第三章 无机非金属材料的性能

（2）断裂应力（临界应力）
c
（3）断裂判据
2 Er l
r——裂纹尖端的曲率半径 l——契口长度
K Ic Y c l
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；
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。
淬火或冷却热应 力
永久热应力
• 存在温度梯度而产生 • 温度达到平衡时消失
• 迅速冷却阶段出现 • 保留在工件中 • 通过退火消除
• 在不同变形系数的复 合材料中形成并保持 的应力状态。
例1 ： 材料中存在温度梯度形成的热应力引起
玻璃
在373K的沸水中
表面 273K 内部 373K 在273K的冰水浴中,表面层趋 于T=100收缩,内层的收 缩为零。
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。
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

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
弹性变形
塑性变形
断裂
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。
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。
外力继续增大 至大于材料的 断裂强度时将 会发生断裂。
1 >2
1<2
釉受较大拉力的作用 发生龟裂或坯向内侧弯曲
坯受较强的拉力作用釉被拉 离坯面
第二节 热学性能
• 一、 热容 • 二、 热膨胀 • 三、 热传导
一、 热容
• 1. 定义
– – 相当于温度升高1℃时物质能量的增加。
固体的热容是原子振动 在宏观性质上的一个最 直接的表现。
比热——每一克物质的热容（J/（g•℃））。
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。
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。
T
软化点 转变点

原因：快冷却开始时，玻璃的表面比内部冷却的更快，
单质材料
金刚石 硅 锡
1.54 2.35 5.3
712.3 364.5 301.7
3500 1415 232
2.5 3.5 5.3
（3） 热膨胀与结构的关系


结构紧密的固体，膨胀系数大，反之，膨胀系数小 对于氧离子紧密堆积结构的氧化物，相互热振动导致 膨胀系数较大，约在6～8×10-6/ 0C，升高到德拜特征 温度时，增加到 10～15×10-6/ 0C。 如：MgO、 BeO、 Al2O3、 MgAl2O4、BeAl2O4都具有 相当大的膨胀系数。
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。
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。
第三章 无机非金属材料的性能
各种材料的特性
金属 材料
无机 材料
聚合 物
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
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。
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。
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。
对连续基体内的密闭气孔，可用下面经验公式：
E=Eo(1－1.9P+0.9P2)适用于P50
材料 氧化铝晶体 烧结氧化铝（P=5 % ） 高铝瓷（P=90－95 % ） 烧结氧化铍（ P=5 % ） 热压BN（ P=5 % ） 热压B4C（ P=5 % ） 石墨（ P=20 % ） 烧结MgO（ P=5 % ） 烧结MoSi2（ P=5 % ） E (Gpa) 380 366 366 310 83 290 9 210 407 材料 烧结TiC(P=5 % ) 烧结MgAl2O4(P=5 %) 密实SiC(P=5 % ) 烧结稳定化ZrO2 P=5 % 石英玻璃 莫来石瓷 滑石瓷 镁质耐火砖 E (Gpa) 310 238 470 150 72 69 69 170
• ——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

E a
γ——表面能 a——离子距离
只有在一些极细的纤维晶体和晶须中，σ≈σth 在较大尺寸材料中，σ<σth
• 3. Griffith微裂纹理论
（1）理论要点
Griffith认为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。
（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
• 2.影响因素
（1）温度 （2）载荷和位错速度
图3 MgO和KBr弯曲试验的应力-应变曲线
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
第一阶段蠕变 弹性变形阶段
0
0
100
200
300
400
500
600
时间（小时）
（2）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。
3） 显微结构
材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响。
• 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
3. 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。
暂时热应力
• 2. 衡量指标
• 冲击韧性 • 断裂韧性
Titanic沉没原因
——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
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
与(T / D)3成正比。
2） 键强、弹性模量、熔点的影响 德拜温度约为熔点的0.2—0.5倍。 3） 无机材料的热容对材料的结构不敏感 混合物与同组成单一化合物的热容基本相同。 4） 相变时，由于热量不连续变化，热容出现突变。
5） 多相复合材料的热容：c=gici
gi ：材料中第i种组成的重量%； Ci：材料中第i组成的比热容。
（1） 典型的蠕变曲线
起始段，在外力作用下，发生瞬时 弹性形变，即应力和应变同步。
8 延 伸 率 × 102
其特点是应变速率随时间递减， 持续时间较短。 此阶段的形变速率最小，且恒 定，也为稳定态蠕变。形变与 时间的关系为线性关系。
第三阶段蠕变
6
4
第二阶段蠕变
此阶段是断裂即将来临之前的 最后一个阶段。特点：曲线较 陡，说明蠕变速率随时间增加 而快速增加。
二、 热膨胀
1. 定义
热膨胀：温度改变 toC时，固体在一定方向上发生相对长度的 变化(L/Lo)或相对体积的变化( V/Vo)。 (L/ t) 线膨胀系数： =(1/Lo)· 体积膨胀系数： =(1/Vo)/(V/ t)
t t1 t t2
2. 影响热膨胀的因素
• • • • （1） 化学键型 随着物质中离子键性的增加，膨胀系数也增加。另一 方面，化学键的键强越大，膨胀系数越小。 （2）热膨胀与结合能、熔点的关系 结合力强，势能曲线深而狭窄，升高同样的温度，质 点振幅增加的较少，热膨胀系数小。 ro (10-10m) 结合能 ×103J/mol 熔点(oC) l(×10-6)
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
1. 弹性模量
• 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
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：
2. 影响弹性模量的因素
• （1）晶体结构 • （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 • （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。 • （4）材料的密实性，显微结构的组成及前期 工艺
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。

固体结构疏松，内部空隙较多，当温度升高，原子振 幅加大，原子间距离增加时，部分的被结构内部空隙 所容纳，宏观膨胀就小。 如：石英 12×10-6 /K ，石英玻璃0.5×10-6/K
温度变化时发生晶相转变，引起体积膨胀.
如：单斜－ZrO2
g/cm3： 5.56
11700C
恒容比热Cv：体积不变，温度↑时的能量增加
比热 恒压比热Cp：压力不变，温度↑时的能量增加
• 2. 比热与温度的关系
• 3. 应用
– – 用于蓄热的材料，C↑ 用于加热的材料，C↓
以Cv为例： 绝对零度时，Cv→0 T↑， Cv∞T3 T↑↑， Cv=3Nk=3R
4. 无机材料的热容
影响热容的因素： 1） 温度对热容的影响 高于德拜温度时，热容趋于常数，低于德拜温度时，