材料科学与工程ppt课件

1、.,1,第二章物质结构基础(StructureofMatter),原子之间的相互作用和结合(AtomicInteractionandBonding)基本键合（PrimaryInteratomicBonds)：金属、离子、共价和混合键派生键合（SecondaryBonding),原子结构(AtomicStructure)原子(Atom)的组成原子核+核外电子原子中电子的空间位置和能量(ElectronsinAtoms),前面内容总结复习,.,2,固体中的原子有序(PerfectionsinSolids)固体中的原子无序(ImperfectionsinSolids)固体中的转变(Transform

2、ationsinSolids)固体物质的表面结构(SurfaceStructuresofSolidMaterials),前面内容总结复习,.,3,金属材料的结构和组成CompositionandStructureofMetallicMaterials,材料的结构和组成是决定材料性能的基础。是合理地设计、制造和选用材料的基础。,无机非金属材料的结构和组成CompositionandStructureofInorganic-nonmetalicMaterials,高分子材料的结构和组成CompositionandStructureofPolymericMaterials,复合材料的结构和组成Com

3、positionandStructureofCompositematerials,前面内容总结复习,第三章材料的组成和结构CompositionsandStructuresofMaterials,.,4,.,5,.,6,Materialsproperty,材料的性能决定材料用途,本章对材料的机械性能、热性能、电学、磁学、光学性能以及耐腐蚀性，复合材料及纳米材料的性能进行阐述。,第四章材料的性能,.,7,MechanicalpropertyofmaterialsStressandstrainElasticdeformationModulusViscoelasticityPermanentdefo

4、rmationStrengthFracture,.,8,第四章内容,4-1固体材料的机械性能,4-2材料的热性能,4-3材料的电学性能,4-4材料的磁学性能,4-5材料的光学性能,4-6材料的耐腐蚀性,4-7复合材料的性能,4-8纳米材料及效应,.,9,41固体材料的机械性能,Chapter7Chapter8Chapter9,（stressandstrain）,LearningObjectives,材料的形变,（Deformationofmaterials）,（ElasticdeformationandPermanentdeformation）,不同材料（金属、陶瓷和高分子）的机械行为,Mec

5、hanicalPropertiesofSolidMaterials,应力和应变,.,10,Mechanicalstatesofmaterials,A晶态结构，B较高的弹性模量和强度，C受力开始为弹性形变，接着一段塑性形变，然后断裂，总变形能很大，D具有较高的熔点。,4-1-1材料的力学状态,1.金属(Metals)的力学状态,.,11,弹性模量随温度升高而降低？,.,12,某些金属合金A呈非晶态合金，B具有很高的硬度和强度，C延伸率很低而并不脆。D温度升高到玻璃化转变温度以上，粘度明显降低，发生晶化而失去非晶态结构。,.,13,2.无机非金属(nonmetals)的力学状态,A玻璃相熔点低，热

6、稳定性差，强度低。B气相（气孔）的存在导致陶瓷的弹性模量和机械强度降低。C陶瓷材料也存在玻璃化转变温度Tg。D绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆性断裂，总弹性应变能很小。,.,14,高模量,陶瓷材料的力学特征,高硬度,高强度,低延伸率,.,15,3.聚合物的力学状态(Polymer),（1）非晶态聚合物的三种力学状态玻璃态高弹态粘流态,.,16,.,17,（2）结晶聚合物的力学状态,A结晶聚合物常存在一定的非晶部分，也有玻璃化转变。B在Tg以上模量下降不大C在Tm以上模量迅速下降D聚合物分子量很大，TmTf，则熔融之后即转变成粘流态,.,18,Tm、Tf,.,19,玻璃化温度(Tg)是非晶

7、态塑料使用的上限温度是橡胶使用的下限温度熔点(Tm)是结晶聚合物使用的上限温度,.,20,(stressandstrain),4-1-2应力和应变,Ifaloadisstaticorchangesrelativelyslowlywithatimeandisapplieduniformlyoveracrosssectionorsurfaceofamember,themechanicalbehaviormaybeascertainedbyasimplestress-straintest.Thesearemostlycommonlyconductedformaterialsatroomtempera

8、ture.,.,21,应力和应变(stressandstrain),应力：,1.应力和应变的定义,工程应力（名义应力）：面积为材料受力前的初始面积(A0)的应力。真实应力：面积为受力后的真实面积(AT)的应力。,应变：,单位面积上的内力，其值与外加的力相等。,受到外力不惯性移动时，几何形状和尺寸的变化。,应力=外加力F/面积A,4-1-2,.,22,2.材料的应变方式,各向同性材料，三种基本类型：,还有扭转和弯曲形变。,简单拉伸tension简单剪切shear均匀压缩compression,.,23,F垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直线上,工程应变()：()=(ll0)/l0=l/

9、l0,l0,l,（1）简单拉伸(tension),工程应力：=F/A0单位MPa,.,24,Astandardtensilespecimen,Tensionisoneofthemostcommonmechanicalstress-straintest.thetensiontestcanbeusedtoascertainseveralmechanicalpropertiesofmaterialsthatisveryimportantindesign.,.,25,Sometimesitismoremeaningfultouseatruestresstruestrainscheme.Truestre

10、ssTisdefinedastheloadFdividedbytheinstantaneouscross-sectionalareaAioverwhichdeformationisoccurring(i.e.,theneck,pastthetensilepoint),or(7.15)Furthermore,itisoccasionallymoreconvenienttorepresentstrainastruestrainT,definedby(7.16)Ifnovolumechangeoccursduringdeformation,thatis,ifAili=A0l0(7.17)truean

11、dengineeringstressandstrainarerelatedaccordingto(7.18a)(7.18b)Equations7.18aand7.18barevalidonlytotheonsetofnecking;beyondthispointtruestressandstrainshouldbecomputedfromactualload,cross-sectionalarea,andgaugelengthmeasurements.,Section7.7,.,26,工程应力：=F/A0,真实应力T：T=F/AT,A0AT,工程应力小于真实应力T,同一拉伸实验中，工程应力（或

12、名义应力）与真实应力比较哪个数值大？,.,27,.,28,F与截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直线上的两个力,切应变：=tan,（2）简单剪切(shear),切应力：s()=F/A0,.,29,压缩应变V：,Compressionstress-staintestsmaybeconductedwhenin-serviceforcesareofthistype.Acom-pressiontestisconductedinamannersimilartothetensiontest,exceptthattheforceiscompressiveandthespecimencontrastsal

13、ongthedirectionofthestress.,V=(V0-V)/V0=V/V0,（3）均匀压缩(compress),F：周围压力p,.,30,实心W=.d03/16空心W=.d03（1-d14/d04）/16,切应变=tg=d0/(2l0)100%,（4）扭转Torsionaldeformation,切应力=M/WM:扭矩;W:截面系数,.,31,（5）弯曲Flexuraldeformation,弯矩M最大扰度max,.,32,曲线（Fl）转换为应力应变曲线（）,B.采用适当的坐标转换因子=F/A0和=l/l0,3.应力应变曲线(Stress-straincurve),常用的试验方法

14、：,A.以匀速拉伸试样，用测力装置测量F，伸长计同时,测量l。,.,33,弹性-均匀塑性型,纯弹性型,弹性-不均匀塑性型,弹性-不均匀塑性-均匀塑性型,弹性-不均匀塑性（屈服平台）-均匀塑性型,拉伸应力应变曲线（）五种类型,下一页,.,34,(1)纯弹性型A陶瓷、岩石、大多数玻璃B高度交联的聚合物C以及一些低温下的金属材料。(2)弹性-均匀塑性型A许多金属及合金、B部分陶瓷C非晶态高聚物。(3)弹性-不均匀塑性型A低温和高应变速率下的面心立方金属，B某些含碳原子的体心立方铁合金C以及铝合金低溶质固溶体。,返回,.,35,(4)弹性-不均匀塑性-均匀塑性型A一些结晶态高聚物B未经拉伸的线型非晶态

15、高聚物(5)弹性-不均匀塑性（屈服平台）-均匀塑性型A一些体心立方铁合金B许多有色金属合金。,返回,.,36,应力应变实例,.,37,.,38,.,39,4-1-3弹性形变,Chapter7Chapter8,ElasticDeformation,ElasticdeformationModulusofelasticity(Hook)(metalandceramics)Rubberlikeelasticity(elastomer)Viscoelasticity(polymer),.,40,弹性形变Elasticdeformation,弹性形变有普遍性A任何材料起始总是有弹性形变;B有一定的弹性形变

16、范围，它取决于应力的大小和形态。,.,41,1、Hooke定律和弹性模量HooksrawandModulusofelasticity,弹性形变的力学特点:小形变、可回复,.,42,Hooke定律EE-弹性模量,量纲GN/m2,Gpa弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力,.,43,弹性模量,正应力在状态下:正弹性模量E纯剪切力作用下:切弹性模量G均匀压缩:体积弹性模量K0(VV0)泊松比为缩短应变与伸长应变的比值，=-ey/ex,.,44,转化关系E=3G/1+G/3KK=E/3(1-2)E=2G(1+)E=3K(1-2),.,45,.,46,E=3K(1-2),.,47,.,48,材料的弹性模

17、量表示材料对于弹性变形的抵抗力主要取决于原子间的结合能力,构件刚度金属的模量值主要取决于10-102A晶体中原子的本性、电子结构B原子的结合力、C晶格类型以及晶格常数等。D合金元素降低弹性模量。陶瓷材料具有较高模量、原因10-102A原子键合的特点特种陶瓷B构成材料相的种类，分布、比例及气孔率有关。高分子材料低模量,.,49,FIGURE7.19Typicalstressstrainbehaviortofractureforaluminumoxideandglass.,.,50,查表知泊松比=0.34,查表知模量E=97GPa,例题,.,51,4-4.一硫化的橡胶球受到6.89MPa的静水压力

18、，直径减少了1.2%，而相同材质的试棒在受到516.8KPa的拉应力时伸长2.1%，则此橡胶棒的泊松比为多少？,E=/=516.8Kpa/2.1%=24.6Mpa,K=/(V/V),So=0.5(1-E/3K),=6.89Mpa/(1-0.9883)/1=193.7Mpa,E=3K(1-2),=0.51-(24.6MPa)/(3193.7MPa)=0.48,例题,.,52,金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常表现为普弹性，主要的特点是：A应变在应力作用下瞬时产生，B应力去除后瞬时消失，C服从虎克定律。高分子材料通常表现为高弹性和粘弹性,.,53,高弹性，即橡胶弹性(rubberlikeelasticity)弹性模量小、形变大。A一般材料，如铜、钢等，形变量最