材料科学与工程基础知识重点

第一章

弹性比功：弹性比功又称弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。金属拉伸时的弹性比应力- 应变曲线上弹性变形阶段下的面积表示，等于最大弹性应力和最大弹性应变乘积之半。

滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。

循环韧性（内耗）：金属材料在交空载荷（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。

应力状态软性系数：

冲击韧性：指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收能量K 表示（原标准为冲击吸收功A k）。

疲劳：金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。

疲劳极限：当循环应力水平降低到某一临界值时，低应力段变为水平线段，表明试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，故将对应的应力称为疲劳极限

磨损：机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐流失、造成表面损伤的现象即为磨损。

热震断裂：由热震引起的瞬时断裂

热震损伤：在热冲击循环作用下，材料先出现开裂，随之裂纹扩展，导致材料强度降低、最终整体破坏，称为热震损伤。

退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程有哪几个阶段？

弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形和断裂

弹性模量主要取决于什么因素，为什么它是对组织不敏感的力学性能指标？

弹性模量主要取决于原子本性和晶格类型；因为合金化、热处理（纤维组织）、冷塑性变形等对金属材料的弹性模量的影响较小。

屈服现象及产生屈服现象的原因？

屈服现象：外力不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形。

产生原因：位错增殖和运动的结果金属在发生变形前可动位错很少，为了满足一定的塑性变形应变速率，需提高位错的运动速率，则需提高应力的大小，这就是上屈服强度；随着塑性变形的发生，可动位错密度增大，则位错的运动速率下降，相应的应力就会降低，从而产生屈服现象。

影响金属屈服强度的因素（要详细分析）

内在因素：

金属本性及晶格类型：屈服强度值由位错运动所受的各种阻力决定。这些阻力有晶格阻力、位错间交互作用产生的阻力等。不同的金属及晶格类型，位错运动所受的各种阻力并不相同。晶格阻力与位错宽度及柏氏矢量有关，位错间交互作用产生的阻力：正比于（切变模量）G、b 而反比于位错间距离L。

晶粒大小和亚结构：晶粒大小的影响是晶界影响的反映，因为晶界是位错运动的障碍，减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度提高。

溶质元素：在纯金属中加入溶质原子（间隙型或置换型）形成固溶合金（或多相合金中的基体相），将显著提高屈服强度，此即为固溶强化。通常，间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体。

第二相：除基体产生固溶强化外，第二相对屈服强度也有影响。第二相质点的强化效果与质点本身在屈服变形过程中能否变形有很大关系。第二相的强化效果还与其尺寸、形状和数量，以及第二相与基体的强度、塑性和应变硬化特性、两相之间的晶体学配合和界面能等因素有关。

金属材料的屈服强度是多种强化机理共同作用的结果，是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指标。

外在因素：

一般，升高温度金属材料的屈服强度降低，应变速率增大，金属材料的屈服强度增加，且屈服强度随应变速率的变化较抗拉强度的变化要明显得多。应力状态也影响屈服强度，切应力分量越大，越有利于塑件变形，屈服强度则越低，所以扭转比拉伸的屈服强度低．拉伸要比弯曲的屈服强度低。

韧性断裂和脆性断裂的区别；韧性断裂宏观断口特征三要素；脆性断裂的宏观断口形貌；解理断裂的微观断口特征；微孔聚集断裂的微观断口特征。

区别：韧性断裂在发生前会发生宏观塑性变形，是一个缓慢撕裂的过程；脆性断裂是突然发生的断裂，断裂工作应力低于材料的屈服强度，不发生塑性变形。

特征三要素（韧性断裂宏观断口）：纤维区、放射区、剪切唇

脆性断裂的宏观断口形貌：断裂面一般与正应力垂直，断口平直而光亮，

常呈放射状或结晶状。许多情况会出现人字纹花样。人字纹花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行，但其尖顶指向裂纹源。解理断裂微观断口特征：解理台阶、河流花样，还有舌状花样微孔聚集断裂微观断口特性：有韧窝的存在。

疲劳宏观断口的特征具有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区及瞬断区疲劳源区的光亮度最大；疲劳区的宏观特征是断口比较光滑并分布有贝纹线；瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。

按磨损机理分类，通常有哪些磨损？对我们所讲述的磨损的摩擦面的形貌特征要知道。

黏着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、微动磨损、疲劳磨损。黏着磨损：摩擦副一方表面常黏附一层很薄的转移膜，并伴有化学成分的变化。

磨粒磨损：摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽。

冲蚀磨损：表面冲蚀坑（鱼鳞状）和短程沟槽变形层，有微小裂纹。

腐蚀磨损（氧化磨损）：在摩擦面上沿滑动方向呈匀细磨痕，其磨损产物或为红褐色的Fe2O3 ，或为灰黑色Fe3O4

聚合物的主要物理和力学性能特点；线型非晶态聚合物力学行为随温度不同而变化，分别可处于哪几种力学状态？在不同力学状态下的变形有什么特点？

特征：与金属材料相比，聚合物在外力或能量载荷作用下强烈地受温度和载荷作用时间的影响，因此其力学性能变化幅度较大。其力学性能的特点是：高弹性、弹性模量小、黏弹性明显。

力学状态：玻璃态、高弹态和黏流态玻璃态链段运动被冻结，形变小，可逆，模量高；高弹态链段运动被激活，形变大，可逆，模量低；黏流态分子整链运动被激活，形变很大且不可逆，模量很小，处于黏性流动状态。

陶瓷材料的弹性变形与金属材料相比有什么特点?抗热震断裂参数及抗热震损伤参数。

弹性模量大；陶瓷材料的弹性模量不仅与结合键有关，还与其组成相的种类、分布比例及气孔率有关；陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。

抗热震断裂参数：表征材料承受温度骤变而不瞬时断裂的能力

抗热震损伤参数：

各种力学性能指标的符号分别表示什么? 如ReL（表示下屈服强度）；

Rr0.2 ；A；Z；Rm；bb；K等等，同学自己总结W:最大弯矩M: 抗弯截面系数

第二章

了解各种磁学参量及意义磁化（Magnetize ）：物质在磁场中，受磁场作用而呈现一定宏观磁性的现象。磁矩（Momen）t ：磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量，磁矩愈大．磁性愈强，即物体在磁场中所受的力也大。磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。其大小由闭合环形回路中电流强度与该回路所包围的面积的乘积，即m=IS，单位为A·m2

磁化强度（Magnetization ）：单位体积物质内所具有的磁矩的矢量和，

表示一物质在外磁场中被磁化的程度，描述宏观物质磁性强弱。单位为A/m

M m/V

磁场与磁场强度（H）：磁场是导体中的电流或永磁体在其周围所产生的作用，磁场强度H 是描述磁极周围空间或电流周围空间任一点磁场作用大小的物理量，单位是A／m。

磁感应强度（B）：是指物质内垂直于磁场方向单位面积中通过的磁力线数，是描述磁极周围任一点磁场力大小．或磁极周围磁场效应的物理量；反应外加磁场H和磁介质磁化后M的综合作用效应。单位T 或Wb/m2。

磁化率和磁导率（H/m）及M、H、B 之间关系：磁化率是指单位磁场强度H 所感生出的磁化强度M大小的物理量．它是表明物质被磁化能力的大小和性质的物理量（磁化难易程度，可取正，可取负）。磁导率是指单位磁场强度H 在物质中所感生出的磁感应强度B 大小的物理量。

磁力和力矩：将磁矩m放入磁感应强度为B 的磁场中，将受磁场力的作用而产生力矩T=m×B，此力矩力图使磁矩处于位能最低的方向。处于磁场中某方向的磁矩，所具静磁能为U=-m·B。磁矩m在不均匀磁场中还要受到一净力，在一维情况下，Fx=mdB/dx

造成畴壁可逆与不可逆壁移的临界磁场强度即为矫顽力。Hc

磁晶各向异性：沿铁磁晶体（单晶体）的各个晶向磁化的难易程度不同（磁化功不同）

铁磁体的形状各向异性：实际应用的铁磁体由于形状不同，表现出不同的磁化行为，这一现象称为形状各向异性。

磁致伸缩：铁磁体在磁场中磁化，其形状和尺寸都会发生变化（伸长或缩短），这种现象称为磁致伸缩

自发磁化：在未加外磁场时，铁磁金属内部的自旋磁矩已经自发地排向了同一方向。

技术磁化：铁磁金属在外加磁场作用下产生的磁化（畴壁的迁移与磁畴的旋转）

材料磁性的来源及材料磁性分类

物质的磁性来源于原子磁矩。原子磁矩包括电子轨道磁矩、电子自旋磁矩、原子核磁矩。

抗磁性,顺磁性, 反铁磁性, 铁磁性, 亚铁磁性

产生铁磁性的条件？

1.原子固有磁矩不为零，即要求原子中必须有未填满电子的内层。

2. 自旋磁矩自发地排列在一个方向：点阵常数（原子间距）R ab 与未填满的内壳层半径r 之比值＞3，但不能太大。

铁磁性材料在技术磁化过程中的三个不同阶段的描述

起始磁化阶段：磁化强度M随外加磁场的增大缓慢增大，宏观上表现为较弱的磁化强度，锐角磁畴扩大，钝角磁畴减小，畴壁的位移不大，为可逆壁移。

急剧磁化阶段：所有钝角磁畴瞬时转变为锐角磁畴，磁化强度随外磁场的增加急剧上升，磁畴发生了不可逆壁移及磁矩不可逆转向。

缓慢磁化并趋于磁饱和阶段：磁化强度随外加磁场的增加而缓慢增加并趋于磁饱和，对应的为锐角磁畴进一步转向外磁场方向的过程。

磁性测量的应用（如淬火钢中残余奥氏体的含量；高合金钢；淬火钢回火中的相变情况等）

自己研究

第三章

热容：在一定的过程中，质量为m的物体，在没有相变、没有化学反应的条件下，温度升高一度所吸收的热量。

热焓：等压过程中，质量为m的物体从0K升高到T 时所需的热量

热膨胀：物体的体积或长度随温度的变化而变化的现象称为热膨胀。

热传导：由于材料自身温度不均匀或不同温度的材料间互相接触，而发生的热量自高温区向低温区迁移与传播的现象。

一级相变：当系统发生相变时，化学势相等，而化学势的一级偏微商不相等，称为一级相变。

二级相变：当系统发生相变时，化学势相等，且化学势的一级偏微商也相等，而化学势的二级偏微商不相等称为二级相变。

Seeback（塞贝克）效应：在两种不同材料（导体或半导体）组成的回路中，当两个接触点处于不同温度时，回路中就有电流通过，产生这种电流的电动势称为热电势。

Peltier （珀耳帖）效应：当两种不同金属组成一回路并有电流在回路中通过时，将使两种金属的其中一接头处放热，另一接头处吸热（除了焦耳热外额外的热效应）

热容的物理意义固体热容与晶格振动相关，反映了原子热振动能量改变时所需的热量。一级相变和二级相变概念及它们在热学性质上的差异，对哪些属一级相变哪些属二级相变要清楚

热力学性质上的差异：一级相变时发生体积突变的同时还发生熵的突变、焓突变、热容无限大、相变潜热发生。二级相变在一个温度范围内逐步完成，热焓随温度的升高逐渐增大，即焓无突变，没有熵和体积的突变，热容在转变温度附近有剧烈变化，但值有限。

常见的一级相变：纯金属的三态变化、同素异构转变、共晶、包晶转变，固态的共析转变等；常见的二级相变：有序—无序转变，铁磁—顺磁转变、超导转变等。

热膨胀的物理本质（双原子模型解释）

金属受热时体积膨胀与离子振动有关，温度升高，导致原子间距增大，产生膨胀，其根本原因在于原子热振动时原子间的作用力成非线性，形成的势能呈非对称性，由于势能曲线的非对称性导致原子中心右移，从而使原子间距增大，出现膨胀影响热膨胀的因素

（一）、相变的影响

1、多晶型转变（同素异构）：由于点阵结构重排，金属比容突变，导致膨胀系数不连续变化，具备一级相变的特征；

2、有序无序转变：二级相变，相变时体积无突变，但膨胀系数在相变温度区间有改变，从而在膨胀曲线上出现拐折。

3、磁性转变：居里点Tθ处，随温度的升高，发生铁磁顺磁转变，从而产生类似于磁致伸缩的逆效应，导致膨胀系数与温度的关系上，出现反常：

Ni 、Co 的热膨胀峰向上，为正反常；Fe 热膨胀峰向下，为负反常。

（二）合金成分和组织的影响

1、固溶体：溶质元素及含量对热膨胀影响很大，绝大多数金属形成单相固溶体时，其膨胀系数介于组元的膨胀系数之间，溶剂中溶入低膨胀系数的溶质时，固溶体膨胀系数降低，反之升高。随溶质浓度的变化不满足加和性，成凹曲线。

2、多相合金：主要取决组成相的膨胀系数及其体积百分比。机械混合时，近似符合线性规律αalloy =α1 *V1%+ α2 *V 2%。多相合金的热胀系数对各相大小、分布及形状不敏感，主要取决于各相的性质与数量。

3、化合物：两元素形成化合物时，因原子间呈严格的规则排列，其元素间相互作用比固溶体原子间的作用大，故其膨胀系数较之固溶体，将较大幅度的下降。

（三）、晶体结构的影响

1、对称性（点阵类型）：对立方、各向同性材料：v 3对l 六方、正方晶

系：

由于α11=α22≠α33

2、晶体缺陷：金属经（核）辐照或高温淬火后，在室温下可保留过饱和的点缺陷浓度，尤其是过饱和的空位浓度增大，使空位附近的原子间距增大，

金属体积增大，膨胀系数上升。

（四）、钢的膨胀特性

钢的显微组织与热处理有关：常见的有M，F+Fe3C（构成P、索氏体、屈氏体、B）、A，其密度依次增大；因此在淬火得到M时，其体积增大；

热导率与电导率的关系

在较高的温度下， 金属热导率与电导率之比正比于温度， 体金属，满足 Widemann —Franz 定律：

e

/ L 0T L 0为洛伦兹数， L 0=2.45 ×10-8 V 2/K 2（W Ω/K 2）当温度高于 Debye 温度，且

金属导 电率较高时。

在较低温度下，且金属导电率较低时， L 0 为一变数，则对 Widemann —Franz 定律 进行修正：

导温系数（热扩散率）的概念及物理意义

它标志温度变化的速度。在相同加热和冷却条件下 α 愈大，物体各处温差愈小。 它的物理意义是与不稳定导热过程相联系的。 不稳定导热过程是物体一方面有热 量传导变化，同时又有温度变化，热扩散率正是把二者联系起来的物理量。

热分析及热膨胀分析的应用 （重点是测定钢在加热或冷却过程中的组织转变及温 度；研究淬火钢的回火等） 自己研究

第四讲

荧光 ：被激发到导带中的电子直接返回低能级的价带， 并相应地释放出光子． 当 外界激发源去除，发光现象随即消失，这称为荧光。

磷光 ：在有微量杂质的材料中存在施主能级， 被激发到导带中的电子先落入了施 主能级并停留一段较长的时间， 随后才返回低能级的价带中， 这时也相应地释放 出光子，这种发光能持续一段较长的时间，称为磷光。

电光效应 ：由于外加电场所引起的材料折射率的变化效应 , 称为电光效应。

光与固体发生相互作用时，有哪些现象？从微观上分析会出现什么结果？ 透过介质、吸收、反射、散射

微观上分析得结果：

电子极化：电场分量与传播过程中的每一个原子发生作用， 引起电子极化， 其结 果是光的一部分能流被吸收，同时光的速度减小，导致折射产生。 电子能态转变：光子被吸收和发射，都可能涉及到固体材料中电子能态的转变。 第一，原子中电子的能级是分立的， 只有特定能量的光子才能被原子所其比例常数不依赖于具 /( T ) ph T L 0 ph T

吸收，导致电子的激发；第二，电子在激发状态保持一段时间之后，会衰变回到基态发射光子。

折射率及影响折射率的因素？

光在真空和在材料中的速度之比, 称为材料的折射率n 影响因素：

1）构成材料元素的离子半径：材料的折射率随介电常数增大而增大，大离子可以构成高折射率的材料, 而小离子可以构成低折射率的材料

2）材料的结构、晶型

3）材料存在内应力：存在内应力的透明材料, 垂直于受撞的主应力方向的n 值大, 平行于主应力方向的n 值小。

4）同质异构体：在同质异构材料中, 高温时的晶型折射率较低, 低温时存在的晶型折射率较高。

5）入射光波长：大多数情况下，折射率随波长的增加而减小, 这种性质称之为色散光的透射率及公式

透射率，即透射光强度与入射光强度之比系数，α为吸收系

R 为反射数，l 为长度）金属及非金属材料的基本光学性质金属：金属

的不透明性和高反射率表明α值和R值（0.9-0.95 ）很大。其原因是金属电子能带结构的特殊性。大部分被金属材料吸收的光又会从表面上以同样波长的光波发射出来，表现为反射光。反射过程效率与频率（波长）有关。非金属：大多数非金属都对红外光线有一定程度的吸收，在可见光照射下，非金

属材料是否具有颜色或透明取决于材料的能带结构（选择吸收与选择反射）以及

光线在材料内部传播过程中的散射状况。