材料物理(力学部分)1

2.7 陶瓷材料的抗弯强度
Si3N4陶瓷 由于陶瓷材料塑性 小，陶瓷强度主要指 它的断裂强度。 对于脆性材料，拉 伸试验时，由于上下 夹头不可能完全同轴， 会引起载荷偏心而产 生附加弯距，使试样 断裂往往发生在夹头 陶瓷弯曲试样的表面粗糙度和 处，测不出真实的抗 是否进行棱边倒角加工对抗弯 拉强度，所以一般均 强度有较大影响 采用弯曲试验。
条件屈服强度r0.2：
2.5 屈服强度
以0.2%残留变形的应力
GB-228-87规定
将比例极限、弹性极限、条件屈服强度统
一规定为“规定条件下的应力”。
影响屈服强度的因素
内在因素有： 结合键、组织、结构、原子本性 外在因素有： 温度、应变速率、应力状态
2.6 抗拉强度
抗拉强度b
拉伸时试样拉断
1 材料力学性能概论
概念： 材料的力学性能是关于材料强度的一门 学科，即关于材料在外加载荷（外力）作用 下或载荷和环境因素（温度、介质和加载速 率）联合作用下表现的变形、损伤与断裂的 行为规律及其物理本质和评定方法的一门学 科。
1.1 指标
弹性 塑性 强度 韧性 硬度 耐磨性 缺口敏感性 裂纹扩展速率 寿命
应力的方向规定：
拉应力为正，压应力为负。 剪切应力方向规定： 体积元上任意面上的法向应 力与坐标轴的正方向相同， 则该面上的剪切应力指向 坐标轴的正方向者为正； 如果该面上的法向应力指 向坐标轴的负方向，则剪 切应力指向坐标轴的正方 向者为负。
应变（strain）：用来表征材料受力时 内部各质点之间的相对位移。 根据受力不同分为： 拉伸应变 剪切应变 压缩应变
温度对陶瓷材料强度的影响
大多数陶瓷材料的耐高温性能比较好，通常 在 800 C 以下，温度对陶瓷材料强度影响 不多。 在高温下，大多数陶瓷材料的强度是随温度 升高而下降的。
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陶瓷材料的弹性模量
特点一： 陶瓷材料的弹性模量一般高于金属。
常见材料的弹性模量
陶瓷材料的弹性模量
特点二： 陶瓷材料的弹性模量，不仅与结合键有 关，还与陶瓷结构及气孔率有关。 （金属材料的弹性模量是一个非常稳定 的力学性能指标）
相组成对弹性模量的影响


对两相陶瓷复合物， 两相弹性模量分别为 E1，E2，体积百分数 分别为V1，V2 当应力平行于层面， 各层应变相等，复合 陶瓷的平均弹性模量 为：
材料物理
主要内容： 力、热、磁学性能（20学时） 光、电、功能转换（36学时） 考核： 平时作业。 闭卷考试，力、热、磁部分约40%，光、电、 功能约60%。
材料物理 （材料力学部分）
主要内容
1、材料力学性能概论 2、静载荷下材料的力学性能
3、断裂力学
4、材料的增强与增韧 5、硬度 6、蠕变 7、疲劳
思考： 陶瓷材料为什么很难发生塑性变形？
结合键 晶体结构
影响陶瓷材料强度的因素
尺寸效应 显微结构 温度

显微结构对陶瓷材料强度的影响
晶粒尺寸： 气孔率： 陶瓷材料强度 f 与晶粒直径 d 之间的半经验关系 ： 陶瓷材料强度 f 与气孔率 P 的关系： f = kd - -bP = e 式中，为材料特性和实验条 f 0 件有关的经验指数，对离 式中， 0 是气孔率为零时 子键氧化物陶瓷或共价键 的材料强度， b 为与陶瓷 氧 化 物 、 碳 化 物 陶 瓷 ， 制备工艺有关的常数。 =0.5，k 是 与 材 料 结 构 、 显微结构有关的比例常数。 晶界相
1.2 研究内容： （ 1 ）材料在各种服役条件下的 力学性能 （2）材料力学性能的影响因素 （ 3 ）材料力学性能的微观机制 （4）材料力学性能的测试技术
1.3 研究目的和意义
（1）正确地使用材料，保证构件在服役期内有 效运行。 （2）通过对材料力学性能的研究可以评价材料 合成与加工工艺的有效性，并通过控制材料的 加工工艺，提高材料的力学性能。 （3）在材料力学性能理论的指导下，采用新的 材料成分和结构，或新的加工和合成工艺，设 计和开发出新材料，以满足对材料的更高需求。
无机材料
聚氯乙稀
应力应变曲线分析
弹性极限e：
不产生永久变形的最大应 力
比例极限p： 保持弹性比例关系的最大 应力值。略小于e；
2.3

弹性模量（Elastic Modulus）
modulus：a quantity that expresses the degree to which a substance possesses a property, such as elasticity. 在弹性变形阶段，材料的应力应变服从虎 克定律： = E E即为弹性模量。 材料产生单位应变所需要的应力

拉伸 应 变 ： 同 一直 线上拉应力下发生的 形变。 = (l1-l0)/l0 =l/l


剪切应变：平行剪 切应力下发生的形变。 = tg
压缩应变 ：均匀应 力下体积变化。 = (V1-V0)/V0

2.2 不同材料的应力应变曲线
铝合金
低碳钢
不同材料的应力应变曲线
过程中最大试验力所
对应的应力。 工程意义
抗拉强度的工程意义
（1）标志着塑性金属材料的实际承载能力； （2）在某些场合，可以作为设计的依据；
（3）可以来估计材料的硬度和疲劳强度等。
零件设计原则： 屈服强度与抗拉强度的工程应用
当应力达到某一极限值时，材料会发生破坏或产 生机械零件不允许的残余变形，这个应力称为 极限应力或危险应力，用0表示。 <[] = 0/n 对于塑性材料，常选用屈服强度s（或r0.2）作 为极限应力0，此时n = 1.5-2 对于脆性材料，选抗拉强度b作为极限应力0， 此时n = 2-5，甚至n = 3-9


弹性模量的影响因素
（1）结合键
材料熔点与 弹性模量的 一致性关率
弹性模量的影响因素
（2）原子结构：对金属来说，原子结构 对其弹性模量影响很大。
弹性模量的 周期性变化
弹性模量的影响因素
（3）温度：随温度升高，弹性模量降低。 （4）相变：相变影响晶体结构，从而影响弹 性模量。 相变包括：多晶型转变、有序化转变、铁磁 性转变、超导态转变等。
1.4 应用举例
弹性： 塑性变形： 硬度和韧性： 缺口和裂纹效应：
2 静载荷下材料的力学性能
2.1

应力应变的概念
应力（ stress）：材料单位面积上所受的附加内力， 其数值等于单位面积上所受的外力。 = F/A 式中， 为应力，F为外力，A为面积。 国际单位：N/m2，Pa 名义应力(nominal stress)： 0 = F/A0（A0：起始面积） 真实应力(real stress)： T = F/AT （AT：真实面积）
E//=E1V1+E2V2
相组成对弹性模量的影响

当应力垂直于层面， 各 层的应 力相等 ， 复合陶瓷的平均弹 性模量为：
E=E1E2/(E2V1+E1V2)
实际两相陶瓷材料的弹性模量
Al2O3/玻璃复合材料的E与Al2O3含量的关系
气孔率对陶瓷弹性模量的影响
陶瓷的弹性模量E与气孔率P的关系可表示为： E = E0e-bP 式中，E0是气孔率为零时的弹性模量，b为与 陶瓷制备工艺有关的常数。 对连续基体内的闭气孔，经验公式为： E = E0 (1-1.9P + 0.9 P2)
2.4 滞弹性
铸铁 高铬不锈钢 利用滞弹性： 制作机床床身和内燃 机的支座
弹性滞后环
屈服强度s：
应力超过e，材料开始出 现塑性变形，当应力增至 s 点时，试样开始产生明 显的塑性变形，在曲线上 出现了水平的锯齿形的线 段，表现为应力不增加， 试样仍然继续塑性伸长， 这种现象叫屈服。对应的 强度叫屈服强度。
氧化铝相对弹性模量与气孔率的关系
陶瓷材料的弹性模量
特点三： 陶瓷材料压缩时的弹性模量一般高于拉 伸时的弹性模量，即压缩时的曲线斜率 比拉伸时大。
弹性模量的工程意义和应用
材料的比刚度依载荷形式而定。 * 拉伸试棒或杆件时，其比刚度以E/来度量； * 当零件或构件以梁的形式出现时，其比刚度以E1/2/ 来度量； * 板受弯曲时材料的比刚度以E1/3/来度量。
材料物理
概念：与大学物理的区别
Physics:
The science of matter and energy and of interactions between the two, grouped in traditional fields such as acoustics, optics, mechanics, thermodynamics, and electromagnetism, as well as in modern extensions including atomic and nuclear physics, cryogenics, solidstate physics, particle physics, and plasma physics. Material: The substance or substances out of which a thing is or can be made.