材料物理复习大纲 精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢2 【一、力学】

1 材料力学性能概论

材料的力学性能是关于材料强度的一门学科，即关于材料在外加载荷（外力）作用下或载荷和环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现的变形、损伤与断裂的行为规律及其物理本质和评定方法的一门学科。

2 弹性极限e：不产生永久变形的最大应力

比例极限p：保持弹性比例关系的最大应力值。略小于e；

3 弹性模量的影响因素

（1）结合键 材料熔点与弹性模量的一致性关系

（2）原子结构：对金属来说，原子结构对其弹性模量影响很大 弹性模量的周期性变化

（3）温度：随温度升高，弹性模量降低。

（4）相变：相变影响晶体结构，从而影响弹性模量。

相变包括：多晶型转变、有序化转变、铁磁性转变、超导态转变等。

陶瓷的弹性模量E与气孔率P的关系可表示为：E = E0e-bP式中，E0是气孔率为零时的弹性模量，b为与陶瓷制备工艺有关的常数。对连续基体内的闭气孔，经验公式为：

E = E0 (1-1.9P + 0.9 P2)

4 陶瓷材料的弹性模量特点

特点一：陶瓷材料的弹性模量一般高于金属。

特点二：陶瓷材料的弹性模量，不仅与结合键有关，还与陶瓷相组成及气孔率有关。

（金属材料的弹性模量是一个非常稳定的力学性能指标） 精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢3  对两相陶瓷复合物，两相弹性模量分别为E1，E2，体积百分数分别为V1，V2

 当应力平行于层面，各层应变相等，复合陶瓷的平均弹性模量为：

E//=E1V1+E2V2

 当应力垂直于层面，各层的应力相等，复合陶瓷的平均弹性模量为：

E=E1E2/(E2V1+E1V2)

特点三：陶瓷材料压缩时的弹性模量一般高于拉伸时的弹性模量，即压缩时的曲线斜率比拉伸时大。

5 滞弹性

6 屈服强度s：应力超过e，材料开始出现塑性变形，当应力增至s点时，试样开始产生明显的塑性变形，在曲线上出现了水平的锯齿形的线段，表现为应力不增加，试样仍然继续塑性伸长，这种现象叫屈服。对应的强度叫屈服强度。

7 陶瓷材料的抗弯强度 由于陶瓷材料塑性小，陶瓷强度主要指它的断裂强度。陶瓷弯曲试样的表面粗糙度和是否进行棱边倒角加工对抗弯强度有较大影响

8 断裂的类型 正断：断裂垂直于最大正应力；切断：沿着最大切应力方向断开。

(1)张开型(或称拉伸型)裂纹

外加正应力垂直于裂纹面，在应力 作用下裂纹尖端张开，扩展方向和正应力垂直。这种张开型裂纹通常简称I型裂纹。

(2)滑开型(或称剪切型)裂纹

剪切应力平行于裂纹面，裂纹滑开扩展，通常称为Ⅱ型裂纹。

(3)撕开型裂纹 精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢4 在切应力作用下，一个裂纹面在另一裂纹面上滑动脱开，裂纹前缘平行于滑动方向，如同撕布一样，这称为撕开型裂纹，也简称Ⅲ型裂纹。

9 断裂力学：研究带裂纹体的力学，它给出含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标――断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。

10 根据断裂纹理论解释为什么脆性材料容易断裂？ 粉末压制烧结时产生裂纹

Inglis理论

在具有孔洞的大而薄的板上，孔洞端部的应力几乎只取决于孔洞的长度和端部的曲率半径而跟孔洞的形状无关。裂纹扩展的临界应力：c = (E/(4c))1/2 式中，c为裂纹半长。

Griffith微裂纹理论

Orowan理论：修正后的公式

p为扩展单位面积裂纹所需的塑性功

陶瓷：微观裂纹控制，1m

金属：宏观裂纹控制，1.25mm

11 断裂韧性

应力场ij、应力场强度因子KI、几何形状因子Y

KI = Y  (c)1/2

式中Y是裂纹形状系数，也叫几何形状因子，无量纲。

KI的单位：MPam1/2，c为裂纹半长。

随增加，KI也增加，当试样断裂（宏观）或裂纹扩展（微观）时，所对应的临界KI便称为断裂韧性（KC或KIC）。 精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢5 KI：受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也与裂纹的形状类型以及加载方式有关。与材料本身的固有性能无关。

断裂韧性KC和KIC：表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料韧性好坏的一个定量指标。它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值越大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就越大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值越高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就越大。

KC是平面应力状态下的断裂韧性，与板材或试样厚度有关。

KIC是平面应变状态下的断裂韧性，是一材料常数。

12 根据断裂韧性来选择材料

有一构件：实际使用应力为1.3GPa，有两种钢材待选：

甲钢：ys = 1.95 GPa，KIC = 45 MPam1/2

乙钢：ys = 1.56 GPa，KIC = 75 MPam1/2

假设钢中存在最大2mm长的裂纹，那么从安全角度如何选择所需的钢材？

13 材料的加工硬化

经塑性变形后试样的应力

两个思路：

（1）完全消除内部的位错和其它缺陷，使其强度接近于理论强度。

【等轴定向凝固】

（2）在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动，提高其强度。

14 陶瓷材料增韧措施 精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢6  通过晶须或纤维增韧 陶瓷基体中分布的晶须或纤维等第二相，可以使裂纹在扩展时发生转向，从而使KIC增加。

 异相弥散强化增韧 基体中引入第二相颗粒，利用基体和第二相之间热膨胀系数和弹性模量的差异，在试样制备的冷却过程中，颗粒和基体周围产生残余压应力。这种压应力使得裂纹在前进过程中发生偏转。

 相变增韧 利用ZrO2的马氏体相变强化来增韧陶瓷。

 显微结构增韧 晶粒或颗粒的超细化与纳米化；；晶粒形状自补强增韧：

15 材料的硬度

硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能指标，是在给定载荷条件下，材料对形成表面压痕（刻痕）的抵抗能力。

16 力腐蚀

在室温下硅酸盐玻璃和其它陶瓷中，裂纹尖端发生局部腐蚀或在裂纹尖端处应力集中在缺陷上，使材料在低应力下开裂，新开裂的表面还没来得及被介质腐蚀，则裂纹扩展停止，接着进行下一个腐蚀-开裂循环，形成宏观上裂纹的缓慢生长。水和其它化学物质的存在会加速这种腐蚀，这个机制也叫应力腐蚀。

【二、 热学】

1 热容 在不发生相变和化学反应时，材料升高1K温度所需要吸入的热量，单位：J/K

2 晶态固体热容随温度变化的实验规律：

（1）金属元素在高于某一特征温度后，其摩尔热容接近于一个常数25J/molK，这一特征温度称为Debye温度。

（2）在极低温度，Cv与温度的三次方成正比，随温度的降低而急剧下降。 精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢7 （3）温度降低到10K以下时，热容与温度T成正比。接近0K时，热容趋近于0。

3 热膨胀的物理本质

当温度升高时，原子在平衡位置附近的振动会发生改变，由于引力和斥力作用方式的不同，使得原子在平衡位置两侧的变化幅度不同，从而使得平衡位置偏离原来的位置，微观上表现为两原子距离的拉长，宏观上表现为材料在该方向上的膨胀。

4 热导率 单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。

5 热传导的主要机制

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。在高温下，也可以通过光子来传导热量。

声子导热

无机非金属固体材料中的主要导热机制。

当材料中某一质点处于较高温度，热振动强烈，振幅大，而邻近质点温度低，振动弱，由于质点间有相互作用力，振动较弱的质点在振动较强的质点影响下，振动加剧，热振动的能量增加，从而引起热量的转移和传递。

光子导热

对辐射线透明的介质，热阻很小，自由程大；

对辐射线不透明的介质，自由程小；

对于完全不透明的介质，自由程为零，在这种介质中，辐射传热可以忽略。

单晶和玻璃对于辐射线是比较透明的，因此，在773-1273K辐射传热比较明显。 精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢8 大多数陶瓷材料室温下为半透明或不透明，光子自由程小，在高温下辐射传热才比较明显

电子导热 金属的导热机理

6 晶体导热与非晶体导热规律的区别

 非晶体的热导率（不考虑光子导热的贡献）在所有温度下都比晶体小。

 晶体和非晶体材料的热导率在高温时接近。

 非晶体导热曲线没有峰值点m。

【三、磁】

1 基本磁参数

回路电流的磁矩m

磁偶极子的磁偶极矩jm

磁化强度M

磁极化强度J

比磁化强度

磁场强度H

磁感应强度B

磁化率

比磁化率 

磁导率精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢9 2 材料的磁性分类

抗磁性（diamagnetism）

顺磁性（paramagnetism）

铁磁性（ferromagnetism）

反铁磁性（antimagnetism）

亚铁磁性（ferrimagnetism）

3 电子直接交换作用

交换能

E = E0 + Eex

= E0 – 2A12

= E0 – 2A12cos

E：氢分子总能量；E0：与自旋无关的能量常数；Eex：与电子自旋取向有关的交换能；12：自旋角动量；：自旋角动量之间的夹角；A：交换积分，代表电子交换位置时对应的能量，与电子云重叠程度有关。

=0,cos=1,则当A>0，E最小。电子自旋平行排列，自旋磁矩加强，呈现铁磁性。

=180o,cos=-1,则当A<0，E最小。电子自旋反平行排列，自旋磁矩抵消。

推出铁磁性判据

必要条件：原子具有固有磁矩，即原子中必须有未被填满的电子壳层。

充分条件：交换积分A>0。

【若要使A>0，“电子云”重叠要多，近邻原子间距（晶格点阵常数a）应适当地大于3d电子轨道平均半径r，当30。】

4 超交换作用

其思路为：O2-外层电子为2p6，p电子的空间分布呈哑铃状，当氧离子与阳离子近邻时，氧离子的p电子可以激发到d 状态，而与3d过渡族元素的阳离子的电子按洪德法则耦合，此时剩余的未