材料结构与性能历年真题

2009年试题1.一外受张应力载荷力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)。

(Y=√π)a)计算该裂纹尖端应力强度因子KIK I=yδ√C=√π×500×106×√20×10−6=3.96Mpa·√mb)判断该材料是否安全？K IC=√2Eγf=√2×300×109×15=3Mpa∙√m ,可知K I>K IC，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：3.写出断裂强度和断裂韧性的定义，二者的区别和联系。

答：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δf=√2Eγf，断裂韧性K IC=√2Eγf，可以看出要C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.对于组成范围为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透明陶瓷还具有宽范围的透光性，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，使材料内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，材料内外的温差变大，热应力也大，故减小散射速度，可以减小内外温差，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K IC=√2Eγf与E成正比知，也提高了其断裂韧性；但又由于抗弯强度δf=√2Eγf与裂C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内应力，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？≈1，所以散射答：氧化铝透光性好的原因：Al2O3 晶体的相对折射率n21=1.7681.760因子K≈0，因而散射系数S ≈0，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，它在整个波普范围内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范围的极限之外；（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。

◆原子量小，密度小，弹性模量大，德拜温度高，热导率大。

◆单质的热导率比化合物大◆组成化合物的原子种类越少，热导率越大◆组成化合物的原子间原子量的差别越小，热导率越大2)晶体结构影响结构影响格波的非简谐性，决定声子的平均自由程，从而极大地影响材料的热导率。

同是晶体，结构简单的热导率大于结构复杂的；同质异构体，高温型晶体热导率大于低温型；各相异性晶体，不同方向热导率不同。

质点堆积紧密，键强大的方向，格波振动更近似与简谐振动，声子散射小。

3）结构缺陷影响•杂质和缺陷都增加声子的散热，降低声子平均自由程，从而降低热导率。

Eg. 固溶体的热导率小于纯物质。

杂质越多，杂质散射的平均自由程减少越多，与温度无关。