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《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。
材料⼒学性能第⼀章⼀.静载拉伸实验拉伸试样⼀般为光滑圆柱试样或板状试样。
若采⽤光滑圆柱试样，试样⼯作长度（标长）l0 =5d0 或l0 =10d0，d0 为原始直径。
⼆.⼯程应⼒：载荷除以试件的原始截⾯积。
σ=F/A0⼯程应变：伸长量除以原始标距长度。
ε=ΔL/L0低碳钢的变形过程：弹性变形、不均匀屈服塑性变形(屈服)、均匀塑性变形(明显塑性变形)、不均匀集中塑性变形、断裂。
三.低碳钢拉伸⼒学性能1．弹性阶段（Ob）（1）直线段（Oa）：线弹性阶段，E=σ/ε（弹性模量，⽐例常数）σp—⽐例极限（2）⾮直线段（ab）：⾮线弹性阶段σe—弹性极限2. 屈服阶段（bc）屈服现象：当应⼒超过b点后，应⼒不再增加，但应变继续增加，此现象称为屈服。
σs—屈服强度（下屈服点），屈服强度为重要的强度指标。
3.强化阶段（ce）材料抵抗变形的能⼒⼜继续增加，即随试件继续变形，外⼒也必须增⼤，此现象称为材料强化。
σb—抗拉强度，材料断裂前能承受的最⼤应⼒4．局部变形阶段（颈缩）（ef）试件局部范围横向尺⼨急剧缩⼩，称为颈缩。
四.主要⼒学性能指标弹性极限（σe）：弹性极限即指⾦属材料抵抗这⼀限度的外⼒的能⼒屈服强度（σs）：抵抗微量塑性变形的应⼒五.铸铁拉伸⼒学性能特点：（1）较低应⼒下被拉断（2）⽆屈服，⽆颈缩（3）延伸率低（4）σb—强度极限（5）抗压不抗拉讨论1：σs 、σr0.2、σb都是机械设计和选材的重要论据。
实际使⽤时怎么办？塑性材料：σs 、σr0.2脆性材料：σb屈强⽐：σs /σb讨论2：屈强⽐σs /σb有何意义？屈强⽐s / b值越⼤，材料强度的有效利⽤率越⾼，但零件的安全可靠性降低。
六.弹性变形及其实质定义：当外⼒去除后，能恢复到原来形状和尺⼨的变形。
特点：单调、可逆、变形量很⼩(<0.5~1.0%)2E 21a 2e e e e σεσ==七.弹性模量1、物理意义：材料对弹性变形的抗⼒。
《材料的力学性能》第一章 材料的拉伸性能名词解释：比例极限P σ，弹性极限e σ，屈服极限s σ，屈服强度0.2σ，抗拉强度b σ，延伸率k δ，断面收缩率k ψ（P7-8），断裂强度f σ（k σ），韧度（P10）1、拉伸试验可以测定那些力学性能？对拉伸试件有什么基本要求？ 答：拉伸试验可以测定的力学性能为：弹性模量E ，屈服强度σs ，抗拉强度σb ，延伸率δ，断面收缩率ψ。
2、拉伸图和工程应力-应变曲线有什么区别？试验机上记录的是拉伸图还是工程应力-应变曲线？答：拉伸图和工程应力—应变曲线具有相似的形状，但坐标物理含义不同，单位也不同。
拉伸图横坐标为伸长量（单位mm ），纵坐标为载荷（单位N ）；工程应力-应变曲线横坐标为工程应力（单位MPa ），纵坐标为工程应变（单位无）。
试验机记录的是拉伸图。
3、脆性材料与塑性材料的应力-应变曲线有什么区别？脆性材料的力学性能可以用哪两个指标表征？答：如下图所示，左图近似为一直线，只有弹性变形阶段，没有塑性变形阶段，在弹性变形阶段断裂，说明是脆性材料。
右图为弯钩形曲线，既有弹性变形阶段，又有塑性变形阶段，在塑性变形阶段断裂，说明是塑性材料。
脆性材料力学性能用“弹性模量“和”脆性断裂强度”来描述。
4、塑性材料的应力-应变曲线有哪两种基本形式？如何根据应力-应变曲线确定拉伸性能？答：分为低塑性和高塑性两种，如下图所示。
左图曲线有弹性变形阶段与均匀塑性变形阶段，没有颈缩现象，曲线在最高点处中断，即在均匀塑性变形阶段断裂，且塑性变形量小，说明是低塑性材料。
右图曲线有弹性变形阶段，均匀塑性变形阶段，颈缩后的局集塑性变形阶段，曲线在经过最高点后向下延伸一段再中断，即在颈缩后的局集塑性变形阶段断裂，且塑性变形量大，说明是高塑性材料。
5、何谓工程应力和工程应变？何谓真应力和真应变？两者之间有什么定量关系？答：6、如何测定板材的断面收缩率？答：断面收缩率是材料本身的性质，与试件的几何形状无关，其测试方法见P8。
材料性能学复习(总15页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--《材料性能学》复习第一章 材料单向静拉伸的力学性能一、力－伸长曲线（拉伸图） 1、曲线上变形三阶段 （1）、弹性变形（2）、塑性变形 （屈服现象）（3）、不均匀变形（颈缩阶段）及断裂阶段（会画） 2、拉伸图的种类曲线1 为淬火、高温回火后的高碳钢 曲线2 为低合金结构钢 曲线3 为黄铜 曲线4 为陶瓷、玻璃 曲线5 为橡胶类（会画）二、应力一应变曲线（σ－ε曲线）1、应力： 应变：2、 应力－应变曲线（工程应力－应变曲线）0A F =σ0L L ∆=ε３、各种性能指标（1）、强度指标①弹性极限：σe＝Fe / S0②比例极限：σp＝Fp / S0③屈服极限：σs＝Fs / S0 ；屈服强度σ＝ / S0④强度极限：σb＝Fb / S0⑤断裂强度： Sk＝Fk / Sk（2）、塑性指标①延伸率：δｋ＝(Ｌk-L0) / L0 X 100 %②断面收缩率：ψk＝（ S0－ Sk）/ S0 X 100 %４、真应力－真应变曲线（S－e曲线）真应力：其中， F －瞬时载荷， A－瞬时面积真应变：则：两曲线比较0 0ln)LLLdLdee e LL⎰⎰===)1(ψσ-=SAFS=三、弹性变形及其实质（一）、弹性变形的特点•1、可逆性；•2、单值线性关系；•3、弹性变形量较小（ε＜～1％）（二）、双原子模型解释弹性变形引力四、弹性的不完整性与内耗（一）、滞弹性（弹性后效）1．正弹性后效 2．反弹性后效3．产生原因４、危害（二）、包申格效应包申格（Bauschinger）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（或弹性极限）增加，反向加载，规定残余伸长应力（或弹性极限）降低的现象．原因：包申格（Bauschinger）效应可能与第二类内应力有关；危害：包申格（Bauschinger）效应可弱化材料，因而应予以消除；消除办法五、断裂1、断裂概念2、断裂的类型及断口特征3、韧性断裂与脆性断裂概念韧性断裂的特点；脆性断裂的特点4、穿晶断裂与沿晶断裂剪切断裂；解理断裂；准解理断裂5、断裂强度（1）．理论断裂强度（会推导）理论断裂强度和实际强度说（2）．断裂强度的裂纹理论（ Griffith强度理论）Griffith强度理论此公式说明的问题金属材料γs＝γe＋γp Griffith强度理论212⎪⎭⎫⎝⎛=aEscπγσ22σγπscEa=21(2⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=aEpecπγγσ2)(2σγγπpecEa+=第二章材料在其他静载下的力学性能主要讲了硬度试验一、布氏硬度（HB）（1）测定原理（2）、优缺点•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，试验数据稳定，重复性强。
中原工学院材料与化工学院材料性能学《材控专业课后习题》第一章材料在单向拉伸时的力学性能１-1名词解释1.弹性比功:材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力.2.包申格效应:金属材料经预先加载产生少量塑性变形，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.其来源于金属材料中的位错运动所受阻力的变化。
可通过热处理(再结晶退火）消除。
3.塑性:材料断裂前产生塑性变形的能力4.韧性：材料变形时吸收变形力的能力5.脆性断裂(弹性断裂)：材料断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快。
断口呈现与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮,为放射状或结晶状。
6.韧性断裂（延性断裂或者塑性断裂)：材料断裂前及断裂过程中产生明显塑性变形的断裂过程。
断口呈现暗灰色、纤维状。
7.剪切断裂：材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成断裂.断口呈现锋利的楔形或微孔聚集型,即出现大量韧窝。
8.河流花样：解理裂缝相交处会形成台阶,呈现出形似地球上的河流状形貌9.解理台阶：解理裂纹的扩展往往是沿晶面指数相同的一族相互平行,但位于“不同高度”的晶面进行的。
不同高度的解理面存在台阶。
10.韧窝：通过孔洞形核、长大和连接而导致韧性断裂的断口1—3材料的弹性模数主要取决于什么因素?答:影响弹性模数的因素:键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载条件和负荷持续时间1—4决定金属材料屈服强度的主要因素有哪些？答：１、晶体结构：屈服是位错运动，因此单晶体理论屈服强度=临界切应力2、晶界和亚结构:晶界是位错运动的重要障碍,晶界越多,常温时材料的屈服强度增加。
晶粒越细小，亚结构越多,位错运动受阻越多,屈服强度越大。
３、溶质元素：由于溶质原子与溶剂原子直径不同,在溶质原子周围形成晶格畸变应力场，其与位错应力场相互作用，使位错运动受阻，增大屈服强度.固溶强化、柯氏气团强化、沉淀强化、时效强化、弥散强化4、第二相：弥散分布的均匀细小的第二相有利于提高屈服强度5、环境因素对屈服强度的影响1)温度的影响：温度升高，屈服强度降低，但变化趋势因不同晶格类型而异。
第一章 单向静拉伸力学性能1、 解释下列名词。
2．滞弹性：金属材料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，也就是应变落后于应力的现象。
3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，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。
11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变2、 说明下列力学性能指标的意义。
答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 【P15】3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。
合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。
组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。
【P4】4、 现有45、40Cr 、35 CrMo 钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作为机床起身，为什么？选灰铸铁，因为其含碳量搞，有良好的吸震减震作用，并且机床床身一般结构简单，对精度要求不高，使用灰铸铁可降低成本，提高生产效率。
5、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。
为什么脆性断裂最危险？【P21】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。
6、 何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。
材料性能总结材料⼒学性能第⼀章材料单向静拉伸的⼒学性能1、名词解释弹性⽐功：为应⼒-应变曲线下弹性范围所吸收的变形功的能⼒,⼜称弹性⽐能，应变⽐能。
即弹性⽐功=σe2/2E =σeεe/2 其中σe为材料的弹性极限，它表⽰材料发⽣弹性变形的极限抗⼒包申格效应：指原先经过变形，然后反向加载时弹性极限（σP）或屈服强度（σS）降低的现象。
滞弹性：应变落后于应⼒的现象，这种现象叫滞弹性粘弹性：具有慢性的粘性流变，表现为滞后环，应⼒松弛和蠕变。
上述现象均与温度，时间，密切相关。
内耗：材料在弹性范围加载和卸载时，有⼀部分加载变形功被材料所吸收，这部分功叫做材料的内耗.塑性：指⾦属材料断裂前发⽣塑性变形的能⼒。
脆性断裂：材料断裂前基本上补产⽣明显的宏观塑性变形。
断⼝⼀般与正应⼒垂直，宏观上⽐较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。
韧性断裂：材料断裂前及断裂过程冲产⽣明显宏观塑性变形的断裂过程。
断⼝往往呈暗灰⾊、纤维状。
解理断裂：在正应⼒的作⽤下，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。
剪切断裂：材料在切应⼒作⽤下沿滑移⾯滑移分离⽽造成的断裂。
河流花样：实际上是许多解理台阶，不是在单⼀的晶⾯上。
流向与裂纹的扩展⽅向⼀致。
韧窝：材料发⽣微孔聚集型断裂时，其断⼝上表现出的特征花样。
2、设条件应⼒为σ，真实应⼒为S，试证明S>σ。
证明：设瞬时截⾯积为A，相应的拉伸⼒为F，于是S=F/A。
同样，当拉伸⼒F有⼀增量dF时，试样在瞬时长度L的基础上变为L+dL，于是应变的微分增量应为de=dL/L，试样⾃L0伸长⾄L 后，总的应变量为e=lnL/ L0 式中e为真应变。
于是e=ln（1+ε）假设材料的拉伸变形是等体积变化过程，于是真应⼒和条件应⼒之间有如下关系：S=σ（1+ε）由此说明真应⼒S⼤于条件应⼒σ3、材料的弹性模数主要取决于什么因素？⾼分⼦材料的弹性模数受什么因素影响最严重？答：材料弹性模量主要取决于结合键的本性和原⼦间的结合⼒，⽽材料的成分和组织对它的影响不⼤，可以说它是⼀个对组织不敏感的性能指标（对⾦属材料），⽽对⾼分⼦和陶瓷E对结构和组织敏感。
