第二章材料的力学行为课后习题答案

第二章 材料的力学行为

1.说明下列力学性能指标的名称、单位及其含义：σb 、σs 、σ0.2、σ-1、δ、αk

答：σb 抗拉强度：单位为MPa ，指材料在拉伸断裂前所能够承受的最大拉应力。 σs 屈服强度：单位MPa ，指材料开始产生宏观塑性变形时的应力。

σ0.2国标GB228-87规定发生0.2%残余伸长的应力作为屈服点。

δ：可测力学性能指标中的塑性指标

αk 冲击韧性，指用一定尺寸和形状的金属试样，在规定类型的冲击试验上受冲击负荷折断时，试样刻槽处单位横截面上所消耗的冲击功

2.试绘出低碳钢的σ-ε曲线，指出在曲线上哪些出现颈缩现象；如果拉断后试棒上没有颈缩，是否表示它未发生塑性变形？

答：低碳钢的σ-ε曲线如下图，试样将在曲线B 点处出现颈缩现象。如果拉断后试棒上没有颈缩，并不表示它未发生塑性变形，只是塑性变形量很小。

3.在什么条件下，应用布氏硬度试验比洛氏硬度试验好？

在测试低硬度零件的时候，布氏硬度比洛氏硬度要更准确些，当然零件厚度及相关尺寸必须满足布氏硬度测试的条件。洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和薄片，归于无损检测一类。布式硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。

4. K σ与1c K 的概念有什么不同？

答：K σ是工程材料中的材料的屈服点。只要裂纹很尖锐，顶端附近各点应力K σ的大小取决与一比例系数1K 。由于1K 反映了裂纹尖端附近各点的强弱，故称为应力强度因子。当1K 增大到某一临界值时，就会使裂纹尖端附近各点的应力大到足以是裂纹失稳扩展，从而引起脆断。这个应力强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用1c K 表示。

5.在什么情况下应考虑材料的高低温性能？它们的主要性能指标是什么？

答：对于不是在常温下工作的材料，不能的简单地用应力-应变关系来评定力学性能，而需要加入温度与时间两个因素，需要考虑材料的高低温性能。金属材料的高温性能用蠕变强度和持久强度来表示。蠕变强度是指材料在一定的温度下，一定时间内产生一定蠕变变形量所能承受的最大应力值。持久强度是指材料在一定的温度下，一定时间内所能承受的最大断裂应力。材料由韧性状态变为脆性状态的温度称为冷脆转化温度。其数值越低，表明材料的低温性能越好，这对在低温下工作的零件具有重要意义。

6.某仓库内1000根20钢和60钢热轧棒料被混在一起，试问可用何种方法加以鉴别，并说明理由。

答：通过测量其硬度将其分开。因热轧钢棒是成品材，不宜用布氏硬度测试其硬度；又因20钢硬度约为80MPa，70钢硬度约为240，不宜用洛氏硬度进行测量；因此，采用维氏硬度仪测量其硬度最合适；硬度大的为70钢，硬度小的为20钢。

7.试用多晶体的塑性变形过程说明金属晶粒越细强度越高、塑性及韧性越好的原因。

答：晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也阻碍晶粒的变形。因此，金属的晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形的抗力也愈大。因此，金属的晶粒愈细强度愈高。同时晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。因此，塑性，韧性也越好。

8.何谓冷变形强化？其产生原因是什么？冷变形强化在工程上带来哪些利弊？

答：①冷变形强化指随塑型变形程度的增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降。②塑性变形的机理是金属在外力的作用下发生滑移或孪晶的塑性变形形式，主要事滑移。而滑移的实质是位错运动的结果。③形变强化可以提高金属的强度、硬度，但对于后道需塑性变形的工序不利，如多次拉深中，前道拉深工序完成后由于强度、硬度的提高，不利于后道的拉深工序，因此应该安排中间退火工序来降低硬度，提高塑性。

9.用冷拔铜丝制作导线，冷拔之后应如何处理？为什么？

答：应对铜丝进行加热，加热到一定的温度。因为冷变形金属加热至较高温度时，由于原子的活动能力增强，晶粒的外形开始发生变化，由拉长变形的晶粒变成心的等轴晶粒，这一过程称为在结晶。再结晶是一个形核和长大的过程，但新、旧晶粒的晶格类型不变，故不属相变过程。

10.一块纯锡板被枪弹击穿，经再结晶退火后，弹孔周围的晶粒大小有何特征？并说明原因。答：弹孔周围的晶粒大小不均匀，晶粒异常粗大。因为原来的冷变形不均匀，经再结晶后得到的是大小不均匀的晶粒。这时，由于大小晶粒之间的能量相差悬殊，便很容易发生大晶粒吞并小晶粒而越长越大的现象，导致晶粒异常粗大，使金属的力学性能显著降低。

11.热加工对晶体组织和性能有何影响？钢材在热变形加工（如锻造）时，为什么不出现硬化现象？

答：热加工能消除铸态金属与合金的某些缺陷，如使气孔焊合，使粗大的树枝晶和柱状晶破碎，从而使材料组织致密，晶粒细化，成分均匀，力学性能提高。热加工使铸态金属中的夹杂物及枝晶偏析沿变形方向拉长，便枝晶间富集的杂质及夹杂物的分布逐渐与变形方向一致，形成彼此一致的宏观条纹，称为流线，由这种流线所体现的组织称为纤维组织。纤维组织使钢产生各向异性，与流线平行的方向强度高，而垂直方向上强度低，在制订加工工艺时，应使流线分布合理，尽量便流线与工件工作时所受到的最大拉应力方向一致，与剪切或冲击应力方向相垂直。

在热加钢材时，常发现钢中的铁素体与珠光体呈带状或层状分布，这种组织称为带状组织。带状组织是由于枝晶偏析或夹杂物在压力加工过程中被拉长所造成的。带状组织不仅降低钢

的强度，而且还降低塑性和冲击韧度。轻微的带状组织可通过多次正火或高温扩散退火加正火来消除。热加工时也会产生的加工硬化，但能很快以再结晶方式自动消除，因而热加工不会带来加工硬化。

12.金属塑性变形造成哪几种残余应力?残余应力对机械零件可能产生哪些利弊？

答：塑性变形是外界对金属做功产生的，其所做的功大部分在变形过程中以热的方式消耗掉，还有一小部分转化为内应力而残留于金属中。这类在塑性变形后残留在内部的应力称为残余内应力。残余内应力是一种弹性应力，在金属中处于自相平衡状态。根据残余内应力平衡范围的大小不同，残余内应力可分为宏观残余内应力、微观残余内应力和晶格畸变内应力三种。宏观残余内应力是由工件不同部分(如表面与心部)的宏观变形不均匀性引起的，故其应力平衡范围包括整个工件，称之为第一类内应力。微观残余内应力是由晶粒或亚晶粒内部的不均匀变形引起的，其作用范围与晶粒尺寸相当，即在晶粒或亚晶粒之间保持平衡，称之为第二类内应力。晶格畸变内应力由金属变形时产生的大量位错、空位等缺陷所引起，即由晶格畸变产生，其作用范围更小，称之为第三类内应力。这三种内应力对工件的影响是不同的:第一类内应力主要使工件产生变形；第二类内应力会使工件内部产生微裂纹；第三类内应力则使工件强度、硬度升高，塑性和耐蚀性下降。

13.高聚物有哪几种聚集状态？对高聚性能的影响如何？

答：高聚物聚集态结构：聚集态结构是指高聚物分子链之间的几何排列和堆砌结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构以及织态结构。结构规整或链次价力较强的聚合物容易结晶。结晶聚合物中往往存在一定的无定型区，即使是结晶度很高的聚合物也存在晶体缺陷，熔融温度是结晶聚合物使用的上限温度。结构不规整或链间次价力较弱的聚合物难以结晶，一般为不定型态。

14.线性无定型高聚物有哪三种力学状态？其性能特性如何？

答：玻璃态、高弹态和粘流态。玻璃态：内部结构类似玻璃，故称玻璃态。在温度较低时，大分子链不能移动，受到外力作用时，仅链节中原子做出响应，产生微小的可逆变性。高弹态：随温度升到一定温度以上，原子动能有所增加，受到外力作用时，链段可发生运动，引起较大的变形。粘流态：当温度继续升高，分子动能增加，受力时整个分子链之间发生相对移动，产生很大的不可逆流动变形。

15.何谓粘弹性?高聚物的粘弹性表现在哪几个方面？对高聚物应用带来什么不利影响？

答：高聚物在外力的作用下，表现出理想弹性（变形与时间无关）和理想粘性（变形随时间线性发展）组合的力学行为，这称为粘弹性。其粘弹性行为表现为蠕变、应力松弛、交变力场下的滞后和内耗等。一个理想的弹性固体具有确定的形状，在外力作用下可以变形，达到新的平衡状态，与外力的作用时间无关。除去外力后，物体可完全恢复原来的形状。一个理想的粘性液体则没有确定的形状，在外力作用下发生不可逆流动。高聚物的力学行为往往介于弹性固体和粘性液体之间。