1、材料性能学- 1 -材料性能学绪论什么是材料的性能？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 力学性能（拉、压、扭、弯、硬、磨、韧、疲） 物理性能 1 2（热、光、电、磁） 化学性能（老化、腐蚀）。 3第一章 单向静载下力学性能弹性变形：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
2、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。常用的塑性指标有：延伸率; 断面收缩
3、率; 扭转数或扭转角; 极限压缩率; 冲击韧性 2、简答 1）影响屈服强度的因素 影响屈服强度的内在因素有：结合键、组织、结构、原子本性。如将金属的屈服强度与陶瓷、高分子材料比较可看出结合键的影响是根本性的。从组织结构的影响来看，可以有四种强化机制影响金属材料的屈服强度，这就是：(1)固溶强化；(2)形变强化；(3)沉淀强化和弥散强化；(4)晶界和亚晶强化。影响屈服强度的外在因素有： 温度、应变速率、应力状态。随着温度的降低与应变速率的增高,材料的屈服强度升高，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。应力状态的影响也很重要。虽然屈服强度是反映材料的内在性能的一个本质指
4、标，但应力状态不同，屈服强度值也不同。我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。2) 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 宏观检测：目测构件表面外观；低倍酸洗观察；宏观断 1面分析。 扫描电镜分析 X 射线能谱分析 金相分析 硬度及有效硬化层 2 3 4 5测定。第二章 其它静载下力学性能应力状
5、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。材料性能学- 2 -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
6、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
7、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 扭转实验的应力状态软性系数较拉伸的应力状态软 1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。 扭转实验时试样截面的应力分布为表面最大。 圆柱试样在扭转时， 2 3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。 扭转时正应力与切应力大致相等，可测 4定材料的切断强度。弯曲试验的特点是： 弯曲加载时受拉的一侧的应力状态基本与静拉伸相 1同，且不存在试
8、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。 弯曲试验时，截面上应力 2分布表面最大。可以比较和评定材料表面处理的质量。 塑性材料的 F 3曲线最后部分可任意伸长。maxf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
9、、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。4）缺口效应集中应力达到材料的屈服强度时，引起的缺口根部附近区域的塑性变形。即缺口造成应力的集中，这是缺口的第一个效应。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改变为两向或三向拉伸，这是缺口的第二个效应。试样的屈服应力比单向拉伸时的要高，即产生了所谓缺口“强化”现象。缺口使塑性材料得到“强化”，这是缺口的第三个效应。第三章 冲击韧性和低温脆性冲击韧度：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
10、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
11、因素有哪些？材料性能学- 3 -解：金属材料脆性转变的本质是其塑性变形能力对温度变化的反映。低温脆性断裂包括穿晶脆断和沿晶界的晶间脆断两种断裂方式。穿晶脆断主要是解理断裂。常见的低温脆性断裂大多数是沿解理面的穿晶断裂；而晶间脆断通常在应力腐蚀或发生回火脆性的情况下出现。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温脆性。 1化学成分，间隙溶质原子含量增加，韧脆转变温度提高。 显微组织，细 2 3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。 温度，在某一范围内碳钢和某些合金可能出现蓝脆。 4加载速率，提高加载速率韧脆转变温度提高。 试样形状和尺
12、寸，缺口曲 5 6率半径越小，韧脆转变温度越高。3）冲击试样试样的制作要求： a、试样长度 550.5mm，宽度 60.2mm，厚度0.2mm，试样宽度方向的面为产品受压面。 b、试样宽度与厚度应测量试样中间部位的三点，取其算术平均值。试样的厚度应测量缺口两边的厚度，取其算术平均值。 制作试样根据标准有些注意细节： a、有些材料对试样外表光亮度十分敏感，必需研磨或者抛光至理想光亮度才能得到正确结果。 b、铸造的、轧制的、锻造的或其他非加工外表状态的试样，实验结果会受外表特性的影响。 c、取自部件或构件像外延局部或冒口，或者独立消费的铸件（例如脊形试块）可能会产生不具部件或构件代表性的实验结果。
13、 d、试样尺寸会影响实验结果。圆柱形的或矩形的试样，改动试样尺寸一般对屈从强度和抗拉强度影响很小，但如呈现改动，则可影响上屈从强度、伸长率和断面收缩率。4）低温脆性评定原则低温脆性通常用脆性转变温度评定。脆性转变温度的工程意义在于高于该温度下服役，构件不会发生脆性断裂。很明显转变温度愈低，钢的韧度愈大。脆性转变温度用夏比系列冲击试验得到的转变温度曲线确定。使用转变温度曲线进行工程设计时，关键是根据该曲线确定一个合理的脆性转变温度。不同的工程领域采用不同的方法来确定韧脆转变温度。这些方法有能量准则、断口形貌准则和经验准则。第四章 断裂韧性 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：
14、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 1）低应力脆断的本质及防止措施在应力水平低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象称为低应力脆断。低应力脆断是由宏观裂纹（工艺裂纹或使用裂纹）扩展引起的。由于裂纹破坏了材料的均匀连续性，改变了材料内部应力状态和应力分布。防止方法：1 控制构件的使用应力状态 2 避免或尽量减少裂纹尺寸2）断裂韧性的影响因素有哪些？如何提高材料的断裂韧性？解： 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 1程度后断裂韧
15、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。 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 2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 亚温淬火 超高温淬火 形变热处理等 1 2 3方法实现。第五章 疲劳性能循环应力：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，疲劳断裂时材料性能学- 4 -留下的微观痕迹。疲劳强度：指定疲
16、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。构件中的裂纹体的扩展模式主要有 I 型（张开型），II 型（滑开型），III 型（撕开型）三种类型，其中以 I 型（张开型）最为危险。2、简答 1）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。 疲劳源 1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。 疲 2劳裂纹扩展区断口较
17、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。 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 3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。2）疲劳破坏的概念及特点在远低于材料强度极限的交变应力作用下，材料发生破坏的现象。任何材料都会发生疲劳破坏，因此在设计零部件及工程结构等时必须考虑到材料遭受疲劳破坏的时限，以免造成不必要的财产损失和人身伤亡事故。对于钢材，在疲劳破坏之前并没有明显的变形，是一种突然发生的断裂，断口平直，属于反复荷载作用下的脆性破坏。3）疲劳强度指标及影响因素 疲劳强度是指
18、材料在无限多次交变载荷作用而不会产生破坏的最大应力，称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。屈服强度 表面状态；尺寸效应；冶金缺陷；腐蚀介质；温度。第六章 磨损性能磨损：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1）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 粘着磨损，特点是机件表面有大小不等的结 1疤。 磨粒磨损，摩擦面上有擦伤或明显犁皱纹。 腐蚀磨损，氧化磨损， 2 3磨损产
19、物为氧化物如红褐色的三氧化二铁。 接触疲劳磨损，出现许多豆状、 4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。2）磨损失效过程程分为三个阶段。(1)跑合磨损阶段 新的摩擦副在运行初期，由于对偶表面的表面粗糙度值较大，实际接触面积较小，接触点数少而多数接触点的面积又较大，接触点粘着严重，因此磨损率较大。但随着跑合的进行，表面微峰峰顶逐渐磨去，表面粗糙度值降低，实际接触面积增大，接触点数增多，磨损率降低，为稳定磨损阶段创造了条件。为了避免跑合磨损阶段损坏摩擦副，因此跑合磨损阶段多采取在空车或低负荷下进行；为了缩短跑合时间，也可采用含添加剂和固体润滑剂
20、的润滑材料，在一定负荷和较高速度下进行跑合。跑合结束后，应进行清洗并换上新的润滑材料。(2)稳定磨损阶段 这一阶段磨损缓慢且稳定，磨损率保持基本不变，属正常工作阶段，图中相应的横坐标就是摩擦副的耐磨寿命。(3)剧烈磨损阶段 经过长时间的稳定磨损后，由于摩擦副对偶表面间的间隙和表面形貌的改变以及表层的疲劳，其磨损率急剧增大，使机械效率下降、精度丧失、产生异常振动和噪声、摩擦副温度迅速升高，最终导致摩擦副完全失效。3）摩擦磨损试验机表征材料磨损性能的参量为了反映零件的磨损，常常需要用一些参量来表征材料的磨损性能。常用的参量有以下几种：材料性能学- 5 -(1)磨损量 由于磨损引起的材料损失量称为磨
21、损量，它可通过测量长度、体积或质量的变化而得到，并相应称它们为线磨损量、体积磨损量和质量磨损量。(2)磨损率 以单位时间内材料的磨损量表示，即磨损率 I=dV /dt (V 为磨损量,t 为时间）。(3)磨损度 以单位滑移距离内材料的磨损量来表示，即磨损度 E=dV/dL (L为滑移距离）。(4)耐磨性 指材料抵抗磨损的性能，它以规定摩擦条件下的磨损率或磨损度的倒数来表示，即耐磨性=dt/dV 或 dL/dV。(5)相对耐磨性 指在同样条件下，两种材料（通常其中一种是 Pb-Sn 合金标准试样）的耐磨性之比值，即相对耐磨性 w= 试样/ 标样。4）机械正常的磨损过程有何特征，应当如何控制各个阶
22、段。答：机械正常磨损过程由三个阶段组成：跑合阶段，稳定磨损阶段，剧烈磨损阶段。在三个阶段中，要尽量减少跑合阶段，降低稳定磨损阶段的磨损率，延长稳定磨损阶段。控制剧烈磨损造成的危害。第七章 高温性能蠕变: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1）蠕变随时间的延续大致分 3 个阶段：初始蠕变或过渡蠕变,应变随时间延续而增加，但增加的速度逐渐减慢；稳态蠕变或定常蠕变，应变随时间延续而匀速增加
23、，这个阶段较长；加速蠕变，应变随时间延续而加速增加,直达破裂点。应力越大，蠕变的总时间越短；应力越小，蠕变的总时间越长。但是每种材料都有一个最小应力值，应力低于该值时不论经历多长时间也不破裂，或者说蠕变时间无限长，这个应力值称为该材料的长期强度。2）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。第八章 热性能热容：在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高 1K 时所吸收的热量称为该材料的热容。热膨胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。差热分析：在程序温度控制下，测量试样和参照物的温度差随温度或时间的变化关系。热导率：一定温度梯度下，
24、单位时间内通过单位垂直面积的热量。导温系数：材料棒各点的温度随时间变化，截面上各点温度的变化率。2、简答：1） 简述热容和热膨胀的关系？解：固体材料受热引起的容积膨胀是晶格振动加剧的结果。晶格振动的加剧是原子（离子）热运动能量的增大，升高单位温度时能量的增量正是热容。两者的比值接近于恒值。第九章 磁性能磁化强度：物质在磁场中被磁化的程度，单位体积内磁矩的大小。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
25、样品界面严重不均匀，好像材料内部的磁感应强度被排斥到表面的现象。2、简答：1）物质的磁性可分为几类？各自的特点和区别？解：按磁化率分为三类： 抗磁性材料 顺磁性材料 铁磁性材料 1 2 3材料性能学- 6 -抗磁体磁化率为 量级负数，附加磁矩与 方向相反，减弱磁场。610顺磁体磁化率为 量级正数，略微增强磁场。3:铁磁体在较弱的磁场下就能产生很大的磁化强度，磁化率为很大的正数，且与外磁场非线性变化。2） 简述常用的磁性材料分类及其主要特点。解：常用磁性材料分为软磁材料和硬磁材料。软磁材料矫顽力很小，磁滞回线窄，磁滞损耗小。 硬磁材料矫顽力大，磁滞回线宽，磁滞损耗大。第十章 电性能电介质：电场下
26、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。3、简答题：1）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。第十一章
27、 耐腐蚀性能电化学腐蚀：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1） 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。2）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。3）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： 应力。必须有拉应力存在才能一起应力腐蚀， 1压应力一般不发生应力腐蚀。 介质。一定的材料必须和一定的介质的相互 2组合，才会发生腐蚀断裂。 速度。应力腐蚀断裂的速度远大于没有应力时 3的腐蚀速度。 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 4的裂纹。4） 列出至少四种防止金属材料腐蚀的措施。 解： 金属电化学保护法 介质处理 缓蚀剂保护法 表面覆盖法 合理 1 2 3 4 5选材
