第一章工程材料的结构与性能

工程材料及成形技术基础

绪论

材料与成形技术的经济地位

材料的发展史

材料的分类

本课程在人才培养中的地位和作用 本课程的内容和要求

材料的分类

按化学成分分类

金属（黑色金属、有色金属）

非金属无机非金属（传统硅酸盐（水泥、玻璃、陶瓷、耐火材

料）

现代陶瓷（氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、

碳化物陶瓷、硼化物陶瓷）有机非金属（塑料、橡胶、纤维、胶沾剂）

按用途分类

结构材料（利用其力学性能）

功能材料（利用光学、电学、声学、磁学、化学、物理、生物化学等特性完成特定功能）

按状态分类

单晶体、多晶体、非晶体

绪论

本课程在人才培养中的地位和作用 本课程的内容和要求

第一章工程材料的结构与性能1.1材料原子的相互作用

1.2晶体材料的原子排列

1.3非晶态材料中的原子排列

1.4合金的晶体结构

1.5高聚物的结构

1.6陶瓷的结构

1.7工程材料的性能

本章小结

1.1材料原子的相互作用

离子键共价键金属键分子键

原子结合键类型

1.2晶体材料的原子排列

1.2.1理想晶体结构

1).晶格

2).常见的金属晶体结构

3).晶面和晶向的表示方法1.2.2实际晶体结构

1).单晶体与多晶体

2).晶体缺陷

理想晶体结构

1.2.1

晶体、非晶体

晶格、点阵、晶胞、晶面、晶向

常见的晶格类型

根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角，晶体学将所有晶体分为7个晶系，14种空间点阵。称作布喇菲空间点阵

常见的三种金属晶格类型有：

体心立方晶格。

面心立方晶格。

密排六方晶格。

(1)体心立方晶格结构

(2)面心立方晶格结构41

42 (3)密排六方晶格结构。

3).晶面和晶向的表示方法

晶面和晶向的表示方法分别采用晶面指数

(hkl)和晶向指数[uvw]形式（以立方晶系为例）。

晶向指数[uvw] 的确定方法是：以晶胞的某一阵点为原点，三个基矢

为坐标轴，并以点阵基矢的长度作为三个

坐标的单位长度；

过原点作一直线OP ，使其平行于待标志的晶向AB,这一直线必定会通过某些

阵点；

在直线OP 上选取距原点O 最近的一个阵点P ，确定P 点

的坐标值；

将此值乘以最小公倍数化为最小整数u 、v 、w,加上方括

号，[uvw]即为AB 的晶向指数。晶面X Y Z

-Z

Y X Z -Y X (326)?在点阵中设置参考坐标系，方法与确定晶

向指数时相同，但不能将坐标原点选在待

确定指数的晶面上；

?以点阵基矢的长度为单位，量出待定晶面

在各坐标轴上的截距；?取三个截距的倒数，并以最小

公倍数乘这三个倒数，得到三个

最小的整数h 、k 、l;

?将求得的h 、k 、l 用圆括号括起来，（hkl)即为该晶面的晶面

指数。晶面指数的确定方法

单晶体的各向异性

单晶体中不同晶面和晶向上的原子排列方式和密度不同，因而，在不同的晶面和晶向上的各种性能也不同，这种现象称为各向异性。

1.2.2实际晶体结构

1.多晶体与亚结构

实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个

小晶体内部晶格位向一致，而各小晶体之间晶格位向不同。小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界上原子排列是不规则的。这种由多晶粒构成的晶体结构称为“多晶体”，多晶体呈现各向同性。

单晶体多晶体晶粒晶界

2).晶体缺陷种类

点缺陷

线缺陷

《材料结构与性能》习题

《材料结构与性能》习题 第一章 1、一25cm长的圆杆，直径2.5mm，承受的轴向拉力4500N。如直径拉细成2.4mm，问： 1)设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； 2)在此拉力下的真应力和真应变； 3)在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 2、举一晶系，存在S14。 3、求图1.27所示一均一材料试样上的A点处的应力场和应变场。 4、一瓷含体积百分比为95%的Al2O3（E=380GPa）和5%的玻璃相（E=84GPa），计算上限及下限弹性模量。如该瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 5、画两个曲线图，分别表示出应力弛豫与时间的关系和应变弛豫和时间的关系。并注出：t=0,t=∞以及t=τε（或τσ）时的纵坐标。

6、一Al2O3晶体圆柱（图1.28），直径3mm，受轴向拉力F ，如临界抗剪强度τc=130MPa，求沿图中所示之一固定滑移系统时，所需之必要的拉力值。同时计算在滑移面上的法向应力。 第二章 1、求融熔石英的结合强度，设估计的表面能为1.75J/m2；Si-O的平衡原子间距为1.6×10-8cm；弹性模量值从60到75GPa。 2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ=1.56J/m2；理论强度。如材料中存在最大长度为的裂，且此裂垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度折减系数。 3、证明材料断裂韧性的单边切口、三点弯曲梁法的计算公式：

与 是一回事。 4、一瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图2.41所示。如果E=380GPa，μ=0.24，求KⅠc值，设极限载荷达50㎏。计算此材料的断裂表面能。 5、一钢板受有长向拉应力350 MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的中心穿透缺陷，长8mm（=2c）。此钢材的屈服强度为1400MPa，计算塑性区尺寸r0及其与裂缝半长c的比值。讨论用此试件来求KⅠc值的可能性。 6、一瓷零件上有以垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为：①2mm；② 0.049mm；③2μm，分别求上述三种情况下的临界应力。设此材料的断裂韧性为 1.62 MPa·m2。讨论诸结果。

材料结构与性能试题及详细答案

一、名词解释（分） 原子半径，电负性，相变增韧、气团 原子半径：按照量子力学地观点，电子在核外运动没有固定地轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定地半径.根据原子间作用力地不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径.通常把统和双原子分子中相邻两原子地核间距地一半，即共价键键长地一半，称作该原子地共价半径（）；金属单质晶体中相邻原子核间距地一半称为金属半径（）；范德瓦尔斯半径（）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引地两相邻原子核间距地一半，如稀有气体.资料个人收集整理，勿做商业用途 电负性：等人精确理论定义电负性为化学势地负值，是体系外势场不变地条件下电子地总能量对总电子数地变化率.资料个人收集整理，勿做商业用途 相变增韧：相变增韧是由含地陶瓷通过应力诱发四方相（相）向单斜相（相）转变而引起地韧性增加.当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成地较大应力场将会诱发其周围亚稳向稳定转变，这种转变为马氏体转变，将产生近地体积膨胀和地剪切应变，对裂纹周围地基体产生压应力，阻碍裂纹扩展.而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性.资料个人收集整理，勿做商业用途 气团：晶体中地扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用地结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内地溶质原子浓度与在基体中地浓度存在差别.这种不均匀分布地溶质原子具有阻碍位错运动地作用，也成为气团.资料个人收集整理，勿做商业用途 二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用.（分） 答：从交互做作用地性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类.弹性交互作用：位错与溶质原子地交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起地弹性畸变与位错间地弹性交互作用.形成气团，甚至气团对晶体起到强化作用.弹性交互作用地另一种情况是溶质原子核基体地弹性模量不同而产生地交互作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 化学交互作用：基体晶体中地扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用地结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内地溶质原子浓度与在基体中地浓度存在差别，具有阻碍位错运动地作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 静电交互作用：晶体中地位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子地费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分地费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 三、简述点缺陷地特点和种类，与合金地性能有什么关系（分） 答：点缺陷对晶体结构地干扰作用仅波及几个原子间距范围地缺陷.它地尺寸在所有方向上均很小.其中最基本地点缺陷是点阵空位和间隙原子.此外，还有杂质原子、离子晶体中地非化学计量缺陷和半导体材料中地电子缺陷等.资料个人收集整理，勿做商业用途 在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大.另外，点缺陷与合金力学性能之间地关系主要表现为间隙原子地固溶强化作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 四、简述板条马氏体组织地组织形态、组织构成与强度与韧性地关系.（分） 答：板条马氏体地组织形态主要出现在低碳钢中，由许多成条排列地马氏体板条组成，大致平行地马氏体条组成地领域为板条束.每个晶粒内一般有个板条束，束地尺寸约为μ.一个马氏体板条束又由若干个板条组成，这些板条具有相同地惯习面，位向差很小，而板条束之间

常用双相钢编号及基本的材料属性

Stainless Steel 1. Composition z The microstructure consists of roughly 50% austenite and 50% ferrite. z Generally, the content of the relative phase needs to reach 30%. 2. Basic material characteristics z Twice strength of austenitic and ferritic stainless steels. z Wide range of corrosion resistance to match application. z Good toughness down to minus 80 deg C but not genuine cryogenic applications. z Particular resistance to stress corrosion cracking. z Weld able with care in thick sections. z More difficult to form and machine than austenitic. z Restricted to 300 deg C maximum. 3. Part of the type Type CN US SE DE Duplex Steel Low Alloy 00Cr23Ni4N UNS S32304 SS2327 (SAF2304) W.Nr.1.4362 Middle Alloy 00Cr18Ni5Mo3Si2 UNS S31500 SS2376 (3RE60) W.Nr.14417 00Cr22Ni5Mo3N UNS S31803 SS2377 (SAF2205) W.Nr.14462 High Alloy 00Cr25Ni5Mo2 UNS S32900SS2324 (10RE51) W.Nr.14460 00Cr25Ni7Mo3WCuN UNS S31260W.Nr.14501 Super Duplex Steel Super 00Cr25Ni7Mo4N UNS S32750 SS2328 (SAF2507) W.Nr.14410 00Cr25Ni6Mo3CuN UNS S32550W.Nr.14507 4. Duplex steel Material properties 4.1. 00Cr23Ni4N (UNS S32304/SFA2304) z DESCRIPTION URANUS? 35N (UR 35N) is a 23% Cr, 4% Nickel, Mo free duplex stainless steel (23.04). The alloy UR 35N has similar corrosion resistance properties similar to 316L. Furthermore, its mechanical properties i.e. yield strength, are twice those of 304/316 austenitic grades. This allows the designer to save weight, particularly for properly designed pressure vessel applications. The alloy is particularly suitable for applications covering the -50°C/+300°C (-58°F/572°F) temperature range. Lower temperatures may also be considered, but need some restrictions, particularly for welded structures. With its duplex microstructure, low nickel and high chromium contents, the alloy has improved stress corrosion resistance properties compared to 304 and 316 austenitic grades.

常用工程材料选用

三、常用工程材料及选用 纯金属因价贵，力学性能较低，不能满足现代工业的要求，因此工业上多应用合金。下面对工程中常用的金属材料进行叙述。 一、碳素钢 碳素钢是指Wc≤2.11%，并含少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。碳素钢具有一定的力学性能和良好的工艺性能，且价格低廉，在工业中广泛应用。 碳素钢的分类及牌号 碳素钢的种类很多，常按以下方法分类。 1．按钢的含碳量分类 可分为：低碳钢（0.0218%

二、合金钢 为了改善碳素钢的组织和性能，在碳素钢基础上有目的地加入一种或几种合金元素所形成的铁基合金，称为低合金钢或合金钢。常加入的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼、铝、铌、锆等。通常低合金钢中加入合金元素的种类和数量较合金钢少。不同元素的组合，不同的元素含量，可得到不同的性能。 合金钢的分类 1.按质量等级分 按质量等级，合金钢可分为优质合金钢（如一般工程结构用合金钢、耐磨钢、硅锰弹簧钢等）和特殊质量合金钢（如合金结构钢、轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热钢等）。 2.按合金元素总量分 按合金元素总量将合金钢分为：低合金钢（W Me<5%）、中合金钢（W Me=5%～10%）和高合金钢（W Me >10%） 3. 按合金元素种类分 按合金元素种类将合金钢分为：铬钢、锰钢、硅锰钢、铬镍钢等。 4. 按主要性能和使用特性分 主要分为工程结构用合金钢，机械结构用合金钢，轴承钢，工具钢，不锈、耐蚀和耐热钢，特殊物理性能钢等。 合金钢的编号 我国合金钢编号方法的原则是以钢中碳含量（Wc×100）、合金元素的种类和含量（W Me ×100）来表示。当钢中合金元素的平均含量W Me<1.5%时，钢号中只标出元素符号，不标明合金元素平均含量；当W Me≥1.5%、2.5%、3.5%……时，在该元素后面相应的标出2、3、4……。合金钢的具体编号方法见表1-11：

材料性能期中答案

1、What is the definition for Materials Properties （MP ）?How do we classify materials properties?And please list some classification for MP.(材料特性（MP ）的定义是什么？我们如何分类材料特性，请列出一些MP 的分类。) 答：MP ：Materials ’Response to External Stimulus. 材料性能：材料在给定的外界条件下的行为。 怎样分类：根据材料对外界刺激做出的响应的类型进行分类。 分类：复杂性能（使用性能，工艺性能，复合性能） 化学性能（抗渗入性，耐腐蚀性等） 力学性能（刚度强度韧性等） 物理性能（热学光学磁学电学性能） 2. What is the core relationship between materials science and engineering? In order to obtain desired materials properties, what should we consider first to do with the materials? （材料科学与工程的核心是什么关系？为了获得所需的材料性能，我们应该首先考虑的材料的什么？） 答：材料科学与工程学的核心关系是性能（课件上面那个三角形的图） 为了提高对于材料性能的期望，我们首先要研究材料的结构与性能的关系，即研究材料学。 3. What is the most determinant for Materials mechanical properties? Why?（材料力学性能的决定因素是什么？为什么呢？） 答：材料的力学性能主要指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能，影响材料力学性能的最重要的因素是材料的结构。这些结构包括：subatomic-atomic-molecular-nano-micro-macro.由于材料的结构决定了材料的屈服强度，塑性韧性，刚度等性质，所以材料的结构对材料的力学性能影响最大。 4. what is strength of materials? Please try to identify the difference yield strength ,tensile strength ,fatigue strength and theoretical fracture strength? （材料的强度是什么？请尝试找出屈服强度，拉伸强度，疲劳强度和理论断裂强度的差异？）(中文ppt) 材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力就是材料的强度。 屈服强度代表材料开始产生明显塑性变形的抗力 疲劳强度是材料在承受大小和方向同时间做周期性变化的交变应力时，往往在远小于强度极限甚至小于屈服极限的应力作用下就发生断裂。 理论断裂强度是无缺陷材料的理论预测值， 其中E 为杨氏模量，为解理面的表面能，a 为材料内部原子间的距离 5.Please describe yielding phenomena for materials, and its practical/engineering meaning. As long as there are no yielding phenomena for some materials, how do we determine the yield strength? （请描述为材料的屈服现象(书上p16)，其实际/工程意义。有一些材料没有屈服现象，我们如何确定的屈服强度？） 屈服现象是材料开始产生明显塑性变形的标志，对应图中bd 段， 2 1)(a E c s γσ≈

工程材料的分类及性能

工程材料的分类及性能 字体: 小中大 | 打印发表于: 2006-11-09 15:38 作者: xlktiancai 来源: 中国机械资讯网 材料的分类 材料的种类繁多，用途广泛。工程方面使用的材料有机械工程材料、土建工程材料、电工材料、电子材料等。在工程材料领域中，用于机械结构和机械零件并且主要要求机械性能的工程材料，又可分为以下四大类： 金属材料具有许多优良的使用性能（如机械性能、物理性能、化学性能等）和加工工艺性能（如铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机械加工性能等）。特别可贵的是，金属材料可通过不同成分配制，不同工艺方法来改变其内部组织结构，从而改善性能。加之其矿藏丰富，因而在机械制造业中，金属材料仍然是应用最广泛、用量最多的材料。在机械设备中约占所用材料的百分之九十以上，其中又以钢铁材料占绝大多数。 随着科学技术的发展，非金属材料也得到迅速的发展。非金属材料除在某些机械性能上尚不如金属外，它具有金属所不具备的许多性能和特点，如耐腐蚀、绝缘、消声、质轻、加工成型容易、生产率高、成本低等。所以在工业中的应用日益广泛。作为高分子材料的主体——工程塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS塑料、环氧塑料等）已逐渐替代一些金属零件，应用于机械工业领域中。古老的陶瓷材料也突破了传统的应用范围，成为高温结构材料和功能材料的重要组成部分。 金属材料和非金属材料在性能上各有其优缺点。近年来，金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料的出现，为集中各类材料的优异性能于一体开辟了新的途径，在机械工程中的应用将日益广泛。

9-1.gif 我也来说两句查看全部回复 最新回复 xlktiancai (2006-11-09 15:39:31) 材料的性能一、力学性能材料受力后就会产生变形，材料力学性能 是指材料在受力时的行为。描述材料变形行为的指标是应力ζ和应变ε，ζ是单位面积上的作用力，ε是单位长度的变形。描述材料力学性能的 主要指标是强度、延性和韧性。其中，强度是使材料破坏的应力大小的度 量；延性是材料在破坏前永久应变的数值；而韧性却是材料在破坏时所吸 收的能量的数值。设计师们对这些力学性能制订了各种各样的规范。例 如，对一种钢管，人们要求它有较高的强度，但也希望它有较高的延性，以增加韧性，由于在强度和延性二者之间往往是矛盾的，工程师们要做出 最佳设计常常需要在二者中权衡比较。同时，还有各种各样的方法确定材 料的强度和延性。当钢棒弯曲时就算破坏，还是必须发生断裂才算破坏？ 答案当然取决于工程设计的需要。但是这种差别表明至少应有两种强度判 据：一种是开始屈服，另一种是材料所能承受的最大载荷，这说明仅仅描 述材料强度的指标至少就有两个以上。一般来说，描述材料力学性能的指 标有以下几项： 1．弹性和刚度图1-6是材料的应力—应变图（ζ—ε 图）。（a）无塑性变形的脆性材料（例如铸铁）；（b）有明显屈服 点的延性材料（例如低碳钢）；（c）没有明显屈服点的延性材料（例如纯铝）。在图中的ζ—ε曲线上，OA段为弹性阶段，在此阶段，如卸去 载荷，试样伸长量消失，试样恢复原状。材料的这种不产生永久残余变形 的能力称为弹性。A点对应的应力值称为弹性极限，记为ζe。材料在弹 性范围内，应力与应变成正比，其比值E=ζ/ε（MN/m2）称为弹性模量。

常用材料属性

1.1 不同材料的特性 1. ABS ·用途: 玩具、机壳、日常用品 ·特性: 坚硬、不易碎、可涂胶水，但损坏时可能有利边出现。(Fig. 1.1.1) 设计上的应用: 多数应用于玩具外壳或不用受力的零件。 2. PP ·用途: 玩具、日常用品、包装胶袋、瓶子 ·特性: 有弹性、韧度强、延伸性大、但不可涂胶水。 ·设计上的应用: 多数应用于一些因要接受drop test而拆件的地方。 3. PVC ·用途: 软喉管、硬喉管、软板、硬板、电线、玩具 ·特性: 柔软、坚韧而有弹性。 ·设计上的应用: 多数用于玩具figure，或一些需要避震或吸震的地方。

4. POM ·用途: 机械零件、齿轮、摃杆、家电外壳 ·特性: 耐磨、坚硬但脆弱，损坏时容易有利边出现(Fig. 1.1.6)。 ·设计上的应用: 多数用于胶齿轮、滑轮、一些需要传动，承受大扭力或应力的地方。 5. Nylon ·用途: 齿轮、滑轮 ·特性: 坚韧、吸水、但当水份完全挥发后会变得脆弱。 ·设计上的应用: 因为精准度比较难控制，所以大多用于一些模数较大的齿轮。 6. Kraton 用途: 摩打垫 特性: 柔软，有弹性，韧度高，延伸性强。 设计上的应用: 多数作为摩打垫，吸收摩打震动，减低噪音。 简称

中英文学名 用途 备考 硬胶 GPPS 通用级聚苯乙烯 General Purpose polystyrene 文具、日用品、灯罩、仪器壳罩、玩具 透明,脆性,易成形 不碎胶 HIPS 高冲击聚笨乙烯 High Impact Polystyrene 日用品、电器零件、机壳、玩具 白色,延性,易成形 超不碎胶 ABS 丙烯睛一丁二烯一苯乙烯共聚物Acrylonitrile Butadiene Styrene 玩具、家私、运动用品、机壳、日用品、把手、齿轮 黄白色,延性,易成形 透明大力胶 AS (SAN) 丙烯睛一苯乙烯共聚物 Acrylonitrile Styrene 日用品、餐具、表面、家庭电器用品、装饰品 透明,易成形 软胶(花料、筒料) L D P E 低密度聚乙烯 Low Density Polyethylene 包装胶袋、玩具、胶瓶、胶花、电线 半透明,延性,易成形

工程材料性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指材料

工程材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指材料在使用条件下表现出来的性能如力学性能、物理性能和化学性能；工艺性能是指材料在加工过程中反映出的性能如切削加工性能、铸造性能、塑性加工性能、焊接性能和热处理性能等。其具体的分类如下： 一、强度、刚度、塑性、硬度 材料在静载荷的作用下所表现出的各种性能称为静态力学性能。材料的静态力学性能可以通过静载试验确定，该试验可以确定材料在静载荷作用下的变形（弹性变形、塑性变形）和断裂行为，这些数据广泛应用于结构载荷机件的强度和刚度设计中，也是材料加工工艺有关材料变形行为的重要资料。在生产金属材料的工厂，静载试验是检验材料质量的基本手段之一。此外，科学工作者也能够从材料的变形和断裂行为的分析中得到很多有关材料性能的重要资料，这些资料对于研究和改善材料的组织与性能十分必要。 一、拉伸试验 拉伸试验是工业上应用最广泛的金属力学性能试验方法之一。这种试验方法的特点是温度、应力状态和加载速率是确定的，并且常用标准的光滑圆柱试样进行试验。通过拉伸试验可以揭示材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即弹性变形、塑性变形和断裂。还可以标定出材料最基本的力学性能指标，如屈服强度σ0.2、抗拉强度σb、断后伸长率δ和断面

收缩率ψ。 1、拉伸试验曲线 拉伸试验曲线有以下几种表示方法： （1）载荷－伸长曲线（P-ΔL）这是拉伸试验机的记录器在试验过程中直接描画出的曲线。P是载荷的大小，ΔL指试样标距长度L0受力后的伸长量。 （2）工程应力－应变曲线（σ－ε曲线）令F0为试样原有的横截面面积，则拉伸应力σ＝P / F0，拉伸应变ε＝ΔL / L0。以σ－ε为坐标作图得到的曲线就是工程应力－应变曲线，它和P-ΔL曲线形状相似，仅在尺寸比例上有一些差异。图2－1为低碳钢的拉伸曲线。由图可见，低碳钢在拉伸过程中，可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。 （3）真应力－应变曲线（S－e曲线）指试样在受载过程中任一瞬间的真应力（S = P / F）和真应变（e = ln L / L0）之间的关系曲线。 图2-1低碳钢的工程应力－应变曲线 2、弹性和刚度 （1）弹性：当外加应力σ小于σe（如图2－1）时，试样的变形能在卸载后（σ＝0）立即消失，即试样恢复原状，这种不产生永久变形的性能称为弹性。σe为不产生永久变形的最大应力，称为弹性极限。 （2）刚度：在弹性范围内，应力与应变成正比，即σ＝Eε，或E＝σ/ε，比例常数E 称为弹性模量，它是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标，亦称为刚度。它是一个对组织不敏感的参数，主要取决于材料本身，与合金化、热处理、冷热加工等关系不大。 3、强度 强度是指在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力，是材料最重要、最基本的力学性能指标之一。 （1）屈服点与屈服强度 屈服点σs与屈服强度σ0.2是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值，即

材料结构与性能试题及详细答案

《材料结构与性能》试题 一、名词解释（20分） 原子半径，电负性，相变增韧、Suzuki气团 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径（r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。 电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。 二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用。（15分） 答：从交互做作用的性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类。 弹性交互作用：位错与溶质原子的交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起的弹性畸变与位错间的弹性交互作用。形成Cottrell气团，甚至Snoek气团对晶体起到强化作用。弹性交互作用的另一种情况是溶质原子核基体的弹性模量不同而产生的交互作用。 化学交互作用：基体晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别，具有阻碍位错运动的作用。 静电交互作用：晶体中的位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子的费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分的费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用。 三、简述点缺陷的特点和种类，与合金的性能有什么关系（15分） 答：点缺陷对晶体结构的干扰作用仅波及几个原子间距范围的缺陷。它的尺寸在所有方向上均很小。其中最基本的点缺陷是点阵空位和间隙原子。此外，还有杂质原子、离子晶体中的非化学计量缺陷和半导体材料中的电子缺陷等。 在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大。另外，点缺陷与合金力学性能之间的关系主要表现为间隙原子的固溶强化作用。

材料结构与性能(珍藏版)

材料结构与性能（珍藏版） 一、何为金属键？金属的性能与金属键有何关系？ 二、试说明金属结晶时，为什么会产生过冷？ 三、结合相关工艺或技术说明快速凝固的组织结构特点。 四、画出铁碳合金相图，并指出有几个基本的相和组织？说明它们的结构和 性能特点。 五、说明珠光体和马氏体的形成条件、组织形态特征和性能特点。 六、试分析材料导热机理。金属、陶瓷和玻璃导热机制有何区别？将铬、 银、Ni-Cr合金、石英、铁等物质按热导率大小排序，并说明理由。 七、从结构上解释，为什么含碱土金属的玻璃适用于介电绝缘？ 八、列举一些典型的非线性光学材料，并说明其优缺点。 九、什么是超疏水、超亲水？超疏水薄膜对结构与表面能有什么要求？ 十、导致铁磁性和亚铁磁性物质的离子结构有什么特征？ 答案自测 特别重要的名词解释 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径 （r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。

电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。

1.2 常工程材料的基本性质

1.2 常用工程材料的基本性质 1.何谓材料的实际密度，体积密度和堆积密度？如何计算？ 答:实际密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积所具有的质量，按下式计算：ρ=m/V 体积密度是指材料在自然状态下（含开口和闭口孔隙），单位体积所具有的质量，按下式计算：ρo=m/Vo 堆积密度是指散粒材料（粉末，粒状或纤维状材料）在自然堆积状态下，单位体积（包含颗粒内部的孔隙及颗粒之间的空隙）所具有的质算，按下式计算：ρo’=m/Vo’ 2.何谓材料的密实度和孔隙率？两者有什么关系？ 答：密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，也就是固体物质的体积占总体积的比例。用D表示。 孔隙率是指材料题体积内，孔隙体积（Vp）占材料总体积（Vo）的百分率，用P表示。 孔隙率与密实度的关系：P+D=1 4.建筑材料的亲水性与憎水性在建筑工程中有什么实际意义？ 答:亲水性材料（如石材，砖，混凝土，木材等）表面均能被水润湿，且能通过毛细管作用将水吸入材料的毛细管内部。 憎水性材料（如石蜡，沥青，塑料，油漆等）不仅可用作防水防潮的材料，而且还可以用于亲水性材料的表面处理，以降低其吸水性。 6.何谓材料的吸水性，吸湿性，耐水性，抗渗性和抗冻性？各用什么指标表示？ 答：材料在水中吸收水分的性质称为吸水性，其大小用吸水率表示：材料吸水饱和后的水质量占材料干燥质量的百分率称为质量吸水率Wm，材料吸收饱和后的水体积占材料干燥时自然体积的百分率称为体积吸水率Wv。 材料在潮湿空气中吸收水分的性质叫做吸湿性，其大小用含水率Wh表示。 材料在长期饱和水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质称为耐水性，用软化系数K 表示。 材料抵抗有压介质（水，油等液体）渗透的性质称为抗渗性，常用渗透系数Kp表示抗渗性好坏。 材料在水饱和状态下经多次冻融作用而不破坏，同时强度也不严重降低的性质称为抗冻性，用抗冻等级F表示。 8.材料的孔隙率与孔隙特征对材料的体积密度、吸水性、吸湿性、抗渗性、抗冻性、 强度及保温隔热等性能有何影响？ 答：孔隙率与密实度有关，而材料的强度，吸水性，耐久性，导热性等均与其密实度有 关，所以孔隙率会影响材料的体积密度、吸水性、吸湿性、抗渗性、抗冻性、强度。 材料内部的孔隙有开口孔隙和闭合孔隙两种，开口孔隙之间可相互贯通且与外界 相通，在一般浸水条件下能水饱和。闭合孔隙彼此不相通且与界隔绝，其能提高材料的 隔热保温性能。 10.何谓材料强度，比强度？两者有什么关系？

最新材料科学基础课后习题答案

《材料科学基础》课后习题答案 第一章材料结构的基本知识 4. 简述一次键和二次键区别 答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。 6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？ 答：材料的密度与结合键类型有关。一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。 9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。两相组织是指具有两相的组织。单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。 10. 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构和亚稳态结构之间的关系。 答：同一种材料在不同条件下可以得到不同的结构，其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡太结构，而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。所谓的热力学条件是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力，过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性，至于过程是否真正实现，还需要考虑动力学条件，即反应速度。动力学条件的实质是考虑阻力。材料最终得到什么结构取决于何者起支配作用。如果热力学推动力起支配作用，则阻力并不大，材料最终得到稳态结构。从原则上讲，亚稳态结构有可能向稳态结构转变，以达到能量的最低状态，但这一转变必须在原子有足够活动能力的前提下才能够实现，而常温下的这种转变很难进行，因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定。 第二章材料中的晶体结构 1. 回答下列问题： （1）在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 32）与[236] （001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（132）与[123]，（2 （2）在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 解：（1）

材料结构与性能复习题答案(仅供参考)讲课稿

1 钢分类的方法有哪几种？钢中常用合金元素有哪些是强碳化物形成元素？中强碳化物形成元素? 钢的分类方法有5种：1）按化学成分，有碳素钢（低碳钢，中碳钢，高碳钢），合金钢；2）按质量，有普通钢，优质钢，高级优质钢；3）按用途，有结构钢，工具钢，特殊钢；4）按炼钢方法，有转炉钢，平炉钢，电炉钢；5）按浇筑前脱氧程度，有镇静钢，沸腾钢，半镇静钢。 强碳化合物形成元素：Hf,Zr,Ti,Ta,Nb,V 中强碳化合物形成元素：W,Mo 2 合金钢的主要优点是什么？常用以提高钢淬透性的元素有哪些？强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素有哪些？提高回火稳定性的元素有哪些？ 合金钢主要优点：优异的力学性能和其他性能，既有高的强度，又有足够韧性和塑性。 提高钢淬透性的元素：B,Mn,Cr,Mo,Si,Ni 强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Hf,Zr,Ti,Ta,Nb,V 提高回火稳定性的元素：V,Nb,Cr,Mo,W 3 解释下列现象：（1）大多数合金钢的热处理温度比相同含碳量的碳素钢高；（2）大多数合金钢比相同含碳量的碳素钢具有较高的回火稳定性；（3）含碳量为0.4%、含铬量为12%的铬钢属于过共析钢，而含碳量为1.5%、含铬量为12%的铬钢属于莱氏体钢；（4）高速钢在热断货热轧后经空冷获得马氏体钢。 1) 热处理目的是让碳及合金元素充分溶解，合金元素扩散速度慢，另外合金元素形成的碳化物溶解需要更高温度和时间。 2) 由于合金钢中含有较多的碳化物形成元素如，Cr、W、Mo、Ti、V等，它们与碳有较强的亲和力，使碳化物由马氏体向奥氏体溶解时，合金元素扩散困难，加之合金碳化物的稳定性高，使碳化物的溶解比较困难，合金钢在加热时需要较高的温度和较长的时间。因此，合金钢具有较高的回火稳定性。 3) 按照金相组织来看，含碳量为0.4%、含铬量为12%的铬钢平衡态是渗碳体加珠光体，含碳量为1.5%、含铬量为12%的铬钢平衡态出现莱氏体。 4）由于高速钢的合金元素含量高，C曲线右移，一般合金元素越高临界冷却速度越小，淬透性越好，当空冷的冷却速度大于临界冷却速度时，空冷即可获得马氏体。 4 有资料表明，南京长江大桥采用16Mn钢比普通碳素钢节约钢材15％，简要解释原因。低合金高强度钢是在碳素工程钢基础上加入少量合金元素（Mn,Si,Ti,Nb,V,Al等）形成的，以此获得较好的塑性，韧性，焊接性能，性能的提高使得在相同的工程条件要求下大大降低了钢材的使用量。16Mn属于低合金高强度结构钢，这类钢适应大型工程结构，减轻结构重量，提高使用的可靠性及节约钢材，因此与碳素钢相比可以节省15%材料。 5 试比较45钢与40Cr钢的应用范围，以此说明合金元素Cr在调质钢中的作用。 45钢属优质碳素结构钢，大量的模具生产会用到，做模具钢使用。 40Cr钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件，如汽车的转向节；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件，如齿轮；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件，如蜗杆；经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如套筒；此外，这种钢又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件，如直径较大和低温韧性好的齿轮和轴。 Cr能增加钢的淬透性，提高钢的强度和回火稳定性，具有优良的机械性能。 6 说明渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢的化学成分、最终热处理及组织、性能特点。 渗碳钢：一般都是低碳钢，碳的质量分数一般在0.12%-0.25%范围，主要合金元素有Ni,Cr,Mn

种常用工程材料属性性表

材料名称弹性模量(N/m^2)泊松比质量密度(kg/m^3)抗剪模量(N/m^2)张力强度(N/m^2)屈服强度(N/m^2)热扩张系数(/Kelven)比热(J/(kg.K))热导率(W/(m.k)) Ductile Iron (SN) 1.20E+110.3107.90E+037.70E+108.62E+08 5.51E+08 1.10E-05 4.50E+0275.00 KTH300-06 (GB) 1.90E+110.2707.30E+038.60E+10 3.00E+080.00E+00 1.20E-05 5.10E+0247.00 KTH350-10 (GB) 1.90E+110.2707.30E+038.60E+10 3.50E+08 2.00E+08 1.20E-05 5.10E+0247.00 KTZ450-06 (GB) 1.90E+110.2707.30E+038.60E+10 4.50E+08 2.70E+08 1.20E-05 5.10E+0247.00 KTZ550-04 (GB) 1.90E+110.2707.30E+038.60E+10 5.50E+08 3.40E+08 1.20E-05 5.10E+0247.00 KTZ650-02 (GB) 1.90E+110.2707.30E+038.60E+10 6.50E+08 4.30E+08 1.20E-05 5.10E+0247.00 KTZ700-02 (GB) 1.90E+110.2707.30E+038.60E+107.00E+08 5.30E+08 1.20E-05 5.10E+0247.00 KTB350-04 (GB) 1.20E+110.3107.90E+037.70E+10 3.50E+080.00E+00 1.10E-05 4.50E+0275.00 KTB380-12 (GB) 1.20E+110.3107.90E+037.70E+10 3.80E+08 1.70E+08 1.10E-05 4.50E+0275.00 KTB400-05 (GB) 1.20E+110.3107.90E+037.70E+10 4.40E+08 2.20E+08 1.10E-05 4.50E+0275.00 KTB450-07 (GB) 1.20E+110.3107.90E+037.70E+10 4.50E+08 2.60E+08 1.10E-05 4.50E+0275.00 Gray Cast Iron (SN) 6.62E+100.2707.20E+03 5.00E+10 1.52E+080.00E+00 1.20E-05 5.10E+0245.00 HT100 (GB) 1.08E+110.1237.10E+03 4.80E+10 1.50E+080.00E+008.20E-06 5.10E+0245.00 HT150 (GB) 1.16E+110.1947.00E+03 4.86E+10 1.50E+080.00E+00 1.01E-05 5.10E+0245.00 HT200 (GB) 1.48E+110.3107.20E+03 5.66E+10 2.00E+080.00E+00 1.10E-05 5.10E+0245.00 HT250 (GB) 1.38E+110.1567.28E+03 5.98E+10 2.50E+080.00E+008.20E-06 5.10E+0245.00 HT300 (GB) 1.43E+110.2707.30E+03 5.66E+10 3.00E+080.00E+00 1.12E-05 5.10E+0245.00 HT350 (GB) 1.45E+110.2707.30E+03 5.66E+10 3.50E+080.00E+00 1.12E-05 5.10E+0245.00 Malleable Cast Iron 1.90E+110.2707.30E+038.60E+10 4.14E+08 2.76E+08 1.20E-05 5.10E+0247.00 QT400-15 1.61E+110.2747.01E+03 6.32E+10 4.00E+08 2.50E+08 1.29E-05 5.10E+0247.00 QT400-18 1.61E+110.2747.01E+03 6.32E+10 4.00E+08 2.50E+08 1.29E-05 5.10E+0247.00 QT450-10 1.69E+110.2577.06E+03 6.76E+10 4.50E+08 3.10E+08 1.01E-05 5.10E+0247.00 QT500-7 1.62E+110.2937.00E+03 6.27E+10 5.00E+08 3.20E+089.10E-06 5.10E+0247.00 QT600-3 1.69E+110.2867.12E+03 6.56E+10 6.00E+08 3.70E+08 1.18E-05 5.10E+0247.00 QT700-2 1.69E+110.3057.09E+03 6.47E+107.00E+08 4.20E+08 1.08E-05 5.10E+0247.00 QT800-2 1.74E+110.2707.30E+03 6.84E+108.00E+08 4.80E+08 1.01E-05 5.10E+0247.00 QT900-2 1.81E+110.2707.18E+037.10E+109.00E+08 6.00E+08 1.10E-05 5.10E+0247.00 Q195 2.12E+110.2867.69E+038.24E+10 3.50E+08 1.95E+088.80E-06 4.40E+0243.00 Q215 2.12E+110.2887.69E+038.25E+10 3.50E+08 2.15E+088.80E-06 4.40E+0243.00 Q235-A(F) 2.08E+110.2777.86E+038.14E+10 3.90E+08 2.35E+088.70E-06 4.40E+0243.00 Q235-A 2.12E+110.2887.86E+038.23E+10 3.90E+08 2.35E+08 1.20E-05 4.40E+0243.00 Q235-B 2.10E+110.2747.83E+038.24E+10 3.90E+08 2.35E+088.00E-06 4.40E+0243.00 Q255 2.10E+110.2747.83E+038.24E+10 4.50E+08 2.55E+088.00E-06 4.40E+0243.00 Q275 2.10E+110.2747.83E+038.24E+10 4.90E+08 2.50E+088.00E-06 4.40E+0243.00 08F 2.19E+110.2677.83E+038.62E+10 2.95E+08 1.75E+088.70E-06 4.40E+0248.00 8 2.11E+110.2797.82E+038.25E+10 2.95E+08 1.75E+08 1.22E-05 4.40E+0248.00 10F 2.12E+110.2707.85E+038.26E+10 3.15E+08 1.85E+08 1.25E-05 4.40E+0248.00 10 2.10E+110.2707.86E+038.26E+10 3.15E+08 1.85E+08 1.26E-05 4.40E+0248.00 15F 2.12E+110.2887.85E+038.24E+10 3.55E+08 2.05E+08 1.19E-05 4.40E+0248.00 15 2.13E+110.2897.85E+038.26E+10 3.75E+08 2.25E+08 1.19E-05 4.40E+0248.00