材料力学性能考试答案Word文件下载.docx
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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
σb
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证的金属硬度。
（9）里氏硬度——采动载荷试验法，根据重锤回跳速度表证的金属硬度。
7、
解释下列名词。
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
8、
说明下列力学性能指标的意义。
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
δ
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】
9、
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未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。
【P4】
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】
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。
压缩
应力状态软，一般都能产生塑性
变形，试样常沿与轴线呈
45º
方向产生断
裂，具有切断特征。
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
0.8，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。
（4）τｂ——材料的抗扭强度【P44
（5）σｂｎ——材料的抗拉强度【P47
P55】
（6）NSR——材料的缺口敏感度【P47
（7）HBW——压头为硬质合金球的材料的布氏硬度【P49
（8）HRA——材料的洛氏硬度【P52
P61】
（9）HRB——材料的洛氏硬度【P52
（10）HRC——材料的洛氏硬度【P52
（11）HV——材料的维氏硬度【P53
五、缺口试样拉伸时的应力分布有何特点？
【P45
在弹性状态下的应力分布：
薄板：
在缺口根部处于单向拉应力状态，在板中心部位处
于两向拉伸平面应力状态。
厚板：
在缺口根部处于两向拉应力状态，缺口内侧处三向拉伸
平面应变状态。
无论脆性材料或塑性材料，都因机件上的缺口造成两向或三向应力状态和应力集中而产生
脆性倾向，降低了机件的使用安全性。
为了评定不同金属材料的缺口变脆倾向，必须采用
缺口试样进行静载力学性能试验。
六、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。
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。
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。
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。
七、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。
P57】
原理
布氏硬度：
用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位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。
维氏硬度：
以两相对面夹角为
的金刚石四棱锥作压头，计算单位面积所承受的试验
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。
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。
八.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
（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
第三章
金属在冲击载荷下的力学性能
冲击韧性:
材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。
【P57】
冲击韧度:
:
U
形缺口冲击吸收功
AKU
除以冲击试样缺口底部截面积所得之商，称为
冲击韧度，αku=Aku/S
（J/cm2）,
反应了材料抵抗冲击载荷的能力,用
a
KU
表示。
P57
注释/P67
冲击吸收功:
缺口试样冲击弯曲试验中，摆锤冲断试样失去的位能为
mgH1-mgH2。
此
即为试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功，以
AK
表示，单位为
J。
P57/P67
低温脆性：
体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工
程上常用的中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度
t
k
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型变为穿晶解理型，
断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
韧性温度储备:
材料使用温度和韧脆转变温度的差值，保证材料的低温服役行为。
二、
（1）
AK
：
冲击吸收功。
含义见上面。
冲击吸收功不能真正代表材料的韧脆程
度，但由于它们对材料内部组织变化十分敏感，而且冲击弯曲试验方法简便易行，被
广泛采用。
AKV
（CVN）：
V
型缺口试样冲击吸收功.
AKU：
型缺口冲击吸收功.
（2）FATT50：
冲击试样断口分为纤维区、放射区（结晶区）与剪切唇三部分，在不同试
验温度下，三个区之间的相对面积不同。
温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突
然增大，材料由韧变脆。
通常取结晶区面积占整个断口面积
50%时的温度为
，并记为
50%FATT，或
FATT50%，t50。
（新书
P61，旧书
P71）
或:
结晶区占整个断口面积
50%是的温度定义的韧脆转变温度.
（3）NDT:
以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度,称为无塑性或零塑性转变温度。
（4）FTE:
以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义
tk，记为
FTE
（5）FTP:
以高阶能对应的温度为
FTP
四、试说明低温脆性的物理本质及其影响因素
低温脆性的物理本质：
宏观上对于那些有低温脆性现象的材料，它们的屈服强度会随
温度的降低急剧增加，而断裂强度随温度的降低而变化不大。
当温度降低到某一温度时，
屈服强度增大到高于断裂强度时，在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大，因此材
料在受力时还未发生屈服便断裂了，材料显示脆性。
从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关，当温度降低时，位错
运动阻力增大，原子热激活能力下降，因此材料屈服强度增加。
影响材料低温脆性的因素有（P63，P73）：
1．晶体结构：
对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高，材料脆性断裂趋
势明显，塑性差。
2．化学成分：
能够使材料硬度，强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变
差，材料脆性提高。
3．显微组织：
①晶粒大小，细化晶粒可以同时提高材料的强度和塑韧性。
因为
晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒细小，晶界总面积增加，晶界处塞积的位错数减少，
有利于降低应力集中；
同时晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。
②金相组
织：
较低强度水平时强度相等而组织不同的钢，冲击吸收功和韧脆转变温度以马氏体高温
回火最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。
钢中夹杂物、碳化物等第二相质
点对钢的脆性有重要影响，当其尺寸增大时均使材料韧性下降，韧脆转变温度升高。
五.
试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。
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。
七.
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？
宏观上，体心立方中、低强度结构钢随温度的降低冲击功急剧下降，具有明显的韧脆
转变温度。
而高强度结构钢在很宽的温度范围内，冲击功都很低，没有明显的韧脆转变温
度。
面心立方金属及其合金一般没有韧脆转变现象。
微观上，体心立方金属中位错运动的阻力对温度变化非常敏感，位错运动阻力随温度
下降而增加，在低温下，该材料处于脆性状态。
而面心立方金属因位错宽度比较大，对温
度不敏感，故一般不显示低温脆性。
体心立方金属的低温脆性还可能与迟屈服现象有关，对低碳钢施加一高速到高于屈服
强度时，材料并不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期（称为迟屈时间）才开始塑性变
形，这种现象称为迟屈服现象。
由于材料在孕育期中只产生弹性变形，没有塑性变形消耗
能量，所以有利于裂纹扩展，往往表现为脆性破坏。
第四章
金属的断裂韧度
1、名词解释
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。
张开型（
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。
应力场强度因子
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。
【P68】
小范围屈服：
塑性区的尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸为小时（小一个数量级以上），这就
称为小范围屈服。
【P71】
有效屈服应力：
裂纹在发生屈服时的应力。
P73：
旧
P85】
有效裂纹长度：
因裂纹尖端应力的分布特性，裂尖前沿产生有塑性屈服区，屈服区内松弛
的应力将叠加至屈服区之外，从而使屈服区之外的应力增加，其效果相当于因裂纹长度增
加
ry
后对裂纹尖端应力场的影响，经修正后的裂纹长度即为有效裂纹长度:
a+ry。
【新
P74；
P86】。
裂纹扩展
K
判据：
裂纹在受力时只要满足
≥
IC
，就会发生脆性断裂.反之，即使存
在裂纹，若
p
也不会断裂。
新
P71：
旧８３
裂纹扩展能量释放率
GI：
型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。
P76/P88
G
GI
GIC
，当ＧＩ满足上述条件时裂纹失稳扩展断裂。
P77/P89
Ｊ积分：
有两种定义或表达式：
一是线积分：
二是形变功率差。
P89/P101
裂纹扩展Ｊ判据：
J
，只要满足上述条件，裂纹（或构件）就会断裂。
ＣＯＤ：
裂纹张开位移。
P91/P102
ＣＯＤ判据：
δc
，当满足上述条件时，裂纹开始扩展。
P91/P103
2、说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系
KIC
和
KC答：
临界或失稳状态的
记作
或
KC
，
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。
P71/P82
GIC
P77/P89
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
GIc
，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
相同。
P90/P102
是材料的断裂韧度，表示材料阻止裂纹开始扩展的能力.P91/P104
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。
P91/P104
3、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。
4、为什么研究裂纹扩展的力学条件时不用应力判据而用其它判据？
由
4—1
可知，裂纹前端的应力是一个变化复杂的多向应力，如用它直接建立裂纹扩展
的应力判据，显得十分复杂和困难；
而且当
r→0
时，不论外加平均应力如何小，裂纹尖端
各应力分量均趋于无限大，构件就失去了承载能力，也就是说，只要构件一有裂纹就会破
坏，这显然与实际情况不符。
这说明经典的强度理论单纯用应力大小来判断受载的裂纹体
是否破坏是不正确的。
因此无法用应力判据处理这一问题。
因此只能用其它判据来解决这
一问题。
5、试述应力场强度因子的意义及典型裂纹
的表达式
新书
P69
P80
参看书中图（应力场强度因子的意义见上）
几种裂纹的
表达式，
无限大板穿透裂纹：
=
σ
a
b
直裂纹：
6M
（b
a）
3/
2
πa
Φ
（sin2
β
+
a2
cos2
）1/
4
；
无限大物体表面有半椭圆裂纹，远处均受拉伸：
A
点
的
1.1σ
。
6、试述
判据的意义及用途。
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。
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。
P71/P83
7、试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。
机件上由于存在裂纹，在裂纹尖端处产生应力集中，当
σy
趋于材料的屈服应力时，
在裂纹尖端处便开始屈服产生塑性变形，从而形成塑性区。
影响塑性区大小的因素有：
裂纹在厚板中所处的位置，板中心处于平面应变状态，塑
性区较小；
板表面处于平面应力状态，塑性区较大。
但是无论平面应力或平面应变，塑性
区宽度总是与（KIC/σs）2
成正比。
8、试述塑性区对
的影响及
的修正方法和结果。
由于裂纹尖端塑性区的存在将会降低裂纹体的刚度，相当于裂纹长度的增加，因而影
响应力场和及
的计算，所以要对
进行修正。
最简单而适用的修正方法是在计算
时采用“有效裂纹尺寸”，即以虚拟有效裂纹代
替实际裂纹，然后用线弹性理论所得的公式进行计算。
基本思路是：
塑性区松弛弹性应力
的作用于裂纹长度增加松弛弹性应力的作用是等同的，从而引入“有效长度”的概念，它
实际包括裂纹长度和塑性区松弛应力的作用。
（4—15）的计算结果忽略了在塑性区内应变能释放率与弹性体应变能释放率的差别，
因此，只是近似结果。
当塑性区小时，或塑性区周围为广大的弹性去所包围时，这种结果
还是很精确。
但是当塑性区较大时，即属于大范围屈服或整体屈服时，这个结果是不适用
的。
11
ＣＯＤ的意义：
表示裂纹张开位移。
表达式
8σ
sa
πE
ln
sec（
πσ
s
）
13、断裂韧度ＫＩＣ与强度、塑性之间的关系：
总的来说，断裂韧度随强度的升高而降低。
详见新
P80/P93
15、影响ＫＩＣ的冶金因素：
内因：
1、学成分的影响；
2、集体相结构和晶粒大小的影响；
3、杂质及第二相的影响；
4、显微组织的影响。
外因：
1、温度；
2、应变速率。
P81/P95
16.有一大型板件，材料的
σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探伤发现有
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
及塑性区宽度
R0，并判断该件
是否安全？
解：
由题意知穿透裂纹受到的应力为
σ=900MPa
根据
σ/σ0.2
的值，确定裂纹断裂韧度
是否休要修正
升级会员 