B卷工程材料力学性能试题.doc
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2007〜2008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：200孙1月14日）一、名词解释（每小题2分，共12分）1）弹性比功：指材料吸收变形功而不发生永久变形的能力，它标志着单位体积材料所吸收的最大弹性变形功，是一个韧度指标2分）2）应变时效：经变形和时效处理后，材料塑性、韧性降低，脆性增加的现象3）静力韧性：指材料在静载拉伸断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力2分）4）脆性断裂：断裂前，材料未发生明显的宏观塑性变形的断裂，或指断裂应力低于材料屈服强度的断裂2分）5）应力状态系数：应力状态中最大切应力和最大正应力的比值2分）6）环境敏感断裂：材料在环境介质中的力学行为是介质和应力共同作用的结果；这种介质和应力相互促进、加速材料损伤、促使裂纹早期形成并加速其扩展和破坏的现象称作环境敏感断裂2分）二、填空题（每空0.5分，共22分）1）通过静载拉伸实验可以测定材料的弹性极限、屈服极限、抗拉强度、版裂强度等强度指标,及延伸率、断面收缩率等塑性指标2）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。
3）断口的三要素是纤维区、放射区和剪切唇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3分）5）在平面应变断裂韧性KIc的测试过程中，对三点弯曲试样的厚度B、裂纹长度a和韧带长度（W-a）的要求为：B之2.5（KC)2、a之2.5(Kc■:不KC）2,这样做的目的是为了保证裂纹尖端处于小范围屈服和平面（W-a）>2.5（b应变状态6）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、氢脆、腐蚀疲劳和腐蚀磨损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7）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；而在恒应变下的应力降低现象称作应力松弛8）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9）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,纳米玲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。
三、简答题（每小题4分，共24分）1）解释平面应力和平面应变状态，并用应力应变参数表述这两种状态oz=0这种只答：对薄板，由于板材较薄，在厚度方向上可以自由变形，即在两个方向上存在应力的状态称为平面应力2分）对厚板，由于厚度方向变形的约束作用，使得z方向不产生应变，即£z=0o这种状态称为平面应变2分）2）形变强化的规律是什么？其工程意义有哪些？答：材料从屈服到产生颈缩间的形变强化阶段，遵从Hollomon公式S=K£no1分）形变强化的意义为：1）可使金属零件具有抵抗偶然超载的能力，保证安全；2）可强化材料；3）形变强化可以保证某些冷成形工艺的顺利进行3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，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）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）5）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2九）6）叙述区分高强钢发生应力腐蚀破裂与氢致滞后断裂的方法答：应力腐蚀与氢致滞后断裂，虽然都是由于应力和化学介质共同作用而产生的延滞断裂现象，但可通过以下的方法进行区分：（1）利用外加电流对静载下产生裂纹的时间或裂纹扩展速率的影响来判断当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹时间的是应力腐蚀；当外加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间的是氢致延滞断裂1分）（2）应力腐蚀的断裂源在试样的表面；而氢致开裂的断裂源在表面以下的某一深度处1分）（3）应力腐蚀断口的颜色灰暗，常有腐蚀产物存在；而氢致断裂断口一般较光亮、没有腐蚀产物或腐蚀产物的量很少。
1分）（4）应力腐蚀的主裂纹有较多的二次裂纹存在；而氢致断裂的主裂纹没有分枝1分）四、推导题（每小题8分，共24分，）1）利用Hollomon公式S=K£n,推导应力-应变曲线上应力达到最大值时开始产生颈缩的条件解:应力-应变曲线上的应力达到最大值时开始颈缩o在应力一应变曲线的最高点处有dP=SdAAdS=0由dP=0可得dSSdA二d；A1分）（2分）dSQ/八、所以一=S（2分）d；这就是颈缩判据说明颈缩开始于应变强化速率dS/d与真应力相等的时刻由应变强化指数n的定义得出dSS二n（1分）将颈缩条件=S入上式，得dSd；n=sb（2分）说明在颈缩开始时的真应变在数值上与应变强化指数n相等2）试用无限大板中心贯穿裂纹（裂纹长度为2a）延长线上应力场强度分布公式av=KI/2「，计算平面应力条件下裂纹前端塑性区的真实大小其中材料的屈服强度为混注意，计算时需考虑应力松弛的影响解:按照线弹性断裂力学,仃y=-K-,其应力分布为图（2二r>/21中的曲线DC,当弹性应力超过材料有的效屈服强度C-ys,便产生塑性变形原始塑性区的大小r0可按下式计算:因二ys得一一2及平：面吆舌）力状=态下仃Iys—二s,所以可二yso但是，在局在塑Ti区r0范围内如不考虑形变强化，其应力可视为恒定的，就等于出仃ys的那部分弹性应力，(以阴影线A区表示)势必要发生应力松驰。
应力松驰的结果，使原屈服区外的周围弹性区的应力升高，相当于BC线向外推移到EF位置，如图所示应力松驰的结果使塑性区从r0扩大到R0o从能量角度看，阴影线面积图1应力松驰后的塑性区DBA=矩形面积BGHE,用积分表示为:rK।（2分）0—dr=C-ysR00（2丁）1/2）1对于平面应力状态，把r12-I和.二s『yss代入上式得R0=1=2r0）由此可见，当考虑应力松驰后，扩大后的塑性区尺寸dadNR0正好是原来r0的两倍C(K)m(m=2)和K的表达式3)试用疲劳裂纹扩展速率的表达式K=、小xa,计算疲劳裂纹的扩展寿命N”其中丫为裂纹形状因子,a为裂da(1-材1100纹长度，在工作应力疲劳裂纹的起始长度为a0,材料的断裂韧性为Kic解根据Pari公式dN(AK)m,若取&Ki=Y&ina,则有—厂=C二二二amm/2dN=CY二(.)mam/2d由于mW时，所以有Nc=dN=N五、计算题（18分）(2分)Cm一Ym（3分）（3分）某单位拟设计一种大型的厚板构件（属平面应变），构件的工作应力为（y=800MPa板中心有一穿透裂纹（KI=t!Jia）,裂纹长度为2a=4mm现有以下的五种钢材可供选择，各钢材的断裂韧性Kic和屈服强度os如下表：钢135os(MPa)1200140013001500K।c(MPa*m)8.569.846.51085.554.31K一(一「(平面应力)；ry= f=42二：sa）若按屈服强度计算的安全系数为n=1.4,试找出既能保证材料强度储备又不发生脆性断裂的钢材。
b)若n=1.7种材料能满足该构件的设计要求其中已知：1K।（）2（平面应变）na(平面应力)；Ki=K।=11(二)22osci1-42a二a1变）ry=2二二S解：a）设计的构件为大型厚板，属平面应变状态2分）n是对给定的构件工作应力因n=1.4,根据材料力学的设计依据a
0s800/1400=0.57<0.6,于是有:对4号钢材，os=1400MPa>1360MPa,而——K।=crna=63.4MPa*m1/2>54.3MPa*m1/2因此选4号钢材是不安全的.800/1500=0.53<0.6,于是有:；三“对5号钢材，os=1500MPa>1360MPa,而Ki=CTJia=63.4MPa*m1/2>46.5MPa*m1/2因此选5号钢材是不安全的.所以设计构件时，给定的五种钢材都不合适。
