工程材料习题解说3

工程材料习题解说3第一章土木工程材料的基本性质1、试述材料成分、结构和构造对材料性质的影响？参考答案：材料的成分对性质的影响：材料的组成及其相对含量的变化，不仅会影响材料的化学性质，还会影响材料的物理力学性质。材料的成分不同，其物理力学性质有明显的差异。值得注意的是，材料中某些成分的改变，可能会对某项性质引起较大的改变，而对其他性质的影响不明显。材料的结构对性质的影响：材料的结构是决定材料物理性能的重要因素。可分为微观结构和细观结构。材料在微观结构上的差异影响到材料的强度、硬度、熔点、变形、导热性等性质，可以说材料的微观结构决定着材料的物理力学性能。材料的构造对性质的影响：材料的构造主要是指材料的孔隙和相同或不同材料间的搭配。不同材料适当搭配形成的复合材料，其综合性能优于各个单一材料。材料的内部孔隙会影响材料的强度、导热性、水渗透性、抗冻性等。总之，材料的组成、结构与构造决定了材料的性质。材料的组成、结构与构造的变化带来了材料世界的千变万化。2、试述材料密度、表观密度、孔隙率的定义、测定方法及相互关系。密度与视密度的区别何在？参考答案：密度：是指材料在密实状态下单位体积的质量。测定方法：将材料磨细成粒径小于0.25mm的粉末，再用排液法测得其密实体积。用此法得到的密度又称“真密度”。表观密度0：是指材料在自然状态下单位体积的质量。测定方法：对于外形规则的块体材料，测其外观尺寸就可得到自然体积。对于外观不规则的块体材料，将其加工成规则的块体再测其外观尺寸，或者采用蜡封排液法。孔隙率P：材料中的孔隙体积与总体积的百分比。相互关系：%10010P密度与视密度区别：某些散粒材料比较密实，其内部仅含少量微小、封闭的孔隙，从工程使用角度来说，不需磨细也可用排液法测其近似的密实体积，这样测得的密度称为“视密度”。3、孔隙率及孔隙特征对材料的表观密度、强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性等性质有何影响？参考答案：对表观密度的影响：材料孔隙率大，在相同体积下，它的表观密度就小。而且材料的孔隙在自然状态下可能含水，随着含水量的不同，材料的质量和体积均会发生变化，则表观密度会发生变化。对强度的影响：孔隙减小了材料承受荷载的有效面积，降低了材料的强度，且应力在孔隙处的分布会发生变化，如：孔隙处的应力集中。对吸水性的影响：开口大孔，水容易进入但是难以充满；封闭分散的孔隙，水无法进入。当孔隙率大，且孔隙多为开口、细小、连通时，材料吸水多。对抗渗性的影响：材料的孔隙率大且孔隙尺寸大，并连通开口时，材料具有较高的渗透性；如果孔隙率小，孔隙封闭不连通，则材料不易被水渗透。对抗冻性的影响：连通的孔隙多，孔隙容易被水充满时，抗冻性差。对导热性的影响：如果材料内微小、封闭、均匀分布的孔隙多，则导热系数就小，导热性差，保温隔热性能就好。如果材料内孔隙较大，其内空气会发生对流，则导热系数就大，导热性好。4、材料的耐水性、吸水性、吸湿性、抗冻性、导热性、热容、抗渗性的含义是什么？参考答案：耐水性：材料抵抗水破坏作用的能力称为耐水性，即材料经水浸泡后，不发生破坏，同时强度也不显著降低的性质。指标：软化系数吸水性：材料与水接触时其毛细管会吸收水分的性质。指标：吸水率吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质。指标：平衡含水率抗冻性：材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不被破坏，强度也不严重降低的性质。指标：抗冻等级，其划分取决于材料在一定条件下经受冻融而不被破坏的次数。导热性：当材料两面存在温度差时，热量会从温度较高的一面传导到温度较低的一面的性质。指标：导热系数热容：某块材料在温度升降1K时所放出或吸收的热量。指标：C（热容）＝c（比热容）•m（材料质量）抗渗性：材料抵抗压力水或液体渗透的性质。指标：渗透系数5、材料的导热系数、比热容和热容与建筑物的使用功能有什么关系？参考答案：材料的导热系数小，建筑物的保温隔热性能就好。如果建筑物围护结构的热容越大，则在气温变化较大时，能较好地保持室内温度。6、试述材料的弹性、朔性、脆性和弹性磨量的意义？参考答案：弹性：当撤去外力或外力恢复到原状态，材料能够完全恢复原来形状的性质。塑性：当撤去外力或外力恢复到原状态，材料仍保持变形后的形状和尺寸，并不产生裂缝的性质。脆性：是材料在外力作用下不产生明显变形而突然发生破坏的一种性能。弹性模量：晶体材料如金属材料表现为线弹性，一些非晶体材料如玻璃等也表现为线弹性，其应力与应变之比为常数，比值称为弹性模量，它是衡量材料抵抗外力使其变形能力的一个指标。7、影响材料强度试验结果的因素有哪些？强度与强度等级是否不同，试举例说明。参考答案：试验条件对材料强度试验结果有较大的影响，其中主要有试件的形状和尺寸、试验机的加载速度、试验时的温度和湿度，以及材料本身的含水状态等。强度与强度等级不一样。强度是一个具体值，而强度等级是一个等级范围。如：混凝土的强度等级为C30，那么属于C30强度等级的混凝土的实际强度值有可能是30MPa或与30MPa接近的强度值。8、某地红砂岩，已按规定将其磨细，过筛。烘干后称取50g，用李氏瓶测得其体积为18.9cm3。另有卵石经过清洗烘干后称取1000g，将其浸水饱和后用布擦干。又用广口瓶盛满水，连盖称得其质量为790g，然后将卵石装入，再连盖称得其质量为1409g，水温为25℃，求红砂岩及卵石的密度或视密度，并注明哪个是密度或视密度。参考答案：红砂岩的密度：)/(646.29.18503cmg卵石的视密度：)(3811140910007903cmV)/(625.238110003cmg9、某多孔材料的密度为2.59g/cm3。取一块称得其干燥时质量为873g，同时量得体积为480cm3。浸水饱和后取出擦干表面水分称得质量为972g。求其质量吸水率、闭口孔隙率及开口孔隙率。参考答案：质量吸水率：%34.11%100873873972%1001mmm密实体积：)(0.33759.28733cmV孔隙体积：)(1433374803cm开口孔隙体积：)(998739723cm闭口孔隙体积：)(44991433cm开口孔隙率：%6.20%10048099闭口孔隙率：%17.9%10048044第二章金属材料1、冶炼方法与脱氧程度对钢材性能有何影响？参考答案：常用的冶炼方法有：氧气转炉法、平炉法和电炉法。氧气转炉法能有效地除去磷和硫，钢中所含气体很低，非金属夹杂物亦较少，故质量较好；平炉法冶炼时间长，有足够的时间调整、控制其成分，去除杂质和气体亦较净，故质量较好，也较稳定；电炉法能自由调节温度，成分能够精确控制，故炼出的钢杂质含量少，钢的质量最好，但成本最高。按脱氧程度可以分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢和镇静钢相比较，沸腾钢中碳和有害杂质磷、硫等的偏析较严重，钢的致密程度较差。故沸腾钢的冲击韧性和可焊性较差，特别是低温冲击韧性的降低更显著。2、什么是沸腾钢？有何优缺点？哪些条件下不宜选用沸腾钢？参考答案：沸腾钢仅加入锰铁进行脱氧，脱氧不完全，这种钢铸锭时，有大量的一氧化碳气体逸出，钢液呈沸腾状，故称为沸腾钢。钢的致密程度较差。故沸腾钢的冲击韧性和可焊性较差，但从经济上比较，沸腾钢只消耗少量的脱氧剂，钢的收缩孔减少，成本率较高。3、常温下钢材有哪几种晶体组织，各有何特性？简述钢中含碳量、晶体组织与性能三者之间的关系。参考答案：钢材的晶体组织：奥氏体，一般在高温下存在，其塑性和韧性很好，可以进行各种形式的压力加工而不发生脆断；铁素体，原子间的空隙较小，溶碳能力较低，其性质极其柔软，塑性和韧性很好，但强度和硬度较低；渗碳体，是碳和铁形成的化合物Fe3C，晶体结构复杂，外力作用下不易变形，故性质非常硬脆，抗拉强度很低，塑性及韧性几乎等于零；珠光体，是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，故其性质介于铁素体和渗碳体之间，既有一定的强度和硬度，也有一定的塑性和韧性。晶格类型不同的金属，其性能也不同，面心立方晶格与体心晶格的金属比密排六方晶格的金属有较好的塑性，而体心立方晶格的金属则强度较高，同时金属晶粒愈细，不仅强度和硬度愈高而且塑性和韧性也愈好。含碳量在0.02％～0.77%范围内，随着含碳量的增加，钢的强度和硬度逐渐提高，而塑性和韧性则逐渐降低；含碳量在0.77％～2.11％范围时，随着含碳量的增加，钢的强度和硬度逐渐增高，塑性和韧性逐渐降低，当含碳量超过1.0％以后，强度极限开始下降。4、什么是屈强比，对选用钢材有何意义？参考答案：屈服强度与强度极限之比称为屈强比。当这个比值较小时，表示结构的安全度较大，即结构由于局部超载而发生破坏的强度储备较大，但比值过小时，则表示钢材强度的利用率偏低，不够经济。相反若屈强比较大，则表示钢材利用率较大，但比值过大，表示强度储备过小，脆断倾向增加，不够安全。因此这个值最好保持在0.60～0.75之间，既安全又经济。5、解释下列符号代表的意义：s、2.0p、b、5、gt、ka，并说明该指标表示钢材的什么性能？参考答案：s代表钢筋的屈服强度，当应力到达该值时，在应力不增加的情况下塑性变形不断增加；b代表钢筋的极限强度，在拉伸条件下，材料断裂前所能承受的最大应力；ka代表钢筋的冲击韧性值，在冲击荷载作用下，钢筋破坏缺口处单位面积上所吸收的冲击功，ka值越大，钢的冲击韧性越好。6、何谓冷脆性和脆性转变温度？它们对选用钢材有何意义？参考答案：钢筋由韧性断裂转变为脆性断裂，使冲击值显著降低的现象称为冷脆性，与之相对应的温度称为脆性转变温度。对于直接承受动载，而且可能在负温下工作的重要结构，必须检验钢筋的冷脆性和脆性转变温度，防止钢材在使用中发生脆性断裂，以确保结构安全。7、硫、磷、氮、氧元素对钢材性能各有何影响？参考答案：硫多数以FeS的形式存在于钢中，它是一种强度较低和性质较脆的夹杂物，受力时容易引起应力集中，降低钢的强度和疲劳强度，同时硫对热加工和焊接很不利，且偏析严重；磷多数溶于铁素体中形成固溶体，磷虽能提高钢的强度和耐腐蚀性能，但显著提高了脆性转变温度，增大了钢的冷脆性，并降低可焊性，且偏析严重；氮也溶入铁素体中形成固溶体，能提高钢的强度和硬度，但显著降低了钢的塑性和韧性，增大钢的敏感性和冷脆性；氧多数以FeO形式存在于非金属夹杂物中，它是一种硬脆的物质，会使钢的塑性、韧性和疲劳强度显著降低，并增大时效敏感性。8、什么叫调质热处理？它对钢材性能有何影响？参考答案：淬火和高温回火的联合处理称为调质。调质的目的主要是为了获得良好的综合技术性质，既有较高的强度，又有良好的塑性和韧性，是目前用来强化钢材的有效措施。9、什么是可焊性，哪些因素对可焊性有影响？参考答案：钢的可焊性就是指钢材在焊接后，体现其焊头联结的牢固程度和硬脆倾向大小的一种性能。钢的化学成分、冶金质量及冷加工等对可焊性影响很大。10、什么是冷加工强化和时效？各对钢材性能有何影响？参考答案：冷加工是在再结晶温度以下（一般是常温）进行的机械加工，包括冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、冷冲和冷压等各种方式。在一定范围内冷加工变形程度越大，加工硬化现象也越明显，即屈服强度提高得越多，而塑性和韧性也降低得越多；经冷加工后，随着时间的延长，钢的屈服强度和强度极限逐渐提高，塑性和韧性逐渐降低的现象，称为时效。11、什么是低合金结构钢，与碳素钢结构相比有何特点？参考答案：在碳素结构钢的基础上，加入总量小于5％的合金元素而形成的钢种，称为低合金结构钢。与碳素结构钢相比，采用低合金钢可以减轻结构自重，加大结构跨度，节约钢材，经久耐用，特别适合于高层建筑或大跨度结构，是今后结构钢的发展方向。12、根据哪些原则选用钢结构用钢？参考答案：在选用钢材牌号和材性时，为保证承重结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连结方法、钢材厚度和工作环境等因素进行综合考虑。13解释钢号Q235AF、Q235D代表的意义，并比较二者在成分、性能和应用上的异同？参考答案：Q