第一章單向靜拉伸力學效能
1、 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，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。
脆性：指金屬材料受力時沒有發生塑性變形而直接斷裂的能力
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：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性斷裂變為脆性斷裂，這種現象稱為韌脆轉變
2、 說明下列力學效能指標的意義。
答：e彈性模量 g切變模量規定殘餘伸長應力屈服強度金屬材料拉伸時最大應力下的總伸長率 n 應變硬化指數 p15 3、 金屬的彈性模量主要取決於什麼因素？為什麼說它是乙個對組織不敏感的力學效能指標？
答：主要決定於原子本性和晶格型別。合金化、熱處理、冷塑性變形等能夠改變金屬材料的組織形態和晶粒大小，但是不改變金屬原子的本性和晶格型別。
組織雖然改變了，原子的本性和晶格型別未發生改變，故彈性模量對組織不敏感。【p4】
2、現有45、40cr、35 crmo鋼和灰鑄鐵幾種材料，你選擇哪種材料作為工具機起身，為什麼？
選灰鑄鐵，因為其含碳量搞，有良好的吸震減震作用，並且工具機床身一般結構簡單，對精度要求不高，使用灰鑄鐵可降低成本，提高生產效率。
5、多晶體金屬產生明顯屈服的條件，並解釋bcc金屬及其合金與fcc金屬及其合金屈服行為不同的原因。
答：多晶體金屬產生明顯屈服的條件：1）材料變形前可動位錯密度小，或雖有大量位錯但被釘扎住，如鋼中的位錯為間隙原子、雜質原子或第二相質點所釘扎。
2）隨塑性變形的發生，位錯能快速增殖；3）位錯運動速率與外加應力之間有強烈依存關係。
金屬材料塑性變形的應變速率與位錯密度、位錯運動速率和柏氏向量成正比，而位錯運動速率又決定於外加應力的滑移分切應力。（，）
塑性變形初始階段，由於可動位錯密度少，為了維持高的應變速率，必須增大位錯運動速率。而要提高位錯運動速率必須要有高的應力，這對應著上屈服點。一旦塑性變形產生，位錯大量增殖，位錯運動速率下降，相應的應力隨之下降，從而產生了屈服現象。
對於bcc金屬及其合金，位錯運動速率應力敏感指數m』低，即位錯運動速率變化所需應力變化大，屈服現象明顯。而fcc金屬及其合金，其位錯運動速率應力敏感指數高，屈服現象不明顯。
6、 試述退火低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼的屈服現象在拉伸力-伸長曲線圖上的區別？為什麼？
答：隨含碳量的增加，屈服現象越來越不明顯。這是由於隨含碳量高，其組織中滲碳體含量增多，對基體起強化作用，使得材料屈服強度很高，塑性降低。
7、 決定金屬屈服強度的因素有哪些？【p12】
答：內在因素：金屬本性及晶格型別、晶粒大小和亞結構、溶質元素、第二相。
外在因素：溫度、應變速率和應力狀態。
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。
8.試述ψδ兩種塑性指標評定金屬材料屬性的優缺點
答：斷後伸長率是試樣拉斷後標距的伸長與原始標距的百分比。
斷面收縮率是試樣拉斷後，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。
對於在單一拉伸條件下工作的長形零件，無論其是否產生縮頸，都用δ和δgt評定材料的塑性，因為產生縮頸時區域性區域的塑性變形量對總伸長實際上沒有什麼影響。
若金屬機件非長形，在拉伸時形成縮頸，則用ψ作為塑性指標。因為ψ反映了材料斷裂前的最大塑性變形量，而此時δ不能顯示材料的最大塑性。ψ是在複雜應力狀態下形成的，冶金因素的變化對效能的影響在ψ上更為突出，因此ψ比δ對組織變化更為敏感。
10、試述韌性斷裂與脆性斷裂的區別。為什麼脆性斷裂最危險？【p21】
答：韌性斷裂是金屬材料斷裂前產生明顯的巨集觀塑性變形的斷裂，這種斷裂有乙個緩慢的撕裂過程，在裂紋擴充套件過程中不斷地消耗能量；而脆性斷裂是突然發生的斷裂，斷裂前基本上不發生塑性變形，沒有明顯徵兆，因而危害性很大。
11、剪下斷裂與解理斷裂都是穿晶斷裂，為什麼斷裂性質完全不同？【p23】
答：剪下斷裂是在切應力作用下沿滑移面分離而造成的滑移面分離，一般是韌性斷裂，而解理斷裂是在正應力作用以極快的速率沿一定晶體學平面產生的穿晶斷裂，解理斷裂通常是脆性斷裂。
12.在什麼條件下易出現沿晶斷裂，怎樣減小沿晶斷裂的傾向？
答：當晶界分布有連續或不連續的脆性第二相、夾雜物，或者有害元素如砷、銻、錫等偏聚於晶界時，容易造成沿晶斷裂。
減輕措施：提高冶金質量，降低有害雜質元素的含量；細化晶粒；控制第二相的形成，避免其沿晶分布。
13、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。
影響因素：斷口三要素的形態、大小和相對位置與試樣形狀、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。一般，材料強度提高，塑性降低，放射區的比例增大；試樣尺寸加大，放射區增大明顯，而纖維區變化不大。
14.8、板材巨集觀脆性斷口的主要特徵是什麼？如何尋找斷裂源？
斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結晶狀，板狀矩形拉伸試樣斷口中的人字紋花樣的放射方向也
與裂紋擴充套件方向平行，其尖端指向裂紋源。
17、論述格雷菲斯裂紋理論分析問題的思路，推導格雷菲斯方程，並指出該理論的侷限性。【p32】
答：，只適用於脆性固體,也就是只適用於那些裂紋尖端塑性變形可以忽略的情況。
21、答：鐵素體鋼在斷裂時有明顯屈服現象
25．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。
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——材料或工件所承受的最大切應力τmax和最大正應力σmax比值，即：
（2）缺口效應—— 絕大多數機件的橫截面都不是均勻而無變化的光滑體，往往存在截面的急劇變化，如鍵槽、油孔、軸肩、螺紋、退刀槽及焊縫等，這種截面變化的部分可視為「缺口」，由於缺口的存在，在載荷作用下缺口截面上的應力狀態將發生變化，產生所謂的缺口效應。【p44 p53】
（3）缺口敏感度——缺口試樣的抗拉強度σbn的與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強度σb 的比值，稱為缺口敏感度，即：
（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。【p49 p58】
（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【p51 p60】。
（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。【p53 p62】
（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。
材料力學效能課後習題答案
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