工程材料力學性能第二版復習題(共12頁)

1、基本(jbn)題解釋下列(xili)名詞序號1滯彈性應力場強因子2韌性低應力脆斷3裂紋擴展能量釋放率蠕變4氫脆疲勞5過載損傷應力腐蝕6松弛穩(wěn)定性氫致延滯斷裂7接觸疲勞粘著磨損8等強溫度約比溫度9應力松弛熱震斷裂10銀紋冷拉伸二、說明(shumng)下列力學性能指標的意義（10小題，每題2分，共20分）三、簡答題（6小題，每題5分，共30分）斷裂強度c與抗拉強度(kn l qin d)b有何區(qū)別(qbi)？簡述(jin sh)裂紋尖端塑性區(qū)對KI的影響。簡述疲勞裂紋的形成機理和阻止其萌生的方法。接觸疲勞和普通機械疲勞的差異是什么？簡述疲勞宏觀斷口的特征。陶瓷材料如何增韌？簡述KIC和KC的意義及

2、相互關系。缺口對試樣的應力分布和力學性能會產生哪些影響？裂紋尖端產生塑性區(qū)的原因是什么？接觸疲勞和普通機械疲勞的差異是什么？簡述疲勞微觀斷口的特征。陶瓷材料與金屬材料在彈性變形、塑性變形和斷裂方面有何不同？五、計算題（2小題，每題15分，共30分）【說明：下列各題中如需對應力場強因子進行塑性區(qū)修正，修正公式為：(平面應力) 和(平面應變)。塑性區(qū)寬度公式：(平面應力)，(平面應變)?！? 一直徑為d0=10.00mm，標距為L0=50.00mm的金屬標準拉伸試樣，在拉力F=10.00kN時，測得其標距長L為50.80mm；在拉力F=55.42kN時，試樣開始發(fā)生明顯的塑形變形；在拉力F=67.

3、76kN時，試樣斷裂，測得斷后試樣的標距Lk為57.60mm，最小處截面直徑dk為8.32mm。（1）求拉力(ll)F=32.00kN時，試樣(sh yn)受到的工程(gngchng)拉應力和工程拉應變，以及真應力S和真應變e；（2）求試樣的屈服極限s、抗拉強度b、延伸率和斷面收縮率。2.一塊含有寬為16mm的中心穿透型裂紋的鋼板（），受到350MPa垂直于裂紋平面的應力作用：（1）如果材料的屈服強度分別是1400MPa和450MPa，求裂紋尖端應力場強因子的值；（2）通過上述兩種情況，討論對應力場強因子進行塑性修正的意義?！菊f明：下列各題中如需對應力場強因子進行塑性區(qū)修正，修正公式為：(平面

4、應力) 和(平面應變)。塑性區(qū)寬度公式：(平面應力)，(平面應變)?！?一大型薄板中心有一寬為4.8mm的穿透性裂紋，其材料的s=760MPa，KIc=102MPam1/2，該板受650Mpa的單向拉應力，求：該裂紋尖端的應力場強因子KI；該裂紋尖端塑性區(qū)的寬度R0；該板件是否能安全工作？2某大型構件中心有長為4mm的原始裂紋，該構件在頻率為50Hz，max = -min = 85MPa的周期性循環(huán)應力下工作，已知該裂紋的擴展速率為,其中n=3，c=2.410-16。已知，2ac = 32mm，問該構件在此循環(huán)應力下能安全工作多長時間？附加題（2題，每題15分，共30分）試解釋(jish)為什

5、么具有(jyu)體心立方晶體結構的金屬容易出現(xiàn)(chxin)屈服和低溫脆性現(xiàn)象？如何給非晶態(tài)聚合物增韌？金屬的高溫蠕變與聚合物的蠕變有什么不同？試推導完整晶體受拉應力作用后的理論斷裂強度公式：。其中E為彈性模量，s為裂紋面上單位面積的表面能，a0為原子間平均距離。解釋下列名詞應力場強因子：材料斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。低應力脆斷：在屈服應力以下發(fā)生的脆性斷裂。蠕變：金屬在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產生塑性變形的現(xiàn)象。疲勞：金屬機件在變動應力和應變長期作用下，由累計損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。應力腐蝕：金屬在拉應力和特定的化學介質共同作用下，經過一段時間后所產生的低應力脆斷現(xiàn)象。氫致延滯斷

6、裂：金屬中處于固溶態(tài)的氫在低于屈服強度的應力持續(xù)作用下，經一段孕育期，在三向拉應力區(qū)域形成裂紋，然后擴展，發(fā)生的脆性斷裂。由于氫的作用而產生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致延滯斷裂。粘著磨損：滑動摩擦時 HYPERLINK /view/2512141.htm t _blank 摩擦副局部接觸應力超過實際接觸點處較軟金屬的屈服強度，使其產生局部塑變和冷焊，發(fā)生金屬粘著，在隨后相對滑動中又被剪斷，被轉移到另一金屬表面，或脫落形成磨屑的過程。約比溫度：材料工作溫度與其熔點之比值，即T/Tm。熱震斷裂：陶瓷材料承受溫度驟變時產生的瞬時斷裂。冷拉伸：玻璃態(tài)聚合物拉伸時出現(xiàn)縮頸時，縮頸區(qū)因分子鏈高度取向而產生應變硬

7、化，應力又開始隨應變而增大直至斷裂，此拉伸應變過程稱冷拉伸。滯彈性：材料在彈性范圍內快速加載或卸載后，隨時間延長產生附加彈性應變的現(xiàn)象。應變落后于應力的現(xiàn)象。韌性(rn xn)：材料斷裂(dun li)前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。裂紋擴展(kuzhn)能量釋放率：把裂紋擴展單位面積時系統(tǒng)釋放勢能的數(shù)值。氫脆：由于氫和應力的共同作用，而導致金屬材料產生脆性斷裂的現(xiàn)象，稱為氫脆斷裂。過載損傷：金屬在高于疲勞極限的應力水平下運轉一定周次后，其疲勞極限或疲勞壽命減小的現(xiàn)象。 松弛穩(wěn)定性：金屬材料抵抗應力松弛的能力。接觸疲勞：兩接觸面做滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應力長期作用下，材料表面因疲

8、勞損傷，導致局部區(qū)域產生小片金屬剝落而使材料損失的現(xiàn)象。等強溫度：晶粒強度與晶界強度相等的溫度。應力松弛：材料在恒定變形條件下，應力隨時間的延續(xù)而逐漸減少的現(xiàn)象。銀紋：非晶態(tài)聚合物的某些薄弱區(qū)，因拉應力塑性變形，在其表面和內部出現(xiàn)閃亮的、細長形的“類裂紋”。二、說明下列力學性能指標的意義（10小題，每題2分，共20分）：切變彈性模量 ：彈性極限：斷后伸長率：抗彎強度: C標尺的洛氏硬度：V型缺口試樣的沖擊吸收功:靜拉伸缺口敏感度（Notch Sensitivity Ratio），缺口試樣抗拉強度與等截面積尺寸光滑試樣抗拉強度之比值。：裂紋尖端臨界張開位移： 應力比10. ：在規(guī)定溫度(wnd)

9、t下，以規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率表示(biosh)的蠕變極限。: 屈服(qf)強度（不規(guī)定測試方法）規(guī)定殘余伸長為原始標距0.2%時的應力，常定義此應力為屈服強度：彈性比功：斷面收縮率：缺口試樣抗拉強度: 布氏硬度:裂紋尖端張開位移（Crack Opening Displacement）：應力狀態(tài)軟性系數(shù)：對稱循環(huán)應力下的彎曲疲勞極限： 彎曲撓度19. ：在規(guī)定溫度t下，達到規(guī)定持續(xù)時間而不發(fā)生斷裂的持久強度極限。三、簡答題（6小題，每題5分，共30分）簡述KIC和KC的意義及相互關系。答：（1）KIC為平面應變下的斷裂韌度，表示在平面應變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力；（2）KI為平面應力斷裂韌度

10、，表示在平面應力條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力；（3）KIC和KI都是I型裂紋的材料斷裂韌度指標，但KI值與試樣厚度有關。當試樣厚度增加，使裂紋尖端達到平面應變狀態(tài)時，斷裂韌度趨于一穩(wěn)定的最低值，即為KIC。它與試樣厚度無關，而是真正的材料常數(shù)。缺口對試樣的應力分布和力學性能會產生哪些影響？(1)缺口造成應力(yngl)應變集中；(2)缺口(quku)改變了缺口前方的應力狀態(tài)，使平板中材料所受的應力由原來的單向拉伸改變?yōu)閮上蚧蛉蚶欤?3)缺口使塑性材料強度(qingd)增高，塑性降低。裂紋尖端產生塑性區(qū)的原因是什么？答：根據建立在彈性力學的基礎之上的Giffth理論，對于一裂紋體，在裂紋

11、的尖端處存在應力集中，其中垂直于裂紋方向的分應力y理論上在與裂紋尖端距離為0時的值為無窮大，顯然這是不可能的，尤其是對于一個塑性材料。因為對于塑性材料，當外加應力大于屈服應力時，裂紋尖端就會發(fā)生塑性變形，從而產生塑性區(qū)，使應力得到松弛。接觸疲勞和普通機械疲勞的差異是什么？接觸疲勞是兩機件在接觸面作滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應力長期作用下材料表面因疲勞損傷，導致局部地區(qū)發(fā)生金屬剝落而使材料流失的現(xiàn)象。與普通機械疲勞的差異表現(xiàn)在：（1）存在兩接觸物體的相對運動；（2）引起疲勞的是交變壓應力，無拉應力；（3）疲勞發(fā)生在表層或亞表層；（4）破壞形式是部分金屬剝落，而不是整體斷裂。簡述疲勞微觀

12、斷口的特征。答：疲勞條帶是疲勞斷口最典型的微觀特征。所謂疲勞條帶就是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣?；葡刀嗟拿嫘牧⒎浇饘伲淦跅l帶明顯；滑移系少或組織復雜的金屬，其疲勞條帶短窄而紊亂。陶瓷材料與金屬材料在彈性變形、塑性變形和斷裂方面有何不同？答：與金屬材料相比，（1）陶瓷材料在彈性變形階段，彈性模量大，且彈性模量隨空隙率的增加而降低，壓縮彈性模量大于拉伸彈性模量；（2）在塑變階段，室溫時絕大多數(shù)陶瓷材料不產生塑變，在高溫時會出現(xiàn)主滑移系引起的塑變，但應變量很小，但對于具有細小晶粒的微晶陶瓷，可能會出現(xiàn)超塑性；（3）在斷裂階段，陶瓷材料主要是解理斷裂，而金屬材料是韌性斷裂，除材料本身的特性

13、以外，陶瓷材料的斷裂強度還與晶?？煽紫冻叽缬嘘P。斷裂強度c與抗拉強度(kn l qin d)b有何區(qū)別(qbi)？答：（1）斷裂強度c是裂紋開始擴展時的應力(yngl)值，抗拉強度是材料開始不均勻塑變（縮頸）時的應力值；（2）c針對的是裂紋體，為脆性斷裂，b針對的是非裂紋體塑性材料，一般為韌性斷裂。簡述裂紋尖端塑性區(qū)對KI的影響。答：裂紋尖端塑性區(qū)的存在降低了裂紋體的剛度，使裂紋尖端的應力得到松弛，即限制了裂紋尖端的應力大?。ㄐ∮诨虻扔谇O限），這相當于裂紋向前擴展了整個塑變區(qū)的寬度，從而增加了KI值。簡述疲勞裂紋的形成機理和阻止其萌生的方法。答：疲勞裂紋的萌生是由不均勻的局部滑移和顯微開裂

14、引起的，主要方式有：表面滑移帶開裂，第二相、夾雜物或其相界開裂，晶界或亞晶界開裂。對于表面滑移帶開裂，可采用固溶強化、細晶強化等手段提高材料的滑移抗力，阻止疲勞裂紋萌生；對于相界面開裂，降低第二相、夾雜物的脆性，提高相界面強度，控制其數(shù)量、形態(tài)、大小和分布，使之少、圓、小、勻，可抑制或減緩相界開裂；對于晶界開裂，凈化、強化晶界，細化晶粒，可抑制晶界開裂。接觸疲勞和普通機械疲勞的差異是什么？接觸疲勞是兩機件在接觸面作滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應力長期作用下材料表面因疲勞損傷，導致局部地區(qū)發(fā)生金屬剝落而使材料流失的現(xiàn)象。與普通機械疲勞的差異表現(xiàn)在：（1）存在兩接觸物體的相對運動；（2）引

15、起疲勞的是交變壓應力，無拉應力；（3）疲勞發(fā)生在表層或亞表層；（4）破壞形式是部分金屬剝落，而不是整體斷裂。簡述疲勞(plo)宏觀斷口的特征。答：典型(dinxng)疲勞斷口分3個區(qū)：疲勞源、疲勞區(qū)及瞬斷區(qū)。（1）疲勞源區(qū)光亮平滑(pnghu)，貝紋線細??；（2）疲勞區(qū)斷口光滑，分布有貝紋線；（3）瞬斷區(qū)是裂紋最后失穩(wěn)快速擴展所形成的斷口區(qū)域，斷口粗糙，脆性材料為結晶狀斷口，韌性材料為纖維狀斷口。陶瓷材料如何增韌？答：（1）改善陶瓷顯微結構：使材料達到細密、均、純；增加晶粒長寬比。（2）相變增韌：在外力作用下，陶瓷從亞穩(wěn)相轉變?yōu)榉€(wěn)定相，消耗一部分外加能量，使材料增韌。相變增韌受使用溫度限制。（

16、3）微裂紋增韌：當主裂紋擴展遇到微裂紋時，發(fā)生分叉轉變擴展方向，增加擴展過程的表面能；同時，主裂紋尖端應力集中被松弛，致使擴展速度減慢。五、計算【說明：下列各題中如需對應力場強因子進行塑性區(qū)修正，修正公式為：(平面應力) 和(平面應變)。塑性區(qū)寬度公式：(平面應力)，(平面應變)?！?一大型薄板中心有一寬為4.8mm的穿透性裂紋，其材料的s=760MPa，KIc=102MPam1/2，該板受650Mpa的單向拉應力，求：該裂紋尖端的應力場強因子KI；該裂紋尖端塑性區(qū)的寬度R0；該板件是否能安全工作？解：（1）a=2.4mm=0.0024m， = 650MPa，因此(ync)需要修正。因是大型(

17、dxng)薄板，為平面應力(yngl)情況，。（2）（3）因KIKIC,該板可以安全工作。2某大型構件中心有長為4mm的原始裂紋，該構件在頻率為50Hz，max = -min = 85MPa的周期性循環(huán)應力下工作，已知該裂紋的擴展速率為,其中n=3，c=2.410-16。已知，2ac = 32mm，問該構件在此循環(huán)應力下能安全工作多長時間？解：2a0=4mm，a0=2mm=0.002m；ac = 0.016m； = 85(-85)=170MPa，K=Kmax-Kmin=Y。因，所以安全工作時間：t = 4.406109/50(Hz) = 8.81107s = 24479.5h?！菊f明(shum

18、ng)：下列各題中如需對應力場強因子進行(jnxng)塑性區(qū)修正，修正公式為：(平面(pngmin)應力) 和(平面應變)。塑性區(qū)寬度公式：(平面應力)，(平面應變)?！? 一直徑為d0=10.00mm，標距為L0=50.00mm的金屬標準拉伸試樣，在拉力F=10.00kN時，測得其標距長L為50.80mm；在拉力F=55.42kN時，試樣開始發(fā)生明顯的塑形變形；在拉力F=67.76kN時，試樣斷裂，測得斷后試樣的標距Lk為57.60mm，最小處截面直徑dk為8.32mm。（1）求拉力F=32.00kN時，試樣受到的工程拉應力和工程拉應變，以及真應力S和真應變e；（2）求試樣的屈服極限s、抗拉強度b、延伸率和斷面收縮率。解：（1