材控结课试题 材料性能

材控 00级《材料力学性能》结课考查试题

班级 姓名 学号

一、 填空题（1×17分）

1. 材料的主要力学性能指标包括（ 硬度 ）、（ 塑性 ）、（ 强度 ）和（ 韧性 ）；其中（ 塑性 ）和（韧性 ）是两个最重要的力学性能指标。

2. 材料的塑性指标主要包括（ 延伸率 ）和（ 断面收缩率 ）；韧性指标主要包括（断裂韧性 ）和（ 冲击韧性 ）。

3. 除滑移和孪生外，（ 扭折 ）和（晶界蠕变 ）也是金属塑性变形的两个重要机制。

4. 在均匀拉伸塑性变形阶段，工程应力比真应力（ 小 ），工程应变比真应变（ 大 ）。

5. 裂纹体的三种变形模式分别为（ I 型或张开 ）型、（ II 型或滑开型 ）型和（ III 型或撕开型 ）型。

二、 简述题（每题6分，共36分）

1. 与以位错滑移为主导机制的塑性变形比较，通常在哪三种情况下，金属会通过孪生切变发生塑性变形？

答：滑移系少、温度很低、形变速度极快，此三种情况下常孪生变形。

2. 简述形变强化容量的概念，并解释形变强化对均匀塑性变形的影响。

答：对塑性材料,其塑性指标可分为均匀变形部分δb 和集中变形部分δu 。δb 代表金属材料产生最大均匀塑性变形的能力,δb 还表征利用形变强化金属材料的可能性大小,因此又称为形变强化容量。

金属的塑性变形与形变强化是产生均匀变形的先决条件，哪里有变形哪里有强化。当变形达到后，由于形变强化跟不上变形的发展，于是从均匀变形转为集中变形，导致形成颈缩。

3.写出应力状态软性系数的表达式，并简述其物理意义。

答：应力状态软性系数：应力状态系数α表示材料塑性变形的难易程度。材料在各种应力状态下,其最大切应力和最大正应力之间的比值为应力状态软性系数a, a 值越大,材料产生塑性变形的趋势越大,这种应力状态称为软应力状态,反之a 值越小,材料产生塑性变形的趋势越小,越易脆性断裂。 公式：）

（32131Max Max --21σσυσσσστα+== 3. 简述应力强度因子1K 的物理意义，并写出至少一种应力强度因子1K 表达式。 答：应力强度因子，是表征材料断裂的重要参量，是表征外力作用下弹性物体裂纹尖端附近应力场强度的一个参量。

含中心穿透裂纹的有限宽板 )s e c (1W a a K ππσ=

4. 写出平面应变断裂韧性c K 1的表达式，并简述其物理意义。

答：2

11υ-=C IC EG K 此值为材料常数，另一方面也是应力强度因子的临界值。当IC K K =1时，裂纹体处于临界症状，行将断裂，即为新的裂纹体的断裂判据。

5. 简述影响材料脆性-韧性转变的主要因素。

答：应力状态及柔度系数、温度和加载速率的影响、材料的微观结构的影响。

三、 论述题（每题10分，共47分）

1. （12分）什么是柯氏气团？分别用柯氏气团理论和位错增殖机制解释金属材料的屈服现象。

答：间隙式或者置换式溶质原子在刃型位错弹性交互作用时，交互能为负的情况下，溶质在基体中不会形成均匀分布，它们要偏聚到位错周围，形成所谓“柯氏气团”。此时，位错如果要运动就必须从气团中挣脱出来或者拖着气团一起运动。

屈服现象形成机制—— 柯氏气团对晶体材料中的位错具有强烈的钉扎作用，刚开始塑变的时候可动位错较少，需要较大的形变力（上屈服点）；一旦塑变开始后，位错运动挣脱了柯氏气团的钉扎，并且迅速增殖，导致应力的突然下降，产生下屈服点。应变时效形成机制：塑性变形初期，由于柯氏气团的钉扎作用产生上屈服点，柯氏气团挣脱“钉扎”，形成下屈服点；预先已经屈服的式样，卸载后立刻加载，柯氏气团已经被破坏，因此没有屈服现象；应变时效使溶质原子通过扩散重新聚集到位错周围形成气团，故又出现屈服现象。

2. （9分）写出派-纳力N P -τ的数学表达式，指出式中各符号的物理意义，并由此解释为什么滑移通常出现在最密排面的最密排方向。

答：公式

??

? ??--=-b W G n p πντ2e x p 12 其中，W 代表位错的宽度

d ——晶面间距

b ——柏氏矢量

由公式可知：大的晶面间距和小的柏氏矢量，都使派-纳力减小。滑移面与滑移方向大致是最密排面和最密排方向，因为最密排面具有最大的晶面间距，柏氏矢量最小，点阵阻力（派-纳力）最小。

3. （6分）简述晶粒细化对材料塑性和韧性的影响。

答：晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，导致（1）变形时同样的变形量可分散到更多的晶粒中发生；（2）晶界转动的阻力小，晶粒间易于协调。这两个方面的共同作用使得变形更均匀而不至造成局部应力集中，抑制了裂纹的过早产生和发展，因而断裂前可发生较大的塑性变形，具有较高的冲击载荷抗力，塑性与韧性更高。此外，晶粒越细，晶界越多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收更多的能量，表现出更高的韧性。

4.（12分）何谓解理断裂？试述解理断口的微观形貌及其形成机理。

答：1、解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。

2、解理断裂的微观形貌特征是河流花样、舌状花样、扇形花样、鱼骨状花样、瓦纳线、解理台阶

萌生机制

1）位错塞积机制 2）位错反应机制 3）滑移机制

其它作用机制

（1）孪生作用机制：体心立方晶体低温变形时后生孪晶与先生孪晶相碰撞，产生应力集中而萌生微裂纹。

（2）位错交叉滑移：滑移带相交形成不完整的位错墙，产生应力集中引起裂纹。（3）刃型位错合并：几个同号刃型位错，在外力作用下合并引起裂纹成核。

解理裂纹的扩展格里菲斯裂口理论

5.（8分）试述延性断口典型的微观形貌及其形成机理。

答：

韧窝断裂是属于一种高能吸收过程的延性断裂，微观形态呈蜂窝微观形态呈蜂窝状状。由于韧窝的形状与应力状态密切相关，故对断口耦合面上相啮合部位的韧窝形状、尺寸和深度进行分析，就可以确定断裂时所在部位的应力状态和裂纹扩展的方向，并对材料的延性进行评价。还有其他断裂的机制如：疲劳、蠕变和应力腐蚀断裂等。