[工学]绪论_材料物理

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1、无机材料 物理性能王来国Email: Tel.： 13866634402绪 论一、为什么要学习无机材料物理性能二、研究对象与研究方法三、课程特点与学习目的四、教学内容、学习方法与要求五、参考书目一、为什么要学习无机材料物理性能1. 材料的定义与分类定义：材料（materials）一般指人类能用来制作有用物件的物质物质，它与人们的衣食住行息息相关。分类：（1） 根据化学组成和显微结构特点材 料金属材料无机非金属材料复合材料有机高分子材料材料金属材料无机非金属材料有机高分子材料天然材料人造材料天然材料人造材料天然材料人造材料复合材料复合材料（3） 根据用途材 料建筑材料航空材料半导体材料电子材料（

2、2） 根据特征性能材 料结构材料 （以力学性能为主）功能材料 （以物理、化学性能为主）2. 无机材料的定义与分类定义：无机材料几乎包括除了金属材料、高分子材料的所有材料。其 化学组分主要是氧化物和硅酸盐，其次是碳酸盐、硫酸盐和非 氧化物。无 机 材 料天然矿物材料玻璃材料凝胶材料陶瓷材料分类：3. 开设本课程的原因v科技和社会发展的需要v材料是人类社会进步的里程碑 当今社会公认，材料、能源和信息技术是新技术革命的三大支柱。 无机材料、金属材料和高分子材料是工程材料的三大支柱。 新材料的发展将有利于社会生产力的发展，加速社会发展的进程。 材料的研究和应用促进了人类社会的进步，而人类社会的不断发展

3、又刺激了材料的不断创新。（1）材料在人类社会中地位合成 （工艺流程）组成 （结构）性能 （性质）效能v材料科学是有关材料的组成、结构与工艺流程对于材料性能 与用途的影响规律的认识与运用。v材料性能决定于材料的组成与结构，而这些又取决于合成与 制造工艺。材料性能的好坏直接决定了材料的用途，所以学 习掌握材料的各种性能知识与理论是材料研发的基础。（2）性能是材料科学的四要素之一二、研究对象与研究方法1. 研究对象无机材料的物理性能的研究对象是无机材料的力学性能、以力学性能、以 及热学、光学、电学和磁学及热学、光学、电学和磁学性能。不牵涉化学性能（如耐腐 蚀等）。（1）经验方法2. 研究方法在大量实

4、验数据的基础上,经过对数据的分析处理,整理为经验方程,来表示它们的函数关系。从机理着手,即从反映本质的关系出发,按照性能的有关规律,建立物理模型,用数学方法得到有关的理论方程式。（2）理论方法三、课程特点与学习目的1. 课程特点 基础理论性强，信息量大，概念和推理较多。2. 学习目的理解材料各种主要性能的基本概念、物理本质、变化规律以及性能指标的工程意义；理解影响材料性能的主要因素以及各种材料结构与性能的关系；能够运用材料性能的测定方法以及控制和改善性能的措施；培养学生具有合理选材用材、开发新型材料的必要基础知识和基本技能。因此，首先要掌握各类本征参数的物理意义和单位以及这些参数在实际问题中所

5、处的地位；其次，要搞懂这些参数的来源，即性能和材料的组成、结构和构造的关系；掌握这些性能参数的物质规律，从而为判断材料优劣，正确选择和使用材料，改变材料性能，探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础。这些性能基本上都是各个领域在研制和应用无机非金属材料中，对他们提出来的一系列技术要求，即所谓材料的本征参数。四、教学内容、学习方法与要求无机 材料 无机功 能材料无机结 构材料无机材料的脆性断裂与强度 无机材料的受力形变无机材料的热学性能 无机材料的磁学性能 无机材料的介电性能 无机材料的电导 无机材料的光学性能 1. 教学内容2. 学习方法与要求反对应试观点，重视素质和能力的培养，特别是创新意识的

6、培养。重视预习和复习，主动培养自学能力，适应“粗线条” 的讲课方式（ 讲思路、 讲背景、讲重点难点）。学会记笔记(记思路、要点和有特色的内容)。高质量地及时完成作业，摈弃“题海战术”。严守课堂纪律（不迟到，不随便说话）。五、参考书目无机材料物理性能（清华大学出版社） 关振铎、张中太材料物理性能学 （北京工业大学出版社）王从曾 工程材料的变形与断裂力学（机械工业出版社）中译本：赫茨伯格无机材料金属学 （同济大学出版社）王培铭固体物理学（人民教育出版社） 黄昆固体物理学（上海科学出版社） 方俊鑫、陆栋材料科学基础（武汉理工出版社） 张联盟材料物理基础（机械工业出版社） 任凤章第一章 无机材料的受力

7、形变1.1 无机材料的应力、应变及弹性形变1.2 无机材料中晶相的塑性形变1.3 无机材料的高温蠕变 1.1 无机材料的应力、应变及弹性形变一、应力二、应变三、虎克定律四、粘弹性与滞弹性五、高弹性1.1 无机材料的应力、应变及弹性形变材料的力学性质：是指材料在外应力作用下的行为。序言形变：材料在外力作用下，发生形状和大小的变化。一、应力1. 定义：名义应力：真实应力：材料单位面积上所受 的外力（1-1）（1-2）显然，应力与面元的法线方向有关，不同方向面元，就有不同的 应力。为了全面准确地描述应力，围绕材料内部一点o点取一体 积单元，建立直角坐标系。F：外力（N）：应力（Pa）A0：材料受力前

8、的初始面积A：材料受力后的真实面积式中：2. 应力的表示方法：xxxyxzyxyyyzzzzy zx应力分量o xyz作用在o点的应力为：其中作用在o点的应力状态由六个分量决定：平行于面元法线的应力分量 3. 应力的分类 : (1)正应力 (2)切应力 垂直于面元法线的应力分量 思考上述公式中哪些向量是正应力？哪些是切应力吗？二、应变1. 定义：应变就是用来描述固体在应力作用下内部各点相互位置的 改变量。2. 应变的分类: (1) 线应变（正应变）(2) 面应变（切应变）正应力 切应力 在应力的作用下，固体的形状和体积发生的变化。（a）名义线变l0 l FF线变（1）线应变 （b）真实线变在剪

9、切应力作用下，物体内部一体积单元上的两个面元 （或特征面上的两个线元）之间夹角的变化。在单向应力作用下发生的应变F切变FS通常又称为切应变，在剪应力作用下发生的应变。（2）面应变 在单向应力作用下，物体长度的改变量。一块物质周围受到的压强改变时，其体积也会发生改变 ，以V/V表示体应变。（3）体应变 设：物体沿x,y，z方向的位移分量分别位u,v，w切变oSdxdycBcABA3. 应变的表示方法: 实际上，物体经常同时受到正应力和剪切应力的作用，所以会同时发 生正应变和切应变。下面分析物体内部一点的应变状态。则：(2) 在剪应力作用下发生的应变为（切应变）(1) 在正应力作用下发生的应变（正

10、应变）（1.3） （1.4） o点的应变状态由六个分量决定：应力和应变总是同时存在的，它们之间存在什么样的关系呢？1. 虎克定律 bccbLlxx x zy三、虎克定律（1）在正应力作用下虎克定律（各向同性体）理想的弹性体：应力和应变之间是最简单的线性关系，即虎克定律。一般物体：在弹性范围内，作为一级近似，特别是在小形变时，应力与应变也满足虎克定律，称为广义虎克定律。 其中：E 为弹性模量，对各 项同性体为一常数。x 方向：y 方向：z 方向：横向变形系数, 又称泊松比（纵向变形与横向变形的比值）则： （1.5） 如果长方体各面分别受到均匀分布的正应力 的作用，则在各方向的总应变由三个应力分量

11、在各个方向引起的应变叠加求得。 此时虎克定律的表达式为：（式中G为剪切模量或刚性模量） （1.6） （1.7） （2）在剪应力作用下虎克定律（各向同性体） （3）G,E,之间的关系弹性模量是一个重要的材料常数，也是原子间结合强度的一 个标志。2. 弹性模量原子间的结合力不受外力的情况下：（1）定义E，原子间结合力大；E，原子间结合力小。（2）两相系统的弹性模量假定两相的泊松比相同，在力的作用下两相的应变也相同，则有:E1，E2分别为第一相和第二相的弹性模量; V1，V2分别为第一相和第二相的体积分数; EU 为两相系统弹性模量的最高值，也叫上限模量。（a）上限模量假定两相的应力相同，则有:EL

12、为两相系统弹性模量的最低值，也叫下限模量。（b）下限模量（1.8） （1.9） 对于含有密闭气孔的连续基体的弹性模量，有经验公式：E0 为材料武气孔时的弹性模量;P 为气孔率。（3）含有密闭气孔的连续基体的弹性模量当气孔率达到50%时上式仍可用，如果气孔变成连续相，则其影响比上 式计算的还要大。（a）理论方法 （b）经验方法 （4）弹性模量的测定方法（c）实验方法 拉伸方法 动态法 悬丝耦合弯曲法 根据已知条件，通过理论推导求得 。根据经验公式计算求得。对于无机材料，特别是陶瓷材料，气孔不可避免的存在，而气孔对材料的弹性 模量影响很大。（1.10） 表1-1 几种典型陶瓷材料的弹性模量材料E/

13、N.m-2材料E/N.m-2刚玉晶体381010 烧结MgAL2O4 （气孔率5%）23.801010烧结氧化铝（气孔率5%）36.61010致密SiC（气孔率5%）46.71010高铝瓷（90%-95%）36.61010烧结TiC（气孔率5%）311010烧结氧化铍（气孔率5%）311010 烧结稳定化ZrO2（气 孔率5%）151010热压BN（气孔率5%）8.31010SiO2玻璃7.21010热压B4C（气孔率5%）291010莫来石瓷6.91010石墨（气孔率20%）0.91010滑石瓷6.91010烧结MgO（气孔率5%）211010镁砖171010烧结MoSiO240.71010

14、根据外加条件不同（外载时间和温度），或主要 显示弹性，或主要显示粘性。（1）弹性：材料受载后产生一定的变形，而卸载后这部分变形消失，材料恢复到原来的状态的性质。（2）粘性：像糨糊或胶水那样能使一个物体附着在另一个物体上的性质。例：高分子材料就具有粘弹性的物质。（3）粘弹性： 在较小应力作用下同时表现出弹性和粘性的性质， 其形变与应力作用时间成线性关系。粘弹性是高聚物材料具有的一个重要的特性。当温度超过流 动转变温度Tf时，线性高聚物就开始熔融，变为流动态。四、粘弹性与滞弹性1. 粘弹性滞弹性： 当应力作用于实际固体时，固体形变的产生与消除需要 一定的时间。当应力作用于理想弹性固体时，固体形变的产生与消除会立刻发生 。例：无机固体和一些金属。聚合物的粘弹性也可以认为是严重发展的滞弹性。高弹性是指物体可以伸长很多倍的性质，例如橡皮筋就 属于这类特别的弹性体。这时所形成的熔体不但会像牛顿流体那样表现出粘性流动，还会 呈现出相当明显的弹性行为。2. 滞弹性五、高弹性1.2 无机材料中晶相的塑性形变一、材料的形变（变形） 二、晶格滑移 一、材料的形变1. 定义：材料在外力作用下，发生几何尺寸的变化，成为形