工程材料力学试题

1、20082009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（B卷共8页）（考试时间：2009年1月13日）一、填空题（每空0.5分，共24分）1）在材料的完整弹性变形中，加载的应力-应变曲线与卸载曲线完全重合；而对不完整的弹性变形，存在着弹性后效、弹性滞后、包申格效应等弹性变形时加载线与卸载线不重合的现象。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；按断裂前塑性变形大小分可分为延性断裂和脆性断裂。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）单向拉伸条件下的应力状态系数为0.5；

2、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）测定材料硬度的方法主要有压入法、回跳法和刻划法；其中压入硬度法又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、和努氏硬度等。5)根据裂纹体所受载荷与裂纹间的关系，可将裂纹分为张开型裂纹、滑开型裂纹和撕开型裂纹等三种类型；其中张开型裂纹是实际工程构件中最危险的一种形式。6）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）材料的环境敏感断裂，可按材料或零件受力的性质划分为应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳断裂、腐蚀磨损和微动腐蚀等形式。在应力腐蚀断裂中材料与介质的组合是特定的；

3、在腐蚀疲劳断裂中材料会在任何介质中出现。8）材料长期在高温条件下时，在恒应力下发生的塑性变形现象称作蠕变。9）按照磨损机理，磨损包括粘着磨损，磨粒磨损，疲劳磨损，腐蚀磨损，微动磨损和冲蚀磨损等六种基本类型。10）根据维度，纳米材料可分原子团簇、纳米微粒等0维纳米材料，纳米线等1维纳米材料，纳米薄膜等2维纳米材料，及纳米块体等3维纳米材料。二、说明下列力学性能指标的意义（每小题1分，共10分）5）HBW：压头为硬质合金球时的布氏硬度6）KV ：V型缺口试样的冲击韧性7）：应力比为R下的疲劳极限8）：应力腐蚀破裂的临界应力9）：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10）：给

4、定温度T下，规定试验时间t内不发生断裂的持久强度极限三、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）下述断口哪一种是延性断口（D）。a)穿晶断口；b)沿晶断口；c)河流花样；d)韧窝断口3）在单向拉伸、扭转与单向压缩实验中，应力状态系数的变化规律是（C）。a)单向拉伸扭转单向压缩；b)单向拉伸单向压缩扭转；c)单向压缩扭转单向拉伸；d)扭转单向拉伸单向压缩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）与

5、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)莫氏硬度；d)肖氏硬度6）在缺口试样的冲击实验中，缺口越尖锐，试样的冲击韧性（B）。a)越大；b)越小；c)不变；d)无规律7）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8）材料的断裂韧性随板材厚度或构件截面尺寸的增加而（A）。a)减小；b)增大；c)不变；d)无规律9）在研究低周疲劳时，常通过控制（B）的方式进行。a)应力；b)应变；c)时间；d)频率10）KISCC表示材料的（C）。a)断裂韧性；b)冲击韧性；c)应力

6、腐蚀破裂门槛值；d)应力场强度因子11）在高温高压下，氢与钢中的碳发生反应生成甲烷气体，从而导致钢的塑性降低，这种现象叫做（B）。a)氢化物脆性；b)氢蚀；c)白点；d)氢致滞后断裂12）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、应力四、简答题（每小题4分，共24分）1）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的金刚石圆锥体压头或一定直径的小淬火钢球（或硬质合金球）压入试样表面，以残留于表面的压痕深度e

7、来表示材料的硬度。（1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

8、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，不像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）2）哪些材料易表现出低温脆性？工程上常用哪些方法评定材料的低温脆性？答：与面心立方金属相比，体心立方金属材料如中低强度钢等，容易表现出低温脆性。（2分）在工程上，常用能量准则、断口形貌准则、断口变形特征准则等评价材料的低温脆性敏感性。（2分）3）缺口会引起哪些力学响应？如何评定材料的缺口敏感性？答：材料截面上缺口的存在，使得在缺口的根部产生应

9、力集中、双向或三向应力、应力集中和应变集中，并试样的屈服强度升高，塑性降低。（2分）材料的缺口敏感性，可通过缺口静拉伸、偏斜拉伸、静弯曲、冲击等方法加以评定。（2分）4）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KIC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，因此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、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：5）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

10、：(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，有点像疲劳，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。（4分

11、）6）高周疲劳与低周疲劳的区别是什么？并从材料的强度和塑性出发，分析应如何提高材料的抗疲劳性能？答：高周疲劳是指小型试样在变动载荷（应力）试验时，疲劳断裂寿命高于105周次的疲劳过程。高周疲劳试验是在低载荷、高寿命和控制应力下进行的疲劳。而低周疲劳是在高应力、短寿命、控制应变下进行的疲劳过程。（2分）对高周疲劳，由于承受的载荷较小、常处于弹性变形范围内，因而材料的疲劳抗力主要取决于材料强度。于是提高材料的强度就可改善材料的高周疲劳抗力。而对低周疲劳，承受的载荷常大于材料的屈服强度、处于塑性变形内，因而材料的疲劳抗力主要取决于材料的塑性。于是增加材料的塑性，可提高材料的低周疲劳抗力。（2分）五、推导题（每小题8分，共16分）为了简单、粗略地估计材料的理论强度，可假设用波长为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：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，意味着外力作功消耗在断口的形成上的能量至少等于。即外力功与断口的表面能相等。因此有：注意