1、材料 定义：是人类用来制造物品、器件、构件、机器或其它产品的那些物质。 作用：是人类赖以生存和发展的物质基础。材料性能的定义材料性能的定义材料性能是一种用于表征材料在材料性能是一种用于表征材料在 给定的外界条件下的行为的参量给定的外界条件下的行为的参量 n物理性能物理性能n力学性能力学性能n化学性能化学性能 n复杂性能复杂性能 复合性能工艺性能使用性能 抗氧化性耐腐蚀性抗渗入性 强 度 延 性 韧 性 刚 性热学性能声学性能光学性能电学性能磁学性能辐照性能 按材料性能（功能）分类按材料性能（功能）分类 机械性能： 高强材料、超硬材料、耐磨材料、韧性材料、摩擦材料等 热学性能： 耐火材料、绝热材
2、料（保温材料）、传热材料、防火材料等 化学性能： 耐腐蚀材料、防水材料、吸附材料、离子交换材料、催化剂载体、胶凝材料等 光学性能： 电光材料、导光材料、透光材料、荧光材料、发光材料、感光材料、分光材料等 按材料性能（功能）分类按材料性能（功能）分类电学性能： 绝缘材料、介电材料、压电材料、铁电材料、超导材料、半导体材料等 磁学性能： 磁性材料 声学性能： 隔声材料、吸音材料等 核物理性能： 放射性材料、反应材料等 生物性能： 骨科材料、齿科材料、生物陶瓷等 复合性能： 智能材料、梯度功能材料等 为什么要研究材为什么要研究材料的性能料的性能？材料性能研究的重要性材料性能研究的重要性 1.1.材料
3、性能的研究，贯穿于整个人类的文明史材料性能的研究，贯穿于整个人类的文明史 此图片说明人类使用的材料，决定了人类的文此图片说明人类使用的材料，决定了人类的文明程序，实质上，这里谈的主要是材料的性能。明程序，实质上，这里谈的主要是材料的性能。材料性能研究的重要性材料性能研究的重要性 2.材料性能决定了材料用途材料性能决定了材料用途如如：绝缘基板材料，首先必须要具有一定的强度，以便能够承载绝缘基板材料，首先必须要具有一定的强度，以便能够承载起安装在其上的集成电路元件及布在其上的电路线，要有起安装在其上的集成电路元件及布在其上的电路线，要有均匀而平滑的表面，以便进行穿孔、开槽等精密加工，从均匀而平滑的
4、表面，以便进行穿孔、开槽等精密加工，从而能够构成细微而精密的图形，应有优良的绝缘性能而能够构成细微而精密的图形，应有优良的绝缘性能( (尤其尤其是在高频下是在高频下) )，要有充分的导热性，以迅速散发电路上因电，要有充分的导热性，以迅速散发电路上因电流产生的热，硅与基片的热膨胀系数之差应较小，从而保流产生的热，硅与基片的热膨胀系数之差应较小，从而保证基片与电路间良好的匹配性，电路与基片就不会剥离证基片与电路间良好的匹配性，电路与基片就不会剥离 3. 3. 材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构 如：如：根据布拉格公式根据布拉格公式n=2dsin（X射线
5、在晶体中的衍射现象必须满足布射线在晶体中的衍射现象必须满足布拉格拉格(Bragg)公式公式)，利用晶体对，利用晶体对X-ray的衍射图象，就可以推的衍射图象，就可以推知晶体中面网间距知晶体中面网间距d，进而就可以分析晶体的结构。，进而就可以分析晶体的结构。结构决定了性能，而性能则是内部结构某些方面的体现。结构决定了性能，而性能则是内部结构某些方面的体现。 材料性能研究的重要性材料性能研究的重要性 材料性能研究的重要性材料性能研究的重要性 4. 4. 对材料性能的要求，决定了材料生产的工艺过程对材料性能的要求，决定了材料生产的工艺过程 如：如：金属：坚韧，但不耐高温金属：坚韧，但不耐高温 陶瓷：
6、耐高温，但易碎陶瓷：耐高温，但易碎目标是：既要坚韧，又要具有耐高温的特征目标是：既要坚韧，又要具有耐高温的特征 提高质量，这就是矛盾的统一体。解决改进的途提高质量，这就是矛盾的统一体。解决改进的途径，由所要求的性能来决定。径，由所要求的性能来决定。 材料性能的研究，既是材料开发的出发点，也是其材料性能的研究，既是材料开发的出发点，也是其重要归属重要归属 材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构 对材料性能的要求，决定了材料生产工艺对材料性能的要求，决定了材料生产工艺 现象与本质现象与本质 同一材料不同性能，只是相同的同一材料不同性能，只是相同的内部结构在
7、不同的外界条件下所表现出的不同内部结构在不同的外界条件下所表现出的不同行为。行为。 这也说明，不同的外界条件下，材料的性这也说明，不同的外界条件下，材料的性能是不同的，即一种材料有多种性能。能是不同的，即一种材料有多种性能。 材料性能的划分只是为了学习和研究的方便。材料性能的划分只是为了学习和研究的方便。 要注意材料间的各种性能既有区别，又要注意材料间的各种性能既有区别，又有联系。有联系。 研究材料性能，要注意性能的复合与转换。研究材料性能，要注意性能的复合与转换。 研究材料性能，要注意性能的发展与改造研究材料性能，要注意性能的发展与改造 。 材料科学与工程是研究无机非金属材料合成与制备、组成
8、与结构、性能与使用效果四者关系的科学。使用效能性能组成与结构合成与制备工艺材料科学与工程研究对象间的关系材料科学与工程研究对象间的关系材料科学偏重于研究材料的合成与制备、组成与结构、性能及使用效能各组元本身及其相互关系，材料工程则着重于研究如何利用这些规律性的研究成果去研制、开发生产新材料、新产品。无机非金属材料的特点： 塑性差、硬度高、加工性能差制备特点：生产大量不同品种与规格的原料材料，直接生产成产品走向市场。要求更高： 具备材料的知识，还要具备材料设计与材料加工的知识。要强调跨学科、综合性的科学与工程方面的研究。无机非金属材料在工程应用中应注意的问题： 脆性大、塑韧性低：要注意低应力下的
9、失效，注意安全性与可靠性。 成本与应用：仅数千元的铁质柴油机，若用全陶瓷，其价格要提高23个数量级。 强度设计与材料的合理使用：抗拉强度差，但抗压强度却很高。要尽可能地用其长处。我国陶瓷发展简史陶器陶器瓷器经验方法在大量占有实验数据的基础上，对经验方法在大量占有实验数据的基础上，对数据的分析处理，整理为经验方程，用以表数据的分析处理，整理为经验方程，用以表示它们的函数关系。示它们的函数关系。 理论方法从机理着手，即从反映本质的理论方法从机理着手，即从反映本质的 基本关系出发，按照性能的有关规律、建基本关系出发，按照性能的有关规律、建立物理模型，用数学方法求解，得到有关立物理模型，用数学方法求解
10、，得到有关理论方程式。理论方程式。 1. 课前预习，包括一些普通物理知识；课前预习，包括一些普通物理知识；2. 要认真作笔记这也是一种能力；要认真作笔记这也是一种能力；3. 及时复习、归纳，掌握科学真谛；及时复习、归纳，掌握科学真谛；4.4. 自己完成作业，检验学习的效果。自己完成作业，检验学习的效果。5. 注意复习，温故而知新。注意复习，温故而知新。 1.1. 力学性能：受力形变与脆性断裂理论。力学性能：受力形变与脆性断裂理论。2.2. 热学性能：热容、热膨胀、热传导、热稳热学性能：热容、热膨胀、热传导、热稳 定定性等。性等。3. 3. 光学性能：透光性、反射性、颜色等。光学性能：透光性、反
11、射性、颜色等。4. 4. 电学性能：导电性和介电性。电学性能：导电性和介电性。5. 5. 磁学性能：磁性理论和铁氧体的磁性与结构。磁学性能：磁性理论和铁氧体的磁性与结构。 本章主要参考书目1. 无机非金属材料工学林宗寿，武汉工业大学出版社（所用教材，主要参考书目）2. 陶瓷材料学,周玉，哈尔滨工业大学出版社3. 工程陶瓷材料金志浩 西安交通大学出版社4. 陶瓷导论,W D 金格瑞中国建筑工业出版社5. 工程结构陶瓷郭瑞松 天津大学出版社6. 粉体工程导论 陆耶根 同济大学出版社7. 新型陶瓷材料手册钦征骑 江苏科学技术出版社8. 现代工程陶瓷戴维 W 里彻辛 建筑出版社9. 精细陶瓷技术徐维新
12、 上海交大出版社10.陶瓷工艺学宜兴陶校 中国建筑工业出版社 谢谢大家来听课。第一章第一章 无机材料的受力形变无机材料的受力形变F1F3F2FnF1F2F3FnFFFFN（内力）=F小单元 F1F3F2FnF1F2F3Fn拉拉 伸伸压压 缩缩剪剪 切切扭扭 转转弯弯 曲曲弯弯 曲曲组合受力组合受力00AFAF（P4）yxzzzxxyyxyxzyzyxzyzx体积单元应力分量示意图由于剪应力互等定理由于剪应力互等定理: :yxxyzxxzzyyz故一点的应力状态由故一点的应力状态由六个应力分量表示六个应力分量表示: :zxyzxyzzyyxx , , , ,0001LLLLL01ln10LLLd
13、LLLTxydydxACBCdyyudxxudxxvABdyyv oxudxdxxuxxyvdydyyvyyzwdzdzzwxxxydydxACBCdyyudxxudxxvABdyyv ozzdyudxvxydywdzvyzdzudxwzxxydydxACBCdyyudxxudxxvABdyyv ozwyvxuzyxxwzuzvywywxvxzzxyxxyyxxy脆性材料脆性材料应力与应变曲线应力与应变曲线应力与应变曲线应力与应变曲线韧性金属材料韧性金属材料应力与应变曲线应力与应变曲线聚合物聚合物 应力与应变曲线应力与应变曲线 p 比例极限比例极限 e 弹性极限弹性极限 s 屈服强度屈服强度应
14、力与应变曲线应力与应变曲线ExxLLAFExxxzxyxzxyExxyExxyExxz对于拉伸应变)(1zyxxE)(1zxyyE)(1yxzzE对于剪切应变GyzyzGxyxyGzxzxG为剪切模量或刚性模量G、E、之间有下列关系)1(2EG假定材料为各向同性体，受到各向同等的压力)12()2(1EPPPEzyx定义各向同等的压力P除以体积变化为材料的体积模量：)21(3)12(3/EEVVPK广义虎克定律zxyzxyzyxEEE,xxxyxxyxyxSE21xyxES21对于单向受应力x，y、z两个方向的应变为对于具有方向性的单晶或织构（复合）材料，称之为弹性柔顺系数xzxES31xES1
15、11同理广义虎克定律对于同时受有三向应力的各向异性材料，除正应力对应变有关系外，剪应力也会对正应变有影响。xyzxyzzzyyxxxyxyzxyzzzyyxxzxxyzxyzzzyyxxyzxyzxyzzzyyxxzxyzxyzzzyyxxyxyzxyzzzyyxxxSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211 考虑晶体的对称性，考虑晶体的对称性， 例如：斜方晶系，剪应力只影响与其平行的平面的应例如：斜方晶系，剪应力只影响与
16、其平行的平面的应变，不影响正应变，变，不影响正应变，S数为数为9个个(S11,S22,S33,S44,S55,S66,S12 = S21,S23,S13) 。 六方晶系只有六方晶系只有5个个S(S11 = S22, S33, S44, S66, S13) 立方晶系为立方晶系为3个个S(S11,S44,S12) MgO的柔顺系数在的柔顺系数在25oC时，时， S11 =4.0310-12 Pa-1; S12 =0.9410-12 Pa-1; S44 = 6.4710-12 Pa-1 . 由此可知，各向异性晶体的弹性常数不是均匀的。由此可知，各向异性晶体的弹性常数不是均匀的。由于倒顺关系，Sij=
17、Sji弹性变形机理弹性变形机理 虎克定律表明，对于足够小的形变，应力与应虎克定律表明，对于足够小的形变，应力与应变成线性关系，系数为弹性模量变成线性关系，系数为弹性模量E。 作用力和位移成线性关系，系数为弹性常数作用力和位移成线性关系，系数为弹性常数K。弹性模量rrror 12FUm在在r=ro时，原子时，原子1和和2处于平衡状态，其合力处于平衡状态，其合力F=0.当原子受到拉伸时，原子当原子受到拉伸时，原子2向右位移，起初作向右位移，起初作用力与位移呈线性变化，后逐渐偏离，达到用力与位移呈线性变化，后逐渐偏离，达到r 时，合力最大，此后又减小。合力有一最大值，时，合力最大，此后又减小。合力有
18、一最大值，该值相当于材料断裂时的作用力。该值相当于材料断裂时的作用力。断裂时的相对位移：断裂时的相对位移：r ro= 把合力与相对位移的关系看作线性关系，则弹把合力与相对位移的关系看作线性关系，则弹性常数：性常数： K F/ =tg (1) 原子间相互作用力和弹性常数的关系原子间相互作用力和弹性常数的关系结论：结论：K是在作用力曲线是在作用力曲线r=ro时的斜率，因此时的斜率，因此K的大小反映的大小反映了原子间的作用力曲线在了原子间的作用力曲线在r=ro处斜率的大小处斜率的大小.(2) 原子间的势能与弹性常数的关系原子间的势能与弹性常数的关系 U(ro+ ）=U(ro)+(dU/dr)ro +
19、1/2(d2U/dr2) ro 2 =U(ro)+1/2(d2U/dr2)ro 2 F=du(r)/dr=(d2U/dr2)ro K =(d2U/dr2)ro就是势能曲线在最小值就是势能曲线在最小值u(ro)处的曲率。处的曲率。结论：结论：弹性常数的大小实质上反映了原子间势能曲线极小弹性常数的大小实质上反映了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。值尖峭度的大小。(3) 弹性刚度系数弹性刚度系数使原子间的作用力平行于使原子间的作用力平行于x轴，作用于原子上的作用力：轴，作用于原子上的作用力： F= u/ r , 应力：应力： xx ( u/ r)/ro2 d xx ( 2u/ r2)dr/ro2 ,
20、 相应的应变：相应的应变：d xx =dr/rod xx =C11d xx C11 (d2U/dr2)ro /ro= K/ ro = E1 C-弹性刚度系数（与弹性柔顺系数弹性刚度系数（与弹性柔顺系数S成反比）成反比） 结论：结论：弹性刚度系数的大小实质上也反映了原子间势能曲弹性刚度系数的大小实质上也反映了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。线极小值尖峭度的大小。大部分无机材料具有离子键和共价键，共价键势能曲线的大部分无机材料具有离子键和共价键，共价键势能曲线的谷比金属键和离子键的深，即：弹性刚度系数大。谷比金属键和离子键的深，即：弹性刚度系数大。NaCl型晶体的弹性刚度系数型晶体的弹性刚度系数
21、 （1011达因达因/厘米厘米2，200oC）晶体晶体C11C12C44TiC5011.3017.50MgO28.928.8015.46LiF11.14.206.30NaCl4.871.231.26NaBr3.870.970.97KCl3.980.620.62KBr3.460.580.512211 V VEEEUPP12lAllAV11AllAV2222112211 VVAAAAAP即：根据压力平衡方程有：P=1A1+2A2, 两边同除以A， 有： 2211 EE2211 V VEE2211 V VEEUE两相应变相同22111EVEVELPP21 22211111 EEEE2211VV=l
22、1=1l1 2=2l2 =1+ 2 两相应力相同（3）复相的弹性模量）复相的弹性模量 在二相系统中，总模量介于高模量成分和低模量成分在二相系统中，总模量介于高模量成分和低模量成分间，类似于二相系统的热膨胀系数，通过假定材料有间，类似于二相系统的热膨胀系数，通过假定材料有许多层组成，这些层平行或垂直于作用单轴应力，找许多层组成，这些层平行或垂直于作用单轴应力，找出最宽的可能界限。出最宽的可能界限。 第一种模型每种组分中的应变相同，即并联，第一种模型每种组分中的应变相同，即并联， Eu=V2E2+(1V2)E1（上限）（上限） 大部分应力由高模量的相承担。大部分应力由高模量的相承担。 第二种模型每
23、个相中的应力相同，即串联，第二种模型每个相中的应力相同，即串联， 1/EL=V2/E2+(1V2)/E1 （下限）（下限） 气孔对弹性模量的影响（气孔的弹性模量为零）气孔对弹性模量的影响（气孔的弹性模量为零）)9 . 09 . 11 (20ppEE陶瓷的弹性模量随气孔率的表达式为陶瓷的弹性模量随气孔率的表达式为： bpeEE0一些无机材料弹性模量的数值材料材料E(Gpa)材料材料E(Gpa)氧化铝晶体氧化铝晶体380烧结烧结TiC(P=5 % )310烧结氧化铝（烧结氧化铝（P=5 % ）366烧结烧结MgAl2O4(P=5 % )238高铝瓷（高铝瓷（P=9095 % ）366密实密实SiC
24、(P=5 % )470烧结氧化铍（烧结氧化铍（ P=5 % ）310烧结稳定化烧结稳定化ZrO2 P=5 % 150热压热压BN（ P=5 % ）83石英玻璃石英玻璃72热压热压B4C（ P=5 % ）290莫来石瓷莫来石瓷69石墨（石墨（ P=20 % ）9滑石瓷滑石瓷69烧结烧结MgO（ P=5 % ）210镁质耐火砖镁质耐火砖170烧结烧结MoSi2（ P=5 % ）4072022年年5月月23日日第三讲第三讲基本概念及现象基本概念及现象 : :q 塑性形变塑性形变q 屈服极限屈服极限q 滑移带的形成滑移带的形成q 临界分切应力临界分切应力 s 屈服强度屈服强度coscosAFAFAFc
25、oscos滑移面面积：滑移面面积：A/cos ；F在滑移面上分剪力：在滑移面上分剪力：Fcos ；滑移面上滑移面上F方向的应力为：方向的应力为：滑移面上分剪应力：滑移面上分剪应力： 在同样外应力作用下，引起滑移面上剪应力大在同样外应力作用下，引起滑移面上剪应力大小决定小决定 cos cos 的大小；的大小； 滑移系统越多，滑移系统越多， cos cos大的机会就多，达大的机会就多，达到临界剪切应力的机会也越多。到临界剪切应力的机会也越多。金属与非金属晶体滑移难易的比较金属与非金属晶体滑移难易的比较 金属金属 非金属非金属 由一种离子组成由一种离子组成 组成复杂组成复杂金属键无方向性金属键无方向
26、性 共价键或离子键有方向共价键或离子键有方向 结构简单结构简单 结构复杂结构复杂 滑移系统多滑移系统多 滑移系统少滑移系统少 晶格滑移理论晶格滑移理论塑性形变机理 从原子尺度变化解释塑性形变：当构成晶体的从原子尺度变化解释塑性形变：当构成晶体的一部分原子相对于另一部分原子转移到新平衡一部分原子相对于另一部分原子转移到新平衡位置时，晶体出现永久形变，晶体体积没有变位置时，晶体出现永久形变，晶体体积没有变化，仅是形状发生变化。化，仅是形状发生变化。 如果所有原子同时移动，需要很大能量才出现如果所有原子同时移动，需要很大能量才出现滑动，该能量接近于所有这些键同时断裂时所滑动，该能量接近于所有这些键同
27、时断裂时所需的离解能总和；需的离解能总和； 由此推断产生塑变所需能量与晶格能同一数量由此推断产生塑变所需能量与晶格能同一数量级；级； 实际测试结果：晶格能超过产生塑变所需能量实际测试结果：晶格能超过产生塑变所需能量几个数量级。几个数量级。完整晶体的势能曲线完整晶体的势能曲线有位错时，晶体的势能曲有位错时，晶体的势能曲线线加剪应力后的势能曲线加剪应力后的势能曲线 hh H( )滑移面滑移面位错一种缺陷，其运动速度 也应由波尔兹曼因子决定 THevv0v0：与原子热振动固有频率有关的常数 ：波尔兹曼常数，1.3810-23J/K T ：绝对温度无外力时，H() =h，比KT大得多， 很小，位错运动
28、困难 无机材料中滑移系统只有有限几个, 难产生塑性形变 温度升高,位错运动速度加快 , 塑性形变开始增强 KTHe结结 论论 位错运动理论说明，无机材料中难以发生塑性位错运动理论说明，无机材料中难以发生塑性形变。当滑移面上的分剪应力尚未使位错以足形变。当滑移面上的分剪应力尚未使位错以足够速度运动时，此应力可能已超过微裂纹扩展够速度运动时，此应力可能已超过微裂纹扩展所需的临界应力，最终导致材料的脆断。所需的临界应力，最终导致材料的脆断。lll塑性形变简化模型塑性形变简化模型 设设ll平面上有平面上有n个位错，位错密度：个位错，位错密度： D=n/l2在时间在时间t内，边界位错通过晶体到达另一边界
29、，位错运动平均速内，边界位错通过晶体到达另一边界，位错运动平均速度为：度为： v=l/t设：在时间设：在时间t内，长度为内，长度为l的试件形变量的试件形变量l ， 应变：应变：l /l= ， 应变速率：应变速率：U=d /dt 考虑位错在运动过程增殖，通过边界位错数为考虑位错在运动过程增殖，通过边界位错数为nc个，个，c为位错增殖系数。为位错增殖系数。 每个位错在晶体内通过都会引起一个原子间距滑移，每个位错在晶体内通过都会引起一个原子间距滑移，也就是一个柏格斯矢量也就是一个柏格斯矢量(b)，单位时间内的滑移量：，单位时间内的滑移量： nbc/t= l /t 应变速率：应变速率： U=d /dt
30、= l /lt=cnb/lt=cnbl/l2t=vDbcDbcvtlbcltnbcltldtd2ln宏观应变率为： 塑性形变速率取决于位错运动速度、位错密度塑性形变速率取决于位错运动速度、位错密度、柏格斯矢量、位错的增殖系数，且与其成正、柏格斯矢量、位错的增殖系数，且与其成正比。比。 柏格斯矢量与位错形成能有关系柏格斯矢量与位错形成能有关系E=aGb2，柏格斯，柏格斯矢量影响位错密度，即柏格斯矢量越大，位错矢量影响位错密度，即柏格斯矢量越大，位错形成越难，位错密度越小。形成越难，位错密度越小。 金属与无机材料的柏格斯矢量比较：金属与无机材料的柏格斯矢量比较： 金属的柏格斯矢量一般为金属的柏格斯
31、矢量一般为3A左右，无机材料的左右，无机材料的大，如大，如MgAl2O4三元化合物为三元化合物为8A，Al2O3的为的为5A。多晶的的塑性形变多晶的的塑性形变 多晶塑性形变不仅取决于构成材料的晶体本身多晶塑性形变不仅取决于构成材料的晶体本身，而且在很大程度上受晶界物质的控制。，而且在很大程度上受晶界物质的控制。 多晶塑性形变包括以下内容：多晶塑性形变包括以下内容： 晶体中的位错运动引起塑变；晶体中的位错运动引起塑变； 晶粒与晶粒间晶界的相对滑动；晶粒与晶粒间晶界的相对滑动； 空位的扩散；空位的扩散； 粘性流动。粘性流动。例如：玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又例如：玻璃
32、是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？能变形，为什么？ 玻璃发生塑性形变的过程：玻璃发生塑性形变的过程： 正是因为非长程有序，许多原子并不在势能曲正是因为非长程有序，许多原子并不在势能曲线低谷；线低谷； 有一些原子键比较弱，只需较小的应力就能使有一些原子键比较弱，只需较小的应力就能使这些原子间的键断裂；这些原子间的键断裂； 原子跃迁附近的空隙位置，引起原子位移和重原子跃迁附近的空隙位置，引起原子位移和重排。排。 不需初始的屈服应力就能变形不需初始的屈服应力就能变形-粘性流动粘性流动影响塑性形变的因素影响塑性形变的因素影响因素影响因素缺陷类型缺陷类型缺陷形貌缺陷形
33、貌晶体结构和键型晶体结构和键型 本征缺陷本征缺陷点缺陷点缺陷空位，填隙原子空位，填隙原子 线缺陷线缺陷刃位错刃位错 螺旋位错螺旋位错较大缺陷较大缺陷空洞，气孔空洞，气孔面缺陷面缺陷晶界晶界外来缺陷外来缺陷杂质杂质晶格或晶界固溶非晶格或晶界固溶非连续第二相物质连续第二相物质思考题： 为什么室温下大多数无机晶体（复杂晶体）不具有延性？ 为什么NaCl型结构的晶体在室温下具有延性？ 为什么无机材料中难以产生塑性形变？ 断裂行为断裂行为 理论结合强度理论结合强度 断裂理论断裂理论 脆性断裂的断裂面脆性断裂的断裂面船身断裂，一分为二的船身断裂，一分为二的Schenectady号油轮号油轮垮塌后的彩虹桥垮
34、塌后的彩虹桥金属类：金属类：先是弹性形变，然后塑性形变，直先是弹性形变，然后塑性形变，直至断裂至断裂高分子类：高分子类：先是弹性形变（很大），然先是弹性形变（很大），然 后塑性形变，直至断裂后塑性形变，直至断裂无机材料：无机材料：先是弹性形变（较小），然先是弹性形变（较小），然 后不发生塑性形变（或很小）后不发生塑性形变（或很小） 而直接脆性断裂而直接脆性断裂 l 断裂前无明显的预兆断裂前无明显的预兆l 断裂处往往存在一定的断裂源断裂处往往存在一定的断裂源l 由于断裂源的存在，实际断裂强度由于断裂源的存在，实际断裂强度 远远小于理论强度远远小于理论强度突发性裂纹扩展突发性裂纹扩展裂纹的缓慢生长
35、裂纹的缓慢生长强度强度磨损磨损摩擦摩擦硬度硬度机械冲击机械冲击化学腐蚀化学腐蚀耐热性耐热性热疲劳热疲劳热冲击热冲击断裂断裂强度强度材料的材料的强度强度强度理论强度理论光学材料光学材料多孔质材料多孔质材料高温材料高温材料结构材料结构材料 玻璃玻璃 水泥水泥 耐火材料耐火材料复合材料复合材料电子电器材料电子电器材料生物材料生物材料耐摩擦材料耐摩擦材料耐磨损材料耐磨损材料工具材料工具材料气孔、晶粒、杂质、晶界气孔、晶粒、杂质、晶界(大小、大小、形状、分布形状、分布)等宏观缺陷等宏观缺陷晶体结构晶体结构,单晶多晶和非晶单晶多晶和非晶体中的微观缺陷体中的微观缺陷与强度有关的问题与强度有关的问题（共性，特
36、性（共性，特性） 哪些因素影响材料的强度？哪些因素影响材料的强度？ 这些因素与显微结构间的关系？这些因素与显微结构间的关系？ 材料在怎样的状态下断裂材料在怎样的状态下断裂?断裂过程怎样？断裂过程怎样？ 韧性是什么？韧性是什么？ 材料的可靠性？具有怎样的强度？可能用于什材料的可靠性？具有怎样的强度？可能用于什么地方？么地方？与材料强度有关的断裂力学的特点：与材料强度有关的断裂力学的特点： 着眼于裂纹尖端应力集中区域的力场和应变场着眼于裂纹尖端应力集中区域的力场和应变场分布；分布； 研究裂纹生长、扩展最终导致断裂的动态过程研究裂纹生长、扩展最终导致断裂的动态过程和规律；和规律； 研究抑制裂纹扩展、
37、防止断裂的条件。研究抑制裂纹扩展、防止断裂的条件。 给工程设计、合理选材、质量评价提供判据。给工程设计、合理选材、质量评价提供判据。按破坏形式分：屈服强度按破坏形式分：屈服强度 断裂强度断裂强度按讨论方式分：理论强度按讨论方式分：理论强度 实际强度实际强度断裂理论能量守衡理论能量守衡理论 固体在拉伸应力下，由于伸长而储存了弹性应变能，固体在拉伸应力下，由于伸长而储存了弹性应变能，断裂时，应变能提供了新生断面所需的表面能。断裂时，应变能提供了新生断面所需的表面能。 即：即： th x/2=2 s 其中：其中： th 为理论强度；为理论强度； x为平衡时原子间距的增量；为平衡时原子间距的增量； ：
38、表面能。：表面能。 虎克定律：虎克定律： th =E (x/r0) 理论断裂强度：理论断裂强度： th =2 ( s E/ r0 )1/2Orowan 模型模型断裂理论xSinth2原子间约束力和距离间的关系原子间约束力和距离间的关系Orowan以应力以应力应变正弦函数曲线的形应变正弦函数曲线的形式近似的描述原子间作用力随原子间距式近似的描述原子间作用力随原子间距的变化。的变化。断裂理论thththxCosdxxSinW2200222断裂功断裂功 2W2 th形成两个新的表面形成两个新的表面 xSinth22 2 00axllEaxE由虎克定律由虎克定律 xExaxth22000222aEaE
39、th0aEthOrowan 模型模型高强度的固体必须要求高强度的固体必须要求E E、大，大，a a小，小，约为约为aE/100aE/100，故理论结合强度可写成：，故理论结合强度可写成： 10EthaEth断裂理论断裂强度理论值和测定值断裂强度理论值和测定值材料材料ThKg/mm2 c th/ c材料材料 th c th/ cAl2O3晶须晶须500015403.3Al2O3宝石宝石500064.477.6铁晶须铁晶须300013002.3BeO357023.8150奥氏型钢奥氏型钢20483206.4MgO245030.181.4硼硼348024014.5Si3N4热压热压385010038
40、.5硬木硬木10.5SiC49009551.6玻璃玻璃69310.566.0Si3N4烧结烧结385029.5130NaCl4001040.0AlN28006010046.728.0Al2O3刚玉刚玉500044.1113断裂理论断裂理论v Inglis断裂理论断裂理论 v Griffith脆断理论脆断理论 v Irwin - Orowan 理论理论 断裂理论InglisInglis断裂理论断裂理论贡献贡献：看到了缺陷、解释了实际强度远低于看到了缺陷、解释了实际强度远低于 理论强度的事实。理论强度的事实。缺点缺点：沿用了传统的强度理论，引用了现成沿用了传统的强度理论，引用了现成 的弹性力学应力
41、集中理论，并将缺陷的弹性力学应力集中理论，并将缺陷 视为椭园孔，未能讨论裂纹型的缺陷。视为椭园孔，未能讨论裂纹型的缺陷。 断裂理论InglisInglis断裂理论断裂理论c2c微裂纹端部的曲率对应于原子间距微裂纹端部的曲率对应于原子间距断裂理论InglisInglis断裂理论断裂理论 孔洞两个端部的应力几乎取决于孔洞的孔洞两个端部的应力几乎取决于孔洞的长度和端部的曲率半径而与孔洞的形状无长度和端部的曲率半径而与孔洞的形状无关，即关，即：c2A近似为近似为02acA故故断裂理论ca 21200acAccA0ac 21裂纹扩展的条件是：裂纹扩展的条件是： thA002aEracccErc4Grif
42、fith断裂理论断裂理论应力集中强度理论 应力集中流流体体的的流流动动材料中的裂纹型缺陷：材料中的伤痕、裂纹材料中的裂纹型缺陷：材料中的伤痕、裂纹、气孔、杂质等宏观缺陷。、气孔、杂质等宏观缺陷。平板弹性体的受力情况平板弹性体的受力情况力线力线n力管力管裂纹裂纹长度长度2c 为了传递力，力线一定穿过材料组织到达固定端为了传递力，力线一定穿过材料组织到达固定端 力以音速通过力管（截面积为力以音速通过力管（截面积为A），把），把P/n大小的力传给此端大小的力传给此端面。面。 远离孔的地方，其应力为：远离孔的地方，其应力为： =(P/n)/A 孔周围力管端面积减小为孔周围力管端面积减小为A1 ，孔周围
43、局部应力为：，孔周围局部应力为： =(P/n)/A1 椭圆裂纹椭圆裂纹 越扁平或者尖端半径越小，其效果越明显。越扁平或者尖端半径越小，其效果越明显。 应力集中：材料中存在裂纹时，裂纹尖端处的应力远超过表观应力集中：材料中存在裂纹时，裂纹尖端处的应力远超过表观应力。应力。裂纹尖端处的应力集中裂纹尖端处的应力集中裂纹尖端的弹性应力裂纹尖端的弹性应力用弹性理论计算得：用弹性理论计算得： Ln = 1+ /(2x+ ) c 1/2 / (2x+ )1/2 + /(2x+ )当当 x=0, Ln = 2(c/ )1/2+1当当c ，即裂纹为扁平的锐裂纹，即裂纹为扁平的锐裂纹 Ln = 2 (c/ )1/
44、2当当 最小时（为原子间距最小时（为原子间距r0） Ln = 2 (c/ r0)1/2裂纹尖端的弹性应力裂纹尖端的弹性应力沿沿x分布通式：分布通式： Ln =q(c, , x) Lnx 2c Ln0裂纹尖端处的弹性应力分布裂纹尖端处的弹性应力分布应力集中强度理论应力集中强度理论 断裂的条件：当裂纹尖端的局部应力等于理论强度断裂的条件：当裂纹尖端的局部应力等于理论强度 th = ( s E/ r0 )1/2 时，裂纹扩展，沿着横截面分为两部分，此时的时，裂纹扩展，沿着横截面分为两部分，此时的外加应力为断裂强度。外加应力为断裂强度。即即 Ln = 2 (c/ r0)1/2= th = ( s E/
45、 r0 )1/2 断裂强度断裂强度 c = ( s E / 4c )1/2 考虑裂纹尖端的曲率半径是一个变数，即不等于考虑裂纹尖端的曲率半径是一个变数，即不等于r0 ，其一般式为：，其一般式为： c =y ( s E / c )1/2 y是裂纹的几何（形状）因子。是裂纹的几何（形状）因子。裂纹模型裂纹模型裂纹模型根据固体的受力状态和形变方式，分为三种基本的裂纹裂纹模型根据固体的受力状态和形变方式，分为三种基本的裂纹模型，其中最危险的是张开型，一般在计算时，按最危险的计模型，其中最危险的是张开型，一般在计算时，按最危险的计算。算。张开型张开型错开型错开型撕开型撕开型裂纹扩展的判据裂纹扩展的判据
46、(a) (b) (c) (d) (a)平板受力状态平板受力状态 (b) 预先开有裂纹的平板受力状态预先开有裂纹的平板受力状态 (c) 恒位移式裂纹扩展恒位移式裂纹扩展 (d) 恒应力式裂纹扩展恒应力式裂纹扩展裂纹失稳扩展导致材料断裂的必要条件是：在裂纹扩展中，系裂纹失稳扩展导致材料断裂的必要条件是：在裂纹扩展中，系统的自由能必须下降。统的自由能必须下降。 2(C+dC)d 2C 2(C+dC)(c)、(d)与与(b)状态相比，自由能发生了三项变化：状态相比，自由能发生了三项变化： 裂纹扩展弹性应变能的变化裂纹扩展弹性应变能的变化dUE； 裂纹扩展新生表面所增加的表面能裂纹扩展新生表面所增加的表
47、面能dUS = 4dC s （产生的新裂（产生的新裂纹长度为纹长度为2dC）； 外力对平板作功外力对平板作功dUW。两个状态与两个状态与(b) 相比自由能之差分别为：相比自由能之差分别为：UCUB= dUE dUS dUW和和UDUB= dUE dUS dUW裂纹失稳而扩展的能量判据裂纹失稳而扩展的能量判据: dUW -dUE dUS 或或 d (UW UE ) / C dUs / C即： d (UW UE ) 4dC sMJLN2C2(C+dC)应变应变应应力力OK在恒应力状态在恒应力状态(d)下，外力作功：下，外力作功： UW=P 外力作功平板中储存的外力作功平板中储存的弹性应变能：弹性应
48、变能： UE =1/2P 有有 UE = UW /2外力作功一半被吸收成为平板的弹性应外力作功一半被吸收成为平板的弹性应变能，另一半支付裂纹扩展新生表面所变能，另一半支付裂纹扩展新生表面所需的表面能，需的表面能，由裂纹扩展的条件：由裂纹扩展的条件： (UW UE )/ C US / C及UE = UW /2 得 UE / C US / C结论：在恒应力状态下，弹性应变能的增量大于扩展单位结论：在恒应力状态下，弹性应变能的增量大于扩展单位裂纹长度的表面能增量时，裂纹失稳扩展。裂纹长度的表面能增量时，裂纹失稳扩展。结论：弹性应变能释放率结论：弹性应变能释放率 UE / C等于或大于裂纹扩展单等于或
49、大于裂纹扩展单位裂纹长度所需的表面能增量位裂纹长度所需的表面能增量 US / C ，裂纹失稳而扩展。，裂纹失稳而扩展。在恒位移状态下，外力不作功，所以，在恒位移状态下，外力不作功，所以， UW=0得裂纹扩展的条件：得裂纹扩展的条件：- UE / C US / C断裂强度（临界应力）的计断裂强度（临界应力）的计算算 根据根据Griffith能量判据计算材料能量判据计算材料断裂强度（临界应断裂强度（临界应力）力） 外力作功，单位体积内储存弹性应变能：外力作功，单位体积内储存弹性应变能： W=UE/AL=（1/2）P L/A L =（1/2）= 2/2E 设平板的厚度为设平板的厚度为1个单位，半径为
50、个单位，半径为C的裂纹其弹性的裂纹其弹性应变能为：应变能为： UE = W 裂纹的体积裂纹的体积=W （ C21） = C2 2/2E将该式求导可得：将该式求导可得：平面应力状态下扩展单位长度的微裂纹释放应变能为：平面应力状态下扩展单位长度的微裂纹释放应变能为： dUE / dC= C 2/E（平面应力条件）（平面应力条件）或或 dUE / dC = (1 2 )C 2/E （平面应变条件）（平面应变条件）由于扩展单位长度的裂纹所需的表面能为：由于扩展单位长度的裂纹所需的表面能为： US / C （即（即dUS/ 2dC)=2 s断裂强度（临界应力）的表达式：断裂强度（临界应力）的表达式： f
