无机材料的脆性断裂与强度

第一章无机材料的受力形变1 简述正应力与剪切应力的定义2 各向异性虎克定律的物理意义3 影响弹性模量的因素有哪些？4 试以两相串并联为模型推导复相材料弹性模量的上限与下限值。

5 什么是应力松弛与应变松弛？6 应力松弛时间与应变松弛时间的物理意义是什么？7 产生晶面滑移的条件是什么？并简述其原因。

8 什么是滑移系统？并举例说明。

9 比较金属与非金属晶体滑移的难易程度。

10 晶体塑性形变的机理是什么？11 试从晶体的势能曲线分析在外力作用下塑性形变的位错运动理论。

12 影响晶体应变速率的因素有哪些？13 玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？14 影响塑性形变的因素有哪些？并对其进行说明。

15 为什么常温下大多数陶瓷材料不能产生塑性变形、而呈现脆性断裂？16 高温蠕变的机理有哪些？17 影响蠕变的因素有哪些？为什么？18 粘滞流动的模型有几种？19 影响粘度的因素有哪些？第二章无机材料的脆性断裂与强度1 试比较材料的理论强度、从应力集中观点出发和能量观点出发的微裂纹强度。

2 断裂能包括哪些内容？3 举例说明裂纹的形成？4 位错运动对材料有哪两方面的作用？5 影响强度的因素有哪些？6 Griffith关于裂纹扩展的能量判据是什么？7 试比较应力与应力强度因子。

8 有一构件，实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢供选：甲钢：sf =1.95GPa, K1c =45Mpa·m 1\2乙钢：sf =1.56GPa, K1c =75Mpa·m 1\2试根据经典强度理论与断裂强度理论进行选择，并对结果进行说明。

9 结构不连续区域有哪些特点？10 什么是亚临界裂纹扩展？其机理有哪几种？11 介质的作用(应力腐蚀)引起裂纹的扩展、塑性效应引起裂纹的扩展、扩散过程、热激活键撕裂作用引起裂纹扩展。

12 什么是裂纹的快速扩展？13 影响断裂韧性的因素有哪些？14 材料的脆性有哪些特点？通过哪些数据可以判断材料的脆性？15 克服材料脆性和改善其强度的关键是什么？16 克服材料的脆性途径有哪些？17 影响氧化锆相变的因素有哪些？18 氧化锆颗粒粒度大小及分布对增韧材料有哪些影响？19. 比较测定静抗折强度的三点弯曲法和四点弯曲法，哪一种方法更可靠，为什么？20. 有下列一组抗折强度测定结果，计算它的weibull模数，并对该测定数据的精度做出评价。

无机非金属材料的优点和缺点
无机非金属材料是指不含金属元素的材料，如陶瓷、玻璃、陶瓷纤维等。

它们具有以下优点和缺点：
优点：
1.耐高温性能：无机非金属材料通常具有较高的熔点和耐高
温性能，能够在高温环境下保持稳定的性能，不易熔化、变形或失效。

2.耐腐蚀性能：大多数无机非金属材料具有优良的耐酸碱、
耐腐蚀性能，能够在酸碱环境中长期稳定地使用。

3.绝缘性能：许多无机非金属材料具有良好的绝缘性能，可
用于电气绝缘材料、绝缘体等应用，可阻止电流流动以及对电器元件或电线电缆的保护。

4.高硬度和强度：无机非金属材料通常具有较高的硬度和强
度，耐磨损、耐刮擦，在一些机械应用中表现出较好的性能。

5.尺寸稳定性：无机非金属材料在温度变化下的尺寸稳定性
较好，不易受热胀冷缩的影响，因此可用于高精度设备和工艺要求较高的场合。

缺点：
1.脆性：无机非金属材料通常具有较高的脆性，对于弯曲、
碰撞等力量容易导致破裂和断裂，限制了其在某些应用中的使用。

2.加工难度：无机非金属材料通常具有高硬度和脆性，难以
进行复杂形状的加工和成型，加工过程中易产生裂纹和损伤，限制了其制造和应用范围。

3.导热性能较差：相对于金属材料，无机非金属材料的导热
性能较差，热传导速度慢，热容量较低，不适合用于需要高导热性能的应用。

4.重量较大：无机非金属材料的密度通常较大，相比于金属
材料，质量较重，不适合用于要求轻量化的场合。

总体而言，无机非金属材料具有耐高温、耐腐蚀、良好的绝缘性能等优点，但也存在脆性、加工难度高等缺点。

其选择应根据具体应用的需求和特性来进行评估和权衡。

材料性能与表征无机材料物理性能教学大纲一、课程介绍《材料性能与表征》是材料类专业学生的学科基础课程。

本课程主要介绍材料的力学、热学、光学、磁学、电学的特性和表征方法，目的是使学生充分认识材料的物理性能以及这些性能在人类物质生活中的意义，学会利用这些知识解释有关材料的许多现象，认识材料的宏观性能与微观机制的联系，为材料的合成、制备、加工和应用指明方向。

主要内容包括：材料的受力变形、材料的脆性断裂与强度，材料的热学性能，材料的光学性能，材料的磁学性能，材料的电学性能等。

教学部分共含32个理论学时，16个实践环节学时。

Introduction“Properties and Characterization of Materials” is the main professional fundamental course for materials science and engineering students. This course mainly introduces the mechanical, thermal, optical, electrical and magnetic properties and characterization method of materials. The main purpose of this course is to make students fully understand the physical properties of materials and theirs significance in human materials life, learn to explain many phenomena of the materials by these knowledge, to understand the relationship between the macroscopic properties and microscopic mechanisms of materials, and to point out the directions for the synthesis, preparation, processing and application of the materials. The main contents of this course are listed as follows: stress deformation of materials, brittle fracture and strength of materials, thermal properties of materials, optical properties of materials, magnetic properties of materials, electrical properties of materials. The teaching part of this course includes 32 theoretical credit hours and 16 practical credit hours.课程基本信息二、教学大纲1、课程目标1）掌握材料性能的基本理论及其主要影响因素，培养学生对抽象问题的认识，使学生能够针对具体的材料工程问题，建立数学模型并求解。

传统无机非金属材料的定义和特点
传统无机非金属材料是指不含金属元素的材料，通常主要由非金属元素的化合物构成。

其特点如下：
1. 化学性质稳定：传统无机非金属材料具有较高的化学稳定性，不易被常见的酸、碱、有机溶剂侵蚀，能够在各种环境下长期稳定使用。

2. 机械性能差：相对于金属材料，传统无机非金属材料的强度和韧性较低，通常具有脆性。

这也意味着在应力作用下容易发生断裂。

3. 热物性稳定：传统无机非金属材料具有良好的热稳定性，在高温环境下，能够保持相对稳定的化学和物理性质。

4. 电绝缘性：无机非金属材料通常是优良的电绝缘材料，对电流具有很好的绝缘性能。

5. 导热性能差：相对于金属材料，传统无机非金属材料的导热性能较差，导热系数低。

6. 可透明性：某些传统无机非金属材料，如玻璃和陶瓷，具有较好的透明性能，对可见光具有较高的透射性。

7. 多样性：传统无机非金属材料种类繁多，包括陶瓷、玻璃、石墨、硅酸盐、氮化硅、氧化铝等，可根据不同的需求选择合适的材料。

课后习题《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。

解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。

1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。

若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。

解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。

则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。

0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=A A l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1-11一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ，若其临界抗剪强度τf 为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。

解：1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。

解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：Voigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：).1()()(0)0()1)(()1()(10//0----==∞=-∞=-=e EEe e Et t t στεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：./)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为0123450.00.20.40.60.81.0σ(t )/σ(0)t/τ应力松弛曲线0123450.00.20.40.60.81.0ε(t )/ε(∞)t/τ应变蠕变曲线)(112)(1012.160cos /0015.060cos 1017.3)(1017.360cos 53cos 0015.060cos 0015.053cos 82332min 2MPa Pa N F F f =⨯=︒︒⨯⨯=⨯=︒⨯︒⨯=⇒︒⨯︒=πσπτπτ：此拉力下的法向应力为为：系统的剪切强度可表示由题意得图示方向滑移以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。

材料的脆性断裂与强度§2．1 脆性断裂现象⼀、弹、粘、塑性形变在第⼀章中已阐述的⼀些基本概念。

1．弹性形变正应⼒作⽤下产⽣弹性形变，剪彩应⼒作⽤下产⽣弹性畸变。

随着外⼒的移去，这两种形变都会完全恢复。

2．塑性形变是由于晶粒内部的位错滑移产⽣。

晶体部分将选择最易滑移的系统(当然，对陶瓷材料来说，这些系统为数不多)，出现晶粒内部的位错滑移，宏观上表现为材料的塑性形变。

3．粘性形变⽆机材料中的晶界⾮晶相，以及玻璃、有机⾼分⼦材料则会产⽣另⼀种变形，称为粘性流动。

塑性形变和粘性形变是不可恢复的永久形变。

4．蠕变：当材料长期受载，尤其在⾼温环境中受载，塑性形变及粘性形变将随时间⽽具有不同的速率，这就是材料的蠕变。

蠕变的后当剪应⼒降低(或温度降低)时，此塑性形变及粘性流动减缓甚⾄终⽌。

蠕变的最终结果：①蠕变终⽌；②蠕变断裂。

⼆．脆性断裂⾏为断裂是材料的主要破坏形式。

韧性是材料抵抗断裂的能⼒。

材料的断裂可以根据其断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度，把断裂分为脆性断裂与韧性断裂。

1．脆性断裂脆性断裂是材料断裂前基本上不产⽣明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发⽣的快速断裂过程，因⽽具有很⼤的危险性。

因此，防⽌脆断⼀直是⼈们研究的重点。

2．韧性断裂韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产⽣明显宏观塑性变形的断裂过程。

韧性断裂时⼀般裂纹扩展过程较慢，⽽且要消耗⼤量塑性变形能。

⼀些塑性较好的⾦属材料及⾼分⼦材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。

3．脆性断裂的原因在外⼒作⽤下，任意⼀个结构单元上主应⼒⾯的拉应⼒⾜够⼤时，尤其在那些⾼度应⼒集中的特征点(例如内部和表⾯的缺陷和裂纹)附近的单元上，所受到的局部拉应⼒为平均应⼒的数倍时，此过分集中的拉应⼒如果超过材料的临界拉应⼒值时，将会产⽣裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。

虽然与此同时，由于外⼒引起的平均剪应⼒尚⼩于临界值，不⾜以产⽣明显的塑性变形或粘性流动。

第一章物理基础知识与理论物理性能本质：外界因素（作用物理量）作用于某一物体，如：外力、温度梯度、外加电场磁场、光照等，引起原子、分子或离子及电子的微观运动，在宏观上表现为感应物理量，感应物理量与作用物理量呈一定的关系，其中有一与材料本质有关的常数——材料的性能。

晶体结构：原子规则排列，主要体现是原子排列具有周期性，或者称长程有序。

非晶体结构：不具有长程有序。

点阵：晶体内部结构概括为是由一些相同点子在空间有规则作周期性无限分布，这些点子的总体称为点阵。

晶体由（基元）沿空间三个不同方向，各按一定的距离（周期性）地平移而构成，（基元）每一平移距离称为周期。

晶格的共同特点是具有周期性，可以用（原胞）和（基失）来描述。

分别求立方晶胞、面心晶胞和体心晶胞的原胞基失和原胞体积？（1）立方晶胞：（2）面心晶胞（3）体心晶胞晶体格子（简称晶格）：晶体中原子排列的具体形式。

晶列的特点：（1）一族平行晶列把所有点包括无遗。

（2）在一平面中，同族的相邻晶列之间的距离相等。

（3）通过一格点可以有无限多个晶列，其中每一晶列都有一族平行的晶列与之对应。

（4 ）有无限多族平行晶列。

晶面的特点：（1）通过任一格点，可以作全同的晶面与一晶面平行，构成一族平行晶面. （2）所有的格点都在一族平行的晶面上而无遗漏；（3）一族晶面平行且等距，各晶面上格点分布情况相同；（4）晶格中有无限多族的平行晶面。

格波：晶体中的原子在平衡位置附近的微振动具有波的形式。

色散关系：晶格振动谱，即频率和波矢的关系。

声子：晶格振动的能量是量子化的，晶格振动的量子单元称作声子，声子具有能量ħ ，与光子的区别是不具有真正的动量，这是由格波的特性决定的。

声学波与光学波的区别：前者是相邻原子的振动方向相同，波长很长时，格波为晶胞中心在振动，可以看作连续介质的弹性波；后者是相邻原子的振动方向相反，波长很长时，晶胞中心不动，晶胞中的原子作相对振动。

德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性。

无机材料物理性能习题答案1材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm、长度为25cm 并受到4500N的轴向拉力若直径拉细至2.4mm且拉伸变形后圆杆的体积不变求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变并比较讨论这些计算结果。

解根据题意可得下表由计算结果可知真应力大于名义应力真应变小于名义应变。

1-4一陶瓷含体积百分比为95的Al2O3 E 380 GPa 和5的玻璃相E 84 GPa试计算其上限和下限弹性模量。

若该陶瓷含有5 的气孔再估算其上限和下限弹性模量。

解令E1380GPaE284GPaV10.95V20.05。

则有当该陶瓷含有5的气孔时将P0.05代入经验计算公式EE01-1.9P0.9P2可得其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa和293.1 GPa。

1-5试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图并算出t 0t 和t 时的纵坐标表达式。

解Maxwell模型可以较好地模拟应力松弛过程Voigt模型可以较好地模拟应变蠕变过程拉伸前后圆杆相关参数表体积V/mm3 直径d/mm 圆面积S/mm2 拉伸前1227.2 2.5 4.909 拉伸后1227.2 2.4 4.524 0816.04.25.2lnlnln22001AAllT真应变91710909.4450060MPaAF名义应力0851.0100AAll名义应变99510524.445006MPaAFT真应力2.36505.08495.03802211GPaVEVEEH上限弹性模量1.3238405.038095.0112211GPaEVEVEL下限弹性模量.10011100//0eEEeeEttt则有其蠕变曲线方程为./00000et-t/e则有其应力松弛曲线方程为 1 以上两种模型所描述的是最简单的情况事实上由于材料力学性能的复杂性我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。

如采用四元件模型来表示线性高聚物的蠕变过程等。

提高无机材料断裂强度的措施无机材料在工程领域中具有广泛的应用，如建筑材料、电子材料、陶瓷材料等。

然而，由于其脆性，无机材料的断裂强度往往较低，这给其应用带来了一定的限制。

因此，提高无机材料的断裂强度成为了研究的热点之一。

本文将从材料设计、制备工艺、表面处理和应力分析等方面探讨提高无机材料断裂强度的措施。

一、材料设计。

材料的设计是提高无机材料断裂强度的关键。

通过合理的配方设计和晶体结构控制，可以有效地提高材料的断裂强度。

例如，在陶瓷材料中，通过添加适量的增韧剂和控制晶粒尺寸，可以有效地提高材料的断裂韧性。

此外，合金化、微观组织调控等方法也可以有效地提高材料的断裂强度。

二、制备工艺。

制备工艺对材料的断裂强度也有着重要的影响。

合理的制备工艺可以有效地减少材料内部的缺陷和杂质，从而提高材料的断裂强度。

例如，在陶瓷材料的制备过程中，控制烧结温度和时间，采用合适的成型工艺等都可以有效地提高材料的断裂强度。

三、表面处理。

表面处理是提高无机材料断裂强度的重要手段之一。

通过表面处理可以有效地改善材料的表面性能，增强其抗裂纹扩展能力。

例如，在陶瓷材料中，可以采用化学镀膜、离子注入等方法对材料进行表面处理，从而提高其断裂强度。

四、应力分析。

应力分析是提高无机材料断裂强度的重要手段之一。

通过对材料的应力分布进行分析，可以有效地预测材料的断裂行为，并采取相应的措施进行改善。

例如，在陶瓷材料中，可以通过有限元分析等方法对材料的应力分布进行模拟，从而指导材料的设计和制备工艺。

综上所述，提高无机材料断裂强度是一个复杂而又具有挑战性的问题。

通过材料设计、制备工艺、表面处理和应力分析等多种手段的综合应用，可以有效地提高无机材料的断裂强度，从而拓展其在工程领域中的应用范围。

希望本文的内容能对相关领域的研究工作提供一定的参考和借鉴。

无机材料的脆性断裂与强度脆性断裂是指在受力条件下，无机材料会发生不可逆的破裂现象，而无法发生塑性变形。

与之相对的是韧性断裂，韧性断裂发生在材料能够发生塑性变形的情况下。

无机材料的脆性断裂与强度有密切关系。

强度是指材料抵抗外力的能力，是一个评价材料抗拉、抗压、抗弯等载荷的指标。

脆性材料的强度主要受材料内部微观缺陷和断裂导致的应力集中影响。

下面分三个方面介绍无机材料的脆性断裂与强度的关系。

首先，无机材料的脆性断裂与晶体结构有关。

无机材料的晶体结构决定了材料的原子排列和键合情况，从而影响了材料的力学性能。

晶体结构中的离子键、共价键或金属键不易发生移动，因此无机材料的塑性变形能力较弱。

当材料受到外力作用时，由于无法有效地分散应力，应力会在缺陷处或晶界处集中，导致材料的断裂。

例如，金刚石具有非常坚硬的晶体结构，但其断裂韧性很低，容易在受力时发生脆性断裂。

其次，无机材料的脆性断裂与材料的纯度和缺陷有关。

纯度高的材料内部缺陷较少，力学性能较好，强度较高。

材料的缺陷可以包括晶界、孔洞、裂纹等，这些缺陷会导致应力的集中。

晶界是由于晶体的生长形成的界面，常常是材料中最脆弱的部分。

孔洞和裂纹是材料中的缺陷，它们会在受力时成为应力集中的位置，从而导致材料的脆性断裂。

因此，提高无机材料的纯度，减少缺陷的存在，可以提高材料的强度和抗断裂能力。

最后，无机材料的脆性断裂与外界温度和应力速率有关。

温度对材料的强度和断裂行为有很大影响。

低温会导致材料的强度和韧性下降，使得材料更容易发生脆性断裂。

高温会增加材料的塑性，降低材料的强度，使得材料更容易发生韧性断裂。

应力速率也是影响材料脆性断裂的因素之一、应力速率较快时，材料不容易发生塑性变形，从而容易发生脆性断裂。

应力速率较慢时，材料有足够的时间进行塑性变形，从而能够发生韧性断裂。

综上所述，无机材料的脆性断裂与强度有着紧密的关系。

晶体结构、纯度和缺陷、温度以及应力速率都会对材料的强度和断裂行为产生影响。