第一講緒論

無機材料物理性能：研究對象、研究容？（課程簡單介紹）

本次課程主要容（對每一部分進行簡單說明）：

?一、材料性能的基本概述

?二、無機非金屬材料的特性和應用

三、材料性能研究的五方面

四、材料性能的研究方法

?五、基本要求

?六、考核方式

?七、參考文獻

一、材料性能的基本概述

1.材料的定義：

?材料：具有滿足指定工作條件下使用要求的形態(tài)和物理性狀的物質。

材料學的研究容：材料科學與工程的四要素：

材料設計的工作思路：

材料與物理性質、現(xiàn)象、用途間的關系：

以材料為中心，從物性?現(xiàn)象?用途周轉循環(huán)，巧妙地應用此表征方法能

容易做到逐步地改進材料，不斷創(chuàng)造出性能更好、更穩(wěn)定的制品。

2.材料性能的定義：

?材料性能是一種用于表征材料在給定的外界條件下的行為的參量。

G8有多少行為，就對應地有多少性能。

G8外界條件不同，相同的材料也會有不同的性能。

8性能必須量化，多數的性能都有量綱。

3.材料性能的劃分

4.材料按性能（功能）分類

二、無機非金屬材料的特點和應用

不同的化學組成和材料結構決定其具有不同的特殊性質和功能。

?例如：如高強，高硬，耐溫，耐腐，絕緣和各種電，磁，光及生物相容性

等，材料的這些性能，可以廣泛應用于機械，電子，宇航，醫(yī)學工程等各

個方面，成為近代尖端科學技術的重要組成部分。

三、材料性能研究的五方面：從以下5個方面對材料進行研究

1.材料性能的概念

材料性能的兩層含義：

G8第一層含義表征材料在給定外界物理場刺激下產生的響應行為或

表現(xiàn)；

3第二層含義表征材料響應行為發(fā)生程度的參數，常稱為性能指標，

簡稱性能。

3表1

2.材料性能的宏觀表征

?用外界物理場的某一參量（外參量）與材料部某一參量（參量）之間的變

化聯(lián)系描述行為。

?外參量的變化導致了參量的相應變化，兩者之間的關系由實驗給出，其中

一部分還能由理論描述。

。表2

3.材料性能的微觀本質

材料的宏觀行為和性能是材料部因素在一定外界因素作用下的綜合反映。

?表3

4.材料性能的影響因素

外部因素：溫度、介質氣氛、載荷形式、試樣尺寸和形狀等；

?部因素：結構的影響

G8原子結構：電子結構和化學鍵性質；

G8凝聚態(tài)結構：晶體或非晶體結構、晶體點缺陷和線缺陷。

G8組織結構：多晶體晶界、形態(tài)、大小、分布、組織缺陷和裂紋等。

5.材料性能的測試方法（要求以后學生自己學習、總結）

四、材料性能的研究方法

?經驗方法在大量占有實驗數據的基礎上，對數據的分析處理，整理為經

驗方程，用以表示它們的函數關系。例如：強度與晶粒尺寸之間的關系

k

理論方法從機理著手，即從反映本質的基本關系出發(fā)，按照性能的有關

規(guī)律、建立物理模型，用數學方法求解，得到有關理論方程式。例如德

拜模型

五、基本要求

授課容：見授課計劃

課堂要求：

3課前預習，包括一些普通物理知識；

6要認真作筆記一一這也是一種能力；

6及時復習、歸納總結，交總結報告；

6掌握材料性能的概念、意義、宏觀表征、微觀本質、影響因素和

測試方法。

?作業(yè)：及時交作業(yè)

?考勤

六、考核方式

?考核方式為閉卷筆試。

.：?題型：計算題、簡答題？

?成績由平時成績（20%）和期末成績（80%）構成。

?平時成績評分標準為作業(yè)完成情況、考勤、課堂提問。

表1材料使用性能劃分

性能大類基本性能響應行為性能指標

彈性彈性變形彈性模量、彈性比功、比例極限、彈性極限等

塑性塑性變形伸長率、斷面收縮率、應變硬化指數、屈服強度等

硬度表面局部塑性變形硬度

韌性靜態(tài)斷裂抗拉強度、斷裂強度、靜力韌度、斷裂韌度等

磨損穩(wěn)定磨損速率、耐磨性等

力學性能

沖擊沖擊韌度、沖擊功、多沖壽命等

疲勞疲勞極限、疲勞壽命、疲勞裂紋擴展速率等

強度

高溫變形及斷裂蠕變速率、蠕變極限、持久強度、松弛穩(wěn)定性等

低溫變形及斷裂韌脆轉變溫度、低溫強度等

應力腐蝕應力腐蝕抗力、應力腐蝕裂紋擴展速率等

吸熱、放熱比熱容

熱脹冷縮線膨脹系數、體膨脹系數

熱學性能

熱傳導導熱系數、導溫系數

急冷、急熱及熱循環(huán)抗熱震斷裂因子、抗熱震損傷因子等

磁化磁化率、磁導率、剩磁、矯頑力、居里溫度等

磁學性能磁各向異性磁各向異性常數等

磁致伸縮磁致伸縮系數、磁彈性能等

導電電阻率、電阻溫度系數等

介電（極化）介電常數、介電損耗、介電強度等

物理性能

熱電熱電系數、熱電優(yōu)值等

電學性能

壓電壓電常數、機電耦合系數等

鐵電極化率、自發(fā)極化強度等

熱釋電熱釋電系數

折射折射率、色散系數等

反射反射系數

光學性能吸收吸收系數

散射散射系數

發(fā)光發(fā)光壽命、發(fā)光效率等

吸收吸收因子

聲學性能

反射反射因子、聲波阻抗等

耐腐蝕性表面腐蝕標準電極電位、腐蝕速率、腐蝕強度、耐蝕性等

性能隨時間下降各種性能隨時間變化的穩(wěn)定性，如老化時間、脆點

耐環(huán)境性能老化

時間等

抗輻照性高能離子轟擊中子吸收截面積、中子散射系數等

表2材料行為描述及性能表征類型的一些例子

行行為描述性能表征

行為亞類

為實驗關系理論描述中間值終態(tài)值聯(lián)系值

彈性變形應力-應變（彈性段）虎克定律彈性極限氏模量

變塑性變形應力-應變（屈服至最高點）Hollomon方程屈服強度抗拉強度硬化指數

形蠕變變形變形-時間（蠕變曲線）蠕變速率

表面變形壓力-壓痕深度或面積硬度

靜態(tài)斷裂應力-裂紋長度格里菲斯方程斷裂強度斷裂韌度

沖擊斷裂高速應力-應變（曲線）沖擊韌度

斷

多沖斷裂沖擊功-沖擊壽命多沖抗力

裂

蠕變斷裂應力-時間持久強度

疲勞斷裂應力-壽命（疲勞曲線）疲勞強度

吸熱升溫熱量-溫度比熱容

熱熱膨脹長度-溫度膨脹系數

熱傳導熱量（變化）-溫度梯度傅立葉定律熱導率

磁化磁化（磁感應）強度-磁場剩磁、矯飽和磁化磁導率、磁

磁強度（磁化曲線、磁滯回線）頑力強度化率、磁能

積

導電電壓-電流安倍定律電阻率

介電電位移-電場強度介電常數

電極化強度-電場強度極化率

熱電熱電勢-溫度熱電系數

壓電電位移-壓力壓電方程壓電常數

熱釋電電位移-溫度熱釋電常數

折射入射角-折射角折射定律折射率

色散折射率-入射光波長色散系數

反射入射波能量-反射波能量反射定律反射系數

吸收光強-入射深度朗伯定律吸收系數

光散射光強-入射深度散射系數

發(fā)光發(fā)光強度-發(fā)光波長反射光譜

發(fā)光強度-激發(fā)光波長激發(fā)光譜

發(fā)光強度-時間發(fā)光壽命

發(fā)光功率-輸入功率發(fā)光效率

表3材料性能的微觀本質

性能微觀本質

彈性變形鍵合在不破壞條件下的伸縮或旋轉（可逆）

塑性變形晶體的滑移、李生、扭折；非晶體的黏性流動（不可逆）

黏彈性變形高分子鏈段的伸展+黏性流動

蠕變晶體滑移、晶界滑移、原子擴散

斷裂裂紋萌生+裂紋擴展

磨損表面局部塑性變形+斷裂

吸熱（熱容）晶格熱震動加劇

熱膨脹晶格熱震動加劇導致晶格平衡間距加大

熱傳導晶格熱震動傳播+自由電子傳熱

磁化（磁性）磁矩轉向

導電性（包括熱電性）載流子定向流動

介電性（包括壓電、鐵電極化（電荷中心短程分離）；電偶極距轉向

電、熱釋電）

光的折射極化導致光速減慢

光的吸收光子能量被電子吸收，導致光子湮滅

光的散射光子與固體中的粒子碰撞，改變方向

固體發(fā)光電子由高能級向低能級躍遷，發(fā)射光子

非線性光學效應在強光作用下產生非線性極化

第三講無機材料的受力形變

復習、總結：

2.滯彈性

(1)標準線性固體(曾納)：由彈簧及黏性系統(tǒng)組成的力學模型(解釋該模型組

)。

根據此模型有以下關系：

e=e2=ei+e3S3=he3

S=Si+S2Si=Eiei

S1=S3s2=E2e2

消去各元件的應力和應變，得

(h/El)(E1+E2)/E2+e=(h/El)/E2+s/E2

設：te=h/El,ts=te(E1+E2)/E2=h(E1+E2)/E2El

則有E2(tse+e)=tes+s

定義：te------恒定應變下的應力弛豫時間；

ts------恒定應力下的應變蠕變時間。

標準線性固體形變速率：d￡_^tf

—I—I

dtE177Ex〃

整理得應力-應變關系：70

+S=-&-\-----

E2E2

(2)應變松弛和應力松弛

應變松弛：固體材料在恒定荷載下，變形隨時間延續(xù)而緩慢增加的不平衡

過程，或材料受力后部原子由不平衡到平衡的過程，也叫蠕變或徐變。

應力松弛：在持續(xù)外力作用下，發(fā)生變形著的物體，在總的變形值保持不

變的情況下，由于徐變變形的漸增，彈性變形相應減小，由此使物體部應

力隨時間延續(xù)而逐漸減小的過程。

?從熱力學觀點分析應力弛豫：

物體受外力作用而產生一定的變形；

如果變形保持不變，則儲存在物體中的彈性勢能將逐漸轉變?yōu)闊崮埽?/p>

從勢能轉變?yōu)闊崮艿倪^程，即能量消耗的過程一應力松弛現(xiàn)象。

松弛過程的機理

松弛過程有以下機理：原子的振動、彈性變形波、熱消散、間隙原子的擴

散、晶界的移動等。

(3)松弛時間

(4)無弛豫模量與弛豫模量

無弛豫模量：測量時間小于松弛時間，隨時間的形變還沒有機會發(fā)生時的

彈性模量。

弛豫模量：測量時間大于松弛時間，隨時間的形變已發(fā)生的彈性模量。

2.4無機材料中晶相的塑性形變

塑性形變是指一種在外力移去后不能恢復的形變。材料經受此種形變而不

破壞的能力叫延展性。此種性能在材料加工和使用中都很有用，是一種很

重要的力學性能。

無機非金屬材料的致命弱點就是在常溫時大都缺乏這種性能，使得材料的

應用大大受到限制。

?能否將瓷做成延性材料？對此，多年來進行了大量的研究，但至今在常溫

下，除很少例外，大多數無機非金屬材料都不具有延性，也就是說，沒有

或只有很小的塑性形變。

?為什么常溫下，大多數無機非金屬材料不能產生塑性變形？首先要研究塑

性形變的機理，我們先從比較簡單的單晶入手，這樣可以不考慮晶界的影

響。

1、晶格滑移

晶體中的塑性形變有兩種基本方式：滑移和李晶。由于滑移現(xiàn)象在晶體中

最為常見，所以主要討論晶體的滑移。

晶體受力時，晶體的一部分相對另一部分發(fā)生平移，叫做滑移。晶體形變

后，表面上出現(xiàn)一些條紋，在顯微鏡下可以看到這些條紋組成一些滑移帶,

如圖1.10(a)所示。圖1.10(b)為滑移現(xiàn)象的微觀示意圖。

晶體中滑移總是發(fā)生在主要晶面和主要晶向上。這些晶面和晶向指數較

小，原子密度大，也就是柏氏矢量b較小，只要滑動較小的距離就能使晶

體結構復原，所以比較容易滑動?；瑒用婧突瑒臃较蚪M成晶體的滑移系統(tǒng)。

例如NaCl型結構的離子晶體，其滑移系統(tǒng)通常就是面族｛110｝和晶向[1

10]o

(1)晶格滑移的條件：

?晶面指數小的面，原子的面密度大，因此面間距越大，原子的作用

力越小，易產生相對滑移;

滑過滑動平面使結構復原所需的位移量小，即柏氏矢量小，易產生

相對移動；

?靜電作用因素考慮，同號離子存在巨大的斥力，如果在滑移過程中

相遇，滑移將無法實現(xiàn)。

（2）臨界剪切應力

拉伸或壓縮都會在滑移面上產生剪應力。由于滑移面的取向不同，其上的

剪應力也不同?，F(xiàn)以單晶受拉為例，看看滑移面上的剪應力要多大才能引起滑

移。圖1.12表示截面為A的圓柱單晶，受拉力F,在滑移面上滑移方向發(fā)生的

滑移。

由圖可知，滑移面上F方向的應力為：7f—=勻吆

A/cos（pA

此應力在滑移方向上的分剪應力為：「JcosOxcos%

A

上式表明，不同滑移面及滑移方向的剪應力都不一樣；同一滑移面上不同

滑移方向，剪應力也不一樣。當T巳工0（臨界剪應力）時發(fā)生滑移。

由于滑移面的法線N總是和滑移方向垂直。當6角與入角處于同一平面

時，入角最小，即入+“=90°,所以cos入cos4的最大值為0.5。

可見，在外力F作用下，在與N、F處于同一平面的滑移方向上，剪應力

達到最大值，其他方向剪應力都小。

（3）金屬與非金屬晶體滑移難易的比較

如果晶體只有一個滑移系統(tǒng)，則產生滑移的機會就很小?；葡到y(tǒng)多的話，

對其中一個滑移系統(tǒng)來說，可能cos入cos巾較小。但對另夕|、一個系統(tǒng)來說，cos

入cos巾可能就大，達到臨界剪應力的機會多了。

金屬鍵沒有方向性，滑移系統(tǒng)多。如體心立方金屬（鐵、銅等）滑移系統(tǒng)

有48種之多。

?無機材料的離子鍵或共價鍵具有明顯的方向性。同號離子相遇，斥力極大。

只有個別滑移系統(tǒng)才能滿足幾何條件與靜電作用條件。晶體結構越復雜，

滿足這種條件就越困難。

因此，只有為數不多的無機材料晶體在室溫下具有延性。這些晶體都屬于

一種稱為NaCl型結構的最簡單的離子晶體結構，如AgCl,KC1,MgO,KBr,

LiF等。

?至于多晶瓷，其晶粒在空間隨機分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪

應力差別很大。即使個別晶粒已達到臨界剪應力而發(fā)生滑移，也會受到周

圍晶粒的制約，使滑移受到阻礙而終止。所以多晶材料更不容易產生滑移。

2、塑性形變的位錯運動理論

實際晶體中存在位錯缺陷，當受剪應力作用時，并不是晶體兩部分相互錯動,

而是位錯在滑移面上沿滑移方向運動。使位錯運動所需要的力比使晶體兩部分整

體相互滑移所需要的力小得多。所以實際晶體的滑移是位錯運動的結果。

位錯是一種缺陷，在原子排列有缺陷的地方一般勢能比較高，如圖1.13所

不。

力平衡時原子處于勢能最低的位置。有了位錯情況就不同了，在位錯處出

現(xiàn)勢能空位，鄰近的原子C2遷移到空位上需要克服勢壘h'比h小?？?/p>

服勢壘h'所需要的能量可由升高溫度的熱能或由外力作用的功來提供。

在外力作用下，滑移面CD上就有分剪應力T,此時勢能曲線變得不對稱，

C2原子遷移到空位要克服的勢壘為H(T),且H(T)<h'。就是說，T

的作用是使h'降低，C2原子遷移到空位更加容易，也就是刃形位錯線

向右移動更加容易。

t的作用提供了克服勢壘所需要的能量。顯然，H(T)叫做“位錯運動激

活能”，和T有關。T大，H(T)??；T小，H(T)大，故H(T)為T的函數。

當沒有剪應力作用時，H(T)最大，此時H(T)=h'。

一個原子能脫離平衡位置的幾率是由波爾茲曼因子e-E/kT決定的，E為激

活能。位錯既是一種缺陷，其運動速度也應該由波爾茲曼因子決定，所以位錯運

動的速度寫成：H⑺

kT

v=voe

分析上式可以看出：

G8當無外力時，H(T)=h',比kT大得多。例如室溫T=300K,則

kT=4.14X10-21JX6.24X1018eV=0.026eV。金屬材料的約為

0.1-0.2eV,而具有方向性的離子、共價鍵的無機材料，其比金屬

大得多，約為leV數量級，所以室溫下無機材料中位錯運動十分困

難；

6位錯只能在滑移面上運動，只有滑移面上的分剪應力才能使降低。

無機材料中滑移系統(tǒng)只有有限幾個，因此滑移面上分剪應力往往很

小，尤其是在多晶瓷中更是如此。不同晶粒的滑移系統(tǒng)的方向不同，

在晶粒中的位錯運動遇到晶界就會塞積下來，形不成宏觀滑移，所

以更難產生塑性形變。

溫度升高時，位錯運動的速度加快。所以脆性材料如氧化鋁在高溫

下也有一定塑性形變，如圖1.14左半所示。

位錯運動的理論充分說明無機材料中產生位錯運動是困難的。當滑移面上

的分剪應力尚未使位錯以足夠速度運動時，此應力可能已超過微裂紋擴展

所需要的臨界應力而使材料脆裂。

?由于滑移反映出來的宏觀上的塑性形變是位錯運動的結果，因此宏觀上的

形變速率和位錯運動有關，圖1.15的簡化模型表示了這種關系。

設在時間t內，長度為/的式樣形變量為M,應變?yōu)閂//=￡，應變率為/￡/力=?。跌/

平面上有n個位錯，則參加形變的滑移平面上的位錯密度為

「n

D7(1.29)

如位錯運動的平均速度為,則

,I

v=-(1.30)

t

即在時間t內不但此n個位錯通過式樣邊界，而且還會引起位錯增殖，使通過邊界的位錯數增

加到nc個，c稱為位錯增殖系數。每個位錯的運動造成在運動方向上一個原子間距大小的滑移，

即一個柏氏矢量的滑移，以b表示，則單位時間內的滑移量為

nbcAZ

-=T(L31)

則宏觀應變率為

?由(1-32)式可知，塑性形變率取決于位錯運動的速度、位錯密度D、柏氏

矢量b和位錯增殖系數c。

?因此要造成宏觀塑性形變，必須(1)足夠多的位錯；(2)位錯有一定的

運動速度；(3)從(1.32)式分析，柏氏矢量b大的材料應變速率大。

另一方面，由于位錯的形成需要能量，由彈性理論的計算，位錯形成能為：

E=aG廿

式中G為剪切模量，a為幾何因子，其值為0.5-1,b為柏氏矢量

?位錯能量和b2成正比，b小，位錯能量也小，容易形成位錯。b相當于晶

格的點陣常數。金屬為單元結構，點陣常數較小，一般為3A左右，因此,

形成位錯的能量小，容易形成位錯。

?無機材料都是二元以上的多元化合物，結構比較復雜，點陣結點中原子數

較多，如MgA1204三元化合物，點陣常數較大，約為8A,氧化鋁的點

陣常數也在5A以上，形成位錯的能量較大。因此，無機材料中不容易

形成位錯，位錯運動也很困難，也就難以產生塑性形變。

3.塑性形變速率對屈服強度的影響

在一定的剪應力作用下，將使位錯運動激活能減小。剪應力越大，激活能越

小，因而位錯運動速率越大，所以塑性形變速率與所受剪應力的大小成正比。如

圖1.14右半所示為900（溫度下對單晶氧化鋁試樣進行不同形變速率的拉伸試

驗。

從圖中可見，形變速率大的，相應的剪應力最大值也大，表現(xiàn)在宏觀上屈

服強度點也越高，因而塑性變形速率與屈服強度有一定關系：

?式中，m為位錯運動速率的應力敏感性指數。

2.5無機材料的高溫蠕變

在高溫下無機材料卻有不同程度的蠕變行為，因此在高溫下使用無機材料

時，就必須考慮蠕變。實驗發(fā)現(xiàn)，典型的蠕變曲線如圖1.16所示。

該曲線可分為四段：

G8起始段oa。在外力作用下發(fā)生瞬時彈性形變。若外力超過試驗溫

度下的彈性極限，則oa段也包括一部分塑性形變。

G8第一階段蠕變ab,也叫蠕變減速階段（或一次蠕變），此段的特點

是應變速率隨時間遞減，即ab段的斜率d￡/dt隨時間的增加愈來

愈小，曲線愈來愈平緩。其變化規(guī)律可用經驗公式表示如下：

G8第二階段蠕變be,也叫穩(wěn)態(tài)蠕變階段（或二次蠕變，中期蠕變）。

材料進入二次蠕變階段，最終必然導致斷裂。這一階段的特點是蠕

變速率幾乎保持不變。de/dt=K（常數），所以

?第三階段蠕變cd,也叫加速蠕變階段（或三次蠕變）。此段特點是應變率

隨時間增加而自增加，即蠕變曲線變陡，最后到d點斷裂。材料處于即將

斷裂的危險狀態(tài)，蠕變斷裂發(fā)生在伸長達到某一斷裂伸長值時，此時伸長

量對負荷和溫度的依賴關系并不明顯。

?當外力和溫度不同時，雖然蠕變曲線仍保持上述幾個階段的特點，但各階

段時間及傾斜程度將變化。

圖1.17表示不同溫度下和應力下的蠕變變化規(guī)律。

從圖可以看出，當溫度或應力較低時，穩(wěn)態(tài)蠕變階段延長；當應力或溫度

增加時穩(wěn)定態(tài)蠕變階段縮短，甚至不出現(xiàn)。外力對應變速率的影響很大，

可表示為.”?

8=Ko

K為常數。n為2—20。

1.高溫蠕變的位錯運動理論

根據這種理論，無機材料中晶相的位錯在低溫下受到障礙難以發(fā)生運動，

在高溫下院子熱運動加劇，可以使位錯從障礙中解放出來，引起蠕變。由

前面討論的式(1.36)-(1.38)可知，當溫度增加時，位錯運動的速度

加快。除位錯產生滑移外，位錯的攀移也能產生宏觀上的變形。攀移是位

錯的運動的另一種形式，圖1.18為位錯攀移示意圖。

通過吸收空位，位錯可攀移到滑移面以外，繞過障礙物，使滑移面移位。

攀移是通過擴散進行的。由于晶體中存在過飽和的空位，多余的半片原

子可以向空位擴散。如果整個半片原子擴散走了，位錯就移出晶體之外。

熱運動有助于使位錯從障礙中解放出來，并使位錯運動加速。

當受阻礙較小，容易運動的位錯解放出來完成蠕變后，蠕變速率就會降

低。這就解釋了蠕變減速階段的特點。如果繼續(xù)增加溫度或延長時間，

受阻礙較大的位錯也能進一步解放出來，引起最后的加速蠕變階段。常

溫高應力下的金屬蠕變，多半由于位錯運動所致。

2.擴散蠕變理論

這種理論認為高溫下的蠕變現(xiàn)象和晶體中的擴散現(xiàn)象類似，并且把蠕變過

程看成是外力作用方向擴散的一種形式。當試件受拉時，受拉晶界的空位

濃度增加。

c拉=c0exp(pCl/kT)

式中Q為空位體積，c0為平衡空位濃度。在受壓晶界上，空位濃度c壓減小。

c壓=cexp(-oQ/kT)

這樣，受拉晶界與是壓晶界0產生了空位濃度差，受拉晶界的空位向受壓晶

界遷移，同時原子朝相反方向擴散，導致沿受拉方向伸長，發(fā)生形變，如圖1.19

所示。

Nabarro和Herring計算了沿晶粒部擴散的穩(wěn)態(tài)蠕變速率：

,13.3。。。

-kTd2-

如果擴散沿晶界進行，根據Coble的計算，蠕變率為

._47QSDQ

￡~kTd3

在晶粒部，各點的應力狀態(tài)(或者說最大剪應力方向)不同，不可能產生集

中的位錯塞積，而是產生高溫下短程的位錯運動的迭加。每次位錯運動均選擇最

優(yōu)的滑移系統(tǒng)。所以在顯微尺度上，看不出有規(guī)律的滑移線組，而是呈現(xiàn)宏觀塑

性變形。

3.晶界蠕變理論

多晶瓷中存在著大量晶界，當晶界位向差大時，可以把晶界看成是非晶體，

因此在溫度較高時，晶界粘度迅速下降，外力導致晶界粘滯流動，發(fā)生蠕

變。

4.影響蠕變的因素

?(1)溫度

前面已經提到溫度升高蠕變增大。這是由于溫度升高，位錯運動和晶界錯

動加快，擴散系數增大，這些都對蠕變有所貢獻。圖1.20為SiAlON及Si3N4

的穩(wěn)態(tài)蠕變率與溫度的關系。

?(2)應力

從圖1.17及公式可知，蠕變隨應力增加而增大。若對材料施加壓應力，則

增加另外蠕變的阻力。

(3)顯微結構的影響

蠕變是結構敏感的性能。氣孔、晶粒尺寸、玻璃相等都是對蠕變有很大影

響。氣孔的影響可以從圖1.21看出，隨著氣孔率的增加，蠕變率也增大。這是

因為氣孔減少了抵抗蠕變的有效截面積。此外，當晶界粘性流動起主要作用時，

氣孔的空余體積可以容納晶粒所發(fā)生的形變。

關于晶粒尺寸的影響，可以從公式看出，晶粒愈小，蠕變率愈大。這是因

為晶粒愈小，晶界的比例大大增加，晶界擴散及晶界流動的貢獻也就增大。從表

1.3的數據看出，尖晶石的晶粒尺寸為2~5Nm時，e'=26.3X10—5；當晶粒

尺寸為3mm時，「=0.1X10—5,蠕變率減小很多。單晶沒有晶界，因此,

抗蠕變的性能比多晶材料好。

玻璃相對蠕變的影響也很大。通常多晶瓷存在玻璃相。當溫度升高時，

玻璃相的粘度降低，因而變形速率增大，亦即蠕變率增大。從表1.3看出，非晶

態(tài)玻璃的蠕變率比結晶態(tài)要大得多。玻璃相對蠕變的影響還取決于玻璃相對晶相

的濕潤程度，這可用圖1.22說明。如果玻璃相不濕潤晶相，如圖1.22(a),則

在晶界處為晶粒與晶粒結合，抵抗蠕變的性能就好；如果玻璃相完全濕潤晶相，

如圖1.22(b),玻璃相穿入晶界，將晶粒包圍，形成抗蠕變最弱的結構。其他

濕潤程度處在以上二者之間。

從高溫耐火材料中消除玻璃相是必要的，但實踐上難以做到。當然也可以

控制溫度，改變玻璃組成等辦法來降低玻璃的濕潤特性，但這樣一來，又

會使得低溫下不易燒結成致密的耐火材料。

?此外，還可以通過改變玻璃組成來改變玻璃相的粘度。在氧化鎂中加入氧

化輅制成鎂磚，由于降低了玻璃相的濕潤性，從而提高了抗蠕變的性能；

反之，添加Fe203時，由于增加了玻璃相的濕潤性而降低了強度。

(4)組成

顯然，組成不同的材料其蠕變行為不同。即使組成相同，單獨存在和形成化

合物，其蠕變行為也不一樣。例如A1203和Si02,單獨存在和形成莫來石

(3A12O3?2S1O2)時，蠕變行為就不相同。

?(5)晶體結構

隨著共價鍵結構程度增加，擴散及位錯運動降低，因此，像碳化物，硼化

物等瓷材料的抗蠕變性能就很好。

第三章無機材料的脆性斷裂與強度

平面應力：只在平面有應力，與該面垂直方向的應力可忽略，例如薄板拉

壓問題。

平面應變：只在平面有應變，與該面垂直方向的應變可忽略，例如水壩側

向水壓問題。

具體說來：平面應力是指所有的應力都在一個平面，如果平面是OXY平面，

那么只有正應力ox,oy,剪應力Txy（它們都在一個平面），沒有OZ,Tyz,

TZXO平面應變是指所有的應變都在一個平面，同樣如果平面是0XY平面，則只

有正應變￡x,￡y和剪應變Yxy,而沒有ez,Yyz,Yzxo

舉例說來：平面應變問題比如壓力管道、水壩等，這類彈性體是具有很長的

縱向軸的柱形物體，橫截面大小和形狀沿軸線長度不變；作用外力與縱向軸垂直,

并且沿長度不變；柱體的兩端受固定約束。平面應力問題討論的彈性體為薄板，

薄壁厚度遠遠小于結構另外兩個方向的尺度。薄板的中面為平面，其所受外力，

包括體力均平行于中面面，并沿厚度方向不變。

2002年n月19日，希臘“威望”號油輪在西班牙加利西亞省所屬海域觸

礁，斷裂成兩截，隨后逐漸下沉。

1912年號稱永不沉沒的豪華的泰坦尼克號（Titanic）沉沒于冰海中。

什么是材料的強度？

材料的強度：抵抗外加負荷的能力。根據使用中受力的情況，要求材料具

有抗拉、壓、彎、扭、循環(huán)荷載等指標。從兩個不同角度對材料強度進行

研究：

G8以應用力學為基礎，從宏觀現(xiàn)象研究材料應力-應變狀況，進行力

學分析，總結出經驗規(guī)律，作為設計、使用材料的依據。這是力學

工作者的任務；

G8從材料的微觀結構研究材料的力學性狀，即研究材料宏觀力學性能

的微觀機理，從而找出改善材料性能的途徑，為工程設計提供理論

依據。這是材料科學的研究圍

為什么是發(fā)生脆性斷裂？

?脆性斷裂：在外力作用下，在高度應力集中點（部和表面的缺陷和裂紋）

附近單元，所受拉應力為平均應力的數倍。如果超過材料的臨界拉應力值

時，將會產生裂紋或缺陷的擴展，導致脆性斷裂。

因此，斷裂源往往出現(xiàn)在材料中應力集中度很高的地方，并選擇這種地方

的某一缺陷（或裂紋、傷痕）而開裂。

裂紋的存在及其擴展行為決定了材料抵抗斷裂的能力。

?在臨界狀態(tài)下，當斷裂源處裂紋尖端的橫向拉應力=結合強度一裂紋擴展

一引起周圍應力再分配一裂紋的加速擴展一突發(fā)性斷裂。

?當裂紋尖端處的橫向拉應力尚不足以引起擴展，但在長期受力情況下（高

溫或腐蝕性氣體），會出現(xiàn)裂紋的緩慢生長。

脆性斷裂現(xiàn)象

斷裂現(xiàn)象分類：

G8金屬類：先是彈性形變，然后塑性變，

直至斷裂。

8高分子類：先是彈性形變（很大），然

后塑性形變，直至斷裂。

8無機材料：先是彈性形變（較?。?，然

后不發(fā)生塑性形變（或很小）

而直接脆性斷裂。

脆性斷裂的特點：

1斷裂前無明顯的預兆

1斷裂處往往存在一定的斷裂源

1由于斷裂源的存在，實際斷裂強度

遠遠小于理論強度

脆性斷裂的微觀過程：

?突發(fā)性裂紋擴展

,裂紋的緩慢生長

3.1理論斷裂強度

固體的強度一固體材料抵抗破壞的能力。

3按破壞形式分：屈服強度

斷裂強度

3按討論方式分：理論強度

實際強度

3奧羅萬：以正弦曲線近似原子間約束力隨距離變化的曲線。則：

將材料拉斷時就形成兩個新的表面，使單位面積的原子平面分開所做的功

等于產生兩個單位面積的新表面所需的表面能時，材料才能斷裂。

分開單位面積原子平面所做的功為：

W=『athSin—dx=?-Cos—'=且

22712Jo7i

形成兩個新的表面：W=2/

/.^th=2/

2兀丫C.2TIX2TTVITDC

o"=b=o"Sin=Sin

thh2,thAA2

x

由虎克定律(y=Es=—E￡=—

。0Iao

?"吟號

c3/?旦一理

(/!~/sin0^x/2)~2^x-2公

22兀yAEEy

ath?-=

X2磔oa0

根據Organ模型，經過推導出：瑪互

a

高強度的固體必須要求E、Y大，a小，

Y約為aE/100,故理論結合強度可寫成：_E

6"一I。

理論結合強度與實際強度的比較

3-2格里菲斯微裂紋理論

格里菲斯認為實際材料中總存在許多細小的裂紋或缺陷，在外力作用下，

這些裂紋和缺陷附近就產生應力集中現(xiàn)象。當應力達到一定程度時，裂紋就開

始擴展而導致斷裂。所以，斷裂并不是晶體兩部分同時沿整個橫截面被拉斷，

而是裂紋擴展的結果。

1.Inglis斷裂理論

孔洞兩個端部的應力幾乎取決于孔洞的長度和端部的曲率半徑而與孔洞的

形狀無關，依據彈性理論：％=61+211

2cr

考慮到：c遠大于p,所以aA=^~

考慮到裂紋尖端曲率半徑P與晶格常數a相當：<yA=2a

裂紋擴展的條件是：？=%

一旦c增加，進一步增大，更大于，裂紋加速擴展。

貢獻：看到了缺陷、解釋了實際強度遠低于理論強度的事實。

缺點：沿用了傳統(tǒng)的強度理論，引用了現(xiàn)成的彈性力學應力集中理論，并

將缺陷視為橢圓孔，未能討論裂紋型的缺陷。

2.Griffith微裂紋理論

裂紋擴展的臨界條件：物體儲存的彈性應變能的降低大于或等于形成兩個

新表面所需的表面能。

?由彈性理論，當人為割開長2。的裂紋時，可求得裂紋擴展時的彈性能改

變量：

“，42b2271cb2

We=------------------------------d--W--e-=---------

EdCE

?產生長度為2。的新表面，所需的表面能為：

醒=4。/

dWs“

--=4/

dC

當裂紋進一步擴展一個微小量時，單位面積釋放的能量為，形

成新生的單位表面積所需的表面能為：

dWdWdW_dWdWdW

---e<---s--e-=--s---e->---s

dCdCdCdCdCdC

由臨界條件得：22二

E

平面應力狀態(tài)下裂紋擴展時的臨界裂紋長度或臨界應力：4=W

°V71c

平面應變狀態(tài)下裂紋擴展時的臨界裂紋長度或臨界應力：=I2Ey

平面應力：只在平面有應力，與該面垂直方向的應力可忽略，例如薄板拉

壓問題。

平面應變：只在平面有應變，與該面垂直方向的應變可忽略，例如水壩側

向水壓問題。

3.Irwin-Orowan理論

4.控制強度的三個參數

彈性模量E：取決于材料的組分、晶體的結構、氣孔。對其他顯微結構較不敏感。

斷裂能?。翰粌H取決于組分、結構，在很大程度上受到微觀缺陷、顯微結構的

影響，是一種織構敏感參數，起著斷裂過程的阻力作用。

裂紋半長度C：材料中最危險的缺陷，其作用在于導致材料部的局部應力集中，

是斷裂的動力因素。

3-3應力場強度因子和平面應變斷裂韌性

從上世紀四十年代開始，不少學者基于彈性理論討論裂紋頂端附近應力分

布問題-----斷裂力學

與材料強度有關的斷裂力學的特點：

?著眼于裂紋尖端應力集中區(qū)域的力場和應變場分布；

?研究裂紋生長、擴展，最終導致斷裂的動態(tài)過程和規(guī)律；

?研究抑制裂紋擴展、防止斷裂的條件。

?給工程設計、合理選材、質量評價提供判據。

?根據裂紋尖端塑性區(qū)域的圍，斷裂力學分為兩大類：

(1)線彈性斷裂力學-一當裂紋尖端塑性區(qū)的尺寸遠小于裂紋長度，可根據線彈

性理論來分析裂紋擴展行為。

(2)彈塑性斷裂力學一-當裂紋尖端塑性區(qū)尺寸不限于小圍屈服，而是呈現(xiàn)適量

的塑性，以彈塑性理論來處理。

1.裂紋擴展方式

I型(掰開型)開或拉伸型：裂紋表面直接分開。

n型(錯開型)滑開或面剪切型：兩個裂紋表面在垂直于裂紋前緣的方向上相對

滑動。

in型（撕開型）外剪切型：兩個裂紋表面在平行于裂紋前緣的方向上相對滑動。

其中最危險的是開型，一般在計算時，按最危險的計算。

裂紋長度與斷裂應力的關系:

1/2

長是與材料、試件尺寸、形狀、受力狀態(tài)等有關的系數。

說明，斷裂應力受現(xiàn)有的裂紋長度制約。

2.裂紋尖端應力場分析

而稱為應力場強度因子，是與外加應力，裂紋長度，裂紋種類和受力狀態(tài)有

關的系數。

3.應力場強度因子及幾何形狀因子

4.臨界應力場強度因子及斷裂韌性

5.裂紋擴展的動力與阻力

3.3應力場強度因子和平面應變斷裂韌性

2.裂紋尖端應力場分析

1957年Irwin歐文應用彈性力學的應力場理論對裂紋尖端附近的應力場進

行了分析，對I型裂紋得到如下結果。

人稱為應力場強度因子，是與外加應力、裂紋長度、裂紋種類和受力狀態(tài)有

關的系數。廣

KI=YOM

當r<<c,q-0時，即為裂紋尖端處的一點:

S,是裂紋擴展的主要動力。

3.應力場強度因子及幾何形狀因子

Sy是裂紋擴展的主要動力，即是前述的SA=2a-

V?0

Kj=J2??crA=crVc=Ycr^c

（是反映裂紋尖端應力場強度的強度因子。

Y為幾何形狀因子，它和裂紋型式、試件幾何形狀有關。

應力場強度因子有如下特性：

a）應力場強度因子僅與荷載與裂紋幾何尺寸有關，而與坐標無關。

b）裂紋頂端附近的應力和位移分布，完全由應力場強度因子來確定。

c）應力場強度因子是裂紋頂端應力場大小的比例因子，因此應力分量正比于應

力強度因子。

求4的關鍵在于求K：

4.臨界應力場強度因子及斷裂韌性

片反映了裂紋尖端應力場的強度，是決定彈性材料中裂紋行為的重要力學參數。

按斷裂力學的觀點，裂紋是否擴展取決于應力場強度因子的大小，當《值達

到某一極限值時，裂紋就擴展，即構件發(fā)生脆性斷裂的條件：KI>KIC

極限值4/C稱為斷裂韌性，它是反映材料抗斷性能的參數。

因此，應力場強度因子小于或等于材料的平面應變斷裂韌性，即：KI^KIC,

所設計的構件才是安全的，這一判據考慮了裂紋尺寸。

臨界應力強度因子&c：當G隨著外應力增大到某一臨界值，裂紋尖端處的

局部應力不斷增大到足以使原子鍵分離的應力sth,此時，裂紋快速擴展并導致

試樣斷裂。對于薄板：

KK-sc（pc）%

由：sc=（2Eg/pc）1/2

得：&=（2Eg）1/2

斷裂韌性參數（Kic）：

是材料固有的性能，也是材料的組成和顯微結構的函數，是材料抵抗裂紋擴

展的阻力因素。與裂紋的大小、形狀以及外力無關。隨著材料的彈性模量和斷裂

能的增加而提高。

5.裂紋擴展的動力與阻力

1）裂紋擴展的動力

Irwin將裂紋擴展單位面積所降低的彈性應變能定義為應變能釋放率或裂

紋擴展力。

對于有裂紋2。的薄板：，/2

aWwe71cb

G=---=-----

2dCE

其中G為裂紋擴展的動力。

2）裂紋擴展的阻力一一斷裂表面能

底表示阻止裂紋擴展的能力，是材料固有的性質；A7C是結構敏感的；既能

反映材料的強度，也能反映塑性。

補充：晶體材料斷裂與塑性形變的比較？

塑性形變是位錯（微觀缺陷）運動的結果，說明實際晶體在遠低于理想晶體

的屈服強度的應力下，發(fā)生塑性形變。

斷裂力學說明材料的斷裂是裂紋（宏觀缺陷）擴展的結果。實際晶體在遠低

于理論強度的應力下，發(fā)生斷裂。

相同點：

裂紋和位錯的前端都將晶體劃分為已斷裂（滑移）和未發(fā)生變化的兩部分。

裂紋擴展和位錯運動都使原子鍵連續(xù)破壞。

不同點：

裂紋擴展使原子鍵永久性的撕開，位錯運動之后，斷開的原子鍵隨即重新愈

合。

3.5裂紋的起源和擴展

1.裂紋的起源

?(1)晶體微觀結構中存在缺陷，當受到外力作用時，在這些缺陷處引起應

力集中，導致裂紋成核。

3由于晶粒取向不同，位錯運動會受到晶界的阻礙，而在晶界產生位

錯塞積。

6材料中的雜質原子引起應力集中而成為位錯運動的障礙。

G8熱缺陷、交叉(位錯組合、位錯線與位錯線或位錯線與其他缺陷相

互交叉)都能使位錯運動受到阻礙。

?當位錯運動受到各種阻礙時，就會在障礙前塞積起來，導致微裂紋形成。

(2)材料表面的機械損傷與化學腐蝕形成表面裂紋，這種裂紋最危險，

裂紋的擴展常常由表面裂紋開始。

(3)由于熱應力而形成裂紋。

①晶粒在材料部取向不同，熱膨脹系數不同，在晶界或相界出現(xiàn)應力集

中。

②高溫迅速冷卻，外溫度差引起熱應力。

③溫度變化發(fā)生晶型轉變，體積發(fā)生變化。

結構不連續(xù)區(qū)域都會使裂紋成核。

結構不連續(xù)區(qū)域的特點：

?材料中任何結構不連續(xù)性都會使局部能量處于高能量狀態(tài)，即應力狀態(tài)；

?外力作用下，能量高的不連續(xù)區(qū)域首先發(fā)生運動，在能量較低的不連續(xù)區(qū)域

使其能量降低；

?結構不連續(xù)區(qū)域在可能情況下總是降低其能量；

?不連續(xù)區(qū)域在運動過程中，遇到勢壘，會發(fā)生塞積，引起高度的應力集中，

此應力又會激活其他結構不連續(xù)區(qū)域。

各種制備工藝引入的缺陷類型：

2.裂紋的快速擴展

按照Griffith微裂紋理論，材料的斷裂強度不是取決于裂紋的數量