無機(jī)材料物理性能題庫

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：根據(jù)題意可得下表拉伸前后圓桿相關(guān)參數(shù)表?995(MPa)A4.524?10?6A0l12.52真應(yīng)變?T?ln?ln?ln?0.0816l0A2.42F4500名義應(yīng)力?917(MPa)?6A04.909?10A?l名義應(yīng)變?0?1?0.0851l0A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。 真應(yīng)力?T?2.一材料在室溫時的楊氏模量為3.5×108 N/m2,泊松比為

2、0.35，計算其剪切模量和體積模量。E?2G(1?)?3B(1?2?)可知： 解：根據(jù)E3.5?108剪切模量G?1.3?108(Pa)?130(MPa)2(1?)2(1?0.35)E3.5?108體積模量B?3.9?108(Pa)?390(MPa)3(1?2?)3(1?0.7)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。解：令E1=380GPa,E2=84GPa,V1=0.95,V2=0.05。則有上限彈性模量EH?E1V1?E2V2?380?0

3、.95?84?0.05?365.2(GPa)VV0.950.05?1下限彈性模量EL?(1?2)?1?(?)?323.1(GPa)E1E2380842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+0.9P)可得，其上、下限彈性模量分別變?yōu)?31.3 GPa和293.1 GPa。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。 曲線a：在外鏈作用下，材料的變形主要表現(xiàn)為 彈性形變，大多數(shù)情況下，材料在斷裂前幾乎沒 有塑性形變發(fā)生，總彈性應(yīng)變能非常小，這是脆 性材料的特征。曲線b：在受力過程中，其形變先表現(xiàn)為彈性形 變，接著有一段彈塑性形變，然后才斷

4、裂，總變 形能很大，這是如低碳鋼登延性材料。曲線c：具有極大的彈性形變，沒有殘余形變的 材料，是橡皮這類彈性材料。5.材料的彈性模數(shù)主要取決于說明因素，請簡述其影響規(guī)律。 答：材料的彈性模數(shù)主要取決于六個方面：（3分） 一、鍵合方式和原子結(jié)構(gòu)； 二、晶體結(jié)構(gòu)； 三、化學(xué)成分； 四、微觀組織； 五、溫度；六、加載條件和負(fù)載持續(xù)時間。6.為什么常溫下大多數(shù)陶瓷材料不能產(chǎn)生塑性變形、而呈現(xiàn)脆性斷裂？答：陶瓷多晶體的塑性形變不僅取決于構(gòu)成材料的晶體本身，而且在很大程度上受晶界物質(zhì)的控制。因此多晶塑性形變包括以下內(nèi)容：晶體中的位錯運動引起塑變；晶粒與晶粒間晶界的相對滑動；空位的擴(kuò)散；粘性流動。在常溫下，

5、由于非金屬晶體及晶界的結(jié)構(gòu)特點，使塑性形變難以實現(xiàn)。又由于在材料中往往存在微裂紋，當(dāng)外應(yīng)力尚未使塑變以足夠的速度運動時，此應(yīng)力可能已超過微裂紋擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力，最終導(dǎo)致材料的脆斷。7.一圓柱形Al2O3晶體受軸向拉力F，若其臨界抗剪強度f為135 MPa,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：由題意得圖示方向滑移系統(tǒng)的剪切強度可表示為：?Fcos53?cos60?0.00152?f?0.00152?Fmin?3.17?103(N)cos53?cos60?3.17?103?cos60?此拉力下的法向應(yīng)力為：?1.12?108(Pa)?112(MPa)

6、20.0015?/cos60?8. O/Si比值增大,玻璃的粘度將如何變化？O/Si比值增大，熔體粘度下降，這是由于O/Si比值增大導(dǎo)致非橋氧增加，使大型四面體群分解為小型四面體群的緣故9. B-O的單鍵強度高于Si-O，為什么B-O玻璃的粘度卻低于Si-O玻璃？結(jié)構(gòu)對稱性降低，玻璃的粘度下降，石英玻璃的粘度明顯大于硼氧玻璃，這是由于硅氧四面體的對稱性高于硼氧三角體的緣故10.何謂蠕變?試簡述無機(jī)材料典型高溫蠕變曲線的階段特點,并分析討論影響蠕變的主要因素。當(dāng)對粘彈性體施加恒定壓力時，其應(yīng)變隨時間而增加，這種現(xiàn)象叫蠕變。（1）彈性形變階段(oa段)：起始段，在外力作用下，發(fā)生瞬時彈性形變，即應(yīng)

7、力和應(yīng)變同步；若外力超過試驗溫度下的彈性極限，則oa段也包括一部分塑性形變。 （2）第一階段蠕變（ab段，蠕變減速階段）：其特點是應(yīng)變速率隨時間遞減，即ab段的斜率d/dt隨時間的增加愈來愈小，曲線越來越平緩，該階段持續(xù)時間較短。 （3）第二階段蠕變（bc段，穩(wěn)定蠕變階段）：此階段的形變速率最小，且恒定，也為穩(wěn)定態(tài)蠕變（特點是蠕變速率幾乎保持不變）。 （4）第三階段蠕變（cd段，加速蠕變階段）：蠕變速率隨時間增加而快速增加，蠕變曲線變陡，最后到d點斷裂。 影響因素：1.溫度、應(yīng)力：溫度升高，蠕變增大。這是由于溫度升高，位錯運動和晶界錯動加快，擴(kuò)散系數(shù)增大。蠕變隨應(yīng)力增加而增大，若對材料施加壓應(yīng)

8、力，則增大了蠕變的阻力。2.晶體的結(jié)構(gòu)：結(jié)合力越大，越不易發(fā)生蠕變，所以共價鍵結(jié)構(gòu)的材料具有好的抗蠕變性。 3.晶體的組成： 組成不同的材料其蠕變行為不同。即使組成相同，單獨存在和形成化合物，其蠕變行為不一樣。4.顯微結(jié)構(gòu)：材料中的氣孔、晶粒、玻璃相等對蠕變都有影響。氣孔：氣孔率增加，蠕變率增加。 晶粒：晶粒越小，蠕變率越大。玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕變率增加。11. 求融熔石英的結(jié)合強度，設(shè)估計的表面能力為1.75J/m2; Si-O的平衡原子間距為1.6*10-8cm;彈性模量75Gpa?th?E75*109*1.75=?28.64GPa a1.6*10?1012. 融熔石英玻璃的性能參數(shù)

9、為：E=73 Gpa；=1.56 J/m2；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)。2c=2m c=1*10m ?c?-62E?2*73*109*1.56=?0.269GPa ?6?c3.14*1*10強度折減系數(shù)=1-0.269/28=0.9913.一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)2 um, 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。 KI?Y?c Y=1.12=1.98 ?KI1.c=0.818c?1/2c=2mm

10、, ?c?0.818/2*10?3?18.25MPac=0.049mm, ?c?0.818/0.049*10?3?116.58MPa c=2um, ?c?0.818/2*10?6?577.04MPa14.一陶瓷三點彎曲試件，在受拉面上于跨度中間有一豎向切口如圖。如果E=380 Gpa，=0.24，求KIc值，設(shè)極限荷載達(dá)50Kg。計算此材料的斷裂表面能。解 c/W=0.1, Pc=50*9.8N ,B=10, W=10，S=40 代入下式：KIC?PcS2.9(c/W)1/2?4.6(c/W)3/2?21.8(c/W)5/2?37.6(c/W)7/2?38.7(c/W)9/2 3/2BW=50

11、*9.8*402.9*0.11/2?4.6*0.13/2?21.8*0.15/2?37.6*0.17/2?38.7*0.19/2 3/210*0.010=62*（0.917-0.145+0.069-0.012+0.0012） =1.96*0.83=1.63Pam21/2KIC22E? ?KIC(1?)?(1.63*106)2*0.94/(2*380*109)?3.28 J/m2 ?2E1?215.試比較應(yīng)力、應(yīng)力強度因子及斷裂韌性的區(qū)別K：把分布內(nèi)力在一點的集度稱為應(yīng)力KI：應(yīng)力強度因子，是一個力學(xué)參量，表示裂紋體中裂紋尖端的應(yīng)力場強度的大小，綜合反映了外加應(yīng)力和裂紋位置、長度對裂紋尖端應(yīng)力場

12、強度的影響，與裂紋類型有關(guān)，而和材料無關(guān)； KIC：平面應(yīng)變斷裂韌性，是材料的力學(xué)性能指標(biāo)，決定于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素，而與外加應(yīng)力及試樣尺寸等外在因素?zé)o關(guān)。16.什么是裂紋的快速擴(kuò)展？陶瓷材料中的裂紋產(chǎn)生和快速擴(kuò)展的原因是什么？有哪些防止裂紋擴(kuò)展的措施？答：按照微裂紋脆斷理論，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s?2?是常數(shù)。大小。裂紋擴(kuò)展力： 若 c 增加，則 G 變大，而G 的G?c2/E，ddc增大，釋放出多余的能量，一方面使裂紋擴(kuò)展加速，另一方面能使裂紋增殖，產(chǎn)生分支，形成更多的新表面。這就是裂紋的快速擴(kuò)展。裂紋產(chǎn)生的原因：（1）由于晶體微觀結(jié)構(gòu)中存在缺陷

13、，當(dāng)受到外力作用時，在這些缺陷處就會引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋成核。（2）氣孔附近區(qū)域中存在的顯微結(jié)構(gòu)缺陷。通常氣孔不能單獨作為裂紋來看待。當(dāng)氣孔處于三交晶界處時，氣孔端部因為應(yīng)力集中而產(chǎn)生的局部應(yīng)力有可能克服晶界間的結(jié)合力，從而使晶界產(chǎn)生松動，斷裂就有可能在這里發(fā)生。 （3）夾雜導(dǎo)致的微開裂現(xiàn)象.無機(jī)材料中的夾雜通常起源于粉體的制備過程及成型過程。主要源于夾雜物與基體間熱膨脹及彈性形變的失配，而產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，從而誘發(fā)出微裂紋。 （4）由于熱應(yīng)力形成裂紋。 晶粒在材料內(nèi)部取向不同，熱膨脹系數(shù)不同，在晶界或相界出現(xiàn) 應(yīng)力集中。高溫迅速冷卻，內(nèi)外溫度差引起熱應(yīng)力。溫度變化發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，體積發(fā)生變化

14、 。（5）材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋。 防止裂紋擴(kuò)展的措施：1.使作用應(yīng)力不超過臨界應(yīng)力，裂紋就不會失穩(wěn)擴(kuò)展 2.在材料中設(shè)置吸收能量的機(jī)構(gòu)阻止裂紋擴(kuò)展 陶瓷材料中加入塑性粒子或纖維 人為地造成大量極微細(xì)的裂紋（小于臨界尺寸）能吸收能量，阻止裂紋擴(kuò)展17.影響斷裂韌性的因素有哪些？18.什么是亞臨界裂紋擴(kuò)展？其機(jī)理有哪幾種？指在低于材料斷裂韌性的外加應(yīng)力場強度作用下所發(fā)生的裂紋緩慢擴(kuò)展。 機(jī)理有1.應(yīng)力腐蝕理論 在一定的環(huán)境溫度和應(yīng)力場強度因子作用下，材料中關(guān)鍵裂紋尖端處裂紋擴(kuò)展動力與裂紋擴(kuò)展阻力的比較，構(gòu)成裂紋開裂或止裂的條件。 2.空腔機(jī)理 陶瓷在高溫下長期受力的作用時，晶界

15、玻璃相的結(jié)構(gòu)粘度下降，由于該處的應(yīng)力集中，晶界處于甚高的局部拉應(yīng)力狀態(tài)，玻璃相則會發(fā)生蠕變或粘性流動，形變發(fā)生在氣孔，夾層，晶界層，甚至結(jié)構(gòu)缺陷中，形成空腔?？涨贿M(jìn)一步沿晶界方向長大、連通形成次裂紋，與主裂紋匯合形成裂紋的緩慢擴(kuò)展。19.如何提高陶瓷材料的強度和韌性？試簡述其增韌原理。提高無機(jī)材料強度，改進(jìn)材料韌性，從消除缺陷和阻止微裂紋發(fā)展著手。裂紋偏轉(zhuǎn)增韌：在擴(kuò)展裂紋尖端應(yīng)力場中的增強體會導(dǎo)致裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而干擾應(yīng)力場，導(dǎo)致基體的應(yīng)力強度降低，起到阻礙裂紋擴(kuò)展的作用；而且裂紋的擴(kuò)展路徑增長，裂紋擴(kuò)展中需消耗更多的能量，從而起到增韌的作用。裂紋橋接增韌：對于特定位向和分布的纖維，裂紋很難偏

16、轉(zhuǎn)，只能沿著原來的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展。這時緊靠裂紋尖端處的纖維并未斷裂，而是在裂紋兩岸搭起小橋，使兩岸連在一起。這會在裂紋表面產(chǎn)生一個壓應(yīng)力，以抵消外加應(yīng)力的作用，從而使裂紋難以進(jìn)一步擴(kuò)展，起到增韌作用。彌散增韌：在基體中滲入具有一定顆粒尺寸的微細(xì)粉料達(dá)到增韌的效果。相變增韌：利用多晶多相陶瓷中某些相成份在不同溫度的相變，從而增韌的效果。其增韌機(jī)理包括應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌、微裂紋增韌等。1.應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌：當(dāng)材料中存在亞穩(wěn)的四方晶相ZrO2時，材料在承載過程中，由于應(yīng)力誘發(fā)ZrO2由四方相轉(zhuǎn)變成單斜相，相變過程中會吸收大量能量，從而可以使裂紋尖端應(yīng)力集中程度降低；2.微裂紋和相變伴隨的體積的改變在

17、裂紋面兩個開裂面施加了壓應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展阻力提高，使裂紋閉合，不易擴(kuò)展，材料的強度和斷裂韌性大幅度提高。20.何謂熱容？影響熱容的因素有哪些？熱容為使物體溫度升高1K所需要的外界提供的能量。熱容與物質(zhì)的性質(zhì)、所處的狀態(tài)及傳遞熱量的過程有關(guān)，并同物質(zhì)系統(tǒng)的質(zhì)量成正比。21.熱膨脹的本質(zhì)是什么？試用非簡諧振動理論解釋熱膨脹機(jī)理熱膨脹的本質(zhì)是質(zhì)點振動的非簡諧效應(yīng)。質(zhì)點在平衡位置兩側(cè)時所分別收到的力并不對稱，在這樣的受力情況下，質(zhì)點的平衡位置要偏移，從而導(dǎo)致相鄰質(zhì)點間平均距離增加，以致晶胞參數(shù)增大，宏觀上便表現(xiàn)為晶體的熱膨脹。28.什么是抗熱震性,如何表示陶瓷材料的抗熱震性?試簡要說明提高陶瓷材料的

18、抗熱沖擊斷裂性能的主要措施?？篃嵴鹦灾覆牧铣惺軠囟鹊募眲∽兓恢缕茐牡哪芰Γ址Q為熱穩(wěn)定性。 通過抗熱沖擊斷裂因子表示陶瓷材料的抗熱震性。提高措施：（1）、提高材料強度，減小彈性模量E，使/E提高-提高材料的柔韌性，能吸收較多的彈性應(yīng)變能而不致開裂，提高了熱穩(wěn)定性。（2）、提高材料的熱導(dǎo)率；（3）、減小材料的熱膨脹系數(shù)；（4）、減小材料的表面熱傳遞系數(shù)h；（5）、減小產(chǎn)品的有效厚度。29.一入射光以較小的入射角i和折射角r通過一透明明玻璃板,若玻璃對光的衰減可忽略不計,試證明明透過后的光強為(1-m)2 解：n21?sini W = W + Wsinr其折射光又從玻璃與空氣的另一界面射入空氣

19、 W"'W"'2?1?m?1?m? W"W30.有一材料的吸收系數(shù)=0.32cm-1，透明光強分別為入射的10%，20%，50%及80%時，材料的厚度各為多少？ 則I?I0e?x?e?x?II0解: ?xx?lnI?X1?X4 I0?ln0.1?ln0.2?ln0.5?7.2cm,X2?5.03cm,X3?2.17cm0.320.320.32?ln0.8?0.697cm0.3231.什么材料傳播最長波長的紅外輻射，是MgO,SrO,BaO?由 可知，要使諧振點的波長盡可能遠(yuǎn)離可見光區(qū)，即吸收峰處的頻率盡可能小，則需要較小的材料熱震頻率r，即材料在課

20、件光區(qū)的透過范圍大，而這就要求材料的離子間作用力小，陽離子和陰離子質(zhì)量大，即小，Mc與Ma要大，對于MgO,SrO,BaO，它們2+2+2-都是離子鍵結(jié)合，但Ba半徑最大，因此Ba與O之間的作用力相對較小，即值較小，又因為相比Mg,Sr,Ba離子質(zhì)量最大，即Mc最大，因此，總的來說，BaO 材料的r最小，因而能傳播最長波長的紅外輻射。32.試說明氧化鋁為什么可以制成透光率很高的陶瓷，而金紅石不能？答：主要受晶粒排列方向的影響嚴(yán)重：如果材料中存在雙折射現(xiàn)象，則與晶軸成不同角度的方向上，折射率不相同。在多晶材料中，晶粒的不同取向均產(chǎn)生反射及散射損失。如以兩個相鄰晶粒的光軸相互垂直加以討論分析。設(shè)光

21、線沿左晶粒的光軸方向射入，則在左晶粒中只存在常光折射率，右晶粒的光軸垂直于左晶粒的光軸，也就垂直于晶界處的入射光，由于雙折射現(xiàn)象，還有非常光折射率存在。兩晶粒的相對折射率不為1，此時將導(dǎo)致反射和折射損失。2?6對于氧化鋁瓷： R?1.768/1.760?1?/?1.768/1.760?1?5.14?102對于金紅石瓷：R?2.854/2.567?1?/?2.584/2.567?1?0.0028設(shè)有200個晶界，則除去晶界反射損失后，剩余光強為：對于氧化鋁瓷：(1?R)200?(1?5.14?10?6)200?0.99897200?(1?0.0028)?0.5708 損失較大，對于金紅石瓷：(1

22、?R)（3分）此外，對于氧化鋁瓷n21=1.0045，接近于1，散射損失不大，而對于金紅石瓷n21=1.1112，較大，則也會引起較大的散射損失。（2分）故：氧化鋁（Al2O3）陶瓷能制成透明燈管，而金紅石（TiO2）瓷則不能做成透明陶瓷。 20033.載流子的遷移率的物理意義是什么？是表征載流子在電場作用下加速運動快慢的一個物理量34.電導(dǎo)率的微觀本質(zhì)是什么？?i?niqii該式反映電導(dǎo)率的微觀本質(zhì)，即宏觀電導(dǎo)率與微觀載流子i的濃度n，每一種載流子的電荷量q以及每種載流子的遷移率的關(guān)系。35.什么叫晶體的熱缺陷？有幾種類型？寫出其濃度表達(dá)式？晶體中離子電導(dǎo)分為哪幾類？由于晶體中的原子(或離子

23、)的熱運動而造成的缺陷稱為熱缺陷弗侖克爾缺陷 Nf?Nexp?Ef/2kT肖特基缺陷 NS?Nexp?ES/2kT分為2類： 本征電導(dǎo)：晶體點陣中離子的運動。（高溫下為主）雜質(zhì)電導(dǎo)：雜質(zhì)離子是弱聯(lián)系離子。（低溫下為主）?36.何謂電介質(zhì)的極化？請簡述介質(zhì)極化的類型，并比較之。極化指介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點（原子、分子、離子）正負(fù)電荷重心分離，從而轉(zhuǎn)變成偶極子。 極化類型分為：電子位移極化，離子位移極化，松弛極化，轉(zhuǎn)向極化，空間電荷極化。 電子位移極化：在外電場作用下，原子外圍的電子云相對于原子核發(fā)生位移形成的極化。這種極化具有一個彈性束縛電荷在強迫振動中所表現(xiàn)出來的特性，是可逆的。離子位移極化：離子在電場的

24、作用下，偏移平衡位置引起的極化，仍然受到彈性恢復(fù)力的限制，是可逆的。松弛極化：比位移極化移動較大距離，移動時需克服一定的勢壘，極化建立時間長，需吸收一定的能量，是一種非可逆過程。轉(zhuǎn)向極化：具有恒定偶極矩的極性分子在外加電場作用下，偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向，趨于和外加電場方向一致，與極性分子的熱運動達(dá)到統(tǒng)計平衡狀態(tài)，整體表現(xiàn)為宏觀偶極矩?？臻g電荷極化：在缺陷障礙處，自由電子積聚，形成空間電荷極化，一般為高壓式極化。37.一塊1cm*4cm*0.5cm的陶瓷介質(zhì)，其電容為2.4F,損耗因子tg為0.02。求：相對介電常數(shù)；損耗因素。解：1C?d2.4?10?12?0.5?10?2(1)相對介電常數(shù)?r?3.39?12?4?A8.854?10?1?4?1002.4?10?12?0.5?10?2?13