1、
?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～
2、弹性变形定义：
?当外力去除后，能恢复到原形状或尺寸的变形－弹性变形。
?弹性变形的可逆性特点：
?金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物：在弹性变形内，应力－应变间具有单值线性
关系，且弹性变形量都较小。
?橡胶态高分子聚合物：在弹性变形内，应力－应变间不呈线性关系，且变形量较大。
?无论变形量大小和应力－应变是否呈线性关系，凡弹性形变都是可逆变形。
3、弹性比功：（弹性比能、应变比能），用a e 表示，
?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。
4、理想弹性材料：在外载荷作用下，应力-应变服从虎克定律，即σ＝Eε，并同时满足3个条件，即：
?①应变对于应力的响应是线性的；
?②应力和应变同相位；
?③应变是应力的单值函数。
?材料的非理想弹性行为：
?可分为滞弹性、伪弹性及包申格效应等几种类型
5、滞弹性(弹性后效)
?滞弹性：是指材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹
性应变的现象。
6、实际金属材料具有滞弹性。
?1）单向加载弹性滞后环
?在弹性区内单向快速加载、卸载时，加载线与卸载线会不重合（应力和应变不同步），
形成一封闭回线，称为弹性滞后环。
?2）交变加载弹性滞后环
?交变载荷时，若最大应力＜宏观弹性极限，加载速率比较大，则也得到弹性滞后环(图
b)。
?3）交变加载塑性滞后环
?交变载荷时，若最大应力＞宏观弹性极限，则得到塑性滞后环（图c）。
7、材料存在弹性滞后环的现象说明：材料加载时吸收的变形功> 卸载时释放的变形功，有一部分加载变形功被材料所吸收。
?这部分在变形过程中被吸收的功，称为材料的内耗。
?内耗的大小：可用滞后环面积度量。
8、金属材料在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的“内耗”。
?严格说，循环韧性与内耗是有区别的，但有时常混用。
?循环韧性：
?指材料在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。
?内耗：
?指材料在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力
9、循环韧性：也是金属材料的力学性能，因它表示在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力，故又称为消振性。
?材料循环韧性越高，则自身的消振能力就越好。
?高的循环韧性可减振：如汽轮机叶片（1Cr13），机床材料、发动机缸体、底座等选
用灰铸铁制造。
?低循环韧性可提高其灵敏度：如仪表和精密机械、重要的传感元件。
?乐器所用材料的循环韧性越低，则音质越好。
10、伪弹性有些合金如（Au金-Cd镉，In铟-Tl铊等）在受一定应力时会诱发形成马氏体，相应地产生应变，应力去除后马氏体立即逆变为母相，应变回复
11、当材料所受应力超过弹性极限后，开始发生不可逆的永久变形，又称塑性变形。
12、单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。
?正应力：只能引起弹性变形及解理断裂。
?只有在切应力的作用下，金属晶体才能产生塑性变形。
13、金属材料常见的塑性变形方式：滑移和孪生两种。
14、滑移现象：
?表面经抛光的金属单晶体在拉伸时，当应力超过屈服强度时，在表面会出现一些与
应力轴成一定角度的平行细线。
?在显微镜下，此平行细线是一些较大的台阶（滑移带）。
?滑移带：又是由许多小台阶组成，此小台阶称为滑移线
?滑移：指晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对于另一部
分发生滑动的现象。
?滑移面：面间距最大原子最密排晶面。
?滑移方向：原子最密排的方向。
?一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。
15、滑移的同时伴随着晶体的转动
?晶体发生塑变时，常伴随取向改变。
?若无夹头约束，滑移面无转动，拉力轴取向须不断变化。
?若夹头不动，即拉力轴方向不变，晶体须不断发生转动
16、单滑移：对有多组滑移系的晶体，当其与外力轴取向不同时，处于软位向的一组滑
移系首先开动，这便是单滑移。
?多滑移：若两组或几组滑移系处在同等有利的位向，在滑移时，各滑移系同时开动，
或因滑移中晶体的转动使两个或多个滑移系交替滑移称为多滑移。
?交滑移：是指两个或多个滑移面沿同一个滑移方向滑移。
?交滑移实质：是螺位错在不改变滑移方向的情况下，从一个滑移面滑到交线处，转
到另一个滑移面的过程。
?交滑移：表面滑移线是弯曲的折线，而不再是平直的
17、金属晶体在发生滑移时，
?1）单滑移：金属晶体首先发生单滑移，因只有一个滑移系起作用，加工硬化效果很
小。
?2）多滑移：随着晶体发生转动，会使数个滑移系同时处于有利的位向，从而发生多
滑移，这时因不同滑移系间的位错相互交割，加工硬化效果上升。
?3）交滑移：随后又可能转变为交滑移，这时加工硬化效果下降，
?在表面出现曲折或波纹状的滑移带。
18、孪生变形：
?发生切变的部分称孪生带或孪晶，
?均匀切变区与未切变区的分界面称为孪晶界。
?发生均匀切变的那组晶面称为孪晶面；
?孪生面的移动方向称为孪生方向。
19、孪生：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的均匀切变。此切变并未使晶体点阵发生变化，但却使切变区晶体取向与未切变区晶体呈镜面对称。
?孪生是冷塑性变形的另一种重要形式。
?常作为滑移不易进行时的补充。
20、孪生对塑变的直接贡献比滑移小很多，但孪生改变局部晶体位向，使新滑移系开动，间接对塑性变形做贡献；而滑移是直接产生塑性变形。
21、多晶体的塑性变形：
1）相同之处：多晶体金属中，每个晶粒变形规律与单晶体金属大致相似。也以滑移、孪生为基本变形方式。
2）不同之处：因多晶体存在晶界，各晶粒的取向不同，故既需克服晶界的阻碍，又要求各晶粒的变形相互协调与配合，使多晶体的变形更为复杂。
22、晶界的影响
?双晶在室温下拉伸变形后，呈现竹节状。
?即晶界处晶体变形较小，而晶内变形量则大得多，整个晶粒的变形不均匀。
?这表明：晶界强度高于晶内。
?晶界对塑性变形的影响：
?晶体在外力作用下变形，当滑移的位错运动到晶界附近时，受到阻碍而堆积，称位
错塞积。
?要使变形继续进行, 须增加外力, 而使金属变形抗力提高。
23、晶粒大小对塑性变形的影响：
?实验表明：多晶体的强度随其晶粒的细化而增加。
?晶粒越细，单位体积所包含晶界越多，位错障碍越多，需要协调的不同位向的晶粒
越多，使金属塑性变形的抗力越高。
24、多晶体金属的塑性变形过程
?多晶体中滑移系与外力夹角等于或接近于45°的晶粒先发生滑移。当塞积位错前端
的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒。
25、各晶粒的变形不均匀：
?多晶体各晶粒变形不同时性，也反映了各晶粒变形不均匀。
?变形不均匀性：不仅存在于各晶粒间、基体与第二相间，也存在于同一晶粒内部。
?因晶界对滑移的阻碍作用，使得靠近晶界区域的滑移变形量明显小于晶粒中心区域。
?当宏观塑变量还不大时，个别晶粒或晶粒局部塑变量可能已达极限，加上变形不均
匀产生较大内应力，就有可能使这些晶粒中形成裂纹，导致金属材料早期断裂。
?各晶粒变形的相互协调：
?多晶体作为一个整体，不允许各个晶粒任意自由变形，否则将造成晶界开裂，这就
要求各晶粒间能协调变形。
?为此，各晶粒须能同时沿几个滑移系进行滑移（多滑移）。
?一般认为，各晶粒至少应有5个独立滑移系启动，才能确保产生任何方向不受约束
的塑性变形，即其形状才能相应地作各种改变，而不引起晶界开裂。
26、若将低碳钢经少量预变形，去载后立即加载，则暂不出现屈服现象。
?但若预变形后，将试样放置一段时间或稍微加热（200℃）后再加载拉伸，则又出现
屈服现象，且屈服强度会有所提高，这即应变时效现象。
27、应变时效现象的解释
?1）当卸载后，短时间内因位错已经挣脱溶质原子束缚，故继续加载时不会出现屈服
现象。
?2）当卸载后经较长时间或短时加热，溶质原子又会扩散重新聚集到位错线附近，故
继续拉伸，又会出现屈服现象。
可采用预变形的方法解决此问题
28、屈服现象
?金属材料在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使外力不再增加，甚至下降情况下，
而变形继续进行的现象，称为屈服。是材料开始产生塑性变形的一种标志。
?一般认为，在固溶体中溶质或杂质原子造成点阵畸变所产生应力场和位错应力场发
生交互作用，使溶质原子将聚集在位错线附近，形成所谓的柯垂尔（Cottrell）气团。
?因此交互作用，使体系能量处于较低状态；
?只有在较大应力作用下，位错才能脱离溶质原子的钉扎，表现为应力－应变曲线上
的上屈服点；
?当位错继续滑移时，就不需要开始时那么大的应力，表现为应力－应变曲线上的下
屈服点；
?当继续变形时，因应变硬化作用，应力又出现升高的现象。
29、单相固溶体合金：随溶质含量增加，固溶体强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。
?固溶强化原因：
?一般认为，固溶强化是由于多方面的作用引起的，但主要是由于溶质原子与位错相
互作用的结果。
?溶质原子不仅使晶格发生畸变，且易被吸附在位错附近形成柯氏气团。
?它使位错被钉扎住，位错要脱钉，则须增加外力，从而使变形抗力提高
?弥散分布型合金的塑性变形：
?当第二相以弥散分布形式存在时，将产生显著的强化作用。
?沉淀强化：若强化相颗粒是通过过饱和固溶体的时效处理沉淀析出的，就称作沉淀
强化或时效强化。
?弥散强化：若借助粉末冶金或其它方法加入，即弥散强化。
?当第二相在晶内呈颗粒状弥散分布时，颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度
越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化
30、第二相颗粒可分为“可变形的”和“不可变形的”两大类。
?1）弥散强化的颗粒属不可变形的；
?2）沉淀强化的颗粒多属可变形，但当沉淀粒子长大到一定程度后，也会变为不可变
形的。
31、（1）不可变形颗粒的弥散强化作用
?当运动位错与不可变形颗粒相遇时，位错线因受阻挡而发生弯曲；随着应力增加，
弯曲加剧，最终绕颗粒的位错相遇，并留下一个位错环，而位错线将继续前进，此过程需额外做功，且位错环将对后续位错产生进一步阻碍作用，这都将使材料强度的上升。
?（2）可变形颗粒的强化作用：
?当第二相粒子强度较低且与基体共格时，位错将切过，此时强化机制较复杂，有以
下几种可能原因：
?①位错切过颗粒后，产生表面台阶，增加了颗粒与基体间界面，需要相应的能量。
②位错扫过有序结构颗粒，将在滑移面上产生反相畴界，导致有序强化。③因两
相结构存在差异（至少点阵常数不同），因此当位错切过颗粒后，在滑移面上导致原子错配，需要额外作功。④颗粒周围存在弹性应力场与位错交互作用，对位错运动有阻碍作用。
32、应变硬化指数n：反映了材料抵抗继续塑性变形的能力。也是表征材料应变硬化
行为的性能指标。
?应变硬化指数n ：对材料结构、组份与状态变化敏感。
?1）退火态金属的n 值大，冷加工态金属的n 值小。2）随材料强度等级的降低而
n 值增大，与材料的屈服点σs大致成反比。即n σs＝常数。3）随合金中溶质原子含量的增加，而n 值增大。4）随材料晶粒变粗，n 值提高。
33、断裂的类型：
?断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。
?按照不同的分类方法，将断裂分为以下几种：
?1）按宏观塑性变形程度：韧性断裂、脆性断裂。
?2）按裂纹扩展途径：穿晶断裂、沿晶断裂。
?3）按断裂机理分类：纯剪切断裂、微孔聚集型、解理断裂。
?4）按断裂面取向分类：正断；切断。
34、韧性断裂：
?材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂。
?特点：1）断裂有一个缓慢撕裂过程，且消耗大量塑性变形能。
2）断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45°角。
3）断口呈纤维状，灰暗色。
4）典型宏观断口特征呈杯锥状。
35、杯锥状断口：有纤维区、放射区、剪切唇（断口三要素）。
形成过程：光滑圆试样受拉伸力作用达到最大后，在局部产生缩颈；
?试样中心区应力状态由单向变为三向，难于塑性变形；
?导致夹杂物或第二相碎裂、或夹杂物与基体界面脱离而形成微孔。
?微孔不断长大、聚合就形成微裂纹。
?显微裂纹连接，扩展，就形成锯齿形的纤维区。
?纤维区：裂纹扩展速率很慢，当裂纹达到临界尺寸后就快速扩展面形成放射区。?放射区：裂纹快速、低能撕裂形成的，有放射线花样特征。
?放射线平行于裂纹扩展方向，垂直于裂纹前瑞(每一瞬间)的轮廓线，并收敛于裂纹
源。撕裂时塑性变形量越大，则放射线越粗。
?剪切唇：拉伸断裂的最后阶段形成锥杯状的剪切唇。
?剪切唇表面光滑，与拉伸轴呈45°，是典型的切断型断裂。
36、脆性断裂：材料断裂前基本不产生明显宏观塑性变形，无明显预兆，表现为突然发生的快速断裂，故具有很大危险性。
?特点：断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。
?矩形截面板状试样脆性断口可见“人字纹花样”。
37、剪切断裂：
?金属材料在切应力作用下，沿滑移面滑移分离而造成的断裂。
?分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。
?纯剪切断裂：(滑断)完全由滑移流变造成断裂，某些纯金属尤其是单晶体金属可产
生。
?微孔聚集型断裂：（纯剪切断裂另一种形式）
?通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离，是韧性断裂的普遍方式。
?宏观断口：常呈现暗灰色、纤维状，
?微观断口特征：则是断口上分布大量“韧窝”。
38、解理断裂：
?金属材料在一定条件（如低温、高应变速率，或有三向拉应力状态）下，当外加正
应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面（解理面）产生的穿晶断裂。
?解理断裂常见于:体心立方（bcc）和密排六方（hcp)金属中。
?解理面：一般是低指数面或表面能最低的晶面。
?解理断裂过程三阶段：
?（1）塑性变形形成裂纹；（2）裂纹在同一晶粒内初期长大（3）裂纹越过晶界向相
邻晶粒扩展。
39、位错塞积理论
?在滑移面上切应力作用下，刃位错互相靠近，当切应力达到某一临界值时，塞积头
处的位错互相挤紧、聚合而成为高nb、长为r 的楔形裂纹（或空洞形位错）。
?若塞积头处应力集中不能为塑性变形所松弛，则塞积头处最大拉应力σfmax能达到
理论断裂强度σm，而形成裂纹。
位错反应理论
?裂纹成核：位错反应形成不动位错→位错群塞积→产生裂纹
?结果两相交滑移面上的位错群就在该不动位错附近产生塞积。当塞积位错较多时，
产生裂纹nb。
?何垂耳位错反应理论是降低能量过程，故裂纹成核是自动进行的。
?上述位错塞积和位错反应两种解理裂纹形成模型的共同点：
?1）裂纹形核前均需有塑性变形；2）位借运动受阻，在一定条件下便会形成裂纹。
40、解理断口微观端口特征
基本微观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样。
?解理断裂：是沿晶体特定界面发生的脆性穿晶断裂。
?微观断口：由许多大致相当于晶粒大小的解理（刻）面集合而成的。
?解理台阶和河流花样：在解理刻面内部，解理裂纹一般要跨越若干相互平行的且位
于不同高度的解理面，而出现解理台阶和河流花样。河流花样：实际上是解理台阶的一种标志。
41、断裂强度的裂纹理论(格雷菲斯裂纹理论)
实际材料中已存在裂纹，当平均应力还很低时，局部应力集中可达到很高值σm，从而使裂纹快速扩展并导致脆断。
?能量平衡原理指出：由于存在裂纹，系统弹性能降低，势必与因存在裂纹而增加的
表面能相平衡。若弹性能降低足以满足表面能增加之需要时，裂纹就会失稳扩展，引起脆性破坏。
脆断判据-1：σc-为有裂纹体的断裂强度，当外加应力σ＝σc 时，裂纹就失稳扩展。脆断判据-2：当外加应力不变，裂纹在服役时不断扩展长大，则当裂纹长到临界尺寸（a ＝ac）时，就失稳扩展。
42、高温下金属力学行为的重要特点就是产生蠕变。
?所谓蠕变：指金属在长时间恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。
?由于蠕变而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂。
?蠕变过程：（1）减速蠕变阶段（又称过渡蠕变阶段）这一阶段开始的蠕变速率很大，
随着时间延长蠕变速率逐渐减小，到b点蠕变速率达到最小值。
?（2）恒速蠕变（又称稳态蠕变）阶段这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变。
?（3）加速蠕变阶段在此阶段随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，至d 点产生蠕
变断裂。
43、蠕变变形机理
?金属蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散等机理进行的，且随温度及应力的变
化而有所不同。
?(一)位错滑移蠕变
?在蠕变过程中，位错滑移仍然是一种重要的变形机理。在常温下，若滑移面上位错
运动受阻产生塞积，滑移便不能继续进行。需更大切应力作用才能使位错重新运动和增殖。在高温下，位错可惜助外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些短程障碍，从而使变形不断产生。
?(二)扩散蠕变
?扩散蠕变：是在较高温度(约比温度(T／Tm)远超过0.5)下的一种蠕变变形机理。它
是在高温下大量原子和空位定向移动造成的。
44、蠕变断裂机理
?金属材料在长时高温载荷作用下的断裂，大多为沿晶断裂。
?一般认为，这是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展而引起的。
?在不同的应力与温度条件下，晶界裂纹的形成方式有两种：
?（1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹
?在高应力和较低温度下，因晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，
空洞相互连接便形成楔形裂纹。
?（2）在晶界上由空洞形成晶界裂纹
?这是在较低应力和较高温度下产生的裂纹。这种裂纹出现在晶界上的突起部位和细
小的第二相质点附近，由于晶界滑动而产生空洞。
?45、蠕变断裂断口的宏观特征为：
?（1）在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，使断裂机件表面出现
龟裂现象。（2）由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。（3）蠕变断裂微观特征：为冰糖状花样的沿晶断裂形貌。
46、影响金属高温力学性能的主要因素:
?由蠕变变形和断裂机理可知：
?（1）要提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速率；
?（2）要提高持久强度极限，必须控制晶界的滑动。
?这就是说：要提高金属材料的高温力学性能，应控制晶内和晶界的原子扩散过程。
?（一）合金化学成分的影响
?位错越过障碍所需的激活能（蠕变激活能）越高的金属，越难产生蠕变变形。
?金属材料层错能越低，越易产生扩展位错，使位错难以产生割阶、交滑移及攀移，
这都有利于降低蠕变速率。
?（二）冶炼工艺的影响
?因为钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度极限降低。
（三）热处理工艺的影响
?采用形变热处理改变晶界形状（形成锯齿状），并在晶内形成多边化的亚晶界，则可
使合金进一步强化。
?（四）晶粒度的影响
?晶粒大小对金属材料高温力学性能的影响很大。
?（1）使用温度< 等强温度TE 时，细晶粒钢有较高的强度。
?（2）使用温度> 等强温度TE 时，粗晶粒钢有较高的蠕变极限和持久强度极限。
但晶粒太大会降低高温下的塑韧性。
?晶粒度不均匀，会显著降低其高温性能，因为在大小晶粒交界处易产生应力集中而
形成裂纹。
1. 影响弹性模量的因素包括:原子结构、温度、相变。 2. 随有温度升高弹性模量不一定会下降。如低碳钢温度一直升到铁素体转变为 奥氏体相变点，弹性模量单调下降，但超过相变点，弹性校模量会突然上升，然后又呈单调下降趋势。这是在由于在相变点因为相变的发生，膨胀系数急剧减小，使得弹性模量突然降低所致。 3. 不同材料的弹性模量差别很大，主要是因为材料具有不同的结合键和键能。 4. 弹性系数Ks 的大小实质上代表了对原子间弹性位移的抵抗力，即原子结合 力。对于一定的材料它是个常数。 弹性系数Ks 和弹性模量E 之间的关系:它们都代表原子之间的结合力。因为建立的模型不同，没有定量关系。（☆） 5. 材料的断裂强度：a E th /γσ= 材料断裂强度的粗略估计：10/E th =σ 6. 杜隆-珀替定律局限性:不能说明低温下，热容随温度的降低而减小，在接近 绝对零度时，热容按T 的三次方趋近与零的试验结果。 7. 德拜温度意义: ① 原子热振动的特征在两个温度区域存在着本质差别，就是由德拜温 度θD 来划分这两个温度区域: 在低θD 的温度区间，电阻率与温度的5次方成正比。 在高于θD 的温度区间，电阻率与温度成正比。 ② 德拜温度------晶体具有的固定特征值。 ③ 德拜理论表明:当把热容视为(T/θD )的两数时，对所有的物质都具有 相同的关系曲线。德拜温度表征了热容对温度的依赖性。本质上， 徳拜温度反应物质内部原子间结合力的物理量。 8. 固体材料热膨胀机理： （1） 固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升 高而增大。 （2） 晶体中各种热缺陷的形成造成局部点阵的畸变和膨胀。随着温度升 高，热缺陷浓度呈指数增加，这方面影响较重要。 9. 导热系数与导温系数的含义: 材料最终稳定的温度梯度分布取决于热导率，热导率越高，温度梯度越小;而趋向于稳定的速度,则取决于热扩散率,热扩散率越高，趋向于稳定的速度越快。 即:热导率大，稳定后的温度梯度小，热扩散率大，更快的达到“稳定后的温度梯度”（☆） 10. 热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，故又称为抗热震 性。 热稳定性破坏(即抗热振性)的类型有两种：抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性。 11. 提高材料抗热冲击断裂性能的措施 ①提高材料强度σ，减小弹性模量E ，σ/E 增大，即提高了材料柔韧性，这样可吸收较多的应变能而不致于开裂。晶粒较细，晶界缺陷小，气孔少且分散者，强度较高，抗热冲击断裂性较好。
这有答案，大家尽量出有答案的题材料物理性能 习题与解答 吴其胜 盐城工学院材料工程学院 2007，3
目录 1 材料的力学性能 (2) 2 材料的热学性能 (12) 3 材料的光学性能 (17) 4 材料的电导性能 (20) 5 材料的磁学性能 (29) 6 材料的功能转换性能 (37)
1材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解：根据题意可得下表 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-2一试样长40cm,宽10cm,厚1cm ，受到应力为1000N 拉力，其杨氏模量为3.5×109 N/m 2，能伸长多少厘米? 解： 拉伸前后圆杆相关参数表 ) (0114.010 5.310101401000940000cm E A l F l E l l =?????=??= ?=?=?-σ ε0816.04.25 .2ln ln ln 2 2 001====A A l l T ε真应变) (91710 909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .0100=-=?=A A l l ε名义应变) (99510 524.44500 6 MPa A F T =?= = -σ真应力
1-3一材料在室温时的杨氏模量为3.5×108 N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。 解：根据 可知： 1-4试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。 证： 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： )21(3)1(2μμ-=+=B G E ) (130)(103.1)35.01(210 5.3) 1(28 8 MPa Pa E G ≈?=+?= += μ剪切模量) (390)(109.3) 7.01(310 5.3) 21(38 8 MPa Pa E B ≈?=-?= -=μ体积模量. ,. ,112 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 S W VS d V ld A Fdl W W S W V Fdl V l dl A F d S l l l l l l ∝=== = ∝= = = =??? ? ? ?亦即做功或者：亦即面积εε εε εε εσεσεσ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量 ) (1.323)84 05.038095.0()(11 2211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 ). 1()()(0)0() 1)(()1()(1 //0 ----= = ∞=-∞=-= e e e E t t t στεσεεεσετ τ ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为
1、 ?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～ 2、弹性变形定义： ?当外力去除后，能恢复到原形状或尺寸的变形－弹性变形。 ?弹性变形的可逆性特点： ?金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物：在弹性变形内，应力－应变间具有单值线性 关系，且弹性变形量都较小。 ?橡胶态高分子聚合物：在弹性变形内，应力－应变间不呈线性关系，且变形量较大。 ?无论变形量大小和应力－应变是否呈线性关系，凡弹性形变都是可逆变形。 3、弹性比功：（弹性比能、应变比能），用a e 表示， ?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。 4、理想弹性材料：在外载荷作用下，应力-应变服从虎克定律，即σ＝Eε，并同时满足3个条件，即： ?①应变对于应力的响应是线性的； ?②应力和应变同相位； ?③应变是应力的单值函数。
?材料的非理想弹性行为： ?可分为滞弹性、伪弹性及包申格效应等几种类型 5、滞弹性(弹性后效) ?滞弹性：是指材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹 性应变的现象。 6、实际金属材料具有滞弹性。 ?1）单向加载弹性滞后环 ?在弹性区内单向快速加载、卸载时，加载线与卸载线会不重合（应力和应变不同步）， 形成一封闭回线，称为弹性滞后环。 ?2）交变加载弹性滞后环 ?交变载荷时，若最大应力＜宏观弹性极限，加载速率比较大，则也得到弹性滞后环(图 b)。 ?3）交变加载塑性滞后环 ?交变载荷时，若最大应力＞宏观弹性极限，则得到塑性滞后环（图c）。 7、材料存在弹性滞后环的现象说明：材料加载时吸收的变形功> 卸载时释放的变形功，有一部分加载变形功被材料所吸收。 ?这部分在变形过程中被吸收的功，称为材料的内耗。 ?内耗的大小：可用滞后环面积度量。 8、金属材料在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的“内耗”。 ?严格说，循环韧性与内耗是有区别的，但有时常混用。 ?循环韧性： ?指材料在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。 ?内耗： ?指材料在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力 9、循环韧性：也是金属材料的力学性能，因它表示在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力，故又称为消振性。 ?材料循环韧性越高，则自身的消振能力就越好。 ?高的循环韧性可减振：如汽轮机叶片（1Cr13），机床材料、发动机缸体、底座等选 用灰铸铁制造。 ?低循环韧性可提高其灵敏度：如仪表和精密机械、重要的传感元件。 ?乐器所用材料的循环韧性越低，则音质越好。 10、伪弹性有些合金如（Au金-Cd镉，In铟-Tl铊等）在受一定应力时会诱发形成马氏体，相应地产生应变，应力去除后马氏体立即逆变为母相，应变回复 11、当材料所受应力超过弹性极限后，开始发生不可逆的永久变形，又称塑性变形。 12、单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。 ?正应力：只能引起弹性变形及解理断裂。 ?只有在切应力的作用下，金属晶体才能产生塑性变形。 13、金属材料常见的塑性变形方式：滑移和孪生两种。 14、滑移现象： ?表面经抛光的金属单晶体在拉伸时，当应力超过屈服强度时，在表面会出现一些与 应力轴成一定角度的平行细线。 ?在显微镜下，此平行细线是一些较大的台阶（滑移带）。 ?滑移带：又是由许多小台阶组成，此小台阶称为滑移线
无机材料物理性能试题及答案
无机材料物理性能试题及答案 一、填空题（每题2分，共36分） 1、电子电导时，载流子的主要散射机构有中性杂质的散射、位错散射、电离杂质的散射、晶格振动的散射。 2、无机材料的热容与材料结构的关系不大，CaO和SiO2的混合物与CaSiO3 的 热容-温度曲线基本一致。 3、离子晶体中的电导主要为离子电导。可以分为两类：固有离子电导（本征 电导）和杂质电导。在高温下本征电导特别显著，在低温下杂质电导最为显著。 4、固体材料质点间结合力越强，热膨胀系数越小。 5、电流吸收现象主要发生在离子电导为主的陶瓷材料中。电子电导为主的陶瓷材料，因 电子迁移率很高，所以不存在空间电荷和吸收电流现象。 6、导电材料中载流子是离子、电子和空位。 7. 电子电导具有霍尔效应，离子电导具有电解效应，从而可以通过这两种效应检查材料 中载流子的类型。 8. 非晶体的导热率（不考虑光子导热的贡献）在所有温度下都比晶体的 小。在高温下，二者的导热率比较接近。 9. 固体材料的热膨胀的本质为：点阵结构中的质点间平均距离随着温度升高而增 大。 10. 电导率的一般表达式为 ∑ = ∑ = i i i i i q nμ σ σ 。其各参数n i、q i和μi的含义分别 是载流子的浓度、载流子的电荷量、载流子的迁移率。 11. 晶体结构愈复杂，晶格振动的非线性程度愈大。格波受到的 散射大，因此声子的平均自由程小，热导率低。 12、波矢和频率之间的关系为色散关系。 13、对于热射线高度透明的材料，它们的光子传导效应较大，但是在有微小气孔存在时，由于气孔与固体间折射率有很大的差异，使这些微气孔形成了散射中心，导致透明度强烈降低。 14、大多数烧结陶瓷材料的光子传导率要比单晶和玻璃小1～3数量级，其原因是前者有微量的气孔存在，从而显著地降低射线的传播，导致光子自由程显著减小。 15、当光照射到光滑材料表面时，发生镜面反射；当光照射到粗糙的材料表面时，发生漫反射。 16、作为乳浊剂必须满足：具有与基体显著不同的折射率，能够形成小颗粒。 用高反射率，厚釉层和高的散射系数，可以得到良好的乳浊效果。 17、材料的折射随着入射光的频率的减少（或波长的增加）而减少的性质，称为折射率的色散。
材料物理性能习题与解答
目录 1 材料的力学性能 (2) 2 材料的热学性能 (12) 3 材料的光学性能 (17) 4 材料的电导性能 (20) 5 材料的磁学性能 (29) 6 材料的功能转换性能 (37)
1材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解：根据题意可得下表 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-2一试样长40cm,宽10cm,厚1cm，受到应力为1000N拉力，其氏模量为3.5×109 N/m2，能伸长多少厘米? 解： 拉伸前后圆杆相关参数表 ) ( 0114 .0 10 5.3 10 10 1 40 1000 9 4 0cm E A l F l E l l= ? ? ? ? ? = ? ? = ? = ? = ? - σ ε 10 909 .4 0? 0851 .0 1 = - = ? = A A l l ε 名义应变
1-3一材料在室温时的氏模量为3.5×108 N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。 解：根据 可知： 1-4试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。 证： 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： Voigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： )21(3)1(2μμ-=+=B G E ) (130)(103.1)35.01(2105.3)1(288MPa Pa E G ≈?=+?=+=μ剪切模量) (390)(109.3) 7.01(3105.3)21(388 MPa Pa E B ≈?=-?=-=μ体积模量. ,.,1 1 2 1 212 12 1 2 1 21 S W VS d V ld A Fdl W W S W V Fdl V l dl A F d S l l l l l l ∝====∝= ===???? ? ?亦即做功或者： 亦即面积εεεεεεεσεσεσ)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量). 1()()(0)0() 1)(()1()(10 //0 ----= = ∞=-∞=-=e e e E t t t στεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为
第一章电学性能 1.1 材料的导电性 ，ρ称为电阻率或比电阻，只与材料特性有关，而与导体的几何尺寸无关，是评定材料导电性的基本参数。ρ的倒数σ称为电导率。 一、金属导电理论 1、经典自由电子理论 在金属晶体中，正离子构成了晶体点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，称为自由电子，它们弥散分布于整个点阵之中，就像气体分子充满整个容器一样，因此又称为“电子气”。它们的运动遵循理想气体的运动规律，自由电子之间及它们与正离子之间的相互作用类似于机械碰撞。当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作定向加速运动，从而形成了电流。在自由电子定向运动过程中，要不断与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的原因。 2、量子自由电子理论 金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，可以在整个金属中自由运动。但金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。 0K时电子所具有最高能态称为费密能E F。 不是所有的自由电子都参与导电，只有处于高能态的自由电子才参与导电。另外，电子波在传播的过程中被离子点阵散射，然后相互干涉而形成电阻。 马基申定则：′，总的电阻包括金属的基本电阻和溶质（杂质）浓度引起的电阻（与温度无关）；从马基申定则可以看出，在高温时金属的电阻基本取决于，而在低温时则决定于残余电阻′。 3、能带理论 能带：由于电子能级间隙很小，所以能级的分布可看成是准连续的，称为能带。 图1-1(a)、(b)、(c)，如果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，具有这种能带结构的材料就是导体。 图1-1(d)，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，即便是禁带上面的能带完全是空的，在外电场作用下电子也很难跳过禁带，具有这种能带结构的材料是绝缘体。
名词解释 1.应变：用来描述物体内部各质点之间的相对位移。 2.弹性模量：表征材料抵抗变形的能力。 3.剪切应变：物体内部一体积元上的二个面元之间的夹角变化。 4.滑移：晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动，就叫滑移. 5.屈服应力：当外力超过物理弹性极限，达到某一点后，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此点为屈服点，达到屈服点的应力叫屈服应力。 6.塑性：使固体产生变形的力，在超过该固体的屈服应力后，出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸，即非可逆性。 7.塑性形变：在超过材料的屈服应力作用下，产生变形，外力移去后不能恢复的形变。 8.粘弹性：一些非晶体和多晶体在比较小的应力时,可以同时变现出弹性和粘性，称为粘弹性. 9.滞弹性：弹性行为与时间有关，表征材料的形变在应力移去后能够恢复但不能立即恢复的能力。 10.弛豫:施加恒定应变，则应力将随时间而减小，弹性模量也随时间而降低。 11.蠕变——当对粘弹性体施加恒定应力，其应变随时间而增加，弹性模量也随时间而减小。 12.应力场强度因子：反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为应力强度因子。它和裂纹尺寸、构件几何特征以及载荷有关。 13.断裂韧性：反映材料抗断性能的参数。 14.冲击韧性：指材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 15.亚临界裂纹扩展：在低于材料断裂韧性的外加应力场强度作用下所发生的裂纹缓慢扩展称为亚临界裂纹扩展。 16.裂纹偏转增韧：在扩展裂纹剪短应力场中的增强体会导致裂纹发生偏转，从而干扰应力场，导致机体的应力强度降低，起到阻碍裂纹扩展的作用。 17.弥散增韧：在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料达到增韧的效果，称为弥散增韧。 18.相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成份在不同温度的相变，从而达到增韧的效果，称为相变增韧。 19.热容：分子热运动的能量随着温度而变化的一个物理量，定义为物体温度升高1K所需要的能量。 20.比热容：将1g质量的物体温度升高1K所需要增加的热量，简称比热。 21.热膨胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。 热传导：当固体材料一端的温度笔另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端。22.热导率：在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率。 23.热稳定性:指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，又称为抗热震性。 24.抗热冲击断裂性：材料抵抗温度急剧变化时瞬时断裂的性能。 25.抗热冲击损伤性：材料抵抗热冲击循环作用下缓慢破坏的性能。 26.热应力：材料热膨胀或收缩引起的内应力。 27.声频支振动：振动的质点中包含频率甚低的格波时，质点彼此间的位相差不
1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量 ) (1.323)84 05.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 ). 1()()(0)0() 1)(()1()(1 //0 ----= = ∞=-∞=-=e E E e e E t t t στεσεεεσετ τ ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为1.0 1.0 0816.04.25 .2ln ln ln 2 2 001====A A l l T ε真应变)(91710 909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .0100 =-=?=A A l l ε名义应变)(99510 524.445006MPa A F T =?==-σ真应力
材料物理性能复习思考题汇总 第一章绪论及材料力学性能 一．名词解释与比较 名义应力:材料受力前面积为A,则δ。=F/A,称为名义应力 工程应力：材料受力后面积为A。，则δT =F/A。，称为工程应力 拉伸应变：材料受到垂直于截面积方向大小相等，方向相反并作用在同一条直线上的两个拉伸应力时发生的形变。 剪切应变：材料受到平行于截面积大小相等，方向相反的两个剪切应力时发生的形变。 结构材料：以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料 功能材料：具有除力学性能以外的其他物理性能的材料。 晶须：无缺陷的单晶材料 弹性模量：材料发生单位应变时的应力 刚性模量：反映材料抵抗切应变的能力 泊松比：反映材料横向正应变与受力方向线应变的比值。（横向收缩率与轴向收缩率的比值） 形状因子：塑性变形过程中与变形体尺寸，工模具尺寸及变形量相关参数。 平面应变断裂韧性：一个考虑了裂纹尺寸并表征材料特征的常数 弹性蠕变：对于金属这样的实际弹性体，当对它施加一定的应力时，它除了产生一个瞬时应变以外，还会产生一个随时间而变化的附加应变（或称为弛豫应变），这一现象称为弹性蠕变。 蠕变：在恒定的应力δ作用下材料的应变随时间增加而逐渐增大的现象 材料的疲劳：裂纹在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展。 应力腐蚀理论：在一定环境温度和应力场强度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处，裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较，构成裂纹开裂和止裂的条件。 滑移系统：滑移面族和滑移方向为滑移系统 相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变，从而增韧的效果，统称相变增韧 弥散强化：在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料，达到增韧效果，这称为弥散增韧 屈服强度：屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力 法向应力：导致材料伸长或缩短的应力 切向应力：引起材料切向畸变的应力 应力集中：受力构件由于外界因素或自身因素导致几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象。
材料无机材料物理性能考试及答案
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无机材料物理性能试卷 一．填空（１×２０＝２０分） 1．CsCl结构中，Ｃs+与Cl-分别构成＿＿＿＿格子。 ２．影响黏度的因素有＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿. ３.影响蠕变的因素有温度、＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿. ４．在＿＿＿＿、＿＿＿＿的情况下，室温时绝缘体转化为半导体。 ５．一般材料的＿＿＿＿远大于＿＿＿＿。 ６．裂纹尖端出高度的＿＿＿＿导致了较大的裂纹扩展力。 ７．多组分玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿。 ８．介电常数显著变化是在＿＿＿＿处。 ９．裂纹有三种扩展方式：＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿。 １０．电子电导的特征是具有＿＿＿＿。 二.名词解释（4×4分=16分） 1.电解效应 2.热膨胀 3.塑性形变 4.磁畴 三.问答题（3×8分=24分） 1.简述晶体的结合类型和主要特征： 2.什么叫晶体的热缺陷？有几种类型？写出其浓度表达式?晶体中离子电导分为哪几类？ 3.无机材料的蠕变曲线分为哪几个阶段，分析各阶段的特点。 4.下图为氧化铝单晶的热导率与温度的关系图，试解释图像先增后减的原因。 四，计算题（共20分） 1.求熔融石英的结合强度，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。（10分） 2.康宁1273玻璃(硅酸铝玻璃)具有下列性能参数： =0.021J/(cm ·s ·℃)；a=4.6×10-6℃-1；σp=7.0kg/mm2，
第一章 材料的热学性能 1.热容的概念(P42)：热容是分子或原子热运动的能量随温度变化而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K 所需增加的能量。温度不同，物体的热容不一定相同，温度T 时物体热容为：)/()(K J T Q C T T ??=（简单点就直接用这个吧：T Q C ??=） PS ：物理意义：吸收热量提高点阵振动能量，对外做功，加剧电子运动 比热容（单位质量）：T m Q C ???= 2.晶体热容的经验定律(P42)： 杜隆—珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/(K ·mol) 奈曼—柯普定律：化合物热容等于构成此化合物各元素原子热容之和 3.从材料结构比较金属、无机非金属、高聚物的热容大小(P46)： A 金属：a 纯金属：热容由点阵振动和自由电子运动两部分组成： T T C C C e V L V V γα+=+=3 b 合金金属：符合奈曼—柯普定律∑==+++=n i im i nm n m m m C x C x C x C x C 12121Λ B 无机非金属：a 符合热容理论，一般都是从低温时的一个低数值增加到1273K 左右近似于 25J/(K ·mol)的数值；b 无机材料热容与材料结构关系不大，但单位体积热容与气孔率有关，多孔质轻热容小；c 当材料发生相变：一级相变：体积突变，有相变潜热，温度Tc 热容无穷大，不连续变化；二级相变：无体积突变，无相变潜热，在转变点热容达到有限极大值(P47 C 高聚物：多为部分结晶或无定型结构，热容不一定符合理论式，热容相对较大，且由化学结构决定，温度升高链段振动加剧，改变链运动状态（主链、支链（链节、侧基））。 4.从材料结构比较金属、无机非金属、高聚物的热传导机制(P53)： A 金属：有大量自由电子，且电子质轻，实现热量迅速传递，热导率一般较大。纯金属温度升高使自由程减小作用超过温度直接作用，热导率随温度上升而下降；合金热传导以自由电子和声子为主，因异类原子存在，温度本身起主导作用，热导率随温度上升增大。 B 无机非金属：晶格振动为主要传导机制，即声子热导为主，约为金属热传导的三十分之一。 C 高聚物：热导率与温度关系比较复杂，但总体来说热导率随温度的增加而增加。高聚物主要依靠链段运动传热为主，而高分子链段运动比较困难，热导能力比较差。 5.材料热膨胀物理本质：热膨胀是指物体体积或长度随温度升高而增大的现象。膨胀是原子间距（晶格结点原子振动的平衡位置间的距离）增大的结果，温度升高，原子平衡位置移动，原子间距增大，导致膨胀。双原子模型：P49 图2- 6. 图2-5 热焓、热容与加热温度的关系)。
无机材料物理性能考试试题及答案 一、填空（18） 1. 声子的准粒子性表现在声子的动量不确定、系统中声子的数目不守恒。 2. 在外加电场E的作用下，一个具有电偶极矩为p的点电偶极子的位能U=-p·E，该式表明当电偶极矩的取向与外电场同向时，能量为最低而反向时能量为最高。 3. TC为正的温度补偿材料具有敞旷结构，并且内部结构单位能发生较大的转动。 4. 钙钛矿型结构由 5 个简立方格子套购而成，它们分别是1个Ti 、1个Ca 和3个氧简立方格子 5. 弹性系数ks的大小实质上反映了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。 6. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 7. 制备微晶、高密度与高纯度材料的依据是材料脆性断裂的影响因素有晶粒尺寸、气孔率、杂质等。 8. 粒子强化材料的机理在于粒子可以防止基体内的位错运动，或通过粒子的塑性形变而吸收一部分能量，达从而到强化的目的。 9. 复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 10.裂纹有三种扩展方式：张开型、滑开型、撕开型 11. 格波：晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或某一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形成的波 二、名词解释(12) 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性能等。 电子的共有化运动：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子的某一电子壳层转移到相邻原子的相似壳层上去，因而电子可以在整个晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。 平衡载流子和非平衡载流子：在一定温度下，半导体中由于热激发产生的载流子成为平衡载流子。由于施加外界条件(外加电压、光照)，人为地增加载流子数目，比热平衡载流子数目多的载流子称为非平衡载流子。 三、简答题（13） 1. 玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？ 答：正是因为非长程有序，许多原子并不在势能曲线低谷；在高温下，有一些原子键比较弱，只需较小的应力就能使这些原子间的键断裂；原子跃迁附近的空隙位置，引起原子位移和重排。不需初始的屈服应力就能变形-----粘性流动。因此玻璃在高温时能变形。 2. 有关介质损耗描述的方法有哪些？其本质是否一致？ 答：损耗角正切、损耗因子、损耗角正切倒数、损耗功率、等效电导率、复介电常数的复项。多种方法对材料来说都涉及同一现象。即实际电介质的电流位相滞后理想电介质的电流位相。因此它们的本质是一致的。 3. 简述提高陶瓷材料抗热冲击断裂性能的措施。 答：(1) 提高材料的强度 f，减小弹性模量E。(2) 提高材料的热导率c。(3) 减小材料的热膨胀系数a。(4) 减小表面热传递系数h。(5) 减小产品的有效厚度rm。
《材料物理性能》 第一章材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2) 可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和 0816 .04.25.2ln ln ln 22 001====A A l l T ε真应变) (91710909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .010 0=-=?=A A l l ε名义应变) (99510524.445006MPa A F T =?== -σ真应力) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量
期末复习题参考答案 一、填空 1.一长30cm的圆杆，直径4mm，承受5000N的轴向拉力。如直径拉成3.8 mm，且体积保持不变，在此拉力下名义应力值为，名义应变值为。 2.克劳修斯—莫索蒂方程建立了宏观量介电常数与微观量极化率之间的关系。 3．固体材料的热膨胀本质是点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。 4．格波间相互作用力愈强，也就是声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低。 5．电介质材料中的压电性、铁电性与热释电性是由于相应压电体、铁电体和热释电体都是不具有对称中心的晶体。 6．复介电常数由实部和虚部这两部分组成，实部与通常应用的介电常数一致，虚部表示了电介质中能量损耗的大小。 7．无机非金属材料中的载流子主要是电子和离子。 8．广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。 ?（1-m）2x。9．设某一玻璃的光反射损失为m，如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为 I 10．对于中心穿透裂纹的大而薄的板，其几何形状因子Y= 。 11．设电介质中带电质点的电荷量q，在电场作用下极化后，正电荷与负电荷的位移矢量为l，则此偶极矩为 ql 。 12．裂纹扩展的动力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。 13.Griffith微裂纹理论认为，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果。14．考虑散热的影响，材料允许承受的最大温度差可用第二热应力因子表示。 15．当温度不太高时，固体材料中的热导形式主要是声子热导。 16．在应力分量的表示方法中，应力分量σ,τ的下标第一个字母表示方向，第二个字母表示应力作用的方向。 17．电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。 18．原子磁矩的来源是电子的轨道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁矩。而物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。 19. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 20.复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 21.晶体发生塑性变形的方式主要有滑移和孪生。 22.铁电体是具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。 23.自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用。 二、名词解释 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性 能等。 滞弹性：当应力作用于实际固体时，固体形变的产生与消除需要一定的时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。 格波：处于格点上的原子的热振动可描述成类似于机械波传播的结果，这种波称为格波，格波的一个
晶格热振动：固体材料由晶体或非晶体组成，点阵中的质点并不是静止不动的，而是围绕其平衡位置做微小振动。声频支振动：振动着的质点中频率甚低的格波，质点质点之间的相位差不大。光频支振动与之相反。热容：在没有相变和化学反应的条件下，材料温度升高1K时所吸收的热量。金属材料热容的影响因素：自由电子的影响，一般可忽略，低温热容缓慢下降，高温热容超过3R继续上升，合金成分对热容的影响。组织转变对热容的影响：一级相变和二级相变一级相变在相变点发生突变，二级，也剧烈变化但有限值，亚稳态组织转变，从亚稳态转变为稳态时要放出热量。热容的测量方法：量热计法，撒克司法，史密斯法和脉冲法。热分析法：差热分析，差示扫描量热法，热重法。热分析的应用：建立合金相图，热弹性马氏体相变研究，合金的有序无须转变研究，液相转变的研究。影响热膨胀性能的因素：键强，晶体结构，非等轴晶系的晶体，相变，化学成分。热膨胀系数的测量：机械杠杆式膨胀仪，光杠杆膨胀仪，电感式膨胀仪。热膨胀分析的应用：确定钢的组织转变点（切线法、极值法）研究加热转变。热导率：单位时间内通过单位截面面积的热量。热导率的测量：稳态法，非稳态法。材料的热冲击损坏类型：抗热冲击断裂性，抗热冲击损伤性。热应力：材料的热胀冷缩引起的内应力。提高抗热冲击断裂性能的措施：提高材料的强度减小弹性模量，提高材料的热导率，减小材料的热膨胀系数，减小表面散热系数，减小产品的有效厚度。载流子：材料中参与传导电流的带电粒子。费米球：在0K下自由电子在速度空间中分布形成一个中心对成球。掺杂半导体（n、p型）n型，所有结合键被价电子填满后仍有富裕的价电子，p型，价电子都成键后仍有些结合键上缺少价电子出现空穴。掺杂能级：掺入的异价原子使得局部结合键情况发生变化，导致半导体中出现附加能及。光致电导：半导体材料受到适当波长的电磁波辐射时，导电性会大幅度升高的现象。陶瓷材料的导电性：按用途分电子导电、离子导电，半导体、绝缘体。超导体：零电阻、完全抗磁，条件，温度条件、磁场条件、电流条件。磁化强度M：单位体积磁性材料内原子磁矩m的矢量总和。磁极化强度J：单位体积中磁偶极子矢量总和。材料按磁性分为：抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性。磁致伸缩：铁磁体的长度或体积发生变化的现象。退磁场：在铁磁性材料内部，附加磁场方向和外加磁场方向相反。磁畴（三角畴、片状畴）矫顽力：畴壁越过最大的阻力峰所需要的磁场就相当于材料的矫顽力。剩余磁化强度：铁磁体磁化到饱和并去掉外磁场后，在磁化方向保留的Mr（剩余磁化强度）或Br（剩余磁感应强度）称为剩磁（用获得晶体结构或磁结构的办法来提高剩磁）磁滞损耗：铁磁性材料反复磁化一周，由于磁滞现象所造成的损耗（减小摩擦生热、或形成磁有序）。涡流损耗：感应电流所引起的损耗（做成薄片，提高电阻率）。剩余损耗：总损耗减去所剩下的损耗（控制杂质的量）。磁后效（约旦后效、李希特后效）交流（动态）磁性测量：伏安法、电桥法。OMR-正常磁电阻：传导电子受到磁场的洛伦兹力作用做回旋运动，使其有效的平均自由程减小所致。AMR-各向异性磁电阻效应：铁磁性的过渡金属、合金中，外加磁场方向平行于电流方向时的电阻率和外加磁场方向垂直电流方向时的电阻率不同。GMR-巨磁电阻效应：磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较无外磁场作用时纯在显著变化的现象。光的本（横波、具有偏振性）质：波粒二象性。光和固相作用的本质：电子极化、电子能态转变。影响折射率的因素：元素离子半径，电子结构，材料的结构、晶型、晶态。同质异构体，外界因素。半导体材料中的光吸收：激子吸收（能产生激子的光的吸收）、本征吸收（电子在带与带之间的跃迁所形成的吸收）发光寿命：发光体在激发停止之后
第一章 一、基本概念 1．塑性形变及其形式：塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。晶体中的塑性形变有两种基本方式：滑移和孪晶。 2．蠕变：当对粘弹性体施加恒定压力σ0时，其应变随时间而增加，这种现象叫做蠕变。弛豫：当对粘弹性体施加恒定应变ε0时，其应力将随时间而减小，这种现象叫弛豫。 3．粘弹性：一些非晶体，有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性，称为粘弹性，所有聚合物差不多都表现出这种粘弹性。 4．滞弹性：对于理想的弹性固体，作用应力会立即引起弹性应变，一旦应力消除，应变也随之消除，但对于实际固体这种弹性应变的产生与消除需要有限时间，无机固体和金属这种与时间有关的弹性称为滞弹性。 二、基本理论 1．金属材料和无机非金属材料的塑性变形机理：○1产生滑移机会的多少取决于晶体中的滑移系统数量。○2对于金属，金属键没有方向性，滑移系统多，所以易于滑移而产生塑性形变。对于无机非材料，离子键和共价键有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作用条件。晶体结构越复杂，满足这种条件就越困难，所以不易产生滑移。○3滑移反映出来的宏观上的塑性形变是位错运动的结果，无机材料不易形成位错，位错运动也很困难，也就难以产生塑性形变，材料易脆断。 金属与非金属晶体滑移难易的对比 金属非金属 由一种离子组成组成复杂 金属键物方向性共价键或离子键有方向性 结果简单结构复杂 滑移系统多滑移系统少 2．无机材料高温蠕变的三个理论 ○1高温蠕变的位错运动理论：无机材料中晶相的位错在低温下受到障碍难以发生运动，在高温下原子热运动加剧，可以使位错从障碍中解放出来，引起蠕变。当温度增加时，位错运动加快，除位错运动产生滑移外，位错攀移也能产生宏观上的形变。热运动有助于使位错从障碍中解放出来，并使位错运动加速。当受阻碍较小时，容易运动的位错解放出来完成蠕变后，蠕变速率就会降低，这就解释了蠕变减速阶段的特点。如果继续增加温度或延长时间，受阻碍较大的位错也能进一步解放出来，引起最后的加速蠕变阶段。 ○2扩散蠕变理论：高温下的蠕变现象和晶体中的扩散现象类似，并且把蠕变过程看成是外力作用下沿应力作用方向扩散的一种形式。 ○3晶界蠕变理论：多晶陶瓷中存在着大量晶界，当晶界位向差大时，可以把晶界看成是非晶体，因此在温度较高时，晶界粘度迅速下降，外力导致晶界粘滞流动，发生蠕变。 第二章 一、基本概念 1．裂纹的亚临界生长：裂纹除快速失稳扩展外，还会在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展，这种缓慢扩展也叫亚临界生长，或称为静态疲劳。 2．裂纹扩展动力：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，反之，前者小于后者，则裂纹不会扩展。将上述理论用于有裂纹的物体，物体内储存的弹性应变能的降低（或释放）就是裂纹扩展动力。