材料物理化学性能一、二、三章1资料

第一章无机材料的受力形变1 简述正应力与剪切应力的定义2 各向异性虎克定律的物理意义3 影响弹性模量的因素有哪些？4 试以两相串并联为模型推导复相材料弹性模量的上限与下限值。

5 什么是应力松弛与应变松弛？6 应力松弛时间与应变松弛时间的物理意义是什么？7 产生晶面滑移的条件是什么？并简述其原因。

8 什么是滑移系统？并举例说明。

9 比较金属与非金属晶体滑移的难易程度。

10 晶体塑性形变的机理是什么？11 试从晶体的势能曲线分析在外力作用下塑性形变的位错运动理论。

12 影响晶体应变速率的因素有哪些？13 玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？14 影响塑性形变的因素有哪些？并对其进行说明。

15 为什么常温下大多数陶瓷材料不能产生塑性变形、而呈现脆性断裂？16 高温蠕变的机理有哪些？17 影响蠕变的因素有哪些？为什么？18 粘滞流动的模型有几种？19 影响粘度的因素有哪些？第二章无机材料的脆性断裂与强度1 试比较材料的理论强度、从应力集中观点出发和能量观点出发的微裂纹强度。

2 断裂能包括哪些内容？3 举例说明裂纹的形成？4 位错运动对材料有哪两方面的作用？5 影响强度的因素有哪些？6 Griffith关于裂纹扩展的能量判据是什么？7 试比较应力与应力强度因子。

8 有一构件，实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢供选：甲钢：sf =1.95GPa, K1c =45Mpa·m 1\2乙钢：sf =1.56GPa, K1c =75Mpa·m 1\2试根据经典强度理论与断裂强度理论进行选择，并对结果进行说明。

9 结构不连续区域有哪些特点？10 什么是亚临界裂纹扩展？其机理有哪几种？11 介质的作用(应力腐蚀)引起裂纹的扩展、塑性效应引起裂纹的扩展、扩散过程、热激活键撕裂作用引起裂纹扩展。

12 什么是裂纹的快速扩展？13 影响断裂韧性的因素有哪些？14 材料的脆性有哪些特点？通过哪些数据可以判断材料的脆性？15 克服材料脆性和改善其强度的关键是什么？16 克服材料的脆性途径有哪些？17 影响氧化锆相变的因素有哪些？18 氧化锆颗粒粒度大小及分布对增韧材料有哪些影响？19. 比较测定静抗折强度的三点弯曲法和四点弯曲法，哪一种方法更可靠，为什么？20. 有下列一组抗折强度测定结果，计算它的weibull模数，并对该测定数据的精度做出评价。

材料物理性能复习资料材料物理性能总复习(⽆材⼀)考试题型：1 名词解释 5个*3分，共15分；2 简答 7个*5分，共35分；3 计算 2个*10分，共20分；4 论述 2个*15分，共30分。

考试时间：2013-1-14. 考试重点1 材料的受⼒形变不同材料应⼒应变曲线的区别A （A 点）：⽐例极限; E （B 点）：弹性极限; P （C 点）：屈服极限; U （D 点）：断裂极限;E ，可逆线性正⽐例关系，当应⼒在 E 和 P 之间，外⼒去除后有⼀定程度的永久变形，即发⽣塑性变形陶瓷材料⼀般没有塑性变形，发⽣脆性断裂应⼒：单位⾯积上所受内⼒。

ζ=F/A由于材料的⾯积在外⼒作⽤下，可能有变化，A 就有变化，有名义应⼒和实际（真实）应⼒ P4. 应变：描述物质内部各质点之间的相对位移名义位移的应变：实际应变和L0有关，可以通过公式推导获得由于材料的不同⽅向的应变，因此考虑可以采⽤和应⼒分解的办法来解决，具体看教材第6-7页虎克定律：σ=E ε⽐例系数E 成为弹性模量（Elastic Modulus ）,⼜称弹性刚度相关概念：应⼒应变虎克定律弹性模量001L L L L L ?=-=ε三种应变类型的弹性模量杨⽒模量E ；剪切模量G ；体积模量B 弹性模量：原⼦间结合强度的标志之⼀两类原⼦间结合⼒与原⼦间距关系曲线弹性模量实际与曲线上受⼒点的曲线斜率成正⽐结合键、原⼦之间的距离、外⼒作⽤也将改变弹性模量的值温度升⾼，原⼦之间距离变⼤，弹性模量下降弹性模量的本质特征；弹性模量的影响因素；晶粒、异相、⽓孔、杂质等，弹性模量的计算公式及⽅法；把材料看成材料的串联或者并联，我们可以得到其上限模量和下限模量，如下⾯的公式表⽰：（P13）复合材料弹性模量及应⼒的计算。

陶瓷材料弹性常数和⽓孔率关系多⽓孔陶瓷材料可以看成⼆相材料，其中⼀相的刚度为0 陶瓷材料的弹性模量随⽓孔率变化的表达式是：b 是与制备⼯艺有关常数.当泊松⽐0.3，f1和f2分别是1.9和0.9，和教材上p13公式1.21⼀样粘弹性：⼀些⾮晶体,有时甚⾄多晶体在⽐较⼩的应⼒时同时表现出粘性和弹性。

现代材料物理化学作业参考资料(全面)一．材料物理-材料的电学性能1．何谓能带结构？满带，导带，价带，空带和禁带？能带结构：由多条能带组成，是指各原子中能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能级，这些新能级基本上连成一片，形成能带(energy band)。

满带：能带中各能级都被电子填满。

导带：被电子部分填充的能带及空带（一般与价带相邻）。

价带：价电子能级分裂后形成的能带。

一般情况下，价带是被电子所填充的能量最高的能带。

空带：所有能级均未被电子填充的能带。

禁带：在能带之间的能量间隙区，电子不能填充。

2.简述绝缘体、半导体与导体的能带结构差异及对其导电性的影响；导体：分两类，一类是价带和导带交叠，加电压后电子能够很容易从价带顶部跃迁到导带底部而导电。

另一类是价带和导带不交叠，但它的价带未填满，因而加电压后电子也能够很容易从价带顶部跃迁到导带底部而导电绝缘体：价带和导带不交叠存在很大的能量间隙，且价带被填满因而因而加电压后电子不能够很容易从价带顶部跃迁到导带底部，故不导电。

半导体：1.本征半导体：价带和导带不交叠，但能隙很小，2. n型半导体3. p型半导体3.简述造成半导体材料与金属材料在电导温度函数上的差别原因；半导体的导电特性：即热敏性当环境温度升高时，温度愈高，载流子的数目愈多导电能力显著增强，正比关系金属电导温度函数:随着温度的升高，金属电阻也在增加。

在低温下“电子－电子”散射对电阻的贡献可能是显著的，但高温下，金属的电阻都决定于“电子－声子”散射。

划分这两个区域的温度θD称为德拜温度或特征温度。

且金属的电阻在不同的温度区域内表现出不同幂次（升幂）的温度函数关系。

4.简述导电高分子的类型？及导电机理上的差异？分类：导电高分子分成两大类。

一类是复合型导电聚合物，另一类是结构型（本征型）导电聚合物。

差异：复合型导电聚合物是在本身不具备导电性的聚合物材料中掺混入大量导电物质，聚合物材料本身并不具备导电性，只充当了粘合剂的角色。

材料性能学总复习资料第一章 作业11.掌握以下物理概念：强度、屈服强度、抗拉强度、塑性、弹性、延伸率、断面收缩率、弹性模量、比例极限、弹性极限、弹性比功、包申格效应、弹性后效、弹性滞后环强度：指的是构件抵抗破坏的能力。

屈服强度：材料屈服时对应的应力值也就是材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力，这一应力值称为材料的屈服强度。

抗拉强度：材料最大均匀塑性变形的抗力。

塑性：是指在外力作用下，材料能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。

弹性：材料受载后产生一定的变形，而卸载后这部分变形消逝，材料恢复到原来的状态的性质称为材料的弹性。

延伸率：材料拉伸后的截面面积变化量与原始截面面积的比值。

断面收缩率：材料拉断后，缩颈处横截面积的最大减缩量与原始截面面积的百分比。

弹性模量：弹性模数是产生100%弹性变形所需的应力。

比例极限：是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力。

弹性极限：是材料由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。

弹性比功：又称为弹性必能，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。

包申格效应：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形，而后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。

弹性后效：又称滞弹性，是指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。

弹性滞后环：在非理想弹性的情况下，由于应力和应变不同步，是加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，这个封闭回线称为弹性滞后环。

2、衡量弹性的高低用什么指标，为什么提高材料的弹性极限能够改善弹性？ 衡量弹性的高低通常用弹性比功来衡量E a e e 22σ=，所以提高弹性极限可以提高弹性比功。

3、材料的弹性模数主要取决哪些因素？凡是影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模数。

主要有：键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度及加载方式和速度。

4、一直径2.5mm ，长度为200.0mm 的杆，在2000N 的载荷作用下，直径缩至2.2mm ，试求(1)杆的最终长度；(2)在该载荷作用下的真实应力和真实应变；(3)在该载荷作用下的工程应力和工程应变。

第一章晶体结构以及近体结构缺陷1. 肖特基缺陷：开始在晶体表面上某个原子聚集了足够大的动能，由原来的位置迁移到表面上另一个新的正常晶格位置上去，而在表面上形成空位，这个空位又由于热运动逐步扩散到晶体内部，形成内部的空位，这种在晶体中只有空位而没有间隙原子的缺陷称为肖特基缺陷。

弗兰克尔缺陷：晶体中的某一原子，由于温度升高，振动加剧，脱离了其平衡结构，就在某一点形成空位而另一位置出现间隙原子，即空位和间隙原子成对出现，故晶体中空位数目和间隙原子数目相等，这种缺陷称弗兰克尔缺陷。

肖特基缺陷位置数增加，弗兰克尔缺陷位置数不变。

2. 非化学计量化合物与无限固溶体的异同点。

答：共同点:都属于晶体结构缺陷中的点缺陷；相组成均为均匀单相。

不同点：1.形成原因不同。

非化学计量化合物由气氛性质和压力变化引起。

而无限固溶体则由参杂溶解而引起。

2.形成条件不同。

前者只有变价元素氧化物在氧化或还原气氛中才能形成，而后者则需满足离子半径和电负性差值较小，保持电中性，结构相同等条件下才能形成。

3.组成范围不同。

前者的组成变化范围很小，后者可以在整个组成范围内变化。

3. 形成连续置换型固溶体的条件1.离子尺寸因素：相互替代的两离子尺寸应满足|(Ra-Rb)/Ra|<15%.2.晶体结构类型相同。

3.相互替代的两离子电价相同或复合代替离子电价总和相同。

4.相互代替的两离子电负性相近。

4.离子晶体规则——pauling规则：1.第一规则（多面体规则）：围绕每一个阳离子，形成一个阴离子配位多面体，阳离子处于中心位置，阴离子处于多面体的顶角：阴阳离子的间距2.Pauling第二规则(静电价规则)在稳定的离子晶体结构中，一个阴离子从所有相邻接的阳离子分配给该阴离子的静电键强度的总和，等于阴离子的电荷数。

3.Pauling第三规则（稳定规则）在晶体结构中，每个配位多面体以共顶方式连接，共棱连接，特别是共面连接方式存在时，会使结构的稳定性降低。

第一章热学性能1、热容热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1k所需要增加的能量2、金属高聚物的热容本质及比较大小高聚物多为部分结晶或无定形结构，热容不一定符合理论式。

大多数高聚物的比热容在玻璃化温度以下比较小，温度升高至玻璃化转变点时，分子运动单位发生变化，热运动加剧，热容出现阶梯式变化。

高分子材料的比热容由化学结构决定，温度升高，使链段振动加剧，而高聚物是长链，使之改变运动状态较困难，因而需提供更多的能量。

一般而言，高聚物的比热容比金属和无机材料大。

3、热膨胀的物理本质物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。

材料的热膨胀是由于原子间距增大的结果，而原子间距是指晶格结点上原子振动的平衡位置间的距离。

材料温度一定时，原子振动但平衡位置保持不变，材料不随温度升高而发生膨胀；而温度升高，振动中心右移，原子间距增大，材料产生热膨胀。

4、化学键对热膨胀的影响材料的膨胀系数与化学键强度密切相关。

对分子晶体而言，膨胀系数大；而由共价键相连接的材料，膨胀系数小的多。

对于高聚物来说，长链分子中的原子沿链方向是共价键相连接的，近邻分子间的相互作用是弱的范德华力，因此结晶高聚物和取向高聚物的热膨胀具有很大的各向异性。

5、从化学键角度比较高聚物的膨胀系数对于高聚物来说，长链分子中的原子沿链方向是共价键相连接的，近邻分子间的相互作用是弱的范德华力，因此结晶高聚物和取向高聚物的热膨胀具有很大的各向异性。

6、热膨胀与熔点、热容的关系（1）热膨胀与熔点的关系当固体晶体温度升高至熔点时，原子热运动将突破原子间结合力，使原有的固态晶体结构被破坏，物体从固态变成液态，所以，固态晶体的膨胀有极限值。

因此，固态晶体的熔点越高，其膨胀系数就越低。

（2）热膨胀与热容的关系热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的容积膨胀，而晶格振动的激化就是热运动能量的增大，每升高单位温度时能量的增量也就是热容的定义。

二、材料的物理性能与化学性能1、物理性能物理性能是指材料固有的属性，金属的物理性能包括密度、熔点、电性能、热性能、磁性能等。

（1）密度：密度是指在一定温度下单位体积物质的质量，密度表达式如下：ρ= m/V3式中ρ——物质的密度（g/cm ）；m ——物质的质量（g）；3V- ——物质的体积（cm ）。

常用材料的密度（20℃）材料铅铜铁钛铝锡钨塑料玻璃钢碳纤维复合材料密度118.9 7.8 4.5 2. 7. 19 0.9~2 2.0 1.1~1.63/[g/cm ] .37 28 .3 .2密度意义：密度的大小很大程度上决定了工件的自重，对于要求质轻的工件宜采用密度较小的材料（如铝、钛、塑料、复合材料等）；工程上对零件或计算毛坯的质量也要利用密度。

（2）熔点：是材料从固态转变为液态的温度，金属等晶体材料一般具有固定的熔点，而高分子材料等非晶体材料一般没有固定的熔点。

常用材料的熔点铝合材料钨钼钛铁铜铝铅铋锡铸铁碳钢金熔点338 / ℃0263167715381083660.1327271.3231.91279~11481450~1500447~575熔点意义：金属的熔点是热加工的重要工艺参数；对选材有影响，不同熔点的金属具有不同的应用场合：高的熔点金属（如钨、钼等）可用于制造耐高温的零件（如火箭、导弹、燃气轮机零件，电火花加工、焊接电极等），低的熔点金属（如铅、铋、锡等）可用于制造熔丝、焊接钎料等。

（3）电阻率：电阻率用ρ 表示，电阻率是单位长度、单位截面积的电阻值，其单位为Ω.m。

电阻率的意义：是设计导电材料和绝缘材料的主要依据。

材料的电阻率ρ 越小，导电性能越好。

金属中银的导电性最好、铜与铝次之。

通常金属的纯度越高，其导电性越好，合金的导电性比纯金属差，高分子材料和陶瓷一般都是绝缘体。

导电器材常选用导电性良好的材料，以减少损耗；而加热元件、电阻丝则选用导电性差的材料制作，以提高功率。

（4）导热率：导热率用导热率λ表示，其含义是在单位厚度金属，温差为1℃时，每秒钟从单位断面通过的热量。

《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、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：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。

1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。

若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。

解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。

则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。

0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=AA l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1 / 101-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。

解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。