材料力学性能思考题大连理工大学教学资料.docx

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材料力学性能思考题大连理工大学教学资料

2015年材料力学性能思考题大连理工大学

一、填空：

1.提供材料弹性比功的途径有二，提高材料的，或降低。

2.退火态和高温回火态的金属都有包申格效应，因此包申格效应是

具有的普遍现象。

3.材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段，根据断裂过程材料的宏观塑性变形过程，可以将断裂分为与；按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径，分为和；按照微观断裂机理分为和；按作用力的性质可分为

和。

4.滞弹性是指材料在范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加的现象，滞弹性应变量与材料、有关。

5.包申格效应：

金属材料经过预先加载产生少量的塑性变形,而后再同向加载,规定残余伸长应力；反向加载，规定残余伸长应力的现象。

消除包申格效应的方法有和。

6.单向静拉伸时实验方法的特征是、、必须确定的。

7.过载损伤界越，过载损伤区越，说明材料的抗过载能力越强。

8.依据磨粒受的应力大小，磨粒磨损可分为、

、三类。

9．解理断口的基本微观特征为、和。

10．韧性断裂的断口一般呈杯锥状，由、和三个区域组成。

11．韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标，其中又分为、

和。

12.在α值的试验方法中，正应力分量较大，切应力分量较小，应力状态较硬。

一般用于塑性变形抗力与切断抗力较低的所谓塑性材料试验；在α值的试验方法中，应力状态较软，材料易产生塑性变形，适用于在单向拉伸时容易发生脆断而不能充分反映其塑性性能的所谓脆性材料；

13.材料的硬度试验应力状态软性系数，在这样的应力状态下，几乎所有金属材料都能产生。

14.硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能，大体上可以分为

、和三大类；在压入法中，根据测量方式不同又分为

、和。

15.国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为试样

和试样，所测得的冲击吸收功分别用

、标记。

16.根据外加压力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式

有、和。

17.机件的失效形式主要有、、三种。

18.低碳钢的力伸长曲线包括、、、

、断裂等五个阶段。

19.内耗又称为，可用面积度量。

20.应变硬化指数反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力，在数值上等于测量形成拉伸颈缩时的。

应变硬化指数与金属材料的层错能有关，层错能低者n值。

冷加工状态n值。

晶粒粗大材料n值。

21.是材料抵抗无限次应力循环也不疲劳断裂的强度指标。

22.应力状态软性系数：

用试样在变形过程中的测得

和的比值表示。

23.微孔聚集型断裂是包括微孔、直至断裂的过程。

24.缺口试样的与等截面光滑试样的的比值。

称为“缺口敏感度”。

25.机件在冲击载荷下的断口形式仍为、和。

26.包申格应变是在给定应力下，正向加载和反向加载两曲线之间的应变差。

27.由于缺口的存在，在载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化的现象，被称为“缺口效应”。

28.洛氏硬度是在一定的实验力下，将120º角的压入工件表面，用所得的来表示材料硬度值的工艺方法。

28.低温脆性是随的下降，材料由转变为的现象。

29.缺口敏感性是指材料因存在缺口造成的状态和而变脆的倾向。

31.疲劳破坏形式按应力状态分为、、、及。

按应力高低和断裂寿命分为

和。

32.典型的疲劳断口具有、、三个特征区。

33.疲劳条带是疲劳断口的特征，贝纹线是断口的特征。

34.金属材料的疲劳过程也是裂纹的和过程。

35.金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力，用或表示。

36.金属在和特定的共同作用下，经过一段时间后所发生的

现象，成为应力腐蚀断裂。

37.应力腐蚀断裂的最基本的机理是和。

38.由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象叫做。

39.氢致脆断裂纹的拓展方式是式，这是与应力腐蚀裂纹式扩展方式是不同的。

40.钢的氢致延滞断裂过程可分为、、三个阶段。

41.典型氢脆类型包括、、、。

42.机件正常运行的磨损过程一般分为、

、段三个阶段。

减轻粘着磨损的主要措施有

、、。

43.按磨损模型分为：

、、、、

五大类。

44.韧窝是微孔聚集型断裂的基本特征。

其形状视应力状态不同分为下列、、三类。

其大小决定于第二相质点的、基体材料的和以及外加应力的大小和形状。

45.磨损量的测定方法有和两种，单位摩擦距离单位压力下的磨损量称之为。

46.国家标准规定了四种断裂韧性测试试样：

、、

和。

47.过载持久值越高，说明材料在相同的过载荷下能承受的应力循环周次，材料的能力越强。

48.按照蠕变速率的变化，可将蠕变过程可分为、

和三个阶段。

49.金属材料的蠕变变形主要是通过、等机理进行的。

50.当试验温度低于某一温度tk时，材料由状态变为状态，冲击吸收功明显下降，断裂机制由型变为断口特征，断口由状变为状，这就是低温脆性。

51.韧脆转变温度tk，也是金属材料的指标,它反映了温度对材料的影响。

也是性能指标，是从韧性角度选材的重要依据之一，可用于抗脆断设计。

52.金属材料在长时高温载荷作用下的断裂大多为断裂。

在不同的应力和温度条件下，晶界裂纹的形成方式有、两种。

53.金属材料蠕变断裂断口的宏观特征为：

一是在断口附近产生，在变形区域附近有许多，使断裂机件表面出现现象；另一个特征是由于高温氧化，断口表面往往被一层覆盖。

54.金属材料蠕变断裂断口的微观特征主要是冰糖状花样的。

55.蠕变极限是表示材料在高温长时间载荷作用下的抗力指标，是选用高温材料，设计高温下服役机件的主要依据之一。

56.描述材料的蠕变性能常采用、

、等力学性能指标。

57.缺口偏斜拉伸试验过程中，试样在承受拉伸力的同时还承受力的作用，承受复合载荷，故其应力状态更，缺口截面上的应力分布更，因而，更能显示材料的缺口敏感性。

58.要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形状必须，压入角应。

59.高温下材料晶内和晶界的强度均随温度升高而，但晶界的强度降低速度比晶内的降低速度。

60.根据剥落裂纹起始位置及形态不同，接触疲劳破坏分为、

和三类。

61.是引起疲劳破坏的外力，它是指大小、方向均随时间变化的载荷。

62.紧凑拉伸试样预制裂纹后在固定应力比和应力范围条件下循环加载，

随的变化曲线即为疲劳裂纹扩展曲线。

63.疲劳裂纹不扩展的应力强度因子范围临界值，称为。

64.产生疲劳微观裂纹的主要方式有、和。

65.疲劳裂纹扩展第二阶段断口最重要的特征是具有。

66.驻留滑移带在加宽过程中，还会出现和，其成因可用柯垂耳－赫尔模型描述。

67.剪切断裂和解理断裂都是断裂。

前者受剪切力作用是断裂，后者受正应力作用，属断裂。

断裂性质完全不同。

也就是说断裂既可能是韧性断裂也可能是脆性断裂。

取决于材料的本性和力的作用方式。

68解理断裂是沿特定界面发生的脆性断裂，解理断裂实际上是沿一族相互平行的晶面解理而引起的。

这些解理面称为。

69.若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而形成解理断口的基本微观特征。

二、概念：

1.韧脆转变：

2.内耗：

3.解理裂纹：

4.弹性：

5.低温脆性：

6.低应力脆断：

7.过载持久值：

8.滞弹性：

9.穿晶裂纹：

10.疲劳缺口敏感性：

11.韧脆转变温度：

12.循环韧性：

13.解理刻面：

14.韧性：

15.小范围屈服：

16.有效裂纹长度：

17.缺口敏感度：

18.穿晶断裂：

19.解理断裂：

20.氢致延滞断裂

21.应力腐蚀

22.白点

23.接触疲劳

24.耐磨性

25.粘着磨损

26.约比温度

27.松弛稳定性

28.等强温度

29持久强度

30.蠕变极限

三、分析问答题

第一章

1.试分析金属材料在屈服阶段为何存在上下屈服点？

2.循环韧性有何工程意义？

选择音叉需要选择循环韧性高的还是低的材料？

3.何为拉伸断口三要素？

影响宏观拉伸断口的形态的因素有哪些？

4、为什么材料的塑性要以延伸率和断面收缩率这两个指标来度量?

它们在工程上各有什么实际意义?

5.包申格效应有何意义？

工程中对机件会产生哪些影响？

6.试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力－伸长曲线图上的区别？

为什么？

7.试述韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么说脆性断裂最危险？

8.常温静拉伸试验可确定金属材料的哪些性能指标？

说出这些指标的符号定义、意义。

9．常用的标准试样有5倍试样和10倍试样，其延伸率分别用σ5和σ10表示，说明为什么σ5>σ10。

10.试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释bcc金属与fcc金属及其合金屈服行为不同的原因。

第二章

1.布氏硬度与洛氏硬度可否直接比较？

2.缺口对材料的拉伸力学性能有什么影响？

3.布氏硬度与洛氏硬度的测量方法有何不同？

HRA、HRB、HRC分别用于测量何种材料的硬度？

4、什么是“缺口效应”？

它对材料性能有什么影响？

5.金属材料在受到扭转、单向拉伸、三向等拉伸、单向压缩、两向压缩、三向压缩应力作用时，其应力状态软性系数分别为多少？

6.缺口试样拉伸时应力分布有何特点？

7.试综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏斜拉伸试验的特点

8.今有如下工件需要测定硬度，试说明选用何种硬度试验法为宜？

（1）渗碳层的硬度分布；

（2）淬火钢；（3）灰铸铁，（4）硬质合金，（5）鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体，（6）仪表小黄铜齿轮，（7）龙门刨床导轨，（8）氮化层，（9）火车圆弹簧，（10）高速钢刀具。

第三章

1.试说明低温脆性的物理本质及其影响因素？

2.冲击韧性主要有哪些用途？

3．细化晶粒尺寸可以降低脆性转变温度或者说改善材料低温脆性，为什么？

4．为什么通常体心立方金属显示低温脆性，而面心立方金属一般没有低温脆性?

5.试述冲击载荷作用下金属变形和断裂的特点。

6、什么是低温脆性、韧脆转变温度tk？

产生低温脆性的原因是什么？

体心立方和面心立方金属的低温脆性有何差异？

为什么？

第四章

1.说明KI和KIc的异同。

2.为什么研究裂纹扩展的力学条件时不用应力判据而用其它判据？

3.试述应力场强度因子的意义及典型裂纹KⅠ的表达式

4.试述K判据的意义及用途

5.试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素，在什么条件下需考虑塑性区的影响对KⅠ进行修正？

6.张开型、滑开型和撕开型哪种断裂方式最危险？

7.试述影响KⅠc和AkV的异同及其相互之间的关系

8．什么叫断裂韧性？

它与应力场强度因子有何联系与区别？

第五章

1.轴对称循环应力的平均应力、应力幅和应力比分别为多少？

2.疲劳宏观断口上的贝纹线与微观断口的条带有什么区别？

3.试述金属疲劳断裂的特点

4.试说明合金成分、显微组织、非金属夹杂物、表面粗糙度等对金属疲劳性能的影响规律

5.试述金属表面强化对疲劳强度的影响。

第六章

1.有一M24栓焊桥梁用高强度螺栓，采用40B钢调质制成，抗拉强度为1200MPa，承受拉应力650MPa。

在使用中，由于潮湿空气及雨淋的影响发生断裂事故。

观察断口发现，裂纹从螺纹根部开始，有明显的沿晶断裂特征，随后是快速脆断部分。

断口上有较多腐蚀产物，且有较多的二次裂纹。

试分析该螺栓产生断裂的原因，并考虑防止这种断裂的措施。

2.试述金属产生应力腐蚀的条件和机理。

3.试述区别高强度钢的应力腐蚀和氢致延滞断裂的方法。

4.何为氢致延滞断裂？

为什么高强度钢的氢致研制断裂是在一定的应变速率和温度范围内出现？

第七章

1..粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施

2.摩擦副材料的硬度一般较测试材料高，请问为何一般不能选择同种材料作摩擦副？

3.耐磨性一般如何测量？

有哪些测定方法？

4.如何提高材料或零件的抗粘着磨损能力?

第八章

1.试说明材料的持久强度极限是如何由实验方法测得的？

2.试说明使材料产生稳态蠕变速率的蠕变极限是如何由实验方法测得的？

3．解释材料高温蠕变变形理论主要有哪些？

蠕变断裂有哪几种形式？

4.试分析晶粒大小对金属材料高温力学性能的影响。

5.材料的高温性能包括哪些？

6.试述金属蠕变断裂的裂纹形成机理与常温下金属的裂纹形成机理有何不同？

四、计算

1.通常纯铁的γs=2J/m2,E=2×105MPa,a0=2.5×10-10m，试求其理论断裂强度σm。

（4×104MPa）

2.若一薄板内有一条长3毫米的裂纹，且a0=3×10-8mm，试求脆性断裂时的断裂应力σc（设σm=E/10＝2×105MPa）。

（71.4MPa）

3.有一材料E=2×1011N/m2,γs=8N/m,试计算在7×107N/m2的拉力作用下，该材料的临界裂纹长度？

（0.4mm）

4．一直径为2.5mm，长为200mm的杆，在载荷2000N作用下，直径缩小为2.2mm,试计算：

（1）杆的最终长度；（258.3mm）

（2）在该载荷作用下的真应力S与真应变e；（407.6MPam,0.291）

（3）在该载荷作用下的名义应力σ与名义应变δ。

（526.2MPa,0.255）

5.某材料制成长50mm、直径5mm的圆形拉伸试样，当进行拉伸试验时，塑性变形阶段的外力F与长度增量ΔL的关系为

F（N）6000，14000

ΔL（mm）1，11.5

试求该材料的硬化系数和应变硬化指数。

（n＝0.44，K＝1659.59MPa）

6.有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KIC=115MPa·m1/2，探伤发现有20mm长的横向穿透裂纹，若在平均轴向拉应力900MPa下工作，试计算KI及塑性区宽度R0，并判断该件是否安全。

（168.13MPa.m1/2，1.01mm）

7.有一轴件平均轴向工作应力150MPa，使用中发生横向疲劳脆性正断，断口分析表明有a=25mm深的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c可以确定Φ=1，测试材料的σ0.2=720MPa，试估算材料的断裂韧度KIC是多少？

（46.23MPa.m1/2）

8.铝合金三点弯曲试样，尺寸B:

W:

S=18:

36:

144，用千分尺测得的实际尺寸B=18.01mm，W=36.06mm，试样的屈服强度550MPa，测试中所获得的F-V曲线形状如图所示，为第二类曲线，最大载荷Fmax=8700N，第一个高峰值为8360N，用初始线段的斜率小于5%做割线截取时与F-V曲线交点为8050N。

试样断裂后，从断口上测得的相对裂纹长度a/W=0.54；从附表查得，Y（a/W）=3.04，试求条件断裂韧度KQ并进行有效性判断。

（29.67MPa.m1/2，B>7.27mm）

9．低合金钢厚板的断裂韧性在-20℃时的GⅠc=5.1×10-2MPam，GⅠc值随温度成比例地减小，每下降10℃，GⅠc降低1.3×10-2MPam，如果这块板上有长度为10mm的裂纹，问在-50℃时σc的断裂应力是多少?

（E=2×105MPa,ν=0.3）（409.86或者410.84MPa）

10．用某材料制造一批压力容器，此材料的屈服强度σs=1600MPa，断裂韧性KⅠc=40MPa.m1/2，经探伤检验发现某一容器沿轴向有一穿透裂纹，长度为2a=5mm，此批容器的半径R=1100mm，壁厚t=6mm，试问:

如果2a=5mm的这一压力容器必须承受的最大压强为8.34MPa（85个大气压），这个压力容器是否安全?

（σ=1529MPa，不安全KI=184.18MPa.m1/2）

11.某汽车发动机连杆大头螺栓在工作时承受交变拉应力，最大拉力为59460N，最小拉力为56900N，螺栓螺纹处内径为11.29mm，试求应力半幅σa、平均应力σm及应力循环对称系数r。

（3.198MPa,145.36MPa,0.96）

12．设有屈服强度为415MPa，断裂韧性为132MPa.m1/2，宽度分别100mm、260mm的两块合金厚钢板。

如果板都受500MPa的拉应力作用，并设板内都有长为46mm的中心穿透裂纹，试问此两板内裂纹是否都扩展?

（KI=156*f（a/b）,MPa.m1/2）

13.物体内部有一圆盘状尖锐深埋裂纹，直径为2.5cmm，当作用的应力为700MPa时，物体发生断裂事故，求:

（a）材料的断裂韧性是多少?

（假定满足平面应变条件。

）88.433MPa.m1/2

（b）若用这种材料制成一块厚度B=0.75cm，裂纹半长a=3.75cm的板作断裂韧性试验，问测得的断裂韧性值是否有效?

（设材料的屈服强度为1100MPa。

）（2.5（KIC/σs）2=16.2mm，B<16.2mm无效。

）

（c）测得有效KIC的厚度是多少?

（16.875mm）

7.5×1.5×1.5=16.875

14.设某压力容器周向应力σ＝1400MPa，采用焊接工艺后可能有纵向表面裂纹（半椭圆）a=1mm,a/c=0.6.现可以选用的两种材料分别有如下性能：

A钢σ0.2＝1700MPa,KⅠc=78MPa.m1/2；B钢σ0.2＝2800MPa，KⅠc=47MPa.m1/2。

试从防止低应力断裂考虑，应选用哪种材料。

（提示：

参考有关半椭圆表面裂纹，而且还要考虑到塑性修正的应力场强度因子KⅠ表达式）（A：

可以使用KI=156MPa.m1/2

不能使用KI=68MPa.m1/2>KIC）

15.有板件在脉动载荷下工作，σmax=200MPa,σmin=0,该材料的σb=670MPa,σ0.2=600MPa,KIc=104MPa·m1/2,Paris公式中，C=6.9×10-12,n=3.0，使用中发现有0.1mm和1mm两处横向穿透裂纹，请估算板件的疲劳剩余寿命？

（2.69×105循环周次）

16.正火45钢的σb=610MPa，σ-1=300MPa，试用Goodman公式绘制σmax（σmin）-σm疲劳图，并确定σ-0.5，σ0,σ0.5等疲劳极限（σmax）。

（402.2MPa,484.8MPa,343.6MPa）

17.某高强度钢的σ0.2=1400MPa，在水介质中的KISCC=21.3MPa•m1/2。

裂纹扩展到第Ⅱ阶段的da/dt=2×10-6mm/s。

第Ⅰ阶段结束时KI=62MPa•m1/2，该材料制成的机件在水介质中工作，工作拉应力σ=400MPa，探伤发现该机件表面有半径a0=4mm的半圆形裂纹，试粗略估算其剩余寿命。

（ac=15.6mm,Φ2=2.46,67.13天）

五、说明下列力学性能指标的意义：

500HBW5/750；HR30N；HV；HK；HS；AKV；AKU,FATT50；NDT,FTE,FTP；KIc；GIc；σ-1，σ-1P,σ-1N,τ-1,qf,ΔKth,da/dN,σscc、KⅠscc、KⅠhec、da/dt、

；；

；

；

。

六、判断正误，正确的在括号里打✓，错误的打✗

1.弹性模量E表征了金属材料对弹性变形的抗力（）。

2.材料的真实相对伸长与真实相对断面收缩率在数值上是相等的（）。

3.穿晶断裂一定是韧性断裂（）。

4.疲劳断裂总是脆性断裂（）。

5.所谓解理面是指屈服强度最低的晶面（）。

6.应力状态软性系数越小，越容易产生脆性断裂（）。

7.随着加载速率的提高，材料的韧脆转变温度也提高（）。

8.金属的断裂韧性KIc随裂纹的扩展而增大（）。

9.贝纹线和疲劳条带都是疲劳断口的微观特征（）。

10.材料的缺口敏感度为1，说明缺口几乎不影响材料的疲劳强度（）。

11.退火态和高温回火态的金属都有包申格效应（）。

12.弹性模量E主要取决于金属的本性，是组织不敏感因素（）。

13.解理断裂总是脆性断裂（）。

14.过载损伤是指金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后，其疲劳极限或疲劳寿命的减损（）。

15.韧窝是微孔聚集型断裂断口微观形貌的基本特征（）。

16.提高材料的弹性模量能够提高材料弹性比功（）。

17.硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能（）。

18.内耗可用弹性比功度量（）。

19.应变硬化指数随层错能降低而降低（）。

20冷加工状态应变硬化指数高（）。

21.晶粒粗大材料应变硬化指数高（）。

22.缺口试样的屈服强度与光滑试样的屈服强度的比值。

称为“缺口敏感度”（）。

23.应力腐蚀是指金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象（）。

24.由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象叫做氢致断裂（）。

26.单位摩擦距离单位压力下的磨损量称之为比磨损量（）。

27.材料的组织越不均匀，弹性后效越明显（）。

28.疲劳寿命是指试样在交变循环应力或应变作用下直至发生破坏前所经受应力或应变的循环次数（）。

29.金属材料的蠕变变形主要是通过晶界滑动和位错滑移等机理进行的（）。

30.金属材料蠕变断裂断口在变形区域附近有许多裂纹，使断裂机件内部出现龟裂现象（）。

31.金属材料蠕变断裂断口一定因为高温氧化，在表面形成一层氧化膜（）。

32.金属材料蠕变断裂断口的微观特征通常是冰糖状花样的沿晶断裂形貌（）。

33.蠕变极限是表示材料在高温长时间载荷作用下的塑性变形抗力指标（）。

34.材料的晶内和晶界的强度均随温度升高而降低（）。

35.蠕变极限是指在约比温度以下，使试样在蠕变第二阶级产生规定稳态蠕变速率的最大应力（）。

36.蠕变极限是指在给定温度和载荷条件下，使试样产生规定的蠕变应变的最大应力（）。

37.蠕变就是高温时材料在长时间的载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象（）。

38.滞弹性是指在外加载荷作用下，应变落后于应力现象，属于弹塑性变形（）。

39.包申格效应是指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限增加；反向加载时弹性极限降低的现象（）。

40.解理断裂沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂（）。

41.驻留滑移带是指用已发生塑性变形的试样电解抛光后，对其重新循环加载时，又在原处再现的循环滑移带（）。

42.布氏硬度是指用钢球或硬质合金球作为压头，采用单位压痕投影面积所承受的试验力计算而得的硬度（）。

43.洛氏硬度不同标尺是可以相互比较的（）。

44.维氏硬度是以两相对面夹角为136°的金刚石四棱锥作压头，采用单位投影面积所承受的试验力计算而得的硬度（）。

45.冲击韧度是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功的能力（）。

46.低温脆性可以作为选材的依据（）。

47.小范围屈服是指塑性变形去尺寸较裂纹尺寸及净截面尺寸小一个数量级以下的屈