【現(xiàn)代實驗力學(xué)課件】第1章：概 述

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1、,第一章：概 述,1.1 力學(xué)與材料和工程結(jié)構(gòu)的關(guān)系,材料,力學(xué),工程結(jié)構(gòu),連續(xù)介質(zhì)/ 細觀/微觀/納觀,宏觀,1.2 材料的分類、形態(tài)及其性能,材料,工程材料,功能材料,材料形態(tài),液態(tài),固態(tài),氣態(tài),金屬材料 高分子材料 陶瓷材料 復(fù)合材料,原子、離子或分子等粒子是組成物質(zhì)材料的最基本單元。粒子間的作用力和熱運動決定了物質(zhì)材料的狀態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)）及其力學(xué)行為。當物質(zhì)材料處于氣態(tài)時，其粒子的動能遠遠超過了勢能。當物質(zhì)材料處于液態(tài)時，其粒子的熱運動變慢，相互間的距離也變近，雖然粒子不能保持長距離有序排列，但相互間的引力還能保證其不至于分開。當物質(zhì)材料處于固態(tài)時，其粒子間的距離很近，相互作用的

2、勢能遠大于動能，如果沒有外加條件，這些粒子的排列很難改變。,1.3 固態(tài)原子的結(jié)合鍵,晶體：晶體中的原子可以在三維空間呈有規(guī)則的周期性排列，其特點是原子排列的距離遠遠大于原子尺度，貫穿晶體的整個體積，稱為長程有序。大多數(shù)工程材料屬于晶體材料，如金屬材料。,非晶體：非晶體中的原子只能在幾個原子尺度的小范圍內(nèi)作有規(guī)則的排序，稱為短程有序。如玻璃。,一 基本概念,原子間的結(jié)合能材料抗力的微觀解釋,為什么材料能夠抵抗外力? 為什么材料具有導(dǎo)電或絕緣的特性? 為什么材料能夠?qū)?,圖1-1 兩原子間的作用力f隨原子間距a的變化示意圖， 1. 吸引力; 2. 排斥力; 3. 合力,圖1-2 兩原子間的相互

3、作用能f隨原子間距a的變化示意圖,金屬材料的彈性變形來源于其原子間的相互作用力-吸引力和排斥力。當兩個原子相互接近時，原子核沒有變化，只有原子的外部電子會重新排布，可能失去電子， 也可能得到電子，因而，引起原子間的相互作用-吸引或排斥。吸引力源于異性電荷間的庫倫引力，并隨原子間距的減小而迅速增大；排斥力則主要產(chǎn)生于同性電荷之間的庫倫斥力和電子云重疊所引起的斥力。與引力相似，原子間的距離越小，其排斥力越大。但是，當兩原子進一步接近時，使電子動能增加，從而使排斥力的增長速度大于吸引力。 圖1-1是兩原子間的吸引力(曲線1)、排斥力(曲線2)以及合力(曲線3)隨原子間距的變化示意圖。當兩原子間的引力

4、與斥力相平衡時，原子間相互作用的勢能達到最低值F0,即原子間的結(jié)合能(見圖1-2)，從而決定了兩原子之間處于力平衡時的距離a=a0。當有某種外力使原子間的距離改變時，原來的平衡就被破壞，并在外力、引力斥力之間建立起新的平衡位置，原子又穩(wěn)定在新的平衡距離上，從而金屬產(chǎn)生了變形。,1 引力； 2 排斥力； 3 合力,假設(shè)原子在外力F的作用下相對于其平衡位置的間距位移為u, 外力F與作用能F(u)之間滿足下列關(guān)系： dF=Fdu(1-1) 假設(shè)函數(shù)F(u)是連續(xù)函數(shù)，并假設(shè)是小位移（ua0） 將其在 u=0 處(即a=a0)用泰勒級數(shù)展開，注意 （dF/du ）u=0=0, 忽略三次以上無窮小， 得

5、到： F(u)= F0 + （1/2）u2(d2 F/du2)u=0 F(1-2) 代入式（1-1）可得： F = u(d2 F/du2)u=0(1-3) 函數(shù)F(u)在u=0處的二階導(dǎo)數(shù)(d2 F/du2)u=0是其在該點的曲率，與u無關(guān)，而且是一個常數(shù)。因而， 當小位移變形時外力與原子間的相對位移有下列關(guān)系式： F = ku(1-4) 其中常數(shù) k=(d2 F/du2)u=0，這就是我們常見到的力-位移的胡克定律。當然，雙原子模型給出的簡單分析是近似的，實際材料的原子排列比較復(fù)雜。,u,三. 原子結(jié)合鍵的類型,金屬鍵 共價鍵 離子鍵 分子鍵(范德瓦爾鍵),1. 金屬鍵,圖1-3 金屬鍵:

6、(a)原子在沒有外力作用正常堆積時的金屬鍵及其電子云; (b) 金屬變形時的金屬鍵(方向變化但未破壞).,金屬原子最外層價電子與原子核的聯(lián)系微弱,在相鄰原子核電場的作用下, 原子很容易失去外層電子而成為正離子, 而離開原子的外層電子則形成圍繞離子的電子云, 如圖1-3(a)所示. 脫離原子的價電子, 此時不再受某一個特定正離子的約束, 在電子云中自由運動, 成為與若干個正離子相吸引的電子. 通過正離子與電子之間的相互吸引,使得所有的離子結(jié)合在一起, 這種結(jié)合力就是金屬鍵 .,(1) 無方向性,塑性好(金屬鍵的方向隨材料變形而改變); (2) 導(dǎo)電性好(電子云中價電子容易發(fā)生運動); (3) 導(dǎo)

7、熱性好(加熱時正離子震動加劇并傳遞熱量).,特點,2. 共價鍵,圖1-4 硅的共價鍵: ( a) 4價硅云子; (b) 硅的四個共價鍵.,圖1-4 硅的四面體和鍵角.,處在周期表中間位置的具有三.四.五個價電子的元素, 它們獲得和丟失電子的機會相近, 原子可能獲得電子變?yōu)樨撾x子, 也可能失去電子變?yōu)檎x子. 當同種原子或相鄰近的原子共同占有其部分價電子時,會使每個原子的最外層電子處于滿殼層狀態(tài). 被公用的價電子同時屬于兩個相鄰原子, 價電子就在這兩個相鄰原子核之間運動, 形成一個負電荷較集中的地區(qū), 并對帶正電荷的原子核產(chǎn)生吸引力. 這種由共價電子對形成的結(jié)合鍵叫共價鍵.,共享電子,具有方向性

8、; (2) 結(jié)合力強; (3) 硬而脆, 塑性差(變形時彈性極小,結(jié)合鍵必受破壞，如共價鍵陶瓷材料).,特點:,3. 離子鍵,圖1-6 NaCl 的離子鍵,當一種材料含有 A和B兩種原子時, 如果A原子將它的價電子貢獻給B原子, A原子外層電子在空出后具有滿殼電子數(shù), B原子亦被填滿時, 則A變?yōu)檎x子, B變?yōu)樨撾x子,由于正負離子的吸引而產(chǎn)生了離子鍵. 離子鍵使得A和B兩原子結(jié)合在一起.,材料脆性大變形時離子之間將失去電的平衡作用, 離子鍵破壞; 在常溫固態(tài)時導(dǎo)電性很差; 在熔融狀態(tài)易于導(dǎo)電離子容易運動.,特點:,4. 分子鍵,原子狀態(tài)已經(jīng)形成穩(wěn)定電子殼層的惰性氣體元素,在低溫下可以結(jié)合成固

9、體,并在其結(jié)合過程中沒有電子的得失-共有-或公有化, 原子或分子間的結(jié)合力是很弱的, 這種存在于中性原子或分子間微弱的結(jié)合力成為分子鍵. 如聚合物高分子材料的結(jié)合鍵,分子鍵的結(jié)合力較弱, 在外力作用下,鍵容易破壞平衡, 導(dǎo)致分子鍵的滑動, 致使材料產(chǎn)生很大塑性變形.,鍵的結(jié)合強度低; 塑性好.,特點:,不同結(jié)合鍵能及其材料的特性,陶瓷材料的結(jié)合建,離子鍵和共價鍵是陶瓷材料的主要結(jié)合建，但通常多為兩者的混合建。 對于一價、兩價等低價金屬氧化物，離子鍵比例大于共價鍵。如：MgO，84%：16%。 對于三價、四價氧化物、氮化物、碳化物，如：SiO2,SiC,Si3N4,Al2O3等，離子鍵比例小于或

10、者約等于共價鍵。SiC: 18%:82%.,特點：鍵能高，高熔點、高硬度、耐腐蝕、塑性極差等,思考題,材料有幾種形態(tài)? 工程材料主要有哪幾類? 為什么金屬材料導(dǎo)電性好? 材料原子結(jié)合鍵共有幾種? 主要區(qū)別在那里? 舉例說明為什么陶瓷材料硬而脆？其鍵合形式是什么？ 參考書：工程材料及應(yīng)用，周風云 主編， 華中理工大學(xué)出版社，1999，定價：19.8元 工程材料的力學(xué)性能，姜偉之 等編著， 北京航空航天大學(xué)出版社， 2000， 定價：23元,1-1 材料通常呈現(xiàn)哪幾種狀態(tài)？當材料處于氣態(tài)時，組成材料的粒子間的動能和勢能哪個大？當材料處于固態(tài)時呢？ 1-2 舉例說明什么叫晶體和非晶體？ 1-3 為什么材料在小變形時應(yīng)力與應(yīng)變呈現(xiàn)近似線性關(guān)系？ 1-4 材料原子結(jié)合鍵的類型有那些? 金屬鍵有什么特點? 1-5,材料的力學(xué)行為總復(fù)習(xí)第一章,舉例說明為什么陶瓷材料硬而脆？其鍵合形式是什么？,云母原子排列示意圖,納米多晶銅原子排列示意圖,Lu, Sui & Lu, Science, 2000, 287:1463-1466,納米晶粒銅力學(xué)和電學(xué)性質(zhì),Lu, Shen, et al. Science, 2004, 304: 422-426,