not材料结构与性能答案分析

2021年1月21日发(作者：美丽的英文)
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< br>(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
,< br>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< br>,
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
)< br>。
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< br>％
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。< br>




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
(Duc tility)
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
（
Mal leability
）是另外一个
较相似的概念，但它表示为材料受到压缩应力（
co mpressive
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
π
d 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：