材料性能学历年真题及答案整理版 - 图文

《材料性能学》

一、名词解释

低温脆性：材料随着温度下降，脆性增加，当其低于某一温度时，材料由韧性状态变为脆性状态，这种现象为低温脆性。

疲劳条带：每个应力周期内疲劳裂纹扩展过程中在疲劳断口上留下相互平行的沟槽状花样。 韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

缺口强化：缺口的存在使得其呈现屈服应力比单向拉伸时高的现象。

50úTT：冲击试验中采用结晶区面积占整个断口面积 50%时所应的温度表征的韧脆转变温度。 破损安全：构件内部即使存在裂纹也不导致断裂的情况。

应力疲劳：疲劳寿命N>105 的高周疲劳称为低应力疲劳，又称应力疲劳。

韧脆转化温度：在一定的加载方式下，当温度冷却到某一温度或温度范围时，出现韧性断裂向脆性断裂的转变，该温度称为韧脆转化温度。

应力状态软性系数：在各种加载条件下最大切应力与最大当量正应力的比值，通常用α表示。 疲劳强度：通常指规定的应力循环周次下试件不发生疲劳破坏所承受的上限应力值。 内耗：材料在弹性范围内加载时由于一部分变形功被材料吸收，则这部份能量称为内耗。

赛贝克效应：当两种不同的金属或合金联成闭合回路，且两接点处温度不同，则回路中将产生电流，这种现象称为赛贝克效应。

滞弹性: 在快速加载、卸载后，随着时间的延长产生附加弹性应变的现象。

缺口敏感度：常用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸的光滑试样的抗拉强度的比值表征材料缺口敏感性的指标，往往又称为缺口强度比。

断裂功：裂纹产生、扩展所消耗的能量。

比强度：:按单位质量计算的材料的强度，其值等于材料强度与其密度之比，是衡量材料轻质高强性能的重要指标。.

缺口效应：构件由于存在缺口（广义缺口）引起外形突变处应力急剧上升，应力分布和塑性变形行为出现变化的现象。

解理断裂：材料在拉应力的作用下原于间结合破坏，沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开的断裂过程。

应力集中系数：构件中最大应力与名义应力（或者平均应力）的比值，写为KT。

高周疲劳：在较低的应力水平下经过很高的循环次数后（通常N>105）试件发生的疲劳现象。

弹性比功：又称弹性应变能密度，指金属吸收变形功不发生永久变形的能力，是开始塑性变形前单位体积金属所能吸收的最大弹性变形功。

二、填空题

1、 根据材料被磁化后对磁场产生的影响， 可以把材料分为3类：铁磁性材料，顺磁性材料，抗磁性材料 2、材料的抗磁性来源于电子偱轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩，材料的顺磁性主要来源于原子（离子的固有磁矩）。 3、 超导电性的3 个重要性能指标为临界温度，临界电流密度，临界磁场。 4、按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦分为滚动摩擦和滑动摩擦，按照摩擦表面的接触状态分为干摩擦、湿摩擦、边界摩擦、混合摩擦、其中干摩擦通常严禁出现。 5、材料的摩擦形式主要分为滑动摩擦，滚动摩擦。环块摩擦磨损实验测量滑动摩擦条件下的磨损；M-2000 型为滚子式磨损实验机，可以测量滑动摩擦、滚动摩擦等多种摩擦形式下的磨损。滑动轴承的磨损形式以粘着磨损居多。 6、材料的韧性温度储备通常用符号△。表示，取值在温度范围20～60℃，对于相同的材料而言，韧性温度储备越大，材料的工作温度就越高，材料就越安全。对于承受冲击载荷作用的重要机件，韧性温度储备取上限。 7、材料的缺口越深、越尖锐，材料的缺口敏感性就越（大），材料的缺口敏感度就越（小），材料的对

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《材料性能学》 缺口就越（敏感）。 8、典型的疲劳断口具有疲劳源，疲劳裂纹扩展区，瞬断区三个特征区组成， 低碳钢静拉伸断裂的宏观断口呈杯锥状，由剪切唇，纤维区，结晶区三个区域组成。 9 、金属材料的冲击断口具有三个典型的区域：放射状结晶区，脚跟形纤维区，剪切唇区。 10、低碳钢拉伸曲线上反映出其变形由弹性变形，屈服，均匀塑性变形，不均匀集中塑性变形几个部分组成，断后断口呈现出杯锥状断口特征，具剪切唇，纤维区，放射状结晶区三个区域，属于韧性（塑性，延性，剪切，穿晶，微孔聚合、长大模式）断裂。

11、按照应力高低和断裂寿命对疲劳分类，则N>105,称为高周疲劳，又称为应力疲劳；N 为102～105，称为低周疲劳，又称为应变疲劳。我们通常所称的疲劳指高周（应力）疲劳。 12、温度升高使铁磁性的饱和磁化强度下降，使剩余磁感应强度减小，使矫顽力减小。 13 、金属的热电现象的三个基本热电效应是帕尔帖效应、汤姆逊效应、赛贝克效应。 14、缺口静弯曲实验得到的曲线包围的面结分为三个部分，分别代表三种能量Ⅰ、弹性变形功，Ⅱ 、塑性变形功，Ⅲ、断裂功。若只有Ⅰ而没有Ⅱ、Ⅲ，则对缺口极为敏感，若只有Ⅰ、Ⅱ，表明对缺口敏感；Ⅲ越大，则对缺口越不敏感。 15、构件中的裂纹体的扩展模式主要有I 型（张开型），II 型（滑开型），III 型（撕开型）三种类型，其中以I 型（张开型）最为危险。 16、典型的疲劳断口具有三个特征区：疲劳源，疲劳裂纹扩展区，瞬断区，疲劳过程分为疲劳裂纹的萌生，疲劳裂纹的扩展，瞬时断裂三个阶段。 17、典型的弹性不完整性主要有滞弹性，粘弹性，伪弹性，包申格效应等形式。 18、按照裂纹的扩展路径来看断裂主要分为穿晶断裂，沿晶断裂，其中沿晶断裂一般是脆性断裂。 19、根据摩擦面损伤和破坏的形式，磨损主要有粘着磨损，磨粒磨损，腐蚀磨损，接触疲劳，其中两接触材料做滚动或滚滑摩擦时极易出现接触疲劳，是齿轮、轴承常见的磨损失效形式。 20、机件运行时的磨损过程分为三个阶段：跑合，正常磨损，剧烈磨损。磨损类型按照磨损机制分为粘着磨损，磨粒磨损，接触疲劳(答腐蚀磨损，微动磨损也可)等。软齿面齿轮运转中容易出现粘着磨损磨损， 硬齿面齿轮容易出现接触疲劳。 21、本征半导体的电子-空穴对是热激活由产生的，其浓度与温度成指数关系。 22、介质的击穿形式主要有电击穿，热击穿，化学击穿。 23、磨损过程分为跑合，稳定磨损阶段，剧烈磨损阶段三个阶段，减少稳定磨损阶段的磨损率，避免出现剧烈磨损。 24、金属材料按照断裂前的宏观塑性变形程度，分为韧性（塑性，延性）断裂，脆性（弹性）断裂。按照裂纹扩展路径分为穿晶断裂和沿晶断裂，按照微观断裂机理分为解理断裂和剪切断裂，扭转试验后断口与试样轴线垂直，应为切断断口。 25、缺口的存在会诱发材料出现三个效应：出现应力集中，诱发多向应力状态，缺口强化效应，不能把缺口强化效应看做强化材料的手段。 26、典型的疲劳断口存在三个特征区：疲劳源，疲劳裂纹扩展区，瞬断区。宏观特征为贝纹线的是疲劳裂纹扩展区。 27 、金属要具有铁磁性， 必须具备的两个条件是①原子内部要有末填满的电子壳层（磁矩不为零）；②及Rab/r之比大于3使交换积分A为正（一定的晶体结构）。 28、低碳钢拉伸的过程中，其屈服平台上往往存在上屈服点和下屈服点，通常把下屈服点作为屈服强度，因为其重复性好。铸铁在拉伸过程中测得的屈服强度用σ0.2表示。 29、随着温度的增加，金属的弹性模量下降；通常加载速率增加，金属的弹性模量不变，陶瓷的弹性模量不变，高分子材料的弹性模量随着负载时间的增加而下降。 30、NDT 是无延性转变温度，FTP 是延性断裂转变温度，FTE 是弹性断裂转变温度，其相互关系FTP=FTE+33℃=NDT+66℃。 31、极化的基本形式有位移极化、松弛极化、转向极化。

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32、低碳钢拉伸过程主要由弹性变形，塑性变形，断裂三个阶段组成。

33、面心立方金属的韧脆转变温度比体心立方金属 低 ，面心立方金属的塑性比体心立方金属 好（高）。 34、介质损耗的形式有电导（漏导）损耗，极化损耗，电离损耗，结构损耗，宏观结构不均匀的介 质损耗。

35、光泽主要由折射率，表面粗糙度决定。

三、问答题

1、衡量弹性的高低用什么指标，为什么提高材料的弹性极限能够改善弹性。（4 分）

答：衡量弹性高低用弹性比功ae=σe2/E。由于弹性比功取决于弹性极限和弹性模量，而材质一定，弹性模量保持不变，因此依据公式可知提高弹性极限可以提高材料的弹性比功，改善材料的弹性。 2、某种断裂的微观断口上观察到河流装花样，能否认定该断裂一定属于脆性断 裂，为什么？如何根据河流状花样寻找裂纹的源头。（4 分）

答：不能判定断裂一定为脆性断裂。（1 分）韧性和脆性断了依据断口的宏观形貌和变形特征来判定，单纯从微观断口上的某些特征不能确定断裂一定属于脆断。（2分）逆着河流的方向可以找到裂纹源。（1 分） 3、说明KI和KIC的异同。对比KIC 和KC 的区别，说明KI 和KIC中的I 的含义。

答：KIc 代表的是材料的断裂力学性能指标，是临界应力场强度因子，取决于材料的成分、组织结构等内在因素。KI 是力学参量，表示裂纹尖端应力场强度的大小，取决于外加应力、尺寸和裂纹类型，与材料无关。（3 分）KIc 称为平面应变的断裂韧性，Kc 为平面应力的断裂韧性。对于同一材料而言，KIc

4、简述影响金属导电性的因素。（6 分）

答：（1）温度的影响：金属电阻随温度的升高而增大；（2 分）

（2）冷塑性变形和应力的影响：冷塑性变形使金属的电子率增大，拉应力使电阻率上升，压应力使电阻率下降；（2 分）

（3）合金化对导电性的影响：一般情况下，形成固溶体和金属化合物时电阻率增高，多相合金的电阻率与组成相的导电性、相对量及形貌有关。（2 分）

5、简述韧性断裂的微观过程及韧性断口的微观形貌特征。（4 分）

答：在三向应力的作用下，使得试样心部因夹杂物或第二相质点破裂等原因而形成微孔（微孔形核），微孔不断长大形成微裂纹，微裂纹聚合在一起形成裂纹。微观形貌特征：韧窝。 6、格里菲斯理论的基本假设是什么，写出其方程的基本形式并说明适用条件。

答：格里菲斯理论的基本假设：实际结构中往往存在微裂纹而不是理想的状态。（1分）

a 为裂纹半长，E-杨氏模量，γ-表面能密度；（写出上面任意一个都可以）（2 分）适用条件：玻璃等脆性材料。（1 分）

7、某碳钢经不同的热处理后在相同条件下拉伸，拉伸曲线的弹性变形阶段有什么 相同点，为什么。(4 分)

答：二者的弹性变形阶段往往存在线性阶段，应力与应变呈正比关系，并且斜率基本相同。因为相同成分的钢其弹性模量E 基本保持不变，根据工程应力应变关系可知，E 为斜率则相同。 8、疲劳按照寿命如何分类。疲劳过程由哪些阶段组成，裂纹产生的机制有哪些形 式。（6 分）

答：按照寿命分为高周疲劳，低周疲劳（或者长寿命疲劳，短寿命疲劳）。（1 分）。 疲劳过程：疲劳裂纹的形成，疲劳裂纹的扩展，（瞬时）断裂。（2 分） 裂纹产生机制：表面滑移带开裂；夹杂物与基体相界面分离或夹杂物本身断裂；晶界或亚晶界开裂。（3 分） 9、何谓低温脆性？在哪些材料中发生低温脆性？采用什么衡量材料的低温脆性。 答：随着温度下降，材料由韧性状态逐渐变为脆性状态的现象称为低温脆性。（2分） 通常体心立方金属容易发生低温脆性。（2 分）

衡量材料的低温脆性通常采用韧脆转变温度。（2 分）

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10、疲劳和脆性断裂有何异同点？

答：脆性断裂和疲劳断裂在断裂前都没有明显的塑性变形，属于低应力的破坏。（2分）但是这两种断裂还是有明显的区别：在断裂完成时间上，脆性断裂一般不需要多次加载而瞬时完成，疲劳断裂需要多次加载；（2 分）温度对疲劳断裂影响不大，温度下降，脆性断裂的危险增加，温度对脆断影响大；（2 分）断口形貌上，疲劳断裂的断口一般呈现细齿状的光亮花纹，疲劳断口是光亮、平直的结晶状断口。（2 分） 11、写出下列符号的含义：V15TT，FATT50，δ10，σp, σ0, σ0.05，σ0.2， 50úTT，σ－1， 答：V15TT：以V 型切口冲击试件的冲击功AK＝20.35J 对应的温度为韧脆转化温度。 FATT50：结晶状断口区所占面积为50％的温度作为的韧脆转化温度。 δ10：标距等于10d0 的长试样的伸长率。 σe：拉伸实验得到的比例极限。 σ0：脉动载荷的疲劳强度。

σ0.05：拉伸实验中得到的规定非比例伸长为0.05%对应的应力，通常用来表示弹性指标。 σ0.2/σs表示金属材料屈服强度。

50úTT—冲击实验中结晶区面积占整个断口面接50%时所对应的温度表示的韧脆转变温度。 σ－1：对称交变载荷的疲劳强度。

12、机械正常的磨损过程有何特征，应当如何控制各个阶段。

答：机械正常磨损过程由三个阶段组成：跑合阶段，稳定磨损阶段，剧烈磨损阶段。（2 分）

在三个阶段中，要尽量减少跑合阶段，降低稳定磨损阶段的磨损率，延长稳定磨损阶段。控制剧烈磨损造成的危害。（2 分）

13、单晶体纯金属的弹性模量与多晶体纯金属相比具有什么特点，纯铁和纯铝什么方向的弹性模量最大。（4 分）

答：单晶体的弹性模量呈现出明显的各向异性，多晶体尽管其中单个晶粒的弹性模量为各向异性，但整体上呈现各向同性，即伪等向性。（2 分）

单晶体中弹性模量最大的方向是晶体中的密排晶向。纯铁为体心立方晶格，其最大弹性模量方向为{111}，纯铝为面心立方晶格，最大弹性模量方向为{110}。

14、某拉伸断口如图，标出图中各个区域的组成，并由断口确定断裂的类型（4分）。

答：断口为韧性断裂，杯锥状断口。（1 分）

根据图示从左向右依次标注：剪切唇，纤维区，放射区。（3 分）

15、简述影响铁磁性参数的因素（9 分）

答：（1）温度：温度升高使铁磁性的饱和磁化强度Ms 下降,当温度达到居里点时Ms 将为零,使铁磁材料的铁磁性消失而变为顺磁性；T 增高，Bs、Br、Hc 减小。（2 分）

（2）形变和晶粒度的影响。（2 分）（要求展开回答，只答要点者得1 分） （3）形成固溶体及多相合金。（2 分）（要求展开回答，只答要点者得1 分） 16、20 钢扭转和拉伸，哪种没有颈缩，为什么。（4 分）

答： 20 钢扭转时没有颈缩，因为在该实验条件下，整个塑性变形在长度上均匀，故没有颈缩。

17、比较20 钢、铸铁的缺口强度和光滑试样强度的大小，哪种材料对缺口敏感。冲击试验中哪种需要开破口，为什么（6 分）

答： 20 钢的缺口强度大于光滑试样强度，铸铁则反之，因qe<1,铸铁对缺口敏感。（4 分）为了保证冲击试验中能够冲断试样从而测得冲击功，塑性材料20 钢需要开坡口。（2 分）

18、图为哪种类型的疲劳图，横纵坐标分别表示什么；图中A、B、C 分别为何种载荷，对应的疲劳强度如何表示。（8 分）

答：该图为σmax(σmin)—σm 的疲劳图，纵坐标为σmax(σmin)，横坐标为σm。（2 分）A、B、C 分别代表对称循环载荷、静载荷、脉动载荷，相应的疲劳强度表示为σ-1、σb(B 无疲劳的问题，强度为静载强度)、σ0。

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19、什么是NDT、FTP、FTE，它们的关系如何。（4 分）

答： NDT：无延性转变温度；FTP：延性断裂转变温度；FTE：弹性断裂转变温度。（3 分） FTP=FTE+33℃=NDT+66℃(1 分)

20、讨论GIc 和KIc 的关系及特点、KI 和KIC 的区别以及Gc 和GIc 的区别。（8 分） 答： KIc 代表的是材料的断裂力学性能指标，KIc 是临界应力场强度因子，又称为平面 应变的断裂韧性，是常数。GIc 称为断裂韧性，也是临界裂纹扩展力,也是材料的 性能常数； 二者之间存在一定的关系：

KIc 称为平面应变的断裂韧性，GIc 称为断裂韧性，二者都是材料的性能常数。 KI 和GI 分别裂纹尖端的应立场强度因子和裂纹扩展力，不是性能指标常数，因裂 纹形态，加载状况，材质而异。（4 分）

21、写出K 判据、G 判据、J 判据和裂纹尖端张开位移判据。分析G 和J 的异同。 答： J 积分准则：J≥Jc 时，构件产生开裂，反之裂纹不足以导致开裂。 能量释放率准则：G≥Gc 时，构件产生断裂，反之裂纹不足以导致断裂。 裂纹尖端张开位移判据：δ≥δC 构件开裂，反之裂纹不导致开裂。

临界应力强度因子盘踞：KI≥KIC时，裂纹体处于临界状态，即将断裂；反之即使存在裂纹体也不会扩展。 G 为裂纹扩扩展的能量释放率， J 为裂纹扩展的形变功差率。前者可以处理连续断裂的问题，后者只能处理开裂的问题不能处理是否失稳断裂。二者都称为断裂韧性。线弹性条件下，二者等价。 22、比较KIC 和KI 区别。（4 分）

答： KI 是受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量，与外加应力和裂纹长度、裂纹的形状以及加载方式有关，和材料本身的固有性能无关。

KIC平面应变的断裂韧性，反映材料阻止裂纹扩展的能力，是材料本身的特性，即材料常数。 23、宏观脆性断口的主要特征是什么？如何寻找裂纹源。（4 分）

答：通常脆性断裂的断口一般与正应力垂直，宏观杀比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。（2 分） 微观上解理断口中如果可以看见河流状花样，逆着河流的方向可以找到裂纹源。准解理断裂呈放射状撕裂楞，逆着放射的方向可以找到裂纹源。（2 分）

四、分析题

1、比较布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度测试原理及压痕特征。并在以上方法中选择适合测量下列材料硬度的方法和标尺：渗碳层的硬度分布，淬火钢，灰口铸铁，氮化层的硬度，高速钢刀具，退火的20 钢。（12 分）

答：布氏硬度、维氏硬度测试原理基本上一致，以压头在试件表面留下的压痕上 承受的平均应力表示材料的硬度。洛氏硬度则是以压痕的深浅表示材料的硬度。

压痕特点：布氏硬度为球冠；洛氏硬度HRC 为圆锥坑，HRB 为球冠；维氏硬度为四棱锥坑。（3 分） 渗碳层的硬度梯度：显微维氏硬度Hv。（1 分） 淬火钢：洛氏硬度HRC。（1 分） 灰口铸铁：布氏硬度HBS。（1 分） 高速钢刀具：洛氏硬度HRC。（1 分）

氮化层硬度：（显微）维氏硬度Hv。（1 分） 退火态20 钢：布氏硬度HBS。（1 分）

2、什么是金属材料的塑性？对于下列材材料的塑性： (1)40CrNiMo 调质钢试样，(2)20Cr 渗碳淬火钢试样，(3)W18Cr4v 钢淬火回火试样，(4)灰铸铁试样，分别选用哪种试险机（液压万能材料试验机、扭转试验机），采用何种试验方法测量。

答：塑性：材料受到外力作用产生塑性变形而不破坏的能力。（2 分）

塑性衡量：(1)40CrNiMo 调质钢：液压万能材料试验机，单向拉伸实验。（2分） (2)20Cr 渗碳淬火钢：扭转试验机，扭转实验。（2 分）

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