材料性能学复习 ncu 材料科学与工程

材料性能学复习材料性能学复习 ncuncu 材料科学与工程材料科学与工程 测试试卷1 关于固体材料的热容 爱因斯坦模型认为晶体中每一个 原子都是一个独立的振子 原子之间彼此无关 原子以 的频率振 动 德拜模型考虑到晶体中原子的相互作用 认为晶体中对热容的 主要贡献是 把晶体近似视为连续介质 声频支的振动也近似看 作是 低温脆性常发生在具有 结构的金属及合金中 而在 结构的金属 及合金中很少发现 参考答案 体心立方或密排六方面心立方2 Griffith微裂纹理论从 能量的角度来研究裂纹扩展的条件 这个条件是 参考答案 物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成 两个新表面所需的表面能3 滑移是在 作用下 在一定滑 移系统上进行的 参考答案 切应力4 裂纹扩展的基本方式有三种 分别为 和 其中以 裂纹扩展最危险 最容易引起脆性断裂 参考答案 张开型滑开型撕开型张开型5 描述材料的蠕变性能的力 学性能指标有 等 参考答案 蠕变极限持久强度松弛稳定性6 屈服是材料由 向 过渡的明显标志 答案弹性变形弹 塑性变形材料7 磁性的本源是材料内部电子的 和 8 晶体中热阻的主要是 间碰撞引起的散射 8 对介质损耗的主要影响因素是 和 9 在垂直入射的情况下 光在界面上的反射的多少取决于两种介质 的 10 电场周期破坏的是 等 11 由于恒压加热物体除温度升高外 还要对外界做功 所以等压热 容 等容热容 12 BaTiO3电介质在居里点以下存在 和 四种极化机制 13 断口特征三要素是指 和 金属材料中的塑性变形有两种基本方式 和 14 解理断裂断口的基本微观特征是 15 一25cm长的圆杆 直径2 5mm 承受4500N的轴向拉力 如直径拉伸成2 4mm 问设拉伸变形后 圆杆的体积维持不变 拉伸 后的长度为 在此拉力下的真应力为 真应变 为 在此拉力下的名义应力为 名义应变为 15 介质的极化有两种基本形式 和 超导体的两个基本特性是 和 16 当一根金属导线两端温度不同时 若通以电流 则在导线中除产 生焦耳热外 还要产生额外的吸放热现象 这种热电现象称为 效应 17 无机材料的热冲击损坏有两种类型 和 18 决定乳浊度的主要因素是 和 19 热量是依晶格振动的格波来传递的 格波分为 和 两类 20 从对材料的形变及断裂的分析可知 在晶体结构稳定的情况下 控制强度的主要参数有三个 和 21 金属材料电导的载流子是 而无机非金属材料电导的 载流子可以是 或 22 在低碳钢的单向静拉伸试验中 整个拉伸过程中的变形可分为 以及 四个阶段 23 电介质的击穿形式有 和 三种形式 二 名词解释试题铁磁体 主要特点 在较弱的磁场内 铁磁体也能够 获得强的磁化强度 而且在外磁场移去 材料保留强的磁性 原因 强 的内部交换作用 材料内部有强的内部交换场 原子的磁矩平行取向 在物质内部形成磁畴粘着磨损 因两种材料表面某些接触点局部压应 力超过该处材料屈服强度发生粘合并拽开而产生的一种表面磨损色 散 材料折射率随入射光频率的减小 或波长增加 而减小的性质 称 为折射率的色散 汤姆逊效应 当一根金属导线两端温度不同时 若通以电流 则在导 线中除产生焦尔热外 还要产生额外的吸放热现象 这种热电现象硬 度 材料表面上不大体积内抵抗变形或破裂的能力 是材料的一种重 要力学性能 缺口敏感度衡量在硬性应力状态 0 5 和应力集中条件下材料的 脆化倾向 试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比 值 内耗在非理想弹性的情况下 由于应力和应变不同步 使加载线与 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 存在弹性滞后环的现象说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材 料释放的变形功 有一部分加载变形功被材料所吸收 这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的内耗 低周疲劳 断裂寿命较短 N 102 105 断裂应力水平较高 往往伴 有塑性应变发生 亦称为高应力疲劳或应变疲劳 电介质柯普定律磁阻效应光生伏特效应磁致伸缩机电耦合系数弛豫 滞弹性压电效应热释电效应磁各向异性蠕变光电导三问答题试题1 何谓空间电荷 陶瓷中产生空间电荷的原因有哪些 参考答案 在 电场作用下 不均匀介质的正负间隙离子分别向负正极移动 引起 瓷体内各点离子密度变化 即出现电偶极矩 在电极附近积聚的离 子电荷就是空间电荷 实际上 除了介质的不均匀性以外 晶界 相界 晶格畸变 杂质 等缺陷区都可成为自由电荷 间隙离子 空位 引入电子等 运动 的障碍 在这些障碍处 自由电荷积聚形成空间电荷 同理 宏观不均匀性 如夹层 气泡等部位也能形成空间电荷 2 简述热膨胀的机理可从两方面加以解释 1 从位能曲线的非对称性进行解释 2 从引力 斥力曲线加以解释 3 影响塑性形变的因素有哪些 参考答案 晶体结构和键型本征因 素晶粒内部的滑移系统相互交截 晶界处的应力集中 晶粒大小和 分布 外来因素晶界作为点缺陷的源和阱 易于富积杂质 沉淀有 第二相 特别当含有低熔点物质时 多晶材料的高温塑性滑移首先发生在晶 界 杂质在晶界的弥散 晶界处的第二相 晶界处的气孔 4 断裂能包 括哪些内容 参考答案 热力学表面能固体内部新生单位原子面所 吸收的能量 塑性形变能发生塑变所需的能量 相变弹性能晶粒弹性各向异性 第二弥散质点的可逆相变等特性 在一定的温度下 引起体内应变和相应的内应力 结果在材料内部储存了弹性应变能 微裂纹形成能在非立方结构的多晶材料中 由于弹性和热膨胀各向 异性 产生失配应变 在晶界处引起内应力 当应变能大于微裂纹形成所需的表面能 在晶粒边界处形成微裂纹 5 克服材料脆性和改善其强度的关键是什么 参考答案 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 缺陷的尺寸 以减缓裂纹尖端的应力集中效应 6 试题 晶体材料屈服强度的理论计算值与实测值之间相关悬殊 请 说明误差产生的主要原因 产生误差原因 1 理论计算式的推导是建立在势能 原子位移的变化曲线为正弦波形曲线基础上 而晶体的真实势能 原子位移的变化曲线形式尚不清楚 2 真实晶体并非完整晶体 材料的实际强度就是实验测得的临界分剪应力 理论强度则是按完 整晶体刚性滑移模型计算的强度 7 试解释下列力学性能指标的意义 1 HBS 2 HBW 3 HV 4 HK 5 HS 6 KI 7 KIC 8 tan 答案 1 HBS布氏硬度 压头为淬火钢球 2 HBW布氏硬度 压头为硬质合金钢球 3 HV维氏硬度 4 HK努氏硬度 5 HS肖氏硬度 6 KI应力场强度应子 7 KIC平面应变断裂韧度 8 tan 内耗8 一般陶瓷用品 为什么选择釉的膨胀系数适当地 小于坯体的膨胀系数 9 什么是铁电体 铁电体具有哪些共同特性 10 将两种不同金属联成回路 如果两接点处温度不同 在回路中 会产生哪些热电效应 其基本原理如何 11 TiO2广泛应用于不透明 搪瓷釉 其中的光散射颗粒是什么 颗粒的什么特性使这些釉获得高度不透 明的品质 12 铁磁性材料中为什么会形成磁畴 四计算题试题1 一 透明Al2O3板厚度为1mm 用以测定光的吸收系数 如果光通过板厚之后 其强度降低了15 计算吸收散射系数的总 和 a A12O3晶体 n 1 760 参考答案 T I I0 1 15 85 x 1mm 0 1cm根据透光度公式T I I0 1 R 2e S x 2分 则有85 1 R 2e S 0 1 2分 如果考虑反射损失 则 2分 R很小 可忽略 即1 R 1 有0 85 e S 0 10 85 e S 0 1解得 S Ln0 85 0 1 1 65cm 12 试题 一陶瓷含体积百分比为95 的Al2 O3 E 380GPa 和5 的玻璃相 E 84GPa 计算上限及下限弹性模 数 3 多晶多相无机材料中裂纹产生和快速扩展的原因是什么 有哪些 防止裂纹扩展的措施 参考答案 裂纹产生的原因 1 由于晶体微观结构中存在缺陷 当受到外力作用时 在这些缺 陷处就引起应力集中 导致裂纹成核 例如位错在材料中运动会受 到各种阻碍 2 材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面型纹 这种表面裂纹最危险 裂纹的扩展常常由表面裂纹开始 3 由于热应力而形成裂纹 大多数陶瓷是多晶多相体 晶粒在材料内部取向不同 不同相的热 膨膨系数也不同 这样就会因各方向膨胀 或收缩 不同而在晶界或 相界出现应力集中 导致裂纹生成 4 由于晶体的各向异性引起 如弹性模量的各向异性导致晶粒间 存在一应力 如果该应力超过材料的强度则出现微裂纹 快速扩展的原因按照格里菲斯微裂纹理论 材料的断裂强度不是取 决于裂纹的数量 而是决定于裂纹的大小 即是由最危险的裂纹尺 寸 临界裂纹尺寸 决定材料的断裂强度 一旦裂纹超过临界尺寸 裂纹就迅速扩展而断裂 因为裂纹扩展的动力 当C增加时 G也变大 而是常数 因此 断 裂一旦达到临界尺寸而起始扩展 G就愈来愈大于4 直到破坏 所以对于脆性材料 裂纹的起始扩展就是破坏过程的临界阶段 因 为脆性材料基本上没有吸收大量能量的塑性形变 防止裂纹扩展的措施微晶 高密度与高纯度 预加应力 化学强化 相变增韧 韧性相 如金属粒子 弥散于材料中增韧 纤维增强 复合材料等 4 论述大多数无机非金属材料在常温下不能产生塑性形变的原因无 机非金属材料滑移系统少 不易产生塑性形变 主要原因有 1 离子键或共价键 具有明显的方向性 2 同号离子相遇 斥力极大 只有个别滑移系统能满足位错运动 的几何条件和静电作用条件 3 晶体结构愈复杂 满足这种条件就愈困难 陶瓷材料一般呈多晶状态 而且还存在气孔 微裂纹 玻璃相等 其晶粒在空间随机分布 不同方向的晶粒 其滑移面上的剪应力差 别很大 即使个别晶粒已达到临界剪应力而发生滑移 也会受到周围晶粒的 制约 使滑移受到阻碍而终止 所以多晶材料更不容易产生滑移 无机材料中不易形成位错 位错运动也很困难 当滑移面上的分剪 应力尚未达到使位错以足够速度运动时 此应力已超过了微裂纹扩 展所需的临界应力而使材料脆性断裂 所以无机非金属材料难以产 生塑性形变 材料性能学作业部分电性能1 试说明量子自由导电理论与经典导电 理论的异同 1 经典电子理论经典理论认为 在金属晶体中 离子构成了晶格 点阵 并形成一个均匀的电场 价电子是完全自由的 称为自由电 子 他们弥散分布于整个点阵之中 就像气体分子充满整个容器一 样 因此称为 电子气 自由电子的运动遵循经典力学气体分子的运动规律 自由电子之间 及它们与正离子之间的相互作用仅仅是类似于机械碰撞而已 在没有外加电场作用时 金属中的自由电子沿各个方向运动的几率 相同 因此不产生电流 当对金属施加外电场时 自由电子沿电场方向作加速运动 从而形 成电流 在自由电子定向运动过程中 要不断地与正离子发生碰撞 使电子 受阻 这就是产生电阻的原因 2 量子自由电子理论和经典电子理论一样 量子自由电子理论同 样认为金属中正离子形成的电场是均匀的 价电子与离子间没有相 互作用 且为整个金属所有 可以在整个金属中自由运动 但这一理论认为 金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子 时的能量状态 而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态 即具有不同的能级 该理论认为 电子具有波粒二象性 2 为什么金属的电阻因温度升高而增大 而半导体的电阻却因温度 的升高而减小 对金属材料 尽管温度对有效电子数和电子平均速 率几乎没有影响 然而温度升高会使离子振动加剧 热振动振幅加 大 原子的无序度增加 周期势场的涨落也加大 这些因素都使电子运动的自由称减小 散射几率增加而导致电阻率 增大 而对半导体当温度升高时 满带中有少量电子有可能被激发到上面 的空带中去 在外电场作用下 这些电子将参与导电 同时 满带中由于少了一些电子 在满带顶部附近出现了一些空的 量子状态 满带变成了部分占满的能带 在外电场作用下 仍留在 满带中的电子也能够起导电作用 3 杂质原子使纯金属的电导率如何变化 杂质原子使纯金属的电导 率下降 其原因是溶质原子溶入后 在固溶体内造成不规则的势场 变化 严重影响自由电子的运动 4 表征超导体性能的3个主要指标是什么 超导体性能的三个主要 指标为临界转变温度TC 即成为超导态的最高温度 临界磁场HC 即能破坏超导态的最小磁场 HC的大小与超导材料的性质有关 临 界电流密度JC 即材料保持超导状态的最大输入电流 5 何谓塞贝克效应 其实质及产生的原因是什么 当两种不同的金 属或合金A B联成闭合回路 且两接点处温度不同 则回路中将产 生电流 这种现象称塞贝克效应 其实质在于两种金属接触时会产生接触电势差 这种接触电势差是由于两种金属中电子逸出功不同及两种金属中电 子浓度不同所造成的介电性能 1 何谓空间电荷 陶瓷中产生空间电荷的原因有哪些 答在电场作 用下 不均匀介质的正负间隙离子分别向负正极移动 引起瓷体内 各点离子密度变化 即出现电偶极矩 在电极附近积聚的离子电荷 就是空间电荷 实际上 除了介质的不均匀性以外 晶界 相界 晶格畸变 杂质 等缺陷区都可成为自由电荷 间隙离子 空位 引入电子等 运动 的障碍 在这些障碍处 自由电荷积聚形成空间电荷 同理 宏观不均匀性 如夹层 气泡等部位也能形成空间电荷 2 介质损耗的形式有哪些 答 1 电导 漏导 损耗 2 极化损耗 3 电离损耗 4 结构损耗 5 宏观结构不均匀的介质损耗 3 绝缘材料有哪些主要损坏形式 并分别加以解释 答绝缘材料的损坏形式主要为击穿 包括电击穿 热击穿和化学击 穿三种 电击穿材料的电击穿是一个 电过程 即仅有电子参加 是在强电场作用下 原来处于热运动状态的少数 自由电子 的定 向运动加速而产生 雪崩 现象 导致介质击穿 电击穿是瞬间完 成的 热击穿绝缘材料在电场下工作 由于各种形式的损耗 部分电能转 变成热能 使材料被加热 当温度超过一定限度时 材料出现烧裂 熔融等现象 丧失绝缘能力 化学击穿绝缘材料在高温 潮湿 高电压或腐蚀性环境下工作 由 于电解 腐蚀 氧化 还原等原因而导致丧失绝缘能力 4 化学击穿有哪两种机理 答一种是在在直流和低频交变电压下 由于离子式电导引起电解过程 材料中发生电还原作用 使材料的 电导损耗急剧上升 最后由于强烈发热成为热化学击穿 另一种化 学击穿是当材料中存在封闭气孔时 由于气体的游离放出的热量使 器件温度迅速上升 变价金属在高温下氧化物还原 使材料电子式 电导大大增加 电导的增加反过来又使器件强烈发热 导致最终击 穿 5 阐述温度对电击穿 热击穿和化学击穿各有什么影响 答温度对 电击穿影响不大 因为在电击穿过程中 电子的运动速度 粒子的 电离能力等均与温度无关 因此在电击穿的范围内温度的变化对E穿 没有什么影响 温度对热击穿影响较大 首先温度升高使材料的漏 导电流增大 这使材料的损耗增大 发热量增加 促进了热击穿的 产生 此外 环境的温度升高使元器件内部的热量不容易散发 进一步加 大了热击穿的倾向 温度使材料的化学反应加速 促使材料老化 从而加快了化学击穿的进程 光学性能 1 试分析讨论为什么氧化铝 Al2O3 陶瓷能制成透明灯管 而金 红石 TiO2 瓷则不能做成透明陶瓷 已知 Al2O3晶体的n0 1 760 ne 1 768 TiO2晶体的n0 2 854 ne 2 567 同时设有200个晶界加以讨论 1 Al2O3的界面反射系数R 1 768 1 760 1 1 768 1 760 1 2 5 14 10 6 除去晶界反射损失后剩余光强 1 R 200 0 99879 散射损失很小 可以做成透明灯管 TiO2的界面反射系数R 2 854 2 567 1 2 854 2 567 1 2 2 85 10 3除去晶界反射损失后剩余光强 1 R 200 0 565 散射损失较大 不可以做成透明灯管 1 主要受晶粒排列方向的影响严重如果材料中存在双折射现象 则 与晶轴成不同角度的方向上 折射率不相同 在多晶材料中 晶粒的不同取向均产生反射及散射损失 如以两个相邻晶粒的光轴相互垂直加以讨论分析 设光线沿左晶粒的光轴方向射入 则在左晶粒中只存在常光折射率 右晶粒的光轴垂直于左晶粒的光轴 也就垂直于晶界处的入射光 由于双折射现象 还有非常光折射率存在 两晶粒的相对折射率不为1 此时将导致反射和折射损失 如相邻晶粒的取向彼此垂直 则晶界面的反射系数对于氧化铝瓷 1 621014 51760 1 768 11760 1 768 R对于金红石瓷 2 0028 01567 2 584 21567 2 8542 R设有200个晶界 则除 去晶界反射损失后 剩余光强为对于氧化铝瓷99897 0 1014 51 1 xx200 R对于金红石瓷5708 0 0028 01 1 xx00 R损失较 大 此外 对于氧化铝瓷n21 1 0045 接近于1 散射损失不大 而 对于金红石瓷n21 1 1112 较大 则也会引起较大的散射损失 故氧化铝 Al2O3 陶瓷能制成透明灯管 而金红石 TiO2 瓷则不 能做成透明陶瓷 2 一透明Al2O3板厚度为1mm 用以测定光的吸收系数 如果光通过板厚之后 其强度降低了15 计算吸收散射系数的总 和 a A12O3晶体 n 1 7602 T I I0 1 15 85 x 1mm 0 1cm根据透光度公式T I I0 1 R 2e S x则有85 1 R 2e S 0 1如果考虑反射损失 则 1 621014 51760 1 768 11 760 1 768 R R很小 可忽略 即1 R 1 有0 85 e S 0 10 85 e S 0 1解得 S Ln0 85 0 1 1 65cm 1磁性能 1 为什么说所有的物质都是磁介质 1 答材料磁性的本源是材料内部电子的循轨和自旋运动 而物质