渭师院无机非金属材料课件第2章 无机非金属材料的性能

第2章无机非金属材料的性能

§2.1热学性能§2.2力学性能§2.3其他物理和化学性能

材料的性能包括：使用性能和工艺性能。使用性能：材料在使用条件下表现出的性能，如力学、热学、电学等性能以及由各种物理效应显示出的功能性等。工艺性能：材料在加工制造过程中表现出的性能。2.1热学性能热容热膨胀热传导热稳定性升华熔化晶体点阵中各质点（原子、离子）围绕着平衡位置的微小振动。弹性波（格波）：晶格振动以弹性波的形式在材料中传播，弹性波是多频率振动的组合波。晶格热振动晶胞中不同种类的原子具有独立的振动频率，即是它们的振动频率与晶胞的振动频率相同，由于原子的质量不同，振幅也不相同，所以原子间会有相对运动。振动的质点中包含频率甚低的格波时，质点彼此间的位相差不大，格波类似于弹性体中的应变波，称为“声频支振动”。相邻原子具有相同的振动方向。振动的质点中包含频率甚高的格波时，质点彼此间的位相差很大，临近质点的运动几乎相反，频率往往在红外光区，称为“光频支振动”。声频支振动光频支振动§2.1.1无机材料的热容一、热容二、热容的经验定律与经典理论三、热容的其它理论四、无机材料的热容1.概念【J/K】一、热容热容是质点热运动的的能量随温度变化的一个物理量，是物体温度升高1K所需要增加的热量。温度不同，物体的热容不一定相同。温度为T时，物体的热容为：2.比热容与摩尔热容将1g质量的物体温度升高1K所需要增加的热量称为物质的比热容，简称比热。1mol物质的热容，称为摩尔热容。【J/K·g】【J/K·mol】物质的热容与其热过程有关：恒压热容：恒容热容：Q：热量E：内能H：焓物质从温度T1到T2所吸收的热量的平均值工程应用中应注意适用温度范围3.平均热容4.恒压热容与恒容热容压力恒定体积恒定根据热力学第二定律可以导出：

：体膨胀系数V0：摩尔容积

：压缩系数对于物质的凝聚态，Cp、Cv相差很小，但高温时有较大的差别。在极低或极高温度下，自由电子对热容的贡献变得突出。（1）元素的热容定律(杜隆－珀替(Dulong－Petit)定律)：

恒压下，元素的原子热容为25J/(K•mol)

元素HBCOFSiPSClCpJ/(K•mol)9.611.37.516.720.915.922.522.520.4轻元素例外：二、热容的经验定律与经典理论1.经验定律实际上，大部分元素的原子热容都接近该值，特别是在高温时符合得更好（2）化合物的热容定律(奈曼－考普(Neumann－Kopp)定律)：化合物的分子热容等于构成此化合物的各元素的原子热容之和可应用于多相混合组织、固溶体或化合物，但不适于低温条件或铁磁性合金。p、q为摩尔百分数2.经典热容理论按照经典理论，固体中一个原子在空间有三个振动自由度，每个自由度上的平均动能和位能均为kT/2，模型过于简单，不能解释低温下热容减小的现象。平均动能和位能的总和就等于3（kT/2+kT/2)=3kT，一摩尔固体中有N个原子，总能量为：N=6.0231023/mol，为阿佛加德罗常数。T：热力学温度（K）k：波尔茨曼常数，k=R/N=1.38110-23J/KR:=8.314J/(K·mol)热容：1.热容的量子理论三、热容的其它理论1摩尔固体的平均能量为一个振子的平均能量普朗克常数

谐振子的频率必须知道谐振子的频率，非常困难。所以采用简化的爱因斯坦模型和德拜模型热容：2.爱因斯坦热容理论假设：每个原子皆为一个独立的振子，原子之间彼此无关，并且

i

=。1摩尔固体的平均能量为热容：爱因斯坦比热函数爱因斯坦温度该理论的不足之处：低温时，与实验值相比，下降太多。（1）高温时，T>>

E，（2）低温时，T<<

E，（3）T0K时，cv

0，与实验吻合。3.德拜热容理论考虑晶体中点阵的相互作用，将格波看成是弹性波。每个谐振子的频率不同，频率范围从0到

max。德拜特征温度德拜比热函数元素NaTiAlMn金刚石

D（K）1584204284502230一些物质的德拜温度该理论的不足之处：解释不了超导现象（1）高温时，T>>

D（2）低温时，T<<

D（3）T0K时，cv

0，与实验吻合。热学性能晶格振动热容热膨胀热传导热稳定性概念表示方法热容定律热容理论§2.1.2无机材料的热膨胀一、热膨胀系数二、热膨胀的物理本质三、热膨胀与其它性能的关系四、影响热膨胀系数的因素物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。一、热膨胀系数物体原来长度为l0，温度升高

t后，长度增量为

l，则有：线膨胀系数：温度升高1K时，物体的相对伸长。物体在温度t时的长度为：实际上固体材料al并不是一个常数，通常随温度升高而增大。无机材料的线膨胀系数都不大，数量级约为10-5——10-6/K.1.线膨胀系数物体体积与温度的关系为：体膨胀系数：温度升高1K时，物体体积的的相对增大值。2.体膨胀系数各向异性晶体，各晶轴不同方向的相膨胀系数不同，假如分别为aa，ab，ac，则有：立方晶系：由于热膨胀系数随温度的变化而变化，因此上述的a值是指定温度范围内的平均值，应用时要注意适用的温度范围。膨胀系数的精确表达式为：一般隔热用耐火材料的线膨胀系数常指20~1000℃范围内的al平均数。一般固体材料：

在10-2～10-5/K数量级一般金属、陶瓷材料：

在10-5～10-6/K数量级例：高压钠灯陶瓷、金属封接：固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。二、热膨胀的物理本质热膨胀原子间距增大形状尺寸变化微观宏观对于简谐振动，位能曲线对称，升高温度只能增大振幅，并不会改变平衡位置，因此质点间的平均距离不会因温度升高而改变。对于非简谐振动，位能曲线不对称，质点向外振动的距离大于向内振动的距离，随着温度升高，动能增大，振动激烈，质点间的平均距离不断增大，形成宏观的热膨胀现象。没有热膨胀造成热膨胀从晶各振动的方式考虑：从原子间的相互作用力考虑：r<r0时，曲线的斜率较大；

斥力随位移增大得很快。r>r0时，曲线的斜率较小；

引力随位移的增大较慢。两侧受力不对称，使得质点振动的平衡位置右移，相邻质点间距离增加，晶体膨胀。温度T1时，质点的振动位置在ra与rb

之间变化，总能量在aAb间变化。位置A，r＝r0时，位能最低，动能最大；r＝ra和r＝rb时，动能为零，位能等于总能量。ab的非对称性使得平衡位置不在r0处，而在r＝r1处。从能量角度考虑：ara、brb

为T1温度下质点振动的总能量结果平衡位置随着温度的不同沿AB曲线变化，温度越高，平衡位置移得越远，引起晶体的膨胀。弗兰克尔双原子模型从能量角度考虑：取前两项，为对称的势能曲线。须取前三项，才能解释热膨胀现象。根据玻尔兹曼统计：在r=r0处台劳展开：常数热膨胀系数为：1.热膨胀和结合能、熔点的关系由于热膨胀与质点的位能性质有关，而质点的位能性质由质点间的结合力特性决定。所以热膨胀与结合能密切相关。质点间结合力强，升高相同的温度时，质点的振幅增加的较少，平均位置的位移增量增加得相应较少，热膨胀系数也较小。三、热膨胀与其它性能的关系由于单质的熔点与周期表存在一定的规律性，所以热膨胀系数与周期表也相应的关系。单质材料(r0)min(10-10m)结合能（

103J/mol）熔点（

C）al(

10-6)金刚石1.54712.335002.5硅2.35364.514153.5锡5.3301.72325.3表3.22.热膨胀与温度、热容的关系温度低，热膨胀系数小，温度愈高，热膨胀系数愈大。由于热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧引起的容积膨胀，而晶格振动的激化就是热运动能量的增大。热容是升高单位温度时能量的增量。所以热膨胀系数与热容密切相关而且规律相似。3.热膨胀与结构的关系组成相同的物质，结构不同时，热膨胀系数也不同。结构紧密地晶体，膨胀系数较大，结构较疏松的晶体，热膨胀系数较小。石英的膨胀系数为1210-6/K，而石英玻璃只有0.510-6/K，就是由于玻璃的结构疏松，内部空隙较多，温度升高时，原子振幅加大，原子间距离增大时，部分增量被结构内部的空隙容纳，于是整个物体的宏观膨胀量就小。成分与相变晶体缺陷晶体各向异性工艺因素温度四、影响热膨胀系数的因素热膨胀系数物理本质与其它性能的关系影响因素热学性能晶格振动热容热膨胀热传导热稳定性§2.1.3无机材料的热传导一、材料的热传导二、热传导的微观机理三、影响热导率的因素四、某些无机材料的热导率1.热导率（导热系数）的定义：

：热能Q从高温端T1传递到低温端T2所需要的时间

：热导率（导热系数）一、材料的热传导当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端，这个现象就是热传导。傅里叶（Fourier）定律负号表示热流方向与温度梯度（dT/dx）的方向相反【W/(m•K)或J/(m•s•K)】导热系数的物理意义：在单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量。条件：稳定传热，即传热过程中，材料在传热方向上各处的温度T是恒定的，与时间无关，

Q/t是常数。稳定传热过程导热系数

反映了物质的导热能力。不同物质，差异很大。金属50～415W/(m•K)合金12～120W/(m•K)非金属液体0.17～0.7W/(m•K)绝热材料0.03～0.17W/(m•K)大气压下气体0.007～0.17W/(m•K)不稳定传热过程一个与外界无热交换，本身存在温度梯度的物体，存在热端温度不断降低，冷端温度不断提高，最终达到一致的平衡温度。此时物体单位面积上温度随时间的变化为：不稳定传热，即物体内各处的温度随时间而变化。

—密度cp—恒压热容2.热扩散率（导温系数）的定义：a：导温系数

：密度cp：热容导温系数表征材料在温度变化时，内部各部分温度趋于均匀的能力。即在导热过程中，导温系数标志着温度变化的速度。在相同的加热或冷却条件下，a愈大，则物体内各处温度差愈小。

：热膨胀系数E：弹性模量

：应力钢件淬火时产生的热应力：

e：电子热导率，来源于自由电子的贡献；

i：离子热导率，来源于晶格振动的贡献。二、热传导的微观机理固体中得导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的振动来实现。CVe：电子体积热容；le：电子的平均自由程；Ve：电子的平均速度。CVi：离子体积热容；li：离子的平均自由程；Vi：离子的平均速度。含有大量的自由电子，而且电子的质量很轻，所以能迅速实现热传递。因此金属一般都有较大的热导率。晶格振动对金属导热的贡献是次要的。金属：非金属晶体：自由电子很少，晶格振动是它们的主要传热机构。热传导现象的产生处于较高温度下的质点，热振动较强，平均振幅也较大，其临近质点温度较低，热振动较弱。这样由于质点间的相互作用力，振动较弱的质点在振动较强的质点的影响下，振动加剧，热振动能量提高。于是，热量就能转移和传递，使整个晶体中热量从温度较高处传向温度较低处，产生热传导现象。若系统对周围是热绝缘的，振动较强的质点受到临近振动较弱质点的牵制，振动减弱下来，是整个晶体最终趋于一平衡状态。声频波的量子1.声子热导温度不太高时，导热过程中主要是声频支格波有贡献。声频支格波的传播质点—声子的运动晶体热传导声子间碰撞传热声频支振动光频支振动格波声子热导声子热导晶格振动声子间碰撞引起的散射是晶格中热阻的主要来源；

声子间碰撞几率越大，平均自由程越小，热导率越低。晶体中的缺陷、杂质、晶界等使声子平均自由程降低，使

减小；平均自由程与声子振动频率有关，波长长的格波容易绕过缺陷，使自由程加大，使

增大；平均自由程与温度有关，温度升高，声子的振动能量加大，频率加快，碰撞增多，自由程减小。在高温时，最小平均自由程等于几个晶格间距；在低温时，最长平均自由程长达晶粒的尺度。c：声子体积热容；l：声子的平均自由程；v：声子的平均速度。影响因素2.光子热导固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射出频率较高的电磁波，其中波长在0.4—40m之间的可见光与部分近红外光的区域的这部分电磁波具有较强热效应，称为热射线。热射线的传递过程称为热辐射，由于它们都在光谱范围内，其传播过程和光在介质中的传播的现象类似（光的吸收、反射、透射、折射、散射、衍射等），所以可以把它们的导热过程看作是光子在介质中传播的导热过程，称为光子导热。辐射传热光子热导辐射传热原理任何温度下的物体既能辐射出一定频率的射线，同样也能吸收类似的射线。存在温度梯度时，温度高的部分辐射的能量大，吸收的能量少，温度低的部分正好相反，于是产生能量的转移，介质中的热量就从高温处向低温处传递。真空条件下的传热1.温度的影响三、影响热导率的因素气体：随温度的升高，其导热系数增大。金属材料：随温度的升高，其导热系数先增大，超过一定值后，缓慢下降。耐火氧化物多晶材料：随温度的升高，其导热系数下降。物质的种类不同，导热系数随温度的变化规律不同。例如：不致密的耐火材料：由于气孔导热的贡献，随着温度的升高，导热率略有提高。2.显微结构的影响（1）结晶构造的影响声子传导与晶格振动的非谐性有关。晶体结构愈复杂，晶格振动的非谐性程度愈大。格波受到的散射愈大，因此，声子平均自由程较小，热导率较低。如：镁铝尖晶石的热导率比Al2O3和MgO的热导率都低，莫来石的结构更复杂，其热导率比尖晶石还低得多。（2）各向异性晶体的热导率非等轴晶系的晶体热导率呈各向异性，膨胀系数低的方向，热导率大。温度升高时，不同方向的热导率差异减小。因为温度升高，晶体结构的对称性提高。（3）多晶体与单晶体的热导率对于同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶体小。因为多晶体中，晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界处杂质也多，声子更易受到散射，其平均自由程要小得多，所以热导率小。温度愈高，差异愈大：晶界、缺陷、杂质在高温时对声子的阻碍作用更强；高温时，单晶中光子传导效应比多晶中更明显。（4）非晶体的热导率非晶体具有“近程有序，长程无序”的结构。低温下，其声子平均自由程在不同温度上基本为常数，其值近似等于几个晶格的间距。较高温度下，玻璃的导热主要由热容与温度的关系决定；较高温度以上则需考虑光子导热的贡献。hgFh´g´光子热导大光子热导小非晶体导热系数曲线不考虑光子导热的贡献时，所有温度下非晶体的导热系数都比晶体的小；晶体和非晶体材料的导热系数在高温时比较接近；非晶体材料的导热系数不存在峰值点；组分对非晶体导热系数的影响较小。3.化学组成的影响构成晶体的质点的大小、性质不同，其晶格振动状态不同，导致其热导率不同。一般而言，质点的原子量愈小，密度愈小，杨氏模量愈大，德拜温度愈高，则热导率愈大。因此，轻元素的固体和结合能高的固体热导率较大。如：

金刚石=1.710-2W/(m•K)

Si=1.010-2W/(m•K)

Ge=0.510-2W/(m•K)杂质、固溶体的形成使热导率降低，取代元素的质量和大小与基体元素相差越大，取代后结合力改变越大，对热导率的影响越大。4.复相材料的热导率分散相均匀地分散在连续相中：

c和

d分别为基体和分散相的的热导率Vd：分散相的体积分数5.气孔的影响将气孔看作分散相：

s：固相的热导率p：气孔的体积分数在不改变结构状态的情况下，气孔率增大，总是使

降低。多孔、泡沫硅酸盐、纤维制品、粉末和空心球状轻质陶瓷制品的保温原理。对于陶瓷，当温度较低时，在气孔较少、尺寸较小、分布均匀的情况下，气孔可看作一分散相，此时陶瓷材料的热导率按复相陶瓷的热导率计算。四、某些无机材料的热导率由于影响无机材料热导率的因素复杂，实际材料的热导率一般依靠实验测定。低温具有较高热导率的材料，随着温度的升高，热导率降低。地热导率的材料正好相反。低温具有较高热导率的材料（Al2O3，BeO，MgO）：A：常数T：热力学温度对于Al2O3、MgO、BeO，A分别为16.2，18.8，55.4，适用温度范围分别为2073K、2073K、1273~2073K。玻璃体的热导率随温度的升高缓慢增大。高于773K时，由于辐射传热效应使其热导率上升较快，经验公式为：建筑材料、粘土质耐火砖、保温砖：c、d：常数T：热力学温度b：常数

0：0°C时材料的热导率热导率微观机理影响因素举例热学性能晶格振动热容热膨胀热传导热稳定性§2.1.4无机材料的热稳定性一、热稳定性的概念与表示方法二、热应力三、抗热冲击断裂性能四、提高抗热冲击断裂性能的措施一、热稳定性的概念与表示方法1.概念热稳定性指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，又称为抗热震性。抗热冲击断裂性抗热冲击损伤性材料抵抗温度急剧变化时瞬时断裂的性能。材料抵抗热冲击循环作用下缓慢破坏的性能，例如表面开裂、剥落，并不断发展，最终破裂或变质。2.表示方法由于目前对热稳定性的理论研究还不完善，对材料热稳定性的评价还是采用比较直观的测定方法。日用瓷：以一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即放入室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷，直至观测到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加热温度来表征其热稳定性。高温陶瓷材料：加热到一定温度后，在水中急冷，然后测定其抗弯强度的损失率来评定其热稳定性。普通耐火材料：将试样的一端加热到1123K并保温40分钟，然后置于283-293K的流动水中3分钟或在空气中5-10分钟，重复操作，直至试样失重20%，以这样的操作次数来表征其热稳定性。热应力指由于材料热膨胀或收缩引起的内应力。l热应力：二、热应力产生原因：机械约束多相复合材料存在温度梯度冷却时，产生的热应力为张应力（正值），这种应力才会使杆件断裂。陶瓷薄板的热应力分析：根据广义虎克定律：不允许x方向涨缩不允许z方向涨缩热应力：t=0的瞬间，，若恰好达到材料的极限抗拉强度，则前后两表面将开裂破坏，代入上式：其它非平面薄板状制品：S:形状因子三、抗热冲击断裂性能1.第一热应力断裂抵抗因子R越大，材料承受的温度变化越大，热稳定性越好。2.第二热应力断裂抵抗因子R’热应力引起的材料断裂破坏，还与材料散热有关，散热使热应力得到缓解。第一热应力断裂抵抗因子表征热稳定性的因子热导率

材料壁厚表面散热速率热稳定性好材料半厚为rm（cm）时：h：表面热传递系数，即材料表面温度比周围环境温度高1K时，在单位表面积上，单位时间带走的热量。[J/(cm·s)]第二热应力断裂抵抗因子：其它形状的试样：3.第三热应力断裂抵抗因子R´´热应力引起的材料断裂破坏，还与冷却速率引起材料中的温度梯度有关。a：导温系数

：密度cp：热容最大冷却速率：第三热应力断裂抵抗因子：四、提高抗热冲击断裂性能的措施提高材料强度

，减小弹性模量E，使

/E提高。减小材料的热膨胀系数

。提高材料的热导率

，使R提高。减小表面热传递系数h。减小材料的有效厚度rm。概念热应力抗热冲击断裂性能措施热学性能晶格振动热容热膨胀热传导热稳定性2.2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教学重点：1.无机非金属材料热学性能的热膨胀、热传导2.无机非金属材料力学性能的硬度、强度3.无机非金属材料导电性能教学难点：材料理论强度高于实测强度的原因，离子导电和电子导电的区别。本章教学要求：通过本章的教学，要使学生了解无机非金属材料使用性能中带有普遍意义的性质，增长学生对无机非金属材料基本性能的进一步认识，达到能运用准确的方法测试各种性能并能分析实验结果。变形和外力不呈线性关系，而且外力撤销后，变形不会完全消失。材料变形的大小和作用力大小成正比，且去掉外力，能恢复原状。外力继续增大至大于材料的断裂强度时将会发生断裂。弹性变形塑性变形断裂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σ=Eε

或τ=Gγ，E称为弹性模量，G称为剪切模量，K称为压缩模量。μ=(Δd/d):（ΔL/L）称为泊松比。G=E/2(1+μ)K=E/3(1-2μ)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.弹性模量弹性变形弹性变形的重要特征是其可逆性,即受力作用后产生变形,卸除载荷后,变形消失。这反映了弹性变形决定于原子间结合力这一本质现象。原子处于平衡位置时，其原子间距为r。，势能U处于最低位置，相互作用力为零，这是最稳定的状态。当原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产生引力；原子间距减小时将产生斥力。这样，外力去除后，原子都会回到其原来的位置，所产生的变形便会消失，这就是弹性变形。

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。(1)抗压强度--材料被破坏前的最大承载压应力。(2)抗拉强度--材料被拉断前的最大承载拉应力。(3)抗弯强度--材料能承受的最大致弯外力。(4)抗剪强度--材料承受剪切力的能力。3.微裂纹理论（1）理论要点实际材料中总是存在许多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近产生应力集中现象。当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展而导致断裂。所以断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果。（2）断裂应力（临界应力）（3）断裂判据r——裂纹尖端的曲率半径l——契口长度Y——形状因子4.强度的影响因子（1）内在因素：材料的物性。如：弹性模量、热膨胀系数、导热性、断裂能；（2）显微结构：相组成、晶粒、气孔、晶界（晶相、玻璃相、微晶相）、微裂纹（长度、尖端的曲率大小）；（3）外界因素：使用温度、应力、气氛环境、试样的形状大小、表面；（例如：无机材料的形变随温度升高而变化的情况：弹性——弹塑性——塑性——粘性流动）（4）工艺因素：原料的纯度粒度形状、成型方法、升温制度、降温速率、保温时间，气氛及压力等；5.提高无机非金属材料强度的途径改变结构单元组成、去除表面微裂纹、消除热表面应力、掺入增强相等六、高温力学行为1.蠕变蠕变——材料在常应力作用下，变形随时间的延续而缓慢增长的现象。从热力学观点出发，蠕变是一种热激活过程。在高温条件下，借助于外应力和热激活的作用，形变的一些障碍物得以克服，材料内部质点发生了不可逆的微观过程。3）显微结构

（2）影响蠕变的因素1）温度、应力（外界因素）2）晶体的组成结合力越大，越不易发生蠕变，所以共价键结构的材料具有好的抗蠕变性。例如碳化物、硼化物。材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响。（a）气孔：气孔率增加，蠕变率增加。

原因：气孔减少抵抗蠕变的有效截面积。（b）晶粒：晶粒越小，蠕变率越大。原因：晶界的比例随晶粒的减小而大大增加，晶界扩散及晶界流动加强。（c）玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕变率增加。原因：温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大，蠕变率增大。2.高温强度热强度指热抗压强度、热抗折强度、热抗拉强度和热抗扭转强度。玻璃相的特性和数量对多矿物材料的强度起着决定性的作用。玻璃相在较低温度下软化→低温下出现粘性流动→微结构分离→热强度降低存在温度梯度而产生温度达到平衡时消失在不同变形系数的复合材料中形成并保持的应力状态。暂时热应力01淬火或冷却热应力02永久热应力迅速冷却阶段出现保留在工件中通过退火消除033.热应力物体受热不均匀或各组元膨胀不同，在加热或冷却时所产生的应力称为热应力。例1：材料中存在温度梯度形成的热应力引起在373K的沸水中在273K的冰水浴中,表面层趋于

T=100

收缩,内层的收缩为零。结果：表面层的收缩受到限制，在表面层产生张应力，内层受到压应力。随着时间的延长，内层温度不断下降，材料中的热应力逐渐减小。表面273K玻璃内部373K原因：快冷却开始时，玻璃的表面比内部冷却的更快，外部首先变硬，而内部仍处于熔融状态，由于收缩程度不同，在玻璃表面产生拉应力，淬火以后几秒之内，表面与内部的温差达最大值，继续冷却，内部的收缩将比刚硬的外部收缩更快，此时，表面张应力随着减小，直至室温，表面由拉应力变为压应力。

T软化点转变点例2：玻璃的淬火-----将在转化点和转化温度间的玻璃快速冷却。冷却方法：冷空气喷射、油浴。结果：在玻璃的表面产生压应力，提高玻璃的强度。例3：由坯釉热膨胀系数不同引起。上釉陶瓷:釉的热膨胀系数：

1

；坯体的热膨胀系数：

2坯受较强的拉力作用釉被拉离坯面

1>

2

1<

2釉受较大拉力的作用发生龟裂或坯向内侧弯曲

2.3电学性能一、导电性能二、介电性能三、磁性四、光学性能一、导电性质Ohm’sLaw:V=IR1.电阻率欧姆定律影响电阻率的因素：（1）微观结构（2）温度电阻率(W-m)Resistivity:图3-1（a）金属和（b）半导体电阻率与温度的关系2.电导率σ电导率依赖于以下三个因素：单位体积材料中的载流子数目（n）。每个载流子上的电荷量（q，库仑/载流子）。每个载流子的运动能力（

）。以上三个因素的乘积就是电导率。即：

＝nq

Materials导体~107(W-m)-1半导体10-6~104(W-m)-1绝缘体10-10~10-20(W-m)-1防静电材料：10-5~10-9(W-m)-1载流子载流子可以是电子、空穴、离子（正、负离子，空位）。载流子为离子的电导为离子电导，载流子为电子的电导为电子电导。材料的导电现象，其微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。无机材料中导电的主要机理为离子导电。在离子材料中，带电载流子即离子的运动性为：D为扩散系数k为Boltzmann常数T为绝对温度q为电量Z为离子的价位影响因素：（1）温度（2）晶体性质（3）空隙率晶体的离子电导主要有两类：第一类，固有离子电导，源于晶体点阵的基本粒子的运动。离子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷（高温下显著）。第二类，杂质电导，由固定较弱的离子运动造成的（低温下显著）。载流子浓度对于固有电导，载流子由晶体本身热缺陷决定—弗仑克尔缺陷和肖脱基缺陷提供。热缺陷的浓度决定于温度和离解能，因此高温下，固有电导显著。杂质离子载流子浓度决定于杂质的数量和种类。因为杂质离子的存在，不仅增加了电流载体数，而且使点阵发生畸变，杂质离子的离解活化能变小，因此，低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定。离子迁移率无外加电场时，间隙离子在晶体中各方向的迁移次数都相同，宏观上无电荷定向移动，故介质中无电导现象。加上电场后，由于电场力作用，晶体中间隙离子势垒不再对称。对于正离子顺电场方向“迁移”容易，反电场方向迁移困难。离子电导是在电场作用下的离子的扩散现象。离子扩散机构主要有：空位扩散、间隙扩散、亚晶格间隙扩散。一般间隙扩散比空位扩散需更大的能量，间隙—亚晶格扩散相对来讲晶格变形小，比较容易产生。影响离子电导率的因素1.温度随着温度的升高，离子电导按指数规律增加。低温下杂质电导占主要地位，这是由于杂质活化能比基本点阵离子的活化能小许多的缘故。高温下，固有电导起主要作用。因为热运动能量的增高，使本征电导的载流子数显著增多。2.晶体结构电导率随活化能按指数规律变化，而活化能反映离子的固定程度，它与晶体结构有关。熔点高的晶体，晶体结合力大，相应活化能也高，电导率就低。一价正离子尺寸小，电荷少，活化能小；高价正离子，键价强，所以活化能大，故迁移率较低。除了离子的状态以外，晶体的结构状态对离子活化能也有影响。显然，结构紧密的离子晶体，由于可供移动的间隙小，则间隙离子迁移困难，即活化能高，因而可获得较低的电导率。3.晶格缺陷离子晶体要具有离子电导的特性，必须具备以下条件：1）电子载流子的浓度小。2）离子晶格缺陷浓度大并参与电导。因此离子型晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键。电子电导电子电导的载流子是电子或空穴（即电子空位）。电子电导主要发生在导体和半导体中。能带理论指出在具有严格周期性电场的理想晶体中的电子和空穴，在绝对零度下运动象理想气体在真空中的运动一样，电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。载流子浓度晶体中并非所有电子，所有的价电子都参与导电。只有导带中的电子或价带顶部的空穴才参与导电。导体中导带和价带之间没有禁区，电子进入导带不需要能量，因而导电电子的浓度很大。绝缘体中价带和导带隔着一个宽的禁带，电子由价带到导带需外界提供能量，使电子激发，使电子由价带到导带的跃迁，因而通常导带中导电电子浓度很小。大多数无机非金属属于这种情况。半导体的价带与导带之间，如果存在外界作用，则价带中的电子获得能量，可能跃迁到导带中，这样导带中出现了导电电子。而在价带中出现了这个电子留下的空位，叫空穴。空穴顺电场方向运动，这种导电称为空穴导电，属于电子导电的一种。杂质半导体分为n型半导体和p型半导体。“多余”电子的杂质能级称为施主能级。这类掺入施主杂质的半导体称为n型半导体。载流子主要为导带中的电子。掺入受主杂质的半导体称为p型半导体或空穴型半导体。载流子为空穴。二、介电性质1.介电性能介电性能是指在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数和介质损耗来表示。介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数(permittivity),又称诱电率。1.1介电常数介电常数又叫介质常数、介电系数或电容率，它