第一章 参考答案

第一章 参考答案5、多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释bcc 金属及其合金与fcc 金属及其合金屈服行为不同的原因。

答：多晶体金属产生明显屈服的条件：1）材料变形前可动位错密度小，或虽有大量位错但被钉扎住，如钢中的位错为间隙原子、杂质原子或第二相质点所钉扎。

2）随塑性变形的发生，位错能快速增殖；3）位错运动速率与外加应力之间有强烈依存关系。

金属材料塑性变形的应变速率与位错密度、位错运动速率和柏氏矢量成正比，而位错运动速率又决定于外加应力的滑移分切应力。

（v b ρε=∙，m v '=)(0ττ） 塑性变形初始阶段，由于可动位错密度少，为了维持高的应变速率，必须增大位错运动速率。

而要提高位错运动速率必须要有高的应力，这对应着上屈服点。

一旦塑性变形产生，位错大量增殖，位错运动速率下降，相应的应力随之下降，从而产生了屈服现象。

对于bcc 金属及其合金，位错运动速率应力敏感指数m ’低，即位错运动速率变化所需应力变化大，屈服现象明显。

而fcc 金属及其合金，其位错运动速率应力敏感指数高，屈服现象不明显。

6、答：随含碳量的增加，屈服现象越来越不明显。

这是由于随含碳量高，其组织中渗碳体含量增多，对基体起强化作用，使得材料屈服强度很高，塑性降低。

7、答：决定屈服强度的因素：1）内因①金属本性及晶格类型：不同的金属及晶格类型，位错运动所受阻力（包括派纳力、位错间交互作用力）不同。

②晶粒大小和结构：减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度提高，即细晶强化。

屈服强度与晶粒尺寸之间符合H-P 公式。

③溶质元素：溶质元素的加入，使得晶格发生畸变，在溶质原子周围形成晶格畸变应力场，与位错应力场交互作用，阻碍位错运动，提高屈服强度，即固溶强化。

④第二相：对于可变形的第二相质点，位错可以切过，使之同基体一起变形，由于质点与基体间晶格错排及位错切过第二相质点产生新的界面需要作功等原因，使得屈服强度提高。

对于不可变形的第二相粒子，位错只能绕过，绕过质点的位错线在质点周围留下一个位错环，随着绕过质点的位错数量的增加，留下位错环的数量亦增加，相当于质点的间距减小，流变应力增大，屈服强度 提高。

颗粒半径越小，数目越多，间距越小，位错运动阻力越大，强化效应越大2）外因①温度：升高温度，金属材料的屈服强度降低，但金属结构不同，变化趋势亦不同。

Bcc 结构的屈服强度具有明显的温度效应，即温度降低，屈服强度急剧上升。

②应变速率：应变速率增大，金属的屈服强度增加③应力状态：切应力分量大，易于塑性变形，材料的屈服强度低。

不同应力状态下材料的屈服强度不同，不是材料性质的变化，而是材料在不同的条件下表现的力学行为不同。

8、答：断后伸长率是试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。

断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。

对于在单一拉伸条件下工作的长形零件，无论其是否产生缩颈，都用δ和δgt评定材料的塑性，因为产生缩颈时局部区域的塑性变形量对总伸长实际上没有什么影响。

若金属机件非长形，在拉伸时形成缩颈，则用ψ作为塑性指标。

因为ψ反映了材料断裂前的最大塑性变形量，而此时δ不能显示材料的最大塑性。

ψ是在复杂应力状态下形成的，冶金因素的变化对性能的影响在ψ上更为突出，因此ψ比δ对组织变化更为敏感。

10、答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显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。

韧断的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45°，断口呈纤维状，灰暗色。

其宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成。

其韧性断裂的微观机制是微孔聚集型断裂，可以观察到韧窝。

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。

脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。

其断裂机制为解理断裂，可以观察到解理台阶、河流花样和舌状花样等微观特征。

由于脆性断裂发生时没有明显征兆，不易于提前发现和预防，因此在实际工程应用上具有极大的危害性，最为危险。

11、答：剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。

断裂前发生了明显塑性变形，其宏观断裂形态表现为韧性断裂。

解理断裂是金属材料在一定条件下（如低温），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。

解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。

其宏观断裂形态一般为脆性断裂。

12、答：当晶界分布有连续或不连续的脆性第二相、夹杂物，或者有害元素如砷、锑、锡等偏聚于晶界时，容易造成沿晶断裂。

减轻措施：提高冶金质量，降低有害杂质元素的含量；细化晶粒；控制第二相的形成，避免其沿晶分布。

13、答：断口三要素：纤维区、放射区和剪切唇。

影响因素：断口三要素的形态、大小和相对位置与试样形状、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。

一般，材料强度提高，塑性降低，放射区的比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大。

21、答：铁素体钢在断裂时有明显屈服现象25、答：1）材料成分：凡能细化晶粒的合金元素都可以提高韧性，降低韧脆转变温度；固溶强化的或形成粗大第二相的合金元素，都增大脆性，提高韧脆转变温度。

2）杂质：杂质的存在增加脆性提高韧脆转变温度；3）温度：随温度降低，bcc金属及其合金具有明显的韧脆转变，fcc结构合金不具有明显低温脆性。

4）晶粒大小：5）应力状态：应力状态越硬，其脆性越大6）加载速率：加载速率增大，材料脆性增加。

第二章参考答案3、答：1）单向静拉伸试验的应力状态较硬（α=0.5），适用于塑变抗力与切断强度较低的塑性材料。

2）单向压缩的应力状态软性系数α＝2，主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能测定。

拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂。

脆性材料拉伸时产生垂直于载荷轴线的正断，塑变量几乎为零；压缩时能产生一定量的变形，沿与轴线呈45°方向断裂，具有切断特性。

3）弯曲：金属杆状试样承受弯矩作用后，其内部应力主要为正应力，杆件截面上的应力分布不均匀，表面最大，中心为零，且应力方向发生变化。

弯曲试验的试样形状简单、操作方便，常用于测定铸铁、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。

弯曲试验时，试样表面应力最大，可较灵敏地反映材料表面缺陷。

因此，常用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层等表面热处理机件的质量和性能。

4）扭转圆柱形试样在承受扭矩时，在与试样轴线呈45的两个截面上作用最大与最小正应力；在与轴线平行和垂直的截面上作用最大切应力。

具有以下特点①扭转的应力状态软性系数α=0.8，比拉伸时的α大，易于显示金属的塑性行为。

②圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现象，所以能实现大塑性变形量下的试验。

③能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。

④扭转试验是测定生产上所使用的大部分金属材料切断强度最可靠的方法。

根据扭断断口宏观特征可以区分材料最终是正断还是切断。

5、答：具有缺口的薄板的受拉伸后，轴向应力σy在缺口根部最大，随离开根部的距离x 增大而降低，即在缺口根部产生应力集中。

由于缺口根部可以自由收缩，横向拉伸应力σx=0；自根部向内部发展，收缩变形阻力增大，σx逐渐增大。

增至一定数值后，随σy的减小而减小，因此，缺口的薄板的受拉伸其中心部分是两向拉伸的平面应力状态，缺口根部仍为单向拉伸应力状态。

有缺口厚板受拉伸作用后，在垂直于板厚方向的收缩变形受到约束，σz≠0 ，σ=υ（σx+σy），如图示。

在缺口根部为两向拉伸应力状态，缺口内侧为三向拉伸的平面应变状态，且σx>σy>σz。

当缺口内侧截面上局部区域产生塑变后，最大的应力已不在缺口根部，而是在其内侧一定距离ry处，该处σx最大，因此σy、σz最大。

越过塑变区与弹性区交界处，应力分布与前述的弹性变形状态的应力分布稍有不同，σx连续下降。

6、答：1）光滑圆柱试样轴向静拉伸试验：试样横截面均匀，整个截面的应力状态为均匀单向拉伸应力（若出现缩颈，则缩颈处承受三向拉伸应力），其特点是温度、应力状态和加载速率通常是确定的，通过试验可以揭示金属材料在静载下的力学行为，即弹性变形、塑性变形和断裂；测定最基本的力学性能指标，如屈服强度σ0.2、抗拉强度σb、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。

光滑圆柱试样轴向静拉伸试验是工业上应用最广泛的金属力学性能试验方法之一。

由于单向静拉伸的应力状态较硬，适用于塑变抗力与切断强度较低的塑性材料。

2）缺口试样轴向拉伸试验：由于缺口的存在，在轴向静载作用下，缺口截面上的应力状态发生变化，产生所谓“缺口效应”，即缺口引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件中所受的应力，由原来的单向应力状态改变为两向（薄板）或三向应力状态（厚板）和材料的强度增高，塑性降低。

无论塑性材料还是脆性材料，其机件上的缺口都因造成两向或三向应力状态和应力应变集中而产生变脆倾向，降低了使用的安全性，为评定不同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。

缺口静拉伸试验广泛用于研究高强度钢（淬火低温回火）的力学性能、钢和钛的氢脆以及研究高温合金的缺口敏感性等。

金属材料的缺口敏感性指标（NSR）用缺口试样的抗拉强度σbn与等截面尺寸光滑试样的σb之比表示。

7、答：1）布氏硬度试验的原理是用一定直径D(mm)的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力F(N)，将其压人试样表面，经规定保持时间t后卸除试验力，试样表面将残留压痕，用试验力F（单位：N）除以压痕球形表面积A所得的商，即布氏硬度值。

其特点如下：其优点是硬度值能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，不受个别组成相及微小不均匀性的影响。

适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度。

另一优点是试验数据稳定，重复性强。

缺点是对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径测量也较麻烦。

用于自动检测时受限2）洛氏硬度试验用圆锥角为120°的金刚石圆锥体或一定直径的小淬火钢球压入试样表面，测量压痕深度表示材料的硬度值。

洛氏硬度试验的优点：操作简便、迅速，硬度值可直接读出；压痕小，可在工件上直接进行试验；采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属和厚薄不易的试样的硬度。

其缺点：压痕小，代表性差；若材料中有偏析及组织部均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大。

用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。

3）维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力来计算硬度值。