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规定残余伸长应力；?0.2屈服强度；?gt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。

六、 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。

七、 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：?c???2E?s??，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

??a?12的情况。

答：思路：单位体积储存的弹性能加上新增裂纹表面能对裂纹半长一级偏导数等于零 单位体积弹性能为Ue＝-πσ2a2/E 裂纹所增加的表面能为W＝4aγs Ue＋W＝－πσ2a2/E＋4aγs

在总能量曲线的最高点处，系统总能量对裂纹半长a的一阶偏导数应等于零。 11?2E?s?2?E?s?2?c???????? ????a??a?

临界裂纹扩展应力σc与裂纹长度a的平方根成反比。 八、什么是包申格效应，如何解释，它有什么实际意义?

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。 包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某一滑移面运动，遇林位错而弯曲，结果，在位错前方，林位错密度增加，形成位错缠结和胞状组织。这种位错结构在力学上是相当稳定的，宏观上表现为规定残余伸长应力增加。

卸载后施加反向力，位错被迫作反向运动，在反向路径上，像林位错这类障碍数量较少，而且也不一定恰好位于位错运动的前方，故位错可以在较低应力下移动较大距离，即第二次反向加载，规定残余伸长应力降低。

包申格效应对于研究金属疲劳问题是很重要的。因为材料在疲劳过程中，每一周期内都产生微量塑性变形，在反向加载时，微量塑性变形抗力（规定残余伸长应力）降低，显示循环软化现象。另外，对于预先经受冷变形的材料，如服役时受到反向力的作用，就要考虑微量塑性变形抗力降低的有害影响，如冷拉型材及管子在受压状态下使用就是这种情况。 九、试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释bcc金属与fcc金属及其合金

屈服行为不同的原因。

屈服现象与下列三个因素有关：

?材料变形前可动位错密度很小，或虽有大量位错但被钉扎； ?随塑性变形发生，位错能快速增值；

?位错运动速率与外加应力有强烈依存关系。

由于变形前可动位错密度小，为了满足一定变形速率，就必须增大位错运动速率，此时需要较高的应力，这就是上屈服点。一旦塑性变形产生，位错大量增值，位错运动速率则下降，相应应力降低，从而产生屈服现象。位错运动速率应力敏感指数m越低，则使位错运动速率变化所需的应力就越大，屈服现象越明显。bcc金属的m比fcc金属的m低，故bcc金属一般具有明显的屈服现象。

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比值，即： ??max和最大正应力σmax?max?1??3 【新书P39 旧书P46】 ??max2?1?0.5??2??3?（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——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。即：NSR??bN【P47 P55 】 ?b （4）布氏硬度——用钢球或硬质合金球作为压头，采用单位表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，采用单位表面积所承受的试验力计算而得的硬度。【P53 P62】

（7）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。

（8）肖氏硬度——采动载荷试验法，根据重锤回跳高度表征的金属硬度。 （9）里氏硬度——采动载荷试验法，根据重锤回跳速度表征的金属硬度。 二、说明下列力学性能指标的意义

（1）σｂｃ——材料的抗压强度【P41 P48】 （2）σｂｂ——材料的抗弯强度【P42 P50】 （3）τｓ——材料的扭转屈服点【P44 P52】 （4）τｂ——材料的抗扭强度【P44 P52】

（5）σｂｎ——缺口试样的抗拉强度【P47 P55】 （6）NSR——材料的缺口敏感度【P47 P55】

（7）HBW——压头为硬质合金球的材料的布氏硬度【P49 P58】 （8）HRA——材料的洛氏硬度【P52 P61】 （9）HRB——材料的洛氏硬度【P52 P61】 （10）HRC——材料的洛氏硬度【P52 P61】 （11）HV——材料的维氏硬度【P53 P62】 （12）HK——材料的努氏硬度 （13）HS——材料的肖氏硬度

（14）HL——材料的里氏硬度

三、什么是“缺口效应”？它对材料性能有什么影响？【P45 P53】 缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，使机件由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态。缺口的第二个效应是试样的屈服应力比单向拉伸时高，即产生了所谓“缺口强化”现象，导致材料强度提高，塑性降低。由于缺口的存在，是缺口处产生较大的应力集中，材料变脆，降低了使用的安全性。

四、试综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏斜拉伸试验的特点。

光滑试样轴向拉伸试验：截面上无应力集中现象，应力分布均匀，仅在颈缩时发生应力状态改变。

缺口试样轴向拉伸试验：缺口截面上出现应力集中现象，应力分布不均，应力状态发生变化，产生两向或三向拉应力状态，致使材料的应力状态软性系数降低，脆性增大。 偏斜拉伸试验：在拉伸试验时在试样与试验机夹头之间放一垫圈，使试样的轴线与拉伸力形成一定角度进行拉伸。该试验用于检测螺栓一类机件的安全使用性能。

偏斜拉伸试验：试样同时承受拉伸和弯曲载荷的复合作用，其应力状态更“硬”，缺口截面上的应力分布更不均匀，更能显示材料对缺口的敏感性。

五、试说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理，并比较布氏、洛氏与维氏硬度试验方法的优缺点。【P49 P57】 原理

布氏硬度：用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位表面积所承受的试验力。 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。

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维氏硬度：以两相对面夹角为136的金刚石四棱锥作压头，计算单位表面积所承受的试验力。

布氏硬度优点：实验时一般采用直径较大的压头球，因而所得的压痕面积比较大。压痕大的一个优点是其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相得平均性能；另一个优点是实验数据稳定，重复性强。缺点：对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，因而用于自动检测时受到限制。

洛氏硬度优点：操作简便，迅捷，硬度值可直接读出；压痕较小，可在工件上进行试验；采用不同标尺可测量各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度，因而广泛用于热处理质量检测。缺点：压痕较小，代表性差；若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；此外用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。

维氏硬度优点：不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径D之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端；维氏硬度试验时不仅试验力可以任意取，而且压痕测量的精度较高，硬度值较为准确。缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低的多。 六、今有如下零件和材料需要测定硬度，试说明选择何种硬度实验方法为宜。 （1）渗碳层的硬度分布；（2）淬火钢；（3）灰铸铁；（4）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体；（5）仪表小黄铜齿轮；（6）龙门刨床导轨；（7）渗氮层；（8）高速钢刀具；（9）退火态低碳钢；（10）硬质合金。

（1）渗碳层的硬度分布---- HK或-显微HV （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-----显微HV或者HK （5）仪表小黄铜齿轮-----HV