材料性能学历年真题及答案

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。

50%FATT：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。

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

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）

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， 50%FATT，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。

50%FATT—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。

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）

(3)淬火、回火W18Cr4V 钢：液压万能材料试验机，弯曲实验。（2 分）

(4)灰铸铁：液压万能材料试验机，压缩实验。（2 分）

3、奥氏体不锈钢从1000℃急冷淬火是顺磁性的，但缓冷则表现出铁磁性，试解释之。（8 分）

答：呈现不同的磁性能是因为热处理前后其组织发生了变化（2 分）。钢的所有组织中，除奥氏体为顺磁性外，其他组织均为强铁磁性组织（2 分）。急冷淬火时其组织主要为奥氏体，因此呈现顺磁性（2 分），缓冷时，则出现了其他的组织，因此呈现铁磁性（2 分）。

4、已知几种材料的性能如下表所示，指出表头符号的含义。写出计算公式并计算出表中空白区的数值。对比表中各种材料弹性的好坏（由差到好排序）。（8分）

答： E —弹性模量（弹性系数，弹性模数，杨氏模量）；

σe—弹性极限；（1 分）

ae—弹性比功；（1 分）

根据公式：

将表中数据带入计算可得：0.011。（3 分）

弹性排序：铜<铝<低碳钢<弹簧钢。（2 分）

5、选择合适的常用的静载实验方法及设备测定材料性能。（8 分）

(1)20CrMnTi 渗碳表面质量检验；(2)调质钢的塑性；(3)车刀的塑性；(4)铸铁基座的承载能力；

答： (1)20CrMnTi 渗碳表面质量检验了——扭转试验机，扭转试验

(2)调质钢的塑性——万能材料试验机（拉伸试验机），拉伸试验；

(3)车刀的塑性——万能材料试验机，弯曲试验；

(4)铸铁基座的承载能力——万能材料试验机，压缩试验；

6、写出以下材料硬度测试所用的方法、标尺。（4 分）

(1)调质后的40Cr 主轴；(2)灰口铸铁；(3)淬火钢中马氏体和残余奥氏体的鉴别与分布；(4)高速钢钻头；答：常用硬度及其标尺：

(1)调质后的40Cr 主轴——洛氏硬度，HRC；

(2)灰口铸铁——布氏硬度，HBS；

(3)淬火钢中马氏体和残余奥氏体的鉴别与分布——显微维氏硬度，Hv；

(4)高速钢钻头——洛氏硬度，HRC

7、根据所学的硬度测试方法，下列工件采用什么硬度试验方法为宜：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，退火态下的软钢。

答：渗碳层的硬度分布采用维氏显微硬度测量，指标为HV0.1；淬火钢采用洛氏硬度测量，具体指标为HRC；灰口铸铁采用布氏硬度测量，指标用HBS；氮化层可以采用表面洛氏硬度来测量，高速钢刀具可以采用洛氏硬度HRC 测量；退火态下的软钢用布氏硬度HBS 测量。

8、检验下列材料的冲击韧性，哪些开缺口，哪些不开缺口：陶瓷，铸铁，W18Cr4V，20 钢。40CrNiMo，20CrMnTi，Crl2MoV，硬质合金，

答：陶瓷、铸铁、W18Cr4V 、Crl2MoV冲击试验不用开缺口，

20 钢，40CrNiMo，20CrMnTi 冲击韧性试验需要开缺口。

9、写出以下疲劳图的坐标符号及其单位（量纲），哪种类型的疲劳图，指出A、B、C 三点的疲劳载荷类

型及其对应的疲劳强度。

答：横坐标r,无量纲；纵坐标σ，单位MPa。（2 分）

该图为σr-r 的疲劳图，前者表示疲劳强度，后者表示应力循环特征系数。

A：对称交变载荷，σ-1=40MPa. （2 分）

B：脉动载荷，σ0=60MPa. （2 分）

C：静载荷，无疲劳强度。（2 分

10、分析拉伸曲线图中1、2 两种材料的变形规律，并指出属于何种材料（脆性材料、低塑性材料、高塑

性材料）及其原因。（6 分）

答：1：弹性变形、塑性变形、断裂；无颈缩和屈服。由于塑性变形明显但没有颈

缩，属于低塑性材料，韧性断口，杯锥状不明显。（3 分）

2：弹性变形、屈服、均匀塑性变形、颈缩、断裂。因其出现颈缩为高塑性材料。

杯锥状韧性断口。（3 分）

11、由某材料手册知两种钢材的力学主要力学性能如下表所示。写出下表中力学性能符号对应的含义，并根据表中所给数据，对比这两种材料的主要力学性能的差异。若二者做承重钢架，用哪一种更节省材料，为什么。（10 分）

答：

两种钢材：20 钢强度、硬度低，但是塑性韧性更好；45 钢的强度、硬度相应较高，但塑性、韧性较差一些；（2 分）选择承重钢架时，因为45 钢的强度更高，因此在相同的载荷下，需要的截面尺寸更小，即需要的材料也就更少，更省料。（2 分）

12、写出以下材料硬度测试所用的方法、标尺。（12 分）

①调质后的40Cr 主轴；②灰口铸铁；③淬火钢中马氏体和残余奥氏体的鉴别与分布；④38CrMoAl 渗氮层的硬度分布；⑤高速钢钻头；⑥铝合金铸锭；

答：①洛氏硬度HRC；②布氏硬度HBS；③显微硬度Hv0.2；④显微硬度Hv0.2；⑤洛氏硬度HRC；⑥布氏硬度HBS。

13、写出以下疲劳图的横、纵坐标符号及其单位（量纲），指出A、B、C 三点分别对应何种应力状态及该应力状态下疲劳强度。E 点的数值是什么。（10 分）

答：横坐标σmr，单位MPa；纵坐标σmax、σmin，单位MPa。（2 分）

A：静拉伸状态，σb=75MPa。无疲劳。（2 分）

B：对称循环态，σ-1=40MPa。（2 分）

C：脉动载荷状态，σ0=60MPa。（2 分）

E：100。（2 分）