无机材料物理性能自主学习PPT

1、无机材料物理性能第一章 无机材料的受力形变1.1 应力与应变 1.1.1 应力 应力一般定义为材料单位面积所受的内力，即： 式中F为外力；A为面积；为应力。应力的单位 为Pa，但在实际应用中经常采用Mpa作为应力单位。AF 1.1.2 应变 应变描述的是在外力作用下物体内部各质点之间 的相对位移，应变可分为正应变和剪切应变两类。 考虑一根长度为 的杆在单向拉应力作用下被拉 长到 ，相应的正应变可以定义为：0L1L0001LLLLL1.2 无机材料的弹性形变 1.2.1 各向同性体的弹性常数 考虑一各棱边分别平行于坐标轴的长方体，在垂直 于X轴的两个面上受均匀分布的正应力 作用。实验证明， 对于

2、各向同性体，这样的正应力不会引起长方体的角度改 变，而长方体在X轴方向上的相对伸长可以表示为：xELLxx 单独作用时，在y、z方向的收缩为： 定义横向变形系数： 式中为泊松比，是一个无量纲的物理量xcccc-cybbbbbzxzxy 如果上述长方体各面分别受均匀分布的正应力 则任一方向上总的正应变为3个应力分量在这一方向上 所分别引起的应变分量的加和，即：EExxxxy，、zyxyxzzzxyyzyxx111EEE对于剪切应变GGGzxzxyzyzxyxy或刚性模量称为剪切模量G12EG 1.2.2 单晶的弹性常数 单晶、具有组织结构的材料以及纤维增强的复合材 料等则具有明显的方向性。在这种

3、情况下，各种弹性常 数随方向而不同。描述这类材料在弹性形变阶段的应力 -应变关系就需要借助所谓的广义胡克定律。 对于各向异性材料， 。它们 在受单向正应力 作用时，y方向的应变为：zxyzxyzyx，EEExx21xxyxxyxyxSE称为弹性柔顺系数xyx21ES 1.2.3 弹性模量的物理本质 从原子尺度上看，弹性模量E是原子间结合强度的一个标志。共价键、离子键结合的晶体结合力强，E都较大。分子键结合力弱，这样键合的物体E较低。此外，改变原子间距离也将影响弹性模量。 多晶多相材料表现出了典型的各向同性弹性性质。从物理本质上看，多晶多相材料的弹性模量不再仅仅是原子间结合力曲线的斜率，还与材料

4、的组成、显微结构以及所存在的缺陷等密切相关。 1.2.4 多相材料的弹性模量 在两相系统中，假定组成材料的两相具有相同的泊 松比，在外力作用下两相的应变相同，则根据力的平衡 条件，可得下面公式： 式中， 分别为第一相及第二相成分的弹性模量； 分别为第一相及第二相成分的体积分数。 2211VEVEEU21和EE21和VV 如果假定两相所受的应力相同，则由下式可以得到两 相系统弹性模量的最低值 ，该值也叫下限模量： 对连续基体内的密闭气孔，一般可用下面经验公式计 算弹性模量 ， 为材料无气孔时的 弹性模量；P为气孔率。 LE11221EVEVEL209.09.11PPEE0E 1.2.5 弹性模量

5、的测定 方法：静态法和动态法 静态法：采用常规的三点弯曲加载方式，通过测定试样的应力-应变曲线，在曲线的线弹性范围内确定材料的弹性模量。在线弹性范围内，测得的应力-应变曲线为一条理想的直线，在该直线上任意取两点计算出其斜率即为弹性模量值。 动态法：也称谐振法。在三点弯曲受力方式下，用无机材料制成的杆件会因为外加荷载的周期性变化而相应按一定模式发生振动。根据杆件弯曲振动模式的谐振频率即可求出材料的弹性模量，而根据杆件扭曲振动模式的谐振频率则可求出剪切模量。1.3 无机材料中晶相的塑性形变 塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变，材料经受塑性形变而不破坏的能力称为材料的延展性。塑性形变及延展性

6、在材料加工和使用中都很有用，是材料重要的力学性能指标。 无机材料的塑性形变，远不如金属塑性变形容易。事实上，无机材料的致命弱点就是在常温时大都缺乏延展性，从而使得材料的应用大大受到限制。 1.3.1 晶格滑移 晶体中的塑性形变有两种基本方式：滑移和孪生。 滑移：晶体的一部分相对于另一部分的平移滑动。 晶体中的滑移总是发生在一些特定的晶面和晶向上，这些晶 面和晶向指数较小，原子密度大，也就是柏氏矢量b较小，只要滑动较小的距离就能使晶体结构复原，所以比较容易滑动。滑动面和滑动方向组成晶体的滑移系统，而滑移则是在剪应力作用下在一定滑移系统上进行的。 1.3.2 塑性形变的位错运动理论 位错是一种线缺

7、陷 在原子排列有缺陷的地方一般势能较高，内力平衡时原子处于势能最低的位置。在没有缺陷的情况下，原子从一个结点位置迁移到邻近的结点位置需要克服势垒h。在晶体中存在位错的情况下，在位错处会出现势能空位，邻近的原子迁移到空位上所需克服的势垒h就比h小。因此位错运动相对于理想晶体中原子的运动要容易。 根据统计热力学理论，在剪应力作用下，位错运动速度可以由下式给出： 式中， 为与原子热振动固有频率有关的常数； 为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。 位错只能在滑移面上运动，只有滑移面上的分剪应力才能使 H()降低。无机材料中滑移系统只有有限几个，滑移面上分剪应力往往很小。 THkexp00KJ231038.1

8、由于滑移反应出来的宏观上的塑性形变是位错运动的结果，因此宏观测得的形变速率也应该与位错运动有关，这一点可以借助于图1.13所示的简化模型加以说明。 一根长度为l的试件，在外力作用下，在时间t内的总伸长量为 。相应地，试件的平均应变为 ，应变速率为 如果 平面上有n个位错，则在时间t内总形变量 是n个位错滑 移的累积结果。每个位错的运动造成的运动方向上一个原子间距大小的滑移，即一个柏氏矢量的滑移，以b表示。llldtdll l 时间t内由于位错运动导致的滑移量为： 宏观应变速率： 滑移平面上的位错密度： 位错运动的平均速度： 所以，位错形成能为lnbctllnbcltnbcltldtd22lnD

9、tl由此可得bcD2baGE 最后指出一点，尽管理论分析表明，只要滑移面上的分剪应力足够高，任何一种晶体材料内部的位错都可能以足够高的速度运动，从而使得晶体表现出显著的塑性形变，但是对于大多数无机材料而言，当滑移面上的分剪应力尚未增大到能够使位错以足够速度运动之前，此应力可能就已超过了微裂纹扩展所需的临界应力而导致材料发生脆性断裂。1.4 高温下玻璃相的黏性流动 在高温下，玻璃或无机材料中的晶界玻璃相在剪应力作用下会发生不同程度的黏性流动。黏性流动的特点是剪应力与速度梯度成正比，即： (牛顿定律) 称为黏性系数或黏度，单位为 特点：应力与应变率之间呈直线比例关系。dxdsa P 1.4.1 流

10、动模型 绝对速率理论模型： 在没有剪应力的作用下，势能曲线是对称的。 在剪应力的作用下，势能曲线变得不对称了，沿 流动方向上的势垒减小了 。根据绝对速度理论 可以计算出 ： 根据牛顿定律， EuTTEk2sinhe2u132k0Tk2sinhkTE-exp2uudxd1320111 可以近似地认为： 一般实验条件下，很小，V0也很小，可近似认为 可见，当剪应力很小时，根据此模型导出的黏度 和应力无关；当剪应力大时，随着温度升高，下降。TVTEk2sinh2kexp00321TETEVTTVTVkexpkexpkk2k2sinh00000 1.4.2 影响黏度的因素 1.温度 一般地，温度升高黏

11、度下降； 2.时间 从高温状态冷却到退火点的试件，其黏度随时间而增加，而预先在退火点以下恒温处理一定时间后的试件，其黏度随时间而降低，但黏度达到基本恒定所需的时间大大缩短。 3.组成 1.5 无机材料的高温蠕变 1.5.1 黏弹性与滞弹性 在一些特定的情况下，一些非晶体和多晶体在收到比较小的应力作用时可以同时表现出弹性和黏性，这种现象称为黏弹性。 理想的弹性体在受到应力作用时会立即引起弹性应变，而一旦应力消除，弹性应变也随之立刻消除。无机固体和金属表现出的这种与时间有关的弹性称为滞弹性。 GE及弹性元件：a 及黏性元件：b 1.5.2 高温蠕变曲线 曲线分为四个区域：在起始区域oa，材料在外力

12、作用下发生瞬时弹性形变区；域ab为蠕变的第一阶段，通常称为蠕变减速阶段这一阶段的特点是应变速率随时间递减；Bc段称为稳态蠕变阶段，这段特点是蠕变速率几乎保持不变；cd段为加入蠕变阶段，其特点是蠕变速率随时间增加而增加，即蠕变曲线变陡，最后到d点，然后断裂。 1.5.3 高温蠕变理论 1.晶格蠕变 晶格蠕变一般发生在晶体内部，其微观机理主要有两种：一种是以位错的运动为主，是一类在长程应力场作用下所形成的位错滑移蠕变；另一种则是由晶格中的点缺陷的扩散导致的，属于短程应力场中的扩散蠕变。 由于晶格蠕变发生在晶体内部，因此其稳态蠕变速率与晶粒尺寸无关，所以稳态蠕变速率的表达式为：TRTQA1expng

13、 2.晶格蠕变 无机材料的晶格蠕变大致分为三种情况。 （1）对于低熔点的工业陶瓷，晶界相所占的比例相对较大，晶界相尺寸也相对较厚，在高温下易于发生晶界相的黏滞流动。 （2）如果晶界相含量较少，相应的晶界相厚度较小，蠕变则主要表现为晶界的滑移，同时伴随有晶粒本身的变形。 （3）对于一些晶界相含量较少，晶界相厚度相应较小的无机材料，蠕变有时也可能完全有晶界的滑移控制。这类蠕变过程中，晶粒几乎不会发生任何程度的形变。 1.5.4 蠕变断裂 无论是晶格蠕变，还是晶界蠕变，蠕变的最终结果大多都将是断裂。也就是说，当蠕变变形量达到一定程度后，材料就会发生蠕变断裂。 对于晶界蠕变，情况基本类似。晶界的滑移将

14、使得类裂纹在晶界的一些薄弱点尤其是在三交晶界处形成，这些类裂纹在蠕变过程逐渐发育长大到临界尺寸后发生失稳扩展导致材料断裂。晶界蠕变引起的断裂主要表现为沿晶断裂。 1.5.5 影响蠕变的因素 1.温度 温度升高，稳态蠕变速率增大。 2.应力 稳态蠕变速率随应力增加而增大。 3.显微结构的影响 蠕变是一种对显微结构比较敏感的性能指标。气孔、晶粒 尺寸、玻璃相等都对蠕变性能有很大影响。随着气孔率增加，稳态蠕变速率也增大。 4.组成 组成不同的材料其蠕变行为不同，即使组成相同，单独 存在和形成化合物，其蠕变行为也不一样。 5.晶体结构 随着共价键结构程度增加，扩散及位错运动降低，因此像碳化物、硼化物等陶瓷材料的抗蠕