工程材料力学性能第二版复习题

基本题解释下列名词序号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、说明下列力学性能指标的意义（10小题，每题2分，共20分）GKVA0.2CODeNSReac1bbrbnfHRCtHBWt三、简答题（6小题，每题5分，共30分）1.断裂强度c与抗拉强度b有何区别？2.简述裂纹尖端塑性区对KI的影响。3.简述疲劳裂纹的形成机理和阻止其萌生的方法。4.接触疲劳和普通机械疲劳的差异是什么？5.简述疲劳宏观断口的特征。6.陶瓷材料如何增韧？7.简述KIC和KC的意义及相互关系。8.缺口对试样的应力分布和力学性能会产生哪些影响？9.裂纹尖端产生塑性区的原因是什么？10.接触疲劳和普通机械疲劳的差异是什么？11.简述疲劳微观断口的特征。12.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IKYa进行塑性区修正，修正公式为：2210.16IsYaKY(平面应力)和2210.056IsYaKY(平面应变)。塑性区宽度公式：201IsKR(平面应力)，20122IsKR(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=67.76kN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。2.一块含有宽为16mm的中心穿透型裂纹的钢板（aIK），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IKYa进行塑性区修正，修正公式为：2210.16IsYaKY(平面应力)和2210.056IsYaKY(平面应变)。塑性区宽度公式：201IsKR(平面应力)，20122IsKR(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=102MPam1/2，该板受650Mpa的单向拉应力，求：（1）该裂纹尖端的应力场强因子KI；（2）该裂纹尖端塑性区的宽度R0；（3）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ndacKdN,其中n=3，c=2.410-16。已知Y，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）1.试解释为什么具有体心立方晶体结构的金属容易出现屈服和低温脆性现象？2.如何给非晶态聚合物增韧？3.金属的高温蠕变与聚合物的蠕变有什么不同？4.试推导完整晶体受拉应力作用后的理论断裂强度公式：120smEa。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1.应力场强因子：材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。2.低应力脆断：在屈服应力以下发生的脆性断裂。3.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。4.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。5.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。6.氢致延滞断裂：①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。②由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。7.粘着磨损：滑动摩擦时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。8.约比温度：材料工作温度与其熔点之比值，即T/Tm。9.热震断裂：陶瓷材料承受温度骤变时产生的瞬时断裂。10.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。11.滞弹性：①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。②应变落后于应力的现象。12.韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。13.裂纹扩展能量释放率：把裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值。14.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。15.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。16.松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的能力。17.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。18.等强温度：晶粒强度与晶界强度相等的温度。19.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。20.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）1.G：切变弹性模量2.e：弹性极限3.：断后伸长率4.bb：抗弯强度5.HRC:C标尺的洛氏硬度6.KVA：V型缺口试样的冲击吸收功7.NSR:静拉伸缺口敏感度（NotchSensitivityRatio），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。8.c：裂纹尖端临界张开位移9.r：应力比10.t：在规定温度t下，以规定稳态蠕变速率表示的蠕变极限。10.0.2:①屈服强度（不规定测试方法）②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11.ea：弹性比功12.：断面收缩率13.bn：缺口试样抗拉强度14.HBW:布氏硬度15.COD:裂纹尖端张开位移（CrackOpeningDisplacement）16.：应力状态软性系数17.1：对称循环应力下的弯曲疲劳极限18.f：弯曲挠度19.t：在规定温度t下，达到规定持续时间τ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）1.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，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。2.缺口对试样的应力分布和力学性能会产生哪些影响？(1)缺口造成应力应变集中；(2)缺口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增高，塑性降低。3.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。4.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。5.简述疲劳微观断口的特征。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。6.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，除材料本身的特性以外，陶瓷材料的断裂强度还与晶粒可孔隙尺寸有关。7.断裂强度c与抗拉强度b有何区别？答：（1）断裂强度c是裂纹开始扩展时的应力值，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。8.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。9.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。10.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。11.简述疲劳宏观断口的特征。答：典型疲劳断口分3个区：疲劳源、疲劳区及瞬断区。（1）疲劳源区光亮平滑，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。12.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。（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IKYa进行塑性区修正，修正公式为：2210.16IsYaKY(平面应力)和2210.056IsYaKY(平面应变)。塑性区宽度公式：201IsKR(平面应力)，20122IsKR(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=