材料性能学
【材料性能学】FH0-绪论-材料性能学
工艺（加工）性能： 铸，锻，焊，热处理，机加工等。
二、本课程主要内容？ （一）《材料性能学》的研究对象
1.材料 金属材料 无机非金属
（陶瓷） 高分子材料
3.两种结构因素
2.性能 力学性能 变形、断裂过程， 强度、塑性与韧性等。 物理性能（化学性能） 热、光、电、磁、老化
了解材料性能测试原理、方法及其相关仪器设备。 培养合理选材、用材、开发新材料的基本技能。
(三)《材料性能学》的研究方法
相互验证
经验法
机理法
(三)《材料性能学》的研究方法
基本概念√
围
绕
物理本质√
一
个
影响因素（性能改进）
主 线
工程意义√
指标的测试及应用
(四）本课程主要内容
第一部分 材料的力学性能
一、《材料性能学》的意义
3.该课程是专业学位（必修）课， 是工程应用、理论研究的基础。
☺材料性能的分类：
性能property：
材料的固有性能
物理 化学（抗氧化性，耐蚀等）， 力学（σs，σb，δ等）性能
使用性（效）能performance：
材料性能property在工作状态下的表观：
王吉会《材料力学性能》《材料物理性能》，
天津大学出版社，2006年。
宁青菊《无机材料物理性能》化学工业出版社2006年。
傅政 《高分子材料强度及破坏行为》，
化学工业出版社， 2005年 。
考核： 平时成绩占20% 上课：出勤率、听课情况、交流与沟通； 作业：态度、完成情况； 期末考试占80% （开、闭卷结合） 闭卷：基本概念、基础理论； 开卷：综合分析、应用、计算。
材料性能学
材料性能学材料性能学是材料科学的一个重要分支领域，研究材料的性能与结构之间的关系。
材料性能包括力学性能、热学性能、电学性能、磁学性能、光学性能等多个方面。
材料性能的优劣直接影响材料的应用范围和效果。
力学性能是材料性能学的重要内容之一，涉及材料的强度、硬度、韧性、耐磨性等指标。
力学性能的研究可以通过各种试验方法来获得。
常见的试验包括拉伸试验、冲击试验、硬度试验等。
力学性能的好坏决定了材料在受力领域的应用范围，优秀的力学性能可以使材料承受更大的载荷，具有很好的抗疲劳和耐磨损能力。
热学性能是材料在热环境下的性能表现，主要包括热导率、热膨胀系数、热稳定性等指标。
热学性能的研究对于材料在高温、低温环境下的应用具有重要意义。
例如，高导热材料可以应用于散热器、热交换器等领域，而低热膨胀系数的材料则适用于高精度仪器、光学设备等需要保持稳定尺寸的领域。
电学性能是材料导电性能的表现，主要包括电导率、介电常数、电阻率等指标。
电学性能是材料应用于电子、电力工程等领域的基础。
例如，电导率高的材料可以用作导线、电极等；而具有高介电常数的材料适用于电容器、绝缘材料等。
磁学性能是材料在磁场中的性能表现，主要包括磁导率、磁饱和强度、磁滞损耗等指标。
材料的磁学性能在电子、通信、磁存储等领域有广泛应用。
例如，磁导率高的材料可以用于制造电感器件、变压器等。
光学性能是材料在光学领域的表现，主要包括透光性、折射率、反射率等指标。
材料的光学性能对于光学器件、光学传感器等的设计和制造非常重要。
例如，透明度高的材料可以用于玻璃、光电子器件等；而具有特定折射率的材料可以用于制造透镜、光纤等。
综上所述，材料性能学研究材料的力学性能、热学性能、电学性能、磁学性能、光学性能等多个方面。
材料性能的好坏直接影响材料的应用范围和效果。
在材料设计和应用领域中，常常需要从以上多个方面综合考虑，选择合适的材料。
材料性能学
说 明：
本课程对很多公式（方程）和结论的推导过程 不着重讲解，着重点放在讲述各种参数的来源、 物理意义和作用。
参考文献：
1. 无机材料物理性能，关振铎等著，清华大学 出版社，2004.11 2. 材料物理性能，陈树川等著，上海交通大学 出版社 3. 陶瓷材料物理性能，华南工学院、南京化工 学院、清华大学合著 4. Introduction to Ceramics, W.D.Kingery
先修课程 材料力学 基础知识点 应力，应变概念 拉、压、弯、扭、剪、的应力分布 材料科学 基础 相关本课程内容 各种静载力学性能测试 方法及性能指标
金属、陶瓷、聚合物的结构（化学键、 结构对各种性能的影响 晶体结构、非晶体结构、组织结构等） 塑性变形 塑性变形机制
位错理论
普通物理 晶格热振动 电工学（电流、电压、电容、电感基 本概念及安培定律） 光的基本性质（衍射、折射、反射、 干涉、散射等） 气体分子运动论 振动与波基本概念 电磁学基本概念
入射角-折射角
折射率-入射光波 长 入射波能量-反射 反射定律 波能量 光强-入射深度 光强-入射深度 朗伯定律
折射率
色散系数 反射系数 吸收系数 散射系数
四材料性能的微观本质
宏观行为（性能） 弹性变形 塑性变形 粘弹性变形 蠕变 断裂 磨损 吸热（热容） 热膨胀 热传导 磁化（磁性） 微观本质 键合在不破坏条件下的伸缩或旋转（可逆） 晶体的滑移、孪生、扭折；非晶体的黏性流 动（不可逆） 高分子链段的伸展+黏性流动 晶体滑移，晶界滑移，原子扩散 裂纹萌生+裂纹扩展 表面局部塑性变形+断裂 晶格热振动加剧 晶格热振动加剧导致晶格平衡间距加大 晶格热振动传播+自由电子传热 磁距转向
材料性能学实验报告
材料性能学实验报告实验目的本实验旨在研究不同材料的性能特点，包括力学性能、热学性能和电学性能，并通过实验结果分析材料的适用范围和优缺点。
实验材料与设备1. 实验材料：金属(A)、塑料(B)、陶瓷(C)、纸张(D)2. 实验设备：拉力试验机、热导率测试仪、电阻测试仪、显微镜实验方法1. 力学性能测试：使用拉力试验机测定材料的拉伸强度、屈服强度和断裂伸长率。
2. 热学性能测试：使用热导率测试仪测定材料的热导率。
3. 电学性能测试：使用电阻测试仪测定材料的电阻率。
4. 显微镜观察：使用显微镜观察材料的微观结构。
实验结果与分析力学性能测试材料(A)拉伸强度：300 MPa屈服强度：250 MPa断裂伸长率：20%材料(B)拉伸强度：100 MPa屈服强度：80 MPa断裂伸长率：10%材料(C)拉伸强度：500 MPa屈服强度：400 MPa断裂伸长率：5%材料(D)拉伸强度：50 MPa屈服强度：30 MPa断裂伸长率：40%通过力学性能测试结果可以得出以下分析结论：1. 材料(A)的拉伸强度最高，适合用于承受高强度力的场合，如机械零件制造。
2. 材料(B)的断裂伸长率较低，容易发生断裂，因此不适合用于需要抗冲击能力较强的场合。
3. 材料(C)的屈服强度相对较高，但断裂伸长率较低，适用于要求强度较高，但变形要求较小的场合。
4. 材料(D)的断裂伸长率较高，适用于需要具备良好柔韧性的场合，如包装纸张等。
热学性能测试材料(A)热导率：200 W/m·K材料(B)热导率：0.5 W/m·K材料(C)热导率：5 W/m·K材料(D)热导率：0.1 W/m·K通过热学性能测试结果可以得出以下分析结论：1. 材料(A)的热导率最高，适合用于导热性要求较高的场合，如散热器材料。
2. 材料(B)的热导率相对较低，适用于需要隔热性能较好的场合，如绝缘材料。
3. 材料(C)的热导率居中，适用于一般导热需求的场合。
材料性能学名词解释大全
名词解释第一章：弹性比功：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。
包申格效应：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形，而后再同向加载，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。
滞弹性：是材料在加速加载或者卸载后，随时间的延长而产生的附加应变的性能，是应变落后于应力的现象。
粘弹性：是指材料在外力的作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。
内耗：在非理想弹性变形过程中，一部分被材料所吸收的加载变形功。
塑性：材料断裂前产生塑性变形的能力。
韧性：是材料力学性能，是指材料断裂前吸取塑性变形攻和断裂功的能力。
银纹：是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷，由于它密度低，对光线反射高为银色。
超塑性：材料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。
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，而是突然发生的快速断裂过程。
韧性断裂：是指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。
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。
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。
河流花样：两相互平行但出于不同高度上的解理裂纹，通过次生解理或撕裂的方式相互连接形成台阶，同号台阶相遇变汇合长大，异号台阶相遇则相互抵消。
当台阶足够高时，便形成河流花样。
解理台阶：不能高度解理面之间存在的台阶韧窝：新的微孔在变形带内形核、长大、聚集，当其与已产生的裂纹连接时，裂纹便向前扩展形成纤维区，纤维区所在平面垂直于拉伸应力方向，纤维区的微观断口特征为韧窝。
2 材料的弹性模数主要取决因素：1）键合方式和原子结构2）晶体结构3）化学成分4）微观组织5）温度6）加载方式3决定金属材料屈服强度的因素1）晶体结构2）晶界与亚结构3）溶质元素4）第二相5）温度6）应变速率与应力状态4 金属的应变硬化的实际意义1）在加工方面：利用应变硬化和塑性变形的合理配合，可使金属进行均匀的塑性变形，保证冷变形工艺的顺利实施2）在材料应用方面：应变硬化可以使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件的安全使用。
材料性能学课后习题与解答
绪论1、简答题什么是材料的性能包括哪些方面提示材料的性能定量地反映了材料在给定外界条件下的行为；解：材料的性能是指材料在给定外界条件下所表现出的可定量测量的行为表现;包括错误!力学性能拉、压、、扭、弯、硬、磨、韧、疲错误!物理性能热、光、电、磁错误!化学性能老化、腐蚀;第一章单向静载下力学性能1、名词解释：弹性变形塑性变形弹性极限弹性比功包申格效应弹性模量滞弹性内耗韧性超塑性韧窝解：弹性变形：材料受载后产生变形,卸载后这部分变形消逝,材料恢复到原来的状态的性质;塑性变形：微观结构的相邻部分产生永久性位移,并不引起材料破裂的现象;弹性极限：弹性变形过度到弹-塑性变形屈服变形时的应力;弹性比功：弹性变形过程中吸收变形功的能力;包申格效应：材料预先加载产生少量塑性变形,卸载后再同向加载,规定残余应力弹性极限或屈服强度增加；反向加载,规定残余应力降低的现象;弹性模量：工程上被称为材料的刚度,表征材料对弹性变形的抗力;实质是产生100%弹性变形所需的应力;滞弹性：快速加载或卸载后,材料随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能;内耗：加载时材料吸收的变形功大于卸载是材料释放的变形功,即有部分变形功倍材料吸收,这部分被吸收的功称为材料的内耗;韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力;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;韧窝：微孔聚集形断裂后的微观断口;2、简答1 材料的弹性模量有那些影响因素为什么说它是结构不敏感指标解：错误!键合方式和原子结构,共价键、金属键、离子键E高,分子键E低原子半径大,E小,反之亦然;错误!晶体结构,单晶材料在弹性模量在不同取向上呈各向异性,沿密排面E大,多晶材料为各晶粒的统计平均值；非晶材料各向E同性;错误!化学成分,错误!微观组织错误!温度,温度升高,E下降错误!加载条件、负载时间;对金属、陶瓷类材料的E没有影响;高聚物的E随负载时间延长而降低,发生松弛;2 金属材料应变硬化的概念和实际意义;解：材料进入塑性变形阶段后,随着变形量增大,形变应力不断提高的现象称为应变硬化;意义错误!加工方面,是金属进行均匀的塑性变形,保证冷变形工艺的顺利实施;错误!应用方面,是金属机件具有一定的抗偶然过载能力,保证机件使用安全;错误!对不能进行热处理强化的金属材料进行强化的重要手段;3 高分子材料的塑性变形机理;解：结晶高分子的塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程；非晶高分子材料则是在正应力下形成银纹或在切应力下无取向的分子链局部转变为排列的纤维束的过程;4 拉伸断裂包括几种类型什么是拉伸断口三要素如何具体分析实际构件的断裂提示：参考课件的具体分析实例简单作答解：按宏观塑性变形分为脆性断裂和韧性断裂;按裂纹扩展可分为穿晶断裂和沿晶断裂;按微观断裂机理分为解理断裂和剪切断裂;按作用力分为正断和切断;拉升断口的三要素：纤维区、放射区和剪切唇;对实际构件进行断裂分析首先进行错误!宏观检测：目测构件表面外观；低倍酸洗观察；宏观断面分析;错误!扫描电镜分析错误!X射线能谱分析错误!金相分析错误!硬度及有效硬化层测定; 3、计算： 1 已知钢的杨氏模量为210GPa,问直径,长度120mm 的线材承受450N 载荷时变形量是多少 若采用同样长度的铝材来承受同样的载荷,并且变形量要求也相同,问铝丝直径应为多少E Al =70GPa 若用WE=388 GPa 、钢化玻璃E=345MPa 和尼龙线E=呢解：已知：E=210GPa , d= , 1L =120mm , F=450N ;/F S σ=ε/L L ε∴=∆ 164.5L ∴∆=∴ 2.5Al d mm ==∴ 2.5W d mm =∴ 2.5d d mm ==钢化∴ 2.5d d mm ==尼龙 2 ,直径13mm,实验后将试样对接起来后测量标距81mm,伸长率多少若缩颈处最小直径, 断面收缩率是多少解：已知：050L mm = 013d mm = 81K L mm = 6.9K d mm =∴断后伸长率∴断面收缩率 第二章 其它静载下力学性能 1、名词解释： 应力状态软性系数 剪切弹性模量 抗弯强度 缺口敏感度 硬度解：应力状态软性系数：不同加载条件下材料中最大切应力与正应力的比值;剪切弹性模量：材料在扭转过程中,扭矩与切应变的比值;缺口敏感度：常用试样的抗拉强度与缺口试样的抗拉强度的比值;NSR硬度：表征材料软硬程度的一种性能;一般认为一定体积内材料表面抵抗变形或破裂的能力;2、简答 1 简述硬度测试的类型、原理和优缺点至少回答三种解：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度;布氏硬度：原理是用一定大小的载荷,把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入试样表面,保持规定时间后卸载载荷,测量试样表面的残留压痕直径d,求压痕的表面积;将单位压痕面积承受的平均压力规定为布氏硬度;优点是压痕面积大反映较大区域内各组成相的平均性能,适合灰铸铁、轴承合金测量,实验数据稳定,重复性高;缺点是不宜在成品上直接检验,硬度不同要更换压头直径D和载荷F,压痕直径测量较麻烦;洛氏硬度：原理是通过测量压痕深度值来表示硬度;优点是采用不同的标尺,可以测量各种软硬不同和厚薄不一样的材料的硬度,压痕小,可对工件直接进行检验,操作简便迅速;缺点是压痕小,代表性差,重复性差、分散度大,不同标尺的硬度值不能直接进行比较,不能互换;不宜在极薄的工件上直接进行检验;肖氏硬度：原理是将具有一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面,用重锤的回落高度来表征材料的硬度;优点是使用方便,便于携带,可测现场大型工件的硬度;缺点是实验结果受人为因素影响较大,测量精度低;2 简述扭转实验、弯曲实验的特点渗碳淬火钢、陶瓷玻璃试样研究其力学性能常用的方法是什么解：扭转实验的特点是错误!扭转实验的应力状态软性系数较拉伸的应力状态软性系数高;可对表面强化处理工艺进行研究和对机件的热处理表面质量进行检验; 错误!扭转实验时试样截面的应力分布为表面最大;错误!圆柱试样在扭转时,不产生缩颈现象,塑性变形始终均匀;可用来精确评定拉伸时出现缩颈的高塑性材料的形变能力和变形抗力;错误!扭转时正应力与切应力大致相等,可测定材料的切断强度;弯曲试验的特点是：错误!弯曲加载时受拉的一侧的应力状态基本与静拉伸相同,且不存在试样拉伸时试样偏斜造成对实验结果的影响;可以用来由于太硬而不好加工拉伸试样的脆性材料的断裂强度;错误!弯曲试验时,截面上应力分布表面最大;可以比较和评定材料表面处理的质量;错误!塑性材料的F—fmax 曲线最后部分可任意伸长;渗碳淬火钢、陶瓷玻璃试样研究其力学性能常用的方法是扭转实验;3 有下述材料需要测量硬度,试说明选用何种硬度实验方法为什么a. 渗碳层的硬度分布,b. 淬火钢,c. 灰口铸铁,d. 硬质合金,e. 仪表小黄铜齿轮,f. 高速工具钢,g. 双相钢中的铁素体和马氏体,h. Ni基高温合金,i. Al合金中的析出强化相,j. 5吨重的大型铸件,k. 野外矿物解：a、e、g、i使用维氏硬度;b、c、d、f、h可使用洛氏硬度;b、c可使用布氏硬度;j使用肖氏硬度;k使用莫氏硬度;第三章冲击韧性和低温脆性1、名词解释：冲击韧度冲击吸收功低温脆性韧脆转变温度迟屈服解：冲击韧度：一次冲断时,冲击功与缺口处截面积的比值;冲击吸收功：冲击弯曲试验中,试样变形和断裂所吸收的功;低温脆性：当试验温度低于某一温度时,材料由韧性状态转变为脆性状态;韧脆转变温度：材料在某一温度t下由韧变脆,冲击功明显下降;该温度即韧脆转变温度;迟屈服：用高于材料屈服极限的载荷以高加载速度作用于体心立方结构材料时,瞬间并不屈服,需在该应力下保持一段时间后才屈服的现象;2、简答1 缺口冲击韧性实验能评定哪些材料的低温脆性哪些材料不能用此方法检验和评定提示：低中强度的体心立方金属、Zn等对温度敏感的材料,高强度钢、铝合金以及面心立方金属、陶瓷材料等不能解：缺口冲击韧性实验能评定中、低强度机构钢的低温脆性;面心立方金属及合金如氏体钢和铝合金不能用此方法检验和评定;2 影响材料低温脆性的因素有哪些解：错误!晶体结构,体心立方存在低温脆性,面心立方及其合金一般不存在低温脆性;错误!化学成分,间隙溶质原子含量增加,韧脆转变温度提高;错误!显微组织,细化晶粒课是材料韧性增加;金相组织也有影响,低强度水平时,组织不同的刚,索氏体最佳;错误!温度,在某一范围内碳钢和某些合金可能出现蓝脆;错误!加载速率,提高加载速率韧脆转变温度提高;错误!试样形状和尺寸,缺口曲率半径越小,韧脆转变温度越高; 3、计算： 某低碳钢的摆锤系列冲击实验列于下表,a. 绘制冲击功－温度关系曲线；b. 试确定韧脆转变温度； 解：有K A —t 图知,20NDT =-℃ FTP=40℃c. 要为汽车减震器选择一种钢,它在－10℃时所需的最小冲击功为10J,问此种钢适合此项应用么 解：c:此种钢不适合;第四章 断裂韧性1、名词解释： 应力场强度因子 断裂韧度 低应力脆断 解：应力场强度因子：反映裂纹尖端应力场强度的参量;断裂韧度：当应力场强度因子增大到一临界值,带裂纹的材料发生断裂,该临界值称为断裂韧性;低应力脆断：在材料存在宏观裂纹时,在应力水平不高,甚至低于屈服极限时材料发生脆性断裂的现象; 2、简答 a. 格里菲斯公式计算的断裂强度和理论断裂强度解：理论强度m σ=格里菲斯断裂强度g σ= b. Kl 和KlC 的异同解：I K 是力学度量,它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化,也和裂纹的形状类型,以及加载方式有关,但它和材料本身的固有性能无关;而断裂韧性IC K 则是反映材料阻止裂纹扩展的能力,因此是材料本身的特性;c. 断裂韧性的影响因素有哪些如何提高材料的断裂韧性解：错误!外因,材料的厚度不同,厚度增大断裂韧性增大,当厚度增大到一定程度后断裂韧性稳定;温度下降断裂韧性下降,应变速率上升,断裂韧性下降;错误!内因;金属材料,能细化晶粒的元素提高断裂韧性；形成金属化合物和析出第二相降低断裂韧性;晶粒尺寸和相结构,面心立方断裂韧性高,奥氏体大于铁素体和马氏体钢;细化晶粒,断裂韧性提高;夹杂和第二相,脆性夹杂和第二相降低断裂韧性,韧性第二相提高断裂韧性;提高材料的断裂韧性可以通过错误!亚温淬火错误!超高温淬火错误!形变热处理等方法实现; 3、计算： a. 有一材料,模量E ＝200GPa, 单位面积的表面能γS ＝8 J/m 2, 试计算在70MPa 的拉应力作用下,该裂纹的临界裂纹长度若该材料裂纹尖端的变形塑性功γP ＝400 J/m 2,该裂纹的临界裂纹长度又为多少利用格里菲斯公式和奥罗万修正公式计算解：由格里菲斯公式得由奥罗万修正公式得 b. 已知α-Fe 的100晶面是解理面,其表面能是2 J/m 2,杨氏模量E ＝200 GPa,晶格常数a 0＝,试计算其理解：m σ==c. 断裂韧度66MPa ·m 1/2,用这种材料制造飞机起落架,最大设计应力为屈服强度的70％,若可检测到的裂纹长度为,试计算其应力强度因子,判断材料的使用安全性;提示：假设存在的是小的边缘裂纹,采用有限宽板单边直裂纹模型,2b>>a; 若存在的是穿透裂纹,则应用无限大板穿透解：错误!^61/21.12 1.120.7210010145.9I K MPa m ==⨯⨯⨯=⋅第五章疲劳性能1、名词解释：循环应力贝纹线疲劳条带疲劳强度过载持久值热疲劳解：循环应力：周期性变化的应力;贝文线：疲劳裂纹扩展区留下的海滩状条纹;疲劳条带：略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样,与裂纹扩展方向垂直,疲劳断裂时留下的微观痕迹;疲劳强度：指定疲劳寿命下,材料能够承受的上限循环应力;过载持久值：材料在高于疲劳强度的一定应力下工作,发生疲劳断裂的应力循环周次;热疲劳：机件在由温度循环变化产生的循环热应力及热应变作用下,发生的疲劳;2、简答a. 比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料疲劳断裂的特点解：金属材料的裂纹扩展分两个阶段错误!沿切应力最大方向向内扩展错误!沿垂直拉应力方向向前扩展;疲劳断口一般由疲劳源、疲劳区、瞬断区组成;有贝文线宏观和疲劳条带微观;陶瓷材料裂纹尖端不存在循环应力的疲劳效应,裂纹同样经历萌生、扩展和瞬断过程;对材料的表面缺陷十分敏感,强烈依赖于K、环境、成分、组织结构,不易观察到疲劳贝文线和条带, I没有明显的疲劳区和瞬断区;高分子材料在高循环应力作用下出现银纹,银纹转变为裂纹并扩展,导致疲劳破坏;低应力条件下,疲劳应变软化;分子链间剪切滑移产生微孔洞,随后产生宏观裂纹;循环应力作用下温度升高,产生热疲劳失效;复合材料有多种损伤形式,如界面脱落、分层、纤维断裂等,不会发生瞬时的疲劳破坏,较大应变会使纤维基体变形不协调引起开裂,形成疲劳源;疲劳性能和纤维取向有关;b. 疲劳断口宏观断口和微观断口分别有什么特征解：宏观断口有三个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区;错误!疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地,多在机件表面常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷有关,比较光亮,表面硬度有所提高,可以是一个也可以是多个;错误!疲劳裂纹扩展区断口较光滑并分布有贝文线,有时还有裂纹扩展台阶,断口光滑是疲劳源区的连续,程度随裂纹向前扩展而逐渐减弱,贝文线是最典型的特征;错误!瞬断区断口粗糙,脆性断口呈结晶状,韧性断裂在心部平面应变区呈放射状或人字纹,边缘应力区有剪切唇存在;一般在疲劳源对侧; c. 列出至少四条提高金属疲劳性能的措施解：错误!喷丸处理错误!表面热处理错误!复合强化错误!次载锻炼3、计算： a. 某材料的应力幅和失效循环周次如下：最少疲劳寿命105次,则许用的最大循环应力是多少 解：由图知,疲劳极限=250MPa设计寿命最少^510时,最大需用循环应力为275MPa; b. 某压力容器受到升压降压交变应力△σ＝120MPa 作用,计算得知该容器允许的临界裂纹长度2ac ＝125mm,检查发现该容器有一长度2a ＝42mm 的周向穿透裂纹,假设疲劳裂纹扩展符合Paris 公式,假设疲劳扩展系数C ＝2×10－10,n ＝3,试计算该容器的疲劳寿命和循环10万次后的疲劳裂纹长度是多少 解：设裂纹为无线大板穿透裂纹,则由Paris 公式()nIda C K dN =∆得解得N=3016当N=10万次时2a=第六章磨损性能1、名词解释：磨损接触疲劳解：磨损：物体表面相互摩擦时,材料自表面逐渐减少时的过程;接触疲劳：两材料作滚动或滚动加滑动摩擦时,交变接触压应力长期作用使得材料表面疲劳磨损,局部区域出现小片或者小块材料剥落而产生的疲劳;2、简答a. 简述常见的磨损类型和特点如何提高材料的耐磨粒磨损抗力解：常见的磨损类型和特点有错误!粘着磨损,特点是机件表面有大小不等的结疤;错误!磨粒磨损,摩擦面上有擦伤或明显犁皱纹;错误!腐蚀磨损,氧化磨损,磨损产物为氧化物如红褐色的三氧化二铁;错误!接触疲劳磨损,出现许多豆状、贝壳状或不规则形状的凹坑;提高磨粒磨损的抗力可以选用高硬度韧性好的材料或使用表面硬化的材料;b. 试从提高材料疲劳强度、接触疲劳、耐磨性观点出发,分析化学热处理时应注意的事项;解：化学热处理过程中采用球化退火处理和高温回火,减小碳化物粒度并使之分布均匀;采取适当的去应力退火工艺使材料在一定范围内保持残余应力,提高疲劳强度和耐磨性;c.述非金属材料陶瓷、高分子材料的磨损特点解：陶瓷材料对表面状态极为敏感,当气氛压力下降时,磨损率加大;高分子材料硬度虽然较低,但具有较大柔顺性,在不少场合下显示较高的抗划伤能力;对磨粒磨损具有良好的适应性、就范性和埋嵌性;第七章高温性能1、名词解释：蠕变蠕变极限持久强度应力松弛解：蠕变:金属在恒温、恒载荷下缓慢产生塑性变形的现象;蠕变极限：金属材料在高温长期载荷作用下对塑性变形抗力指标;持久强度：在规定温度下,达到规定实验时间而不发生断裂的应力值;应力松弛：在规定温度和初始应力条件下,金属材料中的应力随时间增加而减少的现象;2、简答a. 列出至少四个提高金属蠕变性能的措施解：错误!加入合金元素,形成固溶强化错误!采用正火加高温回火工艺进行热处理;错误!控制晶粒尺寸错误!控制应力水平b. 高温蠕变变形的机理有哪几种解：主要有位错滑移蠕变机理、扩散蠕变机理、晶界滑动蠕变机理、粘弹性机理;3、计算：稳态蠕变即蠕变第二阶段的本构方程ε＝A·σn·exp-Q/RT,某耐热钢538℃下的蠕变系数A＝×10－24,n＝8,激活能Q＝100kcal/mol,R为摩尔气体常数mol·K,试计算该钢在500℃时应力150MPa下的蠕变速率；解：由ε＝A·σn·exp-Q/RT得=第八章耐腐蚀性能1、名词解释：电化学腐蚀缝隙腐蚀电偶腐蚀钝化解：电化学腐蚀：金属表面与电解质溶液发生电化学反应而引起的破坏;缝隙腐蚀：金属部件在腐蚀介质中,结合部位的缝隙内腐蚀加剧的现象;电偶腐蚀：异种金属在同一种介质中,由于腐蚀电位不同而产生电偶电流的流动使电极电位较低的金属溶解增加造成的局部腐蚀;钝化：电化学腐蚀的阳极过程在某些情况下受到强烈阻滞,使腐蚀速率急剧下降的现象;2、简答a. 为什么说材料的腐蚀是一个自发过程解：因为腐蚀是物质由高能态向低能态转变的过程,所以腐蚀是一个自发的过程;b. 原电池和腐蚀原电池的区别是什么解：原电池可以是化学能转化为电能,有电流通过并能对外做功;腐蚀原电池是能进行氧化还原反应,但并不能对外做功的短路原电池;c. 应力腐蚀断裂的条件和特征是什么解：应力腐蚀具有以下特点：错误!应力;必须有拉应力存在才能一起应力腐蚀,压应力一般不发生应力腐蚀;错误!介质;一定的材料必须和一定的介质的相互组合,才会发生腐蚀断裂;错误!速度;应力腐蚀断裂的速度远大于没有应力时的腐蚀速度;错误!腐蚀断裂形态;应力腐蚀断裂时仅在局部区域出现从表及里的裂纹;d. 简述材料氧化腐蚀的测量方法和仪器;解：测量方法有：错误!质量法错误!容量法测量仪器:质量法采用热重分析仪;容量法采用量气管及及其他装置;e. 列出至少四种防止金属材料腐蚀的措施;解：错误!金属电化学保护法错误!介质处理错误!缓蚀剂保护法错误!表面覆盖法错误!合理选材第九章电性能1、名词解释：电介质、极化强度、铁电体、压电效应、热释电效应、热电效应解：电介质：电场下能极化的材料;极化强度：电介质材料在电场作用下的极化程度,单位体积内的感生电偶极矩;铁电体：就有铁电性的晶体;热释电效应：晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变的现象称为晶体的热释电效应;热电效应：温度作用改变材料的电性能参数;贝塞克效应、帕尔帖效应、汤姆逊效应;压电效应：没有电场作用,有机械应力作用而使电介质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象;2、填空题a. 从极化的质点类型看,电介质的总极化一般包括三部分：__位移极化__、__松弛极化__、__转向极化__ ；从是否消耗能量的角度看,电介质的极化分为____弹性极化____和____非弹性极化____两类,其中___位移极化___是弹性的、瞬时完成的极化,不消耗能量；而___松弛极化___的完成需要一定的时间,是非弹性的,消耗一定的能量;b. 电介质在电场作用下产生损耗的形式主要有__电导损耗____和____电离损耗___两种；当外界条件一定时,介质损耗只与tg有关,而tg仅由___δ____决定,称为____介质损耗角____;c. 电介质材料在电场强度超过某一临界值时会发生介质的击穿,通常击穿类型可分为___电击穿____、__化学击穿___、___热击穿___三类;d. 铁电体具有__电滞回线__、居里点和__临界特性___三大特征;e. 测量电阻常用的方法有双电桥法、电位差计法、安培—伏特计法和直流四探针法;f. 金属的热电现象包括贝塞克效应、帕帖效应和汤姆逊效应三个基本热电效应;3、简答题：a. 简述电介质、压电体、热释电体、铁电体之间的关系;解：电解质包括压电体、热释电体、铁电体;压电体和热释电体都是不具有对称中心的晶体;热释电体和铁电体都能在一定的温度范围内自发极化;b. 为什么金属的电阻随温度升高而增大,半导体的电阻随温度升高减小解：金属属于电子到电机制,温度升高,电子运动自由程减小,散射几率增大导致电阻增大;半导体导电取决于电子-空穴对数量多少,温度升高,电子-空穴对数增多,导电阻减小;c. 表征超导体性能的三个主要指标是什么目前氧化物高温超导体应用的主要弱点是什么解：三个指标是：错误!临界转变温度T错误!临界磁场C H错误!临界C电流密度目前氧化物高温超导体应用的主要弱点是错误!超导体材料的氧化物制备困难错误!材料加工困难错误!临界温度难以维持e. 一般来说金属的电导率要高于陶瓷和聚合物,请举例说明这个规律并不绝对正确;解：PAN、第十章磁性能1、名词解释：磁化强度矫顽力饱和磁化强度磁导率和磁化率剩余磁感应强度磁畴趋肤效应解：磁化强度：物质在磁场中被磁化的程度,单位体积内磁矩的大小;矫顽力：去掉剩磁的临界外磁场;饱和磁化强度：磁化强度的饱和值;磁导率：表征磁介质磁性的物理量;磁化率：表征物质本身的磁化特性的物理量;剩余磁感应强度：去掉外加磁场后的磁感应强度;磁畴：磁矩方向相同的小区域;趋肤效应：交变磁化时产生感生电动势,使得磁感应强度和磁场强度沿样品界面严重不均匀,好像材料内部的磁感应强度被。
材料性能学 课件
材料性能学
Materials Properties
对于三此类推。 其余依此类推。 杜隆—珀替定律在高温时与实验结果很吻合。 杜隆—珀替定律在高温时与实验结果很吻合。 但在低温时， 的实验值并不是一个恒量， 但在低温时，CV 的实验值并不是一个恒量， 下面将要作详细讨论。 下面将要作详细讨论。
材料性能学
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第二节
材料的热膨胀
热膨胀系数（ coefficient） 一 、 热膨胀系数 （ Thermal expansion coefficient ） 物体的体积或长度随温度升高而增大的现象 叫做热膨胀 热膨胀。 叫做热膨胀。
式中， 线膨胀系数，即温度升高1 式中，αl＝线膨胀系数，即温度升高1K时，物体的 相对伸长。 相对伸长。 物体在温度 T 时的长度lT为：
材料性能学
Materials Properties
是几种材料的热容-温度曲线 图3.3是几种材料的热容 温度曲线 。这些材料的 D 是几种材料的热容 温度曲线。这些材料的θ 约为熔点（ 热力学温度） 约为熔点 （ 热力学温度 ） 的 0.2-0.5倍 。 对于绝大多数 倍 氧化物、 碳化物， 氧化物 、 碳化物 ， 热容都是从低温时的一个低的数值 增加到1273K左右的近似于 左右的近似于25J/K·mol的数值 。 温度进 的数值。 增加到 左右的近似于 的数值 一步增加， 热容基本上没有什么变化 。 图中几条曲线 一步增加 ， 热容基本上没有什么变化。 不仅形状相似，而且数值也很接近。 不仅形状相似，而且数值也很接近。 无机材料的热容与材料结构的关系是不大的， 无机材料的热容与材料结构的关系是不大的，如图 3.4所示。CaO和SiO21∶1的混合物与 所示。 的混合物与CaSiO3的热容 温 的热容-温 所示 和 ∶ 的混合物与 度曲线基本重合。 度曲线基本重合。
材料性能学课程设计
材料性能学课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解材料性能学的基本概念，掌握材料的力学、物理和化学性能特点；2. 帮助学生掌握不同材料的性能测试方法，学会分析测试结果，并能够进行材料性能优化；3. 引导学生了解材料性能在工程应用中的重要性，掌握材料选择与设计的基本原则。
技能目标：1. 培养学生运用材料性能学知识解决实际问题的能力，能够针对特定需求选择合适的材料；2. 提高学生实验操作技能，熟练使用材料性能测试设备，并掌握数据处理与分析方法；3. 培养学生团队协作和沟通能力，能够就材料性能问题进行有效讨论和交流。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对材料科学的兴趣，培养探索精神和创新意识；2. 增强学生的环保意识，认识到材料性能优化对可持续发展的重要性；3. 引导学生树立正确的价值观，关注材料科学在国民经济发展中的作用，培养社会责任感。
课程性质：本课程为学科基础课程，旨在帮助学生建立材料性能学的基本概念，提高实验技能，培养学生的创新能力和实践能力。
学生特点：学生为高中生，具备一定的物理、化学基础，对材料科学有一定了解，但缺乏系统性的材料性能学知识。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，通过实验、案例分析等教学手段，提高学生的知识水平和实践能力。
将课程目标分解为具体的学习成果，以便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 引言：材料性能学概述，介绍材料性能学的基本概念、研究领域和在实际应用中的重要性。
2. 力学性能：讲解材料的弹性、塑性和韧性等力学性能指标，分析影响力学性能的因素，介绍力学性能测试方法。
- 教材章节：第二章 力学性能- 内容列举：弹性模量、屈服强度、抗拉强度、断裂韧性等。
3. 物理性能：介绍材料的电、磁、热、光等物理性能，探讨物理性能与材料结构的关系，分析物理性能在实际应用中的作用。
- 教材章节：第三章 物理性能- 内容列举：导电性、导热性、磁性能、光学性能等。
4. 化学性能：讲解材料的耐腐蚀性、氧化性、还原性等化学性能，分析化学性能对材料使用寿命的影响。
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材料性能学
01
材料在单轴静张力下的力学性能
1. 解释:
开裂:开裂是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷。
由于它的低密度和高反射光能力，它看起来是银色的，所以被命名为。
裂纹发生在聚合物材料的弱结构或缺陷中。
超塑性:在一定条件下，材料表现出非常大的延伸率(约1000%)而不出现颈缩和断裂，称为超塑性。
晶界滑动产生的应变占总应变的比例一般在50% ~ 70%之间，说明晶界滑动在超塑性变形中起主要作用。
脆性断裂:材料在断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，无明显征兆。
它常以突然的快速断裂过程出现，具有极大的危险性。
韧性断裂:在断裂前和断裂过程中发生明显宏观塑性变形的断裂过程。
在韧性断裂中，裂纹扩展过程一般比较缓慢，消耗了大量的塑性变形能量。
解理断裂:在正应力作用下，原子间键合键的破坏导致沿特定晶面的脆性穿晶断裂称为解理断裂。
(解理台阶、河纹、舌纹是解理断裂的基本微观特征。
)
剪切断裂:剪切断裂是材料在剪切应力作用下沿滑移面滑动分离而引起的断裂。
微孔骨料断裂是韧性断裂的一种常见模式。
宏观断口表面通常为深灰色、纤维状，微观断口特征形态为断口表面分布着大量韧窝。
2. 为什么脆性断裂是最危险的?
应力的类型，塑性变形的程度，有无前体以及裂纹扩展的速度。
3.断裂强力机C和抗拉强力机B有什么区别?
如果在断裂前没有发生塑性变形，或者塑性变形很小，没有出现颈缩，发生脆性断裂，则参数C =参数B。
如果在断裂前出现颈缩，则参数C和参数B不相等。
4. 格里菲斯的公式的范围是什么，什么时候需要修改?
格里菲斯公式仅适用于有微裂纹的脆性固体，如玻璃、无机晶体材料和超高强度钢。
对于许多工程结构材料，如结构钢和高分子材料，裂纹尖端会发生较大的塑性变形，消耗大量的塑性变形功。
因此，必须对格里菲斯公式进行修正。
02
材料单向静拉伸的力学性能
1、应力状态软性系数；
τmax和σmax的比值称为，用α表示。
α越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形。
反之，α越小，表示应力状态越硬，则材料越容易产生脆性断裂
2、如何理解塑性材料的“缺口强化”现象?
在有缺口条件下，由于出现了三向应力，试样的屈服应力比单向拉伸时要高，即产生了所谓缺口“强化”现象。
我们不能把“缺口强化”看作是强化材料的一种手段，因缺口“强化”纯粹是由于三向应力约束了材料塑性变形所致。
此时材料本身的σs值并未发生变化。
3、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。
单向拉伸时，正应力分量较大，切应力分量较小，应力状态较硬，一般适用于塑性变形抗力与切断抗力较低的所谓塑性材料的试验。
压缩：单向压缩的应力状态软性系数a＝2，压缩试验主要用于脆性材料。
弯曲：弯曲加载时不存在如拉伸时的所谓试样偏斜对试验结果的影响。
弯曲试验时，截面上的应力分布也是表面上应力最大，故可灵敏地反映材料的表面缺陷。
扭转试验：扭转的应力状态软性系数较拉伸的应力状态软性系数高，故可用来测定那些在拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性。
扭转试验时试样截面的应力分布为表面最大，故对材料表面硬化及表面缺陷的反映十分敏感。
扭转试验时正应力与切应力大致相等；切断断口，断面和试样轴线垂直，塑性材料常为这种断口。
正断断口，断面和试样轴线约成45°角，这是正应力作用的结果，脆性材料常为这种断口。
4、试比较布氏硬度与维氏硬度试验原理的异同，并比较布氏、洛氏和维氏硬度试验的优缺点和应用范围。
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为136°的金刚石四棱锥体。
布氏硬度采用的为淬火钢球或硬质合金球。
布氏硬度试验的优点：压痕面积较大，其硬度值能反映材料在较大区
域内各组成相的平均性能，且试验数据稳定，重复性高。
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。
布氏硬度试验的缺点：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和载荷，同时压痕直径的测量也比较麻烦。
洛氏硬度试验的优点：操作简便迅速；压痕小，可对工件直接进行检验；缺点：因压痕较小，代表性差；用不同标尺测得的硬度值既不能直接进行比较，又不能彼此互换。
维氏硬度试验具有很多优点：测量精确可靠；可以任意选择载荷。
此外，维氏硬度也不存在洛氏硬度那种不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度所测试件厚度更薄。
维氏硬度试验的缺点：其测定方法较麻烦，工作效率低，压痕面积小，代表性差，所以不宜用于成批生产的常规检验。
03
材料的冲击韧性及低温脆性
1、低温脆性；韧脆转变温度。
体心立方或某些密排六方的晶体金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度tk（韧脆转变温度）时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
2、试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。
在韧脆转变温度以下，断裂强度低于屈服强度，材料在低温下处于脆性状态。
A．晶体结构的影响
体心立方金属及其合金存在低温脆性，面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性。
体心立方金属的低温脆性可能和迟屈服现象有密切关系。
B.化学成分的影响：间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高。
C.显微组织的影响：细化晶粒和组织可使材料韧性增加。
D. 温度的影响：比较复杂，在一定温度范围内出现脆性（蓝脆）E．加载速率的影响：提高加载速率如同降低温度，使材料脆性增大，韧脆转变温度提高。
F．试样形状和尺寸的影响：缺口曲率半径越小，tk越高
3、细化晶粒提高韧性的原因？
晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。
04
材料的断裂韧性
1、低应力脆断；
大型机件常常在工作应力并不高，甚至远低于屈服极限的情况下，发生脆性断裂现象，这就是所谓的低应力脆断。
2、说明下列符号的名称和含义:KIc；JIc；GIc；δc。
KⅠC（裂纹体中裂纹尖端的应力应变场强度因子）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。
JⅠc（裂纹尖端区的应变能）也称为断裂韧度，但它表示材料抵抗裂纹开始扩展的能力。
GIc表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量。
δc（裂纹张开位移）也称为材料的断裂韧度，表示材料阻止裂纹开始扩展的能力。
3、说明KI和KIc的异同。
KⅠ和KⅠC是两个不同的概念，KⅠ是一个力学参量，表示裂纹体中裂纹尖端的应力应变场强度的大小，它决定于外加应力、试样尺寸和裂纹类型，而和材料无关。
但KⅠC是材料的力学性能指标，它决定于材料的成分、组织结构等内在国素，而与外加应力及试样尺寸等外在因素无关。
KⅠ和KⅠC的关系与σ和σs的关系相同，KⅠ和σ都是力学参量，而KⅠC和σs都是材料的力学性能指标。
05
材料的疲劳性能
1、疲劳破坏的特点？
⑴该破坏是一种潜藏的突发性破坏，在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂。
⑵疲劳破坏属低应力循环延时断裂。
⑶疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织）十分敏感，即对缺陷具有高度的选样性。
⑷可按不同方法对疲劳形式分类。
按应力状态分，有弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳；按应力高低和断裂寿命分，有高周疲劳和低周疲劳。
2、疲劳断口的几个特征区?
疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区
3、试述σ-1和ΔKth的异同。
σ-1 (疲劳强度)代表的是光滑试样的无限寿命疲劳强度，适用于传统的疲劳强度设计和校核；△Kth (疲劳裂纹扩展门槛值)代表的是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和疲劳强度校核。
06
材料的磨损性能
1、磨损有几种类型？说明它们的表面损伤形貌。
粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损及麻点疲劳磨损(接触疲劳)
粘着磨损：磨损表面特征是机件表面有大小不等的结疤。
磨料磨损：摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。
接触疲劳：接触表面出现许多凹坑（麻坑），有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹
2、“材料愈硬，耐磨性愈高”的说法对吗?为什么?
正确。
因为磨损量都与硬度成反比。
3、试从提高材料疲劳强度、接触疲劳强度、耐磨性的观点出发，分
析化学热处理时应注意的事项。
增加表面强度和硬度的同时，提高表面表层残余压应力。