第三章 无机非金属材料的性能.ppt

第三章无机非金属材料的性能,各种材料的特性,强度高，延展性好良导体不透明表面光滑有光泽,硬而脆不良导体耐高温耐严酷环境,电绝缘，热绝缘磁惰性，化学惰性重量轻透明韧性好,金属材料,聚合物,无机材料,第一节力学性能,材料的力学性能材料在各种不同工作情况下（载荷、速度、温度等），从受力（静力或动力）至破坏的全过程中所呈现出的力学特征。,一、弹性二、脆性三、塑性四、韧性五、力学强度六、无机材料的高温行为,大多数无机非金属材料塑性变形范围很小或几乎没有，通常表现为脆性。,一、弹性,在一定应力-应变极限内，无机非金属材料服从于胡克定律，即,=E,反映了晶体成分和玻璃成分的结合强度。,在两相系统中，总弹性模量在高弹性模量成分和低弹性模量成分之间。若两相系统的泊松比相同，在力的作用下的应变相同，则：,E=E1V1+E2V2,式中，E1和E2分别为第一相及第二相成分的弹性模量。V1和V2分别为第一相及第二相成分的体积分数。,1.弹性模量,对连续基体内的密闭气孔，可用下面经验公式：E=Eo(11.9P+0.9P2)适用于P50,2.影响弹性模量的因素,（2）孔结构E随着孔体积的提高而降低长形孔比球形孔对E的值影响大,（4）材料的密实性，显微结构的组成及前期工艺,（1）晶体结构,（3）温度大部分固体，受热后渐渐开始变软，弹性常数随温度升高而降低。,二、脆性,1.脆性的共同特征（1）脆性材料受力破坏时，无显著的变形，而是突然断裂；（2）一般断裂面较粗糙，延展率和断面收缩率都很小。,2.脆性断裂,材料的脆性变形要求出现裂纹并发生扩展。,（1）裂纹的来源：,（a）由于晶体微观结构中存在缺陷。当受到外力作用时，在这些缺陷处就会引起应力集中，导致裂纹成核。,图1位错形成微裂纹示意图（a）组合（b）塞积（c）交截,（b）材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹。,（c）由热应力形成裂纹。,图2由于热应力形成的裂纹,（2）裂纹的扩散,前提：材料中存在裂纹，由于位错的迁移和受阻而产生新裂纹并扩散裂纹。,可延展性材料：位错迁移不受阻碍，许多能量消耗于塑性流动，不能形成裂纹。,脆性材料：位错迁移受到严重限制，材料中有足够的能量来堆积位错和形成裂纹，且裂纹扩散的速度快于位错的运动。,介于二者之间：位错运动受限制，仅需一部分能量消耗于塑性流动，另一部分消耗于裂纹形成，裂纹的扩散很容易被终止。,3.脆性断裂的判据：,材料的应力-应变行为在断裂前完全是弹性的；断裂开始且扩展方向垂直于最大的主拉力方向；出现完全分离断裂。,三、塑性,1.定义塑性变形指在材料受力时，当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形而不即行断裂的性质，残余变形即称为塑性变形。延展性材料经塑性变形后而不被破坏的能力。,图3MgO和KBr弯曲试验的应力-应变曲线,2.影响因素（1）温度（2）载荷和位错速度,在适当条件下，无机材料中也可能会存在塑性变形。,四、韧性,1.定义指材料抵抗裂纹产生和扩展的能力。是材料断裂过程中单位体积材料吸收能量的量度。可由拉伸应力-应变曲线下的面积大小衡量。,2.衡量指标冲击韧性断裂韧性,Titanic沉没原因,Titanic含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。,Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,五、力学强度,1.定义力学强度是指材料抵抗各种外来力学载荷的整体综合能力。,2.Orowan理论,表面能a离子距离,只有在一些极细的纤维晶体和晶须中，th在较大尺寸材料中，2,12.5eV,Bandgap2.5eV,半导体,绝缘体,导体,MaterialElectricalConductivity(W-m)-1Graphite（石墨）31042105Concrete(dry)（混凝土）10-9Soda-Limeglass（钠玻璃）10-1010-11Porcelain（陶土）10-1010-12Borosilicateglass（硼玻璃）10-13Aluminumoxide（氧化铝）10-13Fusedsilica（熔硅）1,某些材料中，相邻原子作同向排列自发磁化的现象,反铁磁性,O2-,Mn2+,氧化锰中磁矩的反平行排列,某些材料中大小相等的相邻原子磁矩作反向排列自发磁化的现象。,TemperatureC,25,000,20,000,15,000,10,000,5,000,Saturationmagnetization,Ms(A/m106),2.0,1.5,1.0,0.5,Saturationfluxdensity,Bs(gauss),PureFe,Fe3O4,0,0,-20002004006008001000,温度对磁性的影响,CurieTemperatureFe:768Co:1120Ni:335Fe3O4:585,信号输入,写,读,信号输出,记录介质,磁头,间隙,宽度,应用光盘,磁光效应是基于光与物质的磁化（或磁场）相互作用，而使光学参数发生变化的现象。,qi,qr,Transmittedbeam,Incidentbeam,qi,Reflectedbeam,I0,Refraction,IT,IR,AbsorptionIA,光与材料的相互作用,透射,反射,折射,吸收,入射,第五节光学性质,Input,Signal,Encoder,Electrical/Opti