材料物理性能部分知识点难点.doc

1. 名义应力：真实应力： 正应力伸长或缩短的量正应变，用表示； 剪切应力畸变或转动的量剪切应变，用表示。 名义应变：真实应变： 正应变：xx，yy，zz； 剪切应变：xy，yz，zx。 2. 材料受力形变的三个阶段： 弹性形变：当外力去除后，能恢复到原来形状和尺寸的形变。塑性形变：外力去除后，形状或尺寸不能恢复的形变。 断裂。 3. 根据受力形变特征，材料可分为： 脆性材料（非金属材料）：只有弹性形变，无塑性，形变或塑性形变很小。 延性材料（金属材料）：有弹性形变和塑性形变。 弹性材料（橡胶）：弹性变形很大，没有残余形变（无塑性形变）。4. 结论： 弹性形变的物理本质：原子间结合力抵抗外力的宏观表现。 弹性系数ks和弹性模量E是反映原子间结合强度的标志。 5. 影响弹性模量的因素即影响原子间结合力的因素。 （1）键合方式： 共价键和离子键结合力强，弹性模量E较大；金属键和分子键结合力弱，E较低。（2）晶体结构因材料的方向不同差别很大，排列越致密的方向结合越紧密，E越大。（3） 温度大部分固体，受热后渐渐开始膨胀、变软，原子间结合力减弱，弹性常数降低。（4）复相的弹性模量 在二相系统中，总模量介于高模量成分和低模量成分间，类似于二相系统的热膨胀系数，通过假定材料有许多层组成，这些层平行或垂直于作用单轴应力，找出最宽的可能界限。6. 一些非晶体有时甚至多晶体在比较小的应力作用下可同时表现出弹性和粘性，称为粘弹性。理想弹性体受应力作用立即产生应变，与时间无关。一旦应力撤除，应变也随之立即消除。实际固体材料的应变产生与消除需要有限时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。 7. 应变蠕变 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，或材料受力后内部原子由不平衡到平衡的过程，也叫徐变。当外力除去后，徐变变形不能立即消失。应力弛豫 在持续外力作用下，发生变形着的物体，在总的变形值保持不变的情况下，由于徐变变形渐增，弹性变形相应的减小，由此使物体的内部应力随时间延续而逐渐减少的现象。 8. 一个自由振动的固体，即使与外界完全隔离（如处于真空环境），它的机械能也会转化成热能，从而使振动逐渐停止；如果是强迫振动，则外界必须不断提供能量，才能使这个固体维持振动。这种由于固体内部原因而使机械能消耗的现象称为内耗，又叫阻尼，内耗变化的最大值称为内耗峰。 9. 材料屈服时所对应的应力值，即材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。 10. 产生滑移的条件 几何条件：面间距大；滑移矢量（柏格斯矢量）小。 静电条件：每个面上是同一种电荷的原子，相对滑动面上的电荷相反。11. 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。 12. 为什么无机非金属材料不易塑性形变？ 无机非金属材料的离子键或共价键具有方向性，同号离子斥力极大，满足几何条件与静电条件的滑移系统少。结构越复杂，满足条件就越困难。金属的柏格斯矢量一般为3A左右，较小，根据位错形成能E=aGb2，易形成位错；无机材料的柏格斯矢量较大，如MgAl2O4三元化合物为8A，Al2O3的为5A，难以形成位错。 13. 高温蠕变：材料在高温下长时间的受到小应力作用，出现蠕变现象，即时间应变的关系。在高温条件下，借助于外应力和热激活的作用，形变的一些障碍物得以克服，材料内部质点发生了不可逆的微观过程。 14. 高温蠕变机理 晶格机理位错攀移理论，主要针对于单晶蠕变，但也可能控制着多晶的蠕变过程； 扩散蠕变理论空位扩散流动； 晶界机理多晶体的蠕变。 15. 高温蠕变的影响因素 （1）温度、应力（外界因素）当温度升高时，形变速率加快，恒定蠕变阶段缩短。增加应力时，曲线形状的变化类似与温度。合力越大，越不易发生蠕变，所以共价键结构的材料具有好的抗蠕变性。（2）晶体的组成 结构 （3）显微结构材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响。气孔率增加，稳态蠕变速率也增大；晶粒越小，稳态蠕变速率越大；温度升高，玻璃相黏度降低，变形速率增大，蠕变速率增大。16. 理论断裂强度： th =（ E/ r0 ）1/2=（ E/ a ）1/2 Griffith微裂纹理论： c=（2 E / C）1/2 17. 断裂韧性即临界应力场强度因子K1C当K1随着外应力增大到某一临界值，裂纹尖端处的局部应力不断增大到足以使原子键分离的应力c，此时，裂纹快速扩展并导致试样断裂。反映了具有裂纹的材料对外界作用的抵抗能力，即材料抵抗裂纹失稳扩展的阻力因素。 概念区分韧性表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。 18. 裂纹的起源 晶体微观缺陷发展成裂纹 材料表面的机械强度损伤与化学腐蚀形成的表面裂纹最危险的的裂纹（裂纹的扩展由表面裂纹开始） 热应力引起裂纹 气体逸出形成的裂纹 晶体生长或无定形向晶形转变形成裂纹 19. 亚临界裂纹扩展的定义 指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。在这过程中，材料处于稳态。又叫静态疲劳。 20. 亚临界裂纹扩展机理1）环境介质的作用（应力腐蚀）引起裂纹的扩展 定义：材料在静应力和腐蚀介质共同作用下发生的脆性断裂称为应力腐蚀断裂。实质：在一定的坏境条件和应力场强度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处，裂纹扩展的动力与裂纹阻力的相对大小，构成裂纹生长或不生长的必要充分条件。起因：材料长期暴露在腐蚀性环境介质中，断裂强度降低。 2）高温下裂纹尖端的应力空腔作用： 在高温下，多晶多相材料长期受力作用，晶界玻璃相粘度下降，毛细管力在此处引起局部应力，使晶界发生蠕变或粘性流动，晶界处的气孔、夹杂物、及结构缺陷逐渐长大，形成空腔，空腔进一步沿晶界方向长大、连通形成次裂纹，与主裂纹汇合形成裂纹的缓慢扩展。 21. 预测材料寿命的两种方法：无损探伤法保证试验法 22. 材料强度的影响因素 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）； 外界因素：使用温度、应力、气氛环境、试样的形状大小、表面；（例如：无机材料的形变随温度升高而变化的情况塑性粘性流动弹性弹塑性） 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。 23. 脆性指材料在外力作用下（如拉伸、冲击等）仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。 韧性是材料强度和塑性的综合表现。强度是材料抵抗变形和断裂的能力，塑性则表示材料断裂时总的塑变程度。因此，可以用材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的多少表示韧性的高低。 24. 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。25. 克服材料脆性的原则 提高材料的断裂能（断裂韧性），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的尺寸，以减缓裂纹尖端的应力集中效应。26. 克服材料脆性的途径 （1）弥散增韧增韧相弥散于材料中 在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料，达到增韧的效果。其本质为通过裂纹尖端塑性形变的作用能量吸收：裂纹尖端的原子发生不可逆的重排，并以塑性功的形式吸收可观的弹性应变能，使裂纹扩展的动力减弱。 （2）相变增韧利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变，从而增韧的效果。本质：在温度或应力的诱发下发生相变，产生体积膨胀，一方面引发微裂纹，消耗能量，另一方面在主裂纹区产生压应力，二者均能阻止或阻碍裂纹的扩展。 （3）微晶、高密度、高均匀度、高纯度 为了消除缺陷，提高晶体的完整性，细、密、匀、纯具有重要意义。 （4）预加应力人为地预加应力，在材料表面造成一层压应力层，可以提高材料的抗拉强度。 （5）化学强化 通过改变表面化学的组成，使表面产生两向状态的压应力。 27. 硬度的测试方法 按加载方式分：可分为压入法和刻划法两大类。 28. 根据格波频率的大小，可将其分为分为声频支和光频支。 声频支：格波中频率较低的振动波，质点彼此之间的位相差不大，相邻原子具有相同的振动方向。类似于弹性体中的应变波。光频支：格波中频率较高的振动波，质点间的位相差很大，相邻原子振动方向相反，频率往往在红外光区。 29. 恒容摩尔热容Cv=3Nk=3R25J/（Kmol）。德拜温度是最大能量声子被激发出来的温度。 30. 热膨胀微观原因：温度升高时，分子运动的平均动能增大，分子间的距离也增大，物体的体积随之而扩大。 31. 热膨胀的微观机理 简谐晶格振动理论近似认为：当原子离开其平衡位置发生位移时，它受到的相邻原子作用力与该原子的位移成正比。 温度变化只能改变振幅的大小不能改变平衡点的位置。 用非简谐振动理论解释热膨胀机理：在相邻原子之间存在非简谐力时，可以利用原子间的作用力曲线或势能曲线解释。 32. 热膨胀的影响因素： （1） 热膨胀与化学键的关系 离子键势能曲线的对称性比共键键的势能曲线差，所以随着物质中离子键性的增加，膨胀系数也增加。 另一方面，化学键的键强越大，膨胀系数越小。 （2）热膨胀与结合能、熔点的关系 结合力强，势能曲线深而狭窄，升高同样的温度，质点振幅增加的较少，热膨胀系数小。 一般，结合能大的材料熔点也高。 （3）热膨胀与温度、热容的关系晶格振动加剧 引起容积膨胀 热运动能量增加 Cv与温度有相似的规律高温时，由于热缺陷的原因，膨胀系数有所增大。 （4） 热膨胀与结构的关系 结构紧密的固体，膨胀系数大，反之，膨胀系数小。 固体结构疏松，内部空隙较多，当温度升高，原子振幅加大，原子间距离增加时，一部分被结构内部空隙所容纳，宏观膨胀就小。 32. 玻璃的热膨胀 网络结构本身的强度对热膨胀系数影响。 碱金属及碱土金属的加入使网络断裂，造成玻璃膨胀系数增大，随着加入正离子与氧离子间键力（z/a2,z是正离子电价；a是正负离子间的距离）减小而增大。参与网络构造的氧化物如：B2O3，Al2O3，Ga2O3，使膨胀系数下降，再增加则作为网络改变体存在，又使膨胀系数增大。 高键力的离子如：Zr4+，Th4+等，它们处于网络间空隙，对周围网络起积聚作用，增加结构的紧密性，膨胀系数下降。 33. 声子导热 温度较低时，光频支的能量微弱，主要是声频支格波对导热有贡献。 已知气体热传导是气体分子碰撞的结果，温度不高时晶体热传导是声子碰撞的结果，二者的热导率公式具有相似的表达式。 34. 声子的平均自由程： 声子间产生碰撞，使声子的平均自由程减少。 晶体中的各种缺陷、杂质以及晶格界面都会引起格波的散射，也等效于声子的平均自由程减小。 平均自由程还与声子振动频率有关：频率v小时，波长长，l大，散射小，热导率大。 平均自由程还与温度有关：温度升高，声子的振动能量加大，频率加快，碰撞增多，所以l减小。 在高温下，碰撞加剧，最小的平均自由程等于几个晶格间距；在低温时，最长的平均自由程达晶粒的尺度。 35. 热导率的影响因素 （1）温度的影响 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。 （2）化学组成的影响 线性简谐振动时，几乎无热阻，热阻是由非线性振动引起，即：晶格振动偏离谐振程度越大，非简谐性越高，热阻越大，热导率越小。反之，热导率越大。 （3）结构的影响 A 晶体结构越复杂，晶格振动非谐性程度越大，格波受到散射越大，自由程越小，热导率越低。 B 晶向不同，热传导系数也不一样，如：石墨、BN为层状结构，层内比层间的大4倍。温度升高，晶体结构趋于更好对称，热导率差异减小。C 多晶体与单晶体：同一种物质多晶体的热导率总比单晶小。 （4）非晶体的热导率 以玻璃为例，可以把玻璃看作直径为几个晶格间距的极细晶粒组成的多晶体。 声子平均自由程在不同温度将基本上是常数，其值近似等于几个晶格间距（下限）。 声子热导率主要由热容所决定，高温时考虑光子导热。 （5）复合材料的热导率 高温，辐射在传热中开始发挥作用，此时，通过材料中气孔以辐射传递的热量不可忽略，辐射对传热贡献正比于气孔大小和温度三次方。 高温，大的气孔不仅不降低热传递，而且在某种程度上，随着温度的增加，大的气孔增加有效热导率。 无论在高温或低温，小的气孔均阻碍热流动，在多相多孔材料中，热传递的模式可能以很复杂的方式随温度变化。 （6）气孔的影响 气孔率的增大，总是使热导率降低； 36. 热应力是热冲击破坏的根源。 37. 提高抗热冲击断裂性能的措施： （1） 提高材料的强度 f，减小弹性模量E。 （2） 提高材料的热导率。 （3） 减小材料的热膨胀系数。 （4） 减小表面热传递系数h。（5） 减小产品的有效厚度rm。 （6） 有意引入裂纹，避免灾难性热震破坏。 38. 提高抗热冲击损伤性能的措施 （1） 降低材料的强度f，增大弹性模量E。 2 3 4 5 6同上39. 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。电导可分为离子电导与电子电导。E为载流子的迁移率，单位m2/（Vs），v表示载流子在单位电场中的迁移速度。 40. 霍尔效应 可用霍尔效应的存在与否检验材料是否存在电子电导。电解效应 离子电导的特征是存在电解效应。可检验材料中是否存在离子电导。并且可以判定载流子是正离子还是负离子。 41. 本征离子电导率主要由电导活化能决定；而杂质离子电导率由杂质浓度和电导活化能共同决定。 42. 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%），在碱金属离子总浓度相同情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小；当两种碱金属浓度比例适当时，电导可降到最低。 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。相应的阳离子半径越大，这种效应越强。 43. 多晶多相材料的电导 陶瓷材料为多晶多相材料,其电导特性通常是几个存在的相共同贡献的结果。这些相包括：气孔相（低）、半导体（可观的）、玻璃（高温下可观）和绝缘体（低）。 44. 电极化：在电场作用下，电介质内的质点（原子、分子、离子）发生正负电荷重心的分离产生感应电荷的现象。电场正极附近的介质表面感应出了负电荷，负极正电荷。但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移。 45. 宏观电场E外（物体外部固定电荷所产生即极板上的所有电荷产生） 构成物体的所有质点电荷的电场之和E1局部电场Eloc（介质中特定质点的有效电场） Eloc=E外+E1+E2+E3 球外介质的作用（E1 ，E2）和球内介质的作用E3 46. 极化的基本形式： 第一种：位移式极化弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。电子位移极化，离子位移极化。 第二种：松弛极化该极化与热运动有关，其完成需要一定的时间，且是非弹性的，需要消耗一定的能量。电子松弛极化，离子松弛极化。 47. 松弛极化率 T =q2x2/12kT x为两平衡位置间的距离 温度对松弛极化的影响：从公式看，温度越高，极化率越低，是由于热运动对质点的规则运动阻碍增强。但另一方面，温度升高，结合力降低，松弛时间减小，松弛加快，增大了介电常数（极化率）。两个方面因素综合，造成松弛极化与温度关系中出现松弛极化的极大值。 48. 松驰极化与频率的关系 由于这种极化需要一定的时间（离子松弛极化建立时间长达10-2-10-5秒，电子松弛10-2-10-9秒），所以介质的频率小时，作用大。 在频率较大时，松弛极化来不及建立，因而介电常数随频率升高而减小。 频率很高时，无松弛极化，只存在电子和离子位移极化。 49. 介质损耗的形式：极化损耗、电导损耗。 介质损耗的表示方法：电介质在电场作用下，单位时间内消耗的电能，即损耗功率，用以表示介质损耗。1）在直流电压下：介质损耗仅由电导引起，损耗功率为 PW=IU=GU2，G为介质的电导=1/R=I/U 定义单位体积内的介质损耗功率为介质损耗率p ： 式中V为介质体积，为纯自由电荷产生的电导率。 由此可见，在一定的直流电场下，介质损耗率取决于材料的电导率。 2）在交流电压下：此时介质损耗不仅与自由电荷的电导有关，还与松弛极化过程有关，所以损耗角不仅决定于自由电荷电导，还由束缚电荷产生，它与频率有关。 介质等效电导率= tg 当施加电压一定时，介质损耗只与tg有关。tg仅由介质本身决定，称为损耗因素或损耗因子。 50. 电离损耗定义：电离损耗主要发生在含有气相的材料中。含有气孔的固体介质在外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时，由于气体电离而吸收能量，造成损耗，即电离损耗。可导致热破坏或化学破坏。结构损耗 定义：结构损耗是在高频、低温下，与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗。 51. 介电强度：介质的特性，如绝缘、介电，都是指在一定的电场强度范围内的材料的特性。外加电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态的现象。这种现象称介电强度的破坏，或叫介质的击穿。介质被击穿时，相应的临界电场强度，或称为击穿电场强度。 52. 热击穿：电介质在电场作用下，由于漏导电流、损耗或气隙局部放电产生热量 ，逐渐升温，积热增多，达到一定温度，即行开裂、玻化或熔化，导致绝缘材料性能破坏的现象。电击穿：在电场作用下，电介质内少量自由电子的动能加大，当电压足够大时，在电子冲击下激发出新的自由电子参加运动，并产生负离子，介电功能遭受破坏，而被击穿。 53. 铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征。 存在电滞回线、电畴结构、自发极化以及相应的晶胞形变（自发应变）、居里点、居里-外斯定律等是一般公认的铁电性可能表露出来的最重要的几种宏观性质。 54.