工程材料力学性能-第2版课后习题答案

工程材料力学性能-第2版课后习题答案机械工业出版社20082第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。1一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。形成一个高度为b的台阶。够大时,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志。称此种晶体学平面为解理面。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。韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于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 规定残余伸长r应力 屈服强度 金属材料拉伸时最大应0.2 gt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？P4】4象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？5、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。6性断裂最危险？【P21】很大。态的因素有哪些？答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和P32】答：

2E

1，只适用于脆性固体,也就是只22c 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

max

和最大正应力

比max值，即：

max

2

1 3

【新书P39旧书P46】

max

0.5 1 2 3缺口效应——绝大多数机件的横截面都剧变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及P53】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 的比b值，称为缺口敏感度，即：【P47P55】布氏硬度——用钢球或硬质合金球作为P49P58】火钢球作压头，以测量压痕深度所表示的硬度【P51P60维氏硬度——以两相对面夹角为136P53P62】努氏硬度——采用两个对面角不等的四到的硬度。锤回跳高度表证的金属硬度。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。二、说明下列力学性能指标的意义（1）σｂｃ——材料的抗压强度【P41P48P50P52P55P55

σｂｂ——材料的抗弯强度【P42τｓ——材料的扭转屈服点【P44τｂ——P44P52】σｂｎ——材料的抗拉强度【P47NSRP47HBW——压头为硬质合金球的材料的布氏硬度【P49P58】HRAP52P61】HRBP52P61】HRCP52P61】HVP53P62试验特点方法

应用范围态和加载速率确定， 塑性变拉伸采用光滑圆柱试样，抗力和切断强度较试验简单，应力状态低的塑性材料。软性系数较硬。应力状态软，一般都能产生塑性变压缩形，试样常沿与轴线

脆性材料，以观察脆性材料在韧性状态下所表现45º方向产生断裂，的力学行为。具有切断特征。弯曲试样形 测定铸铁状简单，操作方便；铸造合金、工具钢不存在拉伸试验时试及硬质合金等脆性样轴线与力偏斜问与低塑性材料的强题，没有附加应力影度和显示塑性的差弯曲响试验结果，可用试别。也常用于比较地反映材料表面缺能。陷。应力状态软时大，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，没有紧缩扭转现象，能实现大塑性

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？【P45P53】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行静载力学性能试验。六、试综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏斜拉伸试验的特点。机件的安全使用性能。光滑试样轴向拉伸试验：截面上无应力集中改变。敏感性。七、试说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实P49P57】原理单位面积所承受的试验力。头，以测量压痕深度。136。的金刚石四棱锥作压头，计算单位面积所承受的试验力。洛氏硬度优点：操作简便，迅捷，硬度值可直接同标尺可测量各种软硬不同的金属和厚薄不一组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分联系，不能直接比较。FD也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值八.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）（2）（3）（4）（5）仪表小黄铜齿轮（6）龙门刨床导（7）（8）（9）退火（10）硬质合金。HKHV淬火钢 HRC灰铸铁 HB鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体HVHK仪表小黄铜齿轮 HV龙门刨床导轨 HS（肖氏硬度）或HL(里氏硬度)渗氮层 HV高速钢刀具 HRC退火态低碳钢 HB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A 除以KU冲击试样缺口底部截面积所得之商，称为冲击韧度，αku=Aku/S（J/cm2）,反应了材料抵冲击载荷的能力,用a 表示。P57注释/P67KU低温脆性：体心立方晶体金属及合金或某-珠光体钢

时，会由韧性状态变为tkt脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微为结晶状，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。K二、（1）AKA(CVN)：VKVA：U型缺口冲击吸收功.KU（2）FATT50：冲击试样断口分为纤维区、放射区（结晶区）t50%时的温度为t

FATT50%，kt50（P61P71）50韧脆转变温度.NDT:FTE:tk

，记为FTEFTP: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强度增加。（331．晶体结构：对称性低的体心立方以及密排六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免产生沿晶脆性断裂。 ②金相组织较低度水平时强度相等而组织不同的钢冲击吸收和韧脆转变温度以马氏体高温回火最佳贝氏回火组织次之片状珠光体组织最差钢中夹物、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变温度升高。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？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体心立方金属的低温脆性还可能与迟屈服1、名词解释

第四章金属的断裂韧度低应力脆断：高强度、超高强度钢的机件，中张开型（）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，KK就可以表示应力场的强弱程度，称K为应力场强度因子。“IIP68】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P71】P73P85】裂纹扩展K判据：裂纹在受力时只要满足K KI

若K KI

也不会断裂。新P71：旧８３裂纹扩展能量释放率GI：I型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。P76/P88裂纹扩展G判据：GI

G ，当ＧＩ满足上述条IC件时裂纹失稳扩展断裂。P77/P89裂纹扩展Ｊ判据：JI

J ，只要满足上述条件，IC裂纹（或构件）就会断裂。ＣＯＤ：裂纹张开位移。P91/P102始扩展。P91/P1032、说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系K 和KC

答：临界或失稳状态的记作或，K K K K KCKC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。P71/P82GC P77/P89当克服裂纹失稳扩展的阻力，则裂纹失稳扩展断裂。将G的临界值记作G ，称断裂韧度，表示材 c料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量，其单位与G相同，MPa·m纹开始扩展的能力，其单位与GIC相同。P90/P102c：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。P91/P1043、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？4—1r→05K的表达式P69P80（因子的意义见上）K表达式，无限大板穿透裂纹：K ；有限宽板穿透裂纹：K

aaf( ab

；有限宽板单边直裂纹：K

a当af( )abba

6M a； K1.2

K

ba)3/

f( )baa 伸：K

(sin2

acos21/2c22

；无限大物体表面有半椭圆裂纹，远处均受拉伸：A6K

。K答：K判据解决了经典的强度理论不能解决存判据将材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹等。P71/P837、试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。σy影响塑性区大小的因素有：裂纹在厚板中所处论平面应力或平面应变，塑性区宽度总是与（KIC/σs)2成正比。8和结果。由于裂纹尖端塑性区的存在将会降低裂纹体最简单而适用的修正方法是在计算KI时采用塑性区松弛应力的作用。（4—15）的计算结果忽略了在塑性区内应变13、断裂韧度ＫＩＣ与强度、塑性之间的关系：P80/P93151、学成分的影响；2、集体相结构和晶粒大小的影响；34、显微组织的影响。外因：1、温度；2、应变速率。P81/P95有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa20mm900MPaKIR0全？解：由题意知穿透裂纹受到的应力为σ=900MPa根据σ/σ0.2KIC否休要修正因为σ/σ0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂纹断裂韧度KIC需要修正KI 1 10.177(/)2sI

168.1390090010.177(0.75)2（MPa*m1/K 222塑 0

Is

宽 度 为 ：=0.004417937(m)=2.21(mm)K1KIc：K1=168.13（MPa*m1/2）KIc=115（MPa*m1/2）安全。150MPa发现横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mma/cφ=1，测试材料的σ0.2=720MPaKIC解：因为σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂纹断裂韧度KIC不需要修正KIKIC=Yσcac1/2251025103

/φ=1.1所以，KIC=Yσcac1/2=1.1（MPa*m1/2）

150

=46.2291.名词解释;

第五章金属的疲劳应力幅σa:σa=1/2(σmax-σmin)p95/p108σmσm=1/2(σmax+σp95/p107应力比r:r=σmin/σmax p95/p108表面常和缺口，裂纹，刀痕，蚀坑相连。P96劳条带（疲劳辉纹，疲劳条纹）p113/p132再现的循环滑移带称为驻留滑移带。P111ΔK:材料的疲劳裂纹扩展速率不仅与应力水平有关，而且与当时的裂纹尺寸有关。力范围Δσ和a，ΔK=Kmax-Kmin=Yσmax√a-Yσmin√a=YΔσ√a.p105/p120da/dN:疲劳裂纹扩展速率，即每循环一次裂纹扩展的距离。P105疲劳寿命：试样在交变循环应力或应变作用直至发生破坏前所经受应力或应变的循环次数 p102/p117过载损伤：金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小，就造成了过载损伤。 2.揭示下列疲劳性能指标的意义疲劳强度σ-1，σ-p,τ-1,σ-1N,P99,100,103/p114σ-1:过载损伤界P102,103/p117由实验测定，测出不同过载应力水平和相应的验点，连接各点便得到过载损伤界。疲劳门槛值ΔKthP105/p120在疲劳裂纹扩展速率曲线的Ⅰ区，当ΔK≤ΔKthda/aN=0,表示裂纹不扩展;只有当ΔK>ΔKthΔKthΔK试述金属疲劳断裂的特点 p96/p109疲劳是脆性断裂疲劳对缺陷（缺口，裂纹及组织缺陷）分敏感4．试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程（新P96~98PPTP109~111）答：典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域—疲劳源、疲劳区及瞬断区。平滑，另疲劳源的贝纹线细小。疲劳区的疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断弧状台阶痕迹。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P101~102，旧书P115~117）也是疲劳曲线的另一种表达形式。1 、 疲 劳 图a m建立：这种图的纵坐标以表示，横坐标以 表a m示。然后，以不同应力比r条件下将表示的和max和疲劳极限分解为 并在该坐标系中作ABCr a m曲线，即为 a m

疲劳图。其几何关系为：1( 2

max

min

1rtan

a m 12

max

min

) 1r（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ABCB即为相应r的疲劳极限 ，rB rB

。aB mB2、

或max或

(min

)m

疲劳图建立：这种图的纵坐标以 表示，横坐标max min以表示。然后将不同应力比r下的疲劳极限，m分别以

max

(min

和表示于上述坐标系中，就形成) mtanmax

2 max m max

min

1r（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。9．试述疲劳微观断口的主要特征。（P132）。疲组织复杂的金属，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)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。图裂纹尖端又由钝变锐，形成一对尖角。12（P117~P118P135~P136）答：表面强化处理可在机件表面产生有利的残余这两方面的作用都能提高疲劳强度。火及表面化学热处理等。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表面滚压和喷丸的作用相似，只是其压应力强化效果更好。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逐渐减小，即为循环软化。始状态、结构特性以及应变幅和温度等。循环硬化和软化与σb/σs有关：σb/σs>1.4，表现为循环硬化；σb/σs<1.2，表现为循环软化；1.2<σb/σs<1.4，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，n<1软化，n>1硬化。硬化的材料表现为循环软化。循环硬化和软化与位错的运动有关：大而硬化。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共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象