材料物理性能期末復(fù)習(xí)題

1、期末復(fù)習(xí)題、填空（20）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)的平均自由程愈上,熱導(dǎo)率也就愈_低。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，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)：指在電場作用下能建立極化的一切

2、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

3、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，晶體也會(huì)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(duì)稱中心晶體的極化方向上施加電場時(shí)，晶體會(huì)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（每題5分，共20分）1 .簡述K和Kc的區(qū)別。答：K應(yīng)力場強(qiáng)度因子：反映裂紋尖端應(yīng)力場強(qiáng)度的參量。Kc斷裂韌度：當(dāng)應(yīng)力場強(qiáng)度因子增大到一臨界值

4、時(shí)，帶裂紋的材料發(fā)生斷裂，該臨界值稱為斷裂韌性。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 式有關(guān)，但它和材料本身的固有性能無關(guān)。而斷裂韌性 Kc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。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

5、相變引起的，鐵磁性的居里點(diǎn)是原子的無規(guī)則振動(dòng)破壞了原子問的“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。5 .說明圖中三條應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特點(diǎn)，并舉例說明其對(duì)應(yīng)的材料時(shí)性亨強(qiáng)強(qiáng)處次.聯(lián)名義睥哽UU*I*附Ba ：君

6、軻姓答：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?。?，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 所示，是沒有殘余形變的材料，稱為彈性材料。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?？梢圆扇∈裁捶椒ǎ繛槭裁?？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，

7、 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 8d時(shí)，熱容趨于常數(shù)（25J/（K mol）,低于8 d時(shí)與 T3成正比。因此，不同材料的 8 d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 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/K- mol 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、

8、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。9 .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(qiáng)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)ho （5）減小產(chǎn)品的有效厚度rm10 .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

9、、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？論述氧化皓增韌陶瓷的機(jī)理。答：利用多品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。第二相顆粒相變切化（transformation toughening ）是指將亞穩(wěn)的四方 ZrQ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

10、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，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)果這種相變切化作用使在該應(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皓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)在提高了材料的斷裂韌性。2 .說明下圖中各個(gè)參量，數(shù)字及曲線所代表的含義。答：R飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)外加磁場 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 r 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)外加磁場降為 0時(shí)，材料依然保留著磁性，其強(qiáng)度為 B。Hc矯頑力

11、（矯頑磁場強(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。 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、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，要求的矯頑場強(qiáng)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(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

12、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)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。具晶粒在空間隨機(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。所以多品材料更不容易產(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。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

13、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)電電子濃度很小導(dǎo)帶金X半導(dǎo)悔地鼻弓士GV2teV X ErOeV/己孤寸半導(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(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長度為25cm并受到4500N的軸向拉力，若直徑拉細(xì)

14、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)題意可得下表真應(yīng)力T真應(yīng)變T名義應(yīng)力名義應(yīng)變Fa,l1 lnlo FAoll 04500 995(MPa)4.524 10 6,Ao. 2.52ln lnw A 2.445004.909 10 6 A 1 0.0851 A0.0816917(MPa)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 X108N/mU白松比為0.35,計(jì)算其剪切模量和體積模量。解：根據(jù) E2G(1)3B(1 2) 可知:剪切模量G體積模量BE2(

15、1 )E3(1 2 )3.5 1082(1 0.35)3.5 1083(1 0.7)1.3 108(Pa) 130(MPa)3.9 108( Pa) 390(MPa)拉伸前后圓桿相關(guān)參數(shù)表一一一3體積V/mm直徑d/mm2圓面積S/mm拉伸前1227.22.54.909拉伸后1227.22.44.524解：令 Ei=380GPa,E=84GPa,V=0.95,V 2=0.05。則有上限彈性模量 EHE1Vl E2V2380 0.95 84 0.05 365.2(GPa)下限彈性模量EL(V1V2)1(0.95005)1323.1(GPa)E1E238084當(dāng)該陶瓷含有5%勺氣孔時(shí)，將P=0.0

16、5代入經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式 E=E(1-1.9P+0.9P 2)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AI2Q晶體受軸向拉力F,若其臨界抗剪強(qiáng)度p f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：由題意得圖示方向滑移 系統(tǒng)的剪切強(qiáng)度可表示 為:F cos53廠 cos600.001522f 0.00152F mincos53 cos603.17 103(N)此拉力下的法向應(yīng)力為：33.17 10 cos608 /2 1.12 10 (Pa) 112(MPa)0.00152 / cos60T5.融熔石英玻璃的

17、性能參數(shù)為:E=73Gpa Y=1.56J/m理論強(qiáng)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(jì)算由此導(dǎo)致的強(qiáng)度折減系數(shù)。解：2c=2 11 m c=1 x 10-6m2E 2 73 1091.563. 14 1 10 60. 269GPa強(qiáng)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(qiáng)度為1400MPa計(jì)算塑Tt區(qū)尺寸r。及其裂縫半長c的比值。討論用此試件來求 Kc值的可能性。K Y & = 1 .7c =39.23Mpa.m/21 K o r0

18、 ()0.125mm2 ysKI Y cY=1.12、， =1.98K I1/2=0.818c1.98、c(1)c=2mm, c0. 818/ 2 10 318. 25MPa(2)c=0.049mm, c0.818/ 0. 049 10 3116. 58MPac=2um, c0.818/ 2 10 6577.04MPa8 .康寧1723玻璃(硅酸鋁玻璃)具有下列性能參數(shù)：入 =0.021J/( cm . s . C); a =4.6 X10-6/ C； (rp=7.0Kg/mm, E=6700Kg/mm仙=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：R上7 9. 8 106

19、0. 754. 610 667009. 8 106=170 C第二沖擊斷裂抵抗因子：Rf(1)=170X 0.021=3.57 J/(cm . s)9 . 一熱機(jī)部件由反應(yīng)燒結(jié)氮化硅制成，其熱導(dǎo)率入=0.184J/(cm.s. C),最大厚度=120mm如果表面熱傳遞系數(shù)h=0.05 J/(cm 2.s. C),假定形X因子S=1,估算可茲應(yīng)用的熱沖擊最大允許溫差。解:TmRS0. 31rmh=226X 0.1840.3160. 05=447C10 .光通過一塊厚度為1mmi勺透明ALQ板后強(qiáng)度降低了 15%試計(jì)算其吸收和散射系數(shù)的總和。 解：s)xs)x 0.85(s) 0.1 e101n

20、0.85 11.625cm11.一截面為0.6cm2,長為1cm的n型GaAS羊品，設(shè)8000cm2/V s3, n1015cm,試求該樣品的電阻。解:R111nq n1015 1.6 1019 8000l10.7811.3S0.60.781cm5.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.無機(jī)非金屬材料中的載流子主要是電子 和

21、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x塊平板玻璃，則透過部分應(yīng)為I o?（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= _1_。13.設(shè)電介質(zhì)中帶電質(zhì)點(diǎn)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 。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裂形成兩個(gè)新表面所需的 表面能 。15.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。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 的存在是判定晶體為鐵電體的重要根據(jù)。20.原子