材料力学性能课后答案时海芳任鑫.docx

1、材料力学性能课后答案时海芳任鑫材料力学性能-课后答案-(时海芳-任鑫)第一章 1.解释下列名词 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。 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。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。 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。 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

2、塑性变形功和断裂功的能力。脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力 加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时 ,由于晶粒发生滑移 , 出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现 象。 解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面 （即解理面）分离。 2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量） ； （2） p（规定非比例伸长应力） 、 e（弹性极限） 、 s（屈服强度） 、 0.2（屈服强度） ；（3） b（抗拉强度） ； （4）n（加工硬化指数）; （5） （断后伸长率） 、 （断面收缩率） 4.常用的标准试

3、样有 5 倍和10倍，其延伸率分别用 5 和 10 表示，说明为什么 5 10。 答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的 比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。 5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的弹性比功不足引起的故障，可以通过热处理或合金化提高材料的弹

4、性极限（或屈服极限），或者更换屈服强度更高的材料。 6.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？为什么？ 答：应选择灰铸铁。因为灰铸铁循环韧性大，也是很好的消振材料，所以常用它做机床和动力机器的底座、支架，以达到机器稳定运转的目的。刚性好不容易变形加工工艺朱造型好易 成型抗压性好耐磨损好成本低 7.什么是包申格效应？如何解释？它有什么实际意义？ 答： （1） 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，称为包申格效应。 （2）理论解释：首先，在原先加载变形时，位错源在滑移面 上产

5、生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，背应力反作用于位错源，当背应力足够大 时，可使位错源停止开动。预变形时位错运动的方向和背应力方向相反，而当反向加载时位 错运动方向和背应力方向一致，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。（3）实际意义：在工程应用上，首先，材料加工成型工 艺需要考虑包申格效应。例如，大型精油输气管道管线的 UOE 制造工艺：U 阶段是将原始 板材冲压弯曲成 U 形，O 阶段是将 U 形板材径向压缩成 O 形，再进行周边焊接，最后将管 子内径进行扩展，达到给定大小，即 E 阶段。按 UOE 工艺制造的管子，希望材料具有非常小的

6、或者几乎没有包申格效应，以免管子成型后强度的损失。其次，包申格效应大的材料， 内应力大。例如，铁素体+马氏体的双相钢对氢脆就比较敏感，而普通低碳钢或低合金高强度钢对氢脆不敏感，这是因为双相钢中铁素体周围有高密度位错和内应力， 氢原子与长程内应力交互作用导致氢脆。 包申格效应和材料的疲劳强度也有密切关系。8.产生颈缩的应力条件是什么？要抑制颈缩的发生有哪些方法？ 答：当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩。措施：提高加工硬化指数。10.试用位错理论解释：粗晶粒不仅屈服强度低，断裂塑性野地；而细晶粒不仅使材料的屈 服强度提高，断裂塑性也提高。 答：主要是因为晶粒细化之后，与粗晶粒相比，晶粒取向

7、更为均匀，从而避免了过早出现应 力集中引起的开裂，提高了韧性。 11.韧性断口由几部分组成？其形成过程如何 答：由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成。第二章 1.解释下列名词：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 。 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7、第三章 1.缺口会引起哪些力学响应？ 答：材料截面上缺口的存在，使得在缺口的根部产生应力集中、双向或三向应力、应力集中 和应变集中，并试样的屈服强度升高，塑性降低。 2.比较平面应力和平面应变的概念。 答：平面应力：只在平面内有应力，与该面垂直方向的应力可忽略，例如薄板拉压问题。平 面应变：只在平

8、面内有应变，与该面垂直方向的应变可忽略，例如水坝侧向水压问题。具体 说来：平面应力是指所有的应力都在一个平面内，如果平面是 OXY 平面，那么只有正应力 x， y，剪应力 xy(它们都在一个平面内)，没有 z， yz， zx。平面应变是指所有的 应变都在一个平面内，同样如果平面是 OXY 平面，则只有正应变 x， y 和剪应变 xy， 而没有 z， yz， zx。 3.如何评定材料的缺口敏感性： 答：材料的缺口敏感性，可通过缺口静拉伸、偏斜拉伸、静弯曲、冲击等方法加以评定。 简述根据韧脆转变温度分析机件脆断失效的优缺点。缺点：脆性断裂一般断裂时间较短，突发性的断裂，因此在使用时一旦超过屈服强度

9、就会很快断裂 优点：脆性断裂在常温下表现为脆性，因此材料的变形随温度降低时变化不大，这样在交变温度 的使用环境下，就不需要考虑材料的冷脆温度7.何谓低温脆性？哪些材料易表现出低温脆性？工程上，有哪些方法评定材料低温脆性？ 答：在低温下，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象称为低温脆性。只有以体心立方金属 为基的冷脆金属才具有明显的低温脆性，如中低强度钢和锌等。而面心立方金属，如铝等， 没有明显的低温脆性。工程上常采用低温脆性通常用脆性转变温度，能量准则，断口形貌准 则，断口变形特征准则评定。 8.说明为什么焊接船只比铆接船只易发生脆性破坏？ 答：焊接容易在焊缝处形成粗大金相组织气孔、夹渣、未熔合

10、、未焊透、错边、咬边等缺陷， 增加裂纹敏感度，增加材料的脆性，容易发生脆性断裂。 10.细化晶粒尺寸可以降低脆性转变温度或者说改善材料低温韧性，为什么？ 答：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界增多有利于降低应力集中，降低晶界上杂质度，避免产生沿晶界脆性断裂。所以可以提高材料的韧性。 第四章 1.解释下列名词： （1）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； （2）I 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。 （3）应力强度因子 KI：在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外， 尚与强度因子有关，对于某一确定的点

11、，其应力分量由确定，越大，则应力场各点应力分量也越大，这样就可以表示应力场的强弱程度，称为应力场强度因子。 “I”表示 I 型裂纹。 （4） 裂纹扩展 K 判据：裂纹在受力时只要满足，就会发生脆性断裂反之，即使存在裂纹，若也不会断裂。 （5）裂纹扩展 G 判据：GI=GIC，当满足上述条件时裂纹失稳扩展断裂。 （6）J 积分：有两种定义或表达式：一是线积分：二是形变功率差。P149 （7）裂纹扩展 J 判据：只要满足JI=JIC，裂纹（或构件）就会断裂。 （8）COD：裂纹张开位移。（9）COD 判据：当满足，裂纹开始扩展。2、说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系和 答： 临界或失稳状态的记

12、作或，为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。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。它们都是型裂纹的材料裂纹韧性指标，但值与试样厚度有关。当试样厚度增加，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，它与试样厚度无关，而是真正的材料常数。 答：当增加到某一临界值时，能克服裂纹失稳扩展的阻力，则裂纹失稳扩展断裂。将的临界值记作，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，其单位与相同，MPam：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。：是材料的断裂韧度，表示材料阻止裂纹开

13、始扩展的能力.判据和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。4、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。5、试述应力场强度因子的意义及典型裂纹的表达式答：P121 几种裂纹的表达式，无限大板穿透裂纹：；有限宽板穿透裂纹：；有限宽板单边直裂纹：当ba时，；受弯单边裂纹梁：；无限大物

14、体内部有椭圆片裂纹，远处受均匀拉伸：；无限大物体表面有半椭圆裂纹，远处均受拉伸：A点的。 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。11 的意义：表示裂纹张开位移。表达式。13试述KIC与材料强度 塑形之间的关系总的来说，断裂韧度随韧度随强度的升高而降低19. 若一薄板内有一条长3mm的裂纹，且a0=310-8mm，试求脆性断裂时断裂应力c（设m=E/10=

15、2105MPa）。解：由公式m/c=(a/a0)1/2，a为c对应的裂纹半长度，即a=1.5mm，c=28.2845MPa注：参考，原题可能有误。21.有一大型板件，材料的0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探伤发现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R0，并判断该件是否安全？解：由题意知穿透裂纹受到的应力为=900MPa根据/0.2的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否休要修正 因为/0.2=900/1200=0.750.7，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： = （MPa*m1/2）塑性区

16、宽度为： =0.004417937(m)= 2.21(mm)比较K1与KIc：因为K1=168.13（MPa*m1/2）KIc=115（MPa*m1/2）所以：KIKIc ，裂纹会失稳扩展 , 所以该件不安全。注：书上原题为：有一大型板件，材料的R0.2=1200Mpa，22.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=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=150/720=0.208Kth时，da/dN0,疲劳裂纹才开始扩展。因此，Kth是疲劳裂纹不

17、扩展的K临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。3.试述金属疲劳断裂的特点（1）疲劳是低应力循环延时断裂，机具有寿命的断裂（2）疲劳是脆性断裂（3）疲劳对缺陷（缺口，裂纹及组织缺陷）十分敏感4.试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程答：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。（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）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

18、。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。5.试述疲劳曲线（S-N）及疲劳极限的测试方法升降法测试疲劳极限；取略高于疲劳极限的5级应力水平，从最高应力水平测试，当试样通过时，增加一级应力水平，不通过时降低一级应力水平，出现至少13个有效试样时求的材料的疲劳极限成组法测试高应力部分；去4级较高应力水平，在每级应力水平下测试5个试样，得到每个应力水平的N值，两种结构整理并拟合成S-N曲线6试述疲劳图的意义、建立及用途

19、。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，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。1、疲劳图建立：这种图的纵坐标以表示，横坐标以表示。然后，以不同应力比r条件下将表示的疲劳极限分解为和，并在该坐标系中作ABC曲线，即为疲劳图。其几何关系为：（用途）：我们知道应力比r，将其代入试中，即可求得和，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、横坐标之和，即为相应r的疲劳极限，。2

20、、疲劳图建立：这种图的纵坐标以或表示，横坐标以表示。然后将不同应力比r下的疲劳极限，分别以和表示于上述坐标系中，就形成这种疲劳图。几何关系为：（用途）：我们只要知道应力比r,就可代入上试求得和，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。7.试述疲劳裂纹的形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法。答:宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成的。疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要有表面滑移开裂，第二相、夹夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界开裂等。阻止疲劳裂纹萌生方法有：细晶强化、固溶强化，降低第二相和夹杂物的脆性

21、，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布，使晶界强化，净化均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳强度8试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素。答：1、应力比r（或平均应力）的影响：Forman提出残余压应力因会减小r,使降低和升高，对疲劳寿命有利；而残余拉应力因会增大r，使升高和降低，对疲劳寿命不利。2、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，其值越高，越低，对疲劳寿命越有利。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

22、时，可以提高钢的，降低。喷丸处理：喷丸强化也能提高。9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)，

23、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。10.试述疲劳裂纹扩展寿命和剩余寿命的估算方法及步骤。答：通过疲劳裂纹扩展速率表达式，用积分方法算出疲劳裂纹扩展寿命和疲劳剩余寿命；具体步骤如下：计算KI，再计算裂纹临界尺寸ac，最后根据有关公式估算疲劳寿命11、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

24、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。12.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

25、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；1.2b/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。19.20题：两幅图都行21有板件在脉动载荷下工作，max=200MPa,min=

26、0, 该材料的b=670MPa,0.2=600MPa, KIc=104MPa m1/2, Paris公式中，C=6.910-12,n=3.0，使用中发现有 0.1mm和1mm两处横向穿透裂纹，请估算板件的疲劳剩余寿命？（2.69105循环周次）解：只需要计算1mm裂纹就可以第六章 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。3、腐蚀疲劳：当金属受到酸碱的腐蚀，一些部位的应力就比其他部位高得多，加速裂缝的形成，这叫“腐蚀疲劳”。4、氢蚀：氢蚀指的是在高温高压环境下，氢进