《無機材料物理性能》第2講

無機材料物理性能第二講第一章

無機材料的受力形變內(nèi)容簡介：介紹了無機材料的四種形變：彈性形變、塑性形變、高溫蠕變和粘性形變及其理論描述、產(chǎn)生的原因和影響因素。要求：從微觀的角度來理解宏觀性能、掌握解決問題的關(guān)鍵受力形變

內(nèi)力－變形引起的物體內(nèi)部附加力F1F3F2Fn假想截面F1F2F3Fn分布內(nèi)力外力內(nèi)力內(nèi)力與變形有關(guān)FFFFN（內(nèi)力）=F受力與變形特點小單元受力與變形特點內(nèi)力與變形有關(guān)M0M＝

M0M0M0M0M0內(nèi)力必須滿足平衡條件作用在彈性體上的外力相互平衡內(nèi)力與外力平衡；內(nèi)力與內(nèi)力平衡。F1F3F2Fn假想截面F1F2F3Fn分布內(nèi)力受力與變形特點

內(nèi)力－變形引起的物體內(nèi)部附加力，內(nèi)力不能是任意的，內(nèi)力與變形有關(guān)，必須滿足平衡條件內(nèi)力特點受力與變形特點工程構(gòu)件受力模型拉伸工程構(gòu)件受力模型壓縮工程構(gòu)件受力模型剪切工程構(gòu)件受力模型扭轉(zhuǎn)工程構(gòu)件受力模型彎曲工程構(gòu)件受力模型彎曲工程構(gòu)件受力模型組合受力強度、剛度和穩(wěn)定問題強度—不因發(fā)生斷裂或塑性變形而失效；剛度—不因發(fā)生過大的彈性變形而失效；穩(wěn)定性—不因發(fā)生因平衡形式的突然轉(zhuǎn)變而失效。應(yīng)力問題§1-1應(yīng)力、應(yīng)變及彈性形變應(yīng)力問題

單位表面（積）上所承受的內(nèi)力稱為內(nèi)應(yīng)力。簡稱應(yīng)力，一般用σ表示。

名義應(yīng)力：

真實應(yīng)力：（P4）應(yīng)力及其方向的數(shù)學(xué)描述yxz體積單元應(yīng)力分量示意圖由于剪應(yīng)力互等定理:故一點的應(yīng)力狀態(tài)由六個應(yīng)力分量表示:應(yīng)力、應(yīng)變及彈性形變應(yīng)變問題應(yīng)變是用來描述物體內(nèi)部各質(zhì)點之間的相對位移的。應(yīng)變問題名義應(yīng)變真實應(yīng)變剪應(yīng)變

剪應(yīng)變xyαβdydxACBC′A′B′o

如果該物體發(fā)生形變，O沿x,y,z方向的位移分量為u,v,w，那么x軸上O點鄰近的一點A由于O點有位移u,A點位移隨x的增加而增加，A點位移將是，則OA的長度增加了。因此，在O點處沿x方向的正應(yīng)變（單位伸長）是O處沿x方向的拉壓應(yīng)變（單位伸長）為：同理:應(yīng)變xyαβdydxACBC′A′B′ozz

現(xiàn)在考察線段OA及OB之間的夾角變化，A點沿y方向的位移為v+δv/δxdx，B點沿x方向的位移為u+δu/δydy，由于這些位移，線段OA的新方向O?A?與原來的方向之間的畸變夾角為（v+δv/δxdx-v）/dx=δv/δx，同理，OB與O?B?之間的畸變夾角為δu/δy，由此可見，線段OA與OB之間原來的直角減少了δv/δx+δu/δy。因此，平面xz與yz之間的剪應(yīng)變?yōu)槠矫鎥z與yz之間的剪應(yīng)變?yōu)椋杭魬?yīng)變同理：

xyαβdydxACBC′A′B′o

應(yīng)變由六個應(yīng)變分量來表示伸長應(yīng)變分量剪應(yīng)變分量材料的受力形變?nèi)N情況（P3）：無機材料的彈性變形行為脆性材料(非金屬材料)：只有彈性形變，無塑性形變或塑性形變很小。延性材料(金屬材料)：有彈性形變和塑性形變。彈性材料(橡膠)：彈性變形很大，沒有殘余形變（無塑性形變）。脆性材料應(yīng)力與應(yīng)變曲線應(yīng)力與應(yīng)變曲線韌性金屬材料應(yīng)力與應(yīng)變曲線聚合物彈性行為應(yīng)力與應(yīng)變曲線p比例極限e彈性極限

屈服行為s屈服強度應(yīng)力與應(yīng)變曲線對于各向同性體，正應(yīng)力不會引起長方體的角度改變即無剪切形變，只會產(chǎn)生法向應(yīng)變，而且應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系，即：單向應(yīng)力下的虎克定律彈性模量彈性模量的單位和應(yīng)力的單位相同為

Pa。對于同一種各向同性體材料彈性模量是一個常數(shù)

泊松比（p8）泊松比和彈性模量一樣，是物質(zhì)固有的常數(shù)。對于塑性、彈性材料和復(fù)合材料μ介于1到1/2之間；對多數(shù)金屬μ介于1/4到1/3之間；對于大多數(shù)無機材料，μ介于1/5到1/4之間

橫向變形系數(shù)橫向變形系數(shù)μ叫做泊松比，可得對于彈性形變，一般金屬的泊松比為0.29~0.33，大多數(shù)無機材料為0.2~0.25。無機材料的彈性模量Ｅ隨材料不同變化范圍很大，約為109~1011Ｐa。單晶及具有織構(gòu)的材料或復(fù)合材料（用纖維增強的）具有明顯的方向性。在這種情況下，各種彈性常數(shù)隨方向而不同，虎克定律描述了更一般的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。單元體應(yīng)力及正負號規(guī)定如果作用面的外法線指向坐標系中相應(yīng)坐標軸的正向,而應(yīng)力分量也指向?qū)?yīng)坐標軸的正向,則應(yīng)力分量為正。當兩個下標中,只有一個指向坐標軸的正向時,該應(yīng)力分量就為負.yx作用在y面上的正應(yīng)力作用在y面內(nèi)x方向的剪應(yīng)力z本構(gòu)方程反映出材料的性質(zhì)！與之間的關(guān)系各向同性體的胡克定律

對于拉伸應(yīng)變各向同性體的胡克定律

對于剪切應(yīng)變G為剪切模量或剛性模量G、E、μ之間有下列關(guān)系假定材料為各向同性體，受到各向同等的壓力下σx=σy=σz=－Ｐ，則有相應(yīng)的體積變化為：

將上式展開，略去的二次項以上的微量，得定義各向同等的壓力P除以體積變化為材料的體積模量：廣義虎克定律對于單向受應(yīng)力σx，y、z兩個方向的應(yīng)變?yōu)閷τ诰哂蟹较蛐缘膯尉Щ蚩棙?gòu)（復(fù)合）材料，稱之為彈性柔順系數(shù)同理廣義虎克定律各向異性材料的各個方向的彈性模量都不相同當各向異性材料同時受到三向應(yīng)力作用時，各個方向的形變也是不同的，因而各個方向的泊松系數(shù)也隨應(yīng)力的方向變化除正應(yīng)力對應(yīng)變有影響外，剪應(yīng)力也會對應(yīng)變產(chǎn)生影響除剪應(yīng)力對剪應(yīng)變有影響外，正應(yīng)力也會對剪應(yīng)變產(chǎn)生影響各向異性彈性力學(xué)問題需滿足的基本方程與各向同性彈性力學(xué)一樣,各向異性彈性力學(xué)有15個未知量15個場方程靜力平衡方程（3）＋幾何關(guān)系（6）＋本構(gòu)方程（6）各向異性胡克定律用矩陣表示剛度矩陣36個柔度矩陣考慮晶體的對稱性，例如：斜方晶系，剪應(yīng)力只影響與其平行的平面的應(yīng)變，不影響正應(yīng)變，S數(shù)為9個(S11,S22,S33,S44,S55,S66,S12=S21,S23,S13)。六方晶系只有5個S(S11=S22,S33,S44,S66,S13)立方晶系為3個S(S11,S44,S12)MgO的柔順系數(shù)在25oC時，S11=4.03×10-12Pa-1;S12=－0.94×10-12Pa-1;S44=6.47×10-12Pa-1.由此可知，各向異性晶體的彈性常數(shù)不是均勻的。由于倒順關(guān)系，Sij=Sji彈性變形機理

虎克定律表明，對于足夠小的形變，應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系，系數(shù)為彈性模量E。作用力和位移成線性關(guān)系，系數(shù)為彈性常數(shù)K。彈性模量的意義表明材料抵抗彈性變形的能力-剛度；單晶體材料-各向異性；多晶體材料-（基本上）各向同性。對于按照剛度要求設(shè)計的構(gòu)件，應(yīng)選用彈性模量值高的材料。因為用彈性模量高的材料制成的構(gòu)件受到外力作用時，保持其固有尺寸和形狀的能力強，即構(gòu)件的剛度高。厚度減到11.5mm最大彈性變形0.0299mm原有厚度：13.5mm最大彈性變形0.0245mm對車輪減重進行了FEM模擬計算，確認減薄、減重的可行性模擬計算結(jié)果：最大彈性變形相差～0.005mm，滿足要求

彈性模量的影響因素－與晶格類型和原子間距密切相關(guān)；－化學(xué)成分：合金中固溶溶質(zhì)元素雖然可以改變合金的晶格常數(shù)，但對于常用鋼鐵合金來說，合金化對其晶格常數(shù)改變不大，因而對彈性模量影響很小。

－熱處理改變組織的強化工藝，但對彈性模量值影響不大。－冷塑性變形使E值稍有降低，一般降低4%～6%，但當變形量很大時，因形變織構(gòu)而使其出現(xiàn)各向異性，沿變形方向E值最大。－對于鋼鐵材料來說，每加熱100℃，其彈性模量E值就下降3%～5%。但在-50～50℃范圍內(nèi)，鋼的E值變化不大，可以不考慮溫度的影響。－加載速度對彈性模量也沒有大的影響。彈性模量rrror12＋－＋－FUm在r=ro時，原子1和2處于平衡狀態(tài)，其合力F=0.當原子受到拉伸時，原子2向右位移，起初作用力與位移呈線性變化，后逐漸偏離，達到r時，合力最大，此后又減小。合力有一最大值，該值相當于材料斷裂時的作用力。斷裂時的相對位移：r－ro=把合力與相對位移的關(guān)系看作線性關(guān)系，則彈性常數(shù)：

KF/=tg(1)原子間相互作用力和彈性常數(shù)的關(guān)系結(jié)論：K是在作用力曲線r=ro時的斜率，因此K的大小反映了原子間的作用力曲線在r=ro處斜率的大小.

共價鍵、離子鍵結(jié)合的晶體，結(jié)合力強，Ｅ都較大。分子鍵結(jié)合力弱，這樣鍵合的物體Ｅ較低。由圖還可看出，改變原子間距離將影響彈性模量。例如壓應(yīng)力使原子間距離變小，曲線上該受力點的斜率增大，因而Ｅ將增加；張應(yīng)力使原子間距離增加，因而Ｅ下降。象陶瓷這樣的脆性材料，在較小的張應(yīng)力下就會斷裂，原子間距不可能有大的變化；溫度升高，因熱膨脹，原子間距變大，Ｅ降低。這些已被實驗所證實。(2)原子間的勢能與彈性常數(shù)的關(guān)系

U(ro+）=U(ro)+(dU/dr)ro+1/2(d2U/dr2)ro2=U(ro)+1/2(d2U/dr2)ro2F=du(r)/dr=(d2U/dr2)ro

K=(d2U/dr2)ro就是勢能曲線在最小值u(ro)處的曲率。結(jié)論：彈性常數(shù)的大小實質(zhì)上反映了原子間勢能曲線極小值尖峭度的大小。(3)彈性剛度系數(shù)使原子間的作用力平行于x軸，作用于原子上的作用力：

F=－u/r,應(yīng)力：xx－(u/r)/ro2dxx－(2u/r2)dr/ro2,相應(yīng)的應(yīng)變：dxx=dr/rodxx=C11dxxC11－(d2U/dr2)ro/ro=K/ro=E1C------彈性剛度系數(shù)（與彈性柔順系數(shù)S成反比）結(jié)論：彈性剛度系數(shù)的大小實質(zhì)上也反映了原子間勢能曲線極小值尖峭度的大小。大部分無機材料具有離子鍵和共價鍵，共價鍵勢能曲線的谷比金屬鍵和離子鍵的深，即：彈性剛度系數(shù)大。NaCl型晶體的彈性剛度系數(shù)

（1011達因/厘米2，200oC）晶體C11C12C44TiC5011.3017.50MgO28.928.8015.46LiF11.14.206.30NaCl4.871.231.26NaBr3.870.970.97KCl3.980.620.62KBr3.460.580.51上限模量－兩相體系的彈性模量PP12l根據(jù)壓力平衡方程有：P=σ1A1+σ2A2,兩邊同除以A，有：

兩相應(yīng)變相同兩相體系的彈性模量下限模量－

PPδ=εlδ1=ε1l1δ2=ε2l2

δ=δ1+δ2

兩相應(yīng)力相同（3）復(fù)相的彈性模量在二相系統(tǒng)中，總模量介于高模量成分和低模量成分間，類似于二相系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)，通過假定材料有許多層組成，這些層平行或垂直于作用單軸應(yīng)力，找出最寬的可能界限。第一種模型每種組分中的應(yīng)變相同，即并聯(lián)，

Eu=V2E2+(1－V2)E1（上限）大部分應(yīng)力由高模量的相承擔。第二種模型每個相中的應(yīng)力相同，即串聯(lián)，

1/EL=V2/E2+(1－V2)/E1

（下限）氣孔對彈性模量的影響（氣孔的彈性模量為零）彈性模量與氣孔率的關(guān)系E0是氣孔率為零時的E值，p為氣孔率,b為與陶瓷制備工藝有關(guān)的常數(shù)

,常數(shù)f1、f2取決于氣孔的形狀和取向。陶瓷的彈性模量隨氣孔率的表達式為：

一些無機材料彈性模量的數(shù)值材料E(Gpa)材料E(Gpa)氧化鋁晶體380燒結(jié)TiC(P=5%)310燒結(jié)氧化鋁（P=5%

）366燒結(jié)MgAl2O4(P=5%)238高鋁瓷（P=90－95%

）366密實SiC(P=5%)470燒結(jié)氧化鈹（P=5%

）310燒結(jié)穩(wěn)定化ZrO2P=5%

150熱壓BN（P=5%

）83石英玻璃72熱壓B4C（P=5%

）290莫來石瓷69石墨（P=20%

）9滑石瓷69燒結(jié)MgO（P=5%

）210鎂質(zhì)耐火磚170燒結(jié)MoSi2（P=5%

）407例題1

使用含有90％體積Al2O3(E=380GPa)和10％體積玻璃相(E=84GPa)的陶瓷坯料，計算上限及下限彈性模量。如果該陶瓷含10％的氣孔，估算其上限和下限彈性模量。解：由公式固體上限彈性模量為EU=E1V1+E2V2EU=380×0.9+84×0.1=350.4GPa固體下限彈性模量為1/EL=V1/E1+V2/E2EL=1/(V1/E1+V2/E2)=1/(0.9/380+0.1/84)=281GPa陶瓷上限彈性模量為E1=EU(1-1.9P+0.9P2)=350.4×(1-1.9×0.1+0.9×0.12)=287GPa陶瓷下限彈性模量為E2=EL(1-1.9P+0.9P2)=281×(1-1.9×0.1+0.9×0.12)=230GPa2.3滯彈性流變學(xué)研究物體的流動和變形科學(xué)，綜合研究物體的彈性形變、塑性形變和粘性流動。例如：水泥砂漿和新拌混凝土粘性、塑性、彈性的演變和硬化混凝土的徐變；金屬材料高溫徐變、應(yīng)力弛豫；高溫玻璃液特性；高聚合物加工成形等都涉及到流動和變形。1.流變學(xué)基礎(chǔ)流變特性：物體在某一瞬間所表現(xiàn)的應(yīng)力與應(yīng)變的定量關(guān)系。即用一些參數(shù)把應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系表示為流變方程式。流變模型的作用：用某些理想元件組成的模型，近似而定性的模擬某些真實物體的力學(xué)結(jié)構(gòu)，并以作用力和變形關(guān)系導(dǎo)出物體流變方程?；⒖斯腆w模型：一個完全彈性的彈簧，應(yīng)力和應(yīng)變服從虎克定律。

G或EG---剪切模量

（1）基本模型牛頓液體模型：一個帶孔活塞在裝滿粘性液體的圓柱形容器內(nèi)運動。液體服從牛頓液體定律。

或E---速度梯度，相當于形變；

---粘度（粘性系數(shù)）

··牛頓型P帶孔活塞粘性液體Pdv/dy圣維南塑性固體模型：一個靜置桌面上的重物，與桌面間存在摩擦力，當作用力稍大于靜摩擦力時，重物即以勻速移動（應(yīng)力不超過某一限定值以前，物體為剛性，一旦超過限定值，則會迅速流動變形）。

=tt---屈服應(yīng)力摩擦力Ft變形圣維南型將基本模型元件串聯(lián)或并聯(lián)起來，進行各種串并聯(lián)組合，模擬各種物體的力學(xué)結(jié)構(gòu)。常用的組合模型如下：（2）組合模型

賓漢體馬克斯韋爾液體（液態(tài)粘彈性物體）開爾文固體（固態(tài)粘彈性物體）賓漢體圣維南塑性固體和牛頓粘性液體的混合體。在承受較小外力時物體產(chǎn)生彈性形變，當外力超過屈服應(yīng)力t時，按牛頓液體的規(guī)律產(chǎn)生粘性流動。dv/dy實際泥料的流變特性不完全符合這種簡單的組合，出現(xiàn)偏差。如實際泥料沒有明顯的流動極限，即從彈性體過渡到粘性體是連續(xù)的------準塑性體。偏差使流動曲線變形，用下式修正。ndv/dyn>1時粘度隨應(yīng)力增大而減小------結(jié)構(gòu)粘性體；n<1時粘度隨應(yīng)力增大而增大------觸稠性。流變方程：－tdv/dy或－t

硅藻土、瓷土、石墨、油漆、水泥等的懸膠具有賓漢體的流變特性?！馬克斯韋爾液體（液態(tài)粘彈性物體）內(nèi)部結(jié)構(gòu)由彈性和粘性兩種成分組成的聚集體。其中彈性成分不成為骨架而埋在連續(xù)粘性成分中，在恒定應(yīng)變下，儲存于彈性體中的勢能會隨時間逐漸消失于粘性體中，表現(xiàn)為應(yīng)力弛豫現(xiàn)象。流變方程：

/G/···=d/dtC開爾文固體（固態(tài)粘彈性物體）：

內(nèi)部結(jié)構(gòu)由堅硬骨架及填充于空隙的粘性液體所組成。如：水泥混凝土。流變方程：G·（1）標準線性固體（曾納模型）

由彈簧及粘性系統(tǒng)組成too總t0122.滯彈性3應(yīng)力、應(yīng)變與時間的關(guān)系方程

根據(jù)此模型有以下關(guān)系：2=1+33=3=1+2=1+21=E111=3

2=E22

2=E22=E2

1=E11消去各元件的應(yīng)力和應(yīng)變，得（/E1)(E1+E2)/E2+=(/E1)/E2+/E2設(shè)：

=/E1

，

=(E1+E2)/E2=(E1+E2)/E2E1則有E2(+)=+定義：

------恒定應(yīng)變下的應(yīng)力弛豫時間；------恒定應(yīng)力下的應(yīng)變?nèi)渥儠r間?！ぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁ?yīng)變弛豫(蠕變或徐變)：固體材料在恒定荷載下，變形隨時間延續(xù)而緩慢增加的不平衡過程，或材料受力后內(nèi)部原子由不平衡到平衡的過程。當外力除去后，徐變變形不能立即消失。例如：瀝青、水泥混凝土、玻璃和各種金屬等在持續(xù)外力作用下，除初始彈性變形外，都會出現(xiàn)不同程度的隨時間延續(xù)而發(fā)展的緩慢變形（徐變）。應(yīng)力弛豫：在持續(xù)外力作用下，物體在總的變形值保持不變的情況下，由于徐變變形漸增，彈性變形相應(yīng)的減小，由此使物體的內(nèi)部應(yīng)力隨時間延續(xù)而逐漸減少。（2）應(yīng)變弛豫與應(yīng)力弛豫發(fā)生應(yīng)力弛豫（蠕變）時，彈性模量Ec也將隨時間而減小。發(fā)生應(yīng)變弛豫時，彈性模量Er隨時間而降低。弛豫過程有以下機理：原子的振動、彈性變形波、熱消散、間隙原子的擴散、晶界的移動等。從熱力學(xué)觀點分析應(yīng)力弛豫：物體受外力作用而產(chǎn)生一定的變形；如果變形保持不變，則儲存在物體中的彈性勢能將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽粡膭菽苻D(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^程，即能量消耗的過程------應(yīng)力弛豫現(xiàn)象。應(yīng)變?nèi)渥儠r間：a=總－0

=0+(總－0)[1－exp(-t/)]=總－（總－0）exp(-t