無機材料物理性能總結(jié)

PAGEPAGE6第二章無機材料的受力變形應 應力：單位面積所受的力。力和應

名義應力真實應力

正應變變 應變：用來描述物體內(nèi)部各質(zhì)點之間的相對位移

剪切應變彈性形變：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)大小實質(zhì)上反映了原子間勢能曲線極小值尖峭度的大小變機k理 彈性系數(shù) 測定式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，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 因為大部分固體隨溫度升高而發(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。應用：溫度補償材料，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)動運動。隨著溫度的增加，其剛度增加，溫度系數(shù)為正值。溫度補償材料具有敞曠結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)單位能發(fā)生較大轉(zhuǎn)動的物質(zhì)，這種敞曠式結(jié)構(gòu)具有小的配位數(shù)。1復相的彈性模量1

并聯(lián)模型：Eu=V2E2+(1－V2)E（上限）

對連續(xù)基體內(nèi)的密閉氣孔，可用經(jīng)驗公式：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%應變松弛（或蠕變或徐變：固體材料在恒定荷載下，變形隨時間延續(xù)而緩慢增加滯 的不平衡過程，或材料受力后內(nèi)部原子由不平衡到平衡的過程。當外力除去彈 后，徐變變形不能立即消失。性應力松弛（或應力弛豫：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)的過程。定義：在超過材料的屈服應力作用下，產(chǎn)生形變，外力移去后不能恢復的形變。滑移晶體受力時，其一部分相對于另一部分發(fā)生的平動，就稱為滑移。孿晶其一部分相對于另一部分發(fā)生的轉(zhuǎn)動，就稱為孿晶?；凭w受力時，其一部分相對于另一部分發(fā)生的平動，就稱為滑移。孿晶其一部分相對于另一部分發(fā)生的轉(zhuǎn)動，就稱為孿晶。的晶塑 條格性 件滑形 移變塑性變形 結(jié)論變的機理

②對于多晶體，在晶粒中的位錯運動遇到晶界就會塞積下來，形不成宏觀滑移，更難產(chǎn)生塑性形變。③溫度升高，位錯運動速度加快，對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)生相對滑動。面間距大。面間距越大，原子間的作用力越小，易產(chǎn)生相對滑動。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雜金屬鍵無方向性共價鍵或離子鍵有方向結(jié)構(gòu)簡單滑移系統(tǒng)多結(jié)構(gòu)復雜滑移系統(tǒng)少位錯運動理論P63移。位錯在垂直滑移面方向的運動稱為位錯的攀移運動。的濃度及擴散系數(shù)有關(guān)?；瑒拥淖饔?。移。位錯在垂直滑移面方向的運動稱為位錯的攀移運動。的濃度及擴散系數(shù)有關(guān)?；瑒拥淖饔谩８?蠕溫 變?nèi)?機變 理擴散蠕變理論：應力造成空位濃度差，質(zhì)點由高濃度向低濃度擴散，即原晶界蠕變理論：P68影 溫度：溫度升高，蠕變增大。由于溫度升高，位錯運動和晶界滑動加快，擴響 散系數(shù)增大，對蠕變有貢獻。蠕變 應力：蠕變隨應力的增大而增大。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。玻璃相對蠕變的影響還取決于玻璃相對晶相的潤濕程度。補充：1、晶界蠕變理論對蠕變速率有兩種影響：的那些地方。求晶界滑動；另一方面，如果蠕變起因于晶界滑動，要求擴散過程來調(diào)整。2、粘性流動對材料致密化的影響：材料在高溫燒結(jié)時，晶界粘性流動，氣孔容納晶?；瑒訒r發(fā)生的形變，即實現(xiàn)材料致密化。3、玻璃相對蠕變的影響還取決于玻璃相對晶相的潤濕程度。如果玻璃相不潤濕晶相，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 無機材料的脆性斷裂與強度（奧羅萬：

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度和實 晶格間距等材料常數(shù)有關(guān)。際強度的差異，提出了微裂紋理論，后逐漸成為脆性斷裂的主要理論基礎。格林菲斯微裂紋理論奧萬羅認為延性材料受力時能產(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導致在低于理論強度σth

的低應力下斷裂，而金屬材料則要求有宏觀尺寸的裂紋才能導致在低應力下斷裂，故塑性是阻止裂紋擴展的一個重要因素。端應力場分析，得出：

KIc系數(shù)。KI是反映裂紋尖端應力場強度的強度因子；Y為幾應力強度因子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 )臨界應力場強度因子及斷裂韌性： 其中KIC叫做平面應變斷裂韌性。表明應力場強度KKI 1C

=Y cc

因子小于或等于材料的平面應變斷裂韌性時，材料的使用才是安全的。裂紋擴展的動力和阻力：KIC

2E1實質(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于外界作用的一種抵抗能力，即阻止裂紋擴展的能力，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械損傷與化學腐蝕形成的裂紋；粒子或纖維制成金屬陶瓷或復合紋熱應力而形成的裂紋； 料，達到彌散增韌來吸收主裂紋的 釋放出的能量一方面使裂紋運動加速，變成動能；向的能量，阻止裂紋的擴展。起源快速擴展與 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 a.使作用應力不超過臨界應力，不使裂紋失穩(wěn)擴展；展防止裂紋斷裂的措施b.在材料中設置吸收能量的機構(gòu)，阻止裂紋擴展；c.人為地在材料中造成大量極細微的裂紋（小于臨界尺寸）也能吸收能量，阻止裂紋擴展；概念：在使用應力下，裂紋隨著時間的推移而緩慢擴展，這種緩慢的擴展也叫臨界靜 擴展，或稱為靜態(tài)疲勞。態(tài) 應力腐蝕理論：腐蝕環(huán)境下裂紋的開裂或止裂疲勞 理論高溫下裂紋尖端的應力空腔作用；晶粒尺寸：晶粒愈小，強度愈高；脆顯 氣孔的影響：大多數(shù)陶瓷材料的強度和彈性模量都隨氣孔率的增而降低；性微斷結(jié) 晶界相：對強度不利；裂構(gòu) 試樣的尺寸體積越大，試樣越長，含有臨界危險裂紋的概率就越大，斷裂強度的對影材 越低；響料 加載速率：既存裂紋等缺陷擴展有一定的響應時間，即滯后性，加載速率越高，裂紋擴展越來不及響應，即對缺陷的敏感性降低；溫度對強度的影響；①微晶化、高密度與高純度。細密均純及提 ②預加應力，熱韌化，淬冷；改高

熱韌化即通過一定加熱、冷卻制度在表面人為地引入殘余壓應力的過程；淬冷不僅在表面造成壓應力，還可使晶粒細化；善陶 ③化學強化，通過改變表面的化學組成，使表面的摩爾體積比內(nèi)部的大。將表脆瓷 拋光及化學處理用以消除表面缺陷也能提高強度。性材的料 ④相變增韌，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 （相變增韌、微裂紋增韌、表面殘余壓應力增韌徑度⑤彌散增韌，在基體中滲入具有一定顆粒尺寸的微細粉末，達到增韌的效果。（納米粒子、纖維和晶須韌化）復合材料增韌的機理粒子強化的機理在于粒子可以防止基體內(nèi)的位錯運動能量，從而達到強化的目的。纖維強化的作用以阻止基體內(nèi)的裂紋擴展。第四章無機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)假設晶體中所有原子都以相同的頻率振動晶體固態(tài)熱容量子理論。但是必須知道諧振子的頻譜；假設晶體中所有原子都以相同的頻率振動愛因斯坦模型—實驗測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。

因為實際晶體中各原子的振動不是彼獨立地一單一的頻率振動著，原子振動間有耦合作用，當溫度很低時，這一效果尤其顯著。的無 a.無機材料的熱容鍵的強、材料彈性模量熔點等有關(guān)影機 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.相變時由于熱量的不連續(xù)變化，所以熱容也出現(xiàn)了突變。素熱 d.單位體積的熱容卻與氣孔率有關(guān)。多孔材料因為質(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低于致密的耐火磚。定義：物體的體積或長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：晶體結(jié)構(gòu)類型相同時，結(jié)合能大的熔點也高，所以通常熔的脹 點高的膨脹系數(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)不等熱導率λ：單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過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源。無 聲子和聲子熱傳導：溫度不太高時；聲子的碰撞；聲子的平均自由程機 微觀機理聲子間碰撞引起的散射是晶體中熱阻的主要來源。材料 光子熱導：高溫時；輻射傳熱；的 溫度：熱對非等軸晶系晶體，膨脹系數(shù)低的方向熱導率最大，溫度升高時不同方向的熱導率差異趨于減??；多晶的熱導率總比單晶小，高溫比低溫表現(xiàn)明顯；傳 化學組成：晶體中存在的各種缺陷和雜質(zhì)使熱導率變小，固溶體降低熱導率導 影響因素晶體結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)越復雜，熱導率越低。對非等軸晶系晶體，膨脹系數(shù)低的方向熱導率最大，溫度升高時不同方向的熱導率差異趨于減??；多晶的熱導率總比單晶小，高溫比低溫表現(xiàn)明顯；復相陶瓷的熱導率：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)第一熱應力因子：R E無抗熱震斷裂性無機 (強度-應力為 第二