工程材料力学性能1

第一章 金属在金属在单向静拉伸下的力学性能单向静拉伸下的力学性能

本章介绍金属在拉伸状态下的力学行为，包括弹性形变、塑性形变和断裂。重点介绍表征这些力学行为的性能指标、测试方法，以及力学行为的物理机理。

第一节 拉伸力拉伸力——伸长曲线和应力伸长曲线和应力——应变曲线

一、试件形状

拉伸实验一般采用光滑的圆柱或板状（横截面为长方形）试件，试件尺寸在国家标准中有明确的规定。以圆柱试件为例，其结构如下图所示：

光滑试件由三个部分组成：工作部分L 0（标距）、过渡部分R 、夹持部分H 。 二、拉伸实验

由拉伸实验机拉伸试件，由附加仪器记录拉伸力F 及其对应的试件标距间的绝对伸长量8L 。以F 为纵坐标，8L 为横坐标，做出的F —8L 曲线称为拉伸力-伸长曲线，也称为拉伸图（曲线）。

三、拉伸曲线拉伸曲线和应力和应力和应力——应变曲线

1、拉伸曲线

下图为退火低碳钢的拉伸曲线

图1.1 圆柱拉伸试件结构图

8L （mm ）

F （N ）

o

拉伸过程中金属的变形可分为四个阶段：弹性变形（oe 段）、不均匀屈服塑性变形（AC 段，塑性屈服）、均匀塑性变形（CB 段）、不均匀集中塑性变形（BK 段，即“缩颈”现象）。需要指出的是，塑性阶段仍然伴随弹性变形，只是此时外观上表现出不可逆的塑性变形。

2、应力—应变曲线

如果以试件原始横截面A O 去除拉伸力F 得到应力σ，即0

A F

=

σ，以原始标距L O 去除绝对伸长8L 得到应变ε，即0

L L

?=

ε，则拉伸曲线可以转换成应力—应变曲线，如下图所示。由于原始横截面和标距为常数，所以应力—应变曲线在形状上与拉伸力—伸长曲线相似。

不同材料的应力-应变曲线差别很大，有些材料只有弹性变形阶段，如陶瓷和淬火高碳钢；有些材料没有不均匀的塑性屈服阶段，如有色金属。

σ（MPa ）

o

σe ：弹性极限 σs ：屈服强度

第二节 弹性变形

一、弹性变形及其实质

金属弹性变形是一种可逆的变形，是金属内原子之间引力、斥力以及外力三者之间平衡的结果。金属内原子间的作用力F 随原子间距r 的变化曲线如下图所示。

因此，弹性形变是原子间作用力随原子间距变化规律的体现，形变过程中应力与应变成正比关系，即遵循虎克定律。 二、虎克定律

1、单向拉伸

x z y E

x

x νεεεσε?===

,

其中，E 为弹性模量，ν为泊松比，既横向应变与纵向应变的比值。

2、剪切和扭转

γτG =

其中，G 为切变模量，τ为切应力，γ为切应变。

3、物理量之间的关系

)

1(2ν+=

E

G

一般定义张应力为正应力，压应力为负应力。 三、弹性模量

从虎克定律可以看出，弹性模量越大，变形量越小，弹性模量反映出金属材料抵抗弹性变形的能力，所以工程上将弹性模量称为材料的刚度。

F

引力斥力

弹性模量只与原子间作用力和晶体结构有关，如石墨和金刚石，而机械加工和热处理对弹性模量影响很小，它是一个对材料组织结构不敏感的力学性能指标。

精密仪器工作台一般选择刚度大的金属材料，而且比较重（2吨！），目的是尽可能减少外界震动对仪器结构的影响（尤其是光学仪器！），选择重量大的工作台还有一个原因，就是在同样变形量的情况下，吸收更大的变形功（能量）。 四、弹性变形的弹性变形的强度指标及其测定强度指标及其测定 1、比例极限p σ

比例极限p σ是应力-应变曲线中应力与应变成正比关系的最大应力。一般规定曲线上某一点的切线与纵坐标夹角的正切值'tan θ比直线部分与纵坐标的夹角的正切值θtan 增加50%时，该点对应的应力称为规定（或条件）比例极限，写为50p σ。如下图所示。

规定比例极限的确定

2、弹性极限e σ

弹性极限是材料从弹性变形过渡到塑性变形时的应力，超过弹性极限后材料开始出现塑性变形，但弹性变形并没有停止。

弹性极限是弹性变形过渡到弹-塑性变形的临界应力，实际很难准确测量。国家标准中规定，以残余应变为0.01%时对应的应力为弹性极限，以01.0σ表示。国家标准规定产生一定残余变形的应力为弹性极限，称为“规定残余伸长应力”。规定残余

伸长为0.01%的应力为规定残余伸长应力，写为01.0σ，表征材料开始微

ε

σ σp

量塑性变形的应力。弹性极限的测量方法可以采用图解

法，如下图所示。其中0A 为试样标距部分的原始横截面积。

五、弹性比功

弹性比功是金属塑性变形前（弹性变形阶段）单位体积所能吸收的最大弹性变形功。其数值可以从应力-

E

e e e e a 22

21

σεσ==

其中，e σ为弹性极限，e ε为最大弹性应变。

从上式

中可以看出，弹性极限越高，弹性比功越大，材料的弹性越好，越不容易

发生塑性形变。弹簧就是使用高弹性比功的材料。（问题：为什么火车车厢使用粗大弹簧？--体积越大吸收的弹性变形功越多

） 六、滞弹性

弹性变形不

仅与应力有关，而且还与时间有关。在快速加载或卸载后

，应变滞后于应力，随时间延长产生附加的弹性变形，这种现象称为滞弹性，如下图（1）所示。

在单向加载、卸载时，加载线与卸载线组成一个封闭回路，称为弹性滞后环，如

e e L

图解法确定01.0σ和2.0σ

σ

σ（1）滞弹性

（2）单向弹性滞后环

（3）交变弹性滞后环

图（2）所示。如外加载荷为交变载荷，也得到弹性滞后环，如图（3）所示。滞后环所包围的面积表示金属加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属释放的变形功，反映出吸收不可逆变形功的能力，称为“循环韧性”或“消振性”。

循环韧性越高，吸收不可逆变形功越大，可以起到消除机械噪声的效

七、包申格效应

金属材料在预先加载之后产生微量塑性变形，卸载后再同向加载，弹性极限e σ和屈服强度s σ升高；反向加载，e σ和s σ下降，这种现象称为包申格效应。 包申格效应普遍存在于各种金属材料中，但 在退火或高温回火状态的低碳低合金钢中表 现得更明显。右图为经淬火和350°C 回火的 T10钢的拉伸曲线。

包申格效应还对金属材料的疲劳寿命有 明显的影响。消除方法：预先较大的塑性变形 或退火热处理。

第三节 塑性变形

一、塑性变形的方式和特点 1、变形方式

金属材料塑性变形的方式有两种：滑移和孪生

（1）滑移是金属在切应力作用下沿着一定的晶面和晶向进行的切变过程。这种

晶面和晶向称为滑移面和滑移方向，每个滑移面和该面上的滑移方向组成一个滑移系，表示金属在滑移时可能采取的空间取向。一般来说，滑移面是原子排列密度最大的晶面，滑移方向是滑移面上原子排列密度最大的方向。金属的滑移系越多，其塑性可能越好。

（2）孪生是发生在金属内局部区域的一个均匀切变过程，切变后已变形区的晶

体取向与未变形区的晶体取向成镜面对称关系。它也是沿着特定的晶面和晶向进行的。孪生产生的变形量比较小，但它可以

通过改变晶体的取向，

ε

使晶体的滑移系由原来难于滑动的取向转到容易滑动的取向，从而促进塑性变形。

2、变形特点

（1）单晶体金属：塑性变形是位错运动的结果，在克服了远低于整体滑移切应力的位错滑移阻力后，位错逐步滑移实现塑性变形。

（2）多晶体金属：塑性变形是由无数的单晶体集体变形产生的，具有以下特点： 不同时性。晶体取向有利于滑移的晶粒将首先发生塑性变形，继续增大应力，其他晶粒先后出现变形。

不均匀性。由于各个晶粒处于不同的应力状态，变形过程中相互制约，所以即使是同一晶粒的不同部位，变形也是不相同的。

相互协调性。作为一个整体，金属内的各个晶粒变形时必须相互协调，否则将使晶界开裂。

屈服点

二、屈服现象和

屈服现象和屈服点

1、屈服现象

金属材料受到的拉伸应力超过弹性极限时，从弹性变形过渡到塑性变形，这时不增加应力，试样仍然伸长；或者应力突然下降，然后在应力不增加或上下波

金属材料的应力-应变曲线

σ称为屈服点，材料在屈服过程中的伸长变形是不均匀的，下屈服齿对应的应力

s

从上屈服齿下降到下屈服齿，材料的局部出现与拉伸轴成45°的屈服线，并沿试样长度方向逐渐扩展，但屈服线布满试样长度时，试样进入均匀塑性变形阶段。

屈服现象可以通过位错增殖理论进行解释。（学生自学这部分内容！）

屈服塑性变形是不均匀的，容易在冲压件中产生皱褶，消除的办法是在冲压之前对钢板进行微量轧制，越过物理屈服再冲压。（物理屈服的时效：屈服卸载 2、屈服强度s σ 随即加载屈服消失；时效后加载s σ则增大。）

屈服强度是表征材料对微量塑性变形的抵抗力。对于拉伸实验中出现屈服平台或屈服齿的材料应力-应变曲线，直接以平台或下屈服齿对应的应力表示材料的屈服强度s σ；对于没有明显物理屈服现象的材料，则规定残余应变为0.2%对应的应力为屈服强度，用2.0σ表示，图解法如上图所示。 3、金属材料的屈服判据

屈服强度指标可以作为机械部件设计中选择材料的重要依据（屈服判据）。根据机件的受力情况，利用屈服判据，可以计算出达到机件受力要求的材料所需要的屈服强度值，为选择材料提供参考依据，机件选材步骤如下：

选择机件材料确定机件受力情况安全系数屈服判据 → → s σ

屈服判据有两种：

（1）最大切应力屈服判据：最大切应力达到金属的拉伸屈服强度时将出现屈服现象。利用材料力学可以推导出最大切应力屈服判据为：

s σσσ≥?31 （屈雷斯加判据，第三强度理论）

（2）畸变能屈服判据（米赛斯判据，第四强度理论）：当畸变能达到单向拉伸屈服的畸变能时将出现屈服现象，利用材料力学可以推导出畸变能屈服判据为：

2

2132322212)()()(s σσσσσσσ≥?+?+?

实际应用中发现，米赛斯判据与实验结果符合得更好。 三、屈服强度的影响因素 1、内在因素

（1）金属的本性和晶体结构

金属的塑性变形实际与位错运动所受的各种阻力决定，位错密度增大，位错运动所受的阻力也增大，屈服强度也随之提高。

（2）晶粒大小和亚结构

晶粒大小决定了晶界的数量，而晶界是位错运动的障碍，所以晶粒越小，屈服强度越大（细晶强化，纳米金属材料中有专门的研究！）。金属的晶粒大小对屈服强度的影响符合Hall-Petch 关系式：

2/1?+=d k y i s σσ

其中，i σ是位错在金属中运动受到的总阻力（摩擦阻力），决定于位错密度和晶体结构；y k 晶界对强化贡献大小的钉扎常数；d 是晶粒粒径。

细晶强化不仅可以提高金属的屈服强度，而且还可以提高塑性和韧性，是金

属强韧化的一种好方法，是其他强化方法难于达到的。

亚晶界也阻碍位错的运动，提高屈服强度，其影响规律也符合Hall-Petch 关系式，只是y k 值不同。 （3）溶质元素

固溶合金中溶质原子引起原子周围的晶格发生畸变，产生应力场，与位错应力场相互作用，使位错运动受阻，从而使屈服强度提高，称为固溶强化。 （4）第二相

金属材料中的第二相有 外来的弥散颗粒（如陶瓷），也有 固溶体中的不同组织成分，它们都能提高金属屈服强度，前者称弥散强化，后者称沉淀强化。

实际金属材料的强化往往是多种强化机理共同发挥作用。 2、外在因素

（1）温度

一般来说，温度升高，屈服强度下降；反之，屈服强度增大（低温脆性！）。不同晶体结构屈服强度的变化趋势不一样，如左下图所示。

T/°

σs

应变速率（%）σ

屈服强度与温度的关系

强度与应变速率的关系

（2）应变速率（加载速率）

应变速率增大，金属的强度增大。屈服强度随应变速率的变化比抗拉强度的变化明显，如由上图所示。 （3）应力状态

切应力越大，约有利于塑性变形，屈服强度越低，所以扭转比拉伸的屈服强度低，拉伸比弯曲的屈服强度低。

总之，屈服强度是一个组织结构敏感的力学性能指标，强化途径有合金化、热处理或冷变形等方法，改变材料的组织结构，阻碍位错的运动，达到提高屈服强度的目的。 四、塑性指标

金属塑性变形能力的高低可以使用两个塑性指标表示：断后伸长率δ和断面收缩率ψ，这两个指标都能反映断裂前金属产生的最大塑性变形 1、断后伸长率δ

试件拉断后标距长度的相对伸长值

%1000

1×?=

L L L δ 其中，1L 和0L 分别为试样断裂后的标距长度和原始长度。

为了使测试数据只反映出金属材料本身的性能而与尺寸和形状无关，对于圆柱形试样，人们规定005d L =或0010d L =，前者称为短比例试样，后者称为长比例试样，对应的断后伸长率分别用5δ和10δ表示。 2、断面收缩率ψ

试件断裂后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面的百分比。

%1000

1

0×?=

A A A ψ 其中，0A 和1A 分别为试样原始横截面积和断裂后缩颈处最小横截面积。

可以根据δ和ψ的相对大小判断材料的塑性能力高低：

（1）δψ>，材料拉伸时出现缩颈，两者差别越大，缩颈越严重，高塑性材料； （2）δψ≤，材料拉伸时只有均匀塑性变形而无缩颈现象，低塑性材料。 五、应变硬化 1、定义

金属材料在室温下屈服后，必须不断增大外部应力，塑性变形才能继续进行，说明屈服塑性变形后，金属内部出现一种阻止继续塑性变形的能力，这种现象称为材料的应变硬化（加工硬化加工硬化、、形变强化形变强化））

。 另一种情况，金属预先变形量越大，屈服强度提高的幅度越大，这种现象也是应变硬化。应变硬化的本质是位错增殖、运动受阻的结果。 2、真实应力-应变曲线

（1）真实应力S

σεψ

σ)1(10

0+=?===

A A A F A F S 其中，0A 为试样的原始横截面积，A 为试样的在t 时刻的横截面积，σ为工程应力，ψ为t 时刻的试样断面收缩率。 （2）真实应变e

)11ln()1ln(ln 00

ψ

ε?=+===∫

L L L dL e L

其中，L 为试样在t 时刻的标距长度，ε为工程应变，ψ为试样断面收缩率。 （3）真实应力-应变曲线

应变 ε，e

应

力

σ，S

O

从上面的真实应力和真实应变的表达式可以看出，真实应力高于工程应力（σ>S ），真实应变小于工程应变（ε

n Ke S = （e 为真应变的塑性分量）

其中，K 为强度系数，n 为应变硬化指数，应变硬化指数越大，应变硬化越明显。它是表征金属材料应变硬化行为的性能指标。n 的取值范围在0~1之间。 （1）0=n ，K S =，没有应变硬化能力，材料为理想塑性体； （2）,1=n Ke S =，真应力与真应变成正比关系，材料为理想弹性体。 3、应变硬化的影响因素

（1）金属的本性和晶格类型

层错能低的金属材料容易产生比较高的应力集中，所以应变硬化程度高。 （2）晶粒大小

晶粒细化除了提高屈服强度之外，也能提高应变强化的程度。 （3）合金化

合金固溶体不仅屈服强度高于纯金属，而且应变硬化也高于纯金属。

（4）温度

应变硬化随温度升高总是降低的；退火态的金属n 值较大，冷加工的金属则比较小。

应变硬化是提高金属材料强度，特别是弹性极限、屈服强度的一种重要技术手段。

六、缩颈现象和缩颈现象和抗拉抗拉抗拉强度强度 （1）定义

缩颈是在拉伸过程中，金属从均匀塑性变形阶段过渡到不均匀集中（局部）塑性变形阶段时变形集中于局部区域的特殊现象。缩颈的起点就是应力的最高点。

（2）缩颈判据

de

dS

S =

或 B e n =

其中，

de

dS

称为应变硬化速率，对应于真实应力-应变曲线的斜率，B e 为真实均匀塑性变形的最大应变量。 （3）抗拉强度b σ

抗拉强度是金属试样在拉伸过程中所能承受的最大拉伸应力，对应于工程应力-应变曲线的最大应力，反映金属最大均匀塑性变形的抵抗力。

对于不同性质的材料，抗拉强度有不同物理内涵： 韧性金属材料，b σ表示静拉伸条件下的最大承载应力； 脆性金属材料，b σ表示金属的断裂强度； b σ的大小取决于屈服强度和应变硬化指数。 七、静力韧度静力韧度（（静态韧性静态韧性））

金属的静力韧性是金属断裂前吸收弹性变形功、塑性变形功和断裂功的总和，可以根据金属的拉伸曲线下所包围的面积计算出来，即

∫=e

Sde T

U

0 1、脆性材料

静力韧性等于弹性变形能 2、高塑性材料

静力韧性由塑性变形能和断裂能组成，可以下式进行近似计算：

k b S T e U )(2

1

σσ+=

其中k e 为断裂时的真实应变。材料的韧性除了静力韧性之外，还有冲击韧性和断裂韧性等。韧性是强度和塑性的综合指标。

第四节 金属的断裂

机械部件的失效方式包括磨损、腐蚀和断裂。本节将讨论金属断裂的宏观和微观特征、断裂机理、断裂的力学条件和影响因素。这些内容对于机械部件材料选择和断裂事故原因分析是必不可少的。

大多数金属的断裂包括裂纹形成和裂纹扩展两个阶段。

一、断裂类型

1、韧性断裂和脆性断裂（根据断口宏观形貌特征分类！）

（1）韧性断裂，金属材料断裂前产生明显塑性变形的断裂。

断口特征：纤维区、放射区和剪切唇（与主应力成45°角）

断裂过程（圆柱体试样拉伸）：

切断断裂（剪切唇）

低能量撕裂（放射区）裂纹维区）裂纹向前扩展（形成纤微裂纹（高变形带）微孔成核、生长和聚合三向拉伸应力缩颈塑性变形最大剪切力作用裂纹临界尺寸

裂纹连接

第二相碎裂或界面剥离

→ → → → →→ 裂纹扩展方向指向裂纹前端的轮廓线，并逆向指向裂纹源头。材料强度提高，塑性降低，放射线变细，放射区扩大。

（2）脆性断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，裂纹扩展引起的突然断裂。在这个过程中材料无法通过塑性变形强化，所以不能延缓断裂的发生。

断口特征：断裂面与正应力垂直，断口平整光亮，呈放射状或结晶状。

断裂过程（板状试样拉伸）：

裂纹连接（人字纹）

次生裂纹向后扩展主裂纹向前扩展低能量撕裂尖端形成次生裂纹 → → 对于光滑拉伸试样： %5<ψ脆性断裂；%5≥ψ为韧性断裂。 2、穿晶断裂和沿晶断裂（根据裂纹扩展方向分类！）

剪切唇

纤维区

放射区 拉伸断口形貌示意图

板状试样脆

性断裂断口形貌

i ττ?

位错塞积形成裂纹模型模型

穿晶断裂是裂纹穿过晶粒内部发生的断裂，沿晶断裂是裂纹沿着晶粒边界扩展发生的断裂，都属于脆性断裂。

断口特征：沿晶断裂的断口形貌呈“冰糖”状；穿晶断裂的断口是较为平坦的、发亮的结晶状断面。

3、剪切断裂和解理断裂（根据断裂机理分类！）

（1）剪切断裂

在切应力作用下，金属沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，可分为纯剪

切断裂和微孔聚集型断裂。

纯剪切断裂的断口呈锋利的楔形或刀尖型； 微孔聚集断裂就是前面介绍的

韧性断裂断口形貌。 （2）解理断裂

解理断裂是金属沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，这种晶体学平面称为解理面，解理面是表面能最低的晶面，一般是低指数的晶面。断口特征如上述的穿晶断裂。

总体上，微孔聚集型断裂属于韧性断裂，解理断裂、沿晶断裂和穿晶断裂都属于脆性断裂。

二、解理断裂解理断裂（（脆性断裂脆性断裂！！） 1、裂纹的形成和扩展

解理断裂裂纹附近仍然存在少量的塑性变形，从塑性变形是位错运动的反映可以看出，解理断裂可以利用位错理论进行解释。 （1）甄纳-斯特罗位错塞积理论

甄纳和斯特罗认为，在切应力作用下，滑移面上的刃型位错运动遇到障碍（晶界或者第二相颗粒），产生位错塞积，当塞积头的的应力集中不能通过塑性变形得到松弛时，塞积端点处的最大 拉应力可以达到理论断裂强度而 形成楔行裂纹，如下图中阴影区。

形成裂纹的有效切应力i ττ?必须满足以下关系式：

2

1

2(da Er s i γττ=? 其中τ为外加切应力，i τ为晶格摩擦阻力，E 为弹性模量，r 为塞积头到裂纹形成点的长度，0a 为晶面间距，d 为晶粒直径，s γ为产生裂纹新表面的表面能。

裂纹扩展并导致解理断裂的条件是外加正应力σ达到临界应力c σ：

其中G 为切变模量，y k 是Petch Hall ?关系式中的钉扎常数。由上式可以看出，晶粒越小，断裂应力提高，材料脆性降低。 （2）科垂尔（Cottrel ）位错反应理论

科垂尔认为断裂是裂纹扩展而不是成核和生长引起的。

位错反应理论是降低能量的过程，所以裂纹的成核是自发进行的，在拉应力的作用下，裂纹扩展并导致出现解理断裂。两种理论成立的条件都是材料能够塑性变形。

2、微观断口特征

实际金属材料为多晶体，而且存在各种缺陷、第二相和杂质等，所以解理断裂一般不是沿单一的晶面断裂，而是沿一族相互平行的晶面发生解理，出现解理台阶和河流花样，与舌状花样一起被称为解理断裂的三个微观特征。

“河流”的流向与裂纹扩展方向一致，河流的反方向指向断裂源。

舌状花样是解理裂纹沿孪晶界扩展留下的凹坑和突台。照片参考P .34 准解理断裂是解理断裂的一个变种，裂纹起点通常是晶粒内的硬质点，形成从质点出发的放射状河流花样，断口有很多撕裂棱，但与解理断裂一样，都是穿晶断裂，有小解理面。

解理断裂断裂的裂纹源头一般是晶界，准解理断裂的裂纹源头一般是晶内的硬质质点。

三、微孔聚集断裂微孔聚集断裂（（韧性断裂韧性断裂！！） 1、微孔的成核和长大

从前面分析的韧性断裂微观过程可以看到，微孔的形成是由于第二相质点碎裂或第二相质点与基体之间发生界面剥离而成核的。

成核过程：位错在界面处堆积→界面分离→微孔成核进行解释。

相邻的微孔通过它们之间局部材料的缩颈、断裂，连接成微裂纹。微裂

纹再与附

近的微孔连接，裂纹就往前扩展，

直到断裂。 2

、微观断口特征

微孔聚

裂纹

裂纹扩展方向

河流方向

解理台阶的形成

河流花样的形成

窝的大小（深度和直径）与第二相质点的尺寸和密度、基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数，以及外加应力大小和状态有关。 四、断裂强度 1、理论断裂强度m σ

决定材料强度的最基本因素是原子间结合力，结合力越大，强度和熔点越高。理论断裂强度就是在拉伸应力的情况下，将两个原子面（晶面）拉断所需要的应力（原子间最大结合力）。如果是在切应力情况下，得到的应力为理论切变强度。

对于理想晶体的脆性断裂（即只有弹性变形阶段！），可以通过理论推导得到理论断裂强度m σ：

2

10

=a E s m γσ

其中，E 为杨氏模量，s γ为裂纹面上单位面积的表面能，0a 为晶面间距。解理面的表面能越小，则m σ越小，越容易出现解理断裂。 实际金属材料的断裂强度只有理论值的

1000

1~101，其根本原因就是金属材料中存在各种缺陷，如位错和裂纹。

2、断裂强度的裂纹理论（Griffith 裂纹理论）

（1）裂纹理论内容

对于玻璃和陶瓷等脆性材料，材料中已经存在裂纹，当平均应力还很低时，材料中局部应力已经达到理论断裂强度，使得裂纹迅速扩展，导致发生脆性断裂。

根据能量平衡原理，材料中存在裂纹时，材料的弹性能降低，裂纹增加材料的表面能，在裂纹不扩展的时候，这两部分能量相等，但是如果裂纹扩展所引起的弹性能降低足于满足表面能增加的需要，那么裂纹就会往前扩展。（系统能量最低的原则！） （2）脆性断裂判据

对于薄板，板处于平面应力状态。根据能量平衡原理可以推导出薄板内裂纹扩展的临界应力条件：

2

12

=a

E s

c πγσ 其中，a 为裂纹长度的一半，c σ为裂纹扩展的临界应力，即断裂强度，此式称为格雷菲斯公式。如果外界的应力小于c σ，则裂纹在使用过程中逐渐长大，达到一个临界长度c a 时，满足上式的临界条件，裂纹自动扩展并导致断裂发生。

2

2πσ

γs

c E a =

其中，σ为外界应力，具有临界尺寸c a 的裂纹称为格雷菲斯裂纹。以上两个式子都是脆性断裂的断裂（力学）判据。

对于厚板，板处于平面应变状态。相应的断裂判据分别为： 2

1

2)1(2

?=a E s c νπγσ

2

2)1(2σνπγ?=

s

c E a

脆性断裂的断裂判据是从能量平衡的热力学原理推导出的裂纹失稳扩展的力学条件，它是断裂的必要条件。裂纹自动扩展的充分条件是裂纹尖端应力等于或大于理论断裂强度m σ（m σσ≥！

！！）。根据裂纹尖端的最大应力公式，可以推导出裂纹自动扩展时（也就是断裂开始）的名义断裂应力为：

2

1

04

=a a E s c ργσ

其中ρ为裂纹尖端的曲率半径，a 为裂纹长度的一半。

a 3<ρ，使用Griffith 公式计算实际断裂强度； a 3>ρ，使用名义断裂应力计算实际断裂强度。

断裂

判据适用范围： 脆性固体材料，如玻璃、陶瓷、金刚石、超高强度钢，即裂纹尖端塑性变形可以忽略的材料。

[即将平面应力条件下的弹性模量E 简单地用E/（1-ν2）代替可得到平面应变条件下的结果]

（3）塑性断裂判据

对于塑性材料，由于在裂纹尖端处产生较大塑性变形，吸收大量的变形功，这部分变形功是裂纹扩展需要克服的主要阻力，所以格雷菲斯公式修正为：

2

1)2(

+=a E p s c πγγσ 其中，p γ为单位面积裂纹表面吸收的塑性变形功，)2(p s γγ+称为有效表面能。一般p γ比表面能大几个数量级。上式称为格雷菲斯-奥罗万-欧文公式，是塑性金属材料的断裂判据。

Griffith 裂纹理论的前提是材料中已经存在裂纹，但不涉及到裂纹的来源。对

于不存在裂纹的金属，Griffith 理论无法解释它们实际强度低的原因。后来人们根据这类金属断裂前存在塑性变形，提出位错塞积和反应理论，当裂纹扩展到Griffith 裂纹长度时，就会发生断裂。

五、断裂理论的应用断裂理论的应用（（金属材料的脆性金属材料的脆性——韧性转变韧性转变）） （作为学生作业！）

根据位错理论，金属屈服时产生解理断裂的判据：

d

k G y s c γσ2=

， s c σσ=

屈服强度s σ与晶粒尺寸d 之间又符合Petch Hall ?关系式，即

2

1?

+=d

k y i s σσ

所以，有

s y y i G k k d γσ2)(2

1

=+

考虑应力状态的影响，上式可以写成

q G k k d s y y i γσ2)(2

1=+

其中，q 为应力状态系数。从上面关系式可以看出，等式左边项小于右边项，则形成的裂纹不能扩展，材料首先发生塑性变形，为韧性断裂；如果左边项大于右边项，则在塑性变形之前材料应力已经达到断裂临界应力，裂纹自动扩展，为脆性断裂。

机械工程材料习题 金属材料与热处理 工程材料 试题答案

机械工程材料习题金属材料及热处理工程材料试题答案 复习思考题1 1．写出下列力学性能符号所代表的力学性能指标的名称和含义。Akv、ψ、δ5 、σb 、σ0.2 、σs 、σe、σ 500、HRC、HV、σ-1、σ、HBS、HBW、E。 2．钢的刚度为20.7×104MPa，铝的刚度为6.9×104MPa。问直径为2.5mm，长12cm 的钢丝在承受450N的拉力作用时产生的弹性变形量(Δl)是多少?若是将钢丝改成同样长度的铝丝，在承受作用力不变、产生的弹性变形量(Δl)也不变的情况下，铝丝的直径应是多少? 3．某钢棒需承受14000N的轴向拉力，加上安全系数允许承受的最大应力为 140MPa。问钢棒最小直径应是多少?若钢棒长度为60mm、E=210000MPa，则钢棒的弹性变形量(Δl)是多少? 4．试比较布氏、洛氏、维氏硬度的特点，指出各自最适用的范围。下列几种工件的硬度适宜哪种硬度法测量：淬硬的钢件、灰铸铁毛坯件、硬质合金刀片、渗氮处理后的钢件表面渗氮层的硬度。 5．若工件刚度太低易出现什么问题?若是刚度可以而弹性极限太低易出现什么问题? 6．指出下列硬度值表示方法上的错误。12HRC～15HRC、800HBS、58HRC～62HRC、550N／mm2HBW、70HRC～75HRC、200N／mm2HBS。 7．判断下列说法是否正确，并说出理由。 (1)材料塑性、韧性愈差则材料脆性愈大。 (2)屈强比大的材料作零件安全可靠性高。 (3)材料愈易产生弹性变形其刚度愈小。 (4)伸长率的测值与试样长短有关，δ5>δ10 (5)冲击韧度与试验温度无关。 (6)材料综合性能好，是指各力学性能指标都是最大的。 (7)材料的强度与塑性只要化学成分一定，就不变了。 复习思考题2 1．解释下列名词：晶格、晶胞、晶粒、晶界、晶面、晶向、合金、相、固溶体、金属化合物、固溶强化、第二相弥散强化、组元。 2．金属的常见晶格有哪三种?说出名称并画图示之。 4．为什么单晶体有各向异性，而多晶体的金属通常没有各向异性? 5．什么叫晶体缺陷?晶体中可能有哪些晶体缺陷?它们的存在有何实际意义? 6．固态合金中固溶体相有哪两种? 7．固溶体的溶解度取决于哪些因素?复习思考题3 复习思考题3 1．概念： 过冷、过冷度、平衡状态、合金、相图、匀晶转变、共晶转变细晶强化、枝晶偏析、变质处理。 2．金属结晶的动力学条件和热力学条件是什么? 3．铸锭是否一定要有三种晶区?柱状晶的长大如何抑制? 4．合金结晶中可能出现的偏析应如何控制使之尽量减小? 5．本书图3-lOPb-Sn合金相图。 7．固溶体合金和共晶合金其力学性能和工艺性能各有什么特点?

材料力学性能课后答案(时海芳任鑫)

第一章 1.解释下列名词①滞弹性：金属材料在弹性围快速加载或卸载后，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，最后将管子径进行扩展，达到给定大小，

材料力学性能考试答案

《工程材料力学性能》课后答案 机械工业出版社 2008第2版 第一章 单向静拉伸力学性能 1、 试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？ 2、 决定金属屈服强度的因素有哪些？【P12】 答：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。 3、 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。 4、 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？【P23】 答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。 5、 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。 6、 论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。 【P32】 答： 212?? ? ??=a E s c πγσ，只适用于脆性固体,也就是只适用于那些裂纹尖端塑性变形可以忽略的情况。 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τ max 和最大正应力σmax 比值，即： () 32131max max 5.02σσσσσστα+--== 【新书P39 旧书P46】 （2）缺口效应—— 绝大多数机件的横截面都不是均匀而无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等，这种截面变化的部分可视为“缺口”，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，产生所谓的缺口效应。【P44 P53】 （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σ b 的比值，称为缺口敏感度，即： 【P47 P55 】 （4）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。【P49 P58】 （5）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 【P51 P60】。 （6）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

《工程材料力学性能》1231231321321321课后答案

第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能 一、解释下列名词 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。 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。（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，使屈服强度降低（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。 不可变形第二相: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。 （二）影响屈服强度的外因素 1.温度:一般的规律是温度升高，屈服强度降低。原因：派拉力属于短程力，对温度十分敏感。 2.应变速率:应变速率大，强度增加。σε,t= C1(ε)m 3．应力状态:切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低。 缺口效应：试样中“缺口”的存在，使得试样的应力状态发生变化，从而影响材料的力学性能的现象。 9.细晶强化能强化金属又不降低塑性。 10.韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂更加危险？韧性断裂：是断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂 特征：断裂面一般平行于最大切应力与主应力成45度角。 断口成纤维状（塑变中微裂纹扩展和连接），灰暗色（反光能力弱）。 断口三要素：纤维区、放射区、剪切唇这三个区域的比例关系与材料韧断性能有关。 塑性好，放射线粗大 塑性差，放射线变细乃至消失。 脆性断裂：断裂前基本不发生塑性变形的，突发的断裂。 特征：断裂面与正应力垂直，断口平齐而光滑，呈放射状或结晶状。 注意：脆性断裂也产生微量塑性变形。 断面收缩率小于5％为脆性断裂，大于5％为韧性断裂。 。 第二章金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词：

工程材料力学性能-第2版答案 束德林

《工程材料力学性能》束德林课后答案 机械工业出版社 2008第2版 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。 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 12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等 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

工程材料力学性能

《工程材料力学性能》（第二版）课后答案 第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能 一、解释下列名词 滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。 弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。 比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。 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。 二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学性能指标? 答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。 三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义? 答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降

材料力学性能课后习题答案

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．xx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。 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 12.弹性不完整性： 理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等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。 1、试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？

江大工程材料力学性能习题解答

第一章 1、弹性变形的实质是什么？答：金属晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。 2、弹性模量E的物理意义？E是一个特殊的力性指标，表现在哪里？ 答：材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。E=Z / &。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。特殊表现：金属材料的E是一个对组织不敏感的力 学性能指标，温度、加载速率等外在因素对其影响不大，E主要决定于金属原子 本性和晶格类型。 3、比例极限、弹性极限、屈服极限有何异同？ 答：比例极限：应力应变曲线符合线性关系的最高应力（应力与应变成正比关系的最大应力）；弹性极限：试样由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力；屈服极限：开始发生均匀塑性变形时的应力。 4、什么是滞弹性？举例说明滞弹性的应用？ 答：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。应用：精密传感元件选择滞弹性低的材料。 5、内耗、循环韧性、包申格效应？ 答：内耗：金属材料在在弹性区内加载交变载荷（振动）时吸收不可逆变形功的能力；循环韧性：? ??塑性区内???；包申格效应：金属材料经过预先加 载产生少量塑性变形（残余应变为1%~4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服极限）增加，反向加载，规定残余伸长应力（特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零）的现象。 6、什么是屈服强度？如何确定屈服强度？ 答：屈服强度Z s :开始产生塑性变形时的应力。对于屈服现象明显的材料，以下屈服点对应的应力为屈服强度；对于屈服现象不明显的材料，以产生0.2%残 余变形的应力为其屈服强度。 7、屈服强度的影响因素有哪些？ 答：内因：①金属本性及晶格类型（位错密度增加，晶格阻力增加，屈服强度随之提高）②晶粒大小和亚结构（细晶强化）③溶质元素（固溶强化）④第二相（弥散强化和沉淀强化）；外因：①温度（一般，升高温度，金属材料的屈服强度降低）②应变速率（应变速率硬化）③应力状态（切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度则越低）。 8、屈服强度的实际意义？答：屈服强度是金属材料重要的力学性能，它是工程上从静强度角度选择韧性材料的基本依据，是建立屈服判据的重要指标，钢的屈服强度对工艺性能也有重要影响，降低屈服强度有利于材料冷成形加工和改善焊接性能。 9、静力韧度的物理意义。答：金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功定义为静力韧度，它是强度和塑性的综合指标。 10、真实应力应变曲线与工程应力应变曲线有何不同？有何意义？真实应力应 变曲线的关键点是哪个点？答：工程应力应变曲线上的应力和应变是用试样标距部分原始截面积和原始标距长度来度量的，往往不能真实反映或度量应变；真实应力应变曲线则代表瞬时的应力和应变，更为合理，可以叠加，可以不记中间加载历史，只需知道试样的初始长度和最终长度。工程〉真实。关键点是B点，B点前是均匀塑性变形，后是颈缩阶

材料力学性能考试题及答案分析

07 秋材料力学性能 一、填空：（每空1分,总分25分） 1. 材料硬度的测定方法有、和。 2. 在材料力学行为的研究中，经常采用三种典型的试样进行研 究，即、 和。 3.平均应力越高，疲劳寿命。 4.材料在扭转作用下,在圆杆横截面上无正应力而只有 , 中心处切应力为 ,表面处。 5.脆性断裂的两种方式为和。 6.脆性材料切口根部裂纹形成准则遵循断裂准则； 塑性材料切口根部裂纹形成准则遵循断裂准 则； 7.外力与裂纹面的取向关系不同，断裂模式不同，张开型中外加 拉应力与断裂面，而在滑开型中两者的取向关系则为。 8．蠕变断裂全过程大致由、和

三个阶段组成。 9．磨损目前比较常用的分类方法是按磨损的失效机制分为、和腐蚀磨损等。 10．深层剥落一般发生在表面强化材料的区域。 11．诱发材料脆断的三大因素分别是、和。 二、选择：（每题1分，总分15分） （）1. 下列哪项不是陶瓷材料的优点 a）耐高温 b) 耐腐蚀 c) 耐磨损 d)塑性好 （）2. 对于脆性材料，其抗压强度一般比抗拉强度 a) 高b) 低c) 相等d) 不确定 （）3.用10mm直径淬火钢球，加压3000kg，保持30s，测得的布氏硬度值为150的正确表示应为 a) 150HBW10／3000／30 b) 150HRA3000／l0／ 30 c) 150HRC30／3000／10 d) 150HBSl0／3000／30 （）4.对同一种材料，δ5比δ10 a) 大 b) 小 c) 相同 d) 不确定

（）5. 下列哪种材料用显微硬度方法测定其硬度。 a) 淬火钢件 b) 灰铸铁铸件 c) 退货态下的软钢 d) 陶瓷 （）6.下列哪种材料适合作为机床床身材料 a) 45钢 b) 40Cr钢 c) 35CrMo钢 d) 灰铸铁（）7. 下列哪种断裂模式的外加应力与裂纹面垂直，因而它是最危险的一种断裂方式。 a) 撕开型 b) 张开型 c) 滑开型 d) 复合型（）8. 下列哪副图是金属材料沿晶断裂的典型断口形貌 a) b) c) d) （）9. 下列哪种材料中的弹性模量最高 a) 氧化铝 b) 钢 c) 铝 d) 铜 （）10. 韧性材料在什么样的条件下可能变成脆性材料 a) 增大缺口半径 b) 增大加载速度 c) 升高温度 d) 减小晶粒尺寸 （）11．应力腐蚀门槛值正确的符号为 a) K ISCC b) ΔK th c) K IC d) CF

材料力学性能试题(卷)集

判断 1.由内力引起的内力集度称为应力。（×） 2.当应变为一个单位时，弹性模量即等于弹性应力，即弹性模量是产生100%弹性变形所需的应力。（√） 3.工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同应力条件下产生的弹性变形就越大。（×） 4.弹性比功表示金属材料吸收弹性变形功的能力。（√） 5.滑移面和滑移方向的组合称为滑移系，滑移系越少金属的塑性越好。（×） 6.高的屈服强度有利于材料冷成型加工和改善焊接性能。（×） 7.固溶强化的效果是溶质原子与位错交互作用及溶质浓度的函数，因而它不受单相固溶合金（或多项合金中的基体相）中溶质量所限制。（×） 8.随着绕过质点的位错数量增加，留下的位错环增多，相当于质点的间距减小，流变应力就增大。（√） 9.层错能低的材料应变硬度程度小。（×） 10.磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以腐蚀的危害最大。（×） 11.韧性断裂用肉眼或放大镜观察时断口呈氧化色，颗粒状。（×） 12.脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，长呈放射状或结晶状。（√） 13.决定材料强度的最基本因素是原子间接合力，原子间结合力越高，则弹性模量、熔点就越小。（×） 14.脆性金属材料在拉伸时产生垂直于载荷轴线的正断，塑性变形量几乎为零。（√） 15.脆性金属材料在压缩时除产生一定的压缩变形外，常沿与轴线呈45°方向产生断裂具有切断特征。（√）

16.弯曲试验主要测定非脆性或低塑性材料的抗弯强度。（×） 17.可根据断口宏观特征，来判断承受扭矩而断裂的机件性能。（√） 18.缺口截面上的应力分布是均匀的。（×） 19.硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。（√） 20.于降低温度不同，提高应变速率将使金属材料的变脆倾向增大。（×） 21.低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧下降的结果。（×） 22.体心立方金属及其合金存在低温脆性。（√） 23.无论第二相分布于晶界上还是独立在基体中，当其尺寸增大时均使材料韧性下降，韧脆转变温度升高。（√） 24.细化晶粒的合金元素因提高强度和塑性使断裂韧度K IC下降。（×） 25.残余奥氏体是一种韧性第二相，分布于马氏体中，可以松弛裂纹尖端的应力峰，增大裂纹扩展的阻力，提高断裂韧度K IC。（√） 26.一般大多数结构钢的断裂韧度K IC都随温度降低而升高。（×） 27.金属材料的抗拉强度越大，其疲劳极限也越大。（√） 28.宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成的。（√） 29.材料的疲劳强度仅与材料成分、组织结构及夹杂物有关，而不受载荷条件、工作环境及表面处理条件的影响。（×） 30.应力腐蚀断裂并是金属在应力作用下的机械破坏与在化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加所造成的。（×） 31.氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状。（√） 32.含碳量较低且硫、磷含量较高的钢，氢脆敏感性低。（×） 33.在磨损过程中，磨屑的形成也是一个变形和断裂的过程。（√）

工程材料力学性能 东北大学

课后答案 第一章 一、解释下列名词 材料单向静拉伸载荷下的力学性能 滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。 弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。 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(ζP)或屈服强度(ζS)增加；反向加载时弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)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。 二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学性能? 答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。 三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义? 答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。包辛格效应可以用位错理论解释。 第一，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，这背应力反作用于位错源，当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时，可使位错源停止开动。背应力是一种长程(晶粒或位错胞尺寸范围)内应力，是金属基体平均内应力的度量。因为预变形时位错运动的方向和背应力的方向相反，而当反向加载时位错运动的方向与原来的方向相反了，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。这一般被认为是产生包辛格效应的主要原因。 其次，在反向加载时，在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号，要引起异号位错消毁，这也会引起材料的软化，屈服强度的降低。 实际意义：在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。其次，包辛格效应大的材料，内应力较大。另外包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系，在高周疲劳中，包辛格效应小的疲劳寿命高，而包辛格效应大的，由于疲劳软化也较严重，对高周疲劳寿命不利。可以从河流花样的反“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。） 2．2．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

材料力学性能大连理工大学课后思考题答案.

第一章 单向静拉伸力学性能 一、 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。 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 12.弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。 13.比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。 14.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。 15.解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。 16.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。 二、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】 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】 四、 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。 五、 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？【P23】 答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理

工程材料力学性能答案

工程材料力学性能答案1111111111111111111111111111111111111 1111111111111111111111111111111111111 111111 决定金属屈服强度的因素有哪 些？12 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。试举出几种能显著强化金属而又不降低其塑性的方法。固溶强化、形变硬化、细晶强化试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？21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。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，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？断裂强度与抗拉强度有何区别？抗拉强度是试样断裂前所承受的最大工程应力，记为σb；拉伸断裂时的真应力称为断裂强度记为σf; 两者之间有经验关系：σf = σb (1+ψ)；脆性材料的抗拉强度就是断裂强度；对于塑性材料，于出现颈缩两者并不相等。裂纹扩展受哪些因素支配？答:裂纹形核前均需有塑性变形；位错运动受阻，在一定条件下便会形成裂纹。2222222222222222222222222222222222 2222222222222222222222222222222222 2222 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。答：单向拉伸试验的特点及应用：单向拉伸的应力状态较硬，一般用于塑性变形

工程材料力学性能

工程材料力学性能 工程材料力学性能 第一章、金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 一、名词解释 ?弹性比功又称弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的功能。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。 ?循环韧性:金属材料在交变载荷(震动)下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的内耗。 ?包申格效应:金属材料经过预先加载产生多少塑性变形(残余应力为1%~4%)，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力(弹性极限或屈服强度)增加;反向加载，规定残余伸长应力降低(特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零)的现象，称为包申格效应。 ?塑性:指金属材料断裂前发生塑性变形(不可逆永久变形)的能力。金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分构成。 ?韧性:指金属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。 ?脆性:脆性相对于塑性而言，一般指材料未发生塑性变形而断裂的趋势。 ?解理面:因解理断裂与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。 ?解理刻面:实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的，这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 ?解理台阶:解理裂纹与螺型位错相交而形成的具有一定高度的台阶称为解理台阶。

?河流花样解理台阶沿裂纹前段滑动而相互汇合，同号台阶相互汇合长大。当汇合台阶高度足够大时，便成为了河流花样。 ?穿晶断裂与沿晶断裂:多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。裂纹穿过晶内的断裂为穿晶断裂;裂纹沿晶界扩展的断裂为沿晶断裂。穿晶断裂和沿晶断裂有时候可以同时发生。 二、下列力学性能指标的的意义 ?E(G):弹性模量，表示的是材料在弹性范围内应力和应变之比; ?σr:规定残余伸长应力，表示试样卸除拉伸力后，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;常用σ0.2表示材料的规定残余延伸率为0.2%时的应力，称为屈服强度;σs:屈服点，表示呈屈服现象的金属材料拉伸时，试样在外力不断增加(保持恒定)仍能继续伸长时的应力称为屈服点。 ?σb:抗拉强度，表示韧性金属材料的实际承载能力; ?n:应变硬化指数，反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化行为的性能指标; ?δ:断后伸长率，表示试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比; ?δgt:金属材料拉伸时最大力下的总伸长率(最大均匀塑性变形); ?ψ:断面收缩率，表示试样拉断后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、问答题 ?金属的弹性模量主要取决于什么因素,为何说它是一个对组织不敏感的力学性能指标, 答:由于弹性变形是原子间距在外来作用下可逆变化的结果，应力与应变关系实际上是原子间作用力与原子间距的关系。所以，弹性模量与原子间作用力有关，与原子间距也有一定关系。原子间作用力决定于金属原子本性和晶格类型，故弹性模量也主要决定于金属原子本性

材料2004级《材料力学性能》考试答案AB

贵州大学2007-2008学年第一学期考试试卷 A 缺口效应； 因缺口的存在，改变了缺口根部的应力的分布状态，出现： ①应力状态变硬(由单向拉应力变为三向拉应力)； ②应力集中的现象称为缺口效应。 解理台阶； 在拉应力作用下，将材料沿某特定的晶体学平面快速分离的穿晶脆性断裂方式称为解理断裂，称该晶体学平面为解理平面；在该解理平面上，常常会出现一些小台阶，叫解理台阶；这些小台阶有汇聚为大的台阶的倾向，表现为河流状花样。 冷脆转变； 当温度T℃低于某一温度T K时，金属材料由韧性状态转变为脆性状态，材料的αK 值明显降低的现象。 热疲劳； 因工作温度的周期性变化，在构件内部产生交变热应力循环所导致的疲劳断裂，表现为龟裂。 咬合磨损； 在摩擦面润滑缺乏时，摩擦面间凸起部分因局部受力较大而咬合变形并紧密结合，并产生形变强化作用，其强度、硬度均较高，在随后的相对分离的运动时，因该咬合的部位因结合紧密而不能分开，引起其中某一摩擦面上的被咬合部分与其基体分离，咬合吸附于另一摩擦面上，导致该摩擦面的物质颗粒损失所形成的磨损。 二、计算题（共42分,第1题22分，第2题20分） 1、一直径为10mm，标距长为50mm的标准拉伸试样，在拉力P=10kN时，测 得其标距伸长为50.80mm。求拉力P=32kN时，试样受到的条件应力、条件应变及真应力、真应变。（14分） 该试样在拉力达到55.42kN时，开始发生明显的塑性变形；在拉力达到 67.76kN后试样断裂，测得断后的拉伸试样的标距为57.6mm，最小处截面 直径为8.32mm；求该材料的屈服极限σs、断裂极限σb、延伸率和断面收缩率。（8分） 解：d0=10.0mm, L0= 50mm, P1=10kN时L1= 50.80mm；P2=32kN 因P1、P2均远小于材料的屈服拉力55.42kN，试样处于弹性变形阶段，据虎克

2012年工程材料力学性能期末考题

2012年工程材料力学性能期末考题（回忆版） 一、填空 1.规定非比例伸长应力表示 2.真应力真应变（，）和工程应力（，）间的关系为， 3.应力状态软性系数 / ，单向拉伸时 4.各向同性材料的弹性常数有个，各向异性材料的弹性材料有个，独立的有个 5.持久强度是的应力值 6.蠕变断裂主要有、机制 7.单向复合材料的独立特征强度值有个，分别为 8.典型疲劳裂纹扩展曲线的三个区为、、 9.热疲劳应力是由于导致的 10.平面应变断裂任性测试时有效性检验的条件为：1.厚度判据：；2.载荷比判 据： 二、名词解释 1.抗拉强度 2.断裂韧性 3.疲劳极限 4.滞弹性形变 5.临界体积分数 三、简答题 1．叙述单项复合材料在纵向拉伸载荷下的变形过程和失效形式 2．试推导单向复合材料纵向、横向弹性模量与组分弹性模量和体积分数的关系 3．用力学状态图说明：1、加载方式变化时断裂类型变化；2、温度变化时断裂类型的变化 4．试分析影响材料断裂韧性的外部因素和内部因素 5．简述应力集中系数，应力强度因子和临界应力强度因子间的区别 6．描述变动载荷的参量有哪些，写出描述参量之间的关系 四、计算题 1.一个构件由钢A制造，其为1520MPa，断裂韧性为66MPa ，假设设计应力为材料的 一半，那么如果用另一种为2070MPa，为33MPa 的钢B来制造。问：（1）能节省多少质量；（2）如果材料内部有2mm长的缺陷，此两种材料能否使用？其能承受的应力为多大？设Y=1 2.工业应用中，玻璃纤维常用来强化尼龙。如果尼龙基复合材料含有30%体积分数的玻璃纤 维，问纵向加载时纤维承受的载荷分数是多少？（已知玻璃纤维的弹性模量 E=78.53X103MPa，尼龙的弹性模量E=2.83X103MPa）

工程材料力学性能 第二版 课后复习题答案

《工程材料力学性能》（第二版） 课后答案

第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能 一、解释下列名词 滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。 弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。 比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。 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。 二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能? 答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。 三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义? 答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。 包辛格效应可以用位错理论解释。第一，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，这背应力反作用于位错源，当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时，可使位错源停止开动。背应力是一种长程(晶粒或位错胞尺寸围)应力，是金属基体平均应力的度量。因为预变形时位错运动的方向和背应力的方向相反，而当反向加载时位错运动的方向与原来的方向相反了，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。这一般被认为是产生包辛格效应的主要原因。其次，在反向加载时，在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号，要引起异号位错消毁，这也会引起材料的软化，屈服强度的降低。 实际意义：在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。其次，包辛格效应大的材料，应力较大。另外包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系，在高周疲劳中，包辛格效应小的疲劳寿命高，而包辛格效应大的，由于疲劳软化也较严重，对高周疲劳寿命不利。 可以从河流花样的反“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