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日一10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。并经国家建筑材料工业局教材办公室审定“同意 作为必修课教材出版”。 本书的主要内容是研究无机材料（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 。1
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成两种：一种是经验方 法，在大壁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徽观 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、扫描电镜徽观构造以及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徽观方面的直观验证。 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)。为便于统计运算，个别章节列出了专用程序！ 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、薄膜、复合材料以及耐火材料等专业。其它像 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。 本书第一、二、三、四章由关振锋编著，第五章由张中太编著， 第六、七章由焦金生编著。全书由关振铎统编。 目录中打星号(*)者，可视为拓宽及加深知识面的内容，不作 为基本学习要求。 书中不妥及错误之处，敬请读者指正。 作者 1991年2月于清作离 ·2·
第一章无机材料的受力形变 §1.1无机材料的应力、应变及弹性形变 各种材料在外力作用下，发生形状和大小的变化，称为形变。 不同材料的变形行为是很不同的，如图.1所示。 名义应变(aL/L)×00 25x102 20 00 600300 断裂 1.5×0 20 (b)低碳钢 入塑性变形 0弹姓变形 5 《c)橡皮 前方0方0 名义应变（△L/Lax100 图1.1不同材料的拉伸应力-应变曲线 绝大多数无机材料的变形行为如图中曲线()所示，即在弹性 变形后没有塑性形变（或塑性形变很小），接营就是断裂，总弹性应 变能非常小，这是所有脆性材料的特征。对于延性材料，如低碳钢， 开始为弹性形变，接着有一段弹塑性形变，然后才断裂，总变形能 ·3·
很大，如图中曲线()所示。橡皮这类高分子材料具有极大的弹性 形变，如图中曲线（©）所示，是没有残余形变的材料，称为弹性材 料。 无机材料的形变是重要的力学性能，与材料的制造、加工和使 用都有密切的关系.因此，研究无机材料在受力情况下产生形变的 规律是有重要意义的。 一、应力 在分析形变时通常用应力的概念。应力的定义为单位面积上 所受的内力 = (1.1) 式中F为外力，·为应力，应力的单位为P阳，A为面积。如果材料受 力前的初始面积为4，则=F/A,叫名义应力。实用上一般都用 名义应力。如果A为受力后的真实面积，则。叫真实应力。但对于 形变总量很小的无机材料，二者数值上相差不大，只在高温蠕变情 况下，才有显著差别。围绕材料内部一点P取一体积单元，体积元 的六个面均垂直于坐标轴x,。在这六个面上的作用应力可分解 为法向应力a,0和剪应力，t等，如图l.2,每个面上有 一个法向应力。和两个剪应力x.应力分量。，x的下标第一个字母 表示应力作用面的法线方向，第二个字母表示应力作用的方向，法 向应力若为拉应力则规定为正：若为压应力侧规定为负。剪应力 分量的正负规定如下：如果体积元任·面上的法向应力与坐标轴 的正方向相同，则该面上的剪应力指向坐标轴的正方向者为正； 如果该面上的法向应力指向坐标轴的负方向，则剪应力指向坐标 轴的负方向者为正，根据上述规定，图1.2上所表示的所有应力分 钳都是正的。 根据平衡条件，体积元上相对的两个平行平面上的法向应力 4
图1.2应力分量 应该是大小相等、正负号一样.作用在体积元上任一平面上的两个 剪应力应互相垂直。根据剪应力互等定理，4=Tm,余类推。故一点 的应力状态由六个应力分量决定，即aa,0m,0a,Tm下。 法向应力导致材料的伸长或缩短，剪应力引起材料的剪切畸 变。 二、应变 应变是用来描述物体内部各质点之间的相对位移的。如果材 料是理想刚体，就不会有相对位移，物体也就不会发生形变。实际 材料为非刚体，在受力之下材料内部各质点之间会发生相对位移。 一根长度为乙的杆，在单向拉应力作用下被拉长到乙，则应变的 定义为： =2-岩 (1.2) 叫名义应变。如果上式中分母不是原来的长度1。，而是随拉 ·5