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材料物理性能第三版課後習題

教育 更新时间:2024-11-25 04:45:46

1. 影響彈性模量的因素包括:原子結構、溫度、相變。 2. 随有溫度升高彈性模量不一定會下降。如低碳鋼溫度一直升到鐵素體轉變為奧氏體相變點,彈性模量單調下降,但超過相變點,彈性校模量會突然上升,然後又呈單調下降趨勢。這是在由于在相變點因為相變的發生,膨脹系數急劇減小,使得彈性模量突然降低所緻。 3. 不同材料的彈性模量差别很大,主要是因為材料具有不同的結合鍵和鍵能。 4. 彈性系數Ks的大小實質上代表了對原子間彈性位移的抵抗力,即原子結合力。對于一定的材料它是個常數。 彈性系數Ks和彈性模量E之間的關系:它們都代表原子之間的結合力。因為建立的模型不同,沒有定量關系。(☆) 5. 材料的斷裂強度:

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材料斷裂強度的粗略估計:

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6. 杜隆-珀替定律局限性:不能說明低溫下,熱容随溫度的降低而減小,在接近絕對零度時,熱容按T的三次方趨近與零的試驗結果。 7. 德拜溫度意義: ① 原子熱振動的特征在兩個溫度區域存在着本質差别,就是由德拜溫度θD來劃分這兩個溫度區域: 在低θD的溫度區間,電阻率與溫度的5次方成正比。 在高于θD的溫度區間,電阻率與溫度成正比。 ② 德拜溫度------晶體具有的固定特征值。 ③ 德拜理論表明:當把熱容視為(T/θD)的兩數時,對所有的物質都具有相同的關系曲線。德拜溫度表征了熱容對溫度的依賴性。本質上,徳拜溫度反應物質内部原子間結合力的物理量。 8. 固體材料熱膨脹機理: (1) 固體材料的熱膨脹本質,歸結為點陣結構中質點間平均距離随溫度升高而增大。 (2) 晶體中各種熱缺陷的形成造成局部點陣的畸變和膨脹。随着溫度升高,熱缺陷濃度呈指數增加,這方面影響較重要。 9. 導熱系數與導溫系數的含義: 材料最終穩定的溫度梯度分布取決于熱導率,熱導率越高,溫度梯度越小;而趨向于穩定的速度,則取決于熱擴散率,熱擴散率越高,趨向于穩定的速度越快。 即:熱導率大,穩定後的溫度梯度小,熱擴散率大,更快的達到“穩定後的溫度梯度”(☆) 10. 熱穩定性是指材料承受溫度的急劇變化而不緻破壞的能力,故又稱為抗熱震性。 熱穩定性破壞(即抗熱振性)的類型有兩種:抗熱沖擊斷裂性抗熱沖擊損傷性。 11. 提高材料抗熱沖擊斷裂性能的措施 ①提高材料強度σ,減小彈性模量E,σ/E增大,即提高了材料柔韌性,這樣可吸收較多的應變能而不緻于開裂。晶粒較細,晶界缺陷小,氣孔少且分散者,強度較高,抗熱沖擊斷裂性較好。

②提高材料的熱導率,使R’提高。

③減小材料的膨脹系數α。

④減少材料表面熱傳遞系數h,這主要通過調節周圍的散熱條件來實現。

⑤減小産品的有效厚度。(☆)

12. 推導材料第一熱應力斷裂抵抗因子R,并繪制平面薄闆的熱應力示意圖。包括分析,圖,方程,解,第一熱應力斷裂抵抗因子表達式。參見教材P94。

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當時間t=0的瞬間,σx=σz=σmax若它恰好達到材料強度,則會出現開裂破裂,求得:

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(☆)

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16. 第一熱應力斷裂抵抗因子、第二熱應力斷裂抵抗因子都是表征材料抗熱沖擊斷裂性能,他們的量綱是不同的。

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28. 溫度對電導率的影響是通過影響遷移率和載流子濃度來實現的。(☆)

物體的導電現象,其微觀本質是載流子在電場作用下的定向遷移。(☆)

29. 含有大量堿性氧化物的無定形相的陶瓷材料的電導率較高,是因為玻璃相結構松馳,微晶相-缺陷較多,活化能較低。

理想金屬在0K時電阻為零。在0K,冷加工金屬仍保留某一極限電阻率。

30. 半導體的禁帶寬度不一定小于絕緣體。

31. 霍爾效應的定義、産生的原因及用途:

答:霍爾效應:沿試樣x軸方向通入電流I(電流密度Jx),z軸方向上加一磁場Hz,那麼在y軸方向上将産生一電場Ey,這種現象稱霍爾效應。

産生的原因:是由于電子在磁場作用下産生橫向移動的結果。因電子質量小、運動容易,而離子的質量比電子大得多,磁場作用力不足以使離子産生橫向位移,因而純離子的電導不呈現霍爾效應。

霍爾效應的應用:可利用霍爾效應的存在與否來檢驗材料是否存在電子電導。

霍爾效應示意圖

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32. 利用電解效應可以檢驗材料中是否存在離子導電;

利用霍爾效應可以檢驗材料中是否存在電子導電。

33. 電導的活化能包括缺陷形成能遷移能

活化能大小反映了離子固定(穩定)的程度,活化能越大,導電率越小。

34. 量子自由電子理論表明,井非所在自由電子都對金屬電導率有貢獻,而是隻有在費米面附近能級的電子才能對電導做出貢獻。

根據能帶理論,晶體中并非所有電子,也并非所有的價電子都具有電導。隻有導帶中的電子價帶頂部的空穴才具有電導。

35. 本征電導導帶中的電子導電和價帶中的空穴導電同時存在,載流子電子和空穴的濃度是相等的。

雜質對半導體的導電性能影響很大。例如,單晶矽中摻(1/10萬)硼,導電能力将增大1000倍,即導電能力增大的倍數是滲硼比例的108倍。

雜質半導體可分為:n型(可提供電子,即施主)、p型(會接受電子,即受主)。

雜質電導率比本征電導率大得多,離子晶體的電導主要為雜質電導,隻有在很高的溫度時才顯示本征電導。

雜質電導在較低溫度下其電導表現得很顯著;本征電導隻有在很高溫度下其電導表現得很顯著。

36. n型半導體和p型半導體的區别,P型半導體的導電機理,n型半導體的導電機理。

(1) 區别:摻入“多餘”電子的雜質能級稱為施主能級,n型半導體;摻入受主雜質的半導體稱為p型半導體。

(2) P型半導體的導電機理:在四價的Si單品中摻入三價的雜質硼,一個硼原子外層外層隻有3個電子,與Si形成共價鍵時就少了1個電子,即出現了一個電子空穴,為了與四個相鄰的矽原子形成共價鍵,價帶中的電子激發至空穴。

原因:該空穴能級離價帶很近,價帶中的電子激發至空穴能級上比起這過整個禁帶到導帶要容易得多。

(3) N型半導體的導電機理:N型半導體的導電機理子在四價的Si單晶中摻入五價的雜質砷,一個砷原子外層有五個電子,取代一個矽原子原,砷原子中四個電子同相鄰的四個矽原子形成共價鍵,還多出一個電子。這個電子離導帶很近,隻差

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=0.05eV,僅為矽禁帶寬度的5%,很容易激發到導帶中去。

37. 固體電解質的總電導率為離子電導率和電子電導率之和。

38. 冷加工對電阻率的影響及其原理。

影響:一般單相固溶體經冷加工後,電陽可增加10%-20%。而有序固溶體電阻增加100%,甚至更高。

原理:冷加工引起金屬電陽率增加,同品格畸變(空位、位錯)有關。冷加工引起金屬晶格畸變也像原子熱振動一樣,增加電子散射幾率。同時也會引起金屬晶體原子間健合的改變,導緻原子間距的改變。

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40. 雙堿效應和壓堿效應的現象和原理:

(1) 雙堿效應現象:在金屬離子總濃度相同情況下,含兩種堿比含一種堿的電導率要小,比例恰當時,可降到最低(降低4~5個數量級)。

(2) 雙堿效應原理:在外電場作用下,R 移動時,小離子留下的空位比大離子留下的空位小,這樣大離子隻能通過本身留下的空位,而小離子進入體積大的空位中,産生應力,不穩定。這樣互相幹擾使電導率大大下降。

(3) 壓堿效應現象:含堿玻璃中加入二價金屬氧化物,先其是重金屬氧化物,可使玻璃電導率降低。

(4) 壓堿效應原理:因為二價離子與玻璃體中氧離子結谷比較牢國,能嵌入玻璃網絡結構。以緻堵住了堿金屬離子的遷移通道,使極金屬離子移動困難,從而減小了玻璃的電導率。(☆)

41. 電化學老化是離于在電極附近發生的氧化還原過程,包括四種情況:陽離子-陽離子電導、陰離子-陽離子電導、電子-陽離子電導、電子-陰離子電導

42. 抗磁性和順磁性的區别和聯系

u 相同:不施加外磁場時,磁矩表現為0;對外表現出的磁性都很弱;都是在施加外磁場之後顯示出磁性來。

u 不同:抗磁性對物體表現為排斥作用,順磁性對物體表現為吸引作用;抗磁性本來就沒有磁性,施加外磁場之後顯示出抗磁性來;順磁體是因為熱運動使得磁性不能夠顯示出來。施加外磁場之後顯示出順磁性磁性來。

u 晶粒細化可以使部分元素的磁性減弱,在晶粒高度細化的過程中,這些元素可以由抗磁性變為順磁性。(☆)

43. 繪制鐵磁性、亞鐵磁性、順磁體、反鐵磁體磁化曲線(H-M)示意圖,并繪制對應的磁矩排列示意圖。

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(☆)

44. 外斯假說的内容包括分子場假說磁疇假說

45. 用能量的觀點說明鐵磁體内形成磁疇的原因。

根據熱力學定律穩定的磁狀态一定是對應于鐵磁材料内總自由能極小值的狀态。磁疇的形成和穩定的結構狀态,也是對應于滿足總的自由能為極小值的條件。對于鐵材料來說,分成磁疇後比分成磁疇前能量縮小,故鐵磁材料自發磁化後必然分成小區域的磁疇,使總自由能為最低,從而滿是能量最低原理。可見,退磁場能是形成磁疇的原因。

磁體為了保持自發磁化的穩定性,必須使得強磁體的能量達到最低值,因而就分裂成為無數微小的磁疇。通過分裂為小磁疇,然後磁疇取向不同,首尾相接,形成閉合磁路,使得磁體在空氣中的自由靜磁能下降為0,對外不顯示磁性。(☆)

46. 磁疇的特點是使得材料對外不顯示磁性。(☆)

磁疇壁的實質是相鄰磁疇間的過渡層。(☆)

47. 自發磁化的物理本質是什麼?材料具有鐵磁性的條件是什麼?

答: 鐵磁體自發磁化的本質是電子間的靜電交換相互作用。

材料具有鐵磁性的條件為:

(1)材料原子中具有未充滿的電子殼層,即原子磁矩;

(2)交換積分A>0。

48. 什麼是磁化曲線,磁化曲線的意義是什麼,繪制磁化曲線的分布示意圖,即磁化曲線與磁疇之間的關系。

答:磁化曲線:磁化曲線是表示物質中磁場強度H與所感應的磁化強度M或磁感應強度B之間的關系。

磁化曲線的意義:對于鐵磁性材料,磁感應強度B和磁場強度H不成正比,因為材料的磁化過程與磁疇磁矩改變方向有關。在H=0時,磁疇取向是無規則的,到磁感應強度飽和時(B=BS)再增大H也不能使B增加,因為形成的單一磁疇的方向已與H一緻了。

磁化曲線的分布示意圖:

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磁化曲線分布示意圖

(a)磁化過程(b)磁疇擴大(c)磁化矢量轉向

49. 磁滞損耗:磁滞回線所包圍的面積表征一個磁化周期内,以熱的形式所消耗的(

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由上式知,由壁移引起的磁滞損耗

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不但與磁化場的頻率f成正比,與磁化場振幅

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的三次方成正比,還和瑞利常數η成正比,瑞利常數的物理意義表示磁化過程中能量不可逆部分的大小。

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(瑞利磁滞回線)

50. 能夠從磁滞回線上确定的特征參數包括飽和磁感應強度、剩餘磁感應強度、矯頑力。

51. 電介質:在電場作用下,能建立極化的一切物質。

電介質的主要性能參教:介電常數、介電損耗因子、介電強度。

電介質的極化:電介質在電場作用下産生束縛電荷的現象稱為電介質的極化。

52. 介電材料:放在平闆電容器中增加電容的材料。

u 介電質4種極化機制:電子位移極化、離子位移極化、轉向極化、空間電荷極化

u 介電質5種極化類型:電子位移極化、離子位移極化、馳豫極化、轉向極化、空間電荷極化。

u 介質損耗的種類包括:電導損耗、極化損耗、遊離損耗。

53. 當電場強度超過某一臨界值時,介質由介電狀态變為導電狀态。這種現象稱介電強度的破壞。相應的臨界電場強度稱為介電強度,通的用單位尺寸承受的電壓表征。

54. 固體電介質的擊穿包括:固體電介質的熱擊穿和固體電介質的電擊穿。

固體電介質的熱擊穿,可以簡化為兩種極端情況:穩态熱擊穿和脈沖熱擊穿。

影響材料擊穿強度的因素:(1)介質結構的不均勻性;材料中氣泡的作用;

(2)材料表面狀态和邊緣電場。

55. 壓電性與晶體的對稱性有很大關系,具有對稱中心的晶體不具有壓電效應。

u 但沒有對稱中心的晶體也不一定具有壓電性,前提必須是介電材料。

56. 介電性、壓電性、熱釋電性、鐵電性的關系:介電性>壓電性>熱釋電性>鐵電性。

57. 移峰效應:在鐵電體中引入某種添加物生成固溶體,改變原來的晶胞參數和離子間的相互聯系,使居裡點向低溫或高溫方向移動,這就是移峰效應。

58. 壓峰效應:壓峰效應是為了降低居裡點處的相對介電常數的峰值,即降低

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-T非線性,也使工作狀态相應于ε-T平緩區。

59. 熱電效應:在用不同種導體構成的閉合電路中。若使其結合部出現溫度差,則在此閉合電路中将有熱電流流過,或産生熱電勢,此現象稱為熱電效應。

60. 熱電效應包括三種:(a)西貝克效應;(b)珀爾帖效應;(c)湯姆森效應。

u 其中湯姆森效應是西貝克效應的逆效應,與用珀爾帖效應相似。

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65. 自發極化能被外電場重新定向是鐵電體最重要的判據,也是鐵電體具有許多獨特性質的主要原因(即具有電滞回線)。

66. 表鐵電體、熱釋電體、壓電體、一般介電質的區别

電介質

壓電體

熱釋電體

鐵電體

電場極化

電場極化無對稱中心

電場極化無對稱中心自發極化

電場極化無對稱中心自發極化電滞回線

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