第三章 无机非金属材料的性能.ppt
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✓ 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。
• （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
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。
• 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
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源自文库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 % ）
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。
• （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。
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。
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：
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。
310 烧结稳定化ZrO2 150 P=5 %
83
石英玻璃
72
290 莫来石瓷
69
9
滑石瓷
69
210 镁质耐火砖
170
407
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。
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。
• ——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。
• 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
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
材料 烧结TiC(P=5 % )
E (Gpa) 310
366 烧结MgAl2O4(P=5 238 %)
366 密实SiC(P=5 % ) 470
KIc Yc 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）
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；
（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。
（2）断裂应力（临界应力）
c
（3）断裂判据
2Er
l
r——裂纹尖端的曲率半径 l——契口长度
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。
• （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
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。
• 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
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源自文库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 % ）
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。
• （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。
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。
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：
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。
310 烧结稳定化ZrO2 150 P=5 %
83
石英玻璃
72
290 莫来石瓷
69
9
滑石瓷
69
210 镁质耐火砖
170
407
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。
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。
• ——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。
• 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
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
材料 烧结TiC(P=5 % )
E (Gpa) 310
366 烧结MgAl2O4(P=5 238 %)
366 密实SiC(P=5 % ) 470
KIc Yc 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）
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；
（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。
（2）断裂应力（临界应力）
c
（3）断裂判据
2Er
l
r——裂纹尖端的曲率半径 l——契口长度