材料性能力学热学性能.答案

1.1
弹性形变
在外力作用下产生形变，外力除去后形变 可以恢复的性能。 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= E ε
x εx= E
c'c c εy= c c
εz=
b'b b b b
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.
(2)蠕变机理
指在外力作用下产生形变，但材料不产生 开裂，外力移去后形变不能恢复的性质。 微观上是相邻质点产生永久性位移，不能 回到原来的位置。
塑性形变的机理 1.晶格滑移 晶体在剪应力τ≥τC作用下， 一部分相对另一部分发生平移滑动，是沿 滑移系统进行的切变过程。 滑移面和滑移方向组成晶体的滑移系统。 满足⑴静电作用条件⑵几何条件

x E E a0
Sin
2x Ex th Sin , th th a0 E a0
2 th
E th ath0x 2x
2x
2x

理论结合强度只与材料常数有关, 适用于所有固体材料. σth约为 30GPa或E/10. 实际材料约为σth的1/10~1/100。 例如熔融石英纤维的强度可达到 24.1GPa， 碳化硅晶须强度约为6.47GPa， 氧化铝晶须强度约为15.2GPa。
2.位错运动理论
实际晶体的滑移是位错运动的结果 有位错时的势垒高度h‘，金属为0.1-0.2; 陶瓷1.0eV． 位错运动激活能H(τ) 位错运动速度
H ( ) v v0 exp ( ) kT
d l nbc lbnc 2 vDbc dt lt lt l t
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。
第二章
脆性断裂与强度
实际平均应力远低于理论结合强度， 不产生明显的塑性形变，导致材料突 然断裂。
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
E
2
Ws 4c
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：
dwe 2 dc
定义泊松比μ
μ=
y z x x
εZ=-μ
εy=-μεx=-μ
x E
,

x
E
1 εX= x ( y z ) E


一.弹性变形的本质
处于晶格结点的离子在力的作用下，在其 平衡位置附近产生的微小位移。
重要的力学性能—弹性模量E，表征材料的 刚度或对弹性变形的抗力。 E是键合强度的标志。
可以认为 λ=λ1=λ2=λ3，则 η=τexp（E/kT）/2γ0sinh（τV0/2kT） E是势垒高度，γ0为频率，即每秒超过势垒 的次数 一般实验条件下，τ很小，V0也很小，所以 τV0 «kT，可以近似为sinh（τV0/2kT） =τV0/2kT， η=kT eE/kT /γ0 V0 = η0 eE/kT 当剪应力小时，根据此模型导出的粘度η和 应力无关；当剪应力大时，随着温度升高， η下降。
dws 2dc
因为：
dwe d c c ( ) 2dc 2dc E E
2 2
2
dws d (4c ) 2 2dc 2dc
因此临界条件是：
c
E
2 c
2 E C c
2
与Griffith公式中σC对应的裂纹半长度c称 为Grifith裂纹，可作为脆性断裂的判据。 σth/σC=(C/ a)1/2 上式说明，裂纹两端引起应力集中。 断裂方程能说明脆性断裂的本质，解释 强度的尺寸效应、强度的波动、实际材 料强度与理论强度的差异。
位错的热激活方式:刃位错攀移,螺位错 的交滑移, 空位扩散的随机与定向,路径: 体扩散与晶界扩散 晶界滑动蠕变 晶界为非晶态,发生粘 滞流动 蠕变断裂 晶界断裂
(3)影响蠕变的因素 温度 T提高，改变蠕变机制,Al2O3陶 瓷的蠕变机理；晶界粘滞流动及扩散 系数增大，蠕变增大。 应力 σ提高，蠕变增大。 组成 共价键，离子键

二、影响粘度的因素 1.温度 温度T升高， η下降。 玻璃成型工艺中： 熔化阶段的η为5-50Pa· S 加工阶段为103-107 Pa· S 退火阶段为1011.5-1012.5 Pa· S。
玻璃加工中广泛使用的两种T： 退火点，相当于粘度η为1012.4 Pa· S的 温度； 软化点，相当于粘度η为106.6Pa· S的 温度。
例 刚拉制的玻璃棒强度为6GPa， 在空气中放置几小时后为0.4GPa； 自然状态下的NaCl强度为5MPa，除去 表面缺陷后为1.6GPa； 石英玻璃纤维长度为12cm时，强度为 275MPa，0.6cm时为760MPa。
C
2 E（ P） c
γP塑性功，对于高强度金属，γP =103 γ。 陶瓷材料 E=300GPa，γ =1J/m2， 如果裂纹尺寸c =1μm， 则σC =400MPa； 对于高强度钢，如果σC仍然为400MPa， 则裂纹长度可达1.25mm。
结论 陶瓷存在微观裂纹尺寸时，便 会导致低应力断裂； 金属要有宏观尺寸的裂纹，才 会在低应力下断裂。
2.3
裂纹的起源与快速扩展
一、裂纹的起源
1.位错 组合，塞积，交截等；
2.表面损伤 制造过程中的机械损伤、化学 腐蚀，形成表面裂纹； 3.热应力 制造中从高温冷却、晶型转变 等。
F F cos A / cos A
F cos cos 于 同 一 平 面 时 ， 即 λ+ =900，λ角最小。剪应力最大。 体心立方金属（铁、铜等）滑移系统有48 种之多，易于滑移而产生塑性形变． 离子键或共价键具有明显的方向性。只 有个别滑移系统才能满足几何条件与静 电作用条件。
显微结构
气孔率增加，蠕变率增大； 晶粒愈小，晶界比例增加，蠕变率 愈大。 玻璃相 比晶体蠕变大，不润湿晶体 时，抗蠕变性能好；完全润湿时， 形成抗蠕变最弱的结构。 比较玻璃 陶瓷和晶体的蠕变率
1.4高温下玻璃相的粘性流动
在粘性流动中，剪应力与速度梯度成 正比 τ=η×dv/dx dv/dx为速度梯度，比例常数η称为粘 性系数或粘度，是材料的性能参数， 单位为（Pa· S）。 符合这一定律的流体叫牛顿液体。
宏观应变率，要造成宏观塑性变形， 必须：（1）有足够的位错；（2）位错有 足够的运动速度；（3） b要小。
位错形成能 E=aGb2 G为剪切模量，a为几何因子，其值为 0.5-1.0，b为柏氏矢量。
柏氏矢量b小容易形成位错 ，金属3Å， 陶瓷5 Å以上．
3.超塑性
超塑性是指材料在一定条件下呈现 非常大的伸长率（100%以上）而不 发生缩颈和断裂的性质，比通常塑 性变形的伸长率高10倍以上。

一、流动模型——绝对速率理论模型 液体层相对于邻层流动时，液体分子从开始的 平衡状态过渡到另一个平衡状态，必须越过势 垒E。 在τ作用下，可以算出流动速度。 △u=2λγ0e-E/kTsinh（τλ1λ2λ3/2kT） τ=η×dv/dx=η×△u/λ1 η=τλ1/△u =τλ1/2λγ0e-E/kTsinh（τλ1λ2λ3/2kT）
2.1
理论结合强度
在外加正应力作用下,晶体中两个原子 面沿垂直于外力方向拉开所需的应力.
th sin
2X

W

2 0

th
sin
2x

dx

2 th x 2 ] cos [ 2
th
th 2
0

th

2
铝合金断后伸长50—60%； 碳钢30—40% 优异的变形性能和材质均匀等特点， 在航空航天以及汽车的零部件生产、 工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些 复杂形状构件的生产中起到了不可替 代的作用。
1.3
高温蠕变
约比温度T/T m 高温:T/Tm>0.5. 恒温恒载荷下缓慢地产生塑性变形的现象. (1)蠕变的一般规律:
相变超塑性，在形变过程中发生相变。 结构超塑性，在稳定结构中产生的超塑 性。

产生超塑性的条件： 超细晶粒0.5～5μ之间 ； 等轴晶粒； 一定的温度：0.4Tm以上。 机制： 晶界扩散和晶界滑移
超塑性现象最早的报道是在1920年，发现 Zn-Cu-Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近 180度。 1934年，英国的C.P.PEARSON发现Pb-Sn 共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000% 的延伸率。但是由于第二次世界大战，这方 面的研究没有进行下去。 六十年代后期及七十年代，世界上形成了超 塑性研究的高潮。近几十年来金属超塑性已 在工业生产领域中获得了较为广泛的应用。
材料性能学 Properties of Materials
学习本课程后达到的目标
1.解释一些常见现象 例如为什么陶瓷 与玻璃一摔就碎？ 2.掌握专业名词术语 保证在专业交流时不 说外行话 3.专业领域的一些基本问题