材料性能学教学大纲

第一篇：材料性能学教学大纲

《材料性能学》课程教学大纲

一、课程基本信息 课程编码： 课程类别：必修课 适用专业：材料化学

总 学 时：48 学 分：3 课程简介：本课程是材料化学专业主干课程之一，属专业基础课。本课程主要内容为材料物理性能，以材料通用性物理性能及共同性的内容为主。通过本课程的教学，使学生获得关于材料物理性能包括材料力学性能（受力形变、断裂与强度）、热学、光学、导电、磁学等性能及其发展和应用，重点掌握各种重要性能的原理及微观机制，性能的测定方法以及控制和改善性能的措施，各种材料结构与性能的关系，各性能之间的相互制约与变化规律。

授课教材：《材料物理性能》，吴其胜、蔡安兰、杨亚群，华东理工大学出版社，2006，10。

2、参考书目: 1.《材料性能学》，北京工业大学出版社，王从曾，2007.1 2.《材料的物理性能》，哈尔滨工业大学出版社，邱成军等，2009.1

二、课程教育目标

通过学习材料的各种物理性能，使学生掌握以下内容：各种材料性能的各类本征参数的物理意义和单位以及这些参数在解决实际问题中所处的地位；弄清各材料性能和材料的组成、结构和构造之间的关系；掌握这些性能参数的物质规律，从而为判断材料优劣、正确选择和使用材料、改变材料性能、探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础；为全面掌握材料的结构，对材料的原料和工艺也应有所认识，以取得分析性能的正确依据。

三、教学内容与要求 第一章：材料的力学性能 重点与难点：

重点：应力、应变、弹性变形行为、Griffith微裂纹理论，应力场强度因子和平面应变断裂韧性，提高无机材料强度改进材料韧性的途径。难点：位错运动理论、应力场强度因子和平面应变断裂韧性。教学时数：10学时 教学内容：

1.1 应力及应变：应力、应变；

1.2 弹性形变：Hooke定律；弹性模量的影响因素、无机材料的弹性模量、复相的弹性模量、弹性形变的机理；

1.3 材料的塑性形变：晶体滑移、塑性形变的位错运动理论；

1.4 滞弹性和内耗：粘弹性和滞弹性、应变松弛和应力松弛、松弛时间、无弛豫模量与弛豫模量、模量亏损、材料的内耗；

1.5 材料的高温蠕变：蠕变曲线、蠕变机理、影响蠕变的因素；

1.6 材料的断裂强度：理论断裂强度、Inglis 理论、Griffith微裂纹理论、、Orowan理论；

1.7 材料的断裂韧性：裂纹扩展方式、裂纹尖端应力场分析、几何形状因子、断裂韧性、裂纹扩展的动力与阻力；

1.8 裂纹的起源与扩展：裂纹的起源、裂纹的快速扩展、影响裂纹扩展的因素、材料的疲劳、应力腐蚀理论、高温下裂纹尖端的应力空腔作用、亚临界裂纹生长速率与应力场强度因子的关系、根据亚临界裂纹扩展预测材料寿命、蠕变断裂； 1.10 显微结构对材料脆性断裂的影响：晶粒尺寸、气孔的影响；

1.11 提高材料强度及改善脆性的途径：金属材料的强化、陶瓷材料的强化； 1.12 复合材料：复合材料的分类、连续纤维单向强化复合材料的强度、短纤维单向强化复合材料；

1.13 材料的硬度：硬度的表示方法、硬度的测量。教学方式：课堂讲授与多媒体教学相结合。

教学要求：掌握材料的弹性变形、塑性变形、高温蠕变及其它力学性能的理论描述、产生的原因、影响因素。掌握断裂的现象和产生、断裂力学的原理出发，通过理论结合强度、应力场的分析，断裂的判据，应力场强度因子、平面应变断裂韧性、延性断裂、脆性断裂、沿晶断裂、静态疲劳的概念，并根据此判据来分析提高材料强度及改进材料韧性的途径。了解断裂的现象，弄清产生断裂的原理（断裂理论），通过应力场的分析。要求掌握断裂的判据，并根据此判据来分析提高材料强度及改进材料韧性的途径。

第二章：材料的热学性能 重点与难点： 重点：材料的热膨胀，材料的热稳定性。难点：材料的热传导，材料的热稳定性。教学时数：6学时 教学内容：

2.1 热学性能的物理基础；

2.2 材料的热容：晶体固体热容的经验定律和经典理论，晶体固体热容的量子理论回顾，无机材料的热容；

2.3 材料的热膨胀：热膨胀系数、热膨胀机理、热膨胀和其他性能的关系、多晶体和复合材料的热膨胀；

2.4 材料的热传导：固体材料热传导的宏观规律，固体材料热传导的微观机理、影响热传导的因素、某些无机材料的热传导；

2.5 材料的热稳定性：热稳定性的表示方法、热应力、抗热冲击断裂性能，抗热冲击损伤性、提高抗热冲击断裂性能的措施。教学方式：课堂讲授与多媒体教学相结合。

教学要求：掌握材料热容的各种理论及其比较，热膨胀的定义及其基本机理，热传导的宏观规律和微观机理，热稳定性的表示和抗热冲击断裂性能。要求掌握各种热应力断裂抵抗因子。总结出提高抗热冲击断裂性能的措施。第三章 材料的光学性能 重点与难点：

重点：光的反射和折射、材料对光的吸收和色散、光的散射 难点：光的散射、电-光效应、光折变效应、非线性光学效应 教学时数：8学时 教学内容：

3.1 光传播的基本性质：光的波粒二象性、光的干涉和衍射、光通过固体现象；

3.2 光的反射和折射：反射定律和折射定律、折射率的影响因素、晶体的双折射、材料的反射系数及其影响因素；

3.3 材料对光的吸收和色散：吸收系数与吸收率、光的吸收与波长的关系、光的色散；

3.4 光的散射：散射的一般规律、弹性散射、非弹性散射；

3.5 材料的不透明性与半透明性：材料的不透明性、材料的乳浊、半透明性、透明材料的颜色、材料的着色； 3.6 电-光效应、光折变效应、非线性光学效应：电光效应及电光晶体、光折变效应、非线性光学效应；

3.7光的传输与光纤材料：光纤发展概况和基本特征、光纤材料的制备、光纤的应用；

3.8 特种光学材料及其应用：固体激光器材料及其应用、光存储材料。教学方式：课堂讲授与多媒体教学相结合。

教学要求：掌握金属、半导体、绝缘体的电子能带结构，光传播电磁理论、反射、光的吸收和色散、晶体的双折射、介质的光散射等各种光现象的物理本质。了解影响材料光学性能的各种因素。简要了解光纤材料、激光晶体材料及光存储材料等光学材料。

第四章：材料的电导性能 重点与难点：

重点：离子电导，电子电导。

难点：无机材料的电导，半导体陶瓷的物理效应。教学时数：8学时 教学内容：

4.1 电导的物理现象：电导率与电阻率、电导的物理特性；

4.2 离子电导：载流子浓度、离子迁移率、离子电导率、离子电导率的影响因素、固体电解质ZrO2；

4.3 电子电导：电子迁移率、载流子浓度、电子电导率、电子电导率的影响因素 4.4 金属材料的电导：金属电导率、电阻率与温度的关系、电阻率与压力的关系、冷加工和缺陷对电阻率的影响、电阻率的各向异性、固溶体的电阻率； 4.5 固体材料的电导：玻璃态电导、多晶多相固体材料的电导、次级现象、固体材料电导混合法则；

4.6 半导体陶瓷的物理效应：晶界效应、表面效应、西贝克效应、p-n结； 4.7 超导体：超导体的概念、约瑟夫逊效应、超导体的应用。教学方式：课堂讲授与多媒体教学相结合。

教学要求：掌握各种电导的宏观参数和物理量及电导的主要基本公式；围绕此公式来讨论各种电导的电导率（离子电导率、电子电导率）及其影响因素，材料的电导混合法则和半导体陶瓷的物理效应。第五章 材料的磁学性能 重点与难点：

重点：抗磁性和顺磁性、铁磁性与反铁磁性 难点：铁磁性与反铁磁性 教学时数：8学时 教学内容：

5.1 基本磁学性能：磁学基本量、物质的磁性分类；

5.2 抗磁性和顺磁性：原子本征磁矩、抗磁性、物质的顺磁性、金属的抗磁性与顺磁性、影响金属抗、顺磁性的因素；

5.3 铁磁性与反铁磁性：铁磁质的自发磁化、反铁磁性和亚铁磁性、磁畴、磁化曲线和磁滞回线；

5.4 磁性材料的动态特性：交流磁化过程与交流回线、磁滞损耗和趋肤效应、磁后效应和复数磁导率、磁导率减落及磁共振损耗；

5.5 磁性材料及其应用：软磁材料、硬磁材料、磁信息存储材料、纳米磁性材料。教学方式：课堂讲授与多媒体教学相结合。

教学要求：掌握固体物质的各种磁性(抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性)的形成机理及宏观表现；重点掌握磁性表征参量、各类磁性物质的内部相互作用；磁性材料在交变磁场中的磁化过程及宏观磁性；了解磁性材料及其应用。

第六章 材料的功能转换性能 重点与难点：

重点：介质的极化与损耗、介电强度、压电性能、铁电性 难点：压电性能、铁电性 教学时数：8学时 教学内容：

6.1 介质的极化与损耗：介质极化相关物理量、极化类型、宏观极化强度与微观极化率的关系、介质损耗分析、材料的介质损耗、降低材料介质损耗的方法； 6.2 介电强度：介电强度、固体电介质的击穿、影响材料击穿强度的因素； 6.3 压电性能：压电效应及其逆效应、压电材料的研究进程、压电材料主要表征参数、压电陶瓷的预极化、压电陶瓷的稳定性、压电材料及其应用；

6.4 铁电性：铁电性的概念、铁电体的分类、铁电体的起源、铁电体的性能及其应用、反铁电体； 6.5 热电性能：热电效应、热电材料、热电材料的应用； 6.6 光电性能：光电效应、光电材料及其应用；

6.7 热释电性能：热释电效应及其逆效应、热释电材料、热释电材料的应用； 6.8 智能材料：智能材料的特征与构成、智能材料的分类、智能金属材料、智能无机非金属材料、智能高分子材料。教学方式：课堂讲授与多媒体教学相结合。

教学要求：掌握电介质的介电性能，包括介电常数、介电损耗、介电强度及其随环境(温度、湿度、辐射等)的变化规律。了解极化的微观机制、电介质的压电性、铁电性、热电性能、光电性能和热释电性的性能、常用材料及其应用、智能材料的特征、分类及应用。

四、作业：

每章根据学生学习情况，选择布置教材中部分习题促进学生课后复习、巩固课堂教学内容，并进行讲评。

五、考核与评定

以期末考试(闭卷)成绩为主，参考课堂提问、讨论课发言情况以及平时作业和考勤等，综合评定后，给出结业成绩。

期末考试占70％，平时成绩占30％。

第二篇：《聚合物结构与性能测试 》实验教学大纲

《聚合物结构与性能测试 》实验教学大纲

一、课程简介

本课程为高分子材料与工程本科专业的限选课。主要内容包括聚合物材料的光谱分析、热分析、力学性能分析、分子量测定及其电性能测试技术。课程不但讲授各类分子测试方法的基本原理、实验技术、主要用途及局限性等。同时介绍这些方法的最新进展和发展趋势等。拟通过本课程的学习，使学生掌握了解材料特别是高分子材料的结构与性能的各种研究测试方法。

二、课程实验教学目的与要求

本课程的目的是让学生在理论课程学习的同时，了解和掌握各种现代化的聚合物材料的微观结构和各种分析测试手段方法。使学生系统地掌握分析测试实验的原理、实验基本知识和技能，为以后学习和从事高分子学科内的工作打下基础。本课程基本要求：理解实验原理及实验方案，掌握正确操作规程；掌握各种仪器的使用，了解其性能参数、适用范围及注意事项等。

三、试验项目

四、实验一：红外光谱再聚合物结构鉴定中的应用

【实验目的、任务】

通过本实验了解红外光谱仪的结构特点及操作规程；掌握红外样品的制备方法；掌握红外光谱分析的原理和图谱分析。

【实验内容】

使用红外光谱鉴定聚合物中的红外基团。

【实验原理】

红外吸收光谱分析方法主要是依据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息进行结构测定。

【实验难重点】

1.重点：红外光谱分析的基本原理

2.难点：红外光谱的解析

实验二：聚合物材料的热分析

【实验目的、任务】

通过本实验掌握聚合物TG、DSC的分析原理和应用。了解热分析仪的结构及操作程序。

【实验内容】

使用热分析仪测量聚合物的热转变

【实验原理】

在加热或冷却过程中，随着物质的结构、相态（如Tg）和化学性质的变化都会

伴有相应的物理性质的变化，聚合物热的分析就是在程序温度下测量并记录物质的这些物质性质和温度的关系从而测得物质的结构、相态及化学性质的转变过程。

【实验难重点】

1.重点：TG、DSC、DTA的工作原理和图谱分析

2.难点：TG、DSC、DTA的区别

实验三：聚合物材料的力学性能测试

【实验目的、任务】

通过本实验了解万能试验机的结构特点及操作程序；掌握试样的制作方法。

【实验内容】

使用万能试验测量聚合物样品的力学性能。

【实验难重点】

1.重点：万能试验机的操作方式及力学性能指标

实验四：高分子材料表面电阻，体积电阻的测定

【实验目的、任务】

使用高阻计测量聚合物材料表面电阻和体积电阻的测定原理和计算方法。了解高阻计的结构和操作程序。

【实验内容】

使用高阻计测量聚合物材料表面电阻和体积电阻。

【实验原理】

将试样的微弱电流经过放大后，推动指示仪表，故可测量较高的绝缘电阻。

【实验重难点】

重难点：聚合物材料表面电阻和体积电阻的测试原理和计算方法。

实验五：稀溶液粘度法测定聚合物分子量

【实验目的、任务】

通过本实验了解掌握难度法测定聚合物分子量的基本原理及计算方法。测定聚乙烯醇水溶液的特性粘度，并计算其平均分子量。

【实验内容】

使用乌氏粘度计测量聚乙二醇样品的年均分子量。

【实验原理】

线性高分子溶液的基本特性之一是粘度比较大，并且粘度值与平均分子量有关，因此可以利用这一特性测定侧其分子量。

【实验重难点】

1.重点：粘度法测定聚合物分子量的原理和计算方法

2.难点：实验操作的准确掌握。

四、实验项目学时分配表

1.题目与要求

2.实验内容（试验原理、操作步骤等）

3.实验过程、计算及结果

4.问题分析和试验讨论

六、成绩评定办法及标准

综合学习态度、实验操作情况和试验报告给出成绩。成绩评定分为优秀、良好、中等、及格和不及格。

七、教材及参考书

教材： 《聚合物近代仪器分析（第二版）》主编：汪昆华，罗传秋，周啸 出版

社：清华大学出版社

参考书：《高聚物结构、性能与测试》 主编：焦剑、雷渭缓 出版社：化学工业

出版社

《聚合物结构分析》 主编 ：朱诚身，杨向萍 出版社：科学出版社

《聚合物材料表征与测试》主编：杨万泰 出版社：中国轻工业出版社《高分子实用材料剖析技术》 主编：董炎明 出版社：中国石化出版社

第三篇：《高分子材料结构与性能》课程教学大纲

《高分子材料结构与性能》课程教学大纲

课程代码：

070417

课程性质：专业任选总学时：

学时

总学分：

开课学期：

适用专业：化工 先修课程：有机化学、物理化学后续课程：毕业论文

大纲执笔人：HJH

参加人： HGJGHJH

审核人：

JHHJH

修订时间：2012年8月

编写依据：

09化学工程与工艺专业人才培养方案（2009）年版

一、课程介绍

高分子材料结构与性能课程是以高分子结构-性能-应用为主线，联系其他材料科学，阐述了高分子材料的合成方法、结构性能和主要应用领域，并简要介绍了各类高分子材料的基础知识和有关的加工成型方法。通过本课程的学习，使学生能够了解高分子材料的基础知识，拓宽知识面，使学生进一步了解本专业。它是学生学习《材料物理》、《材料物理实验》、《树脂基复合材料》《复合材料科学与工程实验》、《高分子材料成型加工》、《高分子材料工程实验》等其它专业基础课的先修课程和基础，同时也是不同专业十几门选修课的先修课程，在专业培养中处于重要地位。同时，该课程也可作为化学化工类非高分子专业的本专科生，为拓宽知识面，认识基础高分子科学相关的选修课，有望发展成化学化工类大学生专业基础课程，为将来从事材料领域的研究和开发工作打好基础。

二、本课程教学在专业人才培养中的地位和作用 材料在生产与生活中占有非常重要的地位，并与人们生活紧密相联。而作为材料学中的一大类别——高分子材料正发挥着越来越重要的作用。本门课程作为应用化学以及化学工程与工艺专业本科生的一门专业选修课，目的在于让学生了解高分子材料学的基础知识，扩大知识面，培养学生掌握高分子材料基本知识与概念，并能初步分析和解决材料研究中的实际问题。高分子材料结构与性能是以高分子材料为基本研究对象的一门课程，是高分子科学的基础课程。与化学的其它二级学科相比，它与现代物理学有着更加深刻的亲缘关系，其发展更加依赖于化学与物理学的进步，同时也对这两大轴心科学的进步产生深刻的影响。由于近年高分子科学对各个工业部门和科技领域的渗透作用显著，所以在化学本科等非高分子专业作为选修课教学具有重要的意义。

三、本课程教学所要达到的基本目标

高分子材料结构与性能课程的内容主要包括高分子材料的结构-性能-应用的内在联系和塑料、橡胶、纤维、涂料、黏合剂与功能高分子等主要高分子材料品种的介绍，要求学生在掌握高分子材料的结构-性能-应用的内在联系的基础上，熟悉塑料、橡胶、纤维、涂料、黏合剂的一些主要品种，并能对一些材料性能及相关影响因素做出简单解释。通过教学提高学生运用高分子化学与物理的知识分析问题、解决问题的能力。

本课程的基本要求如下：

1、掌握高分子的基本知识、基本概念；

2、了解高分子各类材料的特点；

3、了解和掌握高分子材料的各种合成方法；

4、了解和掌握高分子材料的结构与性能的关系。

四、学生学习本课程应掌握的方法与技能

本课程较系统地阐述了高分子材料的合成方法，并以高分子结构-性能-应用为主线，介绍了各类高分子材料的基础知识，是关于高分子材料基础应用的实用课程，它的任务是使学生较熟练地掌握各类高分子材料的基本概念、制备及其应用，并能运用结构-性能-应用的内在联系，初步分析和解决材料研究中的实际问题。

五、本课程与其他课程的联系与分工 《高分子材料结构与性能》课程是材料化学、高分子材料与工程及其相近专业的一门重要课程，是在学生具备了必要的有机化学、物理化学等基础知识之后，在学习了高分子化学与物理基础上选修的专业基础课程，并为功能高分子材料化学，高聚物合成工艺学等后续专业课程的学习奠定坚实的基础。

六、本课程的教学内容与目的要求 【第一章】材料科学概述（共2学时）

1、教学目的和要求：

（1）熟悉材料的分类；了解材料的多层次结构。

（2）掌握复合材料及复合效应以及材料工艺及其与结构和性能的关系。

2、教学内容：

（1）第一节材料与材料科学（2）第二节材料结构简述（3）第三节材料的性能

（4）第四节材料工艺及其与结构和性能的关系（5）第五节材料的强化机制

3、教学重点和难点：

（1）重点：材料及材料化过程，复合材料，功能物性，材料结构及性能关系（2）难点：几个重要概念，复合材料，材料化过程

4、本章思考题： P289思考题与习题

【第二章】高分子材料的制备反应（共4学时）

1、教学目的和要求：

（1）熟悉连锁聚合反应与逐步聚合反应的基本反应类型。（2）了解高分子材料制备反应的新进展；掌握自由基聚合反应与自由基共聚合反应的概念、机理及应用以及聚合实施方法。

2、教学内容：

（1）第一节高分子与高分子材料（2）第二节连锁聚合反应（3）第三节逐步聚合反应

（4）第四节高分子材料制备反应新进展

3、教学重点和难点：

（1）重点：自由基聚合，乳液聚合，逐步加聚反应

（2）难点：连锁聚合反应与逐步聚合反应机理、反应条件

4、本章思考题：

P289-291思考题与习题

【第三章】高分子材料的结构与性能（共8学时）

1、教学目的和要求：（1）熟悉聚合物大分子联的组成和构造，聚合物凝聚态结构；了解高分子材料的力学性能、物理性能以及化学性能。（2）掌握聚合物分子运动的特点、聚合物的物理状态、玻璃化转变以及聚合物熔体的流动。

2、教学内容：

（1）第一节聚合物的结构

（2）第二节高聚物的分子运动及物理状态（3）第三节高分子材料的力学性能（4）第四节高分子材料的物理性能（5）第五节高分子材料的化学性能

3、教学重点和难点：

（1）重点：聚合物的柔顺性与构象的关系，聚合物分子运动的特点，聚合物的松弛现象，聚合物的力学三态，聚合物熔体特性，聚合物的力学屈服以及聚合物的力化学过程。（2）难点：聚合物的松弛特性，力学屈服现象

4、本章思考题：

P291-293思考题与习题

【第四章】通用高分子材料（共8学时）

1、教学目的和要求：

（1）熟悉几大类通用高分子材料的基本概念、分类；掌握通用高分子材料的结构、性能及应用。

（2）了解塑料、橡胶、纤维、黏合剂及涂料的制备工艺。

2、教学内容：（1）第一节塑料（2）第二节橡胶（3）第三节纤维

（4）第四节胶黏剂及涂料

3、教学重点和难点：

（1）重点：塑料的组成、作用及成型加工方法，热塑性塑料，工程塑料，热固性塑料，合成橡胶

（2）难点：几个重要概念，通用高分子材料的结构、性能及应用之间的内在联系

4、本章思考题：

P293-294思考题与习题

【第五章】功能高分子材料（共4学时）

1、教学目的和要求：

（1）以专题讲座的方式引入功能高分子的基本概念，分类及应用。（2）重点结合自己的科研成果，简单介绍几类功能高分子。

2、教学内容：

（1）第一节医用高分子及高吸水性树脂

（2）第二节智能高分子及功能高分子最新进展

3、教学重点和难点：

（1）重点：医用高分子及高吸水性树脂，智能高分子及功能高分子最新进展（2）难点：几个重要概念，刺激响应性，功能高分子的作用机理

4、本章思考题： P294思考题与习题

【第六章】聚合物共混物（共2学时）

1、教学目的和要求：

了解聚合物共混物的基本概念、制备方法及主要品种。

2、教学内容：

（1）第一节聚合物共混物及其制备方法（2）第二节主要品种

3、教学重点和难点：

（1）重点：几个重要概念，聚合物共混物的制备方法（2）难点：聚合物共混物，互穿网络聚合物，混炼挤出设备

4、本章思考题：

P294-295思考题与习题

【第七章】聚合物基复合材料（共4学时）

1、教学目的和要求：

了解聚合物基复合材料物的基本概念、制备方法及主要品种。

2、教学内容：

（1）第一节聚合物基宏观复合材料（2）第二节聚合物基纳米复合材料

3、教学重点和难点：

（1）重点：宏观聚合物基复合材料的基本类型及增强剂的类型，聚合物基纳米复合材料的类型

（2）难点：偶联剂在复合材料制备中的作用及作用机理

4、本章思考题： P295思考题与习题

七、本课程教学时数分配表 章节

标题

学时分配

讲授

实践

一

第一章材料科学概述

二

第二章高分子材料的制备反应

三

第三章高分子材料的结构与性能

四

第四章通用高分子材料

五

第五章功能高分子材料

六

第六章聚合物共混物

七

第七章聚合物基复合材料

合计 32

八、教材和主要参考资料

1、指定教材：

《高分子材料基础》张留成，翟雄伟，丁会利。化学工业出版社，2007年

2、主要参考资料：

《高分子材料》黄丽主编。化学工业出版社，2009年

《高分子材料科学导论》张德庆，张东兴，刘立柱编著，1999年

九、课程考核与成绩评定方法

1、命题要求

（1）命题内容要求

命题要着眼于所学课程的基础知识和基本技能的考核，要突出重点，注意覆盖面，要符合学生学习和生活的实际，贴近社会实际，要重视对学生在具体情景中综合运用所学知识分析和解决问题的能力的考查，要有助于培养学生创新精神和实践能力。试卷结构应简洁、合理，题量要适度。要根据课程特点处理好客观题与主观题的比例。能力层次分值分配为：了解占50%，理解占30%，综合应用占20%。

（2）命题的覆盖面、难易度、题型结构等要求

命题覆盖面涉及教学大纲规定教学内容的相关章节，考虑到本课程为专业选修课，难易应适中或偏易，题型主要有填空题、选择题（单选）、判断题、简答题和计算题。

2、考核方法及用时

本课程考核按考查课程的要求进行，考核采取课堂测验方式，完成时间为110分钟，成绩采用百分制。

3、课程考核成绩构成

学期总成绩=作业成绩×30%+考勤成绩×30%+期末测试成绩×40%；

第四篇：材料性能学复习题

1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？

金属的弹性模量主要取决于原子间距和原子间作用力，也即金属原子本性，晶格类型。而材料的成分和组织对它影响不大，所以说它是一个对组织不敏感性能指标。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。2决定金属屈服强度的因素有哪些？

①金属本性和晶格类型，晶格阻力—派纳力，位错运动交互作用力越强，屈服强度越高；②晶粒大小和亚结构，晶粒减小，屈服强度增加；③溶质元素，加入溶质元素将产生晶格畸变，与位错应力场交互运动，提高屈服强度；④第二相，不可逆变形第二相将增加流变应力，提高屈服强度，可你变形第二相将产生界面能，提高屈服强度；⑤温度，派纳力属于短程力，对温度十分敏感，温度升高，屈服强度降低⑥应变速率，应变速率大，强度增加；⑦应力状态，切应力分量越大，越有利塑性变形，屈服强度降低。

3韧性断裂和脆性断裂的区别。为什么脆性断裂更加危险。韧性断裂：断裂前产生明显宏观塑性变形，断裂面一般平行于最大切应力与主应力成45度角，断口成纤维状，灰暗色。断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇，这三个区域的比例关系与材料韧度有关，塑性越好，放射线越粗大，塑性越差，放射线变细甚至消失。

脆性断裂：断裂前基本上不发生塑性变形的突然断裂。断裂面与正应力垂直，断口平齐而光滑，呈放射状或结晶状。（脆性断裂也产生微量塑性变形，断面收缩率一般小于5%）

4对金属材料韧脆转变的影响因素。

①材料成分，凡加入合金元素引起滑移系减少，孪生，位错钉扎的都增加脆性，若合金中形成粗大第二相也增加脆性；②杂质，聚集在晶界上的杂质会降低材料的塑性，发生脆断；③bcc金属具有低温脆断现象，同时在低温下，塑性变形一孪生为主，易于产生裂纹，低温脆性大；④晶粒大小，晶粒小，晶界多，不易产生裂纹，也不易扩展，细化晶粒将提高抗脆性能；⑤应力状态，减少切应力和正应力的比值都将增加金属的脆性；⑥加载速度，加载速度大，金属会发生韧脆转变。

5缺口拉伸是应力分布有何特点

缺口截面上的应力分布是不均匀的，轴向应力在缺口根部最大，离开根部的距离增大，应力不断减小，即在根部产生应力集中。

6今有如下零件和材料等需要测定硬度，试说明选用何种硬度试验方法为宜。渗碳层的硬度分布 HK或显微HV 淬火钢HRC 灰铸铁HB 鉴别钢种的隐晶马氏体和残余奥氏体显微HV或HK 仪表小黄铜齿轮HV 龙门刨床导轨HS HL 渗氮层HV 高速钢刀具HRC 退火态低碳钢HB 硬质合金HRA 火车弹簧HRA 退火状态下软钢HRB 7试说明低温脆性的物理本质及其影响因素

低温脆性的本质是材料屈服强度随温度降低急剧增加，其影响因素包括晶体结构，化学成分，显微组织（晶粒大小，晶相组织），温度，加载速率，试样的形状和尺寸。

8韧脆转变的确定方法有哪些？

①当低于某一温度材料吸收的冲击能量基本上不随温度变化，形成一个平台，该能量为低阶能，以低阶能开始上升的温度定义，记作NDP②高于某一温度材料吸收的能量也基本不变，形成一平台，成为高阶能，以高阶能对应的温度定义，记作FTP ③以低阶能和高阶能的平均值对应的温度定义，记作 FTE④通常取结晶区占整个断口面积50%的温度为韧脆转变温度，记作FATT50 9试说明低应力脆断的原因及方法 原因：与材料内部一定尺寸的裂纹相关，当裂纹在给定的作用力下扩展临界尺寸时就会突然破坏。

防止方法：添加细化晶粒的合金元素，细化晶粒，形成板条马氏体及残留奥氏体薄膜增强韧性，温度越低，脆性一般就越大，增加应变速率也会降低塑性，因此要降低温度和应变速率。

10应力场强度因子以及断裂韧度

应力场强度因子是力学参量，表示裂纹体中裂纹尖端的应力应变场强度的大小，它取决于外加应力，试样尺寸和裂纹类型，而和材料无关；断裂韧度是材料的力学性能指标，表示材料在平面应变的状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力，它决定于材料的成分，结构等内在因素，而以外加应力及试样尺寸等外在因素无关。11疲劳断口有什么特点

有源疲劳。在形成疲劳裂纹之后，裂纹慢速扩展，形成贝壳状或海滩状条纹。这种条纹开始时比较密集，以后间距逐渐增大。由于载荷的间断或在和大小的改变，裂纹经过多次张开闭合并由于裂纹表面的相互摩擦，形成一条条光亮的弧线，叫做疲劳裂纹前沿线，这个区域通常称为疲劳裂纹扩展区，而最后断裂区和静载下带尖锐缺口试样的断口相似。对于塑性材料，断口为纤维状，对于脆性材料，则为结晶状断口。总之，一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部分构成。

12什么是裂纹断裂门槛值，那些因素影响其值大小？

把裂纹扩展的每一微小过程看成是裂纹体小区域的断裂过程，则 设想应力强度因子幅度△K=Kmax-Kmin 是疲劳裂纹扩展的控制因子，当△K 小于某临界值△Kth 时，疲劳裂纹不扩展，所以△Kth 叫疲劳裂纹扩展的门槛 值。应力比、显微组织、环境及试样的尺寸等因素对△Kth 的影响很大。13提高零件的疲劳寿命有

①只要能降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量，形态，大小，分布，均可抑制或延缓疲劳裂纹的萌生。②晶界强化，净化和晶粒细化，可以提高材料疲劳寿命，细化晶粒既能阻止疲劳裂纹在晶界处萌生，又能阻止疲劳裂纹的扩展，提高疲劳强度。③表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力，阻止疲劳裂纹的扩展，同时还能提高机件表面强度和硬度。14如何判断某一零件的破坏是由应力腐蚀引起的

①应力腐蚀显微裂纹常有分叉的现象，呈枯树枝状，即：有一主裂纹扩展较快，其他分支裂纹扩展较慢根据这一特征可以区分；②采用极化实验方法：当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹时间的是应力腐蚀，当外加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间的是氢致延滞性断裂。

15何为氢致延滞性断裂？为什么高强度的钢的氢致延滞性断裂是在一定的应变速率和一定的温度范围内出现？ 高强度钢种固溶一定量的氢，在对于屈服强度的应力持续作用下，经过一段时间的孕育，金属内部形成裂纹，发生断裂的现象叫做氢致延滞性断裂。

氢固溶在金属晶格中，产生晶格膨胀畸变，与刃位错交互作用，氢易迁移到位错应力处，形成氢气团。当应变速率较低而温度较高时，氢气团能够跟上位错运动，但滞后位错一定距离，对位错起钉扎作用，产生局部硬化。当位错塞积聚集，产生应力作用，导致微裂纹。当应变速率过高及温度较低的情况下，氢气团不能跟上位错运动，便不能产生钉扎作用，也不可能在位错塞积聚集，产生微裂纹。16粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施-----又称为咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦副相对滑动速度较小，因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力 超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。磨损机理： 实际接触点局部应力引起塑性变形，使两接触面的原子产生粘着。粘着点从软的一方被剪断转移到硬的一方金属表面，随后脱落形成磨屑 旧的粘着点剪断后，新的粘着点产生，随后也被剪断、转移。如此重复，形 成磨损过程。

改善粘着磨损耐磨性的措施 1.选择合适的摩擦副配对材料 选择原则：配对材料的粘着倾向小 互溶性小 表面易形成化合物的材料 金属与非金属配对 2.采用表面化学热处理改变材料表面状态 进行渗硫、磷化、碳氮共渗等在表面形成一层化合物或非金属层，即避免摩 擦副直接接触又减小摩擦因素。3.控制摩擦滑动速度和接触压力 减小滑动速度和接触压力能有效降低粘着磨损。4.其他途径 改善润滑条件，降低表面粗糙度，提高氧化膜与机体结合力都能降低粘着磨 损。

17影响接触疲劳寿命的因素？

内因 1.非金属夹杂物 脆性非金属夹杂物对疲劳强度有害 适量的塑性非金属夹杂物（硫化物）能提高接触疲劳强度 塑性硫化物随基体一起塑性变形，当硫化物把脆性夹杂物包住形成共生夹杂 物时，可以降低脆性夹杂物的不良影响。生产上尽可能减少钢中非金属夹杂物。2.热处理组织状态 接触疲劳强度主要取决于材料的抗剪切强度，并有一定的韧性相配合。当马氏体含碳量在 0.4~0.5w%时，接触疲劳寿命最高。马氏体和残余奥氏体的级别 残余奥氏体越多，马氏体针越粗大，越容易产生微裂纹，疲劳强度低。未溶碳化物和带状碳化物越多，接触疲劳寿命越低。3.表面硬度和心部硬度 在一定硬度范围内，接触疲劳强度随硬度的升高而增加，但并不保持正比线 性关系。表面形成一层极薄的残余奥氏体层，因表面产生微量塑性变形和磨损，增加 了接触面积，减小了应力集中，反而增加了接触疲劳寿命。渗碳件心部硬度太低，表层硬度梯度过大，易在过渡区内形成裂纹而产生深 层剥落。表面硬化层深度和残余内应力 硬化深度要适中，残余压应力有利于提高疲劳寿命。外因 1.表面粗糙度 减少加工缺陷，降低表面粗糙度，提高接触精度，可以有效增加接触疲劳寿 命。接触应力低，表面粗糙度对疲劳寿命影响较大 接触应力高，表面粗糙度对疲劳寿命影响较小 2.硬度匹配 两个接触滚动体的硬度和装配质量等都应匹配适当。18金属材料在高温下的变形机制与断裂机制，和常温比较有什么不同 机制：高温下的蠕变主要是通过位错攀移，原子扩散等机理进行的。常温下，若滑移面的位错运动受阻产生塞积，滑移便不能继续进行，只有在更大的切应力作用下，才能是位错重新运动和增值。但在高温作用下，位错可借助外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些短程障碍。扩散蠕变，是由于在高温条件下大量原子和空位定向移动。此外，高温下，由于晶界上的原子容易扩散，受力后易产生滑移，促进蠕变变形，这就是晶界滑动蠕变。断裂机制：金属材料在长时高温的断裂，大多为沿晶断裂，这是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展引起的。高温下，裂纹出现在境界上的突起部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动而产生空洞，最终导致沿晶断裂。19提高材料的蠕变抗力有哪些途径 合金化学成分：在基体金属中加入合金元素形成单相固溶体。加入能够形成弥散相的合金元素能够增加晶界扩散激活能的元素。冶炼工艺：珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺。奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶处理和时效。采用形变热处理改变晶界形状并在晶内形成多边化的亚晶界。

晶粒度：使用温度低于等强温度时，晶粒细化。奥氏体耐热钢及镍基合金一般以2到4级晶粒度较好。

第五篇：材料性能知识

材料性能知识大全

1、关于拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线的问题 低碳钢的应力－应变曲线 a、拉伸过程的变形：

弹性变形，屈服变形，加工硬化（均匀塑性变形），不均匀集中塑性变形。b、相关公式：

工程应力 ζ=F/A0 ；工程应变ε=ΔL/L0；比例极限ζP；弹性极限ζε；屈服点ζS；抗拉强度ζb；断裂强度ζk。

真应变 e=ln(L/L0)=ln(1+ε)；真应力 s=ζ(1+ε)= ζ*eε 指数e为真应变。c、相关理论：

真应变总是小于工程应变，且变形量越大，二者差距越大；真应力大于工程应力。

弹性变形阶段，真应力—真应变曲线和应力—应变曲线基本吻合；塑性变形阶段两者出线显著差异。

2、关于弹性变形的问题 a、相关概念

弹性：表征材料弹性变形的能力 刚度：表征材料弹性变形的抗力

弹性模量：反映弹性变形应力和应变关系的常数，E=ζ/ε ；工程上也称刚度，表征材料对弹性变形的抗力。

弹性比功：称弹性比能或应变比能，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，评价材料弹性的好坏。包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形，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。滞弹性：（弹性后效）是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。

弹性滞后环：非理想弹性的情况下，由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线。

金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫内耗 b、相关理论：

弹性变形都是可逆的。

理想弹性变形具有单值性、可逆性，瞬时性。但由于实际金属为多晶体并存在各种缺陷，弹性变形时，并不是完整的。

弹性变形本质是构成材料的原子或离子或分子自平衡位置产生可逆变形的反映 单晶体和多晶体金属的弹性模量，主要取决于金属原子本性和晶体类型。包申格效应；滞弹性；伪弹性；粘弹性。

包申格效应消除方法：预先大塑性变形，回复或再结晶温度下退火。循环韧性表示材料的消震能力。

3、关于塑形变形的问题 a、相关概念

滑移：滑移系越多，塑性越好；滑移系不是唯一因素（晶格阻力等因素）；滑移面——受温度、成分和变形的影响；滑移方向——比较稳定

孪生：fcc、bcc、hcp都能以孪生产生塑性变形；一般在低温、高速条件下发生；变形量小，调整滑移面的方向

屈服现象：退火、正火、调质的中、低碳钢和低合金钢比较常见，分为不连续屈服和连续屈服；

屈服点：材料在拉伸屈服时对应的应力值，ζs；

上屈服点：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力值，ζsu； 下屈服点：试样屈服阶段中最小应力，ζsl； 屈服平台（屈服齿）：屈服伸长对应的水平线段或者曲折线段；

吕德斯带：不均匀变形；对于冲压件，不容许出现，防止产生褶皱。屈服强度：表征材料对微量塑性变形的抗力

连续屈服曲线的屈服强度：用规定微量塑性伸长应力表征材料对微量塑性变形的抗力（1）规定非比例伸长应力ζp：

（2）规定残余伸长应力ζr：试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力；残余伸长的百分比为0.2%时，记为ζr0.2

（3）规定总伸长应力ζt：试样标距部分的总伸长（弹性伸长加塑性伸长）达到规定的原始标距百分比时的应力。晶格阻力（派纳力）；位错交互作用阻力

Hollomon公式： S=Ken，S为真应力，e为真应变；n—硬化指数0.1~0.5，n=1,完全理想弹性体，n=0，没有硬化能力；K——硬化系数

缩颈是：韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象。抗拉强度：韧性金属试样拉断过程中最大试验力所对应的应力。代表金属材料所能承受的最大拉伸应力，表征金属材料对最大均匀塑性变形的抗力。与应变硬化指数和应变硬化系数有关。等于最大拉应力比上原始横截面积。

塑性是指金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。b、相关理论

常见的塑性变形方式：滑移，孪生，晶界的滑动，扩散性蠕变。塑性变形的特点：各晶粒变形的不同时性和不均匀性（取向不同；各晶粒力学性能的差异）；各晶粒变形的相互协调性（金属是一个连续的整体，多系滑移；Von Mises 至少5个独立的滑移系）。

硬化指数的测定：①试验方法；②作图法lgS=lgK+nlge 硬化指数的影响因素：与层错能有关,层错能下降，硬化指数升高；对金属材料的冷热变形也十分敏感；与应变硬化速率并不相等。

缩颈的判据（失稳临界条件）拉伸失稳或缩颈的判据应为dF=0 两个塑性指标：断后伸长率δ=(L1-L0)/LO*100%； 断后收缩率：ψ=(A0-A1)/A0*100% ψ>δ，形成为缩颈

ψ=δ或ψ<δ，不形成缩颈

4、关于金属的韧度断裂问题 a、相关概念

韧性：断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力 韧度：单位体积材料断裂前所吸收的功

韧性断裂：裂纹缓慢扩展过程中消耗能量；断裂最先发生在纤维区，然后快速扩展形成放射最后断裂形成剪切唇，放射区在裂纹快速扩展过程中形成，一般放射区汇聚方向指向裂纹源。脆性断裂：基本不产生塑性变形，危害性大。低应力脆断，工作应力很低，一般低于屈服极限；脆断裂纹总是从内部的宏观缺陷处开始；温度降低，应变速度增加，脆断倾向增加。穿晶断裂：裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂，断口明亮。沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，都是脆性断裂，由晶界处的脆性第二相等造成，断口相对灰暗。穿晶断裂和沿晶断裂可混合发生。高温下，多由穿晶断裂转为沿晶韧性断裂。沿晶断裂断口：断口冰糖状；若晶粒细小，断口呈晶粒状。剪切断裂：材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。（滑断、微孔聚集型断裂）解理断裂：材料在正应力作用下，由于原于间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。

金属的强度就是指金属材料原子间结合力的大小，一般说金属熔点高，弹性模量大，热膨胀系数小则其原子间结合力大，断裂强度高。断裂的实质就是外力作用下材料沿某个原子面分开的过程。

格里菲思理论：从热力学观点看，凡是使能量减低的过程都将自发进行，凡使能量升高的过程必将停止，除非外界提供能量。Griffth指出，由于裂纹存在，系统弹性能降低，与因存在裂纹而增加的表面能平衡。如弹性能降低足以满足表面能增加，裂纹就会失稳扩展，引起脆性破坏。b、相关理论

断裂三种主要的失效形式：磨损、腐蚀、断裂 多数金属的断裂包括裂纹的形成和扩展两个阶段。按断裂的性态：韧性断裂和脆性断裂；按裂纹扩展路径：穿晶断裂和沿晶断裂；按断裂机制：解理断裂和剪切断裂 韧性断裂和脆性断裂：根据材料断裂前产生的宏观塑性变形量的大小来确定。通常脆性断裂也会发生微量的塑性变形，一般规定断面收缩率小于5％则为脆性断裂。反之大于5％的为韧性断裂。

脆性断口平齐而光亮，与正应力垂直，断口常呈人字纹或放射花样。

解理断裂是沿特定的晶面发生的脆性穿晶断裂，通常总沿一定的晶面分离。解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂。常见的裂纹形成理论：①位错塞积理论 ②位错反应理论 解理与准解理

共同点：穿晶断裂；有小解理刻面；台阶及河流花样 不同点：①准解理小刻面不是晶体学解理面②解理裂纹常源于晶界，准解理裂纹常源于晶内硬质点。准解理不是一种独立的断裂机理，而是解理断裂的变种。格雷菲斯理论是根据热力学原理得出的断裂发生的必要条件，但并不意味着事实上一定断裂。裂纹自动扩展的充分条件是尖端应力等于或大于理论断裂强度。

5、关于硬度的问题 a、硬度概念

硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。b、硬度试验方法: 划痕法——表征金属切断强度 回跳法——表征金属弹性变形功

压入法——表征塑性变形抗力及应变硬化能力 布氏硬度

压头：淬火钢球（HBS），硬质合金球（HBW）载荷：3000Kg 硬质合金，500Kg 软质材料 保载时间：10-15s 黑色金属，30s 有色金属 压痕相似原理

只用一种标准的载荷和钢球直径,不能同时适应硬的材料或者软的材料。为保证不同载荷和直径测量的 硬度值之间可比，压痕必须满足几何相似。布氏硬度表示方法：600HBW1/30/20 ①度值，②符号HBW，③球直径，④试验力(1kgf=9.80665N)，⑤试验力保持时间 布氏硬度试验的优缺点： 优点：压头直径较大→压痕面积较大→硬度值可反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，不受个别组成 相及微小不均匀性的影响。

缺点：对不同材料需更换压头直径和改变试验力，压痕测量麻烦，自动检测受到限制；压痕较大时不宜在成品上试验 洛氏硬度

以测量压痕深度表示材料硬度值。

压头有两种：α＝120°的金刚石圆锥体，一定直径的淬火钢球。洛氏硬度试验优缺点：

优点：操作简便、迅速，硬度可直接读出；压痕较小，可在工件上试验；用不同标尺可测定软硬不同和厚薄不一的试样。

缺点：压痕较小，代表性差；材料若有偏析及组织不均匀等缺陷，测试值重复性差，分散度大；用不同标尺测得的硬度值没有联系，不能直接比较。维氏硬度

原理与布氏硬度试验相同，根据单位面积所承受的试验力计算硬度值。不同的是维氏硬度的压头是两个相对面夹角α为136°的金刚石四棱锥体。努氏硬度

与维氏硬度的区别1）压头形状不同；2）硬度值不是试验力除以压痕表面积，而是除以压痕投影面积 肖氏硬度

一种动载荷试验法，原理是将一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值大小，也称回跳硬度。用HS表示。里氏硬度

动载荷试验法，用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定的速度冲击试样表面，用冲头的回弹速度表征金属的硬度值。用HL表示。

6、关于金属在冲击载荷下的力学性能 a、相关概念 冲击韧性：指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功AK表示。

冲击测量参数：测量冲击脆断后的冲击吸收功（AkU或AKV），冲击吸收功并不能真正反映材料的韧脆程度（冲击吸收功 并非完全用于试样变形和破坏）

低温脆性:体心立方或某些密排六方晶体金属及合金，当试验温度低于某一温度tk或温度区间时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状。tk或温度区间称为韧脆转变温度，又称冷脆转变温度。

b、相关理论

韧脆的评价方法：材料的缺口冲击弯曲试验，材料的冲击韧性 韧脆的影响因素：温度（低温脆性）；应力状态（三向拉应力状态）；变形速度的影响（冲击脆断）

低温脆性的本质：低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加的结果。屈服强度ζs的随温度降低而升高，而断裂强度ζc随温度变化很小。t>tk ,ζc >ζs ,先屈服再断裂；t

晶体结构：体心立方金属及其合金存在低温脆性。普通中、低强度钢的基体是体心立方点阵的铁素体，故这类钢 有明显的低温脆性。

化学成分：间隙溶质元素溶入铁素体基体中，偏聚于 位错线附近，阻碍位 错运动，致ζs升高，钢的韧脆转变温度提高。

显微组织：晶粒大小，细化晶粒使材料韧性增加；减小亚晶和胞状结构尺寸也能提高韧性。细化晶粒提高韧性的原因：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积 增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿 晶脆性断裂。金相组织

7、关于金属疲劳的问题 a、金属疲劳现象

疲劳：金属机件在变动应力和应变长期作用下，由于积累损伤而引起的断裂现象。

疲劳的破坏过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。

循环应力的波形：正弦波、矩形波和三角波等。表征应力循环特征的参量有：

最大循环应力ζmax，最小循环应力ζmin；平均应力:ζm=(ζmax+ζmin)/2；应力幅或应力范围:ζa=(ζmax-ζmin)/2；应力比:r=ζmin/ζmax 疲劳按应力状态分：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳及复合疲劳；

疲劳按环境和接触情况分：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳及接触疲劳等。疲劳按应力高低和断裂寿命分：高周疲劳和低周疲劳。b、金属疲劳特点 疲劳的特点：该破坏是一种潜藏的突发性破坏，在静载下显示韧性或脆性破坏的材料在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂。

疲劳对缺口、裂纹及组织等缺陷十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、疏松、白点、脱碳等)，将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。c、金属疲劳宏观断口

疲劳宏观断口的特征：疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。

疲劳源：是疲劳裂纹萌生的策源地。

位置：多出现在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连。但若材料内部存在严重冶金缺陷(夹杂、缩孔、伯析、白点等)，也会因局部材料强度降低而在机件内部引发出疲劳源。特点：因疲劳源区裂纹表面受反复挤压，摩擦次数多，疲劳源区比较光亮，而且因加工硬化，该区表面硬度会有所提高。

数量：机件疲劳破坏的疲劳源可以是一个，也可以是多个，它与机件的应力状态及过载程度有关。如单向弯曲疲劳仅产生一个源区，双向反复弯曲可出现两个疲劳源。过载程度愈高，名义应力越大，出现疲劳源的数目就越多。

产生顺序：若断口中同时存在几个疲劳源，可根据每个疲劳区大小、源区的光亮程度确定各疲劳源产生的先后，源区越光亮，相连的疲劳区越大，就越先产生；反之，产生的就晚。疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展形成的区域。

宏观特征：断口较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样)，有时还有裂纹扩展台阶。

断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱，反映裂纹扩展快馒、挤压摩擦程度上的差异。

贝纹线——疲劳区的最典型特征：产生原因:一般认为是因载荷变动引起的，因为机器运转时常有启动、停歇、偶然过载等，均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹线痕迹。

形貌特点：疲劳区的每组贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。近疲劳源区贝纹线较细密，表明裂纹扩展较慢；远离疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙，表明此段裂纹扩展较快。

影响因素:贝纹区的总范围与过载程度及材料的性质有关。若机件名义应力较高或材料韧性较差，则疲劳区范围较小，贝纹线不明显；反之，低名义应力或高韧性材科，疲劳区范围较大，贝纹线粗且明显。贝纹线的形状则由裂纹前沿线各点的扩展速度、载荷类型、过载程度及应力集中等决定。

瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域。在疲劳亚临界扩展阶段，随应力循环增加，裂纹不断增长，当增加到临界尺寸ac时，裂纹尖端的应力场强度因子KI达到材料断裂韧性KIc(Kc)时。裂纹就失稳快速扩展，导致机件瞬时断裂。

瞬断区的断口比疲劳区粗糙，宏观特征如同静载，随材料性质而变。脆性材料断口呈结晶状； 韧性材料断口，在心部平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区则有剪切唇区存在。位置：瞬断区一般应在疲劳源对侧。但对旋转弯曲来说，低名义应力时，瞬断区位置逆旋转方向偏转一角度；高名义应力时，多个疲劳源同时从表面向内扩展，使瞬断区移向中心位置。大小：瞬断区大小与机件承受名义应力及材料性质有关，高名义应力或低韧性材科，瞬断区大；反之。瞬断区则小。

d、疲劳曲线及基本疲劳力学性能

疲劳曲线：疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S－N曲线。用途：它是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。有水平段（碳钢、合金结构钢、球铁等）：经过无限次应力循环也不发生疲劳断裂，将对应的应力称为疲劳极限，记为ζ-1（对称循环）无水平段（铝合金、不锈钢、高强度钢等）：只是随应力降低，循环周次不断增大。此时，根据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断裂的应力作为条件疲劳极限。疲劳曲线的测定——升降法测定疲劳极限 d、疲劳过程及机理

疲劳过程：裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展三个过程。疲劳寿命Nf＝萌生期N0＋亚稳扩展期Np 金属材料的疲劳过程也是裂纹萌生相扩展的过程。

裂纹萌生往往在材料薄弱区或高应力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成。疲劳微裂纹常由不均匀滑移和显微开裂引起。主要方式有：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。e、如何提高疲劳强度

如何提高疲劳强度——滑移带开裂产生裂纹角度 从滑移开裂产生疲劳裂纹形成机理看，只要能提高材料滑移抗力（固溶强化、细晶强化等），均可阻止疲劳裂纹萌生，提高疲劳强度。

如何提高疲劳强度——相界面开裂产生裂纹角度 从第二相或夹杂物可引发疲劳裂纹的机理来看，只要能降低第二相或夹杂物脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布、使之“少、圆、小、匀”，均可抑制或延缓疲劳裂纹在第二相或夹杂物附近萌生，提高疲劳强度。如何提高疲劳强度——晶界开裂产生裂纹 从晶界萌生裂纹来看，凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔点夹杂物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氢及晶粒粗化等，均易产生晶界裂纹、降低疲劳强度；反之，凡使晶界强化、净化和细化晶粒的因素，均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳强度。f、影响疲劳强度的主要因素 表面状态的影响：应力集中——机件表面缺口因应力集中往往是疲劳策源地，引起疲劳断裂，可用Kf与qf表征缺口应力集中对材料疲劳强度的影响。Kf与qf越大，材料的疲劳强度就降得越低。且这种影响随材料强度的增高，更加显著。

表面粗糙度——表面粗糙度越低，材料的疲劳极限越高；表面粗糙度越高，疲劳极限越低。材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响越显著。

残余应力及表面强化的影响：残余压应力提高疲劳强度；残余拉应力降低疲劳强度。残余压应力的影响与外加应力的应力状态有关，不同应力状态，机件表面层的应力梯度不同。弯曲疲劳时,效果比扭转疲劳大；拉压疲劳时，影响较小。残余压应力显著提高有缺口机件的疲劳强度，残余应力可在缺口处集中，能有效地降低缺口根部的拉应力峰值。残余压应力的大小、深度、分布以及是否发生松弛都会影响疲劳强度。

表面强化的影响——表面强化可在机件表面产生残余压应力，同时提高强度和硬度。两方面的作用都会提高疲劳强度。（方法：喷丸、滚压、表面淬火、表面化学热处理）硬度由高到低的顺序：渗氮→渗碳→感应加热淬火；强化层深度由高到低顺序：表面淬火→渗碳→渗氮。材料成分及组织的影响：疲劳强度是对材料组织结构敏感的力学性能。合金成分、显微组织、非金属夹杂物及冶金缺陷 g、低周疲劳

低周疲劳：金属在循环载荷作用下，疲劳寿命为102～105次的疲劳断裂。循环硬化和循环软化现象与位错循环运动有关。

在一些退火软金属中，在恒应变幅的循环载荷下，由于位错往复运动和交互作用，产生了阻碍位错继续运动的阻力，从而产生循环硬化。

在冷加工后的金属中，充满位错缠结和障碍，这些障碍在循环加载中被破坏；或在一些沉淀强化不稳定的合金中。由于沉淀结构在循环加载中校破坏均可导致循环软化。热疲劳：机件在由温度循环变化时产生的循环热应力及热应变作用下发生的疲劳。热机械疲劳：温度循环和机械应力循环叠加所引起的疲劳。产生热应力的两个条件：①温度变化②机械约束

冲击疲劳：冲击次数N>105次时，破坏后具有典型的疲劳断口，即为冲击疲劳。