【正文】 粒越細(xì)，此路程越長。三、其它影響因素v 雜質(zhì)的存在，也會由于應(yīng)力集中而降低強(qiáng)度；v 存在彈性模量較低的第二相時，也會使強(qiáng)度降低。從對材料的形變及斷裂的分析可知，在晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下，控制強(qiáng)度的主要參數(shù)有三個，即彈性模量E，斷裂表面能 和裂紋尺寸C。v 纖維的作用：高強(qiáng)度和高模量的纖維能為基體分擔(dān)大部分外加應(yīng)力，也可阻礙裂紋的擴(kuò)展，并能在局部纖維發(fā)生斷裂時以拔出功的形式消耗部分能量，起到提高斷裂能并克服脆性的效果。此時表面受拉，內(nèi)部受壓，因內(nèi)部呈軟化狀態(tài)不會破壞，繼續(xù)冷卻中，內(nèi)部將比表面以更大的速率收縮，使表面受壓，內(nèi)部受拉，結(jié)果在面形成殘留應(yīng)力。（馬氏體相變）v 馬氏體相變的特點(diǎn)： 相變具有可逆性，并受外界因素（溫度、應(yīng)力等）的影響，相變發(fā)生于一個溫度區(qū)間內(nèi)，或相變溫度而不是一個特定的溫度點(diǎn)。這一階段的相變的特點(diǎn)是突發(fā)性的，產(chǎn)生微裂紋的尺寸較大，可導(dǎo)致主裂紋擴(kuò)展過程中的分岔，對基體的增韌效果較小。Mo 陶瓷材料的硬度硬度是重要的力學(xué)性質(zhì)，但在實(shí)際應(yīng)用中由于測量方法不同，測得的硬度值所代表的材料性能也各異。v 布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。v 洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。v 材料的熱學(xué)性能包括熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定性、熱輻射、熱電勢等。g)v 1摩爾材料熱容量稱為摩爾熱量，單位J/(K 四、熱容的經(jīng)典理論熱容的經(jīng)典理論，用諧振子代表每個原子在一個自由度的振動。1．愛因斯坦模型提出假設(shè)：每個原子都是一個獨(dú)立的振子，原子之間彼此無關(guān)，并且都是以相同的頻率v振動。這表明當(dāng)T→0時，CV與T3成正比并趨于0，這就是德拜T3定律。 a為線膨脹系數(shù)，即溫度升高1K時，物體的相對伸長。v 由圖可以看出，在質(zhì)點(diǎn)平衡位置r0的兩側(cè)，合力曲線的斜率是不對等的：v 當(dāng)rr0時，斥力斜率較大，斥力隨位移增長很快；v 當(dāng)r=r0時，斥力與引力相等；v 當(dāng)rr0時，引力隨位移的增大要慢一些。質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力越強(qiáng)，則位阱深而狹，升高同樣的溫度差ΔT，質(zhì)點(diǎn)振幅增加的較少，故平均位置的位移量增加得較少，因此熱膨脹系數(shù)較小。熱膨脹和結(jié)構(gòu)的關(guān)系v 對于相同組成的物質(zhì)，由于結(jié)構(gòu)不同，膨脹系數(shù)也不同。3）有機(jī)高分子材料的熱膨脹系數(shù)一般比金屬的要大，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度區(qū)還會發(fā)生較大的變化。釉的膨脹系數(shù)比坯小，則燒成后的制品在冷卻過程中，表面釉層的收縮比坯小，所以使釉層中存在著一個壓應(yīng)力，而均勻分布的預(yù)壓應(yīng)力，能明顯地提高脆性材料的機(jī)械強(qiáng)度，同時還認(rèn)為這一壓應(yīng)力，也抑制了釉層的微裂紋及阻礙其發(fā)展，因而使強(qiáng)度提高。VT曲線是連續(xù)的，而dT/dtT曲線不連續(xù)，記錄ΔlT曲線的膨脹實(shí)驗(yàn)，方能有效地觀察二級相變。含量越高影響越大。 鐵磁性轉(zhuǎn)變v 正常膨脹和反常膨脹 對鐵磁性物質(zhì)如鐵、鈷、鎳及其某些合金，膨脹系數(shù)隨溫度變化不符合正常規(guī)律，在正常的膨脹曲線上出現(xiàn)附加的膨脹峰，這些變化稱為反常膨脹。s熱導(dǎo)率λ的物理意義v 指單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量，它的單位為W/m4. 不穩(wěn)定傳熱v 假如材料棒各點(diǎn)的溫度隨時間變化，是不穩(wěn)定傳熱過程，即各點(diǎn)的溫度是時間和位置的函數(shù)。v 也可表示為：v Q表示流過與熱流密度垂直的某一面元的熱量。2. 傅里葉導(dǎo)熱定律和熱導(dǎo)率v 實(shí)驗(yàn)表明：對于一根兩端溫度分別為T1，T2的均勻金屬棒，當(dāng)各點(diǎn)溫度不隨時間而變化時，熱流密度正比于該棒的溫度梯度。v C 多相體? 如果材料的結(jié)構(gòu)和性能是不均勻的，而是有兩種或多種不同結(jié)構(gòu)和性能的相機(jī)械混合而成，每一相有其自身的膨脹系數(shù)，物體受熱膨脹時，將出現(xiàn)十分復(fù)雜的情況。成分和組織的影響v A 形成固溶體? 固溶體的膨脹與溶質(zhì)元素的膨脹系數(shù)和含量有關(guān)。在相變點(diǎn)時，VT曲線是不連續(xù)的。討論題：熱膨脹系數(shù)與坯釉適應(yīng)性v 陶瓷材料在與其它材料復(fù)合使用時，陶瓷和金屬的膨脹系數(shù)盡可能接近。2）熱膨脹系數(shù)：結(jié)構(gòu)緊密地晶體結(jié)構(gòu)疏松的材料。對于一般材料來說，～。以雙原子模型為例，用位能曲線來解釋熱膨脹現(xiàn)象：假設(shè)兩個原子中的一個原子固定在原點(diǎn)不動，而另一個原子處于平衡位置r0處，以δ來表示它離開平衡位置的距離，則兩個原子間的距離為r=r0+δ，則兩原子的位能可表示為：以上所討論的是導(dǎo)致熱膨脹的主要原因，此外晶體中各種熱缺陷的形成將造成局部晶格的畸變和膨脹，這雖然是次要的因素，但隨溫度升高熱缺陷濃度按指數(shù)關(guān)系增加，所以在高溫時這方面的影響對某些晶體來講也就變得重要了。晶格點(diǎn)陣實(shí)際上在作非簡諧振動，晶格振動中相鄰質(zhì)點(diǎn)間的作用力實(shí)際上非線性的。? 德拜模型解釋不了超導(dǎo)現(xiàn)象。由于聲頻支的波長遠(yuǎn)大于晶體的晶格常數(shù)，可以把晶體近似視為連續(xù)介質(zhì)。 五、晶態(tài)固體熱容的量子理論v 諧振子的振動能量可以表示為： v 按照玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)理論，晶體內(nèi)振動能量Ei的諧振子數(shù)目NEi： 為比例常數(shù)， 為玻爾茲曼因子v 根據(jù)麥克斯威—波爾茲曼分配定律可推導(dǎo)出，在溫度為T時，一個振子的平均能量為：v 將上式中多項(xiàng)式展開各取前幾項(xiàng)，化簡得：v 振動的總能量為：這就是按照量子理論求得的熱容表達(dá)式。mol)v 另一個是化合物的熱容定律—柯普定律： 化合物分子熱容等于構(gòu)成該化合物各元素原子熱容之和，即C=ΣniCi。二、熱容的基本概念v 在某一過程中，物體吸收的熱量為 溫度升高為 ，則表征物體吸收熱量的能力的熱容量C的表達(dá)式為：v 或 (J/k) v 熱容量C：材料分子或原子的熱運(yùn)動能量Q隨溫度T的變化率, J/K。溫度升高，硬度將下降。v HRB用于測量低硬度材料, 如有色金屬和退火、正火鋼等。v 符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值, 符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。v 不均勻的彌散導(dǎo)致基體中局部的粒子含量過高、或不足，均勻彌散是最佳的體積分?jǐn)?shù)發(fā)揮作用的前提。v 有希望的系統(tǒng)：ZrO2TaW系統(tǒng), (Cr影響ZrO2相變的因素： v 1）ZrO2顆粒在基體中相變的能量條件? 在基體中，四方ZrO2是高溫穩(wěn)定相，單斜ZrO2是低溫穩(wěn)定相；? 在低于相變溫度的條件下，由于受到基體約束力的抑制，未轉(zhuǎn)化的四方ZrO2相保持其介穩(wěn)狀態(tài)；? 當(dāng)基體的約束力在外力作用下減弱或消失，粒子從高能態(tài)轉(zhuǎn)化為低能態(tài)的單斜相（發(fā)生相變），并在基體中引起微裂紋，吸收主裂紋擴(kuò)展的能量。 相變伴隨有體積變化高溫相向低溫相轉(zhuǎn)化引起體積膨脹。 四、相變增韌v 利用多晶多相陶瓷中某些相成份在不同溫度的相變，從而增韌的效果，稱為相變增韌。 v 過程：將玻璃加熱到轉(zhuǎn)變溫度以上，熔點(diǎn)以下→淬冷。? 晶須：將塊體材料制成晶須，強(qiáng)度約提高兩個數(shù)量級。多軸應(yīng)力場的作用使得有更多的裂紋能夠處在一個有可能導(dǎo)致斷裂發(fā)生的方向上，這就會提高斷裂概率，從而降低強(qiáng)度。通常氣孔多存在于晶界上，特別有害，往往成為裂紋源。 如果起始裂紋受晶粒限制，其尺度與晶粒度相當(dāng)，則脆性斷裂與晶粒度的關(guān)系為：v 多晶材料中，由于晶界比晶粒內(nèi)部弱，破壞多沿晶界斷裂。v 1. 黏性流動理論：? 高溫下晶界發(fā)生黏性流動，在晶界交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中。ci為初始裂紋長度，cc為臨界裂紋長度。⑵ 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，使得新開裂的裂紋端部沒有腐蝕介質(zhì)， 提高，抵消了KI增加對lnv 的影響，表現(xiàn)為lnv不隨KI變化。 裂紋形成的新表面被氧化層覆蓋，接著進(jìn)行下一個腐蝕開裂循環(huán)，周而復(fù)始，形成宏觀裂紋。（Ⅱ）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對裂紋的強(qiáng)化作用有： v 例如：同樣材料負(fù)荷時間 t1＞t2＞t3 ，則斷裂強(qiáng)度 下面介紹裂紋緩慢生長的本質(zhì)。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。v 結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域的特點(diǎn)：? 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(yùn)動受到阻礙。 斷裂力學(xué)說明材料的斷裂是裂紋（宏觀缺陷）擴(kuò)展的結(jié)果。 由： sc= （2E g / pc)1/2 得： KIC =（2E g )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。b)裂紋頂端附近的應(yīng)力和位移分布，完全由應(yīng)力場強(qiáng)度因子來確定。3.（2）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，以彈塑性理論來處理。裂紋半長度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，是斷裂的動力因素。v 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)。 突發(fā)性裂紋擴(kuò)展v 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）而開裂。2002年11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。v (5) 晶體結(jié)構(gòu) 隨著共價鍵結(jié)構(gòu)程度增加，擴(kuò)散及位錯運(yùn)動降低，因此，像碳化物，硼化物等陶瓷材料的抗蠕變性能就很好。v 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。單晶沒有晶界，因此，抗蠕變的性能比多晶材料好。氣孔、晶粒尺寸、玻璃相等都是對蠕變有很大影響。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。常溫高應(yīng)力下的金屬蠕變，多半由于位錯運(yùn)動所致。v 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。v 。? 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)變速率隨時間遞減，即ab段的斜率dε/dt隨時間的增加愈來愈小，曲線愈來愈平緩。剪應(yīng)力越大，激活能越小，因而位錯運(yùn)動速率越大，所以塑性形變速率與所受剪應(yīng)力的大小成正比。b相當(dāng)于晶格的點(diǎn)陣常數(shù)。 溫度升高時，位錯運(yùn)動的速度加快。τ大， H(τ)?。沪有?， H(τ)大，故H(τ)為τ的函數(shù)。 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。v 因此，只有為數(shù)不多的無機(jī)材料晶體在室溫下具有延性?；葡到y(tǒng)多的話，對其中一個滑移系統(tǒng)來說，可能cosλcosφ較小。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。(b)為滑移現(xiàn)象的微觀示意圖。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。 標(biāo)準(zhǔn)線性固體形變速率：整理得應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：（2）應(yīng)變松弛和應(yīng)力松弛v 應(yīng)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，或材料受力后內(nèi)部原子由不平衡到平衡的過程，也叫蠕變或徐變。5. 材料性能的測試方法（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 v 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。3. 材料性能的劃分4. 材料按性能（功能）分類二、無機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)和應(yīng)用v 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。第一講 緒論無機(jī)材料物理性能：研究對象、研究內(nèi)容？ （課程簡單介紹）本次課程主要內(nèi)容（對每一部分進(jìn)行簡單說明）：v 一、材料性能的基本概述v 二、無機(jī)非金屬材料的特性和應(yīng)用v 三、材料性能研究的五方面v 四、材料性能的研究方法v 五、基本要求v 六、考核方式v 七、參考文獻(xiàn)一、材料性能的基本概述1. 材料的定義：v 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)。? 性能必須量化，多數(shù)的性能都有量綱。? 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。根據(jù)此模型有以下關(guān)系： e=e2=e1+e3 s3= he3 s=s1+s2 s1=E1 e 1 s1=s3 s2=E2e2 消去各元件的應(yīng)力和應(yīng)變，得（h/E1)(E1+E2)/ E2 + e= (h/E1)/ E2 +s/ E2設(shè)：te = h/E1 ，ts = te (E1+E2)/ E2 = h (E1+E2)/ E2 E1 則有 E2(ts e+e)=tes+s定義： te 恒定應(yīng)變下的應(yīng)力弛豫時間； ts 恒定應(yīng)力下的應(yīng)變?nèi)渥儠r間。材料經(jīng)受此種形變而不破壞的能力叫延展性。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，(a)所示。由于滑移面的取向不同，其上的剪應(yīng)力也不同。（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(chǎn)生滑移的機(jī)會就很小。晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，滿足這種條件就越困難。所以實(shí)際晶體的滑移是位錯運(yùn)動的結(jié)果。顯然， H(τ)叫做“位錯運(yùn)動激活能”，和τ有關(guān)。不同晶粒的滑移系統(tǒng)的方向不同，在晶粒中的位錯運(yùn)動遇到晶界就會塞積下來，形不成宏觀滑移,所以更難產(chǎn)生塑性形變。v 另一方面，由于位錯的形成需要能量，由彈性理論的計(jì)算，位錯形成能為：式中G為剪切模量，a為幾何因子，b為柏氏矢量v 位錯能量和b2成正比，b小，位錯能量也小，容易形成位錯。3. 塑性形變速率對屈服強(qiáng)度的影響