材料物理性能期末復(fù)習(xí)題

1、期末復(fù)習(xí)題、填空（20）一長30cm的圓桿，直徑4mm，承受5000N的軸向拉力。如直徑拉成3.8mm,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克勞修斯一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(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,虛部表示了電介質(zhì)中能量損耗的大小。當(dāng)磁化強(qiáng)度M為負(fù)值

2、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。無機(jī)非金屬材料中的載流子主要是電子和離子。廣義虎克定律適用于各向異性的非均勻材料。設(shè)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(yīng)為I（1-m）2x。012對(duì)于中心穿透裂紋的大而薄的板，其幾何形狀因子丫=_J_。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，花電荷與負(fù)電荷的位移矢量為l,則此偶極矩為ql。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裂形成兩個(gè)新表面所需的表面能。Griffith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?？紤]散熱的影響，材料允許承

3、受的最大溫度差可用第二熱應(yīng)力因子表示。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。，t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。電滯回線的存在是判定晶體為鐵電體的重要根據(jù)。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。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盤量,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尺寸決定材料的斷裂強(qiáng)度。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。晶體發(fā)生塑性變形

4、的方式主要有滑移和孿生。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的晶體。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(xué)表面能、塑性形變能、微裂紋形成能、相變彈性滯彈性：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)可描述成類似于機(jī)械波傳播的結(jié)果

5、，這種波稱為格波，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，它在應(yīng)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，引起周圍應(yīng)力的再分配，導(dǎo)致裂紋的加速擴(kuò)展，這種斷裂稱為突發(fā)性斷裂。壓電效應(yīng)：不具有對(duì)稱中心

6、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)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。電致伸縮：當(dāng)在不具有對(duì)稱中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)象稱為電致伸縮現(xiàn)象，或稱為逆壓電效應(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的晶體。三、問答題（每題5分，共20分）簡(jiǎn)

7、述K和K的區(qū)別。IIC答：K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。IK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，該臨界值稱為斷IC裂韌性。K是力學(xué)度量，它不僅隨外加應(yīng)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I式有關(guān)，但它和材料本身的固有性能無關(guān)。而斷裂韌性K則是反映材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，IC因此是材料的固有性質(zhì)。簡(jiǎn)述位移極化和松馳極化的特點(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。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

8、由原子取向引起。鐵電性在非對(duì)稱性的晶體中發(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。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)來實(shí)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(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。說明圖中三條應(yīng)

9、力-應(yīng)變曲線的特點(diǎn)，并舉例說明其對(duì)應(yīng)的材料。答：受力情況下，絕大多數(shù)無機(jī)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(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)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。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

10、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(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。闡述大多數(shù)無機(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9時(shí)，熱容趨于常數(shù)（25J/（Kmol）,低于0時(shí)與DDT3成正比。因此，不同材料的0是不同的。無機(jī)材料的熱容與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系是不大的，絕大D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25J/Kmol的數(shù)值。溫度進(jìn)一步增加，熱容基本上沒有什么變化。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

11、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)材料來說都涉及同一現(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。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，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f系數(shù)。（4）減小表面熱傳遞系數(shù)ho（5）減小產(chǎn)品的有效厚度r。為什么含有未滿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)中原子做無規(guī)則熱振動(dòng)，原子磁矩排列雜亂無章，宏觀上不表現(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

12、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）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)稱為相變?cè)鲰g。第二相顆粒相變韌化（transformationtoughening）是指將亞穩(wěn)的四方ZrO顆粒引入到陶瓷基體2中，當(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入含有t-ZrO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-ZrO發(fā)22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(shí)的體積效應(yīng)（膨脹）而吸

13、收能量，可見，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)力水平下在無相變粒子的基體中可以擴(kuò)展的裂紋在含有氧化鋯tm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)在提高了材料的斷裂韌性。說明下圖中各個(gè)參量，數(shù)字及曲線所代表的含義。答：B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。B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B。rrH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。

14、卩磁導(dǎo)率（=B/H），表示材料能夠傳導(dǎo)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(chǎng)中磁化、退磁再磁化的過程，因?yàn)橥舜诺倪^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）越大，要求的矯頑場(chǎng)強(qiáng)越大，磁化c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(jī)非金屬材料在常溫下不能產(chǎn)生塑性形變的原因。答：無機(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)

15、離子相遇，斥力極大，只有個(gè)別滑移系能滿足位錯(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(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

16、中導(dǎo)帶和價(jià)帶之間沒有禁區(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E,電子由價(jià)g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)體和絕緣體有相類似的能帶結(jié)構(gòu)，只是半導(dǎo)體的禁帶較窄（E?。?，電子躍遷比較容易。五、計(jì)算題（每題5分，共20分）S1.一圓桿的直徑為2.5mm、長度為25cm并受到4500N的軸向拉力，若直徑拉細(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/

17、mm圓面積S/mm2拉伸前1227.22.54.909拉伸后1227.22.44.524真應(yīng)力TF4500995(MPa)TOC o 1-5 h zA4.524,10-6lA2.52真應(yīng)變二lni二lno二ln=0.0816TlA2.42F4500名義應(yīng)力917(MPa)A04.909,10-6/A名義應(yīng)變0-10.0851/A0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。一材料在室溫時(shí)的楊氏模量為3.5X108N/m2,泊松比為0.35，計(jì)算其剪切模量和體積模量。解：根據(jù)E=2G(1+卩)=3B(1-2卩)可知：E3.5108剪切模量G=-=-=1.3108(Pa)沁130(MP

18、a)2(1+卩)2(1+0.35)-3.5-108體積模量B=-=-=3.9-108(Pa)沁390(MPa)3(1-2卩)3(1-0.7)陶瓷含體積百分比為95%的AlO(E=380GPa)和5%的玻璃相(E=84GPa),試計(jì)算其上限和23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E=380GPa,E=84GPa,V=0.95,V=0.05。則有1212上限彈性模量-H=-iV+-2V2=380 x0.95+84x0.05=3652(GPa)下限彈性模量L=G-1+)-1=(+)-1=323.1(GPa)L1238084當(dāng)該陶瓷含有5%的氣孔時(shí)，將P=0.05

19、代入經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式E=E(1-1.9P+0.9R)可得，其上、下限0彈性模量分別變?yōu)?31.3GPa和293.1GPa。一圓柱形AlO晶體受軸向拉力F,若其臨界抗剪強(qiáng)度t為135MPa,求沿圖23f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：由題意得圖示方向滑移系統(tǒng)的剪切強(qiáng)度可表示為Fcos53=xcos600.00152丄=0.021015兀用此試件來求K值的不可能。IC陶瓷零件上有一垂直于拉應(yīng)力的邊裂，如邊裂長度為：(1)2mm；(2)0.049mm；(3)2口m；分別求上述三種情況下的臨界應(yīng)力。設(shè)此材料的斷裂韌性為1.62MPa.m2。討論講結(jié)果。K二YcIY=1.12兀=1.98K=i=0.818c-1/21.98cc=2mm,二0.818/2x10-3二18.25MPacc=0.049mm,=0.818/0.049x10-3