无机材料物理性能总结

1、6第二章 无机材料的受力变形名义应力应力：单位面积所受的力。=f/s应力和应变真实应力正应变剪切应变应变：用来描述物体内部各质点之间的相对位移。弹性形变：各向同性广义胡克定律：体积模量弹性形变机理弹性系数ks ：大小反映了原子间的作用力曲线在r = r0处斜率的大小。弹性刚度系数 大小实质上反映了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。弹性系数ks 测定式架状结构石英和石英玻璃的架状结构是三维空间网络，几乎各向同性； 晶体结构弹性模量影响因素 双链结构、环状结构（岛状结构）、层状结构为各向异性，因材料方向不 因为大部分固体随温度升高而发生热膨胀现象，原子间结合力减弱因此温度对弹性刚度系数的影响，通常

2、用弹性刚度系数的温度系数tc表示。 同而差别很大。 温度：弹性常数随温度升高而降低。应用：温度补偿材料，即一种异常的弹性性质材料（tc是正的)，补偿一般材料的负tc值。例如：低温石英有一个方向tc是正值，低温石英在570oc通过四面体旋转，进行位移式相转变，变成充分膨胀的敞旷高温型石英结构。原因：对高温石英和低温石英施加拉伸应力，前者由于siosi键是直的，仅发生拉伸，后者除拉伸外，还有键角改变，即发生转动运动。随着温度的增加，其刚度增加，温度系数为正值。温度补偿材料具有敞旷结构，内部结构单位能发生较大转动的物质，这种敞旷式结构具有小的配位数。 对连续基体内的密闭气孔，可用经验公式：e=e0(

3、11.9p+0.9p2)适用于p50 %并联模型：eu=v2e2+(1v2)e1（上限）复相的弹性模量串联模型：1/el=v2/e2+(1v2)/e1（下限） 应变松弛（或蠕变或徐变）：固体材料在恒定荷载下，变形随时间延续而缓慢增加 滞弹性 的不平衡过程，或材料受力后内部原子由不平衡到平衡的过程。当外力除去 后，徐变变形不能立即消失。应力松弛（或应力弛豫）：在持续外力作用下，发生变形着的物体，在总的变形值保持不变的情况下，由于徐变变形渐增，弹性变形相应的减小，由此使物体的内部应力随时间延续而逐渐减少。或一个体系因外界原因引起的不平衡状态逐渐转变到平衡状态的过程。定义：在超过材料的屈服应力作用下

4、，产生形变，外力移去后不能恢复的形变。滑移 晶体受力时，其一部分相对于另一部分发生的平动，就称为滑移。孪晶 其一部分相对于另一部分发生的转动，就称为孪晶。a)面间距大。面间距越大，原子间的作用力越小，易产生相对滑动。b)每个面上是同一种电荷的原子，相对滑动面上的电荷相反；c)滑移矢量（柏格斯矢量）小。晶格滑移的条件注：金属与非金属晶体滑移难易的比较 金属由一种离子组成金属键无方向性结构简单 滑移系统多 非金属组成复杂共价键或离子键有方向结构复杂滑移系统少塑性形变 位错运动理论p63无机材料中难以发生塑性形变。当滑移面上的分剪应力尚未使位错以足够速度 运动时，此应力可能已超过微裂纹扩展所需的临界

5、应力，最终导致材料的脆断。对于多晶体，在晶粒中的位错运动遇到晶界就会塞积下来，形不成宏观滑移，更难产生塑性形变。温度升高，位错运动速度加快，对于一些在常温下不发生塑性形变的材料，在高温下具有一定塑性。塑性形变的机理结论塑性形变速率取决于位错运动速度、位错密度、柏格斯矢量、位错的增殖系数，且与其成正比。要引起宏观塑性形变必须要有足够多的位错、位错有一定的运动速度和柏格斯矢量大。 定义：材料在高温下长时间的受到小应力作用，出现蠕变现象，即时间应变的关系。位错的攀移(晶格机理):晶格机理是由于晶体内部的自扩散而使位错进行攀移。位错在垂直滑移面方向的运动称为位错的攀移运动。滑移和攀移的区别：滑移与外力

6、有关；攀移与晶体中的空位和间隙原子的浓度及扩散系数有关。位错攀移是第二阶段蠕变的发生机理，对于多晶材料，晶界起着阻止位错滑动的作用。蠕变机理高温蠕变 扩散蠕变理论：应力造成空位浓度差，质点由高浓度向低浓度扩散，即原子迁移到平行于压应力的晶界，导致晶粒伸长，引起形变。晶界蠕变理论：p68影响蠕变的因素温度：温度升高，蠕变增大。由于温度升高，位错运动和晶界滑动加快，扩散系数增大，对蠕变有贡献。应力：蠕变随应力的增大而增大。晶体组成：结合力越大，越不易发生蠕变。以共价键结构结合的材料具有良好的抗蠕变性。气孔率：气孔率增加，蠕变率增加。显微结构： 晶粒尺寸：晶粒越小，蠕变率越大。玻璃相：玻璃相黏度越小

7、，蠕变率增加。玻璃相对蠕变的影响还取决于玻璃相对晶相的润湿程度。 补充：1、晶界蠕变理论对蠕变速率有两种影响：第一 ，高温下，晶界能彼此相对滑动，使剪应力得到松弛，但增加晶粒内部滑动受限制的那些地方。第二 ，晶界本身是位错源或阱，离晶界约为一个障碍物间距内的位错会消失，而不会对应变硬化有贡献；在晶粒尺寸减小到大约与障碍物间距相当的那些地方，稳定态蠕变速率就有显著增加。扩散蠕变与晶界蠕变是互动的。如果蠕变由扩散过程产生，为了保持晶粒聚在一起，就要求晶界滑动；另一方面，如果蠕变起因于晶界滑动，要求扩散过程来调整。2、 粘性流动对材料致密化的影响：材料在高温烧结时，晶界粘性流动，气孔容纳晶粒滑动时发

8、生的形变，即实现材料致密化。3、玻璃相对蠕变的影响还取决于玻璃相对晶相的润湿程度。如果玻璃相不润湿晶相，则晶粒发生高度自结合作用，抵抗蠕变的性能就好；如果玻璃相完全润湿晶相，玻璃相穿入晶界，将晶粒包微微，自结合的程度小，形成抗蠕变最弱的结果。式中a是晶格常数，理论断裂强度只与弹性模量、表面能、晶格间距等材料常数有关。第三章 无机材料的脆性断裂与强度理论断裂强度（奥罗万）：格林菲斯为了解释玻璃的理论强度和实际强度的差异，提出了微裂纹理论，后逐渐成为脆性断裂的主要理论基础。格林菲斯微裂纹理论：实际材料中总存在许多细小的裂纹或缺陷，在外力的作用下，这些裂纹和缺陷附件就产生应力集中现象，当应力达到一定

9、程度时，裂纹就开始扩展而导致断裂。所以断裂并并不是晶体两部分沿整个横截面被拉断，而是裂纹扩展的结果。如果能够控制裂纹的尺寸在原子间距的数量级上，就可以使材料的临界断裂强度达到理论强度。奥万罗认为延性材料受力时能产生较大的塑性形变，要消耗大量的能量，因此c提高了。陶瓷材料存在微观尺寸的裂纹就会导致在低于理论强度th的低应力下断裂，而金属材料则要求有宏观尺寸的裂纹才能导致在低应力下断裂，故塑性是阻止裂纹扩展的一个重要因素。断裂力学的发展、裂纹尖端应力场分析，得出：ki是与外加应力、裂纹长度c、裂纹种类和受力状态有关的系数。ki是反映裂纹尖端应力场强度的强度因子；y为几何形状因子，它与裂纹类型、试件

10、的几何形状有关。应力强度因子 其中kic叫做平面应变断裂韧性。表明应力场强度因子小于或等于材料的平面应变断裂韧性时，材料的使用才是安全的。实质：kic与材料本征参数e，物理量有直接关系，也是材料的本征物理量。反映具有裂纹的材料对于外界作用的一种抵抗能力，即阻止裂纹扩展的能力，是材料的固有性质。 (单位： )临界应力场强度因子及断裂韧性： 裂纹扩展的动力和阻力： 例如在陶瓷材料基体中加入塑性的粒子或纤维制成金属陶瓷或复合材料，达到弥散增韧来吸收主裂纹方向的能量，阻止裂纹的扩展。晶体微观结构中的缺陷； 起源裂纹的起源与扩展 材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成的裂纹；热应力而形成的裂纹；释放出的能量一

11、方面使裂纹运动加速，变成动能；快速扩展多余的能量还能使裂纹增殖，产生分支以形成更多的新表面。a.使作用应力不超过临界应力，不使裂纹失稳扩展； 防止裂纹断裂的措施 b.在材料中设置吸收能量的机构，阻止裂纹扩展；c.人为地在材料中造成大量极细微的裂纹（小于临界尺寸）也 能吸收能量，阻止裂纹扩展；静态疲劳概念：在使用应力下，裂纹随着时间的推移而缓慢扩展，这种缓慢的扩展也叫临界 扩展，或称为静态疲劳。应力腐蚀理论：腐蚀环境下裂纹的开裂或止裂；理论高温下裂纹尖端的应力空腔作用；显微结构对材料脆性断裂的影响晶粒尺寸：晶粒愈小，强度愈高；气孔的影响：大多数陶瓷材料的强度和弹性模量都随气孔率的增而降低；晶界相

12、：对强度不利；试样的尺寸:体积越大，试样越长，含有临界危险裂纹的概率就越大，断裂强度越低；加载速率：既存裂纹等缺陷扩展有一定的响应时间，即滞后性，加载速率越高， 裂纹扩展越来不及响应，即对缺陷的敏感性降低；热韧化即通过一定加热、冷却制度在表面人为地引入残余压应力的过程；淬冷不仅在表面造成压应力，还可使晶粒细化；温度对强度的影响；提高陶瓷材料强度及改善脆性的途径微晶化、高密度与高纯度。细密均纯；预加应力，热韧化，淬冷；化学强化，通过改变表面的化学组成，使表面的摩尔体积比内部的大。将表面 抛光及化学处理用以消除表面缺陷也能提高强度。相变增韧，利用多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变，从而增韧的效果

13、。（相变增韧、微裂纹增韧、表面残余压应力增韧）弥散增韧，在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉末，达到增韧的效果。 （纳米粒子、纤维和晶须韧化）复合材料增韧的机理粒子强化的机理在于粒子可以防止基体内的位错运动，或通过粒子的塑性形变而吸收一部分能量，从而达到强化的目的。纤维强化的作用在于负荷主要有纤维承担，而基体将负荷传递、分散给纤维，此外纤维还可以阻止基体内的裂纹扩展。第4章 无机材料的热性能晶态固体热容 元素的热容定律(杜隆-珀替定律)：恒压下元素的原子热容等于25 j/(k· mol) 经验 定律 化合物的热容定律(柯普定律)：化合物分子热容等于构成此该化合物各元素原 为了解释晶体

14、固态热容经典理论假设晶体中所有原子都以相同的频率振动考虑到了晶体中原子的相互作用但轻元素的原子热容不能用25 j/(k· mol)因为实际晶体中各原子的振动不是彼独立地一单一的频率振动着，原子振动间有耦合作用，当温度很低时，这一效果尤其显著。 子热容之和。 晶体固态热容量子理论。但是必须知道谐振子的频谱； 爱因斯坦模型实验测定的曲线下降的更快了些 德拜模型德拜t立方定律，温度越低符合的愈好。a.无机材料的热容与键的强度、材料的弹性模量、熔点等有关。b.陶瓷材料的热容与材料结构的关系是不大的。c.相变时由于热量的不连续变化，所以热容也出现了突变。d.单位体积的热容却与气孔率有关。多孔材

15、料因为质量轻，所以热容小，因此提高轻质 隔热砖的温度所需要的热量远低于致密的耐火砖。 ，其中为热膨胀系数定义：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象无机材料热容的影响因素。其本质是原子间的平均距离随温度的升高而增加。材料热膨胀 固体材料热膨胀的机理：p115 热膨胀与其他性能的关系 热容： 结合能、熔点：晶体结构类型相同时，结合能大的熔点也高，所以通常熔 点高的膨胀系数也小。 结构：通常结构紧密的晶体膨胀系数都较大，类似于无定形的玻璃则有较 小的膨胀系数。 非等轴系的晶体，各晶轴方向的膨胀系数不等 热导率：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热无机材料的热传导量。 声子和声子热传导：温度不太高时；声子的碰撞；声子的平均自由程；声子间碰撞引起的散射是晶体中热阻的主要来源。 微观机理 光子热导：高温时；辐射传热； 温度： 化学组成：晶体中存在的各种缺陷和杂质使热导率变小，固溶体降低热导率； 影响因素 晶体结构：结构越复杂，热导率越低。对非等轴晶系晶体，膨胀系数低的方向热导率最大，温度升高时不同方向的热导率差异趋于减小；多晶的热导率总比单晶小，高温比低温表现明显； 复相陶瓷的热导率：气孔的影响：定义：材料