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《材料物理性能》课后习题答案 本文简介：课后习题《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应
《材料物理性能》课后习题答案 本文内容：
课后习题
《材料物理性能》
第一章材料的力学性能
1-1一圆杆的直径为2.5
mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：
由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3
(E
=
380
GPa)和5%的玻璃相(E
=
84
GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5
%的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E1=380GPa,E2=84GPa,V1=0.95,V2=0.05。则有
当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E0(1-1.9P+0.9P2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3
GPa和293.1
GPa。
1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t
=
0,t
=
和t
=
时的纵坐标表达式。
解：Maxwell模型可以较好地模拟应力松弛过程：
Voigt模型可以较好地模拟应变蠕变过程：
以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。如采用四元件模型来表示线性高聚物的蠕变过程等。
Fτ
τ
Nτ
60°
53°
Ф3mm
1-11一圆柱形Al2O3晶体受轴向拉力F，若其临界抗剪强度τf为135
MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。
解：
第二章
脆性断裂和强度
2-1
求融熔石英的结合强度，设估计的表面能力为1.75J/m2;
Si-O的平衡原子间距为1.6*10-8cm;弹性模量从60到75Gpa
=
2-2
融熔石英玻璃的性能参数为：E=73
Gpa；γ=1.56
J/m2；理论强度σth=28
Gpa。如材料中存在最大长度为2μm的内裂，且此内裂垂直于作用力方向，计算由此导致的强度折减系数。
2c=2μm
c=1*10-6m
=
强度折减系数=1-0.269/28=0.99
2-5
一钢板受有长向拉应力350MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的中心穿透缺陷，长8mm(=2c)。此钢材的屈服强度为1400
MPa，计算塑性区尺寸r0及其裂缝半长c的比值。讨论用此试件来求KIC值的可能性。
==39.23Mpa.m1/2
>0.021
用此试件来求KIC值的不可能。
2-6
一陶瓷零件上有一垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为：（1）2mm;(2)0.049mm;(3)2
um,分别求上述三种情况下的临界应力。设此材料的断裂韧性为1.62MPa.m2。讨论讲结果。
解：
Y=1.12=1.98
=
(1)
c=2mm,(2)
c=0.049mm,(3)
（3）c=2um,2-4
一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图。如果E=380
Gpa，μ=0.24，求KIc值，设极限荷载达50Kg。计算此材料的断裂表面能。
解
c/W=0.1,Pc=50*9.8N,B=10,W=10，S=40
代入下式：
=
=62*（0.917-0.145+0.069-0.012+0.0012）
=1.96*0.83==1.63Pam1/2
J/m2
第三章
材料的热学性能
2-1
计算室温（298K）及高温（1273K）时莫来石瓷的摩尔热容值，并请和按杜龙-伯蒂规律计算的结果比较。
（1）
当T=298K，Cp=a+bT+cT-2=87.55+14.96*10-3*298-26.68*105/2982
=87.55+4.46-30.04
=61.974.18J/mol.K
（2）
当T=1273K，Cp=a+bT+cT-2=87.55+14.96*10-3*1293-26.68*105/12732
=87.55+19.34-1.65
=105.24*4.18J/mol.K=438.9
J/mol.K
据杜隆-珀替定律：(3Al2O3.2SiO4)
Cp=21*24。94=523.74
J/mol.K
2-2
康宁1723玻璃（硅酸铝玻璃）具有下列性能参数：λ=0.021J/(cm.s.℃);
α=4.6*10-6/℃;σp=7.0Kg/mm2.E=6700Kg/mm2,μ=0.25.求第一及第二热冲击断裂抵抗因子。
第一冲击断裂抵抗因子：
=
=170℃
第二冲击断裂抵抗因子：
=170*0.021=3.57
J/(cm.s)
2-3
一热机部件由反应烧结氮化硅制成，其热导率λ=0.184J/(cm.s.℃)，最大厚度=120mm.如果表面热传递系数h=0.05
J/(cm2.s.℃),假定形状因子S=1，估算可兹应用的热冲击最大允许温差。
解：
=226*0.184
==447℃
第四章
材料的光学性能
3-1．一入射光以较小的入射角i和折射角r通过一透明明玻璃板,若玻璃对光的衰减可忽略不计,试证明明透过后的光强为(1-m)2
解：
W
=
W’
+
W’’
其折射光又从玻璃与空气的另一界面射入空气
则
3-2
光通过一块厚度为1mm
的透明Al2O3板后强度降低了15%，试计算其吸收和散射系数的总和。
解:
第五章
材料的电导性能
4-1
实验测出离子型电导体的电导率与温度的相关数据，经数学回归分析得出关系式为：
(1)
试求在测量温度范围内的电导活化能表达式。
(2)
若给定T1=500K，σ1=10-9（
T2=1000K，σ2=10-6（
计算电导活化能的值。
解：（1）
=
=
W=
式中k=
（2）
B=-3000
W=-ln10.(-3)*0.86*10-4*500=5.94*10-4*500=0.594eV
4-3本征半导体中，从价带激发至导带的电子和价带产生的空穴参与电导。激发的电子数n可近似表示为：，式中N为状态密度，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度。试回答以下问题：
（1）设N=1023cm-3,k=8.6”*10-5eV.K-1时,Si(Eg=1.1eV),TiO2(Eg=3.0eV)在室温（20℃）和500℃时所激发的电子数（cm-3）各是多少：
（2）半导体的电导率σ（Ω-1.cm-1）可表示为，式中n为载流子浓度（cm-3），e为载流子电荷（电荷1.6*10-19C）,μ为迁移率（cm2.V-1.s-1）当电子（e）和空穴（h）同时为载流子时，。假定Si的迁移率μe=1450（cm2.V-1.s-1），μh=500（cm2.V-1.s-1），且不随温度变化。求Si在室温（20℃）和500℃时的电导率
解：（1）
Si
20℃
=1023*e-21.83=3.32*1013cm-3
500℃
=1023*e-8=2.55*1019
cm-3
TiO2
20℃
=1.4*10-3
cm-3
500℃
=1.6*1013
cm-3
(2)
20
℃
=3.32*1013*1.6*10-19(1450+500)
=1.03*10-2（Ω-1.cm-1）
500℃
=2.55*1019*1.6*10-19(1450+500)
=7956
（Ω-1.cm-1）
4-2.
根据缺陷化学原理推导
（1）ZnO电导率与氧分压的关系。
（4）讨论添加Al2O3对NiO电导率的影响。
解：（1）间隙离子型：
或
（4）添加Al2O3对NiO：
添加Al2O3对NiO后形成阳离子空位多，提高了电导率。
第六章
材料的功能转换性能
6-1
金红石（TiO2）的介电常数是100，求气孔率为10%的一块金红石陶瓷介质的介电常数。
6-2
一块1cm*4cm*0.5cm的陶瓷介质，其电容为2.4-6μF,损耗因子tgδ为0.02。求：①相对介电常数；②损耗因素。
6-3
镁橄榄石(Mg2SiO4)瓷的组成为45%SiO2,5%Al2O3和50%MgO,在1400℃烧成并急冷（保留玻璃相），陶瓷的εr=5.4。由于Mg2SiO4的介电常数是6.2，估算玻璃的介电常数εr。（设玻璃体积浓度为Mg2SiO4的1/2）
6-4
如果A原子的原子半径为B的两倍，那么在其它条件都是相同的情况下，原子A的电子极化率大约是B的多少倍？
6-5
为什么碳化硅的电容光焕发率与其折射率的平方n2相等
第七章
材料的磁学性能
1自发磁化的物理本质是什么?材料具有铁磁性的充要条件是什么?
答:
铁磁体自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用
材料具有铁磁性的充要条件为:
1)
必要条件:材料原子中具有未充满的电子壳层,即原子磁矩
2)
充分条件:交换积分A
>
0
2.用能量的观点说明铁磁体内形成磁畴的原因
答:根据热力学定律,稳定的磁状态一定是对应于铁磁材料内总自由能极小值的状态.磁畴的形成和稳定的结构状态,也是对应于满足总的自由能为极小值的条件.对于铁材料来说，分成磁畴后比分成磁畴前能量缩小,故铁磁材料自发磁化后必然分成小区域的磁畴,使总自由能为最低,从而满足能量最低原理.可见,退磁场能是形成磁畴的原因
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篇2：中南大学材料科学基础课后习题
中南大学材料科学基础课后习题 本文关键词：材料科学，课后，习题，中南大学，基础
中南大学材料科学基础课后习题 本文简介：第一章原子排列与晶体结构1.fcc结构的密排方向是，密排面是，密排面的堆垛顺序是，致密度为，配位数是,晶胞中原子数为，把原子视为刚性球时，原子的半径r与点阵常数a的关系是；bcc结构的密排方向是，密排面是,致密度为,配位数是,晶胞中原子数为，原子的半径r与点阵常数a的关系是；hcp结构的密排方向是，
中南大学材料科学基础课后习题 本文内容：
第一章
原子排列与晶体结构
1.
fcc结构的密排方向是
，密排面是
，密排面的堆垛顺序是
，致密度为
，配位数是,晶胞中原子数为
，把原子视为刚性球时，原子的半径r与点阵常数a的关系是
；bcc结构的密排方向是
，密排面是,致密度为,配位数是,晶胞中原子数为
，原子的半径r与点阵常数a的关系是
；hcp结构的密排方向是
，密排面是
，密排面的堆垛顺序是
，致密度为
，配位数是,，晶胞中原子数为
，原子的半径r与点阵常数a的关系是
。
2.
Al的点阵常数为0.4049nm，其结构原子体积是
，每个晶胞中八面体间隙数为
，四面体间隙数为
。
3.
纯铁冷却时在912e
发生同素异晶转变是从
结构转变为
结构，配位数
，致密度降低
，晶体体积
，原子半径发生
。
4.
在面心立方晶胞中画出晶面和晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平面上的方向。在hcp晶胞的（0001）面上标出晶面和晶向。
5.
求和两晶向所决定的晶面。
6
在铅的（100）平面上，1mm2有多少原子？已知铅为fcc面心立方结构，其原子半径R=0.175×10-6mm。
第二章
合金相结构
一、
填空
1）
随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度
，塑性
，导电性
，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数
。
2）
影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1）
；（2）
；（3）
；（4）
和环境因素。
3）
置换式固溶体的不均匀性主要表现为
和
。
4）
按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为
和
。
5）
无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度
，塑性
，导电性
。
6）间隙固溶体是
，间隙化合物是
。
二、
问答
1、
分析氢，氮，碳，硼在a-Fe
和g-Fe
中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。已知元素的原子半径如下：氢：0.046nm，氮：0.071nm，碳：0.077nm，硼：0.091nm，a-Fe：0.124nm，g-Fe
：0.126nm。
2、简述形成有序固溶体的必要条件。
第三章
纯金属的凝固
1.
填空
1.
在液态纯金属中进行均质形核时，需要
起伏和
起伏。
2
液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两部分，其中
自由能是形核的阻力，
是形核的动力；临界晶核半径rK与过冷度vT关系为
，临界形核功vGK等于
。
3
动态过冷度是指
。
4
在工厂生产条件下，过冷度增大，则临界晶核半径
，金属结晶冷却速度越快，N/G比值
，晶粒越
。
5.
获得非晶合金的基本方法是
。
二、
问答
1
根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。
2
试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点。
3
简述液态金属结晶时，过冷度与临界晶核半径，形核功及形核率的关系。
4
铜的熔点Tm=1356K，熔化热vHm=1628J/cm2，s=177×10－7J/cm，点阵常数a=0.3615nm。求铜vT=100e
时均匀形核的临界核心半径。
5：何谓过冷，过冷度，动态过冷度，它们对结晶过程有何影响？
6
根据冷却速度对金属凝固后组织的影响，现要获得微晶，非晶，亚稳相，请指出其凝固时如何控制。
7、简述纯金属凝固时润湿角θ、杂质颗粒的晶体结构和表面形态对异质形核的影响。
第四章
二元合金相图与合金凝固
一、填空
1.
固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有
起伏。
2.
按液固界面微观结构，界面可分为
和
。
3.
液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是
，光滑界面晶体的长大机制是
和
。
4
在一般铸造条件下固溶体合金容易产生
偏析，用
热处理方法可以消除。
5
液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈
状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为
状。
6.
靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为
。
7
固溶体合金凝固时，溶质分布的有效分配系数ke=
，当凝固速率很大时ke趋于
。
8.
在二元相图中，L1→a+L2叫
反应，b→L+a称为
转变，而反应a１—a２＋b称为
反应，a+b?g称为
反应。
9
Fe-Fe3C相图中含碳量小于
为钢，大于
为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由
和
两个基本相组成；根据溶质原子的位置，奥氏体其晶体结构是
，是
固溶体，铁素体是
，其晶体结构是
，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含量是
；珠光体的含碳量是
，它是由
和
组成的两相混合物；莱氏体的含碳量是
；在常温下，亚共析钢的平衡组织是
，过共析钢的平衡组织是
，亚共晶白口铸铁的平衡组织是
，莱氏体的相组成物是
，变态莱氏体的相组成物是
，Fe3CI是从
中析出的，Fe3CII是从
中析出的，Fe3CIII是从
中析出的，它们的含碳量为
，Fe3C主要性能特点是
，A共析反应后的生成物称为
。
2
问答
1
如图4-1所示为Ni-Al相图
1）
填出相图中各相区的平衡相；
2）
指出图中的稳定化合物和不稳定化合物；
3）
写出图中存在的恒温反应，指明反应类型；
4）
指出含Ni
30%(重量)的合金在平衡冷却时的相变过程，计算室温下的相组成与组织组成，并计算出其中组织组成物的百分数。
5）
试说明含Ni89%（重量）的Ni-Al合金其平衡凝固与非平衡凝固后的显微组织的不同。
6）
设X合金平衡凝固完毕时的组织为a（Al）初晶+(a+b)共晶，其中a初晶占80%，则此合金中Ni组元的含量是多少？
7）
绘出1500e
时Al-Ni合金系的自由能—成分曲线示意图。
2
根据Cu-Sn相图（图4-2），Cu为fcc结构。回答下列问题：
1）a相为何种晶体结构？
2）计算212℃时Cu-90%Sn合金在TE温度时（共晶反应前）的平衡分配系数。
3）Cu-13.47%Sn合金在正常条件下凝固后，a相的晶界上出现少量b相，其原因何在？如何消除b相？
4）分析Cu-70%Sn合金平衡凝固过程，并计算共晶反应刚完毕时相组成物和组织组成物的相对含量。
5）画出Cu-Sn系合金在450℃时各相自由能---成分曲线示意图。
3
如图4-3为Mg-Y相图
1）
填相区组成，写出相图上等温反应及Y=5%wt时的合金K在室温时的平衡组织。
2）
已知Mg为hcp结构，试计算Mg晶胞的致密度；
3）
指出提高合金K强度的可能方法
4）
简述图中Y=10%wt之合金可能的强化方法。
4
试说明纯Al和铝－铜单相固溶体结晶的异同。
5
根据4-4的铁碳亚稳平衡相图回答下列问题：
1）
写出下列Fe3CII含量最多的合金；珠光体含量最多的合金；莱氏体含量最多的合金。
2）
指出此二元系中比较适合做变形合金和铸造合金的成分范围。
3）
如何提高压力加工合金的强度。
4）
标注平衡反应的成分及温度，写出平衡反应式。
5）
分析Fe-1%C合金的平衡凝固过程，并计算室温下其中相组成物和组织组成物的百分含量，
6）
分析Fe-1%C合金在亚稳冷却转变和淬火冷却转变后组织的差异。
7）
根据Fe-Fe3C状态图确定下列三种钢在给定温度下的显微组织（填入表中）
含碳量
温度
显微组织
温度
显微组织
0.4
770℃停留一段时间
P+F
900℃
A+F
0.77
680℃
P
刚达到770℃
A
1.0
700℃
P+Fe3CⅡ
刚达到770℃
A+Fe3C
8)
画出1200℃时各相的自由能---成分曲线示意图。
图4-5
图4-6
6：A为金属元素，B为非金属元素，形成二元相图如图4-5：
1）画出Ⅱ合金平衡冷却曲线以及平衡结晶后组织示意图，计算其室温下相组成物及组织组成物相对含量。
2）试分析不同冷却速度对下图中Ⅰ合金凝固后显微组织的影响。
3）Ⅰ合金在工业条件冷凝后如对合金进行扩散退火，应如何确定退火温度。
7：简述典型金属凝固时，固/液界面的微观结构，长大机制，晶体在正温度梯度下、负温度梯度下成长时固/液界面的形态。
8：根据Pb-Bi相图（图4－6）回答下列问题：
1）
把空相区填上相的名称。
2）
设X合金平衡凝固完毕时的相组成物为b和(Bi)，其中b相占80%，则X合金中Bi组元的含量是多少？
3）
设Y合金平衡凝固完毕时的组织为(Bi)初晶+[b+（Bi）]共晶，且初晶与共晶的百分含量相等，则此合金中Pb组元的含量是多少？
4）
Pb-30%Bi合金非平衡凝固后室温下组织与平衡凝固组织有何不同。
第五章
三元合金相图
图8
1
根据Fe－C－Si的3.5%Si变温截面图（5－1），写出含0.8%C的Fe-C-Si三元合金在平衡冷却时的相变过程和1100℃时的平衡组织。
2
图5－2为Cu-Zn-Al合金室温下的等温截面和2%Al的垂直截面图，回答下列问题：
1）
在图中标出X合金（Cu-30%Zn-10%Al）的成分点。
2）
计算Cu-20%Zn-8%Al和
Cu-25%Zn-6%Al合金中室温下各相的百分含量，其中α相成分点为Cu-22.5%Zn-3.45%Al，γ相成分点为Cu-18%Zn-11.5%Al。
3）
分析图中Y合金的凝固过程。
3
如图5－3是A-B-C三元系合金凝固时各相区，界面的投影图，A、B、C分别形成固溶体α、β、γ。
1）
写出，和单变量线的三相平衡反应式。
2）
写出图中的四相平衡反应式。
3）
说明O合金凝固平衡凝固所发生的相变。
4
图5－4为Fe-W-C三元系的液相面投影图。写出e1→1085℃，P1→1335℃，P2→1380℃单变量线的三相平衡反应和1700℃，1200℃，1085℃的四相平衡反应式。I，II，III三个合金结晶过程及室温组织，选择一个合金成分其组织只有三元共晶。
5
如图5－5为Fe-Cr-C系含13%Cr的变温截面
１）大致估计2Cr13不锈钢的淬火加热温度（不锈钢含碳量０.２％,含Cr量13％）
２）指出Cr13模具钢平衡凝固时的凝固过程和室温下的平衡组织（Cr13钢含碳量2%）
３）写出（１）区的三相反应及７９５e
时的四相平衡反应式。
6
如图5－6所示，固态有限溶解的三元共晶相图的浓度三角形上的投影图，试分析IV区及VI区中合金之凝固过程。写出这个三元相图中四相反应式。
。
图5－7
7
分析如图5－7所示的三元相图，该合金中E点成分为27Pb18Sn55Bi，γ相成分取100％Bi。
1）指出这个三元系的初晶面，写出四相平衡反应式；
2）分析该三元合金系中1，2，3，4合金平衡结晶过程；
3）要配制一个初晶为γ，具有三元共晶而无二元共晶且γ/三元共晶=0.5的合金，计算该合金的成分。
第六章
空位与位错
一、
名词解释
空位平衡浓度，位错，柏氏回路，P-N力，扩展位错，堆垛层错，弗兰克-瑞德位错源，
奥罗万机制，科垂耳气团，面角位错，铃木气团，多边形化
二、
问答
1
fcc晶体中，层错能的高低对层错的形成、扩展位错的宽度和扩展位错运动有何影响？层错能对金属材料冷、热加工行为的影响如何？
2.
在铝单晶体中（fcc结构），
1）
位错反应?]+能否进行？写出反应后扩展位错宽度的表达式和式中各符号的含义；若反应前的是刃位错，则反应后的扩展位错能进行何种运动？能在哪个晶面上进行运动？若反应前的是螺位错，则反应后的扩展位错能进行何种运动？
2）
若（1，1，1）面上有一位错，与面上的位错发生反应，如图6－1。写出位错反应方程式，说明新位错的性质，是否可动。
3）
写出（111）与（111）两个滑移面上两全位错所分解为肖克莱不全位错的两个反应式。
4）
如果两扩展位错运动，当它们在两个滑移面交线AB相遇时，两领先不全位错为和，两领先位错能否发生反应，若能，求新位错柏氏矢量；分析新形成位错为何种类型位错，能否自由滑移，对加工硬化有何作用。
3
螺旋位错的能量公式为。若金属材料亚晶尺寸为R=10-3~10-4cm，r0约为10-8cm，铜的G＝4×106N/cm2，b＝2.5×10－8cm。
（1）试估算Es
（2）估算Cu中长度为1个柏氏矢量的螺型位错割阶的能量。
4
平衡空位浓度与温度有何关系？高温淬火对低温扩散速度有何影响？
5
已知Al的空位形成能为0.76eV，问从27e
升温到627e
时空位浓度增加多少倍（取系数A=1）
6
在一个刃型位错附近放置另一个与之平行同号的另一个刃型位错，其位置如图6－2所示1，2，3，问它们在滑移面上受力方向如何？
？
1
2
3
图6－2
7、位错对金属材料有何影响？
第七章
金属塑性变形
一
名词解释
固溶强化，应变时效，孪生，临界分切应力，变形织构
二
问答
1
单相合金的冷塑性变形与纯金属的室温塑性变形相比，有何特点。
2
金属晶体塑性变形时，滑移和孪生有何主要区别？
3
A-B二元系中，A晶体结构是bcc，形成α固溶体，B晶体结构是fcc，形成β固溶体，A与B形成h相，其晶体结构是hcp：
1）
指出a，b，h三个相的常见滑移系；
2）
绘出它们单晶变形时应力-应变曲线示意图，试解释典型低层错能面心立方单晶体的加工硬化曲线，并比较与多晶体加工硬化曲线的差别。
4
简述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构的成因及对金属材料性能的影响。
5
为什么金属材料经热加工后机械性能较铸造态好。
6
何为加工硬化？列出产生加工硬化的各种可能机制。（不必说明），加工硬化现象在工业上有哪些作用？
7
铝单晶体拉伸时，其力轴为[001]，一个滑移系的临界分切应力为0.79MN/m2，取向因子COSfCOSl=0.41,试问有几个滑移系可同时产生滑移？开动其中一个滑移系至少要施加多大的拉应力？
9
简要说明第二相在冷塑性变形过程中的作用。
10
讨论织构的利弊及控制方法。
11
叙述金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化。
12
图7－1所示低碳钢的三条拉伸曲线，1－塑性变形；2－去载后立即再行加载；3－去载后时效再加载。试回答下列问题：
1）
解释图示曲线2无屈服现象和曲线3的屈服现象。
2）
屈服现象对金属变形制件表面质量有何影响，如何改善表面质量。
图7－1
13
退火纯Fe，其晶粒尺寸d=1/4mm时，其屈服点ss=100MNm-2；d=1/64mm时ss=250MNm-2。d=1/16mm时，根据霍尔—配奇公式求其ss为多少？
第八章
回复与再结晶
1
名词
变形织构与再结晶织构，再结晶全图，冷加工与热加工，带状组织，加工流线，动态再结晶，临界变形度，二次再结晶，退火孪晶
2
问答
1
再结晶与固态相变有何区别？
2
简述金属冷变形度的大小对再结晶形核机制和再结晶晶粒尺寸的影响。
3
灯泡中W丝在高温下工作，发生显著晶粒长大性能变脆，在热应力作用下破断，试找出两种延长钨丝寿命的方法？
4
户外用的架空铜导线（要求一定的强度）和户内电灯用花线，在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺？为什么？
5
纯铝经90%冷变形后，取三块试样分别加热到70e
，150e
，300e
，各保温一小时后空冷，纯铝的熔点为660e。
1）
分析所得组织，画出示意图；
2）
说明它们强度、硬度的高低和塑性方面的区别并简要说明原因。
7
今有工业纯钛、纯铝和纯铅铸锭，试问如何选择它们的轧制开坯温度？开坯后，将它们在室温（20℃）进行轧制，它们的塑性谁好谁坏？为什么？它们在室温下可否连续轧制下去？钛、铅、铝分别怎样才能轧成很薄的带材？
已知：工业纯金属的再结晶温度T再=（0.3-0.4）T熔，钛熔点1672℃，883℃以下为hcp，883℃以上为bcc；铝熔点为660℃，fcc结构（面心立方）；铅熔点为327℃，fcc结构（面心立方）。
8
试说明晶粒大小对金属材料室温及高温力学性能的影响，在生产中如何控制材料的晶粒度。
9
如何提高固溶体合金的强度
10
试用位错理论解释固溶强化，弥散强化，以及加工硬化的原因。
第九章
表面与界面
1
名词
正吸附，晶界能，小角度晶界，晶界偏析
2
问答
1
试说明界面对复合材料结合强度的影响。
2
试述晶界的特性。
3
分析晶界能的变化。
4
分析影响晶界迁移的因素。
第十章
原子扩散
1、
简要说明影响溶质原子在晶体中扩散的因素。
2、Ni板与Ta板中有0.05mm厚MgO板作为阻挡层，1400℃时Ni＋通过MgO向Ta中扩散，此时Ni＋在MgO中的扩散系数为D=9×10－12cm2/s，Ni的点阵常数为3.6×10－8cm。问每秒钟通过MgO阻挡层在2×2cm2的面积上扩散的Ni＋数目，并求出要扩散走1mm厚的Ni层需要的时间。
3、对含碳0.1％齿轮气体渗碳强化，渗碳气氛含碳1.2％，在齿轮表层下0.2cm处碳含量为0.45%时齿轮达到最佳性能。已知铁为FCC结构，C在Fe中的D0＝0.23，激活能Q＝32900cal/mol，误差函数如表10－1。
1）试设计最佳渗碳工艺；
2）在渗碳温度不变，在1000℃时渗碳，要将渗碳厚度增加1倍，即要求在其表面下0.4cm处渗碳后碳含量为0.45%所需渗碳时间。
表10－1
与erf()的对应值
erf()
erf()
erf()
0.0
0.0000
0.7
0.6778
1.4
0.9523
0.1
0.1125
0.8
0.7421
1.5
0.9661
0.2
0.2227
0.9
0.7969
1.6
0.9763
0.3
0.3286
1.0
0.8247
1.7
0.9838
0.4
0.4284
1.1
0.8802
1.8
0.9891
0.5
0.5205
1.2
0.9103
1.9
0.9928
0.6
0.6039
1.3
0.9340
2.0
0.9953
4
一块厚度10毫米，含碳量0.77%的钢在强脱碳气氛中加热到800℃，然后缓慢冷却，试指出试样从表面到心部的组织分布。
5
一块用作承载重物的低碳钢板，为提高其表面硬度采用表面渗碳，试分析：
1)
渗碳为什么在g-Fe中进行而不在a-Fe中进行，即渗碳温度选择要高于727e
，为什么？
2)
渗碳温度高于1100e
会出现什么问题？
6
铜-锌基单相固溶体进行均匀化处理，试讨论如下问题：
1)
在有限时间内能否使枝晶偏析完全消失？
2)
将此合金均匀化退火前进行冷加工，对均匀化过程是加速还是无影响？说明理由。
7
原子扩散在材料中的应用
8
何谓上坡扩散，举两个实例说明金属中上坡扩散现象。
9、简述固溶体合金的扩散机制
篇3：材料力学性能-第2版课后习题答案
材料力学性能-第2版课后习题答案 本文关键词：课后，习题，答案，力学性能，材料
材料力学性能-第2版课后习题答案 本文简介：第一章单向静拉伸力学性能1、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
材料力学性能-第2版课后习题答案 本文内容：
第一章
单向静拉伸力学性能
1、
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
2、
说明下列力学性能指标的意义。
答：E弹性模量
G切变模量
规定残余伸长应力
屈服强度
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】
3、
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】
4、
试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？
5、
决定金属屈服强度的因素有哪些？【P12】
答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。
外在因素：温度、应变速率和应力状态。
6、
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。
7、
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。
8、
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。
9、
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：
，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的情况。
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τmax和最大正应力σmax比值，即：
【新书P39
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。
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——材料的抗拉强度【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】
三、试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围。
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。
四．试述脆性材料弯曲试验的特点及其应用。
五、缺口试样拉伸时的应力分布有何特点？【P45
P53】
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。
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。
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。【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136。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。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。
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
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）
：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：U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tk，记为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（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
：
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。【新书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；旧P86】。
裂纹扩展K判据：裂纹在受力时只要满足
，就会发生脆性断裂.反之，即使存在裂纹，若
也不会断裂。新P71：旧８３
裂纹扩展能量释放率GI：I型裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。P76/P88
裂纹扩展G判据：
，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：
，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：，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
和
答：
临界或失稳状态的记作或，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
答：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，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GIC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。
答：
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？
答：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
答：新书P69旧书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：；有限宽板穿透裂纹：；有限宽板单边直裂纹：当ba时，；受弯单边裂纹梁：；无限大物体内部有椭圆片裂纹，远处受均匀拉伸：；无限大物体表面有半椭圆裂纹，远处均受拉伸：A点的。
6、
试述K判据的意义及用途。
答：
K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。K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。
答：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KI的影响及KI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KI的计算，所以要对KI进行修正。
最简单而适用的修正方法是在计算KI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。P91/P103
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KI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KIC是否休要修正
因为σ/σ0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂纹断裂韧度KIC需要修正
对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的KI为：
=
（MPa*m1/2）
塑性区宽度为：
=0.004417937(m)=
2.21(mm)
比较K1与KIc：
因为K1=168.13（MPa*m1/2）
KIc=115（MPa*m1/2）
所以：K1>KIc
，裂纹会失稳扩展,所以该件不安全。
17.有一轴件平行轴向工作应力150MPa，使用中发现横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深度的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c可以确定φ=1，测试材料的σ0.2=720MPa
，试估算材料的断裂韧度KIC为多少？
解：
因为σ/σ0.2=150/720=0.208ΔKth时，da/dN>0,疲劳裂纹才开始扩展。因此，ΔKth是疲劳裂纹不扩展的ΔK临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值。
3.试述金属疲劳断裂的特点
p96/p109
（1）疲劳是低应力循环延时断裂，机具有寿命的断裂
（2）疲劳是脆性断裂
（3）疲劳对缺陷（缺口，裂纹及组织缺陷）十分敏感
4．试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程（新书P96~98及PPT，旧书P109~111）
答：典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域—疲劳源、疲劳区及瞬断区。
（1）
疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地，疲劳源区的光亮度最大，因为这里在整个裂纹亚稳扩展过程中断面不断摩擦挤压，故显示光亮平滑，另疲劳源的贝纹线细小。
（2）
疲劳区的疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，是判断疲劳断裂的重要特征证据。特征是：断口比较光滑并分布有贝纹线。断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。贝纹线是由载荷变动引起的，如机器运转时的开动与停歇，偶然过载引起的载荷变动，使裂纹前沿线留下了弧状台阶痕迹。
（3）
瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。其断口比疲劳区粗糙，脆性材料为结晶状断口，韧性材料为纤维状断口。
6．试述疲劳图的意义、建立及用途。（新书P101~102，旧书P115~117）
答：定义：疲劳图是各种循环疲劳极限的集合图，也是疲劳曲线的另一种表达形式。
意义：很多机件或构件是在不对称循环载荷下工作的，因此还需知道材料的不对称循环疲劳极限，以适应这类机件的设计和选材的需要。通常是用工程作图法，由疲劳图求得各种不对称循环的疲劳极限。
1、疲劳图
建立：这种图的纵坐标以表示，横坐标以表示。然后，以不同应力比r条件下将表示的疲劳极限分解为和，并在该坐标系中作ABC曲线，即为疲劳图。其几何关系为：
（用途）：我们知道应力比r，将其代入试中，即可求得和，而后从坐标原点O引直线，令其与横坐标的夹角等于值，该直线与曲线ABC相交的交点B便是所求的点，其纵、横坐标之和，即为相应r的疲劳极限，。
2、疲劳图
建立：这种图的纵坐标以或表示，横坐标以表示。然后将不同应力比r下的疲劳极限，分别以和表示于上述坐标系中，就形成这种疲劳图。几何关系为：
（用途）：我们只要知道应力比r,就可代入上试求得和，而后从坐标原点O引一直线OH，令其与横坐标的夹角等于，该直线与曲线AHC相交的交点H的纵坐标即为疲劳极限。
8．试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素。（新书P107~109，旧书P123~125）
答：1、应力比r（或平均应力）的影响：Forman提出：
残余压应力因会减小r,使降低和升高，对疲劳寿命有利；而残余拉应力因会增大r，使升高和降低，对疲劳寿命不利。
2、过载峰的影响：偶然过载进入过载损伤区内，使材料受到损伤并降低疲劳寿命。但若过载适当，有时反而是有益的。
3、材料组织的影响：①晶粒大小：晶粒越粗大，其值越高，越低，对疲劳寿命越有利。②组织：钢的含碳量越低，铁素体含量越多时，其值就越高。当钢的淬火组织中存在一定量的残余奥氏体和贝氏体等韧性组织时，可以提高钢的，降低。③喷丸处理：喷丸强化也能提高。
9．试述疲劳微观断口的主要特征。（新书P113~P114，旧书P132）
答：断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称疲劳条带（疲劳条纹、疲劳辉纹）。疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征。滑移系多的面心立方金属，其疲劳条带明显；滑移系少或组织复杂的金属，其疲劳条带短窄而紊乱。
疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型(Laird模型)：
图中(a),在交变应力为零时裂纹闭合。
图(b)，受拉应力时，裂纹张开，在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移。
图(c),裂纹张开至最大，塑性变形区扩大，裂纹尖端张开呈半圆形，裂纹停止扩展。由于塑性变形裂纹尖端的应力集中减小，裂纹停止扩展的过程称为“塑性钝化”。
图(d)，当应力变为压缩应力时，滑移方向也改变了，裂纹尖端被压弯成“耳状”切口。
图(e)，到压缩应力为最大值时，裂纹完全闭合，裂纹尖端又由钝变锐，形成一对尖角。
12．试述金属表面强化对疲劳强度的影响。（新书P117~P118，旧书P135~P136）
答：表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力，同时还能提高机件表面的强度和硬度。这两方面的作用都能提高疲劳强度。
表面强化方法，通常有表面喷丸、滚压、表面淬火及表面化学热处理等。
（1）
表面喷丸及滚压
喷丸是用压缩空气将坚硬的小弹丸高速喷打向机件表面，使机件表面产生局部形变硬化；同时因塑变层周围的弹性约束，又在塑变层内产生残余压应力。
表面滚压和喷丸的作用相似，只是其压应力层深度较大，很适于大工件；而且表面粗糙度低，强化效果更好。
（2）
表面热处理及化学热处理
他们除能使机件获得表硬心韧的综合力学性能外，还可以利用表面组织相变及组织应力、热应力变化，使机件表面层获得高强度和残余压应力，更有效地提高机件疲劳强度和疲劳寿命。
13.试述金属的硬化与软化现象及产生条件。
金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力不断增加，即为循环硬化。
金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加其应力逐渐减小，即为循环软化。
金属材料产生循环硬化与软化取决于材料的初始状态、结构特性以及应变幅和温度等。
循环硬化和软化与σb
/
σs有关：
σb
/
σs>1.4，表现为循环硬化；
σb
/
σs1硬化。
退火状态的塑性材料往往表现为循环硬化，加工硬化的材料表现为循环软化。
循环硬化和软化与位错的运动有关：
退火软金属中，位错产生交互作用，运动阻力增大而硬化。
冷加工后的金属中，有位错缠结，在循环应力下破坏，阻力变小而软化。
第六章
金属的应力腐蚀和氢脆断裂
一、名词解释
1、应力腐蚀：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的
低应力脆断现象。
2、氢脆：由于氢和应力共同作用而导致的金属材料产生脆性断裂的现象。
3、白点：当钢中含有过量的氢时，随着温度降低氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成氢分子。此时，氢的体积发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕裂，而形成微裂纹。
4、氢化物致脆：对于ⅣB
或ⅤB
族金属，由于它们与氢有较大的亲和力，极易生成脆性氢化物，是金属脆化，这种现象称氢化物致脆。
5、氢致延滞断裂：这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。
二、说明下列力学性能指标的意义
1、σscc：材料不发生应力腐蚀的临界应力。
2、KIscc：应力腐蚀临界应力场强度因子。
3、da/dt：盈利腐蚀列纹扩展速率。
7．如何识别氢脆与应力腐蚀？。
答：氢脆和应力腐蚀相比，其特点表现在：
1、实验室中识别氢脆与应力腐蚀的一种办法是，当施加一小的阳极电流，如使开裂加速，则为应力腐蚀；而当施加一小的阴极电流，使开裂加速者则为氢脆。
2、在强度较低的材料中，或者虽为高强度材料但受力不大，存在的残余拉应力也较小这时其断裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此处三向拉应力最大，氢浓集在这里造成断裂。
3、氢脆断裂的主裂纹没有分枝的悄况．这和应力腐蚀的裂纹是截然不同的。
4、氦脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微。
5、大多数的氢脆断裂(氢化物的氢脆除外)，都表现出对温度和形变速率有强烈的依赖关系。氢脆只在一定的温度范围内出现，出现氢脆的温度区间决定于合金的化学成分和形变速率。
第七章
金属的磨损与耐磨性
1.名词解释
磨损：机件表面相互接触并产生相对运动，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失、造成表面损伤的现象。
接触疲劳：两接触面做滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片金属剥落而使材料损失的现象。【P153】
第八章
金属高温力学性能
蠕变：在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。
等强温度（TE）：晶粒强度与晶界强度相等的温度。
蠕变极限：在高温长时间载荷作用下不致产生过量塑性变形的抗力指标。
该指标与常温下的屈服强度相似。
持久强度极限：在高温长时载荷作用下的断裂强度---持久强度极限。
一、和常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点?
答案：1、首先，材料在高温将发生蠕变现象。材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降
低。应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。
2、高温应力松弛。
3、产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降。
二、提高材料的蠕变抗力有哪些途径?
答案：加入的合金元素阻止刃位错的攀移，以及阻止空位的形成与运动从而阻止其扩散。
