材料物理性能

1、应力：单位面积上所受的内力σ=F/A2、应变：描述物体内部质点之间的相对运动ε=△L/Lo3、晶格滑移：晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动。条件：①移动较小的距离即可恢复、②静电作用上移动中无大的斥力4、塑性形变过程：①理论上剪切强度：克服化学键所产生的强度。当ττo时，发生滑移（临界剪切应力），τ=τmsin(2πx/λ),xλ时，τ=τm（2πx/λ）。由虎克定律τ0=Gx/λ.则Gx/λ=τm（2πx/λ）→τm=G/2π;②位错运动理论：实际晶体中存在错位缺陷，当受剪应力作用时，并不是晶体内两部分整体相互错动，而是位错在滑移面上沿滑移方向运动，使位错运动所需的力比是晶体两部分整体相互华东所需的力小的多，故实际晶体的滑移是位错运动的结果。位错是一种缺陷，位错的运动是接力式的；③位错增值理论：在时间t内不但比N个位错通过试样边界，而且还会引起位错增值，使通过便捷的位错数量增加到NS个，其中S位位错增值系数。过程机理画图5、高温蠕变：在高温、恒定应力的作用下，随着时间的延长，应变不断增加。⑴起始阶段0-a：在外力作用下瞬时发生弹性形变，与时间无关。⑵蠕变减速阶段a-b：应变速率随时间递减，即a-b段的斜率dε/dt随时间的增加而愈小，曲线愈来愈平缓。原因：受阻碍较小，容易运动的位错解放出来后，蠕变速率就会降低；⑶稳态蠕变阶段b-c：入编速率几乎保持不变，即dε/dt=K（常数）原因：容易运动的位错解放后，而受阻较大的位错未被解放。⑷加速入编阶段c-d:应变绿随时间增加而增加，曲线变陡。原因：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。影响入编的因素：⒈温度，温度升高，入编增加。⒉应力，拉应力增加，蠕变增加，压应力增加，蠕变减小⒊气孔率增加，蠕变增加，晶粒愈小，蠕变率愈小。⒋组成。⒌晶体结构。6、弹性形变：外力移去后可以恢复的形变。塑性形变：外力移去后不可恢复的形变7、突发性断裂（快速扩展）：在临界状态下，断裂源处的裂纹尖端所受的横向拉应力正好等于结合强度时，裂纹产生突发性扩展。（一旦扩展，引起周围盈利的再分配，导致裂纹的加速扩展，出现突出性断裂）8、裂纹缓慢生长：当裂纹尖端处的横向拉应力尚不足以引起扩展，但在长期受应力的情况下，特别是同时处于高温环境中时，还会出现裂纹的缓慢生长。9、理论结合强度：无机材料的抗压强度大约是抗拉强度的10倍。δth=(EΥ/a)0.5→(Υ=aE/100)→δth=E/10(a：晶格常数，Υ：断裂表面能断裂表面能Υ比自由表面能大。这是因为储存的弹性应变能除消耗于形成新表面外，还有一部分要消耗在塑性形变、声能、热能等方面。10、Griffith微裂纹理论：⑴Inglis尖端分析：孔洞两个端部的应力取决于孔洞的长度和端部的曲率半径而与孔洞的形状无关。应用：修玻璃通过打孔增加曲率来减慢裂纹扩展。⑵Griffith能量分析：物体内储存的弹性应变能的降低大于等于开裂形成两个新表面所需的表面能。（产生一条长度2C的裂纹，应变能降低为We，形成两个新断面所需表面能为Ws）。裂纹进一步扩展（2dc，单位面积所释放的能量为dWe/2dc，形成新的单位表面积所需的表面能为dWs/2dc。）当dWe/2dcdWs/2dc时，为稳定状态，裂纹不会扩展；当dWe/2dcdWs/2dc时，裂纹失稳，迅速扩展；当dWe/2dc=dWs/2dc时，为临界状态。应用：尽数剪裁上通过反复折导致剪断。11、选择材料的标准：δδc,即使用应力小于断裂应力；KiKic（Ki=Yδc0.5,为应力场强度因子；Kic为平面应变断裂韧性），即使用应力场强度因子小于平面应变断裂韧性12、裂纹的起源：1.由于晶体微观结构存在缺陷，当受外力作用时，在这些缺陷外就会引起应力集中，导致裂纹成核。2.材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹；3.由于热应力引起裂纹。裂纹的快速扩展（脆性材料）：临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度，一旦裂纹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↑,G↑而dWs/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，知道破坏。亚临界生长：在使用应力下，裂纹随时间的推移而缓慢扩张，这种缓慢扩展叫亚临界生长。13、防止裂纹扩展的措施：1.作用应力不超过临界应力；2.在材料中设置吸收能量的机构3.认为地在材料中造成大量极微细的裂纹也能吸收能量。14、应力腐蚀理论：在一定的环境，温度和应力场强度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处，裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较构成裂纹开裂或止裂的条纹。15、显微结构对材料脆性断裂的影响：晶粒尺寸愈小，强度愈高；气孔率增加，强度和弹性模量降低。16、提高无机材料强度改进材料韧性的途径：1.微晶，高密度与高纯度，消除缺陷，提高晶体的完整性，强度增加。2.提高抗裂能力与预加应力。（钢化玻璃）表面造成一层压应力层，脆性断裂自表面开始断裂，预加应力吼需要克服该应力后才开始破坏。3.化学强化。改变表面化学的组成，使表面的摩尔体积比内部的大，由于表面受到内部材料的限制，就产生两向状态的压应力，从而使表面残余应力更高。通常是一种大离子置换小离子来提高压应力。4.相变增韧。利用多晶多相陶瓷中某些组成成分在不同温度的相变，体积增大使围观裂纹终止，从而达到增韧的效果。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。17、F,m的选择原则（纤维与晶体的匹配原则）：1.使纤维尽可能多的承担外加负荷。为此，应选用强度及弹性模量比基体高的纤维。2.二者的结合强度适当，否则基体中所承受的应力无法传递到纤维上。3.应力作用的方向与纤维平行，才能发挥纤维的作用，因此应注意纤维在基体中的排列。4.纤维与基体的热膨胀系数匹配，最好是纤维的热膨胀系数略大于基体。5.考虑二者在高温下的化学相容性。必须保证高温下不发生纤维性能降低的化学反应。6.必须使VfVf临界，才能起到强化作用。18、热容：物体温度升高1K所需要增加的能量热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象。比热：单位质量的热容。19、晶态固体热容经验定律：1.杜隆—珀替定律（元素热容定律）：恒压下元素的原子热容为25J/（K·mol）.实际上，大部分元素的原子热容都接近该值，特别在高温时符合地更好。局限：轻元素的原子热容有较大误差2柯普定律（化合物热容定律）：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。20、爱因斯坦，德拜模型比热模型的异同：同：都是在量子理论的基础上求得热容的表达式，且两者在高温时与经典公式一致；异：1.爱因斯坦比热模型假设的是每个原子都是一个独立的振子，原子之间彼此无关。所导出的热容值仅在高温下与经典公式一致，而德拜模型考虑了晶体中原子的相互作用，把晶体近似为连续介质，声频支的震动也近似的看作是连续的，与实验结果十分吻合；2.爱因斯坦模型的假设忽略可原子振动之间频率的差别，导致模型在低温时不准；德拜模型考虑了晶体中原子的相互作用，高于Wmax不在声频支而在光频支范围，对热容贡献小，可忽略。当温度很低时，即TθD,有Cv=12/5π4NK(T/θD)3,温度越低，近似越好。热膨胀系数：温度升高1K，物体的相对伸长或体积的相对增长值。19、热膨胀机理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。在晶格振动中相邻质点间的作用力实际是非线性的，质点在平衡位置两侧时，受力并不对称。在在质点平衡位置两侧，合力曲线斜率时不相等的。当rr0时，斜率较小，引力随位移的增大要慢一些。在这样的受力情况下，质点平衡位置就要向右移，温度越高，相邻质点间平均距离就增加得越多，以致晶胞参数增大，晶体膨胀。20、陶瓷表面釉层的选择：应选择釉的膨胀系数适当地小于胚体的膨胀系数，制品的力学强度得以提高。釉的膨胀系数比胚小，烧成后的制品在冷却过程中表面釉层的收缩比胚体小，使釉层中存在压应力，均匀分布的预压应力能明显地提高材料的力学强度。同时，这一压应力也抑制釉层微裂纹的产生，并阻碍其发展，因而使强度提高。21、热传导稳定传热：ΔQ=-λx（dT/dx）ΔSΔT→傅里叶定律，即传热过程中，材料在x方向上各处的温度T是恒定的，与时间无关。非稳定传热：即物体内各处的温度随时间而变化。影响热导率的因素：①温度的影响：耐火氧化物多晶材料在实用的温度范围内，T↑，λ↓。②显微结构的影响：晶体结构越复杂，λ越小；同一种物质，λ多晶λ单晶，λ非晶﹤λ晶体。③化学组成的影响：一般原子量越大，λ越小；晶体中存在缺陷和杂质时，杂质浓度低时，λ迅速降低；固溶体的形成使λ↓；复相陶瓷中连续相增加时λ↓。④气孔的影响：在不改变结构状态的情况下，气孔率↑，λ↓。22、热稳定性的表示方法：1.冷热循环次数。以普通耐火材料为例，常将试样一端加热到1123k并保温40分钟，然后置于283k—293k的流动水中3分钟，或在空气中5—10分钟，并重复这样的操作，直至试件失重20%为止，以这样的操作次数来表征材料的热稳定性。2.强度变化率。3.温度差。如日用陶瓷通常是以一定规格的试样加热到一定温度然后立即置于冷水中冷却，直至观测到试样发生龟裂，则以产生龟裂前一次的加热温度来表征其热稳定性。23、抗热冲击断裂性能：理论基础：热弹性力学，以强度-应力为依据，适用于玻璃，日用陶瓷等。第一热应力断裂抵抗因子∕第一热应力因子R=δf(1-u)/αE，表征材料热稳定性。第二热应力断裂抵抗因子R’=λδf(1-u)/Eα，考虑热量传递和散热的因素。第三热应力因子R’’=δ(1-u)/αE·λ/αp=R’/CPρ，考虑温度变化速率。提高抗能冲击断裂性能的技能措施：1、提高材料强度δ，减小弹性模量E2提高材料的热导率λ3减小材料的热膨胀系数α4减小表面热传递系数h5减小产品的有效厚度Υm抗热冲击损伤性能：理论基础：断裂力学，以应变能-断裂能为判据，适用于高温结构陶瓷材料、耐火材料。R’’’=E/δ2(1-u)用于比较具有相同/近断裂能的材料；R’’’’=πΥeffE/δ2(1-u),用于比较具有不相同/近的断裂能的材料提高抗冲击损伤性能的措施：1减小材料强度δ，增大弹性模量E2提高材料的热导率λ3减小材料的热膨胀系数α4减小表面传热系数h5减小产品的有效厚度rm6适当的微裂纹24、电导：带电的载流子定向移动电导率：电阻率的倒数（σ=1／ρ）迁移率：μ=v／E，载流子在单位电场中的迁移速度迁移数：指定种类的载流体所运载的电流与总电流之比25、δ=Ae-B/T（B为杂质电导活化能）lnδ=lnA-B·1/T图特点：①杂质多的σ＞杂质少的σ②图中出现转折点③杂质量增加，转折点左移④杂质电导斜率小，本征电导斜率大⑤T↑，σ↑低温下杂质点到占主要地位。这是由于杂志活化能比基本点阵离子的花花能小许多的缘故。高温下，本正点到其主要作用。因为热运动能量的增高，使本征电导的载流子数显著增多。离子扩散机构：空位扩散；间隙扩散；亚晶格间隙扩散玻璃态电导碱离子生长对其影响：在碱金属氧化物含量不大的情况下，电导率与碱金属离子浓度有直线关系。到一定浓度时，电导率指数增长。这是因为碱金属离子首先填充在玻璃结构松散处，此时碱金属离子的增加只是增加导电载流子数，当孔隙被填满后继续增加碱金属离子，就开始破坏原来结构紧密的部位，使整个玻璃结构进一步松散，因此活化能降低，导电率指数增长。图。。自己画26、玻璃态电导两个效应：双碱效应和压碱效应。双碱效应：玻璃中碱离子总浓度较大时，碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种见金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。压碱效应：含碱玻璃种加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低。碱金属加到浓度C后形成断网，使活化能↓，电导率↑，使玻璃熔化温度降低。原子质量越小，影响越大，σ：LiNaK27、电子电导：（a）：表示该温度区间具有始终如一的电子跃迁机构。（b）：低温区主要是杂志电子电导，高温区以本征电子电导为主。（c）：同一晶体中同时存在两种杂味时的电导特性。28、