第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能.doc

第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能1. 解释下列名词：(1) 弹性比功 (2) 滞弹性 (3) 循环韧性 (4) 包申格效应 (5) 解理面 (6) 解理台阶 (7) 穿晶断裂 (8) 沿晶断裂 (9) 刚度 (10) 强度 (11) 塑性 (12) 韧性 (13) 形变强化2. 说明下列力学性能指标的意义：(1) E (2) r、0.2、s (3) b (4) n (5) 、gt、3. 对拉伸试件有什么基本要求？为什么？4. 为什么拉伸试验又称为静拉伸试验？拉伸试验可以测定哪些力学性能？5. 试件的尺寸对测定材料的断面收缩率是否有影响？为什么？6. 试画出示意图说明：脆性材料与塑性材料的应力-应变曲线有何区别？高塑性与低塑性材料的应力-应变曲线又有何区别？7. 工程应力-应变曲线上b点的物理意思？说明b点前后试样变形和强化特点？8. 脆性材料的力学性能用哪两个指标表征？脆性材料在工程中的使用原则是什么？9. 何谓材料的弹性、强度、塑性和韧性？10. 试画出连续塑性变形强化和非连续塑性变形强化材料的应力-应变曲线？两种情况下如何根据应力-应变曲线确定材料的屈服强度？11. 何谓工程应力和工程应变？何谓真应力与真应变？两者之间有什么定量关系？12. 拉伸图、工程应力-应变曲线和真实应力-应变曲线有什么区别？13. 颈缩发生后如何计算真应力和真应变？如何根据材料的拉伸性能估算材料的断裂强度？14. 现有d0=10mm的圆棒长试样和短试样各一根，测得其延伸率10与5均为25%，问长试件和短试件的塑性是否一样？15. 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？16. 今有45、40Cr、35CrMo钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作机床床身？为什么?17. 试述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？18. 试述断面收缩率和断后延伸率两种塑性指标评定金属材料塑性的优缺点？19. 试述韧性断裂和脆性断裂的区别？为什么韧性断裂最危险？20. 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？21. 在什么条件下易出现沿晶断裂？怎么样才能减小沿晶断裂的倾向？22. 何谓拉伸断口特征三要素?影响宏观拉伸断口形态的因素有哪些？23. 试证明，滑移面相交产生微裂纹的柯垂耳机理对fcc金属而言在能量是不利的。24. 通常纯铁的s=2J/m2，E=2105MPa，a0=2.510-10m，试求其理论断裂强度m。25. 试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。26. 若一薄板物体内部存在一条长3mm的裂纹，且a0=310-8cm，试求脆性断裂时的断裂应力。（设m=0.1E=2105MPa）27. 有一材料E=21011N/m2，s=8N/m。试计算在7107 N/m2的拉应力作用下，该材料中能扩展的裂纹之最小长度？28. 断裂强度与抗拉强度的区别？29. 有哪些因素决定韧性断口的宏观形貌？30. 由Hall-Petch关系式和解理断裂表达式讨论晶粒尺寸细化在强韧化中的作用。31. 一铝合金制轻型人梯，发觉在人体重作用下弹性挠度过大。若欲在不增加梯子总量的情况下减少挠度，试问下列方法是否可行？(1)采用时效铝合金，提高材料强度；(2)改用镁合金代替铝合金（EMg=4.31010N/m2，Mg=1.74g/cm3；EAl=71010N/m2，Al=2.7g/cm3）；(3) 重新设计，改变铝合金型材的截面形状尺寸。32. 提高金属材料屈服强度有哪些方法？试用已学过的专业知识就每种方法各举一例。33. 产生颈缩的应力条件是什么？要抑制颈缩的发生有哪些方法？34. 今有直径为10mm的正火态60Mn拉伸试样，其试验数据如下（d=9.9mm为屈服平台刚结束时的试样直径）；P/KN 39.5 43.5 4.76 52.9 55.4 54.0 52.4 48 43.1d/mm 9.91 9.87 9.81 9.65 9.21 8.61 8.21 7.41 6.71试求：(1) s、b、SE、Sk(2) b、k、Eb、Ek(3) n和k(4) 绘制条件应力-应变曲线和真实应力-应变曲线（未修正）35. 为什么材料中的第二相数量、尺寸和形状会影响断裂时的塑性大小？36. 块状Al2O3和SiC的抗拉强度分布为262MPa和299MPa，而抗压强度分布为2600MPa和2000MPa，试解释产生这么大的差别的原因？Al2O3和SiC纤维的抗拉强度分布为2100MPa和8300MPa，为何比块状抗拉强度高许多？37. 宏观脆性断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？38. 试述微孔聚集断裂的全过程，若材料的基体塑性相同，第二相质点密度大小对断口中韧窝的大小和深浅有何影响？39. 临界断裂应力与抗拉强度有何区别？40. 在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样才能减小沿晶断裂倾向？41. 某汽车弹簧，在为装满载时已变形到最大位置，缺载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。42. 减轻汽车重量对降低燃油消耗有很重要的作用。汽车车身或底盘约占汽车总重量的60%。底盘的主要尺寸是按比刚度来确定的，铝合金的比刚度比钢（低合金高强度钢）大，为什么汽车车身一般用钢而不用铝合金，除了生产成本之外，还有什么必须考虑的重要因素？第二章 扭转、弯曲和压缩1. 说明下列力学性能指标的意义：（1） bc；（2）bb；（3）s；（4）b；（5）HRC；（6）HRB；（7）HV；2. 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。3. 如何根据实际应用条件来选择恰当的试验方法（单向拉伸、扭转、弯曲、压缩和剪切试验）衡量材料的性能？4. 试述脆性材料弯曲试验的特点及其应用。5. 为什么灰口铸铁的拉伸断口与拉伸轴垂直，而压缩断口却与压缩力轴成45角？6. 能否根据扭转试验中试样的断口特征分析引起开裂的力的特征？7. 哪些材料适合进行抗弯试验？抗弯试验的加载形式有哪两种？各有何优缺点？8. 为什么拉伸试验时所得的条件应力应变曲线位于真实应力应变曲线之下，而压缩试验时正好相反？9. 为什么说金属的弹性模量是一个对组织较不敏感的力学性能指标？哪些因素对弹性模量会有较明显的影响？10. 条件比例极限和条件屈服极限都表达了拉伸过程中非线性行为的开始，为什么残余变形法基本上是合理的？你能找到残余变形法有什么缺陷吗？11. 如何根据多晶体材料的强度估算该材料的单晶体的屈服强度？试解释其中的物理过程。12. 今有45，35CrMo钢和灰口铸铁，应采用哪种材料做机床床身，给出你选择的理由？13. 材料为灰铸铁，其试样直径d=30mm，原标距长度h0=45mm。在压缩试验时，当试样承受到485KN压力时发生破坏，试验后长度h=40mm。试求其抗压强度和相对收缩率。14. 今欲用冲床从某种薄钢板上冲剪出一定直径的孔，在确定需多大冲剪力时应采用材料的哪种力学性能指标，采用何种试验方法测定它？15. 试述弹性极限，比例极限和屈服强度的意义、区别与测定方法。16. 用于解释多晶体金属产生明显物理屈服的柯氏气团理论和位错增殖理论的基本思想是怎样的？17. 多晶体金属的晶粒尺寸对材料的强度和塑性有怎样的影响？18. 试述常见的几种弹性不完整现象的特征及产生的条件。19. 试举例说明金属的形变强化现象在工程技术的应用方面有何实际的意义？20. 已知300CrMnSi淬火后200回火，其宏观正断抗力f为3236MPa，屈服抗力s=745MPa，试问它在三向拉伸（S1=S2=+S, S3=0.75S），单向拉伸、扭转、三向压缩（S1=S2=-0.3S, S3=-S）下各发生何种形式破坏？（泊松比=0.25）21. 今有以下各种材料，欲评定材料在静载条件下的力学行为，给定测试方法有单向拉伸、单向压缩、弯曲、扭转和硬度五种，试对给定的材料选定一种或两种最佳的测试方法。材料：低碳钢、灰铸铁、高碳工具钢（经淬火低温回火）、结构陶瓷、热塑性材料。22. 为什么低强度高塑性材料的切口敏感度小，高强度塑性材料的切口敏感度大，而脆性材料是完全切口敏感的？第三章 冲击韧性及低温脆性1. 解释下列名词：（1） 冲击韧度；（2）冲击吸收功；（3）低温脆性；（4）韧脆转变温度；2. 说明下列力学性能指标的意义：（1） AK、AKV和AKU；（2）FATT50；（3）NDT；（4）FTE；（5）FTP3. 现需检验以下材料的冲击韧性，问哪些材料要开缺口？哪些材料不要开缺口？W18Cr4V，Cr12MoV，3Cr2W8V，40CrNiMo，30CrMnSi，20CrMnTi，铸铁4. 为什么通常体心立方金属显示低温脆性，而面心立方金属一般没有低温脆性？5. 缺口冲击韧性为什么被裂纹材料常规性能的五大指标之一，怎样正确理解冲击韧性的功能：（a）它是控制工艺的性能指标；（b）它是服役性能的指标；（c）两者兼有之，但要具体分析。你对上述说法有何评论？冲击韧性性能理解为材料抵抗冲击载荷而不发生破坏的能力吗?6. 缺口冲击韧性试验能评定哪些材料的低温脆性？哪些材料不能用此方法检验和评定？这种试验方法本身在防止材料脆断方面有何局限性？7. 细化晶粒尺寸可以降低脆性转变温度或者说改善材料低温脆性。为什么？8. 试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。9. 试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。10. 下列三组试验方法中，请举出每一组中哪种试验方法测得的tk较高？为什么？（1）拉伸和扭转；（2）缺口静弯曲和缺口冲击弯曲；（3）光滑试样拉伸和缺口试样拉伸11. 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呢？12. 简述根据韧脆转变温度分析机件脆断失效的优缺点。13. 简述冲击载荷作用下材料变形与断裂的机理与过程。14. 什么是冲击韧性？用于测定冲击韧性的试件有哪两种主要形式？测定的冲击韧性如何表示？两种缺口的冲击韧性是否具有可比性？15. 缺口冲击韧性被列为材料的五大常规性能指标之一，如何理解冲击韧性的物理意义？冲击韧性值在工程中有什么实用价值？16. 为什么切口冲击试验被广泛地用于金属性能的测试？在实际的工程应用中，某种材料的冲击韧性值的应用必须十分谨慎，为什么？17. 在韧性材料的冲击试样断口上，为什么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？18. 什么是低温脆性？在哪些材料中容易发生低温脆性？低温脆性的物理本质是什么？19. 用光滑试样的静拉伸试验也可能观察到金属材料的冷脆现象，但为什么评定tk中都采用缺口试样的冲击试验？光滑试样和缺口试样的韧脆转变温度有何关系？20. 在Ak-T曲线，tk可以用多种特征温度来定义，试列举其中主要的三种定义，对大型工件为什么宜进行落锤试验和FAD等分析。21. 简述影响冲击韧性和冷脆转变温度的内在与外在因素、及其变化规律。第四章 断裂力学与断裂韧性1、试写出在单轴应力、平面应力和平面应变条件下的虎克定律。2、有一各向同性平板放在x-y平面内，仅受到x-y平面内的载荷作用，问此时平板的厚度是否会因受力而改变？在何种条件下厚度不会改变，是平面应力状态还是平面应变状态？3、什么是平面应力状态，什么是平面应变状态？为什么平面应变情况下最容易脆断？4、解释下列名词：（1）低应力脆断；（2）张开型裂纹；（3）应力场和应变场；（4）应力强度因子KI；（5）小范围屈服；（6）塑性区；（7）有效屈服应力；（8）有效裂纹长度；（9）裂纹扩展K判据；（10）裂纹扩展能量释放率GI；（11）裂纹扩展G判据；（12）J积分；（13）裂纹扩展J判据；（14）COD；（15）COD判据；（16）韧带。5、说明下列断裂韧度指标的意义及其相互关系：（1）KIC和KC；（2）GIC；（3）JIC；（4）C6、试述低应力脆断的原因及防止方法。7、为什么研究裂纹扩展的力学条件时不用应力判据而用其他判据？8、试述应力场强度因子的意义及典型裂纹KI的表达式？9、试述K判据的意义及用途。10、试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素。11、试述塑性区对KI的影响及KI的修正方法和结果。12、使用Griffith模型推导GI和G判据。13、简述J积分的意义及其表达式。14、简述COD的意义及其表达式。15、试试KIC的测试原理及其对试样的基本要求。16、试述KIC与材料强度、塑性之间的关系。17、试述KIC和AKV的异同及其相互之间的关系。18、试述影响KIC的冶金因素。19、有一大型板件，材料的0.2=1200MPa，KIC=115MPam1/2，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？20、有一轴件平均轴向工作应力150MPa，使用中发生横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c可以确定=1，测试材料的0.2=720MPa，试估算材料的断裂韧度KIC是多少？21、有一构件制造时，出现表面半椭圆裂纹，若a=1mm，在工作应力=1000MPa下工作，应该选什么材料的0.2与KIC配合比较合适？构件材料经不同热处理后，其0.2和KIC的变化列于下表。0.2/MPa11001200130014001500KIC/MPam1/21109575605522. 设有屈服强度为415MPa，断裂韧性KIC为132MPam1/2，厚度分布为100mm和260mm的两块很宽的合金钢板，如果板都受500MPa的拉应力作用，并设板内部有长为46mm的中心穿透裂纹，试问此两板内裂纹是否都扩展？23. 一块无限大板，远处的应力为350MPa，板中心有一长为5/cm的穿透裂纹，材料的屈服强度为500MPa，求（a）裂纹顶端处的应力强度因子，（b）裂纹顶端处的塑性区尺寸。（c）讨论上述情况下塑性区修正的有效性。24. 物体内部有一圆盘状尖锐深埋裂纹，直径2.5cm，当作用的应力为700MPa时，物体发生断裂事故，求：（a）材料的断裂韧性是多少？（假设满足平面应变条件。）（b）若用这种材料制成一块厚度t=0.75cm，裂纹半长a=3.75cm的板作断裂韧性试验，问测得的断裂韧性值是否有效？（设材料的屈服强度为1100MPa。）（c）测得有效KIC的厚度是多少？25. 低合金钢厚板的断裂韧性在-20时的GIC=5.110-2MN/m，GIC值随温度成比例地减小，每下降10，降低1.310-2MN/m，如果这块板上有长度为10mm的裂纹，问在-50时的断裂应力C是多少？（E=2105MN/m2，=0.3）26. 试比较材料的冲击韧性和断裂韧性这两个性能指标，它们有哪些相似的地方？为什么有这种定性的变化关系？在工程应用上断裂韧性是否可以完全代替冲击韧性，还是两者有互补作用，因而需同时采用它们？27. 用三点弯曲试样测定平面应变断裂韧性KIC时，所用试样的尺寸为b=30mm，w=60mm，S=240mm预制疲劳裂纹（包括机械缺口）的深度a=32mm，P5=56KN，Pmax=60.5KN，试计算条件断裂韧性KQ，并检查KQ值是否有效？（材料0.2=1340MPa）。28. 随着结构的大型化，设计应力水平的提高、高强度材料的应用、焊接工艺的普遍采用以及服役条件的严酷化，试说明在传统强度设计的基础上，还应进行断裂力学设计的原因。29. 对实际金属材料而言，裂纹顶端形成塑性区是不可避免的，由此对线性弹性断裂力学分析带来哪些影响。反映在KIC试验测定上有何具体要求。30. 设某压力容器周向应力=1400MPa，采用焊接工艺后可能有纵向表面裂纹（半椭圆）a=1mm，a/c=0.6，现可以选用的两种材料分布有如下性能：A钢0.2=1700MPa，KIC=74；B钢0.2=2100MPa，KIC=47。试从防止低应力断裂考虑，应选用哪种材料。（提示：参考有关半椭圆表面裂纹，而且还要考虑到塑性修正的应力场强度因子KI表达式）31. 线弹性断裂力学建立了新的断裂判据，试举例说明它在工程中的应用。32. 一块含有长为16mm中心穿透裂纹的钢板，受到350MPa垂直作用于裂纹平面的应力作用。（1）如果材料的屈服强度是1400MPa，求塑性区尺寸和裂纹顶端有效应力场强度因子值；（2）如果材料的屈服强度为385MPa，求塑性区尺寸和裂纹顶端有效应力场强度因子值；（3）试比较和讨论上述两种情况下，对应力场强度因子进行塑性修正的意义。33. 某钢的屈服强度1380MPa，CT试样W=50.8mm，B=12.96mm，a=25.4mm，断裂发生时PQ=Pmax=15.03KN（对应P-V曲线）。（a）计算断裂时KQ，（b）KQ值是否为KIC值,(c)断裂时的塑性区尺寸。34. 可采用怎样的技术措施提高材料的断裂韧性KIC值？第五章 金属的疲劳1、用哪几个参数表示应力的循环特征？2、疲劳寿命曲线如何测定？如何定量地表示？3、什么是低周疲劳、高周疲劳？什么是应力疲劳、应变疲劳?4、工程中如何定义疲劳极限？如何测定？5、循环应力比或平均应力对疲劳寿命和疲劳极限有何影响？如何定量地表示应力比对疲劳寿命和理论疲劳极限的影响？6、试述疲劳曲线（S-N）及疲劳极限的测试方法。7、试述疲劳图的意义、建立及用途。8、某结构钢布氏硬度为400，疲劳极限420MPa，在使用中承受应力峰值900MPa，谷值600MPa交变载荷作用，问能否安全使用到107cycles？9、应力集中对疲劳寿命和疲劳极限有何影响？疲劳切口敏感度如何评估？10、疲劳失效过程可分成哪几个阶段？并简述各阶段的机制。11、应变疲劳公式有几种形式？各有何优缺点？如何根据拉伸性能估算应变疲劳曲线？12、零件的疲劳寿命由哪两部分组成？简述用应变疲劳数据估算疲劳裂纹形成的基本思想和过程，以及所需要的材料性能数据。13、疲劳裂纹扩展速率如何测定？简述其过程和数据处理方法。14什么是裂纹扩展门槛值？它有什么实用价值？15、常用的疲劳裂纹扩展速率公式是Paris公式，有何优缺点？16、如何降低裂纹扩展速率，以延长零件的裂纹扩展寿命？17、如何理解材料的拉伸性能（弹性模量，强度，塑性）对疲劳裂纹扩展速率的影响？18、提高零件的疲劳寿命有哪些方法？试就每种方法各举一应用实例，并对这种方法具体分析，其在抑制疲劳裂纹的萌生中起有益作用，还是在阻碍疲劳裂纹扩展中有良好的效果？19、说明材料在循环载荷下寿命预测的原理。20、比较疲劳裂纹扩展与临界裂纹扩展的异同。21、缺口零件的寿命分析一般与材料的低周疲劳特性有关，为什么？22、疲劳断口和静拉伸断口有何不同？在什么情况下可以预期疲劳断口在肉眼观察下和静拉伸断口相似？如何从断口上判断载荷的大小和应力集中情况。23、试从疲劳破坏特点解释一下疲劳宏观规律（a）一般金属材料，无论何种处理状态，其疲劳极限-1=0.3-0.5b，总低于静载下的屈服强度。（b）为什么无缺口轴向疲劳极限一定比无缺口旋转弯曲疲劳极限低10%-25%？试举几个有影响的因素。（c）完全对称循环与不对称应力循环相比，为什么-1是最低的疲劳强度，而应力比R越大可承受的最大应力max越高，或者在相同的max情况下，疲劳寿命越长？第六章 环境介质中的力学性能1. 解释下列名词（1）应力腐蚀（2）氢蚀（3）白点（4）氢化物致脆（5）氢致延滞断裂2. 试述金属产生应力腐蚀的条件及机理。3. 分析应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt与KI关系曲线，并与疲劳裂纹扩展速率曲线进行比较。4. 何谓氢致延滞断裂？为什么高强度钢的延滞断裂是在一定的应变速率下和一定的温度范围内出现？5. 试述区别高强度钢的应力腐蚀与氢致延滞断裂的方法。6. 有一M24栓焊桥梁用高强度螺栓，采用40B钢调质成，抗拉强度为1200MPa，承受拉应力650MPa。在使用中，由于潮湿空气及雨淋的影响发生断裂事故。观察断口发现，裂纹从螺纹根部开始，有明显的沿晶断裂特征，随后是快速脆断部分。断口上有较多腐蚀产物，且有较多的二次裂纹。试分析该螺栓产生断裂的原因，并考虑防止这种断裂的措施。7. 如何判断某一零件的破坏是由应力腐蚀引起的?8. 如何识别氢脆与应力腐蚀？9. 为什么高强