陕西师范大学材料物理性能习题作业

1.为什么ε23=ε4,ε31=ε5/2和ε12=ε6/2?
2.为什么单晶体中独立弹性常数只有三个，C11，C12和C44？
3为什么在P作用下的体积相对变化ΔV/V=3Δε
答：ΔV/V=（1+ε）+（1+ε）+（1+ε）-1 ，只是把三次方项和二次方项省略了。

4.为什么立方晶系的多数金属单晶体最大切变模量G沿[100]晶向，最小切变模量沿[111]晶向？
答：这和其弹性模量的关系相反，在[111]晶向弹性模量值最大，因为在[111]晶向上原子密度答，原子间距小，原子间作用力大。

但关于其切边模量，不知道为什么结果相反。

5.什么是织构？
多晶体在其形成过程中，由于受到外界的力、热、电、磁等各种不同条件的影响，或在形成后受到不同的加工工艺的影响，多晶集合体中的各晶粒就会沿着某些方向排列，呈现出或多或少的统计不均匀分布，即出现在某些方向上聚集排列，因而在这些方向上取向几率增大的现象，这种现象叫做择优取向。

这种组织结构及规则聚集排列状态类似于天然纤维或织物的结构和纹理，故称之为织构。

近似平行于轴向，这种织构称为丝织构或纤维织构。

理想的丝织构往往沿材料流变方向对称排列。

其织构常用与其平行的晶向指数<UVW>表示。

某些锻压、压缩多晶材料中，晶体往往以某一晶面法线平行于压缩力轴向，此类择优取向称为面织构，常以{HKL}表示。

轧制板材的晶体分类：轴向拉拔或压缩的金属或多晶体中，往往以一个或几个结晶学方向平行或，既受拉力又受压力，因此除以某些晶体学方向平行轧向外，还以某些晶面平行于轧面，此类织构称为板织构，常以{HKL}<UVW>表示。

生长，即出现织构。

图示
6.弹性波横向传播速度？
7.什么是定向凝固？
答：在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺(合金凝固时晶粒沿热流相反方向生长)。

定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用。

采用定向凝固技术可以生产具有优良的抗热冲击性能较长的疲劳寿命较好的蠕变抗力和中温塑性的薄壁空心涡轮叶片。

分类：定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。

铸件定向凝固需要两个条件：首先，热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面；
其次,晶体生长前方的熔液中没有稳定的结晶核心。

为此，在工艺上必须采取措施避免侧向散热,同时在靠近固-液界面的熔液中应造成较大的温度梯度。

这是保证定向柱晶和单晶生长挺直，取向正确的基本要素。

以提高合金中的温度梯度为出发点，定向凝固技术已由功率降低法、快速凝固法发展到液态金属冷却法。

8.什么是多孔陶瓷材料？
答：多孔陶瓷材料是以刚玉砂、碳化硅、堇青石等优质原料为主料、经过成型和特殊高温烧结工艺制备的一种具有开孔孔径、高开口气孔率的一种多孔性陶瓷材料、具有耐高温，高压、抗酸、碱和有机介质腐蚀，良好的生物惰性、可控的孔结构及高的开口孔隙率、使用寿命长、产品再生性能好等优点，可以适用于各种介质的精密过滤与分离、高压气体排气消音、气体分布及电解隔膜等。

根据成孔方法和孔隙结构，多孔陶瓷可分为三类：①粒状陶瓷；②泡沫陶瓷；③蜂窝陶瓷。

特点：(1)气孔率高。

多孔陶瓷的重要特征是具有中较多的均匀可控的气孔。

气孔有开口气孔和闭口气孔之分，开口气孔具有过滤、吸收、吸附、消除回声等作用，而闭口气孔则有利于阻隔热量、声音以及液体与固体微粒传递。

(2)强度高。

多孔陶瓷材料一般由金属氧化物、二氧化硅、碳化硅等经过高温煅烧而成，这些材料本身具有较高的强度，煅烧过程中原料颗粒边界部分发生融化而粘结，形成了具有较高强度的陶瓷。

(3)物理和化学性质稳定。

多孔陶瓷材料可以耐酸、碱腐蚀，也能够承受高温、高压，自身洁净状态好，不会造成二次污染，是一种绿色环保的功能材料。

（4)过滤精度高，再生性能好。

用作过滤材料的多孔陶瓷材料具有较窄的孔径分布范围和较高的气孔率与比表面积，被过滤物与陶瓷材料充分接触，其中的悬浮物、胶体物及微生物等污染物质被阻截在过滤介质表面或内部，过滤效果良好。

多孔陶瓷过滤材料经过一段时间的使用后，用气体或者液体进行反冲洗，即可恢复原有的过滤能力。

9.为什么在试样尺寸的选择上，要求满足l/d>=10?
10.为什么在高温条件下，应力松弛更显著？
答：应力松弛指的是实际弹性材料在应变保持恒定时应力随时间延长而减小的现象，从绝热和等温两种加载方式的应力应变曲线图可看出，要保持应变不变，绝热条件相比等温条件下需要使材料处在一个更高的应力状态下，而绝热就等同于高温环境（没有热交换），故其应力松弛更明显。

11.为什么恒应变下应力松弛图像出现负的应力值？
答：由于惯性，出现反向应力。

12.
13
14.什么是孪晶？
答：由两个或者两个以上同种晶体构成的﹑非平行的规则连生体。

又称双晶。

在构成孪晶的两个单晶体间﹐必然会有部分的对应晶面﹑对应晶棱相互平行﹐但不可能全部一一平行﹐然而它们必可通过某一反映﹑旋转180°或者反伸（倒反）的对称操作而达到彼此重合或者完全平行。

孪晶要素是用来表征孪晶中单晶体方位间的对称取向关系的假想几何要素。

它包括﹕孪晶面，孪晶轴和孪晶中心。

孪晶分布：各种晶体中﹐出现孪晶的几率并不一致的。

例如方解石﹑锡石﹑十字石等矿物的孪晶十分常见﹐但在大多数种类的晶体中并不会出现孪晶或者孪晶十分少见。

孪晶在各晶系中的分布也不一致﹐属于单斜晶系和正交晶系（斜方晶系）的孪晶最常见﹐此后依次为三斜晶系、三方晶系﹑等轴晶系和四方晶系。

六方晶系的孪晶则十分少见。

这些现象与晶体结构特点和晶系的对称性密切相关。

根据单晶体间相互接合的特点分类：1.接触孪晶﹐两单晶体相邻接触﹐具确定而规则的接合面；贯穿孪晶﹐两单晶体相互穿插﹐接合面曲折而不规则，亦称透入孪晶。

2.反复孪晶﹐由两个以上的单晶体按同一孪晶律依次反复成孪晶关系连生而组成。

可再分为﹕聚片孪晶﹐所有接合面均相互平行﹐各单晶体呈片状而依次叠合﹐在横截接合面的晶面和解理面上可见由接合面的迹线所构成的一系列平行直线状的孪晶纹；轮式孪晶﹐各接合面依次成等角度相交﹐孪晶外貌常呈轮辐状或者环状﹐按所含单晶体的个数而可称为三连晶﹑四连晶﹑五连晶﹑六连晶或者八连晶。

3.复合孪晶﹐由两个以上的单晶体两两间分别依不同的孪晶律连生而组合在一起的孪晶。

（还可根据其他特点分类）
霰石的孪晶结构
15.什么是位错？
在材料科学中，指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。

从几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界
线，其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。

数学上，位错属于一种拓扑缺陷，有时称为“孤立子”或“孤子”。

这一理论可以解释实际晶体中位错的行为：可以在晶体中移动位置，但自身的种类和特征在移动中保持不变；方向（伯格斯矢量）相反的两个位错移动到同一点，则会双双消失，或称“湮灭”，若没有与其他位错发生作用或移到晶体表面，那么任何单个位错都不会自行“消失”（即伯格斯矢量始终保持守恒）。

理想位错主要有两种形式：刃位错（edge dislocations）和螺旋位错（screw dislocations）。

混合位错（mixed dislocations）兼有前面两者的特征。

16.什么是冷加工？
冷加工是指在低于再结晶温度下使金属产生塑性变形的加工工艺，如冷轧、冷拔、冷锻、冲压、冷挤压等。

冷加工变形抗力大，在使金属成形的同时，可以利用加工硬化提高工件的硬度和强度。

冷加工会导致一些不需要的效果。

比如延展性的降低以及残余应力的增加。

由于冷加工或加工硬化的机制是增加了位错密度，因此任何可以重新排列或消除位错的处理方法都可以消除冷加工的效果。

加工退火是一种热处理方法，用来消除部分或全部冷加工效果。

17．什么叫马氏体？
不锈钢可根据晶体结构分为三种主要形态：奥氏体，肥粒铁和马氏体。

马氏体（M）是碳溶于α-Fe的过饱和的固溶体，是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相。

其比容大于奥氏体、珠光体等组织，这是产生淬火应力，导致变形开裂的主要原因。

马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发现的：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。

18.什么是奥氏体？
奥氏体（Austenite）也称为沃斯田铁或ɣ-Fe，是钢铁的一种显微组织，通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体。

面心立方（fcc），它是一种塑性很好，强度较低的固溶体，具有一定韧性。

不具有铁磁性。

因此，分辨奥氏体不锈钢刀具(常见的18－8型不锈钢）的方法之一就是用磁铁来看刀具是否具有磁性。

形成：奥氏体是一般钢在高温下的组织，其存在有一定的温度和成分范围。

有些淬火钢能使部分奥氏体保留到室温，这种奥氏体称残留奥氏体。

在合金钢中除碳之外，其他合金元素也可溶于奥氏体中，并扩大或缩小奥氏体稳定区的温度和成分范围。

组织形貌：奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。

在加热转变刚刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形。

经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界可趋向平直化。

铁碳相图中奥氏体是高温相，存在于临界点A1温度以上，是珠光体逆共析转变而成。

当钢中加入足够多的扩大奥氏体相区的化学元素时，Ni,Mn等，则可使奥氏体稳定在室温，如奥氏体钢。

19.什么是惯习面？
答：新相往往在母相一定晶面上形成,这个晶面称为惯习面。

它往往不是简单的指数面，如
镍钢中马氏体在奥氏体(γ)的{135}上最先形成（图7）。

马氏体形成时和母相的界面上存在大的应变。

为了部分地减低这种应变能，会发生辅助的变形，使界面改变由{135}变为{224}面。

在马氏体周围的母相（奥氏体）中形成密度很高的位错，这是在马氏体相变时，母相发生协作形变而形成的。

20．什么是钢的氢脆和回火脆性？
答：氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹，又称白点。

氢脆只可防，不可治。

氢脆一经产生，就消除不了。

在材料的冶炼过程和零件的制造与装配过程（如电镀、焊接）中进入钢材内部的微量氢(10—6量级)在内部残余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至开裂。

在尚未出现开裂的情况下可以通过脱氢处理（例如加热到200℃以上数小时，可使内氢减少）恢复钢材的性能。

因此内氢脆是可逆的。

回火脆性是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。

淬火钢在回火时，随着回火温度的升高，硬度降低，韧性升高，但是在许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线中出现了两个低谷，一个在200~400℃之间，另一个在450~650℃之间。

随回火温度的升高，冲击韧性反而下降的现象，回火脆性可分为第一类回火脆性（不可逆）和第二类回火脆性（可逆）。

21.什么是相变潜热？
答：相变潜热简称潜热，指单位质量的物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量。

这是物体在固、液、气三相之间以及不同的固相之间相互转变时具有的特点之一。

固、液之间的潜热称为熔解热（或凝固热）,液、气之间的称为汽化热（或凝结热）,而固、气之间的称为升华热（或凝华热）。

22.什么是熵？
答：熵：描述体系混乱度的状态函数叫做熵，用S表示。

体系的状态一定，其微观状态数一定，如果用状态函数来表示混乱度的话，状态函数与微观状态数Ω存在下列关系S=klnΩ,其中k=1.38×10－23J/K叫波尔兹曼常数。

熵是一种具有加和性的状态函数，体系的熵值越大则微观状态数Ω的越大，即混乱度越大，因此可以认为化学反应趋向于熵值增加，即趋向于∆rS>0。

（r表示可逆）
熵的热力学定义：
（可逆过程才可以用）
特点：
1.熵是体系的状态函数，其值与达到状态的过程无关；
2.熵的定义式是：dS=dQ/T，因此计算某一过程的熵变时，必须用与这个过程的始态和终态相同的过程的热效应dQ来计算。

（注：如果这里dQ写为dQR则表示可逆过程热效应，R为reversible；dQ写为dQI为不可逆过程的热效应，I为Irreversible。

）
3.TdS的量纲是能量，而T是强度性质，因此S是广度性质。

计算时，必须考虑体系的质量；
4.同状态函数U和H一样，一般只计算熵的变化。

熵：描述体系混乱度的状态函数叫做熵，用S表示。

体系的状态一定，其微观状态数一定，如果用状态函数来表示混乱度的话，状态函数与微观状态数Ω存在下列关系S=klnΩ,其中
k=1.38×10－23J/K叫波尔兹曼常数。

熵是一种具有加和性的状态函数，体系的熵值越大则微观状态数Ω的越大，即混乱度越大。

热力学第三定律：在0K时任何完整晶体中的原子或分子只有一种排列方式，即只有唯一的微观状态，其熵值为零。

23.什么是热阻？
答：热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。

用热功耗乘以热阻，即可获得该传热路径上的温升。

24.什么是共晶？
共晶是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶合金直接从固态变到液态，而不经过塑性阶段，是一个液态同时生成两个固态的平衡反应。

但不是所有的二元合金都拥有共晶点，例如，银－金混合系统，它的熔化温度与凝固温度，比起纯银跟纯金都还要高。

在大多数例子中，共晶合金中组成物金属的熔点与它在纯金属状态下的熔点相差100℃。

以Pb-Sn相图为例：
上图中MEN即共晶线（钯合金成分为共晶点处的合金成为共晶合金）
上图为共晶合金的平衡结晶过程
上图为共晶白口铁组织金相图
25.什么是包晶？
包晶反应:有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的（旧）固相与剩余液相(有确定成分)发生反应生成另一种（新）固相的恒温转变过程称为包晶反应。

二元包晶相图：
图中DPC为包晶线
图为包晶合金的凝固及平衡过程
26热电偶？
答：热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。

各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect）。

温度差越大，电流就会越大。

测得热电动势之后即可晓得温度值。

两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。

在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。

因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。

热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。

若测量时，冷端的（环境）温度变化，将严重影响测量的准确性。

在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿正常。

热电偶的技术优势：热电偶测温范围宽，性能比拟稳定；丈量精度高，热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响；热响应时间快，热电偶对温度变化反响灵活；丈量
范围大，热电偶从-40~+ 1600℃ 均可连续测温；热电偶性能牢靠，机械强度好。

运用寿命长，装置便当。

热电偶。