材料科学和工程讲课文档

材料科学和工程第一页，共58页。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)前面内容总结复习第二页，共58页。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第三页，共58页。第四页，共58页。第五页，共58页。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

材料的性能第六页，共58页。MechanicalpropertyofmaterialsStressandstrainElasticdeformationModulusViscoelasticityPermanentdeformationStrengthFracture第七页，共58页。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纳米材料及效应第八页，共58页。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应力和应变第九页，共58页。MechanicalstatesofmaterialsA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)的力学状态第十页，共58页。弹性模量随温度升高而降低？第十一页，共58页。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。第十二页，共58页。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。第十三页，共58页。高模量陶瓷材料的力学特征高硬度高强度低延伸率第十四页，共58页。3.聚合物的力学状态

(Polymer)（1）

非晶态聚合物的三种力学状态

①

玻璃态

②

高弹态

③

粘流态第十五页，共58页。第十六页，共58页。（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，Tm<Tf，则在Tm与Tf之间将出现高弹态。

E分子量较低，Tm>Tf，则熔融之后即转变成粘流态第十七页，共58页。Tm、

Tf第十八页，共58页。

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第十九页，共58页。(stressandstrain)4-1-2应力和应变第二十页，共58页。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A4-1-2第二十一页，共58页。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第二十二页，共58页。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–l

0)/l

0=

l

/l

0l0l（1）简单拉伸(tension)工程应力

：

=F/A0

单位MPa第二十三页，共58页。Astandardtensilespecimen第二十四页，共58页。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第二十五页，共58页。工程应力

：

=F/A0真实应力

T：

T=F/ATA0>

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？第二十六页，共58页。第二十七页，共58页。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：

=tanθ

（2）简单剪切(shear)切应力：

s(

)=F/A0第二十八页，共58页。压缩应变

V：

V=(V0-V

)/V0

=

V/V0（3）均匀压缩(compress)F：周围压力p第二十九页，共58页。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/W

M:扭矩;W:截面系数第三十页，共58页。（5）弯曲

Flexuraldeformation弯矩

M最大扰度

max第三十一页，共58页。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/A

0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。第三十二页，共58页。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（

—

）五种类型下一页第三十三页，共58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。

返回第三十四页，共58页。(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。

返回第三十五页，共58页。应力

—应变实例第三十六页，共58页。第三十七页，共58页。第三十八页，共58页。4-1-3弹性形变Chapter7Chapter8ElasticDeformation

ElasticdeformationModulusofelasticity(Hook)(metalandceramics)Rubberlikeelasticity(elastomer)

Viscoelasticity(polymer)第三十九页，共58页。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。第四十页，共58页。1、Hooke定律和弹性模量

Hook’srawandModulusofelasticity弹性形变的力学特点:小形变、可回复第四十一页，共58页。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第四十二页，共58页。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，

γ=-ey/ex第四十三页，共58页。转化关系

E=3G/[1+G/3K]

K=E/[3(1-2γ)]

E=2G(1+γ)

E=3K(1-2γ)第四十四页，共58页。第四十五页，共58页。E=3K(1-2γ)第四十六页，共58页。第四十七页，共58页。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。

高分子材料低模量第四十八页，共58页。FIGURE7.19Typicalstress–strainbehaviortofractureforaluminumoxideandglass.第四十九页，共58页。查表知泊松比

=0.34查表知模量E=97GPa例题第五十页，共58页。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=σ/ε=516.8Kpa/2.1%=24.6MpaK=σ/(ΔV/V)Soν=0.5(1-E/3K)=6.89Mpa/[(1-0.9883)/1]=193.7MpaE=3K(1-2ν)ν=0.5[1-(24.6MPa)/(3

193.7MPa)=0.48例题第五十一页，共58页。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第五十二页，共58页。⑴高弹性，即橡胶弹性

(rubberlikeelasticity)①

弹性模量小、形变大。

A一