材料性能试卷含答案

北京工业大学2012 ——2013学年第 2 学期

《 材料性能 》 考试试卷 卷

考试说明：

承诺：

本人已学习了《北京工业大学考场规则》和《北京工业大学学生违纪处分

条例》，承诺在考试过程中自觉遵守有关规定，服从监考教师管理，诚信考试，做到不违纪、不作弊、不替考。若有违反，愿接受相应的处分。

承诺人： 学号： 班号： 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 注：本试卷共 七 大题，共 10 页，满分100分，考试时必须使用卷后附加的统一答题纸。

第一部分 力学性能（Part I Mechanical Properties of Materials ）

一、填空题（每空0.5分，共10分）

1．在σ=E ε，τ=G γ中，E 和G 分别表示 杨氏 模量和 切变 模量，它们都是表征材料对 弹性 变形的抗力，其值越大，在相同应力下产生的

弹性变形 就越小。

2．低碳钢试棒静拉伸断裂后，断口一般为杯锥状，由 纤维区 、 放射区 和 剪切唇 3个区域组成，称为断口特征三要素。

3．当冲击试验温度低于T K 时，材料由 延性 状态转变为 脆性 状态，冲击

吸收功明显 降低 ，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 ，这就是 低温 脆性。

4．疲劳破坏是 循环 应力引起的 低应力 断裂，其断裂应力水平往往低于材料

的 抗拉 强度，甚至低于 屈服 强度。

5．应变硬化指数n 反映材料抵抗继续塑性变形的能力，n=1时，表示材料为完全理想的 弹性体 ，n=0时表示材料没有 应变硬化 能力，大多数金属的n 值在 0.1~0.5 之间。

二、名词解释（每小题2分，共10分）

1.屈服强度：金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。大于此极限的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复。

2.脆性断裂：脆性断裂是描述材料宏观断裂的一种断裂形式，其特征是断裂过程吸收的能量较小，即断裂过程塑性变形小。其微观特征是断口上往往呈现出明显的解理或准解理形貌。

3.解理断裂：在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。解理断裂常见于体心立方和密排六方金属及合金，低温、冲击载荷和应力集中常促使解理断裂的发生。面心立方金属很少发生解理断裂。

4.应力场强度因子：在线弹性断裂力学中，表示带初始裂纹构件的裂纹尖端处应力场强度的一个参量，它综合反映了外加应力和裂纹位置、长度对裂纹尖端应力场强度的影响，一般表达式为：a Y K I σ=，单位是MPa.m 1/2。

5.疲劳门槛值：带裂纹的构件在交变载荷作用下不会发生疲劳扩展的应力强度因子交变值，符号为ΔK th 。ΔK 低于此值时裂纹的疲劳扩展速率几乎为0

三、问答/计算题（每题10分，共30分）

注意：从以下六题中任选三题进行解答，只选三题，多选时只认

定答题的前三题，其他不计分。请在答题纸上作答。

1、说明材料的理论断裂强度和实际断裂强度存在巨大差别的原因。

答：理论断裂强度是指指在外加正应力作用下，将晶体中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力．其表达式是

2/10???? ??=a E s m γσ

而实际断裂强度是指含裂纹体的断裂强度。如果以无限大板中心裂纹体考虑（格里菲斯裂纹），则

2/1??? ??≈a E S c γσ

将有裂纹存在的断裂强度和理论断裂强度对比，可求出

1/20c m a a σσ??? ??=

由于实际裂纹半长远远大于其解理面间距为a 。，所以，理论断裂强度远远大于实际断裂强度。

2. 试述K 判据的意义和用途。

答：意义：

材料或者构件在外力作用下裂纹是否发生失稳扩展——裂纹是否发生脆性断裂的判据是：

IC I K K ≥

当上式成立时，构件发生失稳脆性断裂，当K I

用途：要使构件不发生脆性断裂，设计者可以控制的因素有：

1）、材料的断裂韧性K IC ;

2）、名义应力;

3）、构件中裂纹的临界长度。

在这三个因素中只有两个是独立的，根据公式：

a Y K IC

c =σ

若根据试验得到的材料断裂韧性和临界裂纹长度，可以根据下式确定构件的最大承载能力；当材料的断裂韧性指标和工作应力已知后，可以确定构件最大裂纹尺寸或容许尺寸。

3.试述σ-1和△K th 的异同。

答：σ-1和△K th 都是表征征材料无限寿命疲劳性能的材料性能，但含义完全不同。

σ-1 (疲劳强度)代表的是光滑试样的无限寿命疲劳强度，适用于传统的疲劳强度设计和校核。 △K th 代表疲劳裂纹不扩展的△K I 临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值, 表征材料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力。

K a Y K I ?≤?=?σ

a

Y K th ?≤?σ 该式算出的△σ值显然远低于光滑试样的疲劳强度σ-1。

第二部分物理性能化学性能

四、填空题（每空0.5分，共20分）

1. 金属的德拜温度越高，原子间结合力逾大，膨胀系数逾 -小，杨氏模量E逾大。

2. 光的照射使半导体材料的电导率发生变化的现象，称为光电导效应，可以分为本征光电导和杂质光电导。

3. 光线通过线性光学晶体后，入射光频率不会发生变化，介质的极化率为常数；一定条件的光线通过非线性光学晶体后，入射光频率会发生变化，即发生了非线性光学现象，介质的极化率为变量。

4. 在热释电晶体中，某些晶体不仅能在某温度范围内具有自发极化现象，而且极化有两个以上可以随电场改变的取向，这种特性称为铁电性。

5. 自然界物质的五种基本磁性是_顺磁性____、__抗磁性__、__铁磁性__、_反铁磁性__、_亚铁磁性_。

6. 不同金属原子磁性来源有所不同，如3d金属原子磁矩主要由_电子自旋磁矩_来贡献；而4f金属的_电子轨道磁矩_和_电子自旋磁矩_对原子都有贡献。

7. 材料的老化包括四种情况，即_外观变化_、_物理性能变化_、_力学性能变化_、_电性能变化__。

8. 腐蚀电池通过电流时，阳极电位向正方向移动的现象，称为_阳极极化___，阴极电位向负方向移动的现象称为_阴极极化_；消除或减弱阳极极化和阴极化作用的电极过程称为_去极化_作用，能消除或减弱极化作用的物质，称为__去极化剂__。

9. 氢进入金属中，导致金属材料塑性、韧性明显下降，产生低应力脆断的现象称为氢损伤，通常分为____氢脆_____ 、____氢鼓泡______、____氢腐蚀______3种。

10. 在腐蚀环境中，通过添加少量能阻止或缓解金属腐蚀速度的物质以保护金属的方法，称为__缓蚀剂保护法___法。常用的缓蚀剂有三类_阳极型缓蚀剂__、_阴极型缓蚀剂_、_混合型缓蚀剂_。

11. 化学老化是高分子材料分子结构变化的结果，是一种不可逆的化学反应。主

要有__降解__和___交联____两种类型。

五、名词解释（每小题0.5分，共3分）

1. 热容

2. 自发极化 3、居里温度 4、物理老化 5、磁致伸缩效应 6、钝化

1. 热容：在没有相变或化学反应的条件下,材料温度升高1K 时所吸收的热量称

作该材料的热容。

2. 自发极化：电介质在外电场为零时自发产生的极化。

3. 居里温度：铁磁性材料由铁磁性转变为顺磁性的温度。

4. 物理老化：是指玻璃态高分子材料通过小区域链段的微布朗运动使其凝聚态结构从非平衡态向平衡态过渡，从而使材料的物理、力学性能发生变化的现象。

5. 磁致伸缩效应：铁磁物质磁化时，沿磁化方向发生长度的伸长或缩短的现象称为磁致伸缩效应。

6. 钝化：电化学腐蚀的阳极过程在某些情况下受到强烈的阻滞，使腐蚀速度急剧下降的现象称为金属的钝化。

六、判断题（正确用√，错误用?）（每题0.5分，共3分）

1. 晶体发生相变时其热膨胀系数将产生明显变化。（?）

2. 金属的价电子愈多，其导电性愈好。（?）

3. 金属固溶体组织有序化后，电导率升高。（√）

4. 任何材料在磁场的作用下均会产生抗磁性。。（√）

5．金属材料发生均匀腐蚀的危害性大于其发生局部腐蚀。（?）

6．一般具有立体规整性的高分子聚合物要比无规整结构高聚物稳定性高。（√）

七、简答题（每题6分，共24分）

1. 在金属导电问题上，经典电子理论、量子电子理论和能带理论有何不同？ 答：利用经典自由电子理论导出金属电导率表达式为：

σ=ne 2l/(mv)

式中：m为电子质量; v为电子运动平均速度；n为电子密度；e为电子电量；l 为平均自由程。

利用量子自由电子理论导出金属电导率表达式为：

σ=ne2l F/(mv F)

说明只有在费密面附近能级的电子才能对导电做出贡献。

利用能带理论才严格导出电导率表达式：

σ=n ef e2l F/m*v F

式中的变化有二点：①n→n ef，表示单位体积内实际参加传导过程的电子数。②m→m*，称m*为电子的有效质量，它是考虑晶体点阵对电场作用的结果。

2. 材料产生压电性的基本原理是什么？材料的压电性有哪些主要性能指标？答：具有无对称中心的晶体结构，在无应力和应变时，正、负电荷重心重合，加上外力后正、负电荷重心不再重合，结果产生净电偶极矩。

表征压电材料压电性能的参数主要有介电常数、弹性常数、压电系数、机械品质因数、机电耦合系数等。

1.介电常数：电常数反映了材料的介电性质(或极化性质)，即D=εE ，对于压电材料，εij(i,j=1,2,3)是一个二阶对称张量，共有9个分量，单位为F/m。

2.弹性系数：应力与应变之间的比例系数，在不同的电学条件下，有不同的弹性柔顺系数s (m2/N)和弹性刚度系数c (Pa) 。

3.压电常数：压电常数是压电体把机械能转变为电能或把电能转变为机械能的转换系数。它反映压电材料弹性(机械)性能与介电性能之间的耦合关系。压电常数越大，表明材料弹性性能与介电性能之间的耦合越强。

：表征压电体谐振时因克服内摩擦而消耗的能量。

4.机械品质因数Q

m

5.机电耦合系数K ：机电耦合系数K是表征压电体的机械能与电能相互转换能力的参数。

3. 材料发生一级相变和二级相变时，（热）焓、比热容将发生何种变化，结合

（热）焓——温度、比热容——温度曲线加以说明。

答：一级相变和二级相变的焓和热容变化如下图所示，从图中可以看出：一级相变：在临界点Tc ，其热焓曲线出现跃变，热容曲线发生白连续变化，

热容为无限大。

二级相变：在一定温度范围逐步完成，焓无突变，仅在靠近转变点的狭窄温度区间内，有明显增大，导致热容的急剧增大。达转变点时，焓达最大值，热容相应达有限极大值。

一级相变二级相变

4. 简述受阻胺抗光氧老化的主要方式。

受阻胺抗光氧老化的主要方式包括猝灭、分解氢过氧化物、捕获活性自由基和金属离子钝化。（2分）

a)猝灭：受阻胺能与激发态的单线态氧反应，形成激发态复合物，使单线态氧的激发能消失，单线态氧浓度降低，从而使光氧老化速度受到抑制。（1分）

b) 分解氢过氧化物：氢过氧化物(ROOH)O－O键的离解能很小，容易受到外界环境的影响，离解为自由基如果能使ROOH分解为稳定性的化合物，就能提高高分子聚合物的稳定能力，受阻胺具有这种功能。（1分）

c)捕获活性自由基：在高分子聚合物的老化过程中形成的ROOH，能和受阻胺反应，生成稳定的氮氧自由基。氮氧自由基有捕获活性自由基的功能。氮氧自由基又可再生，循环使用，捕获活性自由基。（1分）

d)金属离子钝化：金属残留物能加速高分子聚合物的催化氧化速度，而受阻胺能和金属离子形成络合物，使金属离子钝化，从而提高高分子材料的稳定化程度。（1分）