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材料力学与热力学研究
材料力学与热力学研究近年来，材料力学与热力学的研究受到越来越多的关注。
这两个学科在材料科学中扮演着非常重要的角色，其贡献不断地拓宽了材料科学的研究范围和应用领域，也为我们开拓了更加广阔的视野和未来。
一、材料力学材料力学是研究材料的力学性能和破坏行为的学科，包括材料静态和动态力学性能、材料疲劳、断裂、塑性、蠕变和冷却等方面。
材料力学旨在研究材料在外力作用下的行为和变形规律，以及材料的破坏行为和失效原因，从而为材料的设计和优化提供基础支持。
在材料力学的研究中，常常会涉及到强度、硬度、韧性等方面的描述指标。
例如，通过拉伸试验得到材料的屈服点和极限强度等指标，能够直观地了解材料的强度性能；硬度测试可以反映材料抗划伤、压痕和穿孔等方面的性能；韧性指标可以反映材料破坏前的变形和裂纹扩展过程，并预测材料破坏时的应变和应力状态，为材料的选材和使用提供指导。
二、热力学热力学是研究物质与能量之间相互转化和传递关系的学科。
它旨在研究物质热性质、热力学过程和热力学平衡，研究物质的热力学性质和变化规律，以及热力学过程的能量转换和热力学平衡的特征。
在热力学研究中，常常会涉及到温度、热量、热容、熵等方面的描述指标。
例如，温度是描述物质热状态的基本参量，热量是物质热状态变化时的能量变化量，热容是描述物质在温度变化时吸收或释放热能的指标，熵是描述物质的无序程度和热力学过程方向性的指标。
三、材料力学和热力学的结合材料力学和热力学的结合是目前材料科学研究的重要趋势之一。
通过材料力学和热力学的结合，可以研究材料热力学性质对材料力学性能的影响和作用机理，以及材料力学性质对热力学过程的影响和作用机理，从而为材料的设计和开发提供更加丰富的信息和数据。
例如，材料的温度、应力、应变等材料力学变量往往会影响材料的热力学状态和性质，例如热传导性能、热膨胀系数等，因此，在设计材料的过程中需考虑材料力学和热力学之间的相互作用。
另外，通过材料力学和热力学的结合，还可以研究材料的相变规律和相变途径，进一步了解材料热力学特性和材料力学性能之间的关系。
材料物理性能(第三章-材料的热学性能)
如果振动着的质点中包含频率甚低的格 波，质点彼此之间的位相差不大，则格波类 似于弹性体中的应变波，称为“声频支振 动”。格波中频率甚高的振动波，质点彼此 之间的位相差很大，邻近质点的运动几乎相 反时，频率往往在红外光区，称为“光频支 振动”。
当
＜0时 ΔQ＞0，热量沿 x 轴正方向传递。
＞0时，ΔQ＜0，热量沿 x 轴负方向传递。 对于非稳定传热过程：
式中： ＝密度（density）， ＝恒压热容。
二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism） 气体导热——质点间直接碰撞；金属导热——自由
电子间碰撞；固体导热——晶格振动（格波）＝声子碰 撞，并且格波分为声频支和光频支两类。
1. 声子和声子传导
根据量子理论、一个谐振子的能量是不连续的，能量 的变化不能取任意值，而只能是最小能量单元——量子 （quantum）的整数倍。一个量子所具有的能量为hv。晶 格振动的能量同样是量子化的。声频支格波（acoustic frequency）—弹性波—声波（acoustic wave）—声子。把 声频波的量子称为声子，其具有的能量为 hv=hω ，固体热 传导公式：
2．德拜比热模型
德拜考虑了晶体中原子的相互作用，把晶 体近似为连续介质（continuous medium）。
式中，
＝德拜特征温度 ＝德拜比热函数，
其中,
由上式可以得到如下的结论： • （1）当温度较高时，即， 即杜隆—珀替定律。 • （2）当温度很低时，即
， ，计算得
这表明当T→0时，CV与T3成正比并趋于0，这就是 德拜T3定律，它与实验结果十分吻合，温度越低，近 似越好。
中科大材料力学与热学性能
一、名词解释1、滞弹性在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象弹性比功表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功。
包申格效应：材料经过预先加载并产生少量塑性变形，卸载后，再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。
河流花样：裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面；解理裂纹与很多螺型位错相遇，汇合台阶高度足够大时，便成为在电镜下可以观察到的河流花样。
穿晶断裂：金属断裂时裂纹穿过晶内。
穿晶断裂可以是韧性断裂如室温下的穿晶断裂也可以是脆性断裂（如低温下的穿晶断裂）沿晶断裂：金属断裂时裂纹沿晶界扩展。
沿晶断裂多为脆性断裂。
断口形貌呈冰糖状应力场强度因子在线弹性断裂力学中，表示带初始裂纹构件的裂纹尖端处应力场奇异性性态的一个参数。
或者反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量，称为应力强度因子。
裂纹扩展能量释放率：把裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值称为裂纹扩展能量释放率，简称能量释放率或能量率。
驻留滑移带：金属在循环应力长期作用下，形成永久留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带，具有持久驻留性疲劳条带电镜断口分析表明，第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（疲劳条纹，疲劳辉纹）应力腐蚀断裂：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象，称为应力腐蚀断裂。
磨损：机件表面相接触并作相对运动使，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑（松散的尺寸与形状均不同的碎屑）使表面材料逐渐流失（导致机件尺寸变化和质量损失）造成表面损伤的现象即为磨损。
应力松弛：材料在恒定变形条件下，应力随时间的延续而逐渐减少的现象。
蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。
3问答1金属解理典型组织特征2弹性模量是否对组织敏感合金化、热处理（显微组织）冷塑性变形对弹性模量的影响较小，所以，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。
材料力学性能---热稳定性
14
2. 对于多孔、粗粒、干压和部分烧结的制品，目的是提 高抗热冲击损伤性能，措施有： 降低材料的强度σf，提高弹性模量E，使 材料在胀缩时所储存的用以开裂的弹性 应变能小； 选择断裂表面能2reff大的材料，一旦开裂 就会吸收较多的能量使裂纹很快止裂。
5
2. 热应力的计算 (1) 平面陶瓷薄板：
αl E σx =σz = ∆T 1− µ
在t = 0的瞬间， σ x=σz=σmax，如果正好 达到材料的极限抗拉强 度σf ，则前后两表面开 平面陶瓷薄板的热应力图 裂破坏，从而得材料所 能承受的最大温差为： (2) 对于其他非平面薄板状材料：
∆Tmax
适用于一般的玻璃、陶瓷和电子 陶瓷材料
Anhui University of Technology
Materials Physics Properties
7
1. 第一热应力断裂抵抗因子R
σ f (1 − µ ) 由 ∆Tmax = 可知： Tmax值越大，说明材料能承 αl E 受的温度变化越大，即热稳定性越好。
3 2 rm
11
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1.5 热稳定性
四、抗热冲击损伤性能
对于一些含有微孔的材料和非均质金属陶瓷，裂纹在瞬 时扩张过程中，可能被微孔和晶界等所阻止，而不致引起材 料的完全断裂。 考虑问题的出发点： 从断裂力学的观点出发，以应变能-断裂能为判据，即 材料的破坏不仅是裂纹的产生（包括原材料中的裂纹），而 且还包括裂纹的扩展和传播，尽管有裂纹，但当把它抑制在 一个很小的范围，也可能不致使材料的完全破坏。
材料性能力学热学性能课件
CHAPTER
定义与分类
材料性能是指材料在某种特定条件下的表现，包括力学、热学、光学、电学、磁学 等方面的性能。
材料性能的分类可以根据不同的标准进行划分，如按材料的组成成分、结构特点、 制备工艺等。
不同种类的材料具有不同的性能特点，因此需要根据实际应用场景选择合适的材料。
1. 高分子材料的结晶度、分子量及其分布对物理和化学 性能的影响规律；
详细描述 2. 高分子材料的热稳定性、耐候性及化学稳定性；
3. 高分子材料的可塑性、弹性及耐磨性等物理性能；
4. 高分子材料的制备工艺、改性及复合强化等措施对 性能的影响。
案例三：纳米材料的物理与化学性能研究
• 总结词：纳米材料具有尺寸效应和量子效应等特点，在光电、 催化、生物医药等领域具有广泛的应用前景，研究其物理和化 学性能对于开发新产品、提高应用效果具有重要意义。
结果评估
根据试验数据和分析结果， 对材料的性能进行综合评 估，提出改进意见和建议。
CHAPTER
案例一：新型合金材料的力学与热学性能研究
总结词：合金材料在航空航天、汽车等领域应用广泛，研 究其力学和热学性能对于提高产品质量、降低成本具有重 要意义。
2. 合金材料的强化机制和优化方法；
详细描述
3. 合金材料在高温、低温等极端条件下的性能表现及稳 定性；
透射系数
描述材料对光透射能力的参数， 与玻璃等材料的透光性相关。
吸收系数
描述材料对光吸收能力的参数， 与光的穿透深度有关。
折射系数
描述光在材料中传播方向改变 程度的参数，与光的偏振现象
相关。
CHAPTER
实验室测试
第一章-材料的热学性能
2） 合金的热容
合金的摩尔热容可以由组元的摩尔热容按比例相加而得，即 式中：X1， X2，…, Xn分别是组元所占的原子分数， C1， C2，…, Cn分别为各组元的摩尔热容，这就称为纽曼－柯普定律。 说明： 定律的普适性 热处理对于合金在高温下的热容没有明显的影响
*
General Characters of Materials
*
本书主要内容
材料的几类主要性能： 热学性能 力学性能 电性能 磁性 学习目的： 了解材料的各类性能； 学习一些材料性能的表征及测试方法； 加深理解材料结构与性能的关系。
第一章 材料的热学性能
1.1 热学性能的物理基础 热平衡——动态平衡 热平衡：系统内无隔热壁时系统温度处处相等；系统与环境之间无隔热壁时系统与环境温度相等。 力平衡——无刚性壁时，无受力不均现象。 相平衡——各相之间不随时间发生变化。 化学平衡——化学组成和物质数量不随时间变化。
热容的量子理论 普朗克基本观点：质点的热振动大小不定，即动能大小不是定值，但能量是量子化的。 简化模型：
爱因斯坦量子热容模型 德拜比热模型
热容的量子理论
1)爱因斯坦热容模型： 基本观点：原子的振动是独立而互不依赖的；具有相同的周围环境，振动频率都是相同的；振动的能量是不连续的、量子化的。 结论： 高温时，Cv=3R，与杜隆-珀替公式相一致。 低温时，Cv随T变化的趋势和实验结果相符，但是比实验更快的趋近于零。 T→0K时，Cv也趋近于0，和实验结果相符。
材料的热学性能
《材料物理性能》——材料的热性能
材料的热容：杜隆—珀替定律
根据经典理论，每一个自由度的平均能量是 kT
Hale Waihona Puke 其中1 2kT
是平均动能，1 2
kT
是平均势能；
k 是玻耳兹曼常
数。
若固体有N个原子，则总平均能能量， E 3NkT
则摩尔原子比热为：
CV
E T
V
3Nk
24.9J
/ K mol
《材料物理性能》
第三章 材料的热学性能
《材料物理性能》——材料的热性能
4.1 引言
热学性能：包括热容、热膨胀、热传导 等，是材料的重要物理性能之一。它在材料 科学的相变研究中有着重要的理论意义；在 工程技术包括高技术工程中也占有重要位置。
《材料物理性能》——材料的热性能
4.2 材料的热容
固体热容理论与固体的晶格振动有关。现代研究确认， 晶格振动是在弹性范围内原子的不断交替聚拢和分离。这 种运动具有波的形式，称之为晶格波(又称点阵波)。
已证明电子的平均能量为，
EF
EF0
1
2
12
kT EF0
2
则电子摩尔热容为，
,z为金属原子价数
《材料物理性能》——材料的热性能 以铜为例，计算其自由电子热容为，
《材料物理性能》——材料的热性能 温度很低时，则电子热容与原子热容之比为，
金属热容需要同时考虑晶格振动和自由电子二部分 对热容贡献，金属热容可写成，
➢ 差热分析(DTA)
差热分析是在程序控制温度下， 测量处于同一条件下样品与参比物 的温度差和温度关系的一种技术。
参比物：又称为标准试样，往往是 稳定的物质，其导热、比热容等物 理性质与试样相近，但在应用的试 验温度内不发生组织结构变化。 试样和参比物在相同的条件下加热 和冷却。试样和参比物之间的温差 通常用对接的两支热电偶进行测定。 热电偶的两个接点分别与盛装试样 和参比物坩锅底部接触，或者分别 直接插入试样和参比物中。测得的 温差电动势经放大后由x—Y记录仪 直接把试样和参比物之间的温差记录下来。
材料物理性能热学性能【精选】
范围内，T升高，热导率降低。看图3.15
无机材料物理性能
27
显微结构的影响
晶体结构的影响：晶体结构愈复杂，晶格振 动的非谐性程度愈大，声子平均自由程较小， 热导率较低
MgAl2O4的热导率低于MgO或者Al2O3
无机材料物理性能
晶格振动的格波和自由电子的运动?金属中有大量自由电子所以金属的热传导性能好性能好无机材料物理性能24?其他结合键共价键和离子键主要是晶格振动的格波而自由电子的贡献非常小?晶格振动的格波是晶格振动的相互影响达到平衡实现热量的传递声子和声子热传导?格波类似在固体中传播的弹性声波其量子化是声子?格波在固体中传播是声子的传播和物质作用是声子和物质的作用热传导是声子的热传导格波无机材料物理性能25?格波在固体中传播是声子的传播格波?固体的热传导的方程是??dvvvlvc31?光子热传导?材料中除了声子的热传导还有热辐射?光子的热传导当材料中存在温度梯度的体积元辐射能量高接受的能量低而温度低的体积元与之相反能量产生转移实现热量的光子热传导?当材料中存在温度梯度相邻体积间温度高无机材料物理性能26相邻体积间温度高?一般地陶瓷材料的光子热传导是在温度相当较高时作用才明显影响热导率的因素?温度
基础是应变能-断裂能
因为材料内的气孔、晶界、杂质及缺陷 等,使得强度-压力理论不准确
二个抗热应力损伤因子，2eff断裂表面能
R'"
2
E (1
)
,
R""
2 eff E 2 (1 )
无机材料物理性能
51
提高抗热冲击断裂性能的措施
提高材料确度，减少弹性模量E，提高 /E。实质是提高材料的柔韧性
材料性能力学热学性能
▪ 软化点，相当于粘度η为106.6Pa·S的 温度。
▪ 2.时间
▪ 在玻璃转变区域内，形成玻璃液体的 粘度取决于时间，如图1.25所示
▪ 3.组成
▪ 在1600℃时，熔融石英的粘度由于加 入2.5mol℅的K2O而降低了四个数量级。
▪ 在复杂的氧化物玻璃中，改性阳离子 的加入在任何给定温度下总会使粘度 降低。
▪ 无论变形量大小、应力与应变是否呈线性 关系，凡弹性形变都是可逆形变。
▪ 在弹性变形范围内，应力与应变关系服从 虎克定律。
▪ σ= Eε
εx= x
E
εy=
c'c c cc
εz= b'b b bb
定义泊松比μ
εy=-μεx=-μ
μ= y z x x
x,
E
εZ=-μ
x
E
εX=
▪ 裂纹尖端的应力集中
A
A 1 2
c
A 2
c
二、断裂方程
▪ 物体内储存的弹性应变能的降低大于等于 形成两个新表面所需的表面能
▪ 应变能的降低为：
▪ 形成新表面需要的表 面能为
We
c 2 2
E
▪ 裂纹进一步扩展2dc， 单位面积所释放的能 量为
▪ 形成新表面所需的表 面能为：
Ws 4c
▪ 起始段OA 外力作用下发生的瞬时弹性 形变
▪ 第一阶段 蠕变减速阶段dε/dt=At-n ▪ 第二阶段 稳态蠕变阶段dε/dt=K ▪ 第三阶段 加速蠕变阶段dε/dt=Ktn
▪ 温度T提高或增加应力,第二阶段缩短,甚 至消失,试样经过蠕变减速阶段后,很快进 入加速蠕变阶段直至断裂.
材料热学力学性能
第一章脆性材料的断裂强度等于甚至低于弹性极限，因而断裂前不发生塑性形变。
脆性材料的抗拉断裂强度低，但抗压断裂强度高。
强度：材料对塑性变形和断裂的抗力塑性：材料在断裂前发生的不可逆的变形量的多少韧性：断裂前单位体积材料所吸收的变形和断裂能。
即外力所做的功。
泊松比比例极限（16）弹性极限（17表征材料对极微量塑性变形的抗力）屈服强度抗拉强度延伸率断面收缩率P7真应力S——真应变Ɛ曲线P8单位体积材料在断裂前所吸收的能量，也就是外力使材料断裂所做的功，称为金属的韧度或断裂应变能密度Ut，它可能包含三部分能量，即弹性变形能、塑性变形能和断裂能。
第二章零构建的刚度取决于两个因素：构件的几何和材料的刚度。
表征材料刚度的力学性能指标是弹性模量。
在加工过程中，应当提高材料的塑性，降低塑性变形抗力——弹性极限和屈服强度。
金属变形的微观解释P12弹性模量表明了材料对弹性变形的抗力，代表了材料的刚度。
影响弹性模量的内部因素有纯金属的弹性模量、合金元素与第二相的影响，外部因素有温度、加载速率和冷变形影响p14总之，弹性模量是最稳定的力学性能参数，对合金成分和组织的变化不敏感。
单晶体金属的弹性模量，其值在不同的结晶学方向上是不同的，也表现出各向异性。
在原子间距较小的结晶学方向上，弹性模量的数值较高，反之较小。
弹性比功：弹性应变能密度，指金属材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力，是在开始塑性变形前单位体积金属所能吸收的最大弹性变形功，韧度指标。
P17金属塑性变形方式为滑移和孪生，临界切分应力p21滑移面和滑移方向常常是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。
金属浸提中的滑移系越多，其塑性可能越好。
实用金属材料的塑性变形特点择优取向形变织构（p22）:1 各晶粒塑性变形的非同时性和不均一性2 各晶粒塑性变形的相互制约性与协调性屈服效应、时效效应p23提高屈服强度的途径：1 纯金属点阵阻力τp-n位错间交互作用阻力位错密度增加，临界应力也增加，所以屈服应力随之提高。
材料物理性能-第二章 热学性能
e
T
》1，于是 2-13
这时热容按指数规律随温度变化，而并不是 如实验所得的按T 3规律变化。发生偏差的主 要原因是:爱因斯坦模型忽略了各原子振
动之间频率的差别以及原子振动间的耦 合作用，这种作用在低温时特别显著。
c) 德拜模型近似
德拜模型考虑了晶体中原子的相互作用，认为:晶
体对热容的贡献主要是弹性波的振动，即波 长较长的声频支在低温下的振动。由于声频
cv , m AT BT
式中，A、B为材料的标识特征常数。
过渡金属中电子热容尤为突出，它除了s电子热容， 还有d层或f层电子热容。如温度在5 K以下时，镍 的热容近似为0.0073T J· mol-1，基本上由电子 K-1· 激发所 决定。
。
c v 3Nk
（2）当温度很低时，即T<<θD，取 ex x4 4 4 则
D
T
，
e
0
x
1
2
dx
15
，将其代入式（2-14）得:
3
12 Nk T cv 5 D
4
（2-15）
式（2-15）表明，低温时，热容与温度的三次方成正 比，也即是当T→0时，cv以与T3规律变化而趋于零 （cv∝T3→0），这就是著名的德拜T3定律。
实际上，德拜理论在低温下也不完全符合 事实。主要原因是:德拜模型把晶体看成 是连续介质，这对于原子振动频率较高部 分不适用；而对于金属材料，在温度很低 时，自由电子对热容的贡献亦不可忽略。 以上有关热容的定律及理论，对于原子晶 体和一部分较简单的离子晶体，如Al、Ag、 C、KCl、Al2O3，在较宽的温度范围内都 与实验结果相符合，但对于其它复杂的化 合物并不完全适用。其原因是较复杂的分 子结构往往会有各种高频振动耦合，而多 晶、多相的固体材料以及杂质的存在，情 况就更加复杂。
热学性能
θD取决于键的强度、材料的弹性模量、熔点等。
无机材料的热容特点
对于绝大多数氧化物、碳化物，热容 都是从低温时的一个低的数值增加到 似于25J/K·mol的数值，进一步增加温 度，热容基本上没有什么变化。
无机材料的热容特点
不同温度下某些陶瓷材料的热容
无机材料的热容特点
无机材料有大致相同的热容曲线
热膨胀和其它性能的关系
4．热膨胀随温度不同而不同 一般随温度升高热膨胀系数增大。
5. 材料的热膨胀直接与热稳定性有关 一般，线膨胀系数小的，热稳定性就好。 Si3N4的αl=2.7х10-6/K，在陶瓷材料中是偏 低的，因此，热稳定性也好。
材料的热膨胀
某些无机材料热膨胀系数与温度的关系
热膨胀系数的检测
显微结构的影响
几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系
显微结构的影响
4. 非晶体的热导率
非晶体导热系数曲线
显微结构的影响
晶体和非晶体材料的导热系数曲线
化学组成的影响
不同组成的晶体，热导率往往有很大差异。
这是因为构成晶体的质点的大小、性质不 同，它们的晶格振动状态不同，传导热量 的能力也就不同。
固体材料热传导的微观机理
固体中的导热主要是由晶格振动的格波和 自由电子的运动来实现。
对于金属材料，由于有大量自由电子的存在， 所以能迅速地实现热量的传递，因此金属一 般都具有较大的热导率。
对于非金属材料，晶格中自由电子极少， 所以晶格振动是它们的主要导热机构。
影响热导率的因素
1. 温度的影响 2. 显微结构的影响 3. 化学组成的影响 4. 气孔的影响
无机材料的热容特点
无机非金属材料的热容，符合德拜热容理 论，即在高于德拜温度θD时，热容趋于常 数25J/K·mol，低于θD时与T3呈正比。不同 的无机材料θD是不同的，
中科大材料力学
VS
应变测量方法
应变的测量方法主要包括电阻应变计法、 光弹性法、云纹法等。其中，电阻应变计 法是最常用的一种方法，它利用电阻应变 片的电阻值随应变而变化的特性来测量应 变。
线弹性范围内应变计算
线弹性范围
在线弹性范围内，材料的应力与应变之间呈线性关系，即胡克定律所描述的关系。在这 个范围内，材料的变形是可逆的，且不会引起材料的永久变形。
谢谢聆听
03
拉伸与压缩试验
通过试验测定材料的拉伸和压缩性能，可获得材料的应 力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、抗拉强度等重要 参数。
弯曲性能
弯曲变形
材料在受到弯曲力矩作用时，发生的 变形现象，包括弹性弯曲和塑性弯曲 两种类型。
抗弯强度
弯曲试验
通过三点弯曲或四点弯曲试验，测定 材料的弯曲性能，可获得材料的弯曲 应力、弯曲应变、弯曲弹性模量等参 数。
状态。
应力圆
在平面应力状态下，以主应力为 直径端点、剪应力为半径所作的 圆称为应力圆，可用于直观表示
应力状态。
应力莫尔圆
通过对应力圆进行变换，可得到 应力莫尔圆，用于求解任意方向
上的正应力和剪应力。
空间应力状态简介
空间应力状态
01
当物体内部某点的应力状态不能用平面应力状态来描述时，称
为空间应力状态。
04 材料力学中的应力分析
应力概念及分类
应力定义
应力是物体内部单位面积上的内力，用于描述物体内部的力学状态。
应力分类
根据作用方向和截面方位的不同，应力可分为正应力、剪应力和主应力等。
平面应力状态分析
平面应力状态
当物体某一截面上的应力状态可 用两个相互垂直的主应力和一个 剪应力来描述时，称为平面应力
材料物理性能课件第七章热学性能
根据物质结构理论，任何物质都是由分子或原子组成。 原子核自旋运动 电子自旋 电子绕原子核的轨道运动 这些运动都会形成微小的环电流，都能产生磁效应．环流在其运动中心处产生磁矩。磁矩是反映粒子本身磁性特征的物理量，每种运动所对应的磁矩分别称为自旋磁矩和轨道磁矩． 分子的固有磁矩——所有电子轨道磁矩和自旋磁矩以及核的自旋磁矩的矢量和，简称为分子磁矩， 用pm表示．
当材料被磁化时，环电流磁矩沿外电场排列，
为体积元内环电流的矢量和。
磁化强度M的定义：单位体积磁体内具有的磁矩矢量和
环电流磁矩定向排列程度越高，磁化强度M矢量就越大。
未磁化时， =0，则 M=0
用M表示
磁化强度M是描述宏观磁性体磁性强弱程度的物理量。
2） 磁荷的观点
在磁性体内取一个宏观体积元dV，在这个体积元内包含了大量的磁偶极矩jm 。
近年来已深入研究了磁光、磁电、压磁和磁致伸缩、功能转换材料，不断开发出各种磁转换器件
应用
2
磁场强度H
3
磁感应强度B
1
磁学基本量
6
磁通量
5
.磁矩m和磁化强度M
4
磁化率与磁导率
5.1磁学基本量及分类
1.磁场强度H
磁场强度H是由导体中的电流或由永磁体产生。
矢量，有大小，有方向
磁场强度：用稳定电流在空间产生的磁场的强度来规定。在国际单位制中，一根载有I安培电流的长直导线，在离导线为r米的地方所产生的磁场强度 取I=1安培，则在离导线距离为r米处所得的磁场强度就是单位磁场强度，1安/米（A/m）。
H和B都是描述空间任一点的磁场参量。它们都是矢量，有大小和方向。 材料在磁场强度为H的外加磁场作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为磁感应强度。
材料学 (学科代码：080502) - 中国科学技术大学学位与
材料学（学科代码：080502）一、培养目标本学科培养德、智、体全面发展，在材料的制备、结构、性能及应用方面具有坚实的理论基础和实验技能，了解本学科发展前沿和动态，具有独立开展本学科科 学研究能力的高层次专门人才。
学位获得者应能承担高等院校、科研院所及高科技企业的教学、科研及开发管理等工作。
二、研究方向1．材料结构与性能关系反应、2．材料制备与加工、3．先进能源材料与应用技术（包括固体氧化物燃料电池材料，锂离子电池材料，透氧透氢陶瓷膜反应器材料）、4．先进结构材料与无机膜、5．陶瓷敏感材料三、学制及学分按照研究生院有关规定。
四、课程设置英语、政治等公共必修课和必修环节按研究生院统一要求。
学科基础课和专业课如下所列。
基础课：MS25201★热力学与相平衡★（3） MS25202★材料中的速率过程★（3）MS25203★材料合成化学★（3） MS25204★陶瓷科学与工艺学★（3）专业课：MS25205 固体化学（3） MS25206 材料力学与热学性能（3）MS25208 溶胶凝胶化学与工程引论（2）MS25209 化学气相淀积化学与薄膜工艺（2）MS25210 材料物理性能（3） MS25211 固体电化学与技术（3）MS15203 固体物理（4） MS15206 纳米材料学（3）MS15207 固体材料结构学（3） MS15208 材料的磁性（3）MS26201 无机膜与膜过程应用（2） MS26202 新能源材料与技术（2）MS26203 先进材料制备技术（2） MS26204 功能材料性能与表征（2）MS26205 材料科学与工程前沿（2） PH56206 材料物理实验方法（4）备注：带★号课程为博士生资格考试科目。
五、科研能力要求按照研究生院有关规定。
六、学位论文要求按照研究生院有关规定。
材料力学性能的热力学分析
材料力学性能的热力学分析材料力学性能是研究材料强度、刚度、延展性、韧性等力学性质的学科。
然而，这些力学性质都是由原子、分子结构和相互作用引起的，因此，热力学作为描述原子、分子运动和相互作用的一种基本科学，也对材料力学性能的理解和描述提供了帮助。
热力学中存在着如下的基本概念：热力学系统：由一定数量的物质和能量构成，与外界存在着一定关系的物质系统。
状态量：描述系统状态的参数，如温度、压力、密度、熵等。
态函数：只与初末状态有关、路径无关的状态量，如内能、焓、自由能、吉布斯能等。
热力学第一定律：能量守恒定律，即能量不会被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
热力学第二定律：不可逆定律，即所有过程都存在热力学不平衡，直至达到热力学均衡状态。
以上这些概念和定律，都可以用于描述材料中原子、分子结构和相互作用的运动和能量转移过程。
例如，在固体中，原子和分子之间存在相互作用，其强度和方式将直接影响固体的刚度和强度。
当固体受到外力时，固体的柔性和弹性也与原子、分子之间的相互作用有关。
同时，热力学还能够解释材料性能在温度和压力变化下的变化趋势。
内能、焓、自由能、吉布斯能等各种态函数，可以用于研究材料的稳定性、失稳过程和相变行为。
例如，当温度上升时，固体材料中原子、分子的运动加剧，其内能也将提高。
若材料中原子、分子之间的相互作用受到破坏，其能量平衡状态将发生改变，导致固体的相变行为发生。
总之，材料科学中的力学性能分析和热力学分析是相辅相成的。
热力学作为描述物质运动和相互作用的基本科学，不仅可以用于解释材料中原子、分子的运动和能量转移过程，还能够用于研究相变行为、失稳过程、稳定性等现象。
这些知识将为我们更好地理解材料力学性能的本质提供帮助。
材料热学性能
第二节 材料的热容理论
一、杜隆—柏替定律 假设：固体中的原子是彼此孤立地做热运动，且原 子振动的能量是连续的。认为与气体分子的热运动相类 似。 1摩尔气体的总能量为： R：气体常数； 3 3 NA ：阿伏加得罗常数； E KN AT RT 2 2 K：波尔兹曼常数。
3 u CV ,m ( 气体定容摩尔热容： T )V 2 R
热膨胀是原子热振动加剧引起的振幅加大和振动能量 增大的结果。 一、与热容的关系 V CV ,m KVm 格留耐申式： V ：体膨胀系数； Cv,m ：定容摩尔热容； K ：体积模量； N / m 2 Vm：摩尔体积 格留耐申常数, =1.5~2.5. 以铝为例，如图 5-4 ， P97 ，热膨胀曲线与热容曲 线不同之处在于：热膨胀曲线在 T D 时， V 仍在增 大，这是由于空位等热缺陷的增加对 V 有较大影响 V 越大， -Fe 注意：在格留耐申式中，摩尔体积Vm越小， 膨胀系数大。 比 -Fe
第二节
热膨胀的物理本质
热膨胀和原子的热振动有关。 根据波恩(Born)的双原子模型:
E mA nB F( r ) m1 n1 r r r
A B E( r ) m n r r
得到原子位能与间距的关系曲线，如图5-3实线所示。 P96。随着温度升高，原子能量增大，原子将偏离r0的位 置而发生振动。当温度为T1时，振动原子总能量为E1，振 动位置从a到b，位能沿ab变化。
2 V VM T C P CV K
研究方法：定容过程材料无膨胀，则易于讨论， 但测量很难。故用定压热容来换算定容热容。 材料无相变时的热容随温度变化：如图 3-1，3-2 。 溶解特征温度：材料在高于此温度时，摩尔热容接近于 一个常数25J/mol k。 图中： 第一阶段：热容变化是由自由电子运动贡献。 第二、三阶段：热容变化是由晶格振动贡献； 有相变时，其内部结构状态需要吸收或者放出一 部分热量，使焓和热容有突变。据此可以作为研究相 变的依据。
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14.提高抗热冲击断裂性能的措施（69）
提高陶瓷材料抗热冲击断裂性能的措施，主要根据是抗热冲击断裂因子所涉及的各个性能参数对热稳定性的影响。
（1）提高材料强度，减少弹性模量E，使提高。
（2）提高材料的热导率，使提高。
（3）减少材料的热膨胀系数，小的材料，在同样的温差下，产生的热应力小。
（2）差热分析是在程序控制温度下，将被测材料与参比物在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间温差（）随温度（T）时间（t）的变化关系。
（3）差示扫描量热法是在程序温度控制下用差动方法测量加热或冷却过程中，在试样和标样的温度差保持为零时，所要补充的热量与温度和时间的关系的分析技术，一般分为功率补偿差示扫描量热法和热流式差示扫描量热法。
疲劳条带
电镜断口分析表明，第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（疲劳条纹，疲劳辉纹）
应力腐蚀断裂：
金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所Hale Waihona Puke 生的低应力脆断现象，称为应力腐蚀断裂。
磨损：
机件表面相接触并作相对运动使，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑（松散的尺寸与形状均不同的碎屑）使表面材料逐渐流失（导致机件尺寸变化和质量损失）造成表面损伤的现象即为磨损。
3疲劳对缺陷（缺口，裂纹及组织缺陷）十分敏感，由于疲劳破坏是从局部开始的，所
以他对缺陷具有高度的选择性。
4疲劳断裂也是裂纹萌生与扩展的过程。
所有资料均为本人亲自整理，限于材料系内部童鞋们专用，谢绝一切外借行为。
孙兆威
1.材料的热学性能包括热容、热膨胀、热传导、热稳定性、熔化和升华等。（41）
2.什么是热容？什么是杜隆-珀替定律和奈曼-柯普定律？（42）
1）物质的鉴定
热分析谱图可作为物质的指纹图，这早已被地质学家、陶瓷学家和冶金学家所证实。其特点是多种混合物不经分离很快获得各个特征扫描图谱。
（2）进行热力学研究
用热分析方法可测定各种热力学函数，如各种潜热、比热容、生成热、反应热、爆燃热等。以及对各种合金，浓溶液相图的研究。
（3）动力学研究
研究物质在程序温度过程中的反应速度、反应活化能和反应级数等。
河流花样：
裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面；解理裂纹与很多螺型位错相遇，汇合台阶高度足够大时，便成为在电镜下可以观察到的河流花样。
穿晶断裂：
金属断裂时裂纹穿过晶内。穿晶断裂可以是韧性断裂如室温下的穿晶断裂也可以是脆性断裂（如低温下的穿晶断裂）
沿晶断裂：
金属断裂时裂纹沿晶界扩展。沿晶断裂多为脆性断裂。断口形貌呈冰糖状
应力场强度因子
在线弹性断裂力学中，表示带初始裂纹构件的裂纹尖端处应力场奇异性性态的一个参数。或者反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量，称为应力强度因子。
裂纹扩展能量释放率：
把裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值称为裂纹扩展能量释放率，简称能量释放率或能量率。
驻留滑移带：
金属在循环应力长期作用下，形成永久留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带，具有持久驻留性
应力松弛：材料在恒定变形条件下，应力随时间的延续而逐渐减少的现象。
蠕变：
金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。
3问答
1金属解理典型组织特征
2弹性模量是否对组织敏感
合金化、热处理（显微组织）冷塑性变形对弹性模量的影响较小，所以，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。
3标准试样延伸率大小1五倍（大）2十倍（小）
疲劳断裂特点
1疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至屈服强度。
2疲劳是脆性断裂。由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前均不会发生塑性变形及有形变预兆，它是长期积累的损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸时才突然发生的。
一、名词解释
1、滞弹性
在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象
弹性比功
表示金属材料吸收弹性变形功的能力。一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功。
包申格效应：
材料经过预先加载并产生少量塑性变形，卸载后，再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。
（4）减少表面热传递系数h。
（5）减少产品的有效厚度。
15.热分析方法有几种？它们的定义？（70----71）
热分析方法有：普通热分析、差热分析（DTA）、示差扫描量热法（DSC）、热重分析（TG）和热膨胀分析等。
（1）普通热分析法是测量材料在加热或冷却过程中热效应所产生的温度和时间的关系的一种分析方法。
热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，所以又称为热抗震性。
从无机材料受热损坏的形式来看，可分成两种类型：一种是材料发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击断裂性；另一种是在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终破裂或变质，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击损伤性。
11.什么是热应力？其计算公式怎样？（63）
（4）结构与物理性能关系的研究
例如络合物稳定性与其结构关系、高分子的物理性能与一般结构和超分子结构的关系，生物大分子的结构与生物功能的关系等，都可以采用热分析方法进行研究。
By孙兆威
注：材料系专用，谢绝外传
热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K所需要增加的能量。
（元素的热容定律）杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/(K•mol)；
（化合物的热容定律）奈曼-柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。
7.什么是热稳定性？无机材料受热损坏类型有几种？（60----62）
（4）热重法就是在程序控制温度下测量材料的质量与温度关系的一种分析技术，把试样的质量作为时间或温度的函数记录分析，得到的曲线称为热重曲线。
16.简述热分析的应用（71----72）
差热分析、热重、差示扫描量热和热机械分析是热分析的四大支柱，用于研究物质的物理现象（结晶性质的变化、融化、升华、吸附等）和化学现象（脱水、分解、氧化、还原等），几乎在所有自然科学中得到应用。（