无机材料物理性能期末复习题docWord格式.docx
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处于格点上的原了的热振动可描述成类似于机械波传播的结杲，这种波称为格波，格波的一个
特点是，其传播介质并非连接介质，而是由原了、离了等形成的晶格。
电介质：
指在电场作用下能建立极化的一切物质。
电偶极子：
是指相距很近但冇一距离的两个符号相反而量值相等的电荷。
蠕变：
固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延氏而增加的现象。
它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。
突发性断裂：
断裂源处的裂纹尖端所受的横向拉应力正好等于结合强度时，裂纹产生突发性扩展。
一旦扩展，引起周围应力的再分配，导致裂纹的加速扩展，这种断裂称为突发性断裂。
压电效应：
不具有对称中心的晶体在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它乂会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
相反,当对不具有对称中心晶体的极化方向上施加电场，晶体也会发生变形，电场去掉后，晶体的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现彖。
电致伸缩：
当在不具有对称中心晶体的极化方向上施加电场时，晶休会发生变形，电场去掉后，晶休的变形随之消失，这种现象称为电致伸缩现彖，或称为逆压电效应。
铁电休：
具有口发极化且在外电场作用下具有电滞冋线的晶体。
三、问答题
1.简述Ki和Kic的区别。
答：
K|应力场强度因子：
反映裂纹尖端应力场强度的参量。
Kk断裂韧度：
当应力场强度因了增大到一临界值时，带裂纹的材料发生断裂，该临界值称为断裂韧性。
&
是力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也和裂纹的形状类型，以及加载方式有关，但它和材料本身的固有性能无关。
而断裂韧性紅则是反映材料阻止裂纹扩展的能力，因此是材料的固有性质。
2.简述位移极化和松驰极化的特点。
位移式极化是一种弹性的、憐时完成的极化，不消耗能量；
松弛极化与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间，并且是非弹性的，因而消耗一定的能量。
3.为什么金属材料有较大的热导率，而非金属材料的导热不如金属材料好？
固体中导热主耍是由晶格振动的格波和门由电了运动来实现的。
在金属中由于有大量的门由电了，而且电了的质量很轻，所以能迅速地实现热量的传递。
虽然品格振动对金属导热也有贡献,但只是很次要的。
在非金属晶体，如一般离子晶体的晶格中，自由电子是很少的，晶格振动是它们的主要导热机构。
因此，金厲一般都具有较非金厲材料更大的热导率。
4•说明图中三条应力-应变曲线的特点，并举例说明其对应的材料。
名义应变5）x100
200400600
2"
10
風）
0so
峻性变形
>
101520
名义应变
Jo7瓷ND-R里汉w
弹性变形
受力情况下，绝人多数无机材料的变形行为如图中曲线Q）所示，即在弹性变形后没冇塑性形变（或塑性形变很小），接着就是断裂，总弹性应变能非常小，这是所冇脆性材料的特征，包括离子晶体和共价晶体等。
在短期承受逐渐增加的外力时，冇些固体的变形分为两个阶段，在屈服点以前是弹性变形阶段，在屈服点后是塑性变形阶段。
包括人多数金属结构材料如图中曲线（b）所示。
橡皮这类高分子材料具冇极人的弹性形变，如图中曲线（c）所示，是没有残余形变的材料，称为弹性材料。
5.如果要减少曲多块玻璃组成的透镜系统的光反射损失，通常可以采取什么方法？
为什么？
冇多块玻璃组成的透镜系统，常常用折射率和玻璃相近的胶粘起來，这样除了最外和最内的两个表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面均是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减少了界面的反射损失。
6•阐述大多数无机晶态固体的热容随温度的变化规律。
答:
根据德拜热容理论，在高于德拜温度鞋时，热容趋于常数（25J/（K-mol），低于几吋与『成正比。
因此，不同材料的际是不同的。
无机材料的热容与材料结构的关系是不大的，绝大多数氧化物、碳化物,热容都是从低温吋的一个低的数值增加到1273K左右的近似于25J/K•mol的数值。
温度进一步增加，热容基本上没有什么变化。
7•有关介质损耗描述的方法有哪些？
其木质是否一致？
损耗角正切、损耗因子、损耗角正切倒数、损耗功率、等效电导率、复介电常数的复项。
多种方法对材料来说都涉及同一现彖。
即实际电介质的电流位相滞后理想电介质的电流位相。
因此它们的本质是一致的。
8.简述提高陶瓷材料抗热冲击断裂性能的措施。
（1）提高材料的强度6,减小弹性模量E。
（2）提高材料的热导率。
（3）减小材料的热膨胀系数。
（4）减小表面热传递系数h。
（5）减小产品的有效厚度厲。
四、论述题：
1.何为相变增韧？
论述氧化错增韧陶瓷的机理。
利用多晶多相陶瓷中某些成分在不同温度的相变，从而增韧的效果，这统称为相变增韧。
第二相颗粒相变韧化（transformationtoughcning）是指将亚稳的四方ZrO?
颗粒引入到陶瓷基体中，当裂纹扩展进入含有t~ZrO2晶粒的区域时，在裂纹尖端应力场的作用下，将会导致t~ZrO2发生FT刃相变，因而除了产生新的断裂表面而吸收能量外，还因相变时的体积效应（膨胀）而吸收能量，可见，应力诱发的这种组织转变消耗了夕卜加应力。
同时由于相变粒了的体积膨胀而对裂纹产生压应力，阻碍裂纹扩展。
结杲这种相变韧化作用使在该应力水平下在无相变粒了的基体中可以扩展的裂纹在含有氧化错广T刃相变粒了的复合材料中停止扩展，如要使其继续扩展，必须提高外加应力水平，具体体现在提高了材料的断裂韧性。
2.说明下图中齐个参量，数字及曲线所代表的含义。
B,.——饱和磁感应强度，当外加磁场H增加到一定程度时，B值就不再上升，也就是这块材料磁化的极限。
Br——剩余磁感应强度，当外加磁场降为OU寸，材料依然保留着磁性，其强度为B,
比——矫顽力（矫顽磁场强度），表示材料保持磁化、反抗退磁的能力。
据此大小可以区分软磁和硬磁。
—磁导率UB/H）,表示材料能够传导和通过磁力线的能力。
Oabc段表示材料从宏观无磁性到有磁性的磁化过程；
cdefghc段表示物质在外加磁场中磁化、退磁再磁化的过程，因为退磁的过程滞后于磁化曲线，故又称此曲线为磁滞冋线。
由该曲线围成的空间冇明确的物理意义，即曲线围起的面积越大，矫顽力（比）越人，要求的矫顽场强越人，磁化
所需的能量越大，磁性材料就越“硬”；
反Z,曲线围起的面积越小，磁性材料就越“软”。
3.论述大多数无机非金屈材料在常温下不能产生塑性形变的原因。
无机非金屈材料的组成主耍是晶体材料，原则上讲可以通过位错的滑移实现塑性变形。
但是由于陶瓷晶体多为离子键或共价键，具有明显的方向性。
同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系能满足位错运动的儿何条件和静电作用条件。
晶体结构愈复杂，满足这种条件就愈困难。
另外，陶瓷材料一般呈多晶状态，而且还存在气孔、微裂纹、玻璃相等。
其晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪应力差别很大。
即使个别晶粒已达临界剪应力而发生滑移，也会受到周围晶粒的制约，使滑移受到阻碍而终止。
所以多晶材料更不容易产生滑移。
所以大多数无机菲金属材料在常温下不能进行塑性变形。
4•用固体能带理论说明什么是导体、半导体、绝缘体，并予以图示。
根据能带理论，晶体中并非所有电了，也并非所有的价电了都参与导电，只有导带中的电了或价带顶部的空穴才能参与导电。
从卜•图可以看出，导体中导带和价带Z间没有禁区，电了进入导带不需要能量，因而导电电子的浓度很大。
在绝缘体中价带和导期隔着一个宽的禁带臨，电子由价带到导带需要外界供给能量，使电子激发，实现电子由价带到导带的跃迁，因而通常导带中导电电子浓度很小。
金以半导体绝媳休
2eVJ?
fX>
eV
半导体和绝缘体有相类似的能带结构，只是半导体的禁带较窄（比小），电了跃迁比较容易。
五、计算题（每题5分，共20分）
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I员I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
1227.2
2.5
4.909
拉伸后
1227.2
2.4
4.524
F4500
真应Jj（7T=—=—c=995（MPa）
A4.524xl0f
真应变匂=In人=In去=1口竺=0.0816
/0A2.42
名义应力C7=—=—（=917（MPa）
人04.909X10"
6
名义应变£
=—=^-1=0.0851
山计算结果可知：
真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
2.一材料在室温时的杨氏模量为3.5X108N/m\泊松比为0.35,计算其剪切模量和体积模量。
根据E=2G（l+〃）=33（1—2“）可知:
时矿1.3X10认）5（网
体积模量B-占二絆“9X10认2390（叽
3•—陶瓷含体积百分比为95%的A1Q（E=380GPa）和5%的玻璃相（E=84GPa）,试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5%的气孔，再估算其上限和卜•限弹性模量。
令EF380GPa,E2=84GPa,Vt=0.95,V2=0.05o则有
上限弹性模量Er=+E2V2=380x0.95+84x0.05=365.2（GP6z）
下限弹性模量E厶=（比+匕=（坯+农）T=323.1（GPa）
LEjE238084
当该陶瓷含有5%的气孔时，将P二0.05代入经验计算公式E=Eo（l-l.9P+0.9P2）
可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3GPa和293.1GPa。
4.一圆柱形AI2O3晶体受轴向拉力F,若其临界抗剪强度t尸为135MPa,求沿图
中所示Z方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。
曲题意得图示方向滑移系统的剪切强度口J表示为:
Feos53°
0.00152龙
xcos60°
Tf-x0.00152^
cos53°
=3.17xlO3（7V）
此拉力下的法向应力为：
"
說；
腭:
爲加112X10认）=112呦）
5•融熔石英玻璃的性能参数为：
E=73Gpa；
Y=1.56J/m2；
理论强度。
th二28Gpa。
如材料中存在最人长度为2um的内裂，且此内裂垂直于作用力方向，计算由此导致的强度折减系数。
5
TIC
2Ey
x73x109x1.56.14x1xIO'
2c=2umc=lX10'
6m=0.269伽
强度折减系数二1-0・269/28=0.99
6•—钢板受有长向拉应力350MPa,如在材料中有一垂直于拉应力方向的中心穿透缺陷，长8mm（=2c）o此钢材的屈服强度为1400MPa,计算塑性区尺寸“及其裂缝半长c的比值。
讨论用此试件來求KIC值的可能性。
K、=Y（j4c=V^cr.Vc-39.23Mpa.ml2
=」一（△-）?
=0A25mm
2龙
；
o/c=O.125/4=O.O31>
1
15^
=>
0.021
用此试件来求Km值的不可能。
7.—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）2uni；
分別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.m20讨论讲结果。
K,=Ya4c
Y=l.12=1.98
二匕08i8c"
2
1.98Vc
（l）c二2mm,a=0.818/丁2x10-3=18.25」尬
c二2um,q.=0.818/』2x10“=577.04」妬
8.康宁1723玻璃（硅酸铝玻璃）具有下列性能参数:
X=0.021J/（cm・s・°
C）；
a=4.6X10_7°
C；
op=7.OKg/mm2,E=6700Kg/mm2,卩二0.25。
求第一及第二热冲击断裂抵抗因子。
第-冲击断裂抵抗因子：
-字
_7x9.8x10°
x0.75
4.6x10-6x6700x9.8x106
二170°
C
第二冲击断裂抵抗因子：
◎也沪
=170X0.021=3.57J/（cm•s）
9.一热机部件rfl反应烧结氮化硅制成，其热导率X二0.184J/（cni・s.°
C）,最人厚度=120mm.如果表面热传递系数h二0.05J/（cm2.s.°
C）,假定形状因子S二1,估算可兹应用的热冲击最大允许温差。
=R'
Sx
0.3比力
=226X0.184
0.31x6x0.05
=447°
10.光通过一块厚度为1mm的透明A1Q板后强度降低了15%,试计算其吸收和散射系数的总和。
解：
I=IQe~{a+s）x
幺《+小...o.85=訂。
+$）泌1
.\a+s=-101n0.85=1,625c/n_1
11.一截面为0.6cm‘，长为lcm的n型GaAs样品，设=8000c仍＜/V•s\n=，试求该样
品的电阻。
11
•:
p=—=
（Tnq比i
解:
1015xl.6xl0-19x8000=皿1Q-期
^p.I=0.781xX=1.3Q
《材料的理傕能》
第一章材料的力学性能
1-1一圆杆的直径为2.5mn\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。
真应力aT=—=（=995（MPa）
A4.524x10—6
真应变S=In仝=In如=In辽=0.0816
7/0A2.42
名义应力b=—==917（MPa）
%4.909X10-6
=-=^-1=0.0851
/o4
由计算结果可知：
1・5—陶瓷含体积百分比为95%的AI2O3（E=380GPa）和5%的玻璃相（E=84GPa），试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5%的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
令E产380GPa,E2=84GPa,VL0・95,V2=0・05。
则有
上限弹性模量Er=ElVl+E2V2=380x0.95+84x0.05=365.2（GPa）
下限弹性模量氏=（比+冬）一1=（型+哎）-1=323・2%）
LE}E238084
当该陶瓷含有5%的气孔吋，将P二0.05代入经验计算公式E=EO（1-1.9P+0.9严）可得，其上、下限
弹性模量分别变为331.3GPa和293.1GPa。
1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t=0,t=-和t二万时的纵坐
标表达式。
Maxwell模型可以较好地模拟应力松弛过程：
其应力松弛曲线方程为：
6t）=60）严
则有:
（7（0）=<
7（0）;
cr（oo）=0;
a（T）=（r（0）/e.
Voigt模型可以较好地模拟应变蠕变过程：
其蠕变曲线方程为:
£
（/）二丑（1-「"
）=£
（oo）（l-e~r/T）
E
则冇：
（0）=0;
£
（oo）=企旳）=空（1_訂）.
EE
.0CP.6.4.2
1.0.0.0.0.
（0）Ml）0
00
°
・Osss*i•i•i•i
012345t/T
应变蠕变曲线
JJ*ooO（00）30）3
1•I•I
234
应力松弛曲线
5t/T
以上两种模型所描述的是最简单的悄况，事实上由丁•材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏
壶通过串并联组合而成的复杂模型。
如采川四元件模型來表示线性高聚物的蠕变过程等。
1-11一圆柱形AbO?
晶体受轴向拉力F,若其临界抗剪强度匚中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并力。
Fcos53°
0.00152〃
为135MPq求沿图
求滑移面的法向应
①3mm
0X0.0015吒=3.17x101）
cos53°
xcos60°
cr=3.17xljxcos60。
=]12x108（P6/）=112（MPa）
0.00152龙/cos60。
第二章脆性断裂和强度
2-1求融熔石英的结合强度，设估计的表面能力为1.751/m2;
Si-0的平衡原子间距为1.6*10-8cm;
弹性模
量从60到75Gpa
=25.62〜28.64GP。
=[E/=I（60〜75）*109*1.75%~V~7~V1.6*1O'
2-2融熔石英玻璃的性能参数为：
E二73Gpa;
7=1・56"
時；
理论强度oth=28Gpa.如材料中存在最大长度为2pm的内裂,且此内裂垂直于作用力方向，计算由此导致的强度折减系数。
2c=2umc=1*10'
6m
厚臣迥车0.269GP。
c\7tc\3.14*1*10"
强度折减系数=1-0.269/28=0.99
2-5一钢板受有长向拉应力350MPa,如在材料中有一垂直于拉应力方向的中心穿透缺陷,长8mm（=2c）o此钢材的屈服强度为1400MPa,计算塑性区尺寸r°
及其裂缝半长c的比值。
讨论用此试件来求Kic值的可能性。
負=Y（j4c=4^（7.4c=39.23Mpa.m12
二0.125/77/77
r0/c=0」25/4=
二0.031>
=>
0.021用此试件來求Kic值的不口J能。
15龙
2-6一陶瓷零件上有一垂直于拉应力的边裂,如边裂长度为:
（1）2mm;
⑵0.049mm;
⑶2um,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I.GZMParrfo讨论讲结果。
K,=Y（j4cY二1.12石二1.98
1.98a/c
=0.818c_1/2
（3）（3）c=2um,a（=0.818/丁2*10"
=5T7.04MPa2-4一陶瓷三点弯曲试件，在受拉而上于跨度中间有一竖向切口如图。
如果E=380Gpa,u二0.24,求Kg值，设极限荷载达50Kg。
计算此材料的断裂表面能。
解c/W=0.1,Pc=50*9.8N,B=10,W=10,S=40代入下式：
pc
二62*
KfC=b錢u[2・9（c/W）"
2_4.6（c/W）"
2+21.8（c/W严2-37.6（c/W）7/2+38.7（c/IV）9/2]^[2.9*0.11/2-4.6*0.13/2+21.8*0.15/2-37.6*0.17/2+38.7*0.19/2]10*0.0103/2
（0.917-0.145+0.069-0.012+0.0012）
2E
=1.96*0.83==1.63Paml/2
=（1.63*106）2*0.94/（2*380*109）=3.28J/m2
第三章材料的热学性能
2-1计算室温（298K）及高温（1273K）时莫来石瓷的摩尔热容值,并请和按杜龙•伯蒂规律计算的结
果比较。
（1）当T=298K,Cp=a+bT+cT'
2=87.55+14.96*10_3*298-26.68*105
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