材料物理-總結

材料物理

哈爾濱理工大學應用科學學院

材料物理系姜越2/5/2023課程總結一、力學性能二、熱學性能三、電學性能四、磁學性能應力與應變單向拉伸應變剪切應變壓縮應變（體積應變）應力與應變曲線2、如圖有三種材料的應力-應變曲線，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、說明圖中三種應力-應變曲線的特點，并舉例說明對應的材料。

一、力學性能材料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（或塑性變形很小）接著就是斷裂，總彈性應變能非常小。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、說明圖中三種應力-應變曲線的特點，并舉例說明對應的材料。

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

彈性變形本質：構成材料的原子（離子）或分子從平衡位置產生可逆位移的反映。3、彈性模量微觀上：表征了原子間結合能的大小。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

對于實際固體相應于最大應力的彈性應變滯后于引起這個應變的最大負荷。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：應變滯后于應力應力松弛應變松弛（蠕變）力學模型

1.虎克固體模型2.牛頓流體模型二、組合模型1.麥克斯韋模型應用：應力松弛2.開爾文固體模型應用：蠕變（應變松弛）應變蠕變時間。應力弛豫時間。3、標準線性固體是應力從原始值松弛到所需時間應力松弛方程應變蠕變時間：在恒定應力作用下，應變達到所需時間蠕變方程

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

材料抵抗大塑性變形的能力，反映極限承載能力。滑移：晶體受力時，晶體的一部分相對另一部分發(fā)生平移滑動?；剖窃诩魬ψ饔孟略谝欢ɑ葡到y(tǒng)上進行的。不破壞晶體內部原子排列規(guī)律性的塑變方式。1.滑移條件產生滑移條件：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?；品较驅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力（）2.滑移的臨界分切應力

滑移的臨界分切應力（c）：在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切應力。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)，達到臨界切應力的機會就多。金屬：主要由一種原子組成，結構簡單，金屬鍵無方向性，滑移系統(tǒng)多，塑性好。無機材料：組成復雜、結構復雜。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?；葡到y(tǒng)很少，塑性差。實驗證明，滑移是位錯在切應力作用下運動的結果。

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力作用下，隨加載時間的延長緩慢地產生塑性變形的現(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?？梢允刮诲e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）位錯運動除產生滑移外，位錯攀移也能產生宏觀上的形變。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，沿晶粒內部進行；也可以是晶界擴散。原子空位

1）當試件受拉時，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。外力導致晶界粘滯流動，發(fā)生蠕變。高溫和應力的作用下，晶界上的原子易于擴散，受力后晶界易產生滑動，促進蠕變進行。晶界蠕變不是獨立機理，晶界滑動要與晶內變形配合。擴散蠕變與晶界蠕變是互動的。溫度、應力

溫度升高，應力增加，蠕變大。3、影響蠕變的因素外界因素內部因素晶體的組成

組成不同的材料其蠕變行為不同。結合力大，不易蠕變。顯微結構的影響

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。結合力大，不易蠕變。共價鍵結構程度增加，擴散及位錯運動降低抗蠕變性能就較好。4.顯微結構的影響

內部因素氣孔率增加，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。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，在外力作用下產生應力集中現(xiàn)象，當應力達到一定程度時，裂紋開始擴展，導致斷裂。裂紋擴展的臨界條件當,裂紋擴展，c增大→增加→斷裂。以裂紋尖端最大應力為判據(jù)

Griffith從能量的角度研究裂紋擴展的條件：物體內儲存的彈性應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。即物體內儲存的彈性應變能的降低（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)和應力判據(jù)對比。結論：一般情況下，ρ<3a時用能量判據(jù)，ρ>3a時用應力判據(jù)。前提：求脆性裂紋體的斷裂強度。能量判據(jù)：應力判據(jù)：強度的尺寸效應：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.應力場強度因子和平面應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。裂紋長度與斷裂應力的關系：k是與材料、試件尺寸、形狀、受力狀態(tài)等有關的系數(shù).裂紋尖端應力場分布應力場強度因子復合力學參量，和應力、裂紋尺寸、裂紋型式、試件幾何形狀有關。

按斷裂力學的觀點，裂紋是否擴展取決于應力場強度因子的大小，當K值達到某一極限值時，裂紋就擴展，即構件發(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)。所設計的構件是安全的，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是一個力學參量，表示裂紋中裂紋尖端的應力應變場強度的大小，它決定于外加應力、試樣尺寸和裂紋類型，而和材料無關。KIC是一個是材料的力學性能指標，它決定于材料的成分、組織結構等內在因素，而與外加應力以及試樣尺寸等外在因素無關，為平面應變斷裂韌性。KIC和KI的區(qū)別應用⑴確定帶裂紋構件承載能力⑵確定構件安全性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變能定義為應變能釋放率或裂紋擴展力。

對于有內裂紋的薄板：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由于晶體微觀結構中存在缺陷，當受到外力作用時，在這些缺陷處就會引起應力集中，導致裂紋成核。⑵材料表面的機械損傷與化學腐蝕形成表面裂紋。⑶由于熱應力形成裂紋①晶粒在材料內部取向不同，熱膨脹系數(shù)不同，在晶界或相界出現(xiàn)應力集中。②高溫迅速冷卻，內外溫度差引起熱應力。③溫度變化發(fā)生晶型轉變，體積發(fā)生變化。防止裂紋擴展的措施1．使作用應力不超過臨界應力，裂紋就不會失穩(wěn)擴展。2．在材料中設置吸收能量的機構阻止裂紋擴展。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生體積變,形成大量微裂紋或擠壓內應力，提高材料的韌性。二、判斷題1.當應變?yōu)橐粋€單位時，彈性模量即等于彈性應力，即彈性模量是產生100%彈性變形所需的應力。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，則在相同應力條件下產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力作用下，緩慢地產生塑性變形的現(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