材料性能力學(xué)熱學(xué)性能

會(huì)計(jì)學(xué)1材料性能力學(xué)熱學(xué)性能學(xué)習(xí)本課程后達(dá)到的目標(biāo)1.解釋一些常見現(xiàn)象例如為什么陶瓷與玻璃一摔就碎？2.掌握專業(yè)名詞術(shù)語保證在專業(yè)交流時(shí)不說外行話3.專業(yè)領(lǐng)域的一些基本問題第1頁/共129頁第一章材料的受力形變材料在外力作用下，發(fā)生形狀和大小的變化，稱為形變。σ=F/A0；S=F/A；S=σ（1+?）應(yīng)力分量σxxσyyσzzτxyτyzτzx?=?L/L0;e=∫dL/L=lnL/L0;e=ln(1+?)?xx?yy?zzγxyγyzγzx第2頁/共129頁第3頁/共129頁第4頁/共129頁1.1彈性形變?cè)谕饬ψ饔孟庐a(chǎn)生形變，外力除去后形變可以恢復(fù)的性能。無論變形量大小、應(yīng)力與應(yīng)變是否呈線性關(guān)系，凡彈性形變都是可逆形變。在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系服從虎克定律。

σ=Eε第5頁/共129頁εx=εy=εz=第6頁/共129頁定義泊松比μεy=-μεx=-μ,

εZ=-μ

μ=

εX=第7頁/共129頁一.彈性變形的本質(zhì)處于晶格結(jié)點(diǎn)的離子在力的作用下，在其平衡位置附近產(chǎn)生的微小位移。重要的力學(xué)性能—彈性模量E，表征材料的剛度或?qū)椥宰冃蔚目沽Α是鍵合強(qiáng)度的標(biāo)志。第8頁/共129頁第9頁/共129頁二.影響彈性模量的因素1.鍵合方式共價(jià)鍵，離子鍵，金屬鍵，分子鍵2.顯微組織陶瓷

E=E0（1-1.9P+0.9P2）3.復(fù)相材料設(shè)μ?1=?2

EU=E1V1+E2V2

σ1

=σ2

1/EL=V1/E1+V2/E24.溫度相變時(shí)，E發(fā)生突變。5.外力第10頁/共129頁三.滯彈性（彈性后效）

與時(shí)間有關(guān)的彈性應(yīng)變OABCDEFGHσ?tσ0第11頁/共129頁四.粘彈性彈性和粘性兩種變形機(jī)理同時(shí)存在的力學(xué)性能應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系與時(shí)間有關(guān)恒應(yīng)變下的應(yīng)力弛豫

Er（t）=σ（t）/?0恒應(yīng)力下的應(yīng)變?nèi)渥?/p>

Ec（t）=σ0/?（t）第12頁/共129頁第13頁/共129頁1.2塑性形變

指在外力作用下產(chǎn)生形變，但材料不產(chǎn)生開裂，外力移去后形變不能恢復(fù)的性質(zhì)。

微觀上是相鄰質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生永久性位移，不能回到原來的位置。第14頁/共129頁塑性形變的機(jī)理1.晶格滑移晶體在剪應(yīng)力τ≥τC作用下，一部分相對(duì)另一部分發(fā)生平移滑動(dòng)，是沿滑移系統(tǒng)進(jìn)行的切變過程。滑移面和滑移方向組成晶體的滑移系統(tǒng)。滿足⑴靜電作用條件⑵幾何條件第15頁/共129頁第16頁/共129頁第17頁/共129頁第18頁/共129頁拉伸產(chǎn)生的剪應(yīng)力當(dāng)角與λ角處于同一平面時(shí)，即λ+=900，λ角最小。剪應(yīng)力最大。體心立方金屬（鐵、銅等）滑移系統(tǒng)有48種之多，易于滑移而產(chǎn)生塑性形變．離子鍵或共價(jià)鍵具有明顯的方向性。只有個(gè)別滑移系統(tǒng)才能滿足幾何條件與靜電作用條件。第19頁/共129頁第20頁/共129頁2.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論

實(shí)際晶體的滑移是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果有位錯(cuò)時(shí)的勢(shì)壘高度h‘，金屬為0.1-0.2;陶瓷1.0eV．位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)激活能H(τ)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度第21頁/共129頁第22頁/共129頁宏觀應(yīng)變率，要造成宏觀塑性變形，必須：（1）有足夠的位錯(cuò)；（2）位錯(cuò)有足夠的運(yùn)動(dòng)速度；（3）

b要小。第23頁/共129頁位錯(cuò)形成能

E=aGb2

G為剪切模量，a為幾何因子，其值為0.5-1.0，b為柏氏矢量。柏氏矢量b小容易形成位錯(cuò)，金屬3?，陶瓷5?以上．第24頁/共129頁3.超塑性超塑性是指材料在一定條件下呈現(xiàn)非常大的伸長(zhǎng)率（100%以上）而不發(fā)生縮頸和斷裂的性質(zhì)，比通常塑性變形的伸長(zhǎng)率高10倍以上。相變超塑性，在形變過程中發(fā)生相變。結(jié)構(gòu)超塑性，在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的超塑性。第25頁/共129頁產(chǎn)生超塑性的條件：超細(xì)晶粒0.5～5μ之間；等軸晶粒；一定的溫度：0.4Tm以上。機(jī)制：晶界擴(kuò)散和晶界滑移第26頁/共129頁超塑性現(xiàn)象最早的報(bào)道是在1920年，發(fā)現(xiàn)Zn-Cu-Al合金在低速?gòu)澢鷷r(shí)，可以彎曲近180度。1934年，英國(guó)的C.P.PEARSON發(fā)現(xiàn)Pb-Sn共晶合金在室溫低速拉伸時(shí)可以得到2000%的延伸率。但是由于第二次世界大戰(zhàn)，這方面的研究沒有進(jìn)行下去。六十年代后期及七十年代，世界上形成了超塑性研究的高潮。近幾十年來金屬超塑性已在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中獲得了較為廣泛的應(yīng)用。

第27頁/共129頁鋁合金斷后伸長(zhǎng)50—60%；碳鋼30—40%

優(yōu)異的變形性能和材質(zhì)均勻等特點(diǎn)，在航空航天以及汽車的零部件生產(chǎn)、工藝品制造、儀器儀表殼罩件和一些復(fù)雜形狀構(gòu)件的生產(chǎn)中起到了不可替代的作用。第28頁/共129頁1.3高溫蠕變約比溫度T/Tm高溫:T/Tm>0.5.恒溫恒載荷下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象.(1)蠕變的一般規(guī)律:第29頁/共129頁起始段OA外力作用下發(fā)生的瞬時(shí)彈性形變第一階段蠕變減速階段dε/dt=At-n第二階段穩(wěn)態(tài)蠕變階段dε/dt=K第三階段加速蠕變階段dε/dt=Ktn溫度T提高或增加應(yīng)力,第二階段縮短,甚至消失,試樣經(jīng)過蠕變減速階段后,很快進(jìn)入加速蠕變階段直至斷裂.第30頁/共129頁第31頁/共129頁(2)蠕變機(jī)理第32頁/共129頁位錯(cuò)的熱激活方式:刃位錯(cuò)攀移,螺位錯(cuò)的交滑移,空位擴(kuò)散的隨機(jī)與定向,路徑:體擴(kuò)散與晶界擴(kuò)散晶界滑動(dòng)蠕變晶界為非晶態(tài),發(fā)生粘滯流動(dòng)蠕變斷裂晶界斷裂第33頁/共129頁(3)影響蠕變的因素溫度T提高，改變?nèi)渥儥C(jī)制,Al2O3陶瓷的蠕變機(jī)理；晶界粘滯流動(dòng)及擴(kuò)散系數(shù)增大，蠕變?cè)龃?。?yīng)力σ提高，蠕變?cè)龃?。組成共價(jià)鍵，離子鍵第34頁/共129頁顯微結(jié)構(gòu)氣孔率增加，蠕變率增大；晶粒愈小，晶界比例增加，蠕變率愈大。玻璃相比晶體蠕變大，不潤(rùn)濕晶體時(shí)，抗蠕變性能好；完全潤(rùn)濕時(shí)，形成抗蠕變最弱的結(jié)構(gòu)。比較玻璃陶瓷和晶體的蠕變率第35頁/共129頁第36頁/共129頁1.4高溫下玻璃相的粘性流動(dòng)在粘性流動(dòng)中，剪應(yīng)力與速度梯度成正比

τ=η×dv/dxdv/dx為速度梯度，比例常數(shù)η稱為粘性系數(shù)或粘度，是材料的性能參數(shù)，單位為（Pa·S）。符合這一定律的流體叫牛頓液體。第37頁/共129頁一、流動(dòng)模型——絕對(duì)速率理論模型液體層相對(duì)于鄰層流動(dòng)時(shí)，液體分子從開始的平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)，必須越過勢(shì)壘E。在τ作用下，可以算出流動(dòng)速度?！鱱=2λγ0e-E/kTsinh（τλ1λ2λ3/2kT）

τ=η×dv/dx=η×△u/λ1η=τλ1/△u=τλ1/2λγ0e-E/kTsinh（τλ1λ2λ3/2kT）第38頁/共129頁可以認(rèn)為λ=λ1=λ2=λ3，則η=τexp（E/kT）/2γ0sinh（τV0/2kT）E是勢(shì)壘高度，γ0為頻率，即每秒超過勢(shì)壘的次數(shù)一般實(shí)驗(yàn)條件下，τ很小，V0也很小，所以τV0?kT，可以近似為sinh（τV0/2kT）=τV0/2kT，η=kTeE/kT/γ0V0=η0eE/kT當(dāng)剪應(yīng)力小時(shí)，根據(jù)此模型導(dǎo)出的粘度η和應(yīng)力無關(guān)；當(dāng)剪應(yīng)力大時(shí)，隨著溫度升高，η下降。第39頁/共129頁二、影響粘度的因素1.溫度溫度T升高，η下降。玻璃成型工藝中：熔化階段的η為5-50Pa·S加工階段為103-107Pa·S退火階段為1011.5-1012.5Pa·S。第40頁/共129頁玻璃加工中廣泛使用的兩種T：退火點(diǎn)，相當(dāng)于粘度η為1012.4Pa·S的溫度；軟化點(diǎn)，相當(dāng)于粘度η為106.6Pa·S的溫度。第41頁/共129頁2.時(shí)間在玻璃轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)，形成玻璃液體的粘度取決于時(shí)間，如圖1.25所示3.組成在1600℃時(shí)，熔融石英的粘度由于加入2.5mol℅的K2O而降低了四個(gè)數(shù)量級(jí)。在復(fù)雜的氧化物玻璃中，改性陽離子的加入在任何給定溫度下總會(huì)使粘度降低。第42頁/共129頁第二章脆性斷裂與強(qiáng)度實(shí)際平均應(yīng)力遠(yuǎn)低于理論結(jié)合強(qiáng)度，不產(chǎn)生明顯的塑性形變，導(dǎo)致材料突然斷裂。2.1理論結(jié)合強(qiáng)度在外加正應(yīng)力作用下,晶體中兩個(gè)原子面沿垂直于外力方向拉開所需的應(yīng)力.

第43頁/共129頁第44頁/共129頁第45頁/共129頁理論結(jié)合強(qiáng)度只與材料常數(shù)有關(guān),適用于所有固體材料.σth約為30GPa或E/10.實(shí)際材料約為σth的1/10~1/100。例如熔融石英纖維的強(qiáng)度可達(dá)到24.1GPa，碳化硅晶須強(qiáng)度約為6.47GPa，氧化鋁晶須強(qiáng)度約為15.2GPa。第46頁/共129頁問題1.實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度相差很大;2實(shí)際材料的強(qiáng)度總是在一定范圍內(nèi)波動(dòng);3.尺寸效應(yīng)第47頁/共129頁2.2斷裂強(qiáng)度一、Griffith微裂紋理論1920年Grifith為了解釋玻璃的理論強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度的巨大差異，提出了微裂紋理論。裂紋尖端的應(yīng)力集中A第48頁/共129頁第49頁/共129頁二、斷裂方程物體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能的降低大于等于形成兩個(gè)新表面所需的表面能

第50頁/共129頁應(yīng)變能的降低為：形成新表面需要的表面能為裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展2dc，單位面積所釋放的能量為形成新表面所需的表面能為：第51頁/共129頁因?yàn)椋阂虼伺R界條件是：第52頁/共129頁

與Griffith公式中σC對(duì)應(yīng)的裂紋半長(zhǎng)度c稱為Grifith裂紋，可作為脆性斷裂的判據(jù)。

σth/σC=(C/a)1/2

上式說明，裂紋兩端引起應(yīng)力集中。斷裂方程能說明脆性斷裂的本質(zhì)，解釋強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)、強(qiáng)度的波動(dòng)、實(shí)際材料強(qiáng)度與理論強(qiáng)度的差異。第53頁/共129頁例剛拉制的玻璃棒強(qiáng)度為6GPa，在空氣中放置幾小時(shí)后為0.4GPa；自然狀態(tài)下的NaCl強(qiáng)度為5MPa，除去表面缺陷后為1.6GPa；石英玻璃纖維長(zhǎng)度為12cm時(shí)，強(qiáng)度為275MPa，0.6cm時(shí)為760MPa。第54頁/共129頁γP塑性功，對(duì)于高強(qiáng)度金屬，γP=103γ。陶瓷材料E=300GPa，γ

=1J/m2，如果裂紋尺寸c=1μm，則σC=400MPa；對(duì)于高強(qiáng)度鋼，如果σC仍然為400MPa，則裂紋長(zhǎng)度可達(dá)1.25mm。第55頁/共129頁結(jié)論陶瓷存在微觀裂紋尺寸時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致低應(yīng)力斷裂；金屬要有宏觀尺寸的裂紋，才會(huì)在低應(yīng)力下斷裂。第56頁/共129頁2.3裂紋的起源與快速擴(kuò)展一、裂紋的起源1.位錯(cuò)組合，塞積，交截等；第57頁/共129頁2.表面損傷制造過程中的機(jī)械損傷、化學(xué)腐蝕，形成表面裂紋；3.熱應(yīng)力制造中從高溫冷卻、晶型轉(zhuǎn)變等。

第58頁/共129頁

不同表面情況對(duì)玻璃強(qiáng)度的影響表面情況強(qiáng)度MPa工廠剛制得45.5受沙子嚴(yán)重沖刷后14.0用酸腐蝕后1750第59頁/共129頁二、裂紋的快速擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展力σ增加，G變大，但表面能2γ是常數(shù)，超過臨界值時(shí)裂紋擴(kuò)展，形成惡性循環(huán)。對(duì)于脆性材料，裂紋的起始擴(kuò)展就是斷裂的臨界階段。第60頁/共129頁三、防止裂紋擴(kuò)展的措施使作用應(yīng)力不超過臨界應(yīng)力；在材料中設(shè)置吸收能量的機(jī)構(gòu)，如塑性粒子、纖維；在材料中形成大量極微細(xì)的裂紋；在表面形成壓應(yīng)力層等。第61頁/共129頁2.4顯微結(jié)構(gòu)對(duì)脆性斷裂的影響一、晶粒尺寸形狀Hall-Patch關(guān)系

σf=σ0+kd-1/2

多晶氧化鋁晶粒γ=46J/m2，晶界γ=18J/m2，晶界為薄弱環(huán)節(jié)，沿晶斷裂。第62頁/共129頁晶粒尺寸與原始裂紋尺寸相當(dāng)，晶粒越細(xì)，裂紋尺寸越小，強(qiáng)度越高。扁平晶粒、柱狀晶粒強(qiáng)度?二、氣孔氣孔減小了負(fù)荷面積；引起應(yīng)力集中；晶界上的氣孔往往成為開裂源。第63頁/共129頁三、第二相雜質(zhì)引起應(yīng)力集中降低強(qiáng)度彈性模量E低的第二相降低強(qiáng)度E大的第二相可以提高強(qiáng)度復(fù)相材料或復(fù)合材料第64頁/共129頁2.5斷裂類型

斷裂過程包括裂紋的形成與擴(kuò)展兩個(gè)階段按照材料宏觀塑性變形的程度，可以分為韌性斷裂與脆性斷裂；按照斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展的路徑，分為穿晶斷裂與沿晶斷裂；第65頁/共129頁第66頁/共129頁第67頁/共129頁2.6斷裂韌性Griffith理論在脆性材料中獲得了成功，但在金屬材料中沒有受到重視。從40年代起，金屬材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列脆性斷裂事故，傳統(tǒng)方法很難對(duì)斷裂進(jìn)行分析。在這種背景下，提出了新的斷裂判據(jù)—斷裂韌性，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。第68頁/共129頁一、線彈性條件下的斷裂韌性1.裂紋的擴(kuò)展方式第69頁/共129頁2.裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分析第70頁/共129頁平面應(yīng)力狀態(tài)σZ=0平面應(yīng)變狀態(tài)?Z=0r<<c,θ

0即為裂紋尖端處的一點(diǎn)。第71頁/共129頁二、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KⅠ反映了裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度，稱為~，是一個(gè)力學(xué)參量。

Y為幾何形狀因子，取決于裂紋的形式及試件幾何形狀等。第72頁/共129頁三、斷裂韌性當(dāng)應(yīng)力增大到臨界值時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致材料斷裂，KⅠ也達(dá)到了臨界值，記為KⅠC，即臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，又稱為斷裂韌性。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界條件：KⅠ>KⅠC新的選材準(zhǔn)則KⅠ≤KⅠC=YσCC1/2KⅠC是材料的本征性能，表示抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。第73頁/共129頁四、裂紋擴(kuò)展能量釋放率裂紋擴(kuò)展動(dòng)力GⅠ=πcσ2/EGⅠC=πCσC2/E，也稱為斷裂韌性。根據(jù)GⅠ和GⅠC的相對(duì)大小，可以建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的力學(xué)條件：GⅠ

≥GⅠC第74頁/共129頁KⅠC的物理意義GⅠC與KⅠC的關(guān)系為：GⅠC=K2ⅠC/E對(duì)于脆性材料，GⅠC=2γ則平面應(yīng)變狀態(tài)第75頁/共129頁五、裂韌性的測(cè)定單邊直通切口梁法討論：斷裂強(qiáng)度越大，斷裂韌性是否越大？第76頁/共129頁六、斷裂韌性在工程中的應(yīng)用塑性區(qū)修正問題當(dāng)裂紋尖端附近的應(yīng)力大于等于屈服強(qiáng)度時(shí)，材料發(fā)生塑性形變，改變了裂紋尖端的應(yīng)力分布。通常情況下，σ/σ0.2≥

0.6~0.7時(shí)，就需要修正。采用等效裂紋尺寸a+ry或查公式計(jì)算。第77頁/共129頁

材料選擇一構(gòu)件實(shí)際使用應(yīng)力為1.30GPa，有兩種材料待選：1#鋼ys=1.95GPa；2#鋼ys=1.56GPa1.考慮安全系數(shù)的設(shè)計(jì)方法1#鋼的安全系數(shù)：n＝σys/σ＝1.95/1.30＝1.52#鋼的安全系數(shù)：n＝1.56/1.30＝1.2應(yīng)選擇1#。第78頁/共129頁2.斷裂力學(xué)的方法

Y=1.5,最大裂紋尺寸為1mm.1#鋼KⅠC=45MPa·m1/2;2#鋼KⅠC=75MPa·m1/2

，KⅠ=Yσc1/2=61.7(MPa·m1/2)對(duì)于1#鋼，KⅠ≥KⅠC，會(huì)導(dǎo)致低應(yīng)力下脆性斷裂；對(duì)于2#鋼，KⅠ<KⅠC，所以選擇2#鋼是安全可靠的。第79頁/共129頁也可以計(jì)算斷裂強(qiáng)度：

1#鋼的斷裂應(yīng)力：

2#鋼的斷裂應(yīng)力：σc=1.58GPa1#鋼的σc小于實(shí)際使用應(yīng)力1.30GPa，會(huì)導(dǎo)致低應(yīng)力脆性斷裂；2#鋼的σc大于實(shí)際使用應(yīng)力1.30GPa，因而是安全可靠的。第80頁/共129頁材料開發(fā)陶瓷材料的增韌：設(shè)置裂紋擴(kuò)展過程中的附加能量耗損機(jī)制或擴(kuò)展勢(shì)壘。添加韌性相；設(shè)置微裂紋區(qū)；添加纖維或晶須。第81頁/共129頁2.7提高材料強(qiáng)度及韌性的方法一、微晶、高密度與高純度細(xì)、密、勻、純二、預(yù)加壓應(yīng)力熱韌化與化學(xué)強(qiáng)化三、復(fù)合材料纖維增強(qiáng)四、相變?cè)鲰g馬氏體相變五、彌散增韌化學(xué)與物理相容性第82頁/共129頁2.8材料的硬度材料表面不大體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力1.布氏硬度壓頭采用淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，測(cè)定單位壓痕面積承受的壓力。280HBS10/3000/30500HBW5/750（10—15）壓痕大，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。不宜直接在制品上檢驗(yàn)。第83頁/共129頁第84頁/共129頁

2.洛氏硬度采用金剛石圓錐或淬火鋼球測(cè)壓痕深度規(guī)定0.002mm為一個(gè)硬度單位，k值金剛石壓頭取0.2，淬火鋼球取0.26。HRA20~80；HRB20~100；操作簡(jiǎn)便，壓痕小。不同標(biāo)尺硬度不能進(jìn)行比較、互換。第85頁/共129頁第86頁/共129頁3.維氏硬度采用金剛石四棱錐測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度對(duì)角線長(zhǎng)度mm，載荷為Kgf。640HV30/20顯微硬度載荷gf;對(duì)角線長(zhǎng)度μm第87頁/共129頁第88頁/共129頁4.莫氏硬度陶瓷及礦物常用的劃痕硬度，表示硬度從小到大的順序，分為10級(jí)：滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長(zhǎng)石、石英、黃玉、剛玉、金剛石目前分為15級(jí)：滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長(zhǎng)石、石英玻璃、石英、黃玉、石榴石、熔融氧化鋯、剛玉、碳化硅、碳化硼、金剛石第89頁/共129頁第四章材料的疲勞性能問題：按照KⅠ≤KⅠC選材，是否可以永遠(yuǎn)使用下去？4.1疲勞破壞的概念和特點(diǎn)變動(dòng)載荷長(zhǎng)期作用，因損傷累積引起的斷裂現(xiàn)象，稱為疲勞。變動(dòng)載荷指載荷大小、方向隨時(shí)間而變化。載荷用應(yīng)力來表示。規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力；無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力損傷累積指疲勞裂紋緩慢擴(kuò)展，又稱為裂紋的亞臨界生長(zhǎng)。第90頁/共129頁破壞過程：從局部區(qū)域（疲勞源）開始的損傷累積（疲勞裂紋緩慢擴(kuò)展），最終引起材料破壞（瞬時(shí)斷裂）的過程。斷裂前的工作（服役）時(shí)間稱為疲勞壽命疲勞破壞的特點(diǎn)：1.是一種潛在的突發(fā)性破壞，屬脆性斷裂2.是低應(yīng)力延時(shí)斷裂，涉及疲勞壽命問題3.對(duì)缺陷十分敏感，缺陷引起應(yīng)力集中，加大對(duì)材料的損傷作用。第91頁/共129頁4.2疲勞破壞機(jī)理應(yīng)力腐蝕理論環(huán)境腐蝕使裂紋端部原子間的化學(xué)鍵破壞，導(dǎo)致裂紋緩慢生長(zhǎng)，一旦達(dá)到臨界尺寸，就失穩(wěn)而斷裂。裂紋擴(kuò)展動(dòng)力與阻力，GⅠ=πaσ2/E與2γ表面吸附氣體或液體，使表面能降低，即裂紋擴(kuò)展的阻力降低了，如果小于GⅠC

，就會(huì)導(dǎo)致開裂。新開裂的表面，沒有腐蝕，2γ大于GⅠC，裂紋止裂。構(gòu)成腐蝕-應(yīng)力循環(huán)，形成宏觀上的裂紋緩慢生長(zhǎng)，但GⅠ與a均增大了。直至達(dá)到aC與GⅠC

，導(dǎo)致失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂。第92頁/共129頁第5章材料的磨損性能物體之間有接觸、相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦作用→摩擦力→產(chǎn)生噪音和震動(dòng)→增加能耗→發(fā)熱。對(duì)于材料來說，表面產(chǎn)生了磨損。一、磨損的概念在摩擦作用下，材料表面局部變形與斷裂，且反復(fù)進(jìn)行，分離出磨屑，具有動(dòng)態(tài)特征。磨損曲線見圖6.1二、磨損基本類型1.黏著磨損材料表面某些接觸點(diǎn)壓應(yīng)力超過該處材料屈服強(qiáng)度發(fā)生粘和，并拽開而產(chǎn)生的一種表面損傷磨損。特征是表面有大小不等的結(jié)疤。磨損過程：黏著（冷焊）→剪斷→脫落→再黏著第93頁/共129頁2.磨粒磨損摩擦的兩表面之一存在堅(jiān)硬的細(xì)微突起或在接觸面間存在硬質(zhì)粒子時(shí)產(chǎn)生的磨損。特征：摩擦面上有擦傷或溝槽。在法向應(yīng)力下磨粒在表面形成壓痕，切向應(yīng)力推動(dòng)磨粒前進(jìn)，切削表面形成溝槽。耐磨性與硬度和斷裂韌性的關(guān)系見圖6.103.接觸疲勞兩接觸材料作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r，交變壓應(yīng)力長(zhǎng)期作用使材料表面疲勞損傷，局部區(qū)域出現(xiàn)小片或小塊材料剝落。特征：表面出現(xiàn)痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的麻坑，有疲勞裂紋擴(kuò)展的痕跡。第94頁/共129頁三.陶瓷材料抗沖蝕性能陶瓷材料Al2O3Si3N4SiCTiCAl2O3陶瓷相對(duì)密度70%時(shí)抗沖蝕性能為1相對(duì)密度95~98%時(shí)為6倍；相對(duì)密度100%時(shí)為10倍。高致密度熱壓Si3N4陶瓷比低致密度反應(yīng)燒結(jié)Si3N4的抗沖蝕性能高10倍。在沖蝕磨損服役條件下，應(yīng)選用高致密度陶瓷材料。第95頁/共129頁四、耐磨性耐磨性指材料抵抗磨損的性能，通常用磨損量W表示。磨損量的測(cè)量有稱量法和尺寸法，常用磨損量的倒數(shù)W-1或相對(duì)耐磨性表示?。?=標(biāo)準(zhǔn)試樣的磨損量/被測(cè)樣的磨損量五、提高耐磨性從材料來說主要是表面粗糙度、強(qiáng)度、硬度和韌性。外界條件主要是表面潤(rùn)滑性。第96頁/共129頁第三章材料的熱學(xué)性能第一節(jié)熱學(xué)性能物理基礎(chǔ)晶格熱振動(dòng)一維單原子點(diǎn)陣第n個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)方程其解是振幅為A，角頻率為ω的格波（彈性波），是聲學(xué)波。第97頁/共129頁對(duì)于雙原子點(diǎn)陣，可求解得到兩支頻率不同的格波，頻率ω1較低的稱為聲頻支，較高的ω2稱為光頻支。第98頁/共129頁如果是離子型晶體，當(dāng)異號(hào)離子間有反向位移時(shí)，便構(gòu)成了一個(gè)偶極子。如果從外界輻射入相應(yīng)頻率的紅外光，則立即被晶體強(qiáng)烈吸收，從而激發(fā)總體振動(dòng)。離子晶體具有很強(qiáng)的紅外光吸收特性，這也就是該支格波被稱為光頻支的原因。第99頁/共129頁第二節(jié)材料的熱容一、固體熱容的經(jīng)驗(yàn)定律恒壓下元素的原子熱容等于25J/K.經(jīng)典熱容理論可以圓滿解釋。但在低溫下熱容隨溫度接近0K時(shí)趨向于0，必須用量子理論來解釋。二、愛因斯坦模型假設(shè)所有原子的振動(dòng)頻率相同愛因斯坦特征溫度實(shí)際晶體中原子振動(dòng)不是單一頻率，而是相互之間有耦合，當(dāng)溫度很低時(shí)，這一效應(yīng)尤其顯著。第100頁/共129頁三、德拜模型假設(shè)頻率是0~νmax的譜帶。德拜特征溫度θD德拜T3定律，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分符合。四、影響熱容的因素1.材料結(jié)構(gòu)見圖3.42.溫度通過實(shí)驗(yàn)精確測(cè)定3.相變熱容出現(xiàn)突變第101頁/共129頁第三節(jié)熱膨脹一、熱膨脹的概念及熱膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)αl

第102頁/共129頁體積膨脹系數(shù)設(shè)材料為各向同性的立方體：使用時(shí)必須注意適用的溫度范圍第103頁/共129頁對(duì)于各向異性晶體：第104頁/共129頁二、熱膨脹機(jī)理晶格熱振動(dòng)非簡(jiǎn)諧振動(dòng)平衡位置移動(dòng)第105頁/共129頁考慮第三項(xiàng)：質(zhì)點(diǎn)遠(yuǎn)離時(shí)，F(xiàn)為兩項(xiàng)之差。第106頁/共129頁三、熱膨脹與其它性能的關(guān)系1.與熱容的關(guān)系規(guī)律類似2.與結(jié)合能、熔點(diǎn)的關(guān)系晶體結(jié)構(gòu)相同時(shí)，結(jié)合能大的熔點(diǎn)也高，熱膨脹系數(shù)α小。晶體熱膨脹極限方程Tmα=（VT-V0）/V0=C第107頁/共129頁3.與結(jié)構(gòu)的關(guān)系化學(xué)組成相同的物質(zhì)，結(jié)構(gòu)致密的膨脹系數(shù)大；結(jié)構(gòu)疏松空曠的膨脹系數(shù)小。例如石英與石英玻璃的α

分別為12×10-6和0.5×10-6K-1。有晶型轉(zhuǎn)變時(shí)，α發(fā)生突變。反之，可以利用α的突變來判斷晶型轉(zhuǎn)變。第108頁/共129頁熱膨脹各向異性的晶體如石墨、堇青石、NZP等，其中一個(gè)軸向膨脹系數(shù)α為負(fù)值，表觀α可以很小，甚至為負(fù)值。invar（因瓦）合金，也稱為殷鋼，成分為鎳36％，鐵63.8％，碳0.2％，熱膨脹系數(shù)極低。

1920年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予舍夫勒國(guó)際計(jì)量局的紀(jì)堯姆（CharlesEdouardGuillaume，1861—1938），以承認(rèn)他由于發(fā)現(xiàn)鎳鋼合金的反常特性對(duì)精密計(jì)量物理學(xué)所作的貢獻(xiàn)。第109頁/共129頁產(chǎn)生微開裂的臨界晶粒尺寸為：式中γf是斷裂能，E是彈性模量，Δα為軸向膨脹系數(shù)之差，ΔT為塑性可以忽略的溫度范圍。晶界裂紋和熱膨脹滯后主要發(fā)生在大晶粒樣品及大的樣品中。4.復(fù)合材料熱膨脹Turner公式第110頁/共129頁四、熱膨脹的應(yīng)用陶瓷坯釉適應(yīng)性當(dāng)釉的αg小于坯體的αb時(shí)，在釉層中產(chǎn)生壓應(yīng)力，能明顯提高陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度?！?jiǎng)冇?。若釉層的αg比坯體的αb大，則在釉層中形成拉應(yīng)力，降低陶瓷的力學(xué)性能?！斄选Ｌ沾膳c金屬的焊接，膨脹系數(shù)要匹配第111頁/共129頁第四節(jié)熱傳導(dǎo)一、材料熱傳導(dǎo)的宏觀規(guī)律傅立葉定律導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）λ氣體分子碰撞實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)，λ很小。金屬依靠自由電子，λ很大；無機(jī)材料是格波,λ變化范圍很大。第112頁/共129頁二、固體材料熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理

1.聲子和聲子導(dǎo)熱機(jī)理聲頻波的“量子”稱為聲子，能量為hν。格波的傳播看成聲子的運(yùn)動(dòng)德拜方程聲子的速度第113頁/共129頁2

光子導(dǎo)熱光子，光頻支的能量子。晶格熱振動(dòng)會(huì)輻射出一定頻率范圍的電磁波，波長(zhǎng)在0.4~40μm之間的稱為熱射線，熱射線的傳遞過程即熱輻射，可以看作光子的導(dǎo)熱過程。導(dǎo)熱系數(shù)第114頁/共129頁對(duì)熱射線透明的介質(zhì)，光子平均自由程l較大，例如單晶和玻璃，在773~1273K輻射傳熱已經(jīng)很明顯；完全不透明的介質(zhì)，l=0，輻射傳熱可以忽略。其他情況介于兩者之間，如燒結(jié)陶瓷材料是半透明，l

比玻璃小，輻射傳熱性能不如玻璃。第115頁/共129頁三、影響熱傳導(dǎo)性能的因素1.溫度

T＞θD

，T↑l↓λ↓。2.晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜l↓λ↓；簡(jiǎn)單l↑λ↑。各向異性晶體，膨脹系數(shù)低的方向熱導(dǎo)率大對(duì)于同一種材料，λ：?jiǎn)尉В咎沾桑静ＡХ蔷w的λ在所有溫度下都比晶體小。第116頁/共129頁3.化學(xué)組成

原子量小，θ