工程材料力學試題

1、20082009學年第一學期期末考試試題答案及評分標準材料力學性能（B卷共8頁）（考試時間：2009年1月13日）一、填空題（每空0.5分，共24分）1）在材料的完整彈性變形中，加載的應力-應變曲線與卸載曲線完全重合；而對不完整的彈性變形，存在著彈性后效、彈性滯后、包申格效應等彈性變形時加載線與卸載線不重合的現(xiàn)象。2）材料的斷裂按斷裂機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。微孔聚集型斷裂的微觀特征是韌窩；解理斷裂的微觀特征主要有解理臺階和河流和舌狀花樣；沿晶斷裂的微觀特征為石狀斷口和冰糖塊狀斷口。3）單向拉伸條件下的應力狀態(tài)系數為0.5；

2、扭轉和單向壓縮下的應力狀態(tài)系數分別為0.8和2.0。應力狀態(tài)系數越大，材料越容易產生延性(塑性)斷裂。4）測定材料硬度的方法主要有壓入法、回跳法和刻劃法；其中壓入硬度法又可分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、和努氏硬度等。5)根據裂紋體所受載荷與裂紋間的關系，可將裂紋分為張開型裂紋、滑開型裂紋和撕開型裂紋等三種類型；其中張開型裂紋是實際工程構件中最危險的一種形式。6）對循環(huán)載荷，常用最大應力、最小應力、平均應力、應力半幅和應力比等五個參量進行描述。7）材料的環(huán)境敏感斷裂，可按材料或零件受力的性質劃分為應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞斷裂、腐蝕磨損和微動腐蝕等形式。在應力腐蝕斷裂中材料與介質的組合是特定的；

3、在腐蝕疲勞斷裂中材料會在任何介質中出現(xiàn)。8）材料長期在高溫條件下時，在恒應力下發(fā)生的塑性變形現(xiàn)象稱作蠕變。9）按照磨損機理，磨損包括粘著磨損，磨粒磨損，疲勞磨損，腐蝕磨損，微動磨損和沖蝕磨損等六種基本類型。10）根據維度，納米材料可分原子團簇、納米微粒等0維納米材料，納米線等1維納米材料，納米薄膜等2維納米材料，及納米塊體等3維納米材料。二、說明下列力學性能指標的意義（每小題1分，共10分）5）HBW：壓頭為硬質合金球時的布氏硬度6）KV ：V型缺口試樣的沖擊韌性7）：應力比為R下的疲勞極限8）：應力腐蝕破裂的臨界應力9）：給定溫度T下，規(guī)定試驗時間t內產生一定的蠕變伸長率的蠕變極限10）：給

4、定溫度T下，規(guī)定試驗時間t內不發(fā)生斷裂的持久強度極限三、單項選擇題（每小題1分，共12分）1）拉伸試樣的直徑一定，標距越長則測出的延伸率會（B）。a)越大；b)越??；c)不變；d)無規(guī)律可循2）下述斷口哪一種是延性斷口（D）。a)穿晶斷口；b)沿晶斷口；c)河流花樣；d)韌窩斷口3）在單向拉伸、扭轉與單向壓縮實驗中，應力狀態(tài)系數的變化規(guī)律是（C）。a)單向拉伸扭轉單向壓縮；b)單向拉伸單向壓縮扭轉；c)單向壓縮扭轉單向拉伸；d)扭轉單向拉伸單向壓縮4）從化學鍵的角度看，一價鍵材料的硬度變化規(guī)律是（A）。a)離子鍵金屬鍵氫鍵；b)離子鍵氫鍵金屬鍵；c)氫鍵金屬鍵離子鍵；d)金屬鍵離子鍵氫鍵5）與

5、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6）在缺口試樣的沖擊實驗中，缺口越尖銳，試樣的沖擊韌性（B）。a)越大；b)越小；c)不變；d)無規(guī)律7）雙原子模型計算出的材料理論斷裂強度比實際值高出13個數量級，是因為（C）。a)模型不正確；b)近似計算太粗太多；c)實際材料有缺陷；d)實際材料無缺陷8）材料的斷裂韌性隨板材厚度或構件截面尺寸的增加而（A）。a)減小；b)增大；c)不變；d)無規(guī)律9）在研究低周疲勞時，常通過控制（B）的方式進行。a)應力；b)應變；c)時間；d)頻率10）KISCC表示材料的（C）。a)斷裂韌性；b)沖擊韌性；c)應力

6、腐蝕破裂門檻值；d)應力場強度因子11）在高溫高壓下，氫與鋼中的碳發(fā)生反應生成甲烷氣體，從而導致鋼的塑性降低，這種現(xiàn)象叫做（B）。a)氫化物脆性；b)氫蝕；c)白點；d)氫致滯后斷裂12）應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)應力、應變；b)應變、應力；c)溫度、應變；d)溫度、應力四、簡答題（每小題4分，共24分）1）簡述洛氏硬度試驗方法的原理、計算方法和優(yōu)缺點。答：洛氏硬度試驗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一定直徑的小淬火鋼球（或硬質合金球）壓入試樣表面，以殘留于表面的壓痕深度e

7、來表示材料的硬度。（1分） 洛氏硬度的計算方法為：（1）對以金剛石圓錐體為壓頭、總試驗力為1500N的C標尺，有HRC=100-e/0.002；（2）對以鋼球為壓頭、總試驗力為600N和1000N的A和B標尺，有HRA(B)=130-e/0.002。（1分）洛氏硬度試驗的優(yōu)點是：（1）因有硬質、軟質兩種壓頭，故適于各種不同硬質材料的檢驗，不存在壓頭變形問題。（2）因為硬度值可從硬度機的表盤上直接讀出，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量檢驗。（4）因加有預載荷，可以消除表面輕微的不平度對試驗結果的影響。（1分）洛氏硬度的缺點是：（1）洛氏硬度

8、存在人為的定義，使得不同標尺的洛氏硬度值無法相互比較，不像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，測試結果比較分散，重復性差，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定。（1分）2）哪些材料易表現(xiàn)出低溫脆性？工程上常用哪些方法評定材料的低溫脆性？答：與面心立方金屬相比，體心立方金屬材料如中低強度鋼等，容易表現(xiàn)出低溫脆性。（2分）在工程上，常用能量準則、斷口形貌準則、斷口變形特征準則等評價材料的低溫脆性敏感性。（2分）3）缺口會引起哪些力學響應？如何評定材料的缺口敏感性？答：材料截面上缺口的存在，使得在缺口的根部產生應

9、力集中、雙向或三向應力、應力集中和應變集中，并試樣的屈服強度升高，塑性降低。（2分）材料的缺口敏感性，可通過缺口靜拉伸、偏斜拉伸、靜彎曲、沖擊等方法加以評定。（2分）4）材料的厚度或截面尺寸對材料的斷裂韌性有什么影響？在平面應變斷裂韌性KIC的測試過程中，為了保證裂紋尖端處于平面應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，因此為保證裂紋尖端處于平面應變和小范圍屈服狀態(tài)，對試樣在z向的厚度B、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設計成如下尺寸：5）材料的應力腐蝕開裂具有哪些主要特征？答：應力腐蝕開裂具有以下特點

10、：(1)造成應力腐蝕破壞的是靜應力，遠低于材料的屈服強度，而且一般是拉伸應力。(2)應力腐蝕造成的破壞，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相組合時才會造成應力腐蝕。(4)應力腐蝕的裂紋擴展速率般在10-910-6m/s，有點像疲勞，是漸進緩慢的，這種亞臨界的擴展狀況一直達到某一臨界尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時，就突然發(fā)生斷裂。(5)應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)應力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產物。(7)應力腐蝕的主裂紋擴展時常有分枝。(8)應力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是晶間斷裂。（4分

11、）6）高周疲勞與低周疲勞的區(qū)別是什么？并從材料的強度和塑性出發(fā)，分析應如何提高材料的抗疲勞性能？答：高周疲勞是指小型試樣在變動載荷（應力）試驗時，疲勞斷裂壽命高于105周次的疲勞過程。高周疲勞試驗是在低載荷、高壽命和控制應力下進行的疲勞。而低周疲勞是在高應力、短壽命、控制應變下進行的疲勞過程。（2分）對高周疲勞，由于承受的載荷較小、常處于彈性變形范圍內，因而材料的疲勞抗力主要取決于材料強度。于是提高材料的強度就可改善材料的高周疲勞抗力。而對低周疲勞，承受的載荷常大于材料的屈服強度、處于塑性變形內，因而材料的疲勞抗力主要取決于材料的塑性。于是增加材料的塑性，可提高材料的低周疲勞抗力。（2分）五、推導題（每小題8分，共16分）為了簡單、粗略地估計材料的理論強度，可假設用波長為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：材料的斷裂是在拉應力作用下，沿與拉應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)造兩個新表面。令表面能為，意味著外力作功消耗在斷口的形成上的能量至少等于。即外力功與斷口的表面能相等。因此有：注意