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工程材料力学性能课后题答案第三版（束德林）第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
（1）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。
（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。
（5）解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
（6）塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
脆性：指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。
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）解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为 b 的台阶。
（8）河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
（9）解理面：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，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
（10）穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。
（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：（1）E（G）分别为拉伸杨氏模量和切边模量，统称为弹性模量表示产生 100％弹性变所需的应力。
（2）σr 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。
⾦属在单向静拉伸载荷下的⼒学性能⾦属在单向静拉伸载荷下的⼒学性能1.1拉伸曲线及应⼒－应变曲线1.1.1 引⾔（introduction）单向静载荷拉伸试验是试验温度、应⼒状态及形变速率不变的⼀种⽅法。
该⽅法具有设备简单、操作⽅便，并且试验精度⾼、重复性好、⽤途⼴，因此在⼯业中获得⼴泛应⽤。
该⽅法可以测出材料的屈服强度（ζs）、抗拉强度（ζb）、塑性（δ,ψ）、⽐例极限（ζp）等基本⼒学性能。
这些性能对于⼯业中的设计、选材、失效分析等都是⾄关重要的，也是学习⾦属材料在其他载荷作⽤下⼒学⾏为的基础。
1.1.2 拉伸曲线种类（kinds of tensile curves）拉伸曲线根据表达⽅式不同可分为三种：(1) 载荷（⼒）－伸长曲线（见图1.1）（F－ΔL）(2) (⼯程)应⼒－应变曲线（见图1.2）常简称为应⼒－应变曲线（ζ-ε）(3) 真应⼒－真应变曲线（见图1.3）(s－e)图 1.1低碳钢载荷（⼒）－伸长曲线图 1.2低碳钢应⼒－应变曲线图 1.3 真应⼒－真应变曲线三种曲线的关联：（1）载荷－伸长曲线与（⼯程）应⼒－应变曲线在形状是很相似的。
这是因为应⼒－应变曲线来源为：ζ=F/A0ε=ΔL/L0（1）式中：A0：拉伸试样原始横截⾯积（m2）L0：拉伸式样原始标距（m）由于A0、L0均为定值，因此应⼒-应变曲线是F－ΔL曲线在相应坐标缩放⼀定倍数。
（2）真应⼒－真应变曲线来源：S＝F(t)/A(t) de=dl/l(t) （2）式中：F（t）、A（t）、l（t）分别为t时刻载荷（⼒）、试样横截⾯积及长度。
de、dl分别为试样在t时刻的真应变和伸长量。
（3）真应⼒－真应变与应⼒－应变曲线之间关系在均匀塑变之前，有如下关系：S=F(t)/A(t)=F f/A f= (F f/A0)·(L f/L0)=ζ·(1+ε) （3）（A0 L0=A f L f L f/L0=( L f－L0+ L0)/ L0=1+Δl/L0）e=∫L0Lf de=∫L0Lf dl/l=㏑L f/L0=㏑(1+ε) （4）上两式中L f、A f、F f分别表⽰试样断裂后的长度、横截⾯积和载荷。
材料力学性能复习大纲一、名词解释10个×3分=30分二、单项选择12个×2分=24分三、简答题5个×6分=30分四、论述题1个×16分=16分————————————————————————————————————————————————第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能基本概念工程应力-应变曲线：将拉伸力-伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的原始截面积A0和原始标距长度L0去除，则得到应力-应变曲线。
因均以一常数相除，故曲线形状不变，这样的曲线称为工程应力-应变曲线。
真应力-真应变曲线：用拉伸过程中每一瞬间的真实应力和真实应变绘制曲线，则得到真实应力-应变曲线。
比例极限：保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力。
弹性极限：材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力，是表征开始塑性变形的抗力。
弹性比功：表示材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，又称弹性比能、应变比能。
屈服强度、抗拉强度、屈服现象：拉伸试验中，材料由弹性变形转变为弹塑性变形状态的现象。
应变硬化指数：应变硬化指数反映金属材料抵抗继续塑性变形的能力，是表征金属应变硬化的性能指标。
强度、塑性、韧度滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，弹性应变落后于外加应力，并随时间延长产生附加弹性应变的现象，称为滞弹性（弹性后效）。
内耗：加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功，这部分被金属吸收的功，称为内耗。
包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变。
卸载后，若再同向加载，则规定残余伸长应力增加；若反向加载，则规定残余伸长应力降低的现象。
韧性断裂：金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。
脆性断裂：材料断裂前基本上不发生明显的宏观塑性变形的断裂。
穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，大部分是脆性断裂。
解理断裂：解理断裂是金属材料在一定条件下（如低温），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。
第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能1. 解释下列名词：(1) 弹性比功(2) 滞弹性(3) 循环韧性(4) 包申格效应(5) 解理面(6) 解理台阶(7) 穿晶断裂(8) 沿晶断裂(9) 刚度(10) 强度(11) 塑性(12) 韧性(13) 形变强化2. 说明下列力学性能指标的意义：(1) E (2) σr、σ0.2、σs(3) σb(4) n (5) δ、δgt、ψ3. 对拉伸试件有什么基本要求？为什么？4. 为什么拉伸试验又称为静拉伸试验？拉伸试验可以测定哪些力学性能？5. 试件的尺寸对测定材料的断面收缩率是否有影响？为什么？6. 试画出示意图说明：脆性材料与塑性材料的应力-应变曲线有何区别？高塑性与低塑性材料的应力-应变曲线又有何区别？7. 工程应力-应变曲线上b点的物理意思？说明b点前后试样变形和强化特点？8. 脆性材料的力学性能用哪两个指标表征？脆性材料在工程中的使用原则是什么？9. 何谓材料的弹性、强度、塑性和韧性？10. 试画出连续塑性变形强化和非连续塑性变形强化材料的应力-应变曲线？两种情况下如何根据应力-应变曲线确定材料的屈服强度？11. 何谓工程应力和工程应变？何谓真应力与真应变？两者之间有什么定量关系？12. 拉伸图、工程应力-应变曲线和真实应力-应变曲线有什么区别？13. 颈缩发生后如何计算真应力和真应变？如何根据材料的拉伸性能估算材料的断裂强度？14. 现有d0=10mm的圆棒长试样和短试样各一根，测得其延伸率δ10与δ5均为25%，问长试件和短试件的塑性是否一样？15. 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？16. 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?17. 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？18. 试述断面收缩率和断后延伸率两种塑性指标评定金属材料塑性的优缺点？19. 试述韧性断裂和脆性断裂的区别？为什么韧性断裂最危险？20. 剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？21. 在什么条件下易出现沿晶断裂？怎么样才能减小沿晶断裂的倾向？22. 何谓拉伸断口特征三要素?影响宏观拉伸断口形态的因素有哪些？23. 试证明，滑移面相交产生微裂纹的柯垂耳机理对fcc金属而言在能量是不利的。
24. 通常纯铁的γs=2J/m2，E=2×105MPa，a0=2.5×10-10m，试求其理论断裂强度σm。
25. 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，并指出该理论的局限性。
26. 若一薄板物体内部存在一条长3mm的裂纹，且a0=3×10-8cm，试求脆性断裂时的断裂应力。
（设σm=0.1E=2×105MPa）27. 有一材料E=2×1011N/m2，γs=8N/m。
试计算在7×107 N/m2的拉应力作用下，该材料中能扩展的裂纹之最小长度？28. 断裂强度与抗拉强度的区别？29. 有哪些因素决定韧性断口的宏观形貌？30. 由Hall-Petch关系式和解理断裂表达式讨论晶粒尺寸细化在强韧化中的作用。
31. 一铝合金制轻型人梯，发觉在人体重作用下弹性挠度过大。
若欲在不增加梯子总量的情况下减少挠度，试问下列方法是否可行？(1)采用时效铝合金，提高材料强度；(2)改用镁合金代替铝合金（E Mg=4.3×1010N/m2，ρMg=1.74g/cm3；E Al=7×1010N/m2，ρAl=2.7g/cm3）；(3) 重新设计，改变铝合金型材的截面形状尺寸。
32. 提高金属材料屈服强度有哪些方法？试用已学过的专业知识就每种方法各举一例。
33. 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？34. 今有直径为10mm的正火态60Mn拉伸试样，其试验数据如下（d=9.9mm为屈服平台刚结束时的试样直径）；P/KN 39.5 43.5 4.76 52.9 55.4 54.0 52.4 48 43.1d/mm 9.91 9.87 9.81 9.65 9.21 8.61 8.21 7.41 6.71试求：(1)σs、σb、S E、S k(2)Ψb、ψk、E b、E k(3)n和k(4)绘制条件应力-应变曲线和真实应力-应变曲线（未修正）35. 为什么材料中的第二相数量、尺寸和形状会影响断裂时的塑性大小？36. 块状Al2O3和SiC的抗拉强度分布为262MPa和299MPa，而抗压强度分布为2600MPa和2000MPa，试解释产生这么大的差别的原因？Al2O3和SiC纤维的抗拉强度分布为2100MPa和8300MPa，为何比块状抗拉强度高许多？37. 宏观脆性断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？38. 试述微孔聚集断裂的全过程，若材料的基体塑性相同，第二相质点密度大小对断口中韧窝的大小和深浅有何影响？39. 临界断裂应力与抗拉强度有何区别？40. 在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样才能减小沿晶断裂倾向？41. 某汽车弹簧，在为装满载时已变形到最大位置，缺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。
42. 减轻汽车重量对降低燃油消耗有很重要的作用。
汽车车身或底盘约占汽车总重量的60%。
底盘的主要尺寸是按比刚度来确定的，铝合金的比刚度比钢（低合金高强度钢）大，为什么汽车车身一般用钢而不用铝合金，除了生产成本之外，还有什么必须考虑的重要因素？第二章扭转、弯曲和压缩1.说明下列力学性能指标的意义：（1）σbc；（2）σbb；（3）τs；（4）τb；（5）HRC；（6）HRB；（7）HV；2.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。
3.如何根据实际应用条件来选择恰当的试验方法（单向拉伸、扭转、弯曲、压缩和剪切试验）衡量材料的性能？4.试述脆性材料弯曲试验的特点及其应用。
5.为什么灰口铸铁的拉伸断口与拉伸轴垂直，而压缩断口却与压缩力轴成45°角？6.能否根据扭转试验中试样的断口特征分析引起开裂的力的特征？7.哪些材料适合进行抗弯试验？抗弯试验的加载形式有哪两种？各有何优缺点？8.为什么拉伸试验时所得的条件应力—应变曲线位于真实应力—应变曲线之下，而压缩试验时正好相反？9.为什么说金属的弹性模量是一个对组织较不敏感的力学性能指标？哪些因素对弹性模量会有较明显的影响？10.条件比例极限和条件屈服极限都表达了拉伸过程中非线性行为的开始，为什么残余变形法基本上是合理的？你能找到残余变形法有什么缺陷吗？11.如何根据多晶体材料的强度估算该材料的单晶体的屈服强度？试解释其中的物理过程。
12.今有45，35CrMo钢和灰口铸铁，应采用哪种材料做机床床身，给出你选择的理由？13.材料为灰铸铁，其试样直径d=30mm，原标距长度h0=45mm。
在压缩试验时，当试样承受到485KN压力时发生破坏，试验后长度h=40mm。
试求其抗压强度和相对收缩率。
14.今欲用冲床从某种薄钢板上冲剪出一定直径的孔，在确定需多大冲剪力时应采用材料的哪种力学性能指标，采用何种试验方法测定它？15.试述弹性极限，比例极限和屈服强度的意义、区别与测定方法。
16.用于解释多晶体金属产生明显物理屈服的柯氏气团理论和位错增殖理论的基本思想是怎样的？17.多晶体金属的晶粒尺寸对材料的强度和塑性有怎样的影响？18.试述常见的几种弹性不完整现象的特征及产生的条件。
19.试举例说明金属的形变强化现象在工程技术的应用方面有何实际的意义？20.已知300CrMnSi淬火后200℃回火，其宏观正断抗力σf为3236MPa，屈服抗力τs=745MPa，试问它在三向拉伸（S1=S2=+S, S3=0.75S），单向拉伸、扭转、三向压缩（S1=S2=-0.3S, S3=-S）下各发生何种形式破坏？（泊松比υ=0.25）21.今有以下各种材料，欲评定材料在静载条件下的力学行为，给定测试方法有单向拉伸、单向压缩、弯曲、扭转和硬度五种，试对给定的材料选定一种或两种最佳的测试方法。
材料：低碳钢、灰铸铁、高碳工具钢（经淬火低温回火）、结构陶瓷、热塑性材料。
22.为什么低强度高塑性材料的切口敏感度小，高强度塑性材料的切口敏感度大，而脆性材料是完全切口敏感的？第三章冲击韧性及低温脆性1.解释下列名词：（1）冲击韧度；（2）冲击吸收功；（3）低温脆性；（4）韧脆转变温度；2.说明下列力学性能指标的意义：（1）A K、A KV和A KU；（2）FATT50；（3）NDT；（4）FTE；（5）FTP3.现需检验以下材料的冲击韧性，问哪些材料要开缺口？哪些材料不要开缺口？W18Cr4V，Cr12MoV，3Cr2W8V，40CrNiMo，30CrMnSi，20CrMnTi，铸铁4.为什么通常体心立方金属显示低温脆性，而面心立方金属一般没有低温脆性？5.缺口冲击韧性为什么被裂纹材料常规性能的五大指标之一，怎样正确理解冲击韧性的功能：（a）它是控制工艺的性能指标；（b）它是服役性能的指标；（c）两者兼有之，但要具体分析。
你对上述说法有何评论？冲击韧性性能理解为材料抵抗冲击载荷而不发生破坏的能力吗?6.缺口冲击韧性试验能评定哪些材料的低温脆性？哪些材料不能用此方法检验和评定？这种试验方法本身在防止材料脆断方面有何局限性？7.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脆性。
为什么？8.试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。
9.试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。
10.下列三组试验方法中，请举出每一组中哪种试验方法测得的t k较高？为什么？（1）拉伸和扭转；（2）缺口静弯曲和缺口冲击弯曲；（3）光滑试样拉伸和缺口试样拉伸11.试从宏观上和微观上解释为什么有些材料有明显的韧脆转变温度，而另外一些材料则没有呢？12.简述根据韧脆转变温度分析机件脆断失效的优缺点。
13.简述冲击载荷作用下材料变形与断裂的机理与过程。
14.什么是冲击韧性？用于测定冲击韧性的试件有哪两种主要形式？测定的冲击韧性如何表示？两种缺口的冲击韧性是否具有可比性？15.缺口冲击韧性被列为材料的五大常规性能指标之一，如何理解冲击韧性的物理意义？冲击韧性值在工程中有什么实用价值？16.为什么切口冲击试验被广泛地用于金属性能的测试？在实际的工程应用中，某种材料的冲击韧性值的应用必须十分谨慎，为什么？17.在韧性材料的冲击试样断口上，为什么裂纹会在距缺口一定距离的试样内部萌生，而不是在缺口根部？18.什么是低温脆性？在哪些材料中容易发生低温脆性？低温脆性的物理本质是什么？19.用光滑试样的静拉伸试验也可能观察到金属材料的冷脆现象，但为什么评定t k中都采用缺口试样的冲击试验？光滑试样和缺口试样的韧脆转变温度有何关系？20.在Ak-T曲线，tk可以用多种特征温度来定义，试列举其中主要的三种定义，对大型工件为什么宜进行落锤试验和FAD等分析。
