材料性能学.docx

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材料性能学

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第一章材料单向静拉伸的力学性能

1.屈服是材料由弹性变形向弹-塑性变形过度的明显标志。

2.低碳钢单向静拉伸曲线特征及形变过程

在低碳钢的单向静拉伸试验中，整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形以及不均匀集中塑性变形4个阶段

3.真应力/应变与工程应力/应变的换算

4.弹性变形的本质：

构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。

5.弹性模量的影响因素

答：

键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载条件和负荷持续时间

6.滞弹性：

是指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。

7.包申格效应：

金属材料经预先加载产生少量塑性变形，而后同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余拉伸应力降低的现象。

（包申格效应可以通过热处理来消除。

）

8.弹性滞后环：

在非理想弹性的情况下，由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，这个封闭回线称为弹性滞后环。

9.内耗：

在非理想弹性的情况下，由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，这个封闭回线称为弹性滞后环。

存在弹性滞后环的现象说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功，有一部分加载变形功被材料吸收。

这部分在变形过程中被材料吸收的功称为材料的内耗。

10.无机非金属材料的塑性特点

论述大多数无机非金属材料在常温下不能产生塑性形变的原因

【答案】无机非金属材料滑移系统少，不易产生塑性形变，主要原因有：

（1）离子键或共价键，具有明显的方向性。

（2）同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系统能满足位错运动的几何条件和静电作用条件。

（3）晶体结构愈复杂，满足这种条件就愈困难。

陶瓷材料一般呈多晶状态，而且还存在气孔、微裂纹、玻璃相等。

其晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪应力差别很大。

即使个别晶粒已达到临界剪应力而发生滑移，也会受到周围晶粒的制约，使滑移受到阻碍而终止，所以多晶材料更不容易产生滑移。

无机材料中不易形成位错，位错运动也很困难，当滑移面上的分剪应力尚未达到使位错以足够速度运动时，此应力已超过了微裂纹扩展所需的临界应力而使材料脆性断裂，所以无机非金属材料难以产生塑性形变。

11.屈服强度:

材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。

12.抗拉强度：

拉伸曲线上应力的最大值。

表征最大均匀塑性变形抗力指标。

13.应变硬化及实际意义

应变硬化：

材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象。

实际意义：

14.断裂的类型

断裂的分类有很多种：

1、按照断裂前有无明显的塑性变形分为：

韧性断裂、脆性断裂

2、按晶体材料断裂时裂纹扩展的途径分为：

穿晶断裂、沿晶断裂

3、按照微观断裂机理分为：

解理断裂、剪切断裂（纯剪切断裂、微孔聚集型断裂）。

4、按作用力的性质和断裂面的取向分为：

正断、切断。

15.韧性断口的特征三要素：

纤维区、放射区、剪切唇

16.Griffith裂纹理论要点

内容：

实际材料中已经存在裂纹，当平均应力还很低时，裂纹尖端的应力集中已经达到理论值，从而使裂纹快速扩展并导致脆性断裂。

当系统的弹性能与裂纹失稳扩展所需的表面能达到平衡时，即为临界状态。

格里菲斯裂纹理论从能量的角度来研究裂纹扩展的条件，这个条件是：

物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。

17.脆性断裂的断裂判据：

裂纹自发扩展的临界应力及其对应的裂纹半长度

18.韧性：

是指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

19.塑性的评价指标：

延伸率和断面收缩率

20.中、低碳钢光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂样品断口出现明显的纤维区、放射区和剪切唇三个区域，其中纤维区的微观断口特征为韧窝，剪切唇的微观特征可看到链波花样。

21.从对材料的形变及断裂的分析可知，在晶体结构稳定的情况下，控制温度的主要参数有三个：

弹性模量、裂纹尺寸和表面能。

22.材料弹性的弹性好坏指的就是材料弹性比功的大小。

23.解理断裂是一种穿晶断裂，它的基本微观特征是：

解理台阶、河流花样、舌状花样。

24.非理想弹性行为大致分为滞弹性、粘弹性、伪弹性、包申格效应。

第二章材料在其他静载下的力学性能

1.应力状态系数a越大，表示应力状态越软，材料越易产生塑性变形和韧性断裂。

2.缺口敏感度及其影响因素

缺口敏感度越大缺口敏感性越低。

缺口尖端曲率半径越小，缺口越深、越尖锐，材料的缺口敏感性越大，材料的缺口敏感度就越低。

缺口相同，试样截面尺寸越大，缺口敏感性越大；降低温度，屈服强度明显增高，缺口敏感性越大。

3.缺口效应

4.布氏硬度HB（HBW硬质合金球；HBS淬火钢球）

5.维氏硬度HV

第三章材料的冲击韧性及低温脆性

1.冲击吸收功：

材料受到外界冲击，因自身发生变形或断裂吸收的功。

2.低温脆性

低温脆性常发生在具有体心立方或密排六方结构的金属及合金中，而在面心立方结构的金属及合金中很少发现。

第四章材料的冲击韧性

1.裂纹扩展的基本方式，分别为张开型、滑开型和撕开型，其中以张开型裂纹扩展最危险，最容易引起脆性断裂。

2.断裂KI判据及塑性区修正

无限大板

第五章材料的疲劳性能

第六章材料的磨损性能

1.磨损的基本类型及各自形貌特征

粘着磨损：

机件有大小不等的结疤

磨粒磨损：

摩擦面上有擦伤或明显沟槽

接触疲劳：

接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑，有的凹坑越深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。

2.磨粒磨损：

是摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面存在硬质粒子时产生的磨损。

3.接触疲劳

第七章材料的高温力学性能

1.蠕变性能指标：

蠕变极限、持久强度、松弛稳定性。

2.试说明高温下金属蠕变变形的机理与常温下金属塑性变形的机理有何不同？

3.如何提高蠕变的抗力

第八章材料的热学性能

1.格波（弹性波）

2.声子

3.固体热容两个定律

4.德拜模型

5.德拜温度大小取决于键的强度、材料的弹性模量、熔点。

6.二级相变

铁磁性向顺磁性转变属典型二级相变。

有序-无序转变也属此类情况。

7.热分析方法：

差热分析、热重法

8.热膨胀的机理

固体材料的热膨胀本质是：

晶格振动中质点的非线性振动。

9.质点间结合能越强，热膨胀系数越小。

10.对于成分相同的材料，结构越致密的晶体热膨胀系数都较大，而类似于非晶态玻璃那样结构比较松散的材料，则往往有较小的热膨胀系数。

11.包覆材料的热膨胀系数要和主体材料热膨胀系数接近，且适当小于主体材料。

【答案】原因：

（1）釉的膨胀系数比坯小，烧成后的制品在冷却过程中表面釉层的收缩比坯体小，使釉层中存在压应力，均匀分布的预压应力能明显地提高脆性材料的力学强度。

同时，这一压应力也抑制釉层微裂纹的发生，并阻碍其发展，因而使强度提高；（3分）

（2）当釉层的膨胀系数比坯体大，则在釉层中形成张应力，对强度不利，而且过大的张应力还会使釉层龟裂。

（2分）

12.热传导微观机理及热阻来源

13.固体材料的传热机理

（1）固体的导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现。

（2）对于金属材料，由于有大量的自由电子存在，所以能迅速地实现热量的传递，因此金属一般都具有较大的热导率。

（3）非金属材料，晶格中自由电子极少，所以晶格振动是主要导热机构。

14.格波间相互作用力越强，也就是声子间碰撞机率越大，相应的平均自由程越小，热导率也就越低。

15.玻璃比晶态材料热导率差几个数量级的原因

答：

非晶态材料的热导率非常小，并且随着温度升高，热导率稍有增大，这是因为非晶态为近程有序结构，可以近似地把它看成是晶粒很小的晶体来讨论，因为它的声子平均自由程就近似为一常数，即等于n个晶格常数，而这个数值是晶体中声子平均自由程的下限，所以热导率就小。

这就是玻璃的热导率比晶态材料的热导率差几个数量级的原因。

第九章材料的磁学性能

1.材料磁性的本源是材料内部电子的循轨和自旋运动。

2.抗磁性定义及来源

定义：

材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁性。

来源：

抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩。

3.顺磁性定义及来源

定义：

材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的称为顺磁性。

来源：

顺磁性来源于原子（离子）的固有磁矩。

4.温度对顺磁性的影响

温度对顺磁性的影响很大，可以认为，顺磁物质的磁化是磁场克服原子和分子热运动的干扰，使原子磁矩排向磁场方向的结果。

5.铁磁性的定义及来源

定义：

即使无外加磁场，磁矩也按同一方向整齐排列，这种性质称为铁磁性。

来源：

原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化。

6.自发磁化的定义及来源

定义：

在没有外磁场的情况下，材料所发生的磁化称为自发磁化。

来源：

金属内部的自发磁化是由于电子间的相互作用产生的。

7.铁磁性材料磁化的两个重要特征

8.请从能量角度解释磁畴形成过程

根据交换能最低的原则，铁磁性物质相邻原子未被抵消的自旋磁矩应同向排列，形成了自发磁化。

虽然交换能使铁磁性物质中的磁矩同向排列形成一个磁畴，但同向排列的结果却形成了磁极，因而造成了很大的退磁能。

这就必然要限制自旋磁矩的同向排列。

若晶体分为两个反向磁畴，则可使退磁能大大降低，当形成封闭磁畴时，可使退磁能降为零，于是便出现了上下两个三角形的闭合磁畴。

由于磁各向异性的作用，沿易磁化方向的磁畴较长，不易磁化方向的磁畴较短。

闭合磁畴的出现，一方面使退磁能下降为零，另一方面由于闭合磁畴和基本磁畴的磁化方向不同，引起的磁致伸缩不同，因而产生一定的磁致伸缩能。

这部分能量不仅与磁畴的方向有关，而且和磁畴的尺寸有关，尺寸越大，磁致伸缩所引起的尺寸变化就越不容易相互补偿，磁致伸缩能也就越高。

因此，封闭式磁畴结构需要有较小的磁畴构成，弹性能才可能更低。

但磁畴越小，磁畴壁面积越大，形成磁畴壁需要一定的能量。

当磁畴变小使磁致伸缩能减小的数量和畴壁形成所需要的能量相等时，即达到了能量最小的稳定闭合磁畴组态。

因此，磁畴的形成是受多种能量因素制约的结果。

9.磁滞回线几个参量

饱和磁感应强度Bs，饱磁场强度Hs.

10.软磁材料:

磁滞回线瘦小，具有高导磁与低Hc

硬磁材料：

肥大，具有高Hc、Br（剩余磁感应强度）

11.反铁磁性：

与铁磁性金属相反，某些金属交换积分A<0，使相邻原子间的自旋趋于反向平行排列，原子磁矩相互抵消，不能形成自发磁化区域。

这类物质称为反铁磁性物质。

12.温度对铁磁性参数的影响

第十章材料的电学性能

1.电阻率是材料的本身参数而非电阻。

2.请用能带理论解释金属、绝缘体、半导体导电性差异。

金属导体导电机理：

金属的能带结构允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠，在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流。

绝缘体导电机理：

绝缘体的能带结构一个允带所有的能级都被电子填满，这种能带称为满带。

若一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的余地，即使禁带上面的能带完全是空的，在外电场的作用下电子也很难跳过禁带。

也就是说，电子不能趋向于一个则有方向运动，即不能产生电流。

有这种能带结构的材料是绝缘体。

半导体导电机理：

半导体的能带结构与绝缘体相同，所不同的是禁带比较窄，因而电子跳过禁带不像绝缘体困难。

如果存在外界作用（热、光辐射等），则价带中的电子就有能量可能跃迁到导带中去。

这样，不仅在导带中出现导电电子，而且在价带中出现了电子留下的空穴。

在外电场作用下，价带中的电子可以逆电场方向运动到这些空穴中，而本身又留下新的空穴，电子的迁移