材料性能試卷含答案

1、北京工業(yè)大學2012 2013 學年第2學期材料性能»考試試卷北京工業(yè)大學20122013學年第2學期«材料性能考試試卷卷考試說明：承諾：本人已學習了北京工業(yè)大學考場規(guī)則和北京工業(yè)大學學生違紀處分條例，承諾在考試過程中自覺遵守有關規(guī)定，服從監(jiān)考教師管理，誠信考試，做到不違紀、不作弊、不替考。若有違反，愿接受相應的處分。承諾人：學號：班號：ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo(注：本試卷共七大題，共也一頁，滿分100分，考試時必須使

2、用卷后附加的統(tǒng)一答題紙。卷面成績匯總表（閱卷教師填寫）題號一二二四五六七八九十總成績滿分得分第一部分力學性能(PartIMechanicalPropertiesofMaterials)一、填空題（每空0.5分，共10分）1 .在cr=Ee,it=Gy中，E和G分別表示楊氏模量和切變模量,它們都是表征材料對彈性變形的抗力、其值越大，在相同應力下產(chǎn)生的彈性變形就越小。2 .低碳鋼試棒靜拉伸斷裂后，斷口一般為杯錐狀，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇3個區(qū)域組成，稱為斷口特征三要素。3 .當沖擊試驗溫度低于Tk時，材料由延性狀態(tài)轉變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)、沖擊吸收功明顯降低、斷裂機理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫怼嗫谔卣饔衫w維

3、狀變?yōu)榻Y晶狀,這就是低溫脆性。4 .疲勞破壞是循環(huán)應力引起的低應力斷裂、其斷裂應力水平往往低于材料的抗拉強度,甚至低于屈服強度。5 .應變硬化指數(shù)n反映材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力，n=1時，表示材料為完全理想的彈性體，n=0時表示材料沒有應變硬化能力,大多數(shù)金屬的n值在0.1。5之間。二、名詞解釋（每小題2分，共10分）1 .屈服強度：金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時的屈服極限，亦即抵抗微量塑性變形的應力。對于無明顯屈服的金屬材料，規(guī)定以產(chǎn)生0.2%殘余變形的應力值為其屈服極限，稱為條件屈服極限或屈服強度。大于此極限的外力作用，將會使零件永久失效，無法恢復。2 .脆性斷裂：脆性斷裂是描述材料宏觀斷裂的一

4、種斷裂形式，其特征是斷裂過程吸收的能量較小，即斷裂過程塑性變形小。其微觀特征是斷口上往往呈現(xiàn)出明顯的解理或準解理形貌。3 .解理斷裂：在正應力作用產(chǎn)生的一種穿晶斷裂，即斷裂面沿一定的晶面（即解理面）分離。解理斷裂常見于體心立方和密排六方金屬及合金，低溫、沖擊載荷和應力集中常促使解理斷裂的發(fā)生。面心立方金屬很少發(fā)生解理斷裂。4 .應力場強度因子：在線彈性斷裂力學中，表示帶初始裂紋構件的裂紋尖端處應力場強度的一個參量，它綜合反映了外加應力和裂紋位置、長度對裂紋尖端應力場強度的影響，一般表達式為：KI=YoJa,單位是MPa.m1/2。5 .疲勞門檻值：帶裂紋的構件在交變載荷作用下不會發(fā)生疲勞擴展的

5、應力強度因子交變值，符號為AKthoAK低于此值時裂紋的疲勞擴展速率幾乎為0三、問答/計算題（每題10分，共30分）注意：從以下六題中任選三題進行解答，只選三題，多選時只認定答題的前三題，其他不計分。請在答題紙上作答。1、說明材料的理論斷裂強度和實際斷裂強度存在巨大差別的原因答：理論斷裂強度是指指在外加正應力作用下，將晶體中的兩個原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應力.其表達式是1/2而實際斷裂強度是指含裂紋體的斷裂強度。如果以無限大板中心裂紋體考慮（格里菲斯裂紋），則1/2將有裂紋存在的斷裂強度和理論斷裂強度對比，可求出a。由于實際裂紋半長遠遠大于其解理面間距為a。，所以，理論斷裂強度遠遠大于

6、實際斷裂強度。2 .試述K判據(jù)的意義和用途。答：意義：裂紋是否發(fā)生脆性斷裂的判據(jù)是:材料或者構件在外力作用下裂紋是否發(fā)生失穩(wěn)擴展Ki-Kic當上式成立時，構件發(fā)生失穩(wěn)脆性斷裂，當Ki<Kic,即使構件含有裂紋，該構件在恒定的外載下不會發(fā)生失穩(wěn)擴展和脆性斷裂。因此，構件在這樣的條件下工作是安全的。用途：要使構件不發(fā)生脆性斷裂，設計者可以控制的因素有：1）、材料的斷裂韌性Kic；2）、名義應力；3）、構件中裂紋的臨界長度。在這三個因素中只有兩個是獨立的，根據(jù)公式：Yva若根據(jù)試驗得到的材料斷裂韌性和臨界裂紋長度，可以根據(jù)下式確定構件的最大承載能力；當材料的斷裂韌性指標和工作應力已知后，可以確

7、定構件最大裂紋尺寸或容許尺寸。3 .試述er-1和4Kh的異同。答：叫和Kth都是表征征材料無限壽命疲勞性能的材料性能，但含義完全不同。C1（疲勞強度）代表的是光滑試樣的無限壽命疲勞強度，適用于傳統(tǒng)的疲勞強度設計和校核。Kth代表疲勞裂紋不擴展的Ki臨界值，稱為疲勞裂紋擴展門檻值，表征材料阻止疲勞裂紋開始擴展的能力。Kiaa<.：K,KthY、a該式算出的b值顯然遠低于光滑試樣的疲勞強度1。第7頁共8頁第二部分物理性能化學性能|得分|四、填空題（每空0.5分，共20分）II1.金屬的德拜溫度越高，原子間結合力逾大，膨脹系數(shù)逾二小,楊氏模量E逾大o2 .光的照射使半導體材料的電導率發(fā)生變化

8、的現(xiàn)象,稱為光電導效應，可以分為本征光電導和雜質光電導。3 .光線通過線性光學晶體后，入射光頻率不會發(fā)生變化,介質的極化率為常數(shù);一定條件的光線通過非線性光學晶體后，入射光頻率會發(fā)生變化,即發(fā)生了非線性光學現(xiàn)象,介質的極化率為變量。4 .在熱釋電晶體中，某些晶體不僅能在某溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化現(xiàn)象，而且極化有兩個以上可以隨電場改變的取向，這種特性稱為鐵電性。5 .自然界物質的五種基本磁性是順磁性、抗磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性。6 .不同金屬原子磁性來源有所不同，如3d金屬原子磁矩主要由電子自旋磁矩來貢獻；而4f金屬的電子軌道磁矩和電子自旋磁矩對原子都有貢獻。7 .材料的老化包括四種情況，

9、即外觀變化、物理性能變化、力學性能變化_、.電性能變化。8 .腐蝕電池通過電流時，陽極電位向正方向移動的現(xiàn)象，稱為陽極極化,陰極電位向負方向移動的現(xiàn)象稱為陰極極化消除或減弱陽極極化和陰極化作用的電極過程稱為一去極化作用，能消除或減弱極化作用的物質，稱為去極化劑。9 .氫進入金屬中，導致金屬材料塑性、韌性明顯下降，產(chǎn)生低應力脆斷的現(xiàn)象稱為氫損傷，通常分為一汽脆、氨鼓泡、支腐蝕3種。10 .在腐蝕環(huán)境中，通過添加少量能阻止或緩解金屬腐蝕速度的物質以保護金屬的方法，稱為緩蝕劑保護法法。常用的緩蝕劑有三類陽極型緩蝕劑、_陰極型緩蝕劑、混合型緩蝕劑。11 .化學老化是高分子材料分子結構變化的結果，是一種

10、不可逆的化學反應。主要有降解禾口交聯(lián)兩種類型。|得分|五、名詞解釋（每小題0.5分，共3分）II1.熱容2.自發(fā)極化3、居里溫度4、物理老化5、磁致伸縮效應6、鈍化1 .熱容：在沒有相變或化學反應的條件下，材料溫度升高1K時所吸收的熱量稱作該材料的熱容。2 .自發(fā)極化：電介質在外電場為零時自發(fā)產(chǎn)生的極化。3 .店里溫度：鐵磁性材料由鐵磁性轉變?yōu)轫槾判缘臏囟取? .物理老化：是指玻璃態(tài)高分子材料通過小區(qū)域鏈段的微布朗運動使其凝聚態(tài)結構從非平衡態(tài)向平衡態(tài)過渡，從而使材料的物理、力學性能發(fā)生變化的現(xiàn)象。5 .磁致伸縮效應：鐵磁物質磁化時，沿磁化方向發(fā)生長度的伸長或縮短的現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應。6 .鈍

11、化：電化學腐蝕的陽極過程在某些情況下受到強烈的阻滯，使腐蝕速度急劇下降的現(xiàn)象稱為金屬的鈍化。六、判斷題（正確用<錯誤用,）（每題0.5分，共3分）1 .晶體發(fā)生相變時其熱膨脹系數(shù)將產(chǎn)生明顯變化。（父）2 .金屬的價電子愈多，其導電性愈好。（父）3 .金屬固溶體組織有序化后，電導率升高。（4）4 .任何材料在磁場的作用下均會產(chǎn)生抗磁性。（Y）5 .金屬材料發(fā)生均勻腐蝕的危害性大于其發(fā)生局部腐蝕。（M）6 .一般具有立體規(guī)整性的高分子聚合物要比無規(guī)整結構高聚物穩(wěn)定性高。（4）七、簡答題（每題6分，共24分）1.在金屬導電問題上，經(jīng)典電子理論、量子電子理論和能帶理論有何不同?答：利用經(jīng)典自由電

12、子理論導出金屬電導率表達式為:2、0-=nd/(mv)式中：m為電子質量；v為電子運動平均速度；n為電子密度；e為電子電量；l為平均自由程。利用量子自由電子理論導出金屬電導率表達式為：2.0-=ndF/(mvF)說明只有在費密面附近能級的電子才能對導電做出貢獻。利用能帶理論才嚴格導出電導率表達式：2,0-=efek/m*vf式中的變化有二點：n-nef,表示單位體積內(nèi)實際參加傳導過程的電子數(shù)。mm*,稱m*為電子的有效質量，它是考慮晶體點陣對電場作用的結果。2.材料產(chǎn)生壓電性的基本原理是什么？材料的壓電性有哪些主要性能指標？答：具有無對稱中心的晶體結構，在無應力和應變時，正、負電荷重心重合，加

13、上外力后正、負電荷重心不再重合，結果產(chǎn)生凈電偶極矩。表征壓電材料壓電性能的參數(shù)主要有介電常數(shù)、彈性常數(shù)、壓電系數(shù)、機械品質因數(shù)、機電耦合系數(shù)等。1 .介電常數(shù)：電常數(shù)反映了材料的介電性質(或極化性質)，即D=eE,對于壓電材料，(ij=1,2,3)是一個二階對稱張量，共有9個分量，單位為F/m。2 .彈性系數(shù)：應力與應變之間的比例系數(shù)，在不同的電學條件下，有不同的彈性柔順系數(shù)s(m2/N)和彈性剛度系數(shù)c(Pa)。3 .壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是壓電體把機械能轉變?yōu)殡娔芑虬央娔苻D變?yōu)闄C械能的轉換系數(shù)。它反映壓電材料彈性(機械)性能與介電性能之間的耦合關系。壓電常數(shù)越大，表明材料彈性性能與介電性能之間

14、的耦合越強。4 .機械品質因數(shù)Qn：表征壓電體諧振時因克服內(nèi)摩擦而消耗的能量。5 .機電耦合系數(shù)K:機電耦合系數(shù)K是表征壓電體的機械能與電能相互轉換能力的參數(shù)。6 .材料發(fā)生一級相變和二級相變時，(熱)始、比熱容將發(fā)生何種變化，結合(熱)始一一溫度、比熱容一一溫度曲線加以說明。答：一級相變和二級相變的始和熱容變化如下圖所示，從圖中可以看出：一級相變：在臨界點Tc,其熱始曲線出現(xiàn)躍變，熱容曲線發(fā)生白連續(xù)變化，熱容為無限大。二級相變：在一定溫度范圍逐步完成，始無突變，僅在靠近轉變點的狹窄溫度區(qū)間內(nèi)，有明顯增大，導致熱容的急劇增大。達轉變點時，始達最大值，熱容相應達有限極大值。一級相變二級相變7 .簡述受阻胺抗光氧老化的主要方式受阻胺抗光氧老化的主要方式包括猝滅、分解氫過氧化物、捕獲活性自由基和金屬離子鈍化。（2分）（1分）a）猝滅：受阻胺能與激發(fā)態(tài)的單線態(tài)氧反應，形成激發(fā)態(tài)復合物，使單線態(tài)氧的激發(fā)能消失，單線態(tài)氧濃度降低，從而使光氧老化速度受到抑制。b）分解氫過氧化物：氫過氧化物（ROOH）。鍵的離解能很小，容易受到外