工程材料力学性能专升本试题A

1、精选优质文档-倾情为你奉上20072008 学年第一学期期末考试试题答案及评分标准专心-专注-专业材料力学性能（A 卷共 7 页）（考试时间：2008 年 1 月 14 日）一、填空题（每空 0.5 分，共 15 分）1）弹 性 滞 后 环 是 由 于 材 料 的 加 载 线 和 卸 载 线 不 重 合 而 产 生 的 。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。2）材 料 的 断 裂 按 断 裂 机 理 分 可 分 为 微 孔 聚 集 型 断 裂 ， 解 理 断 裂 和 沿 晶断裂；按断裂前塑性变

2、形大小分可分为 延性 断裂和 脆性 断裂3） 单 向 拉 伸 条 件 下 的 应 力 状 态 系 数 为 0.5 ； 而 扭 转 和 单 向 压 缩 下 的 应 力 状态 系 数 分 别 为 0.8 和 2 .0 。应 力 状 态 系 数 越 大 ，材 料 越 容 易 产 生 延 性 (塑 性 )断裂。4）在 扭 转 试 验 中 ，塑 性 材 料 的 断 裂 面 与 试 样 轴 线 垂 直 ；脆 性 材 料 的 断 裂面 与 试 样 轴 线 成 45 0角 。5） 低 温 脆 性 常 发 生 在 具 有 体 心 立 方 结 构 的 金 属 及 合 金 中 ， 而 在 面 心 立方 结构的金属及

3、合金中很少发现。6) 根 据 裂 纹 体 所 受 载 荷 与 裂 纹 间 的 关 系 ， 可 将 裂 纹 分 为 张 开 （ 拉 伸 ） 型 裂纹、滑开（剪切）型裂纹和 撕开型裂纹等三种类型；其中 张开（拉伸）型裂纹是实际工程构件中最危险的一种形式。7）对 循 环 载 荷 ，常 用 最 大 应 力 、 最 小 应 力 、 平 均 应 力 、 应 力 半 幅 、和应力比等五个参量进行描述。7） 根 据 构 件 的 受 力 状 态 ， 环 境 敏 感 断 裂 可 分 为 应 力 腐 蚀 开 裂 ， 腐 蚀 疲 劳断裂 ， 腐蚀磨损 和微动腐蚀等类型。8）在 典 型 金 属 与 陶 瓷 材 料 的

4、蠕 变 曲 线 上 ，蠕 变 过 程 常 由 减 速 蠕 变 ，恒 速蠕变 和 加速蠕变 三个阶段组成。二、说明下列力学性能指标的意义（每小题 1 分，共 15 分）1) s p 比例极限2) s e 弹性极限3) s b 抗拉强度4)t s 扭转屈服强度5) s bb 抗弯强度6) HBW 压头为硬质合金球时的布氏硬度7) HK 显微努氏硬度8) HRC 压头为顶角 1200金刚石圆锥体、总试验力为 1500N的洛氏硬度9) KV 冲击韧性10) K IC 平面应变断裂韧性11) s R 应力比为R下的疲劳极限12) DKth 疲劳裂纹扩展的门槛值13) s SCC 应力腐蚀破裂的临界应力T

5、T给定温度 T 下，规定试验时间 t 内发生断裂的持久极限三、单项选择题（每小题 1 分，共 12 分）1）拉伸试样的直径一定，标距越长则测出的延伸率会（B）。a) 越大；b) 越小；c) 不变；d) 无规律可循2） 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（B）的现象。a) 升高；b) 降低；c) 不变；d) 无规律可循3）为使材料获得较高的韧性，对材料的强度和塑性需要（C）的组合。a) 高强度、低塑性；b) 高塑性、低强度；c) 中等强度、中等塑性；d) 低强度、低塑性4）与维氏硬度值可以互相比较的是（A）。a) 布氏硬度；b) 洛氏硬度；c)

6、莫氏硬度；d) 肖氏硬度5）在缺口试样的冲击试验中，缺口越尖锐，试样的冲击韧性（a) 越大；b) 越小；c) 不变；d) 无规律B）。6）双原子模型计算出的材料理论断裂强度比实际值高出 13 个数量级，是因为（C）。a) 模型不正确；b) 近似计算太粗太多；c) 实际材料有缺陷；d) 实际材料无缺陷7) 平面应变条件下裂纹尖端的塑性区尺寸（a) 大于；b) 小于； c) 等于； d) 不一定B）平面应力条件下的塑性区。8）在研究高周疲劳时，常通过控制（ Aa) 应力；b) 应变；c) 时间；d) 频率）的方式进行。9）奥氏体不锈钢在（B）溶液中容易发生应力腐蚀开裂。a) 高纯水；b) 氯化物溶

7、液；c) 氨水溶液；d) 硝酸盐溶液14) s d / t 给定温度 T 下，规定试验时间 t 内产生一定的蠕变伸长率的蠕变极限15) s t10）应力松弛是指高温服役的零件或材料在保持不变的条件下，其中的自行降低的现象。（B）a) 应力、应变；b) 应变、应力；c) 温度、应变；d) 温度、应力11）晶粒与晶界两者强度相等的温度，称为（C）。a) 冷脆转变温度；b) 玻璃化转变温度；c) 等强温度；d) 共晶温度12）细晶强化是非常好的强化方法，但不适用于（A）。a) 高温；b) 中温；c) 常温；d) 低温四、简答题（每小题 5 分，共 30 分）1）脆性和塑性材料的典型应力-应变曲线有哪

8、几种？并叙述曲线的主要特征及所属材料。答：典型的应力-应变曲线主要有以下两种：（1）脆性材料如玻璃、多种陶瓷、岩石，交联很好的聚合物、低温下的金属材料、淬火状态的高碳钢和普通灰铸铁等的应力应变曲线，在拉伸断裂前，只发生弹性变形，不发生塑性变形，在最高载荷点处断裂，形成平断口，断口平面与拉力轴线垂直。（ 1 分 ）（2）塑性材料的应力应变曲线：(a)对调质钢和一些轻合金，它们的应力应变曲线可分为：弹性变形阶段、发生屈服、应变强化或加工硬化阶段、缩颈阶段、断裂等阶段；断裂后形成杯状断口。(b)退火低碳钢和某些有色金属材料，应力-应变曲线上具有明显的屈服点、屈服平台等特征。(c)对某些塑性较低的金属

9、如铝青铜、和形变强化能力特别强的金属如ZGMn13等材料，应力应变曲线上不出现颈缩的，只有弹性变形阶段和均匀塑性变形阶段。(d)对某些低溶质固溶体铝合金及含杂质的铁合金材料，在应力应变曲线上回出现多次局部失稳或齿形特征。（ 4分 ）2）简述洛氏硬度试验方法的原理、计算方法和优缺点。答：洛氏硬度试验方法的原理是以一定的压力（600N、1000N、1500N）将顶角为 1200的金 表示材料的硬度。（2 分）洛氏硬度的计算方法为： 1）对以金刚石圆锥体为压头、总试验力为 1500N 的 C 标尺，有 HRC=100-e/0.002； 2）对以钢球为压头、总试验力为 600N 和 1000N 的 A

10、 和 B 标尺，有HRA(B)=130-e/0.002。（1 分）洛氏硬度试验的优点是： 1）因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题。 2）因为硬度值可从硬度机的表盘上直接读出，故测定洛氏硬度更为简便迅速，工效高。 3）对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质量检验。 4）因加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。（1 分）洛氏硬度的缺点是：（1）洛氏硬度存在人为的定义，使得不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较，不象布氏硬度可以从小到大统一起来。 2）由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织的不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差，因而不适用具有粗

11、大组成相(如灰铸铁中的石墨片)或不均匀组织材料的硬度测定。（1 分）刚石圆锥体压头或直径为1/16 1/ 2 的钢球压入试样表面，以残留于表面的压痕深度e来（ （3）材料的厚度或截面尺寸对材料的断裂韧性有什么影响？在 平 面 应 变 断 裂 韧 性 K I C的测试过程中，为了保证裂纹尖端处于平面应变和小范围屈服状态，对试样的尺寸有什么要求？答：材料的断裂韧性随材料厚度或截面尺寸的增加而减小，最终趋于一个稳定的最低值，即平 面 应 变 断 裂 韧 性 K I C 。（ 2 分 ）为 保 证 裂 纹 尖 端 处 于 平 面 应 变 和 小 范 围 屈 服 状 态 ， 对 试样在 z 向的厚度 B

12、、在 y 向的宽度 W 与裂纹长度 a 之差（即 W-a，称为韧带宽度）和裂纹长度 a 设计成如下尺寸Ba(W - a)2（3 分）4）材料的应力腐蚀开裂具有哪些主要特征？答：应力腐蚀开裂具有以下特点：(1)造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力。(2)应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，没有明显的塑性变形。(3)只有在特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成应力腐蚀。(4)应力腐蚀的裂纹扩展速率般在 10-910-6m/s，有点象疲劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂。(5)应力腐蚀的裂纹多起源于

13、表面蚀坑处，而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴。(6)应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物。(7)应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。(8)应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是晶间断裂。（ 5 分 ）5）简述控制材料摩擦磨损的方法答：对材料的摩擦磨损，其控制方法如下：（1）润滑剂的使用：在相对运动的摩擦接触面之间加入润滑剂，使两接触表面之间形成润滑膜，变干摩擦为润滑剂内部分子间的内摩擦，从而达到减少摩擦表面摩擦、降低材料磨损的目的。（1 分）（2）摩擦材料的选择：根据摩擦的具体工况(载荷、速度、温度、介质等)，选择合理的摩擦副材料（减摩、摩阻、耐磨），也可达到降低材料摩擦磨损的目的。

14、（2 分）（3）材料的表面改性和强化：利用各种物理的、化学的或机械的工艺手段如机械加工强化处理、表面热处理、扩散处理和表面覆盖处理，使材料表面获得特殊的成分、组织结构与性能，以提高材料的耐磨性能。（2 分）6）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 K IC 2.5 s s 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(1m)金属硬度或强度的 27 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

15、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。（ 5 分 ）五、推导题（每小题 8 分，共 16 分）1）对静载拉伸实验，试根据体积不变条件及延伸率、断面收缩率的概念，推导均匀变形阶段材料的延伸率 与断面收缩率 的关系式。解：假设均匀变形前，材料的长度和截面积分别为 l0 、 A0 ；变形后材料的长度和截面积变化为 l 、 A 。根据延伸率、断面收缩率的定义： d =l - l0l0，y =A0 - AA0（1分）在均匀变形阶段，由变形前后体积不变的条件 l0 A0 = lA 得：（1分）l = l0 + Dl = l0 (1 +Dll0) =

16、l0 (1 + d )（1分）A = A0 - DA = A0 (1 -DAA0) = A0 (1 -y )（1分）于是，可推出材料的延伸率与断面收缩率间的关系：1 + d =11 -y（2分）或 d =y1 -y（1分）上式表明，在均匀变形阶段恒大于y 。 （1 分）2）在原子平衡间距为 a 的理想晶体中，两原子间的作用力 s 与原子相对位置变化 x的关系为 s = s m sin2p xl。如晶体断裂的表面能为g，弹性模量为 E ，试推导晶体发生断裂的理论断裂强度 s m 。解: 材料的理论结合强度，应从原子间的结合力入手，只有克服了原子间的结合力，材料才能断裂。两个原子面的作用力如下图所

17、示。克服了原子之间作用力的最大值，即可产生断裂。这一最大值即为理论断裂强度 s m 。（应力ama面间距x为了简单、粗略地估计材料的理论强度，可假设用波长为 l 的正弦波来近似原子间约束力随原子间距离 x 的变化。得出s = s m sin2p xl（1）式中 s m 为使原子分开时所需的最大应力即理论断裂强度。材料的断裂是在拉应力作用下，沿与拉应力垂直的原子被拉开的过程，在这一过程中，为使断裂发生，必须提供足够的能量以创造两个新表面。令表面能为 2 g ，意味着外力作功消耗在断口的形成上的能量至少等于 2 g 。即外力功与断口的表面能相等。因此有：l /20s m sin2p xldx =l

18、s mp=2 gs m = 2pg / l（2）（2 分）注意到材料在低应力作用下应该是弹性的，在这一条件下 sinxx，同时，曲线开始部分近似为直线，服从虎克定律，有：s = Ex / a（3）（2 分）式中 b 为平衡状态时原子间距，E 为弹性模量，由式（1）和（3）得：由式（2）和（4）得：=a=Exa（4）（2 分）s m =Ega（2 分）六、计算题（12 分）在 无 限 大 厚 板 的 中 心 有 一 穿 透 裂 纹 2 a 0 =2 .0 mm， 设 板 受 垂 直 于 裂 纹 的 交变应力，其中最大应力s max = 210MPa ，最小应力 s min = -50MPa 。 已 知 板 材 的K IC = 60MPa m ， DK th = 6.0MPa m ； Paris 公 式 中 的 参 数 C =4*10 - 1 2 、2p x 2p xs m2ps m E=1.5板的剩余疲劳寿命。解：已知 2 a 0 =2 .0 mm， a 0 =1.0mm= 0.001ms max = 210MPa ， s min = -50MPa 。 因 s min 0，于是 Ds 210M