材料物理性能期末復(fù)習(xí)題

1、期末復(fù)習(xí)題一、填空（20）1.一長(zhǎng)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(yīng)力值為 ，名義應(yīng)變值為 。 2.克勞修斯莫索蒂方程建立了宏觀(guān)量 介電常數(shù) 與微觀(guān)量 極化率 之間的關(guān)系。3固體材料的熱膨脹本質(zhì)是 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)間平均距離隨溫度升高而增大 。4格波間相互作用力愈強(qiáng)，也就是聲子間碰撞幾率愈大，相應(yīng)的平均自由程愈 小 ，熱導(dǎo)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(yīng)壓電體、鐵電體和熱釋電體都是 不具有對(duì)稱(chēng)中心 的晶體。6復(fù)介電常數(shù)由實(shí)部和虛部這兩部分組成，實(shí)部與通常應(yīng)用的 介電常數(shù) 一致，虛部表示了

2、電介質(zhì)中 能量損耗 的大小。7當(dāng)磁化強(qiáng)度M為 負(fù) 值時(shí)，固體表現(xiàn)為抗磁性。8電子磁矩由電子的 軌道磁矩 和 自旋磁矩 組成。9無(wú)機(jī)非金屬材料中的載流子主要是 電子 和 離子 。10廣義虎克定律適用于 各向異性的非均勻 材料。11設(shè)某一玻璃的光反射損失為m，如果連續(xù)透過(guò)x塊平板玻璃，則透過(guò)部分應(yīng)為 I0（1-m）2x 。12對(duì)于中心穿透裂紋的大而薄的板，其幾何形狀因子Y= 。13設(shè)電介質(zhì)中帶電質(zhì)點(diǎn)的電荷量q，在電場(chǎng)作用下極化后，正電荷與負(fù)電荷的位移矢量為l， 則此偶極矩為 ql 。14裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力是物體內(nèi)儲(chǔ)存的 彈性應(yīng)變能 的降低大于等于由于開(kāi)裂形成兩個(gè)新表面所需的 表面能 。15.Griff

3、ith微裂紋理論認(rèn)為，斷裂并不是兩部分晶體同時(shí)沿整個(gè)界面拉斷，而是 裂紋擴(kuò)展 的結(jié)果。16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(yīng)力因子表示。17當(dāng)溫度不太高時(shí)，固體材料中的熱導(dǎo)形式主要是 聲子熱導(dǎo) 。18在應(yīng)力分量的表示方法中，應(yīng)力分量,的下標(biāo)第一個(gè)字母表示方向，第二個(gè)字母表示 應(yīng)力作用 的方向。19 電滯回線(xiàn) 的存在是判定晶體為鐵電體的重要根據(jù)。20原子磁矩的來(lái)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。21. 按照格里菲斯微裂紋理論，材料的斷裂強(qiáng)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(xiǎn)的裂紋尺寸或臨界裂紋

4、尺寸決定材料的 斷裂強(qiáng)度。22. 復(fù)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(yīng)力，使坯體產(chǎn)生微裂紋。23.晶體發(fā)生塑性變形的方式主要有 滑移 和 孿生 。24.鐵電體是具有 自發(fā)極化 且在外電場(chǎng)作用下具有 電滯回線(xiàn) 的晶體。25.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(20)自發(fā)極化：極化并非由外電場(chǎng)所引起，而是由極性晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所引起，使晶體中的每個(gè)晶胞內(nèi)存在固有電偶極矩，這種極化機(jī)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(guò)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(guān)缺陷、顯微結(jié)構(gòu)的影響。包括熱

5、力學(xué)表面能、塑性形變能、微裂紋形成能、相變彈性能等。滯彈性：當(dāng)應(yīng)力作用于實(shí)際固體時(shí)，固體形變的產(chǎn)生與消除需要一定的時(shí)間，這種與時(shí)間有關(guān)的彈性稱(chēng)為滯彈性。格波：處于格點(diǎn)上的原子的熱振動(dòng)可描述成類(lèi)似于機(jī)械波傳播的結(jié)果，這種波稱(chēng)為格波，格波的一個(gè)特點(diǎn)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(chǎng)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(gè)符號(hào)相反而量值相等的電荷。蠕變（creep）(緩慢變形)：固體材料在保持應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象。它與塑性變形不同，塑性變形通常在應(yīng)力超過(guò)彈性極限之后才出現(xiàn)，而蠕變只要應(yīng)力的作用時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，它在應(yīng)

6、力小于彈性極限時(shí)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(yīng)力正好等于結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，裂紋產(chǎn)生突發(fā)性擴(kuò)展。一旦擴(kuò)展，引起周?chē)鷳?yīng)力的再分配，導(dǎo)致裂紋的加速擴(kuò)展，這種斷裂稱(chēng)為突發(fā)性斷裂。壓電效應(yīng)：不具有對(duì)稱(chēng)中心的晶體在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)對(duì)不具有對(duì)稱(chēng)中心晶體的極化方向上施加電場(chǎng)，晶體也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，晶體的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)，或稱(chēng)為電致伸縮現(xiàn)象。電致伸縮：當(dāng)在不具有對(duì)稱(chēng)中

7、心晶體的極化方向上施加電場(chǎng)時(shí)，晶體會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，晶體的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電致伸縮現(xiàn)象，或稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。鐵電體：具有自發(fā)極化且在外電場(chǎng)作用下具有電滯回線(xiàn)的晶體。三、問(wèn)答題（每題5分，共20分）1簡(jiǎn)述KI和KIC的區(qū)別。答：KI應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子：反映裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的參量。KIC斷裂韌度：當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子增大到一臨界值時(shí)，帶裂紋的材料發(fā)生斷裂，該臨界值稱(chēng)為斷裂韌性。KI是力學(xué)度量，它不僅隨外加應(yīng)力和裂紋長(zhǎng)度的變化而變化，也和裂紋的形狀類(lèi)型，以及加載方式有關(guān)，但它和材料本身的固有性能無(wú)關(guān)。而斷裂韌性KIC則是反映材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，因此是材料的固有性質(zhì)。2.簡(jiǎn)述位移極化和松馳

8、極化的特點(diǎn)。答：位移式極化是一種彈性的、瞬時(shí)完成的極化，不消耗能量；松弛極化與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，完成這種極化需要一定的時(shí)間，并且是非彈性的，因而消耗一定的能量。3.鐵磁性與鐵電性的本質(zhì)差別是什么？答： 鐵電性由離子位移引起，鐵磁性由原子取向引起。 鐵電性在非對(duì)稱(chēng)性的晶體中發(fā)生，鐵磁性發(fā)生在次價(jià)電子的非平衡自旋中。 鐵電體的居里點(diǎn)是由于晶體相變引起的，鐵磁性的居里點(diǎn)是原子的無(wú)規(guī)則振動(dòng)破壞了原子間的“交換”作用，從而使自發(fā)磁化消失引起的。4.為什么金屬材料有較大的熱導(dǎo)率，而非金屬材料的導(dǎo)熱不如金屬材料好？ 答：固體中導(dǎo)熱主要是由晶格振動(dòng)的格波和自由電子運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在金屬中由于有大量的自由電子，而且電子

9、的質(zhì)量很輕，所以能迅速地實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。雖然晶格振動(dòng)對(duì)金屬導(dǎo)熱也有貢獻(xiàn)，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(dòng)是它們的主要導(dǎo)熱機(jī)構(gòu)。因此，金屬一般都具有較非金屬材料更大的熱導(dǎo)率。5說(shuō)明圖中三條應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的特點(diǎn)，并舉例說(shuō)明其對(duì)應(yīng)的材料。答：受力情況下，絕大多數(shù)無(wú)機(jī)材料的變形行為如圖中曲線(xiàn)(a)所示，即在彈性變形后沒(méi)有塑性形變(或塑性形變很小)，接著就是斷裂，總彈性應(yīng)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(jià)晶體等。在短期承受逐漸增加的外力時(shí)，有些固體的變形分為兩個(gè)階段，在屈服點(diǎn)以前是彈性變形階段，在屈服點(diǎn)后是塑性變形階段。包括大多數(shù)金屬結(jié)

10、構(gòu)材料如圖中曲線(xiàn)(b)所示。橡皮這類(lèi)高分子材料具有極大的彈性形變，如圖中曲線(xiàn)(c)所示，是沒(méi)有殘余形變的材料，稱(chēng)為彈性材料。6如果要減少由多塊玻璃組成的透鏡系統(tǒng)的光反射損失，通常可以采取什么方法？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(lái)，這樣除了最外和最內(nèi)的兩個(gè)表面是玻璃和空氣的相對(duì)折射率外，內(nèi)部各界面均是玻璃和膠的較小的相對(duì)折射率，從而大大減少了界面的反射損失。7闡述大多數(shù)無(wú)機(jī)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(shí)，熱容趨于常數(shù)(25J(K·mo1)，低于D時(shí)與T3成正比。因此，不同材料的D是不同的。無(wú)機(jī)材料的熱容與

11、材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系是不大的，絕大多數(shù)氧化物、碳化物，熱容都是從低溫時(shí)的一個(gè)低的數(shù)值增加到1273K左右的近似于25JK·mol的數(shù)值。溫度進(jìn)一步增加，熱容基本上沒(méi)有什么變化。8.有關(guān)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(dǎo)率、復(fù)介電常數(shù)的復(fù)項(xiàng)。多種方法對(duì)材料來(lái)說(shuō)都涉及同一現(xiàn)象。即實(shí)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。9.簡(jiǎn)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(qiáng)度sf，減小彈性模量E。(2) 提高材料的熱導(dǎo)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

12、) 減小產(chǎn)品的有效厚度rm。 10.為什么含有未滿(mǎn)殼層的原子組成的物質(zhì)中只有一部分具有鐵磁性？含有未滿(mǎn)殼層原子組成的物質(zhì)包括順磁性物質(zhì)和有序磁性物質(zhì)。由于順磁性物質(zhì)中原子做無(wú)規(guī)則熱振動(dòng)，原子磁矩排列雜亂無(wú)章，宏觀(guān)上不表現(xiàn)磁性；有序磁性物質(zhì)包括反鐵磁性、亞鐵磁性和鐵磁性物質(zhì)，由于在反鐵磁性或亞鐵磁性物質(zhì)中磁性有序的原子排列形成的磁矩平行和反平行相間排列，其磁矩完全或部分抵消，故只有部分磁矩（或自旋電子）方向相同的有序磁性物質(zhì)具有鐵磁性。四、論述題：（本題共兩題，共20分）1何為相變?cè)鲰g？論述氧化鋯增韌陶瓷的機(jī)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(chēng)為相變?cè)鲰g。第

13、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(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入含有t-ZrO2晶粒的區(qū)域時(shí)，在裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的作用下，將會(huì)導(dǎo)致t-ZrO2發(fā)生t®m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(shí)的體積效應(yīng)（膨脹）而吸收能量，可見(jiàn)，應(yīng)力誘發(fā)的這種組織轉(zhuǎn)變消耗了外加應(yīng)力。同時(shí)由于相變粒子的體積膨脹而對(duì)裂紋產(chǎn)生壓應(yīng)力，阻礙裂紋擴(kuò)展。結(jié)果這種相變韌化作用使在該應(yīng)力水平下在無(wú)相變粒子的基體中可以擴(kuò)展的裂紋在含有氧化鋯 t®m相變粒子的復(fù)合材料中停止擴(kuò)展，如要使其繼續(xù)擴(kuò)展，必須提高外加應(yīng)力水平，具體體現(xiàn)在提高了

14、材料的斷裂韌性。2說(shuō)明下圖中各個(gè)參量，數(shù)字及曲線(xiàn)所代表的含義。答：Bs飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)外加磁場(chǎng)H增加到一定程度時(shí)，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(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)外加磁場(chǎng)降為0時(shí)，材料依然保留著磁性，其強(qiáng)度為Br。 Hc矯頑力（矯頑磁場(chǎng)強(qiáng)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。 µ磁導(dǎo)率（=B/H），表示材料能夠傳導(dǎo)和通過(guò)磁力線(xiàn)的能力。Oabc段表示材料從宏觀(guān)無(wú)磁性到有磁性的磁化過(guò)程；cdefghc段表示物質(zhì)在外加磁場(chǎng)中磁化、退磁再磁化的過(guò)程，因?yàn)橥舜诺倪^(guò)程滯后于磁化曲線(xiàn)，故又稱(chēng)此曲線(xiàn)為磁滯回線(xiàn)。由該曲線(xiàn)圍成的空間有明確的物理意義，即曲

15、線(xiàn)圍起的面積越大，矯頑力（Hc）越大，要求的矯頑場(chǎng)強(qiáng)越大，磁化所需的能量越大，磁性材料就越“硬”；反之，曲線(xiàn)圍起的面積越小，磁性材料就越“軟”。µdefgh3.論述大多數(shù)無(wú)機(jī)非金屬材料在常溫下不能產(chǎn)生塑性形變的原因。答：無(wú)機(jī)非金屬材料的組成主要是晶體材料，原則上講可以通過(guò)位錯(cuò)的滑移實(shí)現(xiàn)塑性變形。但是由于陶瓷晶體多為離子鍵或共價(jià)鍵，具有明顯的方向性。同號(hào)離子相遇，斥力極大，只有個(gè)別滑移系能滿(mǎn)足位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的幾何條件和靜電作用條件。晶體結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，滿(mǎn)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(jī)分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪應(yīng)力差別

16、很大。即使個(gè)別晶粒已達(dá)臨界剪應(yīng)力而發(fā)生滑移，也會(huì)受到周?chē)Я５闹萍s，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(wú)機(jī)非金屬材料在常溫下不能進(jìn)行塑性變形。2.用固體能帶理論說(shuō)明什么是導(dǎo)體、半導(dǎo)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(jià)電子都參與導(dǎo)電，只有導(dǎo)帶中的電子或價(jià)帶頂部的空穴才能參與導(dǎo)電。從下圖可以看出，導(dǎo)體中導(dǎo)帶和價(jià)帶之間沒(méi)有禁區(qū)，電子進(jìn)入導(dǎo)帶不需要能量，因而導(dǎo)電電子的濃度很大。在絕緣體中價(jià)帶和導(dǎo)期隔著一個(gè)寬的禁帶Eg，電子由價(jià)帶到導(dǎo)帶需要外界供給能量，使電子激發(fā)，實(shí)現(xiàn)電子由價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷，因而通常導(dǎo)帶中導(dǎo)電電子濃度很小。半導(dǎo)體和絕緣

17、體有相類(lèi)似的能帶結(jié)構(gòu)，只是半導(dǎo)體的禁帶較窄(Eg小)，電子躍遷比較容易。五、計(jì)算題（每題5分，共20分）1.一圓桿的直徑為2.5mm、長(zhǎng)度為25cm并受到4500N的軸向拉力，若直徑拉細(xì)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(yīng)力、真應(yīng)變、名義應(yīng)力和名義應(yīng)變，并比較討論這些計(jì)算結(jié)果。解：根據(jù)題意可得下表拉伸前后圓桿相關(guān)參數(shù)表體積V/mm3直徑d/mm圓面積S/mm2拉伸前1227.22.54.909拉伸后1227.22.44.524由計(jì)算結(jié)果可知：真應(yīng)力大于名義應(yīng)力，真應(yīng)變小于名義應(yīng)變。2.一材料在室溫時(shí)的楊氏模量為3.5×108 N/m2,泊松比為0.35，計(jì)算其

18、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(jì)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FN60°53°3mm當(dāng)該陶瓷含有5%的氣孔時(shí)，將P=0.05代入經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式E=E0(1-1.9P+0.9P2)可得，其上、下限彈性模量分別變?yōu)?31.3 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(qiáng)度f(wàn)為135MPa,求沿圖 中所示之方向的滑移系統(tǒng)產(chǎn)生滑移時(shí)需要的最小拉力值，并求滑移面的法向應(yīng)力。解：5.融熔石英玻璃的性能參數(shù)為：E=73Gpa；=1.56J/m2；理論強(qiáng)度th=28Gpa。如材料中存在最大長(zhǎng)度為2m的內(nèi)裂，且此內(nèi)裂垂直于作用力方向，計(jì)算由此導(dǎo)致的強(qiáng)度折減系數(shù)。解：2c=2m c=1×10-6m=強(qiáng)度折減系數(shù)=1-0.26