材料的力学性能PPT课件.ppt

性能的对称性与张量 标量 Scalar 常量 数 密度 晶体 以对称性分为32种点群Neumanm原理 物理性能包含了材料点群的对称 即在对称操作下 性能不变 r x 非均匀但r与方向无关 1 矢量 Vector 既有大小又有方向 张量 Tensor 比矢量更为复杂的量用三个分量还不能表示应力三主轴方向的主应力剪切应力 2 张量表示符号Tijkl 下标 阶数 张量符号阶数m分量数3m物理量示例T零级张量即标量030 1TTi一级张量即矢量131 3Ei PiTij2阶张量232 9 ijTijk3阶张量333 27dijkTijkl4阶张量434 81Cijkl 张量的表示法与基础 3 1 二维平面上坐标系的转动变换的向量变化 平面上OP向量的转动变换满足 向量在坐标系变换中的变化 O 4 2 三维空间坐标转动变换的向量变化 5 张量是定义在向量空间和对偶空间的笛卡儿积上的多线性函数 其坐标是n维空间内 存在大于n个分量的一种量 每个分量都是坐标的函数 在坐标变换时 这些分量也依照某些规则作线性变换 6 张量的一般定义 若一个量有3n个分量每个分量在坐标变换时按规律变化 即 7 张量 Tij 的分量Tij Tji对称张量 张量 Tij 的分量Tij Tji反对称张量 张量 Tij 在坐标变换中与新旧坐标系的手性无关 称极性张量 张量 Tij 在坐标变换中与新旧坐标系的手性有关 称轴性张量 8 物理量按空间变换性质分类 9 点群与物理性质 10 第四章材料的力学性能 材料的力学性能是结构材料应用的主要方面 弹性模量 密度 热容量等对材料内部缺陷不敏感 是非结构敏感性能 强度 韧性等力学性能是结构敏感性能 同一材料 也会因其缺陷程度上的差异而具有不同的强度和韧性 11 4 1弹性 所有固体材料在外加应力的作用下都会发生形状的改变 当应力不够大时 应力和应变满足虎克定律 ij Cijkl kl ij kl为二阶对称张量 ij ji kl lk i Cij j Cij 弹性刚度系数 简称为弹性系数 12 13 12为 001 面的切变 C44与 001 面内的形变有关 如果晶体的成键方向在 001 面内 晶体的弹性系数就高 使晶体发生切变所要求的应力也就越高 14 是表征与正应力垂直方向的正应变难易的一个弹性系数 15 对称性高的立方晶体 作坐标轴绕Z轴旋转450 弹性系数非零的独立分量C11 C12 C44作以下矩阵变换 2 2022 T 2 2022001 由张量的定义可知 16 各向同性介质的立方晶体的3个弹性系数满足下面的关系式 A称各向异性的量度 A 1时 晶体是各向同性的 A 1时 各向异性晶体 偏离1越大 各向异性也越大 12 C11 C12 12 17 体心立方金属 111 方向键成直线排列 111 方向的弹性最强 100 方向 相邻键成Z形排列 沿 100 方向拉伸时 键在拉长的同时发生旋转 使 100 方向的弹性系数要比 111 方向小 110 方向相邻键也成Z形排列 但 110 方向上相邻键之间的夹角小于 001 方向上相邻键之间的夹角 110 方向上原子结合力强 110 方向上的弹性系数大于 100 方向上的弹性系数 各向异性因子A 1 18 面心立方金属在所有 110 方向上相邻原子组成线性键 拉伸引起键的变化 可能会比 100 方向拉伸更困难一些 各向异性因子A 1 19 离子化合物 相邻键在 100 方向排成直线 100 方向上弹性系数大 110 方向上的弹性系数小 A通常小于1 110 010 20 金刚石 闪锌矿 萤石结构中 沿 111 方向成键 组成不连续的键 沿 111 方向拉伸合涉及到键的弯曲和拉仲 使得A 1 21 硅酸盐材料中含SiO4四面体 硅 氧原子可以形成不同的单体 也可由硅氧四面体连接各种不同类型的结构 硅氮四面体采用共顶点联结 可以形成包含SiO3单键 辉石 SiO11双键 闪石 SiO5双键 Si205双键 Si6019双键 由Si3O9 Si6018组成的环或层状硅酸盐 22 链状硅酸盐中 平行于链的方向上成键较强 此方向的弹性模量也较大 垂直于链的方向的模量相对较弱 由硅氧四面体共顶点 可以组成多种不同的环 在环所在的平面内弹性系数较大 垂直于环的方向上则弹性系数较小 23 如果硅氧环彼此联结 形成硅氧四面体层 便构成层状硅酸盐 弹性各向异性和解理就变得十分明显 晶体很容易沿平行于四面体层所在的面解理 典型例于就是云母 白云母Al A1Si3010 OH8的四面体 如果硅氧四面体组成三维网络 便形成骨架状硅酸盐 如石英 由于成键接近于各向同性 因此硬度和弹性系数的各向异性很小 也不存在解理面 24 多晶材料的弹性 单晶材料的弹性由原子间的结合特性 晶体的对称性等因数所决定 同类完整晶体有相类似的弹性 保持了同一性 多晶材料由大量晶粒组成 除了晶界结构对材料性能的影响之外 材料中每个晶粒的应变不仅受该晶粒本身的取向影响 也受到相邻晶粒取向的制约 形变中每个晶粒必须与周围晶粒协调一致 从面使多晶材料的弹性性能成为每个单晶性能的某种平均 可以用近似方法求解 25 在极端情况下得到多晶材料的弹性 26 2020 1 27 27 4 2硬度 硬度 材料抵抗局部外来机械作用 定量判断材料的硬度 普遍采用压痕测试法 将特定材料 特定形状的压头在一定载荷下压入待测试祥 测定 28 布氏硬度 120HBS10 1000 30表示直径为10mm的钢球在1000kgf 9 807kN 载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120 29 洛氏硬度 30 维氏硬度 31 超硬材料 晶体的硬度由组成原子间的结合强度所决定 结合键越强 硬度也就越高 共价键晶体有固定的键长和键角 键的强度很高 因此 共价键晶体的硬度很高 金刚石是典型的纯共价链晶体 每个链有相同的强度 结构中没有薄弱环节 因此十分坚硬 碳化物 硼化物 氯化物具有强烈的共价键性质 立方氮化硼 碳化硼和碳化硅硬度都很高 32 除了低的离子性 高配位数的影响外 硬度与键长的3 5次方成反比 是影响硬度的一个主要因素 强共价晶体存在于B C N体系 因此 超硬材料只存在子B C N体系中 由于金刚石具有超硬材料的典型特征 因此把其他超硬材料又叫做类金刚石材料 33 同一晶体 不同晶面上的原子密度和排列方式不同 硬度也不相同 一般说来 原子密度高的面 硬度也高 金刚石八面体的晶面 111 上碳原子密度大 每个表面原于由3个键所固定 因而硬度最高 110 面次之 34 通常将维氏硬度超过40GPa的材料叫做超硬材料 超硬材料 金刚石 立方氮化硼 尽C3N4等 结构特点 强共价键 离子性低 熔点 镕合能高 配位数高 原子密度高 性能特征 高体模量 高杨氏模量 低泊松比 高导热系数 低膨胀系数 高熔点等优点 35 金刚石是天然材料中最硬 原子密度 热导率 杨氏模量最高的材料 金刚石对红外到紫外光都是透明的 电子在金刚石中导带的能量高于真空中电子的能量 电子在很小以至不加电场的情况下就可离开金刚石表面 因此 金刚石是非常好的冷阴极材料 36 石墨在结构转变中 六角环上的部分原子朝一个方向移动 形成 船形 结构 石墨就转变成了六角金刚石 纤锌矿型 六角金刚石与石墨间存在下列取向关系 37 4 3位错对材料力学性能的影响 位错引起晶体局部原子的排列发生畸变 在晶体中产生应力场 这种应力场与位错类型 位错线的形状等因素有关 位错应力场与其他因素产生的应力场 比如溶质原子 其他位错 杂质原子或原子集团等产生的应力场相互作用 对材料的力学性能产生作用 38 位错与溶质原子的相互作用 溶质原子直径比溶剂原子小得多的话 溶质原子占据间隙位置而不产生较大的点阵畸变 形成间隙式因溶体 相差很小 它们形成替代式因溶体 由于溶质 溶剂原子大小的不同 当晶体中存在缺陷时 它们与缺陷的相互作用引起合金的强化 39 正刃型位错使晶体上半部相对于下半部多出半个原子面 如果令位错位于x z平面上 多余的半原子面为y o z平面 则刃型位错的应力场由下列方程 40 挖取一个体积为V0溶剂原子的球 再填人V溶质原子 由于两者体积差 v 为了保持介质的连续性 必须克服位错的应力场作功 溶质原子与位错的交互作用能在数值上等子位错应力场作功的负值 溶质原子呈球形对称时 只有正应力分量作功 41 1 d 0 b 1 2 42 霍尔 皮奇关系 43 合金强化机理 1 固溶强化金属中加入其他元素 通过形成固溶体来提高合金的强度溶质原子聚集在静止位错附近 对位错钉扎和位错运动的摩擦力阻止位错运动 引起明显的抵抗材料屈服 这种钉扎作用除科垂耳气团 斯诺克气团外 还存在铃木气团 静电作用 44 铃木气团 合金的层错能较低时 位错将分解成层错和不全位错 溶质原子在层错 基体两部分的浓度不同 改变了局部成分 改变层错的宽度 溶质原子的这种不均匀分布也阻碍位错的运动 称作化学钉扎 溶质原子与层错的这种组态又叫做铃木气团 铃木气团与温度关 在高温下 其作用更加明显 对材料的蠕变性能有较大的影响 45 静电作用 刃型位错附近产生晶格畸变 引起费米能改变 导致电子从受压缩区流向膨胀区 在多余半原子面方向上产生电偶极现象 电子重新分布产生一电势 使电子势能发生改变 以抵消费米能的改变 使晶体各处的费米能恢复一致 位错的电荷也达到平衡 使膨胀了的位错核心带负电荷 与溶质原于存在静电相互作用 产生静电钉扎 46 2 沉淀强化 沉淀强化是强化合金的一种重要方法 效率高 稳定性好 材