第十三章能量法 一、选择题 1.一圆轴在图1所示两种受扭情况下，其（A ）。 M A 应变能相同，自由端扭转角不同； B 应变能不同，自由端扭转角相同； 2 M M C 应变能和自由端扭转角均相同； D 应变能和自由端扭转角均不同。—_a—一i—_a—一 （图1） 2?图2所示悬臂梁，当单独作用力F时，截面B的转角为θ,若先加力偶M,后加F,则在加F的过程中，力偶M （ C ）。 A 不做功； B 做正功； 1 C 做负功，其值为Md ； D 做负功，其值为一Mr。 2 3 ?图2所示悬臂梁，加载次序有下述三种方式：第一种为F、M同时按比例施加；第二种 为先加F ,后加M;第三种为先加M ,后加F。在线弹性范围内，它们的变形能应为（D ）。 A 第一种大； B 第二种大； C 第三种大； D 一样大。 4.图3所示等截面直杆，受一对大小相等，方向相反的力F作用。若已知杆的拉压刚度为 μFl EA ,材料的泊松比为μ,则由功的互等定理可知，该杆的轴向变形为，I为杆件长 EA 度。（提示：在杆的轴向施加另一组拉力F。） A0 ； 卩Fb C EA F l M I *] A B C4 （图2） Fb EA D 无法确定。 b：
、计算题 1.图示静定桁架，各杆的拉压刚度均为 EA 相等。试求节点 C 的水平位移。 解：解法1-功能原理，因为要求的水平位移与 P 力方向一致，所以可以用这种方法。 由静力学知识可简单地求出各杆的内力，如下表所示。 L 2 — 2 Pa 2 Pa 2 ” 2 P ] i 一 2 a 2 EA 2 EA 2 EA 可得出：厶C =2 '2 1 Pa EA 解法2-卡氏定理或莫尔积分，这两种方法一致了。 在C 点施加水平单位力，则各杆的内力如下表所杆 N i N i I i N i N t J i AB P 1 a Pa BC P 1 a Pa CD 0 0 a 0 BD -Λ∕2P -√2^ √2a 2、''2Pa AD a （2丁2 +2）Pa EA 则C 点水平位移为： 札 J 2 IPa EA EA ,抗弯刚度均为 El 。试求A 截面的铅直位移。 1 P iC 2 2 ?图示刚架，已知各段的拉压刚度均为
第四章 缺口试件的力学性能 前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转乃至硬度试验等静载荷试验方法，都是采用横截面均匀的光滑试样，但实际生产中存在的构件，绝大多数都不是截面均匀无变化的的光滑体，往往存在着截面的急剧变化，例如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等。这种截面变化的部位可以视为缺口（切口）。由于缺口的存在，在载荷（静载荷或冲击载荷）作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生“缺口效应”，从而影响到金属材料的力学性能。 §4.1 静载荷作用下的缺口效应 一、缺口试样在弹性状态下的局部应力和局部应变 1. 应力集中和应变集中 一薄板的中心边缘开缺口，并承受拉应力σ作用。缺口部分不能承受外力，这一部分外力要有缺口截面其他部分材料来的承担，因而缺口根部的应力最大。或者说，远离缺口处的截面上的力线的分布是均匀的，而在缺口截面上，由于截面突然缩小，力线密度增加，越靠近缺口根部力线越密，出现所谓应力集中的现象。 应力集中程度以应力集中系数表示之： max max l t n l n K σσσσ= －缺口截面轴向最大应力 －缺口净截面平均轴向应力（名义应力）
K t 和材料性质无关，只决定于缺口几何形状（所以又称为几何应力集中因子或弹性应力集中因子）。例如： 1t K =+圆孔：3t K ≈ （无限宽板） 应力集中必然导致应变集中，在弹性状态下，有： E σε= 则： max max l t n l t n n K K K E E εσσεεε?== =?=? 即在弹性状态下，应力集中系数和应变集中系数相同。 2. 多轴应力状态 由图可见，薄板开有缺口承受拉应力后，缺口根部还出现了横向拉伸应力σx ，它是由材料的横向收缩引起的。可以设想，加入沿x 方向将薄板分成很多细小的纵向拉伸试样，每一个小试样受拉伸后都能产生自由变形。根据小试样所处的位置不同，它们所受的纵向拉伸应力σy 大小也不一样，越靠近缺口根部，σy 越大，相应的纵向应变εy 也越大（应力应变集中）。每一个小试样在产生纵向应变εy 的同时，必然也要产生横向收缩应变εx ，且εx =-νεy 。如果横向应变能自由进行，则每个小试样必然相互分离开来。但是，实际上薄板是弹性连续介质，不允许各部分自由收缩变形。由于这种约束，各个小试样在相邻界面上必然产生横向拉应力σx ，以阻止横向收缩分离。因此，σx 的出现是金属变形连续性要求的结果。在缺口截面上σx 的分布是先增后减，这是由于缺口根部金属能自由收缩，所以根部的σx =0。自缺口根部向内部发展，收缩变形阻力增大，因此σx 逐渐增加。当增大到一定数值后，随着σy 的不断减小，σx 也随之减小。（薄板，平面应力，z 向变形自由，σz =0，
第四章缺口试件的力学性能 前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转乃至硬度试验等静载荷试验方法，都是采用横截面均匀的光滑试样，但实际生产中存在的构件，绝大多数都不是截面均匀无变化的的光滑体，往往存在着截面的急剧变化，例如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等。这种截面变化的部位可以视为缺口（切口）。由于缺口的存在，在载荷（静载荷或冲击载荷）作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生“缺口效应”，从而影响到金属材料的力学性能。 §4.1 静载荷作用下的缺口效应 一、缺口试样在弹性状态下的局部应力和局部应变 1. 应力集中和应变集中 一薄板的中心边缘开缺口，并承受拉应力σ作用。缺口部分不能承受外力，这一部分外力要有缺口截面其他部分材料来的承担，因而缺口根部的应力最大。或者说，远离缺口处的截面上的力线的分布是均匀的，而在缺口截面上，由于截面突然缩小，力线密度增加，越靠近缺口根部力线越密，出现所谓应力集中的现象。 应力集中程度以应力集中系数表示之： max max l t n l n K σ σ σ σ = －缺口截面轴向最大应力 －缺口净截面平均轴向应力（名义应力）
K t 和材料性质无关，只决定于缺口几何形状（所以又称为几何应力集中因子或弹性应力集中因子）。例如： 12t c K ρ=+圆孔：3t K ≈ （无限宽板） 应力集中必然导致应变集中，在弹性状态下，有： E σε= 则： max max l t n l t n n K K K E E εσσεεε?== =?=? 即在弹性状态下，应力集中系数和应变集中系数相同。 2. 多轴应力状态 由图可见，薄板开有缺口承受拉应力后，缺口根部还出现了横向拉伸应力σx ，它是由材料的横向收缩引起的。可以设想，加入沿x 方向将薄板分成很多细小的纵向拉伸试样，每一个小试样受拉伸后都能产生自由变形。根据小试样所处的位置不同，它们所受的纵向拉伸应力σy 大小也不一样，越靠近缺口根部，σy 越大，相应的纵向应变εy 也越大（应力应变集中）。每一个小试样在产生纵向应变εy 的同时，必然也要产生横向收缩应变εx ，且εx =-νεy 。如果横向应变能自由进行，则每个小试样必然相互分离开来。但是，实际上薄板是弹性连续介质，不允许各部分自由收缩变形。由于这种约束，各个小试样在相邻界面上必然产生横向拉应力σx ，以阻止横向收缩分离。因此，σx 的出现是金属变形连续性要求的结果。在缺口截面上σx 的分布是先增后减，这是由于缺口根部金属能自由收缩，所以根部的σx =0。自缺口根部向内部发展，收缩变形阻力增大，因此σx 逐渐增加。当增大到一定数值后，随着σy 的不断减小，σx 也随之减小。（薄板，平面应力，z 向变形自由，σz =0，
四 1.根据外加应力与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展有三种基本形式： 1）张开型(Ⅰ型)裂纹扩展。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 2）滑开型(Ⅱ型)裂纹扩展。切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展 3）撕开型(Ⅲ型)裂纹扩展。切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展 裂纹扩展形式中，以I 型裂纹扩展最危险，容易引起脆性断裂 2. 式中 Y 为裂纹形状系数，是一个无量纲系数。 a 指裂纹半长。 K I 指应力场强 度因子，单位为MPa·m 1/2 3.定义：当σ或a 增大时，K Ⅰ也逐渐增加，当K Ⅰ 达到某一临界值时，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂。这个临界或失稳状态的K Ⅰ 值记作K c 或K IC ，称为断裂韧度。 K IC 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。 K c 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。 4. 裂纹失稳扩展脆断的断裂判据： K I < K IC 有裂纹，但不 会断裂 K I = K IC 临界状态 K I > K IC 裂纹失稳扩展，直至断裂 5. 平面应变的塑性区宽度比平面应力的小得多，因此平面应变是一种最硬的应力状态，塑性区最小。 6. 扩大后的塑性区宽度，不论是平面应力状态还是平面应变状态,经计算R 0=2 r 0 7.修正的条件：当计算应力场强度因子时，一般σ/ σs ≥需进行塑性区修正 8. 通常把裂纹扩展单位面积由系统释放势能的数值称为裂纹扩展能量释放率，简称能量释放率或能量率，用G I 表示 G IC 称为断裂韧度（平面应变断裂韧度），表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。 断裂G 判据：G I ≥G IC 9. 试样尺寸： 因为K IC 是在平面 应变和小范围屈服条件下的K I 的临界值，所以测定K IC 时所用试样尺寸，必须保证裂纹尖端处于平面应变和小范围屈服状态。 a K πσ=I c K K ⅠⅠ≥c c c a Y K σ= Ⅰ
第 十三 章 能 量 法 一、选择题 1．一圆轴在图1所示两种受扭情况下，其（ A ）。 A 应变能相同，自由端扭转角不同； B 应变能不同，自由端扭转角相同； C 应变能和自由端扭转角均相同； D 应变能和自由端扭转角均不同。 （图1） 2．图2所示悬臂梁，当单独作用力F 时，截面B 的转角为θ，若先加力偶M ，后加F ，则在加F 的过程中，力偶M （ C ）。 A 不做功； B 做正功； C 做负功，其值为θM ； D 做负功，其值为 θM 2 1 。 3．图2所示悬臂梁，加载次序有下述三种方式：第一种为F 、M 同时按比例施加；第二种为先加F ，后加M ；第三种为先加M ，后加F 。在线弹性范围内，它们的变形能应为（ D ）。 A 第一种大； B 第二种大； C 第三种大； D 一样大。 4．图3所示等截面直杆，受一对大小相等，方向相反的力F 作用。若已知杆的拉压刚度为EA ，材料的泊松比为μ，则由功的互等定理可知，该杆的轴向变形为EA Fl μ，l 为杆件长度。（提示：在杆的轴向施加另一组拉力F 。） A 0； B EA Fb ； C EA Fb μ； D 无法确定。 （图2） （图3）
二、计算题 1．图示静定桁架，各杆的拉压刚度均为EA 相等。试求节点C 的水平位移。 解：解法1-功能原理，因为要求的水平位移与P 力方向一致，所以可以用这种方法。 由静力学知识可简单地求出各杆的内力，如下表所示。 ( )() EA a P EA Pa EA Pa P C 22222212 2 2 2++=? 可得出：() EA Pa C 122+= ? 解法2-卡氏定理或莫尔积分，这两种方法一致了。 则C 点水平位移为：() EA Pa C 122+= ? 2．图示刚架，已知各段的拉压刚度均为EA ，抗弯刚度均为EI 。试求A 截面的铅直位移。
和。 4.滞弹性是指材料在范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加 单向静拉伸时实验方法的特征是、、必须确定的。 ．韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标，其中又分为、 和。 12.在α值的试验方法中，正应力分量较大，切应力分量较小，应力状态较硬。一般用于塑性变形抗力与切断抗力较低的所谓塑性材料试验；在α值的试验方法中，应力状态较软，材料易产生塑性变形，适用于在单向拉伸时容易发生脆断而不能充分反映其塑性性能的所谓脆性材料； 13.材料的硬度试验应力状态软性系数，在这样的应力状态下，几乎所有金属材料都能产生。 14. 硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能，大体上可以分为 、和三大类；在压入法中，根据测量方式不同又分为 、和。 15. 国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为试样 和试样，所测得的冲击吸收功分别用
22. 应力状态软性系数：用试样在变形过程中的测得 和的比值表示。 23.微孔聚集型断裂是包括微孔、直至断裂的过程。 24.缺口试样的与等截面光滑试样的的比值。称为“缺口敏感度”。 25.机件在冲击载荷下的断口形式仍为、和。 26.包申格应变是在给定应力下，正向加载和反向加载两曲线之间的应变差。 27.由于缺口的存在，在载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化的现象，被称为“缺口效应”。 28. 洛氏硬度是在一定的实验力下，将120o角的压入工件表面，用所得的来表示材料硬度值的工艺方法。 28.低温脆性是随的下降，材料由转变为的现象。 29. 缺口敏感性是指材料因存在缺口造成的状态和而变脆的 疲劳条带是疲劳断口的特征，贝纹线是断口的特征。 34. 金属材料的疲劳过程也是裂纹的和过程。 35.金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力，用或表示。 36.金属在和特定的共同作用下，经过一段时间后所发生的 现象，成为应力腐蚀断裂。 37.应力腐蚀断裂的最基本的机理是和。 38.由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象叫 钢的氢致延滞断裂过程可分为、、三个阶 按磨损模型分为：、、、五大类。 44.韧窝是微孔聚集型断裂的基本特征。其形状视应力状态不同分为下列、、三类。其大小决定于第二相质点的、基体材料的和以及外加应力的大小和形状。
材料力学习题册答案-第13章-能量法
第 十三 章 能 量 法 一、选择题 1．一圆轴在图1所示两种受扭情况下，其 （ A ）。 A 应变能相同，自由端扭转角不同； B 应变能不同，自由端 扭转角相同； C 应变能和自由端扭转角均相同； D 应变能和自由端扭转角均不同。 （图1） 2．图2所示悬臂梁，当单独作用力F 时，截面 B 的转角为θ，若先加力偶M ，后加F ，则在加F 的过程中，力偶M （ C ）。 A 不做功； B 做正功； C 做负功，其值为θM ； D 做负功，其值为θM 2 1 。 3．图2所示悬臂梁，加载次序有下述三种方式： 第一种为F 、M 同时按比例施加；第二种为先加F ，后加M ；第三种为先加M ，后加F 。在线弹性范围内，它们的变形能应为（ D ）。 a 2M M a M
A 第一种大； B 第二种大； C 第三种大； D 一样大。 4．图3所示等截面直杆，受一对大小相等，方 向相反的力F 作用。若已知杆的拉压刚度为EA ，材料的泊松比为μ，则由功的互等定理 可知，该杆的轴向变形为EA Fl μ，l 为杆件长度。 （提示：在杆的轴向施加另一组拉力F 。） A 0； B EA Fb ； C EA Fb μ； D 无法确 定。 F M A B C b F F （图2 ） （图3）
二、计算题 1．图示静定桁架，各杆的拉压刚度均为EA 相 等。试求节点C 的水平位移。 a a P C B A D 解：解法1-功能原理，因为要求的水平位移与P 力方向一致，所以可以用这种方法。 由静力学知识可简单地求出各杆的内力，如下表所示。 ( )()EA a P EA Pa EA Pa P C 22222212 2 2 2++=? 可得出：( )EA Pa C 122+= ? 解法2-卡氏定理或莫尔积分，这两种方法一致了。 在C 点施加水平单位力，则各杆的内力如下表所示。 1
名词解释： 1加工硬化：试样发生均匀塑性变形，欲继续变形则必须不断增加载荷，这种随着随性变形的增大形变抗力不断增大的现象叫加工硬化。 2弹性比功：表示金属材料吸收弹性变形功的能力。 3滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生附加弹性应变的现象。 4包申格效应：金属材料通过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于1%-4%），而后再同向加载，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。 5塑性：金属材料断裂前发生塑性变形的能力。常见塑性变形方式：滑移和孪生 6弹性极限：以规定某一少量的残留变形为标准，对应此残留变形的应力。 7比例极限：应力与应变保持正比关系的应力最高限。 8屈服强度：以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%的残留变形的应力作为屈服强度。 9韧性断裂是材料断裂前发生产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的断裂过程，在裂纹扩展过程中不断的消耗能量。韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并于主应力成45度角。 10脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑形变形，没有明显征兆，危害性很大。断裂面一般与主应力垂直，端口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。 11剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿着滑移面分离而造成的断裂，又分滑断和微孔聚集性断裂。 12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，总是脆性断裂。 13缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生变化，产生所谓“缺口效应“ ①缺口引起应力集中，并改变了缺口应力状态，使得缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或者三向应力状态。 ②缺口使得材料的强度提高，塑性降低，增大材料产生脆断的倾向。 8缺口敏感度：有缺口强度的抗拉强度ζbm与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度ζb的比值. NSR=ζbn / ζs NSR越大缺口敏感度越小 9冲击韧性：Ak除以冲击式样缺口底部截面积所得之商 10冲击吸收功：式样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功以Ak表示，单位J 11低温脆性：一些具有体心立方晶格或某些秘排立方晶格的金属，当温度降低到、某一温度时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这种现象称为低温脆性 12 脆性转变温度：当温度降低时，材料屈服强度急剧增加，而塑形和冲击吸收功急剧减小。材料屈服强度急剧升高的温度，或断后延伸率，断后收缩率，冲击吸收功急剧减小的温度就是韧脆转变温度tk，tk是一个温度区间 16应力场强度因子KI ：表示应力场的强弱程度，对于某一确定的点的大小直接影响应力场的大小，KI 越大，则应力场各应力分量也越大 17应力腐蚀：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后产生的低应力脆断现象 第一章 3.金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？ 答：由于弹性变形时原子间距在外力作用下可逆变化的结果，应力与应变关系实际上是原子
工程材料力学性能复习重点 选择：20 填空:20 名词解释：10 简答计算：50 一．选择题（10道从下面抽，10道英语出题） 1.材料力学性能研究的问题不涉及（物理问题）。 2.工程材料在使用过程中（弹性变形）是不可避免的。 3.工程构件生产过程（提高）塑性，（降低）强度。 4.工程构件使用过程（降低）塑性，（提高）强度。 5.断裂力学解决（含缺陷材料）抗断裂方面的问题。 6.拉伸试样直径一定，标距越长则测出的抗拉强度值（越低）。 7.拉伸试样直径一定，标距越长则测出的延伸率（越低） 8.拉伸试样直径一定，标距越长则测出的断面收缩率（不变）。 9.拉伸试样的标距长度I 0应满足关系式（I 0=5.650A 或I 0=10d 0）。 10.均匀变形阶段，金属的伸长率与截面收缩率通常满足关系式（δ=ψ/(1-ψ)）。 11.长材料甲δ10=18%，短材料乙δ5=18%，则两种材料的塑性（甲>乙）。 12.表征脆性材料的力学性能的参量是（E ）、（σb ）。 13.在设计时用来确定构件截面大小的机械性能指标(σb ,σ0.2) 14.10mm 直径淬火钢球，加压3000kg ，保持30s ，测得布氏硬度为150的正确表达方式为（150HBS10/3000/30）。 15.（韧窝断口）是非脆性断裂。 16.裂纹体变形的最危险形式是（张开型）。 17.表示的是（持久强度）。 18.晶粒度越小，耐热性（越差）。 19.真空应力应变曲线在拉伸时位于工程应力应变曲线的（左上方）。 20.若材料的断面收缩率小于延伸率，则属于（低塑性）材料 21.材料的弹性常数是（E ）、（G ）、（ν）。 22.影响弹性模量最基本的原因是（点阵间距）。 23.加载速率不影响材料的（弹性）。 24.机床底座用铸铁制造的主要原因是价格（低），内耗（高），模量（大）。 25.多晶体金属塑性变形的特点是（不同时性，不均匀性，相互协调性）。 26.细晶强化不适用于（高温） 27.位错增殖理论可用于解释（屈服现象）和（形变强化）。 28.应力状态软性系数最大的是（压）。 29.工程测硬度最常用（压入法）。 30.同种材料的（布氏硬度）和（维氏硬度）可以相互参比。 26.与抗拉强度之间存在相互关系的是（布氏硬度）。 27.材料失效最危险的形式是（断裂）。 28.解理断裂是（穿晶断裂）。 29.（韧窝断口）是韧性断裂。<同13> 30.双原子模型计算出的材料理论断裂强度比实际值高出一个数量级，是因为（实际材料有缺陷）。 31.韧性材料在（增大加载速度）的条件下可能变成脆性材料。 32.在实验中不同材料的（冲击）性能指标可比性差。 a 200σ600103MP
第一章 包申格效应: 指原先经过少量塑性变形, 卸载后同向加载, 弹性极限( σP) 或屈服强度( σS) 增加; 反向加载时弹性极限( σP) 或屈服强度( σS) 降低的现象。 解理断裂: 沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面, 一般是低指数, 表面能低的晶面。 解理面: 在解理断裂中具有低指数, 表面能低的晶体学平面。 韧脆转变: 材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象( 冲击吸收功明显下降, 断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂, 断口特征由纤维状转变为结晶状) 。 静力韧度: 材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标, 是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。 能够从河流花样的反”河流”方向去寻找裂纹源。 解理断裂是典型的脆性断裂的代表, 微孔聚集断裂是典型的塑性断裂。
5.影响屈服强度的因素 与以下三个方面相联系的因素都会影响到屈服强度 位错增值和运动 晶粒、晶界、第二相等 外界影响位错运动的因素 主要从内因和外因两个方面考虑 ( 一) 影响屈服强度的内因素 1．金属本性和晶格类型( 结合键、晶体结构) 单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力, 其值与位错运动所受到的阻力( 晶格阻力－－派拉力、位错运动交互作用产生的阻力) 决定。 派拉力: 位错交互作用力 ( a是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数, L是位错间距。) 2．晶粒大小和亚结构 晶粒小→晶界多( 阻碍位错运动) →位错塞积→提供应力→位
错开动→产生宏观塑性变形。 晶粒减小将增加位错运动阻碍的数目, 减小晶粒内位错塞积群的长度, 使屈服强度提高( 细晶强化) 。 屈服强度与晶粒大小的关系: 霍尔－派奇( Hall-Petch) σs= σi+kyd-1/2 3．溶质元素 加入溶质原子→( 间隙或置换型) 固溶体→( 溶质原子与溶剂原子半径不一样) 产生晶格畸变→产生畸变应力场→与位错应力场交互运动→使位错受阻→提高屈服强度( 固溶强化) 。4．第二相( 弥散强化, 沉淀强化) 不可变形第二相 提高位错线张力→绕过第二相→留下位错环→两质点间距变小→流变应力增大。 可变形第二相 位错切过( 产生界面能) , 使之与机体一起产生变形, 提高了屈服强度。 弥散强化: 第二相质点弥散分布在基体中起到的强化作用。 沉淀强化: 第二相质点经过固溶后沉淀析出起到的强化作用。
材料力学性能课后作业 主编时海芳任鑫副主编胡全文高志玉北京大学出版社 第一章 1.解释下列名词①滞弹性：金属材料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称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。 ②弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。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循环韧性。④包申格效应：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。⑤塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。⑥韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。⑦加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时,由于晶粒发生滑移,出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现象。⑧解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。 2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量）；（2）ζp（规定非比例伸长应力）、ζe（弹性极限）、ζs（屈服强度）、ζ0.2（屈服强度）；（3）ζb（抗拉强度）；（4）n（加工硬化指数）;（5）δ（断后伸长率）、ψ（断面收缩率） 4.常用的标准试样有5倍和10倍，其延伸率分别用δ5和δ10表示，说明为什么δ5>δ10。答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。 5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的弹性比功不足引起的故障，可以通过热处理或合金化提高材料的弹性极限（或屈服极限），或者更换屈服强度更高的材料。 6.今有45、40Cr、35CrMo钢和灰铸铁几种材料，应选择哪种材料作为机床机身？为什么？答：应选择灰铸铁。因为灰铸铁循环韧性大，也是很好的消振材料，所以常用它做机床和动力机器的底座、支架，以达到机器稳定运转的目的。刚性好不容易变形加工工艺朱造型好易成型抗压性好耐磨损好成本低 7.什么是包申格效应？如何解释？它有什么实际意义？答：（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
第一章 1.解释下列名词①滞弹性：金属材料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称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。②弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。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循环韧性。④包申格效应：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。⑤塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。⑥韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力 ⑦加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时,由于晶粒发生滑移, 出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现象。⑧解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。 2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量）；（2）ζ p（规定非比例伸长应力）、ζ e（弹性极限）、ζ s（屈服强度）、ζ 0.2（屈服强度）；（3）ζ b （抗拉强度）；（4）n（加工硬化指数）; （5）δ （断后伸长率）、ψ （断面收缩率） 4.常用的标准试样有5 倍和10倍，其延伸率分别用δ 5 和δ 10 表示，说明为什么δ 5>δ 10。答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。 5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的弹性比功不足引起的故障，可以通过热处理或合金化提高材料的弹性极限（或屈服极限），或者更换屈服强度更高的材料。 6.今有45、40Cr、35CrMo 钢和灰铸铁几种材料，应选择哪种材料作为机床机身？为什么？答：应选择灰铸铁。因为灰铸铁循环韧性大，也是很好的消
第一章单向静拉伸力学性能 1、解释下列名词。 2．滞弹性：金属材料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称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。 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循环韧性。4．包申格效应：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。 11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变 2、说明下列力学性能指标的意义。 答：E弹性模量 G切变模量 σ规定残余伸长应力2.0σ屈服强度gtδ金属材料 r 拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数【P15】 3、金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力 学性能指标？ 答：主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。【P4】 AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF
4、现有4 5、40Cr、35 CrMo钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作为机床起 身，为什么？ 选灰铸铁，因为其含碳量搞，有良好的吸震减震作用，并且机床床身一般结构简单，对精度要求不高，使用灰铸铁可降低成本，提高生产效率。 5、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？【P21】 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的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，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。 6、何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？ 答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。 7、板材宏观脆性断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？ 断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状，板状矩形拉伸试样断口中的人字纹花样的放射方向也 与裂纹扩展方向平行，其尖端指向裂纹源。 第二章金属在其他静载荷下的力学性能 AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF
第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 名词解释 弹性比功：表示材料吸收弹性变形功的能力，一般用开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。 包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后若再次同向加载，则规定残余伸长应力增加，反之若反向加载，则规定残余伸长应力降低，此类现象称为包申格效应。 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，称为滞弹性。 循环韧性 材料吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。 屈服平台 屈服伸长对应的水平线段或曲折线段称为屈服平台或者屈服齿 吕德斯带 屈服伸长变形是不均匀的，外力从上屈服点下降到下屈服点时，在试样局部区域开始形成与拉伸轴约呈45°的屈服线，称为吕德斯带。 应变硬化 金属变形过程中，当外力超过屈服强度后，需要不断增加外力塑性变形才能继续进行，这种现象就叫应变硬化。 颈缩判据 de dS S 静力韧度 金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力 穿晶断裂和沿晶断裂：多晶材料断裂时裂纹扩展路径若沿着晶界，则为沿晶断裂；若裂纹扩展穿过晶粒，则为穿晶断裂。 解里刻面 解理断口由一系列的相当于晶粒大小的较光滑的刻面组成，刻面内裂纹需要跨过若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而产生了解理台阶和河流花样。这种刻面称为解里刻面。 河流花样 解理断口上的解理刻面内裂纹需要跨过若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而产生了解理台阶和河流花样。 金属材料常见的塑性变形方式主要为滑移和孪生 弹性模量主要决定于金属原子本性和晶格类型 常用的两个塑性指标为延伸率和断面收缩率 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？ 主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型为发生改变，故弹性模量对组织不敏感。 消除包申格效应的方法：预先进行较大的塑性变形，或在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火，如钢在400-500℃，铜合金在250-270℃退火。 多晶金属塑性变形的特点：1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性2）各晶粒变形的相互协调性 屈服现象有关的三个因素：1）材料变形前可动位错密度小（或虽有大量但被盯扎住，如钢中的位错为杂志原子或第二相质点所钉扎）；2）随塑性变形发生，位错能快速增殖；3）位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。 影响屈服强度的内在因素：金属本性及晶格类型，晶粒大小和亚结构，溶质元素，第二相 外在因素：温度，应变速率和应力状态 韧性断裂和脆性断裂的区别，为什么断裂最危险？
第一章 单向静拉伸力学性能 1、 解释下列名词。 2．滞弹性：金属材料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称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。 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循环韧性。 4．包申格效应：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。 11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变 2、 说明下列力学性能指标的意义。 答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 【P15】 3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？ 答：主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。【P4】 4、 现有4 5、40Cr 、35 CrMo 钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作为机床起身，为什么？ 选灰铸铁，因为其含碳量搞，有良好的吸震减震作用，并且机床床身一般结构简单，对精度要求不高，使用灰铸铁可降低成本，提高生产效率。 5、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？【P21】 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的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，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。 6、 何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？ 答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。 7、 板材宏观脆性断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？ 断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状，板状矩形拉伸试样断口中的人字纹花样的放射方向也 与裂纹扩展方向平行，其尖端指向裂纹源。 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词： （1）应力状态软性系数—— 材料或工件所承受的最大切应力τmax 和最大正应力σmax 比值，即： () 32131max max 5.02σσσσσστα+--== 【新书P39 旧书P46】 （3）缺口敏感度——缺口试样的抗拉强度σbn 的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb 的比值，称为缺口敏感度，即： 【P47 P55 】 试验方法 特点 应用范围 拉伸 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。 塑性变形抗力和切断强度较低的塑性材料。