付华-材料性能学-部分习题答案
第一章材料的弹性变形
一、填空题：
1.金属材料的力学性能是指在载荷作用下其抵抗变形或断裂
的能力。
2. 低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。
3. 线性无定形高聚物的三种力学状态是玻璃态、高弹态、粘流
态，它们的基本运动单元相应是链节或侧基、链段、大分子链，它们相应是塑料、橡胶、流动树脂（胶粘剂的使用状态。
二、名词解释
1.弹性变形：去除外力，物体恢复原形状。弹性变形是可逆的
2.弹性模量：
拉伸时σ=EεE：弹性模量（氏模数）
切变时τ=GγG：切变模量
3.虎克定律：在弹性变形阶段，应力和应变间的关系为线性关系。
4.弹性比功
定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，又称为弹性比能或应变比能，表示材料的弹性好坏。
。
三、简答：
1．金属材料、瓷、高分子弹性变形的本质。
答：金属和瓷材料的弹性变形主要是指其中的原子偏离平衡位置所作的微小的位移，这部分位移在撤除外力后可以恢复为0。对高分子材料弹性变形在玻璃态时主要是指键角键长的微小变化，而在高弹态则是由于分子链的构型发生变化，由链段移动引起，这时弹性变形可以很大。
2．非理想弹性的概念及种类。
答：非理想弹性是应力、应变不同时响应的弹性变形，是与时间有关的弹性变形。表现为应力应变不同步，应力和应变的关系不是单值关系。种类主要包括滞弹性，粘弹性，伪弹性和包申格效应。
3．什么是高分子材料强度和模数的时-温等效原理?
答：高分子材料的强度和模数强烈的依赖于温度和加载速率。加载速率一定时，随温度的升高，高分子材料的会从玻璃态到高弹态再到粘流态变化，其强度和模数降低；而在温度一定时，玻璃态的高聚物又会随着加载速率的降低，加载时间的加长，同样出现从玻璃态到高弹态再到粘流态的变化，其强度和模数降低。时间和温度对材料的强度和模数起着相同作用称为时=温等效原理。
四、计算题：
气孔率对瓷弹性模量的影响用下式表示：E=E0 (1—1.9P+0.9P2)
E0为无气孔时的弹性模量；P为气孔率，适用于P≤50 %。
370= E0 (1—1.9×0.05+0.9×0.052) 则E0=407.8 Gpa
260= 407.8 (1—1.9×P+0.9×P2) P=0.207 其孔隙度为20.7%。
五、综合问答
1.不同材料（金属材料、瓷材料、高分子材料）的弹性模量主要受什么因素影响? 答：金属材料的弹性模量主要受键合方式、原子结构以及温度影响，也就是原子之间的相互作用力。化学成分、微观组织和加载速率对其影响不大。
瓷材料的弹性模量受强的离子键和共价键影响，弹性模量很大，另外，其弹性模量还和构成相的种类、粒度、分布、比例及气孔率有关，即与成型工艺密切相关。
高分子聚合物的弹性模量除了和其键和方式有关外，还与温度和时间有密切的关系（时-温等效原理）。
（综合分析的话，每一条需展开）。
第二章材料的塑性变形
一、填空题
1．金属塑性的指标主要有伸长率和断面收缩率两种。
2．单晶体的塑性变形方式有滑移和孪生2种。
3．非晶态高分子材料的塑变过程主要是银纹的形成。
二、简答题
1. (1)弹性变形与塑性变形
去除外力，恢复原形状。弹性变形是可逆的。
塑性变形：微观结构的相邻部分产生永久性位移。
屈服强度σs 抗拉强度σb 。
答:1）塑性变形是指微观结构的相邻部分产生永久性位移在外力撤除后不可恢复，即变形不可逆。
2）屈服强度σs：材料发生起始塑性变形所对应的应力。表征材料抵抗起始（或微量）塑变的能力。是材料由弹性变形向弹-塑性变形过渡的明显标志。
3）抗拉强度σb材料在拉伸到断裂的过程中所经历的最大应力。
是韧性金属单向拉伸光滑试样的实际最大承载能力。σb易于测定，重复性好，选材设计的重要依据。
2.一次再结晶二次再结晶
一次再结晶是指冷变形金属在再结晶温度以上退火时，变形伸长晶粒被无变形的等轴晶粒取代的过程。二次再结晶是指在再结晶晶粒长大过程中出现的晶粒异常长大的现象。
（3）热加工与冷加工
热加工是指金属在再结晶温度以上进行的塑性加工，冷加工是在再结晶温度以下进行的塑性加工。
（4）丝织构与板织构
答：丝织构是指晶体在某一晶向趋于某一特定方向，或有优势取向。板织构是指某一晶面和某一晶向有优势取向。
4.银纹
答：高分子材料在塑性变形过程中，某些缺陷处会有局部塑变产生，取向纤维和空洞交织分布，该区域密度减小50%，对光线的反射能力很高，呈银色，称为银纹。
简答
1．金属单晶体的塑性变形方式。
答滑移和孪生
2．什么是滑移系？产生晶面滑移的条件是什么？写出面心立方金属在室温下所有可能的滑移系。
答：滑移系是一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。产生晶面滑移的条件是在这个面上的滑移方向的分切应力大于其临界分切应力。
3．试述Zn、α-Fe、Cu等几种金属塑性不同的原因。
答：Zn、α-Fe、Cu这三种晶体的晶体结构分别是密排六方、体心立方和面心立
方结构。
密排六方结构的滑移系少，塑性变形困难，所以Zn的塑性差。
面心立方结构滑移系多，滑移系容易开动，所以对面心立方结构的金属Cu塑性好。
体心立方结构虽然滑移系多，但滑移面密排程度低于fcc，滑移方向个数少，较难开动，所以塑性低于面心立方结构材料，但优于密排六方结构晶体，所以α-Fe 的塑性较Cu差，优于Zn。
4.孪晶和滑移的变形机制有何不同?
答：主要的不同1）晶体位向在滑移前后不改变，而在孪生前后晶体位向改变，形成镜面对称关系。2）滑移的变形量为滑移方向原子间距的整数倍，而孪生过程中的位移量为孪生方向的原子间距的分数倍。3）滑移是全位错运动的结果而孪生是分位错运动的结果。
5.什么是应变硬化？有何实际意义？
答：随着应变量的增加，让材料继续变形需要更大的应力，这种现象称为应变硬化。随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑性、韧性下降的现象，为加工（应变）硬化（形变强化、冷作强化）。
其意义是可以使得塑变均匀，可以防止突然过载断裂，强化金属的一种手段，通过形变硬化可以改善某些金属的切削性能。
6.在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，但如果稍隔一段时间再弯折，铅板又像最初一样柔软，这是什么原因?
答：铅板在室温下的加工属于热加工，加工硬化的同时伴随回复和再结晶过程。
越弯越硬是由于位错大量增加而引起的加工硬化造成，而过一段时间又会变软是因为室温对于铅已经是再结晶温度以上，所以伴随着回复和再结晶过程，等轴的没有变形晶粒取代了变形晶粒，硬度和塑性又恢复到了未变形之前。
综合问答
1．位错在金属晶体中运动可能受到哪些阻力? （对金属专业要求详细展开）答：晶格阻力，位错之间的相互作用力，固溶体中的溶质原子造成的晶格畸变引起的阻力，晶界对位错的阻力，弥散的第二相对位错运动造成的阻力。
三、计算：
1. 沿铁单晶的[110]方向对其施加拉力，当力的大小为50MPa 时，在(101)面上的[111]方向
的分切应力应为多少?若τc =31.1MPa ，外加拉应力应为多大?
cos cos τσλφ=
[110]方向与[111]滑移方向的夹角λ：
cos λ=
===
[110]方向与(101)面法线方向夹角φ：
cos φ=
12== cos cos τσλφ
=15020.42MPa == 在(101)面上的[111]方向的分切应力应为20.4Mpa 。
cos cos c s τσλφ=
31.176.221cos cos 2
c s τσλφ===Mpa 若τc =31.1MPa ，外加拉应力应为76.2Mpa 。
2．有一70MPa 应力作用在fcc 晶体的[001]方向上，求作用在（111）[101]和（111）[110]
滑移系上的分切应力。
cos cos τσλφ=
[001]方向与[101]滑移方向的夹角λ：
cos λ=
==
[001]方向与(111)面法线方向夹角φ：
cos φ=
== cos cos τσλφ
=7028.6MPa == 在(111)面上的[101]方向的分切应力应为28.6Mpa 。
[001]方向与[110]滑移方向的夹角λ：
cos λ=
0==
cos cos τσλφ=0MPa =
在(111)面上的[110]方向的分切应力应为0Mpa 。
3. 有一bcc 晶体的(110)[111]滑移系的临界分切力为60MPa ，试问在[001]和[010]方向必
须施加多少的应力才会产生滑移？
cos cos τσλφ=
（1） [001]方向与[111]滑移方向的夹角λ：
cos λ=
== [001]方向与(110)面法线方向夹角φ：
cos φ=
0== 由于[001]方向与滑移面(110)平行，因此，无论在[001]方向施加多大的应力不会使(110)[111]滑移系产生滑移。
（2） [010]方向与[111]滑移方向的夹角λ：
cos λ=
== [010]方向与(110)面法线方向夹角φ：
cos φ=
==
6014711cos cos c s MPa τσλφ=== 在[010]方向必须施加147Mpa 的应力才会产生滑移。
5．为什么晶粒大小影响屈服强度？经退火的纯铁当晶粒大小为16个/mm 2时，σs=100MPa ；
而当晶粒大小为4096个／mm 2时，σs ＝250MPa ，试求晶粒大小为256个/mm 2时的σs 。
12s i d
σσκ-=+
16个/mm 2时----d=0.25mm
4096个／mm 2时----64个/mm-----d=1/64mm
256个/mm 2时----16个/mm-----d=1/16mm 1
2
1000.25i σκ-=+? 121
25064i σκ-=+? 求得：5025
i σκ==
1
21
502515016s MPa σ-=+?=
第三章 材料的断裂与断裂韧性
一、填空题
1. 材料中裂纹的 形成 和扩展 的研究是微观断裂力学的核心问题。
2. 材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。
3. 按照断裂前材料宏观塑性变形的程度，断裂分为脆性断裂与韧性断裂。
4. 按照材料断裂时裂纹扩展的途径，断裂分为穿晶断裂和沿晶(晶界)断裂。
5. 按照微观断裂机理，断裂分为解理断裂和剪切断裂。
6. 对于无定型玻璃态聚合物材料，其断裂过程是银纹产生和发展的过程。
7. 韧性断裂断口一般呈杯锥状，断口特征三要素由纤维区、放射区和剪切唇3
个区组成。
8. 根据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式
有开型(Ⅰ型)、滑开型(Ⅱ型)、撕开型(Ⅲ型) 3种，其中，以开型(Ⅰ型)裂纹扩展最危险。
9. Griffith 裂纹理论是为解释玻璃、瓷等脆性材料断裂强度理论值与实际值的
巨大差异现象而提出的。
10. 线弹性断裂力学处理裂纹尖端问题有应力应变分析和能量分析两种方
法。
二、名词解释
1韧性断裂 韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能。
2脆性断裂 脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。
3剪切断裂剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。包括纯剪切断裂和微孔聚集型断裂，微观断口特征花样则是断口上分布大量“韧窝”。
4解理断裂在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。解理台阶、河流花样和舌状花样是解理断口的基本微观特征。
5 断裂韧度KⅠC KⅠc为平面应变断裂韧度，表示材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力；K I ≥KＩc→→裂纹失稳扩展，引起脆性断裂；K I 6韧度：韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标，其中又分为静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。习惯上，韧性和韧度这两个名词混用，但它们的含义不同，韧性是材料的力学性能，它是指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。：韧度是韧性的度量。 7韧性韧性是材料的力学性能，它是指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。三、简答题 1．材料断裂的过程包括哪些？ 断裂过程：裂纹的形成与扩展（稳态扩展、失稳扩展）过程。 2．非晶态高分子材料的塑变与断裂过程主要是什么过程？ 银纹的形成和扩展过程。 3．低碳钢典型拉伸断口的宏观特征是什么？对应的微观断口特征是什么？ 宏观特征由纤维区、放射区和剪切唇3个区。韧窝、撕裂韧窝、“链波”花样。 4．晶粒的形状、大小及分布对材料强度与韧性的影响。 细小、弥散、均匀分布，提高材料强度与韧性。 5．说明KⅠ与KⅠc的关系。 KⅠ与KⅠc K I: 应力场强度因子,力学参量,表示裂纹尖端应力应变场强度大小。 KＩ与外加应力σ、试样尺寸a、裂纹类型Y有关，与材料无关。 KＩc：断裂韧度，材料的力学性能指标,表示平面应变状态下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。与材料成分,组织结构有关,与外加应力,试样尺寸等外因素无关。当σ增加到临界值εＣ，a增大到临界值aＣ，KＩ达到临界值KＩc (K c )，裂纹失稳扩展至断裂。K I ≥KＩc→→裂纹失稳扩展，引起脆性断裂；K I 6. 影响材料断裂韧性的因素有哪些？ KIc是材料强度和塑性的综合表现。在因素：成分、组织、结构。外在因素：温度T、应变速率ξ。 一般情况下，随强度指标的降低而升高，随塑性指标的降低而降低。通常人们认为KIc是塑性、韧性一类指标，与强度类指标的变化规律相反。（综合分析：展开） 7. 刚拉制的玻璃棒弯曲强度为6 Gpa，在空气中放置几小时后强度为0.4Gpa；表面氧化裂纹，强度降低。 石英玻璃纤维的长度为12cm时，强度为275Mpa，当其长度为0.6cm时，强度可达760Mpa；长试样缺陷多，裂纹易生成、扩展，强度降低（尺寸效应）。 纯铁的理论计算断裂强度为40Gpa，实际断裂应力大约为200Mpa。实际材料含各种缺陷，裂纹易生成、扩展，强度降低。 四、计算题 1. σm =( E γs / a 0 )1/2 = (4.9×105 ×106 × 2.7/ 2.4×10-10 ) 1/2 = 7.42×1010 Pa =7.42×104 MPa σc =( E γs / a c )1/2 = (4.9×105 ×106 ×2.7/ 1.5×10-3 ) 1/2 =3.0×107 Pa = 30 MPa 2. a c = s Er /c σ2 =(2×1011 ×8) / (7×107) 2 =0.33×10-3 (m ) 材料的临界裂纹长度为0.66mm . 3. 已知无限大板穿透裂纹的K Ⅰ表达式： K =I 塑性区修正后的K Ⅰ表达式： K I （平面应变） 答：σ/σs ＝850/1150=0.74 要进行塑性区修正， 计算平面应变条件下的应力场强度因子K Ⅰ： 150.62K 158.40.95 I === （Mpa.m 1/2 ） K Ⅰ> K Ⅰc =105Mpa.m 1/2 ，构件不安全 第四章 材料的扭转、弯曲、压缩性能 一、填空题 1．单向拉伸、扭转和压缩试验方法中，应力状态最软的加载方式是 压缩 ，该方法易于显示材料的 塑性（塑性/脆性）行为，可用于考查 脆性 （塑性/脆性）材料的 塑性（塑性/脆性）指标。 2． 要测试灰铸铁和瓷材料的塑性指标，在常用的单向拉伸、扭转和压缩试验方法中，可选择 压缩 试验方法。 二、名词解释 （1）应力状态软性系数 ：m ax τ和max σ的比值称为应力状态软性系数，用α表示。α越大，最大切应力分量越大，材料越易于产生塑性变形，则应力状态越软。反之，α越小，最大切应力分量越小，则应力状态越硬，材料越易产生脆性断裂。 （2）抗扭强度：试样在扭断前承受的最大扭矩（T b ）/W ，W 为试样抗扭截面系数。反映材料的最大抗扭矩能力。 第5章材料的硬度 一、填空题 1. 硬度表征材料的软硬程度，材料表面上不大体积抵抗变形或破裂的能力。 2. 常用硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。 3. 测45钢调质后的硬度，可选用洛氏硬度、维氏硬度实验方法。 4. 要鉴别淬火钢中马氏体组织的硬度，可用显微维氏硬度、显微努氏硬度实验方法， 5. 测量灰铸铁的硬度，可用布氏硬度硬度实验方法。 6. 石膏和金刚石的硬度可用莫氏硬度表示。 7. 测橡胶垫的硬度可用邵氏硬度表示。 二、简答题 1.试比较布氏硬度与维氏硬度实验原理的异同，并比较布氏、洛氏、维氏硬度实验的优缺点及应用围。 维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相似，也是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值的，所不同的是维氏硬度试验所用的压头是两相对面夹角a为136°的金刚石四棱锥体。 布氏硬度试验的优点是压痕面积较大，其硬度值能反映材料在较大区域各组成相的平均性能。因此，布氏硬度检验最适合测定灰铸铁、轴承合金等材料的硬度。压痕大的另一优点是试验数据稳定，重复性高。 布氏硬度试验的缺点是因压痕直径较大，一般不宜在成品件上直接进行检验；此外，对硬度不同的材料需要更换压头直径D和载荷F，同时压痕直径的测量也比较麻烦。 洛氏硬度试验的优点是操作简便迅速，压痕小，可对工件直接进行检验；采用不同标尺，可测定各种软硬不同和薄厚不一试样的硬度。缺点是因压痕较小，代表性差，尤其是材料中的偏析及组织不均匀等情况，使所测硬度值的重复性差、分散度大，用不同标尺测得的硬度值即不能直接进行比较，又不能彼此互换。 维氏硬度试验角锥压痕清晰，采用对角线长度计量，精确可靠；压头为四棱锥体，当载荷改变时，压入角恒定不变，因此可以任意选择载荷，而不存在布氏硬度那种载荷F与压球直径D之间的关系约束。此外，维氏硬度也不存在洛氏硬度那种不同标尺的硬度。 2.今有如下工作需测定硬度，试说明选用何种硬度实验法为宜。 (1)渗碳层的硬度分布；显微维氏硬度、显微努氏、表面洛氏硬度 (2)淬火钢；洛氏硬度HRC (3)灰铸铁；布氏硬度HB (4)硬质合金；洛氏硬度HRA、维氏硬度 (5)鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体；显微维氏硬度、显微努氏 (6)仪表小黄铜齿轮；（显微）维氏硬度HV (7)龙门刨床导轨；肖氏硬度KS\里氏硬度 (8)氮化层；显微维氏硬度、显微努氏、表面洛氏硬度 (9)火车圆弹簧；洛氏硬度HRC、维氏硬度 (10)高速钢刀具。洛氏硬度HRC 3.在用压入法测量硬度时，试讨论如下情况的误差： (1)压入点过于接近试样端面； (2)压入点过于接近其他测试点； (3)试样太薄。 试样厚度应大于压入深度的10倍。压痕中心距试样边缘＞ 2.5d ，两相邻痕中心距离应＞ 4d （d —压痕平均直径）。 第6章 材料的冲击韧性及低温脆性 一、填空题 1．测定W18Cr4V 高速钢、20钢、灰铸铁、瓷材料、聚乙烯板的冲击韧性，要开缺口的是 ，不需开缺口的是 。 2．同一材料分别采用拉伸和扭转试验方法，测得的t k 较低的是 ；若试样分别制成光滑试样和缺口试样，都采用拉伸试验，测得的t k 较低的是 。 二、名词解释 （1）冲击吸收功 （2）冲击韧性 （3）低温脆性 （4）韧脆转变温度 三、简答题 1、什么是冲击韧性？用于测定冲击韧性的试件有哪两种主要形式？ 测定的冲击韧性如何表示？ 2、什么是低温脆性？在哪些材料中容易发生低温脆性？ 3、说明下列力学性能指标的意义： （1）ku A 、kv A （2）ku α、kv α（3）FATT 50（4）NDT （5）FTE （6）FTP 4、简述影响冲击韧性和韧脆转变温度的在因素与外在因素？ 第7章 材料的疲劳性能 一、填空题 1. 疲劳断裂的过程包括裂纹萌生 、 扩展 和 断裂 三个阶段。 2. 低碳钢典型的疲劳断口上有 疲劳源、疲劳裂纹扩展区 和 瞬时断裂区 断裂特征区。 3. 疲劳裂纹一般发源于构件的 表面缺陷 处。 4. 贝纹线是 疲劳裂纹扩展 区的宏观特征；疲劳条带是疲劳裂纹扩展区的微观特征。 二、名词解释 2. 疲劳贝纹线：贝纹线是疲劳裂纹扩展区的宏观特征。疲劳裂纹扩展时，变动的载荷在前沿形成贝壳状或海滩状条纹。 3. 疲劳条带：疲劳条带是疲劳裂纹扩展区的微观特征。疲劳条纹间距表示裂纹扩展速率，间距越宽、扩展速率越大。简单情况下，条带间距等于循环一周时裂纹伸长量；复杂载荷下，不一定每一循环都产生条带，裂纹可能不扩展。 韧性疲劳条带略呈波浪形、基本平行的纹路；条带显示清楚。脆性疲劳条带呈羽毛状;条带短/窄/紊乱、不明显。 贝纹线与疲劳条带不一定同时出现，2条贝纹线间有成千上万条疲劳条带。 4. 疲劳强度（极限）σ-1 ：是指光滑试样在指定疲劳寿命（无限、有限周次）下，材料能承受的上限循环应力，用于传统的疲劳强度设计和校核，是保证寿命、选材、设计、制定工艺的重要依据。 5. 疲劳门槛△Kth：疲劳裂纹不扩展的△KⅠ临界值即疲劳裂纹扩展门槛值。表示材料阻止裂纹开始疲劳扩展的性能。是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，用于裂纹件的无限寿命设计校核。 三、简答题 1、试述疲劳断裂的特点有哪些？ 2、疲劳断口包括哪些区域？各有何特征？ 3、试述材料疲劳裂纹扩展的两个阶段各有什么特征？ 4、材料的疲劳抗力指标有哪些？ 5、影响材料疲劳强度的因素有哪些？各自对疲劳强度有何影响？ 答案：第12章 一、填空题 1. 材料的热学性能包括热容、热膨胀、热传导、热稳定性等 2. 固体材料的比热、热膨胀、热传导等热性能都直接与晶格振动有关。 四、计算题 1. 计算室温（298K）时莫来石瓷的摩尔热容值，并请和按杜隆-珀替定律计算的结果比 较。 T1=298K; Cp1=a+bT+cT-2=365.96+62.53×10-3×298-111.52×105×298(-2) =365.96+18.63 -125.58 = 259.01 (J/mol.k) 莫来石（3Al2O3·2SiO2）原子数=21 按杜隆-珀替定律：C=21×25=525 (J/mol.k) 室温下两者误差较大。 因为热容受温度影响，杜隆-珀替定律适用高温。低原子序数的元素其摩尔热容小于25 J/mol.k。瓷显微结构对热容也有影响，尤其是气孔等。 1.与单晶体相比，多晶体变形有哪些特点？ 多晶金属材料由于各晶粒的位向不同和晶界的存在，其塑性变形有以下特点： ① 多晶体各晶粒变形的不同时性和不均匀性 位向有利的晶粒先塑变，各晶粒处组织性能不同，要求塑变的临界切应力不同，表现为不同时性和不均匀性。 ② 各晶粒变形相互协调与制约 各晶粒塑变受塑变周围晶粒牵制，不可无限制进行下去，晶界对位错的阻碍，必须有5个以上滑移系方可协调发展。 2.金属材料的应变硬化有何实际意义？ 材料的应变硬化性能，在材料的加工和应用中有十分明显的实用价值。在加工方面，利用应变硬化和塑性变形的合理配合，可使使塑性变形均匀进行，保证冷变形工艺顺利实施；另外，低碳钢切削时，容易产生粘刀现象，且表面加工质量差。如果切削加工前进行冷变形降低塑性，改善机械加工性能；在材料应用方面，应变硬化使材料具一定的抗偶然过载能力，以免薄弱处无限塑性变形；应变硬化也是一种强化金属的手段，尤其是适用不能热处理的材料。 3.一个典型拉伸试样的标距为50mm ，直径为13mm ，实验后将试样对接起来以重现断裂时的外形，试问： (1)若对接后的标距为81mm ，伸长率是多少？ (2)若缩颈处最小直径为6.9mm 则断面收缩率是多少？ (1) 008150100%100%62%50 K L L L δ--=?=?= (2) 2200200 44100%100%71.8%4 K K d d A A d A ππψπ--=?=?= 4.有一材料E=2×1011N/m2，γ=8N/m 。试计算在7×107N/m2的拉应力作用下，该材料中能扩展的裂纹之最小长度是多少？ 即求理论断裂强度 ()11422 7222108 2.0710710s c c E a m γπσπ-???===??? 5.推导颈缩条件、颈缩时的工程应力 ()()()11,00 n n n n n F KAe F A e dF Ke dA KAne de LA L dL A dA LA AdL LdA dLdA dL dA de L A dF Ke Ade KAne de n e --==+=++=+++∴==-=?-+=?=载荷为瞬时截面积和真应变的函数 对上式全微分 材料科学与基础习题集和答案 第七章回复再结晶，还有相图的内容。 第一章 1.作图表示立方晶体的()()()421,210,123晶面及[][][]346,112,021晶向。 2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向[][][][][]0121,0211,0110,0112,0001 等。 3.写出立方晶体中晶面族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶面。 4.镁的原子堆积密度和所有hcp 金属一样，为0.74。试求镁单位晶胞的体积。已知Mg 的密度3 Mg/m 74.1=m g ρ，相对原子质量为24.31，原子半径r=0.161nm 。 5.当CN=6时+Na 离子半径为0.097nm ，试问： 1) 当CN=4时，其半径为多少？2) 当CN=8时，其半径为多少？ 6. 试问：在铜（fcc,a=0.361nm ）的<100>方向及铁(bcc,a=0.286nm)的<100>方向,原子的线密度为多少？ 7.镍为面心立方结构，其原子半径为nm 1246.0=Ni r 。试确定在镍的 （100），（110）及（111）平面上12mm 中各有多少个原子。 8. 石英()2SiO 的密度为2.653Mg/m 。试问： 1) 13 m 中有多少个硅原子（与氧原子）？ 2) 当硅与氧的半径分别为0.038nm 与0.114nm 时，其堆积密度为多少（假设原子是球形的）？ 9.在800℃时1010个原子中有一个原子具有足够能量可在固体内移 动，而在900℃时910个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/ 原子）。 10.若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J ）。 《材料性能学》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程编码： 课程类别：必修课 适用专业：材料化学 总学时：48 学分：3 课程简介：本课程是材料化学专业主干课程之一，属专业基础课。本课程主要内容为材料物理性能，以材料通用性物理性能及共同性的内容为主。通过本课程的教学，使学生获得关于材料物理性能包括材料力学性能（受力形变、断裂与强度）、热学、光学、导电、磁学等性能及其发展和应用，重点掌握各种重要性能的原理及微观机制，性能的测定方法以及控制和改善性能的措施，各种材料结构与性能的关系，各性能之间的相互制约与变化规律。 授课教材：《材料物理性能》，吴其胜、蔡安兰、杨亚群，华东理工大学出版社，2006，10。 2、参考书目: 1.《材料性能学》，北京工业大学出版社，王从曾，2007. 1 2.《材料的物理性能》，哈尔滨工业大学出版社，邱成军等，2009.1 二、课程教育目标 通过学习材料的各种物理性能，使学生掌握以下内容：各种材料性能的各类本征参数的物理意义和单位以及这些参数在解决实际问题中所处的地位；弄清各材料性能和材料的组成、结构和构造之间的关系；掌握这些性能参数的物质规律，从而为判断材料优劣、正确选择和使用材料、改变材料性能、探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础；为全面掌握材料的结构，对材料的原料和工艺也应有所认识，以取得分析性能的正确依据。 三、教学内容与要求 第一章：材料的力学性能 重点与难点： 重点：应力、应变、弹性变形行为、Griffith微裂纹理论，应力场强度因子和平面应变断裂韧性，提高无机材料强度改进材料韧性的途径。 难点：位错运动理论、应力场强度因子和平面应变断裂韧性。 《材料力学性能》课程教学大纲 课程名称：材料力学性能（Mechanical Properties of Materials） 课程编号：012009 总学时数：48学时（其中含实验 8 学时） 学分：3学分 课程类别：专业方向指定必修课 先修课程：大学物理、工程化学、工程力学、材料科学基础 教材：《工程材料力学性能》（机械工业出版社、束德林主编，2005年）参考书目：[1] 王从曾编著，《材料性能学》，北京工业大学出版社，2001年 [2] Thomas H.Courtney（美）著，材料力学行为（英文版），机械工业 出版社，2004年 《课程内容简介》： 本课程主要讲授材料的力学性能与测试方法，主要内容有金属在静载荷（单向拉伸、压缩、扭转、弯曲）和冲击载荷下的力学性能、金属的断裂韧度、金属的疲劳、金属的应力腐蚀和氢脆断裂、金属的磨损和接触疲劳、金属的高温力学性能。 一、课程性质、目的和要求 本课程是材料成型及控制工程专业本科生金属材料工程方向指定必修课。本课程的主要任务是讨论工程材料的静载力学性能、冲击韧性及低温脆性、断裂韧性、疲劳性能、磨损性能以及高温力学性能的基本理论与性能测试方法，使学生掌握材料力学性能的基本概念、基本原理和测试材料力学性能的基本方法，探讨改善材料力学性能的基本途径，提高分析材料力学性能的思维能力与测试材料力学性能的能力，为研究开发和应用工程材料打下基础。 二、教学内容、要点和课时安排 《材料力学性能》授课课时分配表 本课程的教学内容共分八章。 第一章：金属在单项静拉伸载荷下的力学性能 6学时 主要内容：载荷—伸长曲线和应力—应变曲线；塑性变形及性能指标；断裂 重点、难点：塑性变形机理，应变硬化机理，裂纹形核的位错模型，断裂强度的裂纹理论，断口形貌。 第二章：金属在其它静载荷下的力学性能 6学时 主要内容是：缺口试样的静拉伸及静弯曲性能；材料缺口敏感度及其影响因素；扭转、弯曲与压缩的力学性能；硬度试验方法。 重点、难点：缺口处的应力分布特点及缺口效应 第三章：金属在冲击载荷下的力学性能 4学时 主要内容：冲击弯曲试验与冲击韧性；低温脆性；韧脆转化温度及其评价方法；影响材料低温脆性的因素。 重点、难点：韧脆转化 第四章：金属的断裂韧度 7学时 主要内容：裂纹扩展的基本方式；应力场强度因子；断裂韧性和断裂k判据；断裂韧度在工程上的应用；J积分的概念；影响材料断裂韧度的因素。 重点、难点：断裂韧性。 第五章：金属的疲劳 5学时 主要内容：疲劳破坏的一般规律；疲劳破坏的机理；疲劳抗力指标；影响材料及机件疲劳强度的因素。 重点、难点：疲劳破坏的机理。 第六章：金属的应力腐蚀和氢脆断裂 5学时 主要内容：应力腐蚀；氢脆 重点、难点：应力腐蚀和氢脆的机理 第七章：金属磨损和接触疲劳 6学时 主要内容：粘着磨损；磨粒磨损；接触疲劳；材料的耐磨性；减轻粘者磨损的主要措施；减轻磨粒磨损的主要措施；提高接触疲劳的措施。 重点、难点：磨损机理 第八章：金属高温力学性能 5学时 本学期材料性能学作业及答案 第一次作业P36-37 第一章 1名词解释 4、决定金属屈服强度的因素有哪些？ 答：在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。外在因素：温度、应变速率和应力状态。 10、将某材料制成长50mm，直径5mm的圆柱形拉伸试样，当进行拉伸试验时塑性变形阶段的外力F与长度增量ΔL的关系为： F/N 6000 8000 10000 12000 14000 ΔL 1 2.5 4.5 7.5 11.5 求该材料的硬化系数K及应变硬化指数n。 解：已知：L0=50mm，r=2.5mm，F与ΔL如上表所示，由公式（工程应力）σ=F/A0,（工程应变）ε=ΔL/L0,A0=πr2,可计算得：A0=19.6350mm2 σ1= 305.5768，ε1=0.0200， σ2=407.4357 ，ε2=0.0500， σ3= 509.2946，ε3=0.0900， σ4= 611.1536，ε4=0.1500， σ5= 713.0125，ε5=0.2300， 又由公式（真应变）e=ln(L/L0)=ln(1+ε)，（真应力）S=σ（1+ε），计算得： e1=0.0199，S1=311.6883， e2=0.0489，S2=427.8075， e3=0.0864，S3=555.1311， e4=0.1402，S4=702.8266， e5=0.2076，S5=877.0053， 又由公式S=Ke n，即lgS=lgK+nlge，可计算出K=1.2379×103，n=0.3521。 11、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆 材料科学基础考研经 典题目 16.简述金属固态扩散的条件。 答：⑴扩散要有驱动力——热力学条件，化学势梯度、温度、应力、电场等。 ⑵扩散原子与基体有固溶性——前提条件；⑶足够高温度——动力学条件；⑷足够长的时间——宏观迁移的动力学条件 17. 何为成分过冷？它对固溶体合金凝固时的生长形貌有何影响？ 答：成分过冷：在合金的凝固过程中，虽然实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生了变化，改变了液相的凝固点，此时过冷由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定，这种过冷称为成分过冷。成分过冷区的形成在液固界面前沿产生了类似负温度梯度的区域，使液固界面变得不稳定。当成分过冷区较窄时，液固界面的不稳定程度较小，界面上偶然突出部分只能稍微超前生长，使固溶体的生长形态为不规则胞状、伸长胞状或规则胞状；当成分过冷区较宽时，液固界面的不稳定程度较大，界面上偶然突出部分较快超前生长，使固溶体的生长形态为胞状树枝或树枝状。所以成分过冷是造成固溶体合金在非平衡凝固时按胞状或树枝状生长的主要原因。 18.为什么间隙固溶体只能是有限固溶体，而置换固溶体可能是无限固溶体？ 答：这是因为当溶质原子溶入溶剂后，会使溶剂产生点阵畸变，引起点阵畸变能增加，体系能量升高。间隙固溶体中，溶质原子位于点阵的间隙中，产生的点阵畸变大，体系能量升高得多；随着溶质溶入量的增加，体系能量升高到一定程度后，溶剂点阵就会变得不稳定，于是溶质原子便不能再继续溶解，所以间隙固溶体只能是有限固溶体。而置换固溶体中，溶质原子位于溶剂点阵的阵点上，产生的点阵畸变较小；溶质和溶剂原子尺寸差别越小，点阵畸变越小，固溶度就越大；如果溶质与溶剂原子尺寸接近，同时晶体结构相同，电子浓度和电负性都有利的情况下，就有可能形成无限固溶体。 19.在液固相界面前沿液体处于正温度梯度条件下，纯金属凝固时界面形貌如何？同样 条件下，单相固溶体合金凝固的形貌又如何？分析原因 有相关人士称本门课通过率20%，我就不信背完这些还会挂？请进行有选择有判断的阅读——★★为重点内容注：斜体为不确定答案 一.判断 1.一切物质都是磁质，都具有磁现象，只是对磁场的响应程度不同。（√） 2.材料热膨胀系数与其结构致密度有关，结构致密的固体材料具有较大的热膨胀系数。 （√） 3.热传导过程是基于声子和电子发生的。（×） 4.材料的折射率越大，其对光的反射系数越大。（√） 5.双电桥法测定材料的电阻的精度高的原因是这种方法可以用于消除接触电阻。（×） 6.光导纤维远距离传输信号的应用是基于全反射原理。（√） 7.材料低于居里温度时，自发极化为零。（×） 8.脆性断裂就是解理断裂。（×） 9.简谐振动模型适用于材料的热膨胀过程。（×） 10.材料离子的极化率越大，折射率也越大。（√） 11.材料高于居里温度时，自发极化为零。（√） 12.激光晶体是线性光学材料。（×） 13.断口有韧窝存在，那么一定是韧性断裂。（×） 14.通常磨损过程分为稳定磨损和剧烈磨损两个阶段。（×） 15.两接触物体受压力并作纯滚动时，接触应力的最大切应力产生于物体表面。（√） 16.固体材料的真线膨胀系数是一个常数。（×） 17.激光晶体可以用于改变任何强度光的频率。（×） 18.光的波长与材料散射质点的大小越接近，材料对光的散射越小。（×） 19.帕尔帖效应原理可以用于设计热电偶温度计。（×） 20.安培伏特计法测定电阻时，毫伏计的阻值与被测电阻的阻值差别越小，测定结果越准确。 （×） 21.裂纹扩展的基本形式可分为张开型、滑开型、撕开型，其中以撕开型最危险。（×） 22.通常磨损过程分为磨合、稳定磨损和剧烈磨损三个阶段。（√） 23.材料热膨胀系数与其键合状况有关，键强大的材料有较大的热膨胀系数。（×） 24.激光晶体可以用于产生新的激光频率。（√） 25.材料不均匀结构的折射率差异越大，对光的散射越弱。（×） 26.四探针法测定材料的电阻可以用于消除接触电阻。（√） 27.磁化强度是抵消被磁化铁磁物质剩磁所需的反向外磁场强度。（×） 28.应力状态软性系数越大，材料越容易产生塑性变形。（√） 29.材料的刚度是表征材料弹性变形的抗力。（√） 30.材料弹性是表征材料弹性变形的抗力。（×） 绪论单元测试 1 【单选题】(10分) 钢丝在室温下反复弯折，会越弯越硬，直到断裂，而铅丝在室温下反复弯折，则始终处于软态，其原因是（） A. Fe发生加工硬化，发生再结晶，Pb发生加工硬化，不发生再结晶 B. Pb发生加工硬化，发生再结晶，Fe发生加工硬化，不发生再结晶 C. Fe不发生加工硬化，不发生再结晶，Pb发生加工硬化，不发生再结晶 D. Pb不发生加工硬化，不发生再结晶，Fe发生加工硬化，不发生再结晶 2 【单选题】(10分) 冷变形的金属，随着变形量的增加（） A. 强度降低，塑性降低 B. 强度增加，韧性降低 C. 强度增加，塑性增加 D. 强度降低，塑性增加 3 【单选题】(10分) 金属的塑性变形主要是通过下列哪种方式进行的（） A. 位错类型的改变 B. 晶粒的相对滑动 C. 位错的滑移 D. 晶格的扭折 4 【单选题】(10分) 在不考虑其他条件的影响下，面心立方晶体的滑移系个数为（） A. 12 B. 8 C. 6 D. 16 5 【单选题】(10分) 下列对再结晶的描述的是（） A. 再结晶后的晶粒大小主要决定于变形程度 B. 原始晶粒越细，再结晶温度越高 C. 发生再结晶需要一个最小变形量，称为临界变形度。低于此变形度，不能再结晶 D. 变形度越小，开始再结晶的温度就越高 6 【单选题】(10分) 冷加工金属经再结晶退火后,下列说法的是（） A. 其机械性能会发生改变 B. 其晶粒大小会发生改变 C. 其晶粒形状会改变 D. 其晶格类型会发生改变 7 【单选题】(10分) 加工硬化使金属的（） A. 强度减小、塑性增大 B. 强度增大、塑性增大 C. 强度减小、塑性降低 D. 强度增大、塑性降低 8 一、名词解释 低温脆性：材料随着温度下降，脆性增加，当其低于某一温度时，材料由韧性状态变为脆性状态，这种现象为低温脆性。 疲劳条带：每个应力周期内疲劳裂纹扩展过程中在疲劳断口上留下相互平行的沟槽状花样。 韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 缺口强化：缺口的存在使得其呈现屈服应力比单向拉伸时高的现象。 50%FATT：冲击试验中采用结晶区面积占整个断口面积 50%时所应的温度表征的韧脆转变温度。 破损安全：构件内部即使存在裂纹也不导致断裂的情况。 应力疲劳：疲劳寿命N>105 的高周疲劳称为低应力疲劳，又称应力疲劳。 韧脆转化温度：在一定的加载方式下，当温度冷却到某一温度或温度范围时，出现韧性断裂向脆性断裂的转变，该温度称为韧脆转化温度。 应力状态软性系数：在各种加载条件下最大切应力与最大当量正应力的比值，通常用α表示。 疲劳强度：通常指规定的应力循环周次下试件不发生疲劳破坏所承受的上限应力值。 内耗：材料在弹性范围内加载时由于一部分变形功被材料吸收，则这部份能量称为内耗。 滞弹性: 在快速加载、卸载后，随着时间的延长产生附加弹性应变的现象。 缺口敏感度：常用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸的光滑试样的抗拉强度的比值表征材料缺口敏感性的指标，往往又称为缺口强度比。 断裂功：裂纹产生、扩展所消耗的能量。 比强度：:按单位质量计算的材料的强度，其值等于材料强度与其密度之比，是衡量材料轻质高强性能的重要指标。. 缺口效应：构件由于存在缺口（广义缺口）引起外形突变处应力急剧上升，应力分布和塑性变形行为出现变化的现象。 解理断裂：材料在拉应力的作用下原于间结合破坏，沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开的断裂过程。 应力集中系数：构件中最大应力与名义应力（或者平均应力）的比值，写为KT。 高周疲劳：在较低的应力水平下经过很高的循环次数后（通常N>105）试件发生的疲劳现象。 弹性比功：又称弹性应变能密度，指金属吸收变形功不发生永久变形的能力，是开始塑性变形前单位体积金属所能吸收的最大弹性变形功。 二、填空题 1、低碳钢在拉伸过程中的变形阶段？ 答：变形阶段：弹性变形→屈服变形→均匀塑性变形→不均匀集中塑性变形 2、高分子材料塑性变形的机理是什么？ 答：高分子材料的塑性变形机理因其状态的不同而异，结晶态高分子材料的塑性变形由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程；非晶态高分子材料的塑性变形有两种方式，即在正应力作用下形成银纹或在切应力作用下无取向分子链局部转变为排列的纤维束3、高分子材料屈服与金属材料屈服有何不同？ 答：高分子材料的屈服与金属屈服的不同：①高分子材料与金属材料有着不同的屈服现象；②高分子材料的应力-应变曲线不仅依赖于时间和温度，海依赖于其他因素；③高分子的屈服点很难给以确切的定义，通常把拉伸曲线上出现的最大应力点定义为屈服点，其对应的应变约为5%-10%，如无极大值的出现，则其应变2%处的应力为屈服点。 4、试述韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么说脆性断裂最危险？ 答：韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观的断裂过程，韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，且其断口能用肉眼或放大镜观察。脆性断裂是材料断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程。因而脆性断裂具有很大的危险性。 5、缺口试样的三个效应 答：①缺口能造成应力应变集中；②缺口改变了缺口前方的应力状态，使平板中材料所受的应力由原来的单向拉伸变为两向或三向拉伸；③在有缺口的条件下，由于出现了三向应力，试样的屈服应力比单向拉伸时要高，即产生了缺口强化现象，使材料的塑性得到强化。 6、如何理解塑性材料“缺口强化”现象？ 答：缺口强化纯粹是由于三向应力约束了材料塑性变形所致，材料本身的δs值并未发生变化，我们不能把缺口强化看做是强化材料的一种手段。 7、试比较布氏硬度与维氏硬度试验原理的异同？ 答：维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相似，都是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值的。所不同的是维氏硬度试验所用的压头是两相对面夹角α为136°的金刚石四棱锥体，而布氏硬度的压头是直径为D的淬火钢球或硬质合金钢球。 8、试说明低温脆性的物理本质？ 答：低温脆性的物理本质：当实验温度t 材料性能学 第一章材料单向静拉伸的力学性能 一、名词解释。 1.工程应力:载荷除以试件的原始截面积即得工程应力σ，σ=F／A0。 2.工程应变：伸长量除以原始标距长度即得工程应变ε，ε=Δl／l0。 3.弹性模数：产生100％弹性变形所需的应力。 4.比弹性模数（比模数、比刚度）：指材料的弹性模数与其单位体积质量的比值。（一般适用于航空业） 5.比例极限σp：保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力，即在拉伸应力—应变曲线上开始偏离直线时的应力值。 6.弹性极限σe：弹性变形过渡到弹-塑性变形（屈服变形）时的应力。 7.规定非比例伸长应力σp：即试验时非比例伸长达到原始标距长度(L0)规定的百分比时的应力。 8.弹性比功(弹性比能或应变比能) a e: 弹性变形过程中吸收变形功的能力，一般用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功来表示。 9.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。 10.粘弹性：是指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。 11.伪弹性：是指在一定的温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅的弹性变形的现象。 12.包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形（1-4%），然后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。 13.内耗：弹性滞后使加载时材料吸收的弹性变形能大于卸载时所释放的弹性变形能，即部分能量被材料吸收。（弹性滞后环的面积） 14.滑移：金属材料在切应力作用下,正应力在某面上的切应力达到临界切应力产生的塑变,即沿一定的晶面和晶向进行的切变。 15.孪生：晶体受切应力作用后,沿一定的晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)在一个区域内连续性的顺序切变,使晶体仿佛产生扭折现象。 16.塑性：是指材料断裂前产生塑性变形的能力。 17.超塑性：在一定条件下，呈现非常大的伸长率(约1000％)，而不发生缩颈和断裂的现象。 18.韧性断裂：材料断裂前及断裂过程中产生明显的塑性变形的断裂过程。 19.脆性断裂：材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程。 20.剪切断裂：材料在切应力的作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。 21.解理断裂：在正应力的作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。 22.韧性：是材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 23.银纹：聚合物材料在张应力作用下表面或内部出现的垂直于应力方向的裂隙。当光线照射到裂隙面的入射角超过临界角时，裂隙因全反射而呈银色。 24.河流花样：在电子显微镜中解理台阶呈现出形似地球上的河流状形貌，故名河流状花样。 25.解理台阶：解理断裂断口形貌中不同高度的解理面之间存在台阶称为解理台阶。 26.韧窝：微孔聚集形断裂后的微观断口。 27.理论断裂强度：在外加正应力作用下，将晶体中的两个原子面沿着垂直于外力方向拉断所需的应力称为理论断裂强度。 28.真实断裂强度：用单向静拉伸时的实际断裂拉伸力Fk除以试样最终断裂截面积Ak所得应力值。 29.静力韧度：通常将静拉伸的σ——ε曲线下所包围的面积减去试样断裂前吸收的弹性能。 二、填空题。 1. 整个拉伸过程的变形可分为弹性变形，屈服变形，均匀塑性变形，不均匀集中塑性变形四个阶段。 2. 材料产生弹性变形的本质是由于构成材料原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反应。 3. 在工程中弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。 第一章材料的弹性变形 一、填空题： 1.金属材料的力学性能是指在载荷作用下其抵抗变形或断裂 的能力。 2. 低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。 3. 线性无定形高聚物的三种力学状态是玻璃态、高弹态、粘流态，它们的基本运动单元相应是链节或侧基、链段、大分子链，它们相应是塑料、橡胶、流动树脂（胶粘剂的使用状态。 二、名词解释 1.弹性变形：去除外力，物体恢复原形状。弹性变形是可逆的 2.弹性模量： 拉伸时σ=EεE：弹性模量（杨氏模数） 切变时τ=GγG：切变模量 3.虎克定律：在弹性变形阶段，应力和应变间的关系为线性关系。 4.弹性比功 定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，又称为弹性比能或应变比能，表示材料的弹性好坏。 。 三、简答： 1．金属材料、陶瓷、高分子弹性变形的本质。 答：金属和陶瓷材料的弹性变形主要是指其中的原子偏离平衡位置所作的微小的位移，这部分位移在撤除外力后可以恢复为0。对高分子材料弹性变形在玻璃态时主要是指键角键长的微小变化，而在高弹态则是由于分子链的构型发生变化，由链段移动引起，这时弹性变形可以很大。 2．非理想弹性的概念及种类。 答：非理想弹性是应力、应变不同时响应的弹性变形，是与时间有关的弹性变形。表现为应力应变不同步，应力和应变的关系不是单值关系。种类主要包括 滞弹性，粘弹性，伪弹性和包申格效应。 3．什么是高分子材料强度和模数的时-温等效原理? 答：高分子材料的强度和模数强烈的依赖于温度和加载速率。加载速率一定时，随温度的升高，高分子材料的会从玻璃态到高弹态再到粘流态变化，其强度和模数降低；而在温度一定时，玻璃态的高聚物又会随着加载速率的降低，加载时间的加长，同样出现从玻璃态到高弹态再到粘流态的变化，其强度和模数降低。时间和温度对材料的强度和模数起着相同作用称为时=温等效原理。 四、计算题： 气孔率对陶瓷弹性模量的影响用下式表示：E=E0 (1—+ E0为无气孔时的弹性模量；P为气孔率，适用于P≤50 %。370= E0 (1—×+×则E0= Gpa 260= (1—×P+×P2) P= 其孔隙度为%。 五、综合问答 1.不同材料（金属材料、陶瓷材料、高分子材料）的弹性模量主要受什么因素影响? 答：金属材料的弹性模量主要受键合方式、原子结构以及温度影响，也就是原子之间的相互作用力。化学成分、微观组织和加载速率对其影响不大。 陶瓷材料的弹性模量受强的离子键和共价键影响，弹性模量很大，另外，其弹性模量还和构成相的种类、粒度、分布、比例及气孔率有关，即与成型工艺密切相关。 高分子聚合物的弹性模量除了和其键和方式有关外，还与温度和时间有密切的关系（时-温等效原理）。 （综合分析的话，每一条需展开）。 第二章材料的塑性变形 一、填空题 1．金属塑性的指标主要有伸长率和断面收缩率两种。 16.简述金属固态扩散的条件。 答：⑴扩散要有驱动力——热力学条件，化学势梯度、温度、应力、电场等。 ⑵扩散原子与基体有固溶性——前提条件；⑶足够高温度——动力学条件；⑷足够长的时间——宏观迁移的动力学条件 17. 何为成分过冷？它对固溶体合金凝固时的生长形貌有何影响？ 答：成分过冷：在合金的凝固过程中，虽然实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生了变化，改变了液相的凝固点，此时过冷由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定，这种过冷称为成分过冷。成分过冷区的形成在液固界面前沿产生了类似负温度梯度的区域，使液固界面变得不稳定。当成分过冷区较窄时，液固界面的不稳定程度较小，界面上偶然突出部分只能稍微超前生长，使固溶体的生长形态为不规则胞状、伸长胞状或规则胞状；当成分过冷区较宽时，液固界面的不稳定程度较大，界面上偶然突出部分较快超前生长，使固溶体的生长形态为胞状树枝或树枝状。所以成分过冷是造成固溶体合金在非平衡凝固时按胞状或树枝状生长的主要原因。 18. 为什么间隙固溶体只能是有限固溶体，而置换固溶体可能是无限固溶体？ 答：这是因为当溶质原子溶入溶剂后，会使溶剂产生点阵畸变，引起点阵畸变能增加，体系能量升高。间隙固溶体中，溶质原子位于点阵的间隙中，产生的点阵畸变大，体系能量升高得多；随着溶质溶入量的增加，体系能量升高到一定程度后，溶剂点阵就会变得不稳定，于是溶质原子便不能再继续溶解，所以间隙固溶体只能是有限固溶体。而置换固溶体中，溶质原子位于溶剂点阵的阵点上，产生的点阵畸变较小；溶质和溶剂原子尺寸差别越小，点阵畸变越小，固溶度就越大；如果溶质与溶剂原子尺寸接近，同时晶体结构相同，电子浓度和电负性都有利的情况下，就有可能形成无限固溶体。 19. 在液固相界面前沿液体处于正温度梯度条件下，纯金属凝固时界面形貌如何？同样条件下，单相 固溶体合金凝固的形貌又如何？分析原因 答：正的温度梯度指的是随着离开液—固界面的距离Z 的增大，液相温度T 随之升高的情况，即0>dZ dT 。在这种条件下，纯金属晶体的生长以接近平面状向前推移，这是由于温度梯度是正的，当界面上偶尔有凸起部分而伸入温度较高的液体中时，它的生长速度就会减慢甚至停止，周围部分的过冷度较凸起部分大，从而赶上来，使凸起部分消失，这种过程使液—固界面保持稳定的平面形状。固溶体合金凝固时会产生成分过冷，在液体处于正的温度梯度下，相界面前沿的成分过冷区呈现月牙形，其大小与很多因素有关。此时，成分过冷区的特性与纯金属在负的温度梯度下的热过冷非常相似。可以按液固相界面前沿过冷区的大小分三种情况讨论：⑴当无成分过冷区或成分过冷区较小时，界面不可能出现较大的凸起，此时平界面是稳定的，合金以平面状生长，形成平面晶。⑵当成分过冷区稍大时，这时界面上凸起的尖部将获得一定的过冷度，从而促进了凸起进一步向液体深处生长，考虑到界面的力学平衡关系，平界面变得不稳定，合金以胞状生长，形成胞状晶或胞状组织。⑶当成分过冷区较大时，平界面变得更加不稳定，界面上的凸起将以较快速度向液体深处生长，形成一次轴，同时在一次轴的侧向形成二次轴，以此类推，因此合金以树枝状生长，最终形成树枝晶。 20. 纯金属晶体中主要的点缺陷类型是什么？试述它们可能产生的途径？ 答：纯金属晶体中，点缺陷的主要类型是空位、间隙原子、空位对及空位与间隙原子对等。产生的途径：⑴依靠热振动使原子脱离正常点阵位置而产生。空位、间隙原子或空位与间隙原子对都可由热激活而形成。这种缺陷受热的控制，它的浓度依赖于温度，随温度升高，其平衡态的浓度亦增高。⑵冷加工时由于位错间有交互作用。在适当条件下，位错交互作用的结果能产生点缺陷，如带割阶的位错运动会放出空位。⑶辐照。高能粒子（中子、α粒子、高速电子）轰击金属晶体时，点阵中的原子由于粒子轰击而离开原来位置，产生空位或间隙原子。 21. 简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力，并如何区分冷热加工？动态再结晶与静态再结晶后的组 织结构的主要区别是什么？ 答：一次再结晶的驱动力是基体的弹性畸变能，而二次再结晶的驱动力是来自界面能的降低。再结晶温 《工程材料力学性能》（第二版）课后答案 第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能 一、解释下列名词 滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。 弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。 比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。 包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(ζP) 或屈服强度(ζS)增加；反向加载时弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS) 降低的现象。 解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。 解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。 韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。 二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能? 答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。 三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义? 答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。 包辛格效应可以用位错理论解释。第一，在原先加载变形时，位错源在滑移 《材料科学基础》试题库 一、选择 1、在柯肯达尔效应中，标记漂移主要原因是扩散偶中 __C___。 A、两组元的原子尺寸不同 B、仅一组元的扩散 C、两组元的扩散速率不同 2、在二元系合金相图中，计算两相相对量的杠杆法则只能用于 __B___。 A、单相区中 B、两相区中 C、三相平平线上 3、铸铁与碳钢的区别在于有无 _A____。 A、莱氏体 B、珠光体 C、铁素体 4、原子扩散的驱动力是 _B____。 A、组元的浓度梯度 B、组元的化学势梯度 C、温度梯度 5、在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为 __C___。 A、原子互换机制 B、间隙机制 C、空位机制 6、在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为 _B____。 A、肖脱基缺陷 B、弗兰克尔缺陷 C、线缺陷 7、理想密排六方结构金属的c/a为 __A___。 A、1.6 B、2×√(2/3) C、√(2/3) 8、在三元系相图中，三相区的等温截面都是一个连接的三角形，其顶点触及 __A___。 A、单相区 B、两相区 C、三相区 9、有效分配系数Ke表示液相的混合程度，其值围是 _____。（其中Ko是平衡分配系数） A、1 第一章 1、 力—伸长曲线和应力—应变曲线，真应力—真应变曲线 在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形及不均匀集中塑性变形4个阶段 将力—伸长曲线的纵，横坐标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积Ao 和原始标距长度Lo 相除，则得到与力—伸长曲线形状相似的应力（σ=F/Ao ）—应变（ε=ΔL/Lo ）曲线 比例极限σp ， 弹性极限σe ， 屈服点σs ， 抗拉强度σb 如果以瞬时截面积A 除其相应的拉伸力F ，则可得到瞬时的真应力S （S ＝F/A)。同样，当拉伸力F 有一增量dF 时，试样瞬时长度L 的基础上变为L ＋dL ，于是应变的微分增量应是de ＝dL / L ，则试棒自L 0伸长至L 后，总的应变量为： 式中的e 为真应变。于是，工程应变和真应变之间的关系为 2、 弹性模数 在应力应变关系的意义上，当应变为一个单位时，弹性模数在数值上等于弹性应力，即弹性模数是产生100%弹性变形所需的应力。在工程中弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。 比弹性模数是指材料的弹性模数与其单位体积质量（密度）的比值，也称为比模数或比刚度 3、 影响弹性模数的因素①键合方式和原子结构（不大）②晶体结构（较大）③ 化学成分 （间隙大于固溶）④微观组织（不大）⑤温度（很大）⑥加载条件和负荷持续时间（不大） 4、 比例极限和弹性极限 比例极限σp 是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力，即在拉伸应力－应变曲线上开始偏离直线时的应力值。 弹性极限σe 试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力值 5、 弹性比功又称为弹性比能或应变比能，用a e 表示，是材料在弹性变形过程中吸收变形功 的能力。一般可用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示。 6、 根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点，弹性可以分为理想弹性（完全弹 性）和非理想弹性（弹性不完整性）两类。 对于理想弹性材料，在外载荷作用下，应力和应变服从虎克定律σ＝M ε，并同时满足3个条件，即：应变对于应力的响应是线性的；应力和应变同相位；应变是应力的单值函数。 材料的非理想弹性行为大致可以分为滞弹性、粘弹性、伪弹性及包申格效应等类型。 00ln 0L L L dL de e L e L ===??)1ln(ln 0ε+==L L e 湖南大学材料性能学作业+习题标准答案 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 第二章作业题 1应力状态软性系数：按“最大切应力理论”计算的最大切应力与按“相当最大正应力理论”计算的最大正应力的比值。 2缺口效应：截面的急剧变化产生缺口，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生缺口效应，影响金属材料的 力学性能。 3 布氏硬度：用一定直径的硬质合金球做压头，施以一定的试 验力，将其压入试样表面，经规定保持时间后卸除，试样表面残留 压痕。HBW通过压痕平均直径求得。 4 洛氏硬度：洛氏硬度以测量压痕深度标识材料的硬度。HR＝ (k-h)/0.002. 二、脆性材料的抗压强度 扭转屈服点 缺口试样的抗拉强度 NSR：缺口敏感度，为缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值。 HBS:用钢球材料的球压头表示洛氏硬度。 HRC:用金刚石圆锥压头表示的洛氏硬度。 三、试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围 1单向拉伸 特点：温度、应力状态和加载速率是确定的，且常用标准的光滑圆柱试样进行试验。 应用范围：一般是用于那些塑性变形抗力与切断强度较低的所谓塑性材料试验。 2压缩试验 特点：单向压缩试验的应力状态系数＝2，比拉伸，弯曲，扭转的应力状态都软，拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂。 应用范围：拉伸时呈脆性的金属材料的力学性能测定。如果产生明显屈服，还可以测定压缩屈服点。 3弯曲试验 特点：试样形状简单，操作方便，弯曲试样应力分布不均匀，表面最大，中心为零。可较灵敏的反映材料表面缺陷。 应用范围：对于承受弯曲载荷的机件，测定其力学性能。 4扭转试验 特点：1扭转的应力状态软性系数＝0.8，比拉伸时大，易于显示金属的塑性行为。2圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有颈缩现象，所以能实现大塑性变形量下的试验。3能较敏感的反映出金属表面缺陷及硬化层的性能。4扭转时试样中的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等，而生产上所使用的大部分金属材料的正断强度大于切断强度，所以，扭转试验是测定这些材料切断最可靠的办法。 应用范围：研究金属在热加工条件下的流变性能与断裂性能，评定材料的热压力加工性；研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。 四、缺口拉伸时应力分布有何特点 第七章回复再结晶，还有相图的容。 第一章 1.作图表示立方晶体的()()()421,210,123晶面及[][ ][]346,112,021晶向。 2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向[][][][][]0121,0211,0110,0112,0001等。 3.写出立方晶体中晶面族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶面。 4.镁的原子堆积密度和所有hcp 金属一样，为0.74。试求镁单位晶胞的体积。已知Mg 的密度3 Mg/m 74.1=mg ρ，相对原子质量为24.31，原子半径r=0.161nm 。 5.当CN=6时+Na 离子半径为0.097nm ，试问： 1) 当CN=4时，其半径为多少？2) 当CN=8时，其半径为多少？ 6. 试问：在铜（fcc,a=0.361nm ）的<100>方向及铁(bcc,a=0.286nm)的<100>方向,原子的线密度为多少？ 7.镍为面心立方结构，其原子半径为nm 1246.0=Ni r 。试确定在镍的 （100），（110）及（111）平面上12mm 中各有多少个原子。 8. 石英()2SiO 的密度为2.653Mg/m 。试问： 1) 13 m 中有多少个硅原子（与氧原子）？ 2) 当硅与氧的半径分别为0.038nm 与0.114nm 时，其堆积密度为多少（假设原子是球形的）？ 9.在800℃时1010个原子中有一个原子具有足够能量可在固体移动， 而在900℃时910个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/原子）。 10.若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J ）。 11.设图1-18所示的立方晶体的滑移面ABCD 平行于晶体的上、下底面。若该滑移面上有一正方形位错环，如果位错环的各段分别与滑移面各边平行，其柏氏矢量b ∥AB 。 1) 有人认为“此位错环运动移出晶体后，滑移面上产生的滑移台阶应为4个b ,试问这种看法是否正确？为什么？ 2)指出位错环上各段位错线的类型，并画出位错运动出晶体后，滑移方向及滑移量。 12.设图1-19所示立方晶体中的滑移面ABCD 平行于晶体的上、下底面。晶体中有一条位错线de fed ,段在滑移面上并平行AB ，ef 段与滑材料性能学作业 (2)
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