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
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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）；
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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
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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。
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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）
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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。
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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
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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。
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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。
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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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