工程材料力学性能期末试卷

材料的力学性能课程期末试卷A卷标准答案（即评分标准）一、填空（每空1分，共10分）1、应力强度因子反映了裂纹尖端区域应力场的强度，它综合反映了__________和裂纹位置、__________对裂纹尖端应力场强度的影响。2、对于材料的静拉伸实验，在整个拉伸过程中的变形分为弹性变形、塑性变形和__________三个阶段，塑性变形又可分为__________、均匀塑性变形和____________三个阶段。3、材料塑性的评价，在工程上一般以光滑圆柱试样的拉伸伸长率和__________作为塑性性能指标。常用的伸长率指标有__________、最大应力下总伸长率和最常用的__________三种。4、根据外加应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______________、滑开型(Ⅱ型)裂纹扩展和______________三类。答案：1、外加应力；长度。2、断裂、屈服、不均匀集中塑性变形。3、断面收缩率；最大应力下非比例伸长率；断后伸长率。4、张开型(Ⅰ型)裂纹扩展、撕开型(Ⅲ型)裂纹扩展。二、判断题：（每题1分，共10分）（）1、磨损包括三个阶段，这三个阶段中均能观察到摩擦现象，最后发生疲劳韧脆性断裂。（）2、应力状态软性系数越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形；反之，应力状态软性系数越小，表示应力状态越硬，则材料越容易产生脆性断裂。（）3、断裂δ判据是裂纹开始扩展的断裂判据，而不是裂纹失稳扩展的断裂判据，显然，按这种判据设计构件是偏于保守的。（）4、测量陶瓷、铸铁的冲击吸收功时，一般采用夏比U型缺口试样，很少采用X型及无缺口冲击试样。（）5、应力腐蚀断裂速度远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯力学因素引起的断裂速度。（）6、工程设计和材料选用中一般以工程应力、工程应变为依据；但在材料科学研究中，真应力与真应变具有更重要的意义。（）7、同一材料用不同的硬度测定方法所测得的硬度值是不相同的，且完全不可以互相转换。（）8、缺口使塑性材料得到“强化”，因此，可以把“缺口强化”看作是强化材料的一种手段，提高材料的屈服强度。（）9、接触疲劳过程是在纯滚动的条件下产生的材料局部破坏，也经历了裂纹形成与扩展两个阶段。（）10、疲劳强度属于强度类力学性能指标，是属于高温拉伸的力学性能指标。答案：1、×；2、；3、；4、×；5、；6、；7、×；8、×；9、×；10、×三、选择题：（每题1分，共10分）1、形变强化是材料的一种特性，是下列（）阶段产生的现象。A、弹性变形；B、冲击变形；C、均匀塑性变形；D、屈服变形。2、缺口引起的应力集中程度通常用应力集中系数表示，应力集中系数定义为缺口净截面上的（）与平均应力之比。A、最大应力；B、最小应力；C、屈服强度；D、抗拉强度。3、因相对运动而产生的磨损分为三个阶段：（）、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。A、磨合阶段；B、疲劳磨损阶段；C、轻微磨损阶段；D、不稳定磨损阶段。4、在拉伸过程中，在工程应用中非常重要的曲线是（）。A、力—伸长曲线；B、工程应力—应变曲线；C、真应力—真应变曲线。5、韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标，是指材料断裂前吸收（）的能力。A、塑性变形功和断裂功；B、弹性变形功和断裂功；C、弹性变形功和塑性变形功；D、塑性变形功。6、蠕变是材料的高温力学性能，是缓慢产生（）直至断裂的现象。A、弹性变形；B、塑性变形；C、磨损；D、疲劳。7、缺口试样中的缺口包括的范围非常广泛，下列（）可以称为缺口。A、材料均匀组织；B、光滑试样；C、内部裂纹；D、化学成分不均匀。8、最容易产生脆性断裂的裂纹是（）裂纹。A、张开；B、表面；C、内部不均匀；D、闭合。9、空间飞行器用的材料，既要保证结构的刚度，又要求有较轻的质量，一般情况下使用（）的概念来作为衡量材料弹性性能的指标。A、杨氏模数；B、切变模数；C、弹性比功；D、比弹性模数。10、KⅠ的脚标表示I型裂纹，I型裂纹表示（）裂纹。A、张开型；B、滑开型；C、撕开型；D、组合型。答案：1、C；2、A；3、A；4、B；5、A；6、B；7、C；8、A；9、C；10、A。四、名词解释：（每题5分，共20分）1、规定非比例伸长应力与弹性极限答：1)规定非比例伸长应力，即试验时非比例伸长达到原始标距长度规定的百分比时的应力，表示此应力的符号附以角注说明。2)弹性极限是材料由弹性变形过渡到弹—塑性变形时的应力，应力超过弹性极限以后材料便开始产生塑性变形。2、韧性断裂与裂纹尖端张开位移答：韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。（2.5分）裂纹体受载后，在裂纹尖端沿垂直裂纹方向所产生的位移，称为裂纹尖端张开位移。（2.5分）3、变动载荷与疲劳强度答：变动载荷是指载荷大小，甚至方向随时间变化的裁荷。（2.5分）疲劳强度为在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力，疲劳强度是保证机件疲劳寿命的重要材料性能指标。（2.5分）4、静力韧度与疲劳裂纹扩展速率答：通常将静拉伸的σ-ε曲线下包围的面积减去试样断裂前吸收的弹性能定义为静力韧度，它是派生的力学性能指标。（2.5分）疲劳裂纹扩展速率指的是疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率．该阶段是疲劳过程第Ⅱ阶段，是材料整个疲劳寿命的主要组成部分。（2.5分）五、简答题：（每题5分，共30分）1、简述缺口的两个效应，并画出厚板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布图。2、简述氢脆的类型及其特征。3、简述韧性断裂和脆性断裂，并画出典型宏观韧性断口示意图，并标注各区名称。答：韧性断裂：①明显宏观塑性变形；②裂纹扩展过程较慢；③断口常呈暗灰色、纤维状。④塑性较好的金属材料及高分子材料易发生韧断。脆性断裂：①无明显宏观塑性变形；②突然发生，快速断裂；③断口宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。④淬火钢、灰铸铁、玻璃等易发生脆断。4、描述典型疲劳断口的特征，画出典型疲劳断口示意图，并标注各区名称。答：典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。5、简述缺口的三个效应是什么?答：(1)缺口造成应力应变集中，这是缺口的第一个效应。(2)缺口改变了缺口前方的应力状态，使平板中材料所受的应力由原来的单向拉伸改变为两向或三向拉伸，这是缺口的第二个效应。(3)缺口使塑性材料强度增高，塑性降低，这是缺口的第三个效应。6、应力腐蚀断裂的定义和腐蚀断裂形态是什么。答：应力腐蚀断裂是指金属材料在拉应力和特定介质的共同作用下所引起的断裂。金属发生应力腐蚀时，仅在局部区域出现从表及里的裂纹．裂纹的共同特点是在主干裂纹延伸的同时，还有若干分支同时发展．裂纹的走向宏观上与拉应力方向垂直．微观断裂机理一般为沿晶断裂，也可能为穿晶解理断裂或二者的混合．断裂表面可见到“泥状花样”的腐蚀产物及腐蚀坑。六、综合计算题：（每题10分，共20分）{已知平面应变修正公式为：KⅠ=Yσ(a)1/2/[1-0.056(Yσ/σs)2]1/2,R0=1/(2.828π)×(KⅠ/σs)2)}1、有一构件加工时，出现表面半椭圆裂纹[KⅠ=1.1σ(πa)1/2/Φ]，若a=1mm,a/c=0.3（Φ2=1.19），在1000MPa的应力下工作．对下列材料应选哪一种?σ0.2/MPa130014001500KⅠc/(MPa·m1/2)756055解：σ/σs=1000/1300，1000/1400，1000/1500均大于0.6，所以必修进行塑性区修正。由KⅠ=1.1σ(πa)1/2/Φ得Y=1.1(π)1/2/Φ所以修正后的KⅠ=1.1σ(πa)1/2/[Φ2-0.212(σ/σs)2]1/2（2分）（1）KⅠ=1.1σ(πa)1/2/[Φ2-0.212(σ/σs)2]1/2=1.1×1000×(3.14×0.001)1/2/[1.19-0.212(1000/1300)2]1/2=59.75MPa·m1/2（2分）（2）KⅠ=1.1σ(πa)1/2/[Φ2-0.212(σ/σs)2]1/2=1.1×1000×(3.14×0.001)1/2/[1.19-0.212(1000/1400)2]1/2=59.23MPa·m1/2（2分）（3）KⅠ=1.1σ(πa)1/2/[Φ2-0.212(σ/σs)2]1/2=1.1×1000×(3.14×0.001)1/2/[1.19-0.212(1000/1500)2]1/2=58.91MPa·m1/2（2分）将三者列表比较：σ/MPa1000σ0.2/MPa130014001500KⅠc/(MPa·m1/2)756055KⅠ/(MPa·m1/2)59.7559.2358.91可见应选第一种材料。（2分）2、一块含有长为16mm中心穿透裂纹[KⅠ=σ(πa)1/2]的钢板，受到350MPa垂直于裂纹平面的应力作用。（1）如果材料的屈服强度是1400MPa，求塑性区尺寸和裂纹顶端应力场强度因子值；（2）试与第1题相比较，对应力场强度因子进行塑性修正的意义。解：已知：a=8mm=0.008m,σ=350MPa,KⅠ=σ(πa)1/2（1）σ/σs=350/14000.6，KⅠ=σ(πa)1/2=350×(3.14×0.008)1/2=55.5（MPa·m1/2）（3分）R0=1/(2.828π)×(KⅠ/σs)2=1/(2.828π)×(55.5/1400)2=0.00017m=0.17mm（3分）（2）第1题中σ/σs大于0.6，裂纹尖端不但有弹性变形，而且会有塑性变形，不符合弹性力学理论，如不进行修正，计算所得数值会与实际不符。（4分）B卷综合计算题：（每题10分，共20分）1、一块含有长为16mm中心穿透裂纹[KⅠ=σ(πa)1/2]的钢板，受到350MPa垂直于裂纹平面的应力作用。（1）如果材料的屈服强度分别是1400Mpa和385MPa，求裂纹顶端应力场强度因子值；（2）试比较和讨论上述两种情况下，对应力场强度因子进行塑性修正的意义。1、解：已知：a=8mm=0.008m,σ=350MPa,KⅠ=σ(πa)1/2（1）σ/σs=350/14000.6，KⅠ=σ(πa)1/2=350×(3.14×0.008)1/2=55.5（MPa·m1/2）（3分）σ/σs=350/3850.6，所以必须进行塑性区修正，Y=(π)1/2（2分）KⅠ=Yσ(a)1/2/[1-0.056(Yσ/σs)2]1/2=σ(πa)1/2/[1-0.056π(σ/σs)2]1/2=350×(3.14×0.008)1/2/[1-0.056π(350/385)2]1/2=60（MPa·m1/2）（2分）（2）比较列表如下：σ/MPa350σ0.2/MPa140035KⅠ/(MPa·m1/2)55.560σ/σs=350/3850.6，裂纹尖端不但有弹性变形，而且会有塑性变形，不符合弹性力学理论，如不进行修正，计算所得数值会与实际不符。（3分）2、已知某材料的γs＝2J/m2，E＝2×105MPa，0a2.5×10-10m，(1)如存在0.8mm长的的垂直拉应力的横向穿透裂纹（可视为无限宽薄板），求该材料的裂纹扩展的临界应力。(2)求这种材料的理论断裂强度，并结合(1)题，讨论理论断裂强度和实际断裂强度。解：(1)已知2a＝0.8mm=0.0008m=8×10-4mσc=(Eγs/a)1/2=[2×105×106×2/(4×10-4)]1/2=3.16×107Pa=31.6MPa（3分）(2)σm=(Eγs/0a)1/2=[2×105×106×2/(2.5×10-10)]1/2=4×1010Pa=4×104MPa（3分）理论断裂强度认为材料中没有任何缺陷，根据原子间的结合力计算断裂强度；而实际材料中已经存在裂纹，当平均应力还很低时，裂纹尖端的应力集中已达到很高值，从而使裂纹快速扩展并导致脆性断裂。实际断裂强度远远小于理论断裂强度。（4分）（以上为答案中的一种，只要合乎题意要求，其它答案可酌情给分）