材料科学基础课件第三章材料的力学行为.ppt

1、第三章第三章 材料的力学行为材料的力学行为材料在外力作用下所产生的变形、材料在外力作用下所产生的变形、抵抗力（即强度）及破坏等，又称抵抗力（即强度）及破坏等，又称为力学性能。为力学性能。第一节第一节 材料的弹性材料的弹性一、弹性和弹性变形一、弹性和弹性变形材材料料变变形形的的实实质质：内内部部质质点点在在外外力力作作用用下下，偏偏离或改变了原来的平衡位置，产生了相对位移。离或改变了原来的平衡位置，产生了相对位移。应应力力：单单位位面面积积上上材材料料内内部部产产生生的的平平衡衡外外力力的的抵抗力。抵抗力。应变：材料相对变形的大小。应变：材料相对变形的大小。一、弹性和弹性变形一、弹性和弹性变形弹

2、弹性性：材材料料在在外外力力作作用用下下产产生生变变形形，当当外外力力除除去去后后，变变形形随随即即消消失失，材材料料恢恢复复至至原原来的形状。来的形状。弹弹性性变变形形（瞬瞬时时变变形形、可可恢恢复复变变形形）：即即刻恢复的变形。刻恢复的变形。虎克固体模型虎克固体模型lEHooke定律定律 E 二、弹性模量二、弹性模量弹性变形的弹性变形的 力学特点力学特点:小形变、可回复小形变、可回复二、弹性模量二、弹性模量拉应力或压应力：拉应力或压应力：剪切应力：剪切应力：静水压应力：静水压应力：垂直应力；垂直应力；垂直应变；垂直应变；E 弹性模量（杨氏模量或纵向弹性模量）弹性模量（杨氏模量或纵向弹性模量

3、）剪切应力；剪切应力；剪切应变；剪切应变；G 剪切模量（刚性模量或横向弹性模量）剪切模量（刚性模量或横向弹性模量）m静水压应力；静水压应力；V体积应变；体积应变；K 体积弹性模量（压缩模量）体积弹性模量（压缩模量）二、弹性模量二、弹性模量E、G、K关系：关系：泊松比泊松比横向收缩系数，固体弹性伸长一定量时其横截面的减少量，横向收缩系数，固体弹性伸长一定量时其横截面的减少量，为缩短应变与伸长应变的比值。为缩短应变与伸长应变的比值。上述公式适用于各向同性材料。上述公式适用于各向同性材料。二、弹性模量二、弹性模量E、G、K表示材料的弹性变形阻力，即材料的刚度。表示材料的弹性变形阻力，即材料的刚度。材

4、材料料的的弹弹性性模模量量主主要要取取决决于于结结合合键键的的本本性性和和原原子子间间的的结结合合力力，而而材材料料的的成成分分和和组组织织对对它它的的影影响响不不大大。改改变变材材料料的的成成分分和和组组织织会会对对材材料料的的强强度度(如如屈屈服服强强度度、抗抗拉拉强强度度)有有显显著著影影响响，但但对对材材料料的的刚刚度度影影响响不不大大。共共价价键键结结合合的的材材料料弹弹性性模模量量最最高高，而而主主要要依依靠靠分分子子键键结结合合的的高高分分子子，由由于于键键力力弱弱其其弹弹性性模模量量最最低低。弹弹性性模模量量是是和和材材料料的的熔熔点点成正比的，越是难熔的材料弹性模量也越高。成

5、正比的，越是难熔的材料弹性模量也越高。温温度度的的升升高高导导致致晶晶格格热热运运动动增增强强，原原子子键键合合刚刚度度下下降降弹弹性模量随温度上升而稍有降低。性模量随温度上升而稍有降低。混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量三、滞弹性三、滞弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性理想的理想的弹弹性固体性固体弹弹性性变变形形马马上恢复上恢复实实际际材材料料，尽尽管管弹弹性性变变形形可可逆逆且且呈呈线线性性关关系系，但但存存在在变变形形和和回回复复在在时时间间上上的的滞滞后后。这这种种与与时时间间有关的有关的弹弹性行性行为为称称为为滞滞弹弹性。性。滞滞弹弹性性本本质质：交交

6、变变应应力力导导致致原原子子不不断断换换位位，而而位移的往返需要一定的位移的往返需要一定的时间时间。滞性迥线（滞滞性迥线（滞后迥线）后迥线）迥线包围的面积表示输入的能量，即单位体积的材料在每一周期所迥线包围的面积表示输入的能量，即单位体积的材料在每一周期所消耗的能量（消耗于加热材料和周围的环境）。消耗的能量（消耗于加热材料和周围的环境）。滞弹性对振动过程起阻尼作用滞弹性对振动过程起阻尼作用原子移动消耗部分机械能为热能而消散原子移动消耗部分机械能为热能而消散四、高弹性四、高弹性一般一般弹弹性性变变形不能超形不能超过过某一个范某一个范围围。如：如：结结晶晶态态物物质质弹弹性体：可逆性体：可逆弹弹性

7、性变变形范形范围围大的材料。大的材料。如：橡胶如：橡胶100以上以上特特点点：弹弹性性变变形形大大，弹弹性性模模量量小小，且且弹弹模模随随温温度度升升高高而增大而增大橡胶橡胶弹弹性：性：可耐非常大的可耐非常大的变变形而不被破坏形而不被破坏除去外力后可恢复到原来除去外力后可恢复到原来长长度度要求分子要求分子链长链长，易于，易于变变形，具有交形，具有交联联点点第二节第二节 材料的塑性材料的塑性一、塑性一、塑性变变形形塑塑性性：材材料料在在外外力力作作用用下下产产生生变变形形，当当外外力力除除去去后后不不能完全恢复原有形状。能完全恢复原有形状。塑性塑性变变形（永久形（永久变变形、残余形、残余变变形）

8、：不可恢复的形）：不可恢复的变变形形与与弹弹性性变变形形不不同同：外外力力所所做做的的功功没没有有全全部部变变成成内内功功，在在外外力力超超过过材材料料质质点点间间的的相相互互作作用用力力后后，引引起起材材料料部部分分结结构或构造的破坏，造成不可恢复的永久构或构造的破坏，造成不可恢复的永久变变形。形。圣维南固体模型圣维南固体模型上屈服点上屈服点下屈服点下屈服点动摩擦动摩擦静摩擦静摩擦ABOb变形变形塑性变形曲线塑性变形曲线塑性变形塑性变形脆性材料：破坏前无脆性材料：破坏前无显显著著变变形而突然破坏形而突然破坏砖砖瓦、生瓦、生铁铁塑性材料：破坏前有塑性材料：破坏前有显显著塑性著塑性变变形形沥沥青

9、、低碳青、低碳钢钢混混凝凝土土、钢钢筋筋混混凝凝土土：一一种种弹弹、塑塑、粘粘性性混混合合的的材料材料塑性和脆性随温度、含水率、加荷速度而改塑性和脆性随温度、含水率、加荷速度而改变变沥沥青：低温脆性，高温塑性青：低温脆性，高温塑性塑性变形塑性变形屈服屈服强强度度材料由材料由弹弹性行性行为转变为为转变为塑性行塑性行为时为时所承受的所承受的应应力。力。屈服强度屈服强度弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形破坏破坏b二、塑性变形机理二、塑性变形机理亚亚微微观观和微和微观观看，永久看，永久变变形是形是结结构构发发生了流生了流动动流流动动：材料内部：材料内部质质点点调换调换其相其相邻质邻质点的切点的切变过变过

10、程程固体材料的塑性固体材料的塑性变变形形晶体的晶体的塑性流塑性流动动 原子面按照晶体学原子面按照晶体学规规律相互滑律相互滑动动（一）单晶体的塑性流动（一）单晶体的塑性流动1、滑移（主要原因）、滑移（主要原因）晶晶体体的的一一部部分分沿沿着着一一定定晶晶面面（滑滑移移面面）的的一一定定方方向向（滑移方向）相（滑移方向）相对对于晶体的另一部分于晶体的另一部分发发生滑生滑动动。结结果：在晶体表面造成相果：在晶体表面造成相对对位移，形成滑移台位移，形成滑移台阶阶滑移带滑移带滑移台阶滑移台阶滑移线滑移线对对滑滑移移线线的的观观察察也也表表明明了了晶晶体体塑塑性性变变形形的的不不均均匀匀性性，滑滑移移只只

11、是是集集中中发发生生在在一一些些晶晶面面上上，而而滑滑移移带带或或滑滑移移线线之之间间的的晶晶体体层层片片则则未未产产生生变变形形，只只是是彼彼此此之间作相对位移而已。之间作相对位移而已。单晶体的塑性流动单晶体的塑性流动滑滑移移总总是是沿沿着着晶晶体体中中原原子子排排列列密密度度最最大大的的晶晶面面进进行行最密排晶面最密排晶面间间距最大，距最大，结结合力最弱，滑移阻力最小合力最弱，滑移阻力最小发发生滑移的晶面和晶向称生滑移的晶面和晶向称为为滑移面滑移面和和滑移方向滑移方向一个滑移面和一个滑移面和这这个面上的一个滑移方向个面上的一个滑移方向组组成成滑移系滑移系滑移系数量滑移面数滑移系数量滑移面数

12、滑移方向数滑移方向数滑移系越多，滑移的可能性越大，塑性越好。滑移系越多，滑移的可能性越大，塑性越好。温度影响：温度温度影响：温度较较高高时时，滑移系增加。，滑移系增加。滑移与位滑移与位错错运运动动密切相关密切相关位位错错使屈服使屈服强强度降低很多。位度降低很多。位错错运运动动的的结结果果产产生了滑移生了滑移变变形形单晶体的塑性流动单晶体的塑性流动2、孪孪生生晶晶体体的的一一部部分分沿沿着着一一定定晶晶面面（孪孪生生面面）沿沿一一定定方方向向（孪孪生方向）生方向）发发生切生切变变。2、孪孪生生孪孪晶（晶（带带）：）：发发生切生切变变的晶体部分。的晶体部分。每每层层原原子子面面相相对对于于相相邻邻

13、原原子子面面的的移移动动量量相相同同，移移动动距距离离和和离离孪孪生面的距离成正比，且不是原子生面的距离成正比，且不是原子间间距的整数倍。距的整数倍。孪孪生生变变形形部部分分晶晶体体与与未未变变形形部部分分晶晶体体在在孪孪生生面面两两侧侧呈呈镜镜面面对对称。称。产产生生孪孪生生所所需需要要的的切切应应力力一一般般高高于于滑滑移移所所需需，即即是是否否产产生生孪孪生与晶体是否生与晶体是否产产生滑移有关。生滑移有关。孪孪生生变变形形会会引引起起晶晶格格畸畸变变，因因此此产产生生的的塑塑性性变变形形量量不不大（大（10），但速度很快（接近于声速），但速度很快（接近于声速）。孪生与滑移的主要区别孪生与

14、滑移的主要区别1、孪孪生生使使晶晶格格位位向向改改变变，造造成成变变形形晶晶体体与与未未变变形晶体的形晶体的对对称分布；滑移不引起晶格称分布；滑移不引起晶格变变化。化。2、孪孪生生时时原原子子沿沿孪孪生生方方向向的的相相对对位位移移是是原原子子间间距距的的分分数数；滑滑移移时时原原子子在在滑滑移移方方向向的的相相对对位位移移是是原子原子间间距的整数倍。距的整数倍。3、孪孪生生变变形所需切形所需切应应力比滑移大。力比滑移大。孪孪生一般在不易滑移的条件下生一般在不易滑移的条件下发发生。生。4、孪孪生生产产生的塑性生的塑性变变形量比滑移小得多。形量比滑移小得多。孪生与滑移的主要区别孪生与滑移的主要区

15、别（二）多晶体的塑性变形（二）多晶体的塑性变形多多晶晶体体中中存存在在着着大大量量位位向向不不同同的的单单晶晶体体晶晶格格，存存在在大大量量原原子子排排列列不不规规整整的的晶晶界界，因因此此，变变形形复复杂杂得多，但基本得多，但基本变变形机理仍然是滑移和形机理仍然是滑移和孪孪生。生。1、晶粒取向的影响、晶粒取向的影响 晶晶粒粒取取向向对对多多晶晶体体塑塑性性变变形形的的影影响响，主主要要表表现现在在各各晶晶粒变形过程中的相互制约和协调性。粒变形过程中的相互制约和协调性。1、晶粒取向的影响、晶粒取向的影响当当外外力力作作用用于于多多晶晶体体时时，由由于于晶晶体体的的各各向向异异性性，位位向向不不

16、同同的的各各个个晶晶体体所所受受应应力力并并不不一一致致。处处于于有有利利位位向向的的晶晶粒粒首首先先发发生生滑滑移移，处处于于不不利利方方位位的的晶晶粒粒却却还还未未开开始始滑滑移移。但但多多晶晶体体中中每每个个晶晶粒粒都都处处于于其其他他晶晶粒粒包包围围之之中中，它它的的变变形形必必然然与与其其邻邻近近晶晶粒粒相相互互协协调调配配合合，不不然然就就难难以以进进行行变变形形，甚甚至至不不能能保保持持晶晶粒粒之之间间的的连连续续性性，会会造造成成空空隙隙而而导导致致材材料料的的破破裂裂。为为了了使使多多晶晶体体中中各各晶晶粒粒之之间间的的变变形形得得到到相相互互协协调调与与配配合合，每每个个晶

17、晶粒粒不不只只是是在在取取向向最最有有利利的的单单滑滑移移系系上上进进行行滑滑移移，而而必必须须在在几几个个滑滑移移系系其其中中包包括括取取向向并并非有利的滑移系上进行，其形状才能相应地作各种改变。非有利的滑移系上进行，其形状才能相应地作各种改变。1、晶粒取向的影响、晶粒取向的影响理理论论分分析析指指出出，多多晶晶体体塑塑性性变变形形时时要要求求每每个个晶晶粒粒至至少少能能在在5个个独独立立的的滑滑移移系系上上进进行行滑滑移移。可可见见，多多晶晶体体的的塑塑性性变变形形是是通通过过各各晶晶粒粒的的多多系系滑滑移移来来保保证证相相互互间间的的协协调调，即即一一个个多多晶晶体体是是否否能能够够塑塑

18、性性变变形形，决决定定于于它它是是否否具具备备有有5个独立的滑移系个独立的滑移系来满足各晶粒变形时相互协调的要求。来满足各晶粒变形时相互协调的要求。2 2、晶界的影响晶界的影响 晶晶界界上上原原子子排排列列不不规规则则，点点阵阵畸畸变变严严重重，何何况况晶晶界界两两侧侧的的晶晶粒粒取取向向不不同同，滑滑移移方方向向和和滑滑移移面面彼彼此此不不一一致致，因因此此，滑滑移移要要从从一一个个晶晶粒粒直直接接延延续续到到下下一一个个晶晶粒粒是是极极其其困困难难的的，在室温下晶界对滑移具有阻碍效应在室温下晶界对滑移具有阻碍效应。对对多多晶晶体体而而言言，外外加加应应力力必必须须大大至至足足以以激激发发大

19、大量量晶晶粒粒中中的位错源动作，产生滑移，才能觉察到宏观的塑性变形。的位错源动作，产生滑移，才能觉察到宏观的塑性变形。第三节第三节 材料的粘性流动材料的粘性流动粘粘性性流流动动：材材料料在在一一定定的的剪剪切切应应力力下下，以以一一定定的的变变形形速速度度进进行行的的流流动动，但但若若除除去去外外力力，材材料料会会静静止在止在这这个位置上而不能恢复其个位置上而不能恢复其变变形。形。完全粘性体（牛完全粘性体（牛顿顿液体）牛液体）牛顿顿液体模型液体模型l粘性流动粘性流动高高于于玻玻璃璃化化温温度度，原原子子集集团团发发生生持持续续的的热热运运动动，同同时时作作用用应应力力使使局局部部构构型型发发生

20、生偏偏离离，粒粒子子有有选选择择地地调调换换其其近近邻邻的的粒粒子子，以以产产生生适适应应作作用用应应力力的的形形状状变变化。化。粘度粘度正是正是这这种重排的速率和种重排的速率和难难易程度的度量易程度的度量在在高高于于玻玻璃璃化化温温度度并并受受到到相相当当大大的的应应力力作作用用时时，无机玻璃和无机玻璃和热热塑性聚合物会塑性聚合物会发发生生显显著的粘性流著的粘性流动动。非晶非晶态态固体阿累尼固体阿累尼乌乌斯斯Arrhenius方程方程0和和Q取决于材料取决于材料键键合和合和结结构构混凝土材料混凝土材料宾汉宾汉姆模型姆模型y当当 y时，不变形时，不变形当当 y时，发生与应力（时，发生与应力（y

21、）成正成正比的粘性流动比的粘性流动总变形总变形 e V V为常数为常数宾汉姆方程宾汉姆方程acbda牛顿液体牛顿液体b非牛顿液体非牛顿液体c宾汉姆液体宾汉姆液体d一般宾汉姆液体一般宾汉姆液体超流动性的混凝土混合料接近于非牛顿液体；超流动性的混凝土混合料接近于非牛顿液体；一般的混凝土混合料接近于一般宾汉姆体。一般的混凝土混合料接近于一般宾汉姆体。粘粘弹弹性性：在在外外力力作作用用下下，材材料料的的变变形形性性质质介介于于弹弹性性和和粘粘性性材材料料之之间间，即即同同时时表表现现出出弹弹性性和和粘粘性性，应应力力可可以以同同时时与与应应变变和和应应变变率率有有关关，变变形形性性能能强强烈地依烈地依

22、赖赖于温度和外力作用于温度和外力作用时间时间。线线性粘性粘弹弹性理想固体的性理想固体的弹弹性和理想液体的粘性性和理想液体的粘性组组合合非非线线性粘性粘弹弹性性高分子材料高分子材料第四节第四节 材料的粘弹性材料的粘弹性麦克斯韦模型麦克斯韦模型12E麦克斯韦模型麦克斯韦模型当时间当时间t0时，时，故故令令/E，得得即当应变不变时，应力随时间以指数形式衰减（应力松弛）即当应变不变时，应力随时间以指数形式衰减（应力松弛）/E为应力松弛时为应力松弛时间，是麦克斯韦模型间，是麦克斯韦模型的特征时间常数，等的特征时间常数，等于模型的粘性系数于模型的粘性系数和弹性常数和弹性常数E的比值。的比值。说明粘弹性现象

23、必然说明粘弹性现象必然是同时有粘性和弹性是同时有粘性和弹性存在的结果。存在的结果。第五节第五节 材料的蠕变材料的蠕变蠕蠕变变：固固体体材材料料在在恒恒定定应应力力作作用用下下，变变形形随随着着时时间间的的增增长长而而持持续续发发展展的的现现象象，又又叫叫徐变或蠕滑。徐变或蠕滑。所有的材料都可能发生蠕变。所有的材料都可能发生蠕变。T0.4Tm，忽忽略略不不计计（Tm以以绝绝对对温温度度K表表示示的的材料熔点）材料熔点）T0.4Tm，蠕变随应力水平提高而增大。蠕变随应力水平提高而增大。一、蠕变的流变模型一、蠕变的流变模型开尔文模型开尔文模型21E令应力保持常数令应力保持常数0线性粘弹性材料蠕变随时

24、间呈指数型变化线性粘弹性材料蠕变随时间呈指数型变化混凝土材料混凝土材料勃格尔模型勃格尔模型EE二、蠕变曲线二、蠕变曲线第一阶段蠕变第一阶段蠕变第二阶段蠕变第二阶段蠕变第三阶段蠕变第三阶段蠕变ABCDT10.4Tm1t常数常数T20.4Tm2Ottr荷载常数荷载常数二、蠕变曲线二、蠕变曲线1、瞬时弹性变形和瞬时塑性变形、瞬时弹性变形和瞬时塑性变形2、初始蠕变：材料应变硬化，蠕变速率持续降低、初始蠕变：材料应变硬化，蠕变速率持续降低3、稳稳态态蠕蠕变变阶阶段段：应应变变硬硬化化和和热热回回复复（加加热热软软化化），两两者者抵抵消消。曲曲线线近近似似一一直直线线，蠕蠕变变速速率率近近似似为为常常数数

25、，也也叫叫恒恒定蠕变速率阶段。定蠕变速率阶段。4、第第三三阶阶段段蠕蠕变变：裂裂纹纹生生长长形形成成内内部部孔孔洞洞或或出出现现颈颈缩缩，局部应力提高，蠕变速率增高，最终突然破坏。局部应力提高，蠕变速率增高，最终突然破坏。二、蠕变曲线二、蠕变曲线金属、陶瓷和高分子材料类似曲线金属、陶瓷和高分子材料类似曲线1。曲曲线线2：瞬瞬时时变变形形后后蠕蠕变变经经历历了了第第一一阶阶段段，在在较较低低应应力力下下，稳稳态态蠕蠕变变阶阶段段很很短短，甚甚至至趋趋近近于于零零。蠕蠕变变应应变变可可稳稳定定在在一一定水平，通常不会产生大量变形和断裂。定水平，通常不会产生大量变形和断裂。三、蠕变机理三、蠕变机理晶

26、界滑动晶界滑动和和位错位错通过通过攀移攀移越过障碍物的运动。越过障碍物的运动。这两个过程都取决于热激活的原子活动性这两个过程都取决于热激活的原子活动性在在极极低低温温度度下下，原原子子几几乎乎是是固固定定在在晶晶格格中中其其所所在在的的位位置置上上。当当接接近近熔熔点点温温度度时时，原原子子却却在在非非常常快快地相互改变着位置。地相互改变着位置。1、晶界机理、晶界机理2、晶格机理、晶格机理1、晶界机理、晶界机理晶晶界界处处原原子子活活动动性性比比内内部部原原子子大大，行行为为类类似似粘粘滞滞性性的的液液体体。在在中中、高高温温时时的的应应力力作作用用下下，晶晶界界产产生生粘粘滞滞性性流流动动，

27、造造成成晶粒相对移动，晶体材料通过晶界滑动而发生蠕变。晶粒相对移动，晶体材料通过晶界滑动而发生蠕变。控制晶界形变，即多晶体中晶粒相对运动的过程。控制晶界形变，即多晶体中晶粒相对运动的过程。扩扩散散蠕蠕变变：温温度度接接近近熔熔点点时时，在在外外应应力力作作用用下下，晶晶体体中中的的空空位位定定向向扩扩散散引引起起晶晶粒粒沿沿晶晶界界相相对对移移动动或或改改变变了了晶晶粒粒尺尺寸寸，使使晶晶体体材材料料产产生生蠕蠕变变类类似似于于线线性性粘粘性性流流动动（应应变变速速率率正比于应力）正比于应力）扩散蠕变仅仅在温度接近于熔点时才较为重要。扩散蠕变仅仅在温度接近于熔点时才较为重要。2、晶格机理、晶格

28、机理在在较较高高温温度度下下，作作用用在在晶晶体体材材料料上上的的外外应应力力低低于于屈屈服服应应力力时时，经经过过一一段段持持续续荷荷载载，热热激激活活的的原原子子的的活活动动性性能能帮帮助助晶晶体体中中的的位位错错攀攀越越原原不不能能克克服服的的势垒而运动位错攀移势垒而运动位错攀移控制的是与原子或空位扩散以及位错运动相关的过程。控制的是与原子或空位扩散以及位错运动相关的过程。位位错错攀攀移移与与原原子子和和空空位位的的扩扩散散密密切切相相关关对对蠕蠕变变作作用随温度的增加而迅速增加。用随温度的增加而迅速增加。一般认为一般认为应力低，蠕变速率小时，晶界滑动是主要过程。应力低，蠕变速率小时，晶

29、界滑动是主要过程。高应力和高温情况下，位错攀移是主要过程。高应力和高温情况下，位错攀移是主要过程。混凝土的徐变混凝土的徐变t弹性应变弹性应变徐变应变徐变应变弹性回复弹性回复徐变回复徐变回复不可逆徐变不可逆徐变混凝土卸荷混凝土卸荷素混凝土的标准徐变曲线素混凝土的标准徐变曲线四、蠕变影响因素四、蠕变影响因素1、应力、应力外加应力越大，材料的蠕变速率越大。外加应力越大，材料的蠕变速率越大。蠕蠕变变极极限限：在在一一定定温温度度和和规规定定时时间间内内，产产生生一一定定大大小小变变形形的的应应力力，或或在在一一定定时时间间间间隔隔内内产产生生一定变形速率的应力。一定变形速率的应力。长长时时间间工工作作

30、和和蠕蠕变变速速率率极极小小时时，规规定定时时间间内内容容许许的的总变形量总变形量蠕变速率较大时，容许的蠕变速率蠕变速率较大时，容许的蠕变速率四、蠕变影响因素四、蠕变影响因素2、温度、温度温度升高促进蠕变温度升高促进蠕变升高温度将降低扩散激活能，增大扩散速率升高温度将降低扩散激活能，增大扩散速率热能促进了变形过程热能促进了变形过程是蠕变的基本特征。是蠕变的基本特征。一般，熔点越高，抗蠕变能力越强。一般，熔点越高，抗蠕变能力越强。陶瓷材料蠕变温度高，作耐火材料陶瓷材料蠕变温度高，作耐火材料四、蠕变影响因素四、蠕变影响因素3、晶粒尺寸、晶粒尺寸细晶粒晶体比粗晶粒晶体蠕变大细晶粒晶体比粗晶粒晶体蠕变

31、大细细晶晶粒粒晶晶体体内内部部晶晶界界多多，蠕蠕变变时时晶晶界界滑滑动动引引起起的的变变形更大。形更大。晶粒尺寸并非越大越好最佳晶粒尺寸晶粒尺寸并非越大越好最佳晶粒尺寸超过该尺寸，蠕变极限有不同程度的降低。超过该尺寸，蠕变极限有不同程度的降低。四、蠕变影响因素四、蠕变影响因素4、弥散的第二相颗粒、弥散的第二相颗粒熔熔点点高高的的第第二二相相颗颗粒粒可可阻阻碍碍高高温温下下位位错错运运动动的的作用，有利于提高材料的抗蠕变能力。作用，有利于提高材料的抗蠕变能力。颗粒大小颗粒大小太小，位错很容易通过它而在基体中运动太小，位错很容易通过它而在基体中运动太大，位错可在颗粒之间的相当大的空间中通过太大，位

32、错可在颗粒之间的相当大的空间中通过四、蠕变影响因素四、蠕变影响因素5、气孔率、气孔率气孔减小了抵抗蠕变的有效截面积气孔减小了抵抗蠕变的有效截面积蠕变速率随气孔率的增大而提高蠕变速率随气孔率的增大而提高第六节第六节 材料的理论强度材料的理论强度强度是材料最基本的性能。强度是材料最基本的性能。强强度度：材材料料抵抵抗抗由由外外力力所所造造成成的的机机械械破破坏坏的的能能力力，在在力力学学上上表表示示为为材材料料破破坏坏时时所所达达到的极限应力值。到的极限应力值。一、固体材料的结合力和结合能一、固体材料的结合力和结合能1、原子间作用力、原子间作用力任任何何材材料料都都是是由由分分子子、原原子子、离离

33、子子等等微微粒粒所所组组成成，其其相相互互作作用力称键力。用力称键力。离子键结合、共价键结合、金属键结合、范氏力结合离子键结合、共价键结合、金属键结合、范氏力结合金属键金属键（Metallic bonding）化学键化学键（Chemical bonding）主主价键价键primary interatomic bonds共价键共价键（covalent bonding）物理键物理键（physical bonding)，次价键次价键(Secondary bonding)，亦称，亦称Van der Waals bonding氢键氢键（Hydrogen-bonding），介于化学键和范德华力之间），介于

34、化学键和范德华力之间离子键（离子键（Ionic bonding）1）离子键结合）离子键结合特特点点：键键力力强强，无无方方向向性性。其其配配位位数数可可为为4、6或或8，由正负离子电荷、相对尺寸和晶体结构决定。，由正负离子电荷、相对尺寸和晶体结构决定。由由离离子子键键形形成成的的晶晶体体叫叫离离子子晶晶体体多多数数盐盐类类、碱类和金属氧化物碱类和金属氧化物金属原子金属原子 带正电的正离子带正电的正离子非金属原子非金属原子 带负电的负离子带负电的负离子实质实质 e 静电引力静电引力离子键离子键 离子晶体特点离子晶体特点良好的绝缘体良好的绝缘体所所有有电电子子都都受受到到各各个个离离子子的的强强约

35、约束束作作用用，在在离离子子晶晶体体中很难产生能自由运动的电子。中很难产生能自由运动的电子。但但在在熔熔融融态态或或溶溶液液中中，正正负负离离子子在在外外电电场场作作用用下下可可作作定向移动而具有导电性。定向移动而具有导电性。强度大、熔点高、脆性大强度大、熔点高、脆性大正正负负离离子子结结合合较较强强。离离子子键键要要求求正正负负离离子子作作相相间间排排列列，使使异异号号离离子子之之间间吸吸引引力力达达到到最最大大，同同号号离离子子之之间间排排斥斥力力最最小小，所所以以当当受受剪剪力力作作用用产产生生滑滑移移时时，很很容容易易引引起起同号离子相斥而破碎。同号离子相斥而破碎。2）共价键结合）共价

36、键结合实实质质：由由二二个个或或多多个个电电负负性性相相差差不不大大的的原原子子间间通通过过共共用用电电子对而成子对而成非极性：非极性：位于两成键原子中间位于两成键原子中间极性：共用电子对偏于某成键原子极性：共用电子对偏于某成键原子离子键共价键极性键的极限状态离子键共价键极性键的极限状态特点：键力很强，有方向性和饱和性。特点：键力很强，有方向性和饱和性。由由共共价价键键形形成成的的晶晶体体叫叫共共价价晶晶体体亚亚金金属属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料），聚合物和无机非金属材料特点：硬度特别大，熔点高，延展性不好。特点：硬度特别大，熔点高，延展性不好。3）金属键结合）金属键结合

37、典典型型金金属属原原子子结结构构：最最外外层层电电子子数数很很少少，即即价价电电子子极极易易挣挣脱脱原原子子核核之之束束缚缚而而成成为为自自由由电电子子，形形成成电电子子气气。金金属属中中自自由由电电子子与与金金属属正正离离子子之之间间构构成成键合称为金属键。键合称为金属键。特点：键力强，无方向性和饱和性，配位数高。特点：键力强，无方向性和饱和性，配位数高。除亚金属外的金属除亚金属外的金属Sn金属键和共价键金属键和共价键特点：良好导电、导热性能，延展性好，强度高。特点：良好导电、导热性能，延展性好，强度高。4）范氏力结合）范氏力结合实实质质：分分子子的的固固有有电电偶偶极极矩矩之之间间或或瞬瞬

38、时时电电偶偶极极矩矩之之间的相互作用力。间的相互作用力。包包括括：静静电电力力、诱诱导导力力和和色色散散力力，属属物物理理键键，系系次次价价键键，不不如如化化学学键键强强大大，但但能能很很大大程程度度改改变变材材料料性性质。质。特点：键力弱。特点：键力弱。分分子子晶晶体体大大部部分分有有机机化合物、惰性气体化合物、惰性气体特点：熔点、硬度低。特点：熔点、硬度低。2、固体的结合力和结合能、固体的结合力和结合能1）结合力）结合力典典型型的的粒粒子子间间相相互互作作用用力力是是电电子子的的负负电电荷荷与与原原子子核核的的正电荷之间的静电引力。正电荷之间的静电引力。包括一个长程吸引力和一个短程排斥力包

39、括一个长程吸引力和一个短程排斥力r两原子中心间距；两原子中心间距；A、B常数；常数；n引力系数；引力系数；m斥力系数。斥力系数。斥力斥力引力引力f1f2rFr0F：键力曲线：键力曲线r0：原子的平衡距离：原子的平衡距离rr0：原原子子间间作作用用力力为为零零，即引力等于斥力；即引力等于斥力；rr0：压压缩缩，斥斥力力超超过过引引力力，合合力力的的绝绝对对值值随随r的的减减小而迅速增大；小而迅速增大；rr0：拉拉伸伸，引引力力超超过过斥斥力力，合合力力先先随随r的的增增加加而而增增大大，达达到到最最大大值值后后又又随随r的的增加而逐渐减小到零。增加而逐渐减小到零。2）结合能）结合能原子间的相互作

40、用力，还可用原子间的相互作用力，还可用互作用势能互作用势能表示。表示。dvFdrdv互作用势能（结合能）变化量；互作用势能（结合能）变化量；dr两原子间距变化量；两原子间距变化量；从平衡点从平衡点r0出发，出发，F与与dr的方向总是相反的。的方向总是相反的。当当rr0时，时，互作用势能（结合能）最小：互作用势能（结合能）最小：积分得：积分得：假假设设一一对对原原子子相相距距无无穷穷远远时时互互作作用用势势能能为为零零（约约几几千千nm）。）。原原子子间间距距减减小小时时，引引力力作作正正功功，势势能能降降低低；斥斥力力作作负功，势能增加。负功，势能增加。势能势能rr0V0互作用势能与原子间距关

41、系示意图互作用势能与原子间距关系示意图惰性气体的结合最弱惰性气体的结合最弱碱金属的结合为中等强度碱金属的结合为中等强度过渡族金属、共价键结合的碳结合极强过渡族金属、共价键结合的碳结合极强离子晶体的结合最强离子晶体的结合最强二、理论抗拉强度二、理论抗拉强度键键力力曲曲线线，当当r增增至至一一定定值值时时，键键力力曲曲线线达达到到峰峰值值Fmax，即即引引力力最最大大，若若外外力力继继续续增增大大，键键力力就就急急剧剧下下降降，不不足足以以抵抵抗抗外外力力，r也急剧增大，晶体趋于断裂。也急剧增大，晶体趋于断裂。Fmax就就称称为为晶晶体体材材料料的的最最大大抵抵抗抗力力，所所对对应应的的应应力力m

42、ax称称为为晶晶体体材材料料的的理理论论抗抗拉拉强强度（理论断裂强度）。度（理论断裂强度）。将键力曲线简化为正弦曲线，横坐标将键力曲线简化为正弦曲线，横坐标x为原子间距变化，为原子间距变化，为波长。为波长。Frr0Fmaxxmax材材料料断断裂裂的的实实质质就就是是应应力力作作功功产产生生的的弹弹性性能转换为新断面的表面能能转换为新断面的表面能。积分得：积分得：杨氏弹性模量：杨氏弹性模量：得：得：晶体的杨氏模量各向异性，因此理论强度随外力对晶轴的取晶体的杨氏模量各向异性，因此理论强度随外力对晶轴的取向不同而变化。向不同而变化。三、理论剪切强度三、理论剪切强度G剪切弹性模量；剪切弹性模量；b 滑

43、移向的原子中心间距；滑移向的原子中心间距；h滑移面的面间距；滑移面的面间距；max理论抗剪强度（滑移向的屈服强度）。理论抗剪强度（滑移向的屈服强度）。对金属晶体、离子晶体和分子晶体对金属晶体、离子晶体和分子晶体四、理论强度与高强材料四、理论强度与高强材料具具有有最最大大破破坏坏强强度度的的材材料料，杨杨氏氏模模量量E要要高高，表表面面能能要要大大，原原子子间距间距r0要小。要小。具具有有最最大大抗抗剪剪强强度度的的材材料料，剪剪切切弹弹性性模模量量G要要高高，原原子子密密度度要要小小（b大大），相相邻邻原原子子面面间间距距要要小小（h小）小）。通通常常max小小于于max，因因此此许许多多晶晶

44、体体材材料料的的最最大大强强度度取取决决于于剪切强度剪切强度。屈服比：屈服比：max/maxmax/max 1/10塑塑性性，断断裂裂前前有有显显著著的的塑塑性性流流动动金属金属max/max 1共共价价晶晶体体、离离子子晶晶体体断断裂裂前前变变形小形小高强材料：高强材料：max与与max均较大均较大要要求求：高高弹弹性性模模量量，原原子子间间具具有有定定向向性性，键键长长短短，原原子子半半径径小小，原原子子价价位位高高，以以形形成成坚坚固固的的三三维维网网状键结构。状键结构。Be、B、C、N、O、Al、Si化化学学结结构构分分析析：r0小小较较轻轻的的元元素素；定定向向键键非非密密堆堆积积的

45、的结结晶晶结结构构，密密度度低低；弹弹性性模模量量高高结结合合能能大大，熔熔点点高高，热热膨膨胀胀系系数数小小。因因此此，最最强强的的固固体体材材料料将将具具有有弹弹性性模模量量高高，密密度度低低，熔熔点点高高及及热热膨膨胀胀系系数数小小等性质。等性质。第七节第七节 材料的实际强度材料的实际强度一、材料的实际强度一、材料的实际强度任何实际材料内部都会存在杂质和缺陷。任何实际材料内部都会存在杂质和缺陷。玻玻璃璃断断裂裂理理论论Griffith完完全全脆脆性性的的材材料料在在形形成成过过程程中中，内内部部有有微微裂裂缝缝形形成成。材材料料在在受受到到外外力时在裂纹附近产生应力集中现象；力时在裂纹附

46、近产生应力集中现象；f为断裂拉应力，为断裂拉应力，E为杨氏弹性模量，为杨氏弹性模量，是单位面积的表面自由能，是单位面积的表面自由能，C为裂缝临为裂缝临界宽度的一半。界宽度的一半。1102m数量级的裂缝在各种实际材料中均能发现。数量级的裂缝在各种实际材料中均能发现。材料的实际强度远低于理论强度材料的实际强度远低于理论强度二、外力作用方向与材料强度二、外力作用方向与材料强度材材料料的的强强度度通通常常用用静静力力破破坏坏性性试试验验来来确确定定，试试件破坏件破坏时时的极限的极限应应力力值值即即强强度。度。受力受力抗拉、抗抗拉、抗压压、抗弯、抗剪、抗弯、抗剪强强度度1、抗拉、抗拉强强度度R拉拉材料的

47、抗拉强度，材料的抗拉强度，MPa；P 试件破坏时的最大荷载，试件破坏时的最大荷载，N；A试件受拉面积，试件受拉面积，mm2。PP混混凝凝土土固固定定试试件件困困难难，很很少少进进行行直直接接抗抗拉拉试试验验，多采用立方体或圆柱体劈裂抗拉试验测定。多采用立方体或圆柱体劈裂抗拉试验测定。R劈拉劈拉混凝土劈裂抗拉强度，混凝土劈裂抗拉强度，MPa；P 试件破坏时的最大荷载，试件破坏时的最大荷载，N；A试件劈裂面面积，试件劈裂面面积，mm2。PP上压板上压板下压板下压板垫条垫条垫条垫条垫层垫层垫层垫层试件试件2、抗、抗压压强强度度R压压材料的抗压强度，材料的抗压强度，MPa；P 试件破坏时的最大荷载，试

48、件破坏时的最大荷载，N；A试件承压面积，试件承压面积，mm2。150mm立方体立方体试试 件件PP100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系小于立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系小于C50的混的混凝土，修正系数凝土，修正系数m m=0.95。随混凝土强度的提高，修正系数随混凝土强度的提高，修正系数m m 值有所值有所降低。当降低。当fcu100=100N/mm2时，换算系数时，换算系数m m 约为约为0.9。轴心抗压强度轴心抗压强度轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽

49、比一接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为般为h/b=34，我国通常取我国通常取150mm150mm450mm的棱柱的棱柱体试件，也常用体试件，也常用100100300试件。试件。立方抗压与轴心抗压强度的关系立方抗压与轴心抗压强度的关系对于同一混凝土，对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。3、抗弯、抗弯强强度度R弯弯材料的抗弯强度，材料的抗弯强度，MPa；P 试件破坏时的最大荷载，试件破坏时的最大荷载，N；L试件跨度，即两支点间距，试件跨度，即两支点间距，mm；b试件截面宽度，试件截面宽度，mm；h试件截面高度，试件截面高度，mm。1

50、50mm150mm600(550)mm棱柱体试件棱柱体试件PL中央集中加荷中央集中加荷三等分点加荷三等分点加荷PL/3L/3L/34、抗剪、抗剪强强度度R剪剪材料的抗剪强度，材料的抗剪强度，MPa；P 试件破坏时的最大荷载，试件破坏时的最大荷载，N；A剪切破坏面积，剪切破坏面积，mm2。PP为为得得到到可可靠靠的的强强度度指指标标，必必须须严严格格遵遵守守规规定定的的材材料试验标准进行试验。料试验标准进行试验。材材料料强强度度主主要要取取决决于于材材料料本本身身的的组组成成、结结构构和和构构造。造。还还会会因因孔孔隙隙率率、构构造造特特征征、试试验验条条件件（试试件件尺尺寸寸、形形状状、含含水