無(wú)機(jī)材料物理性能總結(jié)

PAGEPAGE6第二章無(wú)機(jī)材料的受力變形應(yīng) 應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e所受的力。力和應(yīng)

名義應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力

正應(yīng)變變 應(yīng)變：用來(lái)描述物體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相對(duì)位移

剪切應(yīng)變彈性形變：各向同性廣義胡克定律：體積模量彈 彈性系數(shù)ks：大小反映了原子間的作用力曲線在r=處斜率的大小性形 彈性剛度系數(shù)大小實(shí)質(zhì)上反映了原子間勢(shì)能曲線極小值尖峭度的大小變機(jī)k理 彈性系數(shù) 測(cè)定式ks架狀結(jié)構(gòu)石英和石英玻璃的架狀結(jié)構(gòu)是三維空間網(wǎng)絡(luò)，幾乎各向同性；彈 晶體結(jié)構(gòu) 雙鏈結(jié)構(gòu)、環(huán)狀結(jié)構(gòu)（島狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)為各向異性，因材料方向性 同而差別很大。模 因?yàn)榇蟛糠止腆w隨溫度升高而發(fā)生熱膨脹量影 溫度：彈性常數(shù)隨溫度升高而降低響

現(xiàn)象，原子間結(jié)合力減弱因此溫度對(duì)彈性剛度系數(shù)的影響，通常用彈因 性剛度系數(shù)的溫度系數(shù)T素

表示。應(yīng)用：溫度補(bǔ)償材料，即一種異常的彈性性質(zhì)材料（Tc是正的)Tc值。例如：低溫石英有一個(gè)方向Tc移式相轉(zhuǎn)變，變成充分膨脹的敞曠高溫型石英結(jié)構(gòu)。Si－O－Si后者除拉伸外，還有鍵角改變，即發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。隨著溫度的增加，其剛度增加，溫度系數(shù)為正值。溫度補(bǔ)償材料具有敞曠結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)單位能發(fā)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)，這種敞曠式結(jié)構(gòu)具有小的配位數(shù)。1復(fù)相的彈性模量1

并聯(lián)模型：Eu=V2E2+(1－V2)E（上限）

對(duì)連續(xù)基體內(nèi)的密閉氣孔，可用經(jīng)驗(yàn)公式：串聯(lián)模型：1/E

=V

+(1－V

)/E（下限）E=E0(1－1.9P+0.9P2)L 2 2 2 1

適用于P≤50%應(yīng)變松弛（或蠕變或徐變：固體材料在恒定荷載下，變形隨時(shí)間延續(xù)而緩慢增加滯 的不平衡過(guò)程，或材料受力后內(nèi)部原子由不平衡到平衡的過(guò)程。當(dāng)外力除去彈 后，徐變變形不能立即消失。性應(yīng)力松弛（或應(yīng)力弛豫：在持續(xù)外力作用下，發(fā)生變形著的物體，在總的變形值保持漸轉(zhuǎn)變到平衡狀態(tài)的過(guò)程。定義：在超過(guò)材料的屈服應(yīng)力作用下，產(chǎn)生形變，外力移去后不能恢復(fù)的形變?；凭w受力時(shí)，其一部分相對(duì)于另一部分發(fā)生的平動(dòng)，就稱為滑移。孿晶其一部分相對(duì)于另一部分發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)，就稱為孿晶?；凭w受力時(shí)，其一部分相對(duì)于另一部分發(fā)生的平動(dòng)，就稱為滑移。孿晶其一部分相對(duì)于另一部分發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)，就稱為孿晶。的晶塑 條格性 件滑形 移變塑性變形 結(jié)論變的機(jī)理

②對(duì)于多晶體，在晶粒中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到晶界就會(huì)塞積下來(lái)，形不成宏觀滑移，更難產(chǎn)生塑性形變。③溫度升高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度加快，對(duì)于一些在常溫下不發(fā)生塑性形變的材料，在面間距大。面間距越大，原子間的作用力越小，易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。面間距大。面間距越大，原子間的作用力越小，易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。c)滑移矢量（柏格斯矢量）小。注：金屬與非金屬晶體滑移難易的比較金屬非金屬由一種離子組成組成復(fù)雜金屬鍵無(wú)方向性共價(jià)鍵或離子鍵有方向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單滑移系統(tǒng)多結(jié)構(gòu)復(fù)雜滑移系統(tǒng)少位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論P(yáng)63移。位錯(cuò)在垂直滑移面方向的運(yùn)動(dòng)稱為位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)。的濃度及擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)?；瑒?dòng)的作用。移。位錯(cuò)在垂直滑移面方向的運(yùn)動(dòng)稱為位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)。的濃度及擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。滑動(dòng)的作用。高 蠕溫 變?nèi)?機(jī)變 理擴(kuò)散蠕變理論：應(yīng)力造成空位濃度差，質(zhì)點(diǎn)由高濃度向低濃度擴(kuò)散，即原晶界蠕變理論：P68影 溫度：溫度升高，蠕變?cè)龃?。由于溫度升高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界滑動(dòng)加快，擴(kuò)響 散系數(shù)增大，對(duì)蠕變有貢獻(xiàn)。蠕變 應(yīng)力：蠕變隨應(yīng)力的增大而增大。素的 晶體組成：結(jié)合力越大，越不易發(fā)生蠕變。以共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)結(jié)合的材料具有因 好的抗蠕變性。素氣孔率：氣孔率增加，蠕變率增加。顯微結(jié)構(gòu)：晶粒尺寸：晶粒越小，蠕變率越大。玻璃相：玻璃相黏度越小，蠕變率增加。玻璃相對(duì)蠕變的影響還取決于玻璃相對(duì)晶相的潤(rùn)濕程度。補(bǔ)充：1、晶界蠕變理論對(duì)蠕變速率有兩種影響：的那些地方。求晶界滑動(dòng)；另一方面，如果蠕變起因于晶界滑動(dòng)，要求擴(kuò)散過(guò)程來(lái)調(diào)整。2、粘性流動(dòng)對(duì)材料致密化的影響：材料在高溫?zé)Y(jié)時(shí)，晶界粘性流動(dòng)，氣孔容納晶?；瑒?dòng)時(shí)發(fā)生的形變，即實(shí)現(xiàn)材料致密化。3、玻璃相對(duì)蠕變的影響還取決于玻璃相對(duì)晶相的潤(rùn)濕程度。如果玻璃相不潤(rùn)濕晶相，則晶將晶粒包微微，自結(jié)合的程度小，形成抗蠕變最弱的結(jié)果。第三章 無(wú)機(jī)材料的脆性斷裂與強(qiáng)度（奧羅萬(wàn)：

th

Ea a是晶格常數(shù)，理論斷裂格林菲斯為了解釋玻璃的理論強(qiáng)度和實(shí) 晶格間距等材料常數(shù)有關(guān)。際強(qiáng)度的差異，提出了微裂紋理論，后逐漸成為脆性斷裂的主要理論基礎(chǔ)。格林菲斯微裂紋理論奧萬(wàn)羅認(rèn)為延性材料受力時(shí)能產(chǎn)生較大的塑性形變，要消耗大量的能量，因此σc提高了。陶瓷材料存在微觀尺寸的裂紋就會(huì)導(dǎo)致在低于理論強(qiáng)度σth

的低應(yīng)力下斷裂，而金屬材料則要求有宏觀尺寸的裂紋才能導(dǎo)致在低應(yīng)力下斷裂，故塑性是阻止裂紋擴(kuò)展的一個(gè)重要因素。端應(yīng)力場(chǎng)分析，得出：

KIc系數(shù)。KI是反映裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng)度因子；Y為幾應(yīng)力強(qiáng)度因子KIY c 何形狀因子，它與裂紋類型、試件的幾何形狀有關(guān)。MPam1( 2 )臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子及斷裂韌性： 其中KIC叫做平面應(yīng)變斷裂韌性。表明應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度KKI 1C

=Y cc

因子小于或等于材料的平面應(yīng)變斷裂韌性時(shí)，材料的使用才是安全的。裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力和阻力：KIC

2E1實(shí)質(zhì)：KIC與材料本征參數(shù)E，γ，μ物理量有直接關(guān)系，也是材料的本征物理量。反映具有裂紋的材料對(duì)于外界作用的一種抵抗能力，即阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料的固有性質(zhì)。起晶體微觀結(jié)構(gòu)中的缺陷； 例如在陶瓷材料基體中加入塑性裂起源材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成的裂紋；粒子或纖維制成金屬陶瓷或復(fù)合紋熱應(yīng)力而形成的裂紋； 料，達(dá)到彌散增韌來(lái)吸收主裂紋的 釋放出的能量一方面使裂紋運(yùn)動(dòng)加速，變成動(dòng)能；向的能量，阻止裂紋的擴(kuò)展。起源快速擴(kuò)展與 多余的能量還能使裂紋增殖，產(chǎn)生分支以形成更多的新表面。展擴(kuò) a.使作用應(yīng)力不超過(guò)臨界應(yīng)力，不使裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展；展防止裂紋斷裂的措施b.在材料中設(shè)置吸收能量的機(jī)構(gòu)，阻止裂紋擴(kuò)展；c.人為地在材料中造成大量極細(xì)微的裂紋（小于臨界尺寸）也能吸收能量，阻止裂紋擴(kuò)展；概念：在使用應(yīng)力下，裂紋隨著時(shí)間的推移而緩慢擴(kuò)展，這種緩慢的擴(kuò)展也叫臨界靜 擴(kuò)展，或稱為靜態(tài)疲勞。態(tài) 應(yīng)力腐蝕理論：腐蝕環(huán)境下裂紋的開(kāi)裂或止裂疲勞 理論高溫下裂紋尖端的應(yīng)力空腔作用；晶粒尺寸：晶粒愈小，強(qiáng)度愈高；脆顯 氣孔的影響：大多數(shù)陶瓷材料的強(qiáng)度和彈性模量都隨氣孔率的增而降低；性微斷結(jié) 晶界相：對(duì)強(qiáng)度不利；裂構(gòu) 試樣的尺寸體積越大，試樣越長(zhǎng)，含有臨界危險(xiǎn)裂紋的概率就越大，斷裂強(qiáng)度的對(duì)影材 越低；響料 加載速率：既存裂紋等缺陷擴(kuò)展有一定的響應(yīng)時(shí)間，即滯后性，加載速率越高，裂紋擴(kuò)展越來(lái)不及響應(yīng)，即對(duì)缺陷的敏感性降低；溫度對(duì)強(qiáng)度的影響；①微晶化、高密度與高純度。細(xì)密均純及提 ②預(yù)加應(yīng)力，熱韌化，淬冷；改高

熱韌化即通過(guò)一定加熱、冷卻制度在表面人為地引入殘余壓應(yīng)力的過(guò)程；淬冷不僅在表面造成壓應(yīng)力，還可使晶粒細(xì)化；善陶 ③化學(xué)強(qiáng)化，通過(guò)改變表面的化學(xué)組成，使表面的摩爾體積比內(nèi)部的大。將表脆瓷 拋光及化學(xué)處理用以消除表面缺陷也能提高強(qiáng)度。性材的料 ④相變?cè)鲰g，利用多相陶瓷中某些相成分在不同溫度的相變，從而增韌的效果。途強(qiáng) （相變?cè)鲰g、微裂紋增韌、表面殘余壓應(yīng)力增韌徑度⑤彌散增韌，在基體中滲入具有一定顆粒尺寸的微細(xì)粉末，達(dá)到增韌的效果。（納米粒子、纖維和晶須韌化）復(fù)合材料增韌的機(jī)理粒子強(qiáng)化的機(jī)理在于粒子可以防止基體內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能量，從而達(dá)到強(qiáng)化的目的。纖維強(qiáng)化的作用以阻止基體內(nèi)的裂紋擴(kuò)展。第四章無(wú)機(jī)材料的熱性能元素的熱容定律(杜隆-珀替定律)：恒壓下元素的原子熱容等于25J/(K·mol)晶 經(jīng)驗(yàn)態(tài) 定律 化合物的熱容定(柯普定)：化合物分子熱容等于構(gòu)成此該化合物各元素固為了解釋晶體固態(tài)熱容經(jīng)典理論體 子熱容之和。為了解釋晶體固態(tài)熱容經(jīng)典理論熱容 但輕元素的原子熱容不能用25J/(K·mol)假設(shè)晶體中所有原子都以相同的頻率振動(dòng)晶體固態(tài)熱容量子理論。但是必須知道諧振子的頻譜；假設(shè)晶體中所有原子都以相同的頻率振動(dòng)愛(ài)因斯坦模型—實(shí)驗(yàn)測(cè)定的曲線下降的更快了些 考慮到了晶體中原子的相互作用考慮到了晶體中原子的相互作用德拜模型—德拜T立方定律，溫度越低符合的愈好。

因?yàn)閷?shí)際晶體中各原子的振動(dòng)不是彼獨(dú)立地一單一的頻率振動(dòng)著，原子振動(dòng)間有耦合作用，當(dāng)溫度很低時(shí)，這一效果尤其顯著。的無(wú) a.無(wú)機(jī)材料的熱容鍵的強(qiáng)、材料彈性模量熔點(diǎn)等有關(guān)影機(jī) b.陶瓷材料的熱容與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系是不大的。響材因料 c.相變時(shí)由于熱量的不連續(xù)變化，所以熱容也出現(xiàn)了突變。素?zé)?d.單位體積的熱容卻與氣孔率有關(guān)。多孔材料因?yàn)橘|(zhì)量輕，所以熱容小，因此提高輕容 隔熱磚的溫度所需要的熱量遠(yuǎn)低于致密的耐火磚。定義：物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象。

llt

其中α料材 固體材料熱膨脹的機(jī)理熱料膨脹 熱容：性熱

其本質(zhì)是原子間的平均距離隨溫度的升高而增加。

為熱膨脹系數(shù)能膨 結(jié)合能、熔點(diǎn)：晶體結(jié)構(gòu)類型相同時(shí)，結(jié)合能大的熔點(diǎn)也高，所以通常熔的脹 點(diǎn)高的膨脹系數(shù)也小。關(guān)與系其 結(jié)構(gòu)：通常結(jié)構(gòu)緊密的晶體膨脹系數(shù)都較大，類似于無(wú)定形的玻璃則有較他 小的膨脹系數(shù)。非等軸系的晶體，各晶軸方向的膨脹系數(shù)不等熱導(dǎo)率λ：?jiǎn)挝粶囟忍荻认?，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位垂直面積的熱量。聲子間碰撞引起的散射是晶體中熱阻的主要來(lái)源。無(wú) 聲子和聲子熱傳導(dǎo)：溫度不太高時(shí)；聲子的碰撞；聲子的平均自由程機(jī) 微觀機(jī)理聲子間碰撞引起的散射是晶體中熱阻的主要來(lái)源。材料 光子熱導(dǎo)：高溫時(shí)；輻射傳熱；的 溫度：熱對(duì)非等軸晶系晶體，膨脹系數(shù)低的方向熱導(dǎo)率最大，溫度升高時(shí)不同方向的熱導(dǎo)率差異趨于減?。欢嗑У臒釋?dǎo)率總比單晶小，高溫比低溫表現(xiàn)明顯；傳 化學(xué)組成：晶體中存在的各種缺陷和雜質(zhì)使熱導(dǎo)率變小，固溶體降低熱導(dǎo)率導(dǎo) 影響因素晶體結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，熱導(dǎo)率越低。對(duì)非等軸晶系晶體，膨脹系數(shù)低的方向熱導(dǎo)率最大，溫度升高時(shí)不同方向的熱導(dǎo)率差異趨于減??；多晶的熱導(dǎo)率總比單晶小，高溫比低溫表現(xiàn)明顯；復(fù)相陶瓷的熱導(dǎo)率：氣孔的影響：定義：材料承受溫度的急劇變化而抵抗破壞的能力，也稱為耐溫度急變抵抗性和熱穩(wěn)定性。 (1)第一熱應(yīng)力因子：R E無(wú)抗熱震斷裂性無(wú)機(jī) (強(qiáng)度-應(yīng)力為 第二