材料性能論文

1、無(wú)機(jī)非金屬材料工程導(dǎo)論作業(yè) 考試作業(yè) 題目: 材料力學(xué)和熱學(xué)性能作者： 謝丹班級(jí)： 無(wú)機(jī)非11級(jí)01班學(xué)號(hào)： 20114410332012 年 5月 3日材料力學(xué)和熱學(xué)性能（重慶科技學(xué)院 冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331）摘要：一直以來(lái)，材料的研究始終受到科學(xué)家的關(guān)注。目前，材料的研究領(lǐng)域進(jìn)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(wú)機(jī)非金屬新材料等等。材料有多種性能，本文主要從材料學(xué)和材料物理的角度出發(fā)，系統(tǒng)介紹了材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能。關(guān)鍵詞：無(wú)機(jī)非金屬 性能 力學(xué)性能 熱學(xué)性能前言材料的力學(xué)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(jì)各種工程結(jié)構(gòu)時(shí)選用材料的主要依據(jù)。表征材料力學(xué)性能的各種參量同材料的化學(xué)組成、晶體點(diǎn)陣、晶粒大小、外力特性（靜力、動(dòng)力、沖擊力等）、溫度、加工方式等一系列內(nèi)、外因素有關(guān)。無(wú)機(jī)材料的熱學(xué)性能包括熔點(diǎn)、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(xué)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(jià)值。一.力學(xué)性能1.力伸長(zhǎng)曲線材料的單向經(jīng)拉伸實(shí)驗(yàn)通常是在溫室下按常規(guī)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用光滑圓柱試樣在緩慢加載和低的變形速率下進(jìn)行的。試驗(yàn)方法和試樣尺寸在

3、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中有明確規(guī)定。在拉伸過(guò)程中，隨著載荷的不斷增加，可由試驗(yàn)機(jī)上安裝的自動(dòng)繪圖機(jī)構(gòu)連續(xù)描繪出拉伸力F和絕對(duì)伸長(zhǎng)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(shí)的力伸長(zhǎng)曲線。圖1低碳鋼的力伸長(zhǎng)曲線圖1中，曲線的縱坐標(biāo)為拉力F，橫坐標(biāo)為絕對(duì)伸長(zhǎng)L.圖中表明，拉伸后，試樣的伸長(zhǎng)隨里的增加而增大。在P點(diǎn)以下拉伸力F和伸長(zhǎng)量L呈直線關(guān)系。當(dāng)拉伸力超過(guò)Fp后，力伸長(zhǎng)曲線開(kāi)始偏離直線。拉伸力小于Fe時(shí)，試樣的形變?cè)谛冻炝罂梢酝耆謴?fù)，因此e點(diǎn)以?xún)?nèi)的形變?yōu)閺椥孕巫?。?dāng)拉伸力達(dá)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(guò)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(zhǎng)曲線

4、上出現(xiàn)平臺(tái)式鋸齒，直至g點(diǎn)結(jié)束。接著進(jìn)入均勻塑性形變。達(dá)到最大拉伸力Fb時(shí)，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(gè)拉伸過(guò)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(gè)階段。2.應(yīng)力應(yīng)變曲線 將圖1所示的力伸長(zhǎng)曲線的縱、橫坐標(biāo)分別用拉伸試樣的標(biāo)距處的原始截面積A0和原始標(biāo)距長(zhǎng)度L0相除，則得到與力伸長(zhǎng)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(chēng)為工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，作為坐標(biāo)軸的應(yīng)力和應(yīng)變稱(chēng)為工程應(yīng)力和工程應(yīng)變。工程應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)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(xué)性能指標(biāo)，如圖2中的比例極限p、彈性極限e、屈服點(diǎn)s、抗拉強(qiáng)度b等，可提供給工程設(shè)計(jì)或選材應(yīng)用時(shí)參考。圖1低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線實(shí)際上，在拉伸過(guò)程中，試棒的截面積和長(zhǎng)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(yàn)過(guò)程中的真實(shí)情況。如果以瞬時(shí)截面積A除其相應(yīng)的拉伸力F，則可得到瞬時(shí)的真應(yīng)力S（S=F/A）。同樣，當(dāng)拉伸力F有一增量dF時(shí)，試樣在瞬時(shí)長(zhǎng)度L的基礎(chǔ)上變?yōu)長(zhǎng)+dL，于是應(yīng)變的微分增量應(yīng)是de=dL/L，則試棒自L0伸長(zhǎng)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(guò)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(shuō)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(xué)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(wú)機(jī)材料在靜載壓痕硬度測(cè)試時(shí)，壓頭壓入?yún)^(qū)域多數(shù)會(huì)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(wú)機(jī)材料的硬度能反映材料抵抗破壞的能力。硬度的種類(lèi)及其測(cè)試方法:材料硬度的種類(lèi)和測(cè)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(lái)判斷材料的軟硬外，其他的均采用靜載壓入法進(jìn)行測(cè)試，即在靜壓下將一硬物壓入被測(cè)物體表面，用壓痕單位面積上承受的載荷大小表示被測(cè)物體的硬度。下面對(duì)其分別予以介紹。3.1莫氏硬度莫氏硬度也稱(chēng)劃痕硬度，莫氏硬度法對(duì)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(shuō)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(lái)。最初，莫氏硬度分為10級(jí)，最軟的為滑石（1級(jí)），最硬的為金剛石（10級(jí)）；后來(lái)由于補(bǔ)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(jí)，即新莫氏硬度。表3為莫氏硬度的兩種分級(jí)排序情況。序 級(jí) 材料 序 級(jí) 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(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)排序  3.2維氏硬度維氏硬度法適用于較硬的材料，對(duì)陶瓷材料特別尤為常用。它采用對(duì)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(guò)拋光的材料表面，保持一定時(shí)間后卸掉載荷，材料表面便留下一個(gè)正方形的壓痕（圖4所示）。測(cè)量壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度并計(jì)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(duì)面角（136°）；d為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的平均值（mm）。硬度的國(guó)際制單位為GPa和MPa。圖4幾種常用的靜載壓入法測(cè)試硬度的原理及計(jì)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(shí)驗(yàn)方法，它所采用的金剛石壓頭四棱椎體對(duì)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(jì)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(duì)應(yīng)的是壓痕投影面積上的應(yīng)力，其計(jì)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(duì)角線長(zhǎng)度（mm）；C為壓頭常數(shù)（無(wú)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(cè)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(cè)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(cè)試方法中通過(guò)測(cè)定壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算硬度不同，洛氏硬度是首先加上基準(zhǔn)載荷，再加實(shí)驗(yàn)載荷，然后回到基準(zhǔn)載

12、荷測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)力來(lái)表示，其計(jì)算公式為HB= 由以上介紹可知，各種硬度法之間沒(méi)有統(tǒng)一的物理意義，即使對(duì)于后面4種均采用靜載壓入實(shí)驗(yàn)評(píng)判材料硬度的方法，由于壓頭結(jié)構(gòu)形式和計(jì)算方法等的差異，所得結(jié)果也各不相同，彼此之間沒(méi)有固定的換算關(guān)系。二.熱學(xué)性能1.熔點(diǎn) 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(qiáng)度、抗氧化及耐燒蝕性等因子來(lái)判斷。要成為耐熱材料，首先熔點(diǎn)Tm（melting point）必須高。熔點(diǎn)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(dòng)越穩(wěn)定，越能將晶體結(jié)構(gòu)維持到更高溫度，熔點(diǎn)就越高；否則熔點(diǎn)就越低。單質(zhì)材料中，碳素材料的熔點(diǎn)最高；陶瓷中具有NaCl型晶體結(jié)構(gòu)的碳化物熔點(diǎn)一般都很高；氧化物、硼化物也不乏高熔點(diǎn)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(diǎn)很高；對(duì)于氧化物熔點(diǎn)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(duì)大多數(shù)陶瓷材料則有Hf （34）RTm。2.比熱容比熱容（舊稱(chēng)比熱）是材料熱學(xué)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(jì)算時(shí)，對(duì)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(jì)算時(shí)，對(duì)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(shí)際生產(chǎn)情況；后者是指材料體積不變情況下的摩爾熱容?？蓮睦碚撋贤茖?dǎo)出定容摩爾熱容Cvm與溫度的關(guān)系。絕對(duì)零度時(shí)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(diǎn)震動(dòng)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(guò)特征溫度（以絕對(duì)溫度計(jì)算，特征溫度約為熔點(diǎn)的1/51/2）時(shí)，摩爾熱容以適中的速率繼續(xù)增長(zhǎng)。Cvm=3R=24.9 J/（mol·K）所給出的常數(shù)值相應(yīng)于振動(dòng)對(duì)摩爾熱容的貢獻(xiàn)，這種貢獻(xiàn)在低溫時(shí)是主要因素。在較高溫度時(shí)，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(lái)說(shuō)，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(guò)材料的速率，它可以用一下方程來(lái)定義：=A式中，dQ是在時(shí)間dt內(nèi)，在與熱流方向垂直的面積A內(nèi)流過(guò)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(jì)算出熱擴(kuò)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(chēng)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(wú)機(jī)非金屬材料中熱應(yīng)力大小取決于其力學(xué)和熱學(xué)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(wú)機(jī)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(xué)和熱學(xué)性能的綜合體現(xiàn)。無(wú)機(jī)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(jià)理論，但都不同程度地存在著局限性。4.1抗熱震性評(píng)價(jià)理論無(wú)機(jī)材料的熱震破壞可分為兩大類(lèi)：一是熱震（或熱沖擊）作用下的瞬時(shí)斷裂；二是熱震循環(huán)作

18、用下的開(kāi)裂、剝落，終至整體損壞（亦稱(chēng)熱疲勞）。據(jù)此，脆性無(wú)機(jī)材料抗熱震性的評(píng)價(jià)理論也相應(yīng)分為兩種觀點(diǎn)。一種是基于熱彈性理論，以熱應(yīng)力H和材料固有強(qiáng)度f(wàn)之間的平衡條件作為熱震破壞的判據(jù)，當(dāng)Hf即材料固有強(qiáng)度不足以抵抗熱震溫差T所引起的熱應(yīng)力時(shí)，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(xué)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(dāng)WU，即材料中的熱彈性應(yīng)變能足以支付裂紋成核和擴(kuò)展產(chǎn)生新表面所需的能量U時(shí)，裂紋就成核和擴(kuò)展，從而導(dǎo)致材料熱震損傷。基于此觀點(diǎn)的理論以Hasselman的“熱震損傷理論”與“斷裂開(kāi)始和裂紋擴(kuò)展的統(tǒng)一理論”最成功。4.2 熱震剩余強(qiáng)度的預(yù)測(cè)脆性無(wú)機(jī)材料熱震裂紋擴(kuò)展和強(qiáng)度下降的