上海大学材料结构性能与应用思考题

材料物理结构与性能思考题1.画图说明：“1+1＞2”复合效应和“0+0＞0”的复合效应？答：1+1＞2这个效应意味着两种不同常规物质的组成/复合可导致其复合材料性能的显著增强，远远大于原常规物质的性能。其性能得到了数量级上的提高，使材料“旧貌换新颜”。0+0＞0指两种不同常规物质的组合/复合可导致全新的、原常规物质所不具有的性能，使材料的某种性能“无中生有”。产生“1+12”复合效应的途径合理选择组成物质及设计组成方式；利用组成物质之间的相互作用(如界面)；纳米尺度的结构组成。如金属的弥散强化、陶瓷的弥散增韧产生“0+00”复合效应的途径利用耦合作用；纳米尺度结构组成；周期结构组成；这些机制可能单独起作用、或并存。如通过耦合作用产生巨磁电效应。2.举例说明原子的结合几种方式？答：原子的结合方式主要有以下几种：离子结合（离子键）；共价结合（共价键）；分子结合（范德瓦耳斯结合）；金属结合（金属键）。（此外还有一种称为氢键的，其性质结业化学键和范德瓦耳斯力之间。）离子结合：例如Na和Cl反应，Na的3s轨道电子跑到Cl的3p轨道上，使两元素的最外层轨道都成为填满状态。由于Na失去一个电子形成Na+具有氖的电子结构，Cl得到一个电子形成Cl-，具有氩的电子结构，Na+和Cl-因带有异性电荷而互相吸引，这种结合方式即称为离子结合，键合类型称为离子键。共价结合：例如，两个氢原子共享它们之间的两个电子，形成氢分子;两个氯原子共享它们之间的两个电子，形成氯分子。分子结合：大部分有机化合物的晶体及CO2、H2、O2等在低温下形成的晶体都是分子晶体，金属结合：元素周期表中I、II、III族元素的原子如Cu、Na等在满壳层外有一个或几个价电子，当大量的原子相互接近并聚集为固体时，其中大部分或全部原子会丢失价电子，并为全体所共有，这些公有化的电子叫做自由电子，它们在正离子之间自由运动，形成所谓电子云，正离子和电子云之间的库仑作用力使全部离子结合起来，同时又为Pauli斥力所平衡，这种结合即为金属结合，键合类型称为金属键。（氢键：氢键是一种极性分子键，存在于HF、H2O、NF3等分子间，如纤维素，尼龙和蛋白质等分子有很强的氢键。）3.说明温度对金属电阻的影响？答：温度是强烈影响材料许多物理性能的外部因素。由于加热时发生点阵振动特征和振幅的变化，出现相变、回复、空位退火、再结晶以及合金相成分和组织的变化，这些现象往往对电阻的变化显示出重要的影响。一般来说：金属的温度越高，电阻也越大。在绝对零度下化学上纯净又无缺陷的金属，其电阻等于零。随着温度的升高，金属电阻也在增加。无缺陷理想金属的电阻是温度的单值函数，如右图曲线1，如果在晶体中存在少量杂质和结构缺陷，那么电阻与温度的关系曲线如2和3。普通金属电阻与温度的典型关系如下图所示最后应该指出的是。过渡族金属的电阻与温度的关系经常出现反常，特别是具有铁磁性的金属在发生磁性转变时，电阻率出现反常。4.简要说明电极化的几种类型答：电极化机制总共包括：电子的位移极化；离子的位移极化；固有电矩的转向极化；空间电荷极化。电子的位移极化：由于电场的作用，组成介质的原子（或离子）中的电子云发生畸变，其重心对原子核产生位移，介质内部感应出电矩。这种电极化是原子（或离子）的畸变极化，但常被称为电子的位移极化。离子的位移极化：由于电场的作用，介质分子中的离子间距和键间角发生变化，因而产生感应电矩，这种极化称为离子的位移极化。固有电矩的转向极化：在外电场作用下，电介质极性分子的固有电偶极矩沿电场方向转向而产生宏观的感应电偶极矩，这种极化称为转向极化。空间电荷极化：在外场作用下介质中的少量载流子会发生漂移并为势阱捕获，也可能在不均匀的夹层界面上堆积起来而形成空间电荷的积累。由这种介质中空间电荷的移动形成的极化称为空间电荷极化。5.物质的磁性可以分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性，试说明其各自的特点并分别举出两种以上具有这些特性的物质答：抗磁性：抗磁性物质当受到外磁场H作用后，感生出与H方向相反的磁化强度，χd0，χd一般为10-5的数量级。这些物质的磁化曲线为一直线。如：惰性气体He、Ne、Ar。顺磁性：某顺磁性物质当受到外磁场H作用后，感生出与H方向相同的磁化强度，χp0，但数值很小，一般为10-3-10-6数量级，顺磁性物质χ随温度变化的关系服从居里－外斯定律。如：含有过渡元素的盐类，以及稀土元素，它们都有强的顺磁性，还有铝、铂等金属，都属于顺磁物质。铁磁性：这种物质在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和，磁化率χ0，数量级为10-106，磁化强度M与磁场强度H之间的关系是非线形的复杂函数关系。当铁磁性物质的温度比某一临界温度Tc高时，铁磁性将转变为顺磁性，并服从居里-外斯定律。Tc称为居里温度。铁磁性物质举例：Fe、Co和Ni。亚铁磁性：宏观磁性与铁磁性相同，仅仅是磁化率稍低些，大约是100-103数量级。它们的内部磁结构却与反铁磁性的相同，但相反排列的磁矩不等量。举例：磁铁矿（Fe3O4）、铁氧体。反铁磁性：这类磁体的χ是小的正数，在温度低于某温度时，它的磁化率同磁场的取向有关；高于这个温度，其行为像顺磁体。具体材料有铬、氧化锰等。6.画图说明光的折射和反射现象答：光波从一种介质进入另一种介质时，在两种介质的界面上会发生反射和折射，如下图所示7.举例说明热分析在材料科学中的应用答：1.定量测定混合物组成，如通过分析草酸钙和草酸镁的TG曲线，以及草酸盐的TG曲线，可以实现不经分离就能同时测定Ca和Mg离子的目的。2.化合物的分离和结构分析，已发现有些物质例如稀土元素，因其价数、离子半径相近，用化学法分离就十分困难。但如果先将各稀土化合物进行TG、DTA(或DSC)分析，掌握其分解情况，使一部分组分转变成难溶于水的氧化物或碱式盐，未分解的进入溶液，如此重复操作即可达到分离的目的。3、利用DTA或DSC测定混合物中组分含量。这一方法是以建立峰面积与物质的量之间的关系为基础的，有标准曲线法、峰面积直接比较法和差示法等。8.高温蠕变三个阶段的变形机理答：高温下，晶界在外力作用下发生相对滑动，引起明显的塑性变形①位错滑移蠕变机理一定应力下，位错滑移→塑性变形→位错塞积，运动受阻，在高温下，热激活作用使得位错突破阻力滑移，继续产生塑性变形。位错运动机理：该机理认为材料的蠕变是材料内部离子间的库仑力作用的结果；同时指出了材料在高温和低温时蠕变的速度和应力的关系是不同的；②扩散蠕变机理较高温度下，原子、空位发生热激活扩散，外力作用下，定向扩散，从而引起晶粒沿拉伸方向伸长→晶体产生蠕变。扩散蠕变机理：该机理认为材料内部的空位浓度差是产生蠕变的主要原因；并且认为空位浓度的变化量与材料的外加应力成正比，同时晶界对空位的消失和产生起主要作用；③晶界滑动蠕变机理高温下，晶界在外力作用下发生相对滑动，引起明显的塑性变形。晶界滑移机理：该理论指出，材料的蠕变与材料中的液相的关系。当材料中不存在液相时，蠕变速率与应力的平方成正比，并且晶界旁边的位错变形支配整个过程；当材料中存在液相时，材料的蠕变速率与应力的一次方成正比。9.疲劳寿命的估算答：1.名义应力法：名义应力法是最早出现的一种疲劳寿命估算方法,它实际上是一个传统的安全寿命估算方法。名义应力法假定:对于相同材料制成的任意构件,只要应力集中系数KT相同,载荷谱相同,则它们的寿命相同2.局部应力应变法：局部应力应变法是20世纪60年代中期以后逐步形成的一种疲劳寿命预测方法,它以缺口根部的局部应力应变历程为依据,再结合材料相应的疲劳特性曲线进行寿命估算。局部应力应变法的基本假设是:若同种材料制成的构件危险部位的最大局部应力应变历程与一个光滑试件的应力应变历程相同,则它们的疲劳寿命相同。10.金属材料的常规力学性能？答：金属材料的力学性能是指金属材料抵抗各种外加载荷的能力。其中包括：强度和塑性，如屈服强度、抗拉强度、断裂强度、冲击韧性、硬度、疲劳强度和蠕变强度，以及延伸率和断面收缩率，它们是衡量材料性能极其重要的指标。11.写出面心立方、体心立方、密排六方的滑移系答：面心立方金属的滑移面（密排面）为｛111｝，共有4个，滑移方向为＜110＞，12个滑移系（111）[11—0]、（111）[101—]、（111）[01—1]、（1—11）[101]、（1—11）[01—1]、（1—11）[110]、……体心立方金属滑移面为｛110｝，共有6个，滑移方向为＜111＞，每个滑移面有三个滑移方向，因此有12个滑移系。密排六方金属滑移面为（0001），滑移方向为1120,滑移面包含3个滑移方向，故有3个滑移系。如要画图参见材科基。写法原则，滑移方向在滑移面上（即点乘为零）12.已知高压容器厚5mm，外径1500mm，σ0.2=1800MPa,KIC=62MPa·m1/2，沿容器外壁脆裂纹长度2c=6mm，深度a=0.9mm。问此容器能否在p=6MPa的压力下正常工作？答：根据材料力学，裂纹所受垂直拉应力为：2pDt将有关数据带入上式得：61.590020.005MPaMPa由于0.29000.51800不必考虑塑性区的修正1ICcKYa对于表面半椭圆裂纹，1.1/Yφ，当a/c=0.9/3=0.3时，查附录表得φ=1.10，将有关数值带入上式得16211660.0009cMPaMPa显然，c＜，不会发生爆破，可以正常工作。13.Fe-Fe3C相图及亚共析钢在不同热处理的组织答：亚共析刚原始组织是铁素体+珠光体，淬火后是板条马氏体或者是板条马氏体+片状马氏体的混合组织（取决于碳含量的多少），回火组织，低温回火是回火马氏体，中温回火是回火托氏体，高温回火是回火索氏体。退火组织是铁素体+珠光体，（正火后的组织为铁素体+索氏体）。Fe-Fe3C相图如下图所示：14.在显微镜下如何区别滑移线和变形孪晶？答：滑移线：将表面抛光的单晶体进行塑性变形后在光学显微镜上观察，发现抛光表面有平行线条对其再次抛光后，滑移带消失。变形孪晶：变形试样的抛光表面上可以看到浮凸，经重新抛光后，虽然表面浮凸可以去掉，但在偏光或浸蚀后仍能看到孪晶。15.马氏体的强化答：1.相变强化：马氏体相变的切变特性造成了在马氏体晶体内产生大量的微观缺陷（如位错、孪晶及层错等等），使马氏体强化，称为相变强化。2.固溶强化：过饱和的碳原子间隙式固溶造成，固溶的碳原子愈多，强化作用愈大。3.时效强化：由于一般钢的Ms点均在室温以上，所以钢在淬火过程中，室温停留期间以及外力作用下，都将发生“自回火”过程而导致强度提高。4.马氏体的形变强化特性：马氏体本身比较软，但在外力作用下因塑性变形而急剧加工硬化，所以马氏体的形变强化指数很大，加工硬化率很高。5.孪晶对马氏体的强化：碳含量大于0.3%的马氏体，其亚结构中孪晶量增多，所以除了碳原子的固溶强化以外还附加有孪晶对强度的贡献。（6.细晶强化：原始奥氏体晶粒越细小，马氏体板条群越细小，则马氏体强度越高。）16.图中位错会如何运动？最后结果如何？答：可以参考材科基P90.（上交版）。注意：老师上课讲的和材基上讲的是有差别的，切应力方向正好是相反的，通过右手法则判定，上边是正刃型位错，下边是负韧性位错，结合切应力的方向，上课讲的最后的结果是位错先湮灭，而材基上的是扩大。要看清切应力方向。17.位错线的观察方法18．氢在钢中的存在形式19.钢的微观组织对氢脆的影响有关断裂韧性的附加题有一筒式容器由高强钢45CrNiMoV制成，厚度t＝2.6mm，筒径D＝300mm。材料经调质热处理后，力学性能σ0.2＝1510MPa，σb＝1720MPa,δ=8.2%，KIC＝68MPa·m1/2。在水压p=22.5MPa试验时发生爆破，断口如图，左图a为爆破断裂全貌，右图b是断口裂源的电镜放大断口形貌。试用断口分析和断裂力学分析该容器的水爆断裂。解：σ=（pD/2t）=（22.5X0.3）/（2X0.0026）MPa=1298MPa，σ/σs=0.86，需修正。当a/c=0