材料物理性能

材料物理性能

1.根据受⼒应变特征材料分为：脆性材料，延性材料，弹性材料。

2.材料受载荷后形变的三个阶段：弹性形变，塑形形变，断裂

3.弹性模量：材料在弹性变形阶段内正应⼒和对应的正应变的⽐值。意义：反映材料抵抗应变的能⼒，是原⼦间结合强度的标志。影响因素（键合⽅式，晶体结构，温度，复相的弹性模量）。机理：对于⾜够⼩的形变应⼒与应变成线性关系，系数为弹性模量，物理本质是原⼦间结合⼒抵抗外⼒的宏观表现，弹性系数和弹性模量是反映原⼦间结合强度的标志。4.滞弹性：固体材料的应变产⽣与消除需要有限的时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。衡量指标：应⼒弛豫和应⼒蠕变。应⼒弛豫：在持续外⼒作⽤下发⽣形变的物体在总变形值保持不变的情况下，徐变变形增加使物体的内部应⼒随时间延续⽽逐渐减少的现象。应⼒蠕变：固体材料在恒定荷载下变形随时间延续⽽缓慢增加的不平衡过程。5.塑性形变指⼀种在外⼒移去后不能回复的形变。滑移系统：滑移⽅向和滑移⾯。产⽣条件：a-（⼏何条件）⾯间距⼤滑移⽮量⼩b（静电条件）每个⾯上是同种电荷原⼦，相对滑移⾯上的电荷相反。⽆机⾮材料不产⽣原因：a.滑移系统少；b.（位错运动激活能⼤）位错运动需要克服的势垒⽐较⼤，位错运动难以实现。施加应⼒，或者由于滑移系统少⽆法达到临界剪应⼒，或者在达到临界剪应⼒之前就导致断裂；c.伯格斯⽮量⼤。6.⾼温蠕变定义：材料在⾼温下长时间受到⼩应⼒作⽤出现蠕变现象。影响因素：温度和应⼒。机理：a晶格机理（位错攀移理论，由于热运动位错线处⼀列原⼦移去或移⼊，位错线向上移⼀个滑移⾯。）b扩散蠕变理论（空位扩散流动，应⼒造成浓度差，导致晶粒沿受拉⽅向伸长或缩短引起形变）c晶界机理（多晶体蠕变，⾼温下晶界相对滑动，剪应⼒松弛，有利蠕变。低温下晶界本⾝是位错源，不利蠕变）7.理论断裂强度：理论下材料所能承受的最⼤应⼒。实际强度：实际情况中材料在外加应⼒作⽤下，沿垂直外⼒⽅向拉断所需应⼒。8.断裂韧性：是材料的固有性能，由材料的组成和显微结构所决定，是材料的本征参数。物理意义：反映了具有裂纹的材料对外界作⽤的抵抗能⼒。9.微裂纹能量判据：弹性应变能的变化率等于或⼤于裂纹扩展单位裂纹长度所需的表⾯能增量，裂纹失稳⽽扩展。脆性断裂本质：微裂纹的快速扩展。10.亚临界裂纹扩展：脆性材料在受到低于其临界应⼒的使⽤应⼒作⽤下裂纹扩展取决于温度，应⼒和环境介质，随着时间的推移⽽缓慢扩展。机理：环境介质的作⽤引起裂纹的扩展；⾼温下裂纹尖端的应⼒空腔作⽤。11.预测材料寿命⽅法：⽆损探伤法和保证试验法

12.材料强度影响因素：a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b显微结构：相组成、晶界（晶相、玻璃相、微晶相）、晶粒尺⼨（尺⼨⼩强度⼤）、⽓孔（有⽓孔强度⼩）、微裂纹（长度、尖端的曲率⼤⼩）c外在因素：使⽤温度（先不⼤后温度升⾼强度降低最后出现塑性形变）、应⼒、⽓氛环境、试样的形状⼤⼩（越⼤强度越低）、表⾯（例如：⽆机材料的形变滖温度升⾼⽽变化的情况）d.⼯艺因素：原料的纯度粒度形状、成型⽅法、升温制度、降温速率、保温时间、⽓氛及压⼒等。13.提⾼强度改善韧性原则：在⼀定条件下，晶体中的滑移系统数⽬及可动程度都是物质本质结构所决定，脆性本质难以改变，要从脆性的根源和量度⼊⼿。关键是：提⾼材料的断裂能，便于提⾼抵抗裂纹扩展的能⼒；减⼩材料内部所含裂纹缺陷尺⼨，以减缓裂纹尖端的应⼒集中效应。具体途径：弥散增韧，相变增韧，微晶⾼密度⾼均匀度⾼纯度，预加应⼒，化学强化。14.热容本质：各个频率声⼦数⽬随温度的升⾼⽽增加，在宏观上表现为吸热。

15.德拜温度：是晶体中能量最⼤声⼦被激发出来的特征温度。物理意义：反映了原⼦间结合⼒的⼜⼀重要物理量，与键的强度，弹性模量，熔点有关。16.声⼦平均⾃由程：声⼦在不断的相互碰撞中，两次声⼦间碰撞之间声⼦经过的平均距离。因素：缺陷杂质及晶格界⾯，声⼦振动频率，温度17.电导微观本质：载流⼦在电场作⽤下的定向迁移。载流⼦：具有电荷的⾃由粒⼦在电场作⽤下可产⽣电流，即晶体中载荷电流或传导电流的粒⼦。载流⼦分类：电⼦（电⼦和电⼦空位）离⼦（正负离⼦和离⼦空位）18.n型半导体：参与导电的主要是带负电的电⼦。这种半导体中电⼦载流⼦的数⽬多主要靠电⼦导电，叫做电⼦半导体。P型半导体：参与导电的主要是带正电的空⽳。这种半导体中⼏乎没有⾃由电⼦，叫做空⽳半导体。19.双碱效应：当玻璃中碱⾦属离⼦总浓度较⼤时，在碱⾦属离⼦总浓度相同的情况下，含两种碱⾦属离⼦⽐含⼀种碱⾦属离⼦的玻璃导电率要⼩，当两种⽐例适中时电导可降到最低。原因：电导率主要由载流⼦浓度和载流⼦迁移率所决定。总浓度相同考察迁移率。在有两种碱⾦属离⼦时由于⾃⾝性质结构环境的差异，迁移相互⼲扰，⼤离⼦不能进⼊⼩空位，⼩离⼦进⼤空位不稳定。20.压碱效应.：含碱玻璃中加⼊⼆价⾦属氧化物，可使玻璃电导率降低。相应阳离⼦半径越⼤效应越强。原因：⼆价离⼦与氧离⼦结合较牢固，能嵌⼊玻璃⽹络结构，堵住离⼦的迁移通道，使碱⾦属离⼦移动困难。半径越⼤堵塞越明显。当超过⼀定限度时结构破坏，电导率上升21.电极化：在电场作⽤下电介质内的质点发⽣正负电荷重⼼的分离产⽣感应电荷的现象。位移式极化（弹性的，瞬间完成的，不耗能的）松弛极化（⾮弹性，需时间，耗能）22.介电损耗：介质损耗，指电介质在交变电场作⽤下的能量损耗，即由电能转变为其他形式的能。形式：极化损耗（常温⾼频）电导损耗（⾼温低频）23.压电陶瓷的预极化参数:极化电场、温度、时间。

24.磁化：在外磁场的作⽤下物质中形成了成对的NS磁极，各磁极有规则的取向，使磁介质宏观显⽰磁性的现象。原⼦磁矩：原⼦核磁矩和电⼦磁矩。25.磁化过程：即磁畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向

26.⾊散：材料的折射率随⼊射光的频率减⼩⽽减⼩的性质称为折射率的⾊散。

27.散射：光波遇到不均匀结构产⽣次级波，与主波⽅向不同使光偏离原来的⽅向从⽽引起光束强度减弱的现象

28.透光性影响因素：吸收系数、反射系数、散射系数

29.影响折射率因素：构成材料元素的离⼦半径、材料的结构，晶型和⾮晶态、材料所受的内应⼒、同质异构体

1.随温度升⾼，材料热导率变化趋势：

温度升⾼，碰撞加剧，⾃由程l降低。低温下声⼦平均⾃由程l的上限为粒度的线度，⾼温下的下限为晶格间距。a.低温下C与T3成正⽐，随着温度升⾼，l由于温度还不⾼，保持在上限⽆多⼤变化，故热导率λ近似与T3成⽐例增⼤。

b.随着温度进⼀步升⾼，⾃由程l降低，⽽且C也不再与T3成正⽐并在德拜温度以后趋于⼀定值，l的减⼩成主要因素，因此λ随温度升⾼迅速减⼩。c.再升⾼温度，l达到下限，λ也不再减⼩，由于⾼温时的热辐射，λ有⼀定程度的增加。

2.同种组成的晶体和⾮晶体他们的声⼦热导率随温度的变化趋势：

声⼦热导率主要由热容所决定，⾼温时考虑光⼦导热。

晶体与⾮晶体的⽐较：a.不考虑光⼦导热时，⾮晶体的声⼦导热系数在所有温度下都⽐晶体⼩；

b.两者在较⾼温度下⽐较接近：晶体的声⼦平均⾃由程减⼩⾄下限，也即⼏个晶格间距的⼤⼩；⽽晶体与⾮晶体的声⼦热容也都接近于3R；c.两者曲线的重⼤区别在于晶体有⼀峰值。

由于⾮晶体材料特有的⽆序结构，声⼦平均⾃由程都被限制在⼏个晶胞间距的量级，因⽽组分对其影响⼩。

晶相和⾮晶相同时存在,⼀般情况下，介于两者曲线之间，可能出现三种情况：a.当材料中所含有晶相⽐⾮晶相多时，在⼀般温度以上，热导率随温度上升⽽有所下降。在⾼温下热导率基本上不随温度变化；b.当材料中所含的⾮晶相⽐晶相多时，热导率随温度升⾼⽽增⼤；

c.如果调节⾮晶相和晶相为合适⽐例，热导率可以在某温度范围内保持常数。

3.电解质、压电体、热释电体、铁电体区别联系：

铁电体、热释电体和压电体之间的关系：铁电体是⼀种极性晶体，属于热电体。它的结构是⾮中⼼对称的，因⽽也⼀定是压电体。压电体⼜必须是介电体。所以：电介质、压电体、热电体、铁电体有如下关系：⼀般电介质、压电体、热释电体和铁电体存在的宏观条件：

*有学者认为：铁电体不⼀定有完整的电滞回线，只要在外电场作⽤下⾃发偶极矩可改变⽅向即可。

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？2.试样长40cm、宽10cm、厚1cm，受到1000N的拉⼒，E=

3.5×109 N/m2，问能伸长多少厘⽶？

3.画两个曲线图，分别表⽰应⼒弛豫~时间的关系和应变蠕变~时间的关系，并注出：t=0、t=⽆穷⼤以及t=τε或τσ时的纵坐标。4.圆柱形晶体受轴向拉⼒F，临界抗剪强度τf=135MPa，求沿图所⽰⽅向的滑移系统产⽣滑移时需要的最⼩拉⼒值，并求滑移⾯的法向应⼒。

解：，d=3mm；法线⽅向与F夹⾓υ=60o；滑移⽅向与F夹⾓λ=53o5.求熔融⽯英的结合强度,设估计的表⾯能为1.75J/m2；Si-O的平均原⼦间距为1.6*10-8cm，弹性模量值从60~75GPa。

6.熔融⽯英玻璃的性能参数为：E=73GPa， =1.56J/m2，理论强度 th=28GPa，如材料中存在最⼤长度为2 m的内裂，且此内裂垂直于作⽤⼒的⽅向，计算由此⽽导致的强度折减系数。7.⼀陶瓷零件上有⼀垂直于拉应⼒的边裂，长度为（1）2mm；（2）0.049mm；（3）2 m。分别求上述三种情况下的临界应⼒。K1C=1.62MPa﹒m1/2，Y=1.1 ( )?。并讨论此结果。8.计算莫来⽯瓷在室温（25℃）及⾼温（1000℃）时的摩尔热容值，并与按杜隆-珀替定律计算的结果⽐较。

经验公式：C=a+bT+cT-2+……J/(K·mol)，对于莫来⽯3Al2O3·2SiO2，a=365.96；b=62.53×10－3；c=－111.52×105，温度范围298～1100K

部分轻元素的摩尔热容：O：16.7 J/(K·mol) ；Si：15.9 J/(K·mol)

杜隆-珀替定律：所有元素的摩尔热容值均为25J/(K·mol)

计算结果：9.康宁1723玻璃（硅酸铝玻璃）具有下列性能参数：λ=0.021J/(cm·s·K)，α=4.6×10－6K－1，f=0.069GPa，E=66GPa，µ=0.25。求第⼀及第⼆热应⼒断裂抵抗因⼦。

10.⼀热机部件由烧结氮化硅制成，其热导率λ=0.184J/(cm·s·K)，最⼤厚度为120mm。如果表⾯热传递系数h=0.05J/(cm2·s·K)，假设形状因⼦S=1，估算可应⽤的热冲击最⼤温差。已知：对于烧结氮化硅：α=2.5×10－6K－1，f=310MPa，E=172GPa，µ=0.24。

11.实验测出离⼦型半导体的电导率与温度的相关数据,经数学回归分析得出关系式为: lg σ=A－B/T

(1)试求在测量温度范围内的电导活化能表达式;

(2)若给出T1=500K时,电导率σ1=10-9 (Ω·cm)－1; T2=1000K时，电导率σ2=10-6 (Ω·cm)－1 ，计算电导活化能的值。

提⽰：离⼦电导率：写成对数形式：