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，
由于应力集中会引发疲劳裂纹。

从断口形貌看，疲劳源区的光亮度最大。

裂纹扩展区比较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样）。

最后断裂区比裂纹扩展区粗糙，同静载的裂纹件的断口一样，对于塑性材料，断口为纤维状，暗灰色，而对脆性材料则是结晶状。

6.可以。

7.高周疲劳交变应力水平较低，往往低于材料的屈服强度，产生的只是弹性变形，塑性变形很小，高周疲劳寿命则决定于应力幅。

低周疲劳交变应力水平较高，往往接近或超过材料的屈服强度，因而是在塑性应变循环下引起的疲劳断裂，低周疲劳寿命决定于塑性应变幅。

8.改进工件结构设计，减小应力集中。

提高零件表面加工质量，并应尽量减少表面缺陷和表面加工损伤。

进行表面强化处理。

提高材料冶金质量，细化晶粒，进行合理的热处理等。

火和化学热处理等。

9. （1）可用Excel作图。

（2）从图上可知，N＝5 × 107
强度为150MPa。

（3）从图上可知，应力幅值为250
时的疲劳寿命为6×105次循环。

第六单元
3.判断方法：
征进行判断。

（1
（2
以是穿晶断裂，也可以是晶间断裂。

如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。

5. （1）实验室中识别氢脆与应力腐蚀的办法是，当施加一小的阳极电流，如使开裂加速，则为应力腐蚀；而当施加一小阴极电流，使开裂加速者则为氢脆。

(2) 氢脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微，主裂纹没有分枝。

(3)大多数的氢脆断裂(氢化物的氢脆除外)，都表现出对温度和形变速率有强烈的依赖关系。

8.应力腐蚀断裂。

对螺栓进行防腐处理或进行电化学保护。

第七单元
2.摩擦是原因，磨损是结果。

磨损过程（略）。

4.参考表7-1。

5.参考表7-1。

6.磨损试验特点：影响因素多，需要试样数量多，试验时间长，试验结果数值分散，重现性差。

第八单元
3.（1）随温度升高，强度降低而塑性增加。

（2）在高温下载荷持续时间对力学性能产生影响，在同样温度下，强度随着载荷保持时间的增长而降低。

（3）高温应力松弛。

（4）温度升高时晶粒强度和晶界强度都要下降且晶界强度下降较快，在等温强度T E以上工作时，金属的断裂便由常见的穿晶断裂过渡到沿晶断裂。

4. 金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散等机理进行，一是位错滑移蠕变，二是扩散蠕变。

与温度、应力和时间的变化有关。

5.使用温度高于等强温度时，粗晶粒钢有较高的蠕变极限和持久强度极限，但晶粒太大会降低高温下的塑性与韧性，对于耐热钢及合金来说，随合金成分及工作条件不同有一最佳晶粒度范围。

如晶粒度不均匀，会显著降低其高温性能，这是由于在大小晶粒交界处易产生应力集中形成裂纹。

8.产生了应力松驰。

9. 【提示】阻止刃型位错的攀移，控制晶界的滑动，以及阻止空位的形成与运动，从而阻止其扩散。

具体方法可从合金的化学成分、冶炼工艺、热处理工艺和晶粒度等方面出发进行论述。

MPa
10.（1）【提示】根据题目所给数据，在应力－时间双对数坐标图上描点，再将试验数据点回归成直线，即持久强度曲线。

也可采用Excel作图。

600℃和810℃持久强度曲线如下图所示。

（2）810℃，经受2000h的持久强度极限为97 MPa。

（3）用外推法求600℃，20000h的持久强度，约为295 MPa，见下图中虚线段圆点处。

设安全系数n＝3，其许用应力为：295/3≈98 MPa
第九单元
1. (1) 试验过程与材料的加工或使用条件相似。

（2）试验结果的评定是以受力后表面变形情况来考核材料的优劣。

因此，试验结果能反映出材料的塑性、韧性及部分质量问题。

(3) 试样加工容易。

工程中常用的金属工艺试验包括金属弯曲试验、杯突试验、顶锻试验，金属线材扭转试验、反复弯曲试验和金属管试验等。

2. 对直径或多边形横截面内切圆直径不大于50mm的材料，试样横截面与原材料相同。

直径或多边形内切圆直径大于50 mm的材料，应将其加工成横截面内切圆直径不小于25mm 的试样，并保留一侧原表面。

对于板材，当原材料的宽度不大于20mm时，试样宽度为原材料的宽度；当材料宽度大于20 mm，厚度小于3mm的板材，试样宽度为(20±5)mm；厚度不小于3 mm的板材，试样宽度在20 ~50 mm之间。

当板材其厚度不大于25 mm时，试样厚度应为原材料厚度；材料厚度大于25mm时，试样厚度可以机加工减薄至25 mm，并保留一侧原表面。

3. 金属弯曲工艺试验目的有二：一是用于检定金属材料弯曲成一定形状和尺寸后的变形能力，二是显示其缺陷。

金属弯曲试验结果应按照相关产品标准或技术协议的要求进行评定。

如产品标准或技术协议无具体规定，一般在试验后检查试样弯曲部分的外面、里面和侧面，若弯曲处无裂纹、起层或断裂现象，即可认为弯曲性能合格。

4. 薄板或带状金属材料，用来确定金属材料的冷冲压性能。

用试验测定的杯突值来判断材料的塑性变形性能。

5. 对有效试验的试样，可根据试样断口形状、缺陷及表面状态来评定试验结果。

当试样的扭转次数、断口及表面状态符合有关标准规定时，则该试验结果是合格的，否则评为不合格。

6.金属反复弯曲试验是将试样一端固定，然后绕规定半径的圆柱支座使试样弯曲90°，再沿相反方向弯曲的重复弯曲试验。

用于检验金属线材（0.3～10mm)、薄板和薄带(≤3mm)在反复弯曲中承受塑性变形能力并显示其缺陷。

7. 金属压扁试验是在垂直于管的纵轴线方向对规定长度的试样或管的端部施加力进行压扁，直至在力的作用下两压板之间的距离达到相关产品标准所规定的值。

其目的是检验金属管在给定条件下压扁变形而不出现裂纹缺陷的极限塑性变形能力，通过它可以检验管产品是否符合产品标准或规范的要求，它适用于无缝和焊接金属管。

8. 扩口试验可以检验金属管产品是否符合产品标准要求，或比较在相同条件下金属管的塑性变形能力的优劣，一般作为验收试验。

扩口率X d是扩口后试样外径的增加量与试样端部的原始外径的百分比。

当产品标准中没做规定时，在不使用放大镜的情况下，如果无可见裂纹，应评定为合格。

仅在试样棱角处的轻微开裂不应判废。

如要求测量出现裂纹时的极限扩口率，则应根据扩口至第一条可见裂纹出现时的管端外径来计算其扩口率。

当此扩口率大于或等于规定要求时，则认为试样合格。