第一章：概-述-现代实验力学-教学课件.ppt

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1、第一章：概 述 1.1 力学与材料和工程结构的关系 材料力学工程结构连续介质/细观/微观/纳观宏观1.2 材料的分类、形态及其性能材料工程材料功能材料材料形态液态固态气态 金属材料高分子材料陶瓷材料复合材料原子、离子或分子等粒子是组成物质材料的最基本单元。粒子间的作用力和热运动决定了物质材料的状态（气态、液态和固态）及其力学行为。当物质材料处于气态时，其粒子的动能远远超过了势能。当物质材料处于液态时，其粒子的热运动变慢，相互间的距离也变近，虽然粒子不能保持长距离有序排列，但相互间的引力还能保证其不至于分开。当物质材料处于固态时，其粒子间的距离很近，相互作用的势能远大于动能，如果没有外加条件，这

2、些粒子的排列很难改变。1.3 固态原子的结合键晶体：晶体中的原子可以在三维空间呈有规则的周期性排列，其特点是原子排列的距离远远大于原子尺度，贯穿晶体的整个体积，称为长程有序。大多数工程材料属于晶体材料，如金属材料。非晶体：非晶体中的原子只能在几个原子尺度的小范围内作有规则的排序，称为短程有序。如玻璃。晶体非晶体在特定条件下金属从液态急速冷却(106 oC/s)金属玻璃玻璃晶体玻璃高温长时间加热一 基本概念a00321 f aF0a00fa图1-1 两原子间的作用力f随原子间距a的变化示意图，1.吸引力;2.排斥力;3.合力图1-2 两原子间的相互作用能f随原子间距a的变化示意图 a 金属材料的

3、弹性变形来源于其原子间的相互作用力-吸引力和排斥力。当两个原子相互接近时，原子核没有变化，只有原子的外部电子会重新排布，可能失去电子，也可能得到电子，因而，引起原子间的相互作用-吸引或排斥。吸引力源于异性电荷间的库伦引力，并随原子间距的减小而迅速增大；排斥力则主要产生于同性电荷之间的库伦斥力和电子云重叠所引起的斥力。与引力相似，原子间的距离越小，其排斥力越大。但是，当两原子进一步接近时，使电子动能增加，从而使排斥力的增长速度大于吸引力。图1-1是两原子间的吸引力(曲线1)、排斥力(曲线2)以及合力(曲线3)随原子间距的变化示意图。当两原子间的引力与斥力相平衡时，原子间相互作用的势能达到最低值F

4、0,即原子间的结合能(见图1-2)，从而决定了两原子之间处于力平衡时的距离a=a0。当有某种外力使原子间的距离改变时，原来的平衡就被破坏，并在外力、引力斥力之间建立起新的平衡位置，原子又稳定在新的平衡距离上，从而金属产生了变形。a00321 f a1 引力；2 排斥力；3 合力假设原子在外力F的作用下相对于其平衡位置的间距位移为u,外力F与作用能F(u)之间满足下列关系：dF=Fdu(1-1)假设函数F(u)是连续函数，并假设是小位移（ua0）将其在 u=0 处(即a=a0)用泰勒级数展开，注意（dF/du）u=0=0,忽略三次以上无穷小，得到：F(u)=F0+（1/2）u2(d2 F/du2

5、)u=0 F(1-2)代入式（1-1）可得：F=u(d2 F/du2)u=0(1-3)函数F(u)在u=0处的二阶导数(d2 F/du2)u=0是其在该点的曲率，与u无关，而且是一个常数。因而，当小位移变形时外力与原子间的相对位移有下列关系式：F=ku(1-4)其中常数 k=(d2 F/du2)u=0，这就是我们常见到的力-位移的胡克定律。当然，双原子模型给出的简单分析是近似的，实际材料的原子排列比较复杂。u1.金属键图1-3 金属键:(a)原子在没有外力作用正常堆积时的金属键及其电子云;(b)金属变形时的金属键(方向变化但未破坏).金属原子最外层价电子与原子核的联系微弱,在相邻原子核电场的作

6、用下,原子很容易失去外层电子而成为正离子,而离开原子的外层电子则形成围绕离子的电子云,如图1-3(a)所示.脱离原子的价电子,此时不再受某一个特定正离子的约束,在电子云中自由运动,成为与若干个正离子相吸引的电子.通过正离子与电子之间的相互吸引,使得所有的离子结合在一起,这种结合力就是金属键.(1)无方向性,塑性好(金属键的方向随材料变形而改变);(2)导电性好(电子云中价电子容易发生运动);(3)导热性好(加热时正离子震动加剧并传递热量).特点2.共价键图1-4 硅的共价键:(a)4价硅云子;(b)硅的四个共价键.图1-4 硅的四面体和键角.处在周期表中间位置的具有三.四.五个价电子的元素,它

7、们获得和丢失电子的机会相近,原子可能获得电子变为负离子,也可能失去电子变为正离子.当同种原子或相邻近的原子共同占有其部分价电子时,会使每个原子的最外层电子处于满壳层状态.被公用的价电子同时属于两个相邻原子,价电子就在这两个相邻原子核之间运动,形成一个负电荷较集中的地区,并对带正电荷的原子核产生吸引力.这种由共价电子对形成的结合键叫共价键.共享电子(1)具有方向性;(2)结合力强;(2)(3)硬而脆,塑性差(变形时弹性极小,结合键必受破坏，如共价键陶瓷材料).特点:4.分子键原子状态已经形成稳定电子壳层的惰性气体元素,在低温下可以结合成固体,并在其结合过程中没有电子的得失-共有-或公有化,原子或

8、分子间的结合力是很弱的,这种存在于中性原子或分子间微弱的结合力成为分子键.如聚合物高分子材料的结合键,分子键的结合力较弱,在外力作用下,键容易破坏平衡,导致分子键的滑动,致使材料产生很大塑性变形.(1)键的结合强度低;(2)塑性好.特点:陶瓷材料的结合建离子键和共价键是陶瓷材料的主要结合建，但通常多为两者的混合建。对于一价、两价等低价金属氧化物，离子键比例大于共价键。如：MgO，84%：16%。对于三价、四价氧化物、氮化物、碳化物，如：SiO2,SiC,Si3N4,Al2O3等，离子键比例小于或者约等于共价键。SiC:18%:82%.特点：健能高，高熔点、高硬度、耐腐蚀、塑性极差等思考题材料有几种形态?工程材料主要有哪几类?为什么金属材料导电性好?材料原子结合键共有几种?主要区别在那里?举例说明为什么陶瓷材料硬而脆？其键合形式是什么？参考书：工程材料及应用，周风云 主编，华中理工大学出版社，1999，定价：19.8元 工程材料的力学性能，姜伟之 等编著，北京航空航天大学出版社，2000，定价：23元 云母原子排列示意图纳米多晶铜原子排列示意图Lu,Sui&Lu,Science,2000,287:1463-1466纳米晶粒铜力学和电学性质Lu,Shen,et al.Science,2004,304:422-426