无机材料物理性能知识总结

1第一章物理基础知识与理论物理性能本质：外界因素（作用物理量）作用于某一物体，如：外力、温度梯度、外加电场磁场、光照等，引起原子、分子或离子及电子的微观运动，在宏观上表现为感应物理量，感应物理量与作用物理量呈一定的关系，其中有一与材料本质有关的常数——材料的性能。晶体结构：原子规则排列，主要体现是原子排列具有周期性，或者称长程有序。非晶体结构：不具有长程有序。点阵：晶体内部结构概括为是由一些相同点子在空间有规则作周期性无限分布，这些点子的总体称为点阵。晶体由（基元）沿空间三个不同方向，各按一定的距离（周期性）地平移而构成，（基元）每一平移距离称为周期。晶格的共同特点是具有周期性，可以用（原胞）和（基失）来描述。分别求立方晶胞、面心晶胞和体心晶胞的原胞基失和原胞体积？（1）立方晶胞：（2）面心晶胞（3）体心晶胞晶体格子（简称晶格）：晶体中原子排列的具体形式。晶列的特点：（1）一族平行晶列把所有点包括无遗。2（2）在一平面中，同族的相邻晶列之间的距离相等。（3）通过一格点可以有无限多个晶列，其中每一晶列都有一族平行的晶列与之对应。（4）有无限多族平行晶列。晶面的特点：（1）通过任一格点，可以作全同的晶面与一晶面平行，构成一族平行晶面.（2）所有的格点都在一族平行的晶面上而无遗漏；（3）一族晶面平行且等距，各晶面上格点分布情况相同；（4）晶格中有无限多族的平行晶面。格波：晶体中的原子在平衡位置附近的微振动具有波的形式。色散关系：晶格振动谱，即频率和波矢的关系。声子：晶格振动的能量是量子化的，晶格振动的量子单元称作声子，声子具有能量ħ，与光子的区别是不具有真正的动量，这是由格波的特性决定的。声学波与光学波的区别：前者是相邻原子的振动方向相同，波长很长时，格波为晶胞中心在振动，可以看作连续介质的弹性波；后者是相邻原子的振动方向相反，波长很长时，晶胞中心不动，晶胞中的原子作相对振动。德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性。第二章无机材料的受力形变简述正应力与剪切应力的定义?正应力是作用于单位面积上的力。剪切应力是作用于平面内的力。正应力引起材料的伸长或缩短，剪应力引起材料的畸变，并使材料发生转动。塑性：使固体产生变形的力，在超过该固体的屈服应力后，出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸，即非可逆性能。晶体塑性形变的机理是什么？原子尺度变化解释塑性形变：当构成晶体的一部分原子相对于另一部分原子转移到新平衡位置时，晶体出现永久形变，晶体体积没有变化，仅是形状发生变化。影响塑性形变的因素有哪些？并对其进行说明。影响塑性形变的因素主要有晶体结构和键型。（1）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、3晶粒大小和分布；（2）外来因素：杂质在晶界的弥散、晶界处的第二相、晶界处的气孔。屈服应力：当外力超过物体弹性极限，达到某一点后，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此点为屈服点，达到屈服点的应力。滑移：晶体的一部分相对另一部分平移滑动。产生滑移的条件：（1）面间距大；（2）每个面上是同一种电荷的原子，相对滑动面上的电荷相反；（3）滑移矢量（柏格斯矢量）小。滑移系统包括（滑移方向）和（滑移面），即滑移按一定的晶面和方向进行。滑移方向与原子最密堆积的方向一致，滑移面是（原子最密堆积面）。蠕变机理分为两大类：（1）（晶界机理）---多晶体的蠕变；（2）（晶格机理）---单晶蠕变，但也可能控制着多晶的蠕变过程。影响蠕变的因素：外界环境中的温度和应力、晶体的组成、显微结构中的气孔、晶粒和玻璃相。键结合的材料中，哪一种材料的弹性模量大？为什么？共价键、离子键结合的材料中，结合力很强，故弹性模量就较大。而分子键结合力弱，由此键和的材料弹性模量就很低。2-1.一圆杆的直径为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：根据题意可得下表拉伸前后圆杆相关参数表体积V/mm3直径d/mm圆面积S/mm2拉伸前1227.22.54.909拉伸后1227.22.44.5240816.04.25.2lnlnln22001AAllT真应变)(91710909.4450060MPaAF名义应力0851.0100AAll名义应变)(99510524.445006MPaAFT真应力4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。2-2.一试样长40cm,宽10cm,厚1cm，受到应力为1000N拉力，其杨氏模量为3.5×109N/m2，能伸长多少厘米?解：第三章无机材料的脆性断裂强度：材料的强度是抵抗外加负荷的能力。屈服极限：在外力作用下，材料发生弹性形变；当应力足够大，材料便开始发生塑性形变，产生塑性形变的最小应力称为屈服应力（屈服极限）。脆性断裂：材料受力后，将在低于其本身结合强度的情况下作应力再分配；当外加应力的速度超过应力再分配的速率时，发生断裂。解决材料强度的理论：1.位错理论：微观上抓住位错缺陷，阐明塑性形变的微观机理。2.断裂力学：宏观上抓住微裂纹缺陷（脆性断裂的主要根源）。位错运动对材料有哪两方面的作用？引起塑性形变，导致应力松弛和抑制裂纹扩展；位错运动受阻，导致应力集中和裂纹成核。理论断裂强度的推导过程？格里菲斯微裂纹理论：格里菲斯认为实际材料中总存在许多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近就产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹就开始扩展而导致断裂。影响强度的因素有哪些？内在因素：材料的物性，如：弹性模量、热膨胀系数、导热性、断裂能；显微结构：相组成、气孔、晶界（晶相、玻璃相、微晶相）、微裂纹（长度、尖端的曲率大小）；1cm10cm40cmLoadLoad)(0114.0105.310101401000940000cmEAlFlEll5外界因素：温度、应力、气氛环境、式样的形状大小、表面；工艺因素：原料的纯度、降温速率。晶体微观结构中存在缺陷：（a）位错组合；（b）晶界障碍；（c）位错交截。蠕变断裂：多晶材料在高温和恒定应力作用下，由于形变不断增加而导致断裂。蠕变断裂的理论：1.黏性流动理论：高温下晶界发生粘性流动，在晶界交界处产生应力集中，并且使晶界交界处产生裂纹，导致断裂。2.空位聚积理论：在应力及热波动作用下，晶界上空位浓度增加，空位大量聚积，形成裂纹，导致断裂。裂纹有三种扩展方式：(I)张开型、(II)错开型、(III)撕开型。什么是亚临界裂纹扩展？在使用应力的作用下，不是发生快速失稳扩展，而是随着时间的推移缓慢扩展。材料的脆性有哪些特点？脆性是无机材料的特征。它间接地反映材料较低的抗机械冲击强度和较差的抗温度聚变性。脆性直接表现在:一旦受到临界的外加负荷，材料的断裂则具有爆发性的特征和灾难性的后果。脆性的本质是缺少五个独立的滑移系统，在受力状态下难于发生滑移使应力松弛。显微结构的脆性根源是材料内部存在裂纹，易于导致高度的应力集中。维氏硬度：（公式及各个物理量的含义）？（自己总结）1、求融熔石英的理论结合强度，设估计的表面能力为1.75J/m2;Si-O的平衡原子间距为1.6*10-8cm;弹性模量从60到75Gpa？aEth=GPa64.28~62.2510*6.175.1*10*)75~60(1092、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73Gpa；γ=1.56J/m2；理论强度σth=28Gpa。如材料中存在最大长度为2μm的内裂，且此内裂垂直于作用力方向，计算由此导致的临界断裂强度。2c=2μmc=1*10-6mcEc2=GPa269.010*1*14.356.1*10*73*2693、有一构件，实际使用应力为1.30GPa，有两种钢待选：甲钢σys=1.95GPa，KIC=45MPa·m1/2乙钢σys=1.56GPa，KIC=75MPa·m1/26待选钢的几何形状因子Y=1.5，最大裂纹尺寸为1mm。试根据经典强度理论(安全系数n=σys/σ)与断裂强度理论KIC=YσcC-1/2进行选择，并对结果进行说明。（书上例题自己总结）4、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)2μm,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。已知此情况下零件的几何形状因子为1.98。解：cYKIcKI98.1=2/1818.0c(1)c=2mm,MPac25.1810*2/818.03(2)c=0.049mm,MPac58.11610*049.0/818.03(3)c=2μm,MPac04.57710*2/818.06第四章无机材料的热性能如原子在高能级和低能级间满足辐射跃迁选择定则，则对于大量的这种原子来说，将同时存在光的自发辐射、受激吸收和受激辐射。热振动：实际上晶体点阵中的质点（离子、原子）总是围绕着各自的平衡位置附近作微小振动。热容：物体在温度升高1K时所吸收的热量称作该物体的热容。杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容等于25J/(K·mol)。杜隆-珀替定律在高温时与实验结果符合得很好，但在低温时，热容的实验值并不是一个恒量，随温度降低而减小，在接近绝对零度时，热容值按T3的规律趋于零。徳拜定律：表明当温度T趋于0K时，热容CV与T3成比例地趋于零。在低温下，德拜模型与实验结果符合很好。热膨胀：物体的体积或长度随着温度的升高而增大的现象。6、线膨胀系数α与体膨胀系数β有何关系？计算：⑴假如是立方体；⑵各项异性的晶体。略去线膨胀系数α与体膨胀系数β的高次项。（自己总结）固体材料热膨胀机理：晶格振动中质点间的作用力，是非线性的。即作用力并不简单的与位移成正比。温度越高，平衡位置向右移动越多，晶体膨胀。7热传导：当固体材料一端的温度比另一端高时，热量就会从热端自动地传向冷端的现象。固体的传热机理：固体中质点只在平衡位置附近做微振动，固体的导热主要是晶格振动的格波和自由电子的运动实现的。⑴金属主要靠自由电子来传热；⑵非金属材料，自由电子很少，主要靠晶格振动来传递热量。将声频波的量子称为声子；把格波的传播看成是质点-声子的运动；格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰撞；格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为声子同晶体质点的碰撞；理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。影响热导率的因素：温度、晶体机构、气孔。热稳定性（抗热震性）：是指材料承受温度的急剧变化而抵抗破坏的能力。包括抗热震断裂性和抗热震损伤性两种类型：材料在热冲击下发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能为抗热震断裂性；在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，以致最终碎裂或变质而损坏，抵抗这类破坏的性能称为抗热震损伤性。试比较石英玻璃、石英多晶体和石英单晶热导率的大小，解释产生差异的原因？①玻璃多晶单晶②与单晶相比，多晶体中晶粒尺寸小，晶界多，晶界处杂质多，声子容易受到散射，其平均自由程小得多，故其热导率比单晶的小；与晶体相比，玻璃中声子平均自由程由于玻璃远程无序使之较小，因而，玻璃的热导率比晶体的小。4-1、康宁1723玻璃（硅酸铝玻璃）具有下列性能参数：λ=0.021J/(cm.s.℃);α=4.6*10-6/℃;σp=7.0Kg/mm2；E=6700Kg/mm2;μ=0.25.求第一及第二热冲击断裂抵抗因子。第一冲击断裂抵抗因子：ERf)1(=66610*8.9*6700*10*6.475.0*10*8.9*7=170℃第二冲击断裂抵抗因子：ERf)1(=170*0.021=3.57J/(cm.s)84-2、一根1m长的Al2O3炉管从室温(25oC)加热到1000oC时，假使在此过程中，材料的热膨胀系数为8.810-6mm/(mm•oC)，计算管的膨胀量是多少？解：根据公式，有：第五章无机材料的光性能可见光是电磁辐射