材料性能学复习重点

1、第一章证明题显然，真应力总是大于工程应力，真应变总是小于工程应变。缩颈的条件： 产生缩颈的载荷为影响材料弹性模数的因素：1、键合方式和原子结构：a、以共价健、离子键、金属键结合的材料有较高的弹性模量。b、以分子键结合的材料，弹性模量较低。c、原子结构：a）非过渡金属（b）过渡族金属：原子半径较小，且d层电子引起较大的原子间结 合力，弹性模数较高。且当d层电子等于6时，E有最大值2、晶体结构：a、单晶体材料，由于在不同的方向上原子排列的密度不同，故呈各向异性。b、多晶体材料，E为各晶粒的统计平均值，伪各向同性。c、非晶态材料弹性模量各向同性。3、  化学成分：（引起原子间距或键合方式的

2、变化）（1）纯金属主要取决于原子间的相互作用力。（2）固溶体合金：主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构，弹性模量变化不大（3）两相合金：与第二相的性质、数量、尺寸及分布状态有关。（4）高分子：填料对E影响很大。4.微观组织：金属：微观组织对弹性模量的影响较小晶粒大小对E无影响；陶瓷：工程陶瓷弹性模数与相的种类、粒度、分布、比例、气孔率等有关。其中，气孔率的影响较大。复合材料：增强相为颗粒状，弹性模数随增强相体积分数的增高而增大5、温度：a、温度升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距 增大，结合力减弱，材料的弹性模量降低。如碳钢， 每升高100，E值下降35%（软化）b、当温度变化引起材料的固态相

3、变时，弹性模数显著变化。如碳钢的奥氏体、马氏体相变。6、 加载条件和负荷持续时间：a、 加载方式（多向应力），加载速率和负荷持续时间对金属、陶瓷类材料的弹性模数几乎没有影响。陶瓷材料的压缩弹性模数高于拉伸弹性模数（与 金属不同）。b、高分子聚合物，随负荷时间的延长，E值逐渐下降（松弛）。滞弹性：材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生附加弹性变形的性能。即应变与应力不同步（相位），应变滞后 。粘弹性：是指材料在外力作用下变形机理，既表现出粘性流体又表现出弹性固体两者的特性，弹性和粘性两种变形机理同时存在（时间效应）。 特征：应变对应力的响应不是瞬时完成的， 应变与应力的关系与时间有

4、关，但卸载后，应变恢复，无残余变形。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,从而产生大幅度的弹性变形的现象。应用：形状记忆合金。包申格效应：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于4%），然后再同向加载规定残余伸长应力（0.01）增加；反向加载，规定残余伸长应力（0.01）降低的现象。消除或减弱方法：再结晶退火滑移变形具有以下特点：（1）滑移在切应力作用下产生（2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生（3）滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍滑移系数目与材料塑性的关系：1. 一般滑移系越多，塑性越好；2.与滑移面密排程度和滑移

5、方向个数有关；3.与同时开动滑移系数目有关（tk）。多晶体金属材料的塑性变形的特点：（1） 各晶粒变形的不同时性和不均匀性（2）各晶粒变形的相互制约与协调性陶瓷材料的塑性变形：（1）键和方式:弹性模量大（2）晶体的滑移系少（3）位错宽度小，柏氏矢量大固溶合金中，溶质原子与溶剂原子直径不同，随着溶质原子的进入，晶格产生畸变，使得位错运动受阻，屈服强度升高（s）体心立方晶格金属，屈服强度具有强烈的温度效应，面心立方晶格的金属，屈服强度温度效应较小。应变硬化的意义:   应变硬化与塑性变形相配合，保证了金属材料在截面上的均匀变形，得到均匀一致的冷变形产品 应变硬化可以降低碳钢的塑

6、性，改善切削加工性能。 应变强化是金属强化的一种重要手段（不能热处理强化的金属）。应变硬化性能使金属制件在工作中具有适当的抗偶然过载的能力，保证了机件的安全工作。 韧性断裂：断裂前材料有明显宏观塑性变形。裂纹扩展过程较慢.（晶粒变形拉断） 断口呈暗灰色，纤维状  韧性断裂断口（低碳钢）断口呈杯锥状：由纤维区、放射区、剪切唇三个区组成。脆性断裂：断裂前材料没有明显的宏观塑性变形。 裂纹扩展速度极快（没有预兆）。 断口平齐，光亮（呈放射状或结晶状）穿晶断裂：可以韧性断裂，也可以脆性断裂; 沿晶断裂：断裂沿晶界发生，多为脆性断裂。解理台阶，河流花样，舌状花样是解理断口的基本微观特征。韧度：

7、静力韧度、冲击韧度、断裂韧度。第二章正应力容易导致脆性的解理断裂；切应力容易导致材料的塑性变形和韧性断裂。扭转试验的特点：可用来测定那些在拉伸时呈现脆性的材料（f/c=0.50.8）的强度和塑性。截面应力分布表面最大，心部最低，因此扭转试验对材料表面强化和表面缺陷的反映十分敏感，适用于表面强化材料的性能检验。扭转试验时正应力与切应力大致相等，而生产所使用的大部分金属结构材料的c>f，所以，扭转试验是测定金属材料切断强度的最可靠方法。弯曲试验的特点：弯曲试验常用于测量硬度很高，难以加工成拉伸试样的脆性材料的断裂强度，并能显示出塑性差别。常用来比较、评定材料表面处理层的质量。不适合塑性材料压

8、缩试验的特点：压缩试验主要用于脆性材料，以显示静拉伸不能反映的韧性 行为。压缩试验不能使塑性材料断裂。故多向不等压缩试验适用于脆性更大的材料，以反映塑性的微小差别。缺口三效应：缺口造成应力应变集中，这是缺口第一效应。由于缺口的存在，改变了平板中缺口截面的应力状态。使单向拉伸变为两向或三向拉伸，这是缺口的第二效应。缺口使塑性材料得到“强化” 缺口的第三效应。布氏硬度值的表示方法：数字+硬度符号+数字 / 数字 / 数字硬度值 钢球直径 载荷量 载荷保持时间当保持时间为10-15s时，可不标注。HBW：硬质合金钢球，HBS:淬火钢球。500HBW5/750表示用直径为5mm的硬质合金钢球，在750

9、kgf载荷作用下保持1015秒测得的布氏硬度为500。维氏硬度：维氏硬度只能测定450HB（或650HB硬质合金头）以下的材料。640HV30/20表示在载荷30kgf作用下，持续20秒测得的维氏硬度为640。b：扭转强度极限；s：扭转屈服强度；bN:抗拉强度；bb抗弯强度；pc规定非比例压缩应力bc抗拉强度pb非比例弯曲应力sh剩余应力so松弛应力qe缺口敏感度（脆性qe<1;塑性qe>1）p比限例极e弹性极限s屈服强度b抗拉强度第三章材料对多次冲击的抗力影响因素a、冲击能量高时，材料的抗多次冲击能力主要取决于塑性；冲击能量低时，材料抗多次冲击能力则主要取决于强度。强度是影响零件

10、寿命的主要因素。b、不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合c、 k值对冲击疲劳抗力的影响：材料强度不同，塑性和冲击韧性对冲击疲劳抗力的影响不同。高强度钢、超高强钢，塑性和冲击韧性作用大。tk 冷脆性转变温度NDT：当低于某一温度时材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台（低阶能），以低阶能开始上升的温度定义tk。FTP：当温度高于某一温度时，材料吸收的能量基本不变，形成一个平台（高阶能），以高阶能对应的度定义为tk。FTE：以高阶能和低阶能的平均值对应的温度定义tk，V15TT：以Akv=15呎磅（20.3N·m）对应的温度定义tk50%FATT或FATT50：温度下降到某一

11、临界值时，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大材料由韧变脆，当结晶区面积占整个断口面积50%时的温度定义为tk。影响材料低温脆性的因素：1、晶体结构的影响：体心立方、密排六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。2、化学成分的影响：  间隙溶质元素含量增加， 晶格畸变程度加大，位错运动阻力提高,屈服强度升高，脆性增大，韧脆转变温度提高。  置换型溶质元素影响较小（也提高冷脆性转变温度）。  杂质元素S、P、Pb、Sn、As偏聚于晶界，产生 沿晶脆性断裂，提搞了冷脆性转变温度。3、显微组织的影响： 

12、;细化晶粒，可提高材料的韧性，冷脆性转变温度下降。晶界是裂纹扩展的阻力；晶界增多有利于降低应力集中，降低晶界上杂质度，避免产生沿晶界脆性断裂。 金相组织：a、较低强度水平（低碳钢），回火索氏体最好tk，下贝氏体组织次之tk，层片状珠光体最差tk。b、中、高碳钢，等温淬火下贝氏体组织tk，优于淬火+回火回火马氏体组织。c、相同强度水平，上贝氏体的tk高于下贝氏体组织（低碳钢低温上贝氏体的韧性高于回火马氏体的韧性）。d、低温合金钢，经不完全等温处理获得贝氏体和马氏体的混合组织，其韧性比单一贝氏体或单一马氏体组织好。e、马氏体钢中存在稳定的残余奥氏体，可抑制解理断裂，从而显著改善钢的韧性。

13、f、 第二相的影响取决于第二相的形状、尺寸、分布状态、第二相本身的性质以及与基体的结合力。4、温度的影响；5、加载速率的影响：提高加载速率，其作用如同降低温度，使材料脆性增大，冷脆性转变温度提高。高强度和超高强度钢的 tk对加载速率的敏感性较小。  中、低强度钢的 tk对加载速率比较敏感。6、试样形状和尺寸的影响：缺口曲率半径越小，tk越高，即V缺口试样的tk高于U缺口试样。不改变缺口尺寸，只增加试样的厚度时，tk升高；试样各部分尺寸按比例增大时，tk升高。试样尺寸增大，应力状态变硬，且缺陷增多，脆性增大tk。第四章KIC或KC表示材料抵抗断裂的能力。KIC表示平面应变断裂

14、韧度，KC表示平面应力断裂韧度 ，显然同一材料：KC>KIC ，JIC称为断裂韧度 J积分用于开裂点判据完全正确，但用于失稳扩展尚不准确。判据与J判据一样，都是裂纹开始扩展的断裂判据，而不是裂纹失稳扩展的断裂判据形成金属间化合物并以第二相形式析出的合金元素降低塑性，故可使断裂韧度降低。细化晶粒既可提高强度，又可以提高塑性，断裂韧度也提高。计算题有一火箭壳体承受很高的工作压力，其周向最大工作压力=1400MPa.采用超高强度钢制造，焊接后往往发现有纵向表面半椭圆裂纹，尺寸为a=1.0mm,a/2c=0.3。现有两种材料，其性能如下：A: 0.2=1700MPa，KIc=78MPa·

15、;m1/2，B: 0.2=2800MPa，KIc=47MPa·m1/2第五章方法二有一大型圆筒容器由中高强度钢焊接而成，钢板厚度t=5mm。圆筒内径D=1500mm。所用材料的0.2=1800MPa, KIc=62MPa·m1/2，焊接后发现焊缝中有纵向半椭圆裂纹，尺寸为2c=6mm,a=0.9mm,试问该容器能否在p=6MPa的压力下正常工作？(a/c=0.3,2=1.21)有一大型板件，材料0.2=1200MPa, KIc=115MPa·m1/2，探伤发现有20mm长的横向穿透裂纹。若在平均轴向应力900MPa下工作，试计算KI和塑性区宽度，并判断该件是否安全

16、。需要修正不安全设有0.2=为415MPa，断裂韧性KIc为132MPa·m1/2，厚度分别为100mm和260mm的两块很宽的合金钢板。如果板都受400MPa拉应力作用，并设板内都有长为46mm的中心穿透裂纹，问此两板内裂纹是否都扩展？ 薄板扩展，厚板不扩展第五章疲劳破坏的特点：从局部区域开始的损伤，不断累积，最终引起整体破坏。1、潜藏的突发性破坏，脆性断裂（即使是塑性材料）2、属低应力循环延时断裂（滞后断裂）。3、对缺陷十分敏感（可加速疲劳进程）疲劳的宏观特征（疲劳条带是微观特征）：疲劳断口的特征区：疲劳源，疲劳裂纹扩展区，瞬断区 疲劳源： 特征：光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复

17、挤压、摩擦次数多。疲劳裂纹扩展区（贝纹线是疲劳区最典型的特征，）特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶瞬断区：断口粗糙，脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状；表面平面应力区则有剪切唇区存在。驻留滑移带：不均匀滑移：驻留滑移带在表面加宽过程中，会形成挤出脊和侵入沟，从而引起应力集中，形成疲劳微裂纹形核（萌生）。表面易产生疲劳裂纹的原因：（1）在许多载荷方式下，如扭转疲劳，弯曲和旋转弯曲疲劳等，表面应力最大。（2）实际构件表面多存在类裂纹缺陷，如缺口，台阶，键槽，加工划痕等，这些部位极易由应力集中而成为疲劳裂纹萌生地。（3）相比于晶粒内部，自由表面晶粒受约束较

18、小，更易发生循环塑性变形。（4）自由表面与大气直接接触，因此，如果环境是破坏过程中的一个因素，则表面晶粒受影响较大。 中循环应力也会引发银纹，形成裂纹，但裂纹扩展速率较低（机理相同）。聚合物疲劳断口可观察到两种特征的条纹： A、疲劳辉纹：聚合物相对分子量较高时，在 所有应力强度因子条件下，皆可形成疲劳辉纹。B、疲劳斑纹：而相对分子量较低时，在较低应力强度因子时，易形成疲劳斑纹。复合材料的疲劳破坏机理： 复合材料疲劳破坏的特点：a、多种疲劳损伤形式：界面脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长等。b、不发生瞬断，其疲劳破坏的标准与金属不同，常以弹性模量下降的百分数1%-2%），共振频率变化（1-2HZ）作

19、为破坏依据。c、聚合物基复合材料，以热疲劳为主，对加载频率感。d、较大的应变引起纤维与基体界面开裂形成疲劳源（纤维、基体的变形量不同）压缩应变使复合材料纵向开裂，故对压缩敏感。e、复合材料的疲劳性能与纤维取向有关纤维是主要承载组分，沿纤维方向具有很好的疲劳强度；而沿纤维垂直方向，疲劳强度较低。基体与纤维的E不同，变形量不同，故界面产生很大的剪切应力。 对称弯曲：-1 ；对称扭转：-1 ；对称拉压：-1p ；同种材料的疲劳强度： 1> 1P>1 过载持久值：表征了材料对过载疲劳的抗力，过载持久值可由疲劳曲线倾斜部分确定：曲线倾斜度越大，持久值越高，表明材料在相同过载条件下能承受的应力

20、循环次数越多。过载损伤界：过载损伤界到疲劳曲线间的区域过载损伤区。Kth称疲劳裂纹扩展门槛值，表征材料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力 Kth与-1的区别：-1代表光滑试样的无限寿命疲劳强度，适用于无裂纹零件设计、校核依据。Kth代表裂纹试样的无限寿命疲劳强度，适用于含裂纹零件的设计和校核。影响材料疲劳强度的因素: 1、载荷条件 : 应力状态，平均应力，应力比 在过载损伤区内的过载，会降低材料的疲劳强度、疲劳寿命 次载锻炼材料尤其金属在低于疲劳强度的应力循环一定周次后称为次载锻炼。 间歇效应：实验表明，对应变时效材料，在循环加载运行过程中，若间歇空载一段时间或间隙时适当加温，可提高疲劳强度，延长寿命

21、。 载荷频率：在一定频率范围内（1701000HZ），材料的疲劳强度随加载频率的增加而提高；在常用频率范围内50170HZ，材料的疲劳强度不受频率 变化影响；低于1HZ的加载，-1降低。2、温度:温度降低，疲劳强度升高（与静强度相似）；反之，疲劳强度降低。3、腐蚀介质：腐蚀介质的作用使材料表面产生蚀坑，而降低材料的疲劳强度，导致腐蚀疲劳。热疲劳的特点：是热塑性应变损伤累积引起的破坏，服从低周应变疲劳的规律。第六章磨损的类型：粘着磨损。磨料磨损。腐蚀磨损，麻点磨损影响粘着磨损的因素：(1)脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。 (2)金属性质越是相近的，构成摩擦副时粘着磨损也越严重。反

22、之，金属间互溶程度越小，晶体结构不同，原子尺寸差别较大，形成化合物倾向较大的金属，构成摩擦副时粘着磨损就较轻微。(3)通过表面化学热处理，如渗硫、硫氮共渗、磷化、软氮化等热处理工艺，使表面生成一化合物薄膜，或为硫化物，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系数减小，起到减磨作用也减小粘着磨损。(4)改善润滑条件。(5)粘着磨损严重时表现为胶合。 影响磨粒磨损的因素：(1)磨料的硬度、大小及形状，磨粒的韧性、压碎强度等。(2)外界载荷大小、滑动距离及滑动速度。 (3)材料自身的硬度及内部组织 减轻粘着磨损的主要措施 ：1、合理选择摩擦副材料： 互溶性少 粘着倾向小 强度高不易塑变 保护价值高的一方；2、避

23、免两摩擦副间直接接： 增大氧化膜的稳定性，提高氧化膜的附着力 降低表面粗糙度，提高实际接触面积 改善润滑条件.断裂韧度也影响金属材料磨粒磨损耐磨性：1.磨损受断裂过程控制，耐磨性随KIC提高而提高2.当硬度跟断裂韧度配合最佳时，耐磨性最高3.耐磨性随硬度降低而下降，可见磨粒磨损抗力不唯一决定于硬度，还与材料的韧性有关提高接触疲劳抗力的措施： 1、采用脆性氧化物含量低的钢材，或在钢中形成适量塑性硫化物夹杂，能将脆性 氧化物夹杂包住形成共生夹杂物，降低氧化物的破坏作用。 2、调整马氏体含碳量。3、改善碳化物形态及分布 4、合理控制材料表层、心部硬度及摩擦副 的硬度匹配。第七章蠕变变形的特点：高温下

24、晶界可能产生滑动，于是晶内和晶界都参与了变形；变形过程强化与软化过程同时进行，在高温下，原子扩散能促进各种形式的位错运动，在很高的温度下，应力很低的条件下，扩散将成为控制变形的主要机制。金属材料蠕变断裂断口的宏观特征： 一是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。二是由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。！a、在给定温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力，称为蠕变极限。如：5001×10-5=80MPa，表示在500下，第二阶段的稳态蠕变速率为1×10-5%/h的蠕变极限为

25、80 MPa！b、在给定温度和时间的条件下，使试样产生规定的蠕变应变的最大应力定义为蠕变极限。 用T / t 表示，/t表示在给定的时间内产生的蠕变应变为如：5001/10000 = 100MPa表示在500时，10000h产生1%的蠕变应变的蠕变极限为100MPa。 ！持久强度是材料在一定温度下和规定时间内，不发生蠕变断裂的最大应力。用Tt 表示 如600103=200MPa表示在600 下工作1000h的持久强度为200MPa松弛稳定性：剩余应力sh 是评价材料应力松弛稳定性的一个指标。 sh 越高，松弛稳定性越好。材料在恒变形的条件下，随时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。

26、对于金属材料，存在着等强温度：大于等强温度：粗化晶粒；小于等强温度：细化晶粒第八章各质点热运动时动能总和就是该物体的热量声频支振动 ：如果振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼此之间的位相差不大，则格波类似于弹性体中的应变波，称为“声频支振动”。光频支振动：格波中频率甚高的振动波，质点彼此之间的位相差很大，邻近质点的运动几乎相反时，频率往往在红外光区，称为“光频支振动”。恒压热容与恒容热容的比较 ：Cp >Cv 对于物质的凝聚态Cp和Cv的差异可以忽略。 但在高温时， Cp和Cv的差别增大了元素的热容定律杜隆一珀替定律（热容是与温度T无关的常数）：E=3NkT=3RT（N= 6.023

27、×1023 / mol 阿佛加德罗常数，k= R/N = 1.381×10-23 J/K 玻尔茨曼常数，R= 8.314 J/ (k·mol)，T热力学温度（K）在高温时，爱因斯坦的简化模型与杜隆珀替公式一致。CV值按指数规律随温度T而变化，而不是从实验中得出的按T3变化的规律。 无机材料的热容与材料结构的关系不大质点与斥力的机理：温度越高，振幅越大，质点在r0两侧受力不对称情况越显著，平衡位置向右移动越多，相邻质点平均距离就增加得越多，以致晶胞参增大，晶体膨胀。热膨胀与其他性能的关系：原子半径越小，结合能越大，熔点越高，热膨胀系数越小。温度越高热容越大，热膨胀系

28、数越大。影响热膨胀的材料因素：1.晶体的各向异性 ：杨氏模量较高的方向将有较小的热膨胀系数 2.晶体的密度和缺陷：结构紧密的晶体膨胀系数较大。点缺陷会引起体积变化，从而影响到热膨胀性能。3.合金成分：固溶体的膨胀与溶质元素的膨胀系数及含量有关。当形成金属间化合物时，情况就比较复杂5.相变：一级相变：转变点处热膨胀系数无穷大；二级转变：膨胀系数有拐点固体材料热传导的微观机理：固体导热的基本方式：晶格振动的格波；自由电子的运动光子的平均自由程lr：（a）lr与介质透明度的关系：透明介质，热阻很小，lr较大，辐射传热大。不透明介质，热阻很大，lr较小，辐射传热小。完全不透明，lr=0，在这种介质中，

29、辐射传热可以忽略 。（b）lr与光子的吸收、散射的关系：吸收系数小的透明材料，当温度为几百度时，光辐射才是主要的 。吸收系数大的不透明材料，lr小，即使在高温时，光子传导也不重要无机非金属材料温度影响热导率：a在温度不太高的范围内，主要是声子传导b温度较高时，弹性模量迅速下降，平均速度减小。c热容C在低温下与T3成正比，所以也近似与T3成正比d. 声子平均自由程 l 随温度升高而降低。实验表明，低温下l 值的上限为晶粒的线度，高温下l 值的下限为晶格间距。 第九章原子磁矩有3个来源：电子轨道磁矩电子自旋磁矩；原子核磁矩。磁化：外磁场作用下，各磁矩有规则的取向，使磁介质宏观显示磁性，这就叫磁化。

30、 磁化的物理意义是单位体积的磁矩。物质的磁性铁磁性分为两类：(1)本征铁磁性材料：在某一宏观尺寸大小的范围内，原子磁矩的方向趋于一致，此范围称为磁畴(2)亚铁磁性 ：(3)反铁磁性：抗磁性来源原子轨道中电子轨道的变化抗磁性：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反地称为抗磁性。原因:主要是原子中电子轨道状态的变化。顺磁性：无外磁场作用时，材料中的原子磁矩无序排列，材料不表现宏观磁性，受到外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向，表现出宏观磁性，这种磁性叫顺磁性。金属Cu，Ag，Cu，Cd，Hg等是抗磁性；所有的碱金属都是顺磁性的碱土金属（除Be外）也都是顺磁性的3价金属也是顺磁性的Ti, V, Cr, Mn等过渡族元素，强烈的顺磁性产生铁磁性的条件