材料物理性能总结教材

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1、LOGO 材料力学性能 1 材料的静拉伸力学性能 1.1、 拉伸试件的形状和尺寸 试件的标距长度l0比直径d0要大得多；通常， l0=5d0（短试样）或l0=10d0（长试样） 试件的标距长度l0应满足下列关系式： l0=5.65A01/2或11.3A0 1/2 1.2、力伸长曲线 工程应力一工程应变曲线 真实应力应变曲线 LOGO 性能指标 屈服强度s 抗拉强度b 延伸率 断面收缩率 比例极限p 弹性比功 We 弹性极限e 断裂强度E LOGO v比模数/比刚度 v屈强比 v颈缩条件：n=e v塑性断裂、脆性断裂类型 v穿晶断裂、沿晶断裂、解理断裂、沿微孔 聚合型断裂 v断口特征：塑性断口、

2、脆性断口 性能指标 LOGO 1.3 非理想弹性 v 1.3.1 滞弹性： v 1）正弹性后效，快速加载-弹性蠕变。(变形随着时间而延长的现象） v 2）负弹性后效，快速卸载-反弹性后效。 v 1.3.2 粘弹性： v 1）应力松弛：恒应变条件下，应力随时间逐渐下降的现象。 v 2）在恒应力条件下，应变随时间延长发生蠕变。 v 1.3.3 伪弹性： v 在一定的温度条件下，应力达到一定水平之后，金属和合金诱发相变，使得 材料伴随应力产生大量弹性变形的现象。 v 应用，形状记忆合金。 v 1.3.4 包申格效应 v 产生了少量塑性变形的材料，再同向加载则弹性极限与屈服强度升高；反向 加载则弹性极

3、限与屈服强度降低的现象。 LOGO 2.材料在其他静加载下的力学性能 v 2.1应力状态软性系数：最大切应力max与最大正应力Smax 之比，即=max/Smax v 值愈大，应力状态愈“柔”，愈易变形而较不易开裂，即 愈易处于韧性状态。 v 值愈小，则相反，愈易倾向脆性断裂。 v 2.2对于金属材料，特别是钢铁材料，结构钢常温下的力 学性能由拉伸试验评定；工具钢常温下的力学性能由弯曲 试验评定。 v 单向压缩时应力状态的柔度系数大，故用于测定脆性材料 v 2.3 缺口试样静载力学性能：缺口效应、缺口敏感度 v 2.4 硬度 LOGO v3.1 一次冲击实验-冲击韧性： aK=Ak/Fn v

4、多次冲击实验-多冲抗力规律 v （1）A较高时，取决于塑性， v A较低时，取决于强度 v （2）不同的冲击能量要求不同的强度 和塑 性配合 v （3）akv对冲断抗力的影响 v3.2 低温脆性 v 冲击吸收功-温度曲线 3 材料的冲击韧性和低温脆性 LOGO 格波：晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或 某一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中 传播形成的波。 格波 n n+2 n-1 n+1 n-2 2/q= 格波的特点： 晶格中原子的振动； 相邻原子间存在固定的位相。 2、格波与一般连续介质波的异同点？ 格波特点：晶格中原子的振动；相邻原子间存在固定的位相。 格波与一般连

5、续介质波相比较，相同点：振动方程形式类似。 区别：1）连续介质波中x表示空间任意一点，而格波只取呈周期性排列的格点位置； 2）一个格波解表示所有原子同时做频率为w的振动，不同原子间有位相差，相邻原子间位相差为aq； 3）二者的重要区别在于波矢的涵义，同一振动状态对应多个波矢，或多个波矢为同一振动状态。 1热性能的物理基础 1.1晶格热振动 LOGO 1.2 低频率格波:频率低、质点间位相差不大 声频支（类似弹性体中的应变波） 高频率格波:频率高、质点间位相差很大 光频支（邻近质点的运动几乎相反） 3、声学波和光学波的区别？ LOGO 热容: 材料在温度变化时且无相变及化学反应条件下， 温度升高

6、1K所吸收的热量。单位：J/K。 比热容、质量热容、摩尔热容、平均比热容、 定压热容、定容热容 （1） 与 均是温度的函数 （2） （3） 实验上测定方便，但 理论上更有意义。 2、热容 LOGO 2.1热容理论 u假设条件：能量按自由度均分原则：1)在平衡状态下， 气体、液体和固体分子的任何一种运动形式的每一个自 由度的平均动能都是kT/2 。其中k是波尔兹曼常数，T是 绝对温度。2)固体中原子具有三个自由度，其平均动能 为3kT/2。3)固体中振动着的原子的动能与势能周期性 变化，其平均动能和平均势能相等，所以一个原子平均 能量为3kT。4）一摩尔固体的能量：E=N03kT= 3RT 其中

7、N0为阿伏伽德罗常数，R为气体常数。 5）所以固体摩尔热容 即杜隆珀替定律。 LOGO l 由上图可见低温下固体的摩尔热容与3R有很多的偏离。原 因是由于用气体分子运动的模型处理固体的热容过于简单。 l 模型认为质点的能量是可以连续变化的，而实际上固体中原 子振动的能量是量子化的，必须考虑量子效应。 l 实际上，温度对材料的 热容有影响。 l 而杜隆-珀替定律认为与 温度无关，与实验事实 不符合。 LOGO 爱因斯坦模型假设：晶体中所有原子都以相同的角频率E振 动，且各振动相互独立。一摩尔晶体的平均能量 其中称为爱因斯坦温度，一般为100 -300K。 晶格热振动的摩尔热容 量子理论 LOGO

8、 高温时T 0很大，E/T 0 很大，D/T 1 ，所以 CmV 3N0k=3R，即杜隆珀替定律。 LOGO 温度很低时 T 0 ，D/T ， 其中b为常数，此式即德拜三次方定律。 理论计算与实际相吻合 LOGO 德拜模型的优点与不足 u 没有考虑电子温度，而对金属而言低温下热容基本由 电子贡献，正比于T。 u 解释不了超导现象。 u 对某些化合物的计算结果与实验不符，原因在于德拜 认为D与温度无关，且把晶体当作连续介质处理。 优点： 不足： u 德拜模型的结论与低温试验结果是一致的。 LOGO 作业答疑 v 4、简述爱因斯坦模型、德拜模型的特点和不足？ v 爱因斯坦模型假设条件：1）每个原子

9、都是一个独立的振子2）原子之 间彼此无关3）原子之间都是以相同的角频率w振动。不足：1）把每 个原子当作一个三维的独立简谐振子绕平衡点振动2）忽略了各格波 的频率差别，其假设过于简化。 v 德拜模型假设条件:1)考虑晶体中原子的相互作用，晶格近似为连续介 质2）晶体振动的长声学波-连续介质的弹性波3）在低温频率较低的 格波对热容有重要贡献等。不足：1）非常低的温度下只有长波的激 发是主要的，对于长波晶格是可以看做连续介质的。对于较复杂的结 构有各种高频振动耦合，不适用2）没有考虑电子的贡献，无法解释 超导现象 v 5、根据金属材料的结构特点，分析讨论金属材料热容的特点及影响 因素？ v 金属结

10、构特点：1）有大量自由电子2）自由电子组成电子气在正离子 实背景下运动3）遵守泡利不相容原理。 v 无机材料的热容和材料结构关系不大，而金属材料在温度很高和很低 的情况下，自由电子和离子(晶格)振动对热容的贡献都有考虑。 LOGO 材料升高一度，需吸收的热量不同，吸收热量小，热 损耗小，同一组成，质量不同热容也不同，质量轻， 热容小。对于隔热材料，需使用轻质隔热砖，便于炉 体迅速升温，同时降低热量损耗。 根据热容选材 LOGO vv热分析是在程序控制温度下测量物质的物理性质热分析是在程序控制温度下测量物质的物理性质 与温度关系的一类技术。与温度关系的一类技术。 1. 运输性质变化 2. 热力学

11、性质（比热等）变化 3. 溶解（固相转变为液相） 4. 凝固（液相转变为固相） 5. 升华（固态直接转变为气态） 6. 凝华（气态直接转变为固态） 7. 相变 8. 热释电效应 9. 热分解和热裂解 10.热稳定 热物理性质变化 LOGO 3、材料的热膨胀 热膨胀现象 l 现象：热膨胀是指常压下材料的长度或体积随温度升高 而增大。 l 设材料的初始长度（体积）为l0(V0) ，升温后的增量为 l(V) ，则有 l 其中 和 分别称为平均线膨胀系数和平均体膨胀系数 。 l 在某一温度，有： 其中 和 分别称为线膨胀系数和体膨胀系数。 LOGO 温度升高 T后的长度和体积分别为 对立方体材料，有

12、所以同理 若各向异性晶体各晶轴方向的线膨胀系数分别为a, b, c,则 Va+b+c LOGO 非简谐振动理论解释热膨胀机理。可从以下两 方面解释： （1）原子间力原子间距曲线 （2）原子势能原子间距曲线 3.1热膨胀机理 质点在平衡位置两侧受力不对称，即 合力曲线的斜率不等。 当rro时，曲线的斜率较大，斥力随 位移增大的很快，所受合力大。 当r ro时，曲线的斜率较小，吸引力 随位移增大的较慢，所受合力小。 如果质点在平衡点两侧受力不对称越 显著，温度增大，膨胀就越大，晶胞 参数越大。 LOGO 势能曲线不是严格对称抛物线。 即势能随原子间距的减小，比随 原子间距的增加而增长得更迅速 。

13、由于原子的能量随温度的增加而 增加，结果： 振动原子具有相等势能的两个极 端位置间的平均位置就漂移到比 0K时（ro）更大的值处。由此造 成平衡距离的增大。 用势能曲线解释 E3(T3) E2(T2) E1(T1) U(r) 距离r ro A B a b 6、用双原子模型讨论固体 材料热膨胀的物理本质？ LOGO 热膨胀与热容 由于二者引起的机理一致，故变化趋势相同。高温下 由于热平衡缺陷，造成点阵畸变，故增大较显著。 Al2O3 的比热容、线膨胀系数与温度的关系 3.2热膨胀与其他性能的关系 LOGO 热膨胀与温度、热容的关系 T/oC V 比热容 晶格振动加剧引起体积膨胀(V) V、 Cv

14、与温度有相似的规律 LOGO 热膨胀与熔点 二者均与结合能有关。结合能越大，则熔点 越高，而越小。格留乃申方程反映了这种相 反的变化趋势。 Tm =（V TmV0）/ V0常数（C） 其中： Tm熔点； V Tm熔点时的体积； V00K时的体积 LOGO 固体材料的热膨胀与点阵中质点的位能有关，而质点的 位能由质点间的结合力特性所决定，结合力强，势能曲 线深而狭窄，升高同样的温度，质点振幅增加的较少， 热膨胀系数小。 单质材料 ro (10-10m) 结合能 103J/mol 熔点 (oC) l(10-6) 金刚石1.54712.335002.5 硅2.35364.514153.5 锡5.33

15、01.72325.3 热膨胀与结合能、熔点的关系 LOGO 结构紧密的固体，膨胀系数大，反之，膨胀系数小 对于氧离子紧密堆积结构的氧化物，相互热振动导致膨胀系数较大 ，约在6810-6/ 0C，升高到德拜特征温度时，增加到 101510- 6/ 0C。 如：MgO、 BeO、 Al2O3、 MgAl2O4、BeAl2O4都具有相当大的膨 胀系数。 固体结构疏松，内部空隙较多，当温度升高，原子振幅 加大，原子间距离增加时，部分被结构内部空隙所容纳， 宏观膨胀就小。 如：石英 1210-6 /K ，石英玻璃0.510-6/K 热膨胀与结构的关系 LOGO H2 NaCl U(r) r 离子键势能曲线的对称性比共键键的势能曲线差，所 以随着物质中离子键性的增加，膨胀系数也增加。另 一方面，化学键的键强越大，膨胀系数越小。 3.3影响热膨胀的因素 （1） 化学键型 LOGO （2）温度变化时发生晶相转变，引起体积膨胀. （g/cm3） ： 如：单斜ZrO2 四方ZrO2 5.56 6.1 6.27 立方ZrO2 液相 27150C 11700C 23700C LOGO （3）相变伴随的点阵重构引起附加的L，而 L/ T （4）相组成、合金成分：粗略符合“加和”规则 。 ii 7、影响热膨胀的因素？ LOGO 一、热传导的基本概念和定律 当固体材料两端存在温度差时，热量会自动