2015无机材料物理性能复习提纲

无机材料物理性能复习题一、填空题1、晶体中的塑性变形有两种基本方式：滑移和孪晶。2、一各向异性材料，弹性模量E=109pa，泊松比u=0.2，则其剪切模量G=45.4pa。3、影响弹性模量的因素有晶体结构、温度、复相。4、弹性模量E是一个只依赖于材料基本成份的参量，是原子间结合强度的一个标志，在工程中表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度。5、无机材料的热冲击损坏有两种类型：抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性。6、根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点,弹性可以分为理想弹性和非理想弹性两类。7、裂纹有三种扩展方式或类型：掰开型，错开型和撕开型。其中掰开型是低应力断裂的主要原因。8、从对材料的形变及断裂的分析可知，在晶体结构稳定的情况下，控制强度的主要参数有三个：弹性模量，裂纹尺寸和表面能。9、Griffith微裂纹理论从能量的角度来研究裂纹扩展的条件,这个条件是物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。10、按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。11、广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。12、对于中心穿透裂纹的大而薄的板，其几何形状因子Y=。13、当温度不太高时，固体材料中的热导形式主要是声子热导。14、杜隆—伯替定律的内容是：恒压下元素的原子热容为25J/Kmol。15、热量是依晶格振动的格波来传递的,格波分为声频支和光频支两类。16、固体材料的热膨胀本质是点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。17、金属材料电导的载流子是自由电子，而无机非金属材料电导的载流子可以是电子、电子空穴，或离子、离子空位。18、晶体的离子电导可以分为离子固有电导／或本征电导和杂质电导两大类。19、电导率的一般表达式为，其各参数ni、qi和i的含义分别是载流子的浓度、载流子的电荷量、载流子的迁移率。20、下两图(a)与(b)中，(a)图是n型半导体的能带结构图，(b)图是p型半导体的能带结构图。21、电介质材料中的压电性、铁电性与热释电性是由于相应压电体、铁电体和热释电体都是不具有对称中心的晶体。22、材料磁性的本源是材料内部电子的循轨和自旋运动。23、在垂直入射的情况下，光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率。24、导电材料中载流子是离子、电子和空位。25、电子电导的特征是具有霍尔效应效应，离子电导的特征是具有电解效应。26、格波间相互作用力愈强，也就是声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低。27、PN结的特性有：单向导电性、击穿特性、电容特性。28、热击穿的本质是介质在电场中极化，介质损耗发热，当热量在材料内积累,材料温度升高，当出现永久性损坏。29、磁性分为：抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性。二、名词解释1、塑性——材料的微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。2、硬度——材料表面上不大体积内抵抗变形或破裂的能力，是材料的一种重要力学性能。3、蠕变——当对粘弹性体施加恒定应力，其应变随时间而增加，弹性模量也随时间而减小。iiiiiqn4、压电性——某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。5、电介质——在外电场作用下，能产生极化的物质。6、光伏效应——指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。7、应变硬化——材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象。8、弛豫——施加恒定应变，则应力将随时间而减小，弹性模量也随时间而降低。9、压敏效应——指对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压以下，电阻值非常高，几乎无电流通过；超过该临界电压(敏压电压)，电阻迅速降低，让电流通过。10、电介质极化——在外电场作用下，电介质中带电质点的弹性位移引起正负电荷中心分离或极性分子按电场方向转动的现象。11、热释电效应——晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变的现象。12、磁阻效应——半导体中，在与电流垂直的方向施加磁场后，使电流密度降低，即由于磁场的存在使半导体的电阻增大的现象。三、简答题1、试述韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么说脆性断裂最危险？（8分）答：韧性断裂和脆性断裂的区别在于：前者在断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形，后者无宏观塑性变形；前者断裂过程缓慢，而后者为快速断裂过程；前者断口呈暗灰色，纤维状，后者齐平光亮，呈放射状或结晶状。（6分）脆性断裂的危险性在于断裂前不产生明显的宏观塑性变形，无明显前兆。（2分）2、影响塑性形变的因素有哪些？并对其进行说明。答：晶体结构和键型本征因素：晶粒内部的滑移系统相互交截、晶界处的应力集中、晶粒大小和分布；外来因素：晶界作为点缺陷的源和阱，易于富积杂质，沉淀有第二相。特别当含有低熔点物质时，多晶材料的高温塑性滑移首先发生在晶界。（杂质在晶界的弥散、晶界处的第二相、晶界处的气孔。3、为什么金属的滑移性能要优于无机非金属材料？答：主要从金属材料的滑移系要多于无机非金属材料方面来回答。此外，金属材料中的金属键不具有饱和性和方向性，有利于位错的运动；而无机非金属材料中多为离子键或共价键（一般为两者组成的混合建），共价键具有明显的方向性，并且同号离子相互排斥，只有个别滑移系统能满足位错运动的几何条件和静电作用。4、断裂能包括哪些内容？答：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。5、简述提高无机材料强度，改进材料韧性的措施。答：1、微晶、高密度与高纯度2、提高抗裂能力与预加应力3、化学强化4、相变增韧5、弥散增韧6、提高无机材料透光性的措施有哪些？答:(1)提高原料的纯度(2)添加外加剂:一方面这些质点将降低材料的透光率,但由于添加这些外加剂将可以降低材料的气孔,从而提高材料的透光率(3)工艺措施:采用热压法比普通烧结法更容易排除气孔,即降低气孔,将晶粒定向排列将可以提高材料的透光率7、什么是相变增韧?利用ZrO2由四方转变成单斜相的相变过程可以改善陶瓷材料的断裂韧性，简述其机理。答：相变增韧是利用多晶多相陶瓷中某些相在不同温度下发生相变从而增韧的效果。ZrO2由四方转变成单斜相的相变过程中,体积增加3-5%，（2分）这体积效应使得材料内部产生应力或者微裂纹。（2分）当材料受到外力作用时，材料内部因为应力集中或者微裂纹可以部分或者全部抵抗外力作用，从而改善材料的断裂韧性。8、根据抗热冲击断裂因子对热稳定性的影响，分析提高抗热冲击断裂性能的措施。答：提高抗热冲击断裂性能的措施：（1）、提高材料强度σ，减小弹性模量E，使σ/E提高------提高材料的柔韧性，能吸收较多的弹性应变能而不致开裂，提高了热稳定性。（2）、提高材料的热导率λ；（3）、减小材料的热膨胀系数α；（4）、减小材料的表面热传递系数h；（5）、减小产品的有效厚度。四、计算题1、一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3(E=380GPa)和5%的玻璃相(E=84GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5%的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。解：令E1=380GPa,E2=84GPa,V1=0.95,V2=0.05。则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E0(1-1.9P+0.9P2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3GPa和293.1GPa。2、一陶瓷零件上有一垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为：（1）2mm;(2)0.049mm;(3)2um,分别求上述三种情况下的临界应力。设此材料的断裂韧性为1.62MPa.m2。讨论讲结果。解：cYKIY=1.12=1.98cKI98.1=2/1818.0c)(2.36505.08495.03802211GPaVEVEEH上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPaEVEVEL下限弹性模量(1)c=2mm,MPac25.1810*2/818.03(2)c=0.049mm,MPac58.11610*049.0/818.03(3)c=2um,MPac04.57710*2/818.063、一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图。如果E=380Gpa，μ=0.24，求KIc值，设极限荷载达50Kg。计算此材料的断裂表面能。解c/W=0.1,Pc=50*9.8N,B=10,W=10，S=40代入下式：])/(7.38)/(6.37)/(8.21)/(6.4)/(9.2[2/92/72/52/32/12/3WcWcWcWcWcBWSPKcIC=]1.0*7.381.0*6.371.0*8.211.0*6.41.0*9.2[010.0*1040*8.9*502/92/72/52/32/12/3=62*（0.917-0.145+0.069-0.012+0.0012）=1.96*0.83==1.63Pam1/2212EKIC28.3)10*380*2/(94.0*)10*63.1(2)1(92622EKICJ/m24、一圆杆的直径为2.5mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。0816.04.25.2lnlnln22001AAllT真应变)(91710909.4450060MPaAF名义应力0851.0100AAll名义应变)(99510524.445006MPaAFT真应力