無機(jī)材料物理性能

PAGE材料物理性能復(fù)習(xí)資料作用物理量、感應(yīng)物理量、本征參數(shù)的概念及之間的關(guān)系。作用物理量指的是作用在材料上的外界因素如應(yīng)力、溫度、電場、磁場、光等。感應(yīng)物理量是指在外界因素作用下，材料內(nèi)部狀態(tài)變化宏觀表現(xiàn)如形變ε、熱量Q、熱流密度q、電流密度J等。感應(yīng)物理量的性質(zhì)及大小因材料的不同而不同，這主要取決于材料的本性。在外界因素微量的條件下，一般作用物理量與感應(yīng)物理量具有線性關(guān)系，比例系數(shù)為材料的本征參數(shù)，如熱容C、熱導(dǎo)率λ、電導(dǎo)率σ等。顯微結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu)是指在顯微鏡下直至電子顯微鏡下觀察到的結(jié)構(gòu)，包括相分布、晶粒尺寸和形狀、氣孔大小和分布、雜質(zhì)、缺陷和晶界等。聲子的概念及性質(zhì)聲子就是晶格振動中的獨立簡諧振子的能量量子。聲子的粒子性：主要體現(xiàn)在聲子攜帶聲波的能量和動量，且聲子和物質(zhì)作用服從能量和動量守恒定律。聲子的準(zhǔn)粒子性：主要表現(xiàn)在聲子的動量不確定，系統(tǒng)中聲子的數(shù)目不守恒。電子的共有化運動及能級分裂原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限于在某一個原子上，可以由一個原子轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，電子可以在整個晶體中運功，這種運動稱為電子的共有化運動。內(nèi)殼層的電子原來處于低能級，共有化運動很弱，其能級分裂得很小，能帶很窄。外殼層的電子原來處于高能級，共有化運動很顯著，能級分裂得很厲害，能帶很寬。彈性模量的概念及其影響因素胡克定律表明，對于足夠小的形變，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，系數(shù)為彈性模量E；作用力和位移呈線性關(guān)系，系數(shù)為彈性系數(shù)k。從雙原子間的作用力曲線及其勢能曲線可知：k=（）E=ks/r0k反映了原子間勢能曲線極小值尖峭度的大小。影響因素：（1）晶體結(jié)構(gòu)的影響。彈性模量表示了原子間結(jié)合力的大小，對于各向異性材料，彈性模量因材料的方向不同而差別很大，(2)溫度的影響E=E0-b·T·exp（-T0/T)可知隨著溫度升高發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，原子間結(jié)合力減弱，受熱后漸漸變軟，因此彈性模量隨著溫度升高而降低。對于溫度系數(shù)T為正的溫度補(bǔ)償材料具有敞曠結(jié)構(gòu)，并且內(nèi)部結(jié)構(gòu)單位能發(fā)生較大的轉(zhuǎn)動。復(fù)相的彈性模量復(fù)合材料彈性模量的上限值采用并聯(lián)模型，即有：ε=εA=εB，且F=FA+FB,由F=σS=EεS易得E=υAEA+(1-υA)EB式中υA=VA/V，υB=VB/V,分別表示兩相的體積分?jǐn)?shù)，且υA+υB=1因為應(yīng)變相同，所以大部分應(yīng)力由高模量的相承擔(dān)。B.復(fù)合材料彈性模量的下限值（少用，因為第二相為氣相，計算值和真實值相差太大）采用串聯(lián)模型，有：F=FA=FB，ΔL=ΔLA+ΔLBF=σS=EεS,ε=ΔL/L,得到1/EL=υA/EA+(1-υA)/EBC.含有氣體時E=E·(1-0.9P+0.9P2)式中E0為材料無氣孔時的彈性模量，P為氣孔率，適用于P≤50%6.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型，推導(dǎo)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系式解：根據(jù)模型有：=+===+=+=E==E=E=E=E=E消去各元件的應(yīng)力和應(yīng)變，可以解得應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系=+=/E+/=(-)/E+/=(-E)/E+(-)/=(-E)/E+(-E)/推出E=-E+E-EE即（E+E）+EE=+E即（E+E）/EE+=/EE+/E令=/E=（E+E）/EE則有+=/E+/E其中，為恒定應(yīng)變下的應(yīng)力弛豫時間，為恒定應(yīng)力下的應(yīng)變?nèi)渥儠r間7．粘度的定義η是使相距一定距離的兩個平行平面以一定速度相對移動所需的力=η粘度的單位為Pa·s影響粘度的因素有：溫度，時間，熔體的結(jié)構(gòu)和組成等8．名義應(yīng)力與真實應(yīng)力，名義應(yīng)力與真實應(yīng)力的概念以及它們的相互關(guān)系設(shè)材料受力前的橫截面積為A，原始長度為LO，在載荷F作用下產(chǎn)生ΔL的變形，則有名義應(yīng)力，應(yīng)變分別為=F/A=ΔL/LO真實應(yīng)力，應(yīng)變分別為σ=F(LO+ΔL)/ALOε==㏑(1+ε)QUOTE當(dāng)材料處于壓縮狀態(tài)時，有ΔL小于0即σ小于σ，ε小于ε當(dāng)材料處于拉伸狀態(tài)時，有ΔL大于0即σ大于σ，ε大于ε初始狀態(tài)ΔL=0即σ=σ，ε=ε9．應(yīng)力場強(qiáng)度因子KK是反映裂紋尖端應(yīng)力場強(qiáng)度的一個量，它與外加應(yīng)力σ。裂紋長度C裂紋種類和受力狀態(tài)有關(guān)，由實驗規(guī)律知：K=Yσ式中Y為幾何形狀因子10．彈性應(yīng)變能固體受到外力作用而變形，在變形過程中，外力所作的功轉(zhuǎn)變?yōu)閮Υ嬗诠腆w內(nèi)的能量，當(dāng)外力逐漸減小，變形逐漸減小，固體會釋放出部分能量而做功，這部分能量為彈性應(yīng)變能。11．控制材料強(qiáng)度的三個物理量級如何提高材料的強(qiáng)度在晶體結(jié)構(gòu)既定的情況下，控制強(qiáng)度的主要因素有三個，即彈性模量E,斷裂表面能γ和斷裂尺寸C，其中E是非結(jié)構(gòu)敏感的，γ與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，但對單相材料微觀結(jié)構(gòu)對γ的影響不大，唯一可以控制的是材料中的裂紋，可以把微裂紋理解為各種缺陷的總和，所以強(qiáng)化措施大多從消除缺陷和阻止其發(fā)展著手。12．氧化鋯陶瓷的增韌機(jī)理氧化鋯陶瓷的增韌機(jī)理主要有：應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌，相變誘發(fā)微裂紋增韌，殘余應(yīng)力增韌等A、相變增韌當(dāng)部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷燒結(jié)致密后，四方相氧化鋯顆粒彌散分布于其他陶瓷基體中，冷卻時亞四方相顆粒受到基體的抑制而處于壓應(yīng)力狀態(tài)，這時基體沿顆粒連線方向也處于壓應(yīng)力狀態(tài)。材料在外力作用下所產(chǎn)生的裂紋尖端附近由于應(yīng)力集中的作用，存在張應(yīng)力場，從而減輕了對四方相顆粒的束縛，在應(yīng)力的誘發(fā)作用下會發(fā)生向單斜相的轉(zhuǎn)變并發(fā)生體積膨脹，相變和體積膨脹的過程除消耗能量外，還將在主裂紋作用區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力，二者均阻止裂紋的擴(kuò)展，只有增加外力，做功才能使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，于是材料強(qiáng)度和斷裂韌性大幅度提高。B、微裂紋增韌部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷在燒結(jié)冷卻過程中，存在較粗四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變，引起體積的膨脹，在基體中產(chǎn)生彌散分布的裂紋或主裂紋擴(kuò)展過程中在其尖端過程區(qū)內(nèi)形成的應(yīng)力誘導(dǎo)相變導(dǎo)致的微裂紋，這些尺寸很小的微裂紋在主裂紋尖端擴(kuò)展過程中會導(dǎo)致主裂紋分叉或改變方向，增加了主裂紋擴(kuò)展過程中的有效表面能，此外裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)微裂紋本身的擴(kuò)展也起著分散主裂紋尖端能量的作用，從而抑制了主裂紋的快速擴(kuò)展，提高了材料的韌性。C、表面殘余壓應(yīng)力增韌陶瓷材料可以通過引入殘余壓應(yīng)力達(dá)到增強(qiáng)韌化的目的：控制含彌散四方氧化鋯顆粒的陶瓷在表層發(fā)生四方相向單斜相轉(zhuǎn)變，引起表面體積膨脹而獲得表面殘余壓應(yīng)力，由于陶瓷斷裂往往起始于表面裂紋，表面殘余壓應(yīng)力有利于阻止表面裂紋的擴(kuò)展，從而起到了增強(qiáng)增韌的作用。13．熱容的本質(zhì)及其影響因素物體在溫度升高1K時所吸收的熱量稱作該物體的熱容，本質(zhì)為晶格振動。C=（）影響因素：與溫度和熱過程等因素有關(guān)由德拜的比熱模型可知，在高于德拜溫度θD時，無機(jī)材料的熱容趨于常數(shù)25J/(K·mol)，而低于θD時與T方成正比變化，不同材料的θD不同的，它與鍵的強(qiáng)度，材料的彈性模量，熔點等有關(guān)14．熱應(yīng)力裂紋安定性因子（R）R=()式中λ為材料的熱導(dǎo)率單位是W/(m·k)G為斷裂表面能單位是J/mα為材料的線膨脹系數(shù)單位是1/KE0為材料無裂紋時的彈性模量單位是MPaR值大，裂紋不易擴(kuò)展，材料的抗震性就好抗熱震性：是指材料承受溫度的急劇變化而抵抗破壞的能力。15．光導(dǎo)纖維的工作原理光纖的結(jié)構(gòu)呈圓柱形，中間是圓柱形的纖芯，具有高折射率，外面裹上低折射率的包層，最外面是塑料套管。光纖的工作原理實際上是利用全反射的原理，由于包層的折射率比芯線折射率小，當(dāng)入射角大于或等于臨界角時，進(jìn)入芯線的光線在芯線與包層的界面上做多次全反射而曲折前進(jìn)，從而減少了信號的損失。又因為光在低折射率介質(zhì)中的傳播速度比高折射率介質(zhì)中的傳播速度快，所以光纖的這種特殊結(jié)構(gòu)能夠保證沿不同方向發(fā)出的信號能夠同時被接收。16．熱膨脹的機(jī)理在晶格振動中曾近似地認(rèn)為質(zhì)點的熱振動是簡諧振動，但由晶體的引力-斥力曲線可知，質(zhì)點在平衡位置兩側(cè)時受力的情況并不對稱。在質(zhì)點平衡位置r處的兩側(cè)，合力曲線的斜率是不相等的。當(dāng)r<r時，斥力隨位移增大得很快，r>r時，引力隨位移的增大要慢些，在這樣的受力情況下，質(zhì)點振動時的平均位置就不在r處而要向右移，因此相鄰質(zhì)點間平均距離增加，溫度越高，振幅越大，質(zhì)點在r兩側(cè)受力不對稱越顯著，相鄰質(zhì)點間平均距離也就越大，以致晶胞參數(shù)增大，晶體膨脹。17．影響熱導(dǎo)率λ的因素?zé)釋?dǎo)率的物理意義是指單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量，它的單位為W/(m·k)影響因素：1、溫度的影響2、晶體結(jié)構(gòu)的影響3、化學(xué)組成的影響4、氣孔的影響通常在低溫時有較高熱導(dǎo)率的材料，隨溫度升高熱導(dǎo)率降低，而熱導(dǎo)率低的材料正好相反。18．常用的基本公式及各物理量的含義和單位1、σ=Eεσ—應(yīng)力（MPa）ε—應(yīng)變E—彈性模量（MPa）2、σ=σ—理論斷裂強(qiáng)度(MPa)γ—斷裂表面能（J/m）a—晶格間距（m）3、格里菲斯σ=C—為裂紋半長（m）4、K=Yσ5、J=σEJ—電流密度（A/m）σ—電導(dǎo)率（S/m）E—電場強(qiáng)度（V/m）6、σ=nqμn—載流子濃度（cm）q—載流子的電荷量（C）μ—載流子的遷移率cm/(v·s)19．比較電滯回線與磁滯回線的形成過程及區(qū)別在鐵電態(tài)下，極化強(qiáng)度P與外電場E之間的關(guān)系構(gòu)成電滯回線。見圖1在圖1所示的電滯回線中場強(qiáng)飽和部分成一條直線，該直線的延長線與P軸所交P點稱為飽和極化強(qiáng)度，回線與P軸相交于正負(fù)P點，稱P為剩余極化強(qiáng)度，回線與E軸相交于正負(fù)E點，稱E為矯頑場。當(dāng)外加磁場H為交變磁場時，與電滯回線類似，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與外磁場H之間的關(guān)系構(gòu)成磁滯回線，見圖5-4-5，同樣存在飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度B，矯頑場H。相似之處：兩者均為閉合曲線且都關(guān)于原點對稱。區(qū)別：電滯回線更趨近于矩形，兩者的飽和強(qiáng)度P和B的定義有區(qū)別，兩個回線所反映的材料特征不同。20．計算題（由于缺少原題，僅給部分解題思路）1、電容器的問題以教材P，T為例，先由C==A—為電容器的橫截面積則電損耗因子=εtanδ電極化率=-1=