬、合金轉(zhuǎn)變溫度高，材料脆性斷裂趨勢明顯，塑性差。2化學成分：能夠使材料硬度，強度提高的雜質(zhì)或者合金元素都會引起材料塑性和韌性變差，材料脆性提高。3顯微組織：晶粒大小，細化晶粒可以同時提高材料的強度和塑韌性。因為 晶界是裂紋擴展的阻力，晶粒細小，晶界總面積增加，晶界處塞積的位錯數(shù)減 少，有利于降低應力集中；同時晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。 金相組織：較低強度

12、水平時強度相等而組織不同的鋼，沖擊吸收功和韌脆轉(zhuǎn)變溫度以馬氏體高溫回火最佳，貝氏體回火組織次之，片狀珠光體組織最差。鋼中夾雜物、碳化物等第二相質(zhì)點對鋼的脆性有重要影響，當其尺寸增大時均使材料韌性下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。五. 試述焊接船舶比鉚接船舶容易發(fā)生脆性破壞的原因。焊接容易在焊縫處形成粗大金相組織氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、錯邊、咬邊等缺陷，增加裂紋敏感度，增加材料的脆性，容易發(fā)生脆性斷裂。第四章 金屬的斷裂韌度5、 試述應力場強度因子的意義及典型裂紋的表達式答：新書P69舊書P80參看書中圖（應力場強度因子的意義見上） 幾種裂紋的表達式，無限大板穿透裂紋：；有限寬板穿透裂紋：；有限寬板單

13、邊直裂紋：當ba時，；受彎單邊裂紋梁：；無限大物體內(nèi)部有橢圓片裂紋，遠處受均勻拉伸：；無限大物體表面有半橢圓裂紋，遠處均受拉伸：A點的。 6、 試述K判據(jù)的意義及用途。答： K判據(jù)解決了經(jīng)典的強度理論不能解決存在宏觀裂紋為什么會產(chǎn)生低應力脆斷的原因。K判據(jù)將材料斷裂韌度同機件的工作應力及裂紋尺寸的關(guān)系定量地聯(lián)系起來，可直接用于設計計算，估算裂紋體的最大承載能力、允許的裂紋最大尺寸，以及用于正確選擇機件材料、優(yōu)化工藝等。P71/P83 12.試述Kic的測試原理及其對式樣的基本要求原理：先用一定的試樣測試出FQ和裂紋長度a值得到一個KQ,如果KQ符合條件就說明測試使用的試樣符合條件，如果不符合就

14、換成較大試樣重新測試。試樣要求P78 三個公式16.有一大型板件，材料的0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探傷發(fā)現(xiàn)有20mm長的橫向穿透裂紋，若在平均軸向拉應力900MPa下工作，試計算KI及塑性區(qū)寬度R0，并判斷該件是否安全？解：由題意知穿透裂紋受到的應力為=900MPa根據(jù)/0.2的值，確定裂紋斷裂韌度KIC是否休要修正 因為/0.2=900/1200=0.750.7，所以裂紋斷裂韌度KIC需要修正對于無限板的中心穿透裂紋，修正后的KI為： = （MPa*m1/2）塑性區(qū)寬度為： =0.(m)= 2.21(mm)比較K1與KIc：因為K1=168.13（MPa*m1/

15、2）KIc=115（MPa*m1/2）所以：K1KIc ，裂紋會失穩(wěn)擴展 , 所以該件不安全。第五章 金屬的疲勞3.試述金屬疲勞斷裂的特點 p96/p109 （1）疲勞是低應力循環(huán)延時斷裂，機具有壽命的斷裂 （2）疲勞是脆性斷裂 （3）疲勞對缺陷（缺口，裂紋及組織缺陷）十分敏感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P109111）答：典型疲勞斷口具有三個形貌不同的區(qū)域疲勞源、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，因為這里在整個裂紋亞穩(wěn)擴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小。（2） 疲勞區(qū)的疲勞裂紋亞穩(wěn)擴

16、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展逐漸減弱。貝紋線是由載荷變動引起的，如機器運轉(zhuǎn)時的開動與停歇，偶然過載引起的載荷變動，使裂紋前沿線留下了弧狀臺階痕跡。（3） 瞬斷區(qū)是裂紋最后失穩(wěn)快速擴展所形成的斷口區(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。7試述疲勞裂紋的形成機理及阻止疲勞裂紋萌生的一般方法機理： 1、滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋。金屬在循環(huán)應力長期作用下，即使其應力低于屈服應力，也會發(fā)生循環(huán)滑移并形成循環(huán)滑移帶，這種循環(huán)滑移是極不均勻的，總分布在某些局部薄弱 區(qū)，這種循環(huán)

17、滑移帶具有持久駐留性，稱為駐留滑移帶，隨著加載循環(huán)次數(shù)增加，循環(huán)滑移帶會不斷地加寬，當加寬到一定程度時，由于位錯的塞積和交割作用，便在駐留滑移帶處形成微裂紋。 2、相界面開裂產(chǎn)生裂紋。材料中的第二相或夾雜物易引發(fā)疲勞裂紋。 3、晶界開裂產(chǎn)生裂紋。對晶體材料由于晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位錯在某一晶粒內(nèi)運動時會受到晶界的阻礙作用，在晶界處發(fā)生位錯塞積和應力集中現(xiàn)象，在應力不斷循環(huán)下，晶界處的應力集中得不到松弛時，則應力峰越來越高，當超過晶界強度時就會在晶界處產(chǎn)生裂紋。 阻止方法：1、固溶強化，細晶強化，提高材料的滑移抗力，均可以阻止疲勞裂紋的萌生，提高疲勞強度。 2、控制第二相或夾雜物的

18、數(shù)量、形態(tài)、大小和分布，使之“少、圓、小、勻”，均可抑制或延緩疲勞裂紋在第二相或夾雜物附近萌生。 3、晶界強化，凈化和細化晶粒均可抑制晶界裂紋形成。13.試述金屬的硬化與軟化現(xiàn)象及產(chǎn)生條件。金屬材料在恒定應變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應力不斷增加，即為循環(huán)硬化。金屬材料在恒定應變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應力逐漸減小，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；1.2b / s1.4，材料比較穩(wěn)定，無明顯循環(huán)硬化和軟化現(xiàn)象。也可用應變硬化

19、指數(shù)n來判斷循環(huán)應變對材料的影響，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)硬化和軟化與位錯的運動有關(guān)：退火軟金屬中，位錯產(chǎn)生交互作用，運動阻力增大而硬化。冷加工后的金屬中，有位錯纏結(jié)，在循環(huán)應力下破壞，阻力變小而軟化。第六章 金屬的應力腐蝕和氫脆斷裂3試述金屬產(chǎn)生應力腐蝕的條件及機理條件：應力，化學介質(zhì)，金屬材料三者共存 機理：1、對應力腐蝕敏感的合金在特定的化學介質(zhì)中，首先在表面形成一層鈍化膜，使金屬 不致進一步受到腐蝕，即處于鈍化狀態(tài)。 2、在拉應力作用下，使裂紋尖端地區(qū)產(chǎn)生局部塑性變形，滑移臺階在表面露頭時鈍化 膜破裂，顯露出新鮮表面。 3、露出

20、的新鮮表面在電解質(zhì)溶液中成陽極，而其余具有鈍化膜的金屬表面為陰極，從 而形成腐蝕微電池，陽極金屬變成正離子進入電解質(zhì)中而產(chǎn)生陽極溶解，于是在金 屬表面形成蝕坑。 4、拉應力在蝕坑或原有裂紋尖端形成應力集中，使陽極電位降低，加速陽極金屬的溶解，如果裂紋尖端的應力集中始終存在，那么微電池反。6.何為氫致延滯斷裂？為什么高強度鋼的氫致延滯斷裂實在一定的應變速率下和一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)？高強度鋼中固溶一定量的氫，在低于屈服強度的應力持續(xù)作用下，經(jīng)過一段孕育期后，金屬內(nèi)部形成裂紋，發(fā)生斷裂。-氫致延滯斷裂。 因為氫致延滯斷裂的機理主要是氫固溶于金屬晶格中，產(chǎn)生晶格膨脹畸變，與刃位錯交互作用，氫易遷移到位

21、錯拉應力處，形成氫氣團。 當應變速率較低而溫度較高時，氫氣團能跟得上位錯運動，但滯后位錯一定距離。因此，氣團對位錯起“釘扎”作用，產(chǎn)生局部硬化。當位錯運動受阻，產(chǎn)生位錯塞積，氫氣團易于在塞積處聚集，產(chǎn)生應力集中，導致微裂紋。 若應變速率過高以及溫度低的情況下，氫氣團不能跟上位錯運動，便不能產(chǎn)生“釘扎”作用，也不可能在位錯塞積處聚集，產(chǎn)生應力集中，導致微裂紋。 所以氫致延滯斷裂是在一定的應變速率下和一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的7如何識別氫脆與應力腐蝕？。答：氫脆和應力腐蝕相比，其特點表現(xiàn)在：1、實驗室中識別氫脆與應力腐蝕的一種辦法是，當施加一小的陽極電流，如使開裂加速，則為應力腐蝕；而當施加一小的陰極電流，使開裂加速者則為氫脆。2、在強度較低的材料中，或者雖為高強度材料但受力不大，存在的殘余拉應力也較小這時其斷裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此處三向拉應力最大，氫濃集在這里造成斷裂。3、氫脆斷裂的主裂紋沒有分枝的悄況這和應力腐蝕的裂紋是截然不同的。4、氦脆斷口上一般沒有腐蝕產(chǎn)物或者其量極微。5、大多數(shù)的氫脆斷裂(氫化物的氫脆除外)，都表現(xiàn)出對溫度和形變速率有強烈的依賴關(guān)系。氫脆只在一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，出現(xiàn)氫脆的溫度區(qū)間決定于合金的化學成分和形變速率。第七章 金屬的磨損與耐磨性3.粘著磨損產(chǎn)生的條件、機理及其防止措施粘著磨損- 又稱為咬合磨損，在滑動摩擦條件下