材料物理材料力学-2017-1

材料物理,Givemeaplacetostandon,andIwillmovetheEarth.Archimedes,材料物理,第二章材料的力学,西南科技大学材料科学与工程学院,第二章材料的力学,能量,能量的形式？,如何响应？,物质运动的一般量度。物质运动有多种形式，表现各异，但可互相转换，表明这些运动有共性，也有内在的统一的量度，即能量。能量以机械能、内能、电能、化学能等各种形式，出现在不同的运动中，并通过作功、传热等方式进行转换。能量的单位为焦耳、尔格、千瓦小时、电子伏（特）等。JergkWHeV,由T.杨1801年在伦敦国王学院讲自然哲学时引入的，他针对当时把质量与速度二次方之积称为活力或上升力的观点而提出。,第二章材料的力学,UIIUI=U=QA,内能系统的变化,吸收的热,外界对体系所作的功,能量可以是热也可以是功，其表现形式是怎样的呢？,dU=dQdA,在狭义的力学中：关注的是Fdl,热力学第一定律：体系在过程中内能之改变等于在过程中体系吸收的热加上外界对体系所作的功。,第二章材料的力学,Fdl,因：外界的作用,果：材料的响应,广义的因：电场、磁场、热能、光能等一切可以以能量形式存在的概念,广义的果：电：电子输运、极化磁：磁化热：传导、热容光：发光、折反射等等,第二章材料的力学,中国园林,古罗马竞技场,艾菲尔铁塔,特别推荐：袁腾飞，历史是个什么玩意儿,本章内容,材料的形变应力、形变的基本概念塑性、蠕变与黏弹性基本概念断裂与机械强度理论结合强度裂纹断裂理论脆性断裂与韧性断裂断裂韧性位错与强化机制*,本章专题与文献,学生：（2017.03.06）S.V.Madge,etal.CompressiveplasticityofaLa-basedglass-crystalcompositeatcryogenictemperatures.Materials&Design101(2016)146,2.1材料的形变,形变（Deformation）：材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化。力学性能（Mechanismproperties）：材料承受外力作用、抵抗形变的能力及其破坏规律。,2.1材料的形变,Ref:白柯等，牙齿的非各向同性、梯度分布和类金属性力学行为，科学通报，52，870-874（2007）。,2.1材料的形变,达到平衡时，附加内力与外力大小相等、方向相反，材料单位面积上所受的附加内力称为应力（stress）,形变,外力,附加内力,应力为压强单位,2.1材料的形变,法向应力：为拉应力为正，压应力时为负剪切应力：某一面的法向应力与坐标轴的正方向相同，则该面上的剪切应力指向坐标轴的正方向者为正；若指向坐标轴的负方向，则剪切应力指向坐标轴的正方向者为负,应力张量,导致材料的伸长或缩短,引起材料的切向畸变,2.1材料的形变,应力状态的一些例子,张力,扭转,线缆,传动轴,2.1材料的形变,压力,2.1材料的形变,双轴张力,静水压,这些例子：启发我们对应力的理解作用点、面积、方向和效果,2.1材料的形变,拉伸形变,2.1材料的形变,真实应变,逐渐变化，瞬时应变积分,真实应变与名义应变，谁大谁小？,2.1材料的形变,真实应力与名义应力，谁大谁小？,-1x1,2.1材料的形变,拉伸形变与横向应变,2.1材料的形变,剪切应变,压缩应变,应变张量,2.1材料的形变,弹性形变,应力与应变的关系服从Hook定律,E弹性模量（刚度）：表征材料抵抗形变能力（即刚度）的大小,力所做的功等于体系内能的变化（原子吸引）,线性与非线性的影响因素是什么呢？,2.1材料的形变,杨氏模量,剪切模量,体积模量,弹性模量与受力点的曲线斜率成正比,分子型,2.1材料的形变,数据对比,模量与晶向是否有关？,2.1材料的形变,托马斯杨（ThomasYoung，17731829）英国医生、物理学家，光的波动说的奠基人之一。他不仅在物理学领域领袖群英、名享世界，而且涉猎甚广，光波学、声波学、流体动力学、造船工程、潮汐理论、毛细作用、用摆测量引力、虹的理论力学、数学、光学、声学、语言学、动物学、埃及学他对艺术还颇有兴趣，热爱美术，几乎会演奏当时的所有乐器，并且会制造天文器材，还研究了保险经济问题。而且托马斯杨擅长骑马，并且会耍杂技走钢丝。,第一个测量了7种光的波长，最先建立了三原色原理：指出一切色彩都可以从红、绿、蓝这三种原色中得到。,2.1材料的形变,对于各向同性材料，三模量的关系为,泊松比：拉伸试验中，材料横向单位面积的减少与纵向单位长度的增加之比值。,2.1材料的形变,两相复合材料,下限弹性模量,上限弹性模量,当连续基体内含有封闭气孔时,P为气孔率,2.1材料的形变,当同时受到三维方向的应力作用时，广义胡克定律,弹性刚度,弹性柔度,四阶张量缩写,2.1材料的形变,黏性形变,黏性物体在剪切应力作用下发生不可逆的流动形变。形变无确定形状；除去应力后，形变不能回复。,剪切应力黏性系数,速度梯度dv/dx,两平行液层,牛顿流体：,黏性系数黏度（viscosity）单位Pa.S,2.1材料的形变,在流变学中，常以速度梯度（切变率）对切应力作图，所得曲线称流变曲线，它描述体系的流变特性。,这类流体为低粘度流体，是由作用力小的低分子构成，如水、甘油、低分子化合物溶液。,曲线2：牛顿型直线的斜率1/为常数，表示其粘度不受切变率的影响，而只与温度有关。,2.1材料的形变,1：胀流型胀流型的粘度随着切应力的增大而增加。,3，4：塑性和类塑型流体的粘度较大，随切应力的增大减小,聚合物高分子，在分子间或分散物质之间有较大的互作用力。非线性关系是由分子的杂列排列引起的：在较大的切应力作用下，分子会在流动方向上重新排列取向，聚合物的形状也发生变化。,5：触变型流动曲线出现滞后现象是由于物质结构由冻（凝）胶溶胶冻（凝）胶的转变结果。,2.1材料的形变,流动速度,无应力,应力,势垒高度,反应速率理论,求导,近似,2.1材料的形变,应力与应变的测试,伸长计,2.2材料的塑性、蠕变与黏弹性,塑性：材料在外应力去除后仍保持部分应变的特性。,滑移和孪晶是晶体塑性形变的两种基本形式。,晶体的一部分相对于另一部分发生平移滑动，（一般发生在原子密度大和晶向指数小的晶面和晶向上）,2.2材料的塑性、蠕变与黏弹性,晶体的一部分相对于另一部分发生平移滑动，（一般发生在原子密度大和晶向指数小的晶面和晶向上）滑移面，滑移方向滑移系：晶体的一个滑移面与该面上的一个滑移方向，组成一个滑移系。,BCC,滑移面：110,滑移方向：,滑移系数目：62=12,BCC还可能有滑移面：112、113,2.2材料的塑性、蠕变与黏弹性,FCC,滑移面：111,滑移方向：,滑移系数目：43=12,HCP,滑移面：0001,滑移方向：,滑移系数目：13=3,高温时，可能会产生新的滑移系。,2.2材料的塑性、蠕变与黏弹性,2.2材料的塑性、蠕变与黏弹性,2.2材料的塑性、蠕变与黏弹性,2.2材料的塑性、蠕变与黏弹性,延展性（ductility）：材料发生塑性形变而不断裂的能力。,金属材料：金属键没有方向性，滑移系统越多，容易发生滑移而产生塑性形变，具有较好的延展性；无机非金属材料的离子键和共价键具有明显的方向性，反之,2.2材料的塑性、蠕变与黏弹性,屈服强度（YieldStrength）,2.2材料的塑性、蠕变与黏弹性,数