《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、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 规定残余伸长应力 屈服强度 金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数
σr——规定残余伸长应力，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。表征材料对微量塑性变形的抗力。强度指标σ0.2：表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。强度指标
σs——材料的屈服强度，用应力表示材料的屈服点或下屈服点，表征材料对微量塑性变形的抗力，强度指标
σb——抗拉强度，即金属试样拉断过程中最大力所对应的应力，表征金属材料所能承受的最大拉伸应力。 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。其值为0—1，当n=1时，表示材料为完全理想的弹性体；当n=0时，表示材料没有应变硬化能力；大多数金属材料的n值在0.1—0.5之间。强度指标
δ——断后延伸率，金属试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比，表征金属材料断裂前发生塑性变形的能力。塑性指标
δgt——最大应力下的总伸长率，指试样拉伸到最大应力时标距的总伸长与原始标距的百分比。表征金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形（工程应变）量。塑性指标
ψ——断面收缩率，即试样拉断后，缩颈处横截面的最大缩减量与原始横截面积的百分比。
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
的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。【P4】
4、今有45、40Cr、35CrMo钢和灰铸铁几种材料，应选择哪种材料作为机床机身？并说明原因？
答：因为机床机身要求刚度大，抗振性能好，运行可靠（缺口敏感性小）且耐磨性好。在 以上四种材料中，只有灰铸铁满足以上要求，而且价格便宜，也具有良好的铸造性能，为制备精密机床创造了条件。
5、试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释BCC金属及其合金与FCC金属及其合金屈服行为不同的原因?
答：考虑条件：1）材料变形前可动位错密度很小2）塑性变形发生时位错能快速增殖3）位错运动速率与外加应力有强烈依存关系 较高的外应力作用，沿滑移面上的切应力提高，一旦塑性变形产生，位错大量增殖，可移动位错密度增加，则位错运动速率下降，相应的应力也就突然降低，从而产生了明显的
屈服现象。在关系式 0m vττ⎛⎞=⎜⎟ ⎝⎠，其中m’为位错运动速率应力敏感系数，m’值越
低，则为使位错运动速率变化所需的应力变化越大，屈服现象就越明显；反之，屈服现象就越不明显。 BCC金属的滑移系较多，晶格阻力较大，可动位错密度较小，位错能快速增值较大，体现m’值较低，小于20，故具有明显屈服现象；而FCC金属的滑移系较少，晶格阻力较小，可动位错密度较大，位错能快速增值较少，体现在m’值大于100~200，故屈服不明显。
6、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?
答：由于含碳量不同，碳的固溶强化、组织不同，退火低、中、高碳钢的分别为铁素体+珠光体、珠光体、珠光体+渗碳体（复杂单斜），低碳钢的屈服现象明显，屈服平台呈锯齿状；中碳钢有明显的屈服平台，有上下屈服点；高碳钢屈服平台较短，无上下屈服点
7、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。
8、试述δ、ψ两种塑性指标评定金属材料塑性的优缺点？
答：对于在单一拉伸条件下工作的长形零件，无论其是否产生缩颈，用δ来评定材料的塑性，因为产生缩颈时局部区域的塑性变形量对总伸长实际上没有什么影响。如果金属材料机件是非长形件，在拉伸时形成缩颈，则用φ作为塑性指标。因为φ反映了材料断开前的最大塑性变形量，而此时δ则不能显示材料的最大塑性。Φ是在复杂应力状态下形成的，冶金因素的变化对材料的塑性的影响在φ上更为突出，所以φ比δ对组织变化更为敏感。
9、试写出几种能显著强化金属但又不会降低其塑性的方法。
答：①细化晶粒强化金属；②第二相以弥散形式均匀强化。
10、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。
11、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。
12、在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样才能减小沿晶断裂的倾向？
答：沿晶断裂是由晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。减小应力腐蚀、氢脆以及回火脆性等缺陷都可以减小沿晶断裂的倾向。
13、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。
14、板材宏观断口的主要特征是什么？如何寻断裂源？
答：板状矩形拉伸试样断口中呈人字纹花样。根据人字纹花样的放射方向，顺着尖顶指向可以到裂纹源。
15、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： ，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。
16、断裂强度ζc与抗拉强度ζb有何区别？
答：板状矩形拉伸试样断口中呈人字纹花样。根据人字纹花样的放射方向，顺着尖顶指向可以到裂纹源。
17、有哪些因素决定韧性断口的宏观形貌？
答：韧性断口的宏观形貌决定于第二相质点的大小和密度、基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数，以及外加应力的大小和状态等。
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τmax和最大正应力σmax比值，即： 【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σb 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的试验力计算而得的硬度。【P53 P62】
（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。
二、说明下列力学性能指标的意义
（1）σｂｃ——材料的抗压强度【P41 P48】
（2）σｂｂ——材料的抗弯强度【P42 P50】
（3）τｓ——材料的扭转屈服点【P44 P52】
（4）τｂ——材料的抗扭强度【P44 P52】
（5）σｂｎ——材料的抗拉强度【P47 P55】
（6）NSR——材料的缺口敏感度【P47 P55】
（7）HBW——压头为硬质合金球的材料的布氏硬度【P49 P58】
（8）HRA——材料的洛氏硬度【P52 P61】
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