《材料性能學(xué)》教案

《材料性能學(xué)》教案第一章材料單向靜拉伸的力學(xué)性能1.應(yīng)力－應(yīng)變曲線σp：比例極限σe：彈性極限σs：屈服點σb：抗拉強度2.彈性變形的本質(zhì)？材料產(chǎn)生彈性變形的本質(zhì)，概括來說，都是構(gòu)成材料的原子（離子）或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。⑴金屬、陶瓷類晶體材料的彈性變形是處于晶格結(jié)點的離子在力的作用下在其平衡位置附近產(chǎn)生的微小位移。⑵橡膠類材料則是呈卷曲狀的分子鏈在力的作用下通過鏈段的運動沿受力方向產(chǎn)生的伸展。3.影響彈性模數(shù)（E）的因素？⑴鍵合方式和原子結(jié)構(gòu)：共價鍵、離子鍵和金屬鍵都有較高的E值，而分子鍵E值較低。對于金屬元素，原子半徑越大，E值越小，反之亦然。⑵晶體結(jié)構(gòu)：①單晶材料：E呈各向異性，沿密排面E值較大，反之較??；②多晶材料：Ｅ為各晶粒的統(tǒng)計平均值，表現(xiàn)為各向同性，但為偽各向同性；③非晶態(tài)材料：Ｅ是各項同性的。⑶化學(xué)成分：材料化學(xué)成分的變化將引起原子間距或鍵合方式的變化，因此也將影響材料的彈性模數(shù)。⑷微觀組織：①對金屬材料來說，E是一個組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)；②對高分子和陶瓷材料，E對結(jié)構(gòu)和組織敏感；⑸溫度：溫度升高，原子結(jié)合力下降，Ｅ值降低。⑹加載方式和負(fù)荷持續(xù)時間：①加載方式、加載速率和負(fù)荷持續(xù)時間對金屬、陶瓷類材料的Ｅ幾乎沒有影響；②高分子聚合物的Ｅ隨負(fù)載時間延長而降低，發(fā)生松弛。4.非理想彈性行為可分為幾種類型？⑴滯彈性（彈性后效）：材料在快速加載或卸載后，隨時間的延長而產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的性能。⑵粘彈性：材料在外力作用下，彈性和粘性兩種變形機理同時存在的力學(xué)行為。⑶偽彈性：在一定的溫度條件下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定水平后，金屬或合金將產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，伴隨應(yīng)力誘發(fā)相變產(chǎn)生大幅度的彈性變形的現(xiàn)象。⑷包申格效應(yīng)：金屬材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形，而后再同向加載，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力增加，反向加載，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力降低的現(xiàn)象。5.材料產(chǎn)生內(nèi)耗的原因？材料產(chǎn)生內(nèi)耗與材料中微觀組織結(jié)構(gòu)和物理性能的變化有關(guān)。例如，①兩端釘扎位錯的非彈性運動；②間隙原子或置換原子在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力感生有序化；③晶界的遷移；④磁性的變化等。因為這些微觀運動都要消耗能量，所以會引起材料的內(nèi)耗。6.塑性變形材料的塑性變形是微觀結(jié)構(gòu)的相鄰部分產(chǎn)生永久性位移，并不引起材料破裂的現(xiàn)象。7.金屬材料的塑性變形機理⑴金屬材料：常見的塑性變形機理為晶體的滑移和孿生。⑵多晶體金屬材料塑性變形特點：①各晶粒變形的不同時性和不均勻性；②各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性。8.陶瓷材料難以進(jìn)行塑性變形的原因？⑴陶瓷材料的組成主要是晶體材料，陶瓷晶體多為離子鍵或共價鍵，具有明顯的方向性，同號離子相遇，斥力極大，只有個別滑移系能滿足位錯運動的幾何條件和靜電作用條件，所以陶瓷材料中只有極少數(shù)具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的晶體，如MgO、KCl（均為NaCl型結(jié)構(gòu)）在室溫下具有塑性，而一般晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料在室溫下不能進(jìn)行塑性變形。⑵陶瓷材料一般呈多晶狀態(tài)，而且還存在氣孔、微裂紋、玻璃相等。位錯更加不易向周圍晶體傳播，更易在晶界處塞積而產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋引起斷裂。9.屈服屈服是材料由彈性變形向彈－塑性變形過渡的明顯標(biāo)志。10.為什么晶粒越小，屈服強度越高？⑴晶界是位錯運動的重要障礙，晶界越多，對材料屈服強度的提高貢獻(xiàn)越大。因為在首先產(chǎn)生滑移的晶粒中，必須塞積足夠數(shù)量的位錯，形成較大的應(yīng)力集中，才能使相鄰晶粒中的位錯產(chǎn)生滑移，形成宏觀的屈服。⑵如果晶界增多，也就是晶粒尺寸減小，晶粒內(nèi)位錯塞積的長度將縮短，其應(yīng)力集中程度不足以推動相鄰晶粒內(nèi)的位錯滑移。因此欲使更多的相鄰晶粒內(nèi)位錯開動，必須施加更大的外加切應(yīng)力，即表現(xiàn)為多晶體的屈服強度提高，而且晶粒越小，屈服強度越高。⑶根據(jù)霍爾－配奇公式，σs=σi+kyd-1/2，d減小，則d-1/2增大，從而σs增大。11.應(yīng)變硬化材料在應(yīng)力作用下進(jìn)入塑性變形階段后,隨著變形量的增大,形變應(yīng)力不斷提高的現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化。應(yīng)變硬化是材料阻止繼續(xù)塑性變形的一種力學(xué)性能。12.超塑性材料在一定條件下呈現(xiàn)非常大的伸長率（約1000％）而不發(fā)生縮頸和斷裂的現(xiàn)象，稱為超塑性。13.韌性斷裂及其特點韌性斷裂是材料斷裂前及斷裂過程中產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂過程。特點：①韌性斷裂時一般裂紋擴展過程較慢，而且要消耗大量塑性變形能。②韌性斷裂的斷口用肉眼或放大鏡觀察時，往往呈暗灰色、纖維狀。14.脆性斷裂及其特點脆性斷裂是材料斷裂前基本上不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，沒有明顯預(yù)兆，往往表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過程。特點：①斷裂過程快速，具有很大的危險性。②脆性斷裂的斷口一般與正應(yīng)力垂直，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。15.穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂。沿晶斷裂多數(shù)為脆性斷裂。16.剪切斷裂的微孔聚集型斷裂的微觀斷口特征剪切斷裂是材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂。微觀斷口特征花樣是斷口上分布大量“韌窩”。17.解理斷裂在正應(yīng)力作用下，由于原子間結(jié)合鍵的破壞引起的沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂稱為解理斷裂。解理斷口的基本微觀特征：解理臺階、河流花樣和舌狀花樣。18.拉伸斷口的3個區(qū)域纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇，即所謂的斷口特征三要素。第二章材料在其他靜載下的力學(xué)性能1.扭轉(zhuǎn)試驗的應(yīng)用根據(jù)試樣的斷口特征可區(qū)分材料最終的斷裂方式。⑴切斷斷口：斷面和試樣軸線垂直，有回旋狀塑性變形痕跡，這是切應(yīng)力作用的結(jié)果。塑性材料常為這種斷口。⑵正斷斷口：斷面和試樣軸線約為45°角，呈螺旋狀或斜劈狀，這是正應(yīng)力作用的結(jié)果。脆性材料常為這種斷口。2.為什么會產(chǎn)生缺口“強化”現(xiàn)象？在有缺口條件下，由于出現(xiàn)了三向應(yīng)力，使試樣的屈服應(yīng)力比單向拉伸時要高，即產(chǎn)生了所謂缺口“強化”現(xiàn)象。3.根據(jù)下圖，分析材料對缺口的敏感性。⑴材料1在曲線上升部分?jǐn)嗔眩瑲堄鄵隙萬1很小，表示對缺口敏感；⑵材料2在曲線下降部分?jǐn)嗔?，殘余撓度f2較大，表示缺口敏感度低；⑶材料3彎曲不斷，取相當(dāng)于1/4Fmax時的殘余撓度f3作為它的撓度值，其值很大，表示材料對缺口不敏感。綜上，材料對缺口的敏感程度由大到小：材料1＞材料2＞材料3.4.缺口彎曲曲線將該負(fù)荷－變形曲線所包圍的面積分為三部分：彈性變形區(qū)Ⅰ、塑性變形區(qū)Ⅱ和斷裂區(qū)Ⅲ，則各區(qū)所占面積分別為彈性功、塑性功和斷裂功。⑴只有彈性功I，表示材料對缺口極為敏感；⑵只有彈性功I和塑性功Ⅱ，表示材料對缺口敏感，而且塑性功Ⅱ越小，缺口敏感性越大；⑶3種功都存在，表示材料對缺口不敏感，而且斷裂功Ⅲ越大越好。5.壓入法的硬度值材料表面抵抗另一物體局部壓入時所引起的塑性變形能力。第三章材料的沖擊韌性及低溫脆性1.沖擊吸收功AKAK=GH1-GH2，即試樣變形和斷裂所吸收的功，稱為沖擊吸收功。2.一次沖擊彎曲試驗有哪些方面的用途？⑴它能反映出原始材料的冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品的質(zhì)量。⑵測定材料的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度。⑶對σS大致相同的材料，根據(jù)AK值可以評定材料對大能量沖擊破壞的缺口敏感性。3.什么是低溫脆性？當(dāng)試驗溫度低于某一溫度tk時，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性。4.根據(jù)下圖，分析合金元素對鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響。⑴間隙溶質(zhì)元素含量增加，高階能下降，tk提高。這是由于間隙溶質(zhì)元素溶入基體金屬晶格中，通過與位錯的交互作用偏聚于位借線附近形成柯氏氣團，既增加σi，又使ky增加，致使σs升高，所以鋼的脆性增大。⑵鋼中加入置換型溶質(zhì)元素(Ni、Mn例外)一般降低高階能，提高tk，但這種影響較間隙溶質(zhì)原子小得多。置換型溶質(zhì)元素對tk的影響與σi、ky及γs的變化有關(guān)。Ni減小低溫時的σi和ky，故韌性提高。另外，Ni還增加層錯能，促進(jìn)低溫時螺位錯交滑移，使裂紋擴展消耗功增加，故韌性提高。若置換型溶質(zhì)元素降低層錯能，促進(jìn)位錯擴展或形成孿晶，使螺位錯交滑移困難，使鋼的韌性下降。⑶雜質(zhì)元素S、P、Pb、Sn、As等使鋼的韌性下降。這是由于它們偏聚于晶界，降低晶界表面能，產(chǎn)生沿晶脆性斷裂，同時降低脆斷應(yīng)力所致。5.細(xì)化晶粒提高韌性的原因？①晶界是裂紋擴展的阻力；②晶界前塞積的位錯數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；③晶界總面積增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。6.影響材料低溫脆性有哪些因素？⑴晶體結(jié)構(gòu)：體心立方存在低溫脆性，面心立方及其合金一般不存在低溫脆性。⑵化學(xué)成分：①間隙溶質(zhì)元素含量增加，高階能下降，tk提高；②置換型溶質(zhì)元素（Ni、Mn例外）的加入，一般也降低高階能，提高tk；③雜質(zhì)元素S、P、Pb、Sn、As等使鋼的韌性下降。⑶顯微組織：①細(xì)化晶?？墒共牧享g性增加；②金相組織也有影響，此外，球化處理能改善鋼的韌性。⑷溫度：在某一范圍內(nèi)碳鋼和某些合金可能出現(xiàn)藍(lán)脆。⑸加載速率：提高加載速率tk提高。⑹試樣形狀和尺寸：①缺口曲率半徑越小，tk越高（V型缺口試樣＞U型缺口試樣）；②試樣寬度（或厚度）增加，tk提高；③試樣各部分尺寸按比例增加，tk也升高。第四章材料的斷裂韌性1.什么是低應(yīng)力脆斷？中、低強度鋼的大型機件常常在工作應(yīng)力并不高，甚至遠(yuǎn)低于屈服極限的情況下，發(fā)生脆性斷裂現(xiàn)象，這就是所謂的低應(yīng)力脆斷。2.低應(yīng)力脆斷是什么引起的？大量斷裂事例表明，低應(yīng)力脆斷是由于宏觀裂紋的存在引起的。3.裂紋擴展的基本方式⑴張開型(I型)裂紋擴展；⑵滑開型(Ⅱ型)裂紋擴展；⑶撕開型(Ⅲ型)裂紋擴展。在這些裂紋的不同擴展形式中，以Ⅰ型裂紋擴展最危險，最容易引起脆性斷裂。4.裂紋尖端塑性區(qū)的形狀5.實際試件中的塑性區(qū)平面應(yīng)變狀態(tài)是理論上的抽象。實際上，厚板件由于表面的自由收縮，表面是平面應(yīng)力狀態(tài)，心部是平面應(yīng)變狀態(tài)，兩者之間有一過渡區(qū)，塑性區(qū)是一個啞鈴形的立體形狀，如下圖所示。6.應(yīng)力場強度因子KⅠ的修正計算應(yīng)力場強度因子KⅠ時，應(yīng)注意修正的條件。當(dāng)應(yīng)力σ增大時，裂紋尖端的塑性區(qū)也增大，影響就越大，其修正就必要，通常情況下，當(dāng)σ/σs≥0.6~0.7時，就需要修正。7.化學(xué)成分對斷裂韌度的影響⑴對于金屬材料，化學(xué)成分對斷裂韌度的影響類似于對沖擊韌度的影響。其大致規(guī)律是：①細(xì)化晶粒的合金元素因提高強度和塑性，可使斷裂韌度提高；②強烈固溶強化的合金元素因大大降低塑性而使斷裂韌度降低，并且隨合金元素的濃度的提高，降低的作用更加明顯；③形成金屬間化合物并呈第二相析出的合金元素，因降低塑性有利于裂紋擴展而使斷裂韌度降低。⑵對于陶瓷材料，提高材料強度的組元，都將提高斷裂韌度。⑶對于高分子材料，增強結(jié)合鍵的元素都將提高斷裂韌度。8.非金屬夾雜物和脆性第二相對斷裂韌度的影響非金屬夾雜物和脆性第二相存在于裂紋尖端的應(yīng)力場中時，本身的脆性使其容易形成微裂紋。而且它們易于在晶界或相界偏聚，降低界面結(jié)合能，使界面易于開裂，這些微裂紋與主裂紋連接加速了裂紋的擴展，或者使裂紋沿晶擴展，導(dǎo)致沿晶斷裂，降低斷裂韌度。第二相的形貌、尺寸和分布不同，將導(dǎo)致裂紋的擴展途徑不同、消耗的能量不同，從而影響斷裂韌度。9.有一軸件平行軸向工作應(yīng)力150MPa，使用中發(fā)現(xiàn)橫向疲勞脆性正斷，斷口分析表明有25mm深度的表面半橢圓疲勞區(qū)，根據(jù)裂紋a/c可以確定Φ=1，測試材料的σ0.2=720MPa，試估算材料的斷裂韌度KIC為多少？解：∵σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7∴K值不用修訂又∵表面半橢圓裂紋，且Φ=1∴平面應(yīng)變由題目可知，150MPa材料斷裂，因此sc=150MPa，a=25mm將其代入可求得:KIC=1.1×150×（3.14×25/1000）1/2=46.229（MPa·m1/2）第五章材料的疲勞性能1.什么是疲勞？工件在變動載荷和應(yīng)變長期作用下，因累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。2.疲勞的破壞過程是怎樣的？疲勞的破壞過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織在變動應(yīng)力作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當(dāng)裂紋擴展達(dá)到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，是一個從局部區(qū)域開始的損傷累積，最終引起整體破壞的過程。3.疲勞形式的分類可按不同方法對疲勞形式分類。⑴按應(yīng)力狀態(tài)分，有①彎曲疲勞、②扭轉(zhuǎn)疲勞、③拉壓疲勞、④接觸疲勞及⑤復(fù)合疲勞；⑵按應(yīng)力高低和斷裂壽命分，有①高周疲勞和②低周疲勞。4.疲勞斷口有哪幾個特征區(qū)？典型疲勞斷口具有3個特征區(qū)：疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)。疲勞源疲勞源疲勞裂紋擴展區(qū)瞬斷區(qū)5.疲勞微裂紋的主要方式？疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起。主要方式有：①表面滑移帶開裂；②第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂；③晶界或亞晶界處開裂。6.疲勞條帶疲勞條帶(疲勞輝紋)是略呈彎曲并相互平行的溝槽狀花樣，與裂紋擴展方向垂直，是裂紋擴展時留下的微觀痕跡，為疲勞斷口最典型的微觀特征。7.陶瓷材料的疲勞破壞在陶瓷材料斷口上不易觀測到疲勞貝紋和疲勞條帶，循環(huán)疲勞斷口與快速斷裂斷口形貌之間差異十分微小，均呈現(xiàn)脆性斷口特征。8.高分子聚合物的疲勞破壞在拉應(yīng)力作用下，由于非晶態(tài)聚合物的表面和內(nèi)部會出現(xiàn)銀紋，因此，不同結(jié)構(gòu)的聚合物疲勞破壞機理也有差異。9.表面強化及殘余應(yīng)力的影響提高機件表面塑變抗力(硬度和強度)，降低表面的有效拉應(yīng)力，即可抑制材料表面疲勞裂紋的萌生和擴展，有效地提高承受彎曲與扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下材料的疲勞強度。由于表層疲勞強度的提高及表面殘余壓應(yīng)力的作用，使表層總應(yīng)力降低至強化層疲勞強度以下，便會制止疲勞斷裂。10.細(xì)化晶粒提高材料疲勞強度的原因？①晶粒細(xì)化可以提高金屬的微量塑性抗力，使塑性變形均勻分布，因而會延緩疲勞微裂紋的形成；②晶界有阻礙微裂紋長大和聯(lián)接作用。③根據(jù)霍爾－配奇公式，σ-1=σi+kd-1/2，可知，晶粒細(xì)化，則d減小，d-1/2增大，從而σs增大。11.沖擊熱應(yīng)力的產(chǎn)生對于脆性材料，特別是陶瓷材料，在生產(chǎn)使用過程中多處在高溫狀態(tài)，溫度發(fā)生急熱、急冷變化時可能產(chǎn)生沖擊熱應(yīng)力。12.熱震破壞和抗熱震性材料經(jīng)受溫度瞬變而不被破壞的能力稱為材料的抗熱震性(熱抗震性)。熱震破壞分兩大類：⑴一類是瞬時斷裂，稱為熱震斷裂；⑵另一類是熱沖擊循環(huán)作用引起材料開裂、剝落、碎裂或變質(zhì)，最后整體損傷，稱為熱損傷。第六章材料的磨損性能1.什么是磨損？磨損是在摩擦作用下物體相對運動時，表面逐漸分離出磨屑從而不斷損傷的現(xiàn)象。2.磨損過程的3個階段⑴跑合(磨合)階段：圖中OA階段。⑵穩(wěn)定磨損階段：圖中AB段。⑶劇烈磨損階段：圖中BC段。3.磨損的基本類型根據(jù)摩擦面損傷和破壞的形式，大致可分為4類：①粘著磨損；②磨料磨損；③腐蝕磨損；④麻點疲勞磨損(接觸疲勞)等。4.粘著磨損粘著磨損又稱咬合磨損。是因兩種材料表面某些接觸點局部壓應(yīng)力超過該處材料屈服強度發(fā)生粘合并拽開而產(chǎn)生的一種表面損傷磨損。5.粘著磨損量上式表明，粘著磨損量與接觸壓力p、滑動距離L成正比，與材料硬度值成反比。式中K值稱為粘著磨損系數(shù)，反映配對材料粘著力大小，決定于摩擦條件和摩擦副材料。當(dāng)壓力p不超過摩擦副材料硬度值的1/3時，K值基本上為不變。但壓力超過鋼的屈服強度后，K值急劇增大，磨損量也急劇增加，造成大面積的焊合和咬死。整個接觸面積表面發(fā)生塑性變形，接觸面積不再與載荷成正比。6.粘著磨損和磨粒磨損表面形貌的辨別⑴粘著磨損：其磨損表面特征是機件表面有大小不等的結(jié)疤。⑵磨粒磨損：主要特征是摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的溝槽。7.接觸疲勞接觸疲勞是兩接觸材料作滾動或滾動加滑動摩擦?xí)r，交變接觸壓應(yīng)力長期作用，使材料表面疲勞損傷，局部區(qū)域出現(xiàn)小片或小塊狀材料剝落，而使材料磨損的的現(xiàn)象。故又稱表面疲勞磨損或麻點磨損，是齒輪、滾動軸承等工件常見的磨損失效形式。8.接觸疲勞裂紋的形成與擴展接觸疲勞裂紋的形成與擴展是接觸綜合切應(yīng)力高于材料接觸疲勞強度的結(jié)果。其中循環(huán)切應(yīng)力的大小及分布隨接觸載荷及接觸物尺寸(半徑、長度)而變化，而材料強度因材料表面強化/表面缺陷及內(nèi)部缺陷而變化。9.減輕粘著磨損的主要措施⑴合理選擇摩擦副材料。盡量選擇互溶性少，粘著傾向小的材料配對，如非同種或晶格類型、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)的多相或化合物材料；強度高不易塑變的材料。⑵避免或阻止兩摩擦副間直接接觸。增強氧化膜的穩(wěn)定性，提高氧化膜與基體的結(jié)合力；降低接觸表面粗糙度，改善表面潤滑條件等。⑶為使磨屑多沿接觸面剝落，以降低磨損量。可采用表面滲硫、滲磷、滲氮等表面處理工藝，在材料表面形成一層化合物層或非金屬層，既降低接觸層原子間結(jié)合力，減少摩擦系數(shù)，又避免直接接觸。為使磨損發(fā)生在較軟方材料表層，可采用滲碳、滲氮共滲、碳氮硼三元共滲等工藝以提高另一方的硬度。第七章材料的高溫力學(xué)性能1.蠕變變形機理⑴位錯滑移蠕變機理⑵原子擴散蠕變機理⑶晶界滑動蠕變機理⑷粘彈性機理（高分子材料）2.擴散蠕變機理在較高溫度下，原子和空位可以發(fā)生熱激活擴散，在不受外力的情況下，它們的擴散是隨機的，在宏觀上沒有表現(xiàn)。但是在外力作用下，晶體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力場，原子和空位在不同的位置具有不同的勢能，它們會由高勢能位向低勢能位進(jìn)行定向擴散。3.晶間斷裂產(chǎn)生的原因晶間斷裂是蠕變斷裂的普遍形式，高溫低應(yīng)力下情況更是如此，這是因為溫度升高，多晶體晶內(nèi)及晶界強度都隨之降低，但后者降低速率更快，造成高溫下晶界的相對強度較低的緣故。4.晶界斷裂兩種模型⑴晶界滑動和應(yīng)力集中模型；高應(yīng)力，較低溫度下，晶界滑動在三晶粒交匯處受阻→應(yīng)力集中→形成空洞→相互連接形成楔形裂紋→長大→引起斷裂。⑵空位聚集模型。5.金屬材料蠕變斷裂斷口的宏觀特征和微觀特征：⑴金屬材料蠕變斷裂斷口的宏觀特征為：①一是在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，有很多裂紋，使斷裂機件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；②另一個特征是由于高溫氧化，一層氧化膜所覆蓋。⑵微觀特征主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂。6.松弛穩(wěn)定性的應(yīng)用松弛穩(wěn)定性可以用來評價材料在高溫下的預(yù)緊能力。對于那些在高溫狀態(tài)下工作的緊固件，在選材和設(shè)計時，就應(yīng)該考慮材料的松弛穩(wěn)定性。如汽輪機、燃?xì)廨啓C的緊固件，在工作過程中，如果材料的松弛穩(wěn)定性不好，那么隨著工作時間的延長，剩余應(yīng)力愈來愈小，當(dāng)小于汽缸螺栓的預(yù)緊工作應(yīng)力時，就會發(fā)生泄氣事故。7.化學(xué)成分對材料蠕變性能的影響材料的成分不同，蠕變的熱激活能不同。熱激活能高的材料，蠕變變形就困難，蠕變極限、持久強度、剩余應(yīng)力就高。⑴對于金屬材料，①在一定溫度下，熔點愈高的金屬自擴散激活能愈大，擴散愈慢；②層錯能愈低的金屬愈易產(chǎn)生擴展位錯，使位錯難以產(chǎn)生割階、交滑移和攀移。這些都有利于降低蠕變速率。③大多數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，其高溫強度比體心立方結(jié)構(gòu)的高，這是一個重要原因。⑵對于陶瓷材料，①如果是共價鍵結(jié)構(gòu)，由于價鍵的方向性，使之擁有較高的抵抗晶格畸變、阻礙位錯運動的派-納力；②如果是離子鍵結(jié)構(gòu)，由于靜電作用力的存在，晶格滑移不僅遵循晶體幾何學(xué)的原則，而且受到靜電吸力和斥力的制約。這些因素都反映在激發(fā)陶瓷蠕變的難度上，這也正是陶瓷材料具有較好抗高溫蠕變性能的本征因素。⑶對于高分子材料，不同種類的材料具有不同的粘彈性，使得蠕變性能不同。第八章材料的熱學(xué)性能1.熱容材料在溫度上升或下降時要吸熱或放熱，在沒有相變或化學(xué)反應(yīng)的條件下，材料溫度升高1K時所吸收的熱量(Q)稱做該材料的熱容。2.比熱容單位質(zhì)量材料的熱容稱之為“比熱容”或“質(zhì)量熱容”。3.經(jīng)典熱容理論經(jīng)典熱容理論認(rèn)為，在固體中可以用諧振子來代表每個原子在一個自由度的振動，按照經(jīng)典理論能量自由度均分，每一振動自由度的平均動能和平均位能都為(1/2)kT，一個原子有3個振動自由度，平均動能和位能的總和就等于3kT，一個摩爾固體中有NA個原子，總能量為E=3NAkT=3RT4.熱膨脹物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象。5.熱膨脹的機理在晶格振動理論中，曾近似地認(rèn)為質(zhì)點的熱振動是簡諧振動，溫度的升高只能增大振幅，并不會改變平衡位置，因此質(zhì)點間平均距離不會因溫度升高而改變。熱量變化不能改變晶體的大小和形狀，也就不會有熱膨脹。這樣的理論顯然是不正確的，造成這一錯誤的原因是，晶格振動中相鄰質(zhì)點間的作用力實際上是非線性的，即作用力并不簡單地與位移成正比。6.熱膨脹和熱容的關(guān)系固體材料受熱引起的容積的膨脹是晶格振動加劇的結(jié)果。而晶格振動的加劇也就是原子（離子）熱運動能量的增大，升高單位溫度時能量的增量也正是熱容的定義。7.熱傳導(dǎo)的微觀機理⑴對于氣體，依靠分子的碰撞來實現(xiàn)傳熱；⑵對于固體，主要是由晶格振動的格波和自由電子的運動來實現(xiàn)的；⑶對于金屬材料，由于有大量的自由電子存在，所以能迅速地實現(xiàn)熱量的傳遞，因此金屬一般都具有較大的熱導(dǎo)率（晶格振動對金屬導(dǎo)熱也有貢獻(xiàn)，只是相比起來是很次要的）；⑷對于非金屬材料，如一般離子晶體，晶格中自由電子極少，所以晶格振動是它們的主要導(dǎo)熱機構(gòu)。第九章材料的磁學(xué)性能1.材料磁性的本源材料內(nèi)部電子的循軌和自旋運動。2.原子、分子是否具有磁矩，決定于該原子、分子的結(jié)構(gòu)。⑴當(dāng)原子中的一個次電子層被排滿時，這個電子層的磁矩總和為零，它對原子磁矩沒有貢獻(xiàn)。⑵當(dāng)原子中的電子層均被排滿時，原子沒有磁矩。只有原子中存在著未被排滿的電子層時，由于未被排滿的電子層電子磁矩之和不為零，原子才具有磁矩，這種磁矩稱為原子的固有磁矩。⑶當(dāng)原子結(jié)合成分子時，它們的外層電子磁矩要發(fā)生變化，所以分子磁矩并不是單個原子磁矩的總和。3.鐵具有磁性的原因：鐵原子中共有26個電子，電子層分布為1s22s22p63s23p63d64s2，可以看出，除3d次電子層外，各層均被電子填滿，自旋磁矩被抵消。根據(jù)洪特法則，電子在3d層中應(yīng)盡可能填充到不同軌道，并且他們的自旋盡量在同方向上（平行自旋）。因此，5個軌道中有4個只有1個電子，而且這些電子的自旋方向平行，因此鐵原子的固有磁矩是4個電子磁矩的總和。4.自然界中的鐵磁性材料都是金屬，它們的鐵磁性來源原子未被抵消的自旋磁矩和自發(fā)磁化。5.鐵、鈷、鎳、錳和鉻是否具有鐵磁性的原因⑴鐵、鈷、鎳、錳、鉻都屬于過渡族金屬，它們的3d層都未被電子填滿，因此它們都有剩余的自旋磁矩。⑵鐵（1s22s22p63s23p63d64s2）、鈷（1s22s22p63s23p63d74s2）和鎳（1s22s22p63s23p63d84s2）的未抵消自旋數(shù)依次為4、３、２，具有較強的自發(fā)磁化傾向，能使磁矩自發(fā)地同相排列，因而是鐵磁性材料。⑶錳（1s22s22p63s23p63d54s2）、鉻（1s22s22p63s23p63d44s2）的未抵消自旋數(shù)分別為為5、4，但它們的自發(fā)磁化傾向很弱，自旋磁矩不能夠自發(fā)地同相排列，因而不是鐵磁性材料。⑷這就是說，金屬要具有鐵磁性，它的原子只有未被抵消自旋磁矩還不夠，還必須使自旋磁矩自發(fā)地同相排列，亦即產(chǎn)生自發(fā)磁化。6.自發(fā)磁化在沒有外磁場的情況下，材料所發(fā)生的磁化稱為自發(fā)磁化。金屬內(nèi)部的自發(fā)磁化是由于電子間的相互作用產(chǎn)生的。當(dāng)兩個原子相接近時，它們的3d層和4s層的電子可以相互交換位置，迫使相鄰原子自旋磁矩產(chǎn)生有序排列。7.鐵磁性物質(zhì)在磁化時具有兩個很重要的特征：磁各向異性和磁致伸縮效應(yīng)。8.磁滯回線第十章材料的電學(xué)性能1.經(jīng)典電子理論（電子云）經(jīng)典電子理論認(rèn)為，在金屬晶體中，離子構(gòu)成了晶格點陣，并形成一個均勻的電場，價電子是完全自由的，它們的運動遵循經(jīng)典力學(xué)氣體分子的運動規(guī)律，在沒有外加電場作用時，金屬中的自由電子沿各個方向運動的幾率相同，因此不產(chǎn)生電流。當(dāng)對金屬施加外電場時，自由電子沿電場方向作加速運動，從而形成了電流。在自由電子定向運動過程中，要不斷與正離子發(fā)生碰撞，使電子受阻，這就是產(chǎn)生電阻的原因。2.量子自由電子理論量子自由電子理論同樣認(rèn)為金屬中正離子形成的電場是均勻的，價電子與離子間沒有相互作用，且為整個金屬所有，可以在整個金屬中自由運動。但這一理論認(rèn)為，金屬中每個原子的內(nèi)層電子基本保持著單個原子時的能量狀態(tài)，而所有價電子卻按量子化規(guī)律具有不同的能量狀態(tài)，即具有不同的能級。3.能帶理論4.超導(dǎo)體的兩個基本特性⑴完全導(dǎo)電性；⑵完全抗磁性。5.熱電效應(yīng)金屬的熱電現(xiàn)象可以概括為3個基本熱電效應(yīng)。⑴帕爾帖效應(yīng)：電流流過兩種不同導(dǎo)體的界面時，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。這就是帕爾帖效應(yīng)。⑵湯姆遜效應(yīng)：當(dāng)一根金屬導(dǎo)線兩端溫度不同時，若通以電流，則在導(dǎo)線中除產(chǎn)生焦?fàn)枱嵬?，還要產(chǎn)生額外的吸放熱現(xiàn)象。⑶賽貝克效應(yīng)：當(dāng)兩種不同的金屬或合金A、B聯(lián)成閉合回路，且兩接觸點的溫度不同時，在回路中將產(chǎn)生電流。6.電介質(zhì)介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象稱為介質(zhì)的極化。這種介質(zhì)稱為電介質(zhì)。7.介質(zhì)損耗電介質(zhì)在電場作用下，在單位時間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量。8.電擊穿在強電場中工作的絕緣材料，當(dāng)所承受的電壓超過一臨界值V穿時便喪失了絕緣性能而擊穿，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿。材料的電擊穿是一個“電過程”，即僅有電子參加。在強電場的作用下原來處于熱運動狀態(tài)的少數(shù)“自由電子”將沿反電場方向定向運動。第十一章材料的光學(xué)性能1.不同晶類材料對電磁波的吸收率材料對包括可見光在內(nèi)的電磁波的吸收強弱，主要取決于電磁波的波長。⑴金屬對光能吸收很強烈，這是因為金屬的價電子處于未滿帶，吸收光子后即呈激發(fā)態(tài)