无机材料物理性能 此外，针对第1版中少量未能深人展开的内容进行了适当的扩充和完善。为了使读 者在正式阅读之前对本书的内容及背景有所了解，第2版保留了第1版的前言。 正是因为与第1版相比没有实质性的变化，而我们只是做了一些力所能及的文 字修订工作而已，我们认为本书的署名应该仍然维持原状，以尊重三位前辈为撰写本 书所付出的心血。只是作为第2版文字的责任人，我们在这里需要说明一下：在第2 版中，龚江宏承担了第1~5章的修订工作，唐子龙承担了第6~8章的修订工作。全 书由龚江宏统稿。 在本书第2版交付印刷之际，我们谨向关振锋、张中太、焦金生三位前辈表示由 衷的敬意，并衷心希望这个修订本的出版能够使他们感到满意和欣慰。 龚江宏唐子龙 2011年6月清华园
此 外 ，针 对 第 1 版中少量未能深人展开的内容进行了适当的扩充和完善。为了使读 者在正式阅读之前对本书的内容及背景有所了解，第 2 版 保 留 了 第 1 版的前言。 正 是 因 为 与 第 1 版相比没有实质性的变化，而我们只是做了一些力所能及的文 字修订工作而已，我们认为本书的署名应该仍然维持原状，以尊重三位前辈为撰写本 书所付出的心血。只 是 作 为 第 2 版文字的责任人，我们 在 这 里 需 要 说 明 一 下 ：在 第 2 版 中 ，龚 江 宏 承 担 了 第 1〜 5 章的修订工作，唐 子 龙 承 担 了 第 6〜 8 章的修订工作。.全 书由龚江宏统稿。 在 本 书 第 2 版交付印刷之际，我们谨 向 关 振 铎 、张 中 太 、焦金生三位前辈表示由 衷 的 敬 意 ，并衷心希望这个修订本的出版能够使他们感到满意和欣慰。 龚 江宏唐子龙 2〇n 年 6 月清华园 无 机 材 料 物 理 #■ 能 . .- . . . . —
材料科学与工程系列 第1版 前言 无机非金属材料类专业教材编审委员会“材料科学基础理论”教材编审小组在 1990年度工作会议(1990年10月8~10日于天津大学)上，对“无机材料物理性能” 教材进行了审查，同意列为全国统编教材。国家建筑材料工业局教材办公室随后审 定“同意作为必修课教材出版”。 本书的主要内容是无机材料（指无机非金属材料，包括陶瓷、玻璃、耐火材料、建 筑材料等)的各种物理性能，不牵涉到化学性能（如耐腐蚀等）。所研究的性能包括无 机材料的变形与力学性能、脆性断裂与强度，以及热学，光学、电导，介电、压电和磁学 等性能。这些性能基本上都是各个领域在研制和应用无机非金属材料中对它们提出 来的一系列技术要求，即所谓材料的本征参数。因此，首先要掌握上述各类本征参数 的物理意义和单位以及这些参数在实际问题中所处的地位。其次，要搞懂这些性能 参数的来源，即性能和材料的组成、结构和构造的关系。也就是说，掌握这些性能参 数的物质规律，从而为判断材料优劣，正确选择和使用材料，改变材料性能，探索新材 料、新性能、新工艺打下理论基础。为了全面地掌握材料的结构，对无机材料的原料 和工艺也应有所认识，以取得分析性能的正确依据。 书中安排了较多的实验内容，从验证性能参数、掌握检验技术、学习科研方法和 分析手段等方面加强学习效果。 本书的先修内容为：材料力学，物理化学、固体材料结构基础、微观分析方法、硅 酸盐工艺等。 无机材料物理性能的研究方法可以分为两种：一种是经验方法，在大量占有实 验数据的基础上，经过对数据的分析处理，整理为经验方程，来表示它们的函数关系； 另一种是从机理着手，即从反映本质的基本关系（如原子间的相互作用、点阵振动的 波形方程等)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 理论方程式。通过以上两种方法的相互验证促进了材料科学的发展。 在材料的性能研究过程中，为了阐明材料的宏观构造和微观结构，在各种性能实 验的同时，常常进行材料的金相显微镜形貌、偏光、扫描电镜微观构造以及X射线衍 射等微观分析，以取得物质结构和成分的宏观及亚微观方面的直观验证。 在本书的一些章节中，介绍了最近发表的科研成果，特别是新型材料和新型工艺 下获得的高性能机理（例如超导材料性能机理）。 本书适用于无机非金属材料中的新型陶瓷、传统陶瓷，玻璃、晶体、半导体、石墨
材料科学与工程系列 第 1 版前言 无机非金属材料类专业教材编审委员会“材 料 科 学 基 础 理 论 ”教材编审小组在 1 9 9 0年度工作会议（1 9 9 0年 1 0 月 8〜 1 0 日于天津大学）上 ，对 “无机材料物理性能” 教材进行了审查，同意列为全国统编教材。国家建筑材料工业局教材办公室随后审 定“同意作为必修课教材出版”。 本书的主要内容是无机材料(指无机非金属材料，包 括 陶 瓷 、玻 璃 、耐 火 材 料 、建 筑材料等）的各种物理性能，不牵涉到化学性能（如耐腐蚀等）。所研究的性能包括无 机材料的变形与力学性能、脆性断裂与强度，以及热学、光 学 、电导、介 电 、压电和磁学 等性能。这些性能基本上都是各个领域在研制和应用无机非金属材料中对它们提出 来的一系列技术要求，即所谓材料的本征参数。因 此 ，首先要掌握上述各类本征参数 的物理意义和单位以及这些参数在实际问题中所处的地位。其 次 ，要搞懂这些性能 参数的来源，即性能和材料的组成、结 构 和 构 造 的 关 系 。也 就 是 说 ，掌握这些性能参 数的物质规律，从而为判断材料优劣，正确选择和使用材料 ,改变材料性能，探索新材 料 、新 性 能 、新工艺打下理论基础。为 了 全 面 地 掌 握 材 料 的 结 构 ，对无机材料的原料 和工艺也应有所认识，以取得分析性能的正确依据。 书中安排了较多的实验内容，从 验 证 性 能 参 数 、掌 握 检 验 技 术 、学习科研方法和 分析手段等方面加强学习效果。 本书的先修内容为：材料力学、物理化学、固体材料结构基础、微 观 分 析 方 法 、硅 酸盐工艺等。 无机材料物理性能的研究方法可以分为两种：一 种 是 经 验 方 法 ，在大量占有实 验数据的基础上，经过对数据的分析处理，整理为经验方程，来表示它们的函数关系； 另一种是从机理着手，即从反映本质的基本关系（如 原 子 间 的 相 互 作 用 、点阵振动的 波形方程等）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 理论方程式。通过以上两种方法的相互验证促进了材料科学的发展。 在材料的性能研究过程中，为了阐明材料的宏观构造和微观结构，在各种性能实 验 的 同 时 ，常常进行材料的金相显微镜形貌、偏 光 、扫 描 电 镜 微 观 构 造 以 及 X 射线衍 射等微观分析，以取得物质结构和成分的宏观及亚微观方面的直观验证。 在本书的一些章节中，介绍了最近发表的科研成果，特别是新型材料和新型工艺 下获得的高性能机理(例如超导材料性能机理）。 本书适用于无机非金属材料中的新型陶瓷、传统陶瓷、玻 璃 、晶 体 、半 导 体 、石 墨
无机材料物理性能 薄膜、复合材料以及耐火材料等专业。其他像硅酸盐工程，包括水泥与混凝土材料 建筑及装饰材料等专业也可参考。 本书第1~4章由关振铎编著，第5章由张中太编著，第6、7章由焦金生编著 全书由关振铎统编。 书中不妥及错误之处，敬请读者指正。 作者
薄 膜 、复合材料以及耐火材料等专业。其 他 像 硅 酸 盐 工 程 ，包 括 水 泥 与 混 凝 土 材 料 、 建筑及装饰材料等专业也可参考。 本 书 第 1〜 4 章由关振铎编著，第 5 章 由 张 中 太 编 著 ，第 6 、7章 由 焦 金 生 编 著 。 全书由关振铎统编。 书中不妥及错误之处，敬请读者指正。 无 机 材 料 物 理 性 能
村料科学与工程系列 目 录 第1章无机材料的受力形变.1 1.1应力与应变.1 1.1.1应力 1.1.2应变.2 1.2无机材料的弹性形变.4 1.2.1 各向同性体的弹性常数.4 1.2.2单晶的弹性常数.6 1.2.3弹性模量的物理本质.8 1.2.4多相材料的弹性模量 .8 1.2.5弹性模量的测定.9 1.3无机材料中晶相的塑性形变.10 1.3.1晶格滑移.11 1.3.2塑性形变的位错运动理论. 13 1.3.3塑性形变速率对屈服强度的影响.16 1.4高温下玻璃相的黏性流动.16 1.4.1流动模型.16 1.4.2影响黏度的因素.17 1.5无机材料的高温蠕变.19 1.5.1 黏弹性与滞弹性.19 1.5.2高温蠕变曲线. .21 1.5.3高温变理论.22 1.5,4编变断裂. 24 1.5.5影响蠕变的因素 .24 1.6无机材料的超塑性.27 习题.28 第2章无机材料的断裂强度 .30 2.1断裂强度的微裂纹理论. 30 2.1,1固体材料的理论断裂强度.30
材料科梦与工程系列 目 录 第 1 章无机材料的受力形变 . 1 1 . 1 应 力 与 应 变 . 1 1 .1 . 1 应 力 .2 1 .1. 2 应 变 .2 1 . 2 无 机 材 料 的 弹 性 形 变 . 4 1 .2. 1 各 向 同 性 体 的 弹 性 常 数 . 4 1 .2.2 单 晶 的 弹 性 常 数 . 6 1 . 2 . 3 弹 性 模 量 的 物 理 本 质 . 8 1 . 2 . 4 多 相 材 料 的 弹 性 模 量 . 8 1 . 2 . 5 弹 性 模 量 的 测 定 . 9 1 . 3 无 机 材 料 中 晶 相 的 塑 性 形 变 . 10 1.3.1 晶 格 滑 移 . 1 1 1 . 3 . 2 塑性形变的位错运动理论. 13 1 . 3 . 3 塑性形变速率对屈服强度的影响.16 1 . 4 高 温 下 玻 璃 相 的 黏 性 流 动 . 16 1.4.1 流 动 模 型 . 16 1 . 4 . 2 影 响 黏 度 的 因 素 . 17 1 . 5 无 机 材 料 的 高 温 蠕 变 . 19 1 . 5 . 1 黏 弹 性 与 滞 弹 性 . 19 1 . 5 . 2 高 温 蠕 变 曲 线 . 21 1. 5. 3 高 温 蠕 变 理 论 . 22 1. 5. 4 蠕 变 断 裂 . 24 1.5.5 影 响 蠕 变 的 因 素 . 24 1 .6 无 机 材 料 的 超 塑 性 . 27 壊 . 28 第 2 章无机材料的 断 裂强度 . 30 2.1 断 裂 强 度 的 微 裂 纹 理 论 . 30 2.1 .1 固体材料的理论断裂强度. 30
无机材料物理性能 2.1.2 Griffith微裂纹理论 ,32 2.2无机材料中微裂纹的起源.36 2.2.1无机材料中本征裂纹的起源.36 2.2.2表面接触损伤及机械加工损伤 .39 2.3无机材料断裂强度测试方法.40 2.4断裂强度的统计性质.43 2.4.1 强度的统计分析.r .43 2.4.2韦伯函数中m和o。的求法 44444444.4.0449404445 2.4.3韦伯统计的应用及实例.45 2n4.4两参数韦伯分布及其应用.47 2.5显微结构对无机材料断裂强度的影响.47 2.5.1气孔率的影响.48 2.5,2晶粒尺寸的影响. .48 .49 第3章无机材料的断裂及裂纹扩展.50 3.1断裂力学基本概念.50 3.1.1裂纹系统的机械能释放率.50 3.1.2裂纹尖端处的应力场强度.52 3.1.3临界应力场强度因子及断裂韧性.54 3.1.4平面应变断裂韧性. 55 3.1.5几何形状因子的柔度标定技术.57 3.2无机材料断裂韧性测试方法.58 3.2.1直通切口梁测试技术 .59 3.2.2双扭法.60 3.2.3山形切口法.61 3.3显微结构对断裂韧性的影响.63 3.3.1裂纹偏转与裂纹偏转增韧.63 3.3.2裂纹桥接与裂纹桥接增韧.65 3.3.3 微裂纹增韧与相变增韧.67 3.3.4裂纹扩展阻力曲线. 68 3.4无机材料中裂纹的缓慢扩展.70 3.4.1 裂纹缓慢扩展0一K1曲线.71 3.4.2 裂纹缓慢扩展机理. .72 3.4.3裂纹缓慢扩展行为研究方法. 75 3.4.4无机材料断裂寿命预测.76
无 机 材 料 物 理 性 能 YI 2. 1. 2 Griffith 微 裂 纹 理 论 . 32 2 . 2 无 机 材 料 中 微 裂 纹 的 起 源 . . 36 2.2. 1 无机材料中本征裂纹的起源. 36 2. 2. 2 表面接触损伤及机械加工损伤. 39 2 . 3 无 机 材 料 断 裂 强 度 测 试 方 法 . 40 2 . 4 断 裂 强 度 的 统 计 性 质 .43 2.4. 1 强 度 的 统 计 分 析 . 43 2_ 4. 2 韦伯函 数 中 m 和 <r。的 求 法 . 45 2. 4. 3 韦伯统计的应用及实例. '. 45 2. 4. 4 两参数韦伯分布及其应用. 47 2 . 5 显 微 结 构 对 无 机 材 料 断 裂 强 度 的 影 响 . 47 2. 5. 1 气 孔 率 的 影 响 . 48 2.5.2 晶粒尺 寸 的 影 响 . 48 题 . 49 第 3 章 无 机 材 料 的 断 裂 及 裂 纹 扩 展 . 50 3 . 1 断 裂 力 学 基 本 概 念 . 50 3.1. 1 裂纹系统的机械能释放率. 50 3. 1 . 2 裂纹尖端处的应力场强度. 52 3. 1. 3 临界应力场强度因子及断裂韧性.54 3 . 1 . 4 平 面 应 变 断 裂 韧 性 . 55 3 . 1 . 5 几何形状因子的柔度标定技术. 57 3 . 2 无 机 材 料 断 裂 初 性 测 试 方 法 . 58 3.2.1 直 通 切 口梁测试技术.59 3. 2. 2 双 扭 法 . ：60 3. 2. 3 山 形 切 口 法 . 61 3 . 3 显 微 结 构 对 断 裂 軔 性 的 影 响 . 63 3 . 3 . 1 裂纹偏转与裂纹偏转增钿. 63 3 . 3 . 2 裂纹桥接与裂纹桥接增韧. 65 3. 3. 3 微裂纹增 韧 与 相 变 增 钿 .67 3 . 3 . 4 裂 纹 扩 展 阻 力 曲 线 . 68 3 . 4 无 机 材 料 中 裂 纹 的 缓 慢 扩 展 . 70 3 . 4 . 1 裂 纹 缓 慢 扩 展 〜 K i 曲 线 . 71 3 . 4 . 2 裂 纹 缓 慢 扩 展 机 理 . 72 3 . 4 . 3 裂纹缓慢扩展行为研究方法. 75 3 . 4 . 4 无 机 材料断裂寿命预测.76