物理性能问答

1.Q不同材料在外力作用时的变形特征？脆性材料:在弹性变形后没有塑性形变或塑性形变很小，接着就断裂，总弹性应变能非常小。

延性材料:开始表现为弹性形变，接着有一段弹塑性形变，然后才断裂，总变形能很大。

弹性材料:具极大的弹性形变。

Q:宏观塑性形变的必要条件1、有足够多的位错。

2、位错有一定的运动速度。

3、要有足够小的柏氏矢量b，易发生位错
Q:为什么陶瓷材料具有脆性而金属材料具有塑性（滑移条件）：金属易于滑移而产生塑性形变，就是因为金属滑移系统很多而无机材料的滑移系统却非常少。

原因是金属键没有方向性，而大多数无机材料的原子结构是离子键、共价键或是二者的混合型，具有明显的方向性。

Q:影响粘度的因素:温度（温度升高粘度下降），时间（粘度随时间而增加），组成（组成对无机氧化物黏度的影响也很大）
Q:影响蠕变的因素:温度（温度升高，位错运动和晶界滑移加快，扩散系数增大，稳态蠕变速率增大），应力（稳态蠕变速率随应力增加而增大），显微结构的影响（气孔、晶粒尺寸、玻璃相等），组成（不同的材料蠕变行为不同），晶体结构（共价键结构程度增加，扩散及位错运动降低）
Q:高位蠕变分为哪几个阶段？各阶段有何特点？
（1）起始段oa在外力作用下发生塑性弹性形变，且为瞬时发生，与时间无关
（2）第一阶段蠕变ab（蠕变减速阶段）应变速度随时间减速（3）第二阶段蠕变bc（稳态蠕变阶段）蠕变速率保持不遍（4）第三阶段蠕变cd（蠕变加速阶段）应变速率随时间递增，即曲线变陡，最后到d点断裂。

Q:格里菲斯微裂纹理论（Griffith认为实际材料中总是存在许
多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近产生
应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹扩展而导致断裂，
所以断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展
的结果。

）
Q显微结构对材料脆性断裂的影响：（1）晶粒尺寸：晶粒愈小
愈细，强度愈高。

（2）气孔的影响：无机材料的弹性模量和强
度都随气孔率的增加而降低。

Q提高强度，增强韧性的关键是：减缓应力集中效应——减少
裂纹及其尺寸；提高抗裂纹扩展的能力——提高断裂功；
Q显微结构对断裂韧性的影响:无机材料的增韧设计，实际上就
是通过调整材料的显微结构，以进一步提高材料的裂纹扩展阻力。

裂纹偏转与裂纹偏转增韧，裂纹桥接与裂纹桥接增韧，微裂纹增
韧与相变增韧，裂纹扩展阻力曲线
Q阻止裂纹扩展:1.微晶、致密、均匀（结构均匀，应力分布均匀）、
高纯（杂质少，位错塞积少，减少裂纹形成的机会）2,预加应
力（热韧化）3.化学强化（又称表面化学处理或称表面离子交4.
相变增韧 5.弥散增韧（纤维增强——复合材料、颗粒增韧）.A、
使用应力不超过临界应力σc。

B、在材料中设置吸收能量的机构，
阻止裂纹扩展。

C、人为地在材料中造成大量极微细的小于临界
尺寸的裂纹，也可吸收能量，阻止裂纹的扩展。

4.Q固体材料热膨胀机理、热膨胀与其他性能的关系。

（热膨胀
的机理：固体材料的热膨胀本质，可归结为点阵结构中的质点间
平均距离随温度升高而增大。

质点在r0两侧受力不对称情况越显
著，平衡位置向右移动越多，相邻质点间平均距离就增加就越多，
以致晶胞参数增大，晶体膨胀）。

（热膨胀和结合能、熔点的关系:
熔点越高，质点间结合力越大，材料热膨胀系数越小；热膨胀与
温度、热容的关系：随温度（热容）升高，热膨胀系数升高；热
膨胀与结构的关系：由于玻璃的结构较疏松，内部的空隙较多，
所以当温度升高，原子振幅加大，原子间距增大时，部分地被结
构内部的空隙所容纳，而整个物体宏观的膨胀量就少些。

）
5.Q影响材料热导率的因素（1、温度影响2、显微结构影响（晶
体结构、各向异性晶体的热导率、多晶体与单晶体的热导率、非
晶体的热导率）3、化学组成影响4、复相陶瓷的热导率5、气孔
的影响。

）
Q试比较石英玻璃、石英多晶体和石英单晶热导率的大小，并解
释产生差异的原因。

答：石英单晶体热导率最大，其次是石英
多晶体，最后是石英玻璃。

原因：多晶体与单晶体的热导率，多
晶体中晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界处杂质也多，声子更
易受到散射，因而它的平均自由程度小的多，所以多晶体的热导
率比单晶体小。

玻璃属于非晶体，非晶体的热导率，在不考虑光
子导热的温度下，非晶体声子的平均自由程度比晶体的平均自由
程度小的多，所以非晶体的热导率小于晶体的热导率。

Q材料热传导的宏观规律（当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动的传向冷端，这个现象就称为热传导）和微观机理（固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的，声子和声子热导、光子热导）
Q固体材料热传导的微观机理：（1）把声子当作质点（2）格波
的传播当作声子的运动（3）格波与物质的作用理解为声子与物
质的碰撞（4）格波遇到的散射理解为声子与质点的碰撞，（5）
理想晶体的热阻来源于声子与声子的碰撞
Q抗热冲击断裂性能：是材料发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能. 抗热冲击损伤性能：在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质。

抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击损伤性
Q提高材料抗热冲击断裂性的措施（（1）提高材料强度，减小弹性模量（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（5）减小产品的有效厚度。

5.【折射率】影响折射率因素:构成材料元素的离子半径，材料的结构、晶型和非晶型，材料所受内应力，同质异构体。

提高折射率的有效措施:掺入铅和钡的氧化物。

【透光性】Q提高材料透光性措施。

.提高原材料纯度、掺加外加剂（降低气孔率）、工艺措施（热压法、热锻法，降低气孔率，使晶粒定向排列）
Q透明陶瓷的特点？（1）高纯、高密、无气孔（2）晶粒尺寸小于入射光波长（3）无第二相或第二相的折射率与基质的折射率
相差小（4）晶粒大小均匀
Q影响透光性的因素有哪些？吸收系数、反射系数、散射系数（材料的宏观及显微缺陷、晶粒排列方向的影响、气孔引起的散射损
失）
Q影响不透明性（高度乳浊）的光学特性: 镜反射光的分数，直
接透射光的分数，入射光漫反射的分数，透射光漫反射的分数。

Q影响半透明性的因素有哪些？
散射（乳白玻璃、半透明陶瓷）、气孔的含量（单相氧化物陶瓷）、
晶粒尺寸、折射率.
【乳浊】.Q影响乳浊的主要因素:颗粒尺寸，相对折射率，第二
相颗粒的体积百分比
Q乳浊机理（入射光被反射、吸收和透射所占的分数取决于釉层
的厚度、釉的散射和吸收特性）
Q乳浊剂的选择原则（1）颗粒及基体材料的折射率数值应当有
较大的差别（2）颗粒尺寸应当和入射波长约略相等（3)颗粒的
体积分数要高）
Q改善乳浊性能工艺:1.乳浊釉浆制备2.保证乳浊剂粒子绝大部
分是从熔体中析出的微小颗粒3.乳浊釉的烧成制度
【颜色】Q陶瓷颜料呈色机理;陶瓷颜料分为分子（离子）着色
剂，胶态着色剂。

显色原因是由于着色剂对光的选择性吸收而引
起选择性反射或选择性投射，从而显现颜色。

Q材料对光的选择性吸收与材料颜色之间的关系：从本质上说，
某种物质对光的选择性吸收，是吸收了连续光谱中特定波长的光
量子，以激发吸收物质本身原子的电子跃迁。

Q影响无机颜料呈色的因素。

高温下形成的着色化合物的颜色，
加入的某些无色化合物如ZnO、Al2O3等，烧成温度的高低特别
是气氛的影响。

【离子、电子电导】材料的电导类型（特性）及其影响因素。

载
流子为离子的电导为离子电导，载流子为电子的电导为电子电导。

电解效应检验材料是否存在离子电导，霍尔效应检验材料是否
存在电子电导。

影响离子电导率:温度，晶体结构，晶格缺陷。

影响电子电导率:温度，杂质及缺陷。

【玻璃态电导】玻璃态电导的双碱效应与压碱效应：双碱（中和）:
当玻璃中碱金属离子总浓度较大时，碱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电导率要小。

压
碱效应：含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，
可使玻璃电导率降低。

改善无机材料绝缘电阻的措施：提高晶体温度、结构的改变、晶
格缺陷、杂质的影响
Q介质的总极化一般分三部分:电子极化、离子极化、偶极子转
向极化
Q极化的基本形式:1.位移式极化（电子位移极化，离子位移极化），
弹性的、瞬间完成的极化，不消耗能量，2.松弛极化（电子松弛
极化，离子松弛极化），与热运动有关，需要一定的时间，而且
是非弹性的，需要消耗能量。

Q自发极化的原理，铁电体改性的目的：自发极化并非由外加电
场所造成的，而是由晶体的内部结构特点造成的。

在自发极化改
变方向时，晶体结构不发生大的畸变，才能产生以上的反向转动。

钛酸钡自发极化的微观机理(氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。

较高温度时，热振动能比较大，钛离子难
于在偏离中心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。

温度降低，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比例，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着这个方向(c轴)延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体)
Q正压电效应、负压电效应:因为机械作用（应力与应变）引起了晶体介质的极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。

逆:如果将一块压电晶体置于外电场中，由于电场作用，晶体内部正、负电荷重心产生位移，这一位移又导致晶体发生形变，这个效应即逆压电效应。

【磁性】铁磁性与反铁磁性（铁磁性是具有强磁性物质（铁）的磁性；反铁磁性是由于“交换”作用为负值，电子自旋反向平行排列）
尖晶石型铁氧体（铁氧体亚铁磁性氧化物通式：M2+O∙（Fe3+）2O3，M2+为二价金属离子，如Fe2+，Ni2+，Mg2+等，M2+可以是几种离子的混合物，属于尖晶石型结构。

Q无极材料(电介质)哪几种极化形式与特点，：
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。

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。

一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3(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E H和下限E L弹性模
量。

解：令E1=380GPa,E2=84GPa,V1=0.95,V2=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=E0(1-1.9P+0.9P2)可得，其上、下限弹性模量分别变为
331.3 GPa和293.1 GPa。

0816
.
4
.
2
5
.
2
ln
ln
ln
2
2
1=
=
=
=
A
A
l
l
T
ε
真应变
)
(
917
10
909
.
4
4500
6
MPa
A
F
=
⨯
=
=
-
σ
名义应力
0851
.
1
=
-
=
∆
=
A
A
l
l
ε
名义应变
)
(
995
10
524
.
4
4500
6
MPa
A
F
T=
⨯
=
=
-
σ
真应力
)
(2.
365
05.0
84
95.0
380
2
2
1
1
GPa
V
E
V
E
E
H
=
⨯
+
⨯
=
+
=
上限弹性模量
)
(1.
323
)
84
05.0
380
95.0
(
)
(1
1
2
2
1
1GPa
E
V
E
V
E
L
=
+
=
+
=-
-
下限弹性模量
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：
Voigt 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。

如采用四元件模型来表示线性高聚物的蠕变过程等
一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ，若其临界抗剪强度τf 为130MPa,求沿图中所示之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。

求融熔石英的结合强度，设估计的表面能力为 1.75J/m 2
; Si-O 的平衡原子间距为1.6*10-8
cm;弹性模量从60到75Gpa
GPa m N a E th 64.28/1064.2810
6.175
.1105.72910
9=⨯=⨯⨯⨯==-γσ
融熔石英玻璃的性能参数为：E=73 Gpa ；γ=1.56 J/m 2
；理论强度σth=28 Gpa 。

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，计算由此导致的强度折减系数。

2c=2μm c=1*10-6
m
c E c πγσ2=
=GPa 269.010
*1*14.356
.1*10*73*26
9=- 强度折减系数=1-0.269/28=0.99
一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图。

如果E=380 Gpa ，μ=0.24，求K Ic 值，设极限荷载达50Kg 。

计算此材料的断裂表面能。

解 ： Pc=50*9.8N=490N ,B=10mm=0.01, W=10mm=0.01m ，c=1，S=40mm=0.04m 代入下式：
]
)(7.38)(6.37)(8.21)(6.4)(9.2[2
9
272523212/3w
c w c w c w c w c BW S P K c IC +-+-==Pa/m
101.63==83.0/1096.183.0)01.0(01.004
.08.950662
3
⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯m pa
2
12μγ-=
E K IC 28.3)10*380*2/(94.0*)10*63.1(2)1(92622
==-=E
K IC μγ J/m 2
一钢板受有长向拉应力350MPa ，如在材料中有一垂直于拉应力方向的中心穿透缺陷，长8mm(=2c)。

此钢材的屈服强度为1400 MPa ，计算塑性区尺寸r 0及其裂缝半长c 的比值。

讨论用此试件来求K IC 值的可能性。

c Y K σ=I =c .σπ
=39.23Mpa.m 1/2
mm K r ys
125.0)(212
0==
I σπ =>
==π
151
031.04/125.0/0c r >0.021 用此试件来求K IC 值的不可能。

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)2 um, 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1.62MPa.m 2。

讨论讲结果。

c Y K I σ= Y=1.12π=1.98
c
K 98.1=
σ=2/1818.0-c
c=2mm, MPa c 25.1810*2/818.03==-σ
c=0.049mm, MPa
c
58.11610*049.0/818.03==-σ
c=2um,
MPa c 04.57710*2/
818.06==-σ
康宁1723玻璃（硅酸铝玻璃）具有下列性能参数：λ=0.021J/(cm.s.
℃);
α=4.6*10-6
/
℃;σ
p=7.0Kg/mm 2
.E=6700Kg/mm 2
,μ=0.25.求第一及第二热冲击断裂抵抗因子。

第一冲击断裂抵抗因子：E R f αμσ)1(-=
=
6
6610*8.9*6700*10*6.475.0*10*8.9*7-
=170℃ 第二冲击断裂抵抗因子：
E
R f αμλσ)1(-=
' =170*0.021=3.57 J/(cm.s)
一热机部件由反应烧结氮化硅制成，其热导率λ=0.184J/(cm.s.℃)，最大厚度=120mm.如果表面热传递系数h=0.05 J/(cm 2
.s.℃),假定形状因子S=1，估算可兹应用的热冲击最大允许温差。

h
r S R T m m 31.01
⨯
'=∆
=226*0.184
05
.0*6*31.01
==447℃
.
/)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ
==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为).
1()()(0)0()1)(()1()(100//0
----==∞=-∞=-=e E
E e e E t t t σ
τεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：0
0t/τ
0)(108)(1008.160cos 53cos )23(1006.3cos cos )(1006.360cos 53cos 14.3)105.1(103.160cos 53cos cos cos 1030.1130103mm 3d 605382333
82
min 8-3MPa Pa A N r F A F pa Mpa m f =⨯=︒
⨯︒⨯⨯==⨯=︒⨯︒⨯⨯⨯⨯=︒⨯︒⨯=
⇒⨯=⨯==⨯==︒=︒=-πλϕτσπτλϕττϕλ：此拉力下的法向应力为为：系统的剪切强度可表示由题意得图示方向滑移，，，已知。