材料的力學(xué)性能

1、材料的力學(xué)性能材料在外力作用下發(fā)生形狀和大小的變化稱為形變。根據(jù)移去外力后 形變后能否恢復(fù)，形變分成彈性形變和塑性形變。彈性形變固體受外力作用而使各點(diǎn)間相對(duì)位置的改變，當(dāng)夕卜力撤消后，固體又 恢復(fù)原狀，這種形變稱為彈性形變。應(yīng)力應(yīng)力一般定義為材料單位面積所受的內(nèi)力，即：o=F/A圍繞材料內(nèi)部任意一點(diǎn)P取一體積單元，體積元的6個(gè)面均垂直于 坐標(biāo)軸z、y、z。每個(gè)面上有一個(gè)法向應(yīng)力和兩個(gè)剪應(yīng)力。應(yīng)力分量 的下標(biāo)第一個(gè)字母表示應(yīng)力作用面的法線方向，第二個(gè)字母則表示應(yīng) 力作用的方向。法向應(yīng)力的正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值則表示壓應(yīng)力。 法向應(yīng)力導(dǎo)致材料的伸長(zhǎng)或縮短，剪應(yīng)力引起材料的剪切畸變。應(yīng)變應(yīng)變描述的是在

2、外力作用下物體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相對(duì)位移，應(yīng)變可 分為正應(yīng)變和剪切應(yīng)變兩類。胡克定律以及彈性表征對(duì)于各向同性材料，在彈性形變階段應(yīng)力與應(yīng)變之間存在線性關(guān)系， 稱為胡克定律。8 = O/E式中，E被定義為材料的彈性模量（亦稱楊氏模量。由于應(yīng)變是無(wú) 量綱物理量，所以E的單位和應(yīng)力。單位一致，都是Pa。材料在伸長(zhǎng)的同時(shí)，側(cè)面會(huì)發(fā)生橫向收縮。由此可以定義泊松比P：|J = |8y/8x| = |8Z/8x|金屬材料的泊松比一般介于0.29-0.33之間。大多數(shù)無(wú)機(jī)材料的泊松 比則略小一些，一般為0.2-0.25?？紤]到材料三向受力，引申出廣義胡克定律：8x=ox-p(oy+oz)/E8y=oy-p(ox

3、+oz)/Esz=oz-p(oy+ox)/E彈性模量從原子尺度上看，彈性模量E是原子間結(jié)合強(qiáng)度的一個(gè)標(biāo)志。下圖為 原子間結(jié)合力隨原子間距離的變化關(guān)系曲線，而彈性模量E則與原子 間結(jié)合力曲線上任一受力點(diǎn)處的曲線斜率有關(guān)。在不受外力的情況下， 曲線斜率tana反映了彈性模量E的大小。共價(jià)鍵、離子鍵結(jié)合的晶體結(jié)合力強(qiáng)，E較大；分子間作用力結(jié)合 力弱，E較低。此外，改變?cè)娱g距離也將影響彈性模量。例如壓應(yīng) 力使原子間距離變小曲線上該受力點(diǎn)處的斜率增大因而E將增大； 拉應(yīng)力使原子間距離增加，因而E降低。溫度升高，由于熱膨脹，原 子間距離變大，E降低；溫度降低，E增大。對(duì)于多相材料，彈性模量可以看成是組成

4、該材料的各相彈性模量的加 權(quán)平均值，多相材料的彈性模量一般總是介于高彈性模量成分與低彈 性模量成分的數(shù)值之間。相關(guān)的計(jì)算公式如下，需要重點(diǎn)注意的是氣 孔率對(duì)彈性模量的影響（曾經(jīng)作為計(jì)算題出現(xiàn)，該經(jīng)驗(yàn)式中P為氣 孔率。塑性形變塑性形變是指一種在外力移去后不能恢復(fù)的形變，材料經(jīng)受塑性形變 而不破壞的能力稱為材料的延展性。晶格滑移和孿晶晶體中的塑性形變有兩種基本方式：滑移和孿晶?；剖乔袘?yīng)力作用下晶體的一部分沿一定晶面（滑移面）上的一定方 向（滑移方向）相對(duì)于另一部分發(fā)生的平移滑動(dòng)?；泼婧突品较?往往是晶體中原子排列最密的晶面和晶向，也即晶面和晶相指數(shù)較小。 晶體中每個(gè)滑移面和該面上的一個(gè)滑移方

5、向組成一個(gè)滑移系，滑移系 統(tǒng)越多滑移越容易發(fā)生。在不易滑移的材料（如hcp晶體）中，塑形變形常以孿晶的方式進(jìn) 行。兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面（即特定取向 關(guān)系）構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱為孿晶，此公共晶 面就稱孿晶面。塑性形變的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論實(shí)際晶體的滑移在絕大多數(shù)情況下都是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。位錯(cuò)是一種 線缺陷，在原子排列有缺陷的地方一般勢(shì)能較低，所以位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相對(duì) 于理想晶體中原子的運(yùn)動(dòng)要容易。根據(jù)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)理論，在剪應(yīng)力作用下，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度和塑性形變速 率可以由下式給出：由上式可知，塑性形變速率取決于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度v、位錯(cuò)密度D、 柏氏矢量b和位錯(cuò)增殖系數(shù)c。結(jié)構(gòu)中

6、具有足夠的位錯(cuò)、位錯(cuò)在外力 作用下能以足夠高的速度運(yùn)動(dòng)以及較大的柏氏矢量是一種材料發(fā)生 顯著的宏觀塑性形變的三個(gè)基本前提。最后指出一點(diǎn)，盡管理論分析表明，只要滑移面上的分剪應(yīng)力足夠高， 任何一種晶體材料內(nèi)部的位錯(cuò)都可能以足夠高的速度運(yùn)動(dòng)，從而使得 晶體表現(xiàn)出顯著的塑性形變，但是，對(duì)于大多數(shù)無(wú)機(jī)材料而言，當(dāng)滑 移面上的分剪應(yīng)力尚未增大到能夠使位錯(cuò)以足夠速度運(yùn)動(dòng)之前，此應(yīng) 力可能就已超過(guò)了微裂紋擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力而導(dǎo)致材料發(fā)生脆性 斷裂。Q:為什么無(wú)機(jī)非金屬材料的塑性通常都很差？A ：（1）滑移系統(tǒng)少，而且在多相材料中，不同晶粒的滑移系統(tǒng)的方 向不同，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

7、宏觀滑 移；（2）無(wú)機(jī)非金屬材料原子結(jié)構(gòu)是共價(jià)鍵、離子鍵或者二者的混合 型，破壞這些具有極強(qiáng)方向性的鍵遠(yuǎn)比破壞金屬鍵困難得多（3）對(duì) 于無(wú)機(jī)材料，當(dāng)滑移面上的分剪應(yīng)力尚未增大到能夠使位錯(cuò)以足夠速 度運(yùn)動(dòng)之前，此應(yīng)力可能就已超過(guò)了微裂紋擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力而導(dǎo) 致材料發(fā)生脆性斷裂。蠕變和弛豫材料在應(yīng)力作用下同時(shí)表現(xiàn)出彈性和黏性，這種現(xiàn)象稱為黏彈性，幾 乎所有聚合物都有黏彈性。理想的彈性體在受到應(yīng)力作用時(shí)會(huì)立即引起彈性應(yīng)變，而一且應(yīng)力消 除，彈性應(yīng)變也隨之立刻消除。對(duì)于實(shí)際固體，彈性應(yīng)變的產(chǎn)生與消 除都需要有限的時(shí)間。這種應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的非瞬時(shí)性響應(yīng)，即應(yīng)變落后 于應(yīng)力的現(xiàn)象稱為滯彈性。對(duì)材料施加恒定應(yīng)

8、力，其應(yīng)變隨時(shí)間而增加，這種現(xiàn)象稱為蠕變；控 制材料應(yīng)變恒定，所需施加的應(yīng)力隨時(shí)間而減少，這種現(xiàn)象稱為弛豫。 蠕變分為晶格蠕變和晶界蠕變，晶格蠕變一般造成穿晶斷裂，晶界蠕 變往往造成沿晶斷裂。斷裂強(qiáng)度隨著外加作用應(yīng)力的持續(xù)增大或應(yīng)力作用時(shí)間的延續(xù)，材料在形變達(dá) 到一定程度之后將發(fā)生斷裂。對(duì)于無(wú)機(jī)材料而言，斷裂大致可以分為 兩大類。一類稱為瞬時(shí)斷裂，指的是在以較快的速率持續(xù)增大的應(yīng)力 作用下發(fā)生的斷裂；另一類稱為延遲斷裂，包括材料在以緩慢的速率 持續(xù)增大的外力作用下發(fā)生的斷裂、材料在承受恒定外力作用一段時(shí) 間之后發(fā)生的斷裂以及材料在交變荷載作用一段時(shí)間之后發(fā)生的斷 裂等。延遲斷裂有時(shí)也稱為疲勞斷

9、裂。理論斷裂強(qiáng)度和Griffith微裂紋理論Griffith微裂紋理論指出：微裂紋的存在是材料的實(shí)際強(qiáng)度低于理論 強(qiáng)度的根本原因。Griffith認(rèn)為：材料內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性應(yīng)變能的降低大于由于開(kāi)裂形成 兩個(gè)新表面所需的表面能時(shí)，裂紋將發(fā)生拓展。以上公式形式類似， 若能控制裂紋長(zhǎng)度和原子間距在同一數(shù)量級(jí)，就可以使材料的斷裂強(qiáng) 度達(dá)到理論值。此外，還應(yīng)當(dāng)注意的是，斷裂表面能丫比自由表面能大。這是因?yàn)閮?chǔ) 存的彈性應(yīng)變能除了消耗形成新表面外，還有一部分要消耗在塑性形 變、聲能、熱能等方面。顯微結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)機(jī)材料斷裂性能的影響一般來(lái)說(shuō)，描述陶瓷材料顯微結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要的特征參數(shù)是晶粒尺寸 和氣孔率。總體上說(shuō)，無(wú)

10、機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度隨氣孔率的增大將呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。但 是存在于晶粒內(nèi)部的互不連通的封閉式氣孔，能夠容納變形、阻止裂 紋擴(kuò)展，特別是氣孔呈微小的均勻分散狀態(tài)時(shí)，也有可能導(dǎo)致材料強(qiáng) 度的提高。至于晶粒尺寸，有霍爾-佩奇(Hall-Petch)公式指出：由公式得出，晶粒尺寸越小，斷裂強(qiáng)度越高。斷裂力學(xué)斷裂方式裂紋擴(kuò)展有三種常見(jiàn)方式：掰開(kāi)型、錯(cuò)開(kāi)型、撕開(kāi)型。其中，掰開(kāi)型 的受力擴(kuò)展是低應(yīng)力斷裂的主要原因。斷裂韌性經(jīng)典理論認(rèn)為，當(dāng)使用應(yīng)力。大于允許應(yīng)力。時(shí)，材料發(fā)生斷裂；而 斷裂力學(xué)認(rèn)為，當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI大于材料的斷裂韌性KIC時(shí)， 材料發(fā)生斷裂。無(wú)機(jī)材料增韌設(shè)計(jì)無(wú)機(jī)材料的增韌設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)調(diào)整材

11、料的顯微結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一 步提高材料的裂紋擴(kuò)展阻力。常見(jiàn)的無(wú)機(jī)材料增韌機(jī)理有裂紋偏轉(zhuǎn)增 韌、裂紋橋接增韌、微裂紋增韌和相變?cè)鲰g。裂紋遇到晶界阻礙時(shí)，有兩種情況：穿過(guò)晶界到下一個(gè)晶粒中擴(kuò)展， 這種情況稱為穿晶裂紋擴(kuò)展，造成的斷裂稱為穿晶斷裂；發(fā)生偏轉(zhuǎn)沿 晶界擴(kuò)展，這種情況稱為沿晶裂紋擴(kuò)展，造成的斷裂稱為沿晶斷裂。 裂紋擴(kuò)展過(guò)程中擴(kuò)展方向發(fā)生變化稱為裂紋偏轉(zhuǎn)，由于裂紋偏轉(zhuǎn)，裂 紋擴(kuò)展途徑延長(zhǎng)，裂紋擴(kuò)展消耗的能量提高，從而導(dǎo)致材料斷裂韌性 的提高稱為裂紋偏轉(zhuǎn)增韌。裂紋擴(kuò)展過(guò)程中遇到大晶粒后，擴(kuò)展途徑將發(fā)生顯著變化。隨著裂紋 的進(jìn)一步擴(kuò)展，兩個(gè)相對(duì)裂紋面之間距離的增大將受到大晶粒架橋” 作用的抑制，從而提高材料的裂紋擴(kuò)展阻力，這種增韌機(jī)理稱為裂紋 橋接增韌。微裂紋增韌是指在高度集中的應(yīng)力場(chǎng)誘發(fā)一定數(shù)量的微裂紋來(lái)消耗 裂紋擴(kuò)展的能量，從而提高材料的斷裂韌性。無(wú)機(jī)材料的相變?cè)鲰g主要借助于ZrO2，ZrO2有三種晶型，分別是 常溫單斜相、四方相和高溫立方相。在一定的溫度下，ZrO2由四方 相向單斜相的轉(zhuǎn)變主要有兩個(gè)特征：（1）馬氏體相變；（2）伴隨著