材料物理性能参考试题

1、低碳钢拉伸和压缩时应力应变曲线的异同点？（1）塑性材料（低碳钢）在拉伸时应力-应变曲线一般包括四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部颈缩阶段。脆性材料（灰口铸铁）在拉伸时应力-应变曲线无直线部分，但是，应力较小时的一段曲线很接近于直线，故虎克定律还可以适用。铸铁拉伸时无明显的弹性阶段和屈服阶段，也无颈缩现象，试件在断裂时无明显的塑性变形。低碳钢在压缩时与拉伸有相同的弹性阶段，屈服阶段和强化阶段，但是强化后期压缩曲线上偏，不会断裂。灰铸铁的在压缩时依然没有直线部分和屈服阶段，它是在很小的变形下出现断裂的，强度极限是拉伸时的3~4倍。（2）材料在拉伸和压缩时的弹性极限和屈服强度几乎无太大差别，不同点为强度极限在压缩时会有大幅度提高。（3）断裂方式不同：塑性材料在拉伸条件下的呈韧性断裂，宏观断口呈杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇三部分组成；脆性材料在拉伸时呈现脆性断裂，其端口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不断裂；脆性材料在压缩时相对拉伸时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴线呈45°方向产生断裂，其主要原因是由剪应力引起的，具有切断特征。（超过屈服之后，低碳钢试样由原来的圆柱形逐渐被压成鼓形。继续不断加压，试样将愈压愈扁，横截面面积不断增大，试样抗压能力也不断增大，故总不被破坏。所以，低碳钢不具有抗压强度极限（也可将它的抗压强度极限理解为无限大）。）2、屈服的本质及构成？（1）屈服：当应力达到一定值时，应力虽不增加（或者在小范围内波动），而变形却急剧增长的现象，称为屈服现象，标志着材料的力学影响由弹性变形阶段进入塑性变形阶段。屈服现象在退火、正火的中、低碳钢和低合金钢中最为常见。（2）本质：屈服现象的产生与下列三个因素有关：①材料变形前可动位错密度很小（或虽有大量位错但被钉扎住，如钢中的位错为杂质原子或者第二相质点所钉扎）②随塑性变形发生，位错能快速增殖③位错运动速率与外加应力有强烈依存关系变形前可动位错少，为了增大应变速率，必须加大位错运动速度，位错运动速度取决于应力大小，就需要较高的应力即上屈服点。一旦塑性变形产生，位错大大增殖，可动位错密度增加，则位错运动速度必然下降，相应的应力也突然降低，从而产生屈服现象。（屈服的本质可用Cottrell气团“钉扎”理论来解释：间隙原子由于畸变产生的应力场与位错发生弹性交互作用，使它们倾向于扩散到位错线附近，形成“偏聚气团”。位错需在更大的应力下才能挣脱间隙原子的“钉扎”而继续运动，形成屈服点，脱离钉扎后，位错运动比较容易，出现下屈服点和屈服平台。）（3）构成：外力不增加人能继续伸长的应力称为屈服点试样发生屈服而力首次下降的最大应力称为上屈服点屈服阶段中的最小应力称为下屈服点在屈服过程中的伸长称为屈服伸长屈服伸长所对应的水平线段或曲折线段称为屈服平台或屈服锯齿3、材料的基本强化机制（影响因素、例子）？（1）细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。机理：塑性：细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。强度：晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；金属材料的强度与晶粒尺寸之间符合霍尔-配奇公式σs＝σo＋kd(－½)，晶粒直径d越小，σs越大，即强度越大。影响因素：晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式σs=σ0＋Kd-1/2晶粒的平均直径（d）越小，材料的屈服强度（σs）越高。细化晶粒的手段：结晶过程中增加过冷度；变质处理；振动与搅拌。冷变形金属通过控制变形度、退火温度热处理方法有退火、正火（2）固溶强化：合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。影响因素：①在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；②溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化效果越显著；③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；④溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。方法：合金化，即加入合金元素。（3）形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。影响因素：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式Δσ=αbGρ1/2，可知强度与位错密度（ρ）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显著。方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）形变强化的实际意义（利与弊）：形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。另一方面形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低给继续变形带来困难，中间需要进行再结晶退火，增加生产成本。（4）第二相强化：分布于基体中的第二相阻碍位错运动而引起的强化。机理：第二相与位错间的交互作用，阻碍了位错运动，提高了合金的变形抗力。层片状：层片状脆性相将基体分隔成小单元，位错运动被限制在层片间的很短距离内，形成平面塞积群。类似晶界的作用，提高塑性，用霍尔佩奇公式表明片间距减少可以提高强度。可变形粒子强化：位错切过第二项粒子引起强化（切过机制）-沉淀强化，与粒子特性有关，如马氏体时效钢。不可变形粒子强化：位错绕过第二项粒子引起强化（绕过机制）-弥散强化，与粒子特性无关，如烧结铝。影响因素：很大程度取决于第二相分布：网状分布，如过共析钢，脆性增加，塑性韧性下降；层片状均匀分布，如珠光体，片间距越小，强度塑性越好；粒状分布，颗粒越细小，分布越均匀，强度越好，粒子数量越多，对塑性危害越大。方法：合金化，即加入合金元素，通过热处理或变形改变第二相的形态及分布。4、影响材料热导率的主要因素（例子）？（1）温度对金属材料热导率的影响：对于金属材料来说，其热阻可以分为两部分：晶格热振动形成的热阻和杂质缺陷形成的热阻。一般来说，对于纯金属，声子热阻占主要地位（杂质缺陷相对较少），其热导率随温度的升高而降低；而合金的热导率则不同，由于异类原子的作用，缺陷热阻往往占主要地位，其热导率往往随温度的升高而升高。（2）温度对无机非金属材料热导率的影响。对于无机非金属材料，主要依靠声子和光子传热，其热导率随着温度的升高而降低。例如Al2O3.（3）晶体结构的影响：晶体结构越复杂，对声子传热格波受到的散射越严重，传播阻力越大，因此，晶体结构越复杂，热导率越小，例如MgAl2O4较Al2O4、MgO的热导率小；非等轴晶较等轴晶的热导率大，例如石墨；同种材料单晶比多晶的热导率大；非晶材料比晶体材料的热导率小几个数量级。（4）化学组成的影响：构成晶体的元素，一般组成元素的原子质量越小，晶体密度越小，弹性模量越大，德拜温度越高，热导率越大，如氧化物陶瓷中的BeO具有最大的热导率；形成固溶体时，由于晶格畸变，缺陷增多，使声子的散射几率增加，平均自由程减小，热导率减小。（5）复合材料的热导率以及气孔的影响。复合材料的热导率与组成的关系呈S形曲线。气孔率越高，热导率越低，如Al2O3材料。5、影响材料电导率的主要因素（例子）？（1）温度：以自由电子为机理的金属材料，电导率随温度的升高而下降；以离子电导为机理的离子型晶体陶瓷材料，电导率随温度的升高而上升。金属材料随温度的升高，使得离子的震动加剧，热振动幅度加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加剧，使电子运动的自由程减小，散射几率增加，从而电阻率增大。（2）晶体结构的影响：电导率随活化能按指数规律变化，而活化能反映离子的固定程度，它与晶体结构有关。熔点高的晶体，晶体结合力大，相应活化能高，电导率就低。一价正离子，电荷少，活化能小；高价正离子，价键强，所以活化能大，故迁移率较低。除了离子的状态以外，晶体的结构状态对离子的活化能也有影响。显然，结构紧密的离子晶体，由于可供移动的间隙小，则间隙离子迁移困难，即活化能高，因而可获得较低的电导率。（3）晶体缺陷的影响：空位、位错，间隙原子及它们的组合等晶体缺陷使金属电阻率增加。（4）压力的影响。对于大多数金属，在压力作用下原子间距缩小致使电导率下降。拉力作用下相反。（5）冷塑性变形的影响：使电导率增大。由于冷变形使晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，尤其是空位浓度增加，造成点阵电场的不均匀而加剧对电磁波散射。冷变形改变原子间距，对电导率也有一定影响。（6）热处理的影响。金属冷加工变形后再进行退火，可使电阻降低，尤其当退火温度接近再结晶温度时，电阻可恢复到冷变形前的水平；但当退火温度高于再结晶温度时，电阻反又增大，原因是再结晶后的新晶粒的晶界阻碍了电子的运动。淬火能够固定金属在高温时的空位浓度，从而产生残余电阻。淬火温度愈高空位浓度愈高，则残余电阻率就越大。（7）合金化。形成固溶体时合金导电率降低，电阻率升高。金属化合物导电率比较低。多相合金电导率不仅与组成相的导电性及相对量有关，还与合金的组织形态有关。