《工程材料力学性能》专升本试题A

1、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

2、性材料的断裂面与试样轴线成45 0角。 5）低温脆性常发生和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合金中很少发现。 心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才 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

3、标的意义（每小题1分，共15分）1）b p比例极限2）b e弹性极限3）b b抗拉强度4产s扭转屈服强度5）b 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）Kic平面应变断裂韧性11）b r应力比为R下的疲劳极限12）A K疲劳裂纹扩展的门槛值13）b应力腐蚀破裂的临界应力DCC14）b 给定温度T下，规定试验时间t内产生一定的蠕变伸长率S的蠕变极限15Q 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

4、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）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（ B ）。a）越大；b）越小；c）不变；d）无规律6） 双原子模型计算出的材料

5、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（ B ）平面应力条件下的塑性区。a）大于；b）小于；c）等于；d）不一定8）在研究高周疲劳时，常通过控制（A ）的方式进行。a）应力；b）应变；c）时间；d）频率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）氯化物溶液；c）氨水溶液；d）硝酸盐溶液10） 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

6、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一应变曲线，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

7、）（2）塑性材料的应力一应变曲线：（a）对调质钢和一些轻合金，它们的应力一应变曲线可分 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如铝青铜、和形变强化能力特别强的金属如 ZGMn13等材料，应力一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，在应力一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

8、验方法的原理是以一定的压力（600N、1000N、1500N）将顶角为1200的金 刚石圆锥体压头或直径为1/16U 2的钢球压入试样表面，以残留于表面的压痕深度e来 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

9、，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。（）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）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

10、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KIC。（ 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、 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B a 电2.5（号|（3分）（W- a） & sS4）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

11、纹扩展速率一般在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

12、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。（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

13、（1口 m） 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 段材料的延伸率少与断面收缩率w的关系式。解：假设均匀变形前，材料的长度和截面积分别为、A0化为I、A。l l根据延伸率汉断面收缩率w的定义：8=，w=l0；变形后材料的长度和截面积变A0 AA0（1分）在均匀变形阶段，由变形前后体积

14、不变的条件l0 A0= lA得：（1分）A l= l0+A l= l0 (1+ -)=l0 (1+8 )（1分）A= A0A A= A0 (1-AA)= A0 E)（1分）于是，可推出材料的延伸率少与断面收缩率w间的关系:1+8=11W（2分）上式表明，W1W（1分）在均匀变形阶段6恒大于W。（1分）与原子相对位置变化x的关系2）在原子平衡间距为a的理想晶体中，两原子间的作用力b-2 xy为b=b m sin。如晶体断裂的表面能为”，弹性模量为E，试推导晶体发生断裂的理人解：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示。克服

15、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b为了简单、粗略地估计材料的理论强度力随原子间距离X的变化。得出2兀尤 b=b sin 入可假设用波长为入的正弦波来近似原子间约束(1)式中b 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2Y，意味着外力作功 消耗在断口的形成上的能量至少等于2Y。即外力功与断口的表面能相等。因此有：2XJ b sin 入 d=取=2b = 2兀y IX（2）（2 分）b= Ex I a（3）（2 分）式中

16、b为平衡状态时原子间距，E为弹性模量，由式（1）和（3）得:2 兀 x 2 兀 xbExm=一a2nb E_ m =a（4）（2分）由式（2）和（4）得:bm（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b max= 210MPa，最小应力b min= 50MPa。已知板材的Kic= 60MPa- m Kth= 6.0MPa- m ; JPais 公式中的参数 C =4*10 _ 1 2、注意到材料在低应力作用下应该是弹性的，在这一条件下sinx#，同时，曲线开始部分 近似为直线，服从虎克定律，有：A=A。兀厂且

17、da/ dN （ry ）（ ry为塑性区的尺寸）。试计算该中心裂纹 板的剩余疲劳寿命。解：已矢日 2 a 0 =2 .0 mm， a 0 =1.0mm= 0.001m气您=210MPa , b 讪=50MPa。因b 讪 0,于是A b =210MPa（1 分） TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 由上述的条件，有A K=Ab J兀 a0= 210 x J14x 0.001 =11.76 MPa*m 1 / 2 ,大于 fdaAKth= 6.0MPa- m，于是Paris公式而 =C（AK）m是可用的。（2分）因da / dN忧（七）1.5，而ry= （顷，于是有dN （K i ）3，即Paris公式2S中的m=3。（ 2分）利用Kic= 60MPa可得临