材料性能学考点(常熟理工学院 周雪峰)

化学与材料工程学院
材料性能学考点
ABC三卷
材料金属132
2015/6/29
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名词解释：5*4’
选择题：10*2’
判断题：10*1’
简答题：5*6’
论述题：2*10’
力学性能：70分
物理学性能：30分
好好学习，天天向上！
材料性能学考点
第一章
1、弹性变形：外力去除后，变形消失而恢复原状的变形。

2、弹性变形本质：弹性变形是由于外力的作用使得原子间距发生改变，当外力去除后便恢复到变形前的状态。

3、弹性模量：材料在弹性变形阶段,其应力和应变成正比例关系(即符合胡克定律),其比例数称为弹性模量。

4、弹性极限：材料由弹性变形过度到弹-塑性变形时的应力（书本）
在应力去除不遗留任何永久变形的条件下，材料能承受的最大应力（百度）
5、比例极限：保证材料的弹性形变按正比例关系的最大应力（应力-应变曲线上开始偏离直线的应力值）
6、影响弹性模量的因素：
a)键合方式和原子结构：①共价键、离子键、和金属键都有较高的弹性模量，分子间作
用力的弹性模量较低②原子半径越大，E值越小，反之亦然。

b)晶体结构：单晶体的弹性模量呈各向异性，多晶体、非晶体材料的弹性模量是各向同性
的。

c)化学成分：化学成分的变化将引起原子间距或键合方式的变化，影响材料的弹性模量。

d)显微组织：在成分不变的情况下，显微组织对弹性模量的影响很小。

e)温度：随温度的升高，原子间距增大，结合力减弱，使材料的弹性模量降低。

f)加载条件和载荷持续时间：加载方式，加载速率，载荷持续时间对金属弹性模量几乎没
有影响
7、包申格效应：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应力小于4%），而后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。

8、弹性比功：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力（一般用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示）
9、滞弹性：材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生附加弹性应变的性能
10、伪弹性：在一定温度下，应力达到一定水平，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发产生大幅度的弹性变形的现象
11、内耗：非理想弹性形变时，加载时材料吸收的变形功大于卸载时释放的变形功，在形变过程中被吸收的功成为内耗
第二章
1、塑性变形的机理
①滑移：金属晶体在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行切变的过程。

②孪生：晶体在外力作用下以孪晶的方式进行的切变过程
2、抗拉强度：拉伸试验时，光滑试样拉断过程中最大实验力所对应的应力。

3、屈服强度：指材料在出现屈服现象时所能承受的最大应力
4、屈服极限：使试样产生给定的永久变形时所需的应力（百度）
5、影响屈服强度的因素：
a)晶体结构：屈服强度是位错开始运动所需的临界切应力，其大小取决于位错运动所受的
晶格阻力、位错间交互作用产生的阻力等。

b)摩擦阻力：屈服强度随之升高而升高。

c)晶界阻力：晶体细化，晶界增多，屈服强度增大。

d)溶质元素：在固溶合金中，溶质原子与溶剂原子直径不同，产生应力场，阻碍位错运动，
屈服强度变大。

e)第二相:第二相的存在使屈服强度增大。

f)温度:温度升高金属材料屈服强度下降。

g)应变速率与应力状态:在应变速率较高的情况下，金属材料的屈服应力将显著提高，切
应力分量越大，屈服强度越低。

第三章
掌握
1、抗拉强度:拉伸实验时，光滑试样拉断过程中最大实验力所对应的应力。

2、理论断裂强度：在外加正应力作用下，将晶体中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力成为理论断裂强度
实际断裂强度：单相静拉伸时的实际断裂拉伸力与试样最终的断裂截面积之比
脆性断裂：结晶状，明亮，不发生明显的塑性变形，断口较为平整。

3、断裂的类型
韧性断裂：纤维状，暗灰色，发生明显的塑性变形
4、韧性断裂断口形貌特征（韧性断口三要素）
1）纤维区
2）放射区
3）剪切唇
5、强度提高与韧性端口形貌变化
答：强度提高，材料塑性降低，放射区比例增大，纤维区变化不大。

6、韧性断裂：断裂前及过程中产生明显宏观苏醒变形的断裂过程
7、断裂K I和K Ic基本含义、表达式、区别（应力场强度因子K I、断裂韧度K Ic）
K I:力学参量，表示裂纹体中裂纹尖端的应力应变场强度的大小，决定于外加应力，试样尺寸和裂纹类型，与材料本身无关。

K I= Yσ
√a
K Ic:平面应变断裂韧度，表示材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力
K Ic=Yσ
c√a c
8、裂纹扩展失稳脆断的断裂K判据: K I≥K Ic，裂纹体在受力时，只要满足此条件，就会发生脆性断裂，反之，即使存在裂纹，也不会发生断裂这种情况成为破损安全
9、K Ic的应用
a)确定构件的安全性
b)确定构件的承载能力
c)确定裂纹允许存在的最大尺寸
10、断裂韧性的影响因素
内因：1）成分：细化晶粒的合金元素可提高断裂韧性
固溶强化的合金元素降低断裂韧性，且浓度越高，作用越明显
呈第二相析出的合金元素会降低断裂韧性
2）基体相结构和晶粒尺寸：基体若易于发生塑性变形，材料的断裂韧性提高
细化晶粒可提高断裂韧性
3）夹杂物与第二相：夹杂物会降低断裂韧性，脆性第二相降低断裂韧性，韧性第二
相提高断裂韧性
4）显微组织不同的显微组织和亚结构会影响断裂韧性
外因：1）温度温度降低，断裂韧性下降
2）缺口存在缺口时，断裂韧性下降
3）应变速率应变速率上升，断裂韧性下降
1、扭转弯曲性能测定的主要的几个指标
扭转：切变模量、扭转比例极限、扭转屈服强度、抗扭强度
弯曲：抗弯强度、最大弯曲挠度、弯曲弹性模量、断裂挠度、断裂能量
第五章
（填空题概率较大）
1、理解布氏、洛氏、维氏及显微硬度的测试原理，以及对应的材料的方法。

铝合金，HB测定
淬火后的钢用HV、HR测定
2、布氏硬度：用一定大小的载荷F(N)，把直径为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入试样表、面，保持规定时间后卸除载荷，根据测样表面残留压痕直径求表面积S，将单位压痕
)定义为布氏硬度
面积承受的平均压力(F
S
适用材料：灰铸铁、轴承合金等、铝合金、淬火钢。

3、洛氏硬度：在规定条件下，将洛氏硬度计压头分两个步骤压入试样表面，载荷分先后两次施加，先加初载荷F1，压入深度h1,再加主载荷F2，压入深度h2。

卸除主实验力后，弹性回复深度为h3，在初实验力下测量压痕残余深度h，以压痕深度代表硬度的高低。

HR=N−ℎ
S
适用材料：
最常用标尺是HRC、HRB和HRF，
HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。

这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。

HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。

HRF标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。

HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属，但是实际应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。

4、维氏硬度：用两相对面夹角α角为136°的金刚石四棱锥体，压入试样面，保持规定时间后卸除载荷，根据测样表面残留压痕直径求表面积，将单位压痕面积承受的平均压力定义为维氏硬度
适用材料：淬火钢
1、冲击韧性: 反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（αk）和冲击功（A k）表示
2、低温脆性：当材料的应用温度低于某一温度时,材料由韧性状态变为脆性状态,冲击值明显下降的现象
3、韧性断裂：是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。

断口呈暗灰色，纤维状。

4、断裂韧性与冲击韧性的区别：
①断裂韧性：材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的量度，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。

它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。

是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。

是应力强度因子的临界值。

常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。

②冲击韧性：是反映金属材料对外来冲击载荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值(αk)和冲击功(A k)表示，冲击韧性表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，其值得大小表示材料的韧性好坏。

冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。

一般把αk或A k值低的材料称为脆性材料，αk或A k值高的材料称为韧性材料。

第七章
1、疲劳：构件在交变载荷作用下，裂纹萌生并不断扩展，最终导致构件断裂的过程
2、疲劳极限：当应力低于某值时材料或构件承受无限多次应力循环或应变循环而不发生断裂。

这一应力值称为材料的疲劳极限
3、过载持久值：材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次称为材料的过载持久值，又称有限疲劳寿命。

4、过载损伤界：材料抵抗疲劳过载损伤的能力
5、缺口敏感度q f:材料在交变载荷作用下的缺口敏感性，常用缺疲劳缺口敏感度来评定。

q f=K f−1
, q f=1时，缺口敏感性最大，q f=0时，缺口敏感性最小。

K t−1
6、疲劳断口形貌
疲劳源区硬度大存在加工硬化、
分成三个区域疲劳裂纹扩展区硬度中应变硬化
瞬间断裂区硬度小
7、影响材料疲劳强度的因素有哪些
①应力状态和平均应力：应力水平高，疲劳强度低
载荷条件：②过载情况：降低材料的疲劳强度
③次载锻炼：提高材料的疲劳强度
载荷频率：频率高，材料所受总损伤少，疲劳强度提高
间歇:提高疲劳强度（要求应力低于或接近疲劳强度）工作条件
环境温度：温度升高，疲劳强度下降，反之亦成立
环境介质：腐蚀性介质降低疲劳强度
表面状态：表面粗糙度越低，疲劳强度越高表面状态及尺寸因素
尺寸因素：尺寸增大，疲劳强度降低
表面强化：提高疲劳强度
表面强化及残余应力
残余应力：残余应力和外加载荷的合成应力使所受总应力
减少，低于强化层的疲劳极限
成分：材料的成分跟疲劳强度有着密切的关系，如钢结构
中的碳原子，通过固溶强化，以及弥散强化来提高
疲劳强度
材料成分及组织影响
显微结构：晶粒越细，疲劳强度越高
8、疲劳断裂的机理：
滑移带开裂产生的裂纹
疲劳裂纹的萌生
晶界、相界开裂产生裂纹
第一个阶段扩展速率很慢
疲劳裂纹的扩展第二个阶段，裂纹以穿晶途径扩展，速率快
第八章
跑合阶段（磨合阶段）
1、磨损的三个阶段:稳定磨损阶段
剧烈磨损阶段
2、跑合阶段：整个磨损过程中所占比例很小，特征：磨损速率随时间的增加而逐渐降低。

3、稳定磨损阶段：所占比例较大，特征：磨损速率几乎不变。

跑合阶段磨合的越好，此阶段磨损速率越小。

4、剧烈磨损阶段：机件工作时间增加，机件间的接触间隙增大，机件表面质量下降，特征：磨损速率随时间而迅速增大
5、磨损的几个基本类型：
黏着磨损、磨粒磨损、接触疲劳、腐蚀磨损和微动磨损等。

前三种是磨损的基本类型，后两种只在某些特定条件下才会发生。

6、接触疲劳：工件在纯滚动或者滚动兼滑动摩擦时，表面在接触压应力的长期、反复作用下引起的一种表面破坏的现象。

第九章
1、蠕变：材料在一定温度和恒应力作用下随时间增加而慢慢塑性变形的现象
2、蠕变极限:材料在长期高温载荷作用下抵抗塑性变形的能力
3、持久强度：在规定温度下达到规定的持续时间而不发生断裂的应力值
4、应力松弛：材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象
5、松弛稳定性：材料抵抗应力松弛的能力，残余应力值越高，材料松弛稳定性越好。

第十章
无
第十一章
1、四种强化方式（第二章四种强化方式的具体解释）p189
固溶强化、细晶强化、位错强化、沉淀相颗粒强化
细晶提高材料强度，硬度，塑韧性
第十二章
1、热容：当物质吸收热量温度升高温度，温度每升高1K所吸收到的热量
2、比热容：单位质量物质改变单位温度时的吸收或释放的内能
3、热膨胀：外压强不变的情况下，物体因温度的变化而发生的膨胀现象.
影响因素：a、材料的化学组成。

不同的化学组成，材料的热膨胀系数也不同。

b、材料的晶体结构。

通常结构紧密的晶体热膨胀系数都较大。

c、材料键的强度。

键强度高的材料具有低的热膨胀系数。

d、相变、合金成分和组织、晶体结构及钢中组织
4、热稳定性：材料承受温度的急剧变化而不致破裂破坏的能力
影响因素：共价键、分子间作用力
第十三章
1、磁化率：材料磁化的能力
2、磁场强度：在给定点上的磁感应强度B和磁常数之商与磁化强度M之差。

在真空中，为磁感应强度B与磁常数之商。

矢量，符号“H”。

3、磁导率：磁性合金的磁感应强度B与磁场强度H的比值μ，表示物质受到磁化场H作用时，内部的真磁场相对于H的增加（μ＞1）或减少（μ＜1）的程度
4、矫顽力：铁磁物质磁化到饱和后，由于磁滞现象，要使磁介质中磁感应强度B为零，必须有一定的反向磁场强度-H,磁场强度成为矫顽力H C(书本)
矫顽力：铁磁材料保持剩磁状态的能力（百度）
5、铁磁性产生的条件：
a.原子内部有为填满的电子壳层，
b.有未被抵消的自旋磁矩；
c原子半径与原子间间距之比大于3，交换积分为正，产生强烈的自发磁化。

6、了解铁磁性的影响因素
a、温度：温度升高金属原子热运动加剧，使铁磁性饱和磁化强度下降，当高到居里点时磁化强度降至0，使铁磁性消失变为顺磁性
b、形变：冷塑性变形使金属中点缺陷和位错密度增高，造成点阵畸变加大内应力升高，使磁导率减小而矫顽力增高，而不影响饱和磁化强度，再经结晶退火后内应力消除各磁性参数恢复正常
c、晶粒度：晶粒越细晶界影响区越大，磁导率越低，矫顽力越高
d、形成固溶体及多相合金：铁磁性金属融入抗磁性元素时，饱和磁化强度随组元含量增加而降低，形成固溶体饱和磁化强度随成分单调连续变化
7、具有铁磁性的材料：铁、钴、镍以及其合金镧系稀土元素。

第十四章
1.理解金属及半导体基体能带理论P255-256
由于晶体中电子能级间的间隙很小，所以能级的分布可以看成是准连续的，或称为能带，能带理论和自由电子理论一样，也是认为金属中的价电子是公有化和能量是量子化的，所不同的是，它认为金属中由离子造成的势场不是均匀的，而是称周期变化的。

2、热电性能：材料存在温度差时会产生热流。

应用：热电偶
3、材料极化：介质在电场作用下产生感应电荷的现象，这类材料称为电介质
4、介电常数：综合反映电介质材料极化行为的宏观物理量，表示电容器（两极板间）在有电介质时的电容与在真空状态（无电介质）时的电容相比较时的增长倍数。

5、掌握金属及半导体电阻随温度的变化的规律及原因
a、金属电阻随温度升高而增大，因为升高温度可以使离子震动加剧，原子无序率增加，导致电阻率增加
b、有些金属，在接近0k以上的某一临界温度时，发生超导现象，电阻突然降低为0
c、金属熔化成液态时，电阻率增大1-2倍，因为原子长程排列被破坏，加强了对电子的散射。

d、有些金属如锑、铋、镓，熔化后电阻下降，①锑在固态主要为共价键结构，熔化后，共价键被破坏，转为金属键结合为主，所以电阻下降，②铋、镓熔化后近程原子排列发生变化导致电阻下降
e、半导体的电阻，随温度升高，而升高。

因为温度升高，电子动能增大，晶体中自由电子和空穴数目增加，电导率升高。

6、掌握影响金属材料导电性的因素P259-P261
（1）温度：大多数金属电阻率随温度升高而增大
（2）冷塑性变形：冷塑性变形使电阻率增大
（3）应力：拉应力使电阻率升高，压应力使电阻率下降。

（4）合金化：形成固溶体时合金的电导率降低，电阻率增高；多相合金的导电性不仅与组成相的导电性及相对量有关，还与组成相的形貌有关，即与合金的组织形态有关；金属化合物的导电能力都比较差，他们的电导率比各组元的要小得多。

7、重点：温度和应力对于材料导电性能的影响
（温度）a、金属电阻随温度升高而增大，因为升高温度可以使离子震动加剧，原子无序率增加，导致电阻率增加
b、有些金属，在接近0k以上的某一临界温度时，发生超导现象，电阻突然降低为0
c、金属熔化成液态时，电阻率增大1-2倍，因为原子长程排列被破坏，加强了对电子的散射。

d、有些金属如锑、铋、镓，熔化后电阻下降，①锑在固态主要为共价键结构，熔化后，共价键被破坏，转为金属键结合为主，所以电阻下降，②铋、镓熔化后近程原子排列发生变化导致电阻下降
e、半导体的电阻，随温度升高，而升高。

因为温度升高，电子动能增大，晶体中自由电子和空穴数目增加，电导率升高。

（应力）a、拉应力使金属原子间距增大，点阵动畸变增大，电阻率上升
b、压应力使金属原子间距减小，点阵动畸变减小，电阻率下降
8、合金化对于材料导电性能的影响，影响方式
a、固溶体的导电性：形成固溶体时合金的电导率降低，电阻率升高，原因：①溶质原子的溶入引起溶剂点阵的畸变，增加电子的散射，使电阻增大。

②组元间化学相互作用的加强使有效电子数减少，造成电阻率增加。

b、金属化合物的导电性：金属化合物的导电能力比较差，他们的电导率比各组元小得多。

原因：组成化合物后原子间的金属键部分地转化为共价键或离子键，导致电子数减少。

c、多相合金的电阻率：近似认为多相合金的电阻率是各项电阻率的加权平均数。

原因：多相合金导电性与组成相的导电性以及相对量、合金组织形态有关。

电阻率较难计算
9、掌握影响材料导电性能的因素：
主要有温度、化学成分、晶体结构、杂质及缺陷的浓度及其迁移率等。

但不同种类的材料导电机理各异，影响因素及其影响程度也不尽相同。

10、压电效应：某些电介质受到机械压力，产生极化，形成电荷的现象
第十五章
材料光学性能的应用
1.理解荧光灯的发光原理
荧光灯的工作是由于在汞蒸气和惰性气体的混合气体中的放电作用，使得大部分电能转变成汞谱线的单色光的辐射（253.7nm）。

这种辐射激发了涂在放电管壁上的荧光剂，造成在可见光范围内的宽频带发射。

2.理解led发光原理
发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED灯发光的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

3.理解白炽灯的发光原理
电热发光，物体热了以后能量就要以辐射的形式放出，如果物体的温度很高，他的辐射谱中含有可见光的分量，人眼就看到。