工程材料力學(xué)性能專升本試題A

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上20072008 學(xué)年第一學(xué)期期末考試試題答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)專心-專注-專業(yè)材料力學(xué)性能（A 卷共 7 頁）（考試時(shí)間：2008 年 1 月 14 日）一、填空題（每空 0.5 分，共 15 分）1）彈 性 滯 后 環(huán) 是 由 于 材 料 的 加 載 線 和 卸 載 線 不 重 合 而 產(chǎn) 生 的 。對 機(jī) 床 的 底座等構(gòu)件，為保證機(jī)器的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，材料的彈性滯后環(huán)越 大 越好；而對彈簧片、鐘表等材料，要求材料的彈性滯后環(huán)越 小 越好。2）材 料 的 斷 裂 按 斷 裂 機(jī) 理 分 可 分 為 微 孔 聚 集 型 斷 裂 ， 解 理 斷 裂 和 沿 晶斷裂；按斷裂前塑性變

2、形大小分可分為 延性 斷裂和 脆性 斷裂3） 單 向 拉 伸 條 件 下 的 應(yīng) 力 狀 態(tài) 系 數(shù) 為 0.5 ； 而 扭 轉(zhuǎn) 和 單 向 壓 縮 下 的 應(yīng) 力 狀態(tài) 系 數(shù) 分 別 為 0.8 和 2 .0 。應(yīng) 力 狀 態(tài) 系 數(shù) 越 大 ，材 料 越 容 易 產(chǎn) 生 延 性 (塑 性 )斷裂。4）在 扭 轉(zhuǎn) 試 驗(yàn) 中 ，塑 性 材 料 的 斷 裂 面 與 試 樣 軸 線 垂 直 ；脆 性 材 料 的 斷 裂面 與 試 樣 軸 線 成 45 0角 。5） 低 溫 脆 性 常 發(fā) 生 在 具 有 體 心 立 方 結(jié) 構(gòu) 的 金 屬 及 合 金 中 ， 而 在 面 心 立方 結(jié)構(gòu)的金屬及

3、合金中很少發(fā)現(xiàn)。6) 根 據(jù) 裂 紋 體 所 受 載 荷 與 裂 紋 間 的 關(guān) 系 ， 可 將 裂 紋 分 為 張 開 （ 拉 伸 ） 型 裂紋、滑開（剪切）型裂紋和 撕開型裂紋等三種類型；其中 張開（拉伸）型裂紋是實(shí)際工程構(gòu)件中最危險(xiǎn)的一種形式。7）對 循 環(huán) 載 荷 ，常 用 最 大 應(yīng) 力 、 最 小 應(yīng) 力 、 平 均 應(yīng) 力 、 應(yīng) 力 半 幅 、和應(yīng)力比等五個(gè)參量進(jìn)行描述。7） 根 據(jù) 構(gòu) 件 的 受 力 狀 態(tài) ， 環(huán) 境 敏 感 斷 裂 可 分 為 應(yīng) 力 腐 蝕 開 裂 ， 腐 蝕 疲 勞斷裂 ， 腐蝕磨損 和微動(dòng)腐蝕等類型。8）在 典 型 金 屬 與 陶 瓷 材 料 的

4、蠕 變 曲 線 上 ，蠕 變 過 程 常 由 減 速 蠕 變 ，恒 速蠕變 和 加速蠕變 三個(gè)階段組成。二、說明下列力學(xué)性能指標(biāo)的意義（每小題 1 分，共 15 分）1) s p 比例極限2) s e 彈性極限3) s b 抗拉強(qiáng)度4)t s 扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度5) s bb 抗彎強(qiáng)度6) HBW 壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)的布氏硬度7) HK 顯微努氏硬度8) HRC 壓頭為頂角 1200金剛石圓錐體、總試驗(yàn)力為 1500N的洛氏硬度9) KV 沖擊韌性10) K IC 平面應(yīng)變斷裂韌性11) s R 應(yīng)力比為R下的疲勞極限12) DKth 疲勞裂紋擴(kuò)展的門檻值13) s SCC 應(yīng)力腐蝕破裂的臨界應(yīng)力T

5、T給定溫度 T 下，規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間 t 內(nèi)發(fā)生斷裂的持久極限三、單項(xiàng)選擇題（每小題 1 分，共 12 分）1）拉伸試樣的直徑一定，標(biāo)距越長則測出的延伸率會(huì)（B）。a) 越大；b) 越??；c) 不變；d) 無規(guī)律可循2） Bauschinger 效應(yīng)是指經(jīng)過預(yù)先加載變形，然后再反向加載變形時(shí)材料的彈性極限（B）的現(xiàn)象。a) 升高；b) 降低；c) 不變；d) 無規(guī)律可循3）為使材料獲得較高的韌性，對材料的強(qiáng)度和塑性需要（C）的組合。a) 高強(qiáng)度、低塑性；b) 高塑性、低強(qiáng)度；c) 中等強(qiáng)度、中等塑性；d) 低強(qiáng)度、低塑性4）與維氏硬度值可以互相比較的是（A）。a) 布氏硬度；b) 洛氏硬度；c)

6、莫氏硬度；d) 肖氏硬度5）在缺口試樣的沖擊試驗(yàn)中，缺口越尖銳，試樣的沖擊韌性（a) 越大；b) 越?。籧) 不變；d) 無規(guī)律B）。6）雙原子模型計(jì)算出的材料理論斷裂強(qiáng)度比實(shí)際值高出 13 個(gè)數(shù)量級(jí)，是因?yàn)椋–）。a) 模型不正確；b) 近似計(jì)算太粗太多；c) 實(shí)際材料有缺陷；d) 實(shí)際材料無缺陷7) 平面應(yīng)變條件下裂紋尖端的塑性區(qū)尺寸（a) 大于；b) 小于； c) 等于； d) 不一定B）平面應(yīng)力條件下的塑性區(qū)。8）在研究高周疲勞時(shí)，常通過控制（ Aa) 應(yīng)力；b) 應(yīng)變；c) 時(shí)間；d) 頻率）的方式進(jìn)行。9）奧氏體不銹鋼在（B）溶液中容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。a) 高純水；b) 氯化物溶

7、液；c) 氨水溶液；d) 硝酸鹽溶液14) s d / t 給定溫度 T 下，規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間 t 內(nèi)產(chǎn)生一定的蠕變伸長率的蠕變極限15) s t10）應(yīng)力松弛是指高溫服役的零件或材料在保持不變的條件下，其中的自行降低的現(xiàn)象。（B）a) 應(yīng)力、應(yīng)變；b) 應(yīng)變、應(yīng)力；c) 溫度、應(yīng)變；d) 溫度、應(yīng)力11）晶粒與晶界兩者強(qiáng)度相等的溫度，稱為（C）。a) 冷脆轉(zhuǎn)變溫度；b) 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；c) 等強(qiáng)溫度；d) 共晶溫度12）細(xì)晶強(qiáng)化是非常好的強(qiáng)化方法，但不適用于（A）。a) 高溫；b) 中溫；c) 常溫；d) 低溫四、簡答題（每小題 5 分，共 30 分）1）脆性和塑性材料的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線有哪

8、幾種？并敘述曲線的主要特征及所屬材料。答：典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要有以下兩種：（1）脆性材料如玻璃、多種陶瓷、巖石，交聯(lián)很好的聚合物、低溫下的金屬材料、淬火狀態(tài)的高碳鋼和普通灰鑄鐵等的應(yīng)力應(yīng)變曲線，在拉伸斷裂前，只發(fā)生彈性變形，不發(fā)生塑性變形，在最高載荷點(diǎn)處斷裂，形成平斷口，斷口平面與拉力軸線垂直。（ 1 分 ）（2）塑性材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線：(a)對調(diào)質(zhì)鋼和一些輕合金，它們的應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為：彈性變形階段、發(fā)生屈服、應(yīng)變強(qiáng)化或加工硬化階段、縮頸階段、斷裂等階段；斷裂后形成杯狀斷口。(b)退火低碳鋼和某些有色金屬材料，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上具有明顯的屈服點(diǎn)、屈服平臺(tái)等特征。(c)對某些塑性較低的金屬

9、如鋁青銅、和形變強(qiáng)化能力特別強(qiáng)的金屬如ZGMn13等材料，應(yīng)力應(yīng)變曲線上不出現(xiàn)頸縮的，只有彈性變形階段和均勻塑性變形階段。(d)對某些低溶質(zhì)固溶體鋁合金及含雜質(zhì)的鐵合金材料，在應(yīng)力應(yīng)變曲線上回出現(xiàn)多次局部失穩(wěn)或齒形特征。（ 4分 ）2）簡述洛氏硬度試驗(yàn)方法的原理、計(jì)算方法和優(yōu)缺點(diǎn)。答：洛氏硬度試驗(yàn)方法的原理是以一定的壓力（600N、1000N、1500N）將頂角為 1200的金 表示材料的硬度。（2 分）洛氏硬度的計(jì)算方法為： 1）對以金剛石圓錐體為壓頭、總試驗(yàn)力為 1500N 的 C 標(biāo)尺，有 HRC=100-e/0.002； 2）對以鋼球?yàn)閴侯^、總試驗(yàn)力為 600N 和 1000N 的 A

10、 和 B 標(biāo)尺，有HRA(B)=130-e/0.002。（1 分）洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是： 1）因有硬質(zhì)、軟質(zhì)兩種壓頭，故適于各種不同硬質(zhì)材料的檢驗(yàn)，不存在壓頭變形問題。 2）因?yàn)橛捕戎悼蓮挠捕葯C(jī)的表盤上直接讀出，故測定洛氏硬度更為簡便迅速，工效高。 3）對試件表面造成的損傷較小，可用于成品零件的質(zhì)量檢驗(yàn)。 4）因加有預(yù)載荷，可以消除表面輕微的不平度對試驗(yàn)結(jié)果的影響。（1 分）洛氏硬度的缺點(diǎn)是：（1）洛氏硬度存在人為的定義，使得不同標(biāo)尺的洛氏硬度值無法相互比較，不象布氏硬度可以從小到大統(tǒng)一起來。 2）由于壓痕小，所以洛氏硬度對材料組織的不均勻性很敏感，測試結(jié)果比較分散，重復(fù)性差，因而不適用具有粗

11、大組成相(如灰鑄鐵中的石墨片)或不均勻組織材料的硬度測定。（1 分）剛石圓錐體壓頭或直徑為1/16 1/ 2 的鋼球壓入試樣表面，以殘留于表面的壓痕深度e來（ （3）材料的厚度或截面尺寸對材料的斷裂韌性有什么影響？在 平 面 應(yīng) 變 斷 裂 韌 性 K I C的測試過程中，為了保證裂紋尖端處于平面應(yīng)變和小范圍屈服狀態(tài)，對試樣的尺寸有什么要求？答：材料的斷裂韌性隨材料厚度或截面尺寸的增加而減小，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的最低值，即平 面 應(yīng) 變 斷 裂 韌 性 K I C 。（ 2 分 ）為 保 證 裂 紋 尖 端 處 于 平 面 應(yīng) 變 和 小 范 圍 屈 服 狀 態(tài) ， 對 試樣在 z 向的厚度 B

12、、在 y 向的寬度 W 與裂紋長度 a 之差（即 W-a，稱為韌帶寬度）和裂紋長度 a 設(shè)計(jì)成如下尺寸Ba(W - a)2（3 分）4）材料的應(yīng)力腐蝕開裂具有哪些主要特征？答：應(yīng)力腐蝕開裂具有以下特點(diǎn)：(1)造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，而且一般是拉伸應(yīng)力。(2)應(yīng)力腐蝕造成的破壞，是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。(3)只有在特定的合金成分與特定的介質(zhì)相組合時(shí)才會(huì)造成應(yīng)力腐蝕。(4)應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展速率般在 10-910-6m/s，有點(diǎn)象疲勞，是漸進(jìn)緩慢的，這種亞臨界的擴(kuò)展?fàn)顩r一直達(dá)到某一臨界尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時(shí)，就突然發(fā)生斷裂。(5)應(yīng)力腐蝕的裂紋多起源于

13、表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直于拉力軸。(6)應(yīng)力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產(chǎn)物。(7)應(yīng)力腐蝕的主裂紋擴(kuò)展時(shí)常有分枝。(8)應(yīng)力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是晶間斷裂。（ 5 分 ）5）簡述控制材料摩擦磨損的方法答：對材料的摩擦磨損，其控制方法如下：（1）潤滑劑的使用：在相對運(yùn)動(dòng)的摩擦接觸面之間加入潤滑劑，使兩接觸表面之間形成潤滑膜，變干摩擦為潤滑劑內(nèi)部分子間的內(nèi)摩擦，從而達(dá)到減少摩擦表面摩擦、降低材料磨損的目的。（1 分）（2）摩擦材料的選擇：根據(jù)摩擦的具體工況(載荷、速度、溫度、介質(zhì)等)，選擇合理的摩擦副材料（減摩、摩阻、耐磨），也可達(dá)到降低材料摩擦磨損的目的。

14、（2 分）（3）材料的表面改性和強(qiáng)化：利用各種物理的、化學(xué)的或機(jī)械的工藝手段如機(jī)械加工強(qiáng)化處理、表面熱處理、擴(kuò)散處理和表面覆蓋處理，使材料表面獲得特殊的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能，以提高材料的耐磨性能。（2 分）6）與常規(guī)晶粒材料相比，納米材料的力學(xué)性能主要有哪些不同？答 : 納米材料的力學(xué)性能與常規(guī)晶粒材料的不同之處在于:（1）納米材料的彈性模量較常 K IC 2.5 s s 規(guī)晶粒材料的彈性模量降低了 30%50%。（2）納米純金屬的硬度或強(qiáng)度是大晶粒(1m)金屬硬度或強(qiáng)度的 27 倍。（3）納米材料可具有負(fù)的 Hall-Petch 關(guān)系，即隨著晶粒尺寸的減小，材料的強(qiáng)度降低。 4）在較低的溫度

15、下，如室溫附近脆性的陶瓷或金屬間化合物在具有納米晶時(shí)，由于擴(kuò)散的相變機(jī)制而具有塑性或是超塑性。（ 5 分 ）五、推導(dǎo)題（每小題 8 分，共 16 分）1）對靜載拉伸實(shí)驗(yàn)，試根據(jù)體積不變條件及延伸率、斷面收縮率的概念，推導(dǎo)均勻變形階段材料的延伸率 與斷面收縮率 的關(guān)系式。解：假設(shè)均勻變形前，材料的長度和截面積分別為 l0 、 A0 ；變形后材料的長度和截面積變化為 l 、 A 。根據(jù)延伸率、斷面收縮率的定義： d =l - l0l0，y =A0 - AA0（1分）在均勻變形階段，由變形前后體積不變的條件 l0 A0 = lA 得：（1分）l = l0 + Dl = l0 (1 +Dll0) =

16、l0 (1 + d )（1分）A = A0 - DA = A0 (1 -DAA0) = A0 (1 -y )（1分）于是，可推出材料的延伸率與斷面收縮率間的關(guān)系：1 + d =11 -y（2分）或 d =y1 -y（1分）上式表明，在均勻變形階段恒大于y 。 （1 分）2）在原子平衡間距為 a 的理想晶體中，兩原子間的作用力 s 與原子相對位置變化 x的關(guān)系為 s = s m sin2p xl。如晶體斷裂的表面能為g，彈性模量為 E ，試推導(dǎo)晶體發(fā)生斷裂的理論斷裂強(qiáng)度 s m 。解: 材料的理論結(jié)合強(qiáng)度，應(yīng)從原子間的結(jié)合力入手，只有克服了原子間的結(jié)合力，材料才能斷裂。兩個(gè)原子面的作用力如下圖所

17、示?？朔嗽又g作用力的最大值，即可產(chǎn)生斷裂。這一最大值即為理論斷裂強(qiáng)度 s m 。（應(yīng)力ama面間距x為了簡單、粗略地估計(jì)材料的理論強(qiáng)度，可假設(shè)用波長為 l 的正弦波來近似原子間約束力隨原子間距離 x 的變化。得出s = s m sin2p xl（1）式中 s m 為使原子分開時(shí)所需的最大應(yīng)力即理論斷裂強(qiáng)度。材料的斷裂是在拉應(yīng)力作用下，沿與拉應(yīng)力垂直的原子被拉開的過程，在這一過程中，為使斷裂發(fā)生，必須提供足夠的能量以創(chuàng)造兩個(gè)新表面。令表面能為 2 g ，意味著外力作功消耗在斷口的形成上的能量至少等于 2 g 。即外力功與斷口的表面能相等。因此有：l /20s m sin2p xldx =l

18、s mp=2 gs m = 2pg / l（2）（2 分）注意到材料在低應(yīng)力作用下應(yīng)該是彈性的，在這一條件下 sinxx，同時(shí)，曲線開始部分近似為直線，服從虎克定律，有：s = Ex / a（3）（2 分）式中 b 為平衡狀態(tài)時(shí)原子間距，E 為彈性模量，由式（1）和（3）得：由式（2）和（4）得：=a=Exa（4）（2 分）s m =Ega（2 分）六、計(jì)算題（12 分）在 無 限 大 厚 板 的 中 心 有 一 穿 透 裂 紋 2 a 0 =2 .0 mm， 設(shè) 板 受 垂 直 于 裂 紋 的 交變應(yīng)力，其中最大應(yīng)力s max = 210MPa ，最小應(yīng)力 s min = -50MPa 。 已 知 板 材 的K IC = 60MPa m ， DK th = 6.0MPa m ； Paris 公 式 中 的 參 數(shù) C =4*10 - 1 2 、2p x 2p xs m2ps m E=1.5板的剩余疲勞壽命。解：已知 2 a 0 =2 .0 mm， a 0 =1.0mm= 0.001ms max = 210MPa ， s min = -50MPa 。 因 s min 0，于是 Ds 210M