最全面无机材料物理性能知识超详细归纳总结超详细Word下载.docx
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材料发生转动。
塑性:
使固体产生变形的力,在超过该固体的屈服应力后,出现能使该固体长期
保持其变形后的形状或尺寸,即非可逆性能。
晶体塑性形变的机理是什么?
原子尺度变化解释塑性形变:
当构成晶体的一部分
原子相对于另一部分原子转移到新平衡位置时,
晶体出现永久形变,晶体体积没
有变化,仅是形状发生变化。
影响塑性形变的因素有哪些?
并对其进行说明。
影响塑性形变的因素主要有晶体
结构和键型。
(1)本征因素:
晶粒内部的滑移系统相互交截、
晶界处的应力集中、
第2页,共16页
晶粒大小和分布;
(2)外来因素:
杂质在晶界的弥散、晶界处的第二相、晶界处
的气孔。
屈服应力:
当外力超过物体弹性极限,达到某一点后,在外力几乎不增加的情况
下,变形骤然加快,此点为屈服点,达到屈服点的应力。
滑移:
晶体的一部分相对另一部分平移滑动。
产生滑移的条件:
(1)面间距大;
(2)每个面上是同一种电荷的原子,相对滑动
面上的电荷相反;
(3)滑移矢量(柏格斯矢量)小。
滑移系统包括(滑移方向)和(滑移面),即滑移按一定的晶面和方向进行。
滑移方向与原子最密堆积的方向一致,滑移面是(
原子最密堆积面)。
蠕变机理分为两大类
(1)(晶界机理)---多晶体的蠕变;
(2)(晶格机理)---
单晶蠕变,但也可能控制着多晶的蠕变过程。
影响蠕变的因素:
外界环境中的
温度和应力、晶体的组成、显微结构中的气孔、
晶粒和玻璃相。
键结合的材料中,哪一种材料的弹性模量大?
为什么?
共价键、离子键结合的材
料中,结合力很强,故弹性模量就较大。
而分子键结合力弱,由此键和的材料弹
性模量就很低。
2-1.一圆杆的直径为
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。
解:
根据题意可得下表
拉伸前后圆杆相关参数表
体积
V/mm
直径
d/mm
圆面积
S/mm
3
2
拉伸
1227.2
2.5
4.909
前
2.4
4.524
后
F
A
l1
ln
l0
FA0
l
4500
4.52410
真应力
995(MPa)
T
6
A0
ln2.5
真应变
0.0816
名义应力
917(MPa)
10
名义应变
1
0.0851
第3页,共16页
由计算结果可知:
真应力大于名义应力,真应变小于名义应变。
2-2.一试样长
40cm,宽10cm,厚1cm,受到应力为
1000N拉力,其杨氏模量为
9
,能伸长多少厘米
3.5×
10N/m
40cm
1cm
Load
10cm
E
1000
40
3.5
0.0114(cm)
4
第三章
无机材料的脆性断裂
强度:
材料的强度是抵抗外加负荷的能力。
屈服极限:
在外力作用下,材料发生弹性形变;
当应力足够大,材料便开始发生
塑性形变,产生塑性形变的最小应力称为屈服应力(屈服极限)
。
脆性断裂:
材料受力后,将在低于其本身结合强度的情况下作应力再分配;
当外
加应力的速度超过应力再分配的速率时,发生断裂。
解决材料强度的理论:
1.位错理论:
微观上抓住位错缺陷,阐明塑性形变的微
观机理。
2.断裂力学:
宏观上抓住微裂纹缺陷(脆性断裂的主要根源)
位错运动对材料有哪两方面的作用?
引起塑性形变,导致应力松弛和抑制裂纹扩
展;
位错运动受阻,导致应力集中和裂纹成核。
理论断裂强度的推导过程?
格里菲斯微裂纹理论:
格里菲斯认为实际材料中总存在许多细小的裂纹或缺陷,
在外力作用下,这些裂纹和缺陷附近就产生应力集中现象,
当应力达到一定程度
时,裂纹就开始扩展而导致断裂。
影响强度的因素有哪些?
内在因素:
材料的物性,如:
弹性模量、热膨胀系数、导热性、断裂能;
显微结构:
相组成、气孔、晶界(晶相、玻璃相、微晶相)
、微裂纹(长度、尖
端的曲率大小);
第4页,共16页
外界因素:
温度、应力、气氛环境、式样的形状大小、表面;
工艺因素:
原料的纯度、降温速率。
晶体微观结构中存在缺陷:
(a)位错组合;
(b)晶界障碍;
(c)位错交截。
蠕变断裂:
多晶材料在高温和恒定应力作用下,由于形变不断增加而导致断裂。
蠕变断裂的理论:
1.黏性流动理论:
高温下晶界发生粘性流动,在晶界交界处
产生应力集中,并且使晶界交界处产生裂纹,导致断裂。
2.空位聚积理论:
在
应力及热波动作用下,晶界上空位浓度增加,空位大量聚积,形成裂纹,导致断
裂。
裂纹有三种扩展方式:
(I)张开型、(II)错开型、(III)撕开型。
什么是亚临界裂纹扩展?
在使用应力的作用下,不是发生快速失稳扩展,而是随
着时间的推移缓慢扩展。
材料的脆性有哪些特点?
脆性是无机材料的特征。
它间接地反映材料较低的抗机
械冲击强度和较差的抗温度聚变性。
脆性直接表现在:
一旦受到临界的外加负荷,
材料的断裂则具有爆发性的特征和灾难性的后果。
脆性的本质是缺少五个独立的
滑移系统,在受力状态下难于发生滑移使应力松弛。
显微结构的脆性根源是材料
内部存在裂纹,易于导致高度的应力集中。
维氏硬度:
(公式及各个物理量的含义)?
(自己总结)
1、求融熔石英的理论结合强度,设估计的表面能力为
1.75J/m;
Si-O的平衡原
-8
子间距为
1.6*10
cm;
弹性模量从60到75Gpa?
a
(60~75)*10*1.75
=
25.62~28.64GPa
th
1.6*10
2、融熔石英玻璃的性能参数为:
E=73Gpa;
γ=1.56J/m;
理论强度
σth=28Gpa。
如材料中存在最大长度为2μm的内裂,且此内裂垂直于作用力方向,计算由此
导致的临界断裂强度。
2c=2μmc=1*10m
-6
2*73*10*1.56
2E
c
0.269GPa
3.14*1*10
3、有一构件,实际使用应力为
1.30GPa,有两种钢待选:
甲钢
σys=1.95GPa,KIC=45MPa·
m1/2
σys=1.56GPa,KIC=75MPa·
乙钢
第5页,共16页
待选钢的几何形状因子
Y=1.5,最大裂纹尺寸为
1mm。
试根据经典强度理论
(安
n=σys/σ与)断裂强度理论KIC=YσcC-1/2进行选择,并对结果进行说明。
(书
全系数
上例题自己总结)
4、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;
(2)0.049mm;
(3)2μm,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
讨论讲结果。
已知此情况下零件的几何形状因子为
1.98。
1.62MPa.m
KI
Y
1/2
=0.818c
1.98
(1)
c=2mm,
0.818/
2*10
18.25MPa
(2)
c=0.049mm,
0.049*10
116.58MPa
(3)
c=2μm,
0.818/
2*10
577.04MPa
第四章
无机材料的热性能
如原子在高能级和低能级间满足
辐射跃迁选择定则,则对于大量的这种原子来
说,将同时存在光的
自发辐射、受激吸收
和受激辐射。
热振动:
实际上晶体点阵中的质点(离子、原子)总是围绕着各自的平衡位置附
近作微小振动。
热容:
物体在温度升高
1K时所吸收的热量称作该物体的热容。
杜隆-珀替定律:
恒压下元素的原子热容等于
25J/(K·
mol)。
杜隆-珀替定律在高温
时与实验结果符合得很好,
但在低温时,热容的实验值并不是一个恒量,
随温度
降低而减小,在接近绝对零度时,热容值按
T3的规律趋于零。
徳拜定律:
表明当温度T趋于0K时,热容CV与T3成比例地趋于零。
在低温下,
德拜模型与实验结果符合很好。
热膨胀:
物体的体积或长度随着温度的升高而增大的现象。
6、线膨胀系数α与体膨胀系数
β有何关系?
计算:
⑴假如是立方体;
⑵各项异
性的晶体。
略去线膨胀系数
α与体膨胀系数
β的高次项。
固体材料热膨胀机理:
晶格振动中质点间的作用力,
是非线性的。
即作用力并不
简单的与位移成正比。
温度越高,平衡位置向右移动越多,晶体膨胀。
第6页,共16页
热传导:
当固体材料一端的温度比另一端高时,
热量就会从热端自动地传向冷端
的现象。
固体的传热机理:
固体中质点只在平衡位置附近做微振动,
固体的导热主要是晶
格振动的格波和自由电子的运动实现的。
⑴金属主要靠自由电子来传热;
⑵非金
属材料,自由电子很少,主要靠晶格振动来传递热量。
将声频波的量子称为声子;
把格波的传播看成是质点
-声子的运动;
格波与物质的相互作用,则理解为声子
和物质的碰撞;
格波在晶体中传播时遇到的散射,
则理解为声子同晶体质点的碰
撞;
理想晶体中的热阻,则理解为声子与声子的碰撞。
影响热导率的因素:
温度、晶体机构、气孔。
热稳定性(抗热震性):
是指材料承受温度的急剧变化而抵抗破坏的能力。
包括
抗热震断裂性和抗热震损伤性两种类型:
材料在热冲击下发生瞬时断裂,
抵抗这
类破坏的性能为抗热震断裂性;
在热冲击循环作用下,材料表面开裂、剥落,并
不断发展,以致最终碎裂或变质而损坏,抵抗这类破坏的性能称为抗热震损伤性。
试比较石英玻璃、石英多晶体和石英单晶热导率的大小,
解释产生差异的原因?
①
单晶
多晶
玻璃
②与单晶相比,多晶体中晶粒尺寸小,晶界多,晶界处杂质多,声子容易受到散
射,其平均自由程小得多,故其热导率比单晶的小;
与晶体相比,玻璃中声子平
均自由程由于玻璃远程无序使之较小,因而,玻璃的热导率比晶体的小。
4-1、康宁
1723玻璃(硅酸铝玻璃)具有下列性能参数:
λ=0.021J/(cm.℃s.);
第一及第二热冲击断
α=4.6*10/℃;
裂抵抗因子。
;
E=6700Kg/mm;
μ=0.25求.
σp=7.0Kg/mm
(1
)
f
第一冲击断裂抵抗因子:
R
7*9.8*10*0.75
4.6*10
*6700*9.8*10
=170℃
第二冲击断裂抵抗因子:
=170*0.021=3.57J/(cm.s)
第7页,共16页
o
4-2、一根1m长的Al2O3炉管从室温
(25C)加热到1000C时,假使在此过程
10-6
中,材料的热膨胀系数为
8.8
mm/(mm?
C),计算管的膨胀量是多少?
根据公式,有:
(8.8
l0
10mm/(mmC))
(1m)
(1000
25)C
8.58mm
第五章
无机材料的光性能
可见光是电磁辐射波谱的波长在
400nm到700nm范围的一个波段。
光从材料1传入材料2时的折射定律?
折射率的色散:
材料的折射率
n随入射光频率v的减小(或波长的增加)而减小
的性质。
玻璃、陶瓷、非均相高聚物等电介质材料,对可见光具有良好的
透过性。
其原
因是它们的
价电子所处的价带是
填满的,除非电子吸收
光子跃迁到导带,否
则不能自由运动。
5、设有一块厚度为
x的平板材料
(如图
),入射光的强度为
I0,通过此材
料后光强度为I’。
试分析其光的吸收规律?
6、例:
已知
NaCl的Eg=9.6eV,试求其吸收峰波长?
10-34J
h为普朗克常数
=6.63
s,
=3108m/s
c为光速
10-19J
8
一个电子伏特为
1.602
34
hc
Eg
6.62410
310
7
1.2910m
19
9.61.602
0.129m
7、光通过一个透明陶瓷片时,其发生在左侧和右侧界面时光强的变化?
设反射
系数为m、吸收系数为
α与散射系数为
S。
第8页,共16页
入射光为I0,
n21
陶瓷左侧表面的反射光损失为
L
mI
I
透进材料中的光强度为
I01-m
光穿过厚度为x的陶瓷后,
x
Sx
消耗了吸收损失
和散射损失I0e
I0e
+Sx
光到达材料右侧表面时,光强度剩下
再经表面,一部分反射进材料中:
e
+Sx
I0m1-me
II01-me
另一部分传至右侧空间,光强为:
Al2O3板后强度降低了
15%,试计算其吸收
8、光通过一块厚度为
和散射系数的总和。
1mm的透明
解:
(
s)x
(s)x
s)0.1
0.85
s
10ln
1.625cm
9、一入射光以较小的入射角
i和折射角r通过一透明明玻璃板
若玻璃对光的衰
减可忽略不计,试证明明透过后的光强为(1-m)2。
sini
sinr
n
21
W'
W=W’+W’’W
W"
W
n21
W
m
其折射光又从玻璃与空气的另一界面射入空气
则W"
'
影响材料透光性的因素主要有:
反射系数、吸收系数、散射系数。
无机材料的颜色着色剂有:
分子着色剂、胶态着色剂、着色化合物。
配制陶瓷乳浊釉时,需要选择乳浊剂,有
PbO、TiO2和ZrSiO4三种氧化物可供
选择,它们的折射率
n依次分别为
2.61、2.50和1.94,你将选择哪一种?
为什
第9页,共16页
么?
选择硅酸锆作乳浊剂。
因为氧化铅会熔解,氧化钛因膨胀系数太大与陶瓷釉不适
应,故只能选硅酸锆。
第六章
无机材料的电导
载流子
具有电荷的自由粒子,在电场作用下可产生电流。
金属导体中的载流子是
无机材料载流子可以是
自由电子。
电子
(负电子、空穴
),称为电子电导;
也可以是离子
(正、负离子、空位
),称为离子电导。
离子电导分类和玻璃导电机理?
离子电导可分为两类:
本征电导和杂质电导。
玻
璃的离子电导是由于某些离子在结构中的可动性所至。
霍尔效应:
电子电导的特征是具有霍尔效应。
沿试样
x轴方向通入电流,Z轴方
向加一磁场,那么在y轴方向将产生一电场,这一现象称为霍尔效应。
利用霍尔
效应可检查材料是否存在电子电导。
为什么利用霍尔效应可以检验材料是否是存在电子电导?
霍尔效应的产生是由
于电子在磁场作用下,产生横向移动的结果,离子的质量比电子大的多,
磁场作
用力不足以使离子产生横向位移,
因而纯离子电导不呈霍尔效应。
利用霍尔效应
可检验材料是否存在电子电导。
试述随温度的上升,玻璃电导率迅速增加的原因。
答:
(1)玻璃体的结构比晶体
疏松,碱金属离子能够穿过大于其原子大小的距离而迁移,同时克服一些势垒。
(2)玻璃与晶体不同,玻璃中碱金属离子的能阱不是单一的数值,通常有一些
相邻的低能位置,其间只有小的能垒,而大的势垒则发生在偶然出现的相邻位置
之间,这与玻璃的结构的随机性质是一致的,故有高有低:
这些位垒的体积平均
值就是载流子的活化能。
电解效应:
离子电导的特征是存在电解效应。
离子的迁移伴随着一定的质量变化,
离子在电极附近发生电子得失,
产生新的物质,这就是电解现象。
可以检验陶瓷
材料是否存在离子电导,并且可以判定载流子是正离子还是负离子。
影响电导率的因素:
(1)温度;
(2)晶体结构;
(3)晶体缺陷。
固体电解质:
具有离子电导的固体物质称为固体电解质。
电子电导的导电机制是:
电子和空穴。
第10页,共16页
本征电导
导带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在,载流子电子和空
穴的浓度是相等的。
它们是由半导体晶格本身提供,
是由热激发产生的,其浓度
与温度呈指数关系。
本征半导体是具有本征电导特性的半导体。
在Na2O-SiO2玻璃中,采取什么办法降低其电导率?
(1)通过添加另外碱
金属,并调节外加碱金属和氧化钠的比例(
2)通过添加二价金属氧化物,特别
是重金属氧化物
掺入施主杂质的半导体称为
n型半导体;
掺入受主杂质的半导体称为
p型半导
体。
解释pn结中的空间电荷区的形成过程?
当p型半导体与n型半导体形成
p-n结时,由于n型半导体的多数载流子是
电子,少数载流子为空穴,相反p型半导体的多数载流子是空穴,
少数载流子为
电子,因此在p-n结处存在载流子空穴或电子的浓度梯度,导致了空穴从
p区到
n区、电子从n区到p区的扩散运动。
对于p区:
没有电离的中性原子,空穴离开后,留下了不可动的带负电的电
离受主,没有正电荷与之保持电中性,因此在
p-n结附近p区一侧出现了一个负
电荷区(负离子阻止
n区电子靠近)。
同理,由于
n区电子走后,留下带正电的
电离施主,电离的正离子阻止
p区空穴靠近,所以聚集p-n结近n区一侧,在p-n
结附近n区的一侧出现了一个正电荷区,
把在p-n结附近的这些电离施主和电离
受主所带电荷称为空间电荷。
它们所在的区域称为空间电荷区。
半导体中杂质能级和能带中的能级的区别?
在能带中的能级可以容纳自旋方向
相反的两个电子;
而对于施主杂质能级只能是被一个有任一自旋方向的电子所占
据,或者不接受电子。
载流子的散射:
电子与晶体中的声子、杂质离子、缺陷等发生碰撞的过程。
载流子发生散射的原因是
周期性势场被破坏。
在低掺杂半导体中,载流子迁移率随温度升高而大幅度下降的原因?
由于晶格
振动引起的散射叫晶格散射,
温度越高,晶格振动越强,对载流子的晶格散射也
将增强。
第11页,共16页
双碱效应:
当玻璃中碱金属离子总浓度较大时(占玻璃组成
25—30%),总浓度
当比例适当时,电
不变,含两种碱金属离子比一种碱金属离子的玻璃电导率小,
导率可降低很低。
位错增殖是在剪应力作用下,晶体中位错数量大量增加的现象。
1.计算铜的电子迁移率,假定全部价电子都对电流有贡献。
提示:
铜的点阵
常数为3.615×
10-8
cm
,铜属于面心立方晶体。
铜的价数为
1,因此价电子数等于材料中的铜原子数。
铜的点阵常数为
3.615×
10cm。
由于铜属于面心立方晶体,单位晶胞中有四个电子(切开后单元
体所包含的原子数)。
金属载流子浓度:
n=(4
个电子/晶
胞)(1
个电子/原子)
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