材工基课程61力学

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1、电气石,电气石是一种硅酸岩矿物，其工艺名称为“碧玺”。电气石是多元素的天然矿物，其化学通式为：NaR3Al6Si6O18BO33(OH,F)4，式中R代表金属阳离子，当R为Mg2+ Fe2+或(Li+ 加Al3+)时，分别构成镁电气石、黑电气石和锂电气石三个端元矿物种。电气石主要成分有镁，铝，铁，硼等10多种对人体有利的微量元素。 电气石最早发现于斯里兰卡，当时被视为与钻石、红宝石一样珍贵的宝石。人们注意到这种宝石在受热时会带上电荷，这种现象称为热释电效应，故得名电气石。 电气石常具色带现象。条痕无色。玻璃光泽。无解理。硬度7.0-7.5。具脆性。比重3.03-3.25。具压电性和热电性。在紫

2、外线光照射下，不发荧光至发弱的荧光，如红色者发弱紫色荧光。在显微镜透射光下具多色性。 电气石有镁电气石，锂电气石，铬电气石，铁电气石等。电气石的颜色随着成分不同而异，富含铁的电气石呈黑色，富含锂的电气石呈玫瑰，亦有呈淡蓝色的；富含镁的电气石呈褐色；富含铬的电气石呈深绿色。在自然界中，镁电气石，锂电气石非常稀少，一般用于珠宝工艺品，很难应用于工业中。具有工业应用价值的为铁电气石。 电气石一般有晶体状（含聚晶体即多个粗细不一的晶体单独集聚或与其它矿伴生集聚）、纤维状（含聚束状）等形状。晶体状电气石又分单晶体及聚晶体两种，单晶体规格一般0.1-10cm，有三棱柱细纹状及六面体晶面状。聚晶状电气石为多

3、个单晶体电气石的集合体，往往与石英伴生在一起，纯度不一，大小各异。 纤维状电气石亦称针状电气石，集合体呈棒状，束针状，放射状，也呈致密块状或隐晶质状等形态。原矿纯度不一，因和石英等杂质的伴生程度差异很大，一般在10-98%之间。经精选的纤维状电气石为95-98%。,电气石的优点： 单晶体电气石最大的特点是能够永久性产生0.06mA的微弱电流，与通过人体神经的电流类似，促使血液循环顺畅。（利用电气石的负离子和红外线功能可治愈烦恼女性多年的四肢冰冷症、肩膀痛、腰痛、生理痛及神经痛等。） 电气石的优点不仅仅是产生电流，只要善加利用，就可得到各种效果，具有其他矿物所没有的优点，其特性大致分为下列五种。

4、 （1） 产生负离子 负离子又称为 空气的维生素 ,具有调节人体离子平衡作用，能使身心放松，活化细胞，提高自然治愈率等作用，并能抑制身体的氧化或老化，现代的环境具有许多促使正离子生成的要因，身体经常处于紧张状态，因此，负离子是现代人不可或缺的物质，此外，负离子也具有除臭的功效。 （2） 电解水 水电解后，能获得界面的活性作用、氯的安定化、铁的钝化（预防红色铁锈生成而发生红水）、水的还原化、去除二氧化硅与粘合物（微生物集合体）等各种效果。电气石与水反应，就能处理连化学洗剂和化学物质都很难处理的问题。 （3） 缩小水分子束 水分子（H2O）并非单独存在，其分子会相互结合，形成分子束。分子束较小的水

5、能去除氯或不纯物，味道佳，而且能够提高身体的渗透力。 （4） 放射远红外线（波长414微米的红外线） 远红外线能够渗透到身体深层部位，温暖细胞，促进血液循环，使新陈代谢顺畅。电气石远红外线发射力将近100，数值较其他矿物高。 （5） 含有有效微量矿物质,AB二层最紧密置层最紧密堆积 生成二种四面体空隙(T+,T-)，一种八面体空隙(Oct),第三层密置层有两种堆积位置：a, c。,第六章 材料的性能,6.1 固体材料的力学性能,强度、弹性、硬度、塑性和韧性等。 建立模型和给出定量的处理方法。 借助微观分析,探索材料力学性能的实质，以便能动地改进和提高材料的力学性能。,弹性模量可视为衡量材料产生

6、弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。 又称杨氏模量。弹性材料的一种最重要、最具特征的力学性质。是物体弹性t变形难易程度的表征。用E表示。定义为理想材料有小形变时应力与相应的应变之比。E以单位面积上承受的力表示，单位为牛/米2。,6.1.1 材料的力学状态,玻璃化温度Tg,渐变区的折中温度。 金属、无机非金属和高分子材料都存在晶相和非晶相两种状态，并显示出不同的力学特征。,6.1.1.1

7、金属的力学状态,金属材料通常是晶态结构，具有较高的弹性模量和强度，受力情况下一般开始弹性形变，接着有一段塑性形变，然后才断裂，总形变能很大，如低碳钢。晶态结构的金属材料无玻璃化转变温度，具有较高的熔点。 钢的弹性模量E在204000214200MPa范围内。 恒弹性材料，温度对弹性模量的影响。 多晶由于晶界的滞弹性，温度较高时， E迅速下降。 金属的E取决于原子间的结合力，故其值主要取决于晶体中原子的本性、原子间的结合力、晶格类型以及晶格常数等。,非晶态合金，具有很高的硬度和强度，延伸率很低而并不脆。 升高到玻璃化温度，粘度明显降低，原子可动性显著增大，发生晶化而失去非晶态结构。 合金元素降低

8、弹性模量。 但如形成高熔点、高弹性模量的第二相质点，则可提高弹性模量。铝合金中的硅；但第二相合金的含量增多，将使塑性大幅度降低，加工困难。,6.1.1.2 非金属的力学状态,陶瓷材料的内部呈晶相和非晶相共存结构。晶相：主晶相、次晶相、第二晶相等，非晶相：玻璃相和气相。 玻璃相熔点低、热稳定性差，强度低于晶相；气相的存在导致陶瓷的弹性模量和机械强度降低，因气孔是应力集中的地方。 陶瓷的玻璃化转变温度Tg。 同质异晶的相转变，但力学性能无显著变化。 陶瓷等弹性形变后没有塑性形变，立即发生脆性断裂，总弹性应变能很小。,陶瓷具有高模量、高硬度、高强度和低延伸率。其弹性模量比金属大得多，常高出1倍，甚至

9、几倍。 陶瓷材料的键合 滑移不仅要受到密排面和密排方向的限制，而且还要受到静电作用力的限制。 E与相的种类、分布比例及气孔率有关。 E=E0(1-k),6.1.1.3 聚合物的力学状态,高分子材料的力学状态不同，多为非晶结构，即使晶态聚合物，也常是不完整的结晶。 A 非晶态聚合物的三种力学状态。 玻璃态聚合物受热时，经高弹态转变为粘流态的温度Tf，称为流动温度或粘流温度。 玻璃态、高弹态和粘流态称为非晶态聚合物的三态。,（1）玻璃态 链段的运动处于“冻结”状态，只有侧基、链节、链长、链角的局部运动，高模量（1091010Pa）和小形变(1%)，具有虎克弹性行为，质硬而脆。玻璃化转变区域，链段运

10、动“解冻”，链构象转变，进行延缩，力学松弛行为，坚韧的力学特性。 （2）高弹态 高弹性、链段的热运动充分发挥，弹性模量下降（105106Pa左右）。在较小的应力下，即可发生很大的形变，除去外力，形变可迅速恢复，故称为高弹性或橡胶弹性。 104Pa左右表现粘性和弹性形变。 具有三维网络结构的微交联聚合物，则不发生粘性流动，只有高弹行为；而高交联度的聚合物既无粘性流动也无高弹行为；线型聚合物高弹态的温度随分子量的增大而增大。分子量过小的聚合物无高弹态。,（3）粘流态 处于粘流态的非晶态聚合物，由于波段的剧烈运动，整个大分子链的重心发生相对位移，产生不可逆形变，即粘性流动，聚合物成为粘性液体。分子量

11、越大，粘流温度Tf就越高，粘度也越大。交联聚合物无粘流态存在，不能产生分子之间的相对位移。,B 结晶聚合物的力学状态。 不完整，因此结晶聚合物常存在一定的非晶部分，也有玻璃化转变。 Tg以上，链段运动仍受到限制，模量下降不大。 Tm以上，模量迅速下降。 分子量很大，TmTf则熔融之后变成粘流态。 RT，塑料玻璃态，橡胶处于高弹态。玻璃化温度是非晶态塑料使用的上限温度，熔点是结晶聚合物使用的上限温度。对于橡胶，玻璃化温度则是使用的下限温度。,已是粘流态，但还未到熔点温度,已到融点，但不是粘流态,6.1.2 应力和应变,受力后具有弹塑性的材料，包括大多数金属结构材料； 受力后具有粘弹性的材料，包括

12、塑料、橡胶、玻璃、混凝土等非晶材料。 受力后一直到断裂都是弹性的材料，包括离子晶体和共价晶体等。 弹性、塑性和粘性变形是三种基本变形。,6.1.2.1 材料的应变方式,当材料受到外力作用而不产生惯性移动时，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变化称为应变或形变。宏观变形时，内部分子及原子发生了相对位移，产生分子及原子间对抗外力的附加内力，达到平衡时，附加内力与外力大小相等，方向相反，定义为单位面积上的内力为应力，其值与外加的应力相等，如面积为初始面积则应力称为名义应力，面积为真实面积则称为真实应力。 各向同性的材料：简单拉伸、简单剪切和均匀压缩。静加载下，还有扭转和弯曲形变。,（1）简单拉伸 伸长

13、率较小时，张应变为： (l-l0)/l0=l/l0 应变、相对伸长，又称为伸长率。 名义（习用）应力， F/S0 真=？,（2）简单剪切 当材料受到的力F是与截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直线上的两个力时，发生简单剪切，即单剪： 切应变l/l（偏斜角的正切）。 当切应变很小时，。 剪切力， sF/S0,（3）均匀压缩 当均匀压缩（液体静压）时，材料受到周围的压力p，发生体积形变，体积由V0缩小成V，压缩成v： v=(V0-V)/V0= V0/V0,（4）扭转 材料在扭矩M作用下，产生切应力，此时切应力M/W,W为截面系数。 切应变为： tan=d0/(2l0)100% 为圆杆表面任一行

14、等于轴线的直线因切应力的作用而转动的角度，为扭转角； l0为杆的长度，d0为外径（直径）。 扭转试验可测定塑性材料和脆性材料的剪切应变和断裂的力学性能，有着独特的特点，是其它试验无法比拟的。,（5）弯曲 材料在受到弯矩M时，产生弯曲形变。弯曲形变多用最大挠度max，其值可用百分表或挠度计直接读出。,6.1.2.2 应力-应变曲线类型,拉伸试验是评价材料机械性能的一种方便方法，以均匀的速率拉伸试样，用测力装置测量试样伸长l所需要的垃力F，并用伸长计同时测量 l。载荷-伸长曲线F-l，工程应力-应变曲线(-)，=F/S0和= l/l0。,应力-应变曲线(-)大致有五种类型： （1）纯线性型 （2）

15、弹性-均匀塑性型 （3）弹性-不均匀塑性型 （4）弹性-不均匀塑性-均匀塑性型 （5）弹性-不均匀塑性性(屈服平台)-均匀塑性型。 机器零件受介质腐蚀和静应力联合作用而失效，这种现象称为应力腐蚀破坏。金属析氢而引起的脆性破坏，即所谓的氢脆现象。,滑移而不是孪生,原有结晶被破坏， 细紧屈服，载荷下降；重新组合成新的方向性好强度高的结晶结构,体心立方体合金和有色金属合金，有屈服平台。,应力腐蚀与氢脆,机器零件受介质腐蚀和静应力联合作用而失效，这种现象称为应力腐蚀破坏。 固体材料在环境介质恶劣时，受应力作用而发生破坏的现象比单纯应力或单纯介质的破环严重得多。 一些金属材料在应力腐蚀过程中，通常会产生

16、金属吸氢而引起的脆性破坏，即所谓氢脆现象。,氢脆对高强度钢和弹性制件的危害特别大，在人们没有认识氢脆的危害以前，曾经因为氢脆的实际存在而造成过许多严重的质量事故，造成严重的设备损坏和人员伤亡事故。因此在认识到氢脆的严重危害性以后，防止氢脆就成为电镀等有渗氢可能的加工工艺的一项重要指标。 二战时期，英国为了抵御德国军队的侵略，设计了喷火式战斗机与之抗衡。不料试飞时，螺旋桨轴突然断了，机毁人亡。一时间英国上下手足无措。后来年仅27岁的中国留学生李薰，因为具有创新意识、动手能力强而被推荐研究该战斗机。 李薰历时半年，找到了问题的根源：任何材料如果本身有一些裂痕，通过振动或抖动将产生更大的裂纹。英国多雨，天气比较潮湿，氢原子侵入钢制的飞机主轴的空间或间隙里，在一定条件下，氢原子遇到碰撞，变成分子，体积发生膨胀，使钢断裂。由此他提出了氢脆原理，找到了解决问题的出口，帮助英国成功设计了喷火式战斗机，为击败德军入侵立功。,6.1.3 弹性形变,任何材料在外力