无机材料物理性能力学

1无机材料物理性能济南大学材料学院侯宪钦2004年8月侯宪钦济南大学材料学院2Whereeverythingisbad,itmustbegoodtoknowtheworst.F.H.Bradley2004年8月侯宪钦济南大学材料学院3无机材料物理性能课程简介本课程是无机非金属材料专业的专业基础课它以普通物理、无机材料物理化学等课程为基础主要介绍无机非金属材料的力学性能（受力形变、断裂与强度）、热学、光学、电学以及磁学性能阐述重要性能的原理和微观机制、材料的结构与性能间的关系2004年8月侯宪钦济南大学材料学院4无机材料物理性能References参考书关振铎张中太焦金生无机材料物理性能清华大学出版社1992年3月熊兆贤材料物理导论科学出版社2002年2月R.W.卡恩P.哈森E.J.可雷默材料科学与技术丛书–陶瓷的结构与性能（澳大利亚M.V.Swain主编)科学出版社1998年田莳材料物理性能北京航空航天大学出版社2001年8月NormanE.DowlingMechanicalBehaviorofMaterialsPrenticeHall1993王零森特种陶瓷中南工业大学出版社200年5月龚江宏陶瓷材料力学性能导论清华大学出版社2003年11月2004年8月侯宪钦济南大学材料学院5无机材料物理性能前言MaterialsTetrahedronMicrostructurePropertyPerformanceProcess2004年8月侯宪钦济南大学材料学院6无机材料物理性能Part1MechanicsofMaterials材料力学Chapter1材料的形变DeformationofMaterials材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化，称之为形变。材料承受外力作用、抵抗形变的能力及其破坏的规律，称为材料的力学性能或机械性能（mechanicalproperties)。2004年8月侯宪钦济南大学材料学院7无机材料物理性能1.1应力StressStress:loadperunitArea单位面积的载荷AFσF:loadappliedinN载荷牛A:crosssectionalareainm²截面积m²:stressinPa应力帕FFA2004年8月侯宪钦济南大学材料学院8无机材料物理性能1.2应变Strain-Ratioofelongationofamaterialtotheoriginallength材料的伸长量与原始长度的比率-unitdeformationoLeεLLLoee:elongation(m)伸长量Lo:unloaded(original)lengthofamaterial(m):strain(m/m)原始长度2004年8月侯宪钦济南大学材料学院9无机材料物理性能ElongationoLLeL:loadedlengthofamaterial(m)受力伸长后的长度伸长量2004年8月侯宪钦济南大学材料学院10无机材料物理性能1.3Stress-StrainDiagram应力应变图※Thediagramgivesusthebehaviorofthematerialandmaterialproperties.※Eachmaterialproducesadifferentstress-straindiagram.2004年8月侯宪钦济南大学材料学院11Stress–StrainBehavior(I)A:BrittlePolymerB:PlasticPolymerC:ElastomerStress-strainbehaviorcanbebrittle(A),plastic(B),andhighlyelastic(C)CurveCistotallyelastic(rubber-likeelasticity).2004年8月侯宪钦济南大学材料学院12无机材料物理性能0.0100.0080.0060.0040.0020.0000100200300400500CONTINUEDStress(MPa)Strain典型金属的应力应变图Stress-StrainDiagramofTypicalMetals2004年8月侯宪钦济南大学材料学院13无机材料物理性能典型陶瓷的应力应变图2004年8月侯宪钦济南大学材料学院14Strain()(e/Lo)41235ElasticRegionPlasticRegionStrainHardeningFractureultimatetensilestrengthElasticregionslope=Young’s(elastic)modulusyieldstrengthPlasticregionultimatetensilestrengthstrainhardeningfractureneckingyieldstrengthUTSyεEσεσE12yεεσEStress-StrainDiagram2004年8月侯宪钦济南大学材料学院15无机材料物理性能1.4无机材料的弹性形变ElasticDeformationHooke’sLawElasticdeformationisnotpermanent;itmeansthatwhentheloadisremoved,thepartreturnstoitsoriginalshapeanddimensions.Formostmetalsandmostadvancedceramics,theelasticregionislinear.Forsomematerials,includingmetalssuchascastiron,polymers,andconcrete,theelasticregionisnon-linear.2004年8月侯宪钦济南大学材料学院16无机材料物理性能Ifthebehaviorislinearelastic,ornearlylinear-elastic,Hooke’sLawmaybeapplied:WhereEisthemodulusofelasticity(MPa),Sisthestress(MPa),eisthestrainSEe2004年8月侯宪钦济南大学材料学院17无机材料物理性能1.5粘性形变ViscousDeformation粘性物体在剪切应力作用下发生不可逆的流动形变，该形变随时间的增加而增大。理想的粘性形变行为遵循牛顿粘性定律：d/dtdv/dx其中为粘性系数，简称黏度，单位为Pa•s泊2004年8月侯宪钦济南大学材料学院18无机材料物理性能1.6无机材料中的塑性形变PlasticDeformation材料在外力去除后仍能保持部分应变的特性称为塑性（Plasticity).材料发生塑性形变而不开裂的能力称为延展性（Ductility)。利用延展性进行冷加工：锻造、冲压等；主要是金属材料；陶瓷材料由于具有很少的塑性形变而不能用于这些工序。2004年8月侯宪钦济南大学材料学院19无机材料物理性能1.6.1塑性形变机理※晶体中的塑性形变有两种基本的形式：滑移与挛晶位错运动※在单晶材料中，塑性形变主要由滑移引起；挛晶的贡献很小。※滑移是晶体在受到外力时，一部分相对于另一部分的平滑移动。它是在剪切应力作用下在一定的滑移系统上进行的。2004年8月侯宪钦济南大学材料学院20无机材料物理性能※晶体中，滑移总是发生在主要晶面和主要晶向上，因为这些晶面和晶向指数较小，原子密度（也就是柏氏矢量b较小），只要滑动较小的距离就能使晶体的结构复原，所以滑移比较容易发生。2004年8月侯宪钦济南大学材料学院21无机材料物理性能位错运动理论实际晶体中存在位错缺陷，当受到剪切应力作用时，并不是晶体内两部分整体相对错动，而是位错在滑移面上沿滑移方向运动。使位错运动所需要的力要比使晶体两部分的整体滑动所需要的力小得多。2004年8月侯宪钦济南大学材料学院22无机材料物理性能1.7材料的蠕变(Creep)在恒定应力作用下材料的应变随时间的增加而逐渐增大的现象。低温时表现为脆性的材料，在高温时往往具有不同程度的蠕变行为。至今有关无机材料蠕变行为的理论还不够完善，主要有：2004年8月侯宪钦济南大学材料学院23无机材料物理性能位错运动理论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，位错运动的速度加快。除位错运动产生滑移外，位错攀移也能产生宏观上的形变。通过吸收空位，位错可攀移到滑移面以外，绕过障碍物，使滑移而移位。攀移通过扩散进行的，从而使蠕变得以进行。2004年8月侯宪钦济南大学材料学院24无机材料物理性能扩散蠕变理论认为在拉应力方向，空位浓度较高，而在压应力的方向，则空位浓度较低，因此，空位就要发生扩散，从而产生蠕变。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。高温时，其粘度变小，从而易发生粘滞流动，而产生蠕变。2004年8月侯宪钦济南大学材料学院25无机材料物理性能影响蠕变的因素1温度温度升高，蠕变增大。原因：温度升高，位错运动和晶界错动加速，扩散系数增大。2应力蠕变随拉张应力的增加而加大，随压应力的增加而减小。3显微结构的影响蠕变是结构敏感的本征特性。气孔、晶粒大小和玻璃相的数量多对蠕变有影响。2004年8月侯宪钦济南大学材料学院26无机材料物理性能4组成Al2O3和SiO2形成的莫来石就与纯Al2O3的抗蠕变能力有较大的差别。5晶体结构共价键程度增加，抗蠕变能力提高；炭化物、氮化物比氧化物的抗蠕变能力强。2004年8月侯宪钦济南大学材料学院27无机材料物理性能Chpter2Thebrittlefractureandstrengthofinorganicmaterials无机材料的脆性断裂与强度2.1材料的断裂现象Itisimportanttounderstandthemechanismsforfailure,speciallytopreventin-servicefailuresviadesign.2004年8月侯宪钦济南大学材料学院28无机材料物理性能Stress-StrainBehaviorversusTemperature•Ductilityisreducedwithtemperaturereduction.So,AmbientandOperatingtemperaturescanaffectfailuremodeofmaterials.IronIron2004年8月侯宪钦济南大学材料学院29无机材料物理性能Famousexamplefailures:MolassestankAdaptedfromR.W.Hertzberg,pg.261,DeformationandFractureMechanicsofEng.Matls.OnJanuary15,1919,onCommercialStreetinBostonatank27mindiameterand15mhighfracturedcatastrophically,andover7.5x106liters(2x106gallons)ofmolassescascadedintothestreet.Withoutaninstant’swarningthetopwasblownintoairandthesideswereburstapart.Acitybuildingnearby,wheretheemployeeswereatlunch,collapsedburyinganumberofvictimsandafirehousewascrushedinasectionofthetank,killingandinjuringanumberoffiremen.12004年8月侯宪钦济南大学材料学院30无机材料物理性能Oncollapsing,asideofthetank