无机材料物理性能题库(1)

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名词解释

1、包申格效应——金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于4%），而后再同向加载，规定残余伸长应为增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。

2、塑性——材料的微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。

3、硬度——材料表面上不大体积内抵抗变形或破裂的能力，是材料的一种重要力学性能。

4、应变硬化——材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象。

5、弛豫——施加恒定应变，则应力将随时间而减小，弹性模量也随时间而降低。

6、蠕变——当对粘弹性体施加恒定应力，其应变随时间而增加，弹性模量也随时间而减小。

6、滞弹性——当应力作用于实际固体时，固体形变的产生与消除需要一定的时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。

7、压电性——某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。

8、电解效应——离子的迁移伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新的物质。

9、逆压电效应——某些晶体在一定方向的电场作用下，则会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。

10、压敏效应——指对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压以下，电阻值非常高，几乎无电流通过；超过该临界电压(敏压电压)，电阻迅速降低，让电流通过。

11、热释电效应——晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变的现象。

12、光电导——光的照射使材料的电阻率下降的现象。

13、磁阻效应——半导体中，在与电流垂直的方向施加磁场后，使电流密度降低，即由于磁场的存在使半导体的电阻增大的现象。

14、光伏效应——指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。

15、电介质——在外电场作用下，能产生极化的物质。

16、极化——介质在电场作用下产生感应电荷的现象。

16、自发极化——极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。

17、电介质极化——在外电场作用下，电介质中带电质点的弹性位移引起正负电荷中心分离或极性分子按电场方向转动的现象。

18、 电子位移极化(也叫形变极化) ——在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移形成的极化叫电子位移极化，也叫形变极化。

19、离子位移极化 ——离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长，导致电偶极矩的增加, 被称为离子位移极化。

20、松弛极化——当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定温度下，电场的作用占主导，发生极化。这种极化具有统计性质，叫作松驰极化。松驰极化是一种不可逆的过程，多发生在晶体缺陷处或玻璃体内。

21、电介质的击穿——电介质只能在一定的电场强度以内保持绝缘的特性。当电场强

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度超过某一临界值时，电介质变成了导体，这种现象称为电介质的击穿，相应的临界电场强度称为介电强度或击穿电场强度。

22、偶极子（电偶极子）——正负电荷的平均中心不相重合的带电系统

23、介质损耗——将电介质在电场作用下，引起介质发热，单位时间消耗的电能叫介质损耗。

24、顺磁体——原子内部存在永久磁矩,无外磁场,材料无规则的热运动使得材料没有

磁性.当外磁场作用,每个原子的磁矩比较规则取向,物质显示弱磁场。

25、铁磁体——主要特点:在较弱的磁场内,铁磁体也能够获得强的磁化强度,而且在外

磁场移去,材料保留强的磁性.原因:强的内部交换作用,材料内部有强的内

部交换场,原子的磁矩平行取向,在物质内部形成磁畴

26、机电耦合系数——压电材料中产生的电能和输入的机械总能量之比的平方。

27、铁电体——能够自己极化的非线性介电材料，其电滞回路和铁磁体的磁滞回路形

状相近似。

28、软磁材料——容易退磁和磁化(磁滞回线瘦长),具有磁导率高,饱和磁感应强度大,

矫顽力小,稳定型好等特性。

29、磁致伸缩——铁磁物质磁化时，沿磁化方向发生长度的伸长或缩短的现象。

30、霍尔效应——沿试样x轴方向通入电流I（电流密度JX），Z轴方向加一磁场HZ，那么在y轴方向上将产生一电场Ey。

31、固体电解质——固体电解质是具有离子导电性的固态物质。这些物质或因其晶体中的点缺陷或因其特殊结构而为离子提供快速迁移的通道,在某些温度下具有高的电导 率(1～106西门子/厘米),故又称为快离子导体。

简答题

1、试述韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么说脆性断裂最危险？（8分）

答：韧性断裂和脆性断裂的区别在于：前者在断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形，后者无宏观塑性变形；前者断裂过程缓慢，而后者为快速断裂过程；前者断口呈暗灰色，纤维状，后者齐平光亮，呈放射状或结晶状。（6分）

脆性断裂的危险性在于断裂前不产生明显的宏观塑性变形，无明显前兆。（2分）

2、根据不同材料应力应变曲线图分析其特点和对应材料。

受力情况下，绝大多数无机材料的变形行为如图中曲线(a)所示，即在弹性变形后没有塑性形变(或塑性形变很小)，接着就是断裂，总弹性应变能非常小，这是所有脆性材料的特征，包括离子晶体和共价晶体等。在短期承受逐渐增加的外力时，有些固体的变形分为两个阶段，在屈服点以前是弹性变形阶段，在屈服点后是塑性变形阶段。包括大多数金属结构材料如图中曲线(b)所示。橡皮这类高分子材料具有极大的弹性形变，如图中曲线(c)所示，是没有残余形变的材料，称为弹性材料。

3、材料的弹性模数主要取决于什么因素？无机非金属材料的弹性模数受什么因素影响最严重？（5分）

答：材料的弹性模数主要取决于六个方面：a键合方式和原子结构(离子键共价键结合的晶体结合力强，E增大分子键结合力弱，原子排布紧密E增大）；b晶体结构（缺陷少，结构紧密，E增大）；c化学成分；d微观组织；e温度（温度升高，热膨胀变大，原子间距变小，E减小）；f加载条件和负载持续时间（压力使原子间距减小，E增大，拉应力会使E减小）。无机非金属材料的弹性模数主要受微观组织影响最严重。

4、为什么常温下大多数陶瓷材料不能产生塑性变形、而呈现脆性断裂？

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答：陶瓷多晶体的塑性形变不仅取决于构成材料的晶体本身，而且在很大程度上受晶界物质的控制。因此多晶塑性形变包括以下内容：晶体中的位错运动引起塑变；晶粒与晶粒间晶界的相对滑动；空位的扩散；粘性流动。在常温下，由于非金属晶体及晶界的结构特点，使塑性形变难以实现。又由于在材料中往往存在微裂纹，当外应力尚未使塑变以足够的速度运动时，此应力可能已超过微裂纹扩展所需的临界应力，最终导致材料的脆断。

5.材料高温蠕变曲张规律如何？影响蠕变的因素有哪些？

答：1. 弹性形变阶段（oa）起始段，在外力作用下，发生瞬时弹性形变，即应力和应变同步；若外力超过试验温度下的弹性极限，则oa段也包括一部分弹性形变。2.

第一阶段蠕变（ab蠕变减速阶段或过渡阶段）其特点是应变速率随时间递减，即ab段斜率随时间增加而愈来愈小，曲线愈来愈平缓，持续时间较短。3.第二阶段（bc蠕变—稳定蠕变）此阶段的形变速率最小，且恒定，也为稳定态蠕变。4.第三阶段蠕变（cd加速蠕变）此阶段是断裂即将来临之前的最后一个阶段。曲线较陡，说明蠕变速率随时间增加而快速增加，最后在d点断裂。

影响蠕变的主要因素有：①温度、压力：温度升高、蠕变速率增大。这是由于温度升高，位错运动和晶界滑移加快，扩散系数增大。蠕变速率随应力增大而增大，若对材料施加压应力则增大了蠕变阻力。②晶体结构：结合力越大越不易发生蠕变，故共价键结构的材料具有良好的抗蠕变性。③晶体的组成：组成不同的材料其蠕变性不同，即使组成相同，单独存在或者形成化合物其蠕变也不一样。④显微结构：材料中气孔、晶粒和玻璃相等对蠕变都有影响，气孔率增加蠕变率增大，晶粒越小蠕变速率越大，玻璃相粘度越小蠕变速率越大。

6、什么是裂纹的快速扩展？陶瓷材料中的裂纹产生和快速扩展的原因是什

。

答：按照微裂纹脆断理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即由最危险的裂纹尺寸（临界裂纹尺寸）决定材料的断裂强度。当裂纹由成核生长和亚临界扩展发展到临界尺寸，此时K1的数值也随着裂纹的扩展增长到K1c的数值。至此裂纹的扩展从稳态转入动态，出现快速断裂。或裂纹尖端屈服区附近足够大的内应力达到了足以撕开原子间键，导致固体沿着原子面发生解理。裂纹产生的原因： ①由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外力作用时，在这些缺陷处就会引起应力集中，导致裂纹成核。 ②气孔附近区域中存在的显微结构缺陷。通常气孔不能单独作为裂纹来看待。当气孔处于三交晶界处时，气孔端部因为应力集中而产生的局部应力有可能克服晶界间的结合力，

里发生。 ③夹杂导致的微开裂现象.

无机材料中的夹杂通常起源于粉体的制备过程及从而诱发出微裂纹。 ④由于热应力形成裂纹。①

。 ⑤材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成

表面裂纹。防止裂纹扩展的措施：1.

展。2.在材料中设臵吸收能量的机构阻止裂纹扩展 ⑴ 陶瓷材料中加入塑性粒子或纤维 ⑵ .

7、说明KI和KIC的异同。（5分）

答：两者的不同点：

KI：应力强度因子，是一个力学参量，表示裂纹体中裂纹尖端的应力场强度的大小，综合反映了外加应力和裂纹位臵、长度对裂纹尖端应力场强度的影响，与裂纹类型有

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关，而和材料无关；（2分）

KIC：平面应变断裂韧性，是材料的力学性能指标，决定于材料的成分、组织结构等内在因素，而与外加应力及试样尺寸等外在因素无关。（2分）

两者的相同点：两者均是材料力学性能的描述，单位一致，计算公式基本一致。 8.

指在低于材料断裂韧性的外加应力场强度作用下所发生的裂纹缓慢扩展。

机理;a.应力腐蚀理论;在一定的环境温度和应力场强度因子作用下,材料中关键裂纹尖端处裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较,构成裂纹开裂或止裂的条件。 b.空腔机理,陶瓷在高温下长期受力的作用时,晶界玻璃相的结构粘度下降,由于该处的应力集中,晶界处于甚高的局部拉应力状态,玻璃相则会发生蠕变或粘性流动,形变发生在 气孔\夹层\晶界层\甚至结构缺陷中,形成空腔。空腔进一步沿晶界方向长大、

连通形成

9.

a裂纹偏转增韧

;

应力场

,

增长

.

b裂纹桥接增韧

;

c弥散增韧;在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料达到增韧的效果。 d相变增韧

;

增韧机理包括应力诱导相变增韧、微裂纹增韧等。

1.

在亚稳的四方晶相

ZrO2ZrO2由四方相转变

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2.

10.?

热容为使物体温度升高1K所需要的外界提供的能量。

11.

热膨胀的本质是质点振动的非简谐效应。

表现为晶体的热膨胀。

12.试简述影响热膨胀性能的主要因素及影响规律

1.

2.

3.

13.什么是抗热震性,如何表示陶瓷材料的抗热震性?试简要说明提高陶瓷材料的抗热冲击断裂性能的主要措施。

通过抗

热冲击断裂因子表示陶瓷材料的抗热震性.提高措施:

模量E/E提高

------

c、减小材料的热膨胀系数α;d、减小材a提高了热稳定性。 b

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料的表面热传递系数h

14. e、减小产品的有效厚度。

固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的振动来实现。金属含有大量的自由电子,而且电子的质量很轻,

所以能迅速实现热传递。因此金属一般都有较大的热导它们的主要传热机构。 1.温度的影响2. 显微结构的影响3. 化学组成的影响4. 复相材料的热导率5.气孔的影响.

15.为什么金属材料有较大的热导率，而非金属材料的导热不如金属材料好？

答：固体中导热主要是由晶格振动的格波和自由电子运动来实现的。在金属中由于有大量的自由电子，而且电子的质量很轻，所以能迅速地实现热量的传递。虽然晶格振动对金属导热也有贡献，但只是很次要的。在非金属晶体，如一般离子晶体的晶格中，自由电子是很少的，晶格振动是它们的主要导热机构。因此，金属一般都具有较非金属材料更大的热导率.

16..画图说明并解释晶体和非晶体导热系数随温度变化规律的不同(图自记）

1.非

声子平均自由程在绝大多数情况下都比晶体的小的多。

2.

C点或

f

3.非晶体热导率曲线与晶体热导率曲线的区别是前者没有热导率的峰值m点

17、什么叫晶体的热缺陷，有几种类型写出其浓度表达式晶体中离子电导分为哪几类 由于晶体中的原子(或离子)的热运动而造成的缺陷称为热缺陷

弗仑克尔缺陷 （公式1）

肖特基缺陷 （公式2）

分为

2

本征电

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18 极化指介质内质点、原子、分子、离子、正负电荷重心分离，从而转变成偶极子。

化。

电子位移极化：在外电场作用下，

原子外围的电子云相对于原子核发生位移形成的极

离子位移极化：

离子在电场的作用

转向极化：具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，

偶极子发生转向趋于和外

19、何谓介质损耗？介质损耗的形式有哪些？

答：介质损耗——将电介质在电场作用下，引起介质发热，单位时间消耗的电能叫介质损耗.主要类型：（1）电导（漏导）损耗（2）极化损耗3）电离损耗4）结构损耗（5）宏观结构不均匀的介质损耗。 20.

MgO,SrO,BaO?

材料热震频率r即材料在课件光区的透过范围大，而这就要求材料的离子间作用力小阳离子和阴离子质量大，即β小，Mc与Ma要大。对于MgO,SrO,BaO，它们都是离Ba2+

又因为相比Mg,Sr,BaBa2+与O2-McBaO 材料的r最小。因而能传播最长波长的红外辐射。

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21、试分析讨论为什么氧化铝（Al2O3）陶瓷能制成透明灯管，而金红石（TiO2）瓷则不能做成透明陶瓷？（已知： - Al2O3晶体的n0 = 1.760，ne = 1.768；TiO2晶体的n0 = 2.854，ne = 2.567，同时设有200个晶界加以讨论）

答：主要受晶粒排列方向的影响严重：

如果材料中存在双折射现象，则与晶轴成不同角度的方向上，折射率不相同。在多晶材料中，晶粒的不同取向均产生反射及散射损失。如以两个相邻晶粒的光轴相互垂直加以讨论分析。设光线沿左晶粒的光轴方向射入，则在左晶粒中只存在常光折射率，右晶粒的光轴垂直于左晶粒的光轴，也就垂直于晶界处的入射光，由于双折射现象，还有非常光折射率存在。两晶粒的相对折射率不为1，此时将导致反射和折射损失。如相邻晶粒的取向彼此垂直，则晶界面的反射系数：（3分）

6 R 1.768/1.760 1/1.768/1.760 1 5.14 10对于氧化铝瓷： 2

对于金红石瓷：R 2.854/2.567 1 / 2.584/2.567 1 0.0028 2

设有200个晶界，则除去晶界反射损失后，剩余光强为：

对于氧化铝瓷：(1 R)200 (1 5.14 10 6)200 0.99897

对于金红石瓷：(1 R)200 (1 0.0028（3分） )200 0.5708 损失较大，

此外，对于氧化铝瓷n21=1.0045，接近于1，散射损失不大，而对于金红石瓷n21=1.1112，较大，则也会引起较大的散射损失。（2分）

故：氧化铝（Al2O3）陶瓷能制成透明灯管，而金红石（TiO2）瓷则不能做成透明陶瓷。

22、下图为铁磁性材料的典型磁滞回线，试根据该图回答以下问题：（13分）

（1）从图中分别读出饱和磁感应强度、矫顽力、剩余磁感应强度；（3分）

（2）什么是磁滞效应？应如何计算磁滞损耗？（4分）

（3）根据磁滞回线的形状，可将磁性材料分为哪两种材料，并分别说明这些材料的主要性能标志。（6分）

答：（1）饱和磁感应强度为Bs，矫顽力为Hc，剩余磁感应强度为Br；（3分）

（2）磁滞效应是指铁磁材料的磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，是铁磁材料的重要特性之一。（2分）

磁滞损耗的计算：磁滞回线所包围的面积即为磁化一周所产生的能量损耗，亦为磁滞损耗。（2分）

（3）根据磁滞回线的形状，可将磁性材料分为软磁材料和硬磁材料。（2分）

软磁材料的主要性能标志：磁滞回线细小，高导磁率、高的磁感应强度、小的剩余磁

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感应强度、低的矫顽力、低的磁滞损耗。（2分）

硬磁材料的主要性能标志：磁滞回线宽肥，具有高的矫顽力、高的剩余磁感应强度、高的磁能积等。（2分）

23、试说明材料产生铁磁性的条件。（8分）

答：材料产生铁磁性的条件：

有未被抵消的自旋磁矩；（4分）

自旋磁矩自发地同向排列，产生自发磁化。（4分）

24、自发磁化的物理本质是什么?材料具有铁磁性的充要条件是什么?

答: 铁磁体自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用

材料具有铁磁性的充要条件为:

1) 必要条件:材料原子中具有未充满的电子壳层,即原子磁矩

2) 充分条件:交换积分A > 0

25、用能量的观点说明铁磁体内形成磁畴的原因

答:根据热力学定律,稳定的磁状态一定是对应于铁磁材料内总自由能极小值的状态.磁畴的形成和稳定的结构状态,也是对应于满足总的自由能为极小值的条件.对于铁材料来说，分成磁畴后比分成磁畴前能量缩小,故铁磁材料自发磁化后必然分成小区域的磁畴,使总自由能为最低,从而满足能量最低原理.可见,退磁场能是形成磁畴的原因。

论述题

1、请以含有无气孔、5%玻璃相（该玻璃相从温度1000℃开始软化，1100℃完全变成液相）的氧化铝陶瓷为例子，说明：（1）该陶瓷分别在1050OC和1150℃时，受不断增加的应力作用时，陶瓷材料变形到断裂的变化过程。（2）在恒定应力作用（该应力在室温是陶瓷材料弹性变形的极限应力）下，在1050℃时，影响该氧化铝陶瓷高温蠕变的因素有那些?（3）你认为提高这种氧化铝陶瓷抗热冲击断裂性能的措施。

答：（1）在1050℃，该陶瓷含有5%软化玻璃相。（1分）受不断增加的应力作用时，陶瓷材料先产生弹性形变，抵抗部分外加应力。（1分）由于材料有5%软化玻璃相；然后产生粘弹性的塑性变形。（1分）当弹性变形和塑性形变都不能够完全抵抗外加作用力时，材料形成诱发裂纹，直到裂纹扩展，材料断裂。（1分） 在1150℃时，该陶瓷含有5%玻璃相转变成液相。（1分）受不断增加的应力作用时，陶瓷材料先产生弹性形变，抵抗部分外加应力。（1分）由于材料有5%液相，材料中有一定的塑性变形。（1分）当弹性变形和塑性形变都不能够完全抵抗外加作用力时，材料形成诱发裂纹，直到裂纹扩展，材料断裂。（1分）材料中液相之间的作用力比固相大，材料在固相部分断裂；（1分）材料中液相之间的作用力比固相小，材料在液相部分断裂。（1分）

（2）在恒定应力作用（该应力在室温是陶瓷材料弹性变形的极限应力）下，在1050℃

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时，影响该氧化铝陶瓷高温蠕变的因素有那些?

a晶粒尺寸：不同的晶粒尺寸范围决定了不同的蠕变机理起控制速率的作用。当晶粒比较大，蠕变速率受晶格机理控制，当晶粒比较小，情况相对复杂，二种晶界机理和晶格机理都可能起作用b固溶合金原子：固溶合金原子对蠕变行为的影响首先取决于控制蠕变的机理，即受固溶原子分布状态的影响,其次也可能改变晶界的应力指数，改变材料蠕变的机理。固溶合金原子可以提高或者降低材料的蠕变速率;c亚结构的形成：位错、晶界等不同亚结构的形成;d晶界剪切：晶界的滑移;e第二相物质：在材料的晶界上存在的第二相，其性质将决定材料高温蠕变的形式或者机理

（3）提高这种氧化铝陶瓷抗热冲击断裂性能的措施：a提高材料强度 ，减少弹性模量E，提高 /E。实质是提高材料的柔韧性;b提高材料的热导率 ，使得R 提高;c减少材料的热膨胀系数 ;d减少表面热传递系数h;e减少产品的有效厚度.

2、请论述量子自由电子导电理论与经典导电理论的异同点。

答：（1）经典电子理论：经典理论认为，在金属晶体中，离子构成了晶格点阵，并形成一个均匀的电场（2分），价电子是完全自由的，称为自由电子（1分），他们弥散分布于整个点阵之中，就像气体分子充满整个容器一样，因此称为“电子气（2分）”。自由电子的运动遵循经典力学气体分子的运动规律，自由电子之间及它们与正离子之间的相互作用仅仅是类似于机械碰撞而已（2分）。 在没有外加电场作用时，金属中的自由电子沿各个方向运动的几率相同，因此不产生电流（1分）。当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作加速运动，从而形成电流（1分）。

在自由电子定向运动过程中，要不断地与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的原因（2分）。

（2）量子自由电子理论：和经典电子理论一样，量子自由电子理论同样认为金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，且为整个金属所有，可以在整个金属中自由运动（3分）。但这一理论认为，金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态（2分），而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级（2分）。该理论认为，电子具有波粒二象性（2分）。

3、何谓p-n结的光生伏特效应? 利用这一效应, 解释太阳能电池的工作原理.(15分) 答：p-n结的光生伏特效应：指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。

如果用能量比半导体禁带宽度还大的光照射p-n结，半导体吸收光能，电子从价带激发至导带，价带中产生空穴。P区的电子向n区移动，n区的空穴向

p区移动，结果产生电荷积累，p区带正电，n区带负电，从而产生了电位差。这和费米能级的弯曲相对应，若p-n结两侧被覆欧姆接触电极，与外电路相连就有电流通过。

注：用能带图说明太阳能电池的工作原理

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4、为什么在常温下，大多数无机非金属材料不具备明显的塑性？

答：（1）、对于单晶体的陶瓷材料而言，原则上讲可以通过滑移和孪晶实现塑性形变，但是由于陶瓷晶体多为离子键或共价键，具有明显的方向性，同号离子相斥，只有个别滑移系统能满足位错运动的几何条件和静电作用，所以单晶陶瓷材料只有少数具有简单晶体结构的晶体，如MgO、AgCl在室温下具有塑性，而其它复杂晶体结构的材料在室温下不能进行塑性变形；（4分）

（2）、陶瓷材料一般呈多晶状态，而且还存在气孔、微裂纹、玻璃相等，位错不易向周围晶体传播，更易在晶界处塞积而产生应力集中，形成裂纹引起断裂，所以陶瓷材料很难进行塑性变形；（3分）

（3）、非晶态玻璃材料，由于不存在晶体中的滑移和孪生的变形机制，其永久变形是通过分子位臵的热激活交换来进行的，属于粘性流动变形机制，塑性变形需要在一定的温度下进行，所以普通的无机玻璃在室温下没有塑性。（3分）

综上所述，在常温下大多数无机非金属材料不具备明显的塑性。

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