第一章 材料的受力形变
第二章材料的力学本章的目的是给出各种材料力学的宏观参数，从微观上探讨这些参数的物理本质。
可以说人们最早利用材料的性能是它的力学性能。
从石器到青铜器再到铁器的发展历程基本上基于材料的力学性能。
在我们的日常的学习生活中，所使用的材料，一般情况下也是基于材料的力学性能，如我们的桌椅板凳，书包等。
力学性能是在设计各种工程结构时选用材料的主要依据。
那么问题1：什么是对材料的力学性能？材料在受到外力作用是一般会产生外形上的变化，当外力达到一定的值后材料会遭到破坏。
要想给材料的力学性能下一个准确的定义很难，这里给出一个描述性的定义：材料的力学性能是材料的宏观性能，可以定义为材料抵抗外力与变形所呈现的性能一般是指材料是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征，如弹性性能、塑性性能、硬度、抗冲击性能等。
材料的力学性能通过有关标准试验测量，不同材料的力学性能差异较大。
研究材料的力学性能是材料取得实际应用的基础。
第一节应力与应变当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变。
材料在受到外力作用时发生形变时，其原子、分子或离子间的相对位置和距离会发生变化，在材料的内部会产生原子、分子或离子间的附加内力来抵抗外力，并试图恢复到原来的状态，当达到平衡时，这种附加内力与外力相等、方向相反。
那么，问题2：能否用外力来直接描述或比较材料的受力情况？在材料的结构被破坏之前，内力与外力数值相等方向相反。
由于不同或同种材料的构件的几何形状并不完全相同，形变量不能准确反映出材料的变形能力，尽管外力比较直观也容易出测量，但外力的方向不同或材料的形状不同等时材料的形变量往往不同，也就是说用外力或内力并不能准确的表示材料的受力强度。
通常用应力和应变来表示材料的受力状况。
材料单位面积上所受的附加内力，其值等于单位面积上所受的外力，即应力。
表达式：F=σ/A （2-1）式中σ为应力，F为外力，A为面积。
材料受力后，一般会发生形变，其截面积也发生相应的变化。
若A表示受力后的截面积，则F为真实应力或名义应力，在工程上对于形变较小的材料，二者数值上相差不大。
应变(strain)：用来表征材料受力时内部各质点之间的相对位移。
对于各向同性材料，有三种基本的应变类型：拉伸应变ε、剪切应变γ和压缩应变△。
图2-1 拉伸应变示意图 图2-2 剪切应变示意图拉伸应变(drawing strain )是指材料受到垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用在同一直线上的两个拉伸应力时材科发生的形变，如图2-3所示。
一根长度为l0的材料，在拉应力σ作用下被拉长到l1，则其拉伸应变ε为:001l ll l l ∆=-=ε （2-2）真实应变（Real Strain ）定义为：1ln 10l l l d l l l T ==⎰ε （2-3）剪切应变（shearing strain ）是指材料受到平行于截面积的大小相等、方向相反的两个剪切应力τ时发生的形变，如图2-4所示，在剪切应力τ作用下，材料发生偏斜，该偏斜角θ的正切值定义为剪切应变γ：θγtg = 。
压缩应变（pressed strain ）：指材料周围受到均匀应力P 时，其体积从起始时的V0变化为V1的形变（如图2-5）：010V VV V V ∆=-=∆ （2-4）图2-3 压缩应变示意图应变的微分形式：在材料内部围绕该点取出一体积元，如图2-4，其六个面均分别垂直于X ，Y ，Z 轴，则作用在该体积元单位面积上的力△Fx ，△Fy ，△Fz,可分解为法向应力σxx ，σyy ，σzz 和剪切应力τxy ，τxz ，τyz 等。
应力分量下标的含义：应力分量σ和τ下标的第1个字母表示应力作用面的法线方向，第2个字母代表应力作用的方向。
如果该材料发生形变，O 点沿x 、y 、z 方向的位移量分别为u 、v 、w ，沿x 方向的正应变为 x u，用偏微分形式表示为， 则在O 点处沿x 方向的正应变为：x u xx ∂∂=ε （2-5）同理沿y 、z 方向的正应变分别为：y vyy ∂∂=ε （2-6） z wzz ∂∂=ε （2-7） OA 与A O '间的畸变夹角：x v ∂∂=αOB 与B O '间的畸变夹角：y u ∂∂=β在xy 平面，线段OA 及OB 之间的夹角减少了y u x v ∂∂+∂∂，则xy 平面的剪切应变为βαγ+=xy ，即：y ux v xy ∂∂+∂∂=γ （2-8） 同理对于yz 、zx 平面的剪切应变：y w z v yz ∂∂+∂∂=γ （2-9） z u x w zx ∂∂+∂∂=γ （2-10）xu∂∂图2-4 应力分量应力分量的正负号规定：正应力的正负号规定是拉应力（张应力）为正，压应力为负；剪应力的正负号规定是体积元上任意面上的法向力与坐标轴的正方向相同，则该面上的剪应力指向坐标轴的正方向者为正；如果该面上的法向应力指向坐标轴的负方向，则剪应力指向坐轴的正方向者为负。
它们构成应力张量（stress tensor ）。
⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=zz zy zx yz yyyx xz xyxx ij στττστττσσ (2-11)应变张量可表示为：xxxy xz ij yxyy yz zx zy zz εγγεγεγγγε⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦(2-12)法向应力导致材料的伸长或缩短，而剪切应力引起材料的切向畸变。
根据平衡条件，体积元上相对的两个平行平面上的法向应力应该大小相等、正负号相同，同—平面上的两个剪切应力互相垂直。
根据剪切应力互等原理可知：τxy=τyx,其余类推。
故一点的应力状态由六个应力分量(σxx ，σyy ，σzz ，τxy ，τxz ，τyz)来决定。
问题3：不同材料之间的力学性能差异很大，有无规律可循呢？生活常识告诉我们不同材料之间不仅仅力学性能不同，总体说来不同种类的材料性能相比差异较大。
同类材料之间相比差别较小。
它是材料结构的基本反映。
图2-3表示三类典型材料的应力-应变曲线。
许多无机非金属材料的变形如曲线（a ）,在弹性变形后没有塑性形变或塑性变形很小，就发生突然断裂，总弹性应变能非常小，这是所有脆性材料的特征；对于延性材料，如大多数金属材料和一些陶瓷单晶体材料，开始为弹性形变，接着有一段弹塑性形变，然后才断裂，总变形能很大，如曲线（b ）。
对于如橡胶等高分子材料具有极大的弹性形变，如曲线（c ）。
图2-5不同材料的拉伸应力-应变曲线第二节 弹性形变及其性能指标对于理想的弹性材料，在应力作用下会发生弹性形变(elastic deformation)，其应力与应变关系服从胡克(Hooke)定律，即应力σ与应变ε成正比：εσE = （2-13）式中的比例系数E 称为弹性模量(Young’s modulus)，又称弹性刚度。
可见弹性模量是材料发生单位应变时的应力，它表征材料抵抗形变能力(即刚度, elastic stiffness)的大小。
E 越大，越不易变形，表示材料刚度越大。
弹性模量的单位与应力的单位相同(N ／m2) 对应于三种应变类型的弹性模量分别称为杨氏模量E 、剪切模量G 和体积模量B 。
εσ=E （2-14） γτ=G （2-15）∆=PB （2-16）xxzzxx yy εεεεμ== （2-17）式中μ称为横向变形系数（称为泊松比Poisson Ratio ）也即横向应变与纵向应变之比值。
则有：E xxxx yy σμμεε-== （2-18）xxzz xx E σεμεμ==- （2-19）对于各向同性材料，它们之间存在如下关系：)1(2μ+=EG （2-20） )21(3μ-=EB （2-21）因此，弹性模量E 反映材料抵抗正应变的能力；切变模量G 反映材料抵抗切应变的能力；泊松比μ反映材料横向正应变与受力方向线应变的比值；体积模量B 表示材料在三向压缩(流体静压力)下，压强p 与体积变化率ΔV ／V 之间的线性比例关系。
在日常生活中我们知道不同的材料弹性形变的能力不同或者弹性模量相差很大。
表2-1 一些工程材料的弹性模量、熔点和键型；表2-2为几种典型陶瓷材料的弹性模量。
由表2-1可以比较不同材料的弹性模量值。
表 2-1 一些工程材料的弹性模量、熔点和键型 材料弹性模量E/MPa 熔点TM/ºС 键型铁及低碳钢 铜 铝 钨 金刚石 Al2O3 石英玻璃 电木 硬橡胶非晶态聚苯乙烯低密度聚乙烯 ~207.00 ~121.00 ~69.00 ~410.00 ~1140.00 ~400 ~70.00 ~5.00 ~4.00 ~3.00 ~0.21538 1084 660 3387 >3800 2050 Tg~1150Tg~100 Tg~137金属键 金属键 金属键 金属键 共价键共价键和离子键 共价键和离子键 共价键 共价键范德瓦尔斯力 范德瓦尔斯力Tg 玻璃化温度表2-2 几种典型陶瓷材料的弹性模量 材料E/N.m-2 材料E/N.m-2 刚玉晶体 烧结氧化铝（气孔率5%） 高铝瓷（90~95%Al2O3） 烧结氧化铍（气孔率5%） 热压BN （气孔率5%） 热压B4C （气孔率5%） 石墨（气孔率20%） 烧结MgO （气孔率5%） 烧结MoSiO2（气孔率5%） 38×1010 36.6×1010 36.6×1010 31×1010 8.3×1010 29×1010 0.9×1010 21×1010 40.7×1010烧结MgAl2O4（气孔率5%）致密SiC （气孔率5%） 烧结TiC （气孔率5%） 烧结稳定化ZrO2（气孔率5%） SiO2玻璃 莫来石瓷 滑石瓷 镁砖23.8×1010 46.7×1010 31×1010 15×1010 7.2×1010 6.9×1010 6.9×1010 17×1010从上面的表格可以看出不同材料的弹性模量差别很大，那么，问题4： 弹性形变的物理本质什么，影响弹性模量的因素有哪些弹性变形的特点：可逆性，即外力去除后，变形消失而恢复原状。
从应变的概念不难看出：材料产生弹性变性的本质：构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。
要想回答影响弹性模量的因素，首先要看一看弹性模量反映的材料的哪一方面的物性。
从弹性模量的定义可知，构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生移动，必须克服原子间的结合力。
也就是说弹性模量是原子间作用力大小的反映，原子间作用力愈大，原子离开平衡位置的难度愈大，材料愈难变形。
材料物理性能及测试-作业
第一章无机材料的受力形变1 简述正应力与剪切应力的定义2 各向异性虎克定律的物理意义3 影响弹性模量的因素有哪些？4 试以两相串并联为模型推导复相材料弹性模量的上限与下限值。
5 什么是应力松弛与应变松弛？6 应力松弛时间与应变松弛时间的物理意义是什么？7 产生晶面滑移的条件是什么？并简述其原因。
8 什么是滑移系统？并举例说明。
9 比较金属与非金属晶体滑移的难易程度。
10 晶体塑性形变的机理是什么？11 试从晶体的势能曲线分析在外力作用下塑性形变的位错运动理论。
12 影响晶体应变速率的因素有哪些？13 玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？14 影响塑性形变的因素有哪些？并对其进行说明。
15 为什么常温下大多数陶瓷材料不能产生塑性变形、而呈现脆性断裂？16 高温蠕变的机理有哪些？17 影响蠕变的因素有哪些？为什么？18 粘滞流动的模型有几种？19 影响粘度的因素有哪些？第二章无机材料的脆性断裂与强度1 试比较材料的理论强度、从应力集中观点出发和能量观点出发的微裂纹强度。
2 断裂能包括哪些内容？3 举例说明裂纹的形成？4 位错运动对材料有哪两方面的作用？5 影响强度的因素有哪些？6 Griffith关于裂纹扩展的能量判据是什么？7 试比较应力与应力强度因子。
8 有一构件，实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢供选：甲钢：sf =1.95GPa, K1c =45Mpa·m 1\2乙钢：sf =1.56GPa, K1c =75Mpa·m 1\2试根据经典强度理论与断裂强度理论进行选择，并对结果进行说明。
9 结构不连续区域有哪些特点？10 什么是亚临界裂纹扩展？其机理有哪几种？11 介质的作用(应力腐蚀)引起裂纹的扩展、塑性效应引起裂纹的扩展、扩散过程、热激活键撕裂作用引起裂纹扩展。
12 什么是裂纹的快速扩展？13 影响断裂韧性的因素有哪些？14 材料的脆性有哪些特点？通过哪些数据可以判断材料的脆性？15 克服材料脆性和改善其强度的关键是什么？16 克服材料的脆性途径有哪些？17 影响氧化锆相变的因素有哪些？18 氧化锆颗粒粒度大小及分布对增韧材料有哪些影响？19. 比较测定静抗折强度的三点弯曲法和四点弯曲法，哪一种方法更可靠，为什么？20. 有下列一组抗折强度测定结果，计算它的weibull模数，并对该测定数据的精度做出评价。
材料的力学行为与变形
温度－冲击功关系
10
3. 承受交变载荷作用时的力学性能
疲劳断裂：裂纹形成和扩展过程。机
械零件失效中80%属于疲劳断裂性质。
料对循称环基循数环1疲07劳； 极超限高R强-1(度σ钢-1)和：许钢多铁聚材
合物材料循环基数108 。
影响疲劳强度的因素：循环应力特
性、温度、材料成分和组织、表面状态、 残余应力。
图3—1（b）示的FCC中：影线所示的晶面为（111）、晶向为[1T0 〕 。它们分别为ＦＣＣ的滑移面和滑移方向，且〔1T0〕晶向就位于（111） 晶面上，故可构成一滑移系。
在图3—1（c）所示BCC中：影线所示晶面（111）、晶向 [10T]，它们 均属非滑移面、非滑移方向．
图3－1（d）示BCC中：影线所示的晶面（1T0）、晶向[1T1]，它们分 别为BCC的滑移面和滑移方向，但〔1T1〕晶向不在（1T0）晶面上，故仍不 能构成滑移系．
编辑ppt
2
本章学习要求
1 ．熟悉金属塑性变形（以滑移为主）的特点及其
２．了解塑性变形对金属组织与性能的影响，重点 掌握加工硬化的定义、机理及在生产中的实际意义； ３.掌握有关再结晶的概念，明确再结晶温度及再结 晶退火温度的确定； ４．比较并总结强化金属材料的四种基本方式—— 细晶强化、固溶强化、弥散强化与加工硬化。
位错绕过机制
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33
弥散强化（或沉辑ppt
察电 镜 观
34
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21
4. 孪生变形简介（单晶体）
图3-10 孪生变形示意图
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22
[例题3-1] 在例图3-1所示的晶面、晶向中，请指出哪些是滑移面、哪
些是滑移方向？并就图中情况判断能否构成滑移系，同时应简述其理由？
材料物理性能复习资料整理
材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化，称为形变。
材料承受外力作用、抵抗变形的能力及其破坏规律，称为材料的力学性能或机械性能。
材料在单位面积上所受的附加内力称为应力。
法向应力导致材料伸长或缩短，而剪切应力引起材料的切向畸变。
应变是用来表征材料在受力时内部各质点之间的相对位移。
对于各向同性材料，有三种基本类型的应变：拉伸应变ε，剪切应变γ和压缩应变Δ。
若材料受力前的面积为A0，则σ0=F/A0称为名义应力。
若材料受力后面积为A，则σT=F/A称为真实应力。
对于理想的弹性材料，在应力作用下会发生弹性形变，其应力与应变关系服从胡克（Hook）定律（σ=Eε）。
E是弹性模量，又称为弹性刚度。
弹性模量是材料发生单位应变时的应力，它表征材料抵抗形变能力（即刚度）的大小。
E越大，越不容易变形，表示材料刚度越大。
弹性模量是原子间结合强度的标志之一。
泊松比：在拉伸试验时，材料横向单位面积的减少与纵向单位长度的增加之比值。
粘性形变是指粘性物体在剪切应力作用下发生不可逆的流动形变，该形变随时间增加而增大。
材料在外应力去除后仍保持部分应变的特性称为塑性。
材料发生塑性形变而不发生断裂的能力称为延展性。
在足够大的剪切应力τ作用下或温度T较高时，材料中的晶体部分会沿着最易滑移的系统在晶粒内部发生位错滑移，宏观上表现为材料的塑性形变。
滑移和孪晶：晶体塑性形变两种基本形式。
蠕变是在恒定的应力σ作用下材料的应变ε随时间增加而逐渐增大的现象。
位错蠕变理论：在低温下受到阻碍而难以发生运动的位错，在高温下由于热运动增大了原子的能量，使得位错能克服阻碍发生运动而导致材料的蠕变。
扩散蠕变理论：材料在高温下的蠕变现象与晶体中的扩散现象类似，蠕变过程是在应力作用下空位沿应力作用方向（或晶粒沿相反方向）扩散的一种形式。
晶界蠕变理论：多晶陶瓷材料由于存在大量晶界，当晶界位相差大时，可把晶界看成是非晶体，在温度较高时，晶界粘度迅速下降，应力使得晶界发生粘性流动而导致蠕变。
无机材料物理性能第一章
无机非金属材料2010级
材料学
无机材料物理性能
正在发展中的几类材料：
•高温超导材料：高临界温度低（零）电阻材料
•中间化合物：两种或两种以上金属或类金属所形成的化合物 。
•功能陶瓷：光纤维，介电，光电，磁性材料 •特种高温结构材料：高温陶瓷，高分子材料
无机非金属材料2010级
材料学
无机材料物理性能
围绕材料内部的一点P取一体积单元，体积元的六个面均垂直 于坐标轴x,y,z。在这六个面上的作用应力可分解为法向应力σxx， σyy，σzz和剪应力τxyτyz，τzx等，如图1.2。
无机非金属材料2010级
材料学
无机材料物理性能
每个面上都有一个法向应力σ和两个剪应力τ。应力分量σ和τ 的下标第一个字母表示应力作用面的法线方向，第二个字母表示应 力作用的方向。
法向应力若为拉应力，则规定为正；若为压应力，则规定为负
。 剪应力分量的正负规定如下： 如果体积元任一面上的法向应力与坐标轴的正方向相同，则该 面上的剪应力指向坐标轴的正方向者为正；如果该面上的法向应力 指向坐标轴的负方向，则剪应力指向坐标轴的负方向者为正。根据 上述规定，图1.2上所表示的所有应力分量都是正的。 根据平衡条件，体积元上相对的两个平行面上的法向应力应该 是大小相等、正负号一样。 作用在体积元上任一平面上的两个剪应力应该互相垂直。根据 剪应力互等定理，τ xy=τ yx，余类推。故一点的应力状态由六个应力 分量决定，即σ xx,σ yy,σ zz和τ xy，τ yz，τ zx。
无机非金属材料2010级
材料学
第一章 金属材料的力学性能
度
A、C标尺为100
B标尺为130
机 械 制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度
标注——用符号HR表示， A标尺HRA B标尺HRB C标尺HRC
如： 42 HRA
机
械
硬度值 A标尺
制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 测定原理——基本上和布氏硬度相同，只是所用 压头为金刚石正四棱锥体
冲击韧度高
机
•冲击能量高时， --材料的冲击韧度主要取决于材料的塑性，塑性高则
韧度高
械 制
造
基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
机
械
制
造
基
础
§1.4 疲劳强度
第一章 金属材料的力学性能
疲劳强度
Sl110000%%Sl10lS0 110100%0%
Sl 二者的值越大塑性越好 00
lS0 0
机 械 制
原始原横始截标面距积
试样拉试断样后断的裂标处距截面积
造 基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
第一章 金属材料的力学性能
由主金要属内材容料：制成的零、部件，在工作过
程中金都属要材承料受的外力力学性(或能称指载标荷和) 测作试用方而法产，
材料的弹性变形
47
1.2.2 广义胡克定律（各向异性体）
❖各向异性材料的各个方向的弹性模量都不相同； ❖当各向异性材料同时受到三向应力作用时，各个方向的形
C B A
D K
O
29
三、应力与应变曲线
C
B A
D K
➢ A（A点）：比例极限；E（B点）：弹性极限；P（C点 ）：屈服极限；U（D点）：断裂极限。
➢ 应力E，可逆线性正比例关系，当应力在E和P之间， 外力去除后有一定程度的永久变形，即发生塑性变形。
➢ 陶瓷材料一般没有塑性变形，发生脆性断裂。
力不能是任意的，内力与变形有关，必须满足 平衡条件。
12
3.工程构件受力模型 拉伸
压缩
13
3.工程构件受力模型 剪切
14
3.工程构件受力模型
扭转
15
3.工程构件受力模型 弯曲
16
3.工程构件受力模型 弯曲
17
3.工程构件受力模型 组合受力
18
4.强度、刚度和稳定性问题
强度—不因发生断裂或塑性变形而失效； 刚度—不因发生过大的弹性变形而失效； 稳定性—不因发生因平衡形式的突然转变而失效。
材料物理性能
第一部分：材料的力学性能
1
高温蠕变
2
第一章：材料的弹性变形
主要内容：
一.应力和应变； 二.胡克定律； 三.弹性模量； 四.滞弹性。
要求：
从微观的角度来理解宏观性能、掌握解决问题的 关键。
3
1. 基本概念
变形：材料在受到外力作用时产生的形状和体积 的变化；
材料的力学1
应变硬化的意义： 1、使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证 机件安全； 2、应变硬化与塑性变形适当配合可使金属进行均 匀塑变； 3、是强化金属的重要工艺手段之一。
应变硬化机理：塑变过程中位错的运动有关。
应变硬化指数
在金属材料拉伸真实应力应变曲线上的均匀塑变 n 阶段，应力与应变满足：
S Ke
d dt
A
O
0
金属、陶瓷的蠕变曲线 时间t
I阶段：AB段，减速蠕变阶段 II阶段：BC段，恒速蠕变阶段 III阶段：CD段，加速蠕变阶段
（2）影响蠕变曲线形状的因素 温度和应力都影响蠕变曲线的形状：
温度升高时，形变速率加快，恒定蠕变阶段缩短。
应力增加时，曲线形状的变化类似与温度。
应 变
Fp—比例极限对应的试验力 A0—原始截面积
弹性极限σe—由弹性变形过渡到塑性变形时的应力。
Fe—弹性极限对应的试验力 A0—原始截面积
1.3 塑性变形
一、塑变及塑性的定义 塑变——材料微观结构的相邻部分产生永久性位移， 但并不引起材料破裂的现象。 塑性——材料在外加应力去除后仍保持部分应变的 特性。
无机材料： 先是弹性形变(较小)，然后不发生塑性形变 (或很小)而直接脆性断裂。
船身断裂，一分为二的油轮
性，形变或塑性形变很小。
脆性材料的应力－应变曲线
延性材料(金属材料) ：有弹性形变和塑性形变。
延性材料的应力－应变曲线
弹性材料 (橡胶) ：弹性变形很大，没有残余形 变(无塑性形变)。
弹性材料的应力－应变曲线
1.2 弹性形变
弹性形变——当外力去除后，能恢复到原来形状
和尺寸的形变。 特点：可逆性、变形量很小（<0.5~1%） 可逆性：受力作用后产生形变，卸除载荷后，形 变消失。
第一章材料的受力形变
烧结氧化铍（ P=5 % ） 310 烧结稳定化ZrO2 P=5 %
热压BN（ P=5 % ） 83 石英玻璃
热压B4C（ P=5 % ） 290 莫来石瓷
石墨（ P=20 % ）
9 滑石瓷
烧结MgO（ P=5 % ） 210 镁质耐火砖 第一章材料的受力形变
烧结MoSi2（ P=5 % ） 407
高温下许多含有玻璃相材料， E0（弹性模量）与时间 有关，随时间的增加而降低。这是因为在高温下，应
第一章材料的受力形变
一、应 力
材料在外力作用下都要产生内力，同时发生形变。 通常内力用应力描述，形变则用应变表示。
➢ 定义：应 力: 单位面积上所受的内力。
F
σ=A
F ——外力，单位 N ；
σ ——应力，单位 Pa ；
A ——面积，单位 m2 .
F ➢ 定义：名义应力： σ0 = A0
A0
——材料受力前的初始面积 第一章材料的受力形变
总结 虎克定律表明，对于足够小的形变，应力与应变成线 性关系，系数为弹性模量E。
第一章材料的受力形变
2 原子间相互作用力和弹性常数的关系
12
－
F
ro r ＋
＋
－
在r=ro时，原子1和2处于平衡状 态，其合力F=0.
当原子受到拉伸时，原子2向右
位移，起初作用力与位移呈线性
r
变化，后逐渐偏离，达到r时， 合力最大，此后又减小。合力有
第一章材料的受力形变
说明：
下脚标的意义：
每个面上有一个法向应力和两个剪应力，应力分量下标：
第一个字母表示应力作用面的法线方向；
第二个字母表示应力的作用方向。
方向的规定
正应力的正负号规定：拉应力（张应力）为正，压应力 为负。
材料化学导论第1章-绪论讲述
传统的无机非金属材料 之一：陶瓷
陶瓷按其概念和用途不同， 可分为两大类，即普通陶瓷和特 种陶瓷。
普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它 天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制 成的各种制品。
特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域 的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷 主要用于耐磨损、高强度、耐高温等场所。功能陶 瓷主要包括电磁功能、光学功能及其它功能的陶瓷 材料。
社，1989 4．丁马太《材料化学导论》厦门大学出版社，1993 5. 张逢星 李珺均《材料化学导论》西北大学本科讲义，2001
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目录
第一章 绪论 第二章 材料化学理论基础 第三章 材料结构的表征 第四章 材料制备化学 第五章 材料的结构与物理性能 第六章 新型结构材料 第七章 新型功能材料 第八章 功能转换材料
术的发明和应用为代表的第二次工业革命，硅单晶材
料则起着先导和核心作用
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2.材料是生产力发展的重要支柱 纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每
一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然 的能力提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次 重大突破都会引起生产技术的革命，大大加速社会发 展的进程，给社会生产和人们生活带来巨大的变化， 把人类物质文明推向前进。
纤维受力时，形变不超过百分之二十。纤维大分 子沿轴向作规则排列，其长径比较大，在较广的 温度范围（-50~150℃）内，机械性能变化不大。 常用的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。
从19071907年第一个小型年第一个小型酚醛树脂厂建立到酚醛树脂厂建立到19271927年第一个热塑性聚氯乙烯年第一个热塑性聚氯乙烯27塑料的生产实现商品化塑料的生产实现商品化19301930年建立了聚合物概念年建立了聚合物概念后聚合物工业迅猛发展起来这一领域的进展经后聚合物工业迅猛发展起来这一领域的进展经历了新型塑料和合成纤维的深入研究历了新型塑料和合成纤维的深入研究1950197019501970年年工程塑料聚合物合金
材料物理导论总结
第一章：材料的力学形变：材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化,称为形变力学性能机械性能：材料承受外力作用,抵抗形变的能力及其破坏规律,称为材料的力学性能或机械性能应力：材料单位面积上所受的附加内力称应力.法向应力应该大小相等,正负号相同,同一平面上的两个剪切应力互相垂直.法向应力导致材料的伸长或缩短,剪切应力引起材料的切向畸变.应变：用来表征材料受力时内部各质点之间的相对位移.对于各向同性材料,有三种基本的应变类型.拉伸应变,剪切应变,压缩应变.拉伸应变：材料受到垂直于截面积的大小相等,方向相反并作用在同一直线上的两个拉伸应力时材料发生的形变.剪切应变：材料受到平行于截面积的大小相等,方向相反的两剪切应力时发生的形变.压缩应变：材料周围受到均匀应力P时,体积从起始时的V0变化为V1的形变.弹性模量：是材料发生单位应变时的应力,表征材料抵抗形变能力的大小,E越大,越不易变形,表征材料的刚度越大.是原子间结合强度的标志之一.黏性形变：是指黏性物体在剪切应力作用下发生不可逆的流动形变,该形变随时间的增大而增大.剪切应力小时,黏度与应力无关,随温度的上升而下降.牛顿流体：服从牛顿黏性定律的物体称为牛顿流体.在足够大的剪切应力下或温度足够高时,无机材料中的陶瓷晶界,玻璃和高分子材料的非晶部分均会产声黏性形变,因此高温下的氧化物流体,低分子溶液或高分子稀溶液大多属于牛顿流体,而高分子浓溶液或高分子熔体不符合牛顿黏性定律,为非牛顿流体.塑性：材料在外应力去除后仍能保持部分应变的特性称为塑性.晶体塑性形变两种类型：滑移和孪晶.延展性：材料发生塑性形变而不断裂的能力称为延展性.μ泊松比,定义为在拉伸试验中,材料横向单位面积的减少与纵向单位长度的增加率之比.滑移是指在剪切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分发生平移滑动,在显微镜下可观察到晶体表面出现宏观条纹,并构成滑移带.滑移一般发生在原子密度大和晶向指数小的晶面和晶向上.材料的滑移系统往往不止一个,滑移系统越多,则发生滑移的可能性越大.实际晶体材料的滑移是位错缺陷在滑移面上沿滑移方向运动的结果：位错运动所需的剪切应力比使晶体两部分整体相互滑移所需的应力小的多.蠕变：蠕变是在恒定的应力作用下材料的应变随时间增加而逐渐增大的现象.影响因素：温度、应力、组分、晶体键型、气孔、晶粒大小、玻璃相等.无机材料的蠕变理论：位错蠕变理论,扩散蠕变理论,晶界蠕变理论.黏弹性：材料形变介于理想弹性固体和理想黏性液体之间,既具有固体的弹性又有液体的黏性,称为黏弹性.时温等效原理力学松弛现象有蠕变,应力松弛静态力学松弛,滞后和力损耗动态力学松弛晶界：是结构相同而取向不同晶体之间的界面.高分子材料的力损耗与温度和频率的关系：1.高分子材料在玻璃化温度Tg以下受到应力时,相应的应变很小,主要由键长和键角的改变引起,速度快到几乎能跟得上应力的变化,因此&很小,tan&也小；温度升高到Tg附近时,以玻璃态向高弹态过渡,链段开始运动,此时材料的粘度很大,链断运动收到的摩擦阻力很大,高弹应变明显落后于应力的变化,因此tan&出现极大值；温度更高时应变大,而且链断运动比较自由,&变小,tan&也小；温度很高时,材料从高弹态向粘流态过渡,分子链段间发生互相滑移,导致力损耗急剧增加,tan&急剧增大.2.高分子材料在应力变化的频率较低时,分子链断运动基本能跟上应力的变化,tan&很小；频率很高时,分子链断完全跟不上应力的变化,tan&也很小；而当频率中等时,分子链断运动跟不上应力的变化,使tan&出现极大值,此时材料表现出明显的粘弹性.应力松弛：是指在恒定的应变时,材料内部的应力随时间增长而减小的现象.机械强度：材料在外力作用下抵抗形变及断裂破坏的能力称为机械强度.根据外力作用形式,可分为抗拉强度,抗冲强度,抗压强度,抗弯强度,抗剪强度.材料在低温下大多脆性断裂；高温下大多韧性断裂.麦克斯韦模型：应变恒定时,应力随时间指数衰减；形变一定,力减小.应力松弛沃伊特模型：应力恒定时,形变随时间增大而增大；力一定,形变增大.蠕变延展性材料拉伸时有可塑性功,可阻碍断裂.第二章：材料的热学热力学与统计力学的关系：热力学是用宏观的方法,研究热运动在宏观现象上表现出来的一些规律,是从能量转化的观点来研究物质的热性质；而统计力学则从物质的微观结构出发,应用微观粒子运动的力学规律和统计方法来研究物质的热性质.热力学第二定律：克劳修斯说法不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他的变化.开尔文说法不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不引起其他的变化.低温时：Cp≈Cv高温时：Cp＞Cv,定压加热时,物体除升温外,还会对外做功,升高单位温度需吸更多热量.经典理论：①定压下单一元素的摩尔热容Cv=25J/Kmol②化合物材料摩尔热容等于构成该化合物分子各元素摩尔热容之和.③1摩尔固体的总能量：E=3NkT=3RT；摩尔热容Cv=3Nk=3R ≈25J/Kmol晶格热振动：晶体中的原子以平衡位置为中心不停地振动,称其为“晶格热振动”声子：晶格振动的能量是量子化的,以hv为单元来增加或减少能量,称这种能量单元为“声子”.金属材料的总热容为声子和电子两部分的共同贡献.固体材料热膨胀的本质：在于晶格点阵实际上在做非简谐运动,晶格振动中相邻质点间的作用力实际上是非线性的,点阵能曲线也是非对称的.体胀系数近似等于三个线胀系数之和.热传导：是指材料中的热量自动的从热端传向冷端的现象.固体材料热传导：主要由晶格振动的格波来实现；高温时还可能由光子热传导.材料热传导的微观机理：1.声热子传导2.光热子传导3.电子热传导金属主要含孔率大的陶瓷热导率小,保温.热稳定性：是指材料承受温度的急剧变化而不致碎裂破坏的能力.裂纹的产生和扩展与材料中积存的弹性应变能和裂纹扩展所需的断裂表面能有关.材料的抗热应力损伤性正比于断裂表面能,反比与弹性应变能释放率.第三章：材料的电学金属自由电子气模型费米电子气模型：该模型认为金属材料的原子失去价电子成为带正电的离子实,而价电子在离子实的正电背景下能自由移动,既满足电中性条件,也不会因价电子间的库伦斥力而散开,这种自由电子还服从泡利不相容原理,其能量分布满足费米-狄拉克分布函数能带理论：采用“单电子近似法”来处理晶体中的电子能谱.单电子近似法：来处理晶体中电子能谱①固体原子核按一定周期性固定排列在晶体中②每个电子是固定原子核势场及其它电子的平均势场中运动电子型电导：①导电载流子是电子或空穴即电子空位②具有“霍尔效应”③例：硅、锗和砷化镓等晶态半导体材料以及许多导体材料杂质和缺陷的影响：使严格周期性排列原子产生的周期性势场受到破坏,在禁带中引入允许电子所具有的能量状态即能级；这种禁带中的能级对半导体材料性质有重要的影响.杂质能级与允带能级的区别：允带能级可容纳自旋方向相反的两个电子.施主杂志能级只可能有：1.中性施主被一个电子占据2.电离施主没有被电子占据.本征是指半导体本身的特征.半导体的载流子浓度：实际的半导体总含有或多或少的杂质,但当杂质浓度很小或者温度足够高时,由价带到导带的本征激发所产生的载流子可超过杂质电离产生的载流子,这时载流子浓度主要由半导体本征性质所决定,而杂质影响可忽略不计,也称这种半导体为本征半导体.本征载流子浓度ni随温度T升高呈指数增大,ni随禁带宽度Eg成指数减小.导带中电子浓度n.和价带中空穴浓度P.受温度T和费米能级Ef的影响.电子型电导：Rh霍尔系数只与材料的载流子种类浓度有关；“磁阻效应”可分为物理磁阻和几何磁阻.施主和受主杂质同时存在时,半导体的导电类型决定于浓度大的杂质.本征载流子浓度ni随温度升高呈指数增大,随禁带宽度Eg的增大呈指数减小.任何非简并半导体中两种载流子浓度的乘积等于本征载流子的浓度的平方与杂质无关.杂质半导体的杂质能级被电子或空穴占据的情况与允带中的能级有区别：在允带中的能级可以容纳自旋方向相反的两个电子,而施主或受主杂质能级上,只可能有如下两种情况：1.中性施主或受主被一个电子或空穴占据；2.电离施主或受主没有被电子或空穴占据.离子型电导：具有“电解效应”电极附近发生电子得失,伴随着产生新物质.两种离子载流子：①晶格离子本身因为热振动而离开晶格形成热缺陷的本征离子载流子,它在高温下起主要作用②由于杂质离子等弱联系离子运动而形成的杂质离子载流子,它在低温下起主要作用.其中的载流子浓度与迁移率都与温度呈指数正比关系.介电体分子三种极化类型：电子极化、离子极化、偶极子转向极化电损耗来源：①普通无机晶体介质只有位移极化,损耗来源主要为离子电导,tanδ与电导率σ成正比②无定形玻璃：电导损耗、松弛损耗、结构损耗由Si-O网络的变形引起③多晶陶瓷：离子电导损耗、松弛损耗、夹层损耗④铁电陶瓷：自发极化超电导性的特征：完全导电性、完全抗磁性、磁通的量子化、约瑟夫逊效应叙述BaTiO3典型电解质中在居里点以下存在的四种极化机制：电子极化：指在外电场作用下,构成原子外围的电子云相对原子核发生位移形成的极化.建立或消除电子极化时间极短2.离子极化：指在外电场的作用下,构成分子的离子发生相对位移而形成的极化,离子极化建立核消除时间很短,与离子在晶格振动的周期有相同数量级3.偶极子转向极化：指极性介电体的分子偶极矩在外电场作用下,沿外施电场方向而产生宏观偶极矩的极化.4.位移型自发极化：是由于晶体内离子的位移而产生了极化偶极矩,形成了自发极化.试比较,聚合物介电松弛与力学松弛的异同点：材料的力学松弛包括了静态力学松弛与动态力学松弛：蠕变与应力松弛属于静态力学松弛；滞后和力损耗属于动态力学松弛.介电松弛指在固定频率下测试聚合物试样的介电系数和介电损耗随温度的变化,或在一定温度下测试试样的介电性质随频率的变化.两者都反映了聚合物的结构、构型及链段的运动状态.引起散射的根本原因：半导体内周期势场受到破坏.电离杂质浓度越高,载流子散射机会越多；温度越高,越不易散射.温度越高,晶格热振动越激烈,散射概率增大.散射与迁移呈反比.导体,半导体和绝缘体的区别：电子全部填满到某个允带,而其上面的允带则完全空着,填满电子的允带称为满带,完全没有电子的允带称为空带,具有这种能带结构的固体称为绝缘体.能带结构与绝缘体相似,不同点在于禁带宽度Eg较窄,因而,不在很高的温度下,满带中的部分电子受热运动的影响,能够被热激发而越过禁带,进入到上面的空带中去而形成自由电子,从而产生导电能力,具有这种能带结构的固体称为半导体.满带上面的允带不是全部空着,而是有一部分能级被电子填充,另一部分能级空着,这种允带称为导带.有外加电场时导带中的电子便能挑到能量较高的能级上形成电流,称这种材料为导体.介电体的击穿：介电体在高电场下电流急剧增大,并在某一电场强度下完全丧失绝缘性能的现象.第四章：材料的磁学磁偶极子：通常把线度小至原子的小磁体称为磁偶极子.产生磁矩的原因：1.电子绕原子核的轨道运动,产生一个非常小的磁场,形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩2.每个电子本身做自旋运动,产生一个沿自旋轴方向的自旋磁矩,它比轨道磁矩大的多.材料的宏观磁性是组成材料的原子中电子的磁矩引起的未填满的电子壳层,电子的自旋磁矩未被完全抵消,则原子具有永久磁矩.反之.波尔磁子UB：把原子中每个电子都看作一个小磁体,具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩.最小的磁矩称为波尔磁子.×10-24A·m2材料的磁性取决于材料中原子和电子磁矩对外加磁场的响应,具体可分为抗磁性,顺磁性,反铁磁性,铁磁性和亚铁磁性,前三种属于弱磁性,后两种为强磁性.材料的抗磁性和顺磁性的来源：1.组成原子的电子的固有自旋2.电子绕核旋转的轨道角动量3.外加磁场所产生的轨道矩改变.前两个是对顺磁性有贡献,后一个是对抗磁性有贡献.自由磁矩的顺磁性理论：原子磁偶极距之间无相互作用,为自由磁偶极距,热平衡下为无规则分布,外加磁场后,原子磁偶极距的角度分布发生变化,沿着接近外磁场方向作择优分布,而引起顺磁磁化强度.磁滞回线的面积与磁滞损耗成正比.分子场两个假说：分子场假说：铁磁材料在一定温度范围内存在与外加磁场无关的自发磁化,导致自发磁化的相互作用力假定为材料内部存在分子场,其数量级大小为109A/M,原子磁矩在分子场作用下,克服热运动的无序效应,自发地平行一致取向.磁畴假说：自发磁化是按区域分布的,各个自发磁化区域称为磁畴,在无外磁场时都是自发磁化到饱和,但各磁畴自发磁化的方向有一定分布,使宏光磁体的总磁矩为零.居里温度的本质：是铁磁材料内静电交换作用强弱在宏观上的表现,交换作用越强,就需要越大热能才能破坏这种作用,宏观上就表现出居里温度越高.铁磁材料的五种相互作用能：交换能,磁晶各向异性能,磁弹性能,退磁场能,外磁场能.磁损耗：在动态磁化过程中,材料样品内的磁损耗除了具有静态磁化时磁滞损耗外,还有涡轮损耗和剩余损耗.品质因子：能量的储存与能量的消耗之比为品质因子Q.对于永磁恒磁、硬磁材料,希望其在外加磁场去除后仍能长久的保留较强的磁性,其主要性能指标是：矫顽力Hc、剩余磁感应强度Br或剩余磁化强度Mr和最大磁能积BHmax,希望这三个性能指标越大越好.并要求材料对温度、震动、时间、辐射及其它干扰因素的稳定性也好.何谓轨道角动量猝灭现象：由于晶体场导致简并能级分裂,可能出现最低轨道能级单态.当单态是最低能级轨道时,总轨道角动量的绝对值L2虽然保持不变,但轨道角动量的分量L z不再是常量. 当L z的平均值为0时,称其为轨道角动量猝灭.自发磁化的物理本质是什么材料具有铁磁性的充要条件是什么：铁磁体自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用；材料具有铁磁性的充要条件为:必要条件:材料原子中具有未充满的电子壳层,即原子磁矩,充分条件:交换积分A > 0超交换作用有哪些类型为什么A-B型的作用最强具有三种超交换类型: A-A, B-B和A-B.因为金属分布在A位和B位,且A位和B位上的离子磁矩取向是反平行排列的.超交换作用的强弱取决于两个主要的因素: 1两离子之间的距离以及金属离子之间通过氧离子所组成的键角ψi2 金属离子3d电子数目及轨道组态.因为ψi越大,超交换作用就越强,所以A-B型的交换作用最强讨论动态磁化过程中,磁损耗与频率的关系.低频区域f < 104Hz引起损耗的机理主要是由于不可逆磁化过程产生的磁滞和磁化状态滞后于磁场变化的磁后效；中频区域 f = 104---106Hz,损耗会出现峰值；高频区域f = 106—108Hz,急剧下降,损耗迅速增加.交变磁场的频率与畴壁振动的本征频率或弛豫频率相同时,发生畴壁共振或畴壁弛豫而吸收大量引起损耗增大超高频区域f = 108—1010Hz继续下降,可能出现负值,而出现自然共振引起的峰值,这是由于外加磁场频率与磁矩进动固有频率相等时产生共振现象引起的；极高频区域f > 1010Hz对应为自然交换共振区域.铁氧体材料按磁滞回线特征分类：分为软磁材料、硬磁永磁材料和矩磁材料铁氧体是含有铁酸盐的陶瓷磁性材料.与铁磁性相同点：具有自发磁化强度和磁畴不同点：①一般由多种金属的氧化物复合②其磁性来自两种磁矩,一种在一个方向排列整齐,一种磁矩在相反方向排列静态磁化：静态磁场；磁滞线面积大；静态磁滞损耗.动态磁化：动态磁场；小；磁滞损耗,涡流损耗,剩余损耗.第五章：材料的光学对人眼睛敏感的可见光谱的波长r=,光属于横波材料的折射率：光在真空中的速度v真空与材料的速度v材料之比,称为材料的折射率n.相对折射率：当光从材料1通过界面传入到材料2时,与界面法向形成的入射角i1和折射角i2与两种材料的折射率n1与n2的关系为：n21=sinn1/sinn2=n2/n1.N21为材料2相对于材料1的相对折射率.折射率随材料的电容率ε增大而增大.原因：由于ε与材料的极化现象有关,当材料的的原子受到外加电场的作用而极化时,正电荷沿电场方向移动,负电荷沿反电场方向移动,使得正负电荷的中心发生相对位移,外加电场越强正负电荷中心间距越大.当材料的离子半径增大时,其ε增大,折射率也增大.可用大离子获得高折射率材料：PBS,n=.小离子获得低折射率材料：SiCl4 n=均质材料:如通过非晶态或立方晶体的各向同性材料时,光速不因传播方向的改变而变化,材料只有一个折射率.非均质材料：材料存在内应力时,垂直于拉应力方向的n大,平行于拉应力的n小,而在同质异构材料中,高温晶型n小,低温晶型n大.散射现象：光在材料中传播时,遇到不均匀结构产生的次极波,与主波方向不一致,会与主波合成出现干涉现象,使光偏离原方向.光的吸收：由于光是一种能量流,在光通过材料传播时,会引起材料的价电子跃迁或使原子振动,从而使光能的一部分变为热能,导致光能的衰减,这种现象称为光的吸收.金属对光的吸收很强烈,因为金属的价电子处于未满带吸收光子后呈激发态不必跃迁到导带就能发生碰撞而发热.朗波特定律：光的强度随厚度的增加而呈指数性衰减.α光的吸收系数,取决于材料的性质与光的波长.光的折射率的色散：材料的折射率N随入射光的频率减小而减小的现象,称为光的折射率的色散.影响材料透光性的因素：吸收系数,反射系数,散射系数,材料的厚度.透光率随这四个因素的增大而减小提高材料透光率的措施：采用高纯材料以避免材料形成异相,添加微量成分以降低材料的气孔率,以及采用热压法,热锻法或热等静压法.散射系数的影响因素：乳浊剂的颗粒尺寸,相对折射率及体积百分比.当颗粒尺寸与入射光波长相近,颗粒体积百分比高,颗粒与基体材料的折射率相差较大时,能得到最大散射效果.显色原理：着色剂对光的选择性吸收而引起选择性反射或透射.发光：光是原子或分子发射出的具有一定波长和频率的能量.当材料的原子或分子从外部接受能量成为激发态,然后从激发态回到正常态时,会以电磁辐射形式放出所接受的能量,这种辐射现象称为发光.发光的机理：能发出荧光的材料主要是具有共轭键的苯环为基的芳香族和杂环化合物；而能发出磷光的材料主要是具有缺陷的某些复杂无机晶体,大多是第二族金属的硫化物,晒化物和氧化物作为基质,重金属作为激活剂.激光：激发态的粒子受到一个具有能量等于两能级间差值的光子作用,使粒子转变到正常态同时产生第二个光子,称其为受激发射,这样产生的光称为激光.激光的特点：激光的特点是具有时间和空间的相干性,是一种单色和定向的相干光束.激光可应用在许多方面,如激光通信,测距,定向,雷达等.光的入射角大于临界角时就会发生光的全反射光学纤维：光学纤维是由两种不同折射率的材料制成,以折射率大的材料作为光纤的芯子,折射率小的材料作为光纤的包层.光信号在玻璃纤维光纤中传输时的传输损耗,主要来源有：1.光纤材料的本征损耗,包括Si-O键在波长为9um,和21um处的红外振动吸收延伸到2um附近的影响.2.光纤材料的杂志吸收,包括微量OH-根在波长为,和处的基波,二次谐波和三次谐波的振动吸收,以及过渡金属离子引起的吸收 3.光纤的结构缺陷,包括光纤芯子半径沿轴向有着微小变化,折射率分布也有微小不均匀性,从而引起散射损耗.光纤按折射率剖面分布和传输模式可分为三种：单模光纤直径几个um,只传输单模光束,阶跃型多模光纤由低折射率玻璃外层包覆高折射率玻璃芯子,渐变型多模光纤折射率沿光纤径向由中央向四周连续减小非线性光学效应：在强光场或其他外加场的扰动下,材料原子或分子内电子的运动除了围绕其平衡位置产生微小的线性振动外,还会受到偏离线性的附加扰动,此时材料的电容率往往变为时间或空间的函数,材料的极化响应与光波电厂不再保持简单的线性关系,这种非线性极化将引起材料光学性质的变化,导致不同频率光波之间的能量耦合,从而使入射光波的频率,振幅,偏振及传播方向发生改变,即产生非线性光学效应.主要是原子外层束缚电子在光波电场作用下的受迫振动产生的.其光学材料的特点:当高能量的光波射入时,会在材料中引起非线性光学效应,产生谐波,电光效应,光混频,参量振荡等. 第六章：材料的声学声波是由物体振动而产生的,当以空气作介质传播时,人能听到频率在25Hz-20kHz范围的声音.声波是一种机械波.回声：一定形状的房间中,反射声可形成回声,声焦点或死点现象当不同壁面反射而到达听者的声音所经过的路程大于直达声17m时,则到达的反射将形成回声.声波三个基本物理定律以及意义：声振动作为一个宏观的物理现象,满足三个基本物理定律：牛顿第二定律、质量守恒定律和绝热压缩定律,由此分别可以推导出介质运动方程p-V关系、连续性方程V-p’和物态方程p-p’关系,并由此导出声波方程――p,V和p’等对空间、时间坐标的微分方程.声波过程是绝热过程.平面波：若声波沿x方向传播而在yz平面上各质点的振幅和相位均相同,则为平面波.声强：在声场中任一点上一定方向的声强,是指单位时间内在该点给定方向通过垂直此方向单位面积上的能量.声阻：声阻是流体阻力或辐射阻力粘滞性引起,它导致能量耗散,使声能转为热能.室内声学：声音在一定封闭空间内辐射,传播或接收,此时室内物体和房间壁面会引起发射声,房间还会使声音在空间的分布发生变化而使音质改变.吸声材料吸声原理：吸声材料的作用就是把声能转化为热能.对于柔顺性吸声材料,其吸声机理在于柔顺骨架内部摩擦,空气摩擦和热交换；对于非柔性吸声材料,其吸声特性依靠空气的粘滞性,进入材料的声波迫使材料孔内的空气振动,而空气与骨架间进行热交换,更促进了声能的损耗.影响水声声速的因素：声波在水中的阻力损失比在大气中小,则声波在水中可比大气中传播更远温度,含盐率及压力,其作用依次减弱.水声材料主要用于制作各种声源发射器和水听器,曾用过水溶性单晶、磁致伸缩材料和压电陶瓷材料,随着水声换能器技术的发展,要求具有功率大、频率常数低、时间和温度稳定性好、强电场下性能好以及能承受动态张应力大的材料.声波在传播时有扩展损失,和衰减损失.超声波：频率在20khz以上.产生超声波的材料主要有两大类：.压电晶体和陶瓷是产生超声波的一类重要的材料；磁致伸缩材料为另一类超声波发生材料微声：频率在几十兆赫兹以上的超高频超声波.。