金属力学性能习题答案

第一单元

3.【提示】可从取样和加工两个方面分别加以阐述。

8.高碳钢力－伸长曲线上没有屈服阶段，而且在产生少量均匀塑性变形后就突然断裂。

10.实质上都表示材料对微量塑性变形的抗力，区别是：①各性能指标的物理意义不同，

②对残余塑性变形量的要求不同，R p要求的残余延伸率最小，③测试方式的区别，有的是了加载时测量的，而有的是卸载时测量的。

11.弹性极限为精密弹簧以及不允许产生任何微量塑性变形等零件的失效抗力指标。屈服强度是工程技术上重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件或工程构件选材和设计的依据。抗拉强度脆性材料设计和选材的主要指标。

19. R eL＝400MPa，R m＝600MPa，A=24%，Z=47%。

这批钢材合格。

第二单元

3.选择灰铸铁，因为灰铸铁具有良好的消振性和抗压强度。

4.（1）能明显地显示脆性或低塑性材料的塑性，适合评定铸铁、硬质合金、工具钢等材料的抗弯强度和塑性。（2）试样表面应力最大、中心为零，可以较灵敏地反映材料的表面缺陷情况。（3）对试样的要求比拉伸时宽松，操作简单。

7.进行缺口试样轴向静拉伸试验，测定NSR。低碳钢对缺口不敏感。高碳钢对缺口比较敏感，表面缺口处成应力集中，因材料不存在屈服，当缺口附近最大应力值达到材料的抗拉强度时，便产生断裂。铸铁虽也属脆性材料，但由于其内部组织中有夹渣、气孔及石墨存在，其内部组织的不均匀性已远大于外部应力集中的影响，而工件表面截面形状的改变反而不会对构件承载能力造成明显的影响，所以对缺口不敏感。

8. 【提示】缺口强化。

10. (1) 渗碳层的硬度分布—HRC或HV；(2) 淬火钢—HRC；(3) 灰铸铁—HBW；(4) 鉴

别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体—显微维氏硬度；(5) 仪表小黄铜齿轮—HRB；

(6) 龙门刨床导轨—HS或HL；(7) 渗氮层—HV或HK；(8) 高速钢刀具—HRC；

(9) 退火态低碳钢—HBW；(10)硬质合金—HRA或HV。

11. 低碳钢——单向拉伸、布氏硬度；灰铸铁——单向压缩、布氏硬度；

高碳工具钢——弯曲或扭转试验，洛氏硬度。

第三单元

3.开缺口——Q345、60Si2Mn、40Cr、20CrMnTi、HPb59-1。

不开缺口——Cr12MoV 、HT200。

5. 因为冲击吸收能量K 值不仅决定于材料本身，同时还随试样缺口的形状和尺寸、加工精度和试验温度等因素在很大范围内变化。同时，摆锤冲击试验时所消耗的能量不是全部用于试样变形和断裂，故冲击吸收能量K 值并不能正确代表材料所吸收的冲击能量。

在冲击载荷下的机器零件很少是受大能量一次冲击而破坏，这时强度较高而冲击韧性较低的材料寿命较长。因此在一次冲断条件下确定的冲击吸收能量K 值只能作为设计和选材的参考性指标。

6.（1）试样的取样位置与加工精度；（2）试验机的工作状况；（3）试样放置的准确性；

（4）试验温度；（5）安全。

7. 焊接结构的刚性大，整体性强，如结构中存在应力集中区，往往诱发裂纹，一旦裂9. 【提示】可在坐标纸上描点绘制曲线图，也可采用office 办公软件中的Excel 制作曲

线图。

随温度降低，钢的冲击吸收能量

下降，存在明显的冷脆现象。在

-25℃～-50℃下降最快，此温度区

间为韧脆转变温度。

第四单元 3. 韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂的特征是断裂前基本上不发生明显的塑性变形，脆断时承受的工作应力很低，一般低于材料的屈服强度，没有明显征兆，因而危害性很大。

4. 断裂前基本不发生塑性变形，断面收缩率Z <5%，无明显前兆； 断口与正应力垂直。断口平齐光亮，常呈放射状或结晶状；人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。

断面放射状条纹汇聚于一个中心，这个中心区域就是裂纹源。无缺口的板状矩形拉伸试样，人字形花样中“人”字的尖端指向裂纹源。

5. 应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等大都属于沿晶断裂。沿晶断裂的断口形貌特征是冰糖状花样。

7. 解理断裂是以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理面一般是指低指数

晶面或表面能量低的晶面。大部分解理断裂属于脆性断裂，其断口形貌特征为河流花样。

8. 韧窝大而深——材料基体塑性高，第二相粒子少。

韧窝大而浅——材料基体塑性低，第二相粒子少。

韧窝小而深——材料基体塑性高，第二相粒子多。

韧窝小而浅——材料基体塑性低，第二相粒子多。

9. K I 表示裂纹尖端附近应力场的强弱程度，故称为应力场强度因子，K I 越大，则应力场各应力分量也越大。

K 判据的意义： K 判据是工程设计中防止低应力脆断的重要依据，它将材料断裂韧度与零构件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来了，因此可以直接用于设计计算。

K 判据可以应用在以下三个方面：

① 确定裂纹失稳扩展时的临界尺寸，为探伤质量验收提供理论依据；

② 确定零构件的最大承载能力；

③ 确定零构件的安全性或为选择材料提供理论依据。

13. 5.159101014.39003=⨯⨯⨯==-a K I πσMPa·

m 1/2>115MPa·m 1/2 该件不安全。

14. 先确定屈服强度R eL ：[σ]= R eL /n →R eL =[σ]×n ＝900×1.4＝1260 MPa

选 R eL ＝1300 MPa 。

再计算K I ，然后确定K IC ：

32.7110214.39003=⨯⨯⨯==-a K I πσ MPa·

m 1/2 （注意：题中给出的条件是a = 2mm ，直接代入公式即可，不要再除以2）

根据K I < K IC ，选择K IC ＝75 MPa·m 1/2

综上，应选择R eL ＝1300 MPa 、K IC ＝75 MPa·m 1/2的材料。

第五单元

3. （1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂。（2）疲劳是脆性断裂，疲劳的应力水平比屈服强度低，在断裂前不会发生塑性变形及有形变预兆。（3）疲劳对表面缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。（4））疲劳断口特征非常明显，能清楚地显示出裂纹的发生、发展和最后断裂三个组成部分。

4. 疲劳断裂的宏观断口一般由疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂区三个区域组成。裂纹源一般在机件表面的薄弱区，常与缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连，