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《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姓能?

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．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。

ζε,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。