工程材料力学性能专升本试题A

2007～2008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；脆性材料的断裂面与试样轴线成450角。5）低温脆性常发生在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。6)根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描述。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标的意义（每小题1分，共15分）1)p比例极限2)e弹性极限3)b抗拉强度4)s扭转屈服强度14)/t给定温度T下，规定试验时间t内产生一定的蠕变伸长率δ的蠕变极限15)t5)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)αKV冲击韧性10)KIC平面应变断裂韧性11)R应力比为R下的疲劳极限12)Kth疲劳裂纹扩展的门槛值13)SCC应力腐蚀破裂的临界应力TT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（a)越大；b)越小；c)不变；d)无规律B）。6）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（a)大于；b)小于；c)等于；d)不一定B）平面应力条件下的塑性区。8）在研究高周疲劳时，常通过控制（Aa)应力；b)应变；c)时间；d)频率）的方式进行。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)硝酸盐溶液刚石圆锥体压头或直径为1/16~1/2的钢球压入试样表面，以残留于表面的压痕深度e来（（（（（（（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－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）（2）塑性材料的应力－应变曲线：(a)对调质钢和一些轻合金，它们的应力－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－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－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：洛氏硬度试验方法的原理是以一定的压力（600N、1000N、1500N）将顶角为1200的金''''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，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。2）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）KIC2.5s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Ba(Wa)2（3分）4）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)应力腐蚀的裂纹扩展速率—般在10-9~10-6m/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(1μm)金属硬度或强度的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δ与断面收缩率ψ的关系式。解：假设均匀变形前，材料的长度和截面积分别为l0、A0；变形后材料的长度和截面积变化为l、A。根据延伸率δ、断面收缩率ψ的定义：ll0l0，A0AA0（1分）在均匀变形阶段，由变形前后体积不变的条件l0A0lA得：（1分）ll0ll0(1ll0)l0(1)（1分）AA0AA0(1AA0)A0(1)（1分）于是，可推出材料的延伸率δ与断面收缩率ψ间的关系：111（2分）或1（1分）上式表明，在均匀变形阶段δ恒大于。（1分）2）在原子平衡间距为a的理想晶体中，两原子间的作用力与原子相对位置变化x的关系为msin2x。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论断裂强度m。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m。2x2xm2mE应力aσma面间距x为了简单、粗略地估计材料的理论强度，可假设用波长为的正弦波来近似原子间约束力随原子间距离x的变化。得出msin2x（1）式中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2，意味着外力作功消耗在断口的形成上的能量至少等于2。即外力功与断口的表面能相等。因此有：/20msin2xdxm=2m2/（2）（2分）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≈x，同时，曲线开始部分近似为直线，服从虎克定律，有：Ex/a（3）（2分）式中b为平衡状态时原子间距，E为弹性模量，由式（1）和（3）得：由式（2）和（4）得：a=Exa（4）（2分）mEa（2分）六、计算题（12分）在无限大厚板的中心有一穿透裂纹2a0=2.0mm，设板受垂直于裂纹的交变应力，其中最大应力max210MPa，最小应力min50MPa。已知板材的KIC60MPam，Kth6.0MPam；Paris公式中的参数C=4*10-12、Ka，且da/dN(ry)（ry为塑性区的尺寸）。试计算该中心裂纹1KI42SC3/2a3/2CadaCC0c1.5板的剩余疲劳寿命。解：已知2a0=2.0mm，a0=1.0mm=0.001mmax