性能学思考题及答案

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1、第五周1.请分析人类历史上曾使用的建,构筑物材料,从所使用的材料的性能的角度阐述其开发历程以及你认为可能的开发研究的方向。2从所使用的材料的性能的角度简述人类炊具使用和开发的历程以及现代炊具材料开发研究的方向。要求：简述炊具材料的发展历史沿革，说明各中炊具材料所具备的性能及优缺点，分析炊具材料需具备哪些性能，探讨现代炊具材料开发研究的方向。第六周1. 弹性变形的本质正常状态下,材料晶格中的离子受离子间相互作用力控制保持在其平衡位置仅作微小热振动.离子间作用力包括由正离子和自由电子间库仑力所产生的引力和由离子之间电子壳层产生应变所产生的斥力,引力和斥力都是离子间距离的函数,在离子的平衡位置合力为

2、零.当外力作用于离子时,合力曲线零点位置改变,离子位置随之相应调整,即产生位移,离子位移的总和在宏观上表现为材料的变形.外力去除后离子依靠彼此之间的作用力回到原来的平衡位置,宏观变形随之消失,即弹性变形的可逆性.2. 虎克定律的近似性虎克定律是由实验建立的描述无机材料,金属,木材等许多重要材料在正常温度,不大应力作用下产生弹性变形时,应力与应变之间的关系,应变与应力成正比,比例系数为材料的弹性模量.但是根据弹性变形的双原子模型,离子间相互作用力与离子间弹性位移的关系是抛物线关系,合力曲线有最大值Fmax,如果外加拉应力略大于 Fmax 就意味着可以克服离子间引力而使其分离,Fmax 是弹性状态

3、下的理论断裂抗力,此时相应的离子弹性变形量可达 25%.但实际工程材料由于不可避免存在各种缺陷,杂质,气孔,微裂纹,因而实际断裂抗力远小于 Fmax 时,材料就发生了断裂或塑性变形,实际材料的弹性变形只相当于合力曲线的起始阶段,近似为一直线,因此虎克定律所表示的外力-位移曲线关系是近似正确的.3. 弹性模量的物理本质弹性模量的本质是原子间结合强度的一个标志,是材料对弹性变形的抗力 .弹性模量实际上和原子间结合力曲线上任一受力点的曲线斜率有关.因此凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模量,如键合方式 ,晶体结构,化学成分,微观组织,温度,加载方式及速度等.4. 推导两相复合体系的上限和下限弹性

4、模量公式第七周1、 典型蠕变曲线的形状及相应的变形机制是什么？典型蠕变曲线分为四段:起始段，在外力作用下发生瞬时弹性形变，若外力超过试验温度下的弹性极限，则这一段也包括一部分塑性形变；第一阶段蠕变，也叫蠕变减速阶段，应变速率随时间递减；曲线越来越平缓；第二阶段蠕变，也叫稳态蠕变阶段，蠕变速率几乎不变；第三阶段蠕变，也叫加速蠕变阶段，应变率随时间增加而增加，蠕变曲线变陡，到最后断裂。当外力和温度不同时，蠕变曲线仍保持几个阶段的特点，但是各段时间及倾斜程度将变化。减速阶段蠕变主要是由于无机材料中晶相的位错在低温下受到障碍难以发生运动，在高温下原子热运动加剧，使位错从障碍中解放出来引发蠕变。热运动有

5、助于使位错从障碍中解放出来，并使位错运动加速，当受阻碍较小，容易运动的位错解放出来完成蠕变后，蠕变速率就会降低，这就是蠕变减速阶段的特点；另外由于蠕变变形逐渐产生形变硬化，使位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕变速率不断降低，因此形成了减速蠕变阶段；由于形变硬化的不断发展，促进了动态回复的发生，使材料不断软化。当形变硬化和回复软化达到动态平衡时，蠕变速率遂为一常数，因此形成了恒速蠕变阶段；如果继续增加温度或延长时间，受阻碍较大的位错也能进一步解放出来，引起蠕变加速阶段。2、 材料蠕变性能的影响因素有哪些？影响材料蠕变的因素主要有两个方面，一是内部因素，一是外部因素。内部因素主要包括

6、化学成分、晶体结构和显微结构。外部因素主要是应力和温度1) 材料的成分不同，蠕变的热激活能不同，组成相同，单独存在和形成化合物，蠕变形为不一样；晶体结构的影响：结合力大不易发生蠕变，共价键结构程度增加，抗蠕变性能好2) 显微结构主要是气孔率、晶粒尺寸和玻璃相：气孔率气孔减少抵抗蠕变的有效截面积，气孔率增加，蠕变率增加；晶粒尺寸的印象：金属材料使用温度低于等强温度，细化晶粒可以提高强度；使用温度高于等强温度，粗化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度，但晶粒太大会降低钢的高温塑性和韧性。 陶瓷材料 不同的晶粒尺寸决定了控制蠕变速率的蠕变机理不同。晶粒尺寸很大，蠕变速率受位错滑动和晶内扩散的控制；晶粒

7、尺寸较小时，情况比较复杂，蠕变速率可能受晶界扩散、晶界滑动机制所控制，也可能是所有机制的混合控制；玻璃相能够提高材料致密化程度，但是降低蠕变性能，玻璃相与晶粒不润湿抗蠕变性能好，润湿程度增加，抗蠕变性能下降。 3) 应力的影响：高应力下蠕变速率高，低应力下蠕变速率低。应力对蠕变的影响主要是改变蠕变机制，陶瓷材料蠕变试验结果表明，在低应力范围，扩散蠕变机理起控制作用，而在中、高应力范围，位错运动机理起控制作用。4) 蠕变是热激活过程，蠕变激活能和扩散激活能都是温度的减值函数，随着温度的改变而改变，它们的相对关系，影响着蠕变机制。3、 材料的粘性的影响因素有哪些1) 温度。不同类型的材料，其粘度随

8、温度的变化规律差别很大。一般的，温度升高，粘度下降。2) 时间。在玻璃转变区域内，形成玻璃液体的粘度与时间有关。从高温状态冷却到退火点的试件，其粘度随时间增加而增加，而预先在退火点以下恒温处理一定时间后的试件，其粘度随时间而降低。3) 组成。组成对无机氧化物粘度的影响很大。硅酸盐材料的粘度总是随着不同改性阳离子的加入而变化。在复杂氧化物玻璃中，改性阳离子的加入在任何给定温度下，总会使粘度降低。1、材料屈服强度与晶格能之间的关系，为什么？当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到某点后，塑性应变急剧增加，曲线出现一个波动的小平台，这种现象称为屈服。

9、这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度(s 或 0.2)。有些钢材(如高碳钢)无明显的屈服现象，通常以发生微量的塑性变形(0.2)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度（yield strength） 。实际晶体中存在位错缺陷,当受到剪应力作用时, 并不是晶体内部两部分整体相互错动,而是位错在滑移面上沿滑移方向运动 ,实际晶体的滑移是位错运动的结果,实际晶体的滑移是位错运动的结果 ,使位错运动所需的力比使晶体两部分整体相互滑移所需的力小得多.微观上位错开始滑移即是屈服的开始,而使晶体两部分相互滑移

10、要克服的即是晶格能 ,因此材料的屈服强度要比晶格能小得多.4、 金属、无机非金属单晶、陶瓷材料塑性变形能力大小顺序？塑性变形能力金属无机非金属单晶 陶瓷,因为材料的塑性变形能力主要跟晶体的滑移系统有关,金属晶体中金属键没有方向性,滑移系数目多,而无机材料的离子键和共价键具有明显的方向性,同号离子相遇,斥力极大,只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作用条件,晶体结构越复杂,满足这种条件就越困难.而多晶陶瓷,其晶粒在空间随机分布,不同方向的晶粒,其滑移面上的剪应力差别很大.即使个别晶粒已经达到临界剪应力而发生滑移,也会受到周围晶粒的制约 ,使滑移受到阻碍而终止.5、 提高材料屈服强度的措施有哪些

11、，依据是什么？提高材料屈服强度的方法主要有：细化晶粒、固溶强化、第二相强化等。其影响材料屈服强度的主要因素有:晶体结构,晶界与亚结构,溶质元素, 第二相,温度及应力状态.材料屈服强度理论上说是位错开始运动所需的临界应力，其值由位错运动所受的各种阻力决定，位错运动的阻力包括晶格阻力和位错间交互作用产生的阻力，都与晶体结构有关；实际使用的材料很多都是多晶材料，晶界也是位错运动的重要障碍，晶界越多，对材料的屈服强度的提高贡献越大，晶界增多即晶粒尺寸减小，晶粒越小，屈服强度越高；固溶合金中溶质原子与溶剂原子直径不同，产生晶格畸变应力场会使位错运动受阻，提高屈服强度，同时溶质与溶剂间的电学交互作用也能提

12、高屈服强度；在材料中加入细小弥散的第二相质点，位错线绕过不可变形质点或切过可变形质点6、 举例说明超塑性的应用超塑性的铝合金已经商品化，如英国的 Supral 100（Al6Cu0.4Zr）和加拿大的 Alcan 08050（Al5Ca5Zn）。铝板可在 300600时利用超塑性成型为复杂形状，所用模具费用降低至普通压力加工模具费用的十分之一，因此它具有和薄钢板、铝压铸件及塑料模压件相竞争的能力。据推测，最近超塑性成形工艺将在航天、汽车、车厢制造等部门中广泛采用，所用的超塑性合金包括铝、镁、钛、碳钢、不锈钢和高温合金等。第八周1. 传统强度-应力设计方法与断裂韧度设计方法之间的异同及依据传统的

13、强度-应力设计方法把材料和构件作为连续、均匀、各向同性的受载物体进行力学分析，确定危险面的应力应变，考虑安全系数后，对材料提出相应的强度、塑性和韧度的要求，防止断裂和其他失效形式的发生 。 断裂韧度设计方法：利用应力应变分析方法，研究裂纹尖端附近的应力应变场，提出应力场强度因子及对应的断裂韧度和 K 判据，或者是利用能量分析法 ，究裂纹扩展时系统能量的变化，提出能量释放率及对应的断裂韧度和 G 判据。 实际材料中很难避免裂纹的存在，裂纹的存在破坏了材料和构件的连续性和均匀性，传统设计方法无法定量计算裂纹体的应力和应变。而且经典的强度理论是在不考虑裂纹的萌生和扩展的条件下进行强度计算的，为断裂时

14、瞬时发生的。然而实际上无论哪种裂纹都有萌生、扩展、直至断裂的过程，因此断裂很大程度上决定于裂纹萌生抗力和扩展抗力，而不是总决定于永断面尺寸计算的名义断裂应力和断裂应变。2. 影响材料脆性断裂的因素有哪些?如何改善材料的脆性提高韧性?内部因素 (1)化学成分的影响 金属材料： 提高断裂韧性细化晶粒的合金元素因提高强度和塑性 降低断裂韧性强烈固溶强化的合金元素因大大降低塑性，形成金属间化合物并呈第二相析出的合金元素，降低塑性有利于裂纹扩展。 陶瓷材料：提高材料强度的组元，都将提高断裂韧性。 (2)基体相结构和晶粒尺寸的影响 基体相的晶体结构不同，材料发生塑性变形的难易和断裂机理不同，断裂韧性发生变

15、化。一般来说，基体相晶体结构易于发生塑性变形，产生韧性断裂，材料的断裂韧性就高。 面心立方固溶体容易发生滑移变形而不产生解理断裂，并且形变硬化指数较高，其断裂韧性较高。 对于陶瓷材料，可以通过改变晶体类型调整断裂韧性的高低。 一般来说，细化晶粒既可以提高强度，又可以提高塑性，那么断裂韧性也可以得到提高。但是，在某些情况下，粗晶粒的 KIc 反而较高。 (3)夹杂和第二相的影响 非金属夹杂物和第二相的存在对金属材料的断裂韧性的影响归纳为 第一 非金属夹杂物往往使断裂韧性降低第二 脆性第二相随着体积分数的增加，使断裂韧性降低 第三 韧性第二相当其形态和数量适当时，可以提高材料的断裂韧性。 对于陶瓷

16、材料和复合材料，常利用适当的第二相提高其断裂韧性。 (4)显微组织的影响 显微组织的类型和亚结构将影响材料的断裂韧性。 板条马氏体主要是位错亚结构，具有较高的强度和塑性断裂韧性较高 针状马氏体主要是孪晶亚结构，硬度高而脆性大断裂韧性较高 外部因素: (1)温度 对大多数材料，温度的降低通常会降低断裂韧性(2)应变速率 应变速率对断裂韧性的影响类似于温度，增加应变速率相当于降低温度使 KIc值下降。第九周1. 什么叫脆性断裂行为?在某种特定条件下，有些材料在外加载荷未达到材料的理论强度极限应力时，也会发生突然断裂。表现出的材料断裂发生在宏观弹性应变状态下，断裂过程没有经过宏观塑性流变阶段而直接发生。这种断裂方式称为脆性断裂脆性断裂几乎没有什么先兆，只发生很小的永久变形，很难事先察觉，因此是一种极其危险的断裂形式，无机非金属材料断裂多以脆性断裂为主。2. 无机材料为什么容易发生脆性断裂无机材料在外力作用下没有或很少塑性形变，呈现出脆性，破