多晶石墨的应力一应变性能  (stress—strainproperties of polycrystalline graphite)

在外加载荷的作用下，石墨体产生的形变随载荷而变化的规律。这一性能又称为应力一应变关系、应力一应变行为或弹塑性行为；又因其常用曲线表示，有时甚至称为应力一应变曲线。石墨没有明显的屈服点，与大多数金属材料有显著的不同。金属的应力一应变曲线，如图1a所示，具有一段符合胡克定律的直线段；有一个明确的屈服点，是弹性形变转变为塑性形变的转折点。在弹性形变阶段，卸去载荷，形变沿直线回落，恢复到原来状态。塑性形变之后，才卸去载荷，形变则沿与弹性回落直线相平行的直线下降，但不能复原，留下一定的残留形变。石墨几乎没有符合胡克定律的直线段，图1b；加载曲线A，随着负荷的增大，越来越偏离在形变为零时的切线，即其非线性程度愈益增大。卸载曲线B不平行于加载曲线A。除去载荷之后也留下一定的残留形变。再加载曲线c与卸载曲线B形成一个明显的滞后环。在对应的情况下，金属的卸载与再加载曲线有时也形成一个滞后环，但很不明显。石墨没有明确的屈服点，表明石墨体内，在无数的微细裂隙和孔隙附近，有显著的不连续之处和强烈的应力集中。这一情况掩盖了局部屈服应力的存在。

詹金斯模型  为了说明典型多晶石墨的应力一应变性能，詹金斯(G.M.Jenkins)于1962年提出了一种力学模型。以代表塑性的摩擦块和代表弹性的弹簧，两者互相串联组成一个力学单元；詹金斯认为石墨是由为数极多的这种力学单元互相串联而成的一种力学系统(图2)。由这一模型可导出：外加应力(或载荷)盯与石墨应变(或形变)￡的关系，对加载曲线(图1A)。

对一种挤压成型的核石墨(牌号PGA)，填充料最大颗粒为1.1mm，体积密度为1.73g／cm³，在几次“加载一卸载一再加载”的应力循环中，其应力一应变曲线见图3。图中实线为按詹金斯模型绘制的曲线；线上的圆点代表实测值，证明模型与实验符合得很好。

图3中，应力升至σ₁，后卸载，然后又再加载，形成滞后环Ⅰ；再继续加载，经σ₁升至σ₂后又卸载和加载形成滞后环Ⅱ；之后再形成滞后环Ⅲ，可如此继续下去。所形成的曲线C称为包络线。如果一开始加载就一直升到σ_m，中途不卸载，所得曲线就称为原始曲线，实验证明大多数结构石墨、核石墨及比较致密的石墨的原始曲线就是包络线。

σ_m对ε_m- 2ε₀及εo对σ²_m未作图均呈直线，与式(4)、(5)相符(图4、5)。根据直线斜率得到这种石墨的两个参数A和B。

残留形变又常称为永久形变。对ATJ石墨试件作拉伸试验，几个月之后又对这一批试件重新再作试验，表明残留形变确实具有永久性：即残留形变不再增加，只有试验应力超过了原来试验的最大应力之后才开始增加。但残留形变，不管是压缩或是拉伸所引起的，把试件加热到高温(退火处理)都可解除，恢复原状。退火处理的温度要达到石墨试件的石墨化温度。退火后再行试验所得曲线与原曲线相同。

在石墨的应力一应变曲线中，应力循环所形成的滞后环，其特性可用以表征石墨的力学性能(图6)

拉伸与压缩    石墨试件直接受外力作用的方向称为正向，与此垂直的方向称为侧向；但有时又称为纵向和横向，或轴向和径向，易与成型方向、颗粒取向相混淆，此处加以严格区别。正向压缩时侧向膨胀；正向拉伸时侧向收缩。正向和侧向各有一条应力一应变曲线，不管施加的外力是拉伸还是压缩，对绝大多数典型多晶石墨，正向的曲线都十分相似，并可用詹金斯模型来近似地加以描述。压缩曲线，在应力达到压缩极限强度值的60％左右符合詹金斯方程，之后应变增大的速率随应力的增大而加快，曲线的非线性度增加。拉伸曲线则直到拉断为止，全程符合詹金斯方程。对于一定的应力，拉伸引起的应变略大于压缩.前者留下的残留形变也比后者略大。值得注意的是：不管施加应力的方式如何，侧向残留形变总是正的。这点，对压缩容易理解：压缩时侧向膨胀，应力解除后，侧向仍残留一定的膨胀量；但拉伸时侧向收缩，停止拉伸后，侧向却反弹而膨胀，超过原来的尺寸，所以侧向的残留形变也是正的。对很多种石墨的试验都得到同样的结果，几无例外。由此可见：多晶石墨，一旦对其施加应力之后，就不能用机械的方法恢复其原来的尺寸，因为侧向的尺寸总是增大。多晶石墨在其石墨化温度下经退火处理，可以完全恢复其施加外力之前的原状。可以用退火的办法，对同一试件，比较其在原始状态下的拉伸和压缩曲线。在研究方法上，这是一个极大的方便。图7就是用这一方法，对同一个石墨试件，在其原始状态下作出的拉伸和压缩曲线。图7清楚地表明：侧向拉伸曲线与侧向压缩曲线，两者的曲率，符号相反，前者凹向上(曲率为正)，后者凹向下(曲率为负)。这是拉伸和压缩的一个重要区别，无论试件本身的取向是顺粒或是跨粒都是如此。

压缩时，侧向应变与正向应变之比为一常数，不随应力的大小而变化，有一个恒定的泊松比；侧向陆线在应力循环中也形成滞后环。但在拉伸的情况下，侧向曲线的变化却迥然不同：侧向曲线中没有滞后环，当应力在零与前一个最大值之间循环时，应力一应变曲线趋向于成一直线(图8)；侧向应变与正向应变之比随应力的增大而减小，泊松比不是常数而是应力的函数。有关这些现象的理论解释，或从位86错线的运动，或从微裂纹的生成，或从微晶剪切形变及内应力的分布等方面来加以说明，但仍停留在粗略的定性阶段，要达到准确定量计算的程度，还要付出很多艰苦的努力。

影响应力--应变性能的各种因素    影响因素有以下5个方面。

热处理温度    焙烧坯料的热处理温度越高，越接近于石墨化温度，其力学性能的非线性越大。参数B随处理温度的增高而增大，温度越过2200℃之后，增长很快，相对来说参数A的增长比较平稳。例：经1200℃焙烧的PGA型核石墨的焙烧块，在不同温度下经热处理，其A、B两参数的变化见图9、10。

密度与骨料粒度    石墨的骨料颗粒越小，石墨的密度越大，在大多数情况下，其应力一应变曲线的非线性度越小。例：表2所列4种石墨，在三点弯曲试验中，应力与挠度(应变量)的关系见图11。

图上清楚地表现了曲线的非线性度随石墨密度的减小而增大的情况。

试验温度    石墨的应力一应变曲线常在室温下进行测试。一般，温度升高至1500℃以上，应变速率加大，但在室温至1500℃之间，其变化错落参差，并无简单的规律。例：一种挤压成型的核石墨(牌号AGOT)体积密度169g／cm³，最大颗粒0.8mm，抗拉断裂强度σt∥=10.8MPa，σt⊥=6.4MPa，抗拉断裂伸长率ε∥=0.138％，ε⊥=0.167％；在20～2400℃温度范围内，不同温度下的曲线见图12、13。

中子辐照    石墨经中子辐照处理后，应力一应变曲线发生显著变化。随着中子剂量的增加，曲线的非线性程度大幅度降低，石墨变得越来越坚硬，刚度增大，断裂强度上升，断裂形变下降。(见石墨的核性能)例：一种近于各向同性的核石墨，用球状焦及煤沥青挤压成型，最大粒度约为1mm，体积密度1.85g／cm³，动态弹性模量为10.9GPa，抗拉及抗压强度分别为14.2MPa及73.0MPa。这种石墨在150℃下，经不同剂量的中子辐照后，其应力一应变曲线见图14、15。

氧化    石墨经受氧化之后，密度、强度及弹性模量均随氧化程度的增加而下降，应力一应变曲线的非线性度却随之增大。例：一种同向性核石墨，密度1.75g／cm³，抗拉、抗压、抗弯强度分别为24.9、73.4、34.7MPa。这种石墨在空气中，于150℃下经不同时间的氧化处理。石墨原样及具有不同氧化程度的石墨，在压缩下的应力一应变曲线见图16。曲线上数字为氧化失重百分率，用这一数字来表示氧化程度的高低。显然，图上显示氧化度增高，石墨非线性程度也增大。