材料科学与工程

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 固体中的原子有序 PerfectionsinSolids 固体中的原子无序 ImperfectionsinSolids 固体中的转变 TransformationsinSolids 固体物质的表面结构 SurfaceStructuresofSolidMaterials 前面内容总结复习 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CompositionandStructureofCompositematerials 前面内容总结复习 第三章材料的组成和结构CompositionsandStructuresofMaterials 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 MechanicalpropertyofmaterialsStressandstrainElasticdeformationModulusViscoelasticityPermanentdeformationStrengthFracture 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 4 1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 MechanicalPropertiesofSolidMaterials 应力和应变 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 弹性模量随温度升高而降低 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 2 无机非金属 nonmetals 的力学状态 A玻璃相熔点低 热稳定性差 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 高模量 陶瓷材料的力学特征 高硬度 高强度 低延伸率 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 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 Tm Tf 玻璃化温度 Tg 是非晶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 stressandstrain 4 1 2应力和应变 Ifaloadisstaticorchangesrelativelyslowlywithatimeandisapplieduniformlyoveracrosssectionorsurfaceofamember themechanicalbehaviormaybeascertainedbyasimplestress straintest Thesearemostlycommonlyconductedformaterialsatroomtemperature 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 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 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 l l0 l0 l l0 l0 l 1 简单拉伸 tension 工程应力 F A0单位MPa Astandardtensilespecimen Tensionisoneofthemostcommonmechanicalstress straintest thetensiontestcanbeusedtoascertainseveralmechanicalpropertiesofmaterialsthatisveryimportantindesign Sometimesitismoremeaningfultouseatruestress truestrainscheme TruestressTisdefinedastheloadFdividedbytheinstantaneouscross sectionalareaAioverwhichdeformationisoccurring i e theneck pastthetensilepoint or 7 15 Furthermore itisoccasionallymoreconvenienttorepresentstrainastruestrainT definedby 7 16 Ifnovolumechangeoccursduringdeformation thatis ifAili A0l0 7 17 trueandengineeringstressandstrainarerelatedaccordingto 7 18a 7 18b Equations7 18aand7 18barevalidonlytotheonsetofnecking beyondthispointtruestressandstrainshouldbecomputedfromactualload cross sectionalarea andgaugelengthmeasurements Section7 7 工程应力 F A0 真实应力 T T F AT A0 AT 工程应力 小于真实应力 T 同一拉伸实验中 工程应力 或名义应力 与真实应力比较哪个数值大 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 压缩应变 V Compressionstress staintestsmaybeconductedwhenin serviceforcesareofthistype Acom pressiontestisconductedinamannersimilartothetensiontest exceptthattheforceiscompressiveandthespecimencontrastsalongthedirectionofthestress V V0 V V0 V V0 3 均匀压缩 compress F 周围压力p 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 5 弯曲Flexuraldeformation 弯矩M最大扰度 max 曲线 F l 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 A 以匀速拉伸试样 用测力装置测量F 伸长计同时 测量 l 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 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 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 应力 应变实例 4 1 3弹性形变 Chapter7Chapter8 ElasticDeformation ElasticdeformationModulusofelasticity Hook metalandceramics Rubberlikeelasticity elastomer Viscoelasticity polymer 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有一定的弹性形变范围 它取决于应力的大小和形态 1 Hooke定律和弹性模量Hook srawandModulusofelasticity 弹性形变的力学特点 小形变 可回复 Hooke定律 E E 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 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K 0 V V0 泊松比为缩短应变与伸长应变的比值 ey ex 转化关系E 3G 1 G 3K K E 3 1 2 E 2G 1 E 3K 1 2 E 3K 1 2 材料的弹性模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 FIGURE7 19Typicalstress strainbehaviortofractureforaluminumoxideandglass 查表知泊松比 0 34 查表知模量E 97GPa 例题 4 4 一硫化的橡胶球受到6 89MPa的静水压力 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 5 1 24 6MPa 3 193 7MPa 0 48 例题 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 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 形变量最大为1 左右 B而橡胶的高弹性形变很大 可拉伸至5 10倍 2 有机聚合物的弹性 粘弹性ElasticityandVisco elasticityofPolymers C橡胶的弹性模量则只有一般固体物质的万分之一左右 即10 100 104Pa 弹性模量随温度升高而上升 一般固体的模量则随温度的提高而下降 2 粘弹性viscoelasticity 静态粘弹性固定应力A蠕变 creep 开尔文模型 Kelvinmodel 并联 在蠕变过程中形变 是时间的函数 即柔量D是时间的函数D t t 形变随时间而增加 动态粘弹性Dynamicviscoelasticity 高聚物