物理性能問答

1、1.Q不同材料在外力作用時的變形特征？脆性材料:在彈性變形 后沒有塑性形變或塑性形變很小，接著就斷裂，總彈性應(yīng)變能非 常小。延性材料:開始表現(xiàn)為彈性形變，接著有一段彈塑性形變， 然后才斷裂，總變形能很大。彈性材料:具極大的彈性形變。Q：宏觀塑性形變的必要條件1、有足夠多的位錯。2、位錯有一定的運動速度。3、要有足夠小的柏氏矢量b，易發(fā)生位錯Q:為什么陶瓷材料具有脆性而金屬材料具有塑性（滑移條件）： 金屬易于滑移而產(chǎn)生塑性形變，就是因為金屬滑移系統(tǒng)很多而無 機材料的滑移系統(tǒng)卻非常少。原因是金屬鍵沒有方向性，而大多 數(shù)無機材料的原子結(jié)構(gòu)是離子鍵、共價鍵或是二者的混合型，具 有明顯的方向性。Q：影響

2、粘度的因素:溫度（溫度升高粘度下降），時間（粘度隨時 間而增加），組成（組成對無機氧化物黏度的影響也很大）Q：影響蠕變的因素:溫度（溫度升高，位錯運動和晶界滑移加快， 擴散系數(shù)增大，穩(wěn)態(tài)蠕變速率增大），應(yīng)力（穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨應(yīng) 力增加而增大），顯微結(jié)構(gòu)的影響（氣孔、晶粒尺寸、玻璃相等）， 組成（不同的材料蠕變行為不同），晶體結(jié)構(gòu)（共價鍵結(jié)構(gòu)程度 增加，擴散及位錯運動降低）Q:高位蠕變分為哪幾個階段？各階段有何特點？（1）起始段oa在外力作用下發(fā)生塑性彈性形變，且為瞬時發(fā)生， 與時間無關(guān)（2）第一階段蠕變ab （蠕變減速階段）應(yīng)變速度隨時間減速（3）第二階段蠕變bc （穩(wěn)態(tài)蠕變階段）蠕變速率保持不

3、遍（4）第三階段蠕變cd（蠕變加速階段）應(yīng)變速率隨時間遞增， 即曲線變陡，最后到d點斷裂。Q:格里菲斯微裂紋理論（Griffith認(rèn)為實際材料中總是存在許 多細(xì)小的裂紋或缺陷，在外力作用下，這些裂紋和缺陷附近產(chǎn)生 應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力達到一定程度時，裂紋擴展而導(dǎo)致斷裂， 所以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。）Q顯微結(jié)構(gòu)對材料脆性斷裂的影響：（1）晶粒尺寸：晶粒愈小 愈細(xì)，強度愈高。（2）氣孔的影響：無機材料的彈性模量和強 度都隨氣孔率的增加而降低。Q提高強度，增強韌性的關(guān)鍵是：減緩應(yīng)力集中效應(yīng)一一減少 裂紋及其尺寸；提高抗裂紋擴展的能力一一提高斷裂功；Q顯微結(jié)構(gòu)對

4、斷裂韌性的影響:無機材料的增韌設(shè)計，實際上就 是通過調(diào)整材料的顯微結(jié)構(gòu)，以進一步提高材料的裂紋擴展阻力。 裂紋偏轉(zhuǎn)與裂紋偏轉(zhuǎn)增韌，裂紋橋接與裂紋橋接增韌，微裂紋增 韌與相變增韌，裂紋擴展阻力曲線Q阻止裂紋擴展:1.微晶、致密、均勻（結(jié)構(gòu)均勻，應(yīng)力分布均勻）、 高純（雜質(zhì)少，位錯塞積少，減少裂紋形成的機會）2,預(yù)加應(yīng) 力（熱韌化）3.化學(xué)強化（又稱表面化學(xué)處理或稱表面離子交4. 相變增韌5.彌散增韌（纖維增強一一復(fù)合材料、顆粒增韌）.A、 使用應(yīng)力不超過臨界應(yīng)力ocB、在材料中設(shè)置吸收能量的機構(gòu)， 阻止裂紋擴展。C、人為地在材料中造成大量極微細(xì)的小于臨界 尺寸的裂紋，也可吸收能量，阻止裂紋的擴展

5、。Q固體材料熱膨脹機理、熱膨脹與其他性能的關(guān)系。（熱膨脹 的機理：固體材料的熱膨脹本質(zhì)，可歸結(jié)為點陣結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點間 平均距離隨溫度升高而增大。質(zhì)點在r0兩側(cè)受力不對稱情況越顯 著，平衡位置向右移動越多，相鄰質(zhì)點間平均距離就增加就越多， 以致晶胞參數(shù)增大，晶體膨脹）。（熱膨脹和結(jié)合能、熔點的關(guān)系: 熔點越高，質(zhì)點間結(jié)合力越大，材料熱膨脹系數(shù)越??；熱膨脹與 溫度、熱容的關(guān)系：隨溫度（熱容）升高，熱膨脹系數(shù)升高；出 膨脹與結(jié)構(gòu)的關(guān)系：由于玻璃的結(jié)構(gòu)較疏松，內(nèi)部的空隙較多， 所以當(dāng)溫度升高，原子振幅加大，原子間距增大時，部分地被結(jié) 構(gòu)內(nèi)部的空隙所容納，而整個物體宏觀的膨脹量就少些。）Q影響材料熱導(dǎo)率的

6、因素（1、溫度影響2、顯微結(jié)構(gòu)影響（晶 體結(jié)構(gòu)、各向異性晶體的熱導(dǎo)率、多晶體與單晶體的熱導(dǎo)率、非 晶體的熱導(dǎo)率）3、化學(xué)組成影響4、復(fù)相陶瓷的熱導(dǎo)率5、氣孔 的影響。）Q試比較石英玻璃、石英多晶體和石英單晶熱導(dǎo)率的大小，并解 釋產(chǎn)生差異的原因。答：石英單晶體熱導(dǎo)率最大，其次是石英 多晶體，最后是石英玻璃。原因：多晶體與單晶體的熱導(dǎo)率，多 晶體中晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界處雜質(zhì)也多，聲子更 易受到散射，因而它的平均自由程度小的多，所以多晶體的熱導(dǎo) 率比單晶體小。玻璃屬于非晶體，非晶體的熱導(dǎo)率，在不考慮光 子導(dǎo)熱的溫度下，非晶體聲子的平均自由程度比晶體的平均自由 程度小的多，所以非晶體的熱導(dǎo)

7、率小于晶體的熱導(dǎo)率。Q材料熱傳導(dǎo)的宏觀規(guī)律（當(dāng)固體材料一端的溫度比另一端高時， 熱量會從熱端自動的傳向冷端，這個現(xiàn)象就稱為熱傳導(dǎo)）和微觀 機理（固體中的導(dǎo)熱主要是由晶格振動的格波和自由電子的運動 來實現(xiàn)的，聲子和聲子熱導(dǎo)、光子熱導(dǎo)）Q固體材料熱傳導(dǎo)的微觀機理：（1）把聲子當(dāng)作質(zhì)點（2）格波 的傳播當(dāng)作聲子的運動（3）格波與物質(zhì)的作用理解為聲子與物 質(zhì)的碰撞（4）格波遇到的散射理解為聲子與質(zhì)點的碰撞，（5） 理想晶體的熱阻來源于聲子與聲子的碰撞Q抗熱沖擊斷裂性能：是材料發(fā)生瞬時斷裂，抵抗這類破壞的性 能.抗熱沖擊損傷性能：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開裂、 剝落，并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)。抵抗

8、這類破壞的性能稱為 抗熱沖擊損傷性Q提高材料抗熱沖擊斷裂性的措施（1）提高材料強度，減小彈 性模量（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)（5）減小產(chǎn)品的有效厚度。5.【折射率】影響折射率因素:構(gòu)成材料元素的離子半徑，材料的 結(jié)構(gòu)、晶型和非晶型，材料所受內(nèi)應(yīng)力，同質(zhì)異構(gòu)體。提高折射 率的有效措施:摻入鉛和鋇的氧化物?！就腹庑浴縌提高材料透光性措施。.提高原材料純度、摻加外加劑（降低氣孔率）、工藝措施（熱壓法、熱鍛法，降低氣孔率， 使晶粒定向排列）Q透明陶瓷的特點？ （1）高純、高密、無氣孔（2）晶粒尺寸小 于入射光波長（3）無第二相或第二相的折射率與基質(zhì)的折射

9、率 相差?。?）晶粒大小均勻Q影響透光性的因素有哪些？吸收系數(shù)、反射系數(shù)、散射系數(shù)（材 料的宏觀及顯微缺陷、晶粒排列方向的影響、氣孔引起的散射損 失）Q影響不透明性（高度乳濁）的光學(xué)特性：鏡反射光的分?jǐn)?shù)，直 接透射光的分?jǐn)?shù)，入射光漫反射的分?jǐn)?shù)，透射光漫反射的分?jǐn)?shù)。Q影響半透明性的因素有哪些？散射（乳白玻璃、半透明陶瓷）、氣孔的含量（單相氧化物陶瓷）、 晶粒尺寸、折射率.【乳濁】.Q影響乳濁的主要因素:顆粒尺寸，相對折射率，第二 相顆粒的體積百分比Q乳濁機理（入射光被反射、吸收和透射所占的分?jǐn)?shù)取決于釉層 的厚度、釉的散射和吸收特性）Q乳濁劑的選擇原則（1）顆粒及基體材料的折射率數(shù)值應(yīng)當(dāng)有 較大的

10、差別（2）顆粒尺寸應(yīng)當(dāng)和入射波長約略相等（3）顆粒的 體積分?jǐn)?shù)要高）Q改善乳濁性能工藝:1.乳濁釉漿制備2.保證乳濁劑粒子絕大部 分是從熔體中析出的微小顆粒3.乳濁釉的燒成制度【顏色】Q陶瓷顏料呈色機理；陶瓷顏料分為分子（離子）著色 劑，膠態(tài)著色劑。顯色原因是由于著色劑對光的選擇性吸收而引 起選擇性反射或選擇性投射，從而顯現(xiàn)顏色。Q材料對光的選擇性吸收與材料顏色之間的關(guān)系：從本質(zhì)上說， 某種物質(zhì)對光的選擇性吸收，是吸收了連續(xù)光譜中特定波長的光 量子，以激發(fā)吸收物質(zhì)本身原子的電子躍遷。Q影響無機顏料呈色的因素。高溫下形成的著色化合物的顏色， 加入的某些無色化合物如ZnO、A12O3等，燒成溫度的

11、高低特別 是氣氛的影響?！倦x子、電子電導(dǎo)】材料的電導(dǎo)類型（特性）及其影響因素。載流子為離子的電導(dǎo)為離子電導(dǎo)，載流子為電子的電導(dǎo)為電子電導(dǎo)。電解效應(yīng)檢驗材料是否存在離子電導(dǎo)，霍爾效應(yīng)檢驗材料是否存在電子電導(dǎo)。影響離子電導(dǎo)率:溫度，晶體結(jié)構(gòu)，晶格缺陷。影響電子電導(dǎo)率:溫度，雜質(zhì)及缺陷?！静ＡB(tài)電導(dǎo)】玻璃態(tài)電導(dǎo)的雙堿效應(yīng)與壓堿效應(yīng)：雙堿（中和）： 當(dāng)玻璃中堿金屬離子總濃度較大時，堿離子總濃度相同的情況下， 含兩種堿金屬離子比含一種堿金屬離子的玻璃電導(dǎo)率要小。壓 堿效應(yīng):含堿玻璃中加入二價金屬氧化物，特別是重金屬氧化物， 可使玻璃電導(dǎo)率降低。改善無機材料絕緣電阻的措施：提高晶體溫度、結(jié)構(gòu)的改變、晶 格

12、缺陷、雜質(zhì)的影響Q介質(zhì)的總極化一般分三部分:電子極化、離子極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化Q極化的基本形式：1.位移式極化（電子位移極化，離子位移極化）， 彈性的、瞬間完成的極化，不消耗能量，2.松弛極化（電子松弛 極化，離子松弛極化），與熱運動有關(guān)，需要一定的時間，而且 是非彈性的，需要消耗能量。Q自發(fā)極化的原理，鐵電體改性的目的：自發(fā)極化并非由外加電場所造成的，而是由晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點造成的。在自發(fā)極化改 變方向時，晶體結(jié)構(gòu)不發(fā)生大的畸變，才能產(chǎn)生以上的反向轉(zhuǎn)動。Q無極材料（電介質(zhì)）哪幾種極化形式與特點，:極化形式Q無極材料（電介質(zhì)）哪幾種極化形式與特點，:極化形式極化介質(zhì)與溫度關(guān)系能耗電子位移極化一

13、切陶瓷介質(zhì)中無關(guān)沒有離子位移極化離子結(jié)構(gòu)介質(zhì)溫度升高，極化增強很微弱離子松弛極化離子結(jié)構(gòu)的玻璃、結(jié)構(gòu)不緊密的晶體及陶 瓷隨溫度變化有極大值有電子松弛極化鈦質(zhì)瓷，以高價金屬氧化物為基的陶瓷隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機材料隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的陶瓷介質(zhì)隨溫度升高而減弱有自發(fā)極化溫度低于居里點的鐵電材料隨溫度變化有顯著極大值很大體積V/mm3直徑d/mm圓面積S/mm2拉伸 刖12272.54.909拉伸 后12272.44.524應(yīng)變，并比較討論這些計算結(jié)果。鈦酸鋇自發(fā)極化的微觀機理（氧八面體空腔體積大于鈦離子體積， 給鈦離子位移的余地。較高溫度時，熱振動能比較大，鈦離子

14、難 于在偏離中心的某一個位置上固定下來，接近六個氧離子的幾率 相等，晶體保持高的對稱性，自發(fā)極化為零。溫度降低，鈦離子 平均熱振動能降低，因熱漲落，熱振動能特別低的離子占很大比 例，其能量不足以克服氧離子電場作用，有可能向某一個氧離子 靠近，在新平衡位置上固定下來，并使這一氧離子出現(xiàn)強烈極化， 發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著這個方向（c軸）延長，晶胞發(fā)生輕微 畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w）Q正壓電效應(yīng)、負(fù)壓電效應(yīng):因為機械作用（應(yīng)力與應(yīng)變）引起 了晶體介質(zhì)的極化，從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號相反的束 縛電荷。逆:如果將一塊壓電晶體置于外電場中，由于電場作用， 晶體內(nèi)部正、負(fù)電荷重心產(chǎn)生位移，這一位移又

15、導(dǎo)致晶體發(fā)生形 變，這個效應(yīng)即逆壓電效應(yīng)?！敬判浴胯F磁性與反鐵磁性（鐵磁性是具有強磁性物質(zhì)（鐵）的 磁性；反鐵磁性是由于“交換”作用為負(fù)值，電子自旋反向平行排 列）尖晶石型鐵氧體（鐵氧體亞鐵磁性氧化物通式：M2+O（Fe3+）203, M2+為二價金屬離子，如Fe2+，Ni2+，Mg2+等，M2+可以是幾 種離子的混合物，屬于尖晶石型結(jié)構(gòu)。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.,.F4500真應(yīng)力 b T = = = 995 （MPa ）A 4.524 x 10

16、 - 6真應(yīng)變 = ln i = ln = ln = 0. 0816T lA 2.4 2F4500名義應(yīng)力 b = ； = = 917 （MPa ）.A 1 A名義應(yīng)變 & = 一L - 1 = 0.08510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。一陶瓷含體積百分比為95%的Alp （E = 380 GPa）和5%的 玻璃相（E = 84 GPa），試計算其上t艮和下限彈性模量。若 該陶瓷含有5 %的氣孔，再估算其上限Eh和下限El彈性模 量。解：令 E1=380GPa,E2=84GPa,V1=0.95,V2=0.05。則有上限彈性模量=EV+EV = 380 x0.95+

17、84x0.05= 3652GPa)H 1 12 2F限彈性模量=占+匕）-1 =（絲+絲車1 = 3231（GPa LEE 380 84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。=3.06x103(N)=3.06x103(N)3.06x16 x(32)2 兀cos53xcos60=50 x 9.8 x 0.0430.01x (0.01)2KIC.EH r 2c=2mm,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 = 8和t = T時的縱坐標(biāo)表達式

18、。解：Maxwell模型可以較好地模擬應(yīng)力松弛過程：其應(yīng)力松弛曲線方程為:。(t) =。(0)e-仇則有：b (0) = b (0)；b(8) = 0； b (t ) = b (0)/ e.Voigt模型可以較好地模擬應(yīng)變?nèi)渥冞^程：其蠕變曲線方程為：8 (t) = 0(1 - e -t / t ) =8 (8)(1 - e-t/t )E則有：8(0) = 0； 8(8) =%； 8(T) = %(1 -e-1).EE000 t/T 0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，我們會用到用多個彈簧和多個黏壺通過串并聯(lián)組合 而成的復(fù)雜模型。如采用四元件模型來表示線性高聚

19、物的蠕變過 程等一圓柱形Al2O3晶體受軸向拉力F,若其臨界抗剪強度T f為 130MPa,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。巳知1= 53,中=60P, d=3mm= 3x13m, t =130Mpa= 1.30 x108pa由題意得圖示方向滑移統(tǒng)的剪切強度可表示：t=丞0* 入n F =T f X ”兀Amin cos53xcos601.3x108 x(1.5x103)x3.14cos53x cos60此拉力下的法向應(yīng)力為b=七 cossp cos融熔石英玻璃的性能參數(shù)為：E=73 Gpa；Y=1.56 J/m2；理論強 度oth=28Gpa。

20、如材料中存在最大長度為2um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=2umc=1*10-6m.云=2*73*109 *1.56b = I i.= 0.269GPaC -兀c 3.14*1*10-6強度折減系數(shù)=1-0.269/28=0.99一陶瓷三點彎曲試件，在受拉面上于跨度中間有一豎向切口如圖。 如果E=380 Gpa，u=0.24，求、值，設(shè)極限荷載達50Kg。計算 此材料的斷裂表面能。解：Pc=50*9.8N=490N ,B=10mm=0.01, W=10mm=0.01m，c=1，S=40mm=0.04m 代入下式：K =2.9(C)2 -4.6(C)2 +

21、 21.8(C)2 -37.6(C)2 + 38.7(C)2IC BW 3/2 wwwwwx 0.83 = 1.96 x106 pa / m x 0.83 = 1.63 x106Pa/my = KC2(1-心=(1.63*106)2 *0.94/(2*380*109) = 3.28 J/m22 E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1400 MPa，計算塑性區(qū)尺寸r。及其裂縫半長c的比值。討論用此試件 來求、值的可能性。K廣Yb 4c =而展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。K = Yb cY=1.12.-=1.98=0.818c-1/2b=1.98 cb = 0.818/2*10 -3 = 18.25MPacc=0.049mm,b =