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11種材料性能要點解析

2022-06-16 17:20:39 作者：理化檢驗物理分冊來源：理化檢驗物理分冊分享至：

1 材料單向靜拉伸的力學(xué)性能

1、名詞解釋：

銀紋：銀紋是高分子材料在變形過程中產(chǎn)生的一種缺陷，由于它的密度低，對光線的反射能力很高，看起來呈銀色，因而得名。銀紋產(chǎn)生于高分子材料的弱結(jié)構(gòu)或缺陷部位。

超塑性：材料在一定條件下呈現(xiàn)非常大的伸長率（約1000％）而不發(fā)生縮頸和斷裂的現(xiàn)象，稱為超塑性。晶界滑動產(chǎn)生的應(yīng)變εg在總應(yīng)變εt中所占比例一般在50％～70％之間，這表明晶界滑動在超塑性變形中起了主要作用。

脆性斷裂：材料斷裂前基本上不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，沒有明顯的預(yù)兆，往往表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過程，因而具有很大的危險性。

韌性斷裂：材料斷裂前及斷裂過程中產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂過程。韌性斷裂時一般裂紋擴(kuò)展過程較慢，而且消耗大量塑性變形能。

解理斷裂：在正應(yīng)力作用下，由于原子間結(jié)合鍵的破壞引起的沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂稱為解理斷裂。（解理臺階、河流花樣和舌狀花樣是解理斷口的基本微觀特征。）

剪切斷裂：剪切斷裂是材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂。（微孔聚集型斷裂是材料韌性斷裂的普通方式。其斷口在宏觀上常呈現(xiàn)暗灰色、纖維狀，微觀斷口特征花樣則是斷口上分布大量“韌窩”。）

2、試述韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)別，為什么說脆性斷裂最危險？

應(yīng)力類型，塑性變形程度、有無預(yù)兆、裂紋擴(kuò)展快慢。

3、斷裂強(qiáng)度σc與抗拉強(qiáng)度σb有何區(qū)別？

若斷裂前不發(fā)生塑性變形或塑性變形很小，沒有縮頸產(chǎn)生，材料發(fā)生脆性斷裂，則σc=σb。若斷裂前產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象，則σc與σb不相等。

4、格里菲斯公式適用哪些范圍及在什么情況下需要修正？

格里菲斯公式只適用于含有微裂紋的脆性固體，如玻璃、無機(jī)晶體材料、超高強(qiáng)鋼等。對于許多工程結(jié)構(gòu)材料，如結(jié)構(gòu)鋼、高分子材料等，裂紋尖端會產(chǎn)生較大塑性變形，要消耗大量塑性變形功。因此，必須對格里菲斯公式進(jìn)行修正。

2 材料單向靜拉伸的力學(xué)性能

1、應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)

τmax和σmax的比值稱為，用α表示。α越大，最大切應(yīng)力分量越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越軟，材料越易于產(chǎn)生塑性變形。反之，α越小，表示應(yīng)力狀態(tài)越硬，則材料越容易產(chǎn)生脆性斷裂。

2、如何理解塑性材料的“缺口強(qiáng)化”現(xiàn)象？

在有缺口條件下，由于出現(xiàn)了三向應(yīng)力，試樣的屈服應(yīng)力比單向拉伸時要高，即產(chǎn)生了所謂缺口“強(qiáng)化”現(xiàn)象。我們不能把“缺口強(qiáng)化”看作是強(qiáng)化材料的一種手段，因缺口“強(qiáng)化”純粹是由于三向應(yīng)力約束了材料塑性變形所致。此時材料本身的σs值并未發(fā)生變化。

3、試綜合比較單向拉伸、壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗的特點和應(yīng)用范圍。

單向拉伸時，正應(yīng)力分量較大，切應(yīng)力分量較小，應(yīng)力狀態(tài)較硬，一般適用于塑性變形抗力與切斷抗力較低的所謂塑性材料的試驗。

壓縮：單向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)a＝2，壓縮試驗主要用于脆性材料。

彎曲：彎曲加載時不存在如拉伸時的所謂試樣偏斜對試驗結(jié)果的影響。彎曲試驗時，截面上的應(yīng)力分布也是表面上應(yīng)力最大，故可靈敏地反映材料的表面缺陷。

扭轉(zhuǎn)試驗：扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)較拉伸的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)高，故可用來測定那些在拉伸時呈現(xiàn)脆性的材料的強(qiáng)度和塑性。

扭轉(zhuǎn)試驗時試樣截面的應(yīng)力分布為表面最大，故對材料表面硬化及表面缺陷的反應(yīng)十分敏感。

扭轉(zhuǎn)試驗時正應(yīng)力與切應(yīng)力大致相等；切斷斷口，斷面和試樣軸線垂直，塑性材料常為這種斷口。正斷斷口，斷面和試樣軸線約成45°角，這是正應(yīng)力作用的結(jié)果，脆性材料常為這種斷口。

4、試比較布氏硬度與維氏硬度試驗原理的異同，并比較布氏、洛氏和維氏硬度試驗的優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍。

維氏硬度的試驗原理與布氏硬度基本相似，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的載荷來計算硬度值的。所不同的是維氏硬度試驗所用的壓頭是兩相對面夾角為136°的金剛石四棱錐體。布氏硬度采用的為淬火鋼球或硬質(zhì)合金球。

布氏硬度試驗的優(yōu)點：壓痕面積較大，其硬度值能反映材料在較大區(qū)域內(nèi)各組成相的平均性能，且試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性高。因此，布氏硬度檢驗最適合測定灰鑄鐵、軸承合金等材料的硬度。

布氏硬度試驗的缺點：因壓痕直徑較大，一般不宜在成品件上直接進(jìn)行檢驗；此外，對硬度不同的材料需要更換壓頭直徑和載荷，同時壓痕直徑的測量也比較麻煩。

洛氏硬度試驗的優(yōu)點：操作簡便迅速；壓痕小，可對工件直接進(jìn)行檢驗；缺點：因壓痕較小，代表性差；用不同標(biāo)尺測得的硬度值既不能直接進(jìn)行比較，又不能彼此互換。

維氏硬度試驗具有很多優(yōu)點：測量精確可靠；可以任意選擇載荷。此外，維氏硬度也不存在洛氏硬度那種不同標(biāo)尺的硬度無法統(tǒng)一的問題，而且比洛氏硬度所測試件厚度更薄。維氏硬度試驗的缺點：其測定方法較麻煩，工作效率低，壓痕面積小，代表性差，所以不宜用于成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗。

3 材料的沖擊韌性及低溫脆性

1、低溫脆性，韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

體心立方或某些密排六方的晶體金屬及合金，尤其是工程上常用的中、低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，當(dāng)試驗溫度低于某一溫度tk（韌脆轉(zhuǎn)變溫度）時，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫恚瑪嗫谔卣饔衫w維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性。

2、試說明低溫脆性的物理本質(zhì)及其影響因素。

在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，斷裂強(qiáng)度低于屈服強(qiáng)度，材料在低溫下處于脆性狀態(tài)。

A.晶體結(jié)構(gòu)的影響：體心立方金屬及其合金存在低溫脆性，面心立方金屬及其合金一般不存在低溫脆性。體心立方金屬的低溫脆性可能和遲屈服現(xiàn)象有密切關(guān)系。

B.化學(xué)成分的影響：間隙溶質(zhì)元素含量增加，高階能下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。

C.顯微組織的影響：細(xì)化晶粒和組織可使材料韌性增加。

D. 溫度的影響：比較復(fù)雜，在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)脆性（藍(lán)脆）

E.加載速率的影響：提高加載速率如同降低溫度，使材料脆性增大，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。

F.試樣形狀和尺寸的影響：缺口曲率半徑越小，tk越高。

3、細(xì)化晶粒提高韌性的原因？

晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力；晶界前塞積的位錯數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；晶界總面積增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。

4 材料的斷裂韌性

1、低應(yīng)力脆斷

大型機(jī)件常常在工作應(yīng)力并不高，甚至遠(yuǎn)低于屈服極限的情況下，發(fā)生脆性斷裂現(xiàn)象，這就是所謂的低應(yīng)力脆斷。

2、說明下列符號的名稱和含義：KIc；JIc；GIc；δc。

KⅠC（裂紋體中裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場強(qiáng)度因子）為平面應(yīng)變斷裂韌度，表示材料在平面應(yīng)變狀態(tài)下抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。

JⅠc（裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能）也稱為斷裂韌度，但它表示材料抵抗裂紋開始擴(kuò)展的能力。

GIc表示材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時單位面積所消耗的能量。

δc（裂紋張開位移）也稱為材料的斷裂韌度，表示材料阻止裂紋開始擴(kuò)展的能力。

3、說明KI和KIc的異同。

KⅠ和KⅠC是兩個不同的概念，KⅠ是一個力學(xué)參量，表示裂紋體中裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場強(qiáng)度的大小，它決定于外加應(yīng)力、試樣尺寸和裂紋類型，而和材料無關(guān)。但KⅠC是材料的力學(xué)性能指標(biāo)，它決定于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素，而與外加應(yīng)力及試樣尺寸等外在因素?zé)o關(guān)。

KⅠ和KⅠC的關(guān)系與σ和σs的關(guān)系相同，KⅠ和σ都是力學(xué)參量，而KⅠC和σs都是材料的力學(xué)性能指標(biāo)。

5 材料的疲勞性能

1、疲勞破壞的特點？

（1）該破壞是一種潛藏的突發(fā)性破壞，在疲勞破壞前均不會發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂。

（2）疲勞破壞屬低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂。

（3）疲勞對缺陷（缺口、裂紋及組織）十分敏感，即對缺陷具有高度的選樣性。

（4）可按不同方法對疲勞形式分類。按應(yīng)力狀態(tài)分，有彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復(fù)合疲勞；按應(yīng)力高低和斷裂壽命分，有高周疲勞和低周疲勞。

2、疲勞斷口的幾個特征區(qū)？

疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。

3、試述σ-1和ΔKth的異同。

σ-1 （疲勞強(qiáng)度）代表的是光滑試樣的無限壽命疲勞強(qiáng)度，適用于傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度設(shè)計和校核；△Kth （疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值）代表的是裂紋試樣的無限壽命疲勞性能，適于裂紋件的設(shè)計和疲勞強(qiáng)度校核。

6 材料的磨損性能

1、磨損有幾種類型？說明它們的表面損傷形貌。

粘著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損及麻點疲勞磨損（接觸疲勞）。

粘著磨損：磨損表面特征是機(jī)件表面有大小不等的結(jié)疤。

磨料磨損：摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的溝槽。

接觸疲勞：接觸表面出現(xiàn)許多凹坑（麻坑），有的凹坑較深，底部有疲勞裂紋擴(kuò)展線的痕跡。

2、“材料愈硬，耐磨性愈高”的說法對嗎？為什么？

正確。因為磨損量都與硬度成反比。

3、試從提高材料疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度、耐磨性的觀點出發(fā)，分析化學(xué)熱處理時應(yīng)注意的事項。

增加表面強(qiáng)度和硬度的同時，提高表面表層殘余壓應(yīng)力。

7 材料的高溫性能

1、解釋下列名詞：

約比溫度：T/Tm

蠕變：就是材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。

持久強(qiáng)度：是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力。

蠕變極限：它表示材料對高溫蠕變變形的抗力。

松弛穩(wěn)定性：材料抵抗應(yīng)力松弛的能力稱為松弛穩(wěn)定性。

2、總結(jié)材料的蠕變變形及斷裂機(jī)理。

材料的蠕變變形機(jī)理主要有位錯滑移、原子擴(kuò)散和晶界滑動，對于高分子材料還有分子鏈段沿外力的舒展。

晶間斷裂是蠕變斷裂的普遍形式，高溫低應(yīng)力下情況更是如此，這是因為溫度升高，多晶體晶內(nèi)及晶界強(qiáng)度都隨之降低，但后者降低速率更快，造成高溫下晶界的相對強(qiáng)度較低的緣故。

晶界斷裂有兩種模型：一種是晶界滑動和應(yīng)力集中模型；另一種是空位聚集模型。

3、試述高溫下金屬蠕變變形和塑性變形機(jī)理的差異。

金屬的塑性變形機(jī)理為：滑移和孿生。

金屬的蠕變變形機(jī)理為：位錯滑移、擴(kuò)散蠕變、晶界滑動。

在高溫下，由于溫度的升高，給原子和空位提供了熱激活的可能，使得位錯可以克服某些障礙得以運動，繼續(xù)產(chǎn)生蠕變變形；在外力作用下，晶體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力場，原子和空位在不同的位置具有不同的勢能，它們會由高勢能位向低勢能位進(jìn)行定向擴(kuò)散。

8 材料的熱學(xué)性能

1、試分析影響材料熱容的因素？

對于固體材料，熱容與材料的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系不大；一級相變，熱容曲線發(fā)生不連續(xù)變化，熱容為無限大。二級相變是在一定溫度范圍逐步完成，熱容相應(yīng)達(dá)有限極大值。

2、試解釋為什么玻璃的熱導(dǎo)率常常低于晶態(tài)固體幾個數(shù)量級。

非晶態(tài)材料的熱導(dǎo)率較小，這是因為非晶態(tài)為近程有序結(jié)構(gòu)，可以近似地把它看成是晶粒很小的晶體來討論。晶粒尺寸小、晶界多，聲子更易受到散射，所以熱導(dǎo)率就小得多。

9 材料的磁學(xué)性能

1、物質(zhì)中為什么會產(chǎn)生抗磁性？

在磁場作用下，物質(zhì)內(nèi)部電子的循軌運動產(chǎn)生抗磁性。

2、抗磁與順磁磁化率在金屬研究中有哪些主要應(yīng)用？

確定合金相圖中的最大溶解度曲線：根據(jù)單相固溶體的順磁性比兩相混合組織的順磁性為高且混合物的順磁性與合金成分之間呈直線關(guān)系的規(guī)律，便可以定出合金在某一溫度下的最大溶解度及合金溶解度曲線。

研究鋁合金的分解；研究材料的有序無序轉(zhuǎn)變、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與確定再結(jié)晶溫度等。

3、試說明材料產(chǎn)生鐵磁性的條件。

金屬要具有鐵磁性，它的原子只有未被抵消自旋磁矩還不夠，還必須使自旋磁矩自發(fā)地同相排列，產(chǎn)生自發(fā)磁化。

4、試說明軟磁材料、硬磁材料的主要性能標(biāo)志。

軟磁材料的磁滯回線瘦小，具有高導(dǎo)磁與低Hc等特性。硬磁材料的磁滯回線肥大，具有高的Hc、Br與（BH）m等特性。

10 材料的電學(xué)性能

1、試說明量子自由電子導(dǎo)電理論與經(jīng)典導(dǎo)電理論的異同。

金屬中正離子形成的電場是均勻的，價電子與離子間沒有相互作用，且為整個金屬所有，可以在整個金屬中自由運動。

量子自由電子理論認(rèn)為金屬中每個原子的內(nèi)層電子基本保持著單個原子時的能量狀態(tài)，而所有價電子卻按量子化規(guī)律具有不同的能量狀態(tài)，即具有不同的能級。

能帶理論也認(rèn)為金屬中的價電子是公有化和能量是量子化的，所不同的是，它認(rèn)為金屬中由離子所造成的勢場不是均勻的，而是呈周期變化的。

2、為什么金屬的電阻因溫度升高而增大，而半導(dǎo)體的電阻卻因溫度的升高而減小？

溫度升高會使離子振動加劇，熱振動振幅加大，原子的無序度增加，使電子運動的自由程減小，散射幾率增加而導(dǎo)致電阻率增大。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電，主要是由電子和空穴造成的。溫度增加，使電子動能增大，造成晶體中自由電子和空穴數(shù)目增加，因而使電導(dǎo)率升高，電阻下降。

3、表征超導(dǎo)體性能的3個主要指標(biāo)是什么？

（1）臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc

（2）臨界磁場Hc

（3）臨界電流密度Jc

4、簡要論述電阻測量在金屬研究中的應(yīng)用。

測量電阻率的變化來研究金屬與合金的組織結(jié)構(gòu)變化。

（ 1 ）測量固溶體的溶解度曲線

（ 2 ）測定形狀記憶合金中的相變溫度。

5、半導(dǎo)體有哪些導(dǎo)電敏感效應(yīng)？

熱敏效應(yīng)、光敏效應(yīng)、壓敏效應(yīng)（電壓敏感和壓力敏感）、磁敏效應(yīng)（霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)）等。

6、絕緣材料有哪些主要損壞形式？

電擊穿、熱擊穿和化學(xué)擊穿。

11 材料的光學(xué)性能

1、簡述線性光學(xué)性能的概念以及有哪些基本參量。

線性光學(xué)性能：單一頻率的光入射到非吸收的透明介質(zhì)中時，其頻率不發(fā)生任何變化；不同頻率的光同時入射到介質(zhì)中時，各光波之間不發(fā)生相互耦合，也不產(chǎn)生新的頻率；當(dāng)兩束光相遇時，如果是相干光，則產(chǎn)生干涉，如果是非相干光，則只有光強(qiáng)疊加，即服從線性疊加原理。折射、色散、反射、吸收、散射等。

2、試分析制備透明金屬制品的可行性？

不可行，因為金屬對可見光的吸收很強(qiáng)烈，這是因為金屬的價電子處于未滿帶，吸收光子后即呈激發(fā)態(tài)，用不著躍遷到導(dǎo)帶即能發(fā)生碰撞而發(fā)熱。

3、簡述產(chǎn)生非線性光學(xué)性能的條件。

入射光為強(qiáng)光；晶體的對稱性要求；位相匹配。

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