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：2023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、包申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是特定的；在腐蚀疲劳断裂中材料会在任何介质**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）
5）hbw：压头为硬质合金球时的布氏硬度。
6）αkv：v型缺口试样的冲击韧性。
7）：应力比为r下的疲劳极限。
8）：应力腐蚀破裂的临界应力。
9） ：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。
10）：给定温度t下，规定试验时间t内不发生断裂的持久强度极限。
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）kiscc表示材料的（c）。
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一定直径的小淬火钢球（或硬质合金球）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kic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：
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，有点像疲劳，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。于是提高材料的强度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）
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：
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，意味着外力作功消耗在断口的形成上的能量至少等于。即外力功与断口的表面能相等。
因此有：
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：
式中a为平衡状态时原子间距，e为弹性模量，由式（1）和（3）得：
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，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σs。注意，计算时需考虑应力松弛的影响。
六、计算题（14分）
工程力学 材料力学
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