材料科学与工程

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1、第二章第二章 物质结构基础物质结构基础 (Structure of Matter)原子之间的相互作用和结合原子之间的相互作用和结合(Atomic Interaction and Bonding)基本键基本键合（Primary Interatomic Bonds)：金属、离子、共价和混合键金属、离子、共价和混合键 派生键派生键合（Secondary Bonding)原子结构原子结构 (Atomic Structure)原子原子(Atom)的组成的组成 原子核原子核+核外电子核外电子 原子中电子的空间位置和能量原子中电子的空间位置和能量 (Electrons in Atoms)前面内容前面内容总结

2、复习总结复习固体中的原子有序固体中的原子有序(Perfections in Solids)固体中的原子无序固体中的原子无序 (Imperfections in Solids)固体中的转变固体中的转变(Transformations in Solids)固体物质的表面结构固体物质的表面结构(Surface Structures of Solid Materials)前面内容前面内容总结复习总结复习金属材料的结构和组成金属材料的结构和组成Composition and Structure of Metallic Materials材料的结构和组成是决定材料性能的基础。是合理材料的结构和组成是决定材

3、料性能的基础。是合理地设计、制造和选用材料的基础。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无机非金属材料的结构和组成Composition and Structure of Inorganic-nonmetalic Materials高分子材料的结构和组成高分子材料的结构和组成Composition and Structure of Polymeric Materials复合材料的结构和组成复合材料的结构和组成Composition and Structure of Composite materials前面内容前面内容总结复习总结复习第三章第三章 材料的组成和结构材料的组成和

4、结构Compositions and Structures of MaterialsMaterials property材料的性能决定材料用途材料的性能决定材料用途本章对材料的本章对材料的机械机械性能、性能、热热性能、性能、电学电学、磁学磁学、光学光学性能以及耐腐蚀性能以及耐腐蚀性，复合材料及纳米材料的性能进性，复合材料及纳米材料的性能进行阐述。行阐述。第四章第四章 材料的性能材料的性能Mechanical property of materials Stress and strain Elastic deformation Modulus Viscoelasticity Permanent

5、deformation Strength Fracture第四章第四章 内容内容4-1 固体材料的机械性能固体材料的机械性能4-2 材料的热性能材料的热性能4-3 材料的电学性能材料的电学性能4-4 材料的磁学性能材料的磁学性能4-5 材料的光学性能材料的光学性能4-6 材料的耐腐蚀性材料的耐腐蚀性4-7 复合材料的性能复合材料的性能4-8 纳米材料及效应纳米材料及效应41 固体材料的机械性固体材料的机械性能能Chapter 7Chapter 8Chapter 9（stress and strain）Learning Objectives材料的形变材料的形变 （Deformation of m

6、aterials）（Elastic deformation and Permanent deformation）不同材料（金属、陶瓷和高分子）的机械行为不同材料（金属、陶瓷和高分子）的机械行为Mechanical Properties of Solid Materials应力和应变应力和应变Mechanical states of materialsA 晶态晶态结构结构，B 较高的弹性较高的弹性模量模量和和强度强度，C 受力开始为弹性受力开始为弹性形变形变，接着一段塑性，接着一段塑性形变形变，然后断裂，总变形能很大，然后断裂，总变形能很大，D 具有较高的具有较高的熔点熔点。4-1-1 材料的力

7、学状态材料的力学状态1.金属金属(Metals)的力学状态的力学状态弹性模量随温度升高而降低？弹性模量随温度升高而降低？某些金属合金某些金属合金A 呈呈非晶态合金非晶态合金，B 具有很高的硬度和强度，具有很高的硬度和强度，C 延伸率很低而并不脆。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。显降低，发生晶化而失去非晶态结构。2.无机非金属无机非金属(nonmetals)的力学状态的力学状态A 玻璃相玻璃相熔点熔点低，热稳定性差，强度低。低，热稳定性差，强度低。B 气相（气相（气孔）的存在导致陶瓷的弹性气孔）的存

8、在导致陶瓷的弹性模量模量和和机械机械强度强度降低。降低。C 陶瓷材料也存在玻璃化转变温度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绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆弹性变形后立即发生脆性断裂性断裂，总弹性应变能很小。，总弹性应变能很小。高模量高模量陶瓷陶瓷材料的力学特征材料的力学特征高硬度高硬度高强度高强度低延伸率低延伸率3.聚合物的力学状态聚合物的力学状态 (Polymer)（1）非晶态聚合物非晶态聚合物的的三种三种力学状态力学状态 玻璃态玻璃态 高弹态高弹态 粘流态粘流态（2）结晶聚合物结晶聚合物的力学状态的力学状态 A 结晶聚合物常存结晶聚合物常存 在一定的在一定的非晶

9、非晶部分，也有部分，也有玻璃化转变。玻璃化转变。B 在在T g 以上以上模量模量下降不大下降不大 C 在在T m 以上以上模量模量迅速下降迅速下降 D 聚合物分子量很大，聚合物分子量很大，T m T f，则熔融之后即转变成，则熔融之后即转变成粘流态粘流态T m、T f 玻璃化温度玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料使用的是非晶态塑料使用的上限上限温度温度 是橡胶使用的是橡胶使用的下限下限温度温度 熔点熔点(Tm)是结晶聚合物使用的是结晶聚合物使用的上限上限温度温度(stress and strain)4-1-2应力和应变应力和应变 If a load is static or changes rel

10、atively slowly with a time and is applied uniformly over a cross section or surface of a member,the mechanical behavior may be ascertained by a simple stress-strain test.These are mostly commonly conducted for materials at room temperature.应力和应变应力和应变(stress and strain)应力应力：1.应力应力和应变应变的定义的定义 工程应力（名义应

11、力）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。真实应力真实应力：面积为受力后的真实面积(AT)的应力。应变应变：单位面积上的单位面积上的内力内力，其值与外加的力相等。，其值与外加的力相等。受到外力不惯性移动时，几何形状和尺寸受到外力不惯性移动时，几何形状和尺寸的变化。的变化。应力应力=外加力外加力F/面积面积A4-1-22.材料的材料的应变方式应变方式各向同性材料，三种基本类型：各向同性材料，三种基本类型：还有扭转和弯曲扭转和弯曲形变。简单拉伸简单拉伸 tension 简单剪切简单剪切 shear 均匀压缩均匀压缩 compressionF垂直于截面、大小相等、方向相反并

12、作用于同一直线上垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直线上 工程应变工程应变()：()=(l l 0)/l 0=l/l 0l0l（1）简单拉伸简单拉伸(tension)工程应力工程应力：=F/A 0 单位单位MPaA standard tensile specimenTension is one of the most common mechanical stress-strain test.the tension test can be used to ascertain several mechanical properties of materials that is very i

13、mportant in design.Sometimes it is more meaningful to use a true stresstrue strain scheme.Truestress T is defined as the load F divided by the instantaneous cross-sectional areaAi over which deformation is occurring(i.e.,the neck,past the tensile point),or (7.15)Furthermore,it is occasionally more c

14、onvenient to represent strain as truestrain T,defined by (7.16)If no volume change occurs during deformation,that is,ifAi li=A0l0 (7.17)true and engineering stress and strain are related according to (7.18a)(7.18b)Equations 7.18a and 7.18b are valid only to the onset of necking;beyond this pointtrue

15、 stress and strain should be computed from actual load,cross-sectional area,and gauge length measurements.Section 7.7工程应力工程应力：=F/A 0真实应力真实应力 T：T=F/AT A0 AT工程应力工程应力 小于小于 真实应力真实应力 T同一拉伸实验中，同一拉伸实验中，工程应力工程应力（或（或名义名义应力应力）与）与真实应力真实应力比较哪个数值大？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

16、应变：切应变：=tan（2）简单剪切简单剪切(shear)切应力：切应力：s()=F/A 0压缩应变压缩应变 V：Compression stress-stain tests may be conducted when in-serviceforces are of this type.A com-pression test is conducted in a manner similar to the tension test,except that the force is compressive and the specimencontrasts along the direction

17、of the stress.V=(V0-V)/V0=V/V0（3）均匀压缩均匀压缩(compress)F：周围压力：周围压力p实心 W=.d 0 3/16 空心 W=.d 0 3（1-d 1 4/d 0 4）/16 切应变切应变 =tg=d 0/(2l 0)100%（4）扭转扭转 Torsional deformation切应力切应力 =M/W M:扭矩扭矩;W:截面系数截面系数（5）弯曲弯曲 Flexural deformation弯矩弯矩 M最大扰度最大扰度 max曲线（曲线（F l）转换为应力）转换为应力应变曲线应变曲线（）B.采用适当的坐标转换因子采用适当的坐标转换因子 =F/A 0和

18、和 =l/l 0 3.应力应力应变曲线应变曲线(Stress-strain curve)常用的试验方法：常用的试验方法：A.以匀速拉伸试样，用测力装置测量以匀速拉伸试样，用测力装置测量F，伸长计同时，伸长计同时测量测量 l。弹性弹性-均匀塑性均匀塑性型型纯弹性纯弹性型型弹性弹性-不均匀塑性不均匀塑性型型弹性弹性-不均匀塑性不均匀塑性-均匀塑性均匀塑性型型弹性弹性-不均匀塑性（屈服平台）不均匀塑性（屈服平台）-均匀塑性均匀塑性型型拉伸拉伸应力应力应变曲线（应变曲线（）五种类型五种类型下一页下一页(1)纯弹性型纯弹性型 A 陶瓷、岩石、大多数玻璃陶瓷、岩石、大多数玻璃 B 高度交联的聚合物高度交联

19、的聚合物 C 以及一些低温下的金属材料。以及一些低温下的金属材料。(2)弹性弹性-均匀塑性型均匀塑性型 A 许多金属及合金、许多金属及合金、B 部分陶瓷部分陶瓷 C 非晶态高聚物。非晶态高聚物。(3)弹性弹性-不均匀塑性型不均匀塑性型 A 低温和高应变速率下的面心立方金属，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。以及铝合金低溶质固溶体。返回返回(4)弹性弹性-不均匀塑性不均匀塑性-均匀塑性型均匀塑性型 A 一些结晶态高聚物一些结晶态高聚物 B 未经拉伸的线型非晶态高聚物未经拉伸的线型非晶态高聚物(5)弹性弹性-

20、不均匀塑性（屈服平台）不均匀塑性（屈服平台）-均匀塑性型均匀塑性型 A 一些体心立方铁合金一些体心立方铁合金 B 许多有色金属合金。许多有色金属合金。返回返回应力应力 应变应变实例实例4-1-3 弹性形变弹性形变Chapter 7Chapter 8Elastic Deformation Elastic deformation Modulus of elasticity(Hook)(metal and ceramics)Rubberlike elasticity(elastomer)Viscoelasticity (polymer)弹性形变弹性形变 Elastic deformation弹性形变

21、有普遍性弹性形变有普遍性A 任何材料任何材料起始起始总是有弹性形变总是有弹性形变;B 有一定的弹性形变有一定的弹性形变范围范围，它取决，它取决 于应力的大小和形态。于应力的大小和形态。1、Hooke定律和弹性模量定律和弹性模量 Hooks raw and Modulus of elasticity弹性形变的弹性形变的力学特点力学特点:小形变、可回复小形变、可回复Hooke定律定律 E E-弹性模量弹性模量,量纲量纲 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表示材料对于弹性变形的抵抗力弹性模量弹性模量正应力在正应力在 状态下状态下:正弹性模量正弹性模量 E 纯剪切力纯剪切力

22、 作用下作用下:切弹性模量切弹性模量 G 均匀压缩均匀压缩:体积弹性模量体积弹性模量 K 0(VV0)泊松比泊松比为缩短应变与伸长应变的比值，为缩短应变与伸长应变的比值，=-ey/ex转化关系转化关系 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主要取决于原子间的结合能力,构件刚度构件刚度金属的模量金属的模量值主要取决于 10-102 A 晶体中原子原子的本性、电子结构 B 原子的结合力结合力、C 晶格晶格类型以及晶格常数等。D 合

23、金元素降低弹性模量。陶瓷陶瓷材料具有较高模量、原因 10-102 A 原子键合键合的特点 特种陶瓷特种陶瓷 B 构成材料相相的种类，分布、比例及气孔率有关。高分子材料高分子材料低模量FIGURE 7.19 Typical stressstrain behavior to fracture for aluminumoxide and glass.查表知泊松比查表知泊松比=0.34查表知模量查表知模量E=97GPa例题例题4-4.一硫化的橡胶球受到一硫化的橡胶球受到6.89MPa的静水压力的静水压力，直径直径减少了减少了1.2%，而相同材质的试棒在受到，而相同材质的试棒在受到516.8KPa的的拉

24、应力时伸长拉应力时伸长2.1%，则此橡胶棒的，则此橡胶棒的泊松比泊松比为多少？为多少？E=/=516.8Kpa/2.1%=24.6MpaK=/(V/V)So=0.5(1-E/3K)=6.89Mpa/(1-0.9883)/1=193.7MpaE=3K(1-2)=0.51-(24.6MPa)/(3 193.7MPa)=0.48例题例题金属晶体、离子晶体、共价晶体金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常表现为等的变形通常表现为普弹性普弹性，主要的特点是：，主要的特点是：A 应变在应力作用下瞬时产生，应变在应力作用下瞬时产生，B 应力去除后瞬时消失，应力去除后瞬时消失，C 服从虎克定律。服从虎克定律。

25、高分子高分子材料通常表现为材料通常表现为高弹性和粘弹性高弹性和粘弹性高弹性高弹性，即，即橡胶弹性橡胶弹性(rubberlike elasticity)弹性模量小、形变大弹性模量小、形变大。A 一般材料，如铜、钢等，形一般材料，如铜、钢等，形 变量最大为变量最大为 1 左右，左右，B 而橡胶的高弹性形变很大，而橡胶的高弹性形变很大，可拉伸至可拉伸至 5 10 倍。倍。2.有机聚合物的弹性、粘弹性有机聚合物的弹性、粘弹性 Elasticity and Visco-elasticity of PolymersC 橡胶的弹性模量则只有一般橡胶的弹性模量则只有一般 固体物质的万分之一左右，固体物质的万分

26、之一左右，即即10100 10 4 Pa。弹性模量随温度升高而上升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。一般固体的模量则随温度的提高而下降。（2）粘弹性粘弹性 viscoelasticity 静态静态粘弹性 固定应力 A 蠕变蠕变(creep)开尔文开尔文模型（Kelvin model)并联并联 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)/形变随时间而增加形变随时间而增加动态粘弹性动态粘弹性 Dynamic viscoelasticity（高聚物）（高聚物）周期性、交变应力周期性、交变应力在周期性应力作用下，模量 E可采用复数复数表示式。E*=

27、E +i E 内耗值内耗值 E/E的量度：的量度：tan =E /E tan ，E，E 与频率的关系与频率的关系取决于温度和荷载的频率取决于温度和荷载的频率 3、滞弹性滞弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性比例极限比例极限(proportional limit)弹性变形时应力弹性变形时应力与应变严格成与应变严格成正比正比关关系的上限应力系的上限应力 p=F p/S 0 条件比例极限条件比例极限 tan /tan=150%p50 代表材料对极微代表材料对极微量塑性变形的抗力量塑性变形的抗力 切线切线4、弹性极限与弹性比功弹性极限与弹性比功（金属）（金属）作业题作业题中文书：中文书：4-1（铝的一些参数见表（铝的一些参数见表3-9）；）；4-3；4-7（铜的弹性模量见表（铜的弹性模量见表4-1）英文书：英文书：7.20；8.24（参看英文书（参看英文书8.11节）节）