材料性能学(1)
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一、名词解释第一章力学1.真实应变一根长度为L 的杆,在单向拉应力作用下被拉长到L ,则ε= ,为真实应变。
2.名义应变一根长度为L 的杆,在单向拉应力作用下被拉长到L ,则ε=L –L /L =△L/L ,ε为名义应变。
3.弹性模量材料在弹性变形阶段,其应力和应变成线性关系(即符合胡克定律),其比例系数称为弹性模量。
对各向同性体为一常数。
是原子间结合强度的一个标志。
4.弹性柔顺系数弹性体在单位应力下所发生的应变,是弹性体柔性的千种量度。
S =-μ/E ,其下标十位数为应变方向,个位数为所受应力的方向。
5.材料的蠕变对粘弹性体施加恒定应力σ时,其应变随时间而增加。
6.材料的弛豫对粘弹性体施加恒定应变ε时,则应力将随时间而减小。
7.位错增殖系数n个位错通过试样边界时引起位错增殖,使通过边界的位错数增加到nc个,c即为位错增殖系数。
8.滞弹性一些非晶体,有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性。
9.粘弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性,即弹性形变的产生与消除需要有限时间。
10.粘性系数(粘度) 单位接触面积、单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力。
单位Pa·S. 是流体抵抗流动的量度。
11.脆性断裂构件未经明显的变形而发生的断裂。
断裂时材料几乎没有发生过塑性变形。
在外力作用下,任意一个结构单元上主应力面的拉应力足够大超过材料的临界拉应力值时,会产生裂纹或缺陷的扩展,导致脆性断裂。
与此同时,外力引起的平均剪应力尚小于临界值,不足以产生明显的塑性变形或粘性流动。
12.裂纹亚临界生长裂纹在使用应力下,随时间的推移而缓慢扩展。
其结果是裂纹尺寸逐渐加大,一旦达到临界尺寸就会失稳扩展而破坏。
13.材料的理论结合强度根据Orowan提出的原子间约束力随原子间的距离x的变化曲线(正弦曲线),得到σ=σ×sin2πx/λ,σ为理论结合强度。
单位面积的原子平面分开所作的功应等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能,材料才能断裂,根据公式得出σ= Eγ/a 。
绪论1、简答题什么是材料的性能?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(热、光、电、磁)化学性能(老化、腐蚀)。
第一章单向静载下力学性能1、名词解释:弹性变形塑性变形弹性极限弹性比功包申格效应弹性模量滞弹性内耗韧性超塑性韧窝解: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。
2、简答(1)材料的弹性模量有那些影响因素?为什么说它是结构不敏感指标?解:键合方式和原子结构,共价键、金属键、离子键E高,分子键E低原子半径大,E小,反之亦然。
晶体结构,单晶材料在弹性模量在不同取向上呈各向异性,沿密排面E大,多晶材料为各晶粒的统计平均值;非晶材料各向E同性。
化学成分,微观组织温度,温度升高,E下降加载条件、负载时间。
对金属、陶瓷类材料的E没有影响。
高聚物的E随负载时间延长而降低,发生松弛。
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1第一章1、P 点以下: F 和Δl 为线性关系e 点以内(F<="">A 点(F=FA ): 出现塑性变形A 点到C 点:不均匀的屈服塑性变形C 点到B 点(FB 为Fmax ):均匀塑性变形B 点后:不均匀塑性变形,局部区域产生颈缩k 点:试样断裂拉伸过程变形包括弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形和不均匀集中变形等4个阶段。
2、工程应力ζ:载荷F 除以试样的原始截面积A0工程应变δ:伸长量Δl 除以原始标距长度l0σ(纵坐标)—δ (横坐标)曲线即为应力—应变曲线3、ζP —比例极限ζe —弹性极限ζs —屈服点ζb —抗拉强度4、按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形,将材料分为脆性材料和塑性材料两大类。
脆性材料:曲线特征,在拉伸断裂前,只发生弹性变形,不发生塑性变形,在最高载荷点处断裂。
弹性模量E 应力—应变曲线与横轴夹角α的大小表示材料对弹性变形的抗力E=tan α 虎克(Hooke)定律在弹性变形阶段,应力与应变成正比ζ= E δ E 为弹性模量。
刚度:在弹性变形范围内,材料在外载荷下抵抗变形的能力称为刚度。
构件刚度不足,会造成过量弹性变形而失效。
刚度的定义:0/(11)σ= -F A 0δ/(12)=? -l l对于一定材料的制件,刚度只与其截面积成正比。
可见要增加零(构)件的刚度,要么选用正弹性模量E高的材料,要么增大零(构)件的截面积A 。
但对于空间受严格限制的场合,往往既要求刚度高,又要求质量轻,因此加大截面积是不可取的,只有选用高弹性模量的材料才可以提高其刚度。
即比弹性模量(弹性模量/密度)要高。
弹性比功是指材料吸收变形功而不发生永久变形的能力,它标志着材料开始塑性变形前单位体积材料所吸收的最大弹性变形功,是一个韧度指标(影线面积)式中,ζe为弹性极限,εe为与弹性极限对应的弹性应变。
欲提高材料的弹性比功,途径有二:提高ζe或者降低E。
由于ζe 是二次方,所以提高ζe 对提高弹性比功的作用更显著。
共 4 页 第 页1. 通过静载拉伸实验可以测定材料的 弹性极限、屈服极限、 抗拉强度、断裂强度、比例极限等(答对3个即可)强度指标,及 延伸率 、 断面收缩率 等塑性指标。
2.按照断裂中材料的宏观塑性变形程度,断裂可分为脆性断裂和韧性断裂;按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径(断裂方式),可分为穿晶断裂和沿晶断裂;按照微观断裂机理,可分为解理断裂和剪切断裂3. 单向拉伸条件下的应力状态系数为 0.5 ;而扭转和单向压缩下的应力状态系数分别为 0.8 和 2.0 。
应力状态系数越大,材料越容易产生 (塑性) 断裂。
为测量脆性材料的塑性,长采用压缩的试验方法4.在扭转试验中,塑性材料的断裂面与试样轴线 垂直 ;脆性材料的断裂面与试样轴线 成450角。
5. 低温脆性常发生在具有 体心立方或密排六方 结构的金属及合金中,而在 面心立方 结构的金属及合金中很少发现。
6. 材料截面上缺口的存在,使得缺口根部产生 应力集中 和 双(三)向应力或应力状态改变 ,试样的屈服强度 不变,塑性 降低 。
7.根据磨损面损伤和破坏形式(磨损机理),磨损可分为4类:粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损和麻点疲劳磨损(接触疲劳)8.典型的疲劳断口有3个特征区:疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬断区。
疲劳裂纹扩展区最典型的特征是贝纹线9. 在典型金属与陶瓷材料的蠕变曲线上,蠕变过程常由 减速蠕变 ,恒速蠕变 和 加速蠕变 三个阶段组成。
10.根据材料磁化后对磁场所产生的影响,可以把材料分为3类:抗磁性材料、顺磁性材料和铁磁性材料11.一般情况下,温度升高,金属材料的屈服强度下降;应变速率越大,金属材料的屈服应力越高。
12.温度对金属材料的力学性能影响很大,在高温下材料易发生沿晶断裂。
13. 拉伸试样的直径一定,标距越长则测出的断后伸长率会越小14.宏观断口一般呈杯锥装,由纤维区、放射区和剪切唇3个区域组成。
材料强度越高,塑性降低,则放射区比例增大。
1.简述硬度测试的类型、原理和优缺点?[至少回答三种](一)、布氏硬度优点:压痕面积较大,其硬度值能反应材料在较大区域内各组成相的平均性能,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(具有粗大晶粒或者粗大组成相)。
压痕大的另一优点是实验数据稳定,重复性高。
缺点:因压痕直径较大,一般不宜在成品件上直接进行检验,不宜于薄件试验;硬度不同的材料需要更换压头直径D和载荷F,同时压痕直径的测量也比较麻烦。
(二)、洛氏硬度优点:操作简便迅速,压痕小,可对工件直接进行检验;采用不用标尺,可测定各种软硬不用和薄厚不一试样的硬度。
缺点:因压痕较小,代表性差;尤其是材料中的偏析及组织不均匀等情况,使所测硬度值的重复性查、分散度大;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。
(三)、维氏硬度优点:由于角锥压痕清晰,采用对角线长度计量,精确可靠;压头为四棱锥体,当载荷改变时,压入角恒定不变,因此可以任意选择载荷,而不存在布氏硬度那种载荷F与压球直径D之间的关系约束,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。
缺点: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。
2.说明布氏硬度与维氏硬度测出的硬度值相差不大的原因。
布氏硬度是用钢球或硬质合金球作为压头,维氏硬度是用两相对面夹角为136°的金刚石四棱锥作为压头,两个硬度都是采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。
3.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?(一)、扭转试验特点扭转的应力状态软性系数(α=0.8)较拉伸的应力状态软性系数(α=0.5)高,故可τσ=的强度和塑性。
用来测定那些在拉伸时呈现脆性断裂的材料(/0.50.8)s c扭转试验时试样截面的应力分布为表面最大,愈往心部愈小,故此法对材料表面及表面缺陷的反应十分敏感。
《材料性能(1-力学性能)》课程教学大纲第四章材料的疲劳1、疲劳概述2、疲劳的宏观表征3、疲劳的微观过程4、非金属材料的疲劳5、特种条件下的疲劳5h课堂讲授+讨论3-5道习题掌握材料疲劳的基本概念、宏观理论、微观机制、影响因素;了解各类型材料的疲劳特征以及各种特殊条件下的疲劳行为。
作业+课堂提问+课堂小测验第五章材料在不同工程环境下的力学性能1、高温强度2、冲击强度3、环境强度4、磨损强度5、材料在极端环境下的行为8h课堂讲授+讨论3-5道习题了解并掌握材料在高温、高速加载、带轻微腐蚀介质、相互接触运动、以及某些特殊环境下的力学行为和性能。
作业+课堂提问+课堂小测验*考核方式(Grading)采用“平时成绩”(课堂讨论、课堂小测验及作业)和“期末考试成绩”相结合的考核及评定方式,两者的比例为:70%(期末成绩)+30%(平时成绩)*教材或参考资料(Textbooks&Other Materials)教材:《材料性能学(第二版)》张帆,郭益平、周伟敏.上海交通大学出版社(2009)参考书:(1)《材料的力学行为》匡震邦,顾海澄,李中华.高等教育出版社(1998);(2)《Mechanical Behavior of Materials》T.H.Couttney,McGraw Hill(2000)其它(More)备注(Notes)备注说明:1.带*内容为必填项。
2.课程简介字数为300-500字;课程大纲以表述清楚教学安排为宜,字数不限。