材料科学基础习题及答案 - 下载本文

弹性模量是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量,故是组织结构不敏感参数。在工程上,弹性模量

则是材料刚度的度量。

实际上,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。

对非晶体,甚至对某些多晶体,在较小的应力时,可能会出现粘弹性现象。粘弹性变形是既与时间有

关,又具有可恢复的弹性变形,即具有弹性和粘性变形量方面特征。粘弹性变形是高分子材料的重要力学特性之一。

当施加的应力超过弹性极限时,材料发生塑性变形,即产生不可逆的永久变形。通过塑性变形,不但

可使材料获得预期的外形尺寸,而且可使材料内部组织和性能产生变化。

单晶体塑性变形的两个基本方式为滑移和孪生。滑移和孪生都是切应变,而且只有当外加切应力分量

大于晶体的临界分切应力?C时才能开始。然而,滑移是不均匀切变,孪生为均匀切变。

对于多晶体而言,要求每个晶粒至少具备由5个独立的滑移系才能满足各晶粒在变形过程中相互制约

和协调。多晶体中,在室温下晶界的存在对滑移起阻碍作用,而且实践证明,多晶体的强度随其名的Hall-Petch公式来加以描述:

至于合金为单相固溶体时,由于溶质原子存在会呈现固溶强化效果,对某些材料还会出现屈服和应变

时效现象;当合金为多相组织结构时,其变形还会受到第二相的影响,呈现弥散强化效果。

而陶瓷晶体,由于其结合键(离子键、共价键)的本性,再加上陶瓷晶体中的滑移系少,位错的b大,

故其塑性变形相对金属材料要困难得多,只有以离子键为主的单晶陶瓷才能进行较大的塑性变形。对于高分子材料,其塑性变形是靠粘性流动而不是靠滑移产生的,故与材料粘度密切相关,而且受温度影响很大。

材料经塑性变形后,外力所做的功部分以储存能形式存在于材料内部,从而使系统的自由能升高,处

于不稳定状态。故此,回复再结晶是材料经过冷变形后的自发趋势,加热则加快这一过程的发生。

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当加热温度较低,时间较短时,发生回复。此时,主要表现为亚结构的变化和多边化过程,第一类内

应力大部消除,电阻率有所下降,而对组织形态和力学性能影响不大。

当加热温度较高,时间较长时就发生再结晶现象。再结晶时,新的无畸变等轴晶将取代冷变形组织,

其性能基本上回复到冷变形前的状态。

再结晶完成后继续加热时,晶粒将发生长名的Hall-Petch公式来加以描述:

至于合金为单相固溶体时,由于溶质原子存在会呈现固溶强化效果,对某些材料还会出现屈服和应变

时效现象;当合金为多相组织结构时,其变形还会受到第二相的影响,呈现弥散强化效果。

而陶瓷晶体,由于其结合键(离子键、共价键)的本性,再加上陶瓷晶体中的滑移系少,位错的b大,

故其塑性变形相对金属材料要困难得多,只有以离子键为主的单晶陶瓷才能进行较大的塑性变形。对于高分子材料,其塑性变形是靠粘性流动而不是靠滑移产生的,故与材料粘度密切相关,而且受温度影响很大。

材料经塑性变形后,外力所做的功部分以储存能形式存在于材料内部,从而使系统的自由能升高,处

于不稳定状态。故此,回复再结晶是材料经过冷变形后的自发趋势,加热则加快这一过程的发生。

当加热温度较低,时间较短时,发生回复。此时,主要表现为亚结构的变化和多边化过程,第一类内

应力大部消除,电阻率有所下降,而对组织形态和力学性能影响不大。

当加热温度较高,时间较长时就发生再结晶现象。再结晶时,新的无畸变等轴晶将取代冷变形组织,

其性能基本上回复到冷变形前的状态。

再结晶完成后继续加热时,晶粒将发生长大现象。

重点与难点

1. 弹性变形的特点和虎克定律; 2. 弹性的不完整性和粘弹性;

3. 比较塑性变形两种基本形式:滑移与孪生的异同点; 4. 滑移的临界分切应力;

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5. 滑移的位错机制; 6. 多晶体塑性变形的特点;7. 细晶强化与Hall-Petch公式;

8. 屈服现象与应变时效; 9. 弥散强化; 10. 加工硬化;

11. 形变织构与残余应力; 12. 回复动力学与回复机制; 13. 再结晶形核机制;

14. 再结晶动力学; 15. 再结晶温度及其影响因素;16. 影响再结晶晶粒大小的因素;

17. 晶粒的正常长大及其影响因素; 18. 一次与二次再结晶以及静态再结晶的区别;

19. 无机非金属材料塑性变形的特点;20. 高聚物塑性变形的特点。

重要概念与公式

弹性变形,弹性模量,包申格效应,弹性后效,弹性滞后,粘弹性;

塑性变形,滑移,滑移系,滑移带,滑移线,交滑移,双交滑移;

临界分切应力,施密特因子,软取向,硬取向,派-纳力;

孪生,孪晶面,孪生方向,孪晶,扭折;

固溶强化,屈服现象,应变时效,加工硬化,弥散强化;

形变织构,丝织构,板织构,残余应力,点阵畸变,带状组织,流线;

回复,再结晶,晶粒长大,二次再结晶,冷加工,热加工,动态再结晶;

储存能,多边化,回复激活能,再结晶激活能,再结晶温度;

弓出形核,临界变形量,再结晶织构,退火孪晶;

虎克定律:

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华裔的临界分切应力:

Peierls-Nabarro力:

Hall-Petch公式:

弥散强化关系式:

聚合型合金强化关系式:

加工硬化关系式:

回复动力学:

再结晶动力学:

在洁净的极限平均晶粒直径:

再结晶晶粒大小与温度之间的关系:

第六章概要

由一种元素或化合物构成的晶体称为单组元晶体或纯晶体,该体系称为单元系。对于纯晶体材料而言,随着温度和压力的变化,材料的组成相随之而变化。从一种相到另一种相的转变称为相变,由液相至固相的转变称为凝固,如果凝固后的固体是晶体,则又可称之为结晶。而由不同固相之间的转变称为固态相变,这些相变的规律可借助相图直观简明地表示出来。单元系相图表示了在热力学平衡条件下所存在的相与温度和压力之间的对应关系,理解这些关系有助于预测材料的性能。本章将从相平衡的热力学条件出发来理解相图中相平衡的变化规律。在这基础上,进一步讨论纯晶体的凝固热力学和动力学问题,以及内外因素对晶体生长形态的影响,鉴于单组元高分子(均聚物)的某些特殊性,本章专列一节\高分子的结晶特征\。

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1. 计算当压力增加到500×10Pa时锡的熔点的变化时,已知在10Pa下,锡的熔点为505K,熔化热7196J/mol,摩尔质量为118.8×10kg/mol,固体锡的体积质量密度7.30×10kg/m,熔化时的体积变化为+2.7%。

2. 根据下列条件建立单元系相图:

-3

3

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(a) 组元A在固态有两种结构A1和A2,且密度A2>A1>液体; (b) A1转变到A2的温度随压力增加而降低

(c) A1相在低温是稳定相;

(d) 固体在其本身的蒸汽压1333Pa(10mmHg)下的熔点是8.2℃; (e) 在1.013*10Pa(一个大气压)下沸点是90℃;

5

(f) A1A2和液体在1.013*10Pa(10个大气压)下及40℃时三相共存(假设升温相变

6

H<0)

3. 考虑在一个大气压下液态铝的凝固,对于不同程度的过冷度,即:ΔT=1,10,100和200℃,计算:

(a) 临界晶核尺寸; (b) 半径为r的晶核个数;

*

*

(c) 从液态转变到固态时,单位体积的自由能变化ΔG(形核功); (d) 从液态转变到固态时,临界尺寸r处的自由能的变化 ΔGv。

9

3

2

*

铝的熔点Tm=993K,单位体积熔化热Lm=1.836×10J/m,固液界面比表面能δ=93mJ/m,书中表6-4是121mJ/m,原子体积V0=1.66×10m。

4. (a) 已知液态纯镍在1.013×10Pa(1个大气压),过冷度为319℃时发生均匀形核。设临界晶核半径为1nm,纯镍的熔点为1726K,熔化热Lm=18075J/mol,摩尔体积V=6.6cm/mol,计算纯镍的液-固界面能和临界形核功。

3

5

2

-293

(b) 若要在2045K发生均匀形核,需将大气压增加到多少?已知凝固时体积变化ΔV=-0.26cm/mol(1J=9.87×10 cm.Pa)。 5. 纯金属的均匀形核率可以下式表示

3

5

3

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