四川大学材料基础双语期末总结

材料科学与工程基础FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering2016.6.23《材料科学与工程基础》复习要点物理参量的概念量纲计算公式思路电子课件课堂讲授内容教材习题（中、英）作业自测评结构性能温度（环境、方式）《材料科学与工程基础》PerformancePropertiesSynthesisandProcessingCompositionsandStructures《材料科学与工程基础》•性能决定用途。•本章对材料的力学性能、热性能、电学、磁学、光学性能以及耐腐蚀性，复合材料及纳米材料的性能进行阐述。要点：性能的物理意义、公式、量纲、•各种材料的性能特点•主要影响因素•组成和结构•温度等第四章材料的性能PropertiesofMaterials《材料科学与工程基础》4-1固体材料的机械性能4-2材料的热性能4-3材料的电学性能4-4材料的磁学性能4-5材料的光学性能4-6材料的耐腐蚀性4-7复合材料的性能4-8纳米材料及效应第四章内容目录5《材料科学与工程基础》4-1-1材料的力学状态4-1-2应力和应变4-1-3弹性形变4-1-4永久形变4-1-5强度、断裂及断裂韧性4-1-6硬度4-1-7摩擦与磨损4-1-8疲劳4-1固体材料的力学性能《材料科学与工程基础》要点(4.1.1——4.1.4)•不同材料力学性能的差异及其与组成和结构的关系•应力和应变的定义、五种基本类型•应力－应变曲线的物理意义（参量）典型曲线•弹性形变、应力状态与模量之间的关系，公式（4-8、4-11）•粘弹形变与蠕变、应力松弛（静态）和内耗（动态）•永久形变的机制与塑性材料的增强途径力学性能《材料科学与工程基础》•强度（屈服和断裂）的概念及测试方法和计算公式•脆性断裂和韧性断裂的机制及脆韧转变因素,公式（4-28）•理论断裂强度和脆性断裂理论的推导过程，公式（4-35、4-43、4-49、4-52、4-53）•裂纹在脆性断裂中的重要作用•断裂韧性的类型，公式（4-56、4-57）《材料科学与工程基础》A晶态结构B较高的弹性模量和强度C受力开始为弹性形变，接着一段塑性形变然后断裂，总变形能很大D具有较高的熔点。4-1-1材料的力学状态（Mechanicalstates）1.金属(Metals)的力学状态《材料科学与工程基础》A玻璃相熔点低，热稳定性差，强度低。B气相（气孔）的存在导致陶瓷的弹性模量和机械强度降低。C陶瓷材料也存在玻璃化转变温度Tg。D绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆性断裂，总弹性应变能很小。陶瓷材料的力学特征高模量、高硬度、高压缩强度、低延伸率2.无机非金属(nonmetals)的力学状态《材料科学与工程基础》①玻璃态②高弹态③粘流态3.聚合物（polymers）的力学状态（1）非晶态聚合物的三种力学状态《材料科学与工程基础》（2）结晶聚合物的力学状态A结晶聚合物常存在一定的非晶部分，也有玻璃化转变。B在Tg以上模量下降不大C在Tm以上模量迅速下降D聚合物分子量很大，TmTf，则在Tm与Tf之间将出现高弹态。E分子量较低，TmTf，则熔融之后即转变成粘流态《材料科学与工程基础》1.应力和应变的定义应力：单位面积上的内力，其值与外加的力相等。应变：受到外力不惯性移动时，几何形状和尺寸的变化。应力=外加力F/面积A4-1-2应力与应变（stressandstrain）工程应力（名义应力）：面积为材料受力前的初始面积(A0)的应力。真实应力：面积为受力后的真实面积(AT)的应力。《材料科学与工程基础》各向同性材料，三种基本类型：还有扭转和弯曲形变。简单拉伸tension简单剪切shear均匀压缩compression2.材料的应变方式《材料科学与工程基础》曲线（F—l）转换为应力—应变曲线（—）=F/S0和=l/l0《材料科学与工程基础》弹性-均匀塑性型纯弹性型弹性-不均匀塑性型弹性-不均匀塑性-均匀塑性型弹性-不均匀塑性（屈服平台）-均匀塑性型拉伸应力—应变曲线（—）五种类型《材料科学与工程基础》•Elasticdeformation•Modulusofelasticity(Hook)(metalandceramics)•Rubberlikeelasticity(elastomer)•Viscoelasticity(polymer)4-1-3弹性形变（ElasticDeformation）《材料科学与工程基础》弹性模量正弹性模量E＝／正应力在状态下切弹性模量G＝／纯剪切力作用下体积弹性模量K＝0／（V／V0）泊松比为缩短应变与伸长应变的比值，γ=-ey/ex《材料科学与工程基础》转化关系[3(12)]EK3[1]3GEGK2(1)3(12)EGEK《材料科学与工程基础》材料的弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力主要取决于原子间的结合能力,构件刚度金属的模量值主要取决于10-102GPaA晶体中原子的本性、电子结构B原子的结合力、C晶格类型以及晶格常数等。D合金元素降低弹性模量。陶瓷材料具有较高模量、原因10-102GPaA原子键合的特点特种陶瓷B构成材料相的种类，分布、比例及气孔率有关。高分子材料低模量0.5-5GPa《材料科学与工程基础》金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常表现为普弹性，主要的特点是：A应变在应力作用下瞬时产生，B应力去除后瞬时消失，C服从虎克定律。高分子材料通常表现为高弹性和粘弹性《材料科学与工程基础》（2）有机聚合物的弹性、粘弹性(ElasticityandVisco-elasticityofPolymers)(a)高弹性，即橡胶弹性(rubberlikeelasticity)①弹性模量小、形变大②弹性模量随温度升高而上升；③形变时有热效应，伸长时放热，回缩时吸热；④在一定条件下，有明显的松弛现象。《材料科学与工程基础》①静态粘弹性固定应力或应变A蠕变(creep)开尔文模型（Kelvinmodel)并联(b)粘弹性(viscoelasticity)B应力松弛(stressrelaxation)麦克斯韦模型(Maxwellmodel)串联在应力松弛过程中，模量随时间而减小，称为松弛模量，E(t)=(t)/应力（模量）随时间延长而减小《材料科学与工程基础》周期性、交变应力滞后、内耗在周期性应力作用下，模量E可采用复数表示式。E*=E’+iE’’内耗值E/E的量度：tan=E’’/E’tan，E’’，E’与频率的关系②动态粘弹性(Dynamicviscoelasticity)（高聚物）《材料科学与工程基础》（3）滞弹性(anelasticity)——无机固体和金属与时间有关的弹性取决于温度和荷载的频率（4）弹性极限与弹性比功(金属)比例极限(proportionallimit)弹性变形时应力与应变严格成正比关系的上限应力p=Fp/S0条件比例极限tan’/tan=150%p50代表材料对极微量塑性变形的抗力弹性比功弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力W=/2=2/2E《材料科学与工程基础》Plastic(metalslipsystemanddislocation)viscousflow(glassandpolymer)strengthening两种基体类型晶质材料塑性流动－金属为主晶体一部分相对于另一部分滑动非晶质材料粘性流动－高聚物为主原子集团自由调换位置大形变、不可逆4-1-4永久形变（permanentdeformation）《材料科学与工程基础》1、塑性流动(Plasticflow)晶质材料：外加应力超过弹性极限，产生塑性形变。变形机理：滑移和孪生《材料科学与工程基础》滑移体系(slipsystem)——滑移方向、滑移面FIGURE8.6(a)A{111}{110}slipsystemshownwithinanFCCunitcell.(b)The(111)planefrom(a)andthree110slipdirections(asindicatedbyarrows)withinthatplanecomprisepossibleslipsystems.《材料科学与工程基础》粘性流动的材料对于各种形变方式具有应变速率敏感性在高于玻璃化温度并受到相当大的应力时，无机玻璃和热塑性聚合物会发生原子基团持续的高粘度状态下的热运动=0e-Q/RT2、粘性流动(Viscousflow)《材料科学与工程基础》3、材料的强化(strengthingofmaterials)金属材料的强化方式：高分子材料的强化方式：取向和交联晶粒尺寸减小强化固溶体强化应变强化退火和再结晶《材料科学与工程基础》4-1-5强度、断裂及断裂韧性（Strength,FractureandFractureToughnessofMaterials）材料的内部应力：拉伸、压缩、剪切断裂强度分为：拉伸强度、压缩强度、剪切强度加载特征分为：弯曲、扭曲、冲击、疲劳未到破坏强度，形变而失去承载能力（屈服、屈曲）《材料科学与工程基础》屈服强度《材料科学与工程基础》屈服强度抗张强度《材料科学与工程基础》断裂是主要破坏形式，韧性是材料抵抗断裂的能力。断裂韧性材料抵抗其内部裂纹扩展能力的性能指；冲击韧性材料在高速冲击负荷下韧性的度量。二者间存在着某种内在联系。（1）断裂和韧性(fractureandtoughness)4.1.5.2断裂(Fracture)《材料科学与工程基础》构件失效(failure)的主要形式之一断裂(Fracture)脆性断裂分类：①解理断裂②准解理断裂③晶间断裂材料延性大小的表征（拉伸）断裂延伸率横截面积减少率《材料科学与工程基础》拉伸塑性形变颈缩试样横截面减小延性断裂对应的真实应力--应变曲线TRUESTRESSANDSTRAIN《材料科学与工程基础》m=(E.s/a0)1/2max=2f(a/)1/2=(E.s/a0)1/2f=[.E.s/(4a.a0)]1/2c=[2Es/(.a)]1/2c=[2E(s+p)/(.a)]1/24.1.5.3理论断裂强度和脆断强度理论《材料科学与工程基础》4.1.5.4断裂韧性(Fracturetoughness)----既能表示强度又能表示脆性断裂的指标无限宽薄板KIC=c(.a)1/2一般情况KIC=Y.c.（a）1/2Y------无量纲系数，裂纹形状因子KIC------MPa.m1/2裂纹失稳而扩展的判据KⅠ≥KIC临界应力强度因子:《材料科学与工程基础》4-1-6、4-1-7、4-1-8硬度摩擦疲劳•硬度的概念、布氏硬度、洛氏和维氏硬度的测试技术及区别，公式（4-60、4-61、4-62）•粘合摩擦和磨损机制，材料减摩耐磨的途径•u=S/Pm取决于剪切强度和压缩强度•疲劳的概念及在工业中的重要性，疲劳寿命曲线与疲劳强度，疲劳断裂机制，提高材料耐疲劳性的途径《材料科学与工程基础》材料抵抗表面形变的能力，抵抗外物压入。表面硬度同材料的抗张强度、抗压强度和弹性模量等性质有关测定方法：（1）压痕(压力)硬度法——主要表征材料对变形的抗力；布氏硬度、洛氏硬度维氏硬度。显微硬度（2）回跳硬度法——表征材料弹性变形功的大小；肖氏硬度（3）刻痕（刻划）硬度法（非金属矿物，10-金刚石）。表征材料对破裂的抗力。莫氏硬度4-1-6硬度（hardness）《材料科学与工程基础》一些材料的硬度陶瓷高硬度金属原子结构、成分硬度变化大钢高分子低硬度决定于材料的固有本性化学键强材料的硬度一般就高，共价键离子键金属键氢键范氏键结构愈密分子间作用力愈强的材料其硬度愈高，晶体类型、结晶与非晶低温材料的硬度越高《材料科学与工程基础》影响摩擦系数的因素：A两材料表面的相对硬度B两表面的凹凸不平程度C环境温度D滑动速度E高聚物的极性。4-1-7摩擦与磨损（FrictionandWear）导致机器工作效率和准确度降低《材