材料性能力学热学性能

1、材料性能学Properties of Materials学习本课程后达到的目标 1.解释一些常见现象 例如为什么陶瓷与玻璃一摔就碎？ 2.掌握专业名词术语 保证在专业交流时不说外行话 3.专业领域的一些基本问题第一章 材料的受力形变 材料在外力作用下，发生形状和大小的变化，称为形变。 =F/A0； S=F/A； S=（1+） 应力分量 xxyyzzxyyzzx =L/L0; e=dL/L=lnL/L0; e=ln(1+) xxyy zzxyyzzx 1.1 弹性形变 在外力作用下产生形变，外力除去后形变可以恢复的性能。 无论变形量大小、应力与应变是否呈线性关系，凡弹性形变都是可逆形变。 在弹性

2、变形范围内，应力与应变关系服从虎克定律。 = EExx= ccccc bbbbb y= z= 定义泊松比xzxyy=-x=-Ex, Z=-Ex = X=)(1zyxE一.弹性变形的本质 处于晶格结点的离子在力的作用下，在其平衡位置附近产生的微小位移。 重要的力学性能弹性模量E，表征材料的刚度或对弹性变形的抗力。 E是键合强度的标志。二.影响弹性模量的因素 1.键合方式 共价键，离子键，金属键，分子键 2. 显微组织 陶瓷 E=E0（1-1.9P+0.9P2） 3. 复相材料 设 1=2 E U=E1V1+E2V2 1 =2 1/EL=V1/E1+V2/E2 4. 温度 相变时， E发生突变。

3、5. 外力三.滞弹性（弹性后效） 与时间有关的弹性应变OABCDEFGHt0四.粘弹性 弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学性能 应力与应变的关系与时间有关 恒应变下的应力弛豫 E r（t）=（t）/0 恒应力下的应变蠕变 E c（t）= 0 /（t）1.2 塑性形变 指在外力作用下产生形变，但材料不产生开裂，外力移去后形变不能恢复的性质。 微观上是相邻质点产生永久性位移，不能回到原来的位置。 塑性形变的机理 1.晶格滑移 晶体在剪应力C作用下，一部分相对另一部分发生平移滑动，是沿滑移系统进行的切变过程。 滑移面和滑移方向组成晶体的滑移系统。 满足静电作用条件几何条件AFAFcoscos/co

4、scosAF拉伸产生的剪应力当角与角处于同一平面时，即+ =900，角最小。剪应力最大。 体心立方金属（铁、铜等）滑移系统有48种之多，易于滑移而产生塑性形变离子键或共价键具有明显的方向性。只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作用条件。 2.位错运动理论 实际晶体的滑移是位错运动的结果 有位错时的势垒高度h，金属为0.1-0.2;陶瓷1.0eV 位错运动激活能H() 位错运动速度)(xp0kTHevv 宏观应变率，要造成宏观塑性变形， 必须：（1）有足够的位错；（2）位错有足够的运动速度；（3） b要小。Dbcvtllbncltnbcltldtd2 位错形成能 E=aGb2 G为剪切模量，a

5、为几何因子，其值为0.5-1.0，b为柏氏矢量。 柏氏矢量b小容易形成位错 ，金属3，陶瓷5 以上3.超塑性 超塑性是指材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（100%以上）而不发生缩颈和断裂的性质，比通常塑性变形的伸长率高10倍以上。 相变超塑性，在形变过程中发生相变。 结构超塑性，在稳定结构中产生的超塑性。 产生超塑性的条件： 超细晶粒0.55之间 ； 等轴晶粒； 一定的温度：0.4Tm以上。 机制： 晶界扩散和晶界滑移 超塑性现象最早的报道是在1920年，发现Zn-Cu-Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近180度。 1934年，英国的C.P.PEARSON发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时

6、可以得到2000%的延伸率。但是由于第二次世界大战，这方面的研究没有进行下去。 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。近几十年来金属超塑性已在工业生产领域中获得了较为广泛的应用。 铝合金断后伸长5060%； 碳钢3040%优异的变形性能和材质均匀等特点，在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。 1.3 高温蠕变 约比温度T/T m 高温:T/Tm0.5. 恒温恒载荷下缓慢地产生塑性变形的现象. (1)蠕变的一般规律: 起始段OA 外力作用下发生的瞬时弹性形变 第一阶段 蠕变减速阶段d/dt=At-n 第二阶段 稳

7、态蠕变阶段d/dt=K 第三阶段 加速蠕变阶段d/dt=Ktn 温度T提高或增加应力,第二阶段缩短,甚至消失,试样经过蠕变减速阶段后,很快进入加速蠕变阶段直至断裂.(2)蠕变机理 位错的热激活方式:刃位错攀移,螺位错的交滑移, 空位扩散的随机与定向,路径:体扩散与晶界扩散 晶界滑动蠕变 晶界为非晶态,发生粘滞流动 蠕变断裂 晶界断裂(3)影响蠕变的因素 温度 T提高，改变蠕变机制,Al2O3陶瓷的蠕变机理；晶界粘滞流动及扩散系数增大，蠕变增大。 应力 提高，蠕变增大。 组成 共价键，离子键显微结构 气孔率增加，蠕变率增大； 晶粒愈小，晶界比例增加，蠕变率愈大。 玻璃相 比晶体蠕变大，不润湿晶体

8、时，抗蠕变性能好；完全润湿时，形成抗蠕变最弱的结构。 比较玻璃陶瓷和晶体的蠕变率1.4高温下玻璃相的粘性流动 在粘性流动中，剪应力与速度梯度成正比 =dv/dx dv/dx为速度梯度，比例常数称为粘性系数或粘度，是材料的性能参数，单位为（PaS）。符合这一定律的流体叫牛顿液体。 一、流动模型绝对速率理论模型 液体层相对于邻层流动时，液体分子从开始的平衡状态过渡到另一个平衡状态，必须越过势垒E。 在作用下，可以算出流动速度。 u=20e-E/kTsinh（123/2kT） =dv/dx=u/1 =1/u =1/20e-E/kTsinh（123/2kT） 可以认为 =1=2=3，则 =exp（E/

9、kT）/20sinh（V0/2kT） E是势垒高度，0为频率，即每秒超过势垒的次数 一般实验条件下，很小，V0也很小，所以V0 kT，可以近似为sinh（V0/2kT）=V0/2kT， =kT eE/kT /0 V0 = 0 eE/kT 当剪应力小时，根据此模型导出的粘度和应力无关；当剪应力大时，随着温度升高，下降。二、影响粘度的因素1.温度温度T升高， 下降。玻璃成型工艺中：熔化阶段的为5-50PaS加工阶段为103-107 PaS退火阶段为1011.5-1012.5 PaS。 玻璃加工中广泛使用的两种T： 退火点，相当于粘度为1012.4 PaS的温度； 软化点，相当于粘度为106.6Pa

10、S的温度。 2.时间 在玻璃转变区域内，形成玻璃液体的粘度取决于时间，如图1.25所示 3.组成 在1600时，熔融石英的粘度由于加入2.5mol的K2O而降低了四个数量级。 在复杂的氧化物玻璃中，改性阳离子的加入在任何给定温度下总会使粘度降低。第二章 脆性断裂与强度 实际平均应力远低于理论结合强度，不产生明显的塑性形变，导致材料突然断裂。 2.1 理论结合强度 在外加正应力作用下,晶体中两个原子面沿垂直于外力方向拉开所需的应力. Xth2sinthththxdxxW2cos202022sin2th2thEaxE0 xxSin220202,2aExxaExxSinththththth0aEth

11、 理论结合强度只与材料常数有关,适用于所有固体材料. th约为30GPa或E/10. 实际材料约为th的1/101/100。 例如熔融石英纤维的强度可达到24.1GPa， 碳化硅晶须强度约为6.47GPa， 氧化铝晶须强度约为15.2GPa。问 题 1.实际强度与理论强度相差很大; 2 实际材料的强度总是在一定范围内波动; 3.尺寸效应2.2 断裂强度 一、Griffith微裂纹理论 1920年Grifith为了解释玻璃的理论强度与实际强度的巨大差异，提出了微裂纹理论 。 裂纹尖端的应力集中cA21cA2A二、断裂方程 物体内储存的弹性应变能的降低大于等于形成两个新表面所需的表面能 应变能的降

12、低为： 形成新表面需要的表面能为 裂纹进一步扩展2dc，单位面积所释放的能量为 形成新表面所需的表面能为：EcWe22cWs4dcdwe2dcdws2 因为： 因此临界条件是：EcEcdcddcdwe222)(222)4(22cdcddcdws22EcccEC2 与Griffith公式中C对应的裂纹半长度c称为Grifith裂纹，可作为脆性断裂的判据。 th/C=(C/ a)1/2 上式说明，裂纹两端引起应力集中。 断裂方程能说明脆性断裂的本质，解释强度的尺寸效应、强度的波动、实际材料强度与理论强度的差异。 例 刚拉制的玻璃棒强度为6GPa，在空气中放置几小时后为0.4GPa； 自然状态下的N

13、aCl强度为5MPa，除去表面缺陷后为1.6GPa； 石英玻璃纤维长度为12cm时，强度为275MPa，0.6cm时为760MPa。 P塑性功，对于高强度金属，P =103 。 陶瓷材料 E=300GPa， =1J/m2， 如果裂纹尺寸c =1m， 则C =400MPa； 对于高强度钢，如果C仍然为400MPa，则裂纹长度可达1.25mm。cEPC）（2结论陶瓷存在微观裂纹尺寸时，便会导致低应力断裂；金属要有宏观尺寸的裂纹，才会在低应力下断裂。2.3 裂纹的起源与快速扩展 一、裂纹的起源 1.位错 组合，塞积，交截等； 2.表面损伤 制造过程中的机械损伤、化学腐蚀，形成表面裂纹； 3.热应力

14、制造中从高温冷却、晶型转变等。 不同表面情况对玻璃强度的影响表面情况强度MPa工厂刚制得45.5受沙子严重冲刷后14.0用酸腐蚀后1750二、裂纹的快速扩展 裂纹扩展力 增加，G变大，但表面能2是常数，超过临界值时裂纹扩展，形成恶性循环。 对于脆性材料，裂纹的起始扩展就是断裂的临界阶段。EcG2 三、防止裂纹扩展的措施 使作用应力不超过临界应力； 在材料中设置吸收能量的机构，如塑性粒子、纤维； 在材料中形成大量极微细的裂纹； 在表面形成压应力层等。2.4 显微结构对脆性断裂的影响 一、晶粒尺寸 形状 Hall-Patch关系 f=0+kd-1/2 多晶氧化铝晶粒 =46J/m2，晶界=18J/

15、m2，晶界为薄弱环节，沿晶断裂。 晶粒尺寸与原始裂纹尺寸相当，晶粒越细，裂纹尺寸越小，强度越高。 扁平晶粒、柱状晶粒强度? 二、气孔 气孔减小了负荷面积；引起应力集中；晶界上的气孔往往成为开裂源。npfe0 三、第二相杂质 引起应力集中降低强度 弹性模量E低的第二相降低强度 E大的第二相可以提高强度 复相材料或复合材料2.5 断裂类型 断裂过程包括裂纹的形成与扩展两个阶段 按照材料宏观塑性变形的程度，可以分为韧性断裂与脆性断裂； 按照断裂时裂纹扩展的路径，分为穿晶断裂与沿晶断裂；2.6 断裂韧性 Griffith理论在脆性材料中获得了成功，但在金属材料中没有受到重视。 从40年代起，金属材料的

16、结构发生一系列脆性断裂事故，传统方法很难对断裂进行分析。 在这种背景下，提出了新的断裂判据断裂韧性，对构件进行设计和校核。一、线弹性条件下的断裂韧性 1.裂纹的扩展方式2.裂纹尖端应力场分析 平面应力状态 Z=0 平面应变状态 Z =0 rKC 新的选材准则 KKC=YCC1/2 KC是材料的本征性能，表示抵抗裂纹扩展的能力。四、裂纹扩展能量释放率 裂纹扩展动力 G=c 2 /E GC=CC2 /E，也称为断裂韧性。 根据G和GC的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展的力学条件： G GCKC的物理意义 GC与KC的关系为： GC =K2C/E 对于脆性材料， GC =2 则 平面应变状态EKIC2

17、12EKIC五、裂韧性的测定 单边直通切口梁法 讨论： 断裂强度越大，断裂韧性是否越大？六、断裂韧性在工程中的应用 塑性区修正问题 当裂纹尖端附近的应力大于等于屈服强度时，材料发生塑性形变，改变了裂纹尖端的应力分布。 通常情况下，/0.2 0.60.7时，就需要修正。采用等效裂纹尺寸a+ry或查公式计算。 材料选择 一构件实际使用应力为1.30GPa，有两种材料待选： 1#钢 ys=1.95GPa； 2#钢 ys=1.56GPa 1.考虑安全系数的设计方法 1#钢的安全系数：nys/1.95/1.301.5 2#钢的安全系数：n1.56/1.301.2 应选择1#。2.断裂力学的方法 Y=1.

18、5,最大裂纹尺寸为1mm. 1 #钢 KC=45MPam1/2 ; 2 #钢 KC=75MPam1/2 ，K = Yc1/2 =61.7 (MPam1/2) 对于1#钢，KKC，会导致低应力下脆性断裂； 对于2#钢，KKC，所以选择2#钢是安全可靠的。 也可以计算断裂强度： 1#钢的断裂应力： 2#钢的断裂应力：c =1.58GPa 1#钢的c小于实际使用应力1.30 GPa，会导致低应力脆性断裂； 2#钢的c大于实际使用应力1.30 GPa，因而是安全可靠的。)(0 . 1105 . 9101030001. 05 . 11045886GPacYKccn材料开发n陶瓷材料的增韧：设置裂纹扩展过

19、程中的附加能量耗损机制或扩展势垒。n添加韧性相；n设置微裂纹区；添加纤维或晶须。2.7提高材料强度及韧性的方法 一、微晶、高密度与高纯度 细、密、匀、纯 二、预加压应力 热韧化与化学强化 三、复合材料 纤维增强 四、相变增韧 马氏体相变 五、弥散增韧 化学与物理相容性2.8 材料的硬度 材料表面不大体积内抵抗变形或破裂的能力 1.布氏硬度 压头采用淬火钢球或硬质合金球，测定单位压痕面积承受的压力。 280HBS10/3000/30 500HBW5/750 （1015）压痕大，数据稳定。不宜直接在制品上检验。 2.洛氏硬度 采用金刚石圆锥或淬火钢球测压痕深度 规定0.002mm为一个硬度单位，k

20、值金刚石压头取0.2，淬火钢球取0.26。 HRA 2080 ；HRB 20100； 操作简便，压痕小。不同标尺硬度不能进行比较、互换。002. 0hkHR 3.维氏硬度 采用金刚石四棱锥测量压痕对角线长度 对角线长度mm，载荷为Kgf 。 640HV30/20 显微硬度 载荷gf; 对角线长度m2854. 1dFHV21854dFHV4.莫氏硬度陶瓷及矿物常用的划痕硬度，表示硬度从小到大的顺序，分为10级： 滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石 目前分为15级： 滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英玻璃、石英、黄玉、石榴石、熔融氧化锆、刚玉、碳化硅、碳

21、化硼、金刚石第四章 材料的疲劳性能 问题： 按照KKC选材，是否可以永远使用下去？ 4.1 疲劳破坏的概念和特点 变动载荷长期作用，因损伤累积引起的断裂现象，称为疲劳。 变动载荷指载荷大小、方向随时间而变化。 载荷用应力来表示。 规则周期变动应力；无规则随机变动应力 损伤累积指疲劳裂纹缓慢扩展，又称为裂纹的亚临界生长。破坏过程： 从局部区域（疲劳源）开始的损伤累积（疲劳裂纹缓慢扩展），最终引起材料破坏（瞬时断裂）的过程。 断裂前的工作（服役）时间称为疲劳寿命 疲劳破坏的特点： 1.是一种潜在的突发性破坏，属脆性断裂 2.是低应力延时断裂，涉及疲劳寿命问题 3.对缺陷十分敏感，缺陷引起应力集中，

22、加大对材料的损伤作用。4.2 疲劳破坏机理 应力腐蚀理论 环境腐蚀使裂纹端部原子间的化学键破坏，导致裂纹缓慢生长，一旦达到临界尺寸，就失稳而断裂。 裂纹扩展动力与阻力，G=a 2 /E与2 表面吸附气体或液体，使表面能降低，即裂纹扩展的阻力降低了，如果小于GC ，就会导致开裂。新开裂的表面，没有腐蚀， 2大于GC，裂纹止裂。构成腐蚀-应力循环，形成宏观上的裂纹缓慢生长，但G与a均增大了。 直至达到aC与GC ，导致失稳扩展而断裂。第5章 材料的磨损性能 物体之间有接触、相对运动时产生摩擦作用摩擦力产生噪音和震动增加能耗发热。对于材料来说，表面产生了磨损。 一、磨损的概念 在摩擦作用下，材料表面

23、局部变形与断裂，且反复进行，分离出磨屑，具有动态特征。 磨损曲线见图6.1 二、磨损基本类型 1.黏着磨损 材料表面某些接触点压应力超过该处材料屈服强度发生粘和，并拽开而产生的一种表面损伤磨损。特征是表面有大小不等的结疤。 磨损过程： 黏着（冷焊）剪断脱落再黏着2. 磨粒磨损 摩擦的两表面之一存在坚硬的细微突起或在接触面间存在硬质粒子时产生的磨损。 特征： 摩擦面上有擦伤或沟槽。 在法向应力下磨粒在表面形成压痕，切向应力推动磨粒前进，切削表面形成沟槽。 耐磨性与硬度和断裂韧性的关系见图6.10 3.接触疲劳 两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变压应力长期作用使材料表面疲劳损伤，局部区域出现

24、小片或小块材料剥落。 特征： 表面出现痘状、贝壳状或不规则形状的麻坑，有疲劳裂纹扩展的痕迹。三.陶瓷材料抗冲蚀性能 陶瓷材料 Al2O3 Si3N4 SiC TiC Al2O3 陶瓷相对密度70%时抗冲蚀性能为1 相对密度9598%时为6倍；相对密度100%时为10倍。 高致密度热压Si3N4陶瓷比低致密度反应烧结Si3N4的抗冲蚀性能高10倍。 在冲蚀磨损服役条件下，应选用高致密度陶瓷材料。四、耐磨性 耐磨性指材料抵抗磨损的性能，通常用磨损量W表示。 磨损量的测量有称量法和尺寸法，常用磨损量的倒数W-1或相对耐磨性表示。 =标准试样的磨损量/被测样的磨损量 五、提高耐磨性 从材料来说主要是表

25、面粗糙度、强度、硬度和韧性。外界条件主要是表面润滑性。第三章 材料的热学性能 第一节 热学性能物理基础 晶格热振动 一维单原子点阵第n个原子的运动方程 其解是振幅为A，角频率为的格波（弹性波），是声学波。)2(n1122xxxdtxdmnnn 对于双原子点阵，可求解得到两支频率不同的格波，频率1较低的称为声频支，较高的2称为光频支。 如果是离子型晶体，当异号离子间有反向位移时，便构成了一个偶极子。 如果从外界辐射入相应频率的红外光，则立即被晶体强烈吸收，从而激发总体振动。 离子晶体具有很强的红外光吸收特性，这也就是该支格波被称为光频支的原因。第二节 材料的热容 一、固体热容的经验定律 恒压下元

26、素的原子热容等于25J/K. 经典热容理论可以圆满解释。但在低温下热容随温度接近0K时趋向于0，必须用量子理论来解释。 二、爱因斯坦模型 假设 所有原子的振动频率相同 爱因斯坦特征温度 实际晶体中原子振动不是单一频率，而是相互之间有耦合，当温度很低时，这一效应尤其显著。三、德拜模型 假设 频率是0max的谱带。 德拜特征温度D 德拜T3定律，与实验结果十分符合。 四、影响热容的因素 1.材料结构见图3.4 2.温度 通过实验精确测定 3.相变 热容出现突变第三节 热膨胀 一、热膨胀的概念及热膨胀系数 线膨胀系数l) t1 (ltllllll0l000t tlll000tlll ) t1 (vv

27、v0t体积膨胀系数 设材料为各向同性的立方体： 使用时必须注意适用的温度范围) t31 (v)tt3t31 (v) t1 (llvl03322ll03l303ttlv3对于各向异性晶体： t)(1 v) ttt1 (v)tttttt1 (v) t1)(t1 (t)1 (llllllvcba0cba03cba2cb2bacba0cbac0b0a0ctbtattcbalvcb3av32,3calcbal 二、热膨胀机理 晶格热振动 非简谐振动 平衡位置移动0002323002311( )()( ) ().2!3!rrrVVVV rV rV rrrr23011( )( ).23V rV r 0023

28、1223;.rrVVrr 201( )( )2V rV rVFr 考虑第三项： 质点远离时，F为两项之差。2/rvF23011( )( ).23V rV r 2k T2001dkr dTr三、热膨胀与其它性能的关系 1.与热容的关系 规律类似 2.与结合能、熔点的关系 晶体结构相同时，结合能大的熔点也高，热膨胀系数小。 晶体热膨胀极限方程 Tm=（VT-V0）/V0=C 3.与结构的关系 化学组成相同的物质，结构致密的膨胀系数大；结构疏松空旷的膨胀系数小。 例如石英与石英玻璃的 分别为1210-6和0.510-6K-1。 有晶型转变时， 发生突变。反之，可以利用的突变来判断晶型转变。 热膨胀各

29、向异性的晶体如石墨、堇青石、NZP等，其中一个轴向膨胀系数为负值，表观可以很小，甚至为负值。 invar（因瓦）合金，也称为殷钢，成分为镍36，铁63.8，碳0.2，热膨胀系数极低。 1920年诺贝尔物理学奖授予舍夫勒国际计量局的纪尧姆（CharlesEdouard Guillaume，18611938），以承认他由于发现镍钢合金的反常特性对精密计量物理学所作的贡献。32,3calcbal 产生微开裂的临界晶粒尺寸为：式中f是断裂能，E是弹性模量，为轴向膨胀系数之差，T为塑性可以忽略的温度范围。 晶界裂纹和热膨胀滞后主要发生在大晶粒样品及大的样品中。 4.复合材料热膨胀 Turner公式/3/

30、iiiiliiiK WK W22fcTE44.1G四、热膨胀的应用 陶瓷坯釉适应性 当釉的g小于坯体的b时，在釉层中产生压应力，能明显提高陶瓷的机械强度。 剥釉。 若釉层的g比坯体的b大，则在釉层中形成拉应力，降低陶瓷的力学性能。 龟裂。 陶瓷与金属的焊接，膨胀系数要匹配第四节 热传导 一、材料热传导的宏观规律 傅立叶定律 导热系数（热导率） 气体分子 碰撞实现热传导，很小。 金属依靠自由电子，很大； 无机材料是格波, 变化范围很大。tSdxdTQ二、固体材料热传导的微观机理固体材料热传导的微观机理1.声子和声子导热机理声频波的“量子”称为声子，能量为h。格波的传播看成声子的运动德拜方程 声子

31、的速度lvc31Ev 2 光子导热 光子，光频支的能量子。 晶格热振动会辐射出一定频率范围的电磁波，波长在0.440m之间的称为热射线，热射线的传递过程即热辐射，可以看作光子的导热过程。 导热系数23163rrn T l 对热射线透明的介质，光子平均自由程l较大 ，例如单晶和玻璃，在7731273K辐射传热已经很明显； 完全不透明的介质， l=0，辐射传热可以忽略。 其他情况介于两者之间，如烧结陶瓷材料是半透明， l 比玻璃小，辐射传热性能不如玻璃。 三、 影响热传导性能的因素 1.温度 T D ，T l 。 2.晶体结构 复杂 l ；简单 l 。 各向异性晶体，膨胀系数低的方向热导率大 对于同一种材料， ：单晶陶瓷玻璃 非晶体的在所有温度下都比晶体小。 3.化学组成 原子量小，D高，热导率大；轻元素的固体热导率大。 见图3.20 固溶体的热导率小于纯材料的热导率。 4.复相材料 5.气孔 P