材料科学基础第8章 材料的变形与断裂

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。

《材料科学基础》（804）考试大纲一、《材料科学基础》（804）参考教材如下：
石德珂编著，《材料科学基础》第二版，机械工业出版社，2003二、《材料科学基础》考试大纲
第一章材料结构的基本知识
1、原子结构
2、原子结合键
3、原子排列方式
4、晶体材料组织
5、材料的稳态结构与亚稳态结构
第二章材料中的晶体结构
1、晶体学基础
2、纯金属的晶体结构、
3、离子晶体的结构
4、共价晶体的结构
第三章高分子材料结构
1、概述
2、高分子链的结构与构象
3、高分子的聚集态结构
4、高分子材料的性能与结构
第四章晶体缺陷（本章对位错的能量与交互作用不做要求）
1、点缺陷
2、位错的基本概念
3、位错的能量及交互作用。

/jxtd/caike/这个网址有很多东西,例如教学录像,你可以上去看看,另外左下角有个“释疑解惑”，应该很有用第一章材料结构的基本知识习题1．原子中的电子按照什么规律排列?什么是泡利不相容原理?2．下述电子排列方式中，哪一个是惰性元素、卤族元素、碱族、碱土族元素及过渡金属?(1) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2(2) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6(3) 1s2 2s2 2p5(4) 1s2 2s2 2p6 3s2(5) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2(6) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s13．稀土元素电子排列的特点是什么?为什么它们处于周期表的同一空格内?4．简述一次键与二次键的差异。

5．描述氢键的本质，什么情况下容易形成氢键?6．为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高?7．应用式(1-2)~式(1-5)计算Mg2+O2-离子对的结合键能，以及每摩尔MgO晶体的结合键能。

假设离子半径为；；n=7。

8．计算下列晶体的离子键与共价键的相对比例(1) NaF(2) CaO9．什么是单相组织?什么是两相组织?以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。

10．说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。

11．归纳并比较原子结构、原子结合键、原子排列方式以及晶体的显微组织等四个结构层次对材料性能的影响。

第二章材料中的晶体结构习题第三章高分子材料的结构习题1．何谓单体、聚合物和链节?它们相互之间有什么关系?请写出以下高分子链节的结构式：①聚乙烯；②聚氯乙烯；③聚丙烯；④聚苯乙烯；⑤聚四氟乙烯。

2．加聚反应和缩聚反应有何不同?3．说明官能度与聚合物结构形态的关系。

要由线型聚合物得到网状聚合物，单体必须具有什么特征?4．聚合物的分子结构对主链的柔顺性有什么影响?5．在热塑性塑料中结晶度如何影响密度和强度，请解释之。

第七章相变第一节相变概述第二节相变分类第三节相变的条件第三节成核-生长相变⏹第一节相变概述一、相什么是相？--物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分。

二、相变1.相变随自由能变化而发生的相的结构的变化称为相变2.相变过程相变过程：物质从一个相转变到另一个相的过程。

⏹第二节相变的分类分类方法有很多，目前有以几种：一、按物质变化划分二、从热力学角度划分三、按动力学分类四、按相变发生的机理来划分一、按物质变化划分：按物态变化及含义不同，相变分为狭义相变和广义相变。

狭义相变仅限于同组成的两固相之间的结构转变，即相变是物理过程，不涉及化学反应。

如单元系统的晶型转变，S1<->S2。

广义相变包括相变前后相组成发生变化的情况，包括多组分系统的反应。

类型很多，S<->L、S<->V、S<->S、L<->V等。

二、从热力学角度划分：（1）按转变方向分类可分为可逆与不可逆相变。

可逆相变在加热和冷却时晶型之间发生互为可逆的变化，反映在相图上的特征是转变温度低于两种晶型的熔点。

不可逆相变是指高能量的介稳相向能量相对较低的物相之间的转变，相图上的特征是转变温度（虚拟）高于两种晶型的熔点。

(2)按化学位偏导数的连续性分类从热力学观点看，两相能够共存的条件是化学位相等。

此时的温度和压力分别称为临界温度和临界压力。

根据临界温度、临界压力时化学位各阶偏导数的连续性，可将相变分为一级相变、二级相变和高级相变1.一级相变：在临界温度、临界压力时，两相化学位相等，化学位的一阶偏导数不相等的相变。

反映在宏观性质上，相变时体系热焓H发生突变，热效应较大，体积膨胀或收缩。

大多数的S<->L、S<->V、S<->S、L<->V相变都属于一级相变，这是最常见的相变类型。

2.二级相变：在临界温度、临界压力时，化学位的一阶偏导数相等，而二阶偏导数不相等的相变。

简答题第一章材料结构的基本知识1、说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义。

答：结构转变的热力学条件决定转变是否可行，是结构转变的推动力，是转变的必要条件；动力学条件决定转变速度的大小，反映转变过程中阻力的大小。

2、说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。

答：稳态结构与亚稳态结构之间的关系：两种状态都是物质存在的状态，材料得到的结构是稳态或亚稳态，取决于转交过程的推动力和阻力(即热力学条件和动力学条件)，阻力小时得到稳态结构，阻力很大时则得到亚稳态结构。

稳态结构能量最低，热力学上最稳定，亚稳态结构能量高，热力学上不稳定，但向稳定结构转变速度慢，能保持相对稳定甚至长期存在。

但在一定条件下，亚稳态结构向稳态结构转变。

3、说明离子键、共价键、分子键和金属键的特点。

答：离子键、共价键、分子键和金属键都是指固体中原子(离子或分子)间结合方式或作用力。

离子键是由电离能很小、易失去电子的金属原子与电子亲合能大的非金属原于相互作用时，产生电子得失而形成的离子固体的结合方式。

共价键是由相邻原子共有其价电子来获得稳态电子结构的结合方式。

分子键是由分子(或原子)中电荷的极化现象所产生的弱引力结合的结合方式。

当大量金属原子的价电子脱离所属原子而形成自由电子时，由金属的正离子与自由电子间的静电引力使金属原子结合起来的方式为金属键。

第二章材料的晶体结构1、在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标。

6个面心构成一个正八面体，指出这个八面体各个表面的晶面指数、各个棱边和对角线的晶向指数。

解八面体中的晶面和晶向指数如图所示。

图中A、B、C、D、E、F为立方晶胞中6个表面的面心，由它们构成的正八面体其表面和棱边两两互相平行。

ABF面平行CDE面，其晶面指数为；ABE面平行CDF面，其晶面指数为；ADF面平行BCE面，其晶面指数为；ADE面平行BCF面，其晶面指数为(111)。

棱边，，，，，，其晶向指数分别为[110]，，[011]，，[101]。

【材料科学基础】必考知识点第⼋章2020届材料科学基础期末必考知识点总结第⼋章回复与再结晶第⼀节冷变形⾦属在加热时的组织与性能变化⼀回复与再结晶回复：冷变形⾦属在低温加热时，其显微组织⽆可见变化，但其物理、⼒学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。

再结晶：冷变形⾦属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的⽆畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，⽽使形变强化效应完全消除的过程。

⼆显微组织变化（⽰意图）回复阶段：显微组织仍为纤维状，⽆可见变化；再结晶阶段：变形晶粒通过形核长⼤，逐渐转变为新的⽆畸变的等轴晶粒。

晶粒长⼤阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺⼨。

三性能变化1 ⼒学性能（⽰意图）回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提⾼。

再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提⾼。

晶粒长⼤阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提⾼，粗化严重时下降。

2 物理性能密度：在回复阶段变化不⼤，在再结晶阶段急剧升⾼；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。

四储存能变化（⽰意图）1 储存能：存在于冷变形⾦属内部的⼀⼩部分（～10％）变形功。

弹性应变能（3～12％）2 存在形式位错（80～90％）点缺陷是回复与再结晶的驱动⼒3储存能的释放：原⼦活动能⼒提⾼，迁移⾄平衡位置，储存能得以释放。

五内应⼒变化回复阶段：⼤部分或全部消除第⼀类内应⼒，部分消除第⼆、三类内应⼒；再结晶阶段：内应⼒可完全消除。

第⼆节回复⼀回复动⼒学（⽰意图）1 加⼯硬化残留率与退⽕温度和时间的关系ln(x0/x)=c0t exp(-Q/RT)x0 –原始加⼯硬化残留率；x－退⽕时加⼯硬化残留率；c0－⽐例常数；t－加热时间；T－加热温度。

2 动⼒学曲线特点（1）没有孕育期；（2）开始变化快，随后变慢；（3）长时间处理后，性能趋于⼀平衡值。

⼆回复机理移⾄晶界、位错处1 低温回复：点缺陷运动空位＋间隙原⼦缺陷密度降低（0.1~0.2Tm）空位聚集（空位群、对）异号位错相遇⽽抵销2 中温回复：位错滑移位错缠结重新排列位错密度降低（0.2~0.3Tm）亚晶粒长⼤3 ⾼温回复：位错攀移（＋滑移）位错垂直排列（亚晶界）多边化（亚（0.3~0.5Tm）晶粒）弹性畸变能降低。

1 晶体结构不同的晶体可能有相同的晶体点阵。

正确错误2 晶体中与每一个阵点相对应的基元都是相同的。

正确错误3 晶体中与一个阵点相对应的基元都是一个原子。

正确错误4 晶体中与一个阵点相对应的基元可能是一个原子，也可能是多个原子。

正确错误5 如果晶体中与一个阵点相对应的基元是多个原子，这些原子必定不是同一种原子。

正确错误6 在由一种原子组成的晶体中，与一个阵点相对应的基元必定是一个原子。

正确错误7 对不同的晶体，与一个阵点相对应的基元必定都是不相同的。

正确错误8 一个简单正交晶体的。

正确错误9 对一个简单正交晶体：。

正确错误10 根据立方晶系晶面间距的计算公式，计算得纯铜晶体的。

正确错误11 体心立方晶体{110}中的所有晶面属于同一个晶带。

正确错误12 晶体中任意两个相交晶面一定属于同一个晶带。

正确错误13 、、三个晶面属于同一个晶带。

正确错误14 体心立方晶体{100}晶面族中的晶面属于[100]晶带。

正确错误15 Zn是密排六方结构，属简单六方点阵。

正确错误16 晶体中面密度越高的晶面，其面间距必定也越大。

正确错误17 晶体中非平衡浓度空位及位错的存在都一定会使晶体的能量升高。

正确错误18 晶体中的位错环有可能是一个纯刃型位错，但绝不可能是一个纯螺型位错。

正确错误19 晶体中的不全位错一定与层错区相连，反之亦然。

正确错误20 如果晶体中的亚晶界是由刃位错墙构成的，则相邻亚晶粒间的位向差越大，位错墙中位错的间距就越大。

正确错误21 如果晶体中的亚晶界是由刃位错墙构成的，则相邻亚晶粒间的位向差越大，亚晶界的比界面能越大。

正确错误22 位错线的运动方向总是垂直于位错线。

23 位错线的运动方向总是平行于位错线。

正确错误24 位错线的运动方向总是垂直于其柏氏矢量。

正确错误25 位错线的运动方向总是平行于其柏氏矢量。

正确错误26 位错运动所引起的晶体滑移方向总是平行于其柏氏矢量。

正确错误27 位错运动所引起的晶体滑移方向总是垂直于其柏氏矢量。