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1、第二章第二章 物质结构基础物质结构基础(StructureofMatter)原子之间的相互作用和结合原子之间的相互作用和结合(AtomicInteractionandBonding)基本键基本键合（PrimaryInteratomicBonds)：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（SecondaryBonding)原子结构原子结构(AtomicStructure)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(ElectronsinAtoms)前面内容前面内容总结复习总结复习固体中的原子有序固体中
2、的原子有序(PerfectionsinSolids)固体中的原子无序固体中的原子无序(ImperfectionsinSolids)固体中的转变固体中的转变(TransformationsinSolids)固体物质的表面结构固体物质的表面结构(SurfaceStructuresofSolidMaterials)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CompositionandStructureofMetallicMaterials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
3、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CompositionandStructureofInorganic-nonmetalicMaterials高分子材料的结构和组成高分子材料的结构和组成CompositionandStructureofPolymericMaterials复合材料的结构和组成复合材料的结构和组成CompositionandStructureofCompositematerials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结构CompositionsandStructuresofMaterialsMaterialspr
4、operty材料的性能决定材料用途材料的性能决定材料用途本本章章对对材材料料的的机机械械性性能能、热热性性能能、电电学学、磁磁学学、光光学学性性能能以以及及耐耐腐腐蚀蚀性性，复复合合材材料料及及纳纳米米材材料料的的性性能能进进行阐述。行阐述。第四章第四章材料的性能材料的性能MechanicalpropertyofmaterialsStressandstrainElasticdeformationModulusViscoelasticityPermanentdeformationStrengthFracture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
5、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固体材料的机械性能固体材料的机械性能Chapter 7Chapter 8Chapter 9（stressandstrain）LearningObjectives材料的形变材料的形变（Deformationofmaterials）（ElasticdeformationandPermanentdeformation）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
6、机械行为MechanicalPropertiesofSolidMaterials应力和应变应力和应变MechanicalstatesofmaterialsA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受受力力开开始始为为弹弹性性形形变变，接接着着一一段段塑塑性性形变形变，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
7、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气气相相（气气孔孔）的的存存在在导导致致陶陶瓷瓷的的弹弹性性模模量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绝绝大大多多数数无无机机材材料料在在弹弹性性变变形形后后立立即即发发生生脆脆性断裂性断裂，总弹性应变能很
8、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非晶部分，也有部分，也有玻璃化转变。玻璃化转变。B在在Tg以上以上模量模量下降不大下降不大C在在Tm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，TmT 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Tm、T
9、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(stressandstrain)4-1-2应力和应变应力和应变Ifaloadisstaticorchangesrelativelyslowlywithatimeandisapplieduniformlyoveracrosssectionorsurfaceofamember,themechanicalbehaviormaybeascertainedbyasimplestress-straintest.The
10、searemostlycommonlyconductedformaterialsatroomtemperature.应力和应变应力和应变(stressandstrain)应力应力：1.应力应力和应变应变的定义的定义工工程程应应力力（名名义义应应力力）：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。受受到到外外力力不不惯惯性性移移动动时时，几几何何形形状状和和尺尺寸寸的变化。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
11、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()：()=(ll0)/l0=l/l0l0l（1）简单拉伸简单拉伸(tension)工程应力工程应力：=F/A0单位单位MPaA standard tensile specimenTensionisoneofthemostcommonmechanicalstress-straintest.thetensi
12、ontest canbeusedtoascertainseveralmechanicalpropertiesofmaterialsthatisveryimportantindesign.Sometimesitismoremeaningfultouseatruestresstruestrainscheme.TruestressT isdefinedastheloadF dividedbytheinstantaneouscross-sectionalareaAi overwhichdeformationisoccurring(i.e.,theneck,pastthetensilepoint),or
13、(7.15)Furthermore,itisoccasionallymoreconvenienttorepresentstrainastruestrainT,definedby(7.16)Ifnovolumechangeoccursduringdeformation,thatis,ifAi li=A0l0(7.17)trueandengineeringstressandstrainarerelatedaccordingto(7.18a)(7.18b)Equations7.18aand7.18barevalidonlytotheonsetofnecking;beyondthispointtrue
14、stressandstrainshouldbecomputedfromactualload,cross-sectionalarea,andgaugelengthmeasurements.Section 7.7工程应力工程应力：=F/A0真实应力真实应力 T：T=F/ATA0AT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 切应变：切应变：=tan（2）简单剪
15、切简单剪切(shear)切应力：切应力：s()=F/A0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 of the stress.V=(V
16、0-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=d0/(2l0)100%（4）扭转扭转Torsionaldeformation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Flexuraldeformation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/A0和和=l/l 0 3.应力应力应变曲线应变曲线(Stre
17、ss-straincurve)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
18、)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-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
19、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 8ElasticDeformationElasticdeformationModulusofelasticity(Hook)(metalandceramics)Rubberlikeelasticity(elastomer)Viscoelasticity(polymer)弹性形变弹性形变Elasticdeformation弹性形变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
20、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HooksrawandModulusofelasticity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 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
21、变的比值，=-ey/ex转化关系转化关系 E=3G/1+G/3KK=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
22、料高分子材料低模量FIGURE7.19Typical 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4-4.一一硫硫化化的的橡橡胶胶球球受受到到6.89MPa的的静静水水压压力力，直直径径减减少少了了1.2%，而而相相同同材材质质的的试试棒棒在在受受到到516.8KPa的的拉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-
23、E/3K)=6.89Mpa/(1-0.9883)/1=193.7MpaE=3K(1-2)=0.51-(24.6MPa)/(3 193.7MPa)=0.48例题例题金金属属晶晶体体、离离子子晶晶体体、共共价价晶晶体体等等的的变变形形通通常常表表现现为为普弹性普弹性，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。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(rubberlikeelasticity)弹性模量小、形变大弹性模量小、形
24、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510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ElasticityandVisco-elasticityofPolymersC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，固体物质的万分之一左右，即即10100 104Pa。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
25、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 Dynamicviscoelasticity（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*=E +iE 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(proportionallimit)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=Fp/S0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）