材料结构与性能历年真题

2009年试题1.一外受应力载荷力500MPa的无机材料薄板(长15cm，宽10cm，厚0.1mm)，其中心部位有一裂纹(C=20μm)。

该材料的弹性模量为300GPa，(1Pa=1N/m2)断裂能为15J/m2(1J=1Nm)。

a)计算该裂纹尖端应力强度因子KI(Y=)b)判断该材料是否安全？,可知，即材料的裂纹尖端应力强度应子超过了材料的临界断裂应子，则材料不安全。

2.测定陶瓷材料的断裂韧性常用的方法有几种？并说明它们的优缺点。

答：方法优点缺点单边切口梁法(SENB) 简单、快捷①测试精度受切口宽度的影响，且过分要求窄的切口；②切口容易钝化而变宽，比较适合粗晶陶瓷，而对细晶体陶瓷测试值会偏大。

Vickers压痕弯曲梁法(SEPB) 测试精度高，结果较准确，即比较接近真实值预制裂纹的成功率低；控制裂纹的深度尺寸较困难。

直接压痕法(IM) ①无需特别制样；②可利用很小的样品；③测定HV的同时获得KIC，简单易行。

①试样表面要求高，无划痕和缺陷；②由于压痕周围应力应变场较复杂，没有获得断裂力学的精确解；③随材料性质不同会产生较大误差；④四角裂纹长度由于压痕周围残余应力的作用会发生变化；产生压痕裂纹后若放置不同时间，裂纹长度也会发生变化，影响测试精度。

3.写出断裂强度和断裂韧性的定义，二者的区别和联系。

答：断裂强度δr断裂韧性KIC定义材料单位截面承受应力而不发生断裂的能力材料抵抗裂纹失稳扩展或断裂能力联系①都表征材料抵抗外力作用的能力；②都受到E、的影响，提高E、既可提高断裂强度，也可提高断裂韧性；③在一定的裂纹尺寸下，提高KIC也会提高δr，即增韧的同时也会增强。

区别除了与材料本身的性质有关外，还与裂纹尺寸、形状、分布及缺陷等有关是材料的固有属性，是材料的结构和显微结构的函数，与外力、裂纹尺寸等无关4.写出无机材料的增韧原理。

答：增韧原理：一是在裂纹扩展过程中使之产生有其他能量消耗机构，从而使外加负载的一部分或大部分能量消耗掉，而不致集中于裂纹扩展上；二是在陶瓷体中设置能阻碍裂纹扩展的物质场合，使裂纹不能再进一步扩展。

根据断裂力学，抗弯强度，断裂韧性，可以看出要提高陶瓷材料强度，必须提高断裂表面能和弹性模量以及减小裂纹尺寸；要提高断裂韧性，必须提高断裂表面能和弹性模量。

5.试比较以下材料的热导率，并按大小顺序排列，说明理由。

氮化硅(Si3N4)陶瓷、氧化镁(MgO)陶瓷、镁橄榄石(2MgO·SiO2)、纯银(Ag)、镍铬合金(NiCr)。

答：热导率大小顺序：纯银>镍铬合金>氮化硅>氧化镁>镁橄榄石理由：1)一般金属的热导率比非金属的热导率高，这是由于金属中存在大量的自由电子，电子质量轻，平均自由程很大，故可以快速的实现热传导；而非金属主要是通过声子来进行热传导的，声子的平均自由程要比自由电子的小很多，自由电子的热传导速率是声子的20倍，故纯银和镍铬合金的热导率高。

2)单质的热导率要比混合物质的热导率高，故纯银大于镍铬合金。

3)固溶体的热导率要比纯物质的小，故镁橄榄石的热导率小于氮化硅和氧化镁。

4)共价键强的晶体热导率高，故氮化硅的热导率强于氧化镁。

6.对于组成围为0-50%K2O，100-50%SiO2的玻璃，推断其膨胀系数的变化，试通过玻璃的结构来解释所得的结果。

答：石英玻璃是硅氧四面体为结构单元的三维空间网络所组成，Si-O键的键强较大，所以石英玻璃具有很小热膨胀系数，如果在熔融石英玻璃中加入K2O，桥氧变成非桥氧，随着K2O的增多，硅氧网络断裂增多，使玻璃结构减弱，疏松，热膨胀系数增大；且随着K2O量的增多，硅氧键被破坏的越来越多，键强越弱，膨胀系数越大。

(碱金属和碱土金属的加入破坏玻璃网络，玻璃硅氧键断裂，键强下降，玻璃膨胀系数增大，而且膨胀系数随加入正离子与氧之间键力的减小（键长的增大）而增大。

而再加入参与网络构造的B2O3，Al2O3等，可以使断裂的网络重新连接起来，增强网络结构，膨胀系数会下降；但加入太多这类物质，又会使网络断裂，反而增大膨胀系数。

若加入高键力离子，如Zn，Zr，Th等，处于网络间隙，增加网络紧密性，促使玻璃膨胀系数下降。

)7.为什么选择Al2O3为透明陶瓷的原料？试举出除Al2O3外的透明陶瓷材料还有什么？为什么说透明陶瓷的透光率是材料中残留气孔率的敏感指标。

答：1)选择Al2O3为透明陶瓷的原料的原因：首先Al2O3的n0=1.760，ne=1.768使其反射系数m很小；其次散射系数是影响陶瓷材料透光率的因数，n0与ne的差别很小，使散射因数K接近于0，散射系数S也接近于0，故散射损失很小；三是Al2O3透明陶瓷还具有宽围的透光性，0.2-7um，所以常常选择Al2O3作为透明陶瓷的原料。

2)其他透明陶瓷原料：MgO,Y2O3,ZrO2,AlON,MgAl2O4,透明铁电体PLZT。

3)气孔的影响：气孔的折射率n1可视为1，与基体材料的折射率n2相差较大，所以相对折射率n21=n2也较大，由此引起的反射损失，散射损失，较杂质、不等向晶粒排列等因数引起的损失大，气孔由于双折射率的关系，其影响程度远大于杂质。

8.纯Al2O3陶瓷材料只能耐受100℃-200℃的热冲击，请提出材料设计方案提高致密Al2O3陶瓷的热稳定性，并从理论上说明设计是可行的。

答：提高致密Al2O3陶瓷的热稳定性的措施：1)提高材料强度σ，减小弹性模量E，使σ /E提高。

提高材料的柔韧性，能吸收较多的弹性应变能而不致开裂，因而提高了热稳定性。

2)提高材料的热导率λ，使R’提高。

λ大的材料传递热量快，使材料外温差较大的得到缓解、平衡，因而降低了短时间热应力的聚集,故热稳定性更好。

3)减小材料的热膨胀系数α。

热膨胀系数小的材料，在同样的温差下，产生的热应力小，因而提高了材料的热稳定性。

4)减小表面热传递系数 h。

材料表面向外散热快，材料外的温差变大，热应力也大，故减小散射速度，可以减小外温差，减小热应力，提高热稳定性；保持缓慢地散热降温是提高产品质量及成品率的重要措施。

5)减小产品的有效厚度。

材料或制品的厚度越薄，其传热通道就短，容易很快使温度均匀。

9.从导热机理上讨论：A）玻璃热导率通常比同组成的晶体低；B）金属比大多数无机非金属材料热导率高；C）杂质的存在使晶体材料的热导率降低。

答：A)玻璃可以当作只有几个晶格间距大小的极细晶粒组成的晶体处理，它的声子的平均自由程在不同温度下基本上是常数，其值近似等于几个晶格间距，比晶体的声子平均自由程要小，所以玻璃热导率比同组成的晶体低。

B)由于金属中存在大量的自由电子，电子质量轻，平均自由程很大，故可以快速的实现热传导；而非金属主要是通过晶格振动(声子)来进行热传导的，声子的平均自由程要比自由电子的小很多，自由电子的热传导速率是声子的20倍。

C)杂质的存在使声子产生散射，从而降低了声子的平均自由程，使晶体材料的热导率降低。

2011年试题1.在Al2O3中添加30vol%SiC片晶，用机械方法混合，烧结体中片晶尺寸大约是Al2O3晶体平均尺寸的5倍，片晶分布不均匀，复合材料的断裂韧性提高50%，抗弯强度却下降20%，分析原因。

答：SiC片晶是高弹性模量材料，加入到Al2O3中，作为高弹性模量值的第二相与Al2O3组成复合相材料，提高了复合材料的弹性模量，由于断裂韧性与E成正比知，也提高了其断裂韧性；但又由于抗弯强度与裂纹尺寸C有关，且成反比，虽然弹性模量E提高了许多，但裂纹尺寸C是原来的几倍，故反而使得抗弯强度下降。

2.KIC一定，跟c的关系答：同上。

3.无机材料常常出现低应力下的脆性断裂，为什么？以陶瓷或混泥土为例说明材料中微细裂纹昌盛的原因，并且举出你熟悉的避免裂纹产生或减小裂纹尺寸的工艺措施。

答：脆性断裂的原因:由于无机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，裂纹开始扩展而导致脆性断裂，因此常会出现即使在小的应力下也会发生脆性断裂。

无机材料微裂纹昌盛的原因：以陶瓷为例，由于陶瓷材料一般都是多晶多相体，并且含有微量的气孔、大量的晶界，甚至还有一些杂质，当受到外力作用时，在这些缺陷处就会引起应力集中而导致裂纹成核，从而形成微裂纹。

而材料受热不均匀、晶粒异常长大及各种缺陷等都会产生应力，故易形成微裂纹。

减小裂纹尺寸的措施：（1）减少和避免工艺缺陷；（2）减少和避免表面损伤；（3）晶粒细化；（4）排除气孔，实现全致密；（5）避免晶粒异常长大（6）选择适当的组成，避免因热膨胀系数相差过大或发生不需要的相变而产生危险裂纹。

4.无机材料的增韧机理。

答：同上。

5.试说明氧化铝为什么可以制成透光性很好的陶瓷，而金红石瓷则不能。

由此我们可以总结出，影响陶瓷材料透光性的主要因素是什么？答：氧化铝透光性好的原因：Al2O3 晶体的相对折射率，所以散射因子K，因而散射系数S ，则散射损失很小，故可制成透光性很好的陶瓷；而金红石晶体由于相对折射率n21较大，则K较大，S较大，散射损失较大，故金红石制成的陶瓷不透光。

影响陶瓷材料透光性的主要因素有：（1）多相性。

对于多相结构陶瓷，不同相的光学折射率不同，且晶界上容易产生散射，因此材料的相成分越多，其透光性就越差。

例如在Al2O3透明陶瓷中，MgO含量高于0.5wt%时会生成镁铝尖晶石第二相，从而导致透光率显著降低；（2）各向异性。

多晶陶瓷材料中各晶粒的取向是任意的，而折射率的改变取决于晶体结晶轴方向。

因此，对于高对称性的材料，它在整个波普围可能具有较高的透光性；（3）晶粒大小。

当入射光波长和晶粒直径接近时，会产生最大的光吸收。

因此，要提高陶瓷的透光率，材料的晶粒大小应该在透光波长围的极限之外；（4）气孔率和杂质。

气孔特别是闭口气孔会对光线产生散射或强烈的反射，而杂质会形成与基体不一致的第二相，成为散射中心，降低了陶瓷的透明度；（5）表面光洁度。

材料表面越光洁，光散射等损失就越少，材料的透光性就越高。

（补充）要使陶瓷材料具有很好的透光性，应消除造成光散射的各种因素，即应具备如下性质:(l)致密度高(理论密度的99.5%以上)；(2)晶界上不存在空隙，如有，其尺寸应比波长小；(3)晶界上没有杂质及玻璃相，或晶界的光学性质与微晶体之间差别很小；(4)晶粒小而且均匀，气孔率低；(5)晶体对入射光的选择吸收很小；(6)无光学各向异性，晶体结构最好是立方晶系；(7)表面光洁度高。

6.元素周期表上班部分和下板部分，热学几个参数的变化7.NiO与MgO混合形成的固溶体。

（固溶体的热导率、复相陶瓷的热导率）答：固溶体的热导率小于纯物质。

影响热导率的因数：1.微观结构影响：1)原子键的影响根据晶格振动理论，及固体热传导的物理本质，晶格振动简谐性强的热导率大。