【正文】 《工程材料力學(xué)性能》 （第二版） 課后答案 第一章 材料單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 一、 解釋下列名詞 滯彈性 ：在外加載荷作用 下，應(yīng)變落后于應(yīng)力現(xiàn)象。 靜力韌度 ：材料在靜拉伸時(shí)單位體積材科從變形到斷裂所消耗的功。 彈性極限 ：試樣加載后再卸裁，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標(biāo)準(zhǔn)，材料 能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力。 比例極限 ：應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力。 包申格效應(yīng) ： 指原先經(jīng)過(guò)少量塑性變形，卸載后同向加載，彈性極限 (σ P)或屈服強(qiáng)度 (σ S)增加；反向加載時(shí)彈性極限 (σ P)或屈服 強(qiáng)度 (σ S)降低的現(xiàn)象。 解理斷裂 ：沿一定的晶體學(xué)平面產(chǎn)生的快速穿晶斷裂。晶體學(xué)平面－－解理面，一般是低指數(shù)，表面能低的晶面。 解理 面 ：在解理斷裂中具有低指數(shù)，表面能低的晶體學(xué)平面 。 韌脆轉(zhuǎn)變 ： 材料力學(xué)性能從韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變到脆性狀態(tài)的現(xiàn)象（沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型轉(zhuǎn)變微穿晶斷裂，斷口特征由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀） 。 靜力韌度 ： 材料在靜拉伸時(shí)單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功叫做靜力韌度。是一個(gè)強(qiáng)度與塑性的綜合指標(biāo)，是表示靜載下材料強(qiáng)度與塑性的最佳配合。 二、金屬的彈性模量主要取決于什么 ?為什么說(shuō)它是一個(gè)對(duì)結(jié)構(gòu)不敏感的力學(xué)姓能 ? 答案：金屬的彈性模量主要取決于金屬鍵的本性和原子間的結(jié)合力，而材料的成分和組織對(duì)它的影響 不大，所以說(shuō)它是一個(gè)對(duì)組織不敏感的性能指標(biāo)，這是彈性模量在性能上的主要特點(diǎn)。改變材料的成分和組織會(huì)對(duì)材料的強(qiáng)度 (如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度 )有顯著影響，但對(duì)材料的剛度影響不大。 三、什么是包辛格效應(yīng)，如何解釋?zhuān)惺裁磳?shí)際意義 ? 答案：包辛格效應(yīng)就是指原先經(jīng)過(guò)變形，然后在反向加載時(shí)彈性極限或屈服強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。特別是彈性極限在反向加載時(shí)幾乎下降到零，這說(shuō)明在反向加載時(shí)塑性變形立即開(kāi)始了。 包辛格效應(yīng)可以用位錯(cuò)理論解釋。第一，在原先加載變形時(shí)，位錯(cuò)源在滑移面上產(chǎn)生的位錯(cuò)遇到障礙，塞積后便產(chǎn)生了背應(yīng) 力，這背應(yīng)力反作用于位錯(cuò)源，當(dāng)背應(yīng)力 (取決于塞積時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力集中 )足夠大時(shí)，可使位錯(cuò)源停止開(kāi)動(dòng)。背應(yīng)力是一種長(zhǎng)程 (晶?；蛭诲e(cuò)胞尺寸范圍 )內(nèi)應(yīng)力，是金屬基體平均內(nèi)應(yīng)力的度量。因?yàn)轭A(yù)變形時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向和背應(yīng)力的方向相反，而當(dāng)反向加載時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向與原來(lái)的方向相反了，和背應(yīng)力方向一致，背應(yīng)力幫助位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，塑性變形容易了，于是，經(jīng)過(guò)預(yù)變形再反向加載，其屈服強(qiáng)度就降低了。這一般被認(rèn)為是產(chǎn)生包辛格效應(yīng)的主要原因。其次，在反向加載時(shí)，在滑移面上產(chǎn)生的位錯(cuò)與預(yù)變形的位錯(cuò)異號(hào)，要引起異號(hào)位錯(cuò)消毀，這也會(huì)引起材料的軟化，屈 服強(qiáng)度的降低。 實(shí)際意義：在工程應(yīng)用上，首先是材料加工成型工藝需要考慮包辛格效應(yīng)。其次，包辛格效應(yīng)大的材料，內(nèi)應(yīng)力較大。另外包辛格效應(yīng)和材料的疲勞強(qiáng)度也有密切關(guān)系，在高周疲勞中，包辛格效應(yīng)小的疲勞壽命高，而包辛格效應(yīng)大的，由于疲勞軟化也較嚴(yán)重，對(duì)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 。 與以下三個(gè)方面相聯(lián)系的因素都會(huì)影響到屈服強(qiáng)度 位錯(cuò)增值和運(yùn)動(dòng) 晶粒、晶界、第二相等 外界影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的 因素 主要從內(nèi)因和外因兩個(gè)方面考慮 （一） 影響屈服強(qiáng)度的內(nèi)因素 1．金屬本性和晶格類(lèi)型（結(jié)合鍵、晶體結(jié)構(gòu)） 單晶的屈服強(qiáng)度從理論上說(shuō)是使位錯(cuò)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的臨界切應(yīng)力，其值與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受到的阻力（晶格阻力－－派拉力、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)交互作用產(chǎn)生的阻力）決定。 派拉力： 位錯(cuò)交互作用力 （ a 是與晶體本性、位錯(cuò)結(jié)構(gòu)分布相關(guān)的比例系數(shù)， L 是位錯(cuò)間距。） 2．晶粒大小和亞結(jié)構(gòu) 晶粒小→晶界多（阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）→位錯(cuò)塞積→提供應(yīng)力→位錯(cuò)開(kāi)動(dòng) →產(chǎn)生宏觀塑性變形 。 晶粒減小將增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙的數(shù)目，減小晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積群 的長(zhǎng)度，使屈服強(qiáng)度降低（細(xì)晶強(qiáng)化）。 屈服強(qiáng)度與晶粒大小的關(guān)系： 霍爾－派奇（ HallPetch) σ s= σ i+kyd1/2 3．溶質(zhì)元素 加入溶質(zhì)原子→（間隙或置換型）固溶體→（溶質(zhì)原子與溶劑原子半徑不一樣）產(chǎn)生晶格畸變→產(chǎn)生畸變應(yīng)力場(chǎng)→與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)交互運(yùn)動(dòng) →使位錯(cuò)受阻→提高屈服強(qiáng)度 （固溶強(qiáng)化） 。 4．第二相（彌散強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化） 不可變形第二相 提高位錯(cuò)線張力→繞過(guò)第二相→留下位錯(cuò)環(huán) →兩質(zhì)點(diǎn)間距變小 → 流變應(yīng)力增大。 不可變形第二相 位錯(cuò)切過(guò)（產(chǎn)生界面能），使之 與機(jī)體一起產(chǎn)生變形，提高了屈服強(qiáng)度。 彌散強(qiáng)化： 第二相質(zhì)點(diǎn)彌散分布在基體中起到的強(qiáng)化作用。 沉淀強(qiáng)化： 第二相質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過(guò)固溶后沉淀析出起到的強(qiáng)化作用。 （二） 影響屈服強(qiáng)度的 外 因素 一般的規(guī)律是溫度升高，屈服強(qiáng)度降低。 原因：派拉力屬于短程力，對(duì)溫度十分敏感。 應(yīng)變速率大，強(qiáng)度增加。 σ ε ,t= C1(ε )m 3．應(yīng)力狀態(tài) 切應(yīng)力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強(qiáng)度越低。 缺口效應(yīng)：試樣中 “缺口 ”的存在，使得試樣的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響材料的力學(xué)性能的現(xiàn)象。 強(qiáng)化金屬又不降低塑性。 的區(qū)別。為什么脆性斷裂更加危險(xiǎn)？ 韌性斷裂：是斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂 特征： 斷裂面一般平行于最大切應(yīng)力與主應(yīng)力成 45 度角。 斷口成纖維狀（塑變中微裂紋擴(kuò)展和連接），灰暗色（反光能力弱）。 斷口三要素： 纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇這三個(gè)區(qū)域的比例關(guān)系與材料韌斷性能有關(guān)。 塑性好，放射線粗大 塑性差，放射線變細(xì)乃至消失。 脆性斷裂：斷裂前基本不發(fā)生塑性變形的，突發(fā)的斷裂。 特征： 斷裂面與正應(yīng)力垂直，斷口平齊而光滑，呈放射狀或結(jié)晶狀。 注意：脆性斷裂也 產(chǎn)生微量塑性變形。 斷面收縮率小于 5％為脆性斷裂，大于 5％為韌性斷裂。 。 格雷菲斯裂紋理論是根據(jù)熱力學(xué)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(wěn)擴(kuò)展的臨界條件。該條件是是斷裂發(fā)生的必要條件，但并不意味著一定會(huì)斷裂。 該斷裂判據(jù)為： 裂紋擴(kuò)展的充分條件是其尖端應(yīng)力要大于等于理論斷裂強(qiáng)度。 （是通過(guò)力學(xué)方法推到的斷裂判據(jù)） 該應(yīng)力斷裂判據(jù)為： 對(duì)比這兩個(gè)判據(jù)可知： 當(dāng)ρ＝ 3a0 時(shí) ， 必要條件和充分條件相當(dāng) ρ 3a0 時(shí)，滿足必要 條件就可行（同時(shí)也滿足充分條件） ρ 3a0 時(shí)，滿足充分條件就可行（同時(shí)也滿足必要條件） 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(shù)目和可動(dòng)位錯(cuò)有關(guān) 具有 fcc 結(jié)構(gòu)的金屬有效滑移系和可動(dòng)位錯(cuò)的數(shù)目都比較多，易于塑性變形，不易脆斷。 凡加入合金元素引起滑移系減少、孿生、位錯(cuò)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(zhì) ： 聚集在晶界上的雜質(zhì)會(huì)降低材料的塑性，發(fā)生脆斷。 2/10 )2( aE sc ? ?? ?2/10 )4( aaE sc ??? ?溫度 ： σ i位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)摩擦阻力。 其值高，材料易于脆斷。 bcc 金屬具有低溫脆斷現(xiàn)象，因?yàn)?σ i 隨著溫度的減低而急劇增加，同時(shí)在低溫下，塑性變形一孿生為主，也易于產(chǎn)生裂紋。故低溫脆性大。 晶粒大小 ： d 值小位錯(cuò)塞積的數(shù)目少，而且晶界多。故裂紋不易產(chǎn)生，也不易擴(kuò)展。所以細(xì)晶組織有 抗 脆斷性能。 應(yīng)力狀態(tài) ： 減小切應(yīng)力與正應(yīng)力比值的應(yīng)力狀態(tài)都將增加金屬的脆性 加載速度 加載速度大，金屬會(huì)發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變。 第二章 金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能 一、解釋下列名詞： （ 1） 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) — 材料最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力的比值，記為α。 （ 2） 缺口效應(yīng) —— 缺口材料在靜載荷作用下，缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生的變化。 （ 3） 缺口敏感度 —— 金屬材料的