無機材料物理性能期末復習題

1期末復習題參考答案一、填空1.一長 30cm的圓桿，直徑 4mm，承受 5000N的軸向拉力。如直徑拉成 3.8 mm，且體積保持不變，在此拉力下名義應力值為 ，名義應變值為 。 2.克勞修斯莫索蒂方程建立了宏觀量 介電常數(shù) 與微觀量 極化率 之間的關系。3固體材料的熱膨脹本質(zhì)是 點陣結(jié)構(gòu)中質(zhì)點間平均距離隨溫度升高而增大 。4格波間相互作用力愈強，也就是聲子間碰撞幾率愈大，相應的平均自由程愈 小 ，熱導率也就愈 低 。5電介質(zhì)材料中的壓電性、鐵電性與熱釋電性是由于相應壓電體、鐵電體和熱釋電體都是 不具有對稱中心 的晶體。6復介電常數(shù)由實部和虛部這兩部分組成，實部與通常應用的 介電常數(shù) 一致，虛部表示了電介質(zhì)中 能量損耗 的大小。7無機非金屬材料中的載流子主要是 電子 和 離子 。8廣義虎克定律適用于 各向異性的非均勻 材料。9設某一玻璃的光反射損失為 m，如果連續(xù)透過 x塊平板玻璃，則透過部分應為 I0（1-m） 2x 。10對于中心穿透裂紋的大而薄的板，其幾何形狀因子 Y= 。11設電介質(zhì)中帶電質(zhì)點的電荷量 q，在電場作用下極化后，正電荷與負電荷的位移矢量為 l， 則此偶極矩為 ql 。12裂紋擴展的動力是物體內(nèi)儲存的 彈性應變能 的降低大于等于由于開裂形成兩個新表面所需的 表面能 。13.Griffith微裂紋理論認為，斷裂并不是兩部分晶體同時沿整個界面拉斷，而是 裂紋擴展 的結(jié)果。14考慮散熱的影響，材料允許承受的最大溫度差可用 第二 熱應力因子表示。15當溫度不太高時，固體材料中的熱導形式主要是 聲子熱導 。16在應力分量的表示方法中，應力分量 , 的下標第一個字母表示方向，第二個字母表示 應力作用 的方向。17 電滯回線 的存在是判定晶體為鐵電體的重要根據(jù)。18原子磁矩的來源是電子的軌道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁矩。而物質(zhì)的磁性主要由 電子的自旋磁矩 引起。19. 按照格里菲斯微裂紋理論，材料的斷裂強度不是取決于裂紋的 數(shù)量 ，而是決定于裂紋的 大小 ，即是由最危險的裂紋尺寸或臨界裂紋尺寸決定材料的 斷裂強度。20. 復合體中熱膨脹滯后現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于不同相間或晶粒的不同方向上膨脹系數(shù)差別很大，產(chǎn)生很大的內(nèi)應力，使坯體產(chǎn)生微裂紋。21.晶體發(fā)生塑性變形的方式主要有 滑移 和 孿生 。22.鐵電體是具有 自發(fā)極化 且在外電場作用下具有 電滯回線 的晶體。23.自發(fā)磁化的本質(zhì)是 電子間的靜電交換相互作用 。二、名詞解釋自發(fā)極化：極化并非由外電場所引起，而是由極性晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點所引起，使晶體中的每個晶胞內(nèi)存在固有電偶極矩，這種極化機制為自發(fā)極化。斷裂能：是一種織構(gòu)敏感參數(shù),起著斷裂過程的阻力作用，不僅取決于組分、結(jié)構(gòu)，在很大程度上受到微觀缺陷、顯微結(jié)構(gòu)的影響。包括熱力學表面能、塑性形變能、微裂紋形成能、相變彈性能等。滯彈性：當應力作用于實際固體時，固體形變的產(chǎn)生與消除需要一定的時間，這種與時間有關的彈2性稱為滯彈性。格波：處于格點上的原子的熱振動可描述成類似于機械波傳播的結(jié)果，這種波稱為格波，格波的一個特點是，其傳播介質(zhì)并非連接介質(zhì)，而是由原子、離子等形成的晶格。電介質(zhì)：指在電場作用下能建立極化的一切物質(zhì)。電偶極子：是指相距很近但有一距離的兩個符號相反而量值相等的電荷。蠕變：固體材料在保持應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加的現(xiàn)象。它與塑性變形不同，塑性變形通常在應力超過彈性極限之后才出現(xiàn)，而蠕變只要應力的作用時間相當長，它在應力小于彈性極限時也能出現(xiàn)。突發(fā)性斷裂：斷裂源處的裂紋尖端所受的橫向拉應力正好等于結(jié)合強度時，裂紋產(chǎn)生突發(fā)性擴展。一旦擴展，引起周圍應力的再分配，導致裂紋的加速擴展，這種斷裂稱為突發(fā)性斷裂。壓電效應：不具有對稱中心的晶體在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當對不具有對稱中心晶體的極化方向上施加電場，晶體也會發(fā)生變形，電場去掉后，晶體的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。電致伸縮：當在不具有對稱中心晶體的極化方向上施加電場時，晶體會發(fā)生變形，電場去掉后，晶體的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為電致伸縮現(xiàn)象，或稱為逆壓電效應。鐵電體：具有自發(fā)極化且在外電場作用下具有電滯回線的晶體。三、問答題1簡述 KI和 KIC的區(qū)別。答：K I應力場強度因子：反映裂紋尖端應力場強度的參量。KIC斷裂韌度：當應力場強度因子增大到一臨界值時，帶裂紋的材料發(fā)生斷裂，該臨界值稱為斷裂韌性。KI是力學度量，它不僅隨外加應力和裂紋長度的變化而變化，也和裂紋的形狀類型，以及加載方式有關，但它和材料本身的固有性能無關。而斷裂韌性 KIC則是反映材料阻止裂紋擴展的能力，因此是材料的固有性質(zhì)。2.簡述位移極化和松馳極化的特點。答：位移式極化是一種彈性的、瞬時完成的極化，不消耗能量；松弛極化與熱運動有關，完成這種極化需要一定的時間，并且是非彈性的，因而消耗一定的能量。3.為什么金屬材料有較大的熱導率，而非金屬材料的導熱不如金屬材料好？ 答：固體中導熱主要是由晶格振動的格波和自由電子運動來實現(xiàn)的。在金屬中由于有大量的自由電子，而且電子的質(zhì)量很輕，所以能迅速地實現(xiàn)熱量的傳遞。雖然晶格振動對金屬導熱也有貢獻，但只是很次要的。在非金屬晶體，如一般離子晶體的晶格中，自由電子是很少的，晶格振動是它們的主要導熱機構(gòu)。因此，金屬一般都具有較非金屬材料更大的熱導率。4說明圖中三條應力-應變曲線的特點，并舉例說明其對應的材料。3答：受力情況下，絕大多數(shù)無機材料的變形行為如圖中曲線(a)所示，即在彈性變形后沒有塑性形變(或塑性形變很小)，接著就是斷裂，總彈性應變能非常小，這是所有脆性材料的特征，包括離子晶體和共價晶體等。在短期承受逐漸增加的外力時，有些固體的變形分為兩個階段，在屈服點以前是彈性變形階段，在屈服點后是塑性變形階段。包括大多數(shù)金屬結(jié)構(gòu)材料如圖中曲線(b)所示。橡皮這類高分子材料具有極大的彈性形變，如圖中曲線(c)所示，是沒有殘余形變的材料，稱為彈性材料。5如果要減少由多塊玻璃組成的透鏡系統(tǒng)的光反射損失，通?？梢圆扇∈裁捶椒?？為什么？ 答：有多塊玻璃組成的透鏡系統(tǒng)，常常用折射率和玻璃相近的膠粘起來，這樣除了最外和最內(nèi)的兩個表面是玻璃和空氣的相對折射率外，內(nèi)部各界面均是玻璃和膠的較小的相對折射率，從而大大減少了界面的反射損失。6闡述大多數(shù)無機晶態(tài)固體的熱容隨溫度的變化規(guī)律。答：根據(jù)德拜熱容理論，在高于德拜溫度 D時，熱容趨于常數(shù)(25J(Kmo1)，低于 D時與T3成正比。因此，不同材料的 D是不同的。無機材料的熱容與材料結(jié)構(gòu)的關系是不大的，絕大多數(shù)氧化物、碳化物，熱容都是從低溫時的一個低的數(shù)值增加到 1273K左右的近似于25JKmol 的數(shù)值。溫度進一步增加，熱容基本上沒有什么變化。7.有關介質(zhì)損耗描述的方法有哪些？其本質(zhì)是否一致？答：損耗角正切、損耗因子、損耗角正切倒數(shù)、損耗功率、等效電導率、復介電常數(shù)的復項。多種方法對材料來說都涉及同一現(xiàn)象。即實際電介質(zhì)的電流位相滯后理想電介質(zhì)的電流位相。因此它們的本質(zhì)是一致的。8.簡述提高陶瓷材料抗熱沖擊斷裂性能的措施。答：(1) 提高材料的強度 f，減小彈性模量 E。(2) 提高材料的熱導率。(3) 減小材料的熱膨脹系數(shù)。(4) 減小表面熱傳遞系數(shù) h。(5) 減小產(chǎn)品的有效厚度 rm。 四、論述題：1何為相變增韌？論述氧化鋯增韌陶瓷的機理。答：利用多晶多相陶瓷中某些成分在不同溫度的相變，從而增韌的效果，這統(tǒng)稱為相變增韌。第二相顆粒相變韌化（transformation toughening）是指將亞穩(wěn)的四方 ZrO2顆粒引入到陶瓷基體中，當裂紋擴展進入含有 t-ZrO2晶粒的區(qū)域時，在裂紋尖端應力場的作用下，將會導致 t-ZrO2發(fā)生 tm相變，因而除了產(chǎn)生新的斷裂表面而吸收能量外，還因相變時的體積效應（膨脹）而吸收能量，可見，應力誘發(fā)的這種組織轉(zhuǎn)變消耗了外加應力。同時由于相變粒子的體積膨脹而對裂紋產(chǎn)生壓應力，阻礙裂紋擴展。結(jié)果這種相變韌化作用使在該應力水平下在無相變粒子的基體中可以擴展的裂紋在含有氧化鋯 tm相變粒子的復合材料中停止擴展，如要使其繼續(xù)擴展，必須提高外加應力水平，具體體現(xiàn)在提高了材料的斷裂韌性。2說明下圖中各個參量，數(shù)字及曲線所代表的含義。答：B s飽和磁感應強度，當外加磁場 H增加到一定程度時，B 值就不再上升，也就是這塊材料磁化的極限。Br剩余磁感應強度，當外加磁場降為 0時，材料依然保留著磁性，其強度為 Br。Hc矯頑力（矯頑磁場強度） ，表示材料保持磁化、反抗退磁的能力。據(jù)此大小可以區(qū)分軟磁和硬磁。磁導率（=B/H） ，表示材料能夠傳導和通過磁力線的能力。Oabc段表示材料從宏觀無磁性到有磁性的磁化過程；cdefghc 段表示物質(zhì)在外加磁場中磁化、4退磁再磁化的過程，因為退磁的過程滯后于磁化曲線，故又稱此曲線為磁滯回線。由該曲線圍成的空間有明確的物理意義，即曲線圍起的面積越大，矯頑力（H c）越大，要求的矯頑場強越大，磁化所需的能量越大，磁性材料就越“硬” ；反之，曲線圍起的面積越小，磁性材料就越“軟” 。3.論述大多數(shù)無機非金屬材料在常溫下不能產(chǎn)生塑性形變的原因。答：無機非金屬材料的組成主要是晶體材料，原則上講可以通過位錯的滑移實現(xiàn)塑性變形。但是由于陶瓷晶體多為離子鍵或共價鍵，具有明顯的方向性。同號離子相遇，斥力極大，只有個別滑移系能滿足位錯運動的幾何條件和靜電作用條件。晶體結(jié)構(gòu)愈復雜，滿足這種條件就愈困難。另外，陶瓷材料一般呈多晶狀態(tài)，而且還存在氣孔、微裂紋、玻璃相等。其晶粒在空間隨機分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪應力差別很大。即使個別晶粒已達臨界剪應力而發(fā)生滑移，也會受到周圍晶粒的制約，使滑移受到阻礙而終止。所以多晶材料更不容易產(chǎn)生滑移。所以大多數(shù)無機非金屬材料在常溫下不能進行塑性變形。4.用固體能帶理論說明什么是導體、半導體、絕緣體，并予以圖示。答：根據(jù)能帶理論，晶體中并非所有電子，也并非所有的價電子都參與導電，只有導帶中的電子或價帶頂部的空穴才能參與導電。從下圖可以看出，導體中導帶和價帶之間沒有禁區(qū)，電子進入導帶不需要能量，因而導電電子的濃度很大。在絕緣體中價帶和導期隔著一個寬的禁帶 Eg，電子由價帶到導帶需要外界供給能量，使電子激發(fā)，實現(xiàn)電子由價帶到導帶的躍遷，因而通常導帶中導電電子濃度很小。defgh5半導體和絕緣體有相類似的能帶結(jié)構(gòu)，只是半導體的禁帶較窄(E g小)，電子躍遷比較容易。五、計算題（每題 5分，共 20分）1.一圓桿的直徑為 2.5mm、長度為 25cm并受到 4500N的軸向拉力，若直徑拉細至 2.4mm，且拉伸變形后圓桿的體積不變,求在此拉力下的真應力、真應變、名義應力和名義應變，并比較討論這些計算結(jié)果。解：根據(jù)題意可得下表由計算結(jié)果可知：真應力大于名義應力，真應變小于名義應變。2.一材料在室溫時的楊氏模量為 3.5108 N/m2,泊松比為 0.35，計算其剪切模量和體積模量。解：根據(jù) 可知：3.一陶瓷含體積百分比為 95%的 Al2O3 (E = 380 GPa)和 5%的玻璃相(E = 84 GPa)，試計算其上限和下限彈性模量。若該陶瓷含有 5%的氣孔，再估算其上限和下限彈性模量。拉伸前后圓桿相關參數(shù)表體積V/mm3直徑 d/mm圓面積S/mm2拉伸前 1227.2 2.5 4.909拉伸后 1227.2 2.4 4.5240816.4.25lnln001AT真 應 變 )(979.6MPaF名 義 應 力 5.10l名 義 應 變 )(.46真 應 力 )1(3)(2BGE )(130)(3.)5.0()1( 8MPa剪 切 模 量 99.7.38B體 積 模 量6解：令 E1=380GPa,E2=84GPa,V1=0.95,V2=0.05。則有當該陶瓷含有 5%的氣孔時，將 P=0.05代入經(jīng)驗計算公式 E=E0(1-1.9P+0.9P2)可得，其上、下限彈性模量分別變?yōu)?331.3 GPa和 293.1 GPa。4.一圓柱形 Al2O3晶體受軸向拉力 F，若其臨界抗剪強度 f為 135MPa,求沿圖 中所示之方向的滑移系統(tǒng)產(chǎn)生滑移時需要的最小拉力值，并求滑移面的法向應力。解：5.融熔石英玻璃的性能參數(shù)為：E=73Gpa；=1.56J/m 2；理論強度 th=28Gpa。如材料中存在最大長度為 2m 的內(nèi)裂，且此內(nèi)裂垂直于作用力方向，計算由此導致的強度折減系數(shù)。解：2c=2m c=110 -6m=cEc2GPa269.014.350769強度折減系數(shù)=1-0.269/28=0.996.一鋼板受有長向拉應力 350MPa，如在材料中有一垂直于拉應力方向的中心穿透缺陷，長 8mm(=2c)。此鋼材的屈服強度為 1400MPa，計算塑性區(qū)尺寸 r0及其裂縫半長 c的比值。討論用此試件來求 KIC值的可能性。= =39.23Mpa.m1/2 cYK .mrys125.0)(2100.0213.4/./0c用此試件來求 KIC值的不可能。7.一陶瓷零件上有一垂直于拉應力的邊裂，如邊裂長度為：（1）2mm；(2)0.049mm；(3)2m；分別)(.3650.8495.30GPaVEH上 限 彈 性 模 量 12)()(21L下 限 彈 性 模 量 )(12)(01.6cos/015.73)(.6cos5301.0cs8232min2 MPaNFf ：此 拉 力 下 的 法 向 應 力 為 為 ：系 統(tǒng) 的 剪 切 強 度 可 表 示由 題 意 得 圖 示 方 向 滑 移 F N60533mm7求上述三種情況下的臨界應力。設此材料的斷裂韌性為 1.62MPa.m2。討論講結(jié)果。cYKIY=1.12 =1.98=cI98.12/1.0(1)c=2mm, MPa25.18083(2)c=0.049mm, c 8649/1.3c=2um, c 72068康寧 1723玻璃（硅酸鋁玻璃）具有下列性能參數(shù)：=0.021J/( cms)；=4.610 -6/；p=7.0Kg/mm 2，E=6700Kg/mm 2，=0.25。求第一及第二熱沖擊斷裂抵抗因子。第一沖擊斷裂抵抗因子： ERf)1(= 666108.9710.45=170第二沖擊斷裂抵抗因子： ERf)(=1700.021=3.57 J/(cms)9.一熱機部件由反應燒結(jié)氮化硅制成，其熱導率 =0.184J/(cm.s.)，最大厚度=120mm.如果表面熱傳遞系數(shù) h=0.05 J/(cm2.s.),假定形狀因子 S=1，估算可茲應用的熱沖擊最大允許溫差。解： hrSRTmm31.0=2260.184 05.6=44710.光通過一塊厚度為 1mm的透明 Al2O3板后強度降低了 15%，試計算其吸收和散射系數(shù)的總和。解: 8 1.0)()(0)(0625.8.ln1.0cmseeI sxss11.一截面為 0.6cm2，長為 1cm的 n型 GaAs樣品，設 ， ，試求該32/80sVcmncmn150樣品的電阻。材料物理性能第一章材料的力學性能1-1 一圓桿的直徑為 2.5 mm、長度為 25cm 并受到 4500N 的軸向拉力，若直徑拉細至 2.4mm，且拉伸變形后圓桿的體積不變,求在此拉力下的真應力、真應變、名義應力和名義應變，并比較討論這些計算結(jié)果。解：由計算結(jié)果可知：真應力大于名義應力，真應變小于名義應變。1-5 一陶瓷含體積百分比為 95%的 Al2O3 (E = 380 GPa)和 5%的玻璃相(E = 84 GPa)，試計算其上限和下限彈性模量。若該陶瓷含有 5 %的氣孔，再估算其上限和下限彈性模量。解：令 E1=380GPa,E2=84GPa,V1=0.95,V2=0.05。則有 3.16078. 781.01195SlR cnq解 ： 0816.4.25lnln001AT真 應 變 )(979.6MPaF名 義 應 力 5.10l名 義 應 變 )(.46真 應 力 )(2.3650.8495.30GPaVEH上 限 彈 性 模 量 1)()(21L下 限 彈 性 模 量9當該陶瓷含有 5%的氣孔時，將 P=0.05代入經(jīng)驗計算公式 E=E0(1-1.9P+0.9P2)可得，其上、下限彈性模量分別變?yōu)?331.3 GPa和 293.1 GPa。1-6試分別畫出應力松弛和應變?nèi)渥兣c時間的關系示意圖，并算出 t = 0,t = 和 t = 時的縱坐標表達式。解：Maxwell 模型可以較好地模擬應力松弛過程：Voigt 模型可以較好地模擬應變?nèi)渥冞^程：以上兩種模型所描述的是最簡單的情況，事實上由于材料力學性 能的復雜性