材料物理第1章

1、2021-12-5张萌南昌大学材料科学与工程学院张萌第一章张萌引言引言v力学性能描述的是材料承受力作用时表现出来的行为。力学性能描述的是材料承受力作用时表现出来的行为。v主要针对结构材料，包括金属、陶瓷、聚合物和复合材料。主要针对结构材料，包括金属、陶瓷、聚合物和复合材料。v一般认为材料的强度越高越好，但往往高强度伴随高脆性，一般认为材料的强度越高越好，但往往高强度伴随高脆性，意味着对微小裂纹有极高敏感性。意味着对微小裂纹有极高敏感性。v美日等国家综合分析由于断裂、疲劳和腐蚀造成的经济损失美日等国家综合分析由于断裂、疲劳和腐蚀造成的经济损失超过超过2000亿美元，其中约一半本来是可以通过使用已

2、知技亿美元，其中约一半本来是可以通过使用已知技术来避免的。术来避免的。v因此研究力学性能非常有意义。因此研究力学性能非常有意义。张萌0.3 0.3 学习本课的目的学习本课的目的 张萌张萌材料的性能与材料的力学性能材料的性能与材料的力学性能一、材料的种类 类型分：金属材料；非金属材料；复合材料。 用途分：结构材料；功能材料。二、材料的性能 物理性能：、Tm、Tb、Cp、磁导率，等； 化学性能：可燃性、反应性、抗氧化性，等； 力学性能：、HB、KIC，等； 工艺性能：热加工、冷加工性能，储存、运输性能，等； 生物性能：生物反应性、生物相容性等。张萌三、材料的力学性能三、材料的力学性能 1 1、定义

3、、定义 材料在外加载荷作用下，或者在载荷、加载速率和环境因素的联合作用下表现出的行为，称为材料的力学行为。 材料的力学性能指：材料在力的作用下，所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能。张萌 2 2、力学性能的指标、力学性能的指标 强度、硬度HB、塑性、韧性ak、断裂韧度KIC 等。 3 3、影响材料力学性能的主要因素、影响材料力学性能的主要因素 内因：晶体学特性；化学成分、显微组织、内部缺陷；残余应力 等。 外因：温度 、周围介质；加载方式、加载速率等。 不同外因（即服役工况）时，材料的力学性能的数值将发生改变。 张萌要点 1、金属静力学性能。 2、不同加载方式下的力学性能。

4、 3、环境对力学性能及其性能指标的影响。 4、不同种类材料的力学性能。张萌目的目的 1、掌握材料力学性能及其变化规律； 2、了解材料力学性能的微观机理； 3、能正确地选用材料； 4、具有研究开发新型结构材料的能力。 返回返回张萌材料力学性能概述材料力学性能概述 返回张萌位错理论的回顾位错理论的回顾一、位错理论的基本概念 1、晶体中的缺陷：点、线、面、体缺陷 2、位错的定义： 晶体内已滑移部分与未滑移部分在滑移面上的交界线，称为位错线。 3、位错的描述及种类： 柏氏矢量；刃位错、螺位错、混型位错。 4、位错的萌生与增殖：形核；F-R位错源理论。 5、位错的运动： 滑移、攀移、交滑移、交割与割阶

5、6、位错运动受阻： 塞积群、割阶、气团、面角位错 7、其他： 位错的应力场与弹性应变能；位错的受力；位错的分解或合成；典型晶体中的位错。张萌二、位错理论的作用 1、材料的理论强度远远高于实际强度； 2、材料的屈服-位错的萌生与增殖； 3、材料的加工硬化-位错运动受阻； 4、材料的断裂、蠕变的机理。 5、晶体生长速率的理论值与实际测量值的差异。 返回返回张萌主要内容主要内容1.1 材料的形变材料的形变1.2 材料的塑性、蠕变与粘弹性材料的塑性、蠕变与粘弹性1.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度1.4 材料的量子力学基础材料的量子力学基础专题专题 材料的力学与显微结构材料的力学与显微结构

6、张萌1.1材料的形变材料的形变v形变（形变（Deformation）v材料在外力的作用下发生形状与尺寸的变化材料在外力的作用下发生形状与尺寸的变化v力学性能或机械性能（力学性能或机械性能（Mechanical Property）v材料承受外力作用、抵抗形变的能力及其破坏规律材料承受外力作用、抵抗形变的能力及其破坏规律张萌不同材料的应力不同材料的应力应变关系示意图应变关系示意图张萌1.1.1 应力应力v应力（应力（Stress）:材料单位面积上所受的附加内力材料单位面积上所受的附加内力v其值等于单位面积上所受的外力其值等于单位面积上所受的外力 =F/Av在国际单位制中，应力的单位为牛顿在国际单位

7、制中，应力的单位为牛顿/米米2，v即即N/m2,又写为又写为Pa张萌体积元单位面积上的力可分解为法向体积元单位面积上的力可分解为法向应力和剪切应力，见图应力和剪切应力，见图:张萌1.1.1应力应力v 若材料受力前的面积为若材料受力前的面积为A0, 则则 0=F/A0称为名义应力；称为名义应力；v若材料受力后面积为若材料受力后面积为A, 则则 T=F/A0称为真实应力。称为真实应力。张萌应力张量（应力张量（Tensor）v xx xy xz ij = yx yy yx zx zy zz v法向应力法向应力 导致材料的伸长或缩短，导致材料的伸长或缩短， 而切向应力而切向应力 引起材料的切向畸变。引

8、起材料的切向畸变。v根据剪切应力互等的原理可知：根据剪切应力互等的原理可知： xy= yx， 故某点的应力状态由故某点的应力状态由6个应力分量来决定个应力分量来决定张萌1.1.2应变应变v应变（应变（Strain）：）： 材料受力时内部各质点之间的相对位移材料受力时内部各质点之间的相对位移v对于各向同性的材料，有三种基本应变对于各向同性的材料，有三种基本应变 类型：类型：拉伸应变拉伸应变 ， 剪切应变剪切应变 压缩应变压缩应变 张萌拉伸应变拉伸应变v拉伸应变是指材料受到垂直于截面积的大小相等、方向拉伸应变是指材料受到垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用在同一条直线上相反并作用在同一条直线上

9、的两个拉伸应力时材料发生的形变的两个拉伸应力时材料发生的形变v 一根长度为一根长度为L0的材料，在拉的材料，在拉 应力的作用下被拉长到应力的作用下被拉长到l1, 则在小伸长时，其拉伸应变为则在小伸长时，其拉伸应变为 0001lllll张萌真实应变真实应变 Tv橡胶类弹性体大伸长的拉伸应变为：橡胶类弹性体大伸长的拉伸应变为： (l/l0)-(l0/l)2301nllTlllldl10张萌剪切应变剪切应变v剪切应变剪切应变 是指材料受到平行于截面积的大小相等、是指材料受到平行于截面积的大小相等、 方向相反的两个剪切力时发生的形变：方向相反的两个剪切力时发生的形变： =tan 在小剪切力应变时在小剪

10、切力应变时 0张萌压缩应变压缩应变v压缩应变是指材料周围受到均匀应力压缩应变是指材料周围受到均匀应力P时，时， 其体积从开始时的其体积从开始时的V0变化为变化为V1=V0-V的的 形变形变:0010VVVVV张萌应变张量应变张量 xx xy xz ij = yx yy yx zx zy zz 其中其中 xy= yx，应变也由，应变也由6个独立分量决定个独立分量决定张萌1.1.3弹性形变弹性形变v对于理想的弹性材料，在应力的作用下会发生弹性形变对于理想的弹性材料，在应力的作用下会发生弹性形变（Elastic Deformation）,v其应力与应变关系服从其应力与应变关系服从Hook定律定律：=

11、 E v三种应变类型的弹性模量三种应变类型的弹性模量 杨氏模量杨氏模量E、剪切模量、剪切模量G、体积模量、体积模量B张萌泊松比（泊松比（Poissons Ration）v 泊松比泊松比 在拉伸试验中，材料横向单位面积的减少与纵向单在拉伸试验中，材料横向单位面积的减少与纵向单位面积长度的增加之比值，即位面积长度的增加之比值，即: = -t / v 在在E、G、B和和四个参数中只有两个独立：四个参数中只有两个独立： E=2G(1+) =3B(1-2)张萌弹性模量弹性模量v（原子间结合强度的标志之一）（原子间结合强度的标志之一）v 两类原子间结合力与原子间距关系曲线两类原子间结合力与原子间距关系曲线

12、v 弹性模量实际与曲线弹性模量实际与曲线上受力点的曲线斜率成上受力点的曲线斜率成 正比正比张萌两相复合材料两相复合材料v上限弹性模量上限弹性模量EH： 下限弹性模量下限弹性模量EL：v对于连续基体内含有封闭气孔时，总弹性模量的经对于连续基体内含有封闭气孔时，总弹性模量的经验公式为：验公式为： E=E0(1-1.9P+0.9P2) E0为无气孔时的弹性模量为无气孔时的弹性模量 P为气孔率为气孔率2211HVEVEE2211L/EV/EV1/E张萌广义的广义的Hook定律定律v同时受到三维方向上的应力作用时，描述弹性形变同时受到三维方向上的应力作用时，描述弹性形变采用广义的采用广义的Hook定律定

13、律 i和和j分别取值为分别取值为1，2，6，为，为v弹性刚度（弹性刚度（Elastic Stiffness）,属四阶张量属四阶张量v采用缩写命名法变为采用缩写命名法变为 klijklijCqpqPC张萌对应的矩阵表达式为对应的矩阵表达式为张萌1.4 粘性形变粘性形变v粘性形变（粘性形变（Viscous Deformation） 粘性物体在剪切应力作用下发生不可逆转的流动变形，该形变粘性物体在剪切应力作用下发生不可逆转的流动变形，该形变随时间增加而增大。随时间增加而增大。v理想粘性形变行为遵循牛顿粘性定律，即剪切应力与应变理想粘性形变行为遵循牛顿粘性定律，即剪切应力与应变率或流动速度梯度成成正比

14、率或流动速度梯度成成正比v 称为粘性系数（单位：称为粘性系数（单位：PaS）简称为粘度（）简称为粘度（Viscosity）dxdvdtd张萌牛顿流体牛顿流体v牛顿流体牛顿流体在足够的剪切力下或温度足够高时，无机材料中的陶瓷在足够的剪切力下或温度足够高时，无机材料中的陶瓷晶界、玻璃和高分子的非晶部分均匀产生粘性形变，因晶界、玻璃和高分子的非晶部分均匀产生粘性形变，因此高温下的氧化物流体、低分子溶液或高分子稀溶液大此高温下的氧化物流体、低分子溶液或高分子稀溶液大多属于牛顿流体多属于牛顿流体v非牛顿流体非牛顿流体而高分子浓溶液或高分子熔体不符合牛顿粘性定律，为而高分子浓溶液或高分子熔体不符合牛顿粘性

15、定律，为非牛顿流体。非牛顿流体。张萌粘度表达式粘度表达式v（粘度（粘度 随温度随温度T的升高而指数下降）根据牛顿粘性定律，的升高而指数下降）根据牛顿粘性定律，可得可得v可近似认为可近似认为 = 1= 2= 3，则流动体积，则流动体积V0= 3与分子体积大小相与分子体积大小相当，上式成为当，上式成为v )2kT(0sinh2)kT/E(exp3211)2kTV(sinh2)kT/E(exp00kT/E0E/kT00eeVkT张萌1.2 材料的塑性、蠕变与粘弹性材料的塑性、蠕变与粘弹性 1.2.1 材料的塑性材料的塑性v 塑性（塑性（Plasticity）：）： 材料在外力去除后仍保持部分应变的特

16、性材料在外力去除后仍保持部分应变的特性v延展性（延展性（Ductility）：）： 材料发生塑性形变而不断裂的能力材料发生塑性形变而不断裂的能力张萌塑性形变塑性形变v在足够大的剪切应力在足够大的剪切应力 作用下或温度作用下或温度T较高较高 时，材料中的晶体部分会沿着最易滑移的系时，材料中的晶体部分会沿着最易滑移的系 统在晶粒内部发生位错滑移，宏观上表现为统在晶粒内部发生位错滑移，宏观上表现为 材料的塑性形变。材料的塑性形变。v滑移和孪晶：晶体塑性形变两种基本形式滑移和孪晶：晶体塑性形变两种基本形式张萌滑移滑移v滑移是指在剪切应力作用下晶体一部分相对于另部分发滑移是指在剪切应力作用下晶体一部分相

17、对于另部分发生平移滑动。在显微镜下可观察到晶体表面出现宏观裂生平移滑动。在显微镜下可观察到晶体表面出现宏观裂纹，并构成滑移带。纹，并构成滑移带。v滑移一般发生在原子密度大的晶面和晶面指数小的晶向滑移一般发生在原子密度大的晶面和晶面指数小的晶向上。上。v例如：例如：NaCl型结构的离子晶体，其滑移系统包括型结构的离子晶体，其滑移系统包括110晶晶面和面和10晶向等。晶向等。张萌孪晶孪晶v孪晶是晶体材料中原子格点排列一部分孪晶是晶体材料中原子格点排列一部分 与另部分呈镜像对称的现象。镜界两侧与另部分呈镜像对称的现象。镜界两侧 的晶格常数可能相同、也可能不同。的晶格常数可能相同、也可能不同。张萌实际

18、晶体材料的滑移实际晶体材料的滑移v由于使位错运动所需的剪切应力比使晶体两部分由于使位错运动所需的剪切应力比使晶体两部分 整体相互滑移所需的应力小得多整体相互滑移所需的应力小得多.因此实际晶体材料的滑移因此实际晶体材料的滑移是位错缺陷在滑移面上沿滑移方向运动的结果，是位错缺陷在滑移面上沿滑移方向运动的结果，v温度高时，位错运动的速度快，使得诸如氧化铝温度高时，位错运动的速度快，使得诸如氧化铝 等在室温下不易滑移的脆性材料，在一千度以上的高温时等在室温下不易滑移的脆性材料，在一千度以上的高温时也能产生一定程度的塑性形变而呈现一定程度的韧性。也能产生一定程度的塑性形变而呈现一定程度的韧性。张萌1.2

19、.2 材料的蠕变材料的蠕变v蠕变（蠕变（Creep）是在恒定的应力作用下材料的应变）是在恒定的应力作用下材料的应变 随时间随时间t增加而逐渐增大的现象。增加而逐渐增大的现象。v影响蠕变的因素有：温度、应力、组分、晶体键型、气孔、影响蠕变的因素有：温度、应力、组分、晶体键型、气孔、晶粒大小和玻璃相等。晶粒大小和玻璃相等。v低温表现脆性的材料，在高温时往往具有不同程度的蠕变行低温表现脆性的材料，在高温时往往具有不同程度的蠕变行为，有关材料的蠕变理论有为，有关材料的蠕变理论有: 位错蠕变理论、扩散蠕变理论和晶界蠕变理论等。位错蠕变理论、扩散蠕变理论和晶界蠕变理论等。张萌位错蠕变理论位错蠕变理论v认为

20、在低温时受到阻碍而难以发生运动的位错，在认为在低温时受到阻碍而难以发生运动的位错，在高温时由于热运动增大了原子的能量，使得位错能高温时由于热运动增大了原子的能量，使得位错能克服阻碍发生运动而导致材料的蠕变。温度越高，克服阻碍发生运动而导致材料的蠕变。温度越高，位错运动的速度越高，蠕变也越大。位错运动的速度越高，蠕变也越大。张萌扩散蠕变理论扩散蠕变理论v认为材料在高温下的蠕变现象与晶体中的认为材料在高温下的蠕变现象与晶体中的扩散现象类似，蠕变过程是在应力作用下扩散现象类似，蠕变过程是在应力作用下空位沿应力作用方向（或晶粒沿相反方向）空位沿应力作用方向（或晶粒沿相反方向）扩散的一种形式扩散的一种形

21、式张萌晶界蠕变理论晶界蠕变理论v认为多晶界材料由于存在大量的晶界，当晶认为多晶界材料由于存在大量的晶界，当晶界位相差大时，可把晶界看成非晶体，在温界位相差大时，可把晶界看成非晶体，在温度较高时，晶界粘度迅速下降，应力使得晶度较高时，晶界粘度迅速下降，应力使得晶界发生粘性流动而导致蠕变。界发生粘性流动而导致蠕变。张萌1.2.3 材料的粘弹性材料的粘弹性v自然界中实际存在的材料，其形变一般介于理想弹自然界中实际存在的材料，其形变一般介于理想弹性固体与理想粘性液体之间，即具有固体的弹性又性固体与理想粘性液体之间，即具有固体的弹性又具有液体的粘性，即粘弹性（具有液体的粘性，即粘弹性（Visoelast

22、icity）.最典型的是高分子材料最典型的是高分子材料v 粘弹性材料的力学性质与时间有关粘弹性材料的力学性质与时间有关,具有力学松弛具有力学松弛的特征的特征,常见的力学松弛现象有蠕变、应力松弛、滞常见的力学松弛现象有蠕变、应力松弛、滞后和力损耗等。后和力损耗等。张萌材料的蠕变材料的蠕变v高分子材料的总应变包括三部分：高分子材料的总应变包括三部分： 1为普弹应变为普弹应变v（对应分子内部链长和键角在受力时的瞬时形变），（对应分子内部链长和键角在受力时的瞬时形变）， 2为高弹应变为高弹应变v（对应分子链段在受力时的逐渐伸展的形变），（对应分子链段在受力时的逐渐伸展的形变）， 3为粘性应变为粘性应变

23、v（对应没有化学交联的线性分子链受力时的相对滑移形）。（对应没有化学交联的线性分子链受力时的相对滑移形）。张萌高分子材料蠕变与回复曲线高分子材料蠕变与回复曲线张萌应力松弛应力松弛v应力松弛是指在恒定的应变时，材料的内部的应力应力松弛是指在恒定的应变时，材料的内部的应力随时间增长而减小的现象。其本质与蠕变原因相同，随时间增长而减小的现象。其本质与蠕变原因相同，同样反映高分子材料分子链的三种形变：同样反映高分子材料分子链的三种形变：v 0为初始应力，为初始应力， 为松弛时间，为松弛时间，t为时间为时间/ t0e张萌滞后滞后v滞后滞后 交变应力作用下形变落后于应力变化的现象交变应力作用下形变落后于应

24、力变化的现象v原因：原因：在外力作用和去除中，大分子的形变使大分子链段发生重排，这在外力作用和去除中，大分子的形变使大分子链段发生重排，这种过程需要一定的时间，导致应变的产生滞后于应力的作用。种过程需要一定的时间，导致应变的产生滞后于应力的作用。v若应力表达式为若应力表达式为 则应变为则应变为 v应变滞后于应力的相位差，应变滞后于应力的相位差， 越大则应变落后于应力越大则应变落后于应力tsin) t (0)t(sin) t (0张萌力损耗力损耗v力损耗力损耗W：当应变滞后于应力时每一循环周期损失：当应变滞后于应力时每一循环周期损失的能量。的能量。v这种损失的能量转变为热能，若来不及散，这种损失

25、的能量转变为热能，若来不及散， 则会导则会导致材料内部温度上升，影响材料的使用寿命致材料内部温度上升，影响材料的使用寿命v v 称为力学损耗角，常用力学损耗角正切称为力学损耗角，常用力学损耗角正切tan 表示表示力损耗力损耗dtdt) t (d) t (W张萌力学损耗角正切力学损耗角正切tan v力学损耗角正切力学损耗角正切tan 与与log 的关系图的关系图v力学损耗角正切力学损耗角正切tan 与温度的关系与温度的关系张萌静态力学松弛静态力学松弛v蠕变和应力松弛：静态力学松弛过程或静态粘弹性蠕变和应力松弛：静态力学松弛过程或静态粘弹性v在实际生产中，作为工程材料，蠕变越小越好。在实际生产中，

26、作为工程材料，蠕变越小越好。如聚四氟乙烯的蠕变严重，不能作为机械零件，但具有如聚四氟乙烯的蠕变严重，不能作为机械零件，但具有很好的自润滑特性，是很好的密封材料；很好的自润滑特性，是很好的密封材料；橡胶材料硫化交联的方法是为了防止因分子间滑移的粘橡胶材料硫化交联的方法是为了防止因分子间滑移的粘性形变而引起的蠕变；性形变而引起的蠕变；又如材料加工时会产生内应力，常用升温退火的方法来又如材料加工时会产生内应力，常用升温退火的方法来消除，以防止产品弯曲或开裂。消除，以防止产品弯曲或开裂。张萌动态力学松弛动态力学松弛v滞后和力损耗：动态力学松弛或动态粘弹性，此滞后和力损耗：动态力学松弛或动态粘弹性，此时应力和应变均匀为时间的函数。时应力和应变均匀为时间的函数。v在实际的应用中，对于在交变应力作用下工作的在实际的应用中，对于在交变应力作用下工作的轮胎和传动皮带等橡胶制品，希望其轮胎和传动皮带等橡胶制品，希望其tan 越小越越小越好。以便吸收更多的能量，以增强防震和隔音效好。以便吸收更多的能量，以增强防震和隔音效果。果。张萌时效等温原理时效等温原理v材料的粘弹性力学松弛现象，不