材料力学性能习题及解答库

第一章习题答案

一、解释下列名词

1、弹性比功：又称为弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。

2、滞弹性：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。

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，称为金属的循环韧性。

4、包申格效应：先加载致少量塑变，卸载，然后在再次加载时，出现σe升高或降低的现象。

5、解理刻面：大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。

6、塑性、脆性和韧性：塑性是指材料在断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。韧性：指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力

7、解理台阶：高度不同的相互平行的解理平面之间出现的台阶叫解理台阶；

8、河流花样：当一些小的台阶汇聚为在的台阶时，其表现为河流状花样。

9、解理面：晶体在外力作用下严格沿着一定晶体学平面破裂，这些平面称为解理面。

10、穿晶断裂和沿晶断裂：沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，一定是脆断，且较为严重，为最低级。穿晶断裂裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可能是脆性断裂。

11、韧脆转变：指金属材料的脆性和韧性是金属材料在不同条件下表现的力学行为或力学状态，在一定条件下，它们是可以互相转化的，这样的转化称为韧脆转变。

二、说明下列力学指标的意义

１、Ｅ（Ｇ）：Ｅ（Ｇ）分别为拉伸杨氏模量和切变模量，统称为弹性模量，表示产生100%弹性变形所需的应力。

２、σr、σ0.2、σs: σr :表示规定残余伸长应力，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。σ0.2：表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。σs：表征材料的屈服点。

３、σb：韧性金属试样在拉断过程中最大试验力所对应的应力称为抗拉强度。

４、n:应变硬化指数，它反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化行为的性能指标。

５、δ、δgt、ψ：δ是断后伸长率，它表征试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。Δgt是最大试验力的总伸长率，指试样拉伸至最大试验力时标距的总伸长与原始标距的百

分比，也就是金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量。ψ是断面收缩率，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。

三、金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个组织不敏感的力学性能指标？

金属的弹性模量主要取决于金属原子本性和晶格类型。合金化、热处理（显微组织）、冷塑性变形对弹性模量的影响较小，温度、加载速率等外在因素对其影响也不大，所以，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。

四、今有45、40Ｃr 、35ＣrＭo钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作机床床身？为什么？

选择灰铸铁，因为作为机床床身材料必须要求循环韧性高，以保证机器的稳定运转。灰铸铁中含有不易传送弹性机械振动的石墨，具有很高的循环韧性。

五、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。

6、试述退火低碳钢、中碳钢及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：从退火低碳钢、中碳钢及高碳钢的拉伸力—伸长曲线图上可以明显看出，三种不同钢种的拉伸力—伸长曲线图有区别，可以看出退火低碳钢的屈服现象最明显，其次是退火中碳钢，而高碳钢几乎看不到屈服现象。但根据条件屈服强度可以判断出随着碳含量的增加，屈服强度在提高。这主要是因为随着碳含量的增加，碳原子对基体的强化作用越来越强，阻碍了位错的运动。

7、决定金属屈服强度的因素有哪些？

答：影响金属屈服强度的因素分为内在因素和外在因素。内在因素有金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相粒子；外在因素有温度、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、试举出几种能显著强化金属而又不降低塑性的方法？

答：细晶强化，通过细化晶粒提高金属强度的方法，它既可以显著强化金属，又不降低塑性的方法。

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？

答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显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，断裂前期丁不发生塑性变形，没有明显征兆，因此脆性断裂在生产中是很危险的。

11、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂？为什么断裂的性质完全不同？

答：剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常产生纯剪切断裂，其断口呈锋利的楔形或刀尖型。而解理断裂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。

12、在什么情况下易出现沿晶断裂？怎样才能减小沿晶断裂的倾向？

答：当晶界上有一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续所造成，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的，如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等都是沿晶断裂。要减小沿晶断裂的倾向，则要求防止应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等出现。

13、何为拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？

答：拉伸断口的三要素：纤维区、放射区和剪切唇；影响宏观拉伸断口性态的因素有试样的形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和腕力状态不同而变化。

14、板材宏观断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？

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，顺着尖顶指向可以找到裂纹源。

15、试证明，滑移相交产生微裂纹的柯垂耳机理对fcc 金属而言在能量上是不利的。

16、通常纯铁的γs ＝2J ／㎡,E=2*105MPa,a 0=2.5×10

－10m ，试求其理论断裂强度σm 。

解：由题意可得： Mpa a s E m 42/11052/10100.4105.22102⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-γσ

17、试述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推导格雷菲斯方程，并指出理论的局限性。

18、若一薄板物体内部存在一条长3㎜的裂纹，且a0＝3×10－8

cm ，试求脆性断裂时的断裂应力。（设σm ＝0.1E ＝2×105MPa ）

19、有一材料E ＝2×1011N ／㎡，γs ＝8N ／m ，试计算在7×107N ／ ㎡的拉应力作用下，该