材料力学性能课后答案Word文档下载推荐.docx

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7.什么是包申格效应？

如何解释？

它有什么实际意义？

（1）金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；

反向加载，规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。

（2）理论解释：

首先，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，背应力反作用于位错源，当背应力足够大时，可使位错源停止开动。

预变形时位错运动的方向和背应力方向相反，而当反向加载时位错运动方向和背应力方向一致，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。

（3）实际意义：

在工程应用上，首先，材料加工成型工艺需要考虑包申格效应。

例如，大型精油输气管道管线的UOE制造工艺：

U阶段是将原始板材冲压弯曲成U形，O阶段是将U形板材径向压缩成O形，再进行周边焊接，最后将管子内径进行扩展，达到给定大小，即E阶段。

按UOE工艺制造的管子，希望材料具有非常小的或者几乎没有包申格效应，以免管子成型后强度的损失。

其次，包申格效应大的材料，内应力大。

例如，铁素体+马氏体的双相钢对氢脆就比较敏感，而普通低碳钢或低合金高强度钢对氢脆不敏感，这是因为双相钢中铁素体周围有高密度位错和内应力，氢原子与长程内应力交互作用导致氢脆。

包申格效应和材料的疲劳强度也有密切关系。

8.产生颈缩的应力条件是什么？

要抑制颈缩的发生有哪些方法？

当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩。

措施：

提高加工硬化指数。

10.试用位错理论解释：

粗晶粒不仅屈服强度低，断裂塑性野地；

而细晶粒不仅使材料的屈服强度提高，断裂塑性也提高。

主要是因为晶粒细化之后，与粗晶粒相比，晶粒取向更为均匀，从而避免了过早出现应力集中引起的开裂，提高了韧性。

11.韧性断口由几部分组成？

其形成过程如何答：

由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成。

第二章

1.解释下列名词：

应力状态软性系数：

材料最大切应力与最大正应力的比值，记为α。

布氏硬度：

用钢球或硬质合金球作为压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。

洛氏硬度：

采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度所表示的硬度。

维氏硬度：

以两相对面夹角为136°

的金刚石四棱锥作压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。

努氏硬度：

采用两个对面角不等的四棱锥金刚石压头，由试验力除以压痕投影面积得到的硬度。

肖氏硬度：

采动载荷试验法，根据重锤回跳高度表证的金属硬度。

缺口效应：

缺口材料在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生的变化。

缺口敏感度：

金属材料的缺口敏感性指标，用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值表示。

2.说明下列性能指标的意义：

ζbc（材料的抗压强度）；

（2）ζbb（材料的抗弯强度）；

（3）ηs（材料的扭转屈服点）；

（4）ηs（抗扭强度）；

（5）ηp（扭转比例极限）；

（6）ζbn（抗拉强度）；

（7）HBS（压头为淬火钢球的材料的布氏硬度）；

（8）HBW：

压头为硬质合金球的材料的布氏硬度；

（9）HRA（材料的洛氏硬度）；

HRB（材料的洛氏硬度）；

HRC（材料的洛氏硬度）；

（10）HV（材料的维氏硬度）；

（11）HK（材料的努氏硬度）；

（12）HS（材料的肖氏硬度）；

（13）K（理论应力集中系数）；

（14）NSR（缺口敏感度）

3.今有如下零件和材料等需测定硬度，试说明选用何种硬度试验方法为宜：

（1）渗碳层的硬度分布----HK或-显

（2）淬火钢-----HRC（3）灰铸铁-----HB（4）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体-----显或者HK（5）仪表小黄铜齿轮-----HV（6）龙门刨床导轨-----HS（肖氏硬度）或HL（里氏硬度（）7）渗氮层-----HV（8）高速钢刀具-----HRC（9）退火态低碳钢-----HB（10）硬质合金-----HRA

4.说明几何强化现象的成因，并说明其本质与形变强化有何不同。

6.试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围。

拉伸：

特点：

温度、应力状态和加载速率确定，采用光滑圆柱试样，试验简单，应力状态软性系数较硬。

应用范围：

塑性变形抗力和切断强度较低的塑性材料。

压缩：

特点：

应力状态软，一般都能产生塑性变形，试样常沿与轴线呈45°

方向产生断裂，具有切断特征。

应用范围：

脆性材料，以观察脆性材料在韧性状态下所表现的力学行为。

弯曲：

弯曲试样形状简单，操作方便；

不存在拉伸试验时试样轴线与力偏斜问题，没有附加应力影响试验结果，可用试样弯曲挠度显示材料的塑性；

弯曲试样表面应力最大，可灵敏地反映材料表面缺陷。

测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。

也常用于比较和鉴别渗碳和表面淬火等化学热处理机件的质量和性能。

扭转：

应力状态软性系数为，比拉伸时大，易于显示金属的塑性行为；

试样在整个长度上的塑性变形时均匀，没有紧缩现象，能实现大塑性变形量下的试验；

较能敏感地反映出金属表面缺陷和及表面硬化层的性能；

试样所承受的最大正应力与最大切应力大体相等。

用来研究金属在热加工条件下的流变性能和断裂性能，评定材料的热压力加工型，并未确定生产条件下的热加工工艺参数提供依据；

研究或检验热处理工件的表面质量和各种表面强化工艺的效果。

7、

第三章

1.缺口会引起哪些力学响应？

材料截面上缺口的存在，使得在缺口的根部产生应力集中、双向或三向应力、应力集中和应变集中，并试样的屈服强度升高，塑性降低。

2.比较平面应力和平面应变的概念。

平面应力：

只在平面内有应力，与该面垂直方向的应力可忽略，例如薄板拉压问题。

平面应变：

只在平面内有应变，与该面垂直方向的应变可忽略，例如水坝侧向水压问题。

具体说来：

平面应力是指所有的应力都在一个平面内，如果平面是OXY平面，那么只有正应力ζx，ζy，剪应力ηxy（它们都在一个平面内），没有ζz，ηyz，ηzx。

平面应变是指所有的应变都在一个平面内，同样如果平面是OXY平面，则只有正应变εx，εy和剪应变γxy，而没有εz，γyz，γzx。

3.如何评定材料的缺口敏感性：

材料的缺口敏感性，可通过缺口静拉伸、偏斜拉伸、静弯曲、冲击等方法加以评定。

简述根据韧脆转变温度分析机件脆断失效的优缺点。

缺点：

脆性断裂一般断裂时间较短，突发性的断裂，因此在使用时一旦超过屈服强度就会很快断裂优点：

脆性断裂在常温下表现为脆性，因此材料的变形随温度降低时变化不大，这样在交变温度的使用环境下，就不需要考虑材料的冷脆温度

7.何谓低温脆性？

哪些材料易表现出低温脆性？

工程上，有哪些方法评定材料低温脆性？

在低温下，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象称为低温脆性。

只有以体心立方金属为基的冷脆金属才具有明显的低温脆性，如中低强度钢和锌等。

而面心立方金属，如铝等，没有明显的低温脆性。

工程上常采用低温脆性通常用脆性转变温度，能量准则，断口形貌准则，断口变形特征准则评定。

8.说明为什么焊接船只比铆接船只易发生脆性破坏？

焊接容易在焊缝处形成粗大金相组织气孔、夹渣、未熔合、未焊透、错边、咬边等缺陷，增加裂纹敏感度，增加材料的脆性，容易发生脆性断裂。

10.细化晶粒尺寸可以降低脆性转变温度或者说改善材料低温韧性，为什么？

晶界是裂纹扩展的阻力；

晶界增多有利于降低应力集中，降低晶界上杂质度，避免产生沿晶界脆性断裂。

所以可以提高材料的韧性。

第四章1.解释下列名词：

（1）低应力脆断：

高强度、超高强度钢的机件，中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下发生的断裂；

（2）I型裂纹：

拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展的裂纹。

（3）应力强度因子KI：

在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚与强度因子有关，对于某一确定的点，其应力分量由确定，越大，则应力场各点应力分量也越大，这样就可以表示应力场的强弱程度，称为应力场强度因子。

“I”表示I型裂纹。

（4）裂纹扩展K判据：

裂纹在受力时只要满足，就会发生脆性断裂反之，即使存在裂纹，若也不会断裂。

（5）裂纹扩展G判据：

GI>

=GIC，当ＧＩ满足上述条件时裂纹失稳扩展断裂。

（6）J积分：

有两种定义或表达式：

一是线积分：

二是形变功率差。

P149（7）裂纹扩展J判据：

只要满足JI>

=JIC，裂纹（或构件）就会断裂。

（8）COD：

裂纹张开位移。

（9）COD判据：

当满足，裂纹开始扩展。

2、说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系

和

临界或失稳状态的

记作

或

，

为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。

为平面应力断裂韧度，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。

它们都是

型裂纹的材料裂纹韧性指标，但

值与试样厚度有关。

当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一稳定的最低值，即为

，它与试样厚度无关，而是真正的材料常数。

答：

当

增加到某一临界值时，

能克服裂纹失稳扩展的阻力，则裂纹失稳扩展断裂。

将

的临界值记作

，称断裂韧度，表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量，其单位与

相同，MPa·

m

ＪＩＣ：

是材料的断裂韧度，表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力，其单位与GIC相同。

：

是材料的断裂韧度，表示材料阻止裂纹开始扩展的能力.

Ｊ判据和

判据一样都是裂纹开始扩展的裂纹判据，而不是裂纹失稳扩展的裂纹判据。

4、试述低应力脆断的原因及防止方法。

低应力脆断的原因：

在材料的生产、机件的加工和使用过程中产生不可避免的宏观裂纹，从而使机件在低于屈服应力的情况发生断裂。

预防措施：

将断裂判据用于机件的设计上，在给定裂纹尺寸的情况下，确定机件允许的最大工作应力，或者当机件的工作应力确定后，根据断裂判据确定机件不发生脆性断裂时所允许的最大裂纹尺寸。

5、试述应力场强度因子的意义及典型裂纹

的表达式

P121几种裂纹的

表达式，无限大板穿透裂纹：

；

有限宽板穿透裂纹：

有限宽板单边直裂纹：

当b

a时，

受弯单边裂纹梁：

无限大物体内部有椭圆片裂纹，远处受均匀拉伸：

无限大物体表面有半椭圆裂纹，远处均受拉伸：

A点的

。

6、试述K判据的意义及用途。

K判据解决了经典的强度理论不能解决存在宏观裂纹为什么会产生低应力脆断的原因。

K判据将材料断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来，可直接用于设计计算，估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂纹最大尺寸，以及用于正确选择机件材料、优化工艺等。

11ＣＯＤ的意义：

表示裂纹张开位移。

表达式

13试述KIC与材料强度塑形之间的关系

总的来说，断裂韧度随韧度随强度的升高而降低

19.若一薄板内有一条长3mm的裂纹，且a0=3×

10-8mm，试求脆性断裂时断裂应力σc（设σm=E/10=2×

105MPa）。

解：

由公式σm/σc=（a/a0）1/2，a为σc对应的裂纹半长度，即a=，σc=

注：

参考，原题可能有误。

21.有一大型板件，材料的σ=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探伤发现20mm长的横向穿透裂纹，若在平均轴向拉应力900MPa下工作，试计算KI及塑性区宽度R0，并判断该件是否安全？

由题意知穿透裂纹受到的应力为σ=900MPa

根据σ/σ的值，确定裂纹断裂韧度KIC是否休要修正

因为σ/σ=900/1200=>

，所以裂纹断裂韧度KIC需要修正

对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：

=

（MPa*m1/2）

塑性区宽度为：

=（m）=（mm）

比较K1与KIc：

因为K1=（MPa*m1/2）

KIc=115（MPa*m1/2）

所以：

KI>

KIc，裂纹会失稳扩展,所以该件不安全。

书上原题为：

有一大型板件，材料的=1200Mpa，

22.有一轴件平行轴向工作应力150MPa，使用中发现横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深度的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c可以确定φ=1，测试材料的σ=720MPa，试估算材料的断裂韧度KIC为多少？

因为σ/σ=150/720=<

，所以裂纹断裂韧度KIC不需要修正

KIC=Yσcac1/2

对于表面半椭圆裂纹，Y=

φ=

所以，KIC=Yσcac1/2=

=（MPa*m1/2）

测试材料的=720MPa。

23.有一构件制造时,出现表面半椭圆裂纹,若a=1mm,在工作应力σ=1000MPa下工作,应该选什么材料的σ与KIC配合比较合适?

构件材料经不同热处理后,其σ和KIC的变化列于下表.

σMPa11001200130014001500

KIC/MPa·

m1/211095756055

第五章金属的疲劳

1.名词解释;

1、疲劳失效：

疲劳失效是一种材料在远低于正常强度情况下的往复交替和周期循环应力下，产生逐渐扩展的脆性裂纹，导致最终断裂的倾向。

2、疲劳极限：

材料在受到随时间而交替变化的荷载作用时，所产生的应力也会随时间作用交替变化，这种交变应力超过某一极限强度而且长期反复作用即会导致材料的破坏，这个极限称为材料的疲劳极限。

3、应力幅σa:

σa=1/2（σmax-σmin）

4、平均应力σm：

σm=1/2（σmax+σmin）

5、应力比r:

r=σmin/σmax

6、应力范围∆σ：

7、应变范围∆ε：

8、应变幅（∆εt/2,∆εe/2,∆εp/2）:

9、疲劳源：

是疲劳裂纹萌生的策源地，一般在机件表面常和缺口，裂纹，刀痕，蚀坑相连。

10、疲劳贝纹线：

是疲劳区的最大特征，一般认为它是由载荷变动引起的，是裂纹前沿线留下的弧状台阶痕迹。

11、疲劳条带：

疲劳裂纹扩展的第二阶段的断口特征是具有略程弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（疲劳辉纹，疲劳条纹）

12、驻留滑移带：

用电解抛光的方法很难将已产生的表面循环滑移带去除，当对式样重新循环加载时，则循环滑移带又会在原处再现，这种永留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。

13、挤出脊和侵入沟：

在拉应力作用下，位错源被激活，使其增殖的位错滑移到表面，形成滑移台阶，应力不断循环，多个位错源引起交互滑移，形成“挤出”和“侵入”的台阶

14、ΔK:

材料的疲劳裂纹扩展速率不仅与应力水平有关，而且与当时的裂纹尺寸有关。

ΔK是由应力范围Δσ和a复合为应力强度因子范围，ΔK=Kmax-Kmin=Yσmax√a-Yσmin√a=YΔσ√a

15、da/dN:

疲劳裂纹扩展速率，即每循环一次裂纹扩展的距离。

16、疲劳寿命：

试样在交变循环应力或应变作用下直至发生破坏前所经受应力或应变的循环次数

17、热疲劳：

机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下的疲劳。

18、过载损伤：

金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小，就造成了过载损伤。

19、银纹：

银纹现象是聚合物在张应力作用下，于材料某些薄弱部位出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向，以至在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为100μm、宽度为10μm左右、厚度为1μm的微细凹槽或“裂纹”的现象。

20、静态疲劳：

在持续载荷作用下，发生应力断裂破坏的统计平均最小时间。

21、循环疲劳：

2．揭示下列疲劳性能指标的意义

疲劳强度σ-1，σ-p,τ-1,σ-1N, 

∆Kth

σ-1:

对称应力循环作用下的弯曲疲劳极限；

σ-p:

对称拉压疲劳极限；

τ-1:

对称扭转疲劳极限；

σ-1N:

缺口试样在对称应力循环作用下的疲劳极限。

qf 

疲劳缺口敏感度：

Qf=（Kf-1）/（kt-1）其中Kt为理论应力集中系数且大于一，Kf为疲劳缺口系数。

Kf=（σ-1）/（σ-1N） 

∆Kth：

疲劳门槛值：

在疲劳裂纹扩展速率曲线的Ⅰ区，当ΔK≤ΔKth时，da/aN=0,表示裂纹不扩展;

只有当ΔK>

ΔKth时，da/dN>

0,疲劳裂纹才开始扩展。

因此，ΔKth是疲劳裂纹不扩展的ΔK临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。

3.试述金属疲劳断裂的特点

（1）疲劳是低应力循环延时断裂，机具有寿命的断裂

（2）疲劳是脆性断裂

（3）疲劳对缺陷（缺口，裂纹及组织缺陷）十分敏感

4.试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程

典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域—疲劳源、疲劳区及瞬断区。

（1）疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，疲劳源区的光亮度最大，因为这里在整个裂纹亚稳扩展过程中

断面不断摩擦挤压，故显示光亮平滑，另疲劳源的贝纹线细小。

（2）疲劳区的疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，是判断疲劳断裂的重要特征证据。

特征是：

断口比较光滑并分布有贝纹线。

断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。

贝纹线是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动与停歇，偶然过载引起的载荷变动，使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。

（3）瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。

其断口比疲劳区粗糙，脆性材料为结晶状断口，韧性材料为纤维状断口。

5.试述疲劳曲线（S-N）及疲劳极限的测试方法

升降法测试疲劳极限；

取略高于疲劳极限的5级应力水平，从最高应力水平测试，当试样通过时，增加一级应力水平，不通过时降低一级应力水平，出现至少13个有效试样时求的材料的疲劳极限成组法测试高应力部分；

去4级较高应力水平，在每级应力水平下测试5个试样，得到每个应力水平的N值，两种结构整理并拟合成S-N曲线

6．试述疲劳图的意义、建立及用途。

定义：

疲劳图是各种循环疲劳极限的集合图/也是疲劳曲线的另一种表达形式。

意义：

很多机件或构件是在不对称循环载荷下工作的，因此还需知道材料的不对称循环疲劳极限，以适应这类机件的设计和选材的需要。

通常是用工程作图法，由疲劳图求得各种不对称循环的疲劳极限。

1、

疲劳图

建立：

这种图的纵坐标以

表示，横坐标以

表示。

然后，以不同应力比r条件下将

表示的疲劳极限

分解为

，并在该坐标系中作ABC曲线，即为

疲劳图。

其几何关系为：

（用途）：

我们知道应力比r，将其代入试中，即可求得

，而后从坐标原点O引直线，令其与横坐标的夹角等于

值，该直线与曲线ABC相交的交点B便是所求的点，其纵、横坐标之和，即为相应r的疲劳极限

2、

然后将不同应力比r下的疲劳极限，分别以

表示于上述坐标系中，就形成这种疲劳图。

几何关系为：

我们只要知道应力比r,就可代入上试求得

，而后从坐标原点O引一直线OH，令其与横坐标的夹角等于

，该直线与曲线AHC相交的交点H的纵坐标即为疲劳极限。

7.试述疲劳裂纹的形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法。

答:

宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成的。

疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要有表面滑移开裂，第二相、夹夹杂物或其界面开裂；

晶界或亚晶界开裂等。

阻止疲劳裂纹萌生方法有：

细晶强化、固溶强化，降低第二相和夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布，使晶界强化，净化均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳强度

8．试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素。

1、应力比r（或平均应力

）的影响：

Forman提出

残余压应力因会减小r,使

降低和

升高，对疲劳寿命有利；

而残余拉应力因会增大r，使

升高和

降低，对疲劳寿命不利。

2、过载峰的影响：

偶然过载进入过载损伤区内，使材料受到损伤并降低疲劳寿命。

但若过载适当，有时反而是有益的。

3、材料组织的影响：

①晶粒大小：

晶粒越粗大，其

值越高，

越低，对疲劳寿命越有利。

②组织：

钢的含碳量越低，铁素体含量越多时，其

值就越高。

当钢的淬火组织中存在一定量的残余奥氏体和贝氏体等韧性组织时，可以提高钢的

，降低

③喷丸处理：

喷丸强化也能提高

9．试述疲劳微观断口的主要特征。

断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称疲劳条带（疲劳条纹、疲劳辉纹）。

疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征。

滑移系多的面心立方金属，其疲劳条带明显；

滑移系少或组织复杂的金属，其疲劳条带短窄而紊乱。

疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型（Laird模型）：

图中（a）,在交变应力为零时裂纹闭合。

图（b），受拉应力时，裂纹张开，在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移。

图（c）,裂纹张开至最大，塑性变形区扩大，裂纹尖端张开呈半圆形，裂纹停止扩展。

由于塑性变形裂纹尖端的应力集中减小，裂纹停止扩展的过程称为“塑性钝化”。

图（d），当应力变为压缩应力时，滑移方向也改变了，裂纹尖端被压弯成“耳状”切口。

图（e），到压缩应力为最大值时，裂纹完全闭合，裂纹尖端又由钝