《材料结构与性能》习题 第一章 1、一 25cm长的圆杆，直径 2.5mm，承受的轴向拉力4500N。如直径拉细成 2.4mm，问： 1)设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； 2)在此拉力下的真应力和真应变； 3)在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 2、举一晶系，存在S14。 3、求图 1.27 所示一均一材料试样上的 A 点处的应力场和应变场。 4、一陶瓷含体积百分比为95%的 Al 2O（3 E=380GPa）和 5%的玻璃相（ E=84GPa），计算上限及下限弹性模量。如该陶瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 5、画两个曲线图，分别表示出应力弛豫与时间的关系和应变弛豫和时间的 关系。并注出： t=0,t= ∞以及 t= τε（或τσ）时的纵坐标。 6、一 Al 2O3晶体圆柱（图1.28 ），直径 3mm，受轴向拉力 F ，如临界抗剪强度τ c=130MPa，求沿图中所示之一固定滑移系统时，所需之必要的拉力值。同时 计算在滑移面上的法向应力。
第二章 1、求融熔石英的结合强度，设估计的表面能为 1.75J/m 2；Si-O 的平衡原子间距为 1.6 ×10-8 cm；弹性模量值从60 到 75GPa。 2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ =1.56J/m 2；理论强度。如材料中存在最大长度为的内裂，且此内裂垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度折减系数。 3、证明材料断裂韧性的单边切口、三点弯曲梁法的计算公式： 与 是一回事。
4、一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图 2.41所示。如果 E=380GPa，μ =0.24 ，求 KⅠc值，设极限载荷达50 ㎏。计算此材料的断裂表面能。 5、一钢板受有长向拉应力350 MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的 中心穿透缺陷，长 8mm（=2c）。此钢材的屈服强度为 1400MPa，计算塑性区尺 寸 r 0及其与裂缝半长 c 的比值。讨论用此试件来求 KⅠc值的可能性。 6、一陶瓷零件上有以垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为：①2mm；②0.049mm；③ 2μ m，分别求上述三种情况下的临界应力。设此材料的断裂韧性为 2 1.62 MPa〃m。讨论诸结果。 7、画出作用力与预期寿命之间的关系曲线。材料系ZTA陶瓷零件，温度在 2 ，慢裂纹扩展指数-40 ，Y 取π 。设保 900℃， KⅠc为 10MPa〃m N=40，常数 A=10 证实验应力取作用力的两倍。 8、按照本章图 2.28 所示透明氧化铝陶瓷的强度与气孔率的关系图，求出经验公式。 9、弯曲强度数据为： 782，784，866，884，884，890，915，922，922，927，942， 944，1012 以及 1023MPa。求两参数韦伯模量数和求三参数韦伯模量数。 第三章 1、计算室温（ 298K）及高温（ 1273K）时莫来石瓷的摩尔热容值，并请和安杜龙—伯蒂规律计算的结果比较。 2、请证明固体材料的热膨胀系数不因内含均匀分散的气孔而改变。
材料力学基本公式 (1)外力偶矩计算公式（P功率，n转速） (2)弯矩、剪力和荷载集度之间的关系式 (3)轴向拉压杆横截面上正应力的计算公式（杆件横截面轴力，横截面面积A，拉应力为正） (4)轴向拉压杆斜截面上的正应力与切应力计算公式（夹角α从x轴正方向逆时针转至外法线的方位角为正） (5)纵向变形和横向变形（拉伸前试样标距l，拉伸后试样标距l1；拉伸前试样直径d，拉伸后试样直径d1） (6)纵向线应变和横向线应变，
(7)泊松比 (8)胡克定律 (9)受多个力作用的杆件纵向变形计算公式 (10)承受轴向分布力或变截面的杆件，纵向变形计算公式 (11)轴向拉压杆的强度计算公式 (12)延伸率 (13)截面收缩率 (14)剪切胡克定律（切变模量G，切应变g ）
(15)拉压弹性模量E、泊松比和切变模量G之间关系式 (16)圆截面对圆心的极惯性矩（） (17)圆轴扭转时横截面上任一点切应力计算公式（扭矩，所求点到圆心距离） (18)圆截面周边各点处最大切应力计算公式 (19)扭转截面系数，（a）实心圆（b）空心圆 (20)圆轴扭转角与扭矩、杆长l、扭转刚度的关系式 (21)等直圆轴强度条件 (22)扭转圆轴的刚度条件：或
(23)平面应力状态下斜截面应力的一般公式 (24)平面应力状态的三个主应力 (25)主平面方位的计算公式 (26)平面内剪应力最大值和最小值 (27)三向应力状态最大与最小正应力, (28)三向应力状态最大切应力 (29)广义胡克定律
(30)四种强度理论的相当应力 (31)一种常见的应力状态的强度条件， (32)组合图形的形心坐标计算公式 , , (33)平面图形对x轴，y轴，z轴的静矩 , , (34)任意截面图形对一点的极惯性矩与以该点为原点的任意两正交坐标轴的惯性矩 之和的关系式 (35)截面图形对z轴和y轴的惯性半径, (36)矩形、圆形、空心圆形对中性轴的惯性矩 , , (37)平行移轴公式（形心轴zc与平行轴z1的距离为a，图形面积为A） (38)纯弯曲梁的正应力计算公式
材料力学常用公式 1.外力偶矩计算公式（P功 率，n转速） 2.弯矩、剪力和荷载集度之间的关系式 3.轴向拉压杆横截面上正应力的计算公式（杆件 横截面轴力F N，横截面面积A，拉应力为正） 4.轴向拉压杆斜截面上的正应力与切应力计算公式（夹角a 从x 轴正方向逆时针转至外法线的方位角为正） 5.纵向变形和横向变形（拉伸前试样标距l，拉伸后试样标 距l1；拉伸前试样直径d，拉伸后试样直径d1） 6.纵向线应变和横向线应变 7.泊松比 8.胡克定律 9.受多个力作用的杆件纵向变形计算公式 ? 10.承受轴向分布力或变截面的杆件，纵向变形计算公式 11.轴向拉压杆的强度计算公式 12.许用应力 ，脆性材料 ，塑 性材料 13.延伸率 14.截面收缩率 15.剪切胡克定律（切变模量G，切应变g ） 16.拉压弹性模量E、泊松比和切变模量G之间关系式 17.圆截面对圆心的极惯性矩（a）实心圆 （b）空心圆 18.圆轴扭转时横截面上任一点切应力计算公式（扭矩T，所 求点到圆心距离r） 19.圆截面周边各点处最大切应力计算公式
20.扭转截面系数，（a）实心圆 （b）空心圆 21.薄壁圆管（壁厚δ≤ R0 /10 ，R0为圆管的平均半径） 扭转切应力计算公式 22.圆轴扭转角与扭矩T、杆长l、扭转刚度GH p的关系式 23.同一材料制成的圆轴各段内的扭矩不同或各段的直径不 同（如阶梯轴）时 或 24.等直圆轴强度条件 25.塑性材料 ；脆性材料 26.扭转圆轴的刚度条件? 或 27.受内压圆筒形薄壁容器横截面和纵截面上的应力计算公 式, 28. 平面应力状态下斜截面应力的一般公式 , 29.平面应力状态的三个主应力 , , 30.主平面方位的计算公式 31.面内最大切应力 32.受扭圆轴表面某点的三个主应力， ，33.三向应力状态最大与最小正应力 , 34.三向应力状态最大切应力 35.广义胡克定律
材料力学重点及其公式 材料力学的任务 （1）强度要求；（2）刚度要求；（3）稳定性要求。 变形固体的基本假设 （1）连续性假设；（2）均匀性假设；（3）各向同性假设；（4）小变形假设。 外力分类：表面力、体积力；静载荷、动载荷。 内力：构件在外力的作用下，内部相互作用力的变化量，即构件内部各部分之间的因外力作用而引起的附加相互作用力 截面法：（1）欲求构件某一截面上的内力时，可沿该截面把构件切开成两部分，弃去任一部分，保留另一部分研究（2）在保留部分的截面上加上内力，以代替弃去部分对保留部分的作用。（3）根据平衡条件，列平衡方程，求解截面上和内力。 应力： dA dF A F p A = ??=→?lim 正应力σ、切应力τ。 变形与应变：线应变、切应变。 杆件变形的基本形式 （1）拉伸或压缩；（2）剪切；（3）扭转；（4）弯曲； 静载荷：载荷从零开始平缓地增加到最终值，然后不再变化的载荷。 动载荷：载荷和速度随时间急剧变化的载荷为动载荷。 失效原因：脆性材料在其强度极限b σ破坏，塑性材料在其屈服极限s σ时失效。二者统 称为极限应力理想情形。塑性材料、脆性材料的许用应力分别为： []s s n σσ=，[]b b n σσ= ，强度条件：[]σσ≤??? ??=max max A F N ，等截面杆 []σ≤A F max 轴向拉伸或压缩时的变形：杆件在轴向方向的伸长为：l l l -=?1，沿轴线方向的应变和横截面上的应力分别为： l l ?= ε， A F N =σ。横向应变为： b b b b b -=?= 1'ε，横向应变与轴
向应变的关系为：μεε-='，μ为横向变形系数或泊松比。 胡克定律：当应力低于材料的比例极限P σ时，应力与应变成正比，即 εσE =，这就是胡克定律。E 为弹性模量（GPa 1= pa MPa 931010=）。将应力与应变的表达式带入得：EA Fl l = ?EA 为抗拉或抗压刚度。 静不定(超静定)：对于杆件的轴力，当未知力数目多于平衡方程的数目，仅利用静力平衡方程无法解出全部未知力。需要由几何关系构造变形协调方程。 扭转变形时的应力，薄壁圆筒扭转 δ πτ202R M e = 其中 )min () (9549 )(r n kw p m N M e =? 420d D r R R +=+=为圆筒的平均半径。剪切胡克定律：当剪切应力不超过材料的剪切比例极限时，切应力 τ 与切应变γ成正比。γ τ G =. 变形几何关系—圆轴扭转的平面假设 dx d φ ρ γρ=。物理关系——剪切胡克定律 dx d G G φρ γτρρ==。力学关系P A A A I dx d G dA dx d G dx d G dA T ?ρ?φρρτρ====???2 2 圆轴扭转时的应力 ： t p W T I TR == max τ, t W = R I p 称为抗弯截面系数;强度条件： ][max ττ≤= t W T ，可以进行强度 校核、截面设计和确定许可载荷。 圆截面对圆心的极惯性矩（a ）实心圆 32 4 D I P π= ； 16 3 D W t π= （b ）空心圆,() 4 4 44132 32 ) (αππ-= -= D d D I P ; () 43 116 απ-= D W t (D,d 分别是外，内径； D d = α) 圆轴扭转时的变形： ?? ==l p l p dx GI T dx GI T ?；等直杆： p GI Tl = ?其中为圆轴的抗弯刚度P GI
名词解释 （1）加工硬化（变形强化）：当金属外加应力超过屈服强度后，随着变形程度的增加，变形的抗力也增加，要继续变形，必须增加外力，这种现象就叫加工硬化。 （2）颈缩：当应力达到抗拉强度时，试样不在均匀伸长，而是试样局部地方截面开始变细。 （3）位错宽度： （4）孪晶变形：晶体在切应力作用下沿着一定的晶面和晶向，在一个区域内发生连续顺序的切变，变形导致这部分的晶体取向改变了。 （5）多滑移：在多个滑移系上同时或交替进行的滑移。 （6）交滑移：晶体在两个或者多个滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。 （7）发生多系滑移时，在两个相交滑移面上运动的位错必然会互相交截，原来一直线位错经过交截后就会出现弯折部分，如果弯折部分仍在滑移面上，就叫扭折，若弯折部分不再滑移面上，就叫割阶。 （8）派纳力：在理想晶体中位错在点阵周期场中运动时所需克服的阻力 （9）纤维组织：金属经过冷变形后，等轴状晶粒沿受力方向拉长，其中的夹杂物或者第二相也随之拉长。 （10）形变织构：金属在形变时，晶体的滑移面会移动，使滑移层逐渐转向与拉力轴平行。 原来的各个晶粒是任意取向的，现在由于晶粒的转动使各个晶粒的取向趋于一致，这就形成了晶体的择优取向。 （11）回复：在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶体某些变化。 （12）再结晶：冷变形金属由拉长的变形晶粒生成无畸变的新的等轴晶粒的过程。（13）二次再结晶： （14）热变形：金属在再结晶温度以上的加工变形。 （15）蠕变：材料在高温下的变形不仅与应力有关，而且和应力作用的时间有关。（16）应变时效：低碳钢经过少量预变形后，如果去载后立即再行加载则不会出现明显的屈服平台；若在室温下放置一较长的时间或在低温下经过短时加热后在进行拉伸试验，则屈服点又复出现，且屈服应力提高。 （17）第二相强化：当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。 （18）固溶强化：合金在形成单向固溶体后，变形时的临界切应力都高于纯金属，这叫做固溶强化。 （19）再结晶后晶粒的大小由变形度和退火温度决定。 （20）回复和再结晶的驱动力是弹性畸变能，晶粒长大的驱动力是自身界面能。 填空 （1）位错宽度越窄，界面能越小，弹性畸变能越高，位错运动需克服的能垒越大，位错越难运动，派纳力越大。 （2）位错宽度主要取决于结合键的本性和晶体结构。 （3）位错只有沿着原子排列最紧密的面及原子密排方向上运动，派纳力才最小。面心立方金属和沿几何面（0001）滑移的密排六方金属，派纳力最小。 （4）最容易发生交滑移的是体心立方结构。 （5）任意两种类型位错相互交割时，只要形成割阶，一定为刃型割阶，割阶的大小和方向取决于穿过位错的柏氏矢量。 （6）固溶强化，两者原子的尺寸差别越大，溶解度越小，强化效果越大。
材料力学重点及其公式 材料力学的任务 （1）强度要求；（2）刚度要求；（3）稳定性要求。 变形固体的基本假设 （1）连续性假设；（2）均匀性假设；（3）各向同性假设；（4）小变形假设。 外力分类： 表面力、体积力；静载荷、动载荷。 内力：构件在外力的作用下，内部相互作用力的变化量，即构件内部各部分之间的因外力作用而引起的附加相互作用力 截面法：（1）欲求构件某一截面上的内力时，可沿该截面把构件切开成两部分，弃去任一部分，保留另一部分研究（2）在保留部分的截面上加上内力，以代替弃去部分对保留部分的作用。（3）根据平衡条件，列平衡方程，求解截面上和内力。 应力： dA dP A P p A = ??=→?lim 0正应力、切应力。 变形与应变：线应变、切应变。 杆件变形的基本形式 （1）拉伸或压缩；（2）剪切；（3）扭转；（4）弯曲；（5）组合变形。 静载荷：载荷从零开始平缓地增加到最终值，然后不在变化的载荷动载荷：载荷和速度随时间急剧变化的载荷为动载荷。 失效原因：脆性材料在其强度极限 b σ破坏，塑性材料在其屈服极限s σ时失效。二者统称为极限应 力理想情形。塑性材料、脆性材料的许用应力分别为： []3 n s σσ=， []b b n σσ=，强度条件： []σσ≤??? ??=max max A N ，等截面杆 []σ≤A N m a x 轴向拉伸或压缩时的变形：杆件在轴向方向的伸长为：l l l -=?1，沿轴线方向的应变和横截面上的应力分别为：l l ?= ε，A P A N ==σ。横向应变为：b b b b b -=?=1'ε，横向应变与轴向应变的关系为：μεε-=' 。 胡克定律：当应力低于材料的比例极限时，应力与应变成正比，即 εσE =，这就是胡克定律。E 为弹性模量。将应力与应变的表达式带入得：EA Nl l = ? 静不定：对于杆件的轴力，当未知力数目多于平衡方程的数目，仅利用静力平衡方程无法解出全部未知力。 圆轴扭转时的应力 变形几何关系—圆轴扭转的平面假设dx d φ ρ γρ=。物理关系——胡克定律dx d G G φρ γτρρ==。力学关系dA dx d G dx d G dA T A A A ???===2 2ρφφρρτρ 圆轴扭转时的应力：t p W T R I T == max τ；圆轴扭转的强度条件： ][max ττ≤=t W T ，可以进行强度校核、截面设计和确
第一章： 单向静拉伸试验：是应用最广泛的力学性能试验方法之一。 1）可揭示材料在静载下的力学行为（三种失效形式）：即：过量弹性变形、塑性变形、断裂。 2）可标定出材料最基本力学性能指标：如：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率等。 拉伸力－伸长曲线 拉伸曲线： 拉伸力F －绝对伸长△L 的关系曲线。 在拉伸力的作用下，退火低碳钢的变形过程四个阶段： 1）弹性变形：O ～e 2）不均匀屈服塑性变形：A ～C 3）均匀塑性变形：C ～B 4）不均匀集中塑性变形：B ～k 5）最后发生断裂。k ～ 第二章： 弹性变形：当外力去除后，能恢复到原形状或尺寸的变形。 特点：可逆性、单值线性、同相位、变形量小 本质：都是构成材料的原子(离子)或分子从平衡位置产生可逆位移的反映。 弹性模量E ：是表征材料对弹性变形的抗力，工程称材料的刚度. E 值越大，在相同应力下产生的弹性变形就越小。 弹性模量是结构材料的重要力学性能指标之一。 影响因素：1、键合方式 2、原子结构 3、晶体结构 4、化学成分 5.微观组织 6.温度 弹性模量 E 与切变模量 G 关系：(其中： ν－泊松比。) 比例极限σp ：是材料弹性变形按正比关系变化的最大应力，即拉伸应力一应变曲线上开始偏离直线时的应力值。 弹性极限：材料由弹性变形过渡到弹－塑性变形时的应力，当应力超过弹性极限σe 后，便开始产生塑性变形。 （比例极限σp 和弹性极限σe 与屈服强度的概念基本相同，都表示材料对微量塑性变形的抗力，影响因素也基本相同。） 弹性比功ae ：（弹性比能、应变比能）表示材料在弹性变形过程中吸收弹性变形功的能力。一般用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。 物理意义：吸收弹性变形功的能力。 几何意义：应力σ -应变ε曲线上弹性阶段下的面积。 欲提高材料的弹性比功：提高σe ，或降低 E 2E G ν=（1＋）
弯曲变形 基本概念题 一、选择题 1.梁的受力情况如图所示，该梁变形后的 挠曲线如图（）所示(图中挠曲线的虚线部 分表示直线，实线部分表示曲线)。 2. 如图所示悬臂梁，若分别采用两种坐标 系，则由积分法求得的挠度和转角的正负号为 （）。 题2图题1图 A．两组结果的正负号完全一致 B．两组结果的正负号完全相反 C．挠度的正负号相反，转角正负号一致 D．挠度正负号一致，转角的正负号相反 3.已知挠曲线方程y = q0x(l3 - 3lx2 +2 x3)∕(48EI)，如图所示，则两端点的约束可能为下列约束中的（）。 题3图 4. 等截面梁如图所示，若用积分法求解梁的转角、挠度，则以下结论中（ ）是错误的。 A．该梁应分为AB、BC两段进行积分 B．挠度积分表达式中，会出现4个积分常数 -26-
题4图 题5图 C ．积分常数由边界条件和连续条件来确定 D ．边界条件和连续条件表达式为x = 0，y = 0；x = l ，0==右左y y ，0='y 5. 用积分法计算图所示梁的位移，边界条件和连续条件为( ) A ．x = 0，y = 0；x = a + l ，y = 0；x = a ，右左y y =，右左 y y '=' B ．x = 0，y = 0；x = a + l ，0='y ；x = a ，右左y y =，右左 y y '=' C ．x = 0，y = 0；x = a + l ，y = 0，0='y ；x = a ，右左y y = D ．x = 0，y = 0；x = a + l ，y = 0，0='y ；x = a ，右左 y y '=' 6. 材料相同的悬臂梁I 、Ⅱ，所受荷载及截面尺寸如图所示。关于它们的最大挠度有如 下结论，正确的是（ ）。 A ． I 梁最大挠度是Ⅱ梁的 41倍 B ．I 梁最大挠度是Ⅱ梁的2 1 倍 C ． I 梁最大挠度与Ⅱ梁的相等 D ．I 梁最大挠度是Ⅱ梁的2倍 题6图 题7图 7. 如图所示等截面梁，用叠加法求得外伸端C 截面的挠度为（ ）。 A ． EI Pa 323 B ． EI Pa 33 C ．EI Pa 3 D ．EI Pa 233 8. 已知简支梁，跨度为l ，EI 为常数，挠曲线方程为)24)2(323EI x lx l qx y +-=， -27-
金属材料塑性变形与断裂的关系 摘要：金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。任何断裂都是由裂纹形成和裂纹扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。 关键词：塑性变形解理断裂准解理断裂沿晶断裂冷脆疲劳应力腐蚀 氢脆高温断裂 一、解理断裂与塑变的关系 解理断裂在主应力作用下，材料由于原子键的破断而产生的沿着某一晶面的快速破断过程。解理断裂的的产生条件是位错滑移必须遇到阻力，且位错滑移聚集到一定程度。断裂面沿一定的晶面发生，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。 第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。 第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台。 从宏观上看，解理断裂没有塑性变形，但从微观上看解理裂纹是以塑性变形为先导的，尽管变形量很小。解理断裂是塑性变形严重受阻，应力集中非常严重的一种断裂。 二、准解理断裂与塑变的关系 准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。产生原因：
1.材料的结构层次有哪些，分别在什么尺度，用什么仪器进行分析？ 现在,人们通过大量的科学研究和工程实践,已经充分认识到物质结构的尺度和层次是有决定性意义的。 在不同的尺度下,主要的,或者说起决定性的问题现象和机理都有很大的差异,因此需要我们用不同的思路和方法去研究解决这些问题。更值得注意的是空间尺度与时间尺度还紧密相关,不同空间尺度下事件发生及进行的时间尺度也很不相同。一般地讲,空间尺度越大的,则描述事件的时间尺度也应越长。不同的学科关注不同尺度的时空中发生的事件。现代科学则按人眼能否直接观察到,且是否涉及分子、原子、电子等的内部结构或机制,而将世界粗略地划分为宏观(Macro-scopic)世界和微观(Microscopic)世界。之后,又有人将可以用光学显微镜观察到的尺度范围单独分出,特别地称作/显微结构(世界)。随着近年来材料科学的迅速发展,材料科学家中有人将微观世界作了更细致地划分。而研究基本粒子的物理学家可能还会把尺度向更小的方向收缩,并给出另外的命名。对于宏观世界,根据尺度的不同,或许还可以细分为/宇宙尺度/太阳系尺度/地球尺度和/工程及人体尺度等。人类的研究尺度已小至基本粒子,大至全宇宙。但到目前为止,关于/世界的认识还在不断深化,因而对其划分也就还处于变动之中。即使是按以上的层次划分,其各界之间的边界也比较模糊,有许多现象会在几个尺度层次中发生。 在材料科学与工程领域中,对于材料结构层次的划分尚不统一,可以列举出许多种划分方法,例如:有的材料设计科学家按研究对象的空间尺度划分为三个 层次: (1)工程设计层次:尺度对应于宏观材料,涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。 (2)连续模型尺度:典型尺度在1Lm量级,这时材料被看作连续介质,不考虑其中单个原子、分子的行为。 (3)微观设计层次:空间尺度在1nm量级,是原子、分子层次的设计。 国外有的计算材料学家,按空间和时间尺度划分四个层次〔1〕,即 (1)宏观 这是人类日常活动的主要范围,即人通过自身的体力,或借助于器械、机械等所能通达的时空。人的衣食住行,生产、生活无不在此尺度范围内进行。其空间尺度大致在0.1mm(目力能辨力最小尺寸)至数万公里人力跋涉之最远距离),时间尺度则大致在0.01秒(短跑时人所能分辨的速度最小差异)至100年(人的寿命差不多都在百年以内)。现今风行的人体工程学就是以人体尺度1m上下为主要参照的。 (2)介观 介观的由来是说它介于/宏观与/微观之间。其尺度主要在毫米量级。用普通光学显微镜就可以观察。在材料学中其代表物是晶粒,也就是说需要注意微结构了,如织构,成分偏析,晶界效应,孔中的吸附、逾渗、催化等问题都已开始显现。现在,介观尺度范围的研究成果在材料工程领域,如耐火材料工业、冶金工业等行业中有许多直接而成功的应用。 (3)微观 其尺度主要在微米量级,也就是前面所说/显微结构(世界)0。多年以来借助于光学显微镜、电子显微镜、X)衍射分析、电子探针等技术对于晶态、非晶态材料在这一尺度范围的行为表现有较多的研究,许多方法已成为材料学的常规手段。在材料学中,这一尺度的代表物有晶须、雏晶、分相时产生的液滴等。 (4)纳观 其尺度范围在纳米至微米量级,即10-6~10-9m,大致相当于几十个至几百个原子集合体的尺寸。在这一尺度范围已经显现出量子性,已经不再能将研究对象作为/连续体0,不能再简单地
1.弯矩、剪力和荷载集度之间的关系式 2?轴向拉压杆横截面上正应力的计算公式Cr=杆件横截面轴力刊，横截面面积仏拉应力为正） 3. 轴向拉压杆斜截面上的正应力与切应力计算公式（夹 角a从X轴正方向逆时针转至外法线的方位角为正） 4. 纵向变形和横向变形（拉伸前试样标距1,拉伸后试样 标距11；拉伸前试样直径d,拉伸后试样直径dl） M = I l-I M = d l-d 5. 纵向线应变和横向线应变 6.泊松比 外力偶 KI N 血矩计箕公式（P功率，n转 速） T a = P a Sinaf= CrCDSafailIa= —siπ2α 2 Cr= EE 7.胡克定律
17? &受多个力作用的杆件纵向变形计算公式？ 9?承受轴向分布力或变截面的杆件，纵向变形计算公式 14.剪切胡克定律（切变模量G 9切应变g ） T =G ^ 15. 拉压弹性模量E 泊松比"和切变模量G 之间关系 T 9所求点到 11. 许用应力 H=? 脆性材料血=还，塑性材 料氐=还 12.延伸率 L -I 5- 1 X100% 1 10. 轴向拉压杆的强度计算公式 13. 截面收缩率 A A-A I Ψ= X100% 圆截面对 心的极惯性矩（a ）实心圆 （b ）空心 轴扭转时横截面上任一点切应力计算公式（扭矩 32 T
18.圆截面周边各点处最大切应力计算公式 19? 扭转截面系数 Wrr= ≠, （a ）实心圆 Wl= ^ （b ）空心圆I 鲁（I F 20. 薄壁圆管（壁厚δ ≤ R o /10 , R o 为圆管的平均半 21.圆轴扭转角炉与扭矩7；杆长人 扭转刚度GHP 的关 径不同（如阶梯轴）时 23.等直圆轴强度条件 24.塑性材料E = (WA)I 叫脆性材料I T l = (°?8 ~ Io )I er l Gi I TT 26. 受压圆筒形薄壁容器横截面和纵截面上的应力计 径）扭转切应力计算公式 T ~2τ^δ TL 系式"瓯 22 同一材料制成的圆轴各段的扭矩不同或各段的直 扭转圆轴的刚度条件？乳 ≤l^l Z 或
第八章钢筋混凝土构件裂缝及变形的验算 一、填空题 1.混凝土构件裂缝开展宽度及变形验算属于极限状态的设计要求，验算时材料强度采用。 2. 是提高钢筋混凝土受弯构件刚度的最有效措施。 3. 裂缝宽度计算公式中的，σsk是指，其值是按荷载效应的 组合计算的。 4.钢筋混凝土构件的平均裂缝间距随混凝土保护层厚度的增大而。用带肋变形钢筋时的平均裂缝间距比用光面钢筋时的平均裂缝间距_______（大、小）些。 5.钢筋混凝土受弯构件挠度计算中采用的最小刚度原则是指在弯矩范围内，假定其刚度为常数，并按截面处的刚度进行计算。 6.结构构件正常使用极限状态的要求主要是指在各种作用下和 不超过规定的限值。 7.裂缝间纵向受拉钢筋应变的不均匀系数Ψ是指 之比，反映了裂缝间参与工作的程度。 8.平均裂缝宽度是指位置处构件的裂缝宽度。 二、选择题 1. 计算钢筋混凝土梁的挠度时，荷载采用（） A、平均值； B、标准值； C、设计值。 2. 当验算受弯构件挠度时，出现f>[f]时，采取（）措施最有效。 A、加大截面的宽度； B、提高混凝土强度等级； C、加大截面的高度； D、提高钢筋的强度等级。 3. 验算受弯构件裂缝宽度和挠度的目的是（）。 A、使构件能够带裂缝工作； B、使构件满足正常使用极限状态的要求； C、使构件满足承载能力极限状态的要求； D、使构件能在弹性阶段工作。 4. 钢筋混凝土轴心受拉构件的平均裂缝间距与纵向钢筋直径及配筋率的关系是（）。 A、直径越大，平均裂缝间距越小； B、配筋率越大，平均裂缝间距越大； C、直径越小，平均裂缝间距越小；
5. 钢筋混凝土梁截面抗弯刚度随荷载的增加及持续时间增加而（）。 A、逐渐减小； B、逐渐增加； C、保持不变； D、先增加后减小。 6. 裂缝间钢筋应变的不均匀系数Ψ的数值越大，说明（）。 A、裂缝之间混凝土的应力越大； B、裂缝之间钢筋应力越小； C、裂缝之间混凝土的应力越小； D、裂缝之间钢筋应力为零。 7. 当其他条件完全相同，根据钢筋面积选择钢筋直径和根数时，对裂缝有利的选择是（）。 A、较粗的变形钢筋； B、较粗的光面钢筋； C、较细的变形钢筋； D、较细的光面钢筋。 三、判断题 1.钢筋混凝土梁在受压区配置钢筋，将增大长期荷载作用下的挠度（）。 2.粘结应力的传递长度与裂缝间距有很大关系。传递长度短,则裂缝分布稀;反之则密（）。 3.为了控制裂缝，在普通混凝土中，不宜采用高强钢筋（）。 4.进行结构构件的变形验算时，采用荷载的标准值、准永久值和材料的设计值（）。 5.由于构件的裂缝宽度和变形随时间而变化，因此进行裂缝宽度和变形验算时，还应考虑长期作用的影响（）。 6.受压翼缘的存在使受弯构件的短期刚度 Bs 降低（）。 7.钢筋混凝土梁的截面刚度随着荷载的大小及持续时间的变化而变化（）。 8.当纵向受拉钢筋的面积相等时，选择较细直径的变形钢筋可减少裂缝宽度（）。 9.Ψ表示裂缝间受拉混凝土协助钢筋抗拉工作的程度，当Ψ＝1时，表示混凝土的协助能力最强（）。 10.平均裂缝宽度是平均裂缝间距之间沿钢筋水平位置处钢筋和混凝土总伸长之差（）。 四、问答题 1.何谓“最小刚度原则”? 2.简述裂缝控制等级的划分、对允许出现裂缝的构件其裂缝宽度为何加以限制、需进行裂缝宽度验算的构件有哪些。 3.裂缝间钢筋应变不均匀系数Ψ的物理意义是什么？《规范》是如何确定这个系数的？ 4．在受弯构件的受压区配置钢筋为什么会影响构件的长期刚度B?
材料力学常用公式 1.外力偶 矩计算公式（P功率，n转速）2.弯矩、剪力和荷载集度之间的 关系式 3.轴向拉压杆横截面上正应力的 计算公式（杆件横截面轴力F N，横截面面积A，拉应 力为正） 4.轴向拉压杆斜截面上的正应力与切应力计算公式（夹角a 从x轴正方向逆时针转至外法线 的方位角为正） 5. 6.纵向变形和横向变形（拉伸前 试样标距l，拉伸后试样标距l1； 拉伸前试样直径d，拉伸后试样 直径d1）7. 8.纵向线应变和横向线应变 9. 10.泊松比 11.胡克定律 12.受多个力作用的杆件纵向变形 计算公式? 13.承受轴向分布力或变截面的杆 件，纵向变形计算公式 14.轴向拉压杆的强度计算公式 15.许用应力，脆性 材料，塑性材料 16.延伸率 17.截面收缩率
18.剪切胡克定律（切变模量G，切应变g ） 19.拉压弹性模量E 、泊松比和切变模量G之间关系式 20.圆截面对圆心的极惯性矩（a） 实心圆 21.（b）空 心圆 22.圆轴扭转时横截面上任一点切应力计算公式（扭矩T，所求点 到圆心距离r） 23.圆截面周边各点处最大切应力 计算公式 24.扭转截面系数，（a） 实心圆 25.（b）空心圆26.薄壁圆管（壁厚δ≤ R0 /10 ， R0为圆管的平均半径）扭转切 应力计算公式 27.圆轴扭转角与扭矩T、杆长l、 扭转刚度GH p的关系式 28.同一材料制成的圆轴各段内的 扭矩不同或各段的直径不同（如 阶梯轴）时或 29.等直圆轴强度条件 30.塑性材料；脆 性材料 31.扭转圆轴的刚度条件? 或
32.受内压圆筒形薄壁容器横截面 和纵截面上的应力计算公式 , 33.平面应力状态下斜截面应力的 一般公式 , 34.平面应力状态的三个主应力 , , 35.主平面方位的计算公式 36.面内最大切应力 37.受扭圆轴表面某点的三个主应 力，，38.三向应力状态最大与最小正应 力, 39.三向应力状态最大切应力 40.广义胡克定律 41. 42. 43.四种强度理论的相当应力 44.一种常见的应力状态的强度条 件，45.组合图形的形心坐标计算公式 ， 46.任意截面图形对一点的极惯性 矩与以该点为原点的任意两正
材料力学得基本计算公式外力偶矩计算公式(P功率,n转速) 1.弯矩、剪力与荷载集度之间得关系式 2.轴向拉压杆横截面上正应力得计算公式 (杆件横截面 轴力F N,横截面面积A,拉应力为正） 3.轴向拉压杆斜截面上得正应力与切应力计算公式(夹角 a 从x轴正方向逆时针转至外法线得方位角为正) 4.纵向变形与横向变形(拉伸前试样标距l,拉伸后试样 标距l1；拉伸前试样直径d,拉伸后试样直径d１) 5.纵向线应变与横向线应变 6.泊松比 7.胡克定律 8.受多个力作用得杆件纵向变形计算公式？ 9.承受轴向分布力或变截面得杆件,纵向变形计算公式 10.轴向拉压杆得强度计算公式 11.许用应力, 脆性材料，塑性材料 12.延伸率 13.截面收缩率 14.剪切胡克定律（切变模量G，切应变g )
15.拉压弹性模量E、泊松比与切变模量G之间关系式 16.圆截面对圆心得极惯性矩(a)实心圆 (ｂ)空心圆 17.圆轴扭转时横截面上任一点切应力计算公式（扭矩 T,所求点到圆心距离r ) 18.圆截面周边各点处最大切应力计算公式 19.扭转截面系数 ,(a)实心圆? (b)空心圆 20.薄壁圆管(壁厚δ≤Ｒ０/10 ,R0为圆管得平 均半径)扭转切应力计算公式 21.圆轴扭转角与扭矩Ｔ、杆长l、扭转刚度GＨｐ得 关系式 22.同一材料制成得圆轴各段内得扭矩不同或各段得 直径不同(如阶梯轴)时或 23.等直圆轴强度条件 24.塑性材料;脆性材料 25.扭转圆轴得刚度条件? 或 26.受内压圆筒形薄壁容器横截面与纵截面上得应力 计算公式, 27.平面应力状态下斜截面应力得一般公式 , 28.平面应力状态得三个主应力 , , 29.主平面方位得计算公式
材料力学常用基本公式 Prepared on 24 November 2020
1.外力偶矩计算公式（P功率，n转速） 2.弯矩、剪力和荷载集度之间的关系式 3.轴向拉压杆横截面上正应力的计算公式（杆件横截面轴力F N，横截面面积 A，拉应力为正） 4.轴向拉压杆斜截面上的正应力与切应力计算公式（夹角a 从x轴正方向逆时针转至 外法线的方位角为正） 5.纵向变形和横向变形（拉伸前试样标距l，拉伸后试样标距l1；拉伸前试样直径 d，拉伸后试样直径d1） 6. 7.纵向线应变和横向线应变 8. 9.泊松比 10.胡克定律
11.受多个力作用的杆件纵向变形计算公式 12.承受轴向分布力或变截面的杆件，纵向变形计算公式 13.轴向拉压杆的强度计算公式 14.许用应力，脆性材料，塑性材料 15.延伸率 16.截面收缩率 17.剪切胡克定律（切变模量G，切应变g ） 18.拉压弹性模量E、泊松比和切变模量G之间关系式 19.圆截面对圆心的极惯性矩（a）实心圆 20.（b）空心圆 21.圆轴扭转时横截面上任一点切应力计算公式（扭矩T，所求点到圆心距离r）
22.圆截面周边各点处最大切应力计算公式 23.扭转截面系数，（a）实心圆 （b）空心圆 24.薄壁圆管（壁厚δ≤ R /10 ，R 为圆管的平均半径）扭转切应力计算公式 25.圆轴扭转角与扭矩T、杆长l、扭转刚度GH p的关系式 26.同一材料制成的圆轴各段内的扭矩不同或各段的直径不同（如阶梯轴）时 或 27.等直圆轴强度条件 28.塑性材料；脆性材料
29.扭转圆轴的刚度条件或 30.受内压圆筒形薄壁容器横截面和纵截面上的应力计算公式, 31.平面应力状态下斜截面应力的一般公式 , 32.平面应力状态的三个主应力, , 33.主平面方位的计算公式 34.面内最大切应力 35.受扭圆轴表面某点的三个主应力，， 36.三向应力状态最大与最小正应力 , 37.三向应力状态最大切应力
外力偶矩计算公式（P功率，n转速） 弯矩、剪力和荷载集度之间的关系式 轴向拉压杆横截面上正应力的计算公式（杆件横截面轴力FN，横 截面面积A，拉应力为正） 轴向拉压杆斜截面上的正应力与切应力计算公式（夹角a 从x轴正方向逆时针转至外法线的方位角为正） 纵向变形和横向变形（拉伸前试样标距l，拉伸后试样标距l1；拉伸前试样直径d，拉伸后试样直径d1） 纵向线应变和横向线应变 泊松比 胡克定律 受多个力作用的杆件纵向变形计算公式? 承受轴向分布力或变截面的杆件，纵向变形计算公式
轴向拉压杆的强度计算公式 许用应力，脆性材料，塑性材料 延伸率 截面收缩率 剪切胡克定律（切变模量G，切应变g ） 拉压弹性模量E、泊松比和切变模量G之间关系式 圆截面对圆心的极惯性矩（a）实心圆 （b）空心圆 圆轴扭转时横截面上任一点切应力计算公式（扭矩T，所求点到圆心距离r ） 圆截面周边各点处最大切应力计算公式 扭转截面系数，（a）实心圆 （b）空心圆 薄壁圆管（壁厚δ≤ R0 /10 ，R0 为圆管的平均半径）扭转切应力计算公式
圆轴扭转角与扭矩T、杆长l、扭转刚度GHp的关系式 同一材料制成的圆轴各段内的扭矩不同或各段的直径不同（如阶梯轴）时 或 等直圆轴强度条件 塑性材料；脆性材料 扭转圆轴的刚度条件? 或 受内压圆筒形薄壁容器横截面和纵截面上的应力计算公式, 平面应力状态下斜截面应力的一般公式 , 平面应力状态的三个主应力, ,
主平面方位的计算公式 面内最大切应力 受扭圆轴表面某点的三个主应力，， 三向应力状态最大与最小正应力, 三向应力状态最大切应力 广义胡克定律 四种强度理论的相当应力 一种常见的应力状态的强度条件， 组合图形的形心坐标计算公式， 任意截面图形对一点的极惯性矩与以该点为原点的任意两正交坐标轴的惯
《材料结构与性能》习题 第一章 1、一25cm 长的圆杆，直径2.5mm ，承受的轴向拉力4500N 。如直径拉细成2.4mm ，问： 1) 设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； 2) 在此拉力下的真应力和真应变； 3) 在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 2、举一晶系，存在S 14。 3、求图1.27所示一均一材料试样上的A 点处的应力场和应变场。 4、一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3（E=380GPa ）和5%的玻璃相（E=84GPa ），计算上限及下限弹性模量。如该陶瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 5、画两个曲线图，分别表示出应力弛豫与时间的关系和应变弛豫和时间的关系。并注出：t=0,t=∞以及t=τε（或τσ）时的纵坐标。 6、一Al 2O 3晶体圆柱（图1.28），直径3mm ，受轴向拉力F ，如临界抗剪强度τc =130MPa ，求沿图中所示之一固定滑移系统时，所需之必要的拉力值。同时计算在滑移面上的法向应力。
第二章 1、求融熔石英的结合强度，设估计的表面能为1.75J/m2；Si-O的平衡原子间距为1.6×10-8cm；弹性模量值从60到75GPa。 2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ=1.56J/m2；理论强度。如材料中存在最大长度为的内裂，且此内裂垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度折减系数。 3、证明材料断裂韧性的单边切口、三点弯曲梁法的计算公式： 与 是一回事。
4、一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图 2.41所示。如果E=380GPa，μ=0.24，求K Ⅰc 值，设极限载荷达50㎏。计算此材料的断裂表面能。 5、一钢板受有长向拉应力350 MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的中心穿透缺陷，长8mm（=2c）。此钢材的屈服强度为1400MPa，计算塑性区尺寸 r 0及其与裂缝半长c的比值。讨论用此试件来求K Ⅰc 值的可能性。 6、一陶瓷零件上有以垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为：①2mm；② 0.049mm；③2μm，分别求上述三种情况下的临界应力。设此材料的断裂韧性为 1.62 MPa〃m2。讨论诸结果。 7、画出作用力与预期寿命之间的关系曲线。材料系ZTA陶瓷零件，温度在 900℃，K Ⅰc 为10MPa〃m2，慢裂纹扩展指数N=40，常数A=10-40，Y取π。设保证实验应力取作用力的两倍。 8、按照本章图2.28所示透明氧化铝陶瓷的强度与气孔率的关系图，求出经验公式。 9、弯曲强度数据为：782，784，866，884，884，890，915，922，922，927，942，944，1012以及1023MPa。求两参数韦伯模量数和求三参数韦伯模量数。 第三章 1、计算室温（298K）及高温（1273K）时莫来石瓷的摩尔热容值，并请和安杜龙—伯蒂规律计算的结果比较。 2、请证明固体材料的热膨胀系数不因内含均匀分散的气孔而改变。
1、材料力学的任务： 强度、刚度和稳定性； 应力单位面积上的内力。 平均应力（1.1） 全应力（1.2） 正应力垂直于截面的应力分量，用符号表示。 切应力相切于截面的应力分量，用符号表示。 应力的量纲： 线应变单位长度上的变形量，无量纲，其物理意义是构件上一点沿某一方向变形量的大小。 外力偶矩 传动轴所受的外力偶矩通常不是直接给出，而是根据轴的转速n与传递的功率P 来计算。 当功率P单位为千瓦（kW），转速为n（r/min）时，外力偶矩为 当功率P单位为马力（PS），转速为n（r/min）时，外力偶矩为 拉（压）杆横截面上的正应力
拉压杆件横截面上只有正应力，且为平均分布，其计算公式为 (3 -1) 式中为该横截面的轴力，A为横截面面积。 正负号规定拉应力为正，压应力为负。 公式（3-1）的适用条件： （1）杆端外力的合力作用线与杆轴线重合，即只适于轴向拉（压）杆件； （2）适用于离杆件受力区域稍远处的横截面； （3）杆件上有孔洞或凹槽时，该处将产生局部应力集中现象，横截面上应力分布很不均匀； （4）截面连续变化的直杆，杆件两侧棱边的夹角时 拉压杆件任意斜截面（a图）上的应力为平均分布，其计算公式为 全应力 (3-2) 正应力（3-3） 切应力（3-4） 式中为横截面上的应力。 正负号规定： 由横截面外法线转至斜截面的外法线，逆时针转向为正，反之为负。 拉应力为正，压应力为负。 对脱离体内一点产生顺时针力矩的为正，反之为负。 两点结论： （1）当时，即横截面上，达到最大值，即。当=时，即纵截面上，==0。 （2）当时，即与杆轴成的斜截面上，达到最大值，即 1．2 拉（压）杆的应变和胡克定律 （1）变形及应变 杆件受到轴向拉力时，轴向伸长，横向缩短；受到轴向压力时，轴向缩短，横向伸长。如图3-2。