2006-2007工程材料力学性能试题B.

2006～2007学年第一学期期末考试（备用卷）答案及评分标准《材料力学性能》（B卷共 8 页）（考试时间：2007 年1月 23 日）一、名词解释（每小题2分，12分）1）刚度：在弹性变形范围内，构件抵抗变形的能力。

2）弹性不完整性：弹性变形时加载线与卸载线不重合、应变落后于应力的现象。

3）形变强化：材料发生屈服应变后，屈服应力随屈服应变增加而增大的现象。

4）等强温度：晶粒与晶界强度相等的温度。

5）摩擦：两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或有相对运动趋势，接触面上具有阻止相对运动或相对运动趋势的作用，这种现象称为摩擦。

6）纳米材料：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料。

二、填空题（每空0.5分，共15分）1）高分子材料的应力-应变曲线，大致可分为硬而脆，硬而强，硬而韧和软而韧和软而弱等五种类型。

2）材料的拉伸力学性能，包括屈服强度、抗拉强度和实际断裂强度等强度指标和延伸率和断面收缩率等塑性指标。

3）弹性滞后环是由于材料的加载线和卸载线不重合而产生的。

对机床的底座等构件，为保证机器的平稳运转，材料的弹性滞后环越大越好；而对弹簧片、钟表等材料，要求材料的弹性滞后环越小越好。

4）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5）在扭转实验中，塑性材料的断裂面与试样轴线垂直；脆性材料的断裂面与试样轴线成450角。

6）低温脆性常发生在具有体心立方结构的金属及合金中，而在面心立方结构的金属及合金中很少发现。

7）根据构件的受力状态，环境敏感断裂可分为应力腐蚀开裂，腐蚀疲，腐蚀磨损和微动磨损等四类。

8）材料的韧性是表征材料在外力作用下，从变形到断裂全过程中吸收塑性变形功和断裂功的能力。

根据试样形状和加载速率，材料的韧性可分为光滑试样的静力韧性、缺口试样的冲击韧性和裂纹试样的断裂韧性。

三、单项选择题（每小题1.5分，共18分）1）拉伸试样的直径一定，标距越长则测出的抗拉强度会（ C ）。

a) 越高；b) 越低；c) 不变；d) 无规律可循2）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3）扭转加载的应力状态系数（ A）单向拉伸的应力状态系数。

a) 大于；b) 小于；c) 等于；d) 无关系4）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5) 平面应变条件下裂纹尖端的塑性区尺寸（ B）平面应力下的塑性区。

a) 大于；b) 小于； c) 等于； d) 不一定6）在研究低周疲劳中，常通过控制（ B ）的方式进行。

a) 应力； b) 应变；c ) 时间；d) 频率7）⊿K th表示材料的（ B ）。

a) 断裂韧性； b) 疲劳裂纹扩展门槛值；c ) 应力腐蚀破裂门槛值；d) 应力场强度因子8）奥氏体不锈钢在（ B ）溶液中容易发生应力腐蚀开裂。

a) 热碱溶液； b) 氯化物溶液；c ) 氨水溶液；d) 硝酸盐溶液9）蠕变是指材料在（ A ）长期作用下发生的塑性变形现象。

a) 恒应变； b) 恒应力；c ) 恒加载速率；d) 恒定频率10）细晶强化是非常好的强化方法，但不适用于（ A ）。

a) 高温；b) 中温；c) 常温；d) 低温11）与干摩擦相比，加入润滑剂后摩擦副间的摩擦系数将会（ B ）。

a) 增大；b) 减小；c) 不变；d) 不一定12）纳米材料是指一个维度的尺寸小于（ C ）的材料。

a) 1nm；b) 1μm；c) 100nm；d) 10nm四、简答题（每小题4分，共24分）1）简述材料性能的分析方法。

答：对材料性能的分析，常有如下四种不同的方法：（1）黑箱法：由于不知道或不需要知道材料内部的结构，认为材料是一个黑箱；可从输入和输出信息的实验关系来定义或理解性能。

（1分）（2）相关法(灰箱法)：随着对材料结构的不断认识，及对材料实验数据的不断积累，材料的结构部分已知，从而可用统计的方法建立起性能与结构之间相关性的经验方程。

（1分）（3）过程法（白箱法）：在深入了解材料内部结构的本质、并掌握材料的行为过程机制的情况下，可从材料的结构参数去计算或预测材料的各种性能。

（1分）（4）环境法：材料的性能，除与材料的成分和结构有关外，还与外界的环境条件有关。

即从环境条件对材料的作用角度去研究材料的性能。

（1分）2）简述洛氏硬度试验方法的优缺点。

答：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。

（2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，不象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。

（2分）3）试以日常生活的1~2则事例，说明裂纹的有益作用或对人们有利的一面。

答：如切割玻璃时，工人们总是先用玻璃刀在玻璃上刻下划痕，以使玻璃切割得既整齐又省力。

（2分）再如售货员卖布时，也总是先在布的边缘剪开一个小口，沿着这个小口，可以很容易地将布撕开。

（2分）4）与纯机械疲劳相比，腐蚀疲劳有何特点？答：与纯机械疲劳相比，在水介质中的腐蚀疲劳具有以下的特点：(1) 在腐蚀疲劳的S~N曲线上，没有像大气疲劳那样具有水平线段，即不存在无限寿命的疲劳极限值。

即使交变应力很低，只要循环次数足够大，材料总会发生断裂。

（1分）(2) 腐蚀疲劳极限与静强度之间没有直接的关系。

（1分）(3) 在大气环境中，当加载频率小于1000Hz 时，频率对疲劳极限基本上无影响。

但腐蚀疲劳对加载频率十分敏感，频率越低，疲劳强度与寿命也越低。

（1分）(4) 腐蚀疲劳条件下裂纹极易萌生，故裂纹扩展是疲劳寿命的主要组成部分。

而大气环境下，光滑试样的裂纹萌生是疲劳寿命的主要部分。

（1分）5）与常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点 ？答：与常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有如下的特点：（1）材料在高温下将发生蠕变现象。

即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。

（1分）（2）材料在高温下的强度与载荷作用的时间有关了。

载荷作用的时间越长，引起一定变形速率或变形量的形变抗力及断裂抗力越低。

（1分）（3）材料在高温下工作时，不仅强度降低，而且塑性也降低。

应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。

因而在高温下材料的断裂，常为沿晶断裂。

（1分）（4）在恒定应变条件下，在高温下工作的材料还会应力松弛现象，即材料内部的应力随时间而降低的现象。

（1分）6）控制摩擦磨损的方法有哪些？答：对材料的摩擦磨损，其控制方法如下：（1）润滑剂的使用：在相对运动的摩擦接触面之间加入润滑剂，使两接触表面之间形成润滑膜，变干摩擦为润滑剂内部分子间的内摩擦，从而达到减少摩擦表面摩擦、降低材料磨损的目的。

（1分）（2）摩擦材料的选择：根据摩擦的具体工况(载荷、速度、温度、介质等)，选择合理的摩擦副材料（减摩、摩阻、耐磨），也可达到降低材料摩擦磨损的目的。

（1分）（3）材料的表面改性和强化：利用各种物理的、化学的或机械的工艺手段如机械加工强化处理、表面热处理、扩散处理和表面覆盖处理，使材料表面获得特殊的成分、组织结构与性能，以提高材料的耐磨性能。

（2分）五、推导题（每小题8分，共16分）1）对静载拉伸实验，试根据体积不变条件及延伸率、断面收缩率的概念，推导均匀变形阶段材料的延伸率δ与断面收缩率ψ的关系式。

（8分）解：在均匀变形阶段，由变形前后体积不变的条件lA A l 00可得：（1分）)1()1(0000δ+=∆+=∆+=l l l l l l l （1分） )1(1(0000ψ-=∆-=∆-=A A A A A A A （1分） 于是，可推出材料的延伸率δ与断面收缩率ψ间的关系：ψδ-=+111 （2分） 或ψψδ-=1 （2分） 上式表明，在均匀变形阶段δ恒大于ψ。

（1分）2）对质点均匀分布的两相合金，如质点间距为λ，试用无限大板中心贯穿裂纹（裂纹长度为2a ）延长线上的应力场强度分布公式r K I y πσ2/=、虎克定律ε=σ/E 、最大均匀真应变εb 和应变强化指数n ，推导材料断裂韧性K I C 的表达式。

（8分）解：已知材料为含有均布第二相质点的两相合金，质点间距为λ，物体受力后裂纹顶端出现一塑性区，随着外力增加，塑性区增大，当塑性区与裂纹前方的第一个质点相遇时，即塑性区尺寸λγ=时，质点与基体界面开裂形成孔洞。

孔洞与裂纹之间的材料好像一个小的拉伸试样。

当这个小拉伸试样断裂时，裂纹便开始向前扩展，此时的K I 因子就是材料的断裂韧性K IC 。

（2分） 裂纹顶端塑性区内的应力为材料的屈服强度s σ。

弹性区内的应力分布为r K I y πσ2/=。

根据虎克定律在弹性区与塑性区的交界处，即λ=r 点，应变y ε为πλσε2E K E I y y == （2分）图1 Krafft 断裂模型假定裂纹顶端与孔洞之间的小试样的断裂条件与单向拉伸时的断裂条件相同。

当塑性区内的应变达到单向拉伸颈缩时的应变时，即最大的均匀真应变b ε时，小试样便出现塑性失稳。

（1分）于是，裂纹扩展的临界条件就是塑性区的应变y ε达到该材料的最大均匀真应变b ε。

而b ε=n （n 为应变强化指数）。

因此，裂纹扩展的临界条件为：πλ2E K n IC= （2分）所以，微孔集聚型断裂的断裂韧性为：πλ2En K IC = （1分）六、计算题（15分）有一大型厚板构件制造时，出现了中心穿透裂纹，若2a ＝2mm ，在工作应力σ＝1000MPa 下工作，应该选什么材料的σ0.2与K IC 配合比较合适? 已知构件材料经不同热处理后的σ0.2与K IC 值列于下表：σ0.2/MPa 1100 1200 1300 1400 1500 K IC / MPa*m 1/2 110 95 75 60 55解： 已知工作应力σ＝1000MPa ；裂纹长度为2a =2mm ，于是a =1mm=0.001m 。

构件为大型厚板结构，属平面应变。

（1） 对屈服强度为1100 MPa 、断裂韧性为110 MPa*m 1/2的材料，因sσσ＝1000／1100＝0.91＞0.5，于是裂纹前端的应力强度因子K I 为： 2)(2411S I a K σσπσ-=＝60.65 MPa*m 1/2＜110 MPa*m 1/2 因此选用该材料是安全的。