新型材料力學總結.doc

新型材料力學總結作者：18樓小豆五提交日期：2008-1-1014:32:00新型材料力學總結上交一個報告這樣的考察方式的確是一個很好的想法，一來沒有考試上的壓力，二來可以自由發(fā)揮總結一下自己的心得體會。借上交新型材料力學報告的機會，我對材料的各個方面進行一番大概的概念上的了解，主要是參考一些概論性質的書籍，從中得到一些最基本的概念。不僅材料的性質有許多方面的內(nèi)容，單是其力學性能也包括各個方面的影響因素。有宏觀的、微觀的、細觀的、納觀的，物理的、化學的、量子的考慮，有材料的組分、制備工藝、后處理、使用環(huán)境等的考慮。用于處理微觀尺度的最基本的模型，材料的原子結構起了明顯作用，主要用于凝聚態(tài)物理和量子化學。用于處理微米尺度的連續(xù)介質模型，在比較唯象的層次上進行分析時，不需要跟蹤個別原子的位置，只需進行局部平均處理，且假定從原子尺度觀察這些量時其變化極其緩慢。在宏觀尺度上材料的總體性質作為制造、使用過程的定量模型，用于材料性質的最優(yōu)化和由原材料變?yōu)橛杏弥破返恼麄€加工過程的最優(yōu)化。我將分別從這些角度對影響材料力學性能的各個方面的相關內(nèi)容進行一些粗淺的小結，以期獲得一些最基本的常識，為今后更進一步的理解打下一個初步的基礎。材料的結構材料的結構指的是材料的組成單元（原子或分子）之間互相吸引和互相排斥作用達到平衡時的空間分布，從宏觀到微觀可分為不同的層次，即宏觀組織結構、顯微組織結構、微觀結構。宏觀組織結構是用肉眼或放大鏡觀察到的晶粒、相的集合狀態(tài)。顯微組織結構或稱為亞微觀結構是借助光學顯微鏡、電子顯微鏡可觀察到的晶粒、相的集合狀態(tài)或材料內(nèi)部的微區(qū)結構，其尺寸約為10-7-10-4m。比顯微組織結構更細的一層結構即微觀結構包括原子及分子結構以及原子和分子的排列結構。因為一般的分子尺寸很小，故把分子結構排列列為微觀結構。但對于高分子化合物，大分子本身的尺寸可達到亞微觀的范圍?；瘜W鍵在材料的組成單元中，各個原子通過化學鍵結合在一起組成固體材料。各類材料，當鍵和方式不同，如為離子鍵、共價鍵、金屬鍵或氫鍵時，便具有不同的結構和性質。因此，金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料的差異本質上是由不同的元素、以不同的鍵和方式造成的。幾乎所有的元素都能以一定的方式結合構成物質。同一種或不同種類的原子通過化學鍵（離子鍵、共價鍵、金屬鍵或氫鍵）結合在一起構成物質的分子。實際上，有的材料并不是由單純的一種鍵構成的，可同時兼有幾種鍵，如許多無機非金屬材料的鍵性就是混雜型的，大多是離子鍵、共價鍵及金屬鍵相互的雜交。下面介紹這幾種鍵型。金屬鍵金屬原子形成金屬晶體時，每個原子都提供少數(shù)價電子，作為自由電子，共用于整個晶體，這種自由電子構成金屬鍵，把各個原子吸引在一起，成為金屬晶體，其特點是具有鍵的作用的電子并不固定在一定的原子上，而是多少可以在金屬格子（有陽離子排成的有序晶格）之間自由活動。格子由離子化了的金屬原子構成，電子就起到將它們結合成鍵的作用。這種鍵具有無方向性的球對稱性質。金屬的高導電率和高導熱率都是由于金屬中自由電子運動的結果。此外，自由電子能夠吸收所有波長的能量，從而也解釋了金屬對光的非透明性；而這一吸收能量的輻射，又同樣解釋了金屬表面的高反射性。離子鍵離子鍵是由原子釋放出最外層的電子變成帶正電荷的陽離子，同時能夠接受其放出的電子的原子變成帶負電荷的陰離子相互之間作用的吸引力（庫侖力）所形成的一種鍵合。這個引力同鄰近的所有其他原子都相互發(fā)生作用構成一個整體。離子鍵是化學鍵中最簡單的類型，因為在本質上，它完全可以歸結為靜電力。一般由于形成離子鍵的靜電力來自于離子的過剩電荷，晶體中離子的電子云密度分布應該是對稱的，通常不應該產(chǎn)生變形。因此離子鍵具有飽和性和無定向性的特點，這也是離子化合物具有配位數(shù)高、堆積致密的一個重要原因。共價鍵共價鍵是由兩個原子共用最外殼層電子的鍵合。這時參與鍵合的兩個原子相應軌道上的電子（各有一個）的自旋方向必須是相反的。其強度隨著參與鍵合的電子數(shù)的增多而增強。共價鍵最簡單的形式是單價共價鍵，出現(xiàn)在H2分子中。另一些元素組成的分子如N2，O2等也可以和H2形成共價鍵。另外一類共價鍵稱為配位共價鍵，其特點是形成的共享電子對全由一個原子提供。所有的非金屬原子，除了惰性氣體外，一般都傾向于形成共價鍵。共價鍵形成時，由于能量上的原因，總是會選擇在合適的方向上成鍵，這就是共價鍵具有方向性的原因。此外，由于共價鍵來源于電子共享，因此原子形成共價鍵的數(shù)目必然要受到其電子結構的限制，這就是共價鍵具有飽和性的原因。由于共價鍵的上述本質，使得典型的共價鍵晶體總是具有很高的熔點和硬度、具有良好的光學特性和不良的導電性。氫鍵氫鍵是氫原子在分子中與一個原子A鍵合時，還能形成與另一個原子B的附加鍵，是一類比較弱的鍵，但它比范德華鍵要強。氫鍵發(fā)生于某些含有氫與高負電性原子如O、N、F等共價鍵合的極性分子之間。氫鍵的產(chǎn)生主要是由于氫與電負性高的A原子形成共價鍵時，共有電子對（電荷中心）向A原子強烈偏移，這樣氫原子幾乎變成一個半徑很小的帶正電的核，因此這個氫原子還可以和另一個分子中高電負性的B原子吸引形成附加鍵。范德華鍵原子可以看成一個很小的偶極子。雖然對于平均時間來說，原子中電子的空間分布對原子核是對稱的。但某一瞬間，整個原子正負電荷中心可能不重合，從而形成小的偶極子。這些小的偶極子之間的相互作用造成的引力，就是范德華力。范德華健是永遠存在于分子間或分子內(nèi)非鍵結合的力，是一種相互吸引的力。不過，這類鍵一般很弱，只有不存在其他鍵時，它才顯示出來。多種鍵型在一般多元化合物中，它們總是具有幾種鍵型。眾所周知，絕大多數(shù)的有機化合物，其分子的原子之間由共價鍵連接，而分子之間靠范德華力聯(lián)系。在有機酸的金屬鹽結構中還引入了離子鍵。若原來分子中含有氫鍵，則是一個同時具備四種鍵型的復雜結構。晶體結構所謂晶體指原子或原子團、離子或分子按一定規(guī)律呈周期性地排列構成的物質，即從內(nèi)部結構原子（原子團）或分子排列的特征來看，晶體結構的基本特征是原子或分子在三維空間呈周期性的規(guī)則而有序地排列，即存在長程的幾何有序。固體也可能只有一塊結構均勻的大晶體構成，稱為單晶。單晶體是各向異性的均勻物體，具有一定的熔點，生長良好時呈現(xiàn)規(guī)則的外形。晶體的宏觀形貌可以是一維、二維的或者三維的。生長良好的晶體外形通常呈現(xiàn)某種對稱性。對稱性是自然界許多事物的基本屬性之一，晶體外形的宏觀對稱性是其內(nèi)部晶體結構微觀對稱性的表現(xiàn)，它與晶體的性能有深刻的內(nèi)在聯(lián)系。如果將每一個可重復的單位用一個點來表示，就能形成一個有規(guī)則的三維點陣，稱為空間點陣?？臻g點陣中的任何一點總是和點陣中其他點有相同的周圍環(huán)境。所提到的原子團，在實際晶體中可能是一個原子，也可能有很多原子組成，像某些有機分子晶體那樣。按晶格的邊長、晶軸相交的角度等可將晶體分為幾大類：立方晶系、正方晶系、三方晶系、斜方晶系、單斜晶系、三斜晶系、六方晶系。許多固體會以多晶形式存在，如常見的金屬及其合金、大多數(shù)陶瓷和礦物等均屬于多晶體。多晶體是許多單晶組成的聚集體，即由許多取向不同的晶粒組成。在多晶體中，兩個晶粒相遇時所產(chǎn)生的界面，成為晶界。晶粒和晶界是多晶材料中一個十分重要的結構因素。多晶材料的晶粒大小相差極為懸殊。就其粒徑而言可小至微米甚至納米，大到厘米。當原子或分子結合成固體時，它們可能形成晶體，也可能形成非晶體。一般，大多數(shù)金屬屬于晶體，陶瓷屬于單晶或多晶體，玻璃、某些高分子化合物則屬于非晶體。不具有明顯晶體結構的狀態(tài)統(tǒng)稱為無定形結構或非晶質。金屬材料的結構金屬材料一般都是晶體，由于金屬鍵無方向性，因而其能量最低的結構是每個原子的周圍都有盡可能多的相鄰原子。一個原子最鄰近的、等距離的原子數(shù)稱為配位數(shù)。金屬結構的配位數(shù)高，結構緊密。若將原子視作為均勻的小球，它們組成緊密堆積結構。金屬的晶體結構隨溫度變化會發(fā)生變體轉變。金屬的晶體結構大部分屬于以下幾種：體心立方結構BCC，在立方晶格的中心具有原子的結構成為體心立方結構；面心立方結構FCC，在立方晶格的六個面上各有一個原子的結構稱為面心立方結構；緊密堆積六方結構，是在六方晶格的內(nèi)部具有三個原子的結構；金剛石型結構，比較復雜。金屬材料也可以看作是由晶體的聚集體構成的。對純金屬一般認為是微細晶粒的聚集體；對合金可看作母相金屬原子的晶體與加入的合金晶體等聚合而成的聚集體。晶粒間的結合力要比晶粒內(nèi)部的結合力要小。軟鋼、銅、金、鋁等之所以能夠承受較大的塑性變形，是由于在發(fā)生滑移變形的同時，原子相互間的位置依次錯開又形成了新的鍵，從整體看，是由于原子間的鍵難于斷開的緣故。晶粒晶界上的結合是機械結合，即金屬由高溫熔體凝固析晶時，相互嚙合牢固地結合在一起。晶粒間的接觸面越大，結合力也越大。無機非金屬的結構無機非金屬的結構可分為以下幾種：金剛石型結構各原子間相互以共價鍵結合，四個鍵相互呈109度、280度角度伸向正四面體的頂點。鍵的強度很大，如金剛石、硅、Ge等。硅酸鹽結構這是陶瓷的主要結構，其結構特征是硅總是位于由四個氧離子組成的四面體中心，構成SO4-4四面體。在硅氧四面體之間由通過共頂點的氧以不同形式相互連接，形成島狀、鏈狀、層狀、立體網(wǎng)絡狀等不同結構的硅酸鹽。玻璃結構無機玻璃可以看成是處在過冷狀態(tài)的一種粘度極高的液體，整個結構不具有晶體的規(guī)則排列。玻璃的結構特點是原子排列近程較有序，遠程無序?？杀憩F(xiàn)出各種模式，鍵型有共價鍵和離子鍵。晶體結構的缺陷對晶體結構描述時認為整個晶體都具有規(guī)則排列。而實際上，晶體中原子總是在平衡位置附近進行熱振動。晶體中又包含著種種缺陷（如點缺陷、線缺陷、面缺陷）造成結構的不完整性。也就是說，極大多數(shù)晶體都有大量的與理想原子排列的輕度偏離存在，這類不完整性依據(jù)其幾何形狀分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。結構的不完整性會對晶體的性能造成重大的影響。點缺陷理想晶體中的一些原子被外界原子所代替，或者在晶格間隙中摻入原子，或者留有原子空位，破壞了有規(guī)則的周期性排列，引起質點間勢場的畸變，這樣造成晶體結構的不完整僅僅是局限在原子位置，稱作點缺陷。一般可分為：結構位置缺陷，如空位和間隙原子；組成缺陷，如雜質原子；電荷缺陷。線缺陷實際晶體在結晶時受到雜質、溫度變化或者振動產(chǎn)生的應力作用，或由于晶體受到打擊、切削、研磨等機械應力的作用，使晶體內(nèi)部質點排列變形，原子行列間相互滑移，而不再符合理想晶格的有序的排列，形成線狀的缺陷，習慣上也稱為位錯。位錯又分為刃位錯和螺旋位錯。面缺陷固體從蒸汽、溶液或熔體中結晶出來時，只有在一定條件下，例如有籽晶存在時，才能形成單晶體。大多數(shù)固體是多晶體，因為許多地點有晶核產(chǎn)生。多晶體是由于許多結合得并不是分嚴密的微小晶粒構成的聚集體。每個單獨的晶粒都是單晶體，在一個晶粒內(nèi)，給定的一組原子面在空間具有相同的位相，但其相鄰的晶粒具有不同的結晶學位相。這些晶粒的粒和粒之間不是公共面，而是公共棱。原子面從一個晶粒到相鄰的晶粒是不連續(xù)的。很明顯，這樣的構造就是一種面缺陷。材料的性能具體來說，材料的化學性質：對金屬來說有，化學組成、微觀結構、相結構、晶體尺寸、耐腐蝕性、雜質含量等；對聚合物來說有，化學組成及其分布、結晶度、分子量以及其分布、立體結構、耐腐蝕性；對陶瓷來說，化學組成、顆粒尺寸及其分布、晶體結構、孔隙度、耐腐蝕性。材料的物理性質：有熔點、顏色、熱性質、電性質、磁性質、光學性質、重力性質等。材料的力學性質：拉伸性、韌性、塑性、耐疲勞性、硬度、蠕變性、延伸性、抗沖擊性、壓縮性、模量、硬度等。材料的力學性能評價一種材料和結構的力學性能無非主要是從以下三方面入手：強度、剛度、穩(wěn)定性。強度指的是材料抵抗破壞的能力，在實際中具體體現(xiàn)在應力分析上，更進一步的分析是彈塑性極限分析，考慮了材料的塑性以后，可提高材料的許用應力。疲勞與斷裂也屬于強度問題。疲勞問題主要出現(xiàn)在具有較高塑性的材料中，斷裂在微觀上是由于原子間或分子間的鍵斷開而引起的，在宏觀上是由于結構中裂紋的擴展，使得結構中出現(xiàn)的最大應力高于結構材料的破壞極限而引起斷裂，斷裂韌性用應力強度因子來表征。還有沖擊強度問題，可以用應力波的一套理論來解釋。剛度指的是材料抵抗變形的能力，在實際中具體體現(xiàn)在變形分析上。穩(wěn)定性指的是結構抵抗外來擾動的能力。特別是梁、板、殼在壓縮載荷下的穩(wěn)定性問題，穩(wěn)定性問題也有不同的理論來解釋，如薄殼的穩(wěn)定性就有彈性穩(wěn)定性理論和塑性穩(wěn)定性理論之分，彈性穩(wěn)定性理論又有非線性大撓度理論、前屈曲一致理論、初始后屈曲理論等。穩(wěn)定性的另一方面是振動分析，結構的固有頻率、模態(tài)以及結構的動力相應。對結構固有頻率的分析是為了避免外力的頻率接近結構的固有頻率而引起共振破壞。穩(wěn)定性問題是結構分析與設計是極為重要的一個問題。材料的電學性能介電鐵電陶瓷陶瓷材料在電場作用下，其中電子、離子和空穴等帶電粒子產(chǎn)生移動，并產(chǎn)生電流者為導體和半導體；而荷電粒子被束縛在固定位置上，僅發(fā)生微小位移，即形成電極化而不產(chǎn)生電流者為絕緣體。荷電粒子在電場下作微小位移的性質即稱為介電性。一般的介電陶瓷材料在電場下產(chǎn)生的極化可分為四種，即電子極化、離子極化、偶極子趨向極化和空間電荷極化。電子極化是在電場作用下，原來處于平衡狀態(tài)的原子正、負電荷重心改變位置，即原子核周圍的電子云發(fā)生變形而引起電荷重心偏移，形成電極化；離子極化是處在電場中多晶陶瓷體內(nèi)的正負離子分別沿電場方向位移，形成電極化；偶極子趨向極化是非對稱結構的偶極子在電場作用下沿電場方向區(qū)域外電場一致的方向而產(chǎn)生的電極化；空間電荷極化是陶瓷多晶體在電場中，空間電荷在晶粒內(nèi)和電疇中移動，聚集于邊界和表面而產(chǎn)生的極化。通常極化是由以上四種極化疊加引起的，這四種極化的產(chǎn)生都不是在加電場的瞬間完成的，需要一定的時間，稱為弛豫時間。由于時間延遲而造成的能量損失稱為介質色散。介電陶瓷的鐵電特性表現(xiàn)為本身具有自發(fā)極化。當施加外加電場時，自發(fā)極化沿電場方向趨于一致；當外電場倒向，且超過材料矯頑電場值時，自發(fā)極化隨電場而極化；當電場移去后，陶瓷中保留的部分極化量，即剩余極化。自發(fā)極化與電場間存在一定的滯后關系，由電滯回線來表示。鐵電體同鐵磁體類似，存在類似于磁疇的電疇。每個電疇由許多永久的電偶矩構成，它們之間相互作用，沿一定方向自發(fā)排列成行，形成電疇。無外界電場時，各電疇在晶體中雜亂分布，整個晶體對外顯電中性，當外電場加于晶體時，電疇極化矢量轉向電場方向。鐵電陶瓷薄膜具有良好的鐵電、壓電、熱釋電、電光和非線性光學特性，用于存儲器、傳感器、驅動器、紅外探測器、超聲探測、表面波器件、顯示器和光波導等。介電壓電陶瓷機械力激起晶體表面荷電的效應稱為壓電效應，材料的這種性質稱為壓電性。晶體在受機械力變形時，在晶體表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為正壓電現(xiàn)象；由于對晶體施加電壓，警惕發(fā)生變形的現(xiàn)象稱為逆壓電效應。具有對稱中心的晶體不具有壓電性?？考兇獾臋C械力不能使它們的正負電荷重心之間發(fā)生不對稱的相對位移，也就是不能使之極化。若用電位移D和應力T來表示壓電效應，有D=d*T，d為壓電系數(shù)，壓電常數(shù)g=d/，為介電常數(shù)，同介電常數(shù)、彈性常數(shù)一樣，壓電常數(shù)也因晶軸而異，而且g還因機械、電學邊界條件的改變而改變。描述壓電的另兩個重要物理常數(shù)是，描述其彈性諧振時的力學性能的機械品質因數(shù)Qm和機械能與電能相互轉換的機電耦合系數(shù)K。壓電材料用作濾波器、諧振換能器和標準頻率振子等器件時，主要是利用壓電晶片的諧振效應。當一個按一定取向和形狀制成的有電極的壓電晶片輸入電訊號時，如果訊號頻率與晶片的機械諧振頻率fr一致，晶片就會由于逆壓電效應而產(chǎn)生機械諧振。晶片的機械諧振也可以由正壓電效應而輸出電訊號，這種晶片即為壓電振子。壓電振子諧振時，要克服由于內(nèi)摩擦而造成的損耗。機械品質因數(shù)Qm反映壓電振子在諧振時的能量損耗程度：機電耦合系數(shù)K表示壓電材料的機械能與電能間的耦合關系：材料的表征現(xiàn)代材料科學在很大程度上依賴于對材料性能與其組分及其顯微組織關系的理解，因此對材料性能的各種測試技術，對材料組織及性能從宏觀到微觀不同層次的表征技術構成了材料科學與工程的一個重要部分。材料的宏觀表征如密度、彈性模量、泊松比、剪切模量、磁導率、電導率、熱導率、電阻、折射率等已經(jīng)比較熟悉了，故側重于材料的微觀結構的表征。材料結構的表征的目的大概有三個，即成分分析、結構測定、形貌觀察?；瘜W成分分析對于一種新型材料，我們首先總是想知道其組分，以及各個組分的含量、分布，這就是化學成分分析。材料的化學成分分析除了傳統(tǒng)的化學分析方法外，還包括質譜、紫外、可見光、紅外光譜分析，氣液相色譜、核磁共振、電子自旋共振，電子探針、原子探針、激光探針等。質譜儀可進行多種形態(tài)（氣體、液體、固體，常溫、高溫，常量、微量。）樣品的快速分析，測量準確度與精密度較高，樣品耗量少，是鑒定未知化合物的基本手段之一，可用來進行原子量測定、同位素分離與分析、有機物結構分析、原子與分子過程研究、固體表面研究等。核磁共振波譜學識利用原子核的物理性質，采用現(xiàn)在電子學和計算機技術研究分子物理和化學結構的。超導核磁共振波譜儀NMR成像技術可以直接觀察材料的空間里提構象和內(nèi)部缺陷，為揭示固體大分子的結構與性能的關系起了重要作用。NMR方法粳米、準確、深入物質內(nèi)部而不破壞被測樣品。結構測定化學分析、光譜分析可以測定材料的成分，但是不能鑒別物相。對于單質元素或其混合物而言，物相指的是以某種狀態(tài)存在的元素，但當元素相互組成化合物或者固溶體而非其組成元素。比如，由化學分析知某物質含有Al，O元素，但其結構如何就不得而知，目前已了解的各種結構的Al2O3就有14種以上，這就要靠結構分析了。材料的結構的測定儀衍射方法為主。衍射方法主要有X射線衍射、電子衍射、中子衍射、穆斯堡譜、Gamma射線衍射等。應用最多最普遍的當數(shù)X射線衍射，這一技術包括德拜粉末照相分析，高溫、常溫、低溫衍射儀，背反射和透射老厄照相，測定單晶結構的四聯(lián)衍射儀等。在X射線衍射儀中，一束平行的波長0.05-0.2nm的X射線照射到樣品上時，將被樣品中各種晶體相所衍射，衍射時遵循Bragg公式：，d是晶面間距離，X射線衍射強度是晶胞參數(shù)、衍射角、樣品取向度的函數(shù)。衍射圖用以確定樣品的晶體相和測量結構性質，包括應變、外延結構和晶粒的尺寸和取向。這從我所閱讀的兩篇文獻中都可以看出X射線應用的一些端倪。X射線也能用于確定非晶體材料和多層膜的成分深度分析、膜的厚度和原子排列。電子衍射用于測定細微晶體或材料的亞微米尺度結構，如電子衍射圖可用來分析表面或涂層的結構，對衍射強度的分析可確定表面原子間的相對位置以及它們相對下層原子的位置，對不同的衍射束的分析可以提供表面無序程度的狀態(tài)。中子衍射用于材料（主要是金屬、合金材料）的缺陷、空穴、位錯、沉淀相、磁不均勻性的大小和分布，以及生物大分子在空間的構型。形貌觀察主要是依靠顯微鏡。光學顯微鏡是在微米尺度上觀察材料的普及方法。掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡則把觀察的尺度推進到亞微米和微米以下的層次。掃描電鏡在材料的斷口分析上很有用，可以直接觀察部分結晶高聚物的球晶大小完善程度、共混物中分散相的大小、分布與連續(xù)相（母體）的混溶關系。順便了解其他一些時髦的顯微鏡：掃描隧道顯微鏡STM，是一種表面分析儀器，1982年由IBM的蘇黎世研究所研制成功，STM具有極高的空間分辨能力（平行方向分辨率為0.04nm，垂直方向達0.01nm），在此之前，人類還無法直接觀察物體表面上的原子和分子結構。其基本原理是量子隧道效應。隧道效應指