第三章 材料的磁学性能
一，一，基本概念
1. 1.磁畴：在未加磁场时铁磁金属内部已经磁化到饱和状态的小区域。
2. 2.磁导率：磁导率是磁性材料最重要的物理量之一，表示磁性材料传导和
通过磁力线的能力，用μ表示，其中μ＝Ｂ／Ｈ．单位为亨利／米（Ｈ·m-1）．
3. 3.自发磁化：在未加磁场时铁磁金属内部的自旋磁矩已经自发地排向了同
一方向的现象．
4. 4.磁滞损失：磁滞回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗。
5. 5.磁晶各向异性：
6. 6.退磁场：非闭合回路磁体磁化后，磁体内部产生一个与磁化方向相反的磁场。
第三章材料的磁学性能
随着近代科学技术的发展，金属和合金磁性材料，由于它的电阻率低、损耗大，已不能满足应用的需要，尤其是高频范围。
磁性无机材料除了有高电阻、低损耗的优点以外，还具有各种不同的磁学性能，因此它们在无线电电子学、自动控制、电子计算机、信息存储、激光调制等方面，都有广泛的应用。磁性无机材料一般是含铁及其它元素的复合氧化物，通常称为铁氧体（ferrite）。它的电阻率为10～106Ω·m，属于半导体范畴。目前，铁氧体已发展成为一门独立的学科。
本章介绍磁性材料的一般磁性能，着重讨论铁氧体材料的性能与应用。
7.1磁矩和磁化强度
7.1.1磁矩
（1）定义
在磁场的作用下，物质中形成了成对的N、S磁极，称这种现象为磁化。与讨论电场时的电荷相对应，引入磁量的概念，并把磁量叫做磁极强度或磁荷。将一对等量异号的磁极相距很小的距离，把这样的体系叫做磁偶极子。
在外磁场的影响下，磁偶极子沿磁场方向排列。为达到与磁场平行，该磁矩在力矩
T=Lq m Hsin (7.1)
的作用下，发生旋转。式中的系数Lq m定义为磁矩M(Wb·m)。
磁矩这一物理量是磁相互作用的基本条件，是物质中所有磁现象的根源。磁矩的概念可用于说明原子、分子等微观世界产生磁性的原因。
（2）原子磁矩
物质是原子核和电子的集合体，要理解物质的磁性起源，就要考虑原子具有的磁矩。现在我们可以从以下三方面来分析原子中的磁矩。
①电子轨道运动产生的磁矩
②电子自旋产生的磁矩
③原子核的磁矩
7.1.2磁化强度
磁化强度的物理意义是单位体积中的磁矩总和。设体积元△V内磁矩的矢量和为∑M，则磁化强度M为
(7.2)
式中M i的单位为Wb·m，V的单位为m3，因而磁化强度M的单位为Wb·m2，即与磁场强度H的单位一致。
电场中的电介质由于电极化而影响电场，同样，磁场中的磁介质由于磁化也能影响磁场，即磁性体对于外部磁场H的反映强度。
磁场强度H、磁化强度M有关系式
B≡μ0H+M=μH (7.3)
式中μ为介质的磁导率，μ只与介质有关。该式采用MKS单位制表示。因此磁化强度M 表征物质被磁化的程度。对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各个磁矩的取向不一，宏观无磁性。但在外磁场作用下，各磁矩有规则的取向，使磁介质宏观显示磁性，这就叫磁化。
定义为介质的相对磁导率，则
M=（μr－1）H (7.4)
定义为介质的相对磁化率或χ=μ0χr为介质的磁化率，则可得磁化强度与磁场强度的关系
(7.5)
式中比例系数χr仅与磁介质性质有关，它反映材料的磁化能力。
为了便于直观地理解磁性相关的基本物理量，可以将其与电学量的基本物理量进行对比，见表7-1。
7.2物质的磁性
物质的磁性由于原子磁矩不同的表现，使原子磁矩与磁场的作用、磁化强度与磁场强度的关系曲线、磁化率与温度的关系等具有不同的特点，下面讨论各种不同类型的磁性。7.2.1顺磁性
由于电子自旋没有互相抵消，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。在没有外磁场的作用时，由于物质中的原子做无规则的热振动，各个磁矩的指向是无序分布的，没有形成宏观磁化现象。但是在外加磁场的作用下，这些磁矩沿磁场方向排列，物质显示极弱的磁性，这种现象叫顺磁性。磁化强度M与外磁场方向一致，M为正，而且M严格地与外磁场H成正比。
顺磁性物质的磁性除了与H有关外，还依赖于温度。其磁化率χ与绝对温度T成反比。
(7.6)
式中T为绝对温度(K)；C称为居里常数，取决于顺磁物质的磁化强度和磁矩大小。顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下χ约为10-5。
7.2.2铁磁性
具有铁磁性物质的磁化率为正值，而且很大。如Fe，Co，Ni，室温下磁化率可达103数量级，属于强磁性物质。一般磁介质的B-H为线性关，即B＝μH，μ不变，而对于铁磁体，B-H为非线性，μ随外磁场变化。
铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而总磁矩为零，铁磁性消失。这一温度称为居里点T C。在居里点以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率与温度的关系服从居里-外斯定律，
（7.7）
式中C为居里常数。
铁磁性物质和顺磁性物质的主要差异在于：即使在较弱的磁场内，前者也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。
7.2.3反铁磁性
反铁磁性体的原子磁矩在同一子晶格中，无外磁场的作用时，磁矩是同向排列的，具有一定的磁矩；在不同的子晶格中磁矩是反向排列。两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反，整个晶体M＝0。反铁磁性物质大都是非金属化合物，如FeO，NiF2及各种锰盐。
不论在什么温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象，因此其宏观特性是顺磁性的，M与H处于同一方向，磁化率χr为正值。
7.2.4抗磁性
当磁化强度M为负时，固体表现为抗磁性。抗磁性物质的磁化强度是磁场强度的线性函数。Bi，Cu，Ag，Au等金属具有这种性质。在外磁场中，这类磁化了的介质内部，B 小于真空中的B0。构成抗磁性材料的原子（离子）的磁矩为零，即不存在永久磁矩，而前面所讨论的铁磁性、反铁磁性、顺磁性等都是源于原子磁矩而产生的磁性。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，围绕原子核作回旋轨道运动的电子按照楞次定律会产生感生电流，此感生电流产生与外加磁场方向相反的磁场，这便是反磁性产生的根源。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率χ一般约为-10-5，其绝对值很小。符合抗磁性条件的就是那些填满了电子壳层的原子和离子，因此周期表中前18个元素主要表现为抗磁性。这些元素构成了无机材料中，几乎所有阴离子，如O2-，F-，Cl-，S2-，SO42-，CO32-，N3-，OH-等。在这些阴离子中，电子填满壳层，自旋磁矩平衡。
7.3磁畴的形成和磁滞回线
7.3.1磁畴的形成
铁磁体在很弱的外加磁场作用下能显示出强磁性，这是由于物质内部存在自发磁化的小区域，即磁畴。对于处于退磁化状态的铁磁体，它们在宏观上并不显示磁性，这说明物质内部各部分的自发磁化强度的取向式杂乱的。因而物质的磁畴不会是单畴，而是由许多小磁畴组成的。磁畴形成的原因有“交换”作用和超交换作用。
7.3.1.1“交换”作用
磁偶极子类似于一个小永久磁体，因此在其周围形成磁场，这一磁场必然会对其它磁矩产生作用，使磁矩在特定方向取向，由于磁矩的相互作用，使其取向趋于一致。实际上这是由于电子的静电相互作用造成的，也即“交换”作用。
这一现象也可从电子的“共有化”运动得到解释。
7.3.1.2超交换作用
在某些材料中过渡金属离子不是直接接触，直接接触交换作用很小，只有通过中间负离子氧起作用。
在尖晶石结构中实际上存在A-A，B-B，A-B三种可能位置.因而存在三种交换作用。由于各种原因，这些化合物中只有其中的一种超交换作用占优势。
7.3.1.3磁畴的形成
由于铁磁体具有很强的内部交换作用，铁磁物质的交换能为正值，而且较大，使得相邻原子的磁矩平行取向，发生自发磁化，在物质内部形成许多小区域，即磁畴。这种自生的磁化强度叫自发磁化强度M S。因此自发磁化是铁磁物质的基本特征，也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在。
大量实验证明，为了保持自发磁化的稳定性，必须使强磁体的能量达最低值，因而就分裂成无数微小的磁畴，形成磁畴结构。每个磁畴的体积大约为10-9cm3，约有1015个原子。
铁磁性的自发磁化和铁电性的自发极化有相似的规律，但应该强调的是它们的本质差别；铁电性是由离子位移引起的，而铁磁性则是由原子取向引起的；铁电性在非对称的晶体中发生，而铁磁性发生在次价电子的非平衡自旋中；铁电体的居里点是由于熵的增加（晶体相变），而铁磁体的居里点是原子的无规则振动破坏了原子间的“交换”作用，从而使自发磁化消失引起的。
7.3.2磁滞回线
铁磁体在未经磁化或退磁状态时，其内部磁畴的磁化强度方向随机取向，彼此相互抵消，总体磁化强度为零。如果将其放入外磁场H中，其磁化强度M随外磁场H的变化是非线性的。
下面简单的介绍磁畴壁运动模型。在消磁状态下，畴壁受内应力等障碍物的钉扎作用，畴壁难以运动。在外磁场的作用下，由于各磁畴的磁矩发生转向而引起磁畴壁的移动，在磁畴壁的移动过程中，如果磁场较弱，不足以克服内应力等障碍物的钉扎作用，畴壁难以运动，当外磁场取消后，铁磁体即可回到消磁状态，即处于可逆的畴壁移动区域。随着外加磁场强度的增大，钉扎作用不足以抵消外磁场的作用，畴壁试图克服钉扎作用而移动，此时，争脱开障碍物钉扎作用的畴壁，发生雪崩式的移动。畴壁移动是突然和不连续的，从而磁化也是不连续的。用电气放大作用进行探测，会有不规则的噪声出现。称此为Barkhausen效应或噪声。在此之后，进入到可逆的磁畴旋转区。进而达到饱和磁化状态。
如果外磁场H为交变磁场，则与电滞回线类似，可得到磁滞回线.
可以用磁滞回线说明晶体磁学各向异性。在某一宏观方向上（如水平方向、垂直方向）生长的单磁畴粒子，且其自发磁化强度被约束在该方向内，当在该方向上施加外加磁场，磁滞回线为直角型，而在与此垂直的方向上施加磁场，磁滞回线缩成线性。
7.4铁氧体结构及磁性
以氧化铁（Fe3+2O3）为主要成分的强磁性氧化物叫做铁氧体。铁氧体磁性与铁磁性相同之处在于有自发磁化强度和磁畴，因此有时也被统称为铁磁性物质。
铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而成，因此铁氧体磁性来自两种不同的磁矩。一种磁矩在一个方向相互排列整齐；另一种磁矩在相反的方向排列。这两种磁矩方向相反，大小不等，两个磁矩之差，就产生了自发磁化现象。因此铁氧体磁性又称亚铁磁性。
从晶体结构分，目前已有尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙钛矿型、钛铁矿型和钨青铜型等6种。重要的是前三种。下面将分别讨论它们的结构及磁性。
7.4.1尖晶石型铁氧体
铁氧体亚铁磁性氧化物一般式表示为M2+O?Fe23+O3，或者M2+-Fe2O4，其中M是Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Mg，Zn，Cd等金属或它们的复合，如Mg1－x Mn x Fe2O4），因此组成和磁性能范围宽广。它们的结构属于尖晶石型.
7.4.2石榴石型铁氧体
稀土石榴石也具有重要的磁性能，它属于立方晶系，但结构复杂，分子式为M3Fe5O12，式中M为三价的稀土离子或钇离子，如果用上标c，a，d表示该离子所占晶格位置的类型。则其分子式可以写成M3c Fe2a Fe3d O12，或(3M2O3)c(2Fe2O3)a(3Fe2O3)d，a离子位于体心立方晶格格点上，c离子与d离子位于立方体的各个面。
与尖晶石的磁性类似，由于超交换作用，石榴石的净磁矩起因于反平行自旋的不规则贡献：处于a位的Fe3+离子和d位的Fe3+离子的磁矩是反平行排列的，c位的M2+离子和d 位的Fe3+离子的磁矩也是反平行排列的。如果假设每个Fe3+离子磁矩为5μB，则对M3c Fe2a Fe3d O12净磁矩为
μ净＝3μc－（3μd－2μa）＝3μc－5μB (7.8)
因此选择适当的离子，可得到净磁矩。
7.4.4磁铅石型铁氧体
磁铅石型铁氧体的化学式为AB12O19，A是二价离子Ba,Sr，Pb，B是三价的Al,Ga,Cr,Fe，其结构与天然的磁铅石Pb（Fe7.5Mn3.5Al0.5Ti0.5）O19相同，属六方晶系，结构比较复杂。如含钡的铁氧体，化学式为BaFe12O19.
磁化起因于铁离子的磁矩，每个Fe离子有5μB↑自旋，每个单元化学式的排列如下：在尖晶石块中，两个铁离子处于四面体位置形成2×5μB↓，七个Fe离子处于八面体位置
形成7×5μB↑。在六方密堆积块中，一个处于氧围成的三方双锥体中的Fe离子给出1×5μB↑，处于八面体中的两个Fe离子给出2×5μB↓。净磁矩为4×5μB=20μB。
由于六角晶系铁氧体具有高的磁晶各向异性，故适宜作永磁铁，它们具有高矫顽力。它是结构与天然磁铅石相同。
7.5磁性材料的物理效应
磁性材料的物理性能随外界因素，例如电场、磁场、光及热等的变化而发生变化的现象称为磁性材料的物理效应。其物理效应有磁光效应、电流磁气效应、磁各向异性磁致伸缩效应动态磁化等。
7.5.1磁光效应
光属于电磁波，其电场、磁场和传播方向相互垂直，因此在光通过透明的铁磁性材料时，由于光与自发磁化相互作用，会出现特异的光学现象，称此现象为磁光效应。目前已知的磁光效应有下列几种：
1）塞曼效应
对发光物质施加磁场，光谱发生分裂的现象称为塞曼效应。从应用的角度来看，还属于有待开发的领域。
2）法拉第(Faraday)效应
法拉第效应是光与原子磁矩相互作用而产生的现象。当一些透明物质（如Y3Fe5O12）透过直线偏光时，若同时施加与入射光平行的磁场，在透射光射出时，其偏振面将旋转一定的角度。称此现象为法拉第效应。
如果施加与入射光垂直的磁场，入射光将分裂为沿原方向的正常光束和偏离原方向的异常光束。这一现象为科顿-莫顿(Cotton-Mouton)效应。
铁磁性材料的法拉第旋转角θF由下式表示
θF =FL(M/M S) (7.9)
式中，F为法拉第旋转系数(?)/cm；L为材料的长度；M S为饱和磁化强度；M为沿入射光方向的磁化强度。任何透明的物质都会产生法拉第效应，而已知的法拉第旋转系数大的磁性材料主要是稀土石榴石系材料。
作为实用法拉第器件应满足的基本条件是：（1）法拉第系数要大，而与温度的相关性要小；（2）从透光性考虑，吸收系数α要小(F/α要大)，作为使用化的标准，一般要求F/α≥200；（3）居里温度T C应在室温以上；（4）光学各向同性；（5）对于铁磁性材料来说，其饱和磁化强度要小。
3)克尔(Kerr)效应
当光入射到被磁化的材料，或入射到外磁场作用下的物质表面时，其反射光的偏振面发生旋转的现象称为克尔效应，其所旋转的角度为克尔旋转角θk。光盘就是利用了克尔效应而进行磁记录。
7.5.2 磁各向异性
材料的磁化有难易之分，对于晶体来说，不同的晶体学方向其磁化也有所不同，即存在易磁化的晶体学方向和难磁化的结晶学方向，分别称为易磁化轴和难磁化轴。如体心立方结构的Fe，其[100]的3个轴为易磁化轴，[111]的4个轴为难磁化轴。
7.5.3磁致伸缩效应
使消磁状态的铁磁体磁化，一般情况下其尺寸、形状会发生变化，这种现象称为此致伸缩效应。长度为L的棒沿轴向磁化时，若长度变化为?L，则磁致伸缩率λ=?L/L，磁致伸缩率在强磁场的作用下达到饱和的值λs称为磁致伸缩常数，作为铁磁体的特性参数经常使用。
利用磁致伸缩可以使磁能（实际上是电能）转换为机械能，而利用糍致伸缩的逆效应可以使机械能转变为电能。
磁致性伸缩的产生机制应进行综合分析。
7.6磁学材料及应用
磁性材料是指具有可利用的磁学性质的材料。磁性材料按其功能可分为几大类：易被外磁场磁化的磁芯材料；可发生持续磁场的永磁材料；通过变化磁化方向进行信息记录的磁记录材料；通过光或热使磁化发生变化进行记录与再生的光磁记录材料；在磁场作用下
电阻发生变化的磁致电阻材料；因磁化使尺寸发生变化的磁致伸缩材料；形状可以自由变化的磁性流体等。利用这些功能，磁性材料已用于器件和设备，如变压器、阻尼器、各类传感器、录象机等。
近年来，磁性材料在非晶态、稀土永磁化合物、超磁致伸缩、巨磁电阻等新材料相继发现的同时，由于组织的微细化、晶体学方位的控制、薄膜化、超晶格等新技术的开发，其特性显著提高。这些不仅对电子、信息产品等特性的飞跃提高作出了重大的贡献，而且成为新产品开发的原动力。目前，磁性材料已成为支持并促进社会发展的关键材料。下面从结构和性能方面介绍几种重要的磁性材料。
7.6.1高磁导率材料
这类材料要求磁导率高，饱和磁感应强度大，电阻高，损耗低，稳定性好等。其中尤以高磁导率和低损耗最重要。生产上为了获得高磁导率的磁性材料，一方面要提高材料的M S值，这由材料的成分和原子结构决定；另一方面要减小磁化过程中的阻力，这主要取决于磁畴结构和材料的晶体结构。因而必须严格控制材料成分和生产工艺。表7.2列出了各种磁介质的磁导率。
软磁材料主要应用于电感线圈、小型变压器、脉冲变压器、中频变压器等的磁芯以及天线棒磁芯、录音磁头、电视偏转磁轭、磁放大器等。。
7.6.3磁性记录材料
磁记录机是具有空气缝隙的环形记录磁头。环是铁铝合金片或锰锌铁氧体等磁性材料制成。缝隙很小，小于0.001英寸。记录用磁带是用极细小颗粒的磁性材料和一种非磁性材料的粘和剂混合后涂敷在带机而成。输入讯号加到线圈形成的磁通进入到磁带内，造成磁性颗粒的磁化，把信息保留在带内。显然，磁记录必须是硬磁材料。讯号读出时，从记录带中磁偶极子发出的磁通沿磁阻小的磁头磁芯进入，在线圈中感应出电讯号而读出。所以对磁记录介质的磁性材料有类似永磁体的性质，要求高的剩磁、矫顽力和H m值。当然为了能记录短波长，无规则噪声要最低，磁畴要小，并且它能够做成高强度，柔顺而光滑的薄层。
在前述磁畴中知道，磁性材料和磁畴结构及磁畴壁的移动有密切的关系。但是当晶粒粒度减小到临界尺寸大小，即一个细小的颗粒只能形成一个单畴时，材料的磁性质会发生很大的变化，矫顽力急速增大，这是由于缺乏磁壁，各个颗粒仅仅依靠自旋磁矩矢量的同时旋转来改变磁化，而这个过程又由于晶体磁各向异性的反抗变成很困难。此外，纤维状晶粒，还有形状各向异性来反抗它的旋转，造成矫顽力增大。例如15微米的铁纤维的矫顽力比通常的甚至高达一万倍。但是颗粒太小，又由于热起伏作用超过了交换力的作用，而丧失铁磁性质，这时的状态称超顺磁体。矫顽力随粒度大小变化如图。磁性材料现在用的是γ-Fe2O3的单畴颗粒，它是α-Fe2O3的亚稳相，具有尖晶石立方结构。
7.6.4高矫顽力材料
硬磁材料也成为永磁材料，其主要特点是剩磁B r大，这样保存的磁能就多，而且矫顽
力H C也大，才不容易退磁，否则留下的磁能也不易保存。因此用最大磁能积(BH)max就可以全面地反映硬磁材料储有磁能的能力。最大磁能积(BH)max越大，则在外磁场撤去后，单位面积所储存的磁能也越大，性能也越好。此外对温度、时间、振动和其它干扰的稳定性也要好。这类材料主要用于磁路系统中作永磁以产生恒稳磁场，如扬声器、微音器、拾音器、助听器、录音磁头、电视聚焦器、各种磁电式仪表、磁通计、磁强计、示波器以及各种控制设备。最重要的铁氧体硬磁材料是钡恒磁BaFe12O19，它与金属硬磁材料相比的优点是电阻大、涡流损失小、成本低。
前面指出，磁化过程包括畴壁移动和磁畴转向两个过程，据研究，如果晶粒小到全部都只包括一个磁畴（单畴），则不可能发生壁移而只有畴转过程，这就可以提高矫顽力。
因此在生产铁氧体的工艺过程中，通过延长球磨时间，使粒子小于单畴的临界尺寸和适当提高烧成温度（但不能太高，否则使晶粒由于重结晶而重新长大），可以比较有效地提高矫顽力。另外，用所谓磁致晶粒取向法，即把已经过高温合成和通过球磨的钡铁氧体粉末，在磁场作用下进行模压，使得晶粒更好地择优取向，形成与外磁场基本一致的结构，可以提高剩磁。这样，虽然使矫顽力稍有降低，但总的最大磁能积(BH)max还有有所增加，从而改善了材料的性能。
7.6.6矩磁材料
有些磁性材料的磁滞回线近似矩形。并且有很好的矩形度。
图7.1表示了比较典型的矩形磁滞回线。可用剩磁比B r/B m来表
征回线的矩形。另外，也可用（或简写为）
来描述回线的矩形度，其中表示静磁场达到H m一半时
的B值。可以看出前者是描述Ⅱ、Ⅳ象限的矩形程度。因为
B r/B m在开关元件中是重要的参数，因此又称为开关矩形比；
在记忆元件中是重要的参数，故也可称为记忆矩形比。
利用+B r和－B r的剩磁状态，可使磁芯作为记忆元件、开关元
件或逻辑元件。如以＋B r代表“1”，-B r代表“0”，就可得到电
子计算机中的二进制逻辑元件。对磁芯输入讯号，从其感应电
流上升到最大值的10％时算起，到感应电流又下降到最大值的图7.1矩形磁滞回线
10％时的时间间隔定义为开关时间t s。它与外磁场H a之间的关
系如下：（H a－H0）t s＝S w。式中，H a≈H c（矫顽力），S w称为开关常数，对常用的矩磁铁氧体材料，S w为2.4×10-5～12×10-5（c/m）。
7.6.2磁泡材料
用单轴各向异性的磁性材料，切成薄片（50微米）或用晶体外延法生长制成薄膜，使易磁化轴垂直于表面，当未加外磁场时，薄片由于自发磁化，产生带状磁畴，当在外磁场的作用下，反向磁畴局部缩成分立的圆柱形磁畴，在显微镜下，它很像气泡，所以称为磁泡，直径约为1～100微米。磁泡存储器就是利用某一区域磁泡的存在与否表示二进制码“1”和“0”的信息，实现信息的存储和处理。这种材料比磁矩铁氧体具有存储器体积小，容量大的优点。经过研究，原则上磁泡材料可获得每平方英寸百万位以上的容量，这对增大计算机容量和缩小体积具有很大的意义。
磁泡材料有：铁氧体ReFeO3，Re是Y，Er，Sm等稀土元素；稀土石榴石型铁氧体，例如Gd2.54Tb0.46Fe5O12、Eu1Er2Ga0.7Fe4.3O12等；新近发展出的Gd-Co，Gd-Fe等非晶态薄膜，具有很高的单轴各向异性性质。
7.6.5磁性玻璃
（1）抗磁性玻璃
不含过渡元素离子和稀土离子的一般普通玻璃，因此表现出抗磁性，且磁化率的绝对值非常小，例如石英玻璃的 =0.5×10-6。抗磁性物质的磁化率与所含离子或原子的数量成正比，各种离子的抗磁性极化率如表7.3。它们符合加和关系，与温度无关。新型玻
表7.3离子的抗磁性磁化率
璃材料中法拉第旋转玻璃就是利用了它的抗磁性。这种玻璃大多数都含有较多的铅或Bi3+,TI+,Sb3+等。
抗磁性体中最为突出的例子是超导体，它表现出完全的抗磁性。金属玻璃中有许多组成表现为超导性，如：Mo89P10B10、Mo64Ru16P20、Nb80Si12B8等。氧化物玻璃与金属玻璃不同，氧化物玻璃本身不呈现超导性，但通过微晶化可制成T c大于100K的Bi(Pb)-Sr-Ca-Cu-O系高温超导体。因此超导微晶玻璃具有较大的抗磁性。
（2）顺磁性玻璃
含过渡金属和稀土离子的氧化物表现为顺磁性。由于玻璃基体具有抗磁性，因此顺磁性离子的浓度超过定值时，才能表现出顺磁性。顺磁体的磁化率为χp
χp= (7.10)
式中，N为每克玻璃含有顺磁性离子数；k为波尔兹曼常数；μ为单位顺磁性离子的磁导率，μ=P effβ（P eff为有效波尔磁子数，是每一个顺磁性离子所含不成对电子数n的函数；β为波尔磁子，为一固定数值）；T为绝对温度。
一般研究较多的是过渡元素铁离子在玻璃中析出铁化合物晶相而表现出的磁性。
可形成顺磁性玻璃的稀土元素有Nd3+，Er3+，Ce3+，Tb3+。含稀土离子的顺磁性玻璃作为新型玻璃受到人们的重视。含Nd3+玻璃已开始在核聚变大功率激光玻璃上应用。除Nd3+以外，涂覆Er3+等其他稀土离子的激光玻璃也正在积极开发。含Ce3+和Tb3+稀土金属离子的顺磁性玻璃已开始应用于法拉第旋转玻璃。
（3）强磁性玻璃
常见的强磁性玻璃是用液体急冷法制作的过渡元素（FeCoNi）-半金属（BCSiP）系金属玻璃。与强磁性金属玻璃相比，氧化物玻璃中有强磁性的例子还不多，目前还未涉及到实用材料。
在玻璃形成体P2O5、Bi2O3、SiO2中添加尖晶石型铁氧体结晶，在1350～1400℃温度下熔融，用双辊超急冷法制作的玻璃呈现强磁性。但这些玻璃室温时的饱和极化率都在
5×10-4以下，与原来的铁氧体的值（如CoFe2O4约为80×10-4）相比小得多。原因是氧化物晶体经玻璃化后，原子的规则排列受到了破坏，饱和磁化率和居里温度急剧下降。
结晶状态下不呈现强磁性的反强磁性氧化物晶体ZnFe2O4和BiFeO3，两者混合熔融后超急冷，却形成了强磁性玻璃，如(Bi2O3)0.3(ZnO)0.2(Fe2O3)0.5玻璃。另外还出现了不含铁的强磁性玻璃，如0.5(La1-x Sr x MnO3)·0.5B2O3，La1-x Sr x MnO3等。
1. 列出确定下列各项的主要因素
(a) 布洛赫畴壁（180?）能的大小
(b) 畴壁的尺寸
(c) 亚铁磁性材料的居里温度
(d) 铁电材料的居里温度
(e) 磁滞回线上最大磁能积B·H，Br、矫顽力。
2. 磁重晶石（常称为钡铁氧体）是一种硬磁材料，具有六角结构和很高的磁各向异性，其磁化轴与基面垂直。列出烧结的钡铁氧体，获得高磁能积(B×H)的两种不同方法。并阐明
有关过程中应控制哪些因素。
3. 当正型尖晶石CdFe2O4掺入反型尖晶石如磁铁矿Fe3O4时，Cd离子仍保持正型分布。试计算下列组成的磁矩：CdxFe3-xO4，(x=0,x=0.1,x=0.5)。
4. 试述气孔和晶粒尺寸对MgFe2O4这类软磁铁氧体性能的影响，并与BaFe12O19这类硬磁铁氧体作比较。晶粒尺寸和气孔是在烧结过程形成，硬磁铁氧体与软磁铁氧体相比，生产中哪些因素是重要的参数？
5. 试述下列反型尖晶石结构的单位体积饱和磁矩，以玻尔磁子数表示：
MgFe2O4 CoFe2O4 Zn0.2Mn0.8Fe2O4 LiFe5O8 γ-Fe2O3
如各组成物在1200℃淬火急冷，对μB有什么影响？
6. 磁畴的研究对理解磁性有兴趣的人们是极其有益的。
(a) 即使在运动中也可观察到的布洛赫畴壁的本质是什么？
(b) 杂质，特别是气孔是如何改变布洛赫壁运动？
7. 已知测得Li0.5Fe2.5O4铁氧体的磁矩为每个化学式单元2.6玻尔磁子数。如何从有关离子的已知净自旋磁矩证明这一结果的正确性？在晶体晶格中，Li+Fe+3各占什么位置？9. 铁磁性和亚铁磁性特性只在含过渡族和稀土类离子的化合物中才能观察到。关于导致这种类型磁特性的离子结构唯一性是什么？为什么这些离子的化合物中只有某些是铁磁性或亚铁磁性的？而其他一些却不是？
10. MnF2晶体是反铁磁性，居里点为92K，在150K时，每摩尔磁化率为1.8×10-2。
如温度下降至150K以下，磁化率将怎样变化？
磁化率达最大值是什么温度？
磁化率达最小值是什么温度？
11.镁铁氧体的组成为(Mg0.8Fe3+0.2)(Mg0.1Fe3+0.9) 2O4晶格常数为8.40?。Fe3+离子的磁矩为5个玻尔磁子。试计算这种材料具有的饱和磁化强度。
12. 如将上述铁氧体用作固体器件，要有高起始磁导率和低矫顽力。在制造材料时，应以怎样的显微结构特征为目标？
第三章 材料的磁学性能
一，一，基本概念 1. 1.磁畴：在未加磁场时铁磁金属内部已经磁化到饱和状态的小区域。 2. 2.磁导率：磁导率是磁性材料最重要的物理量之一，表示磁性材料传导和 通过磁力线的能力，用μ表示，其中μ＝Ｂ／Ｈ．单位为亨利／米（Ｈ·m-1）． 3. 3.自发磁化：在未加磁场时铁磁金属内部的自旋磁矩已经自发地排向了同 一方向的现象． 4. 4.磁滞损失：磁滞回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗。 5. 5.磁晶各向异性： 6. 6.退磁场：非闭合回路磁体磁化后，磁体内部产生一个与磁化方向相反的磁场。 第三章材料的磁学性能 随着近代科学技术的发展，金属和合金磁性材料，由于它的电阻率低、损耗大，已不能满足应用的需要，尤其是高频范围。 磁性无机材料除了有高电阻、低损耗的优点以外，还具有各种不同的磁学性能，因此它们在无线电电子学、自动控制、电子计算机、信息存储、激光调制等方面，都有广泛的应用。磁性无机材料一般是含铁及其它元素的复合氧化物，通常称为铁氧体（ferrite）。它的电阻率为10～106Ω·m，属于半导体范畴。目前，铁氧体已发展成为一门独立的学科。 本章介绍磁性材料的一般磁性能，着重讨论铁氧体材料的性能与应用。 7.1磁矩和磁化强度 7.1.1磁矩 （1）定义 在磁场的作用下，物质中形成了成对的N、S磁极，称这种现象为磁化。与讨论电场时的电荷相对应，引入磁量的概念，并把磁量叫做磁极强度或磁荷。将一对等量异号的磁极相距很小的距离，把这样的体系叫做磁偶极子。 在外磁场的影响下，磁偶极子沿磁场方向排列。为达到与磁场平行，该磁矩在力矩 T=Lq m Hsin (7.1) 的作用下，发生旋转。式中的系数Lq m定义为磁矩M(Wb·m)。 磁矩这一物理量是磁相互作用的基本条件，是物质中所有磁现象的根源。磁矩的概念可用于说明原子、分子等微观世界产生磁性的原因。 （2）原子磁矩 物质是原子核和电子的集合体，要理解物质的磁性起源，就要考虑原子具有的磁矩。现在我们可以从以下三方面来分析原子中的磁矩。 ①电子轨道运动产生的磁矩 ②电子自旋产生的磁矩 ③原子核的磁矩 7.1.2磁化强度 磁化强度的物理意义是单位体积中的磁矩总和。设体积元△V内磁矩的矢量和为∑M，则磁化强度M为 (7.2) 式中M i的单位为Wb·m，V的单位为m3，因而磁化强度M的单位为Wb·m2，即与磁场强度H的单位一致。
磁性材料的基本特性
一.磁性材料的基本特性 1.磁性材料的磁化曲线 磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场H作用下，必有相应的磁化强度M或磁感应强度B，它们随磁场强度H的变化曲线称为磁化曲线(M～H或B～H曲线)。磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁滞现象。即当磁场强度H足够大时，磁化强度M达到一个确定的饱和值Ms，继续增大H，Ms保持不变；以及当材料的M值达到饱和后，外磁场H降低为零时，M并不恢复为零，而是沿MsMr曲线变化。 材料的工作状态相当于M～H曲线或B～H曲线上的某一点，该点常称为工作点。 2.软磁材料的常用磁性能参数 ?饱和磁感应强度Bs: 其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列； ?剩余磁感应强度Br: 是磁滞回线上的特征参数,H回到0时的B值. 矩形比: Br/Bs； ?矫顽力Hc: 是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）； ?磁导率m:是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关； ?初始磁导率mi、最大磁导率mm、微分磁导率md、振幅磁导率ma、有效磁导率me、脉冲磁导率mp； ?居里温度Tc: 铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降,达到某一温度时,自发磁化消失,转变为顺磁性, 该临界温度为居里温度. 它确定了磁性器件工作的上限温度； ?损耗P: 磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe P=Ph+Pe=af+bf2+cPeμf2t2/,r 降低磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe的方法是减薄磁性材料的厚度t及提高材料的电阻率r； ?在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为:总功率耗散（亳瓦特）/表面积（平方厘米） 3.软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换 ?设计软磁器件通常包括三个步骤:正确选用磁性材料；
磁性材料特性
磁性材料 一.磁性材料的基本特性 1. 磁性材料的磁化曲线 磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场H 作用下，必有相应的磁化强度M 或磁感应强度B，它们随磁场强度H 的变化曲线称为磁化曲线（M～H或B～H 曲线）。磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁滞现象。即当磁场强度H足够大时，磁化强度M达到一个确定的饱和值Ms，继续增大H，Ms保持不变；以及当材料的M值达到饱和后，外磁场H降低为零时，M并不恢复为零，而是沿MsMr曲线变化。材料的工作状态相当于M～H曲线或B～H曲线上的某一点，该点常称为工作点。 2. 软磁材料的常用磁性能参数 饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。 剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。 矩形比：Br∕Bs 矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。
磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。 初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。 居里温度T c：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。 损耗P：磁滞损耗P h及涡流损耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe f2 t2 / ∝，ρ降低， 磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为： 总功率耗散（mW）/表面积（cm2） 3. 软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换 在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压～电流特性。器件的电压～电流特性与磁芯的几何形状及磁化状态密切相关。设计者必须熟悉材料的磁化过程并拿握材料的磁性参数与器件电气参数的转换关系。设计软磁器件通常包括三个步骤：正确选用磁性材料；合理确定磁芯的几何形状及尺寸；根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数。 二、软磁材料的发展及种类 1.软磁材料的发展 软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。随着电力工及电讯技术的兴起，开始使用低碳
材料力学性能考试答案
《工程材料力学性能》课后答案 机械工业出版社 2008第2版 第一章 单向静拉伸力学性能 1、 试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？ 2、 决定金属屈服强度的因素有哪些？【P12】 答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。 外在因素：温度、应变速率和应力状态。 3、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？【P21】 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。 4、 剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？【P23】 答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。 5、 何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？ 答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。 6、 论述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推导格雷菲斯方程，并指出该理论的局限性。 【P32】 答： 212?? ? ??=a E s c πγσ，只适用于脆性固体,也就是只适用于那些裂纹尖端塑性变形可以忽略的情况。 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词： （1）应力状态软性系数—— 材料或工件所承受的最大切应力τmax 和最大正应力σmax 比值，即： () 32131max max 5.02σσσσσστα+--== 【新书P39 旧书P46】 （2）缺口效应—— 绝大多数机件的横截面都不是均匀而无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等，这种截面变化的部分可视为“缺口”，由于缺口的存在，在载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的缺口效应。【P44 P53】 （3）缺口敏感度——缺口试样的抗拉强度σbn 的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb 的比值，称为缺口敏感度，即： 【P47 P55 】 （4）布氏硬度——用钢球或硬质合金球作为压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。【P49 P58】 （5）洛氏硬度——采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度所表示的硬度【P51 P60】。 （6）维氏硬度——以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头，采用单位面积所承
磁性材料的基本特性
磁性材料的基本特性 1. 磁性材料的磁化曲线 磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场H 作用下，必有相应的磁化强度M 或磁感应强度B，它们随磁场强度H 的变化曲线称为磁化曲线（M～H或B～H曲线）。磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁滞现象。即当磁场强度H 足够大时，磁化强度M达到一个确定的饱和值Ms，继续增大H，Ms保持不变；以及当材料的M值达到饱和后，外磁场H降低为零时，M并不恢复为零，而是沿MsMr曲线变化。材料的工作状态相当于M～H曲线或B～H曲线上的某一点，该点常称为工作点。 2. 软磁材料的常用磁性能参数 饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。 剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。 矩形比：Br∕Bs 矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。 磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。 初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。 居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。 损耗P：磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ，ρ降低，磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为： 总功率耗散（mW）/表面积（cm2） 3. 软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换 在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压～电流特性。器件的电压～电流特性与磁芯的几何形状及磁化状态密切相关。设计者必须熟悉材料的磁化过程并拿握材料的磁性参数与器件电气参数的转换关系。设计软磁器件通常包括三个步骤：正确选用磁性材料；合理确定磁芯的几何形状及尺寸；根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数。 磁性材料是一种重要的电子材料。早期的磁性材料主要采用金属及合金系统，随着生产的发展，在电力工业、电讯工程及高频无线电技术等方面，迫切要求提供一种具有很高电阻率的高效能磁性材料。在重新研究磁铁矿及其他具有磁性的氧化物的基础上，研制出了一种新型磁性材料——铁氧体。铁氧体属于氧化物系统的磁性材料，是以氧化铁和其他铁族元素或稀土元素氧化物为主要成分的复合氧化物，可用于制造能量转换、传输和信息存储的各种功能器件。
材料力学性能课后习题答案
材料力学性能课后答案(整理版) 1、解释下列名词。 1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。 2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。 3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，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。 5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。 韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶。 8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志。 9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。 10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。 沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。 11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变 12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等决定金属屈服强度的因素有哪些？ 答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。外在因素：温度、应变速率和应力状态。 2、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？ 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。 3、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？ 答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。 4、何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？ 答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。5、论述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推导格雷菲斯方程，并指出该理论 的局限性。
材料力学性能 课后答案
第一章 1.解释下列名词①滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。②弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。③循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。④包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，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。⑤塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。⑥韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力 ⑦加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时 ,由于晶粒发生滑移 , 出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现象。⑧解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。 2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量）；（2）ζ p（规定非比例伸长应力）、ζ e（弹性极限）、ζ s（屈服强度）、ζ（屈服强度）；（3）ζ b（抗拉强度）；（4）n（加工硬化指数）; （5）δ （断后伸长率）、ψ （断面收缩率） 4.常用的标准试样有 5 倍和10倍，其延伸率分别用δ 5 和δ 10 表示，说明为什么δ 5>δ 10。答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。 5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的弹性比功不足引起的故障，可以通过热处理或合金化提高材料的弹性极限（或屈服极限），或者更换屈服强度更高的材料。 6.今有 45、40Cr、35CrMo 钢和灰铸铁几种材料，应选择哪种材料作为机床机身？为什么？答：应选择灰铸铁。因为灰铸铁循环韧性大，也是很好的消振
《工程材料力学性能》各章习题
《工程材料力学性能》各章习题
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作业习题＞＞第一章材料单向静拉伸载荷下的力学性能 一、解释下列名词 滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。 弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。 比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。 二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能? 答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。 三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义? 答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。 包辛格效应可以用位错理论解释。第一，在原先加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，这背应力反作用于位错源，当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时，可使位错源停止开动。背应力是一种长程(晶粒或位错胞尺寸范围)内应力，是金属基体平均内应力的度量。因为预变形时位错运动的方向和背应力的方向相反，而当反向加载时位错运动的方向与原来的方向相反了，和背应力方向一致，背应力帮助位错运动，塑性变形容易了，于是，经过预变形再反向加载，其屈服强度就降低了。这一般被认为是产生包辛格效应的主要原因。其次，在反向加载时，在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号，要引起异号位错消毁，这也会引起材料的软化，屈服强度的降低。 实际意义：在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。其次，包辛格效应大的材料，内应力较大。另外包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系，在高周疲劳中，包辛格效应小的疲劳寿命高，而包辛格效应大的，由于疲劳软化也较严重，对高周疲劳寿命不利。 作业习题＞＞第二章金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词： （1）应力状态软性系数——材料最大且盈利与最大正赢利的比值，记为α。 （2）缺口效应——缺口材料在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生的变化。 （3）缺口敏感度——金属材料的缺口敏感性指标，用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值表示。 （4）布氏硬度——用钢球或硬质合金球作为压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。 （5）洛氏硬度——采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度所表示的硬度。 （6）维氏硬度——以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。 （7）努氏硬度——采用两个对面角不等的四棱锥金刚石压头，由试验力除以压痕投影面积得到的硬度。
材料力学性能 (1)
工程材料力学性能复习重点 选择：20 填空:20 名词解释：10 简答计算：50 一．选择题（10道从下面抽，10道英语出题） 1.材料力学性能研究的问题不涉及（物理问题）。 2.工程材料在使用过程中（弹性变形）是不可避免的。 3.工程构件生产过程（提高）塑性，（降低）强度。 4.工程构件使用过程（降低）塑性，（提高）强度。 5.断裂力学解决（含缺陷材料）抗断裂方面的问题。 6.拉伸试样直径一定，标距越长则测出的抗拉强度值（越低）。 7.拉伸试样直径一定，标距越长则测出的延伸率（越低） 8.拉伸试样直径一定，标距越长则测出的断面收缩率（不变）。 9.拉伸试样的标距长度I 0应满足关系式（I 0=5.650A 或I 0=10d 0）。 10.均匀变形阶段，金属的伸长率与截面收缩率通常满足关系式（δ=ψ/(1-ψ)）。 11.长材料甲δ10=18%，短材料乙δ5=18%，则两种材料的塑性（甲>乙）。 12.表征脆性材料的力学性能的参量是（E ）、（σb ）。 13.在设计时用来确定构件截面大小的机械性能指标(σb ,σ0.2) 14.10mm 直径淬火钢球，加压3000kg ，保持30s ，测得布氏硬度为150的正确表达方式为（150HBS10/3000/30）。 15.（韧窝断口）是非脆性断裂。 16.裂纹体变形的最危险形式是（张开型）。 17.表示的是（持久强度）。 18.晶粒度越小，耐热性（越差）。 19.真空应力应变曲线在拉伸时位于工程应力应变曲线的（左上方）。 20.若材料的断面收缩率小于延伸率，则属于（低塑性）材料 21.材料的弹性常数是（E ）、（G ）、（ν）。 22.影响弹性模量最基本的原因是（点阵间距）。 23.加载速率不影响材料的（弹性）。 24.机床底座用铸铁制造的主要原因是价格（低），内耗（高），模量（大）。 25.多晶体金属塑性变形的特点是（不同时性，不均匀性，相互协调性）。 26.细晶强化不适用于（高温） 27.位错增殖理论可用于解释（屈服现象）和（形变强化）。 28.应力状态软性系数最大的是（压）。 29.工程测硬度最常用（压入法）。 30.同种材料的（布氏硬度）和（维氏硬度）可以相互参比。 26.与抗拉强度之间存在相互关系的是（布氏硬度）。 27.材料失效最危险的形式是（断裂）。 28.解理断裂是（穿晶断裂）。 29.（韧窝断口）是韧性断裂。<同13> 30.双原子模型计算出的材料理论断裂强度比实际值高出一个数量级，是因为（实际材料有缺陷）。 31.韧性材料在（增大加载速度）的条件下可能变成脆性材料。 32.在实验中不同材料的（冲击）性能指标可比性差。 a 200σ600103MP
材料的磁学性能
材料的磁学性能 （一） 磁性材料包含 金属基材料 无机材料(含铁及其他元素的复合氧化物，通常称为铁氧体) 纳米材料（纳米材料的磁性有其特殊性） 磁性材料的分类 软磁材料 硬磁材料 基本磁学概念 物质的磁性来源：电子的运动以及原子、电子内部的永久磁矩。 磁矩 “磁”来源于“电”。 任何一个封闭的电流都具有磁矩μm 。 磁矩定义为 式中： μ m 为载流线圈的磁矩，n 为线圈平面的法线方向上的单位矢量，S 为线圈的面积，I 为线圈通过的电流。单位为A ·m2 ISn m =μ 磁偶极子产生的偶极矩为jm ， ml j m = 单位为Wb ·m 在均匀磁场中,磁矩受到磁场作用的力矩JF B J m F ?=μ
JF 为矢量积,B 为磁感应强度,其单位为Wb/m2 ,Wb (韦伯)是磁通量的单位。 磁矩在磁场中所受的力 ,对于一维为： dx dB m μ＝X F 磁矩的意义 表征磁偶极子磁性强弱和方向的一个物理量。 磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。 磁矩愈大,磁性愈强,即物体在磁场中所受的力也大。 磁矩只与物体本身有关,与外磁场无关。 和磁偶极矩具有相同的物理意义，但μm 和jm 各有自己的单位和数值，有如下关系 m m j μμ0= 磁场强度 磁场强度H 如果磁场是由长度为l ，电流为I 的圆柱状线圈（N 匝）产生的，则 H 的单位为A/m
l NI H 磁感应强度 磁感应强度B 表示材料在外磁场H 的作用下在材料内部的磁通量密度。 B 的单位: T 或 Wb/m2 在许多场合，确定磁场效应的量是磁感应强度B ，而不是磁场强度H 磁场强度和磁感应强度的关系为 式中的 内部的磁通量密度，只和介质有关，表征磁体的磁性、导磁性及磁化难易程度。 的单位为H/m 。
材料力学性能-第2版课后习题答案
第一章 单向静拉伸力学性能 1、 解释下列名词。 2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。 3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。 4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，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。 11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变 2、 说明下列力学性能指标的意义。 答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 【P15】 3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？ 答：主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。【P4】 4、 现有4 5、40Cr 、35 CrMo 钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作为机床起身，为什么？ 选灰铸铁，因为其含碳量搞，有良好的吸震减震作用，并且机床床身一般结构简单，对精度要求不高，使用灰铸铁可降低成本，提高生产效率。 5、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？【P21】 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。 6、 何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？ 答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。 7、 板材宏观脆性断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？ 断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状，板状矩形拉伸试样断口中的人字纹花样的放射方向也 与裂纹扩展方向平行，其尖端指向裂纹源。 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词： （1）应力状态软性系数—— 材料或工件所承受的最大切应力τmax 和最大正应力σmax 比值，即： () 32131max max 5.02σσσσσστα+--== 【新书P39 旧书P46】 （3）缺口敏感度——缺口试样的抗拉强度σ bn 的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σ b 的比值，称为缺口敏感度，即： 【P47 P55 】 （三、试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围。 试验方法 特点 应用范围 拉伸 温度、应力状态和加载速率确定，采用光滑圆柱试样，试验简单，应力状态软性系数较硬。 塑性变形抗力和切断强度较低的塑性材料。
材料力学性能课后习题答案
1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。 3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。 4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，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。 5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。 韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶。 8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志。 9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。 10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。 沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。 11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变 12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？ 答：主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。 1、试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？ 2、决定金属屈服强度的因素有哪些？ 答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。 外在因素：温度、应变速率和应力状态。 3、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？ 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。 4、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？ 答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。 5、何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？ 答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。 。 第三章金属在冲击载荷下的力学性能 冲击韧性:材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 A除以冲击试样缺口底部截面积所得之商，称为冲击韧度，αku=Aku/S 冲击韧度: :U形缺口冲击吸收功KU a表示。P57注释/P67 （J/cm2）, 反应了材料抵抗冲击载荷的能力,用KU
材料力学性能考试答案
σ c = ? 2E γ s ? 2 ?π a ? 《工程材料力学性能》课后答案 机械工业出版社 2008 第 2 版 第一章 单向静拉伸力学性能 1、 试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？ 2、 决定金属屈服强度的因素有哪些？【P12】 答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。 外在因素：温度、应变速率和应力状态。 3、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？【P21】 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓 慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂， 断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。 4、 剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？【P23】 答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂， 而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断 裂通常是脆性断裂。 5、 何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？ 答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特 征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料 的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。 6、 论述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推导格雷菲斯方程，并指出该理论的局限性。 【P32】 答： 1 ? ，只适用于脆性固体,也就是只适用于那些裂纹尖端塑性变形可 以忽略的情况。 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词： （1）应力状态软性系数—— 材料或工件所承受的最大切应力 τmax 和最大正应力 σmax 比值，即： α = τ max σ max = σ 1 - σ 3 2σ 1 - 0.5(σ 2 + σ 3 ) 【新书 P39 旧书 P46】 （2）缺口效应—— 绝大多数机件的横截面都不是均匀而无变化的光滑体，往往存在截面 的急剧变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等，这种截面变化的部分可视为 “缺口”，由于缺口的存在，在载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的 缺口效应。【P44 P53】 （3）缺口敏感度——缺口试样的抗拉强度 σbn 的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度 σb 的 比值，称为缺口敏感度，即： 【P47 P55 】 （4）布氏硬度——用钢球或硬质合金球作为压头，采用单位面积所承受的试验力计算而 得的硬度。【P49 P58】 （5）洛氏硬度——采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度所表示的硬 度【P51 P60】。 （6）维氏硬度——以两相对面夹角为 136。的金刚石四棱锥作压头，采用单位面积所承
材料力学性能课后作业
材料力学性能课后作业 主编时海芳任鑫副主编胡全文高志玉北京大学出版社 第一章 1.解释下列名词①滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。 ②弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。③循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。④包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，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。⑤塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。⑥韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。⑦加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时,由于晶粒发生滑移,出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现象。⑧解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。 2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量）；（2）ζp（规定非比例伸长应力）、ζe（弹性极限）、ζs（屈服强度）、ζ0.2（屈服强度）；（3）ζb（抗拉强度）；（4）n（加工硬化指数）;（5）δ（断后伸长率）、ψ（断面收缩率） 4.常用的标准试样有5倍和10倍，其延伸率分别用δ5和δ10表示，说明为什么δ5>δ10。答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。 5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的弹性比功不足引起的故障，可以通过热处理或合金化提高材料的弹性极限（或屈服极限），或者更换屈服强度更高的材料。 6.今有45、40Cr、35CrMo钢和灰铸铁几种材料，应选择哪种材料作为机床机身？为什么？答：应选择灰铸铁。因为灰铸铁循环韧性大，也是很好的消振材料，所以常用它做机床和动力机器的底座、支架，以达到机器稳定运转的目的。刚性好不容易变形加工工艺朱造型好易成型抗压性好耐磨损好成本低 7.什么是包申格效应？如何解释？它有什么实际意义？答：（1）金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，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，称为包申格效应。（2）理论解释：首先，在原先加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，背应力反作用于位错源，当背应力足够大时，可使位错源停止开动。预变形时位错运动的方向和背应力方向相反，而当反向加载时位错运动方向和背应力方向一致，背应力帮助位错运动，塑性变形容易了，于是，经过预变形再反向加载，其屈服强度就降低了。（3）实际意义：在工程应用上，首先，材料加工成型工艺需要考虑包申格效应。例如，大型精油输气管道管线的UOE制造工艺：U阶段是将原始板材冲压弯曲成U形，O阶段是将U形板材径向压缩成O形，再进行周边焊接，最后将管子内径进行扩展，达到给定大小，即E阶段。按UOE工艺制造的管子，希望材料具有非常小的或者几乎没有包申格效应，以免管子成型后强度的损失。其次，包申格效应大的材料，内应力大。例如，铁素体+马氏体的双相钢对氢脆就比较敏感，而普通低碳钢或低合金高强度钢对氢脆不敏感，这是因为双相钢中铁素体周围有高密度位错和内应力，氢原子与长程内
《材料力学性能》复习提纲-陈艳
《材料力学性能》复习提纲 第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 1.拉伸变形过程； 可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形和断裂几个阶段。 2.弹性不完整性（滞弹性，包申格效应），循环韧性； 弹性不完整性：金属的弹性变形与载荷方向和加载时间有关而表现出的非弹性性质。 金属在弹性变形中存在滞弹性(弹性后效)和包申格效应等弹性不完整现象。 一、滞弹性(弹性后效) 定义：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变，即应变落后于应力的现象。 二包申格效应 定义：材料经预先加载并产生少量塑性变形(残余应变为1%~4%)，卸载后，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，称为包申格效应。 循环韧性：金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力，叫做循环韧性，也称为内耗3.塑性变形方式，滑移，均匀屈服产生机制，影响屈服强度的因素； 一·塑性变形的主要方式：滑移，孪生 滑移：指的是金属在切应力作用下沿一定晶面(滑移面)和一定晶向(滑移方向)进行的切变过程。二·均匀屈服 1、均匀屈服曲线的特点 有上、下屈服点，没有屈服平台。 2、均匀屈服的机制 低密度可动位错理论，柯氏气团钉扎理论，位错塞积群理论 三·影响屈服强度的因素—阻碍位错运动 1、影响屈服强度的内因 (1) 基体金属的本性及晶格类型(P12) 塑性变形主要沿基体相进行。 (2) 溶质原子 固溶强化：在纯金属中加入溶质原子形成固溶体合金，将显著提高屈服强度，称为固溶强化。(3) 晶粒大小和亚结构 晶界(亚晶界)是位错运动的障碍。 细晶强化：用细化晶粒提高金属屈服强度(同时可以提高其塑性)的方法称为细晶强化。 (4) 第二相 位错切过或绕过 沉淀强化(时效强化)：依靠过饱和固溶体的脱溶产生的强化。 弥散强化：用粉末冶金的方法人为地加入第二相所造成的强化。
材料力学性能第三章
第三章 材料的硬度 硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。硬度值的大小不仅取决于材料的成份和显微组织，而且取决于测量方法和条件。测定硬度的方法很多，主要有压入法、回跳法和刻划法三大类。用不同的方法测定的硬度具有不同的意义，例如压入法硬度值表征金属塑性变形抗力及应变硬化能力；回跳法硬度值主要表征金属弹性变形功的大小；划痕法硬度值主要表征金属切断强度。目前还没有统一而确切的关于硬度的物理学定义。一般指金属表面抵抗局部压入变形或刻划破裂的能力。 硬度试验一般仅在金属表面局部产生很小的痕迹，因而很多机件表面可在成品上试验而无需专门加工试样；因其设备简单，操作方便、迅速，同时又能敏感地反映出金属材料的化学成份和组织结构的差异，因而广泛用于检查金属材料的性能、热加工工艺的质量或研究金属组织结构的变化，也用于检查金属表面层的质量（如脱碳）、表面淬火和化学热处理后的表面性能等。 在机械制造行业中，主要采用压入法（其中又包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度多种，本章将做重点介绍。 压入硬度试验方法的应力状态软性系数α>2.0，几乎所有的金属材料在这种应力状态下都能产生塑性变形。 这种试验方法不仅可以测定塑性金属材料的硬度，也可测定淬火钢、硬质合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。 §3.1 布氏硬度 一、测试原理和方法 1. 试验原理 用一定的压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样 单位压痕表面积（A ）P P HB A Dh π===
原标准压球可用硬质合金球（标为HBW ），也可用淬火钢球（标为HBS ），现标准规定只用硬质合金球，统一为HBW ，同时载荷P 单位统一为牛顿（N ），则： 0.102P HBW A == 2. 试验规范 材料不同、厚度不同，则测时需要选用不同直径的压头和压力，为了具有不同试验条件下的试验结果具有可比性，则要求同一材料，不同压力、不同压头直径的压痕具有几何相似性： sin 2d D ? = HBW = 则要求： 1 222212P P P C D D D ==……＝＝ 同时要求d 控制在（0.24～0.6）D 之间，以保证得到
材料力学性能
第一章 包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限（ζP）或屈服强度（ζS）增加；反向加载时弹性极限（ζP）或屈服强度（ζS）降低的现象。 解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。 解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。 韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。 可以从河流花样的反“河流”方向去寻找裂纹源。 解理断裂是典型的脆性断裂的代表，微孔聚集断裂是典型的塑性断裂。
5.影响屈服强度的因素 与以下三个方面相联系的因素都会影响到屈服强度 位错增值和运动 晶粒、晶界、第二相等 外界影响位错运动的因素 主要从内因和外因两个方面考虑 （一）影响屈服强度的内因素 1．金属本性和晶格类型（结合键、晶体结构） 单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力，其值与位错运动所受到的阻力（晶格阻力－－派拉力、位错运动交互作用产生的阻力）决定。 派拉力： 位错交互作用力 （a是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数，L是位错间距。）
2．晶粒大小和亚结构 晶粒小→晶界多（阻碍位错运动）→位错塞积→提供应力→位错开动→产生宏观塑性变形。 晶粒减小将增加位错运动阻碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度降低（细晶强化）。 屈服强度与晶粒大小的关系： 霍尔－派奇（Hall-Petch) ζs= ζi+kyd-1/2 3．溶质元素 加入溶质原子→（间隙或置换型）固溶体→（溶质原子与溶剂原子半径不一样）产生晶格畸变→产生畸变应力场→与位错应力场交互运动→使位错受阻→提高屈服强度（固溶强化）。4．第二相（弥散强化，沉淀强化） 不可变形第二相 提高位错线张力→绕过第二相→留下位错环→两质点间距变小→流变应力增大。 不可变形第二相 位错切过（产生界面能），使之与机体一起产生变形，提高了屈服强度。 弥散强化： 第二相质点弥散分布在基体中起到的强化作用。 沉淀强化：