材料物理性能复习资料

材料物理性能总复习(无材一)考试题型：1名词解释5个*3分，共15分；2简答7个*5分，共35分；3计算2个*10分，共20分；4论述2个*15分，共30分。考试时间：2013-1-14.考试重点1材料的受力形变不同材料应力应变曲线的区别A（A点）：比例极限;E（B点）：弹性极限;P（C点）：屈服极限;U（D点）：断裂极限;E，可逆线性正比例关系，当应力在E和P之间，外力去除后有一定程度的永久变形，即发生塑性变形陶瓷材料一般没有塑性变形，发生脆性断裂应力：单位面积上所受内力。σ=F/A由于材料的面积在外力作用下，可能有变化，A就有变化，有名义应力和实际（真实）应力P4.应变：描述物质内部各质点之间的相对位移名义位移的应变：实际应变和L0有关，可以通过公式推导获得由于材料的不同方向的应变，因此考虑可以采用和应力分解的办法来解决，具体看教材第6-7页虎克定律：=E比例系数E成为弹性模量（ElasticModulus）,又称弹性刚度相关概念：应力应变虎克定律弹性模量0001LLLLL三种应变类型的弹性模量杨氏模量E；剪切模量G；体积模量B弹性模量：原子间结合强度的标志之一两类原子间结合力与原子间距关系曲线弹性模量实际与曲线上受力点的曲线斜率成正比结合键、原子之间的距离、外力作用也将改变弹性模量的值温度升高，原子之间距离变大，弹性模量下降弹性模量的本质特征；弹性模量的影响因素；晶粒、异相、气孔、杂质等，弹性模量的计算公式及方法；把材料看成材料的串联或者并联，我们可以得到其上限模量和下限模量，如下面的公式表示：（P13）复合材料弹性模量及应力的计算。陶瓷材料弹性常数和气孔率关系多气孔陶瓷材料可以看成二相材料，其中一相的刚度为0陶瓷材料的弹性模量随气孔率变化的表达式是：b是与制备工艺有关常数.当泊松比0.3，f1和f2分别是1.9和0.9，和教材上p13公式1.21一样粘弹性：一些非晶体,有时甚至多晶体在比较小的应力时同时表现出粘性和弹性。（所有高分子材料都有这种性质）滞弹性：材料和时间有关的弹性，即时间的滞后.滞弹性体的应力与应变关系仍然是线性的,应力卸除后可以完全回复到原始形状和尺寸,只是要经过充分长的时间才能达到，即应变对应力有滞后现象，故称之为滞弹性。蠕变：固定外力，但材料的应变不断增加的现象，本质是：弹性模量不断减少。驰豫：材料上恒定应变，但应力随着时间而减少的现象。其本质也是弹性模量的减少。驰豫时间(relaxationtime)：定义应力σ是原始应力σ0的0.37(1/e)的时间，所以有：塑性形变：外力移去后不能够恢复的形变晶体的塑性形变过程包括：滑移和孪晶滑移：晶体的一部分相对另外一部分平移滑动。滑移面所受应力计算：σ=FCOSψ/A;τ=FCOSΨCOSλ/A蠕变、三阶段及影响因素：第一阶段：蠕变速率（Δε/Δt）随时间而呈下降趋势。第二阶段：蠕变速率不变，即（Δε/Δt）=常数，这一段是直线。第三阶段：蠕变速率随时间而上升，随后试样断裂。影响因素：温度，应力，显微结构，组成，晶体结构。粘度的概念及影响因素粘度：使相距一定距离的两个平行平面以一定速度相对移动所需的力。单位Pa*S粘度影响因素：温度，时间，组成。te0①温度：温度决定材料的粘度，而粘度的值将决定材料的主要性能②时间：将影响粘度③组成：材料的主要本征因素陶瓷高温蠕变的影响因素1.外界因素①应力：不同的应力的作用，材料的蠕变情况有可能不同，如临界应力将使材料非常快断裂，接近临界应力的应力作用和低应力的作用也不同②温度：对Q的影响2.本征因素①晶粒尺寸：不同的晶粒尺寸范围决定了不同的蠕变机理起控制速率的作用。当晶粒比较大，蠕变速率受晶格机理控制，当晶粒比较小，情况相对复杂，二种晶界机理和晶格机理都可能起作用②气孔率：蠕变速率随着气孔率的增加而提高,因为气孔减小了抵抗蠕变的有效截面积请同学们复学硅酸盐物理化学方面有关玻璃相的知识，以加强了解思考题(不用交)晶体的结构和滑移系之间的关系教材第37页的第六题多晶陶瓷的本征因素和外来因素是如何影响陶瓷材料的塑性为什么陶瓷材料的蠕变是高温蠕变?有那几种机理?影响陶瓷材料蠕变的因素有那些?请以含有5%玻璃相的氧化铝陶瓷为例子，加以一一说明。2脆性断裂与强度强度的三个理论公式：Griffith理论及影响因素:Griffith理论:实际材料中存在细小的裂纹或缺陷，在外力作用下，在其上会发生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展而导致断裂。影响因素:有三个控制参数：①弹性模量E：取决于材料的组分、晶体结构，对除了气孔以外的显微结构较不敏感②断裂能：除了取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响，是一种织构敏感参数，起着断裂过程的阻力作用。③裂纹半长度C：相当于材料中最危险的缺陷，起作用在于导致材料内部的局部应力集中，是断裂的动力因素。缺陷的起源与陶瓷的制备工艺密切相关。断裂强度取决于c值，而不取决于裂纹的多少。强度的影响因素：晶粒尺寸，气孔等。提高材料强度的措施，或克服材料脆性的途径一：微晶，高密度，高纯度。二：提高抗断裂能力与预加应力。三：化学强化。四：相变增韧。五：弥散增韧。提高抗热冲击断裂性能的措施①E/E。实质是提高材料的柔韧性②R③④减少表面热传递系数h⑤减少产品的有效厚度3热学热容—概念：定义：C=Q/ΔT物体温度升高1K需要的能量。热膨胀—概念，公式及计算，影响因素热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象。公式及计算：热膨胀和其他性能的关系①和结合能及熔点关系：结合能高，熔点高，材料中质点的热振动受温度的影响小，材料的热膨胀系数也小②和温度关系：是温度的函数。一般地，温度升高，热膨胀系数升高③和结构关系：结构致密，热膨胀系数大，而玻璃的小，因为结构内的“空隙”问题。热传导概念：热量从温度高的地方向温度低的地方传导。（公式及计算）热传导的微观机理①本质：晶格振动的格波和自由电子的运动②金属中有大量自由电子，所以金属的热传导性能好③其他结合键(共价键和离子键)主要是晶格振动的格波，而自由电子的贡献非常小④晶格振动的格波是晶格振动的相互影响，达到平衡，实现热量的传递影响热导率的因素①温度：是温度的函数温度不太高，主要是声子的热传导，温度较高，光子的热传导作用才明显。②看教材的图3.13和图3.14③耐火材料中氧化物多晶材料在实用温度范围内，T升高，热导率降低。看图3.1５④晶体结构的影响：晶体结构愈复杂，晶格振动的非谐性程度愈大，声子平均自由程较小，热导率较低各向异性晶体的热导率：①晶体的各向异性，热导率也是各向异性。②温度升高，各向异性的热导率的差别减少，因为晶体随着温度升高，晶体的结构的对称性更好。多晶体和单晶体的热导率①同一物质，多晶体的热导率比单晶体的热导率小。因为多晶体的晶界使得声子受到散射，热导率变小②看图3.16非晶体的热导率：①非晶态的结构特点是：近程有序，远程无序。声子理论近似计算：②在中低温（400-600K）：光子导热贡献很小，热容变大，所以材料的热导率增加③在中高温（600-900K），声子热容基本不变，声子热导率基本不变，但光子热导率有增加④高温（高于900K），声子热容基本不变，但光子导热明显增加，材料的热导率增加⑤看图3.17实际无机材料的热导率①实际无机材料由晶体和非晶体组成，三种情况：②见教材143页③化学组成的影响①质点的原子量小，密度小，扬氏模量大，Debyetemperature高，热导率大②缺陷将降低材料的热导率，如多晶界，固溶等。④气孔的影响气孔：①无机材料中气孔对热导率的影响复杂②气孔可以作为一相，也可能是简单影响③气孔一般降低材料的热导率④在材料制备时，设计和制备均匀的纳米气孔是现在材料科学研究领域的一个方向热应力：材料在热膨胀或者收缩产生的内应力热稳定性：材料在温度急剧变化而不被破坏的能力，也被称为抗热震性。分成二种：材料在瞬时断裂—抗热冲击断裂性，热冲击作用，材料表面开裂、剥落直到材料被破坏—抗热冲击损伤性。热稳定性的表示方法①温度差②热循环次数③热循环后的强度损失④均是直观的评价方法，其基础是强度-应力第一、二热应力抵抗因子，影响因素第一热应力断裂抵抗因子R公式：（请自附）第二热应力断裂抵抗因子R’公式：（请自附）冷却速率引起的温度梯度和热应力：①冷却速率的不同引起不同的温度梯度②温度梯度形成热应力，热应力将影响材料的热稳定性③第三热应力因子4光学小结①光的反射、折射、色散、吸收及散射概念及影响因素；②何为RayleighScattering及其发生的条件；③激光的原理及相关概念。④散射的种类及特征。反射：折射：当光从真空进入较致密的材料中，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率。折射率n的影响因素：①构成材料元素的离子半径，离子半径越大，材料极化，折射率增加②材料的结构，晶型和非晶态：材料的各向同性，材料一个折射率，各向异性，材料有双折射率③材料的内应力：应力将改变材料的折射率④同质异构体：高温型的折射率低，低温型较高⑤P173表4.1色散：这种光在介质中的传播速度（或介质的折射率）随其频率（或波长）的减小而减小的现象，称为光的色散现象。介质对光的吸收和散射：在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。首先光束越深入物质，它的光强将越减弱，这是由于一部分光的能量被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就是光的吸收和散射现象。一、弹性散射分类按照散射中心尺度a0与入射光波长λ是大小，分为三类：1.廷德尔散射TyndallScattering(J.Tyndall，1820-1893)当a0»λ时，σ→0即散射中心的尺度远大于光波波长时，散射光强与入射光波长无关如粉笔灰、白云呈白色例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾或灰尘的大气中的散射2.米氏散射MieScattering当a0与λ相近时，σ=0~4即散射中心的尺度与光波波长可以比拟时，σ在0~4之间,具体取值与散射中心有关.米氏散射性质比较复杂3.瑞利散射Rayleighscattering当a0«λ时，σ=4即当散射中心的线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的4次方成反比通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利散射（Rayleighscattering）。瑞利散射不改变原入射光的频率无机材料的透光性①介质对光的吸收②光在介质内部因为碰撞及热效应使得光的能量衰减，既光被介质吸收③郎伯特定律：光强度随着厚度的变化符合指数衰减规律④半导体对光的波长有选择性吸收：因为半导体的Eg关系，半导体对满足其电子跃迁的能量有选择，这样材料有透光性⑤无机材料是多晶多相体系，除了晶体外，还有气孔、杂质、晶界、微裂纹等，它们将对光波产生散射，一般地，无机材料是不透明的⑥透光度：综合指标，光能通过陶瓷材料后，剩余光能所占的百分比，如教材第185页图4.6影响因素:①吸收系数：材料对光的吸收，不是主要原因②反射系数：反射越大，材料的透光性越差③散射系数：影响材料透光性的主要原因，有材料的宏观及显微缺陷、晶粒的排列方向、气孔引起的散射(这将非常影响材料的透光性能)提高无机材料透光性的措施：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5电学小结①体积电阻、表面电阻及相关测量方法；②载流子及其种类；③离子迁移率和离子电导率的推导，影响离子电导率的因素;④固体电解质的概念及具备条件，举例说明固体电解质的应用；⑤半导体概念，P，N半导体能带结构；⑥半征电子电导率计算；⑦影响电子电导的因素；电流强度：单位时间内流过某一截面的电荷量电流密度：单位时间内流过材料单位面积横截面的电荷量载流子：带电荷的自由粒子，种类有电子，空穴，正、负离子，（带电空位，极化子）。离子迁移率，载流子沿电场力的方向的迁移率为：μ=v/E=(a202q/6kBT)×exp(－E2/kBT)一般离子