大学材料科学与工程教程第八章-材料的变形与断裂(二).方案

《材料科学与工程基础》教学大纲课程名称：材料科学与工程基础课程英文名称：Introduction to the Science andEngineering of Materials课程编码：0802ZY017 课程类别/性质：学科基础/选修学分：2学分总学时/理论/实验（上机）：32/32/0开课单位：化工学院适用专业：高分子材料与工程专业先修课程：无机及分析化学，有机化学一、课程简介《材料科学与工程基础》是高分子材料与工程专业学科基础课程。

是一门研究材料的结构、性能、加工和使用状况四者间关系的交叉学科。

材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程专业的学生必须具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。

开设材料科学与工程基础这门课程，主要是为了使学生建立“大材料”基础。

通过学习材料科学与工程基础，学生将接触到金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及复合材料等各种材料，学生能清楚地认识到高分子材料在整个材料家族中所具有的结构特点、性能优势、加工特殊性以及合适的应用领域，为学生以后进一步学习高分子材料和从事材料科学与工程方面的工作打下基础。

《Introduction to the Science and Engineering of Materials》is a basic course of polymer materials and engineering. It is an interdisciplinary subject that studies the relationship between the structure, properties, processing and use of materials. The development of material science, material industry and high technology requires that students majoring in polymer materials and engineering must have the foundation of "big materials" and the generous knowledge structure of "medium materials". The course of fundamentals of materials science and engineering is mainly to enable students to establish the foundation of "big materials". By studying the fundamentals of materials science and engineering, students will be exposed to various materials such as metal materials, inorganic non-metallic materials, polymer materials and composites. Students can clearly understand the structural characteristics, performance advantages, processing particularity and appropriate application fields of polymer materials in the whole material family, Lay a foundation for students to further study polymer materials and engage in material science and Engineering in the future.二、课程教学目标通过本课程的学习使学生掌握材料物质结构、性质、加工和使用性能间的相互联系，培养学生具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构，使学生建立“大材料”观。

第8章材料的变形与断裂材料的变形与断裂是材料科学中的重要研究内容，对于了解材料的性能和使用寿命具有重要意义。

材料的变形是指在外力作用下，材料的形状、尺寸或结构发生改变的过程。

而断裂则是指在外力作用下，材料由于受到极限载荷或破坏源的影响，导致形成裂纹最终导致材料的破裂。

材料的变形可以分为弹性变形和塑性变形两种情况。

在小应力作用下，材料会发生弹性变形，即在去除外力后能够恢复其原状。

而在大应力作用下，材料会发生塑性变形，即即使去除外力，材料也无法完全恢复其原状。

材料的弹性模量是一个衡量材料抗弹性变形能力的重要参数，不同材料具有不同的弹性模量，常见材料如金属具有较大的弹性模量，而聚合物则具有较小的弹性模量。

材料的塑性变形是材料工程中非常重要的一个特性，塑性变形不仅与材料的力学性能有关，还与材料的微观结构和晶格缺陷等因素有关。

材料在塑性变形过程中会产生塑性应变和塑性应力，塑性应变是材料发生塑性变形时所引起的应变，而塑性应力则是材料发生塑性变形时所引起的应力。

常见的材料塑性变形包括屈服、流动、硬化等过程。

材料的断裂是指在外力作用下，材料发生了破裂。

材料的断裂主要分为两种形式：韧性断裂和脆性断裂。

韧性断裂是指材料在外力作用下具有一定韧性，在发生破裂前能够发生大量的塑性变形。

而脆性断裂则是指材料在外力作用下没有发生明显的塑性变形，很快发生破裂。

韧性断裂常见于许多金属材料，而脆性断裂则常见于一些玻璃、陶瓷等材料。

材料的断裂形式可以通过断口分析来确定。

不同的断口形式对应着不同的材料断裂机制。

常见的断裂形式有拉断、韧窝断裂、脆窝断裂等。

拉断是指材料发生拉伸断裂，断口两侧平整光滑，常见于高强度的金属材料。

而韧窝断裂则是指材料发生韧性断裂，断口两侧有明显的韧窝。

脆窝断裂则是指材料发生脆性断裂，断口两侧有明显的断裂窝。

通过对断口形态的观察可以判断材料的断裂机制和断裂韧性。

材料的变形和断裂不仅仅涉及到力学性能的研究，还和材料的制备工艺、微观结构、晶体缺陷、应力和温度等因素有关。

材料科学与工程综合实验（Comprehensive Experiments of Materials Science and Engineering）课程代码：07410085学分：1学时：32先修课程：材料科学基础，材料科学研究方法，材料测试方法，材料力学性能，材料物理性能适用专业：复合材料工程教材或实验指导书：（选填）一、课程性质与课程目标（一）课程性质本课程针对材料科学与工程大类专业完成本专业的基础课程的理论学习后开设的对应实验课程，旨在为培养学生实际动手操作能力，加深学生对材料科学与工程先导课程中基础理论知识的理解，学会综合运用各种测试方法、表征手段与工具等解决材料科学与工程实际问题的能力。

（二）课程目标（根据课程特点和对毕业要求的贡献，确定课程目标。

应包括知识目标和能力目标。

）课程目标1：掌握材料科学研究所需的各种微观组织表征手段，如X射线衍射仪、光学金相显微镜、扫描电镜、透射电镜等设备用于表征材料的微观结构；课程目标2：掌握材料科学研究所需的各种力学和物理性能测试方法如硬度、拉伸和压缩试验、冲击韧性、摩擦磨损等力学性能测试手段和热膨胀系数、导电性等物理性能测试手段用于获得材料内在的性能参数；课程目标3：掌握利用文字报告、图表等对材料科学与工程领域的实验数据的表达和解析能力。

注：工程类专业通识课程的课程目标应覆盖相应的工程教育认证毕业要求通用标准；（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系本课程支撑专业培养计划中毕业要求指标点：1.毕业要求指标点3-2. 能够在社会、环境、法律等现实约束条件下，通过技术经济环境评价对设计方案的可行性进行研究。

2.毕业要求指标点4-4. 能对实验数据或结果进行正确的分析和解释，并通过信息综合归纳总结有效的结论。

注：课程目标与毕业要求指标点对接的单元格中可输入“✓”，也可标注“H、M、L”。

二、本课程开设的实验项目注：1.类型：指验证性、综合性、设计性等；2.要求：指必做、选做。

第八章变形和强化机制一、学习目的材料在加工和服役过程中不可避免产生变形。

研究材料变形的基本原理既是预防材料服役中产生变形、断裂等失效的需要，也是设计材料塑性变形加工工艺的需要。

本章的学习目的就是通过了解晶体材料的变形过程和影响因素，掌握材料变形和强化机制。

增加材料塑性变形抗力的方法叫材料强化，由于晶体材料的塑性变形主要由晶格位错运动实现，因此材料的强化机制本质是阻碍位错运动。

细化晶粒产生更多的晶界以阻碍晶间位错运动；固溶合金化或引入强化相也可有效地阻碍晶格位错的运动；材料在塑性变形过程中会产生位错，因而使随后的位错运动受到抑制，导致材料强化（即加工硬化或形变强化），这些都是晶体材料有效的强化机制。

用晶体材料强化的思路研究高分子材料的弹性变形和塑性变形过程，探讨塑料、橡胶等高分子材料的强韧化机制也是本章的教学目的之一。

二、本章的主要内容1．从原子的角度描述刃型位错和螺型位错的运动。

2．施加切应力会使刃型位错和螺型位错运动，描述塑性变形是怎样由位错运动产生的。

3．定义滑移系，并举例说明。

4．描述多晶金属材料发生塑性变形时，它的晶粒结构是如何变化的。

5．说明晶界是如何阻碍位错运动的，并解释一个有着小晶粒的金属为什么比有着大晶粒的金属强度大。

6．从晶格拉伸与位错相互作用的方面解释置换不同原子的固溶体强化原理。

7．从位错和应变场相互作用的方面描述解释应变强化（冷加工）现象。

8．从材料的微观结构和机械特性改变的方面描绘再结晶。

9．从宏观和原子的角度解释晶粒长大现象。

10．在滑移的基础上考虑，来解释为什么结晶陶瓷材料通常比较脆。

11．描绘半结晶聚合物塑性变形的各个阶段。

12．讨论下列因素对聚合物抗张模量和抗张强度的影响：(a)分子量(b)结晶度(c)预变形(d)不变形材料的热处理。

13．描述弹性聚合物弹性形变的分子途径。

三、重要术语和概念Cold working: 冷加工、冷变形The plastic deformation of a metal at a temperature below that at which it recrystallizes.金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。