材料性能論文

1、無機非金屬材料工程導(dǎo)論作業(yè) 考試作業(yè) 題目: 材料力學和熱學性能作者： 謝丹班級： 無機非11級01班學號： 20114410332012 年 5月 3日材料力學和熱學性能（重慶科技學院 冶金與材料工程學院，重慶 401331）摘要：一直以來，材料的研究始終受到科學家的關(guān)注。目前，材料的研究領(lǐng)域進一步朝著縱向與橫向兩方面發(fā)展。各種新型材料層出不群，比如功能材料、納米材料、陶瓷材料、無機非金屬新材料等等。材料有多種性能，本文主要從材料學和材料物理的角度出發(fā)，系統(tǒng)介紹了材料的力學性能、熱學性能。關(guān)鍵詞：無機非金屬 性能 力學性能 熱學性能前言材料的力學性能主要是指材料的宏觀性能，如彈性性能、塑性性

2、能、硬度、抗沖擊性能等。它們是設(shè)計各種工程結(jié)構(gòu)時選用材料的主要依據(jù)。表征材料力學性能的各種參量同材料的化學組成、晶體點陣、晶粒大小、外力特性（靜力、動力、沖擊力等）、溫度、加工方式等一系列內(nèi)、外因素有關(guān)。無機材料的熱學性能包括熔點、比熱容熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率等，抗熱震性是指材料承受溫度驟變而不至于被破壞的能力。熱學性能是許多工程應(yīng)用，如耐火材料和保溫材料、高導(dǎo)熱集成電路基片、高溫結(jié)構(gòu)件和航天防熱構(gòu)件等需要首先考慮的因素，因此具有重要的工程應(yīng)用的價值。一.力學性能1.力伸長曲線材料的單向經(jīng)拉伸實驗通常是在溫室下按常規(guī)的實驗標準，采用光滑圓柱試樣在緩慢加載和低的變形速率下進行的。試驗方法和試樣尺寸在

3、試驗標準中有明確規(guī)定。在拉伸過程中，隨著載荷的不斷增加，可由試驗機上安裝的自動繪圖機構(gòu)連續(xù)描繪出拉伸力F和絕對伸長量L的關(guān)系曲線，直至試樣斷裂。圖1就是典型的低碳鋼拉伸時的力伸長曲線。圖1低碳鋼的力伸長曲線圖1中，曲線的縱坐標為拉力F，橫坐標為絕對伸長L.圖中表明，拉伸后，試樣的伸長隨里的增加而增大。在P點以下拉伸力F和伸長量L呈直線關(guān)系。當拉伸力超過Fp后，力伸長曲線開始偏離直線。拉伸力小于Fe時，試樣的形變在卸除拉伸力后可以完全恢復(fù)，因此e點以內(nèi)的形變?yōu)閺椥孕巫?。當拉伸力達到FA后，試樣便產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久性形變。在這一階段的形變過程中，最初試樣局部區(qū)域產(chǎn)生不均勻的屈服塑性形變，力伸長曲線

4、上出現(xiàn)平臺式鋸齒，直至g點結(jié)束。接著進入均勻塑性形變。達到最大拉伸力Fb時，試樣再次出現(xiàn)不均勻的塑性形變，并在局部區(qū)域產(chǎn)生縮頸，最后在Fk處，試樣斷裂。因此，在整個拉伸過程中的形變可分為彈性形變、屈服形變、均勻塑性形變及不均勻集中塑性形變4個階段。2.應(yīng)力應(yīng)變曲線 將圖1所示的力伸長曲線的縱、橫坐標分別用拉伸試樣的標距處的原始截面積A0和原始標距長度L0相除，則得到與力伸長曲線形狀相似的應(yīng)力（=F/A0）應(yīng)變（=L/ L0）曲線（圖2）。這樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線稱為工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，作為坐標軸的應(yīng)力和應(yīng)變稱為工程應(yīng)力和工程應(yīng)變。工程應(yīng)力應(yīng)變曲線對材料在工程中的應(yīng)用是非常重要的，根據(jù)該曲線可獲得材料拉

5、伸條件下的力學性能指標，如圖2中的比例極限p、彈性極限e、屈服點s、抗拉強度b等，可提供給工程設(shè)計或選材應(yīng)用時參考。圖1低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線實際上，在拉伸過程中，試棒的截面積和長度隨著拉伸力的增大是不斷變化的，工程應(yīng)力應(yīng)變曲線并不能反映試驗過程中的真實情況。如果以瞬時截面積A除其相應(yīng)的拉伸力F，則可得到瞬時的真應(yīng)力S（S=F/A）。同樣，當拉伸力F有一增量dF時，試樣在瞬時長度L的基礎(chǔ)上變?yōu)長+dL，于是應(yīng)變的微分增量應(yīng)是de=dL/L，則試棒自L0伸長至L后，總的應(yīng)變量為e=ln,式中的e即為真應(yīng)變。于是，工程應(yīng)變和真應(yīng)變之間的關(guān)系為e=ln=ln(1+)顯然，真應(yīng)變總是小于工程應(yīng)變，且變形

6、量越大，二者的差距越大。假定材料的拉伸變形是等體積變化過程，則真應(yīng)力和工程應(yīng)力之間就有如下關(guān)系：S=(1+),這說明真應(yīng)力S大于工程應(yīng)力。3.硬度硬度：表示材料表面在承受局部靜載壓力條件下抵抗變形的能力，它與材料的耐磨性有直接關(guān)系，是許多工程應(yīng)用，如塊規(guī)、密封環(huán)和軸承滾珠等需要考慮的因素，因此它也是材料的重要力學性能參數(shù)之一。金屬材料的硬度主要反映其抵抗塑性變形及形變硬化的能力。而質(zhì)脆的無機材料在靜載壓痕硬度測試時，壓頭壓入?yún)^(qū)域多數(shù)會發(fā)生壓縮剪斷等形式的復(fù)合破壞，即偽塑性變形。所以。脆性無機材料的硬度能反映材料抵抗破壞的能力。硬度的種類及其測試方法:材料硬度的種類和測試方法有很多種，如莫氏硬度

7、、維氏硬度、努氏硬度、洛氏硬度和布氏硬度等。除莫氏硬度采用劃痕法來判斷材料的軟硬外，其他的均采用靜載壓入法進行測試，即在靜壓下將一硬物壓入被測物體表面，用壓痕單位面積上承受的載荷大小表示被測物體的硬度。下面對其分別予以介紹。3.1莫氏硬度莫氏硬度也稱劃痕硬度，莫氏硬度法對于陶瓷和礦物材料較為常用。莫氏硬度只表示材料軟硬的排序，說明排序靠后的材料可以在排序靠前的材料表面劃出痕跡來。最初，莫氏硬度分為10級，最軟的為滑石（1級），最硬的為金剛石（10級）；后來由于補充了一些人工合成的硬度較大的材料，又將莫氏硬度分為15級，即新莫氏硬度。表3為莫氏硬度的兩種分級排序情況。序 級 材料 序 級 材料

8、1 滑 石（talc） 2 石 膏（gypsum） 3 方解石（calcite） 4 螢 石（fluorite） 5 磷灰石（apatite） 6 正長石（orthoclase） 7 石 英（quartz） 8 黃 玉（topaz） 9 剛 玉（corundum） 10 金剛石（diamond） 1 滑 石（talc） 2 石 膏（gypsum） 3 方解石（calcite） 4 螢 石（fluorite） 5 磷灰石（apatite） 6 正長石（orthoclase） 7 熔融石英（fused silica） 8 石 英（quartz） 9 黃 玉（topaz） 10 石榴石（gamet）

9、 11 熔融氧化鋯（fused zironia） 碳化鉭（tantalum carbide）12 剛 玉（corundum） 碳化鎢（tungsten carbide）13 碳化硅（silicon carbide） 14 碳化硼（boron carbide） 15 金剛石（diamond）表3 莫氏硬度的兩種分級排序  3.2維氏硬度維氏硬度法適用于較硬的材料，對陶瓷材料特別尤為常用。它采用對面角為136°的金剛石死棱椎體作壓頭，在1100kg的載荷作用下，壓入經(jīng)過拋光的材料表面，保持一定時間后卸掉載荷，材料表面便留下一個正方形的壓痕（圖4所示）。測量壓痕對角線的長度并計算

10、壓痕的表面積，求出單位面積上的載荷應(yīng)力，即維氏硬度值HVHV=1.8544,P為載荷（N）；S為壓痕面積（mm2）；為金剛石壓頭對面角（136°）；d為壓痕對角線長度的平均值（mm）。硬度的國際制單位為GPa和MPa。圖4幾種常用的靜載壓入法測試硬度的原理及計算方法(a) 布氏硬度HB；（b）維氏硬度HV；（c）洛氏硬度HRA，HRC；（d）努氏硬度HK3.3努氏硬度（努普硬度或克氏硬度） 努氏硬度法是一種顯微硬度的實驗方法，它所采用的金剛石壓頭四棱椎體對棱角分別為172°30和130°，所以得到的壓痕為菱形（圖4（d）所示）。與維氏硬度計算的是的是壓痕表面上承受

11、的應(yīng)力不同，努氏硬度值對應(yīng)的是壓痕投影面積上的應(yīng)力，其計算式為HK=14.229,P為載荷（N）；A為壓痕投影面積（mm2）；d為壓痕對角線長度（mm）；C為壓頭常數(shù)（無量綱）。努氏硬度的單位與維氏硬度相同，為GPa或MPa。努氏硬度法試用于測定較硬的材料，如金屬表面的淬硬層或滲層、鍍層等薄層區(qū)域的硬度測定，但在陶瓷材料發(fā)面的應(yīng)用不如維氏硬度法普遍。3.4洛氏硬度 洛氏硬度法所采用的金剛石壓頭為圓錐體，圓錐角為120°，椎體尖端曲率半徑為0.2mm(圖4（c）所示)。與前兩種硬度測試方法中通過測定壓痕對角線的長度來計算硬度不同，洛氏硬度是首先加上基準載荷，再加實驗載荷，然后回到基準載

12、荷測出兩次載荷下壓頭的壓入深度差h（m），再根據(jù)定義式求出硬度值。3.5布氏硬度布氏硬度法主要用于測定金屬材料中較軟及中等硬度的材料，很少用與陶瓷材料。它采用球形的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球（直徑為D）作壓頭，獲得的壓痕（直徑為d）為圓形凹坑（圖4（a）所示）。布氏硬度值是用單位壓痕表面積所承受的實驗力來表示，其計算公式為HB= 由以上介紹可知，各種硬度法之間沒有統(tǒng)一的物理意義，即使對于后面4種均采用靜載壓入實驗評判材料硬度的方法，由于壓頭結(jié)構(gòu)形式和計算方法等的差異，所得結(jié)果也各不相同，彼此之間沒有固定的換算關(guān)系。二.熱學性能1.熔點 與金屬和高分子材料相比，耐高溫是陶瓷材料的優(yōu)異特性之一。材料的耐

13、熱性一般用高溫強度、抗氧化及耐燒蝕性等因子來判斷。要成為耐熱材料，首先熔點Tm（melting point）必須高。熔點是維持晶體結(jié)構(gòu)的院子間結(jié)合力大小的反映，原子間結(jié)合力越大，原子的熱震動越穩(wěn)定，越能將晶體結(jié)構(gòu)維持到更高溫度，熔點就越高；否則熔點就越低。單質(zhì)材料中，碳素材料的熔點最高；陶瓷中具有NaCl型晶體結(jié)構(gòu)的碳化物熔點一般都很高；氧化物、硼化物也不乏高熔點的物質(zhì)，氧化物中具有NaCl型晶體結(jié)構(gòu)的、硼化物中具有NaCl型晶體結(jié)構(gòu)和六方型A1B2晶體結(jié)構(gòu)的材料大多熔點很高；對于氧化物熔點高的物質(zhì)則多具有螢石結(jié)構(gòu)和NaCl型晶體結(jié)構(gòu)。Tm與材料的很多性質(zhì)相關(guān)。金屬材料存在如下關(guān)系：Hf RT

14、m,R為普適氣體常數(shù)。對大多數(shù)陶瓷材料則有Hf （34）RTm。2.比熱容比熱容（舊稱比熱）是材料熱學性能中最基本的物性之一，它是指單位質(zhì)量的材料要升高（降低）1K所需吸收（或放出）的熱量。單位質(zhì)量的材料以克或千克計算時，對應(yīng)的比熱容的單位為J/（g·K）或J/（kg·K）。單位質(zhì)量的材料以摩爾計算時，對應(yīng)的比熱容為“摩爾熱容”其單位為J/（mol·K）。摩爾熱容有定壓摩爾熱容Cpm和定容摩爾熱容Cvm之分。前者是指在恒定外界壓力條件下的摩爾熱容，適用于實際生產(chǎn)情況；后者是指材料體積不變情況下的摩爾熱容。可從理論上推導(dǎo)出定容摩爾熱容Cvm與溫度的關(guān)系。絕對零度時C

15、vm=0；在低溫區(qū)域，隨著溫度的升高，Cvm和（T/）3成正比例增大（為特征溫度或德拜溫度，=hv/k，其中h為普朗克常數(shù)，k為波爾茲曼常量，v為原子繞其晶格陣點震動的頻率）；但在高溫下（大多數(shù)陶瓷材料在1000左右），Cvm趨于一定值。Cvm=3R=24.9 J/（mol·K）在溫度超過特征溫度（以絕對溫度計算，特征溫度約為熔點的1/51/2）時，摩爾熱容以適中的速率繼續(xù)增長。Cvm=3R=24.9 J/（mol·K）所給出的常數(shù)值相應(yīng)于振動對摩爾熱容的貢獻，這種貢獻在低溫時是主要因素。在較高溫度時，定壓摩爾熱容Cpm也增加較快從而定容摩爾熱容Cvm發(fā)生較大的偏離。3.熱

16、膨脹系數(shù)在任一特定溫度下，我們可以定義線熱膨脹系數(shù)l和v為l=· ; v=·。式中，l約等于3v。一般來說，熱膨脹系數(shù)的數(shù)值是溫度的函數(shù)，但在有限的溫度范圍內(nèi)，采用平均值就足夠了，即 =· ; =·絕大多數(shù)物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)為正，只有3D-C/C、Li2O·Al2O3·2SiO2和ZrW4O8例外。4.熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率是指熱量流過材料的速率，它可以用一下方程來定義：=A式中，dQ是在時間dt內(nèi)，在與熱流方向垂直的面積A內(nèi)流過的熱量，熱流正比于溫度梯度dT/dx，比例系數(shù)是一種材料常數(shù)，即熱導(dǎo)率，單位為W/（cm·K）另外，可從熱導(dǎo)

17、率計算出熱擴散系數(shù)：,式中，Cp為恒壓比熱容；為密度；表征物體內(nèi)部溫度趨于均衡的能力；故又稱導(dǎo)溫系數(shù)，它的大小將直接影響物體中的溫度梯度分布，其單位為m2/s。4.熱抗震性概念：無機非金屬材料中熱應(yīng)力大小取決于其力學和熱學性能，并且還受構(gòu)件幾何形狀和環(huán)境介質(zhì)等因素的影響。所以，作為表征無機材料抵抗溫度變化而不至于破壞能力的抗熱震性，其優(yōu)劣也必將是其力學和熱學性能的綜合體現(xiàn)。無機脆性材料抗熱震性的研究始于20世界50年代，迄今為止已近提出了多種抗熱震性的平價理論，但都不同程度地存在著局限性。4.1抗熱震性評價理論無機材料的熱震破壞可分為兩大類：一是熱震（或熱沖擊）作用下的瞬時斷裂；二是熱震循環(huán)作

18、用下的開裂、剝落，終至整體損壞（亦稱熱疲勞）。據(jù)此，脆性無機材料抗熱震性的評價理論也相應(yīng)分為兩種觀點。一種是基于熱彈性理論，以熱應(yīng)力H和材料固有強度f之間的平衡條件作為熱震破壞的判據(jù)，當Hf即材料固有強度不足以抵抗熱震溫差T所引起的熱應(yīng)力時，就導(dǎo)致材料“熱震斷裂”。其中以Kingery的“臨界應(yīng)力斷裂理論”最具代表性。另一種是基于斷裂力學的概念，以熱彈性應(yīng)變能W和材料的斷裂能U之間的平衡條件作為熱震破壞的判據(jù)，當WU，即材料中的熱彈性應(yīng)變能足以支付裂紋成核和擴展產(chǎn)生新表面所需的能量U時，裂紋就成核和擴展，從而導(dǎo)致材料熱震損傷?；诖擞^點的理論以Hasselman的“熱震損傷理論”與“斷裂開始和裂紋擴展的統(tǒng)一理論”最成功。4.2 熱震剩余強度的預(yù)測脆性無機材料熱震裂紋擴展和強度下降的