工程材料力学性能试题(pdf 8页).pdf

2008 2009 学年第一学期期末考试试题答案及评分标准 材料力学性能 A 卷 共 8 页 考试时间 2009 年 1 月 13 日 一 填空题一 填空题 每空 0 5 分 共 20 分 1 e表示材料的 弹性极限 p表示材料的 比例极限 s表示材料的 屈 服强度 b表示材料的 抗拉强度 2 断口的三要素是 纤维区 放射区 和 剪切唇 微孔聚集型断裂的微 观特征是 韧窝 解理断裂的微观特征主要有 解理台阶 和 河流和舌状花 样 沿晶断裂的微观特征为 石状 断口和 冰糖块状 断口 3 应力 状态 系 数 值越 大 表示 应 力状态 越 软 材 料越容 易 产生 塑 性变 形和延性断裂 为测量脆性材料的塑性 常选用应力状态系数 值 大 的 实 验方法 如 压缩 等 4 在扭 转实验中 塑性材 料的断裂 面与试样 轴线 垂直 断口 平齐 这 是由 切 应 力造 成的 切 断 脆性 材料 的断 裂面 与试 样轴 线 450角 这是 由 正 应力造成的 正 断 与静拉伸试样的宏观断口特征 相反 5 材料截面上缺口的存在 使得缺口根部产生 应力集中 和 双 三 向应 力 试样的屈服强度 升高 塑性 降低 6 低 温 脆 性 常 发 生 在 具 有 体 心 立 方 或 密 排 六 方 结 构 的 金 属 及 合 金 中 而 在 面心立方 结构的金属及合金中很少发现 7 在 平 面 应 变 断 裂 韧 性 KIC的 测 试 过 程 中 对 试 样 的 尺 寸 为 2 2 5 IC s K B 2 2 5 IC s K a 2 2 5 IC s K Wa 其 中 B a W a 分 别 是 三 点弯 曲试 样的 厚度 裂 纹长 度和 韧带 长度 s是 材 料 的 屈 服 强 度 这 样 要求是为了保证裂纹尖端处于 平面应变 和 小范围屈服 状态 平面应变 状态下的断裂韧性KIC 小于 平面应力状态下的断裂韧性KC 8 按 断 裂寿 命 和 应力 水 平 疲 劳可 分为 高 周 疲 劳 和 低 周 疲 劳 疲 劳 断口的典型特征是 疲劳条纹 贝纹线 9 对材料的磨损 按机理可分为 粘着 磨损 磨粒 磨损 疲劳 磨损 腐蚀 磨损 冲蚀磨损和微动磨损等形式 二 判断题二 判断题 每小题 1 分 共 10 分 1 构件的刚度 Q 与材料的弹性模量 E 成正比 而与构件的横截面积 A 成反比 2 对机床的底座等构件 为保证机器的平稳运转 材料的弹性滞后环越大 越好 而对弹簧片 钟表等材料 要求材料的弹性滞后环越小越好 3 Bauschinger 效应是指经过预先加载变形 然后再反向加载变形时材料的弹性极限升高 的现象 4 鉴于弯曲试验的特点 弯曲试验常用于铸铁 硬质合金等韧性材料的性能测试 5 在韧性材料的冲击试样断口上 裂纹会在距缺口一定距离的试样内部萌生 而不是在 缺口根部 6 利用双原子模型计算出的材料理论断裂强度比实际值高出 1 3 个数量级 这是因为该 计算模型不正确 7 材料的低周疲劳行为 常通过 S N 曲线来表示 8 奥氏体不锈钢在硝酸盐溶液溶液中容易发生应力腐蚀开裂 9 晶粒与晶界两者强度相等的温度 称为等强温度 10 应力松弛是指高温服役的零件或材料在应力保持不变的条件下 其中的应变自行降 低的现象 三 单项选择题三 单项选择题 每小题 1 分 共 15 分 1 拉伸试样的直径一定 标距越长则测出的断面收缩率会 C a 越高 b 越低 c 不变 d 无规律可循 2 材料的弹性比功 可通过 B 来得到提高 a 提高抗拉强度 降低弹性模量 b 提高弹性极限 降低弹性模量 c 降低弹性极限 降低弹性模量 d 降低弹性极限 提高弹性模 3 单向压缩条件下的应力状态系数为 D a 0 5 b 1 0 c 0 8 d 2 0 4 从化学键的角度看 一价键材料的硬度变化规律是 A a 离子键 金属键 氢键 b 离子键 氢键 金属键 c 氢键 金属键 离子键 d 金属键 离子键 氢键 5 HRC 是 D 的一种表示方法 a 维氏硬度 b 努氏硬度 c 肖氏硬度 d 洛氏硬度 6 在缺口试样的冲击实验中 缺口试样的厚度越大 试样的冲击韧性越 C 韧脆 转变温度越 a 大 高 b 小 低 c 小 高 d 大 低 7 I 型 张开型 裂纹的外加应力与裂纹面 B 而 II 型 滑开型 裂纹的外加应 力与裂纹面 a 平行 垂直 b 垂直 平行 c 成 450角 垂直 d 平行 成 450角 8 平面应变条件下裂纹尖端的塑性区尺寸 B 平面应力下的塑性区 a 大于 b 小于 c 等于 d 不一定 9 对称循环应力的应力比 R 为 C a 0 b 1 c 1 d 10 KISCC表示材料的 C a 断裂韧性 b 冲击韧性 c 应力腐蚀破裂门槛值 d 应力场强度因子 11 黄铜容易在 C 溶液中发生应力腐蚀开裂 a 热碱溶液 b 氯化物溶液 c 氨水溶液 d 硝酸盐溶液 12 蠕变是指材料在 B 的长期作用下发生的塑性变形现象 a 恒应变 b 恒应力 c 恒加载速率 d 恒定频率 13 T t 表示给定温度 T 下 恰好使材料经过规定的时间 t 发生断裂的 B a 蠕变极限 b 持久强度 c 高温强度 d 抗拉强度 14 与干摩擦相比 加入润滑剂后摩擦副间的摩擦系数将会 B a 增大 b 减小 c 不变 d 不一定 15 纳米材料是指至少有一个维度的尺寸小于 C 的材料 a 1nm b 1 m c 100nm d 10nm 四 简答题四 简答题 每小题 4 分 共 28 分 1 解释形变强化的概念 并阐述其工程意义 答 拉伸试验中 材料完成屈服应变后 随应变的增加发生的应力增大的现象 称为形变强 化 材料的形变强化规律 可用Hollomon公式S K n描述 2 分 形变强化是金属材料最重要的性质之一 其工程意义在于 1 形变强化可使材料或零 件具有抵抗偶然过载的能力 阻止塑性变形的继续发展 保证材料安全 2 形变强化是工 程上强化材料的重要手段 尤其对于不能进行热处理强化的材料 形变强化成为提高其强度 的非常重要的手段 3 形变强化性能可以保证某些冷成形如冷拔线材和深冲成形等工艺的 顺利进行 2 分 2 简述布氏硬度试验方法的原理 计算方法和优缺点 答 a 测试原理 用一定的压力 P 将直径为 D 的淬火钢球或硬质合金球压入 试样表面 保 持 规定 的 时 间后 卸 除 压力 于 是在 试 件 表面 留 下 压痕 压 痕 的 直径和深度分别为 d 和 h 布氏硬度用单位压痕表面积 A 上所承受的平均压 力表示 2 分 b 计算方法 22 2 PPP HB ADh D DDd 1 分 c 优缺点 1 分 优点 1 分散性小 重复性好 能反映材料的综合平均性能 2 可估算材料的抗拉强度 缺点 1 不能测试薄件或表面硬化层的硬度 2 试验过程中 常需要更换压头和实验载荷 耗费人力和时间 3 解释平面应力和平面应变状态 并用应力应变参数表述这两种状态 答 对薄板 由于板材较薄 在厚度方向上可以自由变形 即0 z 这种只 在两个方向上存在应力的状态称为平面应力 2 分 对 厚 板 由 于 厚 度 方 向 变 形 的 约 束 作 用 使 得 方 向 不 产 生 应 变 即 0 z 这种状态称为平面应变 2 分 4 什么是低温脆性 并阐述低温脆性的物理本质 答 材料因温度的降低由韧性断裂转变为脆性断裂 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 断口特征由纤维状变为结晶状的现象 称为低温脆性或冷脆 2 分 低温脆性是材料屈服强度随温度的下降而急剧增加 但材料的断裂强度 f却随温度 变化较小的结果 2 分 5 某一高强钢在化学介质和外加载荷的共同作用下 常发生低应力脆断 试 从断口和电化学的角度 阐述如何区分钢的应力腐蚀与氢致延滞断裂 答 a 断口特征 2 分 断裂源位置宏观特征 微观特征 二次裂纹 应力腐蚀破裂 在表面上 颜色较暗 有腐蚀产物 较多 氢 脆 在表面下 断口光亮 无腐蚀产物 很少 b 电化学原理 2 分 应力腐蚀破裂 施加阳极极化电流时 会缩短产生裂纹的时间 氢 脆 施加阴极极化电流时 会缩短产生裂纹的时间 6 与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 与常温下力学性能相比 金属材料在高温下的力学行为有如下特点 1 材料在高温下将发生蠕变现象 即在应力恒定的情况下 材料在应力的持续作用下不 断地发生变形 1 分 2 材料在高温下的强度与载荷作用的时间有关了 载荷作用的时间越长 引起一定变形 速率或变形量的形变抗力及断裂抗力越低 1 分 3 材料在高温下工作时 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 因而在高温下材料的断裂 常为沿晶断裂 1 分 4 在恒定应变条件下 在高温下工作的材料还会应力松弛现象 即材料内部的应力随时 间而降低的现象 1 分 7 与常规晶粒材料相比 纳米材料的力学性能主要有哪些不同 答 纳米材料的力学性能与常规晶粒材料的不同之处在于 1 纳米材料的弹性模量较常规 晶粒材料的弹性模量降低了 30 50 2 纳米纯金属的硬度或强度是大晶粒 1 m 金属 硬度或强度的 2 7 倍 3 纳米材料可具有负的 Hall Petch 关系 即随着晶粒尺寸的减小 材料的强度降低 4 在较低的温度下 如室温附近脆性的陶瓷或金属间化合物在具有纳米 晶时 由于扩散的相变机制而具有塑性或是超塑性 4 分 五 推导题五 推导题 每小题 6 分 共 12 分 1 利用ollomon公式S K H l n 推导应力 应变曲线上应力达到最大值时开始 产生颈缩的条件 解 应力 应变曲线上的应力达到最大值时开始颈缩 在应力 应变曲线的最高点处有 1 分 0 AdSSdAdP 其中 P 和 S 分别是试样截面积为 A 时的载荷和真应力 由 于 颈 缩 开 始 前 试 样 的 变 形 是 均 匀 分 布 的 所 以 有 试 样 的 体 积 不 变 即 lA 常数 或 Adl ldA 0 并考虑到应变的定义 ddl 可得 ddl ldA A 1 分 由 dP 0 可得 d A dA S dS 1 分 所以S d dS 1 分 这就是颈缩判据 说明颈缩开始于应变强化速率 dS d 与真应力相等的时刻 由Hollomon公式S K n和应变强化指数n的定义得出 S n d dS 1 分 将颈缩条件S d dS 代入上式 得 n b 1 分 说明在颈缩开始时的真应变在数值上与应变强化指数 n 相等 2 已知某构件中存在长度为 2a0的中心穿透裂纹 构件材料的断裂韧性为 疲劳裂纹扩展的门槛值为 若该构件在最大应力为 的脉动应力 下 工 作 且 IC K th K 00th K Ka 试 用 疲 劳 裂 纹 扩 展 速 率 的 表 达 式 m KC dN da 推导该构件的剩余疲劳寿命Nc 解 对具有中心穿透裂纹的构件 I Ka 由于构件在最大应力为 的脉动应 力下工作 所以0 且由于 00 Ka th K 故可以利用 Paris 公式 m KC dN da 计算构件的剩余寿命 1 分 中心裂纹的初始长度为a0 而最终裂纹长度可根据求得 IC K ICc Ka 即 2 1 IC c K a 1 分 根据 Paris 公式 m KC dN da 而Kaa 则有 m da Ca dN 1 分 所以 2 2mmm da dN Ca 1 分 对上式进行积分 当 m 2 时 有 0 0 2 0 ln cc Na c c a aada NdN CaC 2 1 分 当 m 2 时 有 0 11 22 0 2 2 0 2 1 2 cc mm Na c c mmm a mm aada NdN m Ca C 1 分 六 计算题六 计算题 15 分 已知由某种钢材制作的大型厚板结构 属平面应变 承受的工作应力为 560MPa 板中心有一穿透裂纹 aKI 裂纹的长度为 2a 6mm 钢 料的性能指标如下表所示 温度 S MPa KIC MPa m1 2 50 1000 30 30 900 50 0 800 90 50 700 150 试求 a 该构件在哪个温度点使用时是安全的 b 该构件在 0 和 50 时的塑性区大小 R c 用作图法求出该材料的低温脆性转变温度TK 其中已知 2 2 1 S I y K r 平面应力 2 24 1 S I y K r 平面应变 2 2 1 1 S I a K 平面应力 2 24 1 1 S I a K 平面应变 解 已知 560MPa 裂纹长度为 2a 6mm 于是 a 0 003mm 构件为大型厚板结构 属平面应变 a 在 50 下 s 560 1000 0 5630 0 MPa m1 2 因此在 50 下是不安全的 在 30 下 s 560 900 0 62 0 6 于是有 2 24 1 1 S I a K 56 32 MPa m1 2 50 MPa m1 2 因此在 30 下是不安全的 在 0 下 s 560 800 0