材料物理-總結(jié)

材料物理

哈爾濱理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院

材料物理系姜越2/5/2023課程總結(jié)一、力學(xué)性能二、熱學(xué)性能三、電學(xué)性能四、磁學(xué)性能應(yīng)力與應(yīng)變單向拉伸應(yīng)變剪切應(yīng)變壓縮應(yīng)變（體積應(yīng)變）應(yīng)力與應(yīng)變曲線2、如圖有三種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，回答下列問題。（1）哪種材料的彈性模量最高？（2）哪種材料的延伸率（伸長率）最大？（3）哪種材料的韌性最高？（4）哪種材料斷裂前沒有明顯的塑性變形？（5）材料Ⅰ、材料Ⅱ、材料Ⅲ

分別代表什么材料？1、說明圖中三種應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特點，并舉例說明對應(yīng)的材料。

一、力學(xué)性能材料Ⅰ脆性材料（陶瓷）：如上圖曲線（a），即在彈性變形后沒有塑性變形（或塑性變形很?。┙又褪菙嗔眩倧椥詰?yīng)變能非常小。材料Ⅱ塑性材料（金屬）：如上圖曲線（b）開始為彈性形變，接著有一段彈塑性形變，然后才斷裂，總變形能很大。材料Ⅲ彈性材料（橡膠）：如上圖曲線（c），沒有殘余形變。1、說明圖中三種應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特點，并舉例說明對應(yīng)的材料。

彈性形變（1）可逆性（2）單值線性（線彈性）（3）變形量較小

一般：金屬、陶瓷、結(jié)晶態(tài)高聚物小于1%

例外：橡膠態(tài)高聚物：1000%、非線性1、彈性的特點

2、彈性變形的本質(zhì)

彈性變形本質(zhì)：構(gòu)成材料的原子（離子）或分子從平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。3、彈性模量微觀上：表征了原子間結(jié)合能的大小。宏觀上：表征了材料抵抗彈性變形的能力。物理意義：拉伸模量

，剪切模量，體積模量：泊松比4、彈性模量的影響因素彈性模量，量E0—材料無氣孔時的彈性模量，P—為氣孔率.7、兩相復(fù)合材料的彈性橫量在兩相系統(tǒng)中，總彈性模量在高彈性模量成分與低彈性模量成分的數(shù)值之間。并聯(lián)模型串聯(lián)模型上限模量下限模量滯彈性

對于實際固體相應(yīng)于最大應(yīng)力的彈性應(yīng)變滯后于引起這個應(yīng)變的最大負荷。因此測得的彈性模量隨時間而變化。彈性模量依賴于時間的現(xiàn)象稱為滯彈性。加載卸載滯彈性：應(yīng)變滯后于應(yīng)力應(yīng)力松弛應(yīng)變松弛（蠕變）力學(xué)模型

1.虎克固體模型2.牛頓流體模型二、組合模型1.麥克斯韋模型應(yīng)用：應(yīng)力松弛2.開爾文固體模型應(yīng)用：蠕變（應(yīng)變松弛）應(yīng)變?nèi)渥儠r間。應(yīng)力弛豫時間。3、標(biāo)準(zhǔn)線性固體是應(yīng)力從原始值松弛到所需時間應(yīng)力松弛方程應(yīng)變?nèi)渥儠r間：在恒定應(yīng)力作用下，應(yīng)變達到所需時間蠕變方程

δ和ψ都是材料的塑性指標(biāo)，表示金屬的塑性變形能力。斷面收縮率：斷后伸長率（延伸率）:塑性指標(biāo)材料的塑性形變彈性極限產(chǎn)生彈性變形而不產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力；屈服強度、金屬開始塑性變形的最小應(yīng)力；抗拉強度

材料抵抗大塑性變形的能力，反映極限承載能力?；疲壕w受力時，晶體的一部分相對另一部分發(fā)生平移滑動?；剖窃诩魬?yīng)力作用下在一定滑移系統(tǒng)上進行的。不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式。1.滑移條件產(chǎn)生滑移條件：面間距大；移動距離短；相對滑移面上的電荷相反。

滑移總是在密排面（滑移面）上密排方向（滑移方向）進行。一個滑移面與其面上的一個滑移方向組成一個滑移系。

滑移系在一定程度上決定了金屬塑性的好壞。如面心立方和體心立方金屬的塑性好于密排六方金屬。但在相同條件下，金屬塑性好壞還取決于滑移面原子密排程度及滑移方向的數(shù)目等因素?；品较?qū)扑鸬淖饔帽然泼娲?，所以面心立方金屬比體心立方金屬的塑性更好。

一個滑移系就是滑移時的一種空間取向或一種可能性。因此，滑移系越多，金屬變形能力越大。常見金屬的滑移系如下：

滑移面上沿滑移方向的分切應(yīng)力（）2.滑移的臨界分切應(yīng)力

滑移的臨界分切應(yīng)力（c）：在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切應(yīng)力。3、金屬與非金屬晶體滑移難易的比較

如果晶體只有一個滑移系統(tǒng)，產(chǎn)生滑移的機會就很少。如果有多個滑移系統(tǒng)，達到臨界切應(yīng)力的機會就多。金屬：主要由一種原子組成，結(jié)構(gòu)簡單，金屬鍵無方向性，滑移系統(tǒng)多，塑性好。無機材料：組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。共價鍵有方向性，同號離子相遇，斥力極大。只有個別滑移系統(tǒng)才能滿足幾何條件與靜電作用條件。滑移系統(tǒng)很少，塑性差。實驗證明，滑移是位錯在切應(yīng)力作用下運動的結(jié)果。

4、塑性變形機理材料的高溫蠕變高溫:所謂高溫蠕變是指材料在低于屈服強度的應(yīng)力作用下，隨加載時間的延長緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。

１）

在外力作用下發(fā)生瞬時彈性形變２）

蠕變減速階段。特點是應(yīng)變速率隨時間遞減。高溫時，1、典型的蠕變曲線低溫時，３）bc穩(wěn)定蠕變階段。特點是蠕變速率幾乎保持不變。4）cd

加速蠕變階段。特點是應(yīng)變率隨時間增加t而增加，最后到d點斷裂。形變速率最小當(dāng)外力和溫度不同時，蠕變各階段的曲線傾斜程度將有所變化。1）在高溫下原子熱運動加劇。可以使位錯從障礙中解放出來，并使位錯運動加速。

晶格機理2.高溫蠕變機理2）位錯運動除產(chǎn)生滑移外，位錯攀移也能產(chǎn)生宏觀上的形變。由于晶體中存在過飽和的空位,多余的半片原子可以向空位擴散，通過吸收空位，位錯可攀移到滑移面以外，繞過障礙物，使滑移面移位。2）受拉晶界與受壓晶界產(chǎn)生空位濃度差，受拉晶界的空位向受壓晶界遷移。同時，原子朝相反方向擴散。導(dǎo)致沿受拉方向伸長，發(fā)生形變。3）這種擴散可以是體擴散，沿晶粒內(nèi)部進行；也可以是晶界擴散。原子空位

1）當(dāng)試件受拉時，受拉晶界的空位濃度

增加，在受壓晶面上，空位濃度減少。擴散蠕變理論晶界蠕變理論

多晶體中存在著大量晶界。當(dāng)晶界位相差大時，可以把晶界看成是非晶體，因此在溫度較高時，晶界粘度迅速下降。外力導(dǎo)致晶界粘滯流動，發(fā)生蠕變。高溫和應(yīng)力的作用下，晶界上的原子易于擴散，受力后晶界易產(chǎn)生滑動，促進蠕變進行。晶界蠕變不是獨立機理，晶界滑動要與晶內(nèi)變形配合。擴散蠕變與晶界蠕變是互動的。溫度、應(yīng)力

溫度升高，應(yīng)力增加，蠕變大。3、影響蠕變的因素外界因素內(nèi)部因素晶體的組成

組成不同的材料其蠕變行為不同。結(jié)合力大，不易蠕變。顯微結(jié)構(gòu)的影響

氣孔率增加，晶粒減小，玻璃相含量升高,

蠕變率增大。

3.晶體的組成

組成不同的材料其蠕變行為不同。結(jié)合力大，不易蠕變。共價鍵結(jié)構(gòu)程度增加，擴散及位錯運動降低抗蠕變性能就較好。4.顯微結(jié)構(gòu)的影響

內(nèi)部因素氣孔率增加，蠕變率增大。晶粒越小，蠕變率越大。玻璃相含量高,蠕變率增大。斷裂磨損斷裂腐蝕變形失效構(gòu)件失效韌性斷裂脆性斷裂判定依據(jù)：“斷裂前是否發(fā)生明顯的塑性變形”。

韌性斷裂和脆性斷裂的區(qū)別？為什么脆性斷裂最危險？完整晶體在正應(yīng)力作用下沿某一晶面拉斷的強度。1.理論斷裂強度理論斷裂強度：

理論結(jié)合強度只與彈性模量，表面能和晶格距離等材料常數(shù)有關(guān)。2.Griffith微裂紋理論

Griffith認為實際材料中總是存在許多細小的微裂紋或缺陷，在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力達到一定程度時，裂紋開始擴展，導(dǎo)致斷裂。裂紋擴展的臨界條件當(dāng),裂紋擴展，c增大→增加→斷裂。以裂紋尖端最大應(yīng)力為判據(jù)

Griffith從能量的角度研究裂紋擴展的條件：物體內(nèi)儲存的彈性應(yīng)變能的降低大于等于由于開裂形成兩個新表面所需的表面能。即物體內(nèi)儲存的彈性應(yīng)變能的降低（或釋放）就是裂紋擴展的動力。能量判據(jù)討論：脆性裂紋體的能量判據(jù)和應(yīng)力判據(jù)對比。結(jié)論：一般情況下，ρ<3a時用能量判據(jù)，ρ>3a時用應(yīng)力判據(jù)。前提：求脆性裂紋體的斷裂強度。能量判據(jù)：應(yīng)力判據(jù)：強度的尺寸效應(yīng)：控制裂紋長度在原子間距水平上，可以達到理論斷裂強度。塑性變形的影響

p

為塑性變形功，

p

＞＞

s對于塑性材料，Griffith公式不再適用，因為塑性材料在微裂紋擴展過程中裂紋尖端的局部區(qū)域要發(fā)生不可忽略的塑性形變，需要不斷消耗能量，如果不能供給所需要的足夠的外部能量，裂紋擴展將會停止。塑性是阻止裂紋擴展的一個重要因素。3.應(yīng)力場強度因子和平面應(yīng)變斷裂韌性裂紋擴展方式Ⅰ型(張開型):裂紋表面直接分開。Ⅱ型(滑開型):兩個裂紋表面在垂直于裂紋前緣的方向上相對滑動。Ⅲ型(撕開型):兩個裂紋表面在平行于裂紋前緣的方向上相對滑動。裂紋長度與斷裂應(yīng)力的關(guān)系：k是與材料、試件尺寸、形狀、受力狀態(tài)等有關(guān)的系數(shù).裂紋尖端應(yīng)力場分布應(yīng)力場強度因子復(fù)合力學(xué)參量，和應(yīng)力、裂紋尺寸、裂紋型式、試件幾何形狀有關(guān)。

按斷裂力學(xué)的觀點，裂紋是否擴展取決于應(yīng)力場強度因子的大小，當(dāng)K值達到某一極限值時，裂紋就擴展，即構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂的條件：極限值稱為斷裂韌性，是反映材料抗斷性能的參數(shù)。所設(shè)計的構(gòu)件是安全的，這一判據(jù)考慮了裂紋尺寸。裂紋失穩(wěn)擴展脆斷K判據(jù)臨界應(yīng)力場強度因子（斷裂韌性）KIC意義：材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。KI是一個力學(xué)參量，表示裂紋中裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場強度的大小，它決定于外加應(yīng)力、試樣尺寸和裂紋類型，而和材料無關(guān)。KIC是一個是材料的力學(xué)性能指標(biāo)，它決定于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素，而與外加應(yīng)力以及試樣尺寸等外在因素?zé)o關(guān)，為平面應(yīng)變斷裂韌性。KIC和KI的區(qū)別應(yīng)用⑴確定帶裂紋構(gòu)件承載能力⑵確定構(gòu)件安全性⑶確定臨界裂紋尺寸裂紋擴展的動力和阻力裂紋擴展的動力

Irwin將裂紋擴展單位面積所降低的彈性應(yīng)變能定義為應(yīng)變能釋放率或裂紋擴展力。

對于有內(nèi)裂紋的薄板：G為裂紋擴展的動力。臨界狀態(tài)：

對于脆性材料，裂紋擴展的阻力裂紋的起源⑴由于晶體微觀結(jié)構(gòu)中存在缺陷，當(dāng)受到外力作用時，在這些缺陷處就會引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋成核。⑵材料表面的機械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋。⑶由于熱應(yīng)力形成裂紋①晶粒在材料內(nèi)部取向不同，熱膨脹系數(shù)不同，在晶界或相界出現(xiàn)應(yīng)力集中。②高溫迅速冷卻，內(nèi)外溫度差引起熱應(yīng)力。③溫度變化發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，體積發(fā)生變化。防止裂紋擴展的措施1．使作用應(yīng)力不超過臨界應(yīng)力，裂紋就不會失穩(wěn)擴展。2．在材料中設(shè)置吸收能量的機構(gòu)阻止裂紋擴展。⑴陶瓷材料中加入塑性粒子或纖維。⑵人為地造成大量極微細的裂紋（小于臨界尺寸）能吸收能量，阻止裂紋擴展。

如韌性陶瓷，在氧化鋁中加入氧化鋯。利用氧化鋯的相變產(chǎn)生體積變,形成大量微裂紋或擠壓內(nèi)應(yīng)力，提高材料的韌性。二、判斷題1.當(dāng)應(yīng)變?yōu)橐粋€單位時，彈性模量即等于彈性應(yīng)力，即彈性模量是產(chǎn)生100%彈性變形所需的應(yīng)力。2.工程上彈性模量被稱為材料的剛度，表征金屬材料對彈性變形的抗力，其值越大，則在相同應(yīng)力條件下產(chǎn)生的彈性變形就越大。3.滑移面和滑移方向的組合稱為滑移系，滑移系越少金屬的塑性越好。

4.硬度是表征金屬材料軟硬程度的一種性能。5.高溫蠕變是指材料在高于屈服強度的應(yīng)力作用下，緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。

6.塑性是阻止裂紋擴展的一個重要因素。三、選擇題（在每個小題四個備選答案中選出一個正確答案）1.材料失效的最危險形式是（）。A、失穩(wěn)；B、腐蝕；C、磨損；D、斷裂2.雙原子模型計算材料理論斷裂強度比實際值至少高出一個數(shù)量級，是因為（）。A、模型不好；B、近似計算太粗太多；C、實際材料有缺陷；D、實際材料無缺陷3.金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為（

）A、塑性；

B、硬度；

C、強度；D、

韌性。4.采