材料性能学 第七章

第七章材料的高温力学性能1、解释下列名词[1]蠕变：材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。

[2]蠕变曲线：通过应力、温度、时间、蠕变变形量和变形速率等参量描述蠕变变形规律的曲线。

[3]蠕变速度：通常指恒速(稳定)蠕变阶段的速度。

[4]持久塑性：持久塑性是指材料在一定温度及恒定试验力作用下的塑性变形。

用蠕变断裂后试样的延伸率和断面收缩率表示。

[5]持久强度：在给定温度T下，恰好使材料经过规定的时间发生断裂的应力值。

[6]蠕变脆性：由于蠕变而导致材料塑性降低以及在蠕变过程中发生的低应力蠕变断裂的现象。

[7]高温应力松弛：恒定应变下，材料内部的应力随时间降低的现象。

[8]等强温度：使晶粒与晶界两者强度相等的温度。

[9]蠕变极限：高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。

[10]应力松弛：零件或材料在总应变保持不变时，其中的应力随着时间延长而自行降低的现象。

[11]应力松弛曲线：给定温度和总应变条件下，应力随着时间的变化曲线。

[12]松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能。

[13]高温疲劳：高于再结晶温度所发生的疲劳。

[14]热暴露（高温浸润）：材料在高温下即使不受力，长时间处于高温条件下也可使其力学性能发生变化，通常导致室温和高温强度下降，脆性增加。

原因是材料的组织发生变化、环境中的氧化和腐蚀导致力学性能发生变化。

2、问答题[1]简述材料在高温下的力学性能的特点。

答：材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低：载荷作用时间越长，引起变形的抗力越小；应变速率越低，作用时间越长，塑性降低越显著，甚至出现脆性断裂；变形速度的增加而等强温度升高。

[2]与常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点? 造成这种差别的原因何在？答：1 首先，材料在高温和恒定应力的持续作用下将发生蠕变现象；2材料在高温下不仅强度降低，而且塑性先增加后降低。

3 应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。

付华_材料性能学_部分习题答案解析第⼀章材料的弹性变形⼀、填空题：1.⾦属材料的⼒学性能是指在载荷作⽤下其抵抗变形或断裂的能⼒。

2. 低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。

3. 线性⽆定形⾼聚物的三种⼒学状态是玻璃态、⾼弹态、粘流态，它们的基本运动单元相应是链节或侧基、链段、⼤分⼦链，它们相应是塑料、橡胶、流动树脂（胶粘剂的使⽤状态。

⼆、名词解释1.弹性变形：去除外⼒，物体恢复原形状。

弹性变形是可逆的2.弹性模量：拉伸时σ=EεE：弹性模量（杨⽒模数）切变时τ=GγG：切变模量3.虎克定律：在弹性变形阶段，应⼒和应变间的关系为线性关系。

4.弹性⽐功定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能⼒，⼜称为弹性⽐能或应变⽐能，表⽰材料的弹性好坏。

三、简答：1．⾦属材料、陶瓷、⾼分⼦弹性变形的本质。

答：⾦属和陶瓷材料的弹性变形主要是指其中的原⼦偏离平衡位置所作的微⼩的位移，这部分位移在撤除外⼒后可以恢复为0。

对⾼分⼦材料弹性变形在玻璃态时主要是指键⾓键长的微⼩变化，⽽在⾼弹态则是由于分⼦链的构型发⽣变化，由链段移动引起，这时弹性变形可以很⼤。

2．⾮理想弹性的概念及种类。

答：⾮理想弹性是应⼒、应变不同时响应的弹性变形，是与时间有关的弹性变形。

表现为应⼒应变不同步，应⼒和应变的关系不是单值关系。

种类主要包括滞弹性，粘弹性，伪弹性和包申格效应。

3．什么是⾼分⼦材料强度和模数的时-温等效原理?答：⾼分⼦材料的强度和模数强烈的依赖于温度和加载速率。

加载速率⼀定时，随温度的升⾼，⾼分⼦材料的会从玻璃态到⾼弹态再到粘流态变化，其强度和模数降低；⽽在温度⼀定时，玻璃态的⾼聚物⼜会随着加载速率的降低，加载时间的加长，同样出现从玻璃态到⾼弹态再到粘流态的变化，其强度和模数降低。

时间和温度对材料的强度和模数起着相同作⽤称为时=温等效原理。

四、计算题：⽓孔率对陶瓷弹性模量的影响⽤下式表⽰：E=E0(1—1.9P+0.9P2) E0为⽆⽓孔时的弹性模量；P为⽓孔率，适⽤于P≤50 %。

《材料性能学》课程教学大纲课程名称（英文）：材料性能学（Properties of Materials）课程类型：学科基础课总学时： 72 理论学时： 60 实验（或上机）学时： 12学分：4.5适用对象：金属材料工程一、课程的性质、目的和任务本课程为金属材料工程专业的一门专业基础课，内容包括材料的力学性能和物理性能两大部分。

力学性能以金属材料为主，系统介绍材料的静载拉伸力学性能；其它载荷下的力学性能，包括扭转、弯曲、压缩、缺口、冲击及硬度等；断裂韧性；变动载荷下、环境条件下、高温条件下的力学性能；摩擦、磨损性能以及其它先进材料的力学性能等。

物理性能概括介绍常用物理性能如热学、电学、磁学等的基本参数及物理本质，各种影响因素，测试方法及应用。

通过本课程的学习，使学生掌握材料各种主要性能指标的宏观规律、物理本质及工程意义，了解影响材料性能的主要因素，了解材料性能测试的原理、方法和相关仪器设备，基本掌握改善或提高材料性能指标、充分发挥材料潜能的主要途径，初步具备合理的选材和设计，开发新型材料所必备的基础知识和基本技能。

在学习本课程之前，学生应学完物理化学、材料力学、材料科学基础、钢的热处理等课程。

二、课程基本要求根据课程的性质与任务，对本课程提出下列基本要求：1．要求学生在学习过程中打通与前期材料力学、材料科学基础等课程的联系，并注重建立与同期和后续其它专业课程之间联系以及在生产实际中的应用。

2．能够从各种机器零件最常见的服役条件和失效现象出发，了解不同失效现象的微观机理，掌握工程材料（金属材料为主）各种力学性能指标的宏观规律、物理本质、工程意义和测试方法，明确它们之间的相互关系，并能大致分析出各种内外因素对性能指标的影响。

3．掌握工程材料常用物理性能的基本概念及影响各种物性的因素，熟悉其测试方法及其分析方法，初步具备有合理选择物性分析方法，设计其实验方案的能力。

三、课程内容及学时分配总学时72，课堂教学60学时，实验12学时。

第一章材料单向静拉伸的力学性能1、各种材料的拉伸曲线：曲线1:淬火、高温回火后的高碳钢曲线2:低碳钢、低合金钢曲线3:黄铜曲线4:陶瓷、玻璃等脆性材料曲线5:橡胶类高弹性材料曲线6:工程塑性2、拉伸曲线的变形过程：拉伸开始后试样的伸长随力的增加而增大。

在P点以下拉伸力F合伸长量ΔL呈直线关系。

当拉伸力超过F p后，曲线开始偏离直线。

拉伸力小于F e时，试样的变形在卸除拉力后可以完全恢复，因此e点以内的变形为弹性变形。

当拉伸力达到F A后，试样便产生不可恢复的永久变形，即出现塑性变形。

在这一阶段的变形过程中，最初试样局部区域产生不均匀的屈服塑性变形，曲线上出现平台式锯齿，直至C点结束。

接着进入均匀塑性变形阶段。

达到最大拉伸力F b时，试样再次出现不均匀塑性变形，并在局部区域产生缩颈。

最后在拉伸力Fk处，试样断裂。

在整个拉伸过程中变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形及不均匀塑性变形四个阶段。

3、金属、陶瓷及高分子材料性能的差异及机制1）、弹性变形：a、金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物：在弹性变形范围内，应力和应变之间可以看成具有单值线性关系，且弹性变性量都较小。

橡胶态的高分子聚合物：在弹性变形范围内，应力和应变之间不呈线性关系，且变性量较大。

b、材料产生弹性变性的本质：构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。

金属、陶瓷类晶体材料：处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移。

橡胶类材料：呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展。

2）、塑性变形：a、金属材料的塑性变形机理：晶体的滑移和孪生i、滑移：金属晶体在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。

滑移面和滑移反向的组成成为滑移系。

滑移系越多，金属的塑性越好，但滑移系的多少不是决定塑性好坏的唯一因素。

金属晶体的滑移面除原子最密排面外，还受到温度、成分和预先变形程度等的影响。

塑变宏观特征：单晶体的滑移塑变微观特征: 原子面在滑移面上滑移,并非某原子面的整体运动,而是借助位移运动来实现,结果出现滑移台阶。

第一章一、解：1.滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象, 称为滞弹性。

2. 塑性：在给定载荷下，材料产生永久变形的特性。

3•解理台阶：解理裂纹与螺型位错相交形成解理台阶。

4. 河流状花样：解理裂纹与螺型位错相遇后，沿裂纹前端滑动二相互汇合，同号台阶相互汇合长大，当汇合台阶足够大时，便成为河流状花样。

5. 强度：材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。

二、解：1.E :弹性模量。

2. d 0.2 :屈服强度3. b b :抗拉强度4. £ :条件应变或条件伸长率。

三、解：由d m= ( E Y s/ao)?得：丫s= d m2 • ao/E ①将代入d c= (2E • 丫s/ JI a)?=d m- ( 2*ao/刃*a)=504MPA.四、解：由题中所给式子知：⑴：材料的成分增多，会引起滑移系减少、孪生、位错钉插等，材料越容易断裂；⑵：杂质：聚集在晶界上的杂质越多，材料越容易断裂；⑶：温度：温度降低，位错摩擦阻力越大，所以材料越容易断裂；⑷、晶粒大小：晶粒越小，位错堆积越少，晶界面积越大，材料韧性越好，所以不容易断裂；⑸、应力状态：减小切应力与正应力比值的应力状态都会使材料越容易断裂；⑹、加载速率：加载速率越大，材料越容易断裂五、解：两者相比较，前者为短比例式样，后者为长比例式样，而对于韧性金属材料，比例试样尺寸越短，其断后伸长率越大，所以 d 5大于d 10.第二章作业题1应力状态软性系数：按“最大切应力理论”计算的最大切应力与按“相当最大正应力理论”计算的最大正应力的比值。

2缺口效应：截面的急剧变化产生缺口，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生缺口效应，影响金属材料的力学性能。

3布氏硬度：用一定直径的硬质合金球做压头，施以一定的试验力，将其压入试样表面，经规定保持时间后卸除，试样表面残留压痕。

HBW通过压痕平均直径求得。

第一章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”。

)4、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。

5、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。

6、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。

第二章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。

本学期材料性能学作业及答案第一次作业P36-37第一章1名词解释4、决定金属屈服强度的因素有哪些？答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。

外在因素：温度、应变速率和应力状态。

10、将某材料制成长50mm，直径5mm的圆柱形拉伸试样，当进行拉伸试验时塑性变形阶段的外力F与长度增量ΔL的关系为：F/N 6000 8000 10000 12000 14000ΔL 1 2.5 4.5 7.5 11.5求该材料的硬化系数K及应变硬化指数n。

解：已知：L0=50mm，r=2.5mm，F与ΔL如上表所示，由公式（工程应力）σ=F/A0,（工程应变）ε=ΔL/L0,A0=πr2,可计算得：A0=19.6350mm2σ1= 305.5768，ε1=0.0200，σ2=407.4357 ，ε2=0.0500，σ3= 509.2946，ε3=0.0900，σ4= 611.1536，ε4=0.1500，σ5= 713.0125，ε5=0.2300，又由公式（真应变）e=ln(L/L0)=ln(1+ε)，（真应力）S=σ（1+ε），计算得：e1=0.0199，S1=311.6883，e2=0.0489，S2=427.8075，e3=0.0864，S3=555.1311，e4=0.1402，S4=702.8266，e5=0.2076，S5=877.0053，又由公式S=Ke n，即lgS=lgK+nlge，可计算出K=1.2379×103，n=0.3521。

11、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。

为什么脆性断裂最危险？答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。

韧性断裂：是断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂特征：断裂面一般平行于最大切应力与主应力成45度角。

第一篇材料的力学性能第一章材料的弹性变形一、名词解释1、弹性变形：外力去除后，变形消失而恢复原状的变形。

P42弹性模量：表示材料对弹性变形的抗力，即材料在弹性变形范兩内，产生单位弹性应变的需应力。

P103、比例极限：是保证材料的弹性变形按正比例关系变化的最大应力。

P154、弹性极限：是材料只发生弹性变形所能承受的最大应力。

P155、弹性比功：是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。

P156、包格申效应：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%）, 而后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。

P207、内耗：在加载变形过程中，被材料吸收的功称为内耗。

P21二、填空题1、金属材料的力学性能是指在载荷作用下其抵抗（变形）和（断裂）的能力。

P22、低碳钢拉伸试验的过程可以分为（弹性变形）、（塑性变形）和（断裂）三个阶段。

P2三、选择题1、表示金属材料刚度的性能指标是（B ）。

P10A比例极限B弹性模量C弹性比功2、弹簧作为广泛应用的减振或储能元件，应具有较高的（C ）<> P16A塑性B弹性模量C弹性比功D硬度3、下列材料中（C ）最适宜制作弹簧。

A 08 钢B 45 钢C 60Si:Mn C T12 钢4、下列因素中，对金属材料弹性模量影响最小的因素是（D ）。

A化学成分B键合方式C晶体结构D晶粒大小四、问答题影响金属材料弹性模量的因素有哪些？为什么说它是组织不敬感参数？答：影响金属材料弹性模量的因素有：键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、温度及加载方式和速度。

弹性模量是组织不敬感参数，材料的晶粒大小和热处理对弹性模量的影响很小。

因为它是原子间结合力的反映和度量。

P11第二章材料的塑性变形一、名词解释1、塑性变形：材料在外力的作用于下，产生的不能恢复的永久变形。

P242、塑性：材料在外力作用下，能产生永久变形而不断裂的能力。

P523、屈服强度：表征材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。