材料物理与性能_耿桂宏_课后答案[1-10章]

σ b 并不
σ b 代表实际工件在静拉伸条件下的最大承载能力，所
σ b 是工程上金属材料的重要力学性能指标之一。加之 σ b 易于测定，重现性好，所以广泛
用作产品规格说明或质量控制指标。
第四章
1、试说明经典自由电子论、量子自由电子论和能带理论的区别？
） 答： （1）经典电子理论 （自由电子论 （自由电子论） ： 认为：连续能量分布的价电子在均匀势场中运动。 无法解释一价金属和二价金属的导电问题。 按照自由电子的概念， 二价金属的价电子比 一价金属的多，似乎二价金属的导电性比一价金属好，但是，实际情况却是一价金属的导电 性比二价金属好。 ： 问题的根源 问题的根源： 忽略了电子之间的排斥作用和正离子点阵周期场的作用。 经典电子理论它 是立足于牛顿力学（宏观运动） ，而对微观粒子的运动问题应用量子力学的概念来解决。
会产生明显的蠕变变形及应力松弛。
3.8 断裂强度σc 与抗拉强度σb 有何区别？
答：断裂强度σc 是指材料断裂时所受力的大小，而抗拉强度为材料拉伸实验时所承载 的最大力。其中抗拉强度的实际意义如下：标志塑性金属材料的实际承载能力，但这种承载 能力也仅限于光滑试样单向拉伸的受载条件。如果材料承受更复杂的应力状态，则 代表材料的实际有用强度。正是由于 以
3.4 决定金属屈服强度的因素有哪些？
答：影响金属屈服强度的因素有很多，主要包括内因和外因两个部分。详见书中影响金 属材料屈服强度的因素部分。
3.5 试举出能显著强化金属而不降低其塑性的方法。
答：细化晶粒不仅能够提高金属材料的强度，而且还可以提高其塑性。详见书中屈服强 度以及塑性的影响因素部分。
3.6 试说明高温下金属蠕变变形的机理与常温下金属塑性变形的机理有何不 同？
3.2 说明下列力学性能指标和意义：
（1） E （ G ） ； （2）
δ σ b 、 σ r 、 σ s 、 σ 0.2 ； A （3） δ 、 gt 、ψ ； （4）HB、HR、HV； （5） k 、
αk 。
答： （1） E （ G ）
E 和 G 分别为弹性模量和切变模量。工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材
δ gt表示；Fra bibliotek断面收缩率是试样拉断后， 缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比， 用符号
Ψ 表示。
（4）HB、HR、HV HB、HR、HV 分别表示布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。其测试原理分别见硬度实验部 分。 （5）
Ak 、 α k 。
Ak 为冲击冲击吸收功， α k 为材料的冲击韧性，不仅与材料的性质有关，试样的形状、
1.9 简述纳米材料在热学性能上与常规材料的不同，并请解释其原因。
答：由于纳米材料与常规粉体材料相比，纳米粒子的表面能高，表面原子数多，这些表 面原子近邻配位不全，活性大，因此，其熔化时所需增加的内能小得多，这就使得纳米粒子 熔点急剧下降。又纳米粒子尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中 高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面附近的原子扩散。因此，在较低温度下烧结 就能达到致密化目的。
1.6 一级相变、二级相变对热容有什么影响？
答：一级相变伴随相变潜热发生，若为恒温转变，在相变时伴随有焓的突变，同时热容 趋于无穷大，但是二级相变则没有相变潜热，但热容有突变。
1.7 何谓热应力？它是如何产生的？请以平面陶瓷薄板为例说明热应力的计算 。
答：不改变外力作用状态，材料仅因热冲击在温度作用下产生的内应力叫热应力。其产 生和计算见文中 1.5.2 节。
1.3 证明理想固体线膨胀系数和体膨胀系数间的关系。
答：见文中（1－43） ～（1－47） 。
1.4 简述影响膨胀系数的因素。
答：膨胀系数与温度、热容、质点间的结合能、熔点以及物质的结构都有关系。
1.5 为什么导电性好的材料一般其导热性也好？
答： 固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由运动来实现的。 导电性好的材料有大 量的自由电子，而且电子的质量很轻，能够迅速地实现热量的传递。因此，导电性好的材料 一般导热性也好。
2.2 什么叫色心？它有哪些种类。
答：能吸收可见光的点缺陷称为色心。色心的种类有 F 心、V 心、 M 心 和 R 心等， 其 中 F 心是最常见的色心。
2.3 试比较刃型位错和螺型位错的异同点。
答：位错滑移对于刃型位错和螺型位错的不同之处在于，在刃型位错的滑移过程中， 原 子的滑移方向、 位错线的运动方向和外加应力方向三者是平行的； 而在螺型位错的滑移过程 中，原子滑移方向与外加应力方向相同，而与位错线运动方向垂直。
的 1/8~1/4，为工程陶瓷的 1/2 以下。重量轻，强度比大是聚合物的突出特点。 ② 高弹性 0.1~1.0%。 ③ 弹性模量小 聚合物的弹性模量约为 0.4~4.0GPa，一般金属材料则为 50~300GPa， 高弹态的聚合物其弹性变形量可达到 100%~1000%，一般金属材料只有
因此聚合物的刚度差。 ④ 粘弹性明显 聚合物的高弹性对时间有强烈的依赖性，应变落后于应力，室温下即
料对弹性变形的抗力，其数值越大，则在相同应力作用下产生的弹性变形就越小。 （2）
σ b 、 σ r 、 σ s 、 σ 0.2 ；
σ b 、 σ r 、 σ s 、 σ 0.2 分别表示抗拉强度、残余应力、屈服强度和变形量为 0.2%时的屈
服强度。 （3） δ 、
δ gt
、ψ
断后伸长率是试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比， 用符号 δ 表示； 最大力下的 总伸长率指试样拉至最大力时产生的最大均匀塑性变形（工程应变）量，用符号
1.2 阐述金属热容与合金热容的特点。
答：包括点阵振动引起的热容
L cV ce 和电子热容 V 。一般情况下，常温时点阵振动贡献的
热容远大于电子热容，只有在温度极低或极高时，电子热容才不能被忽略。金属及合金发生 相变时，会产生附加的热效应，并因此使热容（及热焓）发生异常变化。按照变化特征主要 可分为一级相变、二级相变、亚稳态组织转变等情况。
第三章 3.1 解释下列名词： （1）弹性比功； （2）塑性、脆性和韧性； （3）穿晶断裂和沿晶断裂； （4） 布氏硬度、洛氏硬度及维氏硬度； （5）疲劳、磨损及蠕变； （6）聚合物的粘弹 性。
答： （1）弹性比功—弹性比功又称弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功 的能力。 （2）塑性、脆性和韧性 塑性是一种在某种给定载荷下， 材料产生永久变形的材料特性； 脆性是指材料在外力作 用下(如拉伸、 冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质； 韧性是指材料发生断裂前吸收 能量和进行塑性变形的能力。 （3）穿晶断裂和沿晶断裂 所谓穿晶断裂是指裂纹穿过晶体内部而发生的断裂； 沿晶断裂是指裂纹沿晶界从而发生 的断裂形式。 （4）布氏硬度、洛氏硬度及维氏硬度 布氏硬度、 洛氏硬度和维氏硬度分别指由布什硬度实验、 洛氏硬度实验和维氏硬度实验 测定的硬度值，其测试原理详见硬度实验部分。 （5）疲劳、磨损及蠕变 金属机件或构件在变动载荷和应变长期作用下， 由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲 劳；机件表面相接触并作相对运动，表明逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑（松散的尺寸与 形状不相同的碎屑） ，使表面材料逐渐损失（导致机件尺寸变化和质量损失） 、造成表面损伤 的现象即为磨损； 蠕变是高温下金属力学行为的一个重要特点。 所谓蠕变就是金属在长时间 的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。 （6）聚合物的粘弹性 聚合物在外力作用下， 弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为称为粘弹性。 聚合 物的粘弹性分静态粘弹性和动态粘弹性两类。
答：答案详见本书蠕变部分。
3.7 试述聚合物材料的结构力学性能特点。
答： 与金属材料相比， 聚合物在外力或能量载荷作用下强烈地受温度和载荷作用时间的 影响，因此，其力学性能变化幅度较大。聚合物材料的主要物理、力学性能特点有： ① 密度小 聚合物是密度最小的工程材料， 其密度一般在 1.0~2.0g/cm3 之间， 仅为钢
溶质元素虽然可以改变合金的晶格常数， 但由于对于常用钢铁材料而言， 合金元素对其晶格 常数改变不大，因而对弹性模量影响很小。合金钢和碳钢的弹性模量数值相当接近，差之不 大于 12%。所以若仅考虑机件刚度要求，选用碳钢即可。 热处理（显微组织）对弹性模量的影响不大；第二相大小和分布对 E 值影响也很小； 淬火后 E 值虽稍有下降，但回火后又恢复到退火状态的数值。灰铸铁例外，其 E 值与组织 有关，如具有片状石墨的灰铸铁， E ≈135×103 MPa。球墨铸铁由于石墨紧密度增加，因 此其 E 值较高，约为 175×103 MPa。原因是片状石墨边缘会产生应力集中，并且局部会发 生苏醒变形，在石墨紧密度增加时其影响将有所减弱。 冷塑性变形使 E 值稍有降低，一般降低 4%~6%，这与出现残余应力有关。当塑性变形量 很大时，因产生形变织构而使 E 值呈现各向异性，沿变形方向 E 值最大。 温度升高原子间距增大， E 值降低。碳钢加热时每升高 100℃， E 值下降 3%～5%。但 在-50℃～50℃范围内，钢的 E 值变化不大，可以不考虑温度的影响。 弹性变形的速度与声速一样快， 远超过实际加载速度， 因此加载速度对弹性模量的影响 很小。
第二章
2.1 纯金属晶体中主要点缺陷类型是什么？这些点缺陷对金属的结构和性能有 何影响？
答： 纯金属晶体中主要点缺陷类型有热缺陷和杂质原子缺陷。 热缺陷又包括弗伦克尔缺 陷、 肖脱基缺陷和晶体表面上的原子跑到晶体内部的间隙位置形成填隙原子缺陷三种； 杂质
原子缺陷又包括替位杂质缺陷和间隙杂质缺陷二种。 （1）填隙原子和肖脱基缺陷可以引起晶体密度的变化，弗伦克尔缺陷不会引起晶体密 度的变化； （2）点缺陷可以引起晶体电导性能的变化； （3）点缺陷能加速与扩散有关的相变； （4）点缺陷可以引起晶体光学性能的变化； （5）点缺陷可以引起晶体比热容的“反常” ； （6）点缺陷可以影响金属的强度；
2.4 举出一个实例说明位错对材料物理性能的影响。