材料结构与性能答案

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1.材料的结构层次有哪些，分别在什么尺度，用什么仪器进行分析？

现在,人们通过大量的科学研究和工程实践,已经充分认识到物质结构的尺度和层次是有决定性意义的。

在不同的尺度下,主要的,或者说起决定性的问题现象和机理都有很大的差异,因此需要我们用不同的思路和方法去研究解决这些问题。更值得注意的是空间尺度与时间尺度还紧密相关,不同空间尺度下事件发生及进行的时间尺度也很不相同。一般地讲,空间尺度越大的,则描述事件的时间尺度也应越长。不同的学科关注不同尺度的时空中发生的事件。现代科学则按人眼能否直接观察到,且是否涉及分子、原子、电子等的内部结构或机制,而将世界粗略地划分为宏观(Macro-scopic)世界和微观(Microscopic)世界。之后,又有人将可以用光学显微镜观察到的尺度范围单独分出,特别地称作/显微结构(世界)。随着近年来材料科学的迅速发展,材料科学家中有人将微观世界作了更细致地划分。而研究基本粒子的物理学家可能还会把尺度向更小的方向收缩,并给出另外的命名。对于宏观世界,根据尺度的不同,或许还可以细分为/宇宙尺度/太阳系尺度/地球尺度和/工程及人体尺度等。人类的研究尺度已小至基本粒子,大至全宇宙。但到目前为止,关于/世界的认识还在不断深化,因而对其划分也就还处于变动之中。即使是按以上的层次划分,其各界之间的边界也比较模糊,有许多现象会在几个尺度层次中发生。

在材料科学与工程领域中,对于材料结构层次的划分尚不统一,可以列举出许多种划分方法,例如:有的材料设计科学家按研究对象的空间尺度划分为三个层次:

(1)工程设计层次:尺度对应于宏观材料,涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。

(2)连续模型尺度:典型尺度在1Lm量级,这时材料被看作连续介质,不考虑其中单个原子、分子的行为。

(3)微观设计层次:空间尺度在1nm量级,是原子、分子层次的设计。国外有的计算材料学家,按空间和时间尺度划分四个层次〔1〕,即 (1)宏观

这是人类日常活动的主要范围,即人通过自身的体力,或借助于器械、机械等所能通达的时空。人的衣食住行,生产、生活无不在此尺度范围内进行。其空间尺度大致在0.1mm(目力能辨力最小尺寸)至数万公里人力跋涉之最远距离),时间尺度则大致在0.01秒(短跑时人所能分辨的速度最小差异)至100年(人的寿命差不多都在百年以内)。现今风行的人体工程学就是以人体尺度1m上下为主要参照的。 (2)介观

介观的由来是说它介于/宏观与/微观之间。其尺度主要在毫米量级。用普通光学显微镜就可以观察。在材料学中其代表物是晶粒,也就是说需要注意微结构了,如织构,成分偏析,晶界效应,孔中的吸附、逾渗、催化等问题都已开始显现。现在,介观尺度范围的研究成果在材料工程领域,如耐火材料工业、冶金工业等行业中有许多直接而成功的应用。 (3)微观

其尺度主要在微米量级,也就是前面所说/显微结构(世界)0。多年以来借助于光学显微镜、电子显微镜、X)衍射分析、电子探针等技术对于晶态、非晶态材料在这一尺度范围的行为表现有较多的研究,许多方法已成为材料学的常规手段。在材料学中,这一尺度的代表物有晶须、雏晶、分相时产生的液滴等。 (4)纳观

其尺度范围在纳米至微米量级,即10-6~10-9m,大致相当于几十个至几百个原子集合体的尺寸。在这一尺度范围已经显现出量子性,已经不再能将研究对象作为/连续体0,不能再简单地

以其统计平均量作为表征,微结构中的缺陷、掺杂等所起的作用明显加大。

2.不同凝聚状态在结构上有什么不同？

3.脆性断裂的本质是什么？格里菲斯微裂纹理论是如何解释的？

1.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。通常，脆断前也产生微量塑性变形。一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％者为脆性断裂，该材料即称为脆性材料；反之，大于5%者则为韧性材料。

脆性断裂的特点1.断裂前无明显的预兆2.断裂处往往存在一定的断裂源3.由于断裂源的存在，实际断裂强度远远小于理论强度

2.1 （1）为了传递力，力线一定穿过材料组织到达固定端力以音速通过力管（截面积为A），把P/n大小的力传给此端面。远离孔的地方，其应力为：ā=(P/n)/A （2）孔周围力管端面积减小为A1 ，孔周围局部应力为：ā=(P/n)/A1

（3）椭圆裂纹越扁平或者尖端半径越小，其效果越明显。应力集中：材料中存在裂纹时，裂纹尖端处的应力远超过表观应力。

2.2 Griffith提出的关于裂纹扩展的能量判据

断裂能的种类

热力学表面能：固体内部新生单位原子面所吸收的能量。塑性形变能：发生塑变所需的能量。

相变弹性能：晶粒弹性各向异性、第二弥散质点的可逆相变等特性，在一定的温度下，引起体内应变和相应的内应力。结果在材料内部储存了弹性应变能。

微裂纹形成能：在非立方结构的多晶材料中，由于弹性和热膨胀各向异性，产生失配应变，在晶界处引起内应力。当应变能大于微裂纹形成所需的表面能，在晶粒边界处形成微裂纹。

4.什么是延展性？

延展性（ductility and malleability），是物质的一种机械性质，表示材料在受力而产生破裂（fracture）之前，其塑性变形的能力。延展性是由延性、展性两个概念相近的机械性质合称。常见金属及许多合金均有延展性。在材料科学中，延性(Ductility)是材料受到拉伸应力（tensile stress）变形时，特别被注目的材料能力。延性它主要表现在材料被拉伸成线条状时。展性（Malleability）是另外一个较相似的概念，但它表示为材料受到压缩应力（compressive stress）变形，而不破裂的能力。展性主要表现在材料受到锻造或轧制成薄板时。延性和展性两者间并不总是相关，如黄金具有良好的延性和展性，但铅仅仅有良好的展性而已。然而，通常上因这两个性质概念相近，常被称为延展性。

5.提高材料强度改善脆性的措施及其原理

第六节提高材料强度的措施影响材料强度的因素是多方面的。而决定材料强度的本质因素是材料内部质点的结合力。提高材料的强度是指提高其抗弹性、塑性及断裂形变的能力，这几项主要决定的指标是 E 或 G ， γ 及裂纹长度。弹性模量表示原子间的结合力，它是一种结构不敏感性能常数， γ 则现微观结构有关 ( 但单相材料的微观结构对其影响不大 ) 。故关键的因素是是裂纹长度，因为裂纹长度与工艺过程有关，是可以改变的，所起的效果也是不错的。 1 提高无机材料抗弹性形变的能力主要是提高 E( 或 G) ，即提高弹性刚度。方法一：改变材料中的键合力 ( 原子结构 ) 。由于对于同类材料来说，熔点越大，模量 E 、 G 也就越大。因此，可试图变换其中的原子，而使健合力提高，从而达到增大 E 、 G 的目标，而提高抗弹性形变的能力。这种方法是不可取的。这是因为人们使用的材料是大量的，添加少量的异种原子所起的作用较小， E 、 G 代表晶格的平均键合力，是结构不敏感性能。方法二：复合材料 i) 在基体中加入弹性模量高的复合材料 ( 纤维、晶粒或其它材料 ) ，可使弹性模迅速增大。对于连续纤维单向强化复合材料，若纤维与基体的应变相，即 ε c = εf =ε m ，则有： E c = E f V f + E m V m σ c = σ f V f + σ m V m V f + V m = 1

E c 、 σ c ：复合材料的弹性模量和应力；

V f 、 E f 、 σ f ：纤维材料的体积分数、弹性模量和应力； V m 、 E m 、 σ m ：基体材料的体积分数、弹性模量和应力；上述式子所描述的为理想状态，也是对复合材料弹性模量的强度的最高估计，故称为上限模量或上限强度。

在复合材料中，纤维与基体的应变是一样的，即： ε m = ε f = σ m /E m = σ f /E f

设 ε m 超过基体的临界应变时，复合材料就破坏，但此时纤维尚达到其临界应力。据这一条件，将上式代入 ( ) 中，可求得复合材料的最低强度值 ( 下限强度 ) 。

σ c = σ m [1 + V f (E f /E m -1)

若纤维与基体共同受力，实际的 σ f 及 σ m 总会比单独测定时的临界值要高，故实际的复合材料强度数值介于上限与下限强度之间。

例子：玻璃、硼等脆性材料为纤维聚酯环氧树脂、铅等延性材料的基体。可对基体起增强作用。

ii) 短纤维也可使材料的强度增大，但短纤维的最短长度应要有个限制。根据力的平衡条件，求出

τ my πd l c / 2 = σ f π d 2 /4 即： l c = σ fy d / 2τ my

式中， d ：纤维直径； σ fy ：纤维的拉伸屈服应力； τ my ：剪应力沿纤维全长达到界面的结合强度或基本的屈服强度；只有当 l > l c 时，短纤维才有强化的效果。而当 l = 10l c 时，强化效果可相当于长纤维的 95% 。短纤维复合材料强度为：

σ c = σ fy (1 - l c / 2l ) V f + σ m * (1 - V f ) σ m * 为应变与纤维屈服应变相同时的基体应力。问题：纤维和晶须的品种不多，应用受到限制。 iii) 纤维复合材料的工艺原则

由于纤维的强化作用取决于纤维与基体的性质，二者的结合强度以及纤维在基体中的排列方式，要达到强化的目的，应注意如下几个工艺原则：

① 使纤维尽可能多地承担外加负荷，

方法：选用 σ f > σ m ； E f > E m 的材料。这是因为当两者的应变相同时，纤维与基体所受的应力之比为弱性模量之比，即： σ f / σ m = E f /E m ；

② 结合强度相当，使基体中所承受的应力能传递到纤维上，过弱时，纤维的作用较小，其体材料则如存在缺陷一样，使总体的强度降低；过强时，纤维可分担大部分应力，但在断裂过程中，没有纤维自基体中拨出这种吸收能量的作用，使复合材料表现为脆性断裂；

③ 应力的方向应与纤维平行；

④ 纤维与基体膨胀系数相艾匹配，最好应要使 α f 略大于 α m ，这样，当温度由高降低时，纤维受拉，基体受压，能起到预应力的作用；

⑤ 二者在高温下的要具有好的化学相容性。

iv) 纤维强化复合材料的失效机制有四种：基体开裂、分层、纤维断裂和界面脱胶。

2 提高无机材料抗断裂能力 a) 断裂的原因：

存在一条 ( 多数情况下为微观的 ) 最长的初始裂纹。裂纹产生的原因：

● 遗留在工件上的制造或加工缺陷；

● 工件运转时，由于摩擦、腐蚀或形变强化的结果导致的初始裂纹。

其结果必然导致应力集中 ( 即应力在工件上分布不均匀 ) ，当这些初始裂出现在如下一些重要地方时，更容易导致试件的破坏。

● 表面上：划痕、刀痕、受压或锤击部位，腐蚀损伤，易造成缺口； ● 试样内：在硬质点 ( 熔渣夹杂物、弥散罐头化物、脆性相等 ) 的周界处，在滑移系统的交界处，晶界上。

b) 措施

i) 尽可能地减小初始裂纹的长度。方法：

● 清除表面上的或组织中的不均匀性，以避免可导致危险的应力集中源常采用精整表面 ( 如常采用抛光与化学处理的防腐蚀和防磨损的方法 ) 和表面强化 ( 有表面热处理和化学强化的方法 ) 。

表面热处理：如钢化玻璃。方法是将玻璃加热到转变温度以上，熔点以下，然后淬冷，这样就会出现如下的现象：刚淬冷时，表面由于冷却变为刚性，处于受拉状态，而在材料内部，仍然是熔融状态，相对来说处于受压状态。继续冷却，在材料的表面几乎与刚冷却时相同，但在材料内部却以更大的速率继续收缩，处于受拉状态，其结果在材料表面形成了残留压应力，从而提高了其强度。其它，如 Al 2 O 3 在 1700℃ 于硅油中淬冷，除了造成表面的压应力外，还可使晶粒细化，提高强度。

陶瓷的釉的膨胀系数 α 应要略小于坯体，才可使釉带有压应力。化学强化：通过离子交换的办法，改变表面的化学组成，使表面的摩尔体积大于其内部，也可产生压应力。这种表面压应力和体积变化的关系近似服从虎克定律：

σ = K ΔV/V = [E / 3(1-2μ)]×[(ΔV/V)] ii) 优化材料的显微结构

● 向微晶、高密度与高纯度方向发展

σ f = σ 0 + K Ⅰ d -0.5 (σ 0 、 K Ⅰ 为材料常数 )

在多晶材料中，晶界的表面能要小于晶粒本身，也即，晶界间比晶粒中的容易更容易产生裂纹。细晶材料晶界比例大，沿晶界破坏时，裂纹的扩展要走迂回

曲折的道路，晶粒愈细，此路程愈长。相应地， K Ⅰc ( 断裂阻力也就愈大 ) 。再材料中的初始裂尺寸与晶粒粒度相当，晶粒愈细，初始裂纹长度也就愈短，相应地，就提高了临界应力。

纤维材料与晶须，强度大。 [ 一般纤维比块体提高 1 个数量级，晶须又比纤维提高一个数量级 ] 。

提高密度（减小孔隙率），气孔对材料的强度影响很大，因为它的存在既减小了负荷面积，又可导致气孔邻近区域应力的集中，减弱材料的负荷能力。再气孔多分布于晶界上，往往可以构成开裂源。

杂质的存在，可有如下几种危害：一是形成夹杂物，在夹杂物周围，往往是薄弱带，从而初始裂纹容易在此产出；另一是形成缺陷，职固溶体替换，也会形成缺陷，尤其是不等价替换。

● 在材料中设置吸收能量的机构 ―― 增韧

脆性这一致命的弱点限制了陶瓷材料的应用。韧化成了陶瓷材料研究的核心课题之一。现已探索出了一些有效的韧化途径 .

方法一：弥散增韧。大基体中加入具有一定颗粒尺寸的微细粉料，如金属粉未 ( 可吸收弹性应变能的释放量，从而增加断裂表面能，改善韧性 ) 及非金属粉未 ( 在与基体生料粉未均匀混合后，在烧结或热压时，多半存在于晶界相中，以其高弹性模量和高温强度增加了整体的断裂表面能，特别是高温的断裂韧性 ) 。要求：弥散相与基体相具有化学相容性与物理湿润性，使其在烧结后成为完整的整体，而不臻于产生有害的第三种物质。

方法二：相变增韧。利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变，从而增韧的效果，统称为相变增韧。如 ZrO 2 。由单斜相转变为四方相时，体积增大 3 ～ 5% 。利用这种体积变化，在基体上形成大量的微裂纹或可观的挤压奕力，从而吸收断裂时的多余能量，防止裂纹的扩展达到增韧的作用。

3 合理使用陶瓷材料

a) 使用应力不要超过临界应力，这样，裂纹就不会快速失稳扩展了。 b) 合理使用陶瓷材料，尽可能在构件中扬长避短。

长处：耐压好，抗拉强度较差。典型例子：砖和混凝土建造的大楼很少因为其抗压强度的不足而被压裂或压碎，但用混凝土制成的防空壕盖板，却常因为自重而被折断。因此在设计制品时，尽可能地用其长而避其短。

6.热韧化是什么处理方法

7.塑性形变的特点是什么？

塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变；材料经受塑性形变而不破坏的能力叫延展性（或塑性）。

8.什么是蠕变和弛豫，什么是蠕变断裂？

蠕变：材料在高温和恒定应力作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢的塑性变形，这种现象就称为蠕变。

材料在长时间的恒温恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。零件由于这种变形而引起的断裂称为蠕变断裂。 9.尺寸效应是指什么？

尺寸效应（effectofsize）

与穿透深度或相干长度可相比拟的实心和空心超导体（如壁和膜的厚度），它们的物性状态，如电磁性质，相变，状态的稳定性，磁通量子跃迁等等与样品尺寸大小也有关。最显著的如临界尺寸，屏蔽因子等所呈现的特征。样品这种尺寸改变有较明显地影响物性的情形称超导电性质的尺寸效应。

无机定义：同样材质而尺寸大小不同时，强度 10.材料的静态疲劳是什么？

静态疲劳 - 概述材料的破坏与损伤大部分都从微细损伤现象开始，萌生出微小裂纹并可能扩展至断裂，为了防止这一破坏过程发生至危害状态，微细缺陷或者夹杂物以及由晶格变形引起的微米级缺陷的力学行为特别是瞬间状态下微细变化以及定量地检测，评价材料和器件的可靠性、高精度的寿命预测、疲劳裂纹尖端开口变化和裂纹速率间的关系、塑性变形与裂纹萌生间的关系等。静态疲劳，是材料科学中的专业术语，材料的破坏与损伤大部分都从微细损伤现象开始，萌生出微小裂纹并可能扩展至断裂。

11.典型蠕变曲线分几个阶段，并论述各阶段特点？

12、分别从原子间力和位能的角度阐述热膨胀的机理。

所谓线性振动是指质点间的作用力与距离成正比，即微观弹性模量β为常数。非线性振动是指作用力并不简单地与位移成正比，热振动不是左右对称的线性振动而是非线性振动。

13、什么是热应力？产生热应力的原因有哪些？由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。

热应力产生的直接原因是温度场的变化。

14、抗热震性是指材料的什么性能？

抗热震性，指材料在承受急剧温度变化时，评价其抗破损能力的重要指标。

si3N.各测试值之间越接近，精密度就越高。反之，精密度就越低抵抗损伤的能力。曾称热稳定性，热震稳定性，抗热冲击性，抗温度急变性，耐急冷急热性等。

15、何谓离子式电导？

一些束缚不牢固的离子在电场作用下成为载流子产生电导。可分为两类：一类是由构成晶体点阵的基本离子的迁移造成的，也称本征电导。另一类是掺杂物(杂质)离子运动造成的，称为掺杂物(杂质)离子电导。离子型晶体主要是离子电导，如氧化锆固溶体等。通常离子电导的能力随温度的升高而增强。

16、压电效应是什么？

正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。