第二章无机材料的断裂与强度_材料物理
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第一章无机材料的受力形变1 简述正应力与剪切应力的定义2 各向异性虎克定律的物理意义3 影响弹性模量的因素有哪些?4 试以两相串并联为模型推导复相材料弹性模量的上限与下限值。
5 什么是应力松弛与应变松弛?6 应力松弛时间与应变松弛时间的物理意义是什么?7 产生晶面滑移的条件是什么?并简述其原因。
8 什么是滑移系统?并举例说明。
9 比较金属与非金属晶体滑移的难易程度。
10 晶体塑性形变的机理是什么?11 试从晶体的势能曲线分析在外力作用下塑性形变的位错运动理论。
12 影响晶体应变速率的因素有哪些?13 玻璃是无序网络结构,不可能有滑移系统,呈脆性,但在高温时又能变形,为什么?14 影响塑性形变的因素有哪些?并对其进行说明。
15 为什么常温下大多数陶瓷材料不能产生塑性变形、而呈现脆性断裂?16 高温蠕变的机理有哪些?17 影响蠕变的因素有哪些?为什么?18 粘滞流动的模型有几种?19 影响粘度的因素有哪些?第二章无机材料的脆性断裂与强度1 试比较材料的理论强度、从应力集中观点出发和能量观点出发的微裂纹强度。
2 断裂能包括哪些内容?3 举例说明裂纹的形成?4 位错运动对材料有哪两方面的作用?5 影响强度的因素有哪些?6 Griffith关于裂纹扩展的能量判据是什么?7 试比较应力与应力强度因子。
8 有一构件,实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢供选:甲钢:sf =1.95GPa, K1c =45Mpa·m 1\2乙钢:sf =1.56GPa, K1c =75Mpa·m 1\2试根据经典强度理论与断裂强度理论进行选择,并对结果进行说明。
9 结构不连续区域有哪些特点?10 什么是亚临界裂纹扩展?其机理有哪几种?11 介质的作用(应力腐蚀)引起裂纹的扩展、塑性效应引起裂纹的扩展、扩散过程、热激活键撕裂作用引起裂纹扩展。
12 什么是裂纹的快速扩展?13 影响断裂韧性的因素有哪些?14 材料的脆性有哪些特点?通过哪些数据可以判断材料的脆性?15 克服材料脆性和改善其强度的关键是什么?16 克服材料的脆性途径有哪些?17 影响氧化锆相变的因素有哪些?18 氧化锆颗粒粒度大小及分布对增韧材料有哪些影响?19. 比较测定静抗折强度的三点弯曲法和四点弯曲法,哪一种方法更可靠,为什么?20. 有下列一组抗折强度测定结果,计算它的weibull模数,并对该测定数据的精度做出评价。
材料性能与表征无机材料物理性能教学大纲一、课程介绍《材料性能与表征》是材料类专业学生的学科基础课程。
本课程主要介绍材料的力学、热学、光学、磁学、电学的特性和表征方法,目的是使学生充分认识材料的物理性能以及这些性能在人类物质生活中的意义,学会利用这些知识解释有关材料的许多现象,认识材料的宏观性能与微观机制的联系,为材料的合成、制备、加工和应用指明方向。
主要内容包括:材料的受力变形、材料的脆性断裂与强度,材料的热学性能,材料的光学性能,材料的磁学性能,材料的电学性能等。
教学部分共含32个理论学时,16个实践环节学时。
Introduction“Properties and Characterization of Materials” is the main professional fundamental course for materials science and engineering students. This course mainly introduces the mechanical, thermal, optical, electrical and magnetic properties and characterization method of materials. The main purpose of this course is to make students fully understand the physical properties of materials and theirs significance in human materials life, learn to explain many phenomena of the materials by these knowledge, to understand the relationship between the macroscopic properties and microscopic mechanisms of materials, and to point out the directions for the synthesis, preparation, processing and application of the materials. The main contents of this course are listed as follows: stress deformation of materials, brittle fracture and strength of materials, thermal properties of materials, optical properties of materials, magnetic properties of materials, electrical properties of materials. The teaching part of this course includes 32 theoretical credit hours and 16 practical credit hours.课程基本信息二、教学大纲1、课程目标1)掌握材料性能的基本理论及其主要影响因素,培养学生对抽象问题的认识,使学生能够针对具体的材料工程问题,建立数学模型并求解。
《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力,若直径拉细至2.4mm ,且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变,并比较讨论这些计算结果。
解:由计算结果可知:真应力大于名义应力,真应变小于名义应变。
1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa),试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔,再估算其上限和下限弹性模量。
解:令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时,将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得,其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=A A l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1-11一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ,若其临界抗剪强度τf 为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值,并求滑移面的法向应力。
解:1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图,并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。
解:Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程:V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程:以上两种模型所描述的是最简单的情况,事实上由于材料力学性能的复杂性,我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。
第一章物理基础知识与理论物理性能本质:外界因素(作用物理量)作用于某一物体,如:外力、温度梯度、外加电场磁场、光照等,引起原子、分子或离子及电子的微观运动,在宏观上表现为感应物理量,感应物理量与作用物理量呈一定的关系,其中有一与材料本质有关的常数——材料的性能。
晶体结构:原子规则排列,主要体现是原子排列具有周期性,或者称长程有序。
非晶体结构:不具有长程有序。
点阵:晶体内部结构概括为是由一些相同点子在空间有规则作周期性无限分布,这些点子的总体称为点阵。
晶体由(基元)沿空间三个不同方向,各按一定的距离(周期性)地平移而构成,(基元)每一平移距离称为周期。
晶格的共同特点是具有周期性,可以用(原胞)和(基失)来描述。
分别求立方晶胞、面心晶胞和体心晶胞的原胞基失和原胞体积?(1)立方晶胞:(2)面心晶胞(3)体心晶胞晶体格子(简称晶格):晶体中原子排列的具体形式。
晶列的特点:(1)一族平行晶列把所有点包括无遗。
(2)在一平面中,同族的相邻晶列之间的距离相等。
(3)通过一格点可以有无限多个晶列,其中每一晶列都有一族平行的晶列与之对应。
(4 )有无限多族平行晶列。
晶面的特点:(1)通过任一格点,可以作全同的晶面与一晶面平行,构成一族平行晶面. (2)所有的格点都在一族平行的晶面上而无遗漏;(3)一族晶面平行且等距,各晶面上格点分布情况相同;(4)晶格中有无限多族的平行晶面。
格波:晶体中的原子在平衡位置附近的微振动具有波的形式。
色散关系:晶格振动谱,即频率和波矢的关系。
声子:晶格振动的能量是量子化的,晶格振动的量子单元称作声子,声子具有能量ħ ,与光子的区别是不具有真正的动量,这是由格波的特性决定的。
声学波与光学波的区别:前者是相邻原子的振动方向相同,波长很长时,格波为晶胞中心在振动,可以看作连续介质的弹性波;后者是相邻原子的振动方向相反,波长很长时,晶胞中心不动,晶胞中的原子作相对振动。
德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性。
第二章 无机材料的受力变形名义应力应力:单位面积所受的力。
σ=F/S真实应力应变:用来描述物体内部各质点之间的相对位移。
弹性形变:各向同性广义胡克定律: 体积模量弹性系数k s :大小反映了原子间的作用力曲线在r = r 0处斜率的大小。
弹性刚度系数 大小实质上反映了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。
弹性系数k s 测定式架状结构石英和石英玻璃的架状结构是三维空间网络,几乎各向同性;晶体结构 双链结构、环状结构(岛状结构)、层状结构为各向异性,因材料方向不 同而差别很大。
温度:弹性常数随温度升高而降低。
并联模型:E u =V 2E 2+(1-V 2)E 1(上限)复相的弹性模量串联模型:1/E L =V 2/E 2+(1-V 2)/E 1(下限)应变松弛(或蠕变或徐变):固体材料在恒定荷载下,变形随时间延续而缓慢增加的不平衡过程,或材料受力后内部原子由不平衡到平衡的过程。
当外力除去 后,徐变变形不能立即消失。
应力松弛(或应力弛豫):在持续外力作用下,发生变形着的物体,在总的变形值保持不变的情况下,由于徐变变形渐增,弹性变形相应的减小,由此使物体的内部应力随时间延续而逐渐减少。
或一个体系因外界原因引起的不平衡状态逐应力和应变正应变剪切应变弹性形变机理弹性模量影响因素因为大部分固体随温度升高而发生热膨胀现象,原子间结合力减弱 因此温度对弹性刚度系数的影响,通常用弹性刚度系数的温度系数T C 表示。
应用:温度补偿材料,即一种异常的弹性性质材料(Tc 是正的),补偿一般材料的负Tc值。
例如:低温石英有一个方向Tc 是正值,低温石英在570o C 通过四面体旋转,进行位移式相转变,变成充分膨胀的敞旷高温型石英结构。
原因:对高温石英和低温石英施加拉伸应力,前者由于Si -O -Si 键是直的,仅发生拉伸,后者除拉伸外,还有键角改变,即发生转动运动。
随着温度的增加,其刚度增加,温度系数为正值。
温度补偿材料具有敞旷结构,内部结构单位能发生较大转动的物质,这种敞旷式结构具有小的配位数。
第一章无机材料的受力形变1.形变:材料在外力的作用下发生形状与尺寸的变化2.影响弹性模量大小的因素?①化学键(本质):共价键、离子键结合力强,弹性模量大。
分子键结合力弱,弹性模量小。
②原子间距:正应力使原子间距减小,弹性模量增大;张应力使原子间距增大,弹性模量减小。
温度升高,原子间距增大,弹性模量降低。
3.弹性模量的测定⏹静态法:采用常规三点弯曲试验加载方式;在正式读数前,在低载荷进行几次反复加载、卸载;试样尺寸有要求。
误差较大⏹动态法:三点弯曲受力,外加载荷周期性性变化,产生谐振;弯曲振动测E,扭曲振动测G;试样尺寸有要求。
误差较小4.塑性:材料在外力去除后仍保持部分应变而不能恢复的特性5.延展性:材料发生塑性形变而不断裂(破坏)的能力6.晶体塑性形变两种基本形式:•滑移是指在剪切应力作用下晶体一部分相对于另部分发生平移滑动。
在显微镜下可观察到晶体表面出现宏观裂纹,并构成滑移带。
•孪晶是晶体材料中原子格点排列一部分与另部分呈镜像对称的现象。
镜界两侧的晶格常数可能相同、也可能不同。
7.晶体滑移的条件几何条件:滑移一般发生在晶面指数小、原子密度大的晶面(主要晶面)和晶面指数小的晶向(主要晶向)上:由于晶面指数小的面,面间距越大,原子间的作用力越小,易产生相对滑动;晶面指数小的面,原子的面密度大,滑过滑动平面使结构复原所需的位移量最小,即柏氏矢量小,也易于产生相对滑动。
静电作用因素:同号离子存在巨大的斥力,如果在滑动过程中相遇,滑动将无法实现。
8.粘度定义:使相距一定距离的两个平行平面以一定速度相对移动所需的力。
单位:Pa· s,9.影响粘度的因素?温度:一般温度升高,粘度下降。
时间:从高温状态冷却到退火点,再加热其粘度随时间增加而增加;而预先在退火点以下保持一定时间后,其粘度随时间增加而降低,但时间大大缩短。
组成:改性阳离子不同,粘度变化不同;但改性阳离子的加入,在任何温度下总会使粘度降低。
无机材料的脆性断裂与强度脆性断裂是指在受力条件下,无机材料会发生不可逆的破裂现象,而无法发生塑性变形。
与之相对的是韧性断裂,韧性断裂发生在材料能够发生塑性变形的情况下。
无机材料的脆性断裂与强度有密切关系。
强度是指材料抵抗外力的能力,是一个评价材料抗拉、抗压、抗弯等载荷的指标。
脆性材料的强度主要受材料内部微观缺陷和断裂导致的应力集中影响。
下面分三个方面介绍无机材料的脆性断裂与强度的关系。
首先,无机材料的脆性断裂与晶体结构有关。
无机材料的晶体结构决定了材料的原子排列和键合情况,从而影响了材料的力学性能。
晶体结构中的离子键、共价键或金属键不易发生移动,因此无机材料的塑性变形能力较弱。
当材料受到外力作用时,由于无法有效地分散应力,应力会在缺陷处或晶界处集中,导致材料的断裂。
例如,金刚石具有非常坚硬的晶体结构,但其断裂韧性很低,容易在受力时发生脆性断裂。
其次,无机材料的脆性断裂与材料的纯度和缺陷有关。
纯度高的材料内部缺陷较少,力学性能较好,强度较高。
材料的缺陷可以包括晶界、孔洞、裂纹等,这些缺陷会导致应力的集中。
晶界是由于晶体的生长形成的界面,常常是材料中最脆弱的部分。
孔洞和裂纹是材料中的缺陷,它们会在受力时成为应力集中的位置,从而导致材料的脆性断裂。
因此,提高无机材料的纯度,减少缺陷的存在,可以提高材料的强度和抗断裂能力。
最后,无机材料的脆性断裂与外界温度和应力速率有关。
温度对材料的强度和断裂行为有很大影响。
低温会导致材料的强度和韧性下降,使得材料更容易发生脆性断裂。
高温会增加材料的塑性,降低材料的强度,使得材料更容易发生韧性断裂。
应力速率也是影响材料脆性断裂的因素之一、应力速率较快时,材料不容易发生塑性变形,从而容易发生脆性断裂。
应力速率较慢时,材料有足够的时间进行塑性变形,从而能够发生韧性断裂。
综上所述,无机材料的脆性断裂与强度有着紧密的关系。
晶体结构、纯度和缺陷、温度以及应力速率都会对材料的强度和断裂行为产生影响。
第一章:材料的力学形变:材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化,称为形变力学性能(机械性能):材料承受外力作用,抵抗形变的能力及其破坏规律,称为材料的力学性能或机械性能应力:材料单位面积上所受的附加内力称应力。
法向应力应该大小相等,正负号相同,同一平面上的两个剪切应力互相垂直。
法向应力导致材料的伸长或缩短,剪切应力引起材料的切向畸变。
应变:用来表征材料受力时内部各质点之间的相对位移。
对于各向同性材料,有三种基本的应变类型。
拉伸应变,剪切应变,压缩应变。
拉伸应变:材料受到垂直于截面积的大小相等,方向相反并作用在同一直线上的两个拉伸应力时材料发生的形变。
剪切应变:材料受到平行于截面积的大小相等,方向相反的两剪切应力时发生的形变。
压缩应变:材料周围受到均匀应力P时,体积从起始时的V0变化为V1的形变。
弹性模量:是材料发生单位应变时的应力,表征材料抵抗形变能力的大小,E 越大,越不易变形,表征材料的刚度越大。
是原子间结合强度的标志之一。
黏性形变:是指黏性物体在剪切应力作用下发生不可逆的流动形变,该形变随时间的增大而增大。
剪切应力小时,黏度与应力无关,随温度的上升而下降。
牛顿流体:服从牛顿黏性定律的物体称为牛顿流体。
在足够大的剪切应力下或温度足够高时,无机材料中的陶瓷晶界,玻璃和高分子材料的非晶部分均会产声黏性形变,因此高温下的氧化物流体,低分子溶液或高分子稀溶液大多属于牛顿流体,而高分子浓溶液或高分子熔体不符合牛顿黏性定律,为非牛顿流体。
塑性:材料在外应力去除后仍能保持部分应变的特性称为塑性。
晶体塑性形变两种类型:滑移和孪晶。
延展性:材料发生塑性形变而不断裂的能力称为延展性。
μ(泊松比),定义为在拉伸试验中,材料横向单位面积的减少与纵向单位长度的增加率之比。
滑移是指在剪切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分发生平移滑动,在显微镜下可观察到晶体表面出现宏观条纹,并构成滑移带。
滑移一般发生在原子密度大和晶向指数小的晶面和晶向上。