材料物理-总结

材料物理哈尔滨理工大学应用科学学院材料物理系姜越*课程总结一、力学性能二、热学性能三、电学性能四、磁学性能应力与应变单向拉伸应变剪切应变压缩应变（体积应变）应力与应变曲线2、如图有三种材料的应力-应变曲线，回答下列问题。（1）哪种材料的弹性模量最高？（2）哪种材料的延伸率（伸长率）最大？（3）哪种材料的韧性最高？（4）哪种材料断裂前没有明显的塑性变形？（5）材料Ⅰ、材料Ⅱ、材料Ⅲ分别代表什么材料？1、图中三种应力-应变曲线的特点，并举例说明对应的材料。一、力学性能材料Ⅰ脆性材料（陶瓷）：如上图曲线（a），即在弹性变形后没有塑性变形（或塑性变形很小）接着就是断裂，总弹性应变能非常小。材料Ⅱ塑性材料（金属）：如上图曲线（b）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。材料Ⅲ弹性材料（橡胶）：如上图曲线（c），没有残余形变。1、说明图中三种应力-应变曲线的特点，并举例说明对应的材料。弹性形变（1）可逆性（2）单值线性（线弹性）（3）变形量较小一般：金属、陶瓷、结晶态高聚物小于1%例外：橡胶态高聚物：1000%、非线性1、弹性的特点2、弹性变形的本质弹性变形本质：构成材料的原子（离子）或分子从平衡位置产生可逆位移的反映。3、弹性模量微观上：表征了原子间结合能的大小。宏观上：表征了材料抵抗弹性变形的能力。物理意义：拉伸模量，剪切模量，体积模量：泊松比4、弹性模量的影响因素弹性模量，量E0—材料无气孔时的弹性模量，P—为气孔率.7、两相复合材料的弹性横量在两相系统中，总弹性模量在高弹性模量成分与低弹性模量成分的数值之间。并联模型串联模型上限模量下限模量滞弹性对于实际固体相应于最大应力的弹性应变滞后于引起这个应变的最大负荷。因此测得的弹性模量随时间而变化。弹性模量依赖于时间的现象称为滞弹性。滞弹性：应变滞后于应力应力松弛应变松弛（蠕变）力学模型1.虎克固体模型2.牛顿流体模型二、组合模型1.麦克斯韦模型应用：应力松弛2.开尔文固体模型应用：蠕变（应变松弛）应变蠕变时间。应力弛豫时间。3、线性固体是应力从原始值松弛到所需时间应力松弛方程应变蠕变时间：在恒定应力作用下，应变达到所需时间蠕变方程δ和ψ都是材料的塑性指标，表示金属的塑性变形能力。断面收缩率：断后伸长率（延伸率）:塑性指标材料的塑性形变弹性极限产生弹性变形而不产生塑性变形的最大应力；屈服强度、金属开始塑性变形的最小应力；抗拉强度材料抵抗大塑性变形的能力，反映极限承载能力。滑移：晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动。滑移是在剪应力作用下在一定滑移系统上进行的。不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。1.滑移条件产生滑移条件：面间距大；移动距离短；相对滑移面上的电荷相反。滑移总是在密排面（滑移面）上密排方向（滑移方向）进行。一个滑移面与其面上的一个滑移方向组成一个滑移系。滑移系在一定程度上决定了金属塑性的好坏。如面心立方和体心立方金属的塑性好于密排六方金属。但在相同条件下，金属塑性好坏还取决于滑移面原子密排程度及滑移方向的数目等因素。滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大，所以面心立方金属比体心立方金属的塑性更好。一个滑移系就是滑移时的一种空间取向或一种可能性。因此，滑移系越多，金属变形能力越大。常见金属的滑移系如下：滑移面上沿滑移方向的分切应力（）2.滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力（c）：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。3、金属与非金属晶体滑移难易的比较如果晶体只有一个滑移系统，产生滑移的机会就很少。如果有多个滑移系统，达到临界切应力的机会就多。金属：主要由一种原子组成，结构简单，金属键无方向性，滑移系统多，塑性好。无机材料：组成复杂、结构复杂。共价键有方向性，同号离子相遇，斥力极大。只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作用条件。滑移系统很少，塑性差。实验证明，滑移是位错在切应力作用下运动的结果。4、塑性变形机理材料的高温蠕变高温:所谓高温蠕变是指材料在低于屈服强度的应力作用下，随加载时间的延长缓慢地产生塑性变形的现象。１）在外力作用下发生瞬时弹性形变２）蠕变减速阶段。特点是应变速率随时间递减。高温时，1、典型的蠕变曲线低温时，３）bc稳定蠕变阶段。特点是蠕变速率几乎保持不变。4）cd加速蠕变阶段。特点是应变率随时间增加t而增加，最后到d点断裂。形变速率最小当外力和温度不同时，蠕变各阶段的曲线倾斜程度将有所变化。1）在高温下原子热运动加剧。可以使位错从障碍中解放出来，并使位错运动加速。 晶格机理2.高温蠕变机理2）位错运动除产生滑移外，位错攀移也能产生宏观上的形变。由于晶体中存在过饱和的空位,多余的半片原子可以向空位扩散，通过吸收空位，位错可攀移到滑移面以外，绕过障碍物，使滑移面移位。2）受拉晶界与受压晶界产生空位浓度差，受拉晶界的空位向受压晶界迁移。同时，原子朝相反方向扩散。导致沿受拉方向伸长，发生形变。3）这种扩散可以是体扩散，沿晶粒内部进行；也可以是晶界扩散。原子空位1）当试件受拉时，受拉晶界的空位浓度增加，在受压晶面上，空位浓度　减少。扩散蠕变理论晶界蠕变理论多晶体中存在着大量晶界。当晶界位相差大时，可以把晶界看成是非晶体，因此在温度较高时，晶界粘度迅速下降。外力导致晶界粘滞流动，发生蠕变。高温和应力的作用下，晶界上的原子易于扩散，受力后晶界易产生滑动，促进蠕变进行。晶界蠕变不是独立机理，晶界滑动要与晶内变形配合。扩散蠕变与晶界蠕变是互动的。温度、应力　温度升高，应力增加，蠕变大。3、影响蠕变的因素外界因素内部因素晶体的组成组成不同的材料其蠕变行为不同。结合力大，不易蠕变。显微结构的影响　气孔率增加，晶粒减小，玻璃相含量升高,蠕变率增大。　3.晶体的组成组成不同的材料其蠕变行为不同。结合力大，不易蠕变。共价键结构程度增加，扩散及位错运动降低抗蠕变性能就较好。4.显微结构的影响　内部因素气孔率增加，　　蠕变率增大。晶粒越小，　　　蠕变率越大。玻璃相含量高,　蠕变率增大。断裂磨损断裂腐蚀变形失效构件失效韧性断裂脆性断裂判定依据：“断裂前是否发生明显的塑性变形”。韧性断裂和脆性断裂的区别？为什么脆性断裂最危险？完整晶体在正应力作用下沿某一晶面拉断的强度。1.理论断裂强度理论断裂强度：理论结合强度只与弹性模量，表面能和晶格距离等材料常数有关。2.Griffith微裂纹理论Griffith认为实际材料中总是存在许多细小的微裂纹或缺陷，在外力作用下产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展，导致断裂。裂纹扩展的临界条件当,裂纹扩展，c增大→增加→断裂。以裂纹尖端最大应力为判据Griffith从能量的角度研究裂纹扩展的条件：物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。即物体内储存的弹性应变能的降低（或释放）就是裂纹扩展的动力。能量判据讨论：脆性裂纹体的能量判据和应力判据对比。结论：一般情况下，ρ<3a时用能量判据，ρ>3a时用应力判据。前提：求脆性裂纹体的断裂强度。能量判据：应力判据：强度的尺寸效应：控制裂纹长度在原子间距水平上，可以达到理论断裂强度。塑性变形的影响p为塑性变形功，p＞＞s对于塑性材料，Griffith不再适用，因为塑性材料在微裂纹扩展过程中裂纹尖端的局部区域要发生不可忽略的塑性形变，需要不断消耗能量，如果不能供给所需要的足够的外部能量，裂纹扩展将会停止。塑性是阻止裂纹扩展的一个重要因素。3.应力场强度因子和平面应变断裂韧性裂纹扩展方式Ⅰ型(张开型):裂纹表面直接分开。Ⅱ型(滑开型):两个裂纹表面在垂直于裂纹前缘的方向上相对滑动。Ⅲ型(撕开型):两个裂纹表面在平行于裂纹前缘的方向上相对滑动。裂纹长度与断裂应力的关系：k是与材料、试件尺寸、形状、受力状态等有关的系数.裂纹尖端应力场分布应力场强度因子复合力学参量，和应力、裂纹尺寸、裂纹型式、试件几何形状有关。按断裂力学的观点，裂纹是否扩展取决于应力场强度因子的大小，当K值达到某一极限值时，裂纹就扩展，即构件发生脆性断裂的条件：极限值称为断裂韧性，是反映材料抗断性能的参数。所的构件是安全的，这一判据考虑了裂纹尺寸。裂纹失稳扩展脆断K判据临界应力场强度因子（断裂韧性）KIC意义：材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。KI是一个力学参量，表示裂纹中裂纹尖端的应力应变场强度的大小，它决定于外加应力、试样尺寸和裂纹类型，而和材料无关。KIC是一个是材料的力学性能指标，它决定于材料的成分、组织结构等内在因素，而与外加应力以及试样尺寸等外在因素无关，为平面应变断裂韧性。KIC和KI的区别应用⑴确定带裂纹构件承载能力⑵确定构件安全性⑶确定临界裂纹尺寸裂纹扩展的动力和阻力裂纹扩展的动力Irwin将裂纹扩展单位面积所降低的弹性应变能定义为应变能释放率或裂纹扩展力。 对于有内裂纹的薄板：G为裂纹扩展的动力。临界状态：对于脆性材料，裂纹扩展的阻力裂纹的起源⑴由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外力作用时，在这些缺陷处就会引起应力集中，导致裂纹成核。⑵材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹。⑶由于热应力形成裂纹①晶粒在材料内部取向不同，热膨胀系数不同，在晶界或相界出现应力集中。②高温迅速冷却，内外温度差引起热应力。③温度变化发生晶型转变，体积发生变化。防止裂纹扩展的措施1．使作用应力不超过临界应力，裂纹就不会失稳扩展。2．在材料中设置吸收能量的机构阻止裂纹扩展。⑴陶瓷材料中加入塑性粒子或纤维。⑵人为地造成大量极微细的裂纹（小于临界尺寸）能吸收能量，阻止裂纹扩展。如韧性陶瓷，在氧化铝中加入氧化锆。利用氧化锆的相变产生体积变,形成大量微裂纹或挤压内应力，提高材料的韧性。二、判断题1.当应变为一个单位时，弹性模量即等于弹性应力，即弹性模量是产生100%弹性变形所需的应力。2.工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同应力条件下产生的弹性变形就越大。3.滑移面和滑移方向的组合称为滑移系，滑移系越少金属的塑性越好。 4.硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。5.高温蠕变是指材料在高于屈服强度的应力作用下，缓慢地产生塑性变形的现象。6.塑性是阻止裂纹扩展的一个重要因素。三、选择题（在每个小题四个备选答案中选出一个正确答案）1.材料失效的最危险形式是（）。A、失稳；B、腐蚀；C、磨损；D、断裂2.双原子模型计算材料理论断裂强度比实际值至少高出一个数量级，是因为（）。A、模型不好；B、近似计算太粗太多；C、实际材料有缺陷；D、实际材料无缺陷3.金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为（）A、塑性；B、硬度；C、强度；D、韧性。4.采用压入深度表示硬度大小的试验是（）；用金刚石圆锥体作为压头可以用来测试（）。A、布氏硬度B、洛氏硬度C、维氏硬度D、以上都可以5、当原子间相互平衡力受外力作用而受到破坏时，原子的位置必须作相应调整，即产生位移，以期外力、引力和（   ）三者达到新的平衡。 A、作用力B、平衡力C、斥力D、张力6、断裂K判据正确的是（）。 A、 KI < KIC   有裂纹，但不会扩展（破损安全）； B、 KI < KIC   临界状态 C、 KI = KIC  发生裂纹扩展，直至断裂；D、 KI  ＞KIC 有裂纹，但不会扩展1.简述KⅠ和KⅠC的区别。2.说明图中三种应力-应变曲线的特点，并举例说明对应的材料。3.比较金属与非金属晶体滑移难易。4.韧性断裂和脆性断裂的区别？为什么脆性断裂最危险？四、简答题（选择一个作答）五、计算题1.某构件的工作应力为1500MPa，而材料的KIC =75MPam1/2，一般构件中较常见的是表面半椭圆裂纹，从安全角度取Y=2，试估算该构件的临界裂纹尺寸。