《工程材料力學(xué)性能》專升本試題A

1、材料力學(xué)性能（A卷共7頁(yè)）（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(duì)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(duì)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

2、性材料的斷裂面與試樣軸線成45 0角。 5）低溫脆性常發(fā)生和具有體心立方結(jié)構(gòu)的金屬及合金中，而在面心立方結(jié)構(gòu)的金屬及合金中很少發(fā)現(xiàn)。 心據(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(duì)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)行才 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蠕變曲線上，蠕變過程常由減速蠕變，恒速蠕變和加速蠕變?nèi)齻€(gè)階段組成。 二、說明下列力學(xué)性能指

3、標(biāo)的意義（每小題1分，共15分）1）b p比例極限2）b e彈性極限3）b b抗拉強(qiáng)度4產(chǎn)s扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度5）b 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）Kic平面應(yīng)變斷裂韌性11）b r應(yīng)力比為R下的疲勞極限12）A K疲勞裂紋擴(kuò)展的門檻值13）b應(yīng)力腐蝕破裂的臨界應(yīng)力DCC14）b 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(zhǎng)率S的蠕變極限15Q 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

4、長(zhǎng)則測(cè)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(duì)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）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（ B ）。a）越大；b）越??；c）不變；d）無規(guī)律6） 雙原子模型計(jì)算出的材料

5、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（ B ）平面應(yīng)力條件下的塑性區(qū)。a）大于；b）小于；c）等于；d）不一定8）在研究高周疲勞時(shí)，常通過控制（A ）的方式進(jìn)行。a）應(yīng)力；b）應(yīng)變；c）時(shí)間；d）頻率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）氯化物溶液；c）氨水溶液；d）硝酸鹽溶液10） 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

6、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(jiǎn)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)力一應(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

7、）（2）塑性材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線：（a）對(duì)調(diào)質(zhì)鋼和一些輕合金，它們的應(yīng)力一應(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(duì)某些塑性較低的金屬如鋁青銅、和形變強(qiáng)化能力特別強(qiáng)的金屬如 ZGMn13等材料，應(yīng)力一應(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(duì)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)力一應(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(jiǎn)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

8、驗(yàn)方法的原理是以一定的壓力（600N、1000N、1500N）將頂角為1200的金 剛石圓錐體壓頭或直徑為1/16U 2的鋼球壓入試樣表面，以殘留于表面的壓痕深度e來 表示材料的硬度。（2分）洛氏硬度的計(jì)算方法為：1）對(duì)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(duì)以鋼球?yàn)閴侯^、總試驗(yàn)力為600N和1000N的A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(cè)定洛氏硬度 更為簡(jiǎn)便迅速

9、，工效高。（3）對(duì)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(duì)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。（）由于壓痕小，所以洛氏硬度對(duì)材料組 織的不均勻性很敏感，測(cè)試結(jié)果比較分散，重復(fù)性差，因而不適用具有粗大組成相（如灰鑄 鐵中的石墨片）或不均勻組織材料的硬度測(cè)定。（1分）3）材料的厚度或截面尺寸對(duì)材料的斷裂韌性有什么影響？在平面應(yīng)變斷裂韌性Kic 的測(cè)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(duì)試樣的尺寸有什么要求？答：材

10、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KIC。（ 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(duì)試樣在z向的厚度B、 在y向的寬度W與裂紋長(zhǎng)度a之差（即W-a，稱為韌帶寬度）和裂紋長(zhǎng)度a設(shè)計(jì)成如下尺 寸B a 電2.5（號(hào)|（3分）（W- a） & sS4）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

11、紋擴(kuò)展速率一般在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(jiǎn)述控制材料摩擦磨損的方法答：對(duì)材料的摩擦磨損，其控制方法如下：（1）潤(rùn)滑劑的使用：在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦接觸面之間加入潤(rùn)滑劑，使兩接觸表面之間形成潤(rùn)滑膜，變干摩擦為潤(rùn)滑劑內(nèi)部分子間的內(nèi)摩擦，從而達(dá)到減少摩擦

12、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。（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

13、（1口 m） 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(duì)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 段材料的延伸率少與斷面收縮率w的關(guān)系式。解：假設(shè)均勻變形前，材料的長(zhǎng)度和截面積分別為、A0化為I、A。l l根據(jù)延伸率漢斷面收縮率w的定義：8=，w=l0；變形后材料的長(zhǎng)度和截面積變A0 AA0（1分）在均勻變形階段，由變形前后體積

14、不變的條件l0 A0= lA得：（1分）A l= l0+A l= l0 (1+ -)=l0 (1+8 )（1分）A= A0A A= A0 (1-AA)= A0 E)（1分）于是，可推出材料的延伸率少與斷面收縮率w間的關(guān)系:1+8=11W（2分）上式表明，W1W（1分）在均勻變形階段6恒大于W。（1分）與原子相對(duì)位置變化x的關(guān)系2）在原子平衡間距為a的理想晶體中，兩原子間的作用力b-2 xy為b=b m sin。如晶體斷裂的表面能為”，彈性模量為E，試推導(dǎo)晶體發(fā)生斷裂的理人解：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示?？朔?/p>

15、了原子之間作用力的最大值，即可產(chǎn)生 斷裂。這一最大值即為理論斷裂強(qiáng)度b為了簡(jiǎn)單、粗略地估計(jì)材料的理論強(qiáng)度力隨原子間距離X的變化。得出2兀尤 b=b sin 入可假設(shè)用波長(zhǎng)為入的正弦波來近似原子間約束(1)式中b 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2Y，意味著外力作功 消耗在斷口的形成上的能量至少等于2Y。即外力功與斷口的表面能相等。因此有：2XJ b sin 入 d=取=2b = 2兀y IX（2）（2 分）b= Ex I a（3）（2 分）式中

16、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:2 兀 x 2 兀 xbExm=一a2nb E_ m =a（4）（2分）由式（2）和（4）得:bm（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b max= 210MPa，最小應(yīng)力b min= 50MPa。已知板材的Kic= 60MPa- m Kth= 6.0MPa- m ; JPais 公式中的參數(shù) C =4*10 _ 1 2、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sinx#，同時(shí)，曲線開始部分 近似為直線，服從虎克定律，有：A=A。兀廠且

17、da/ dN （ry ）（ ry為塑性區(qū)的尺寸）。試計(jì)算該中心裂紋 板的剩余疲勞壽命。解：已矢日 2 a 0 =2 .0 mm， a 0 =1.0mm= 0.001m氣您=210MPa , b 訕=50MPa。因b 訕 0,于是A b =210MPa（1 分） TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 由上述的條件，有A K=Ab J兀 a0= 210 x J14x 0.001 =11.76 MPa*m 1 / 2 ,大于 fdaAKth= 6.0MPa- m，于是Paris公式而 =C（AK）m是可用的。（2分）因da / dN憂（七）1.5，而ry= （頃，于是有dN （K i ）3，即Paris公式2S中的m=3。（ 2分）利用Kic= 60MPa可得臨