第2卷 交变应力与疲劳强度与压杆稳定 河南省（对口招生）《机械基础》（高教版·河南版） 单元过关卷

河南省（对口招生）机电与制造类 《机械基础》（高教版·河南版） 交变应力与疲劳强度与压杆稳定 单元过关卷 时间：60分钟 总分：94分 班级＿＿＿＿　姓名＿＿＿＿　学号＿＿＿＿　成绩＿＿＿＿ 一、单项选择题（本大题共20小题，每题2分，共40分） 1. 作疲劳试验时，试样承受的载荷为（ ） A. 静载荷 B. 冲击载荷 C. 动载荷 D. 交变载荷 【答案】D 【解析】疲劳强度（疲劳极限）是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不被破坏的最大应力。 2. 在机械零件的失效中，大约有80%以上是属于_______破坏。（ ） A. 疲劳 B. 剪切 C. 拉断 D. 弯曲 【答案】A 【解析】机械零件在工作中常承受随时间变化的载荷，容易产生交变应力。疲劳破坏往往在应力低于静强度极限时经过长期循环逐渐形成，是机械零件失效中最常见的形式，工程统计中疲劳破坏所占比例很高，常认为可达80%以上。因此选C。 3. 在交变应力的作用下，零件的失效形式主要是（ ） A. 塑性变形 B. 断裂 C. 弹性变形 D. 疲劳断裂 【答案】D 【解析】交变应力会使零件内部或表面缺陷处产生疲劳裂纹，裂纹在反复应力作用下逐渐扩展，最终导致突然断裂。这种失效形式称为疲劳断裂，而不是单纯的塑性变形或弹性变形。因此选C。 4. 增大阶梯轴圆角半径的主要目的是（ ） A. 使零件轴向定位可靠 B. 外形美观 C. 使轴加工方便 D. 降低应力集中，提高轴的疲劳强度 【答案】D 【解析】阶梯轴直径突变处容易产生应力集中，圆角半径越小，应力集中越严重。适当增大圆角半径可以减缓截面过渡，降低应力集中系数，从而提高轴在交变应力作用下的疲劳强度。因此选B。 5. 细长压杆在轴向压力作用下，尚未达到材料强度极限时突然发生弯曲而丧失承载能力，这种现象称为（ ） A. 强度失效 B. 稳定失效 C. 刚度失效 D. 磨损失效 【答案】B 【解析】细长压杆受轴向压力时，可能因平衡状态失去稳定而突然弯曲，这属于稳定失效。强度失效主要与材料破坏有关，刚度失效主要与变形过大有关，磨损失效不属于压杆稳定问题。 6. 受轴向载荷的紧螺栓连接，当螺栓总拉力 F0 和残余预紧力 F1 不变，减小螺栓刚度 Cb 或增大被连接件刚度 Cm 时，螺栓的疲劳强度（ ） A. 提高 B. 降低 C. 不变 D. 可能提高也可能降低 【答案】A 【解析】减小螺栓刚度 Cb 或增大被连接件刚度 Cm 会使螺栓的应力幅减小，从而提高螺栓的疲劳强度。 7. 金属材料在交变应力作用下发生断裂的现象称为（ ） A. 疲劳断裂 B. 脆性断裂 C. 塑性断裂 D. 冲击断裂 【答案】A 【解析】金属材料在交变应力反复作用下，裂纹会从缺陷或应力集中处萌生并逐渐扩展，最终发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。它不同于一次静载下的塑性断裂、脆性断裂或冲击断裂。因此选C。 8. 金属材料的疲劳极限是指在规定循环次数下不发生断裂的（ ） A. 最大应力 B. 最小应力 C. 平均应力 D. 应力幅值 【答案】A 【解析】疲劳极限通常指材料在规定循环次数下不发生疲劳断裂所能承受的最大应力值。对于钢铁材料，常以一定基准循环次数对应的不破坏应力作为疲劳极限或疲劳强度指标。因此选A。 9. 轴、齿轮、弹簧等需要承受交变载荷作用的零件，在选择材料时必须考虑的性能是（ ） A. 塑性 B. 硬度 C. 强度 D. 疲劳强度 【答案】D 【解析】轴、齿轮、弹簧等零件在工作中常承受周期性或反复变化的载荷，主要失效危险是疲劳破坏。选择材料时除一般强度外，必须重点考虑材料抵抗疲劳破坏的能力，即疲劳强度。因此选D。 10. 对于脆性材料（如铸铁），其许用应力通常以_____为基础确定。（ ） A. 弹性极限 B. 屈服极限 C. 强度极限 D. 比例极限 【答案】C 【解析】脆性材料无明显屈服阶段，断裂是其失效标志，故以强度极限（断裂时的最大应力）作为极限应力，再除以安全系数得到许用应力。 11. 下列哪项措施不能提高材料的疲劳强度（ ） A. 增加应力集中 B. 喷丸处理 C. 表面淬火 D. 降低表面粗糙度 【答案】A 【解析】表面淬火、喷丸处理和降低表面粗糙度都能改善零件表层状态，减小裂纹萌生倾向或引入有利的残余压应力，从而提高疲劳强度。应力集中会使局部应力增大，促进疲劳裂纹产生，不能提高疲劳强度。因此选C。 12. 金属材料的疲劳断裂通常（ ） A. 有明显塑性变形 B. 无明显塑性变形 C. 发生在屈服之后 D. 强度高于抗拉强度 【答案】B 【解析】疲劳断裂通常是在交变应力长期作用下由裂纹逐渐扩展造成的，断裂前整体变形很小，常无明显塑性变形，具有突然断裂的特点。因此选B。 13. 金属材料在交变应力长期作用下，发生破坏的现象称为（ ） A. 弹性失效 B. 塑性失效 C. 冲击失效 D. 疲劳失效 【答案】D 【解析】材料或零件在交变应力长期反复作用下，即使最大应力低于静强度极限，也可能因裂纹萌生和扩展而发生破坏，这种失效称为疲劳失效。因此选C。 14. 测定疲劳强度时，工程上规定钢铁材料的应力循环次数取（ ） A. 1 B. 1 C. 1 D. 109 【答案】B 【解析】工程上测定钢铁材料疲劳强度或疲劳极限时，通常采用 次应力循环作为基准循环次数。当试样在该循环次数下不发生断裂时，可取相应应力作为疲劳极限。因此选B。 15. 金属材料在交变应力作用下发生的破坏称为（ ） A. 塑性变形 B. 疲劳破坏 C. 韧性断裂 D. 脆性断裂 【答案】B 【解析】疲劳破坏是金属材料在交变应力作用下，经过一定循环次数后发生的断裂现象；塑性变形是材料产生永久变形但未断裂；韧性断裂和脆性断裂是材料在静载荷下的不同断裂方式 。 16. 做疲劳强度试验时，试样承受的载荷为（ ） A. 静载荷 B. 冲击载荷 C. 交变载荷 D. 以上都不正确 【答案】C 【解析】疲劳强度试验是用来研究材料在反复变化应力或载荷作用下的破坏规律，因此试样应承受交变载荷，而不是静载荷或单次冲击载荷。因此选C。 17. 下列哪种因素会提高材料的疲劳强度（ ） A. 表面淬火 B. 应力集中 C. 表面粗糙度增加 D. 材料内部缺陷 【答案】A 【解析】表面粗糙度增加、应力集中和材料内部缺陷都会促进疲劳裂纹萌生，降低疲劳强度。表面淬火可提高表层硬度和强度，并改善表层受力状态，有利于提高疲劳强度。因此选C。 18. 带在工作时受到交变应力的作用，最大应力发生在（ ） A. 带进入小带轮处 B. 带离开小带轮处 C. 带进入大带轮处 D. 以上都不对 【答案】A 【解析】带传动中，带所受最大应力由拉应力、离心拉应力和弯曲应力叠加形成。小带轮直径较小，带绕上小带轮时弯曲应力较大；在紧边进入小带轮处，拉应力也较大，因此最大应力通常发生在带进入小带轮处。因此选A。 19. 轴表面进行喷丸或辗轧的目的是（ ） A. 使尺寸精确 B. 美观 C. 提高轴的耐蚀性 D. 降低应力集中的敏感性 【答案】D 【解析】轴表面喷丸或辗轧可使表层产生残余压应力并强化表面层，抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，从而降低对应力集中的敏感性，提高轴的疲劳强度。因此选B。 20. 两端铰支的圆截面压杆，长1m，直径50mm。其柔度为（ ） A. 60 B. 66.7 C. 80 D. 50 【答案】C 【解析】压杆柔度为 。两端铰支时长度系数 ；圆截面的惯性半径 。杆长 ，故 。因此选C。 二、判断题（本大题共10小题，每题2分，共20分） 21. 提高表面质量可显著改善零件的疲劳寿命（ ） 【答案】正确 【解析】零件表面粗糙、划痕或加工缺陷会造成应力集中，成为疲劳裂纹的萌生源。提高表面质量可以减小表面缺陷和应力集中，从而显著延长疲劳寿命。因此判断为正确。 22. 容易使零件产生疲劳失效的载荷是冲击载荷。 （ ） 【答案】错误 【解析】疲劳失效主要由长期反复变化的交变载荷或循环载荷引起，特点是损伤逐步积累。冲击载荷通常更容易造成冲击破坏或瞬时断裂，不是最典型的疲劳失效载荷。因此判断为错误。 23. 不随时间发生变化的应力称为静应力。（ ） 【答案】正确 【解析】静应力是指大小和方向均不随时间变化，或可近似认为不随时间变化的应力。与之相对，随时间变化的应力称为变应力或交变应力。因此判断为正确。 24. 变应力只能由变载荷产生。（ ） 【答案】错误 【解析】变应力不一定只由变载荷产生。即使外载荷大小不变，当构件转动或受力点、截面位置相对载荷变化时，构件内某点的应力也可能随时间变化，如旋转轴在恒定弯矩下产生交变弯曲应力。因此判断为错误。 25. 构件的工作应力若小于许用应力，则一定不会发生破坏。（ ） 【答案】正确 【解析】许用应力是保证构件安全工作的最大允许应力，工作应力小于许用应力时，构件处于安全状态，不会破坏。 26. 钢铁材料，疲劳强度是材料经受次交变载荷作用而不断裂时的最大应力。（ ） 【答案】正确 【解析】疲劳强度指金属材料经过无限多次交变载荷作用而不破坏的最大应力。用对称变曲疲劳实验测定，实验时钢铁材料以为无限多次，有色金属以为无限多次。 27. 交变应力作用下的疲劳破坏与静应力作用下的破坏是相同的（ ） 【答案】错误 【解析】金属材料在交变应力作用下，零件内的最大应力虽远低于静载荷下的强度极限，甚至低于屈服极限，但经过长时间的工作后，仍会产生裂纹或突然发生断裂，这样的断裂现象称为疲劳破坏，与静应力下的疲劳破坏并不相同。 28. 只要构件内的应力随时间作周期性变化，就可称为交变应力，不一定必须在拉应力和压应力之间交替变化。（ ） 【答案】正确 【解析】交变应力强调应力随时间周期变化，脉动循环应力也属于交变应力。 29. 材料的疲劳破坏通常在一次最大载荷超过材料抗拉强度后立即发生。（ ） 【答案】错误 【解析】疲劳破坏常发生在低于静强度的交变应力长期作用下，具有累积损伤特点。 30. 在材料、截面和支承条件相同的情况下，压杆越长，临界压力通常越小，稳定性越差。（ ） 【答案】正确 【解析】压杆长度增大会使柔度增大，按欧拉公式临界压力随长度增大而减小。 三、简答题（本大题共5小题，每题4分，共20分） 31. 疲劳断裂和脆性断裂有何异同点？ 【答案】相同点：疲劳断裂和脆性断裂在断裂前通常都没有明显的塑性变形，破坏具有突然性，容易造成严重后果。 不同点：疲劳断裂是在交变应力或循环载荷长期作用下，裂纹经过萌生、扩展，最后发生瞬断，破坏通常可在低于材料静强度极限的应力下发生；脆性断裂一般是在一次加载或较少加载下迅速发生，裂纹扩展速度快。温度降低、材料韧性差、缺口和应力集中等因素会明显增加脆性断裂危险；疲劳断裂主要受应力循环次数、应力幅、平均应力、应力集中、表面质量和材料缺陷等影响。断口形貌上，疲劳断口通常可见疲劳源、疲劳扩展区和瞬断区，扩展区常有贝壳状或海滩状条纹；脆性断口通常较平齐，常呈结晶状或颗粒状，塑性变形很小。 【解析】疲劳断裂的本质是循环应力下的累积损伤，通常经历裂纹萌生、稳定扩展和最终瞬断三个阶段，因此断口常能观察到疲劳源和疲劳条纹。脆性断裂则多表现为裂纹快速扩展，断裂前几乎无塑性变形，断口常呈结晶状或颗粒状。原答案将“光亮、平直的结晶状断口”归为疲劳断口不正确，该特征更接近脆性断口。 32. 简述提高承受交变应力的机械零件疲劳强度的常用措施，至少写出三点。 【答案】（1）合理设计零件结构，避免尖角、突变截面和过小圆角，以减小应力集中。 （2）提高零件表面质量，降低表面粗糙度，减少疲劳裂纹的萌生条件。 （3）采用表面强化处理，如喷丸、滚压或表面热处理，使表层形成有利的残余压应力。 （4）合理选用材料和热处理工艺，提高材料的强度、韧性和抗疲劳性能。 【解析】疲劳破坏通常从应力集中部位或表面缺陷处开始，因此提高疲劳强度应从减小应力集中、改善表面状态、进行表面强化和提高材料性能等方面入手。答题时应说明措施及其对疲劳裂纹萌生和扩展的抑制作用。 33. 下图为汽车上的钢板弹簧，请说明其属于哪种梁，并说明其特点。 【答案】此为变截面梁。变截面梁的截面尺寸沿长度变化，截面尺寸是按各截面的弯矩来设计的，采用变截面梁可以提高梁的抗弯强度，还可节省材料。 34. 疲劳强度 【答案】材料在交变载荷作用下，经受无限次循环而不发生破坏的最大应力值。 【解析】疲劳强度表示材料抵抗疲劳破坏的能力，通常用材料在交变应力作用下经过规定循环次数而不发生破坏所能承受的最大应力来表示。对于具有明显疲劳极限的钢铁材料，也常把无限寿命条件下不发生疲劳破坏的最大应力称为疲劳极限。 35. 机械零件在交变应力作用下，失效形式是什么？与哪些因素有关？ 【答案】机械零件在交变应力作用下的主要失效形式是疲劳损坏或疲劳断裂。其疲劳强度和疲劳寿命与材料性质、零件形状和尺寸、应力集中情况、表面质量、受力状态、热处理和表面强化情况，以及工作环境等因素有关。 【解析】交变应力会使零件在缺口、台阶、划痕等应力集中处产生疲劳裂纹，裂纹逐渐扩展后导致疲劳断裂。影响疲劳失效的因素不仅包括材料和外形，还包括表面粗糙度、残余应力、热处理、尺寸效应、载荷循环特性、腐蚀介质和温度等工作环境因素。 四、计算题（本大题共2小题） 36. 某轴类零件在交变载荷作用下，危险截面的最大正应力为 160 MPa，最小正应力为 -80 MPa。计算该截面的平均应力、应力幅和循环特征系数。 【答案】平均应力为 40 MPa。 应力幅为 120 MPa。 循环特征系数为 -0.5。 【解析】平均应力按 计算，得 40 MPa。应力幅按 计算，得 120 MPa。循环特征系数按 计算，得 -0.5。 37. 一根两端铰支的圆截面钢压杆，直径为 20 mm，长度为 1000 mm，弹性模量为 MPa。若轴向压力为 5 kN，按欧拉公式计算临界压力，并判断该压杆是否满足稳定要求。 【答案】截面惯性矩约为 。 临界压力约为 15.5 kN。 因为 15.5 kN 大于 5 kN，所以该压杆满足稳定要求。 【解析】圆截面惯性矩为 ，代入直径 20 mm 得 。两端铰支长度系数取 1，临界压力为 ，代入数据得约 15.5 kN，大于工作压力，故稳定。 五、作图题（本大题共1小题） 38. 在坐标纸上绘制“对称循环交变应力”的应力—时间示意图，并标出横轴、纵轴、最大应力、最小应力和平均应力位置。 【答案】图中横轴应标为时间 ，纵轴应标为应力 。 曲线应为关于零应力线对称的周期性波形。 最大应力 位于正半周峰值处，最小应力 位于负半周谷值处。 平均应力 应标在零应力线上。 【解析】对称循环交变应力的特点是最大应力与最小应力大小相等、符号相反，因此平均应力为零。作图时关键是体现周期变化和关于零应力线对称。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $ 河南省（对口招生）机电与制造类 《机械基础》（高教版·河南版） 交变应力与疲劳强度与压杆稳定 单元过关卷 时间：60分钟 总分：94分 班级＿＿＿＿　姓名＿＿＿＿　学号＿＿＿＿　成绩＿＿＿＿ 一、单项选择题（本大题共20小题，每题2分，共40分） 1. 作疲劳试验时，试样承受的载荷为（ ） A. 静载荷 B. 冲击载荷 C. 动载荷 D. 交变载荷 2. 在机械零件的失效中，大约有80%以上是属于_______破坏。（ ） A. 疲劳 B. 剪切 C. 拉断 D. 弯曲 3. 在交变应力的作用下，零件的失效形式主要是（ ） A. 塑性变形 B. 断裂 C. 弹性变形 D. 疲劳断裂 4. 增大阶梯轴圆角半径的主要目的是（ ） A. 使零件轴向定位可靠 B. 外形美观 C. 使轴加工方便 D. 降低应力集中，提高轴的疲劳强度 5. 细长压杆在轴向压力作用下，尚未达到材料强度极限时突然发生弯曲而丧失承载能力，这种现象称为（ ） A. 强度失效 B. 稳定失效 C. 刚度失效 D. 磨损失效 6. 受轴向载荷的紧螺栓连接，当螺栓总拉力 F0 和残余预紧力 F1 不变，减小螺栓刚度 Cb 或增大被连接件刚度 Cm 时，螺栓的疲劳强度（ ） A. 提高 B. 降低 C. 不变 D. 可能提高也可能降低 7. 金属材料在交变应力作用下发生断裂的现象称为（ ） A. 疲劳断裂 B. 脆性断裂 C. 塑性断裂 D. 冲击断裂 8. 金属材料的疲劳极限是指在规定循环次数下不发生断裂的（ ） A. 最大应力 B. 最小应力 C. 平均应力 D. 应力幅值 9. 轴、齿轮、弹簧等需要承受交变载荷作用的零件，在选择材料时必须考虑的性能是（ ） A. 塑性 B. 硬度 C. 强度 D. 疲劳强度 10. 对于脆性材料（如铸铁），其许用应力通常以_____为基础确定。（ ） A. 弹性极限 B. 屈服极限 C. 强度极限 D. 比例极限 11. 下列哪项措施不能提高材料的疲劳强度（ ） A. 增加应力集中 B. 喷丸处理 C. 表面淬火 D. 降低表面粗糙度 12. 金属材料的疲劳断裂通常（ ） A. 有明显塑性变形 B. 无明显塑性变形 C. 发生在屈服之后 D. 强度高于抗拉强度 13. 金属材料在交变应力长期作用下，发生破坏的现象称为（ ） A. 弹性失效 B. 塑性失效 C. 冲击失效 D. 疲劳失效 14. 测定疲劳强度时，工程上规定钢铁材料的应力循环次数取（ ） A. 1 B. 1 C. 1 D. 109 15. 金属材料在交变应力作用下发生的破坏称为（ ） A. 塑性变形 B. 疲劳破坏 C. 韧性断裂 D. 脆性断裂 16. 做疲劳强度试验时，试样承受的载荷为（ ） A. 静载荷 B. 冲击载荷 C. 交变载荷 D. 以上都不正确 17. 下列哪种因素会提高材料的疲劳强度（ ） A. 表面淬火 B. 应力集中 C. 表面粗糙度增加 D. 材料内部缺陷 18. 带在工作时受到交变应力的作用，最大应力发生在（ ） A. 带进入小带轮处 B. 带离开小带轮处 C. 带进入大带轮处 D. 以上都不对 19. 轴表面进行喷丸或辗轧的目的是（ ） A. 使尺寸精确 B. 美观 C. 提高轴的耐蚀性 D. 降低应力集中的敏感性 20. 两端铰支的圆截面压杆，长1m，直径50mm。其柔度为（ ） A. 60 B. 66.7 C. 80 D. 50 二、判断题（本大题共10小题，每题2分，共20分） 21. 提高表面质量可显著改善零件的疲劳寿命（ ） 22. 容易使零件产生疲劳失效的载荷是冲击载荷。 （ ） 23. 不随时间发生变化的应力称为静应力。（ ） 24. 变应力只能由变载荷产生。（ ） 25. 构件的工作应力若小于许用应力，则一定不会发生破坏。（ ） 26. 钢铁材料，疲劳强度是材料经受次交变载荷作用而不断裂时的最大应力。（ ） 27. 交变应力作用下的疲劳破坏与静应力作用下的破坏是相同的（ ） 28. 只要构件内的应力随时间作周期性变化，就可称为交变应力，不一定必须在拉应力和压应力之间交替变化。（ ） 29. 材料的疲劳破坏通常在一次最大载荷超过材料抗拉强度后立即发生。（ ） 30. 在材料、截面和支承条件相同的情况下，压杆越长，临界压力通常越小，稳定性越差。（ ） 三、简答题（本大题共5小题，每题4分，共20分） 31. 疲劳断裂和脆性断裂有何异同点？ 32. 简述提高承受交变应力的机械零件疲劳强度的常用措施，至少写出三点。 33. 下图为汽车上的钢板弹簧，请说明其属于哪种梁，并说明其特点。 34. 疲劳强度 35. 机械零件在交变应力作用下，失效形式是什么？与哪些因素有关？ 四、计算题（本大题共2小题） 36. 某轴类零件在交变载荷作用下，危险截面的最大正应力为 160 MPa，最小正应力为 -80 MPa。计算该截面的平均应力、应力幅和循环特征系数。 37. 一根两端铰支的圆截面钢压杆，直径为 20 mm，长度为 1000 mm，弹性模量为 MPa。若轴向压力为 5 kN，按欧拉公式计算临界压力，并判断该压杆是否满足稳定要求。 五、作图题（本大题共1小题） 38. 在坐标纸上绘制“对称循环交变应力”的应力—时间示意图，并标出横轴、纵轴、最大应力、最小应力和平均应力位置。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $