11种材料性能要点解析
2022-06-16 17:20:39
作者：理化检验物理分册 来源：理化检验物理分册
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1 材料单向静拉伸的力学性能
1、名词解释：
银纹：银纹是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷，由于它的密度低，对光线的反射能力很高，看起来呈银色，因而得名。银纹产生于高分子材料的弱结构或缺陷部位。
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，称为超塑性。晶界滑动产生的应变εg在总应变εt中所占比例一般在50％～70％之间，这表明晶界滑动在超塑性变形中起了主要作用。
脆性断裂：材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显的预兆，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。
韧性断裂：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，而且消耗大量塑性变形能。
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。）
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。（微孔聚集型断裂是材料韧性断裂的普通方式。其断口在宏观上常呈现暗灰色、纤维状，微观断口特征花样则是断口上分布大量“韧窝”。）
2、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？
应力类型，塑性变形程度、有无预兆、裂纹扩展快慢。
3、断裂强度σc与抗拉强度σb有何区别？
若断裂前不发生塑性变形或塑性变形很小，没有缩颈产生，材料发生脆性断裂，则σc=σb。若断裂前产生缩颈现象，则σc与σb不相等。
4、格里菲斯公式适用哪些范围及在什么情况下需要修正？
格里菲斯公式只适用于含有微裂纹的脆性固体，如玻璃、无机晶体材料、超高强钢等。对于许多工程结构材料，如结构钢、高分子材料等，裂纹尖端会产生较大塑性变形，要消耗大量塑性变形功。因此，必须对格里菲斯公式进行修正。
2 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应十分敏感。
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。
3 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。
4 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、组织结构等内在因素，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。
5 材料的疲劳性能
1、疲劳破坏的特点？
（1）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。
（2）疲劳破坏属低应力循环延时断裂。
（3）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。
（4）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。
6 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。
7 材料的高温性能
1、解释下列名词：
约比温度：T/Tm
蠕变：就是材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。
持久强度：是材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力。
蠕变极限：它表示材料对高温蠕变变形的抗力。
松弛稳定性：材料抵抗应力松弛的能力称为松弛稳定性。
2、总结材料的蠕变变形及断裂机理。
材料的蠕变变形机理主要有位错滑移、原子扩散和晶界滑动，对于高分子材料还有分子链段沿外力的舒展。
晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，高温低应力下情况更是如此，这是因为温度升高，多晶体晶内及晶界强度都随之降低，但后者降低速率更快，造成高温下晶界的相对强度较低的缘故。
晶界断裂有两种模型：一种是晶界滑动和应力集中模型；另一种是空位聚集模型。
3、试述高温下金属蠕变变形和塑性变形机理的差异。
金属的塑性变形机理为：滑移和孪生。
金属的蠕变变形机理为：位错滑移、扩散蠕变、晶界滑动。
在高温下，由于温度的升高，给原子和空位提供了热激活的可能，使得位错可以克服某些障碍得以运动，继续产生蠕变变形；在外力作用下，晶体内部产生不均匀应力场，原子和空位在不同的位置具有不同的势能，它们会由高势能位向低势能位进行定向扩散。
8 材料的热学性能
1、试分析影响材料热容的因素？
对于固体材料，热容与材料的组织结构关系不大；一级相变，热容曲线发生不连续变化，热容为无限大。二级相变是在一定温度范围逐步完成，热容相应达有限极大值。
2、试解释为什么玻璃的热导率常常低于晶态固体几个数量级。
非晶态材料的热导率较小，这是因为非晶态为近程有序结构，可以近似地把它看成是晶粒很小的晶体来讨论。晶粒尺寸小、晶界多，声子更易受到散射，所以热导率就小得多。
9 材料的磁学性能
1、物质中为什么会产生抗磁性？
在磁场作用下，物质内部电子的循轨运动产生抗磁性。
2、抗磁与顺磁磁化率在金属研究中有哪些主要应用？
确定合金相图中的最大溶解度曲线：根据单相固溶体的顺磁性比两相混合组织的顺磁性为高且混合物的顺磁性与合金成分之间呈直线关系的规律，便可以定出合金在某一温度下的最大溶解度及合金溶解度曲线。
研究铝合金的分解；研究材料的有序无序转变、同素异构转变与确定再结晶温度等。
3、试说明材料产生铁磁性的条件。
金属要具有铁磁性，它的原子只有未被抵消自旋磁矩还不够，还必须使自旋磁矩自发地同相排列，产生自发磁化。
4、试说明软磁材料、硬磁材料的主要性能标志。
软磁材料的磁滞回线瘦小，具有高导磁与低Hc等特性。硬磁材料的磁滞回线肥大，具有高的Hc、Br与（BH）m等特性。
10 材料的电学性能
1、试说明量子自由电子导电理论与经典导电理论的异同。
金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，且为整个金属所有，可以在整个金属中自由运动。
量子自由电子理论认为金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。
能带理论也认为金属中的价电子是公有化和能量是量子化的，所不同的是，它认为金属中由离子所造成的势场不是均匀的，而是呈周期变化的。
2、为什么金属的电阻因温度升高而增大，而半导体的电阻却因温度的升高而减小？
温度升高会使离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，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。
半导体的导电，主要是由电子和空穴造成的。温度增加，使电子动能增大，造成晶体中自由电子和空穴数目增加，因而使电导率升高，电阻下降。
3、表征超导体性能的3个主要指标是什么？
（1）临界转变温度Tc
（2）临界磁场Hc
（3）临界电流密度Jc
4、简要论述电阻测量在金属研究中的应用。
测量电阻率的变化来研究金属与合金的组织结构变化。
（ 1 ）测量固溶体的溶解度曲线
（ 2 ）测定形状记忆合金中的相变温度。
5、半导体有哪些导电敏感效应？
热敏效应、光敏效应、压敏效应（电压敏感和压力敏感）、磁敏效应（霍尔效应和磁阻效应）等。
6、绝缘材料有哪些主要损坏形式？
电击穿、热击穿和化学击穿。
11 材料的光学性能
1、简述线性光学性能的概念以及有哪些基本参量。
线性光学性能：单一频率的光入射到非吸收的透明介质中时，其频率不发生任何变化；不同频率的光同时入射到介质中时，各光波之间不发生相互耦合，也不产生新的频率；当两束光相遇时，如果是相干光，则产生干涉，如果是非相干光，则只有光强叠加，即服从线性叠加原理。折射、色散、反射、吸收、散射等。
2、试分析制备透明金属制品的可行性？
不可行，因为金属对可见光的吸收很强烈，这是因为金属的价电子处于未满带，吸收光子后即呈激发态，用不着跃迁到导带即能发生碰撞而发热。
3、简述产生非线性光学性能的条件。
入射光为强光；晶体的对称性要求；位相匹配。
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