2008-2009工程材料力学性能试题B

2） e ：弹性极限 3） b ：抗拉强度 4） bb ：抗弯强度 5）HBW：压头为硬质合金球时的布氏硬度 6）α KV ：V型缺口试样的冲击韧性 7） R ：应力比为 R 下的疲劳极限 8） SCC ：应力腐蚀破裂的临界应力 9） / 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
应 力
a
σm a
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
m sin
2 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：
a)断裂韧性；b) 冲击韧性；c) 应力腐蚀破裂门槛值；d) 应力场强度因子 11）在高温高压下，氢与钢中的碳发生反应生成甲烷气体，从而导致钢的塑性降低，这 种现象叫做（ B ） 。 a) 氢化物脆性；b) 氢蚀；c) 白点；d) 氢致滞后断裂 12）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 四、简答题（每小题 4 分，共 24 分） 1） 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 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 表示材料的硬度。 （1 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，不像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） 2）哪 些 材 料 易 表 现 出 低 温 脆 性 ？ 工 程 上 常 用 哪 些 方 法 评 定 材 料 的 低 温 脆 性 ？ 答：与面心立方金属相比，体心立方金属材料如中低强度钢等，容易表现出 低温脆性。 （2 分） 在工程上，常用能量准则、断口形貌准则、断口变形特征准则等评价材 料的低温脆性敏感性。 （2 分） 3） 缺 口 会 引 起 哪 些 力 学 响 应 ？ 如 何 评 定 材 料 的 缺 口 敏 感 性 ？ 答：材料截面上缺口的存在，使得在缺口的根部产生应力集中、双向或三向 应力、应力集中和应变集中，并试样的屈服强度升高，塑性降低。 （2 分） 材料的缺口敏感性，可通过缺口静拉伸、偏斜拉伸、静弯曲、冲击等方 法加以评定。 （2 分） 4）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 K I C
T
10） t ：给定温度 T 下，规定试验时间 t 内发生断裂的持久极限
T
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）下述断口哪一种是延性断口（ D ） 。 a) 穿晶断口；b) 沿晶断口；c) 河流花样；d) 韧窝断口 3）在单向拉伸、扭转与单向压缩实验中，应力状态系数的变化规律是（ C ）。 a) 单向拉伸＞扭转＞单向压缩；b) 单向拉伸＞单向压缩＞扭转；c) 单向压缩＞扭转＞ 单向拉伸；d) 扭转＞单向拉伸＞单向压缩 4）从化学键的角度看，一价键材料的硬度变化规律是（ A ） 。 a) 离子键＞金属键＞氢键；b) 离子键＞氢键＞金属键；c) 氢键＞金属键＞离子键； d) 金属键＞离子键＞氢键 5）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 6）在缺口试样的冲击实验中，缺口越尖锐，试样的冲击韧性（ B ） 。 a) 越大；b) 越小；c) 不变；d) 无规律 7） 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 8）材料的断裂韧性随板材厚度或构件截面尺寸的增加而（ A ） 。 a) 减小；b) 增大；c) 不变；d) 无规律 9）在研究低周疲劳时，常通过控制（ B ）的方式进行。 a) 应力；b) 应变；c) 时间；d) 频率 10）K ISCC 表示材料的（ C ） 。
2 K IC a 2.5 s (W a ) B
（4 分）
5）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。 （4 分） 6 ）高 周 疲 劳 与 低 周 疲 劳 的 区 别 是 什 么 ？ 并 从 材 料 的 强 度 和 塑 性 出 发 ，分 析 应如何提高材料的抗疲劳性能？ 答：高周疲劳是指小型试样在变动载荷（应力）试验时，疲劳断裂寿命高于 105周次的疲劳 过程。高周疲劳试验是在低载荷、高寿命和控制应力下进行的疲劳。而低周疲劳是在高应 力、短寿命、控制应变下进行的疲劳过程。 （2 分） 对高周疲劳，由于承受的载荷较小、常处于弹性变形范围内，因而材料的疲劳抗力主 要取决于材料强度。于是提高的材料就可改善材料的高周疲劳抗力。 而对低周疲劳，承受的载荷常大于材料的屈服强度、处于塑性变形内，因而材料的疲 劳抗力主要取决于材料的塑性。于是增加材料的塑性，可提高材料的低周疲劳抗力。 （2 分） 五、推导题（每小题 8 分，共 16 分） 关系为 m sin
2008～2009 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》 （ B卷 共 8 页） （考试时间：2009 年 1 月 13 日）
一 、 填 空 题 （ 每 空 0.5 分 ， 共 24 分 ） 1） 在材料的完整弹性变形中， 加 载 的 应 力 -应 变 曲 线 与 卸 载 曲 线 完 全 重 合 ； 而 对 不 完 整 的 弹 性 变 形 ，存 在 着 弹 性 后 效 、 弹 性 滞 后 、 包 辛 格 效 应 等 弹性变形时加载线与卸载线不重合的现象。 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 。微 孔 聚 集 型 断 裂 的 微 观 特 征 是 韧 窝 ；解 理 断 裂 的 微 观 特 征 主 要 有 解 理 台 阶 和 河流和舌状花样 ；沿晶断裂的微观特征为 石状 断口和 冰糖块状 断口。 3 ） 单 向 拉 伸 条 件 下 的 应 力 状 态 系 数 为 0 .5 ； 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）测 定 材 料 硬 度 的 方 法 主 要 有 压 入 法 、 回 跳 法 和 刻 划 法 ；其 中 压 入 硬度法又可分为 布氏硬度 、 洛氏硬度、 维氏硬度 、和 努氏硬度 等。 5) 根 据 裂 纹 体 所 受 载 荷 与 裂 纹 间 的 关 系 ，可 将 裂 纹 分 为 张 开 型 裂 纹 、 滑 开 型 裂 纹 和 撕 开 型 裂 纹 等 三 种 类 型 ；其 中 张 开 型 裂 纹 是 实 际 工 程 构 件 中最危险的一种形式。 6） 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） 材 料 的 环 境 敏 感 断 裂 ， 可 按 材 料 或 零 件 受 力 的 性 质 划 分 为 应 力 腐 蚀 开 裂 、 腐蚀疲劳断裂 、 腐蚀磨损 和微动腐蚀等形式。在应力腐蚀断裂 中 材 料 与 介 质 的 组 合 特 定 的 ；在 腐 蚀 疲 劳 断 裂 中 材 料 会 在 任 何 介 质 中 出现。 8） 材 料 长 期 在 高 温 条 件 下 时 ， 在 恒 应 力 下 发 生 的 塑 性 变 形 现 象 称 作 蠕 变 。 9 ）按 照 磨 损 机 理 ，磨 损 包 括 粘 着 磨 损 ， 磨 粒 磨 损 ， 疲 劳 磨 损 ， 腐 蚀磨损 ， 微动磨损 和冲蚀磨损等六种基本类型。 10 ）根 据 维 度 ，纳 米 材 料 可 分 原 子 团 簇 、纳 米 微 粒 等 0 维 纳 米 材 料 ， 纳 米线 等 1 维纳米材料， 纳米薄膜 等 2 维纳米材料，及 纳米块体 等 3 维纳米材料。 二、说明下列力学性能指标的意义（每小题 1 分，共 10 分） 1） p ：比例极限

/2
0
m sin
2 x

dx
m =2
（2） （2 分）
m 2 /
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：
'' ''
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， 因此为 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：
1）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
2 xቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

。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 。