1、第一講 緒論無(wú)機(jī)材料物理性能：研究對(duì)象、研究?jī)?nèi)容？ （課程簡(jiǎn)單介紹）本次課程主要內(nèi)容（對(duì)每一部分進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明）：? 一、材料性能的基本概述? 二、無(wú)機(jī)非金屬材料的特性和應(yīng)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(xiàn)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(zhì)。材料學(xué)的研究?jī)?nèi)容：材料科學(xué)與工程的四要素：材料設(shè)計(jì)的工作思路：材料與物理性質(zhì)、現(xiàn)象、用途間的關(guān)系：以材料為中心，從物性現(xiàn)象 用途周轉(zhuǎn)循環(huán)，巧妙地應(yīng)用此表征方法能容易做到逐步地改進(jìn)材料，不斷創(chuàng)造出性能更好、更穩(wěn)定的制品。2.

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。有多少行為，就對(duì)應(yīng)地有多少性能。外界條件不同，相同的材料也會(huì)有不同的性能。性能必須量化，多數(shù)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(wú)機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)和應(yīng)用? 不同的化學(xué)組成和材料結(jié)構(gòu)決定其具有不同的特殊性質(zhì)和功能。? 例如：如高強(qiáng)，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(yīng)用于機(jī)械，電子，宇航，醫(yī)學(xué)工程等各個(gè)方面，成為近代尖端科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。三、材料性能研究的五方面：從以下 5 個(gè)方面對(duì)材料進(jìn)行研究1 .材料性能的概念?材料性能的兩層含義

3、:第一層含義表征材料在給定外界物理場(chǎng)刺激下產(chǎn)生的響應(yīng)行為或表現(xiàn)； 第二層含義表征材料響應(yīng)行為發(fā)生程度的參數(shù)，常稱為性能指標(biāo)，簡(jiǎn)稱性能。表12 .材料性能的宏觀表征?用外界物理場(chǎng)的某一參量（外參量）與材料內(nèi)部某一參量（內(nèi)參量）之間的變化聯(lián)系 描述行為。?外參量的變化導(dǎo)致了內(nèi)參量的相應(yīng)變化， 兩者之間的關(guān)系由實(shí)驗(yàn)給出，其中一部分還 能由理論描述。?表23 .材料性能的微觀本質(zhì)?材料的宏觀行為和性能是材料內(nèi)部因素在一定外界因素作用下的綜合反映。?表34 .材料性能的影響因素?外部因素：溫度、介質(zhì)氣氛、載荷形式、試樣尺寸和形狀等；?內(nèi)部因素：結(jié)構(gòu)的影響原子結(jié)構(gòu)：電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵性質(zhì)；凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)：晶體或

4、非晶體結(jié)構(gòu)、晶體點(diǎn)缺陷和線缺陷。組織結(jié)構(gòu)：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(cè)試方法（要求以后學(xué)生自己學(xué)習(xí)、總結(jié)）四、材料性能的研究方法k0.d?經(jīng)驗(yàn)方法在大量占有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上， 對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，整理為經(jīng)驗(yàn)方程，用以表示它們的函數(shù)關(guān)系。例如：強(qiáng)度與晶粒尺寸之間的關(guān)系?理論方法從機(jī)理著手，即從反映本質(zhì)的基本關(guān)系出發(fā)， 按照性能的有關(guān)規(guī)律、建立物 理模型，用數(shù)學(xué)方法求解，得到有關(guān)理論方程式。例如德拜模型五、基本要求?授課內(nèi)容：見(jiàn)授課計(jì)劃?課堂要求：課前預(yù)習(xí)，包括一些普通物理知識(shí)；要認(rèn)真作筆記-這也是一種能力；及時(shí)復(fù)習(xí)、歸納總結(jié)，交總結(jié)報(bào)告；掌握材料性能的概念、意

5、義、宏觀表征、微觀本質(zhì)、影響因素和測(cè)試方法。? 作業(yè)：及時(shí)交作業(yè)? 考勤六、考核方式? 考核方式為閉卷筆試。? 題型：計(jì)算題、簡(jiǎn)答題？? 成績(jī)由平時(shí)成績(jī)（20%）和期末成績(jī)（80%）構(gòu)成。? 平時(shí)成績(jī)?cè)u(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為作業(yè)完成情況、考勤、課堂提問(wèn)。表1材料使用性能劃分性能大類基本性能響應(yīng)行為性能指標(biāo)力學(xué)性能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及形彳件長(zhǎng)率、斷面收縮率、應(yīng)變硬化指數(shù)、屈服強(qiáng)度等硬度表面局部塑性變形硬度韌性靜態(tài)斷裂抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、靜力韌度、斷裂切度等強(qiáng)度磨損穩(wěn)定磨損速率、耐磨性等沖擊沖擊韌度、沖擊功、多沖壽命等疲勞疲勞極限、疲勞壽命、疲勞裂紋擴(kuò)展速率等高溫變形及

6、斷裂蠕變速率、蠕變極限、持久強(qiáng)度、松弛穩(wěn)定性等低溫變形及斷裂韌脆轉(zhuǎn)變溫度、低溫強(qiáng)度等應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕抗力、應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率等物理性能熱學(xué)性能吸熱、放熱比熱容熱脹冷縮線膨脹系數(shù)、體膨脹系數(shù)熱傳導(dǎo)導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)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學(xué)性能磁化磁化率、磁導(dǎo)率、剩磁、矯頑力、居里溫度等磁各向異性磁各向異性常數(shù)等磁致伸縮磁致伸縮系數(shù)、磁彈性能等電學(xué)性能導(dǎo)電電阻率、電阻溫度系數(shù)等介電（極化）介電常數(shù)、介電損耗、介電強(qiáng)度等熱電熱電系數(shù)、熱電優(yōu)值等壓電壓電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)等鐵電極化率、自發(fā)極化強(qiáng)度等熱釋電熱釋電系數(shù)光學(xué)性能折射折射率、色散系數(shù)等反射反射系數(shù)吸收吸收系數(shù)散

7、射散射系數(shù)發(fā)光發(fā)光壽命、發(fā)光效率等聲學(xué)性能吸收吸收因子反射反射因子、聲波阻抗等耐環(huán)境性能耐腐蝕性表面腐蝕標(biāo)準(zhǔn)電極電位、腐蝕速率、腐蝕強(qiáng)度、耐蝕性等老化性能隨時(shí)可下降各種性能隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性，如老化時(shí)間、脆點(diǎn) 時(shí)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(shù)等表2材料行為描述及性能表征類型的一些例子行為行為亞類仃為描述性能表征實(shí)驗(yàn)關(guān)系理論描述中間值終態(tài)值聯(lián)系值變形彈性變形應(yīng)力-應(yīng)變（彈性段）虎克定律彈性極限楊氏模里塑性及形應(yīng)力-應(yīng)變（屈服至最高點(diǎn)）Hollomon 方程屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度硬化指數(shù)蠕父父形父形-時(shí)間（蠕變曲線）蠕交速率表面艾形壓力-壓痕深度或面積硬度斷裂靜態(tài)斷裂應(yīng)力-裂紋長(zhǎng)度

8、格里菲斯方程斷裂強(qiáng)度斷裂切度沖擊斷裂高速應(yīng)力-應(yīng)變（曲線）沖擊韌度多沖斷裂沖擊功-沖擊壽命多沖抗力蠕變斷裂應(yīng)力-時(shí)間持久強(qiáng)度疲勞斷裂應(yīng)力-壽命（疲勞曲線）疲勞強(qiáng)度熱吸熱升溫?zé)崃?溫度比熱容熱膨脹長(zhǎng)度-溫度膨脹系數(shù)熱傳導(dǎo)熱量（變化）-溫度梯度傅立葉定律熱導(dǎo)率磁磁化磁化（磁感應(yīng)）強(qiáng)度-磁場(chǎng)強(qiáng) 度（磁化曲線、磁滯回線）剩磁、矯頑力飽和磁化強(qiáng)度磁導(dǎo)率、磁 化率、磁能 積電導(dǎo)電電壓-電流安倍定律電阻率介電電位移-電場(chǎng)強(qiáng)度介電常數(shù)極化強(qiáng)度-電場(chǎng)強(qiáng)度極化率熱電熱電勢(shì)-溫度熱電系數(shù)壓電電位移-壓力壓電方程壓電常數(shù)熱釋電電位移-溫度熱釋電常數(shù)光折射入射角-折射角折射定律折射率色散折射率-入射光波長(zhǎng)色散系數(shù)反射入

9、射波能量-反射波能量反射定律反射系數(shù)吸收光強(qiáng)-入射深度朗伯定律吸收系數(shù)散射光強(qiáng)-入射深度散射系數(shù)發(fā)光發(fā)光強(qiáng)度-發(fā)光波長(zhǎng)反射光譜發(fā)光強(qiáng)度-激發(fā)光波長(zhǎng)激發(fā)光譜發(fā)光強(qiáng)度-時(shí)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(zhì)性能微觀本質(zhì)彈性變形鍵合在不破壞條件下的伸縮或旋轉(zhuǎn)（可逆）塑性及形晶體的滑移、孚生、扭折；非晶體的黏性流動(dòng)（不可逆）黏彈性變形高分子鏈段的伸展+黏性流動(dòng)蠕父晶體滑移、晶界滑移、原子擴(kuò)散斷裂裂紋萌生+裂紋擴(kuò)展磨損表面局部塑性變形+斷裂吸熱（熱容）品格熱震動(dòng)加劇熱膨脹品格熱震動(dòng)加劇導(dǎo)致品格平衡間距加大熱傳導(dǎo)品格熱震動(dòng)傳播+自由電子傳熱磁化（磁性）磁矩轉(zhuǎn)向?qū)щ娦裕ò犭娦裕┹d流

10、于定向流動(dòng)介電性（包括壓電、鐵 電、熱釋電）電極化（電荷中心短程分離）；電偶極距轉(zhuǎn)向光的折射極化導(dǎo)致光速減慢光的吸收光子能量被電子吸收，導(dǎo)致光于湮火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(jí)向低能級(jí)躍遷，發(fā)射光子非線性光學(xué)效應(yīng)在強(qiáng)光作用下產(chǎn)生非線性極化第三講 無(wú)機(jī)材料的受力形變復(fù)習(xí)、總結(jié)：2.滯彈性(1)標(biāo)準(zhǔn)線性固體(曾納)：由彈簧及黏性系統(tǒng)組成的力學(xué)模型(解釋該模型組成) 根據(jù)此模型有以下關(guān)系：2= 1+ 33= 3= 1+21=E111= 32 = E2 2消去各元件的應(yīng)力和應(yīng)變，得(/E1)(E1+E2)/ E2 + = (/E1)/ E2 +/ E2設(shè)： =/E1,=

11、 (E1+E2)/ E2 = (E1+E2)/ E2 E1則有E2(+ )= +定義：-恒定應(yīng)變下的應(yīng)力弛豫時(shí)間；-恒定應(yīng)力下的應(yīng)變?nèi)渥儠r(shí)間CE2標(biāo)準(zhǔn)線性固體形變速率：,d1- 1d dt3dt整理得應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系： 出E1日(2)應(yīng)變松弛和應(yīng)力松弛 E2E2?應(yīng)變松弛：固體材料在恒定荷載下，變形隨時(shí)間延續(xù)而緩慢增加的不平衡過(guò)程，或材料受力后內(nèi)部原子由不平衡到平衡的過(guò)程，也叫蠕變或徐變。?應(yīng)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(yīng)減小，由此使物體內(nèi)部應(yīng)力隨時(shí)間延續(xù)而逐漸減 小的過(guò)程。?從熱力學(xué)觀點(diǎn)分析應(yīng)力弛豫:物體受外力作用而

12、產(chǎn)生一定的變形；如果變形保持不變，則儲(chǔ)存在物體中的彈性勢(shì)能將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?從勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^(guò)程，即能量消耗的過(guò)程一應(yīng)力松弛現(xiàn)象C?松弛過(guò)程的機(jī)理松弛過(guò)程有以下機(jī)理：原子的振動(dòng)、彈性變形波、熱消散、間隙原子的擴(kuò)散、晶界的 移動(dòng)等。(3)松弛時(shí)間(4)無(wú)弛豫模量與弛豫模量無(wú)弛豫模量：測(cè)量時(shí)間小于松弛時(shí)間，隨時(shí)間的形變還沒(méi)有機(jī)會(huì)發(fā)生時(shí)的彈性模量。弛豫模量：測(cè)量時(shí)間大于松弛時(shí)間，隨時(shí)間的形變已發(fā)生的彈性模量。2.4無(wú)機(jī)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(fù)的形變。材料經(jīng)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(xué)性能。?無(wú)機(jī)非金屬材

13、料的致命弱點(diǎn)就是在常溫時(shí)大都缺乏這種性能，使得材料的應(yīng)用大大受到限制。?能否將陶瓷做成延性材料？對(duì)此，多年來(lái)進(jìn)行了大量的研究，但至今在常溫下，除很 少例外，大多數(shù)無(wú)機(jī)非金屬材料都不具有延性，也就是說(shuō)，沒(méi)有或只有很小的塑性形 變。?為什么常溫下，大多數(shù)無(wú)機(jī)非金屬材料不能產(chǎn)生塑性變形？首先要研究塑性形變的機(jī) 理，我們先從比較簡(jiǎn)單的單晶入手，這樣可以不考慮品界的影響。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(jiàn)， 所以主要討論晶體的滑移。?晶體受力時(shí)，晶體的一部分相對(duì)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

14、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(shù)較小，原子密度 大，也就是柏氏矢量b較小，只要滑動(dòng)較小的距離就能使晶體結(jié)構(gòu)復(fù)原，所以比較容 易滑動(dòng)?；瑒?dòng)面和滑動(dòng)方向組成晶體的滑移系統(tǒng)。例如NaCl型結(jié)構(gòu)的離子晶體，其滑移系統(tǒng)通常就是面族1 1 0和晶向1 1 0。?(1)晶格滑移的條件：?晶面指數(shù)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(chǎn)生相對(duì)滑移；?滑過(guò)滑動(dòng)平面使結(jié)構(gòu)復(fù)原所需的位移量小，即柏氏矢量小，易產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)；?靜電作用因素考慮，同號(hào)離子存在巨大的斥力，如果在滑移過(guò)程中

15、相遇，滑移 將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。(2)臨界剪切應(yīng)力拉伸或壓縮都會(huì)在滑移面上產(chǎn)生剪應(yīng)力。由于滑移面的取向不同，其上的剪應(yīng)力也不同。 現(xiàn)以單晶受拉為例，看看滑移面上的剪應(yīng)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(yīng)力為：F F cosF cos此應(yīng)力在滑移方向上的分剪應(yīng)力為：?上式表明，不同滑移面及滑移方向的剪應(yīng)6都不一樣；同一滑移面上不同滑移方向，剪應(yīng)力也不一樣。當(dāng)0 （臨界剪應(yīng)力）時(shí)發(fā)生滑移。?由于滑移面的法線 N總是和滑移方向垂直。當(dāng)小角與入角處于同一平面時(shí)，入角最 小，即入+小=90 ,所以cos入cos（|）的最

16、大值為0.5。?可見(jiàn)，在外力F作用下，在與N、F處于同一平面內(nèi)的滑移方向上，剪應(yīng)力達(dá)到最大 值，其他方向剪應(yīng)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(gè)滑移系統(tǒng)，則產(chǎn)生滑移的機(jī)會(huì)就很小。滑移系統(tǒng)多的話，對(duì)其中一個(gè) 滑移系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可能cos入cos（）較小。但對(duì)另外一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，cos入cos（|）可能就大，達(dá)到 臨界剪應(yīng)力的機(jī)會(huì)多了。?金屬鍵沒(méi)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(wú)機(jī)材料的離子鍵或共價(jià)鍵具有明顯的方向性。同號(hào)離子相遇，斥力極大。只有個(gè)別 滑移系統(tǒng)才能滿足幾何條件與靜電作用條件。晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，滿足這種條件就越困 難。?因此，只

17、有為數(shù)不多的無(wú)機(jī)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(jié)構(gòu)的最簡(jiǎn)單的離子晶體結(jié)構(gòu)，如 AgCl, KCl, MgO, KBr, LiF等。?至于多晶陶瓷，具晶粒在空間隨機(jī)分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪應(yīng)力差別 很大。即使個(gè)別晶粒已達(dá)到臨界剪應(yīng)力而發(fā)生滑移，也會(huì)受到周圍晶粒的制約，使滑 移受到阻礙而終止。所以多品材料更不容易產(chǎn)生滑移。2、塑性形變的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論實(shí)際晶體中存在位錯(cuò)缺陷，當(dāng)受剪應(yīng)力作用時(shí)，并不是晶體內(nèi)兩部分相互錯(cuò)動(dòng)，而是位 錯(cuò)在滑移面上沿滑移方向運(yùn)動(dòng)。使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(shí)際晶體的滑移是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。位錯(cuò)

18、是一種缺陷，在原子排列有缺陷的地方一般勢(shì)能比較高，如圖1.13所示。?內(nèi)力平衡時(shí)原子處于勢(shì)能最低的位置。有了位錯(cuò)情況就不同了，在位錯(cuò)處出現(xiàn)勢(shì)能空 位，鄰近的原子C2遷移到空位上需要克服勢(shì)壘h比h小?？朔?shì)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(lái)提供。?在外力作用下，滑移面 CD上就有分剪應(yīng)力,此時(shí)勢(shì)能曲線變得不對(duì)稱，C2原子遷移到空位要克服的勢(shì)壘為 H（p）,且H（p） h。就是說(shuō)，p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(cuò)線向右移動(dòng)更加容易p的作用提供了克服勢(shì)壘所需要的能量。顯然， H(p)叫做 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)激活能”，和p 有關(guān)。弋大,H(p)??；p小，H( p

19、 )大，故H( p )為p的函數(shù)。當(dāng)沒(méi)有剪應(yīng)力作用時(shí)，H( r ) 最大，此時(shí)H(r) =h o一個(gè)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(cuò)既是一種缺陷，其運(yùn)動(dòng)速度也應(yīng)該由波爾茲曼因子決定，所以位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度寫(xiě)成：?分析上式可以看出：匚.v - ve kT當(dāng)無(wú)夕v*日vOe H(r) =h，比kT大得多。例如室溫T=300K ,則kT=4.14 X 10-21J X6.24X 1018eV=0.026eV。金屬材料的約為 0.1-0.2eV,而具有方向性的離子、 共價(jià)鍵的無(wú)機(jī)材料，其比金屬大得多，約為1eV數(shù)量級(jí)，所以室溫下無(wú)機(jī)材料 中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)十分困難；位錯(cuò)

20、只能在滑移面上運(yùn)動(dòng)，只有滑移面上的分剪應(yīng)力才能使降低。 無(wú)機(jī)材料中 滑移系統(tǒng)只有有限幾個(gè)，因此滑移面上分剪應(yīng)力往往很小，尤其是在多品陶瓷 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(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到晶界 就會(huì)塞積下來(lái)，形不成宏觀滑移，所以更難產(chǎn)生塑性形變。溫度升高時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(cuò)運(yùn)動(dòng)的理論充分說(shuō)明無(wú)機(jī)材料中產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是困難的。當(dāng)滑移面上的分剪應(yīng)力尚未使位錯(cuò)以足夠速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，此應(yīng)力可能已超過(guò)微裂紋擴(kuò)展所需要的臨界應(yīng)力而使 材料脆裂。?由于滑移反映出來(lái)的宏觀上的塑性形變是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，因此宏觀上的形變速率

21、和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，圖1.15的簡(jiǎn)化模型表示了這種關(guān)系。?由(1-32)式可知，塑性形變率取決于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度、位錯(cuò)密度D、柏氏矢量b和位錯(cuò)增殖系數(shù)Co?因此要造成宏觀塑性形變，必須(1)足夠多的位錯(cuò)；(2)位錯(cuò)有一定的運(yùn)動(dòng)速度； (3)從(1.32)式分析，柏氏矢量b大的材料應(yīng)變速率大。?另一方面，由于位錯(cuò)的形成需要能量，由彈性理論的計(jì)算，位錯(cuò)形成能為：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(cuò)能量和b2成正比，b小，位錯(cuò)能量也小，容易形成位錯(cuò)。b相當(dāng)于品格的點(diǎn)陣常 數(shù)。金屬為單元結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣常數(shù)較小，一般為3?左右，因此，形成位錯(cuò)的能量小，容易形成位錯(cuò)。?無(wú)機(jī)材料都是

22、二元以上的多元化合物，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)中原子數(shù)較多，如 MgAl2O4三元化合物，點(diǎn)陣常數(shù)較大，約為 8?,氧化鋁的點(diǎn)陣常數(shù)也在5?以上，形成位錯(cuò)的能量較大。因此，無(wú)機(jī)材料中不容易形成位錯(cuò)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)也很困難，也就難以產(chǎn)生塑性形變。3. 塑性形變速率對(duì)屈服強(qiáng)度的影響在一定的剪應(yīng)力作用下，將使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)激活能減小。剪應(yīng)力越大，激活能越小，因而位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率越大， 所以塑性形變速率與所受剪應(yīng)力的大小成正比。 如圖 1.14右半所示為900溫度下對(duì)單晶氧化鋁試樣進(jìn)行不同形變速率的拉伸試驗(yàn)。? 從圖中可見(jiàn)，形變速率大的，相應(yīng)的剪應(yīng)力最大值也大，表現(xiàn)在宏觀上屈服強(qiáng)度點(diǎn)也越高，因而塑性變形速率與屈服強(qiáng)度有

23、一定關(guān)系：? 式中， m 為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率的應(yīng)力敏感性指數(shù)。2.5 無(wú)機(jī)材料的高溫蠕變?cè)诟邷叵聼o(wú)機(jī)材料卻有不同程度的蠕變行為， 因此在高溫下使用無(wú)機(jī)材料時(shí)， 就必須考慮蠕變。實(shí)驗(yàn)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：起始段oa。在外力作用下發(fā)生瞬時(shí)彈性形變。若外力超過(guò)試驗(yàn)溫度下的彈性 極限，則oa段也包括一部分塑性形變。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(diǎn)是應(yīng)變速率隨時(shí)間遞減，即ab段的斜率de/dt隨時(shí)間的增加愈來(lái)愈小，曲線愈來(lái)愈平 緩。其變化規(guī)律可用經(jīng)驗(yàn)公式表示如下：第二階段蠕變bc,也叫穩(wěn)態(tài)蠕變階段（或二次蠕變，中期蠕變）。材料進(jìn)入 二次蠕變

24、階段， 最終必然導(dǎo)致斷裂。 這一階段的特點(diǎn)是蠕變速率幾乎保持不變。d /dt=K （常數(shù)），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(diǎn)是應(yīng)變率隨時(shí)間增加而自增加，即蠕變曲線變陡，最后到 d 點(diǎn)斷裂。材料處于即將斷裂的危險(xiǎn)狀態(tài)，蠕變斷裂發(fā)生在伸長(zhǎng)達(dá)到某一斷裂伸長(zhǎng)值時(shí)， 此時(shí)伸長(zhǎng)量對(duì)負(fù)荷和溫度的依賴關(guān)系并不明顯。? 當(dāng)外力和溫度不同時(shí)， 雖然蠕變曲線仍保持上述幾個(gè)階段的特點(diǎn)， 但各階段時(shí)間及傾斜程度將變化。? 圖 1.17表示不同溫度下和應(yīng)力下的蠕變變化規(guī)律。? 從圖可以看出，當(dāng)溫度或應(yīng)力較低時(shí)，穩(wěn)態(tài)蠕變階段延長(zhǎng)；當(dāng)應(yīng)力或溫度增加時(shí)穩(wěn)定態(tài)蠕變階段縮短，甚至不出現(xiàn)。外力對(duì)應(yīng)變速

25、率的影響很大，可表示為K為常數(shù)。n為2k20。n1. 高溫蠕變的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論? 根據(jù)這種理論， 無(wú)機(jī)材料中晶相的位錯(cuò)在低溫下受到障礙難以發(fā)生運(yùn)動(dòng)， 在高溫下院子熱運(yùn)動(dòng)加劇，可以使位錯(cuò)從障礙中解放出來(lái)，引起蠕變。由前面討論的式（1.36）-（ 1.38）可知，當(dāng)溫度增加時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度加快。除位錯(cuò)產(chǎn)生滑移外，位錯(cuò)的攀移也能產(chǎn)生宏觀上的變形。攀移是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)的另一種形式，圖 1.18 為位錯(cuò)攀移示意圖。? 通過(guò)吸收空位，位錯(cuò)可攀移到滑移面以外，繞過(guò)障礙物，使滑移面移位。攀移是通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)行的。 由于晶體中存在過(guò)飽和的空位， 多余的半片原子可以向空位擴(kuò)散。 如果整個(gè)半片原子擴(kuò)散走了， 位錯(cuò)就移出晶體

26、之外。 熱運(yùn)動(dòng)有助于使位錯(cuò)從障礙中解放出來(lái)，并使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加速。? 當(dāng)受阻礙較小， 容易運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)解放出來(lái)完成蠕變后， 蠕變速率就會(huì)降低。 這就解釋了蠕變減速階段的特點(diǎn)。 如果繼續(xù)增加溫度或延長(zhǎng)時(shí)間， 受阻礙較大的位錯(cuò)也能進(jìn)一步解放出來(lái)， 引起最后的加速蠕變階段。 常溫高應(yīng)力下的金屬蠕變， 多半由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所致。2. 擴(kuò)散蠕變理論? 這種理論認(rèn)為高溫下的蠕變現(xiàn)象和晶體中的擴(kuò)散現(xiàn)象類似， 并且把蠕變過(guò)程看成是外力作用方向擴(kuò)散的一種形式。當(dāng)試件受拉時(shí)，受拉晶界的空位濃度增加。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。這樣，受拉晶界里即品RO2外（位濃dkT）受拉晶界的空位

27、向受壓晶界遷移，同時(shí)原子朝相反方向擴(kuò)散，導(dǎo)致沿受拉方向伸長(zhǎng)，發(fā)生形變，如圖 1.19所示。Nabarro 和 Herring 計(jì)算了沿晶粒內(nèi)部擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)蠕變速率：如果擴(kuò)散沿晶界進(jìn)行，根據(jù)Coble 的計(jì)算，蠕變率為在晶粒內(nèi)部，各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)（或者說(shuō)最大剪應(yīng)力方向）不同，不可能產(chǎn)生集中的位錯(cuò)塞積，而是產(chǎn)生高溫下短程的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的迭加。每次位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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? 多晶陶瓷中存在著大量晶界，當(dāng)晶界位向差大時(shí)，可以把晶界看成是非晶體，因此在溫度較高時(shí)，晶界粘度迅速下降，外力導(dǎo)致晶界粘滯流動(dòng)，發(fā)生蠕變。4. 影響蠕

28、變的因素? （1） 溫度前面已經(jīng)提到溫度升高蠕變?cè)龃?。這是由于溫度升高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界錯(cuò)動(dòng)加快，擴(kuò) 散系數(shù)增大， 這些都對(duì)蠕變有所貢獻(xiàn)。 圖 1.20為 SiAlON 及 Si3N4 的穩(wěn)態(tài)蠕變率與溫度的關(guān) 系。? (2)? 應(yīng)力從圖 1.17及公式可知，蠕變隨應(yīng)力增加而增大。若對(duì)材料施加壓應(yīng)力，則增加另外蠕變的阻力。? (3) 顯微結(jié)構(gòu)的影響蠕變是結(jié)構(gòu)敏感的性能。氣孔、晶粒尺寸、玻璃相等都是對(duì)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?yàn)闅饪诇p少了抵抗蠕變的有效截面積。此外，當(dāng)晶界粘性流動(dòng)起主要作用時(shí)，氣孔的空余體積可以容納晶粒所發(fā)生的形變。關(guān)于

29、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?yàn)榫ЯＳ?，晶界的比例大大增加，晶界擴(kuò)散及晶界流動(dòng)的貢獻(xiàn)也就增大。從表1.3 的數(shù)據(jù)看出，尖晶石的晶粒尺寸為25nhi時(shí)， =26.3X105;當(dāng)晶粒尺寸為13mm時(shí)，e = 0.1X105 , 蠕變率減小很多。單晶沒(méi)有晶界，因此，抗蠕變的性能比多晶材料好。玻璃相對(duì)蠕變的影響也很大。通常多晶陶瓷存在玻璃相。當(dāng)溫度升高時(shí)，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(jié)晶態(tài)要大得多。玻璃相對(duì)蠕變的影響還取決于玻璃相對(duì)晶相的濕潤(rùn)程度，這可用圖 1.22 說(shuō)明。如果玻璃相不濕潤(rùn)晶相，如圖 1

30、.22 (a),則在晶界處為晶粒與晶粒結(jié)合，抵抗蠕變的性能就好；如果玻璃相完全濕潤(rùn)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(jié)構(gòu)。其他濕潤(rùn)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(shí)踐上難以做到。當(dāng)然也可以控制溫度，改變玻璃組成等辦法來(lái)降低玻璃的濕潤(rùn)特性， 但這樣一來(lái)， 又會(huì)使得低溫下不易燒結(jié)成致密的 耐火材料。? 此外， 還可以通過(guò)改變玻璃組成來(lái)改變玻璃相的粘度。 在氧化鎂中加入氧化鉻制成鎂磚，由于降低了玻璃相的濕潤(rùn)性，從而提高了抗蠕變的性能；反之，添加 Fe2O3 時(shí)， 由于增加了玻璃相的濕潤(rùn)性而降低了強(qiáng)度。? (4) 組成顯然，組成

31、不同的材料其蠕變行為不同。即使組成相同，單獨(dú)存在和形成化合物，其蠕變行為也不一樣。例如 A12O3和SiO2,單獨(dú)存在和形成莫來(lái)石(3A1203 2SiO2 )時(shí)，蠕變 行為就不相同。? (5) 晶體結(jié)構(gòu)隨著共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)程度增加，擴(kuò)散及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)降低，因此，像碳化物，硼化物等陶瓷材料的抗蠕變性能就很好。第三章 無(wú)機(jī)材料的脆性斷裂與強(qiáng)度平面應(yīng)力：只在平面內(nèi)有應(yīng)力，與該面垂直方向的應(yīng)力可忽略，例如薄板拉壓?jiǎn)栴}。平面應(yīng)變： 只在平面內(nèi)有應(yīng)變， 與該面垂直方向的應(yīng)變可忽略， 例如水壩側(cè)向水壓?jiǎn)栴}。具體說(shuō)來(lái)：平面應(yīng)力是指所有的應(yīng)力都在一個(gè)平面內(nèi)，如果平面是OXY 平面，那么只有正應(yīng)力（TX, 6y 剪應(yīng)力p

32、 xy（它們都在一個(gè)平面內(nèi)），沒(méi)有z, r yz, p zx。平面應(yīng)變是 指所有的應(yīng)變都在一個(gè)平面內(nèi)，同樣如果平面是 OXY平面，則只有正應(yīng)變e x, ey和剪應(yīng) 變 Y xy ,而沒(méi)有 e z, Y yz, Y zxo舉例說(shuō)來(lái)：平面應(yīng)變問(wèn)題比如壓力管道、水壩等，這類彈性體是具有很長(zhǎng)的縱向軸的柱形物體，橫截面大小和形狀沿軸線長(zhǎng)度不變；作用外力與縱向軸垂直，并且沿長(zhǎng)度不變；柱體的兩端受固定約束。 平面應(yīng)力問(wèn)題討論的彈性體為薄板， 薄壁厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)另外兩個(gè)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內(nèi)，并沿厚度方向不變。2002 年 11 月 19 日， 希臘 “威望 ”號(hào)

33、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(hào)稱永不沉沒(méi)的豪華的泰坦尼克號(hào)（Titanic） 沉沒(méi)于冰海中。什么是材料的強(qiáng)度? 材料的強(qiáng)度： 抵抗外加負(fù)荷的能力。 根據(jù)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(biāo)。從兩個(gè)不同角度對(duì)材料強(qiáng)度進(jìn)行研究：以應(yīng)用力學(xué)為基礎(chǔ)，從宏觀現(xiàn)象研究材料應(yīng)力 -應(yīng)變狀況，進(jìn)行力學(xué)分析，總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，作為設(shè)計(jì)、使用材料的依據(jù)。這是力學(xué)工作者的任務(wù)；從材料的微觀結(jié)構(gòu)研究材料的力學(xué)性狀，即研究材料宏觀力學(xué)性能的微觀機(jī)理，從而找出改善材料性能的途徑，為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。這是材料科學(xué)的研究范圍為什么是發(fā)生脆性

34、斷裂? 脆性斷裂 ： 在外力作用下， 在高度應(yīng)力集中點(diǎn) （內(nèi)部和表面的缺陷和裂紋） 附近單元 , 所受拉應(yīng)力為平均應(yīng)力的數(shù)倍。 如果超過(guò)材料的臨界拉應(yīng)力值時(shí)， 將會(huì)產(chǎn)生裂紋或缺陷的擴(kuò)展，導(dǎo)致脆性斷裂。? 因此， 斷裂源往往出現(xiàn)在材料中應(yīng)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(kāi)裂。裂紋的存在及其擴(kuò)展行為決定了材料抵抗斷裂的能力。在臨界狀態(tài)下，當(dāng)斷裂源處裂紋尖端的橫向拉應(yīng)力=結(jié)合強(qiáng)度-裂紋擴(kuò)展-引起周圍 應(yīng)力再分配-裂紋的加速擴(kuò)展-突發(fā)性斷裂。當(dāng)裂紋尖端處的橫向拉應(yīng)力尚不足以引起擴(kuò)展，但在長(zhǎng)期受力情況下（高溫或腐蝕性 氣體），會(huì)出現(xiàn)裂紋的緩慢生長(zhǎng)。脆性斷裂現(xiàn)象斷裂現(xiàn)象分類

35、：金屬類：先是彈性形變，然后塑性變，直至斷裂。高分子類：先是彈性形變（很大），然后塑性形變，直至斷裂。無(wú)機(jī)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(diǎn)：l斷裂前無(wú)明顯的預(yù)兆l斷裂處往往存在一定的斷裂源l由于斷裂源的存在，實(shí)際斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論強(qiáng)度脆性斷裂的微觀過(guò)程：多突發(fā)性裂紋擴(kuò)展裂紋的緩慢生長(zhǎng)3.1理論斷裂強(qiáng)度固體的強(qiáng)度一固體材料抵抗破壞的能力。按破壞形式分：屈服強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度按討論方式分：理論強(qiáng)度實(shí)際強(qiáng)度奧羅萬(wàn)：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(shí)就形成兩個(gè)新的表面，使單位面積的原子平面分開(kāi)所做的功等于產(chǎn)生兩個(gè)單位面積的新表

36、面所需的表面能時(shí)，材料才能斷裂。分開(kāi)單位面積原子平面所做的功為：形成兩個(gè)新的表面：W 2由虎克定律根據(jù)Orowan模型，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)出：Eth 10高強(qiáng)度的固體必須要求E、丫大，a小, 丫約為aE/100,故理論結(jié)合強(qiáng)度可寫(xiě)成： 理論結(jié)合強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度的比較3-2格里菲斯微裂紋理論格里菲斯認(rèn)為實(shí)際材料中總存在許多細(xì)小的裂紋或缺陷，在外力作用下，這些裂紋和缺陷附近就產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，裂紋就開(kāi)始擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。所以， 斷裂并不是晶體兩部分同時(shí)沿整個(gè)橫截面被拉斷，而是裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。1. Inglis斷裂理論孔洞兩個(gè)端部的應(yīng)力幾乎取決于孔洞的長(zhǎng)度和端部的曲率半徑而與孔洞的形狀無(wú)關(guān)，

37、依c據(jù)彈性理論：a 1 2 c考慮到：c遠(yuǎn)大于，所以 A 2 J-考慮到裂紋尖端曲率半徑p與晶格常數(shù) a相當(dāng)：裂紋擴(kuò)展的條件是：a th一旦c增加， 進(jìn)一步增大，更大于，裂紋加速擴(kuò)展。?貢獻(xiàn)：看到了缺陷、解釋了實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的事實(shí)。?缺點(diǎn)：沿用了傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論，引用了現(xiàn)成的彈性力學(xué)應(yīng)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(kuò)展的臨界條件：物體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能的降低大于或等于形成兩個(gè)新表面所 需的表面能。?由彈性理論，當(dāng)人為割開(kāi)長(zhǎng) 2c的裂紋時(shí)，可求得裂紋擴(kuò)展時(shí)的彈性能改變量：?產(chǎn)生長(zhǎng)度為2c的新表面，所需的表面能為：,形成新生的單

38、2E2E當(dāng)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展一個(gè)微小量時(shí)，單位面積釋放的能量為位表面積所需的表面能為：2由臨界條件得：2 C 4平面應(yīng)力狀態(tài)下裂紋盧展時(shí)的臨界裂紋長(zhǎng)度或臨界應(yīng)力：平面應(yīng)變狀態(tài)下裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界裂紋長(zhǎng)度或臨界應(yīng)力：平面應(yīng)力：只在平面內(nèi)有應(yīng)力，與該面垂直方向的應(yīng)力可忽咕 伽如加C拉壓?jiǎn)栴}。平面應(yīng)變：只在平面內(nèi)有應(yīng)變，與該面垂直方向的應(yīng)變可忽略，例如水壩側(cè)向水壓?jiǎn)栴}。3. Irwin - Orowan 理論4. 控制強(qiáng)度的三個(gè)參數(shù)彈性模量E:取決于材料的組分、晶體的結(jié)構(gòu)、氣孔。對(duì)其他顯微結(jié)構(gòu)較不敏感斷裂能 f ： 不僅取決于組分、結(jié)構(gòu)，在很大程度上受到微觀缺陷、顯微結(jié)構(gòu)的影響，是一種織構(gòu)敏感參數(shù),起著斷

39、裂過(guò)程的阻力作用。裂紋半長(zhǎng)度C： 材料中最危險(xiǎn)的缺陷，其作用在于導(dǎo)致材料內(nèi)部的局部應(yīng)力集中，是斷裂的動(dòng)力因素。3-3 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子和平面應(yīng)變斷裂韌性? 從上世紀(jì)四十年代開(kāi)始， 不少學(xué)者基于彈性理論討論裂紋頂端附近應(yīng)力分布問(wèn)題 斷裂力學(xué)? 與材料強(qiáng)度有關(guān)的斷裂力學(xué)的特點(diǎn)：著眼于裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)域的力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)分布；研究裂紋生長(zhǎng)、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂的動(dòng)態(tài)過(guò)程和規(guī)律；研究抑制裂紋擴(kuò)展、防止斷裂的條件。給工程設(shè)計(jì)、合理選材、質(zhì)量評(píng)價(jià)提供判據(jù)。? 根據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)域的范圍，斷裂力學(xué)分為兩大類：（ 1）線彈性斷裂力學(xué)- 當(dāng)裂紋尖端塑性區(qū)的尺寸遠(yuǎn)小于裂紋長(zhǎng)度，可根據(jù)線彈性理論來(lái)分析裂紋擴(kuò)展行為。（ 2

40、）彈塑性斷裂力學(xué)- 當(dāng)裂紋尖端塑性區(qū)尺寸不限于小范圍屈服，而是呈現(xiàn)適量的塑性，以彈塑性理論來(lái)處理。1. 裂紋擴(kuò)展方式I型（掰開(kāi)型）張開(kāi)或拉伸型：裂紋表面直接分開(kāi)。II型（錯(cuò)開(kāi)型）滑開(kāi)或面內(nèi)剪切型：兩個(gè)裂紋表面在垂直于裂紋前緣的方向上相對(duì)滑動(dòng)。m型（撕開(kāi)型）外剪切型：兩個(gè)裂紋表面在平行于裂紋前緣的方向上相對(duì)滑動(dòng)。其中最危險(xiǎn)的是張開(kāi)型，一般在計(jì)算時(shí)，按最危險(xiǎn)的計(jì)算。裂紋長(zhǎng)度與斷裂應(yīng)力的關(guān)系：KC 1/2K 是與材料、試件尺寸、形狀、受力狀態(tài)等有關(guān)的系數(shù)。 C說(shuō)明，斷裂應(yīng)力受現(xiàn)有的裂紋長(zhǎng)度制約。2. 裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分析KI 稱為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，是與外加應(yīng)力，裂紋長(zhǎng)度，裂紋種類和受力狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。3

41、. ? 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子及幾何形狀因子4. 臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子及斷裂韌性5. 裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力與阻力3.3應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子和平面應(yīng)變斷裂韌性2 .裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分析1957年Irwin歐文應(yīng)用彈性力學(xué)的應(yīng)力場(chǎng)理論對(duì)裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析，對(duì)I型裂紋得到如下結(jié)果。Ki稱為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，是與外加應(yīng)力、裂紋長(zhǎng)度、裂紋種類和受力狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)rkic極限值KIC稱為斷裂韌性，它是反映材料抗斷性能的參數(shù)。因此，應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子小于或等于材料的平面應(yīng)變斷裂韌性，即： KKKIC,所設(shè)計(jì)的 構(gòu)件才是安全的，這一判據(jù)考慮了裂紋尺寸。臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kic：當(dāng)KI隨著外應(yīng)力增大到某一臨界值，裂紋尖端處的局

42、部應(yīng)力不 斷增大到足以使原子鍵分離的應(yīng)力 th,此時(shí)，裂紋快速擴(kuò)展并導(dǎo)致試樣斷裂。對(duì)于薄板：Kic = c( c )?由： c= (2E / c)1/2得：Kic = (2E )1/2斷裂韌性參數(shù)(Kic ):是材料固有的性能，也是材料的組成和顯微結(jié)構(gòu)的函數(shù)， 是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的阻力因 素。與裂紋的大小、形狀以及外力無(wú)關(guān)。隨著材料的彈性模量和斷裂能的增加而提高5 .裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力與阻力1）裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力Irwin將裂紋擴(kuò)展單位面積所降低的彈性應(yīng)變能定義為應(yīng)變能釋放率或裂紋擴(kuò)展力。?對(duì)于有內(nèi)裂紋2c的薄板：dWe C 2其中G為裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力。G 2dc E2）裂紋擴(kuò)展的阻力一一斷裂表面能Ki

43、c表示阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料固有的性質(zhì)；KIC是結(jié)構(gòu)敏感的；既能反映材料的強(qiáng)度，也能反映塑性。補(bǔ)充：晶體材料斷裂與塑性形變的比較？塑性形變是位錯(cuò)（微觀缺陷）運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，說(shuō)明實(shí)際晶體在遠(yuǎn)低于理想晶體的屈服強(qiáng)度 的應(yīng)力下，發(fā)生塑性形變。斷裂力學(xué)說(shuō)明材料的斷裂是裂紋（宏觀缺陷）擴(kuò)展的結(jié)果。實(shí)際晶體在遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度 的應(yīng)力下，發(fā)生斷裂。相同點(diǎn)：裂紋和位錯(cuò)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(kuò)展和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)都使原子鍵連續(xù)破壞。不同點(diǎn)：裂紋擴(kuò)展使原子鍵永久性的撕開(kāi)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)之后，斷開(kāi)的原子鍵隨即重新愈合。6 .5裂紋的起源和擴(kuò)展1 .裂紋的起源? （1）晶體微觀結(jié)構(gòu)中存在缺陷，當(dāng)

44、受到外力作用時(shí)，在這些缺陷處引起應(yīng)力集中，導(dǎo) 致裂紋成核。由于晶粒取向不同，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)受到晶界的阻礙，而在晶界產(chǎn)生位錯(cuò)塞積。材料中的雜質(zhì)原子引起應(yīng)力集中而成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。熱缺陷、交叉（位錯(cuò)組合、位錯(cuò)線與位錯(cuò)線或位錯(cuò)線與其他缺陷相互交叉）都 能使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙。?當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到各種阻礙時(shí)，就會(huì)在障礙前塞積起來(lái)，導(dǎo)致微裂紋形成。? （2）材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋，這種裂紋最危險(xiǎn)，裂紋的擴(kuò)展 常常由表面裂紋開(kāi)始。?（3）由于熱應(yīng)力而形成裂紋。晶粒在材料內(nèi)部取向不同，熱膨脹系數(shù)不同，在晶界或相界出現(xiàn)應(yīng)力集中。高溫迅速冷卻，內(nèi)外溫度差引起熱應(yīng)力。溫度變化發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，體積發(fā)生變化。

45、結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域都會(huì)使裂紋成核?結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域的特點(diǎn)：材料中任何結(jié)構(gòu)不連續(xù)性都會(huì)使局部能量處于高能量狀態(tài)，即應(yīng)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(yùn)動(dòng)，在能量較低的不連續(xù)區(qū)域使其能量降 低；結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中，遇到勢(shì)壘，會(huì)發(fā)生塞積，引起高度的應(yīng)力集中，此應(yīng)力又會(huì) 激活其他結(jié)構(gòu)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(kuò)展按照Griffith微裂紋理論，材料的斷裂強(qiáng)度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是決定于裂紋的 大小。(1)由臨界裂紋尺寸決定材料的斷裂強(qiáng)度C C2裂紋擴(kuò)展力：G 1廣若C增加，則G變大，而理2 是常數(shù)。dC當(dāng) C =

46、C臨界，即Gc 2r時(shí)，裂紋擴(kuò)展，材料斷裂(2) G的增大，釋放出多余的能量，一方面使裂紋擴(kuò)展加速。另一方面能使裂紋增殖，產(chǎn)生分支，形成更多的新表面，或者使斷裂面形成復(fù)雜的形狀，如條紋、波紋、梳刷紋等。3.影響裂紋擴(kuò)展的因素?(1)使作用力不超過(guò)臨界應(yīng)力。?(2)在材料中設(shè)置吸收能量的機(jī)構(gòu)。陶瓷材料中加入塑性粒子或纖維。人為地造成大量極微細(xì)的裂紋(小于臨界尺寸)能吸收能量，阻止裂紋擴(kuò)展。3.6靜態(tài)疲勞?裂紋除快速失穩(wěn)擴(kuò)展外，還會(huì)在使用應(yīng)力下，隨時(shí)間的推移而緩慢擴(kuò)展。這種緩慢擴(kuò) 展叫亞臨界生長(zhǎng)，或稱靜態(tài)疲勞。?雖然材料在短時(shí)間內(nèi)可以承受給定的使用應(yīng)力而不斷裂，但如果負(fù)荷時(shí)間足夠長(zhǎng)，仍然會(huì)在較低應(yīng)

47、力下破壞，即材料斷裂強(qiáng)度取決于時(shí)間。?例如：同樣材料負(fù)荷時(shí)間t1t2t3 ,則斷裂強(qiáng)度 3213下面介紹裂紋緩慢生長(zhǎng)的本質(zhì)。、應(yīng)力腐蝕理論實(shí)質(zhì)：在一定的環(huán)境溫度和應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子作用下， 材料中關(guān)鍵裂紋尖端處裂紋擴(kuò)展動(dòng)力與裂紋擴(kuò)展阻力的比較 ，構(gòu)成裂紋開(kāi)裂或止裂的條件。出發(fā)點(diǎn)：考慮材料長(zhǎng)期暴露在腐蝕性環(huán)境介質(zhì)中?；緝?nèi)容：? 在裂紋尖端處的離子鍵受到破壞，吸收了表面活性物質(zhì)（H2O， OH 以及極性液體或氣體），使材料的自由表面能降低，即裂紋的擴(kuò)展阻力降低； ? 若新開(kāi)裂表面的斷裂表面，因沒(méi)來(lái)得及被介質(zhì)腐蝕，其表面能仍然大于裂紋擴(kuò)展動(dòng)力，裂紋立即止裂。? 周而復(fù)始，形成宏觀上的裂紋緩慢生長(zhǎng)。?

48、由于裂紋長(zhǎng)度緩慢地增加，使得應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子也緩慢增大，一旦達(dá)到KIC 值，立即發(fā)生快速擴(kuò)展而斷裂。環(huán)境介質(zhì)的作用 （應(yīng)力腐蝕理論）引起裂紋的擴(kuò)展機(jī)理實(shí)例：玻璃在含有OH-介質(zhì)中的亞臨界裂紋擴(kuò)展：OH-對(duì)裂紋的強(qiáng)化作用有：吸附導(dǎo)致鍵強(qiáng)的下降；應(yīng)力加速了裂紋尖端玻璃的溶解；離子互換導(dǎo)致裂紋尖端張應(yīng)力的增長(zhǎng)。裂紋生長(zhǎng)的主要原因是應(yīng)力促進(jìn)了水與玻璃的化學(xué)反應(yīng)，生長(zhǎng)速率受反應(yīng)速率所控制（I）。裂紋生長(zhǎng)速率幾乎與應(yīng)力無(wú)關(guān)，此時(shí)裂紋生長(zhǎng)速率取決于 OH- 離子向裂紋尖端遷移的速率。（H）裂紋生長(zhǎng)的速率又隨KI 的增大而呈指數(shù)的增長(zhǎng)，與水氣含量無(wú)關(guān)，裂紋生長(zhǎng)受到玻璃的化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)的控制（田）。SiC 界面的

49、氧化作用引起裂紋擴(kuò)展過(guò)程：空氣中的氧氣在裂紋尖端與SiC 發(fā)生如下反應(yīng):2SiC+3O2=2SiO2+2CO過(guò)程包括： 氧離子通過(guò)氧化層傳遞至裂紋尖端；氧離子的吸附， SiC SiO2 的反應(yīng)；CO 從反應(yīng)區(qū)離去；裂紋形成的新表面被氧化層覆蓋， 接著進(jìn)行下一個(gè)腐蝕開(kāi)裂循環(huán)， 周而復(fù)始，形成宏觀裂紋。其形成的組分中含有硅酸鹽晶界薄層。二、高溫下裂紋尖端的應(yīng)力空腔作用1. 多晶多相陶瓷在高溫下長(zhǎng)期受力的作用時(shí)，晶界玻璃相的結(jié)構(gòu)粘度下降。由于該處的應(yīng)力集中，晶界處于甚高的局部拉應(yīng)力狀態(tài)，玻璃相則會(huì)發(fā)生蠕變或粘性流動(dòng)，形變發(fā)生在氣孔，夾層，晶界層，甚至結(jié)構(gòu)缺陷中，形成空腔2.這些空腔沿晶界方向長(zhǎng)大，聯(lián)

50、通形成次裂紋，與主要裂紋匯合就形成裂紋的緩慢擴(kuò) 展。？三、亞臨界裂紋生長(zhǎng)速率與應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的關(guān)系起始不同的Ki,隨時(shí)間的推移，會(huì)由于裂紋的不斷增長(zhǎng)而緩慢增大。v隨Ki的增大而變大，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn),v與KI的關(guān)系可表小為:dcdtAKIn用波爾茲曼因子表示為： 第一區(qū)：隨Ki增加，Q將因環(huán)境影響而下降（因應(yīng)力腐蝕），lnv增加，與Ki成直線關(guān) 系。 第二區(qū)：原子及空位的擴(kuò)散速度=腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散速度，使得新開(kāi)裂的裂紋端部沒(méi)有腐蝕介質(zhì)， 提高，順肖了 Ki增加對(duì)lnv的影響，表現(xiàn)為lnv不隨Ki變化。 第三區(qū)： Q 增加到一定值時(shí)不再增加，這樣， nKi Q 將越來(lái)越大， lnv 又迅速增加。 ? 解釋

51、：第 i 區(qū)，隨著 Ki 增加， Q 將因環(huán)境的影響而下降（應(yīng)力腐蝕），于是lnv增加且與 Ki 呈直線關(guān)系；? 第 ii 區(qū)， 原子及空位的擴(kuò)散速率達(dá)到了腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散速率， 使得新開(kāi)裂的裂紋端部沒(méi)有腐蝕介質(zhì)，于是提高，胞I抵消了 Ki增加對(duì)lnv的影響，常數(shù),表現(xiàn)MKilnvQF隨Ki變化；? 第 iii 區(qū)， Q 增加到一定值時(shí)就不再增加，這樣， nKi Q 將愈來(lái)愈大， lnv 又迅速 增加。大多數(shù)氧化物陶瓷由于含有堿性硅酸鹽玻璃相， 通常有疲勞現(xiàn)象。 疲勞過(guò)程受加載速率的影響，加載速率越慢，裂紋緩慢擴(kuò)展的時(shí)間較長(zhǎng)，在較低的應(yīng)力下就能達(dá)到臨界尺寸。四、根據(jù)亞臨界裂紋擴(kuò)展預(yù)測(cè)材料壽命無(wú)機(jī)

52、材料在實(shí)際使用溫度下，經(jīng)受長(zhǎng)期應(yīng)力a的作用，制品上典型受力區(qū)的最長(zhǎng)裂紋 將有亞臨界裂紋緩慢擴(kuò)展，最后斷裂。研究此擴(kuò)展的始終時(shí)間，即可預(yù)測(cè)制品的壽命。ci為初始裂紋長(zhǎng)度，cc為臨界裂紋長(zhǎng)度。?將KI Y ac1/2代入上式，得：?由于n值比較大，則K 2 n K 2 n ,上式變成 IiIC? A、n可通過(guò)實(shí)測(cè)不同Kij下的裂紋緩慢擴(kuò)展速率v,通過(guò)式(3-58)求得。Kii由初始 裂紋長(zhǎng)度確定，Y由試樣確定。?(1)無(wú)損探傷法一探測(cè)最長(zhǎng)裂紋長(zhǎng)度。?(2)保證試驗(yàn)法?在一批制品中，每個(gè)制品均按實(shí)際工作時(shí)的受力方式，施加一個(gè)檢測(cè)應(yīng)力，p a p ,則Kii Kip Kic由于1/2 Kip aKiiaYca KIC則用 值代替Kii值，將位Kip值偏大，從而使算出的壽命偏小，這樣處理比較安全。即2K：n a/ p 2ntiCa p.c22t式中A、n、Y、Kic、2 AY為已知數(shù)。選擇 p為檢驗(yàn)應(yīng)力施加于每一個(gè)制品上，淘汰那些經(jīng)過(guò)tc時(shí)間后已達(dá)到臨界狀態(tài)以及 明顯出現(xiàn)裂紋亞臨界擴(kuò)展的制品，則其余的制品均符合上式所算出來(lái)的壽命值tCo3.7 蠕變斷裂多晶材料在高溫和恒定應(yīng)力作用下，由于形變不斷增加而導(dǎo)致斷裂稱為蠕變斷裂。高溫 下，形變的主要部分是晶界滑動(dòng)，所以蠕變斷裂的主要形式是沿晶斷裂。? 1.黏性流動(dòng)理