工程材料力学性能第二版复习题(共12页)

1、基本(jbn)题解释下列(xili)名词序号1滞弹性应力场强因子2韧性低应力脆断3裂纹扩展能量释放率蠕变4氢脆疲劳5过载损伤应力腐蚀6松弛稳定性氢致延滞断裂7接触疲劳粘着磨损8等强温度约比温度9应力松弛热震断裂10银纹冷拉伸二、说明(shumng)下列力学性能指标的意义（10小题，每题2分，共20分）三、简答题（6小题，每题5分，共30分）断裂强度c与抗拉强度(kn l qin d)b有何区别(qbi)？简述(jin sh)裂纹尖端塑性区对KI的影响。简述疲劳裂纹的形成机理和阻止其萌生的方法。接触疲劳和普通机械疲劳的差异是什么？简述疲劳宏观断口的特征。陶瓷材料如何增韧？简述KIC和KC的意义及

2、相互关系。缺口对试样的应力分布和力学性能会产生哪些影响？裂纹尖端产生塑性区的原因是什么？接触疲劳和普通机械疲劳的差异是什么？简述疲劳微观断口的特征。陶瓷材料与金属材料在弹性变形、塑性变形和断裂方面有何不同？五、计算题（2小题，每题15分，共30分）【说明：下列各题中如需对应力场强因子进行塑性区修正，修正公式为：(平面应力) 和(平面应变)。塑性区宽度公式：(平面应力)，(平面应变)。】1 一直径为d0=10.00mm，标距为L0=50.00mm的金属标准拉伸试样，在拉力F=10.00kN时，测得其标距长L为50.80mm；在拉力F=55.42kN时，试样开始发生明显的塑形变形；在拉力F=67.

3、76kN时，试样断裂，测得断后试样的标距Lk为57.60mm，最小处截面直径dk为8.32mm。（1）求拉力(ll)F=32.00kN时，试样(sh yn)受到的工程(gngchng)拉应力和工程拉应变，以及真应力S和真应变e；（2）求试样的屈服极限s、抗拉强度b、延伸率和断面收缩率。2.一块含有宽为16mm的中心穿透型裂纹的钢板（），受到350MPa垂直于裂纹平面的应力作用：（1）如果材料的屈服强度分别是1400MPa和450MPa，求裂纹尖端应力场强因子的值；（2）通过上述两种情况，讨论对应力场强因子进行塑性修正的意义。【说明：下列各题中如需对应力场强因子进行塑性区修正，修正公式为：(平面

4、应力) 和(平面应变)。塑性区宽度公式：(平面应力)，(平面应变)。】1一大型薄板中心有一宽为4.8mm的穿透性裂纹，其材料的s=760MPa，KIc=102MPam1/2，该板受650Mpa的单向拉应力，求：该裂纹尖端的应力场强因子KI；该裂纹尖端塑性区的宽度R0；该板件是否能安全工作？2某大型构件中心有长为4mm的原始裂纹，该构件在频率为50Hz，max = -min = 85MPa的周期性循环应力下工作，已知该裂纹的扩展速率为,其中n=3，c=2.410-16。已知，2ac = 32mm，问该构件在此循环应力下能安全工作多长时间？附加题（2题，每题15分，共30分）试解释(jish)为什

5、么具有(jyu)体心立方晶体结构的金属容易出现(chxin)屈服和低温脆性现象？如何给非晶态聚合物增韧？金属的高温蠕变与聚合物的蠕变有什么不同？试推导完整晶体受拉应力作用后的理论断裂强度公式：。其中E为弹性模量，s为裂纹面上单位面积的表面能，a0为原子间平均距离。解释下列名词应力场强因子：材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。低应力脆断：在屈服应力以下发生的脆性断裂。蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。疲劳：金属机件在变动应力和应变长期作用下，由累计损伤而引起的断裂现象。应力腐蚀：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象。氢致延滞断

6、裂：金属中处于固溶态的氢在低于屈服强度的应力持续作用下，经一段孕育期，在三向拉应力区域形成裂纹，然后扩展，发生的脆性断裂。由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。粘着磨损：滑动摩擦时 HYPERLINK /view/2512141.htm t _blank 摩擦副局部接触应力超过实际接触点处较软金属的屈服强度，使其产生局部塑变和冷焊，发生金属粘着，在随后相对滑动中又被剪断，被转移到另一金属表面，或脱落形成磨屑的过程。约比温度：材料工作温度与其熔点之比值，即T/Tm。热震断裂：陶瓷材料承受温度骤变时产生的瞬时断裂。冷拉伸：玻璃态聚合物拉伸时出现缩颈时，缩颈区因分子链高度取向而产生应变硬

7、化，应力又开始随应变而增大直至断裂，此拉伸应变过程称冷拉伸。滞弹性：材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。应变落后于应力的现象。韧性(rn xn)：材料断裂(dun li)前吸收塑性变形功和断裂功的能力。裂纹扩展(kuzhn)能量释放率：把裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。氢脆：由于氢和应力的共同作用，而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂。过载损伤：金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命减小的现象。 松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的能力。接触疲劳：两接触面做滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲

8、劳损伤，导致局部区域产生小片金属剥落而使材料损失的现象。等强温度：晶粒强度与晶界强度相等的温度。应力松弛：材料在恒定变形条件下，应力随时间的延续而逐渐减少的现象。银纹：非晶态聚合物的某些薄弱区，因拉应力塑性变形，在其表面和内部出现闪亮的、细长形的“类裂纹”。二、说明下列力学性能指标的意义（10小题，每题2分，共20分）：切变弹性模量 ：弹性极限：断后伸长率：抗弯强度: C标尺的洛氏硬度：V型缺口试样的冲击吸收功:静拉伸缺口敏感度（Notch Sensitivity Ratio），缺口试样抗拉强度与等截面积尺寸光滑试样抗拉强度之比值。：裂纹尖端临界张开位移： 应力比10. ：在规定温度(wnd)

9、t下，以规定稳态蠕变速率表示(biosh)的蠕变极限。: 屈服(qf)强度（不规定测试方法）规定残余伸长为原始标距0.2%时的应力，常定义此应力为屈服强度：弹性比功：断面收缩率：缺口试样抗拉强度: 布氏硬度:裂纹尖端张开位移（Crack Opening Displacement）：应力状态软性系数：对称循环应力下的弯曲疲劳极限： 弯曲挠度19. ：在规定温度t下，达到规定持续时间而不发生断裂的持久强度极限。三、简答题（6小题，每题5分，共30分）简述KIC和KC的意义及相互关系。答：（1）KIC为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力；（2）KI为平面应力断裂韧度

10、，表示在平面应力条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力；（3）KIC和KI都是I型裂纹的材料断裂韧度指标，但KI值与试样厚度有关。当试样厚度增加，使裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于一稳定的最低值，即为KIC。它与试样厚度无关，而是真正的材料常数。缺口对试样的应力分布和力学性能会产生哪些影响？(1)缺口造成应力(yngl)应变集中；(2)缺口(quku)改变了缺口前方的应力状态，使平板中材料所受的应力由原来的单向拉伸改变为两向或三向拉伸；(3)缺口使塑性材料强度(qingd)增高，塑性降低。裂纹尖端产生塑性区的原因是什么？答：根据建立在弹性力学的基础之上的Giffth理论，对于一裂纹体，在裂纹

11、的尖端处存在应力集中，其中垂直于裂纹方向的分应力y理论上在与裂纹尖端距离为0时的值为无穷大，显然这是不可能的，尤其是对于一个塑性材料。因为对于塑性材料，当外加应力大于屈服应力时，裂纹尖端就会发生塑性变形，从而产生塑性区，使应力得到松弛。接触疲劳和普通机械疲劳的差异是什么？接触疲劳是两机件在接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下材料表面因疲劳损伤，导致局部地区发生金属剥落而使材料流失的现象。与普通机械疲劳的差异表现在：（1）存在两接触物体的相对运动；（2）引起疲劳的是交变压应力，无拉应力；（3）疲劳发生在表层或亚表层；（4）破坏形式是部分金属剥落，而不是整体断裂。简述疲劳微观

12、断口的特征。答：疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征。所谓疲劳条带就是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样。滑移系多的面心立方金属，其疲劳条带明显；滑移系少或组织复杂的金属，其疲劳条带短窄而紊乱。陶瓷材料与金属材料在弹性变形、塑性变形和断裂方面有何不同？答：与金属材料相比，（1）陶瓷材料在弹性变形阶段，弹性模量大，且弹性模量随空隙率的增加而降低，压缩弹性模量大于拉伸弹性模量；（2）在塑变阶段，室温时绝大多数陶瓷材料不产生塑变，在高温时会出现主滑移系引起的塑变，但应变量很小，但对于具有细小晶粒的微晶陶瓷，可能会出现超塑性；（3）在断裂阶段，陶瓷材料主要是解理断裂，而金属材料是韧性断裂，除材料本身的特性

13、以外，陶瓷材料的断裂强度还与晶粒可孔隙尺寸有关。断裂强度c与抗拉强度(kn l qin d)b有何区别(qbi)？答：（1）断裂强度c是裂纹开始扩展时的应力(yngl)值，抗拉强度是材料开始不均匀塑变（缩颈）时的应力值；（2）c针对的是裂纹体，为脆性断裂，b针对的是非裂纹体塑性材料，一般为韧性断裂。简述裂纹尖端塑性区对KI的影响。答：裂纹尖端塑性区的存在降低了裂纹体的刚度，使裂纹尖端的应力得到松弛，即限制了裂纹尖端的应力大小（小于或等于屈服极限），这相当于裂纹向前扩展了整个塑变区的宽度，从而增加了KI值。简述疲劳裂纹的形成机理和阻止其萌生的方法。答：疲劳裂纹的萌生是由不均匀的局部滑移和显微开裂

14、引起的，主要方式有：表面滑移带开裂，第二相、夹杂物或其相界开裂，晶界或亚晶界开裂。对于表面滑移带开裂，可采用固溶强化、细晶强化等手段提高材料的滑移抗力，阻止疲劳裂纹萌生；对于相界面开裂，降低第二相、夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制其数量、形态、大小和分布，使之少、圆、小、匀，可抑制或减缓相界开裂；对于晶界开裂，净化、强化晶界，细化晶粒，可抑制晶界开裂。接触疲劳和普通机械疲劳的差异是什么？接触疲劳是两机件在接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下材料表面因疲劳损伤，导致局部地区发生金属剥落而使材料流失的现象。与普通机械疲劳的差异表现在：（1）存在两接触物体的相对运动；（2）引

15、起疲劳的是交变压应力，无拉应力；（3）疲劳发生在表层或亚表层；（4）破坏形式是部分金属剥落，而不是整体断裂。简述疲劳(plo)宏观断口的特征。答：典型(dinxng)疲劳断口分3个区：疲劳源、疲劳区及瞬断区。（1）疲劳源区光亮平滑(pnghu)，贝纹线细小；（2）疲劳区断口光滑，分布有贝纹线；（3）瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域，断口粗糙，脆性材料为结晶状断口，韧性材料为纤维状断口。陶瓷材料如何增韧？答：（1）改善陶瓷显微结构：使材料达到细密、均、纯；增加晶粒长宽比。（2）相变增韧：在外力作用下，陶瓷从亚稳相转变为稳定相，消耗一部分外加能量，使材料增韧。相变增韧受使用温度限制。（

16、3）微裂纹增韧：当主裂纹扩展遇到微裂纹时，发生分叉转变扩展方向，增加扩展过程的表面能；同时，主裂纹尖端应力集中被松弛，致使扩展速度减慢。五、计算【说明：下列各题中如需对应力场强因子进行塑性区修正，修正公式为：(平面应力) 和(平面应变)。塑性区宽度公式：(平面应力)，(平面应变)。】1一大型薄板中心有一宽为4.8mm的穿透性裂纹，其材料的s=760MPa，KIc=102MPam1/2，该板受650Mpa的单向拉应力，求：该裂纹尖端的应力场强因子KI；该裂纹尖端塑性区的宽度R0；该板件是否能安全工作？解：（1）a=2.4mm=0.0024m， = 650MPa，因此(ync)需要修正。因是大型(

17、dxng)薄板，为平面应力(yngl)情况，。（2）（3）因KIKIC,该板可以安全工作。2某大型构件中心有长为4mm的原始裂纹，该构件在频率为50Hz，max = -min = 85MPa的周期性循环应力下工作，已知该裂纹的扩展速率为,其中n=3，c=2.410-16。已知，2ac = 32mm，问该构件在此循环应力下能安全工作多长时间？解：2a0=4mm，a0=2mm=0.002m；ac = 0.016m； = 85(-85)=170MPa，K=Kmax-Kmin=Y。因，所以安全工作时间：t = 4.406109/50(Hz) = 8.81107s = 24479.5h。【说明(shum

18、ng)：下列各题中如需对应力场强因子进行(jnxng)塑性区修正，修正公式为：(平面(pngmin)应力) 和(平面应变)。塑性区宽度公式：(平面应力)，(平面应变)。】3 一直径为d0=10.00mm，标距为L0=50.00mm的金属标准拉伸试样，在拉力F=10.00kN时，测得其标距长L为50.80mm；在拉力F=55.42kN时，试样开始发生明显的塑形变形；在拉力F=67.76kN时，试样断裂，测得断后试样的标距Lk为57.60mm，最小处截面直径dk为8.32mm。（1）求拉力F=32.00kN时，试样受到的工程拉应力和工程拉应变，以及真应力S和真应变e；（2）求试样的屈服极限s、抗拉强度b、延伸率和断面收缩率。解：（1