第三章 无机非金属材料的性能

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第一阶段蠕变 弹性变形阶段00Fra bibliotek100
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时间（小时）
（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。
3） 显微结构
材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响。
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。
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)
（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
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。
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。
• 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
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。
（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；
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•℃））。
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。
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。
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。

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。
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。
（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。
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
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。
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。