《工程材料力學效能》（第二版）課後答案
第一章材料單向靜拉伸載荷下的力學效能
一、解釋下列名詞
滯彈性：在外加載荷作用下，應變落後於應力現象。
靜力韌度：材料在靜拉伸時單位體積材科從變形到斷裂所消耗的功。
彈性極限：試樣載入後再卸裁，以不出現殘留的永久變形為標準，材料能夠完全彈性恢復的最高應力。
比例極限：應力—應變曲線上符合線性關係的最高應力。
包申格效應：指原先經過少量塑性變形，解除安裝後同向載入，彈性極限(σp)或屈服強度(σs)增加；反向載入時彈性極限(σp)或屈服強度(σs)降低的現象。
解理斷裂：沿一定的晶體學平面產生的快速穿晶斷裂。晶體學平面－－解理面，一般是低指數，表面能低的晶面。
解理面：在解理斷裂中具有低指數，表面能低的晶體學平面。
韌脆轉變：材料力學效能從韌性狀態轉變到脆性狀態的現象（衝擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型轉變微穿晶斷裂，斷口特徵由纖維狀轉變為結晶狀）。
靜力韌度：材料在靜拉伸時單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功叫做靜力韌度。是乙個強度與塑性的綜合指標，是表示靜載下材料強度與塑性的最佳配合。
二、金屬的彈性模量主要取決於什麼?為什麼說它是乙個對結構不敏感的力學效能指標?
答案：金屬的彈性模量主要取決於金屬鍵的本性和原子間的結合力，而材料的成分和組織對它的影響不大，所以說它是乙個對組織不敏感的效能指標，這是彈性模量在效能上的主要特點。改變材料的成分和組織會對材料的強度(如屈服強度、抗拉強度)有顯著影響，但對材料的剛度影響不大。
三、什麼是包辛格效應，如何解釋，它有什麼實際意義?
答案：包辛格效應就是指原先經過變形，然後在反向載入時彈性極限或屈服強度降低的現象。特別是彈性極限在反向載入時幾乎下降到零，這說明在反向載入時塑性變形立即開始了。
包辛格效應可以用位錯理論解釋。第一，在原先載入變形時，位錯源在滑移面上產生的位錯遇到障礙，塞積後便產生了背應力，這背應力反作用於位錯源，當背應力(取決於塞積時產生的應力集中)足夠大時，可使位錯源停止開動。背應力是一種長程(晶粒或位錯胞尺寸範圍)內應力，是金屬基體平均內應力的度量。
因為預變形時位錯運動的方向和背應力的方向相反，而當反向載入時位錯運動的方向與原來的方向相反了，和背應力方向一致，背應力幫助位錯運動，塑性變形容易了，於是，經過預變形再反向載入，其屈服強度就降低了。這一般被認為是產生包辛格效應的主要原因。其次，在反向載入時，在滑移面上產生的位錯與預變形的位錯異號，要引起異號位錯消毀，這也會引起材料的軟化，屈服強度的降低。
實際意義：在工程應用上，首先是材料加工成型工藝需要考慮包辛格效應。其次，包辛格效應大的材料，內應力較大。
另外包辛格效應和材料的疲勞強度也有密切關係，在高周疲勞中，包辛格效應小的疲勞壽命高，而包辛格效應大的，由於疲勞軟化也較嚴重，對高周疲勞壽命不利。
可以從河流花樣的反「河流」方向去尋找裂紋源。
解理斷裂是典型的脆性斷裂的代表，微孔聚集斷裂是典型的塑性斷裂。
5.影響屈服強度的因素
與以下三個方面相聯絡的因素都會影響到屈服強度
位錯增值和運動
晶粒、晶界、第二相等
外界影響位錯運動的因素
主要從內因和外因兩個方面考慮
（一） 影響屈服強度的內因素
1．金屬本性和晶格型別（結合鍵、晶體結構）
單晶的屈服強度從理論上說是使位錯開始運動的臨界切應力，其值與位錯運動所受到的阻力（晶格阻力－－派拉力、位錯運動互動作用產生的阻力）決定。
派拉力：
位錯互動作用力
（a是與晶體本性、位錯結構分布相關的比例係數，l是位錯間距。）
2．晶粒大小和亞結構
晶粒小→晶界多（阻礙位錯運動）→位錯塞積→提**力→位錯開動→產生巨集觀塑性變形。
晶粒減小將增加位錯運動阻礙的數目，減小晶粒內位錯塞積群的長度，使屈服強度降低（細晶強化）。
屈服強度與晶粒大小的關係：
霍爾－派奇（hall-petch) σs= σi+kyd-1/2
3．溶質元素
加入溶質原子→（間隙或置換型）固溶體→（溶質原子與溶劑原子半徑不一樣）產生晶格畸變→產生畸變應力場→與位錯應力場互動運動→使位錯受阻→提高屈服強度（固溶強化）。
4．第二相（瀰散強化，沉澱強化）
不可變形第二相
提高位錯線張力→繞過第二相→留下位錯環→兩質點間距變小→流變應力增大。
不可變形第二相
位錯切過（產生介面能），使之與機體一起產生變形，提高了屈服強度。
瀰散強化：
第二相質點瀰散分布在基體中起到的強化作用。
沉澱強化：
第二相質點經過固溶後沉澱析出起到的強化作用。
（二） 影響屈服強度的外因素
1.溫度
一般的規律是溫度公升高，屈服強度降低。
原因：派拉力屬於短程力，對溫度十分敏感。
2.應變速率
應變速率大，強度增加。
σε,t= c1(ε)m
3．應力狀態
切應力分量越大，越有利於塑性變形，屈服強度越低。
缺口效應：試樣中「缺口」的存在，使得試樣的應力狀態發生變化，從而影響材料的力學效能的現象。
9.試列舉細晶強化能強化金屬又不降低塑性的方法。
10.韌性斷裂與脆性斷裂的區別。為什麼脆性斷裂更加危險？
韌性斷裂：是斷裂前產生明顯巨集觀塑性變形的斷裂
特徵：斷裂面一般平行於最大切應力與主應力成45度角。
斷口成纖維狀（塑變中微裂紋擴充套件和連線），灰暗色（反光能力弱）。
斷口三要素：
纖維區、放射區、剪下唇這三個區域的比例關係與材料韌斷效能有關。
塑性好，放射線粗大
塑性差，放射線變細乃至消失。
脆性斷裂：斷裂前基本不發生塑性變形的，突發的斷裂。
特徵：斷裂面與正應力垂直，斷口平齊而光滑，呈放射狀或結晶狀。
注意：脆性斷裂也產生微量塑性變形。
斷面收縮率小於5％為脆性斷裂，大於5％為韌性斷裂。
23.斷裂發生的必要和充分條件之間的聯絡和區別。
格雷菲斯裂紋理論是根據熱力學原理，用能量平衡（彈性能的降低與表面能的增加相平衡）的方法推到出了裂紋失穩擴充套件的臨界條件。該條件是是斷裂發生的必要條件，但並不意味著一定會斷裂。
該斷裂判據為：
裂紋擴充套件的充分條件是其尖端應力要大於等於理論斷裂強度。（是通過力學方法推到的斷裂判據）
該應力斷裂判據為：
對比這兩個判據可知：
當ρ＝3a0時，必要條件和充分條件相當
ρ<3a0時，滿足必要條件就可行（同時也滿足充分條件）
ρ>3a0時，滿足充分條件就可行（同時也滿足必要條件）
25.試根據方程討論下述因素對金屬材料韌脆轉變的影響？
材料成分：
rs—有效表面能，主要是塑性變形功，與有效滑移系數目和可動位錯有關
具有fcc結構的金屬有效滑移系和可動位錯的數目都比較多，易於塑性變形，不易脆斷。
凡加入合金元素引起滑移系減少、孿生、位錯釘扎的都增加脆性；若合金中形成粗大第二相也使脆性增加。
雜質：聚集在晶界上的雜質會降低材料的塑性，發生脆斷。
溫度：σi---位錯運動摩擦阻力。其值高，材料易於脆斷。
bcc金屬具有低溫脆斷現象，因為σi隨著溫度的減低而急劇增加，同時在低溫下，塑性變形一孿生為主，也易於產生裂紋。故低溫脆性大。
晶粒大小：
d值小位錯塞積的數目少，而且晶界多。故裂紋不易產生，也不易擴充套件。所以細晶組織有抗脆斷效能。
應力狀態：
減小切應力與正應力比值的應力狀態都將增加金屬的脆性
載入速度
載入速度大，金屬會發生韌脆轉變。
解釋下列名詞。
1 彈性比功：金屬材料吸收彈性變形功的能力，一般用金屬開始塑性變形前單位體積吸收的最大彈性變形功表示。
2．滯彈性：金屬材料在彈性範圍內快速載入或解除安裝後，隨時間延長產生附加彈性應變的現象稱為滯彈性，滯彈性也就是應變落後於應力的現象。
3．迴圈韌性：金屬材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力稱為迴圈韌性。
4．包申格效應：金屬材料經過預先載入產生少量塑性變形，解除安裝後再同向載入，規定殘餘伸長應力增加；反向載入，規定殘餘伸長應力降低的現象。
5．解理刻面：這種大致以晶粒大小為單位的解理面稱為解理刻面。
6．塑性：金屬材料斷裂前發生不可逆永久（塑性）變形的能力。韌性：指金屬材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。
7.解理台階：當解理裂紋與螺型位錯相遇時，便形成乙個高度為 b 的台階。
8.河流花樣：河流花樣解理台階沿裂紋前端滑動而相互匯合,同號台階相互匯合長大,當匯合台階高度足夠大時,便成為河流花樣。是解理台階的一種標誌。
9.解理面：是金屬材料在一定條件下，當外加正應力達到一定數值後，以極快速率沿一定晶體學平面產生解理面的穿晶斷裂，因與大理石斷裂類似，故稱此種晶體學平面為解理面。
10.穿晶斷裂：穿晶斷裂的裂紋穿過晶內，可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂。沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴充套件，多數是脆性斷裂。
11.韌脆轉變：具有一定韌性的金屬材料當低於某一溫度點時，衝擊吸收功明顯下降，斷裂方式由原來的韌韌脆轉變性斷裂變為脆性斷裂，這種現象稱為韌脆轉變
1何謂拉伸斷口三要素？影響巨集觀拉伸斷口性態的因素有哪些？答：
巨集觀斷口呈杯錐形，由纖維區、放射區和剪下唇三個區域組成，即所謂的斷口特徵三要素。上述斷口三區域的形態、大小和相對位置，因試樣形狀、尺寸和金屬材料的效能以及試驗溫度、載入速率和受力狀態不同而變化。
第二章金屬在其他靜載荷下的力學效能
1、解釋下列名詞：
（1）應力狀態軟性係數—材料最大切應力與最大正應力的比值，記為α。
（2）缺口效應——缺口材料在靜載荷作用下，缺口截面上的應力狀態發生的變化。
（3）缺口敏感度——金屬材料的缺口敏感性指標，用缺口試樣的抗拉強度與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強度的比值表示。
（4）布氏硬度——用鋼球或硬質合金球作為壓頭，採用單位面積所承受的試驗力計算而得的硬度。
（5）洛氏硬度——採用金剛石圓錐體或小淬火鋼球作壓頭，以測量壓痕深度所表示的硬度。
（6）維氏硬度——以兩相對面夾角為136。的金剛石四稜錐作壓頭，採用單位面積所承受的試驗力計算而得的硬度。
（7）努氏硬度——採用兩個對面角不等的四稜錐金剛石壓頭，由試驗力除以壓痕投影面積得到的硬度。
（8）肖氏硬度——採動載荷試驗法，根據重錘回跳高度表證的金屬硬度。
（9）裡氏硬度——採動載荷試驗法，根據重錘回跳速度表證的金屬硬度。
2、說明下列力學效能指標的意義
（1）σｂｃ——材料的抗壓強度
（2）σｂｂ——材料的抗彎強度
（3）τｓ——材料的扭轉屈服點
（4）τｂ——材料的抗扭強度
（5）σｂｎ——材料的抗拉強度
（6）nsr——材料的缺口敏感度
（7）hbs——壓頭為淬火鋼球的材料的布氏硬度
（8）hbw——壓頭為硬質合金球的材料的布氏硬度
（9）hra——材料的洛氏硬度
（１０）hrb——材料的洛氏硬度
（１１）hrc——材料的洛氏硬度
（１２）hv——材料的維氏硬度
（１３）hk——材料的努氏硬度
（１４）hs——材料的肖氏硬度
（１５）hl——材料的裡氏硬度
三、缺口衝擊韌性試驗能評定那些材料的低溫脆性?那些材料不能用此方法檢驗和評定？
答案：缺口衝擊韌性試驗能評定的材料是低、中強度的體心立方金屬以及bb，zn，這些材料的衝擊韌性對溫度是很敏感的。對高強度鋼、鋁合金和鈦合金以及麵心立方金屬、陶瓷材料等不能用此方法檢驗和評定。
四、在評定材料的缺口敏感應時，什麼情況下宜選用缺口靜拉伸試驗?什麼情況下宜選用缺口偏斜拉伸?什麼情況下則選用缺口靜彎試驗?
工程材料力學效能
第一章單向靜拉伸力學效能 1 解釋下列名詞。彈性比功 金屬材料吸收彈性變形功的能力，一般用金屬開始塑性變形前單位體積吸收的最大彈性變形功表示。滯彈性 金屬材料在彈性範圍內快速載入或解除安裝後，隨時間延長產生附加彈性應變的現象稱為滯彈性，也就是應變落後於應力的現象。迴圈韌性 金屬材料在交變載荷下吸收不...
工程材料力學效能
第一章單向靜拉伸力學效能。1.彈性比功 金屬材料吸收彈性變形功的能力。2 滯彈性 金屬材料在彈性範圍內快速載入或解除安裝後，隨時間延長產生附加彈性應變的現象稱為滯彈性。3 包申格效應 金屬材料經過預先載入產生少量塑性變形，解除安裝後再同向載入，規定殘餘伸長應力增加 反向載入，規定殘餘伸長應力降低的現...
工程材料力學效能
第一章1.2.彈性形變可逆，塑性形變不可逆。3.彈性模量即等於彈性應力，即彈性模量是產生百分之百彈性變形所需的應力。工程上的彈性模量被稱為材料的剛度，表徵金屬材料對彈性變形的抗力，其值越大，則在相同應力下產生的彈性變形就越小。習題3.金屬的彈性模量主要取決於什麼?為什麼說它是乙個對結構不敏感的力學姓...