材料性能期中答案

1、What is the definition for Materials Properties （MP ）?How do we classify materials properties?And please list some classification for MP.(材料特性（MP ）的定义是什么？我们如何分类材料特性，请列出一些MP 的分类。)

答：MP ：Materials ’Response to External Stimulus.

材料性能：材料在给定的外界条件下的行为。

怎样分类：根据材料对外界刺激做出的响应的类型进行分类。

分类：复杂性能（使用性能，工艺性能，复合性能）

化学性能（抗渗入性，耐腐蚀性等）

力学性能（刚度强度韧性等）

物理性能（热学光学磁学电学性能） 2. What is the core relationship between materials science and engineering? In order to obtain desired materials properties, what should we consider first to do with the materials? （材料科学与工程的核心是什么关系？为了获得所需的材料性能，我们应该首先考虑的材料的什么？） 答：材料科学与工程学的核心关系是性能（课件上面那个三角形的图）

为了提高对于材料性能的期望，我们首先要研究材料的结构与性能的关系，即研究材料学。

3. What is the most determinant for Materials mechanical properties? Why?（材料力学性能的决定因素是什么？为什么呢？）

答：材料的力学性能主要指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能，影响材料力学性能的最重要的因素是材料的结构。这些结构包括：subatomic-atomic-molecular-nano-micro-macro.由于材料的结构决定了材料的屈服强度，塑性韧性，刚度等性质，所以材料的结构对材料的力学性能影响最大。

4. what is strength of materials? Please try to identify the difference yield strength ,tensile strength ,fatigue strength and theoretical fracture strength? （材料的强度是什么？请尝试找出屈服强度，拉伸强度，疲劳强度和理论断裂强度的差异？）(中文ppt)

材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力就是材料的强度。

屈服强度代表材料开始产生明显塑性变形的抗力

疲劳强度是材料在承受大小和方向同时间做周期性变化的交变应力时，往往在远小于强度极限甚至小于屈服极限的应力作用下就发生断裂。

理论断裂强度是无缺陷材料的理论预测值，

其中E 为杨氏模量，为解理面的表面能，a 为材料内部原子间的距离

5.Please describe yielding phenomena for materials, and its practical/engineering meaning. As long as there are no yielding phenomena for some materials, how do we determine the yield

strength? （请描述为材料的屈服现象(书上p16)，其实际/工程意义。有一些材料没有屈服现象，我们如何确定的屈服强度？）

屈服现象是材料开始产生明显塑性变形的标志，对应图中bd 段，

2

1)(a E c s γσ≈

屈服强度的工程意义

（1 )作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据。传统的强度设计：塑性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=σys/n ，安全系数n 一般取2或更大：脆性材料：以抗拉强度为标准，规定许用应力[σ]=σb/n ，安全系数n 一般取6。

(2) 根据屈强比的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工的参考依据。

(3) 在工程上也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如材料屈服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。 因此，屈服强度是材料性能中不可缺少的重要指标。

中高碳钢、无屈服点，国家标准，以产生一定的微量塑性变形的抗力的极限应力值来表示。

6、What is Fracture toughness ? Is it dependent on crack size, shape as well as magnitude of applied stress ? How do we need to reduce the risk of low stress brittle fracture?（断裂韧性是什么？它是依赖于裂纹的大小，形状或施加应力的大小？我们需要减少低应力脆性断裂的风险时该怎么做？）

答：对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y 值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI 增大到某一值时：C C IC I a Y K K σ=≥就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用IC K 表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。

IC K 可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。而KI 是仅力学参量（外加应力、尺寸位置、裂纹类型）！ＫI 线弹性力学参量。 当KI>KIC 时，裂纹失稳扩展，发生脆断。

当KI ＝KIC 时，裂纹处于临界状态。

当KI

KI ——应力场强度因子，a Y K I σ=，故为了减少低应力脆性断裂的风险时可以减小σ或a 。

7、Why is Young ’s modulus a non-sensitive materials mechanical index to microstructure of

materials? What is the most determinant for material’s Young’s modulus?（为什么非敏感材料的微观结构的力学指标是杨氏模量？材料的杨氏模量的决定因素是什么？）

答：本质是：反映了材料内部原子种类及其结合力的大小，组织不敏感的力系指标。

根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模量，它是表征材料性质的一个物理量，仅取决于材料本身的物理性质。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变。

拉伸试验中得到的屈服极限бS和强度极限бb，反映了材料对力的作用的承受能力，而延伸率δ或截面收缩率ψ，反映了材料缩性变形的能力，为了表示材料在弹性范围内抵抗变形的难易程度，在实际工程结构中，材料弹性模量E的意义通常是以零件的刚度体现出来的，这是因为一旦零件按应力设计定型，在弹性变形范围内的服役过程中，是以其所受负荷而产生的变形量来判断其刚度的。一般按引起单位应变的负荷为该零件的刚度，例如，在拉压构件中其刚度为：EA0（式中A0为零件的横截面积）。由上式可见，要想提高零件的刚度EA0，亦即要减少零件的弹性变形，可选用高弹性模量的材料和适当加大承载的横截面积，刚度的重要性在于它决定了零件服役时稳定性，对细长杆件和薄壁构件尤为重要。因此，构件的理论分析和设计计算来说，弹性模量E是经常要用到的一个重要力学性能指标。

它只与材料的化学成分有关，与其组织变化无关，与热处理状态无关。各种钢的弹性模量差别很小，金属合金化对其弹性模量影响也很小。

8、What is a typical relation between an impact toughness and temperature for steel? What is the transition temperature Tk ,and how do we determine it? Which one ,A or B as shown the below ,is better in terms of low temperature fracture failure? Why?（钢的冲击韧性和温度之间的典型关系是什么呢？什么是转变温度TK，我们如何确定？下面的A和B哪一个是更好的低温断裂失效？为什么？）

答：钢的冲击韧性会因温度的降低而减小，在某一温度范围内，ak会由于温度降低而急剧下降并引起脆性破坏现象，成为冷脆现象。

温度降低时金属材料由韧性状态变化为脆性状态的温度区域叫做脆性转变温度。

我们评定脆性转变温度的方法有：

1、断口形貌特征：在这种类型时，使用得最多的是称为断口形貌转化温度FATT ，是根据断口上出现50%纤维状的韧性断口和50%结晶状态的脆性断口作标准。和静拉伸断口一样，冲击试样断口一般也存在三个区域

2、能量标准 以某一固定能量来确定脆化温度

3、断口的变形特征 将缺口试样冲断时，缺口的一侧收缩，另一侧膨胀，测量两侧面的变长，以边长差值为0.38作为冷脆转化温度。A 比B 不容易低温断裂，因为A 的最大冲击值比B 大且A 的脆性转变温度比B 要小，因此A 的抗冷脆能力断口呈暗灰色的纤维状比B 大。

9、What is difference in characteristics between ductile fracture and brittle?Why the latter is more risky in practice?（韧性和脆性断裂特征之间的差异是什么？为什么在实践中，后者更危险的呢？）

答：韧性断裂：韧性断裂在断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状，微观上断口以微孔聚合机制形成，断裂过程为：颈缩-最大轴向拉应力位于试样中心-开始产生微孔-继而长大和聚合-中心裂纹-沿着垂直于拉力轴的方向伸展-到试样边缘以大约和轴向成45°平面剪切断开；

脆性断裂：而脆性断裂在断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光良的结晶状。特征有： 脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力往往低于材料的屈服极限，一般都发生在较低温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温一下20°，脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的1/3，发生断裂的裂纹源是勾践中的应力集中处。 10、Describe the definition of soft coefficient of stress, and its engineering importance! What is the value of soft coefficient of stress for tensile , torsional and compressive loading services respectively? （描述的压力软化系数及其工程重要性的定义！软的压力系数分别为拉伸，扭转和压缩载荷服务的价值是什么？）

答：soft coefficient of stress : According the above-mentioned strength theory ：

σmax = σ1-v (σ2+σ3)

τ max =(σ 1-σ3)/2

Then:

工程意义：Where, a 应力状态软性系数。其值越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易产生塑性变形；反之，越小，表示应力状态越硬，材料容易产生脆性断裂。 不同的静载试验方法，具有不同的状态应力系数。

塑性变形和断裂（韧性和脆性）是金属材料在静荷作用下失效的主要方式，同一种材料，由于受载方式不同（即所受的状态应力状态不同），其破坏方式断裂方式也不同。 当f>τs 发生塑性变形（即临界切应力）

当f>τk 发生塑性变形并切断

当f>σk 产生正断

其中τs,τk,σk 是常数

可见，研究材料的应力状态软系数是及其重要的

压缩：压缩试验的特点：①a=2，应力状态软，所以主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能测定。②脆性材料压缩时除能产生一定的塑性变形外，常沿轴线45°断裂，具有切断特征。③塑性材料，只能压扁不能压破，试验只能测得弹性模数、比例极限和弹性极限等指标，而不能测得压缩强度极限。

材料在扭转时的力学性能(Torsional deformation) ：扭转试验时材料的应力状态为纯剪切，切应力分布在纵向与横向两个垂直的截面内，而主应力σ1和σ3与纵轴成45°,并在数值上等

)]

([232131max max σσνσσσστ+--==a

于切应力。σ1为拉应力，σ3为等值压应力，σ1 = -σ3=σ σ2=0 .

沿着横截面断裂（切应力引起）－切断(塑性)

断口呈螺旋状与纵轴成45°断裂（最大正应力引起）－脆性断裂

扭转应力状态系数较拉伸应力状态系数高，故可以用来测定那些在拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性.

11. Based on the following graph, would you please explain what the main influencing factors for metals’ resistivity are? Why?（基于如下图所示，请你解释一下什么金属的电阻率的主要影响因素是？为什么呢？）

答:The resistivity ρ is defined by scattering events due to the i mperfections and thermal vibrations. Total resistivity ρtot can be described by the Matthiessen rule:

ρtotal = ρthermal+ρimpurity+ρdeformation

ρthermal - from thermal vibrations, ρimpurity –from impurities, ρdeformation - from deformation-induced defects

(1)温度对金属导电性的影响：金属电阻率随温度升高而增大。尽管温度对有效电子数和电子平均速度几乎没有影响，然而温度升高会使晶格振动加剧，瞬间偏离平衡位置的原子数增加，使电子运动的自由程减小，散射几率增加而导致电阻率增大。

(2)冷塑性变形与应力：冷加工变形引起金属电阻率增大的原因有：一是冷加工变形使晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，特别是空位浓度的增加，造成点阵电场的不均匀而加剧对电子散射的结果；其次是冷加工变形使原子间距有所改变，也会对电阻率产生一定影响。若对冷加工变形的金属进行退火，使它产生回复和再结晶，则电阻率下降。主要原因是退火可以降低点缺陷浓度，而再结晶过程可消除变形造成的点阵畸变和晶体缺陷，所以使电阻率下降，恢复到变形前的水平。

(3)合金化或杂质：合金元素和相结构对金属导电性的影响：纯金属的导电性与其在元素周期表中的位置有关，这是由不同的能带结构决定的。合金的导电性则表现得更为复杂，这是因为金属中加入合金元素后，异类原子将引起点阵畸变，组元间相互作用引起有效电子数和能带结构的变化，以及合金组织结构的变化等，这些因素都会对合金的导电性产生明显的影响。在纯金属是加入其他元素，可能会形成固溶体，也可能形成新相。这二种情况下，合金电阻率随其他元素的加入呈现完全不同的变化规律。

①固溶体的导电性

如果第二组元或杂质原子以代位或间隙原子的形式形成固溶体，会导致电阻率明显升

高。固溶体电阻率比纯金属高的主要原因是固溶原子破坏了纯金属自身晶格势场的周期性，从而增加了电子的散射几率，使电阻率增大。同时由于固溶体组元间化学相互作用( 能带、电子云分布等) 的加强使有效电子数减少，也会造成电阻率的增高。

②有序固溶体的导电性

第二组元金属溶入基体金属中，如果形成有序固溶体，对电阻率的影响体现在两个方面。

其一是：固溶体有序化后，其合金组元化学作用加强，电子结合比无序固溶体增强，导致导电电子数减少而合金的剩余电阻增加；另一方面，固溶体有序化后，晶体的离子电场恢复周期性，从而减少电子的散射，因此使电阻降低。通常情况下，第二个因素占优势，因此有序化后，合金的电阻总体上是降低

12.Why resistance of metal increases usually with increased temperature, whereas the relation seems to be opposite for semiconductor? Do you think there is any difference in impurity effect

on resistivity of metals and semiconductors?（为什么金属的电阻增加通常随着温度的增加，而关系似乎是用于半导体相反？你觉得有什么不同的金属和半导体中的杂质对电阻率的影响呢？）

金属电阻率随温度升高而增大，尽管温度对有效电子数和电子平均速度激几乎没有影响，然而温度升高会使离子震动加剧，热振动幅度加大，原子的无序度增大，周期势场的涨落也增加。这些因素使得电子运动的自由程减少，散射几率增加而导致电阻增加。

，半导体材料的电阻随温度升高而降低，是由于温度升高，

使得电子动能增加造成半导体材料中自由电子和空穴数目增加，促使电阻下降。

。

杂质对金属的影响：

半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产加的杂质能级。杂质

能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载流子。这种能提供电子载流子的杂质称为施主，相应能级称为施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是杂质能级，通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上填补这个空位，使杂质原子成为负离子。

存在受主杂质时，在价带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导体情形要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小，半导体热敏电阻和光敏电阻就是根据此原理制成的。

13.What is band theory for materials? According to it, how can you determine the band gap of a semiconductor?（材料的能带理论是什么？据其介绍，你怎么能确定半导体的带隙？）

答：能带理论（Energy band theory ）是讨论晶体（包括金属、绝缘体和半导体的晶体）中电子的状态及其运动的一种重要的近似理论。它把晶体中每个电子的运动看成是独立的在一个等效势场中的运动，即是单电子近似的理论；对于晶体中的价电子而言，等效势场包括原子实的势场、其他价电子的平均势场和考虑电子波函数反对称而带来的交换作用，是一种晶体周期性的势场。

对一个本征半导体而言，其导电性与能隙的大小有关，只有获得足够能量的电子才能从价带被激发，跨过能隙并跃迁至传导带。利用费米-狄拉克统计可以得到电子占据某个能阶E0的机率。又假设E0 > EF，EF是所谓的费米能阶，电子占据E0的机率可以利用波兹曼近似简化为：E0=exp[-E/(kT)]

在上式中，E是能隙的宽度、k是波兹曼常数，而T则是温度。