材料性能学

材料力学

第五章：材料单向静拉伸的力学性能

1、弹性变形的特点及影响弹性模数（量）的因素有哪些？

弹性变形的可逆性特点：

对于金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物，在弹性变形范围内，应力和应变之间可以看成具有单值线性关系，且弹性变形量都较小。
对于橡胶态的高分子聚合物，则在弹性变形范围内，应力和应变之间不呈线性关系，且变形量较大。
无论变形量大小和应力与应变是否呈线性关系，凡弹性形变都是可逆变形。
材料产生弹性变形的本质，概括说来，都是构成材料的原子(离子)或分子从平衡位置产生可逆位移的反映。
金属、陶瓷类晶体材料的弹性变形是处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移。
橡胶类材料是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展。

影响弹性模数的因素

材料的弹性模数是构成材料的离子或分子之间键合强度的主要标志。
因此，凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模数，如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载方式和速度等。

共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数，分子键弹性模数低
原子半径越大，E值越小，反之亦然
过渡族元素都有较高的弹性模数
随着温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，使材料的弹性模数降低

2、材料的非理想弹性行为的类型及其含义。
材料的非理想弹性行为大致可以分为

• 滞弹性 : 指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能
• 粘弹性 : 指材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为
• 伪弹性 : 指在一定的温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形的现象
• 包申格效应 : 指金属材料经预先加载产生少量塑性变形(残余应变小于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。

第七章：材料的冲击韧性及低温脆性

1、影响材料低温脆性的因素（选择题）

• 晶体结构的影响
• 化学成分的影响
• 显微组织的影响
• 温度的影响
• 加载速率的影响
• 试样性状和尺寸的影响

第八章：材料的断裂韧性

1、影响材料断裂韧度的因素有哪些？

• 化学成分
• 基体相结构和晶粒尺寸
• 夹杂和第二相
• 显微组织
• 特殊改性处理
  
  • 亚温淬火
  • 超高温淬火
  • 形变热处理
• 外界因素
  
  • 温度
  • 应变速率

2、简述断裂韧度在工程中的应用
断裂韧度在工程中的应用可以概括为三方面:

• 设计 包括结构设计和材料选择

  可以根据材料的断裂韧度，计算结构的许用应力，针对要求的承载量，设计结构的形状和尺寸；可以根据结构的求载要求、可能出现的裂纹类型，计算可能的最大应力强度因子，依据材料的断裂韧度进行选材。

• 校核 可以根据结构要求的承载能力、材料的断裂韧度，计算材料的临界裂纹尺寸，与实测的裂纹尺寸相比较，校核结构的安全性，判断材料的脆断倾向

• 材料开发 可以根据对断裂韧度的影响因素，有针对性地设计材料的组织结构，开发新材料

第十章：材料的磨损性能

1、磨损的概念及基本类型
磨损 : 是在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象。

磨损的基本类型

• 粘着磨损
• 磨料磨损
• 腐蚀磨损
• 麻点疲劳磨损(接触疲劳)

2、提高材料耐磨性的途径

(1) 减轻粘着磨损的主要措施

• 合理选择摩擦副材料。

  尽量选择互溶性少，粘着倾向小的材料配对，如非同种或品格类型、电子密度、电化学性质相差甚远的多相或化合物材料；强度高不易塑变的材料。

• 避免或阻止两摩擦副间直接接触。

  增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与基体的结合力；降低接触表面粗糙度，改善表面润滑条件等。

• 采用表面渗疏、渗磷、渗氮等表面处理工艺

  在材料表面形成一层化合物层或非金属层，既降低接触层原子间结合力，减少摩擦系数，又避免直接接触

(2) 减轻磨粒磨损的主要措施

• 若是低应力磨粒磨损，则应设法提高表面硬度。选用含碳量较高，并经热处理获得马氏体组织的材料。
• 若遇重载荷，甚至大冲击载荷下磨损，则基体材料组织最好是高硬度、良好韧性的贝氏体。
• 就合金钢而言，控制和改变碳化物数量、分布、形态对提高抗磨粒磨损能力起着决定性影响。
• 对于经渗碳、碳氮共渗等提高表面硬度的机件，应经常对机件、润滑油进行防尘、过滤，以减轻磨粒磨损量。
• 确定材料硬度时，应以Hm＝1.3Ha(Hm为摩擦副材料硬度，Ha为磨粒硬度)为依据。硬度相同时，钢中含碳量越高，形成的碳化物越多，就具有越高的抗磨粒磨损能力。
• 值得提及的是具有单相组织的高锰钢，因其有很高的加工硬化能力，是公认的理想抗凿削磨损材料。

（3） 提高接触疲劳抗力的措施

• 采用真空电弧冶炼和电渣重熔等工艺提供优质纯净的材料；或钢中含有适量塑性硫化物夹杂，能将脆性氧化物夹杂包住形成共生夹杂物，降低氧化物的破坏作用，于提高材料接触疲劳抗力有益。
• 对轴承钢接触疲劳性能的研究表明，末溶碳化物状态相同的条件下，马氏体含碳量在0.4％-0.5％左右时，接触疲劳抗力、寿命最高。
• 在基体为马氏体的组织中，减小碳化物粒度并使之呈球状均匀分布，使基体中马氏体、残余奥氏体和末溶碳化物量之间有最佳匹配，可最大限度地提高接触疲劳抗力。
• 材料表面硬度可部分地反映材料抗塑变能力及剪切强度的高低，因此对材料表面硬度应有最佳要求，同时还要考虑心部硬度和足够的硬化层深度，使表层材料硬度变化不要太陡。
• 合理选择表面硬化工艺，在一定深度范围内保存残余压应力，于提高接触疲劳抗力极有利。
• 改善接触配对副的表面状态，减少冷热加工缺陷，降低表面租糙度，降低摩擦系数，也是很有效的措施。

第十一章：材料的高温力学性能

1、影响蠕变的主要因素

1.内在因素
（1）化学成分
材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。热激活能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变极限、持久强度、剩余应力就高。

（2）组织结构
对于金属材料，采用不同的热处理工艺，可以改变组织结构，从而改变热激活运动的难易程度。
陶瓷材料，当采用不同的工艺，获得含有不同第二相组织时，其蠕变的机理会发生改变。

（3）晶粒尺寸
对于金属材料，当使用温度低于等强温度时，细化晶粒可以提高钢的强度；当使用温度高于等强温度时，粗化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度。
对于陶瓷材料，不同的晶粒尺寸决定了控制蠕变速率的蠕变机制不同，当晶粒尺寸很大时，蠕变速率受位错滑动和晶内扩散的控制，晶粒尺寸小时，其蠕变的机理复杂。

2.外部因素
（1）应力
材料的蠕变性能和蠕变速率主要取决于应力水平，高应力下蠕变速率高，低应力下蠕变速率低。
（2）温度
蠕变是热激活过程，蠕变激活能和扩散激活能的相对关系，影响蠕变机制。
对于高分子材料，随温度的升高，蠕变变形量增加，蠕变速率增大。