無機材料物理性能期末復(fù)習(xí)題

1期末復(fù)習(xí)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(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(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 不具有對稱中心 的晶體。6復(fù)介電常數(shù)由實部和虛部這兩部分組成，實部與通常應(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。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(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 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(shè)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(fù)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(yīng)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(rèn)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(yīng)力因子表示。15當(dāng)溫度不太高時，固體材料中的熱導(dǎo)形式主要是 聲子熱導(dǎo) 。16在應(yīng)力分量的表示方法中，應(yīng)力分量 , 的下標(biāo)第一個字母表示方向，第二個字母表示 應(yīng)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(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。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(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(guān)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(yīng)力不變的條件下，應(yīng)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(yīng)力超過彈性極限之后才出現(xiàn)，而蠕變只要應(yīng)力的作用時間相當(dāng)長，它在應(yīng)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(yīng)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(yīng)力的再分配，導(dǎo)致裂紋的加速擴展，這種斷裂稱為突發(fā)性斷裂。壓電效應(yīng)：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(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(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，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)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(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。電致伸縮：當(dāng)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(yīng)。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(yīng)力場強度因子：反映裂紋尖端應(yīng)力場強度的參量。KIC斷裂韌度：當(dāng)應(yīng)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(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，以及加載方式有關(guān)，但它和材料本身的固有性能無關(guān)。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(guān)，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(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(dǎo)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(dǎo)熱機構(gòu)。因此，金屬一般都具有較非金屬材料更大的熱導(dǎo)率。4說明圖中三條應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特點，并舉例說明其對應(yīng)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(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，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(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(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。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(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) 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(dāng)裂紋擴展進入含有 t-ZrO2晶粒的區(qū)域時，在裂紋尖端應(yīng)力場的作用下，將會導(dǎo)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(yīng)（膨脹）而吸收能量，可見，應(yīng)力誘發(fā)的這種組織轉(zhuǎn)變消耗了外加應(yīng)力。同時由于相變粒子的體積膨脹而對裂紋產(chǎn)生壓應(yīng)力，阻礙裂紋擴展。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)合材料中停止擴展，如要使其繼續(xù)擴展，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。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(yīng)強度，當(dāng)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(yīng)強度，當(dāng)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(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(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。即使個別晶粒已達臨界剪應(yīng)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(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，也并非所有的價電子都參與導(dǎo)電，只有導(dǎo)帶中的電子或價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)帶和價帶之間沒有禁區(qū)，電子進入導(dǎo)帶不需要能量，因而導(dǎo)電電子的濃度很大。在絕緣體中價帶和導(dǎo)期隔著一個寬的禁帶 Eg，電子由價帶到導(dǎo)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(dǎo)帶的躍遷，因而通常導(dǎo)帶中導(dǎo)電電子濃度很小。defgh5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 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(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，并比較討論這些計算結(jié)果。解：根據(jù)題意可得下表由計算結(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(guān)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(yīng) 變 )(979.6MPaF名 義 應(yīng) 力 5.10l名 義 應(yīng) 變 )(.46真 應(yīng) 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(dāng)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)力 350MPa，如在材料中有一垂直于拉應(yīng)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(yīng)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(yīng) 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(yīng)力。設(shè)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(yīng)燒結(jié)氮化硅制成，其熱導(dǎo)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(yīng)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(shè) ， ，試求該32/80sVcmncmn150樣品的電阻。材料物理性能第一章材料的力學(xué)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(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，并比較討論這些計算結(jié)果。解：由計算結(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。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(yīng) 變 )(979.6MPaF名 義 應(yīng) 力 5.10l名 義 應(yīng) 變 )(.46真 應(yīng) 力 )(2.3650.8495.30GPaVEH上 限 彈 性 模 量 1)()(21L下 限 彈 性 模 量9當(dāng)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(yīng)力松弛和應(yīng)變?nèi)渥兣c時間的關(guān)系示意圖，并算出 t = 0,t = 和 t = 時的縱坐標(biāo)表達式。解：Maxwell 模型可以較好地模擬應(yīng)力松弛過程：Voigt 模型可以較好地模擬應(yīng)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(xué)性 能的復(fù)雜性