工程材料力学性能

《工程材料力学性能》（第二版）课后答案

第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能

一、解释下列名词

滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。

静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。

弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。

比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。

包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)增加；反向加载时弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)降低的现象。

解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。

解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。

韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。

静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。

二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学性能指标?

答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。

三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义?

答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降

低的现象。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。

包辛格效应可以用位错理论解释。第一，在原先加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，这背应力反作用于位错源，当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时，可使位错源停止开动。背应力是一种长程(晶粒或位错胞尺寸范围)内应力，是金属基体平均内应力的度量。因为预变形时位错运动的方向和背应力的方向相反，而当反向加载时位错运动的方向与原来的方向相反了，和背应力方向一致，背应力帮助位错运动，塑性变形容易了，于是，经过预变形再反向加载，其屈服强度就降低了。这一般被认为是产生包辛格效应的主要原因。其次，在反向加载时，在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号，要引起异号位错消毁，这也会引起材料的软化，屈服强度的降低。

实际意义：在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。其次，包辛格效应大的材料，内应力较大。另外包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系，在高周疲劳中，包辛格效应小的疲劳寿命高，而包辛格效应大的，由于疲劳软化也较严重，对高周疲劳寿命不利。

可以从河流花样的反“河流”方向去寻找裂纹源。

解理断裂是典型的脆性断裂的代表，微孔聚集断裂是典型的塑性断裂。

5.影响屈服强度的因素

与以下三个方面相联系的因素都会影响到屈服强度

位错增值和运动

晶粒、晶界、第二相等

外界影响位错运动的因素

主要从内因和外因两个方面考虑

（一）影响屈服强度的内因素

1．金属本性和晶格类型（结合键、晶体结构）

单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力，其值与位错运动所受到的阻力（晶格阻力－－派拉力、位错运动交互作用产生的阻力）决定。

派拉力：

位错交互作用力

（a是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数，L是位错间距。）

2．晶粒大小和亚结构

晶粒小→晶界多（阻碍位错运动）→位错塞积→提供应力→位错开动→产生宏观塑性变形。

晶粒减小将增加位错运动阻碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度降低（细晶强化）。

屈服强度与晶粒大小的关系：

霍尔－派奇（Hall-Petch) ζs= ζi+kyd-1/2

3．溶质元素

加入溶质原子→（间隙或置换型）固溶体→（溶质原子与溶剂原子半径不一样）产生晶格畸变→产生畸变应力场→与位错应力场交互运动→使位错受阻→提高屈服强度（固溶强化）。

4．第二相（弥散强化，沉淀强化）

不可变形第二相

提高位错线张力→绕过第二相→留下位错环→两质点间距变小→流变应力增大。不可变形第二相

位错切过（产生界面能），使之与机体一起产生变形，提高了屈服强度。

弥散强化：

第二相质点弥散分布在基体中起到的强化作用。

沉淀强化：

第二相质点经过固溶后沉淀析出起到的强化作用。

（二）影响屈服强度的外因素

1.温度

一般的规律是温度升高，屈服强度降低。

原因：派拉力属于短程力，对温度十分敏感。

2.应变速率

应变速率大，强度增加。

σε,t= C1(ε)m

3．应力状态

切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低。

缺口效应：试样中“缺口”的存在，使得试样的应力状态发生变化，从而影响材料的力学性能的现象。

9.试列举细晶强化能强化金属又不降低塑性的方法。

10.韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂更加危险？

韧性断裂：是断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂

特征：

断裂面一般平行于最大切应力与主应力成45度角。

断口成纤维状（塑变中微裂纹扩展和连接），灰暗色（反光能力弱）。

断口三要素：

纤维区、放射区、剪切唇这三个区域的比例关系与材料韧断性能有关。

塑性好，放射线粗大

塑性差，放射线变细乃至消失。

脆性断裂：断裂前基本不发生塑性变形的，突发的断裂。

特征：

断裂面与正应力垂直，断口平齐而光滑，呈放射状或结晶状。

注意：脆性断裂也产生微量塑性变形。

断面收缩率小于5％为脆性断裂，大于5％为韧性断裂。

23.断裂发生的必要和充分条件之间的联系和区别。

格雷菲斯裂纹理论是根据热力学原理，用能量平衡（弹性能的降低与表面能的增加相平衡）的方法推到出了裂纹失稳扩展的临界条件。该条件是是断裂发生的必要条件，但并不意味着一定会断裂。

该断裂判据为：

裂纹扩展的充分条件是其尖端应力要大于等于理论断裂强度。（是通过力学方法推到的断裂判据）

该应力断裂判据为：

对比这两个判据可知：

当ρ＝3a0时，必要条件和充分条件相当

ρ<3a0时，满足必要条件就可行（同时也满足充分条件）

ρ>3a0时，满足充分条件就可行（同时也满足必要条件）

25.试根据方程讨论下述因素对金属材料韧脆转变的影响？

材料成分：

r s—有效表面能，主要是塑性变形功，与有效滑移系数目和可动位错有关

具有fcc结构的金属有效滑移系和可动位错的数目都比较多，易于塑性变形，不易脆断。

凡加入合金元素引起滑移系减少、孪生、位错钉扎的都增加脆性；若合金中形成粗大第二相也使脆性增加。

杂质：

聚集在晶界上的杂质会降低材料的塑性，发生脆断。

温度：

σi---位错运动摩擦阻力。其值高，材料易于脆断。

bcc金属具有低温脆断现象，因为σi随着温度的减低而急剧增加，同时在低温下，塑性变形一孪生为主，也易于产生裂纹。故低温脆性大。

晶粒大小：

d值小位错塞积的数目少，而且晶界多。故裂纹不易产生，也不易扩展。所以细晶组织有抗脆断性能。

应力状态：

减小切应力与正应力比值的应力状态都将增加金属的脆性

加载速度

加载速度大，金属会发生韧脆转变。

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，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。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：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解理面的穿晶断裂，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韧脆转变性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变

1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度、加载速率和受力状态不同而变化。

第二章金属在其他静载荷下的力学性能

1、解释下列名词：

（1）应力状态软性系数—材料最大切应力与最大正应力的比值，记为α。

（2）缺口效应——缺口材料在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生的变化。（3）缺口敏感度——金属材料的缺口敏感性指标，用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值表示。

（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——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——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——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——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——采动载荷试验法，根据重锤回跳速度表证的金属硬度。

2、说明下列力学性能指标的意义

——材料的抗压强度

（1）ζ

ｂｃ

——材料的抗弯强度

（2）ζ

ｂｂ

（3）η

——材料的扭转屈服点

ｓ

——材料的抗扭强度

（4）η

ｂ

——材料的抗拉强度

（5）ζ

ｂｎ

（6）NSR——材料的缺口敏感度

（7）HBS——压头为淬火钢球的材料的布氏硬度

（8）HBW——压头为硬质合金球的材料的布氏硬度

（9）HRA——材料的洛氏硬度

（１０）HRB——材料的洛氏硬度

（１１）HRC——材料的洛氏硬度

（１２）HV——材料的维氏硬度

（１３）HK——材料的努氏硬度

（１４）HS——材料的肖氏硬度

（１５）HL——材料的里氏硬度

三、缺口冲击韧性试验能评定那些材料的低温脆性?那些材料不能用此方法检验和评定？

答案：缺口冲击韧性试验能评定的材料是低、中强度的体心立方金属以及Bb，Zn，这些材料的冲击韧性对温度是很敏感的。对高强度钢、铝合金和钛合金以及面心立方金属、陶瓷材料等不能用此方法检验和评定。

四、在评定材料的缺口敏感应时，什么情况下宜选用缺口静拉伸试验?什么情况下宜选用缺口偏斜拉伸?什么情况下则选用缺口静弯试验?

答案：缺口静拉伸试验主要用于比较淬火低中温回火的各种高强度钢，各种高强度钢在屈服强度小于1200MPa时，其缺口强度均随着材料屈服强度的提高而升高；但在屈服强度超过1200MPa以上时，则表现出不同的特性，有的开始降低，有的还呈上升趋势。

缺口偏斜拉伸试验就是在更苛刻的应力状态和试验条件下，来检验与对比不同材料或不同工艺所表现出的性能差异。

缺口试样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。

7.说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理和优缺点。

1、氏硬度试验的基本原理

在直径D的钢珠（淬火钢或硬质合金球）上，加一定负荷F，压入被试金属的表面，保持规定时间卸除压力，根据金属表面压痕的陷凹面积计算出应力值，以此值作为硬度值大小的计量指标。

优点：

代表性全面，因为其压痕面积较大，能反映金属表面较大体积范围内各组成相综合平均的性能数据，故特别适宜于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组成相的金属材料。

试验数据稳定。试验数据从小到大都可以统一起来。

缺点：

钢球本身变形问题。对HB>450以上的太硬材料，因钢球变形已很显著，影响所测数

据的正确性，因此不能使用。

由于压痕较大，不宜于某些表面不允许有较大压痕的成品检验，也不宜于薄件试验。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。

2、洛氏硬度的测量原理

洛氏硬度是以压痕陷凹深度作为计量硬度值的指标。

洛氏硬度试验的优缺点

洛氏硬度试验避免了布氏硬度试验所存在的缺点。它的优点是：

1)因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题；

2)压痕小，不伤工件，适用于成品检验；

3)操作迅速，立即得出数据，测试效率高。

缺点是：代表性差，用不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，无法进行比较。

3、维氏硬度的测定原理

维氏硬度的测定原理和布氏硬度相同,也是根据单位压痕陷凹面积上承受的负荷，即应力值作为硬度值的计量指标。

维氏硬度的优缺点

1）、不存在布氏那种负荷F和压头直径D的规定条件的约束，以及压头变形问题；2）、也不存在洛氏那种硬度值无法统一的问题；

3）、它和洛氏一样可以试验任何软硬的材料，并且比洛氏能更好地测试极薄件(或薄层)的硬度，压痕测量的精确度高，硬度值较为精确。

4）、负荷大小可任意选择。（维氏显微硬度）

唯一缺点是硬度值需通过测量对角线后才能计算(或查表)出来，因此生产效率没有洛氏硬度高。

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。

（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-----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

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τmax 和最大正应力σmax 比值，即：

1

α=

τmax σ1 σ 3 = σmax 2σ 1 0.5(σ 2 + σ 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σbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb 的比值，称为缺口敏感度，即：

（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——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——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——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——采动载荷试验法，根据重锤回跳高度表征的金属硬度。

（9）里氏硬度——采动载荷试验法，根据重锤回跳速度表征的金属硬度。

二、说明下列力学性能指标的意义

（1）σｂｃ——材料的抗压强度（2）σｂｂ——材料的抗弯强度（3）τｓ——材料的扭转屈服点（4）τｂ——材料的抗扭强度（5）σｂｎ——材料的抗拉强度（6）NSR——材料的缺口敏感度（7）HBW——压头为硬质合金球的材料的布氏硬度（8）HRA——材料的洛氏硬度（9）HRB——材料的洛氏硬度（10）HRC——材料的洛氏硬度（11）HV——材料的维氏硬度

三、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。

原理布氏硬度：用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位面积所承受的试验力。

洛氏硬度：采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度。

维氏硬度：以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头，计算单位面积所承受的试验力。布氏硬度优点：实验时一般采用直径较大的压头球，因而所得的压痕面积比较大。压痕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得平均性能；另一个优点是实验数据稳定，重复性强。缺点：对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，因而用于自动检测时受到限制。

洛氏硬度优点：操作简便，迅捷，硬度值可直接读出；压痕较小，可在工件上进行试验；采用不同标尺可测量各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度，因而广泛用于热处理质量检测。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，也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端；维氏硬度试验时不仅试验力可以任意取，而且压痕测量的精度较高，硬度值较为准确。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法低的多。

第三章材料在冲击载荷下的力学性能

一、解释下列名词

（1）冲击韧度—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）冲击吸收功——冲击弯曲试验中试样变形和断裂所消耗的功

（3）低温脆性——体心立方晶体金属及其合金或某些密派六方晶体金属及其合金在试验温度低于某一温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。

（4）韧脆转变温度——材料呈现低温脆性的临界转变温度。

（5）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、说明下列力学性能指标的意义

（1）AK——材料的冲击吸收功

AKV (CVN) 和AKU——V型缺口和U型缺口试样测得的冲击吸收功（2）FATT50——结晶区占整个端口面积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

（4）FTE——以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义的韧脆转变温度

（5）FTP——高阶能对应的温度

四、如何提高陶瓷材料的热冲击抗力?

答案：在工程应用中，陶瓷构件的失效分析是十分重要的，如果材料的失效，主要

是热震断裂，例如对高强、微密的精细陶宠，则裂纹的萌生起主导作用，为了防止热震失效提高热震断裂抗力，应当致力于提高材料的强度，并降低它的弹性模量和膨胀系数。若导致热震失效的主要因素是热震损坏，这时裂纹的扩展起主要作用，这时应当设法提高它的断裂韧性，降低它的强度。

什么是低温脆性、韧脆转变温度t k？产生低温脆性的原因是什么？体心立方和面心立方金属的低温脆性有和差异？为什么？

答：在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态转变未脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状，这就是低温脆性。tk称为韧脆转变温度。

低温脆性的原因：

低温脆性是材料屈服强度随温度降低而急剧增加，而解理断裂强度随温度变化很小的结果。如图所示：当温度高于韧脆转变温度时，断裂强度大于屈服强度，材料先屈服再断裂（表现为塑韧性）；当温度低于韧脆转变温度时，断裂强度小于屈服强度，材料无屈服直接断裂（表现为脆性）。

心立方和面心立方金属低温脆性的差异：

体心立方金属的低温脆性比面心立方金属的低温脆性显著。

原因：

这是因为派拉力对其屈服强度的影响占有很大比重，而派拉力是短程力，对温度很

敏感，温度降低时，派拉力大幅增加，则其强度急剧增加而变脆。

6.

拉伸冲击弯曲缺口试样拉伸

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】

冲击韧性冲击韧度: :U 形缺口冲击吸收功冲击韧度: αku=Aku/SAKU 除以冲击试样缺口底部截面积所得之商，称为冲击韧度，（J/cm2）, 反应了材料抵抗冲击载荷的能力,用 a KU 表示。P57 注释/P67

冲击吸收功: 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的功，称为冲击吸收功，以AK 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、低温脆性低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度t k 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: 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，被广泛采用。

AKV (CVN)：V 型缺口试样冲击吸收功. AKU：U 型缺口冲击吸收功.

（2）FATT50：冲击试样断口分为纤维区、放射区（结晶区）与剪切唇三部分，在不同试验温度下，三个区之间的相对面积不同。温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大，材料由韧变脆。通常取结晶区面积占整个断口面积50%时的温度为t k ，并记为50%FATT，或FATT50%，t50。（新书P61，旧书P71）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：①晶粒大小，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力集中；同时晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。少，有利于降低应②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。

第四章金属的断裂韧度

一、解释下列名词

（1）低应力脆断：在屈服应力以下发生的断裂。

（2）张开型裂纹：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。

（3）应力强度因子：表示应力场的强弱程度。

（4）小范围屈服：塑性尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸为小，小一个数量级以上的屈服。

（5）有效屈服应力：发生屈服时的应力

（6）有效裂纹长度：将原有的裂纹长度与松弛后的塑性区相合并得到的裂纹长度（7）裂纹扩展能量释放率：裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。

（8）J积分：裂纹尖端区的应变能，即应力应变集中程度

（9）COD：裂纹尖端沿应力方向张开所得到的位移。

二、疲劳断口有什么特点?

答案：有疲劳源。在形成疲劳裂纹之后，裂纹慢速扩展，形成贝壳状或海滩状条纹。这种条纹开始时比较密集，以后间距逐渐增大。由于载荷的间断或载荷大小的改变，裂纹经过多次张开闭合并由于裂纹表面的相互摩擦，形成一条条光亮的弧线，叫做疲劳裂纹前沿线，这个区域通常称为疲劳裂纹扩展区，而最后断裂区则和静载下带尖锐缺口试样的断口相似。对于塑性材料，断口为纤维状，对于脆性材料，则为结晶状断口。总之，一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。

三、什么是疲劳裂纹门槛值，哪些因素影响其值的大小?

答案：把裂纹扩展的每一微小过程看成是裂纹体小区域的断裂过程，则设想应力强度因子幅度△K=Kmax-Kmin是疲劳裂纹扩展的控制因子，当△K小于某临界值△Kth时，疲劳裂纹不扩展，所以△Kth叫疲劳裂纹扩展的门槛值。

应力比、显微组织、环境及试样的尺寸等因素对△Kth的影响很大。

KI 称为I 型裂纹的应力场强度因子，它是衡量裂纹顶端应力场强烈程度的函数，决定于应力水平、裂纹尺寸和形状。

塑性区尺寸较裂纹尺寸a 及静截面尺寸为小时（小一个数量级以上），即在所谓的小范围屈服

IC I K K 裂纹的应力场强度因子与其断裂韧度相比较，若裂纹要失稳扩展脆断，则应有：

这就是断裂K 判据。

应力强度因子K1是描写裂纹尖端应力场强弱程度的复合力学参量，可将它看作推动裂纹扩展的动力。对于受载的裂纹体，当K1增大到某一临界值时，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断裂。这一临界值便称为断裂韧度Kc 或K1c 。

意义：

K C 平面应力断裂韧度（薄板受力状态）

K IC 平面应变断裂韧度（厚板受力状态）

三、J 积分的主要优点是什么?为什么用这种方法测定低中强度材料的断裂韧性要比一般的K IC 测定方法其试样尺寸要小很多？

答案：J 积分有一个突出的优点就是可以用来测定低中强度材料的KIC 。

对平面应变的断裂韧性KIC ，测定时要求裂纹一开始起裂，立即达到全而失稳扩展，并要求沿裂纹全长，除试样两侗表面极小地带外，全部达到平面应变状态。而JIC 的测定，不一定要求试样完全满足平面应变条件，试验时，只在裂纹前沿中间地段首先起裂，然后有较长的亚临界稳定扩展的过程，这样只需很小的试验厚度，即只在中心起裂的部分满足平面应变要求，而韧带尺寸范围可以大而积的屈服，甚至全面屈服。因此．作为试样的起裂点．仍然是平面应变的断裂韧度，这时JIC 的是材料

的性质。当试样裂纹继续扩展时，进入平面应力的稳定扩展阶段，此时的J 不再单独是材料的性质，还与试样尺寸有关。

16.有一大型板件，材料的ζ0.2=1200MPa ，K Ic =115MPa*m1/2，探伤发现有20mm 长的横向穿透裂纹，若在平均轴向拉应力900MPa 下工作，试计算KI 及塑性区宽度R 0，并判断该件是否安全？

解：由题意知穿透裂纹受到的应力为σ=900MPa

根据ζ/ζ0.2的值，确定裂纹断裂韧度K IC 是否休要修正

因为ζ/ζ0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂纹断裂韧度K IC 需要修正

对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的K I 为：

=（MPa*m 1/2） 塑性区宽度为：2

0221???? ??=s I K R σπ =0.004417937(m)= 2.21(mm)

比较K 1与K Ic ：

因为K 1=168.13（MPa*m 1/2）

K Ic =115（MPa*m 1/2）

所以：K 1>K Ic ，裂纹会失稳扩展 , 所以该件不安全。

17.有一轴件平行轴向工作应力150MPa ，使用中发现横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm 深度的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c 可以确定υ=1，测试材料的ζ0.2=720MPa ，试估算材料的断裂韧度K IC 为多少？

解：

因为ζ/ζ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂纹断裂韧度K IC 不需要修正

对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的K I 为：

K IC =Yζc a c 1/2

对于表面半椭圆裂纹，Y=1.1/υ=1.1

所以，K IC=Yζc a c1/2=1.1=46.229（MPa*m1/2）

第四章金属的断裂韧度

1、名词解释

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、重型机件在屈服应力以下发生的断裂。

张开型（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。张开型（Ι型）裂纹应力场强度因子KΙ：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KΙ有关，对于某一确定的点，其应力分量由KΙ确定，KΙ越大，则应力场各点应力分量也越大，这样KΙ就可以表示应力场的强弱程度，称KΙ为应力场强度因子。“I”表示I 型裂纹。

小范围屈服：，这就称为小范围屈服。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）

有效屈服应力：裂纹在发生屈服时的应力。有效屈服应力有效裂纹长度：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有效裂纹长度屈服区之外，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。。判据：裂纹在受力时只要满足裂纹扩展K 判据K I ≥K IC ，就会发生脆性断裂.反之，即使存在裂纹，若K I p K IC 也不会断裂。新P71：旧８３

GI：I 型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。裂纹扩展能量释放率GI 判据：裂纹扩展G 判据G I ≥G IC ，当ＧＩ满足上述条件时裂纹失稳扩展断裂。P77/P89

Ｊ积分：有两种定义或表达式：一是线积分：二是形变功率差。积分裂纹扩展Ｊ判据裂纹扩展Ｊ判据：J I ≥J IC ，只要满足上述条件，裂纹（或构件）就会断裂。

ＣＯＤ：裂纹张开位移。P91/P102 ＣＯＤ判据：δ≥δc ，当满足上述条件时，裂纹开始扩展。P91/P103

2、说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系

KΙ C 和KC答：临界或失稳状态的KΙ记作KΙ C 或KC ，KΙ C 为平面应变下的断裂韧度，表示在平面它们都是Ι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。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KΙ C ，它与试样厚度无关，而是真正的材料常数。P71/P82

GΙ C 答：P77/P89 当GΙ增加到某一临界值时，GΙ能克服裂纹失稳扩展的阻力，则裂纹失稳扩展断裂。将GΙ的临界值记作GΙ c ，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，其单位与GΙ相同，MPa·m ＪＩＣ：是材料的断裂韧度，表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力，其单位与GIC 相同。δc ：是材料的断裂韧度，表示材料阻止裂纹开始扩展的能力.P91/P104 Ｊ判据和δ判据一样都是裂纹开始扩展的裂纹判据，而不是裂纹失稳扩展的裂纹判据。

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。

6、试述K 判据的意义及用途。

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。

KI称为I型裂纹的应力场强度因子，它是衡量裂纹顶端应力场强烈程度的函数，决定于应力水平、裂纹尺寸和形状。

K C平面应力断裂韧度（薄板受力状态）

K IC平面应变断裂韧度（厚板受力状态）

第五章材料的疲劳

一、解释下列名词

腐蚀疲劳：材料或零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下造成的失效。

应力腐蚀：材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的破坏。

氢脆：就是材料在使用前内部已含有足够的氢并导致了脆性破坏。

二．意义

σ-1：疲劳强度。对称循环应力作用下的弯曲疲劳极限（强度）。（是在循环应力周次增加到一定临界值后，材料应力基本不再降低时的应力值；或是应力循环107

周次材料不断裂所对应的应力值。）

σ-1p：对称拉压疲劳极限。

τ-1：对称扭转疲劳极限。

σ-1N；缺口试样在对称应力循环作用下的疲劳极限。

三、如何判断某一零件的破坏是由应力腐蚀引起的?

答案：应力腐蚀引起的破坏，常有以下特点：

1、造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一舶是拉伸应力。

2、应力腐蚀造成的破坏，是腕性断裂，没有明显的塑性变形。

3、只有在特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成应力腐蚀。

4、应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9一10-6m/s，有点象疲劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂。

5、应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴。

6、应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物，而疲劳断口的表面，如果是新鲜断口常常较光滑，有光泽。

7、应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但不要形成绝对化的概念，应力腐蚀裂纹并不总是分技的。

8、应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是晶间断裂。如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。

四、如何识别氢脆与应力腐蚀？

答案：氢脆和应力腐蚀相比，其特点表现在：

1、实验室中识别氢脆与应力腐蚀的一种办法是，当施加一小的阳极电流，如使开裂加速，则为应力腐蚀；而当施加一小的阴极电流，使开裂加速者则为氢脆。

2、在强度较低的材料中，或者虽为高强度材料但受力不大，存在的残余拉应力也较小这时其断裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此处三向拉应力最大，氢浓集在这里造成断裂。

3、断裂的主裂纹没有分枝的悄况．这和应力腐蚀的裂纹是截然不同的。

4、氦脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微。

5、大多数的氢脆断裂(氢化物的氢脆除外)，都表现出对温度和形变速率有强烈的依赖关系。氢脆只在一定的温度范围内出现，出现氢脆的温度区间决定于合金的化学成分和形变速率。

疲劳缺口敏感度：

金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性用疲劳缺口敏感度q f来评定

q f=（K f-1)/(k t-1)

K t为理论应力集中系数，k f为疲劳缺口系数。

k f为光滑试样与缺口试样疲劳极限之比kf =ζ-1/ζ-1N

过载损伤界；抗疲劳过载损伤的能力用过载损伤界表示。

疲劳门槛值：

△K th是疲劳裂纹不扩展的△K（应力强度因子范围）临界值，称为疲劳裂纹扩展门

槛值。表示材料阻止疲劳裂纹开始扩展的性能。

9.试述疲劳微观断口的特征及其形成过程。

微观形貌有疲劳条带。

滑移系多的面心立方金属，其疲劳条带明显

滑移系少或组织复杂的金属，其疲劳条带短窄而紊乱。

疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型(Laird模型)：

图中(a),在交变应力为零时裂纹闭合。

图(b)，裂纹张开，在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移。

图(c),裂纹张开至最大，塑性变形区扩大，裂纹尖端张开呈半圆形，裂纹停止扩展。由于塑性变形裂纹尖端的应力集中减小，裂纹停止扩展的过程称为“塑性钝化”。

图(d)，当应力变为压缩应力时，滑移方向也改变了，裂纹尖端被压弯成“耳状”切口。图(e)，到压缩应力为最大值时，裂纹完全闭合，裂纹尖端又由钝便锐。

13.试述金属的硬化与软化现象及产生条件。

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不断增加，即为循环硬化。

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逐渐减小，即为循环

机械工程材料习题 金属材料与热处理 工程材料 试题答案

机械工程材料习题金属材料及热处理工程材料试题答案 复习思考题1 1．写出下列力学性能符号所代表的力学性能指标的名称和含义。Akv、ψ、δ5 、σb 、σ0.2 、σs 、σe、σ 500、HRC、HV、σ-1、σ、HBS、HBW、E。 2．钢的刚度为20.7×104MPa，铝的刚度为6.9×104MPa。问直径为2.5mm，长12cm 的钢丝在承受450N的拉力作用时产生的弹性变形量(Δl)是多少?若是将钢丝改成同样长度的铝丝，在承受作用力不变、产生的弹性变形量(Δl)也不变的情况下，铝丝的直径应是多少? 3．某钢棒需承受14000N的轴向拉力，加上安全系数允许承受的最大应力为 140MPa。问钢棒最小直径应是多少?若钢棒长度为60mm、E=210000MPa，则钢棒的弹性变形量(Δl)是多少? 4．试比较布氏、洛氏、维氏硬度的特点，指出各自最适用的范围。下列几种工件的硬度适宜哪种硬度法测量：淬硬的钢件、灰铸铁毛坯件、硬质合金刀片、渗氮处理后的钢件表面渗氮层的硬度。 5．若工件刚度太低易出现什么问题?若是刚度可以而弹性极限太低易出现什么问题? 6．指出下列硬度值表示方法上的错误。12HRC～15HRC、800HBS、58HRC～62HRC、550N／mm2HBW、70HRC～75HRC、200N／mm2HBS。 7．判断下列说法是否正确，并说出理由。 (1)材料塑性、韧性愈差则材料脆性愈大。 (2)屈强比大的材料作零件安全可靠性高。 (3)材料愈易产生弹性变形其刚度愈小。 (4)伸长率的测值与试样长短有关，δ5>δ10 (5)冲击韧度与试验温度无关。 (6)材料综合性能好，是指各力学性能指标都是最大的。 (7)材料的强度与塑性只要化学成分一定，就不变了。 复习思考题2 1．解释下列名词：晶格、晶胞、晶粒、晶界、晶面、晶向、合金、相、固溶体、金属化合物、固溶强化、第二相弥散强化、组元。 2．金属的常见晶格有哪三种?说出名称并画图示之。 4．为什么单晶体有各向异性，而多晶体的金属通常没有各向异性? 5．什么叫晶体缺陷?晶体中可能有哪些晶体缺陷?它们的存在有何实际意义? 6．固态合金中固溶体相有哪两种? 7．固溶体的溶解度取决于哪些因素?复习思考题3 复习思考题3 1．概念： 过冷、过冷度、平衡状态、合金、相图、匀晶转变、共晶转变细晶强化、枝晶偏析、变质处理。 2．金属结晶的动力学条件和热力学条件是什么? 3．铸锭是否一定要有三种晶区?柱状晶的长大如何抑制? 4．合金结晶中可能出现的偏析应如何控制使之尽量减小? 5．本书图3-lOPb-Sn合金相图。 7．固溶体合金和共晶合金其力学性能和工艺性能各有什么特点?

材料力学性能考试答案

《工程材料力学性能》课后答案 机械工业出版社 2008第2版 第一章 单向静拉伸力学性能 1、 试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？ 2、 决定金属屈服强度的因素有哪些？【P12】 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。 3、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？【P21】 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。 4、 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？【P23】 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。 5、 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度、加载速率和受力状态不同而变化。 6、 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。 【P32】 答： 212?? ? ??=a E s c πγσ，只适用于脆性固体,也就是只适用于那些裂纹尖端塑性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τ max 和最大正应力σmax 比值，即： () 32131max max 5.02σσσσσστα+--== 【新书P39 旧书P46】 （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。【P44 P53】 （3）缺口敏感度——缺口试样的抗拉强度σbn 的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σ b 的比值，称为缺口敏感度，即： 【P47 P55 】 （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。【P49 P58】 （5）洛氏硬度——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 【P51 P60】。 （6）维氏硬度——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

材料力学性能复习总结

绪论 弹性:指材料在外力作用下保持与恢复固有形状与尺寸得能力。 塑性：材料在外力作用下发生不可逆得永久变形得能力。 刚度:材料在受力时抵抗弹性变形得能力。 强度:材料对变形与断裂得抗力。 韧性:指材料在断裂前吸收塑性变形与断裂功得能力。 硬度:材料得软硬程度。 耐磨性:材料抵抗磨损得能力。 寿命:指材料在外力得长期或重复作用下抵抗损伤与失效得能。 材料得力学性能得取决因素:内因——化学成分、组织结构、残余应力、表面与内部得缺陷等;外因——载荷得性质、应力状态、工作温度、环境介质等条件得变化。 第一章材料在单向静拉伸载荷下得力学性能 1、1 拉伸力—伸长曲线与应力—应变曲线 应力—应变曲线 退火低碳钢在拉伸力作用下得力学行为可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形与不均匀集中塑性变形与断裂几个阶段。 弹性变形阶段:曲线得起始部分，图中得oa段。 多数情况下呈直线形式，符合虎克定律。 屈服阶段:超出弹性变形范围之后，有得材料在 塑性变形初期产生明显得塑性流动。此时，在外力 不增加或增加很小或略有降低得情况下,变形继续产 生，拉伸图上出现平台或呈锯齿状，如图中得aｂ段。 均匀塑性变形阶段:屈服后，欲继续变形，必须 不断增加载荷，此阶段得变形就是均匀得，直到曲 退火低碳钢应力—应变曲线 线达到最高点，均匀变形结束,如图中得bc段。 不均匀塑性变形阶段:从试样承受得最大应力点开始直到断裂点为止,如图中得cd段。在此阶段，随变形增大,载荷不断下降,产生大量不均匀变形,且集中在颈缩处,最后载荷达到断裂载荷时,试样断裂。 弹性模量E:应力—应变曲线与横轴夹角得大小表示材料对弹性变形得抗力，用弹性模量E表

《工程材料力学性能》1231231321321321课后答案

第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能 一、解释下列名词 包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(σP)或屈服强度(σS)增加；反向加载时弹性极限(σP)或屈服强度(σS)降低的现象。 度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。（一）影响屈服强度的内因素 1．金属本性和晶格类型（结合键、晶体结构） 单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力，其值与位错运动所受到的阻力（晶格阻力－－派拉力、位错运动交互作用产生的阻力）决定。 派拉力： 位错交互作用力 （a是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数，L是位错间距。） 2．晶粒大小和亚结构 晶粒小→晶界多（阻碍位错运动）→位错塞积→提供应力→位错开动→产生宏观塑性变形。 晶粒减小将增加位错运动阻碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度降低（细晶强化）。 屈服强度与晶粒大小的关系：霍尔－派奇（Hall-Petch) σs= σi+kyd-1/2 3．溶质元素 加入溶质原子→（间隙或置换型）固溶体→（溶质原子与溶剂原子半径不一样）产生晶格畸变→产生畸变应力场→与位错应力场交互运动→使位错受阻→提高屈服强度（固溶强化）。 4．第二相（弥散强化，沉淀强化）

不可变形第二相:提高位错线张力→绕过第二相→留下位错环→两质点间距变小→流变应力增大。 不可变形第二相:位错切过（产生界面能），使之与机体一起产生变形，提高了屈服强度。 弥散强化：第二相质点弥散分布在基体中起到的强化作用。 沉淀强化：第二相质点经过固溶后沉淀析出起到的强化作用。 （二）影响屈服强度的外因素 1.温度:一般的规律是温度升高，屈服强度降低。原因：派拉力属于短程力，对温度十分敏感。 2.应变速率:应变速率大，强度增加。σε,t= C1(ε)m 3．应力状态:切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低。 缺口效应：试样中“缺口”的存在，使得试样的应力状态发生变化，从而影响材料的力学性能的现象。 9.细晶强化能强化金属又不降低塑性。 10.韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂更加危险？韧性断裂：是断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂 特征：断裂面一般平行于最大切应力与主应力成45度角。 断口成纤维状（塑变中微裂纹扩展和连接），灰暗色（反光能力弱）。 断口三要素：纤维区、放射区、剪切唇这三个区域的比例关系与材料韧断性能有关。 塑性好，放射线粗大 塑性差，放射线变细乃至消失。 脆性断裂：断裂前基本不发生塑性变形的，突发的断裂。 特征：断裂面与正应力垂直，断口平齐而光滑，呈放射状或结晶状。 注意：脆性断裂也产生微量塑性变形。 断面收缩率小于5％为脆性断裂，大于5％为韧性断裂。 。 第二章金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词：

工程材料力学性能

《工程材料力学性能》（第二版）课后答案 第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能 一、解释下列名词 滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。 弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。 比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。 包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(σP)或屈服强度(σS)增加；反向加载时弹性极限(σP)或屈服强度(σS)降低的现象。 解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。 解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。 韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。 二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学性能指标? 答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。 三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义? 答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降

材料力学性能重点总结

名词解释： 1加工硬化：试样发生均匀塑性变形，欲继续变形则必须不断增加载荷，这种随着随性变形的增大形变抗力不断增大的现象叫加工硬化。 2弹性比功：表示金属材料吸收弹性变形功的能力。 3滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生附加弹性应变的现象。 4包申格效应：金属材料通过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于1%-4%），而后再同向加载，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塑性：金属材料断裂前发生塑性变形的能力。常见塑性变形方式：滑移和孪生 6弹性极限：以规定某一少量的残留变形为标准，对应此残留变形的应力。 7比例极限：应力与应变保持正比关系的应力最高限。 8屈服强度：以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%的残留变形的应力作为屈 服强度。 9韧性断裂是材料断裂前发生产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的断裂 过程，在裂纹扩展过程中不断的消耗能量。韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并于主 应力成45度角。 10脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑形变形，没有明显征兆，危害性很大。断裂面一般与主应力垂直，端口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。 11剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿着滑移面分离而造成的断裂，又分滑断和微孔聚集性断裂。 12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，总是脆性断裂。 13缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生变化，产生所谓缺口效应“ ①缺口引起应力集中，并改变了缺口应力状态，使得缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或者三向应力状态。 ②缺口使得材料的强度提高，塑性降低，增大材料产生脆断的倾向。 8缺口敏感度：有缺口强度的抗拉强度Z bm与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度Zb的比值. NSR=Z bn / Z S NSR越大缺口敏感度越小 9冲击韧性：Ak除以冲击式样缺口底部截面积所得之商 10冲击吸收功：式样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功以Ak表示，单位J 11低温脆性：一些具有体心立方晶格或某些秘排立方晶格的金属，当温度降低到、某一温度时，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变为穿晶解 理，断口特征由纤维状变为结晶状，这种现象称为低温脆性 12脆性转变温度：当温度降低时，材料屈服强度急剧增加，而塑形和冲击吸收功急剧减小。材料屈服强度急剧升高的温度，或断后延伸率，断后收缩率，冲击吸收功急剧减小的温度就是韧脆转变温度tk，tk是一个温度区间 16应力场强度因子KI :表示应力场的强弱程度，对于某一确定的点的大小直接影响应力场的大小，KI越大，则应力场各应力分量也越大 17应力腐蚀：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后产生的低应力脆断现象第一章 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？ 答：由于弹性变形时原子间距在外力作用下可逆变化的结果，应力与应变关系实际上是原子

工程材料力学性能-第2版答案 束德林

《工程材料力学性能》束德林课后答案 机械工业出版社 2008第2版 第一章单向静拉伸力学性能 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。 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 2、 说明下列力学性能指标的意义。 答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指 数 【P15】 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？ 答：主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格

材料力学性能-考前复习总结(前三章)

金属材料的力学性能指标是表示其在力或能量载荷作用下（环境）变形和断裂的某些力学参量的临界值或规定值。 材料的安全性指标：韧脆转变温度Tk；延伸率；断面收缩率；冲击功Ak；缺口敏感性NSR 材料常规力学性能的五大指标：屈服强度；抗拉强度；延伸率；断面收缩率；冲击功Ak；硬度；断裂韧性 第一章单向静拉伸力学性能 应力和应变：条件应力条件应变 = 真应力真应变 应力应变状态：可在受力机件任一点选一六面体，有九组应力，其中六个独立分量。其中必有一主平面，切应力为零，只有主应力，且 ，满足胡克定律。 应力软性系数：最大切应力与最大正应力的相对大小。 1 弹变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。ae=1/2σeεe=σe2/2E。取决于E和弹性极限，弹簧用于减震和储能驱动，应有较高的弹性比功和良好弹性。需通过合金强化及组织控制提高弹性极限。 2）弹性不完整性：纯弹性体的弹性变形只与载荷大小有关，而与加载方向及加载时间无关，但对实际金属而言，与这些因素均有关系。 ①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。与材料成分、组织及试验条件有关，组织约不均匀，温度升高，切应力越大，滞弹性越明显。金属中点缺陷的移动，长时间回火消除。 弹性滞后环：由于实际金属有滞弹性，因此在弹性区内单向快速加载、卸载时，加载线与卸载线不重合，形成一封闭回路。吸收变形功 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（塑性区加载，塑性滞后环），也叫内耗（弹性区加载），或消震性。 ②包申格效应： 定义：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。（反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了） 解释：与位错运动所受阻力有关，在某滑移面上运动位错遇位错林而使其弯曲，密度增大，形成位错缠结或胞状组织，相对稳定。卸载后同向拉伸，位错线不能显著运动。但反向载荷使得位错做反向运动，阻碍

材料力学性能总结材料

材料力学性能：材料在各种外力作用下抵抗变形和断裂的能力。 屈服现象：外力不增加，试样仍然继续伸长，或外力增加到一定数值时突然下降，随后在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形。 屈服过程：在上屈服点，吕德斯带形成；在下屈服点，吕德斯带扩展；当吕德斯带扫过整个试样时，屈服伸长结束。 屈服变形机制：位错运动与增殖的结果。 屈服强度：开始产生塑性变形的最小应力。 屈服判据： 屈雷斯加最大切应力理论：在复杂应力状态下，当最大切应力达到或超过相同金属材料的拉伸屈服强度时产生屈服。 米赛斯畸变能判据：在复杂应力状态下，当比畸变能等于或超过相同金属材料在单向拉伸屈服时的比畸变能时，将产生屈服。 消除办法： 加入少量能夺取固溶体合金中溶质原子的物质，使之形成稳定化合物的元素； 通过预变形，使柯氏气团被破坏。 影响因素： 1.因： a)金属本性及晶格类型：金属本性及晶格类型不同，位错运动所受的阻力不同。 b)晶粒大小和亚结构：减小晶粒尺寸将使屈服强度提高。 c)溶质元素：固溶强化。 d)第二相 2.外因：温度(-)；应变速率(+)；应力状态。 第二相强化(沉淀强化+弥散强化)：通过第二相阻碍位错运动实现的强化。

强化效果： 在第二相体积比相同的情况下，第二相质点尺寸越小，强度越高，强化效果越好； 在第二相体积比相同的情况下，长形质点的强化效果比球形质点的强化效果好； 第二相数量越多，强化效果越好。 细晶强化：通过减小晶粒尺寸增加位错运动障碍的数目(阻力大)，减小晶粒位错塞积群的长度(应力小)，从而使屈服强度提高的方法。 同时提高塑性及韧性的机理： 晶粒越细，变形分散在更多的晶粒进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量，即表现出较高的塑性。 细晶粒金属中，裂纹不易萌生（应力集中少），也不易传播（晶界曲折多），因而在断裂过程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。 固溶强化：在纯金属中加入溶质原子形成固溶合金，将显著提高屈服强度。 原因：溶质原子与位错的弹性相互作用，使溶质原子扩散到位错周围，形成柯氏气团；柯氏气团钉扎位错，提高位错运动阻力。 强化效果：间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体；溶质和溶剂原子尺寸差越大，强化效果越好；溶质浓度越大，强化效果越好。 应变硬化(形变强化)：金属材料塑性变形过程中所需要的外力不断增大，表明金属材料有一种阻止继续塑性变形的能力。 原因：塑性变形过程中，位错不断增殖，运动受阻所致。 断裂韧度：临界或失稳状态下的应力场强度因子的大小。 塑性变形：作用在物体上的外力取消后，物体的变形不完全恢复而产生的永久变形。 1.单晶体：滑移+孪生；

江大工程材料力学性能习题解答

第一章 1、弹性变形的实质是什么？答：金属晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。 2、弹性模量E的物理意义？E是一个特殊的力性指标，表现在哪里？ 答：材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。E=Z / &。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。特殊表现：金属材料的E是一个对组织不敏感的力 学性能指标，温度、加载速率等外在因素对其影响不大，E主要决定于金属原子 本性和晶格类型。 3、比例极限、弹性极限、屈服极限有何异同？ 答：比例极限：应力应变曲线符合线性关系的最高应力（应力与应变成正比关系的最大应力）；弹性极限：试样由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力；屈服极限：开始发生均匀塑性变形时的应力。 4、什么是滞弹性？举例说明滞弹性的应用？ 答：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。应用：精密传感元件选择滞弹性低的材料。 5、内耗、循环韧性、包申格效应？ 答：内耗：金属材料在在弹性区内加载交变载荷（振动）时吸收不可逆变形功的能力；循环韧性：? ??塑性区内???；包申格效应：金属材料经过预先加 载产生少量塑性变形（残余应变为1%~4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服极限）增加，反向加载，规定残余伸长应力（特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零）的现象。 6、什么是屈服强度？如何确定屈服强度？ 答：屈服强度Z s :开始产生塑性变形时的应力。对于屈服现象明显的材料，以下屈服点对应的应力为屈服强度；对于屈服现象不明显的材料，以产生0.2%残 余变形的应力为其屈服强度。 7、屈服强度的影响因素有哪些？ 答：内因：①金属本性及晶格类型（位错密度增加，晶格阻力增加，屈服强度随之提高）②晶粒大小和亚结构（细晶强化）③溶质元素（固溶强化）④第二相（弥散强化和沉淀强化）；外因：①温度（一般，升高温度，金属材料的屈服强度降低）②应变速率（应变速率硬化）③应力状态（切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度则越低）。 8、屈服强度的实际意义？答：屈服强度是金属材料重要的力学性能，它是工程上从静强度角度选择韧性材料的基本依据，是建立屈服判据的重要指标，钢的屈服强度对工艺性能也有重要影响，降低屈服强度有利于材料冷成形加工和改善焊接性能。 9、静力韧度的物理意义。答：金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功定义为静力韧度，它是强度和塑性的综合指标。 10、真实应力应变曲线与工程应力应变曲线有何不同？有何意义？真实应力应 变曲线的关键点是哪个点？答：工程应力应变曲线上的应力和应变是用试样标距部分原始截面积和原始标距长度来度量的，往往不能真实反映或度量应变；真实应力应变曲线则代表瞬时的应力和应变，更为合理，可以叠加，可以不记中间加载历史，只需知道试样的初始长度和最终长度。工程〉真实。关键点是B点，B点前是均匀塑性变形，后是颈缩阶

材料力学性能试题(卷)集

判断 1.由内力引起的内力集度称为应力。（×） 2.当应变为一个单位时，弹性模量即等于弹性应力，即弹性模量是产生100%弹性变形所需的应力。（√） 3.工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同应力条件下产生的弹性变形就越大。（×） 4.弹性比功表示金属材料吸收弹性变形功的能力。（√） 5.滑移面和滑移方向的组合称为滑移系，滑移系越少金属的塑性越好。（×） 6.高的屈服强度有利于材料冷成型加工和改善焊接性能。（×） 7.固溶强化的效果是溶质原子与位错交互作用及溶质浓度的函数，因而它不受单相固溶合金（或多项合金中的基体相）中溶质量所限制。（×） 8.随着绕过质点的位错数量增加，留下的位错环增多，相当于质点的间距减小，流变应力就增大。（√） 9.层错能低的材料应变硬度程度小。（×） 10.磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以腐蚀的危害最大。（×） 11.韧性断裂用肉眼或放大镜观察时断口呈氧化色，颗粒状。（×） 12.脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，长呈放射状或结晶状。（√） 13.决定材料强度的最基本因素是原子间接合力，原子间结合力越高，则弹性模量、熔点就越小。（×） 14.脆性金属材料在拉伸时产生垂直于载荷轴线的正断，塑性变形量几乎为零。（√） 15.脆性金属材料在压缩时除产生一定的压缩变形外，常沿与轴线呈45°方向产生断裂具有切断特征。（√）

16.弯曲试验主要测定非脆性或低塑性材料的抗弯强度。（×） 17.可根据断口宏观特征，来判断承受扭矩而断裂的机件性能。（√） 18.缺口截面上的应力分布是均匀的。（×） 19.硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。（√） 20.于降低温度不同，提高应变速率将使金属材料的变脆倾向增大。（×） 21.低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧下降的结果。（×） 22.体心立方金属及其合金存在低温脆性。（√） 23.无论第二相分布于晶界上还是独立在基体中，当其尺寸增大时均使材料韧性下降，韧脆转变温度升高。（√） 24.细化晶粒的合金元素因提高强度和塑性使断裂韧度K IC下降。（×） 25.残余奥氏体是一种韧性第二相，分布于马氏体中，可以松弛裂纹尖端的应力峰，增大裂纹扩展的阻力，提高断裂韧度K IC。（√） 26.一般大多数结构钢的断裂韧度K IC都随温度降低而升高。（×） 27.金属材料的抗拉强度越大，其疲劳极限也越大。（√） 28.宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成的。（√） 29.材料的疲劳强度仅与材料成分、组织结构及夹杂物有关，而不受载荷条件、工作环境及表面处理条件的影响。（×） 30.应力腐蚀断裂并是金属在应力作用下的机械破坏与在化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加所造成的。（×） 31.氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状。（√） 32.含碳量较低且硫、磷含量较高的钢，氢脆敏感性低。（×） 33.在磨损过程中，磨屑的形成也是一个变形和断裂的过程。（√）

工程材料力学性能 东北大学

课后答案 第一章 一、解释下列名词 材料单向静拉伸载荷下的力学性能 滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。 弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。 包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)增加；反向加载时弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)降低的现象。 解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。 解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。 韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。 二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学性能? 答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。 三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义? 答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。包辛格效应可以用位错理论解释。 第一，在原先加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，这背应力反作用于位错源，当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时，可使位错源停止开动。背应力是一种长程(晶粒或位错胞尺寸范围)内应力，是金属基体平均内应力的度量。因为预变形时位错运动的方向和背应力的方向相反，而当反向加载时位错运动的方向与原来的方向相反了，和背应力方向一致，背应力帮助位错运动，塑性变形容易了，于是，经过预变形再反向加载，其屈服强度就降低了。这一般被认为是产生包辛格效应的主要原因。 其次，在反向加载时，在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号，要引起异号位错消毁，这也会引起材料的软化，屈服强度的降低。 实际意义：在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。其次，包辛格效应大的材料，内应力较大。另外包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系，在高周疲劳中，包辛格效应小的疲劳寿命高，而包辛格效应大的，由于疲劳软化也较严重，对高周疲劳寿命不利。可以从河流花样的反“河流”方向去寻找裂纹源。解理断裂是典型的脆性断裂的代表，微孔聚集断裂是典型的塑性断裂。 5.影响屈服强度的因素与以下三个方面相联系的因素都会影响到屈服强度位错增值和运动晶粒、晶界、第二相等外界影响位错运动的因素主要从内因和外因两个方面考虑 （一）影响屈服强度的内因素 1．金属本性和晶格类型（结合键、晶体结构）单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力，其值与位错运动所受到的阻力（晶格阻力－－派拉力、位错运动交互作用产生的阻力）决定。派拉力：位错交互作用力（a 是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数，L 是位错间距。） 2．2．晶粒大小和亚结构晶粒小→晶界多（阻碍位错运动）→位错塞积→提供应力→位错开动→产生宏

材料力学性能考试题及答案分析

07 秋材料力学性能 一、填空：（每空1分,总分25分） 1. 材料硬度的测定方法有、和。 2. 在材料力学行为的研究中，经常采用三种典型的试样进行研 究，即、 和。 3.平均应力越高，疲劳寿命。 4.材料在扭转作用下,在圆杆横截面上无正应力而只有 , 中心处切应力为 ,表面处。 5.脆性断裂的两种方式为和。 6.脆性材料切口根部裂纹形成准则遵循断裂准则； 塑性材料切口根部裂纹形成准则遵循断裂准 则； 7.外力与裂纹面的取向关系不同，断裂模式不同，张开型中外加 拉应力与断裂面，而在滑开型中两者的取向关系则为。 8．蠕变断裂全过程大致由、和

三个阶段组成。 9．磨损目前比较常用的分类方法是按磨损的失效机制分为、和腐蚀磨损等。 10．深层剥落一般发生在表面强化材料的区域。 11．诱发材料脆断的三大因素分别是、和。 二、选择：（每题1分，总分15分） （）1. 下列哪项不是陶瓷材料的优点 a）耐高温 b) 耐腐蚀 c) 耐磨损 d)塑性好 （）2. 对于脆性材料，其抗压强度一般比抗拉强度 a) 高b) 低c) 相等d) 不确定 （）3.用10mm直径淬火钢球，加压3000kg，保持30s，测得的布氏硬度值为150的正确表示应为 a) 150HBW10／3000／30 b) 150HRA3000／l0／ 30 c) 150HRC30／3000／10 d) 150HBSl0／3000／30 （）4.对同一种材料，δ5比δ10 a) 大 b) 小 c) 相同 d) 不确定

（）5. 下列哪种材料用显微硬度方法测定其硬度。 a) 淬火钢件 b) 灰铸铁铸件 c) 退货态下的软钢 d) 陶瓷 （）6.下列哪种材料适合作为机床床身材料 a) 45钢 b) 40Cr钢 c) 35CrMo钢 d) 灰铸铁（）7. 下列哪种断裂模式的外加应力与裂纹面垂直，因而它是最危险的一种断裂方式。 a) 撕开型 b) 张开型 c) 滑开型 d) 复合型（）8. 下列哪副图是金属材料沿晶断裂的典型断口形貌 a) b) c) d) （）9. 下列哪种材料中的弹性模量最高 a) 氧化铝 b) 钢 c) 铝 d) 铜 （）10. 韧性材料在什么样的条件下可能变成脆性材料 a) 增大缺口半径 b) 增大加载速度 c) 升高温度 d) 减小晶粒尺寸 （）11．应力腐蚀门槛值正确的符号为 a) K ISCC b) ΔK th c) K IC d) CF

工程材料力学性能答案

工程材料力学性能答案1111111111111111111111111111111111111 1111111111111111111111111111111111111 111111 决定金属屈服强度的因素有哪 些？12 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。试举出几种能显著强化金属而又不降低其塑性的方法。固溶强化、形变硬化、细晶强化试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？21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。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，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度、加载速率和受力状态不同而变化？断裂强度与抗拉强度有何区别？抗拉强度是试样断裂前所承受的最大工程应力，记为σb；拉伸断裂时的真应力称为断裂强度记为σf; 两者之间有经验关系：σf = σb (1+ψ)；脆性材料的抗拉强度就是断裂强度；对于塑性材料，于出现颈缩两者并不相等。裂纹扩展受哪些因素支配？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。2222222222222222222222222222222222 2222222222222222222222222222222222 2222 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。答：单向拉伸试验的特点及应用：单向拉伸的应力状态较硬，一般用于塑性变形

材料力学性能总结

材料力学性能:材料在各种外力作用下抵抗变形与断裂得能力。 屈服现象:外力不增加,试样仍然继续伸长,或外力增加到一定数值时突然下降,随后在外力不增加或上下波动情况下,试样继续伸长变形。 屈服过程:在上屈服点,吕德斯带形成;在下屈服点,吕德斯带扩展;当吕德斯带扫过整个试样时,屈服伸长结束。 屈服变形机制:位错运动与增殖得结果。 屈服强度:开始产生塑性变形得最小应力。 屈服判据: 屈雷斯加最大切应力理论:在复杂应力状态下，当最大切应力达到或超过相同金属材料得拉伸屈服强度时产生屈服。 米赛斯畸变能判据:在复杂应力状态下,当比畸变能等于或超过相同金属材料在单向拉伸屈服时得比畸变能时,将产生屈服。 消除办法： 加入少量能夺取固溶体合金中溶质原子得物质,使之形成稳定化合物得元素; 通过预变形，使柯氏气团被破坏。 影响因素: 1.内因： a)金属本性及晶格类型：金属本性及晶格类型不同,位错运动所受得阻力不同。 b)晶粒大小与亚结构:减小晶粒尺寸将使屈服强度提高。 c)溶质元素：固溶强化。 d)第二相 2.外因:温度(-);应变速率(+);应力状态。 第二相强化（沉淀强化+弥散强化):通过第二相阻碍位错运动实现得强化。 强化效果: 在第二相体积比相同得情况下，第二相质点尺寸越小,强度越高，强化效果越好; 在第二相体积比相同得情况下，长形质点得强化效果比球形质点得强化效果好; 第二相数量越多，强化效果越好。 细晶强化:通过减小晶粒尺寸增加位错运动障碍得数目(阻力大）,减小晶粒内位错塞积群得长度(应力小),从而使屈服强度提高得方法。 同时提高塑性及韧性得机理： 晶粒越细,变形分散在更多得晶粒内进行，变形较均匀,且每个晶粒中塞积得位错少,因应力集中引起得开裂机会较少,有可能在断裂之前承受较大得变形量，即表现出较高得塑性。细晶粒金属中,裂纹不易萌生（应力集中少）,也不易传播(晶界曲折多),因而在断裂过程中吸收了更多能量,表现出较高得韧性。 固溶强化：在纯金属中加入溶质原子形成固溶合金，将显著提高屈服强度。 原因:溶质原子与位错得弹性相互作用,使溶质原子扩散到位错周围,形成柯氏气团；柯氏气团钉扎位错，提高位错运动阻力。 强化效果:间隙固溶体得强化效果大于置换固溶体;溶质与溶剂原子尺寸差越大,强化效果越好;溶质浓度越大,强化效果越好。 应变硬化（形变强化):金属材料塑性变形过程中所需要得外力不断增大,表明金属材料有一种阻止继续塑性变形得能力。 原因:塑性变形过程中,位错不断增殖，运动受阻所致。 断裂韧度:临界或失稳状态下得应力场强度因子得大小。 塑性变形：作用在物体上得外力取消后，物体得变形不完全恢复而产生得永久变形。

材料力学性能课后习题答案

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．xx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。 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： 主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。 1、试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？

工程材料力学性能

工程材料力学性能 工程材料力学性能 第一章、金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 一、名词解释 ?弹性比功又称弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的功能。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。 ?循环韧性:金属材料在交变载荷(震动)下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的内耗。 ?包申格效应:金属材料经过预先加载产生多少塑性变形(残余应力为1%~4%)，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力(弹性极限或屈服强度)增加;反向加载，规定残余伸长应力降低(特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零)的现象，称为包申格效应。 ?塑性:指金属材料断裂前发生塑性变形(不可逆永久变形)的能力。金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分构成。 ?韧性:指金属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。 ?脆性:脆性相对于塑性而言，一般指材料未发生塑性变形而断裂的趋势。 ?解理面:因解理断裂与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。 ?解理刻面:实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的，这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 ?解理台阶:解理裂纹与螺型位错相交而形成的具有一定高度的台阶称为解理台阶。

?河流花样解理台阶沿裂纹前段滑动而相互汇合，同号台阶相互汇合长大。当汇合台阶高度足够大时，便成为了河流花样。 ?穿晶断裂与沿晶断裂:多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。裂纹穿过晶内的断裂为穿晶断裂;裂纹沿晶界扩展的断裂为沿晶断裂。穿晶断裂和沿晶断裂有时候可以同时发生。 二、下列力学性能指标的的意义 ?E(G):弹性模量，表示的是材料在弹性范围内应力和应变之比; ?σr:规定残余伸长应力，表示试样卸除拉伸力后，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;常用σ0.2表示材料的规定残余延伸率为0.2%时的应力，称为屈服强度;σs:屈服点，表示呈屈服现象的金属材料拉伸时，试样在外力不断增加(保持恒定)仍能继续伸长时的应力称为屈服点。 ?σb:抗拉强度，表示韧性金属材料的实际承载能力; ?n:应变硬化指数，反映了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; ?δ:断后伸长率，表示试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比; ?δgt:金属材料拉伸时最大力下的总伸长率(最大均匀塑性变形); ?ψ:断面收缩率，表示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的百分比。 三、问答题 ?金属的弹性模量主要取决于什么因素,为何说它是一个对组织不敏感的力学性能指标, 答:由于弹性变形是原子间距在外来作用下可逆变化的结果，应力与应变关系实际上是原子间作用力与原子间距的关系。所以，弹性模量与原子间作用力有关，与原子间距也有一定关系。原子间作用力决定于金属原子本性和晶格类型，故弹性模量也主要决定于金属原子本性