20082009工程材料力学性能试题A

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130）一、填空题（每空0.5分，共20分）1）6表示材料的弹性极限；表示材料的比例极限；6表示材料的屈服强度；6表示材料的抗拉强度。2）断门的三要素是纤维区、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a值越人，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a值丿、的实验方法，如压缩等。4）在扭转实验中，塑性材料的断裂而与试样轴线垂直，断LI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45^角，这是由正应力造成的正断o与静拉伸试样的宏观断口特征相反°5）材料截面上缺II的存在，使得缺LI根部产生应力集中和双（三）向应力，试样的屈服强度升高,犁性降低。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,而在而心立方结构的金属及合金中很少发现。7）在平而应变断裂韧性Kic的测试过程中，对试样的尺寸为3>2.5（仝£尸；a22.5（仝E）2;（炉一a）>2.5（鱼尸，其中方、°、（W-a）分别是三点弯曲试样的厚度、裂纹长度和韧带长度，6是材料的屈服强度；这样要求是为了保证裂纹尖端处平而应变和小范围屈服状态；平面应变状态卜•的断裂韧性Kic小于平面应力状态F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（每小题1分，共10分）1）构件的刚度0与材料的弹性模屋E成正比，而与构件的横截面积/成反比。（X）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。（V）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彖。（X）4）鉴J：弯曲试验的特点，弯曲试验常用J：铸恢、碾质合金等韧性材料的性能测试。（X）5）在韧性材料的冲击试样断II上，裂纹会在距缺II一定距离的试样内部萌生，而不是在缺口根部。（V）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个数最级，这是因为该计算模型不正确。（X）。7）材料的低周疲劳行为，常通过S-N曲线來表示。（X）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。（X）9）晶粒与晶界两者强度相等的温度，称为等强温度。（V）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卜，其中的应变自行降低的现彖。（X）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而收缩率会（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、降低弹性模最：b）提高弹性极限、降低弹性模量；c）降低弹性极限、降低弹性模鼠：d）降低弹性极限、提高弹性模3）单向压缩条件卜•的应力状态系数为（D）。a）0.5：b）1.0；c）0.8；d）104）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）维氏换度；b）努氏换度；c）肖氏唤度：d）洛氏碾度6）在缺II试样的冲击实验中，缺II试样的厚度越人，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而（B）；而II型（滑开型）裂纹的外加应力与裂纹而（）。a）平行、垂直；b）垂直、平行；c）成45°角、垂直；d）平行、成45°角8）平而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尺为（C）。a）0；b）1；c）-1；d）oo10）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I、•发生的塑性变形现彖。a）恒应变：b）恒应力；c）恒加载速率；d）恒定频率13）＜表示给定温度:T卜•，恰好使材料经过规定的时间广发生断裂的（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）增人；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）lnm；b）1pn：c）lOOnm：d）lOnm

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丿、的现象，称为形变强化。材料的形变强化规律，可用Hollomon公式严描述。（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P：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J：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）简述布氏硕度试验方法的原理、计算方法和优缺点。答：a）测试原理：用一定的压力P将直径为刀的淬火钢球或唤质合金球压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，丁•是在试件表而留卜•压痕（压痕的直径和深度分别为〃和力）。布氏硬度用单位压痕表而积/上所承受的平均压力表示。（2分）b）计算方法：H亠旦H亠旦=2fA兀Dh托D（D-W-卅）（1分）C）优缺点：优点：1）2）缺点：1）2）（1分）分散性小，重复性好，能反映材料的综合平均性能。可估算材料的抗拉强度。不能测试薄件或表而破化层的硬度。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）解释平而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q=0。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z方向不产生应变，即^5=0,这种状态称为平而应变。（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，冲击吸收功明显卜降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断I1特征由纤维状变为结晶状的现彖，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卜降『U急剧增加、但材料的断裂强度Of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卜，常发生低应力脆断。试从断I」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LI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：池加阴极极化电流时，会缩短产生裂纹的时间。6）与常温卜•力学性能相比，金属材料在高温卜•的力学行为有哪些特点？答：与常温下力学性能相比，金属材料在高温卜•的力学行为有如卜•特点：（1）材料在高温卜•将发生蠕变现彖。即在应力恒定的情况卜，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。（1分）（2）材料在高温卜•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）材料在高温卜•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。因而在高温卜•材料的断裂，常为沿晶断裂。（1分）（4）在恒定应变条件卜，在高温I、•工作的材料还会应力松弓也现彖，即材料内部的应力随时间而降低的现彖。（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J'：（1）纳米材料的弹性模最较常规晶粒材料的弹性模起降低了3必~5必。（2）纳米纯金属的硬度或强度是人晶粒（＞1nm）金属碾度或强度的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）在较低的温度卜，如室温附近脆性的陶瓷或金属间化合物在具有纳米晶时，由丁•扩散的相变机制而具有塑性或是超塑性。（4分）五、推导题（每小题6分，共12分）1）利用Hollonwn公式S=Ken,推导应力-应变曲线上应力达到最人值时开始产生颈缩的条件。解：应力一应变曲线上的应力达到最丿、值时开始颈缩。在应力一应变曲线的最高点处有:dP=SciA+AdS=O（1分）其中P和S分别是试样截而积为/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□=常数，或Adl+ldA=0o并考虑到应变的定义d£=dUl,可得：ds=dlU=-dA!A由dP=O可得：dSdA——==dsSA所以d£（1分）（1分）（1分）这就是颈缩判据。说明颈缩开始应变强化速率dS/型与真应力相等的时刻。由Ho11onwn公式S=Ken和应变强化指数n的定义得出：

dSS（1分）（1分）ds£将颈缩条件=s代入上式，得:n=e^（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2血的中心穿透裂纹，构件材料的断裂韧性为be、疲劳裂纹扩展的门槛值为△Kth。若该构件在最大应力为。的脉动应力卜•工作，且=血。试用疲劳裂纹扩展速率的表达式—=C（AA：）m,推导该构件的剩余疲劳寿命Nc。dN解：对具有中心穿透裂纹的构件，K]=e[云。由J：构件在最人应力为。的脉动应力卜工作，所以△O=<7-0=<7；且由于AAT0=（Jyprci^>△心，故可以利用PansTOC\o"1-5"\h\z公式计算构件的剩余寿命。（1分）dN中心裂纹的初始长度为ao；而最终裂纹长度可根据&疋求得:KIC=,即①=丄（鱼）2（1分）71（7根据Pa门s公式—=C（A^）W,恥K=2莎莎,则有:dNda—-=C（（jyJ7ra）m（1分）dN所以：dN=—（1分）C7rml2amaml2对上式进行积分,当加=2时,有:Nc=^dN=r^=^^（】分JoC/rcraC兀b当時2时，有：.m.m1——1——叫da他Cnm,2（y^a（1分）匕叫da他Cnm,2（y^a（1分）2六、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

j=560MPa,板中心有一穿透裂纹（Kj=,裂纹的长度为2Q=6mm,钢料的性能指标如卜表所示：温度（°C）os（MPa）Kg（MPa*m1/2）-50100030-309005008009050700150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°C和50°C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：1\=—（―）3（平面应力）；r=—7^（—^）2（平面应变）

2才（ys4』2开osCTy[na（平面应力）；（平面应变）CTy[na（平面应力）；（平面应变）是a=0003mm：属平而应变。解：已知o=560MPa裂纹长度为是a=0003mm：属平而应变。a）在・50°C下,——=560/1000=0.56<0.6,于是有:K]==56.4MPa*m1/2>30.0MPa*m1/2因此在-50°C卜是不安全的。在・30°C下,——=560/900=0.62>0.6,于是有:=56.32MPa*m1/2>50MPa*m1/2=56.32MPa*m1/2>50MPa*m1/2因此在・30°C卜是不安全的。在0°C—=560/800=0.70>0.6,是有:6=56.88MPa*m1/2<90MPa*m=56.88MPa*m1/2<90MPa*m1/2度度4为（3分）因此在o°c卜・是安全的。在50°C下,——=560/700=0.80>0.6,于是有:6=57.78MPa*m1/2<100MPa*m=57.78MPa*m1/2<100MPa*m1/2度度4为（3分）（5分）因此在50°CF是安全的。该构件在0°C.50°C卜（5分）b)在0°C下,^i=56.88MPa*m1/2,as=800MPa,所以有:1K9R=一(^1)2=5.69*1569mm2丁2龙①在50°C下，^i=57.78MPa*m1