武汉理工材料物理性能复习资料

第一章一、基本概念1．塑性形变及其形式：塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。

晶体中的塑性形变有两种基本方式：滑移和孪晶。

2．蠕变：当对粘弹性体施加恒定压力σ0时，其应变随时间而增加，这种现象叫做蠕变。

弛豫：当对粘弹性体施加恒定应变ε0时，其应力将随时间而减小，这种现象叫弛豫。

3．粘弹性：一些非晶体，有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性，称为粘弹性，所有聚合物差不多都表现出这种粘弹性。

4．滞弹性：对于理想的弹性固体，作用应力会立即引起弹性应变，一旦应力消除，应变也随之消除，但对于实际固体这种弹性应变的产生与消除需要有限时间，无机固体和金属这种与时间有关的弹性称为滞弹性。

二、基本理论1．金属材料和无机非金属材料的塑性变形机理：○1产生滑移机会的多少取决于晶体中的滑移系统数量。

○2对于金属，金属键没有方向性，滑移系统多，所以易于滑移而产生塑性形变。

对于无机非材料，离子键和共价键有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作用条件。

晶体结构越复杂，满足这种条件就越困难，所以不易产生滑移。

○3滑移反映出来的宏观上的塑性形变是位错运动的结果，无机材料不易形成位错，位错运动也很困难，也就难以产生塑性形变，材料易脆断。

金属与非金属晶体滑移难易的对比金属非金属由一种离子组成组成复杂金属键物方向性共价键或离子键有方向性结果简单结构复杂滑移系统多滑移系统少2．无机材料高温蠕变的三个理论○1高温蠕变的位错运动理论：无机材料中晶相的位错在低温下受到障碍难以发生运动，在高温下原子热运动加剧，可以使位错从障碍中解放出来，引起蠕变。

当温度增加时，位错运动加快，除位错运动产生滑移外，位错攀移也能产生宏观上的形变。

热运动有助于使位错从障碍中解放出来，并使位错运动加速。

当受阻碍较小时，容易运动的位错解放出来完成蠕变后，蠕变速率就会降低，这就解释了蠕变减速阶段的特点。

如果继续增加温度或延长时间，受阻碍较大的位错也能进一步解放出来，引起最后的加速蠕变阶段。

○2扩散蠕变理论：高温下的蠕变现象和晶体中的扩散现象类似，并且把蠕变过程看成是外力作用下沿应力作用方向扩散的一种形式。

○3晶界蠕变理论：多晶陶瓷中存在着大量晶界，当晶界位向差大时，可以把晶界看成是非晶体，因此在温度较高时，晶界粘度迅速下降，外力导致晶界粘滞流动，发生蠕变。

第二章一、基本概念1．裂纹的亚临界生长：裂纹除快速失稳扩展外，还会在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展，这种缓慢扩展也叫亚临界生长，或称为静态疲劳。

2．裂纹扩展动力：物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能，反之，前者小于后者，则裂纹不会扩展。

将上述理论用于有裂纹的物体，物体内储存的弹性应变能的降低（或释放）就是裂纹扩展动力。

3．相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变，从而增韧的效果，这统称为相变增韧。

4．应力场强度因子：应用弹性力学的应力场理论对裂纹尖端附近的应力场进行分析K=cY ，得到的与外加应力σ、裂纹长度c、裂纹种类和受力状态有关的系数K，称为应力场强度因子，它反映了裂纹尖端应力场的强度。

（P49）5．蠕变断裂：多晶材料一般在高温环境中，在恒定应力的作用下由于形变不断增加而断裂，这称为蠕变断裂。

（高温下主要的形变是晶界滑动，因此蠕变断裂的主要形式是沿晶界断裂。

蠕变断裂明显地取决于温度和外加应力。

温度愈低，应力愈小，蠕变断裂所需的时间愈长。

蠕变断裂过程中裂纹的扩展属于亚临界扩展，是一种高温下，较低应力水平的亚临界裂纹扩展。

）二、基本理论1．格里菲斯裂纹理论：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．Griffith微裂纹理论（裂纹产生和裂纹扩展）：材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是取决于裂纹的大小，即由最危险的裂纹尺寸（临界裂纹尺寸）决定材料的断裂强度。

一旦裂纹超过临界尺寸就迅速扩展使材料断裂。

因为裂纹扩展力G=πcσ²/E，c增加，G变大。

而dW/dc=2γ是常数，因此，裂纹一旦达到临界尺寸开始扩展，G就越来越大于2γ，直到破坏。

所以对于脆性材料，裂纹的起始扩展就是破坏过程的临界阶段。

防止裂纹扩展的措施：○1首先应使作用应力不超过临界应力，这样裂纹就不会失稳扩展。

○2其次，在材料中设置吸收能量的机构也能阻止裂纹扩展。

○3此外，认为的在材料中造成大量极微细的裂纹（小于临界尺寸）也能吸收能量，阻止裂纹扩展。

提高强度的措施：○1提高晶体的完整性，微晶、高密度、高纯度；○2提高抗裂能力与预加应力；○3化学强化（离子交换）；○4相变增韧（利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变，从而增韧的效果，这统称为相变增韧）；○5弥散增韧（在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料，达到增韧的效果，这称为弥散增韧）裂纹模型根据固体的受力状态和形变方式，分为三种基本的裂纹模型：张开型 错开型 撕开型掰开或拉伸 划开或面内剪切 外剪切1）应力场强度因子及几何形状因子将σ换为σA r K I π2=A σ=c rσρπ22=c Y σKI 是反映裂纹间断应力场强度的强度因子，Y 为几何形状因子，他和裂纹形式，试件几何形状有关。

求KI 的关键在于求Y ： 大而薄的板，中心穿透裂纹，π=Y 大而薄的板，边缘穿透裂纹，π12.1=Y三点弯曲切口梁 s/w=4时，()()()()[]432/8.25/07.25/5.14/07.393.1w c w c w c w c Y +-+-=2）按断裂力学的观点，裂纹是否扩展取决于应力场强度因子的大小，当K 值达到某一极限值时，裂纹就扩展，即KI < KIc极限值KIc 称为断裂韧性，他是反应材料抗断性能的参数。

因此，应力场强度因子小于或等于材料的平面应变断裂韧性，即KI ≤ KIc ，所以设计的构件才是安全的。

这一判据考虑了裂纹尺寸。

三、基本计算1．断裂时的临界应力 P452．经典强度理论与断裂力学强度计算 2.2节&.2.3节第三章一、基本概念1．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，这个现象就称为热传导。

2．热稳定性：热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，所以又称为抗热震性。

3．热应力：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。

4．柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。

杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/（K·mol）。

二、基本理论1．提高无机材料的抗热冲击断裂性能的措施：○1提高材料强度σ，减小弹性模量E，使σ/E提高。

这意味着提高材料的柔韧性，能吸收较多的弹性应变能而不致开裂，因而提高了热稳定性。

○2提高材料的热导率λ，使R提高。

λ大的材料传递热量快，使材料内外温差较快地得到缓解、平衡，因而降低了短时期热应力的聚集。

○3减少材料的热膨胀系数α。

α小的材料，在同样的温差下，产生的热应力小。

○4减小表面热传递系数h。

为了降低材料的表面散热速率，周围环境的散热条件特别重要。

○5减小产品的有效厚度Υm 。

2．爱因斯坦模型和德拜比热模型的热容理论爱因斯坦模型：假设每一个原子都是一个独立的振子，原子之间彼此无关，并且都是以相同的角频率ω振动。

高温下，C v≈3Nk ，与经典公式一致；低温下，C v=3Nk(θE/T)²exp（-θE/T），C v按指数律随温度而变化，而实验值是按T³规律在变化，这就使得在低温区域，按爱因斯坦模型计算出的C v值与实验值相比，下降太多，存在一定的偏差。

（根源在于假设有问题）德拜比热模型：晶格中对热容的主要贡献是弹性波的振动，也就是波长较长的声频支在低温下的振动占主导地位。

声频波的波长远大于晶体的晶格常数，可以把晶体近似为连续介质，所以声频支的振动也近似地看作是连续的，具有从0到ωmax的谱带。

高于ωmax布置声频支而在光频支范围，对热容贡献很小，可以忽略不计。

由此假设可推出C v=3Nkf D(θD/T)，当温度较高时，C v≈3Nk；当温度很低时，C v=2.4π4Nk(T/θD)3,，当T→0时，C v与T3成比例。

（德拜模型解释不了超导现象）3．无机材料的热容与材料结构的关系：无机材料的热容与材料结构的关系是不大的。

所有晶体在多晶转化、铁电转变、有序-无序转变等相变情况下，由于热量的不连续变化，热容出现会突变。

单位体积的热容与气孔率有关，多孔材料因为质量轻，所以热量小。

在较高温度下固体的摩尔热容大约等于构成该化合物各元素原子热容的总和c=∑n i C i。

对于隔热材料，需采用轻质隔热板，便于炉体迅速升降温，同时降低热量损耗。

4．不同材料热导率特征及材料热导率的影响因素特征○1非等轴晶系的晶体热导率呈各向异性，温度升高时，不同方向的热导率差异减小。

○2对于同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶小，由于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，它的平均自由程小得多，所以热导率小。

○3低温时多晶的热导率与单晶的平均热导率一致，但随着温度升高，差异迅速变大。

○4非晶体的导热系数（不考虑光子导热的贡献）在所有温度下都比晶体小；晶体和非晶体材料的导热系数在高温时比较接近；非晶体导热系数曲线与晶体导热系数曲线的一个重大区别是前者没有导热系数的峰值点。

○5不同组成的晶体，热导率往往有很大差异。

○6低温时有较高热导率的材料，随着温度升高，热导率降低；而低热导率的材料正相反。

○7玻璃体的热导率随温度的升高而缓慢增大。

○8某些建筑材料、粘土质耐火砖以及保温砖等，其热导率随温度升高线性增大。

影响因素：○1温度；○2显微结构；○3化学组成；○4气孔。

5．热应力及固体材料的热膨胀的本质由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。

固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中的质点间平均距离随温度升高而增大。

三、基本计算1．热容计算 3.1节P1102．热应力计算 3.4节P150第四章一、基本概念1．光的双折射：光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线，这个现象称为光的双折射。

2．光的色散：材料的折射率随入射光的频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。

3．镜反射：一束平行光射到平面镜上，反射光是平行的，这种反射叫做镜反射。

漫反射：当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，这种反射称之为漫反射。