材料力学性能课后习题答案(2).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材

3、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 有一个缓慢的撕

4、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度

5、、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。1 f 2F Y V答：be =I2E上i ,只适用于脆性固体,也就是只适用于那些裂纹尖端塑性0.7 ,所以裂纹断裂韧度 KIC需要修正 对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的 KI为：168.131 0.177( 0.75)2匕 *0004417937(m)= 2.21(mm)22兀IGS丿因为 K1= 168.13( MPa*m12KIc=115(MPa*m12所以：K1KIc ,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，

6、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=1,测试材料的0.2=720MPa ,试估算材料的断裂韧度KIC为多少？解： 因为/ 0.2=150720=0.208Kth时，dadN0,疲劳裂纹才开始扩展。因此，Kth是疲劳裂纹 不扩展的K临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。4.试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程 (新书P9698及PPT旧书P10911D 答：典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域一疲劳源、疲劳区及瞬断区。(1)疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，疲劳源区的光亮度最大，因为这里在整个裂纹亚稳扩展过程中断面不断摩擦挤压， 故显示光亮平滑，另疲劳源的贝纹线细小。(2

7、) 疲劳区的疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域， 是判断疲劳断裂的重要特征证据。特征是：断口比较光滑并分布有贝纹线。 断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。贝纹线是由载荷变动引起的， 如机器运转时的开动与停歇，偶然过载引起的载荷变动，使裂纹前沿线留 下了弧状台阶痕迹。(3)瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。其断口比疲劳区粗 糙，脆性材料为结晶状断口，韧性材料为纤维状断口。6试述疲劳图的意义、建立及用途。(新书P101102旧书P115117)答：定义：疲劳图是各种循环疲劳极限的集合图， 也是疲劳曲线的另一种表达形式。意义：很多机件或构件是在不对称循环载荷下工作的

8、，因此还需知道材料的不对 称循环疲劳极限，以适应这类机件的设计和选材的需要。通常是用工程作图法， 由疲劳图求得各种不对称循环的疲劳极限。建立：这种图的纵坐标以二a表示，横坐标以Cm表示。然后，以不同应力比r条件下将二max表示的疲劳极限-r分解为二a和二m，并在该坐标系中作ABC曲线，即（JIgmaX - Jn）为匚a- ；m疲劳图。其几何关系为：tan a= 1Dm Sax Jin）rB ,二 rB =二 aB mB。（用途）：我们知道应力比r ,将其代入试中，即可求得tan和，而后从坐标 原点O引直线，令其与横坐标的夹角等于:值，该直线与曲线ABC相交的交点B 便是所求的点，其纵、横坐标之

9、和，即为相应r的疲劳极限2二max（6in） Ym 疲劳图建立：这种图的纵坐标以 二max或二min表示，横坐标以匚m表示。然后将不同应力比r下的疲劳极限，分别以二maximin）和二m表示于上述坐标系中，就形成这种疲（用途）：我们只要知道应力比r,就可代入上试求得tan和，而后从坐标原 点O引一直线OH令其与横坐标的夹角等于：，该直线与曲线AHC相交的交点H 的纵坐标即为疲劳极限。8.试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素。 （新书P107109,旧书P123123残余压应力因会减小r,使da降低和AKth升高，对疲劳寿命有利；而残余拉应力dN因会增大r ,使-da升高和AKth降低，对疲劳寿命

10、不利。dN2、 过载峰的影响：偶然过载进入过载损伤区内，使材料受到损伤并降低疲劳寿命。但若过载适当，有时反而是有益的。3、 材料组织的影响：晶粒大小：晶粒越粗大，其 AKth值越高，虫 越低，对dN疲劳寿命越有利。组织：钢的含碳量越低，铁素体含量越多时，其 AKth值就越 高。当钢的淬火组织中存在一定量的残余奥氏体和贝氏体等韧性组织时， 可以提 高钢的AKth ,降低。喷丸处理：喷丸强化也能提高 AKth。dN9.试述疲劳微观断口的主要特征。答：断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称疲劳条带（疲劳条纹、 疲劳辉纹）。疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征。 滑移系多的面心立方金属， 其疲劳

11、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）,受拉应力时，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，裂纹尖端又由钝变锐，形成一 对尖角。12.试述金属表面强化对疲劳强度的影响。答：表面强化处理可在机件表面产

12、生有利的残余压应力， 同时还能提高机件表面的强度和硬度。这两方面的作用都能提高疲劳强度。表面强化方法，通常有表面喷丸、滚压、表面淬火及表面化学热处理等。(1)表面喷丸及滚压喷丸是用压缩空气将坚硬的小弹丸高速喷打向机件表面，使机件表面产生局 部形变硬化；同时因塑变层周围的弹性约束，又在塑变层内产生残余压应力。表面滚压和喷丸的作用相似，只是其压应力层深度较大，很适于大工件；而 且表面粗糙度低，强化效果更好。(2)表面热处理及化学热处理他们除能使机件获得表硬心韧的综合力学性能外，还可以利用表面组织相变 及组织应力、热应力变化，使机件表面层获得高强度和残余压应力，更有效地提 高机件疲劳强度和疲劳寿命。

13、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， 即为循环软化。金属材料产生循环硬化与软化取决于材料的初始状态、结构特性以及应变幅和温度等。循环硬化和软化与 b / s 有关：b / s1.4 ，表现为循环硬化；b / s1.2 ，表现为循环软化；1.2 b / s1.4 ，材料比较稳定，无明显循环硬化和软化现象。也可用应变硬化指数n来判断循环应变对材料的影响，n1硬化。 退火状态的塑性材料往往表现为循环硬化，加工硬化的材料表现为循环软化。 循环硬化和软化

14、与位错的运动有关： 退火软金属中，位错产生交互作用，运动阻力增大而硬化。冷加工后的金属中，有位错缠结，在循环应力下破坏，阻力变小而软化。第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂一、名词解释1、 应力腐蚀：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所 产生的低应力脆断现象。2、 氢脆：由于氢和应力共同作用而导致的金属材料产生脆性断裂的现象。4、 氢化物致脆：对于W B或V B族金属，由于它们与氢有较大的亲和力，极易 生成脆性氢化物，是金属脆化，这种现象称氢化物致脆。5、 氢致延滞断裂： 这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。 二、说明下列力学性能指标的意义1、 SCC :材料

15、不发生应力腐蚀的临界应力。2、 KIscc ：应力腐蚀临界应力场强度因子。3、 da/dt ：盈利腐蚀列纹扩展速率。第七章 金属的磨损与耐磨性1.名词解释磨损：机件表面相互接触并产生相对运动， 表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨 屑，使表面材料逐渐损失、造成表面损伤的现象。接触疲劳：两接触面做滚动或滚动加滑动摩擦时， 在交变接触压应力长期作用下， 材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片金属剥落而使材料损失的现象。3. 粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施又称为咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦副相对滑动速度较小，因 缺乏润滑油， 摩擦副表面无氧化膜， 且单位法向载荷很大， 以致接触应力超过实 际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。磨损机理： 实际接触点局部应力引起塑性变形，使两接触面的原子产生粘着。 粘着点从软的一方被剪断转移到硬的一方金属表面，随后脱落形成磨屑 旧的粘着点剪断后，新的粘着点产生，随后也被剪断、转移。如此重复，形成磨 损过程。改善粘着磨损耐磨性的措施1.选择合适的摩擦副配对材料 选择原则：配对材料的粘着倾向小 互溶性小表面易形成化合物的材料 金属与非金属配对2.采用表面化学热处理改变材料表面状态进行渗硫、 磷化、碳氮共渗等在表面形成一层化合物或非金属层，