無機材料力學性能

讀書報告第一章無機材料的受力形變一、基礎知識 （參考〈〈材料物理性能》關振鐸、張中太等編著。清華大學出版社）1、應力（T下標的含義（第五頁）單位面積上所受的內力稱為應力 F/A（T下標：第一個字母表示應力作用面的法線方向；第二個字母表示應力作用的方向。應力分量應力分量2、 彈性形變：在外力作用下，物體發(fā)生形變，當外力撤消后，物體能恢復原狀，則這樣的形變叫做彈性形變。例如彈簧。3、 滯彈性：無機固體和金屬這種與時間有關的彈性。4、 粘彈性：一些非晶體，有時甚至多晶體在比較小的應力時可以同時表現(xiàn)出彈性和粘性。5、 應變與蠕變：應變是用來描述物體內部各質點之間的相對位移的。一根長度為Lo的桿，在單向拉應力作用下被拉長到 L1,則應變的定義為： c二（L1—Lo）/Lo=△L/Lo。當對粘性體施加一恒定力時，其應變隨時間而增加，此現(xiàn)象叫蠕變。6應力弛豫：施加一恒定應變，則應力將隨時間而減少，此現(xiàn)象叫弛豫。7、 塑性行變：指一種在外力移去后不能恢復的形變。8、 超塑性：指在一應力作用下產生異常大的拉伸形變而不發(fā)生破壞的能力。9、滑移系統(tǒng)：在切應力作用下，晶體的一部分沿一定的結晶學平面上的一定結晶學方向相對于晶體的另一部分進行移動，使晶面上的原子從一個穩(wěn)定平衡位置移至另一個平衡位置的過程晶體的滑移過程如圖1所示滑移是金屬晶體塑性變形的主要方式在滑移過程中，晶體的位向不發(fā)生改變，已滑移和未滑移部分仍保持位向的一致；每次滑移量均為晶體在滑移方向上原子間距的整倍數， 這個滑移量在應力去除后不能恢復。大量滑移的累積，構成晶體宏觀的塑性變形晶體的滑移分單晶體滑移與多晶體滑移。圖i晶體滑移過程示意彳復一滑移前*由-滑移中；〈滑移后滑移面和滑動方向組成晶體的滑移系統(tǒng)。晶體滑移示意圖二、對彈性模量的理解與應用材料在彈性變形階段，其應力和應變成正比例關系（即符合胡克定律），其比例系數稱為彈性模量。彈性模量的單位是達因每平方厘米。 “彈性模量”是描述物質彈性的一個物理量，是一個總稱。彈性模量E是原子間結合強度的一個標志，是一常數。彈性模量E與原子結合力線上任一點受力點的曲線斜率有關。 彈性模量越大，原子結合力越強；原子間距越小。彈性模量越大。彈性模量可視為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應力作用下，發(fā)生彈性變形越小。彈性模量E是指材料在外力作用下產生單位彈性變形所需要的應力。三、 為什么常溫下陶瓷材料易碎而金屬材料摔不碎 （參考《材料物理，性能》關振鐸、張中太等編著。清華大學出版社）與金屬材料相比，陶瓷材料有極高的強度，其彈性模量比金屬大很多。但大多數陶瓷材料缺乏塑性變形能力和韌性，極限應變小于 0.1%~0.2%，在外力的作用下呈現(xiàn)脆性，并且抗沖擊、抗熱沖擊能力也很差脆件斷裂往往導致了材料被破壞。一般的陶瓷材料在室溫下塑性為零，這是因為大多數陶瓷材料晶體結構復雜、滑移系統(tǒng)少，位錯生成能高 ，而且位錯的可動性差。金屬材料一般具有五個以上滑移系統(tǒng)，錯位容易運動，塑性變形容易，無論單晶還是多晶都是延性的；陶瓷材料在常溫下幾乎是完全脆性的，只有高溫時才表現(xiàn)出一定塑性形變，它的滑移系統(tǒng)少，滑移系統(tǒng)之間相互作用以及存在大量的晶界。錯位滑移困難。許多陶瓷材料，晶體結構復雜，對稱性低，點陣常數大，不易形成位錯，且能滿足滑移小距離后復原的條件晶面很少。四、 顯微結構對蠕變的影響1） 氣孔：隨著氣孔率增加，蠕變也增大。因為氣孔減少了抵抗蠕變的有效截面積。2） 晶粒尺寸：晶粒越小，蠕變率越大。因為晶粒越小，晶界的比例大大增加，晶界擴散及晶界流動對蠕變的貢獻也就增大。3） 玻璃相：當溫度升高，玻璃相的粘度降低，因而變形速率增大，亦即蠕變率增大，非晶態(tài)玻璃的蠕變率比結晶態(tài)要大得多。玻璃相對蠕變的影響還取決于玻璃相對晶相的濕潤程度。不濕潤晶相，在晶界處為晶粒與晶粒結合，抵抗蠕變性能好；完全濕潤，形成抗蠕變弱結構。第二章材料脆性斷裂與強度一、理解記憶（Tth、（Tc、Kic公式，硬度的表示法（Tth:為理論結合強度。（Tth=2n丫/入=（E丫/a）?（TC：臨界應力。（TC=（2E丫/nC）?KIC:裂紋有三種擴展方式或類型：K1C：裂紋有三種擴展方式或類型：掰開性（I）、錯開性（U）、及撕開型（M）,KIC名為平面應變斷裂韌性。KC=..2E平面應力狀態(tài)KCj:丘心平面應變狀態(tài)硬度表示法：金屬材料常用的硬度測量方法是再靜負載下將一個硬的物體壓入材料，這樣測量的硬度主要僅反映材料抵抗破壞的能力。陶瓷及礦物材料常用的劃痕硬度叫做莫氏硬度，它只表示硬度由大到小的順序。不表示軟硬的程度。布氏硬度法主要用來測量金屬材料中較軟及中等硬度的材料， 很少用于陶瓷；維氏硬度法及努普硬度法都適應于較硬的材料也用于測量陶瓷的硬度； 洛氏硬度法測量的范圍較廣，采用不同的壓頭和負載可以得到15種標準洛氏硬度。A、 布氏硬度（HB用一定直徑的鋼球或硬質合金球，以規(guī)定的試驗力4）壓入式樣表面，經規(guī)定保持時間后卸除試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑（ L）。布氏硬度值是以試驗力除以壓痕球形表面積所得的商。以HBS（鋼球）表示，單位為N/mm2（MPa。B、 洛氏硬度（HR洛氏硬度試驗同布氏硬度試驗一樣，都是壓痕試驗方法。不同的是，它是測量壓痕的深度。即，在初邕試驗力（Fo）及總試驗力（F）的先后作用下，將壓頭壓入試樣表面，經規(guī)定保持時間后，卸除主試驗力，用測量的殘余壓痕深度增量（e）計算硬度值。C、 維氏硬度（HV維氏硬度試驗也是一種壓痕試驗方法，是將一個相對面夾角為 136度的正四棱錐體金剛石壓頭以選定的試驗力牛）壓入試驗表面，經規(guī)定保持時間后卸除試驗力，測量壓痕兩對角線長度。二、 高強度材料的特征，實際強度與理論強有什么差異，強度的尺寸效應，強度的分散性E和丫要大，而裂紋尺寸要小。對于實際結合強度，只有克服原子間結合力，材料才能斷裂。如果知道原子間結合力的細節(jié)，即知道應力-應變曲線的精確方式，就可算出理論結合強度。3由于試件長，含有危險裂紋的機會就多，對于大試件來說，強度偏低。4.韋伯模數m越大，材料越均勻，材料的強度分散性越小。強度的尺寸效應強度的尺寸效應：由于同種材料中大尺寸材料比小尺寸材料包含的裂紋數目更多，似的大尺寸材料的斷裂強度較低，這就是強度的尺寸效應。強度的分散型：由于裂紋的長度在材料內的分布是隨機的有大有小，所以臨界應力也是有大有小的，具有分散的統(tǒng)計性三、 顯微結構對強度的影響1) 晶粒尺寸的影響對于大多數多晶材料，晶粒越小，強度越周。一方面因為致密多晶材料內部的缺陷尺寸與晶粒尺寸有著直接或間接的關系；另一方面斷裂能是顯微結構的敏感參數。2)氣孔的影響隨氣孔率的增加，材料強度將呈指數規(guī)律降低。因為氣孔的存在不但使材料的實際受力面積減小，而且還會在周圍引起應力集中。四、 斷裂韌性在設計選材方面的應用當裂紋尖端應力強度因子達到某一臨界值Kic時，裂紋及失穩(wěn)擴散而導致斷裂，此時的臨界應力強度因子即稱為平面應變斷裂韌性，簡稱斷裂韌性。材料的斷裂韌性、斷裂應力（或臨界應力）與特定受拉應力區(qū)中最長的一條裂紋的裂紋長度有如下關系（K）廠Kc二丫％c材料的斷裂韌性KIc是材料的本征參數，幾何形狀因子丫在給定實驗方法后也是常數。由上式可知，材料的臨界應力（Tc只隨材料中最大裂紋長度c變化。由于裂紋的長度在材料內的分布是隨機的，有大有小，所以臨界應力也是有大有小，具有分散的統(tǒng)計性，因此在材料抽樣試驗時，有的試樣Tc大，有的小。當KKKIc時，材料是安全的，當KI>KIc時，材料就要發(fā)生斷裂。這就是說應力強度因子應小于或等于材料的平面應變斷裂韌性，所設計的構件是安全的。五、 提高陶瓷材料強度的案例（SEM,TEM（《無機非金屬材料性能》賈德昌、宋桂明等編著?？茖W出版社）影響陶瓷材料強度的因素是多方面的，材料強度的本質是內部質點（原子、離子、分子）間的結合力，為了使材料實際強度提高到理論強度的數值，長期以來進行了大量研究。從對材料的形變及斷裂的分析可知，在晶體結構既定的情況下，控制強度的主要因素有三個，即彈性模量E,斷裂功和裂紋尺寸。其中E是非結構敏感的，與微觀結構有關，但對單相材料，微觀結構對強度的影響不大，唯一可以控制的是材料中的微裂紋，可以把微裂紋理解為各種缺陷的總和。表面殘余壓應力增韌：陶瓷材料可以通過引入殘余壓應力達到增強韌化的目的?？刂坪瑥浬⑺姆筋w粒的陶瓷在表層發(fā)生四方相向單斜相相變，引起表面體積膨脹而獲得表面殘余壓應力。由于陶瓷斷裂往往起始于表面裂紋 ，表面殘余壓應力有利于阻止表面裂紋的擴展，從而起到了增強增韌的作用。一種提高陶瓷/金屬釬焊界面焊后強度、抗震抗力的方法。在陶瓷與金屬的焊接界面之間加入一層金屬Mo網，通過對釬料的網狀分割作用，使得釬料在結合界面上的大尺寸凝固收縮，變成了許多小熔區(qū)的獨立凝固收縮，在相鄰小網孔之間產生了反向應力互消的作用，從而使得整個結合面上的殘余應力大幅度降低，通過對兩種不同的釬料的實驗，加金屬Mo網后，其焊后強度均提高了50%以上，經700E抗震處理（淬水），剩余強度也分別提高 180%和130%。六、 提高陶瓷斷裂韌性的案例相變增韌：利用多晶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，統(tǒng)稱為相變增韌。例如，利用ZrO2的馬氏體相變來改善陶瓷材料的力學性能，是目前引人注目的研究領域。研究了多種？的相變增韌，由四方相轉變成單斜相體積增大3%~5%,如部分穩(wěn)定ZrO2（psz）,四方多晶ZrO2陶瓷（TZP）,ZrO2增韌AI2O3陶

瓷(ZTA),ZrO2增韌莫來石陶瓷(ZTM),ZrO2增韌尖晶石陶瓷ZrO2,增韌鈦酸鋁陶瓷ZrO2,增韌Si3N4陶瓷，增韌SiC以及增韌SiAION等。其中PSZ陶瓷較為成熟,TZP5ZTA5ZTM研究得也較多,PS乙TZP,ZTA等的新裂韌性Kic已達但溫度升高時，相變增韌失效。當部分穩(wěn)定ZrO21115MPam1/2X_但溫度升高時，相變增韌失效。當部分穩(wěn)定ZrO2~ ，有的高達MPam，陶瓷燒結致密后，四方相ZrO2顆粒彌散分布于其他陶瓷基體中(包括ZrO2本身)，冷卻時亞穩(wěn)四方相顆粒受到基體的抑制而處于壓應力狀態(tài)，這時基體沿顆粒連線方向也處于壓應力狀態(tài)。材料在外力作用下所產生的裂紋尖端附近由于應力集中的作用，存在張應力場，從而減輕了對四方相顆粒的束縛，在應力的誘發(fā)作用下會發(fā)生向單斜相的轉變并發(fā)生體積膨脹，相變和體積膨脹的過程除消耗能量夕卜，還將在主裂紋作用區(qū)產生壓應力，二者均阻止裂紋的擴展，只有增加外力做功才能使裂紋繼續(xù)擴展，于是材料強度和新裂韌性大幅度提高。因此，這種微結構會產生三種不同的增韌機理。在氧化鋯中具有亞穩(wěn)態(tài)四方相的盤狀沉淀的微粒，如下圖所示。首先，隨著裂紋發(fā)展導致的應力增加。會使四方結構的沉淀相通過馬氏體相變轉變?yōu)閱涡苯Y構，這一相變吸收了能量并導致體積膨脹產生張應力。這種微區(qū)的形變在裂紋附近尤為明顯。其次，相變的粒子周圍的應力場會吸收額外的能量，并形成許多微裂紋。這些微結構的變化有效地降低了裂紋尖端附近的有效應力強度。第三，由于沉淀顆粒對裂紋的阻滯作用和局域殘余應力場的效應，會引起裂紋的偏轉。裂紋偏轉又引起裂紋的表面積和有效表面能增加， 從而增加材料的韌性。上述的情況同樣適甩于粒子和短纖維強化的復合材料中。(a) (b)(a) (b)(a)明亮的扁平橢圓形區(qū)域是立方結構的氧化鋁基底中的四方結構氧化鋯；(b)形變區(qū)在臨界裂紋的一個薄層內，明亮的部分是變形單余氧化鋯相變增韌氧化鋯利用多晶多相陶瓷中有些相在不同溫度