认证主体：雷**（实名认证）
IP属地：湖北
下载本文档
1、材材 料料 学学 无机材料物理性能无机材料物理性能无机材料物理性能无机材料物理性能 材料学材料学材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 v前言前言v无机材料概论无机材料概论v无机材料的受力形变无机材料的受力形变v无机材料的塑性断裂和强度无机材料的塑性断裂和强度v无机材料的热学性能无机材料的热学性能v无机材料的电、光、磁、声等性能简介无机材料的电、光、磁、声等性能简介材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 材材 料料 学学无机材
2、料物理性能无机材料物理性能 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 Three Gorges, China. Worlds largest concrete gravity dam (27.99 million m3 concrete)材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 Qinghai-Tibet railway, China the, China. Worlds highest and the longest plateau railway (5072 m; 1956 km)材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理
3、性能 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 道路电视塔大桥大坝隧道机场房屋世界上最大的工程建设量材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 高雄高雄85国际广场国际广场高楼大厦高楼大厦材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 大跨度桥梁大跨度桥梁材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 大型建筑大型建筑 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 特种结构特种结构材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 前言前言无机非金属材料无机非金属材料 陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥等建筑材料以及氧化物和非氧化物陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥等建筑材料以及氧化物和非
4、氧化物本课程内容本课程内容 研究无机非金属材料的各种物理性能，不涉及到化学性能。主要研究无机非金属材料的各种物理性能，不涉及到化学性能。主要性能为无机材料的变形与力学性能，脆性断裂与强度以及热学、光学性能为无机材料的变形与力学性能，脆性断裂与强度以及热学、光学、电导、介电、压电和磁学等性能。这些性能基本上都是各个领域在、电导、介电、压电和磁学等性能。这些性能基本上都是各个领域在研制和应用无机非金属材料中，对它们提出的一系列技术要求，也是研制和应用无机非金属材料中，对它们提出的一系列技术要求，也是这些材料的本征参数。这些材料的本征参数。 因此，首先要掌握材料的这些本征参数的物理意义和单位以及它因
5、此，首先要掌握材料的这些本征参数的物理意义和单位以及它们在实际问题中的地位。其次，要搞清这些参数的来源，即性能和材们在实际问题中的地位。其次，要搞清这些参数的来源，即性能和材料组成、结构和构造的关系。掌握这些性能参数的物质规律，从而为料组成、结构和构造的关系。掌握这些性能参数的物质规律，从而为判断材料的优劣，正确选择和使用材料，改变材料的性能，探索新材判断材料的优劣，正确选择和使用材料，改变材料的性能，探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础料、新性能、新工艺打下理论基础材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 课程的先修内容：课程的先修内容： 工程力学，物理化学，材料结构基础，固体物理
6、，测试方法，工程力学，物理化学，材料结构基础，固体物理，测试方法，硅酸盐工艺硅酸盐工艺无机材料物理性能研究方法：无机材料物理性能研究方法： 经验方法，在大量实验数据的基础上经过对数据的分析处理，经验方法，在大量实验数据的基础上经过对数据的分析处理，整理经验方程来表示它们的函数关系；整理经验方程来表示它们的函数关系； 微观分析方法：从反映物质本质的微观机理入手，利用原子间微观分析方法：从反映物质本质的微观机理入手，利用原子间的相互作用，点阵振动的波形方程，按物性的有关规律，建立物理的相互作用，点阵振动的波形方程，按物性的有关规律，建立物理模型，用数学方法求解，得到理论方程式。模型，用数学方法求解
7、，得到理论方程式。 在材料性能的研究中，为了阐明材料的宏观构造和微观结构，在材料性能的研究中，为了阐明材料的宏观构造和微观结构，在各种性能的实验检测时，常常进行材料的微观形貌（透射电镜，在各种性能的实验检测时，常常进行材料的微观形貌（透射电镜，扫描电镜）及矿物相（扫描电镜）及矿物相（x x衍射）分析，以便取得物质结构和成分的衍射）分析，以便取得物质结构和成分的宏观及亚微观方面的直观验证。宏观及亚微观方面的直观验证。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 无机非金属材料简介无机非金属材料简介n材料：材料就是用以制造有用物件的物质。材料：材料就是用以制造有用物件的物质。n历史上人们把材料
8、做为人类进步的里程碑：历史上人们把材料做为人类进步的里程碑： 如石器时代，铜器时代，铁器时代等。如石器时代，铜器时代，铁器时代等。 到了到了20世纪世纪60年代，人们把材料、信息与能源誉为当代文明年代，人们把材料、信息与能源誉为当代文明的三大支柱；的三大支柱；70年代又把新型材料、信息技术和生物技术认为年代又把新型材料、信息技术和生物技术认为是新技术革命的主要标志。表明材料的发展与社会文明的进步是新技术革命的主要标志。表明材料的发展与社会文明的进步有着十分密切的关系。有着十分密切的关系。 如从半导体到计算机；高强度、高温、超轻质结构材料到现如从半导体到计算机；高强度、高温、超轻质结构材料到现代
9、航空、航天技术的发展。相反，由于光电转换材料的原因，代航空、航天技术的发展。相反，由于光电转换材料的原因，太阳能的利用没能得到充分利用。太阳能的利用没能得到充分利用。 近年来，髙临界温度氧化物超导体得发展，引起了全世界科近年来，髙临界温度氧化物超导体得发展，引起了全世界科学界得关注，主要是因为超导材料可以推动科学技术产生飞越学界得关注，主要是因为超导材料可以推动科学技术产生飞越性的进展。材料是一切科学技术的物质基础。性的进展。材料是一切科学技术的物质基础。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 上个世纪上个世纪6060年代初，美国学者首先提出材料科学这个名词。由年代初，美国学者首先提
10、出材料科学这个名词。由于材料的获得、质量的改进离不开生产工艺和制造技术等工程知识于材料的获得、质量的改进离不开生产工艺和制造技术等工程知识，故把材料科学与工程相提并论，而称为，故把材料科学与工程相提并论，而称为“材料科学与工程材料科学与工程”，新，新学科划分为一级学科。学科划分为一级学科。 材料包括金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大材材料包括金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大材料，近年又出现上述各材料组合而成的复合材料系列。料，近年又出现上述各材料组合而成的复合材料系列。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 无机非金属材料是由传统的硅酸盐材料发展而来，硅酸盐材无
11、机非金属材料是由传统的硅酸盐材料发展而来，硅酸盐材料包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料。在欧美总称陶瓷，在日本料包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料。在欧美总称陶瓷，在日本原来多称窑业。因此无机非金属材料按成分可划分为传统陶瓷材原来多称窑业。因此无机非金属材料按成分可划分为传统陶瓷材料和近代（现代、精细、特种）陶瓷（包括高纯氧化物、非氧化料和近代（现代、精细、特种）陶瓷（包括高纯氧化物、非氧化物、金属陶瓷等复合材料）。物、金属陶瓷等复合材料）。 无机非金属材料按性能和用途又可划分结构材料（结构陶瓷无机非金属材料按性能和用途又可划分结构材料（结构陶瓷）和功能材料（功能陶瓷）。）和功能材料（功能陶瓷）。 材
12、材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 材料科学与工程发展前沿：材料科学与工程发展前沿：n 结构材料的复合化：结构材料的复合化：高强度（高比强度）、超硬度、高强度（高比强度）、超硬度、高韧性、耐超高温、梯度材料高韧性、耐超高温、梯度材料n信息材料的高度集成化：信息材料的高度集成化：从从1 1维集成向维集成向3 3维方向维方向 发展发展n低维材料：低维材料：0 0维维- -纳米材料，纳米材料，1 1维维- -纤维，纤维，2 2维维- -涂层、薄涂层、薄膜膜n非平衡态体系：非平衡态体系：准晶：采用淬冷方法，在不同的合金准晶：采用淬冷方法，在不同的合金系统中发现了不符合传统结晶学理论的系统中
13、发现了不符合传统结晶学理论的5 5次、次、8 8次、次、1010次与次与1212次对称晶体。次对称晶体。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 正在发展中的几类材料：高温超导材料：高临界温度低（零）电阻材料中间化合物：两种或两种以上金属或类金属所形成的化合物。功能陶瓷：光纤维，介电，光电，磁性材料特种高温结构材料：高温陶瓷，高分子材料新材料发展方向：向深层加工发展；功能材料和器件材料的一体化；智能材料:如记忆材料。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 材料科学与工程研究的重点：材料科学与工程研究的重点：v新工艺、新技术和新合成方法的探索新工艺、新技术和新合成方法的探索v组
14、成、结构与性能的关系，特别是在接近使用条件组成、结构与性能的关系，特别是在接近使用条件下的性能研究下的性能研究v重视高精度仪器和设备的发展重视高精度仪器和设备的发展v运用电子计算机开展研究运用电子计算机开展研究材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 材料科学与工程四要素的关系使用效能合成与制造过程组成与结构性质（工程）（化学）（物理学）材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 基础学科数,理,化,生,地 成分 结构 性能性能的表征与检测 工艺流程制备科学与工艺 工程材料 实际应用新息 能源 交通运输 机械制造材料科学与工程的范围及与基础科学和使用间的关系材料科学与工程的范围及
15、与基础科学和使用间的关系材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 1 无机材料的受力形变无机材料的受力形变1 1.1 .1 无机材料的应力、应变及弹性形变无机材料的应力、应变及弹性形变 各种材料在外力作用下，发生形状和大小的变化，各种材料在外力作用下，发生形状和大小的变化，称为形变。称为形变。 不同材料的变形行为是不同的，如图不同材料的变形行为是不同的，如图1.11.1所示。所示。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 绝大多数无机材料的变形行为如图中曲线绝大多数无机材料的变形行为如图中曲线( (a)a)所示，即在弹所示，即在弹性变形后没有塑行形变（或塑行形变很小），接着就是
16、断裂，总性变形后没有塑行形变（或塑行形变很小），接着就是断裂，总弹性应变能非常小，这是所有脆性材料的特征。对于延性材料，弹性应变能非常小，这是所有脆性材料的特征。对于延性材料，如低碳钢，开始为弹性形变，接着有一段弹塑性形变，然后才断如低碳钢，开始为弹性形变，接着有一段弹塑性形变，然后才断裂，总变形能很大，如图中曲线裂，总变形能很大，如图中曲线( (b)b)所示。橡皮这类高分子材料具所示。橡皮这类高分子材料具有极大的弹性形变，如图中曲线有极大的弹性形变，如图中曲线( (c)c)所示，是没有残余形变的材料所示，是没有残余形变的材料，称为弹性材料。，称为弹性材料。材材 料料 学学无机材料物理性能无机
17、材料物理性能 无机材料的形变是重要的力学性能，与材料的制造、加工和使用都有密切的关系。因此，研究无机材料在受力情况下产生形变的规律是有重要意义的。1.1.11.1.1应力应力 在分析形变时通常有应力的概念。应力的定义为应力的定义为单位面积上所受内力，单位面积上所受内力，即材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 AF0 00/AF式中式中 F F为外力，为外力，为应力，应力的单位为为应力，应力的单位为PaPa，A A为面积。为面积。 如果材料受力前的初始面积为如果材料受力前的初始面积为A A0 0，则则0 0叫名义应力。实际上一叫名义应力。实际上一般都用名义应力。如果般都用名义应力。如
18、果A A为受力后的真实面积，则为受力后的真实面积，则叫真实应力。但叫真实应力。但对于形变总量很小的无机材料，二者数值上相差不大，只在高温蠕对于形变总量很小的无机材料，二者数值上相差不大，只在高温蠕变情况下，才有显著的差别。变情况下，才有显著的差别。 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 围绕材料内部的一点围绕材料内部的一点P P取一体积单元，体积元的六个面均垂直取一体积单元，体积元的六个面均垂直于坐标轴于坐标轴x,y,zx,y,z。在这六个面上的作用应力可分解为法向应力在这六个面上的作用应力可分解为法向应力xxxx，yyyy，zzzz和剪应力和剪应力xyxyyzyz，zxzx等，如
19、图等，如图1.21.2。 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 每个面上都有一个法向应力每个面上都有一个法向应力和两个剪应力和两个剪应力。应力分量应力分量和和的下标第一个字母表示应力作用面的法线方向，第二个字母表示应力的下标第一个字母表示应力作用面的法线方向，第二个字母表示应力作用的方向。作用的方向。 法向应力若为拉应力，则规定为正；若为压应力，则规定为负。法向应力若为拉应力，则规定为正；若为压应力，则规定为负。 剪应力分量的正负规定如下：剪应力分量的正负规定如下： 如果体积元任一面上的法向应力与坐标轴的正方向相同，则该面如果体积元任一面上的法向应力与坐标轴的正方向相同，则该面上的
20、剪应力指向坐标轴的正方向者为正；如果该面上的法向应力指向上的剪应力指向坐标轴的正方向者为正；如果该面上的法向应力指向坐标轴的负方向，则剪应力指向坐标轴的负方向者为正。根据上述规坐标轴的负方向，则剪应力指向坐标轴的负方向者为正。根据上述规定，图定，图1.21.2上所表示的所有应力分量都是正的。上所表示的所有应力分量都是正的。 根据平衡条件，体积元上相对的两个平行面上的法向应力应该是根据平衡条件，体积元上相对的两个平行面上的法向应力应该是大小相等、正负号一样。大小相等、正负号一样。 作用在体积元上任一平面上的两个剪应力应该互相垂直。根据剪作用在体积元上任一平面上的两个剪应力应该互相垂直。根据剪应力
21、互等定理，应力互等定理，xyxy=yxyx，余类推。故一点的应力状态由六个应力分余类推。故一点的应力状态由六个应力分量决定，即量决定，即xxxx,yyyy,zzzz和和xyxy，yzyz，zxzx。 法向应力导致材料的伸长或缩短，剪应力引起材料的剪切畸变。法向应力导致材料的伸长或缩短，剪应力引起材料的剪切畸变。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 1.1.21.1.2应变应变 应变是用来描述物体内部的各质点之间的相对位移的。应变是用来描述物体内部的各质点之间的相对位移的。 如果材料是理想刚体，就不会有相对位移，物体也就不会发生如果材料是理想刚体，就不会有相对位移，物体也就不会发生形
22、变。实际材料为非刚体，在受力之下材料内部各质点之间会发生形变。实际材料为非刚体，在受力之下材料内部各质点之间会发生相对位移。一跟长度为相对位移。一跟长度为L L0 0的杆，在单向拉应力作用下被拉长到的杆，在单向拉应力作用下被拉长到L L1 1，则应变的定义为：则应变的定义为：0001LLLLL 01ln10LLLdLLLture式中式中叫名义应变。如果上式中分母不是原来的长度叫名义应变。如果上式中分母不是原来的长度L L0 0，而是随拉伸而是随拉伸而变化的真实长度而变化的真实长度L L，则真实应变定义为：则真实应变定义为：材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 在剪应力作用下发生剪切
23、形变。剪应变的定义为物体内部一在剪应力作用下发生剪切形变。剪应变的定义为物体内部一体积元上的二个面元（或特征面上的二个线元）之间的夹角的变体积元上的二个面元（或特征面上的二个线元）之间的夹角的变化。化。 如图如图1.31.3，考察，考察z z面上的剪应变。形变未发生时线元面上的剪应变。形变未发生时线元OAOA及及OBOB之之间的夹角形变后为间的夹角形变后为A AOBOB，则则x, yx, y间的剪应变定义为：间的剪应变定义为： xy 研究物体中一点（如研究物体中一点（如O O点）的应变状态，也和研究应力一样，点）的应变状态，也和研究应力一样，在物体内围绕该点取出一体积元在物体内围绕该点取出一体
24、积元dxdydzdxdydz，如图如图1.31.3所示。所示。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 如果该物体发生形变，如果该物体发生形变，O O 沿沿x, y, zx, y, z方向的位移分量为方向的位移分量为u, v, u, v, w w，那么那么x x 轴上轴上O O点邻近的一点点邻近的一点A A由于由于O O点有位移点有位移u, Au, A点位移随点位移随x x 的增加而增加，的增加而增加，A A点位移将是，则点位移将是，则OAOA的长度增加了。因此，在的长度增加了。因此，在O O点处沿点处沿x x 方向的正应变（单位伸长）
25、是方向的正应变（单位伸长）是dxxuuxxxudxdxxu/yvyyzwzz同理同理材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 现在考察线段现在考察线段OAOA及及OBOB之间的夹角变化，之间的夹角变化，A A点沿点沿y y方向的方向的位移为位移为v+v/xdxv+v/xdx，B B点沿点沿x x方向的位移为方向的位移为u+u/ydyu+u/ydy，由于这些位移，线段由于这些位移，线段OAOA的新方向的新方向O OA A与原来的方向之间的与原来的方向之间的畸变夹角为（畸变夹角为（ v+v/xdxv+v/xdx - -v v）/dx=v/x/dx=v/x，同理，同理，OBOB与与O OB
26、B之间的畸变夹角为之间的畸变夹角为u/yu/y，由此可见，线段由此可见，线段OAOA与与OBOB之间原来的直角减少了之间原来的直角减少了v/xv/x + + u/yu/y 。 因此，平面因此，平面xzxz与与yzyz之间的剪应变为之间的剪应变为xv材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 zuxwywzvxvyuzxyzxy材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 和一点的应力状态可有六个应力分量来决定一样，和一点的应力状态可有六个应力分量来决定一样，一点的应变状态也由与应力分量对应的六个应变分量来一点的应变状态也由与应力分量对应的六个应变分量来决定：即三个剪应变分量决定：即三
27、个剪应变分量xyxy，yzyz，zxzx及三个伸长应及三个伸长应变分量变分量xxxx，yyyy，zzzz 。 对于法向应力分量及单位伸长应变分量也可以省去对于法向应力分量及单位伸长应变分量也可以省去一个下标，写成一个下标，写成x x,y y,z z及及x x，y y，z z 。 有了应力、应变分量就可以定量地研究物体的受力有了应力、应变分量就可以定量地研究物体的受力形变。形变。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 1.1.31.1.3无机材料的弹性变形行为无机材料的弹性变形行为(1)(1)广义虎克定律广义虎克定律 无机材料、金属木材等许多重要材料，在正常温度下，当应力不无机材料、金
28、属木材等许多重要材料，在正常温度下，当应力不大时变形是单纯的弹性变形，应力与应变之间的关系已由实验建立，大时变形是单纯的弹性变形，应力与应变之间的关系已由实验建立，就是下面要介绍的虎克定理。设想一长方体，各棱边平行于坐标轴，就是下面要介绍的虎克定理。设想一长方体，各棱边平行于坐标轴，在垂直与在垂直与x x轴的两个面上受有均匀分布的正应力，如图轴的两个面上受有均匀分布的正应力，如图1.41.4所示。所示。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 实验证明，对于各向同性体，这些正应力不会引起长方体的角实验证明，对于各向同性体，这些正应力不会引起长方体的角度改变。长方体在度改变。长方体在x
29、x轴向的相对伸长可表示为：轴向的相对伸长可表示为： 这就是虎克定律。它说明应力与应变之间为线性关系。这就是虎克定律。它说明应力与应变之间为线性关系。式中式中x x=L/L=L/L为正应变为正应变; ; E- E-为弹性模量，对各向同性体为一常数。为弹性模量，对各向同性体为一常数。 当长方体伸长时，侧向要发生横向收缩，如图当长方体伸长时，侧向要发生横向收缩，如图1.41.4。x x单独作用单独作用时，在时，在y, zy, z方向的收缩为方向的收缩为Exx(1.7)(1.7)材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 横向变形系数横向变形系数cccccybbbbbzxzxy叫做泊松比，由叫做
30、泊松比，由(1.7)(1.7)式可得式可得ExxyExz材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 如上述长方体各面分别受有均匀分布的正应力，则在各方向的如上述长方体各面分别受有均匀分布的正应力，则在各方向的总应变可以将三个应力分量中的第一个应力分量所引起的应变分量总应变可以将三个应力分量中的第一个应力分量所引起的应变分量叠加而求得，此时虎克定律表示为：叠加而求得，此时虎克定律表示为： yxzzzxyyzyxxEEE111对于剪切应变，则有对于剪切应变，则有 GGGzxzxyzyzxyxy式中，式中，G G为剪切模量或刚性模量。为剪切模量或刚性模量。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材
31、料物理性能 G G，E E，之间有下列关系之间有下列关系12EG在各向同等的压力（等静压）在各向同等的压力（等静压）P P作用下，作用下，x x=y y=z z= =，则有，则有1221EPPPEzyx相应的体积变化为：相应的体积变化为： 1111VV材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 将上式展开，略去的二次项以上的微量，得将上式展开，略去的二次项以上的微量，得 1233EPVV定义各向同等的压力除以体积变化为材料的体积模量：定义各向同等的压力除以体积变化为材料的体积模量：213123/EEVVPK 上述各种结果是假定材料为各向同性体而得出的。大多数多晶体材料上述各种结果是假定材
32、料为各向同性体而得出的。大多数多晶体材料虽然微观上各晶粒具有方向性，但因晶粒数量很大，且随机排列，故宏观虽然微观上各晶粒具有方向性，但因晶粒数量很大，且随机排列，故宏观上可以当做各向同性体处理。上可以当做各向同性体处理。 对于弹性形变，一般金属的泊松比为对于弹性形变，一般金属的泊松比为0.290.290.330.33，大多数无机材料为，大多数无机材料为0.20.20.250.25。无机材料的弹性模量随材料不同变化范围很大，约为。无机材料的弹性模量随材料不同变化范围很大，约为10109 910101111a a。单晶及具有织构的材料或复合材料（用纤维增强的）具有明单晶及具有织构的材料或复合材料（
33、用纤维增强的）具有明显的方向性。在这种情况下，各种弹性常数随方向而不同，虎克定律描述显的方向性。在这种情况下，各种弹性常数随方向而不同，虎克定律描述了更一般的应力应变关系。了更一般的应力应变关系。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 同理同理 zyxEEEzxyzxy在单向受应力在单向受应力x x时，时，y, zy, z两个方向的应变为两个方向的应变为xxxyxxyxyxSE21式中式中 xyxES21称之为弹性柔顺系数。称之为弹性柔顺系数。 ，XxxzxzxSE31xzxES31xxxxxSE11xES111材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 柔顺系数的下标中，十位
34、数为应变方向，个位数为所受力的柔顺系数的下标中，十位数为应变方向，个位数为所受力的方向。对于同时受有三向的各向异性材料，除正应力对应变有上述方向。对于同时受有三向的各向异性材料，除正应力对应变有上述关系外，剪应力关系外，剪应力x也会对正应变也会对正应变xy有影响。而且，正应力有影响。而且，正应力x也会对剪也会对剪应变应变xy有影响，写成三向通式为有影响，写成三向通式为xyzxyzzzyyxxxyxyzxyzzzyyxxzxxyzxyzzzyyxxyzxyzxyzzzyyxxzxyzxyzzzyyxxyxyzxyzzzyyxxxSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS
35、SS666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211据研究，由于倒顺关系据研究，由于倒顺关系 ,jiijSS代入式代入式(1.16)(1.16)，的数目由，的数目由3636个减少至个减少至2121个。个。(1.16)矩阵表达式：矩阵表达式： ( (i i)=(S)=(Sijij)()(j j) i=1,2,3,) i=1,2,3, j=1,2,3, j=1,2,3, 212112EE材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 6665654643632621616656555454353252
36、15156465454443432421414636535434333232131362652542432322212126165154143132121111CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC也可以用另一种形式表示：也可以用另一种形式表示：式中 Cij为刚性系数，为对应柔顺系数Sij的倒数。矩阵表达式：矩阵表达式： ( (i i)=(C)=(Cijij)()(j j) i=1,2,3,) i=1,2,3, j=1,2,3, j=1,2,3,材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 由于晶体的对称性，例如对斜方晶系，晶轴与轴间夹角特征为，由于晶体的
40、材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 （2 2）弹性模量的意义）弹性模量的意义表明材料抵抗弹性变形的能力表明材料抵抗弹性变形的能力- -刚度；刚度；单晶体材料单晶体材料- -各向异性；多晶体材料各向异性；多晶体材料- -（基本上）各向同性。（基本上）各向同性。对于按照刚度要求设计的构件，应选用弹性模量值高的材料。因为用弹对于按照刚度要求设计的构件，应选用弹性模量值高的材料。因为用弹性模量高的材料制成的构件受到外力作用时，保持其固有尺寸和形状的性模量高的材料制成的构件受到外力作用时，保持其固有尺寸和形状的能力强，即构件的刚度高。能力强，即构件的刚度高。材材 料料 学学无机材料物理性能
41、无机材料物理性能 厚度减到 11.5mm 最大弹性变形 0.0299mm 原有厚度：13.5mm 最大弹性变形 0.0245mm 对车轮减重进行了对车轮减重进行了FEM模拟计算，确认减薄、减重的可行性模拟计算，确认减薄、减重的可行性模拟计算结果：最大弹性变形相差模拟计算结果：最大弹性变形相差0.005mm，满足要求，满足要求 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 弹性模量的影响因素弹性模量的影响因素 与晶格类型和原子间距密切相关；与晶格类型和原子间距密切相关； 化学成分：合金中固溶溶质元素虽然可以化学成分：合金中固溶溶质元素虽然可以改变合金的晶格常数，但对于常用钢铁合金改变合金的晶
42、格常数，但对于常用钢铁合金来说，合金化对其晶格常数改变不大，因而来说，合金化对其晶格常数改变不大，因而对弹性模量影响很小。对弹性模量影响很小。 热处理改变组织的强化工艺，但对弹性模热处理改变组织的强化工艺，但对弹性模量值影响不大。量值影响不大。 冷塑性变形使冷塑性变形使E值稍有降低，一般降低值稍有降低，一般降低4%6%，但当变形量很大时，因形变织构而，但当变形量很大时，因形变织构而使其出现各向异性，沿变形方向使其出现各向异性，沿变形方向 E 值最大。值最大。 对于钢铁材料来说，每加热对于钢铁材料来说，每加热100，其弹，其弹性模量性模量E值就下降值就下降3%5%。但在。但在-5050范围内，钢
43、的范围内，钢的E值变化不大，可以不考虑温度值变化不大，可以不考虑温度的影响。的影响。加载速度对弹性模量也没有大的影响。加载速度对弹性模量也没有大的影响。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 弹性模量与原子间的结合力曲线上任一受力点的曲线斜率有关。弹性模量与原子间的结合力曲线上任一受力点的曲线斜率有关。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 在不受外力的情况下，在不受外力的情况下，tgtg就反映了弹性模量的大小。就反映了弹性模量的大小。原子间结合力弱，如图中曲线，原子间结合力弱，如图中曲线，1 1较小，较小，tgtg1 1较小，较小，1 1也也就小；原子间结合力强，如图中曲
44、线，就小；原子间结合力强，如图中曲线，2 2和和tgtg2 2都较大，都较大，2 2也就大。也就大。 共价键、离子键结合的晶体，结合力强，都较大。分子共价键、离子键结合的晶体，结合力强，都较大。分子键结合力弱，这样键合的物体较低。键结合力弱，这样键合的物体较低。 由图还可看出，改变原子间距离将影响弹性模量。例如压由图还可看出，改变原子间距离将影响弹性模量。例如压应力使原子间距离变小，曲线上该受力点的斜率增大，因而应力使原子间距离变小，曲线上该受力点的斜率增大，因而将增加；张应力使原子间距离增加，因而下降。象陶瓷这样将增加；张应力使原子间距离增加，因而下降。象陶瓷这样的脆性材料，在较小的张应力下
45、就会断裂，原子间距不可能有的脆性材料，在较小的张应力下就会断裂，原子间距不可能有大的变化；温度升高，因热膨胀，原子间距变大，降低。这大的变化；温度升高，因热膨胀，原子间距变大，降低。这些已被实验所证实。些已被实验所证实。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 ( () )粘弹性与滞弹性粘弹性与滞弹性 一些非晶体，有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时一些非晶体，有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性，称为表现出弹性和粘性，称为粘弹性粘弹性，所有聚合物差不多都表现出，所有聚合物差不多都表现出这种粘弹性。对于理想的弹性固体
46、，作用应力会立即引起弹性这种粘弹性。对于理想的弹性固体，作用应力会立即引起弹性应变，一旦应力消除，应变也随之立刻消除。但对于实际固体应变，一旦应力消除，应变也随之立刻消除。但对于实际固体这种弹性应变的产生与消除需要有限时间。无机固体和金属这这种弹性应变的产生与消除需要有限时间。无机固体和金属这种与时间有关的弹性称为种与时间有关的弹性称为滞弹性滞弹性。聚合物的粘弹性可以认为仅。聚合物的粘弹性可以认为仅仅是严重发展的滞弹性。仅是严重发展的滞弹性。 在转变温度附近的玻璃以及高温下许多含有玻璃相的材料，在转变温度附近的玻璃以及高温下许多含有玻璃相的材料，弹性模量不再是和时间无关的参数，而是随时间的增加
47、而降低。弹性模量不再是和时间无关的参数，而是随时间的增加而降低。这是由于高温下，应力的作用是滞弹性或粘弹性的。这种形变这是由于高温下，应力的作用是滞弹性或粘弹性的。这种形变绝大部分在应力除去后施加相反方向的应力时，可以恢复，但绝大部分在应力除去后施加相反方向的应力时，可以恢复，但不是瞬时恢复，是逐渐恢复。不是瞬时恢复，是逐渐恢复。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 材料在外力作用下开始产生弹性变形材料在外力作用下开始产生弹性变形时，沿时，沿OA变化，产生瞬时弹性应变变化，产生瞬时弹性应变Oa之后，在载荷不变的条件下，随之后，在载荷不变的条件下，随时间延长，变形慢慢增加，产生附加时
48、间延长，变形慢慢增加，产生附加的弹性应变的弹性应变aH。这一现象叫做。这一现象叫做正弹正弹性后效或弹性蠕变。性后效或弹性蠕变。 卸载时，立即沿卸载时，立即沿Bc变化，部分弹变化，部分弹性应变性应变Hc消失，之后，随时间延长消失，之后，随时间延长，变形才缓慢消失至零。这一现象称，变形才缓慢消失至零。这一现象称为为反弹性后效。反弹性后效。 这种弹性应变落后于外加应这种弹性应变落后于外加应力，并和时间有关的弹性变形称为弹力，并和时间有关的弹性变形称为弹性后效或滞弹性。随时间延长而产生性后效或滞弹性。随时间延长而产生的附加弹性应变称为滞弹性应变。的附加弹性应变称为滞弹性应变。 材材 料料 学学无机材料
49、物理性能无机材料物理性能 当对粘弹体施加恒定应力当对粘弹体施加恒定应力0时，其应变随时间而增加。这种现时，其应变随时间而增加。这种现象叫做蠕变，此时弹性模量象叫做蠕变，此时弹性模量Ec也将随时间而减小。也将随时间而减小。 如果施加恒定应变如果施加恒定应变0，则应力将随时间而减小，这种现象叫弛则应力将随时间而减小，这种现象叫弛豫。此时弹性模量豫。此时弹性模量Er也随时间而降低。也随时间而降低。ttEc00ttEr材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 可以用力学模型来表示物体在外力作用下的形变行为。例如用可以用力学模型来表示物体在外力作用下的形变行为。例如用弹簧表示虎克定律的弹性元件，
50、用其中有一活塞并充满粘性液体的弹簧表示虎克定律的弹性元件，用其中有一活塞并充满粘性液体的圆筒来表示符合牛顿定律的粘性元件，见图圆筒来表示符合牛顿定律的粘性元件，见图1.1.7。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 用这种元件进行各种组合可得各种模型，来表示不同的力学性能。用这种元件进行各种组合可得各种模型，来表示不同的力学性能。图图 1 . 8 (1 . 8 ( a )a ) 就 是 通 常 用 来 表 示 滞 弹 性 的 力 学 模 型 。就 是 通 常 用 来 表 示 滞 弹 性 的 力 学 模 型 。根据此模型可以写出：根据此模型可以写出：在（在（.24.24）中消去各元件的
51、应力和应变，得）中消去各元件的应力和应变，得 22211112112弹弹弹弹粘粘粘弹弹弹粘弹弹EE（.24.24）材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 12211EEEEE02E或式中式中1E为恒定应变下应力弛豫时间；为恒定应变下应力弛豫时间； EEEE221为恒定应力下应变蠕变时间。为恒定应力下应变蠕变时间。 它们都表示材料在外力作用下从不平衡状态通过内部结构重新组它们都表示材料在外力作用下从不平衡状态通过内部结构重新组合而达到平衡状态所需要的时间。用图合而达到平衡状态所需要的时间。用图1.8(1.8(a)a)的力学模型所表示的物的力学模型所表示的物体称为标准线性固体。如果材料的
52、大，体称为标准线性固体。如果材料的大，E E小，则小，则和和都大，说明都大，说明滞弹性也大。如果滞弹性也大。如果=0=0，则则=0=0，和和=0=0，弹性模量为常数，不弹性模量为常数，不随时间变化，表现出真正的弹性。随时间变化，表现出真正的弹性。 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 当我们测定滞弹性材料的形变时，如果测量的时间小于当我们测定滞弹性材料的形变时，如果测量的时间小于和和 ，则由于随时间的形变还没有机会发生，测得的是应力和初始，则由于随时间的形变还没有机会发生，测得的是应力和初始应变的关系，这时的弹性模量叫未弛豫模量；如果测量的是时间大应变的关系，这时的弹性模量叫未弛豫
53、模量；如果测量的是时间大于于和和 ，测得的是弛豫模量。弛豫模量总小于未弛豫模量。，测得的是弛豫模量。弛豫模量总小于未弛豫模量。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 由于材料内部重新组合的复杂性，仅用标准线性固体由于材料内部重新组合的复杂性，仅用标准线性固体还不能很好的描述材料的滞弹性。因为可能有很多种组合还不能很好的描述材料的滞弹性。因为可能有很多种组合过程，要用无数个蠕变或弛豫模量来表示。这样就具有蠕过程，要用无数个蠕变或弛豫模量来表示。这样就具有蠕变时间或弛豫时间的分布。变时间或弛豫时间的分布。 这种分布可以是这种分布可以是0 0的连续的时间谱。的连续的时间谱。 在结晶的陶瓷中
54、，滞弹性弛豫最主要的根源是残余的在结晶的陶瓷中，滞弹性弛豫最主要的根源是残余的玻璃相。这种残余的玻璃相常处在晶粒间界上，当温度达玻璃相。这种残余的玻璃相常处在晶粒间界上，当温度达到玻璃转变温度时，晶界上的滞弹性弛豫就变得重要起来。到玻璃转变温度时，晶界上的滞弹性弛豫就变得重要起来。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 例题例题1 1 使用含有使用含有90体积体积Al2O3(E=380GPa)和和10体积玻璃相体积玻璃相(E=84GPa) 的陶瓷坯料，计算上限及下限弹性模量。如果该陶的陶瓷坯料，计算上限及下限弹性模量。如果该陶瓷含瓷含10的气孔，估算其上限和下限弹性模量。的气孔，估算
55、其上限和下限弹性模量。解：由公式固体上限弹性模量为解：由公式固体上限弹性模量为 EU=E1V1+E2V2 EU=3800.9+840.1=350.4 GPa固体下限弹性模量为固体下限弹性模量为 1/EL= V1/E1 +V2/E2 EL= 1/(V1/E1 +V2/E2)=1/(0.9/380+0.1/84)=281GPa陶瓷上限弹性模量为陶瓷上限弹性模量为 E1= EU(1-1.9P+0.9P2)=350.4(1-1.90.1+0.90.12)=287GPa陶瓷下限弹性模量为陶瓷下限弹性模量为 E2= EL(1-1.9P+0.9P2)= 281(1-1.90.1+0.90.12)=230 G
56、Pa材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 例题例题2 2 推导耐火制品国家检测标准中三点弯曲法（如图）测定高推导耐火制品国家检测标准中三点弯曲法（如图）测定高温温抗折强度计算抗折强度计算公式。如镁碳砖试样尺寸公式。如镁碳砖试样尺寸25mm25mm125mm，L100mm，b=h=25mm，中间极中间极限荷载限荷载F1450N，求试样断裂前中间沿高度方向的正应力求试样断裂前中间沿高度方向的正应力分分布布，并，并计算最大拉应力计算最大拉应力(抗折强度抗折强度Rc)。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 解：取试样中心为坐标原点，在试样中截面处的弯矩为：解：取试样中心为坐标原
57、点，在试样中截面处的弯矩为：M=F/2M=F/2L/2=FL/4L/2=FL/4惯性矩为：惯性矩为：12)(32222bhbydydAyIhhAZ材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 由 =ZIMy得 正应力分布 =1243bhFLy=33bhFLy 抗折强度公式为 Rc=3max3bhLyFc=232323bhLFbhLhFcc 代 入 已 知 数 椐 正 应 力 分 布 =yy6 .1113025. 0025. 01 . 0145033 M Pa 抗 折 强 度 Rc=92.13025. 0025. 01 . 01450232322bhLFc M Pa 或Rc=max=1113
58、.6ymax=1113.6 0.025/2=13.92 M Pa 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 。中性轴必通过截面形心故得得应变为处变形后长度距中性层后长度不变根据中性层在梁弯曲前000)()(21ccAAAyAyydAdAyEdAyEEydddyabababdyabyabdxdOO材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 223222121hhzzzzAzAAbhbdyyIIMyEyEIMMEIdAyIMdAyEMdAyzda对于矩形截面则又有或上的弯矩轴之矩的总和组成截面对其次，内力元素材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 1.2 1.2 无机材料中
59、晶相的塑性形变无机材料中晶相的塑性形变 塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。无机材料的塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。无机材料的塑性形变，远远不如金属塑性形变容易。材料经受此种形变而不破塑性形变，远远不如金属塑性形变容易。材料经受此种形变而不破坏的能力叫延展性。此种性能在材料加工和使用中都很有用，是一坏的能力叫延展性。此种性能在材料加工和使用中都很有用，是一种很重要的力学性能。无机非金属材料的致命弱点就是在常温时大种很重要的力学性能。无机非金属材料的致命弱点就是在常温时大都缺乏这种性能，使得材料的应用大大受到限制。上世纪都缺乏这种性能，使得材料的应用大大受到限制。上世纪50
60、年代发年代发现现AgCl离子晶体可以冷轧变薄。离子晶体可以冷轧变薄。MgO、KCl、KBr单晶也可以弯曲单晶也可以弯曲而不断裂，而不断裂，LiF单晶的应力单晶的应力-应变曲线和金属相似，也有上、下屈服应变曲线和金属相似，也有上、下屈服点。图点。图1.9示出示出KBr和和MgO晶体受力时的应力应变曲线。晶体受力时的应力应变曲线。材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 材材 料料 学学无机材料物理性能无机材料物理性能 能否将陶瓷作成延性材料？对此，多年来进行了能否将陶瓷作成延性材料？对此，多年来进行了大量的研究，但至今在常温下，除很少例外，大多数大量的研究，但至今在常温下，除很少例外，大
0/150
联系客服
本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接被用户下载，本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人(含作者)所有。人人文库仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对上载内容本身不做任何修改或编辑。若文档所含内容侵犯了您的版权或隐私，请立即通知人人文库网，我们立即给予删除！