第十章智能材料力学性能_材料的宏微观力学性能
材料的微观结构与宏观性能关系分析
材料的微观结构与宏观性能关系分析材料的微观结构是指材料内部原子、分子的排布方式以及晶粒的大小、形态等微观特征。
微观结构决定了材料的宏观性能，包括力学性能、热学性能、电学性能等。
在材料科学与工程中，研究材料的微观结构与宏观性能关系具有重要意义，能为材料设计和制备提供理论依据，以及指导材料性能的优化。
一、晶体结构对材料性能的影响晶体是一种具有有序、周期性排列的结构，其微观结构由晶胞和晶格构成。
晶体结构对材料的宏观性能有着重要的影响。
1. 晶粒大小对力学性能的影响晶粒是由不同的晶胞组成的有序区域，晶粒的大小直接影响材料的力学性能。
通常情况下，晶粒越细小，材料的强度和硬度越高，韧性越低。
这是因为在细小的晶粒内部，位错的行进和滑移受到了限制，增加了材料的强度。
2. 晶体结构对导热性能的影响晶体结构的不同能够影响材料的导热性能。
以金属为例，金属晶体中的原子排列有序，原子之间存在着金属键，因此金属具有良好的导热性能。
而非晶态材料由于没有长程的有序结构，其导热性能较差。
3. 晶体结构对电学性能的影响晶体结构对材料的电学性能也有重要影响。
不同晶体结构具有不同的电子排布方式和导电性质。
例如，金属晶体中的自由电子活动能够导电，而非金属晶体由于价电子的束缚而不易导电。
二、材料缺陷对性能的影响除了晶体结构外，材料中的缺陷也会对性能产生影响。
常见的材料缺陷包括位错、孔洞、夹杂物等。
1. 位错对塑性变形的影响位错是晶体结构中原子排列不完美造成的缺陷，不同类型的位错对材料的塑性变形有不同的影响。
例如，螺旋位错能够沿晶体滑移面促进塑性变形，而深入晶体内部的位错则可阻碍材料的滑移。
2. 孔洞对材料的力学性能的影响孔洞是材料内部的孔隙结构，对材料的力学性能有着重要的影响。
孔洞会导致应力的集中和能量的集中，降低了材料的强度和韧性。
3. 夹杂物对材料的性能的影响夹杂物是材料中不溶于基体的微观物质，如气泡、针状晶等。
夹杂物会导致材料的局部应力集中，降低材料的强度和韧性。
材料宏观力学性能基础知识介绍
材料性能
材料性能的分类
强度
使用性能
（材料在使用过程 中所表现的性能）
力学性能 （材料在外力作用 下表现出来的性能）
物理性能
化学性能
硬度 韧性 塑性
工艺性能
（材料适应各种冷、热 加工和热处理的性能）
铸造性能
锻造性能 焊接性能 冲压性能 切削加工性能 热处理工艺性能
力学性能：指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬 度、韧性和疲劳强度等。
o
l
e — 弹性极限点
S — 屈服点
b — 极限载荷点
K — 断裂点
1、强度
• 什么是强度：强度是指材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。
• 强度种类:
强度
抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度 抗扭强度
• 工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。 • 屈服强度：是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始
失去功能的弹性变形失效容易判断, 如弹簧被拉得很长; 安全阀弹簧, 压力没 超压, 就把阀芯顶起。
弹性变形失效的原因及防护措施
过载、超温或材料变质是构件产生弹件变形失效的原因，而这些原因往 往是由于构件原设计的考虑不周、计算错误或选材不当造成的。
防 1) 选择合适的材料或构件结构：选用E值高的材料或改善构件结构 尽可能获得大的刚度；
δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料
δ > 10%
属塑性材料
金属材料的延伸率和断面收缩率数值越大，表示材料的塑性 越好。 塑性好的金属可以发生大量的塑性变形而不破坏， 便于通过各种压力加工获得复杂形状的零件。
新材料中的微观结构与力学性能
新材料中的微观结构与力学性能近年来，随着科学技术的不断发展，新材料的研究也逐渐成为了各个领域的一个热门话题。
新材料的提出与应用使得人们的生活发生了越来越多的变化，同时也为人们带来了无限的创新和发展空间。
其中，微观结构和力学性能是新材料研究中的重要方面。
下面，我们将会针对新材料中的微观结构与力学性能做出进一步的探讨。
一、微观结构微观结构是指材料中微小尺寸下的组织结构，这个结构经常可以影响材料的宏观性质。
因此，微观结构的研究往往需要借助于先进的技术手段进行观测和分析。
相信大家都听说过“纳米材料”这个概念。
它指的是尺寸在纳米量级下的新材料，这类新材料对于材料科学研究来说是非常重要的。
纳米材料有着比传统材料更为优异的性能，主要是由其微观结构导致的。
比如，纳米尺寸下的颗粒会使材料表面积急剧增大，导致表面活性位的增加，从而有着较高的化学反应活性。
在大气污染治理，生物医学和能源储存等领域，纳米材料都有着广泛的应用前景。
二、力学性能材料力学性能指材料在受力下的物理响应。
新材料中的力学性能是它们往往被广泛应用的主要原因。
比如，高强度钢、高温合金等高强度材料和半导体材料就需要有着一定的力学性能，在作用力的影响下能够保持自身的特征而不易发生毁损。
新型复合材料也是当前研究的热点之一。
它具有优异的力学性能、轻质、高强度、高韧性、耐腐蚀性等特点，且广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
这些新材料的研发常常需要对其微观结构和力学性能进行全面的考察，通过调整微观结构来改善材料性能，以满足实际应用需求。
三、微观结构和力学性能的关系微观结构和力学性能是密不可分的，它们之间具有相互影响的作用。
不同的微观结构会导致不同的力学性能。
此外，物理响应在微观尺寸范围内也较为明显，特别是强制振动的状态下，极小体积的单个纳米团簇就可以在所有频率范围内都表现出不同的物理响应。
这种结构响应对于微纳尺度下的材料行为理论及新材料的开发都具有极为重要的意义。
第十章聚合物材料的力学性能
第十章聚合物材料的力学性能§10-1聚合物材料的结构与性能特点分子质量大于1万以上的有机化合物称为高分子材料，是由许多小分子聚合而成，故又称为聚合物或高聚物。
原子之间由共价键结合，称为主价键；分子之间由范德瓦尔键连接，称为次价键。
分子间次价键力之和远超过分子中原子间主价键的结合力。
拉伸时常常先发生原子键的断裂。
聚合物的小分子化合物称为单体，组成聚合物长链的基本结构单元则称为链节。
聚合物长链的重复链节数目，称为聚合度。
天然的聚合物有木材、橡胶、棉花、丝、毛发和角等。
人工合成聚合物有工程塑料、合成纤维、合成橡胶等一、聚合物的基本结构1、高分子链的构型（近程结构）由化学键所固定的几何形状--指高分子链的化学组成、键接方式和立体构型等。
见图9-1。
(图9-2)。
长支链、短支链；线型交联分子链、三维交联分子链。
由两种以上结构单体聚合而成的聚合物称为共聚物。
聚合物的结晶很难完全。
（共聚物的几种形式如图9-3。
）2、高分子链的构象（远程结构）一根巨分子长链在空间的排布形象，称为巨分子链的构象。
无规则线团链、伸展链、折叠链、螺旋链等构象(图9-5)。
3、聚合物聚集态结构聚集态结构包括晶态结构、非晶态结构及取向。
晶区与非晶区共存。
结晶度＜98％，微晶尺寸在100A左右。
非晶态结构的高分子链多呈无规则线团形态。
在外力作用下，聚合物的长链沿外力方向排列的形态称为聚合物的取向。
4、高分子材料结构特征归纳：⑴聚合物为复合物（∵各个巨分子的分子量不一定相同）；⑵聚合物有构型、构象的变化；⑶分子之间可以有各种相互排列。
二、性能特点(1)密度小； (2)高弹性； (3)弹性模量小（刚度差）；(4)粘弹性明显。
§10-2线型非晶态聚合物的变形线型非晶态聚合物是指结构上无交联、聚集态无结晶的高分子材料。
随温度不同而变化，可处于玻璃态、高弹态和粘流态三种力学状态(图9-7)tb一脆化温度 tg一玻璃化温度 tf一粘流温度图9-8为非晶态聚合物在不同温度下的应力一应变曲线。
材料微观结构与力学性能分析
材料微观结构与力学性能分析材料的微观结构与力学性能之间有着密切的关联。
微观结构是指材料在原子、晶体、颗粒等微观尺度上的排列和组织方式，而力学性能则是指材料在受力或变形条件下的表现。
了解材料的微观结构对于预测和改进其力学性能具有重要意义。
首先，我们来看一下晶体结构对材料力学性能的影响。
晶体是由原子通过特定排列方式所构成的结晶体系。
晶体的结构决定了材料的硬度、强度等力学性质。
例如，在金属晶体中，晶粒的尺寸和形状对材料的强度产生显著影响。
细小而均匀的晶粒有利于材料的强度，因为小晶粒边界能够阻止晶体滑移，从而提高材料的抗变形性能。
相反，大的晶粒会导致晶界滑移，使材料的强度降低。
材料的晶体结构还与其断裂行为密切相关。
晶体中的晶面和晶界是裂纹扩展的路径，因此晶体结构的特点决定了材料的韧性和脆性。
例如，金属材料通常具有面心立方结构，这意味着其晶体内部存在许多滑移面，从而提高了金属的韧性。
与之相反，陶瓷材料具有离子结晶体系，容易出现断裂，因此具有较低的韧性。
除了晶体结构，材料的晶粒取向也对力学性能有着影响。
晶粒取向是指材料中晶粒的方向性分布。
例如，金属材料的晶粒取向对其塑性变形和断裂机制产生显著影响。
当晶粒取向较为均匀时，材料的韧性较高，因为晶界能够阻止裂纹扩展。
相反，当晶粒取向不均匀时，晶界会成为裂纹扩展的路径，导致材料的脆性。
除了晶体结构和晶粒取向，材料的缺陷结构也对力学性能有着显著影响。
缺陷包括晶界、位错、孔隙等。
在金属材料中，位错是材料中最常见的缺陷之一。
位错是由于晶体中原子的错位或滑移而引起的线性缺陷。
位错的形成和移动对金属材料的塑性变形和强度有着重要影响。
位错的密度和类型决定了材料的塑性变形方式。
缺陷还影响着材料的断裂行为。
例如，孔隙是材料中的局部应力集中区域，容易导致裂纹的扩展。
综上所述，材料的微观结构与其力学性能之间存在着密切的关联。
通过对材料的微观结构进行分析，我们能够更好地理解材料的力学性能，提高材料的强度、韧性等力学特性。
新材料中的微观结构与力学性能
新材料中的微观结构与力学性能材料的微观结构对其力学性能具有重要影响。
微观结构主要指的是材料的晶粒结构、相结构以及缺陷结构等，而力学性能包括材料的强度、韧性、硬度等方面。
本文将围绕这两个方面展开，详细探讨新材料中微观结构对力学性能的影响。
首先，材料的晶粒结构对其力学性能具有较大影响。
晶粒是由原子或分子排列有序而形成的，晶粒界面则是相邻晶粒之间的接触界面。
晶粒的尺寸、形状以及晶粒界面的稳定性等因素都会对材料的力学性能产生影响。
晶粒尺寸是指晶粒的直径或最大尺寸，晶粒尺寸的变化会对材料的强度、韧性和硬度产生影响。
通常来说，晶粒尺寸越小，材料的强度越高。
这是因为小尺寸的晶粒界面更多，可以有效阻碍位错的移动，从而增加材料的抗变形性能。
同时，小尺寸的晶粒界面也可以增加材料的韧性，因为界面上的能量耗散可以吸收外界应变能。
然而，当晶粒尺寸过小到纳米尺度，晶粒界面的影响会减弱，甚至成为材料的弱点，导致材料的韧性下降。
晶粒的形状也会对材料的力学性能产生影响。
比如，在一些材料中，以球状晶粒为主的晶粒形状会增加材料的韧性，因为球状晶粒的切削能量较高，有助于吸收外界应变能。
而板状晶粒则会增加材料的脆性，因为板状晶粒容易发生沿晶面的断裂。
因此，晶粒形状的优化可以通过控制晶化过程中的条件，调整形核速率和生长速率来实现。
晶粒界面的稳定性也对材料的力学性能产生重要影响。
当晶粒界面出现位错或各向异性时，其界面能量也会发生显著变化，从而导致材料性能的差异。
此外，晶粒界面的稳定性还与晶粒的取向和晶界的几何形貌有关。
例如，对于同一种材料，晶粒的取向和晶界的几何形貌都会影响其断裂行为，从而影响材料的韧性。
除了晶粒结构，相结构也对材料的力学性能产生影响。
相结构是指材料中的不同组分相互之间的分布和排列方式。
不同相之间的界面能量和相互作用力对材料的强度、韧性和硬度都会产生影响。
例如，在复相材料中，通过调节相之间的界面能量，可以实现材料的强韧化。
另外，相界面也可以起到位错屏蔽的作用，从而提高材料的韧性。
材料力学性能与微观结构的关系研究
材料力学性能与微观结构的关系研究材料力学性能与微观结构之间的关系一直是材料科学领域的研究热点。
通过深入研究材料的微观结构，可以揭示材料力学性能的本质，并为材料的设计与应用提供科学依据。
在材料科学中，微观结构是指材料内部的组织和原子排列方式。
不同的材料具有不同的微观结构，这决定了材料的力学性能。
例如，金属材料的微观结构由晶体和晶界组成，晶体内部的晶格排列方式决定了材料的硬度和强度，晶界则影响了材料的韧性和延展性。
材料的力学性能可以通过一系列实验测试来评估，例如拉伸、压缩和弯曲等力学试验。
通过这些试验可以获得材料的强度、硬度、韧性等性能参数。
同时，还可以通过电子显微镜、X射线衍射等技术手段观察材料的微观结构。
通过对材料力学性能与微观结构之间的关系进行分析，可以揭示出材料的力学性能与微观结构之间的相互作用机制。
以金属材料为例，金属的晶体结构是由原子排列成周期性的晶格所组成。
晶格内部的原子排列方式决定了晶体的性质。
例如，金属中的原子通常以紧密堆积的方式排列，这种排列方式使得金属具有良好的延展性和导电性。
而当应力作用于金属材料时，原子之间的键结构会发生变化，导致材料发生塑性变形。
通过研究材料的微观结构和力学性能之间的关系，可以了解金属材料的塑性变形机制，从而为金属材料的加工和应用提供指导。
除了金属材料，其他材料如陶瓷、聚合物等也具有不同的微观结构和力学性能。
陶瓷材料的微观结构由晶粒和晶界组成，晶粒内部的结构和晶界的类型决定了陶瓷的硬度和抗压强度。
聚合物材料的微观结构由聚合物链和交联点组成，聚合物链的排列方式和交联点的数量决定了聚合物的强度和韧性。
通过研究这些材料的微观结构与力学性能之间的关系，可以为陶瓷和聚合物材料的设计和改性提供理论基础。
随着材料科学的发展，人们对材料力学性能与微观结构之间关系的研究越来越深入。
现代材料科学已经发展出一系列先进的实验和理论方法，如原位观察技术、分子模拟和有限元分析等，可以更加精确地研究材料的微观结构与力学性能之间的关系。
材料宏观力学参数
材料宏观力学参数
材料的宏观力学参数主要包括以下几种：
1.屈服点（бs）：材料在屈服阶段中抵抗微量塑性变形的应力值。
2.抗拉强度（бb）：材料在拉断前承受最大应力值。
3.延伸率（δ）：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。
4.断面收缩率（Ψ）：材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。
5.冲击韧性（Ak）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米2(J/cm2）。
6.弹性（σe）：εe=σe/E。
这些参数可以通过相应的试验设备和仪器测出，是设计各种工程结构时选用材料的主要依据。
各种工程材料的力学性能是按照有关标准规定的方法和程序测定的，而表征材料力学性能的各种参量同材料的化学组成、晶体点阵、晶粒大小、外力特
性(静力、动力、冲击力等)、温度、加工方式等一系列内、外因素有关。
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铁电与压电材料
电致伸缩效应
极化
应变
需要大的介电常数
铁电与压电材料
电致伸缩效应
PMN 陶瓷
Sundar and Newnham (1992)
应变导致电极化
电致伸缩效应存在于各种绝缘材料中 但一般都不强烈
铁电与压电材料
微观机制
电荷分离
铁电与压电材料
压电效应 • 在外加电场下，材料会产生线性形变(正 压电效应) • 外加机械应力下，材料也会产生线性的 电压或电荷(逆压电效应) • 极化是线性的, 主要取决于材料的极性
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
微观机制
铁磁记忆合金中的马氏体相具有孪晶结构是变形机制的最优取 向
马氏体相具有高磁晶化各向异性: 马氏体磁化方向完全由具体 的结晶方向确定
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
微观结构
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
微观结构
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
微观结构
铁电与压电材料
• 电致伸缩效应
• 陶瓷中实际的饱和应变和极化要远低于理 论估计值
• 有效压电模量
铁电与压电材料
极化
铁电与压电材料
应用
• 振动控制
• 变频器 • 远程位置调节器
• 微机电系统
铁电与压电材料
铁电材料:是一类具有自发极化，且极化方向在电场作用
下可以反转的材料。
• 自发极化 • 居里温度
电滞回线
铁电与压电材料
铁电变体
形状记忆合金
晶体结构
孪晶
形状记忆合金
相变
在没有加载的情况下， 通过冷却，材料可以从 奥氏体转变成孪晶马氏 体 应力诱发马氏体发生逆 相变导致材料转变成奥 氏体
应力诱发马氏体形状不变
形状记忆合金
奥氏体/马氏体界面
界面连续 无宏观应变
形状记忆合金
形状记忆功能
低温下如果对孪晶马氏体施加外力可使其变成变形马氏体 临界载荷以上, 材料保持塑性变形 随后对材料进行加热时,如果温度超过奥氏体转变终了温 度会导致逆相变并恢复材料原形
铁电与压电材料
现象
铁电与压电材料
压电晶体
T>Tc
T<Tc
铁电与压电材料
PZN-PT & PMN-PT
铁电与压电材料
PZT 陶瓷
E 未极化的各向同性材 料, 非压电体
极化的单轴 压电体
• 纯 PbTiO3 和 PbZrO3 很难极化,需要大电 场才能极化，且容易产生裂纹
• PZT 陶瓷在相变边界附近很容易极化
分类
形状记忆合金
磁致伸缩材料和铁磁形状记忆合金
形状记忆合金
• 形状记忆效应和超弹性
• 微观机制和微观结构 • 应用 • 优缺点
形状记忆合金
形状记忆功能
超弹性
形状记忆合金
应力-应变关系
形状记忆合金
超弹性
加热和冷却过程中相变都出现滞后效应, 但是加热和冷却过程不重叠
形状记忆合金
微观机制 • 形状记忆合金(SMA) 加热温度超过一定温度时形状记忆合金能明显恢 复永久的应变. 形状记忆合金有两个稳定的相 ：高温相叫奥氏体, 低温相叫马氏体 马氏体两种形式存在: 孪晶 和变形孪晶 加热和冷却过程中，发生在马氏体和奥氏体之间 的相变是形状记忆合金具有独特性质的基础 形状记忆合金和相变相联系的主要功能是赝弹性 和形状记忆功能
伸长
倒塌
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
铁磁记忆效应
• 在外加磁场的作用下铁磁记忆合金通过孪晶边界的运 动表现出磁致伸缩效应 • 和传统的形状记忆合金一样,在材料的四方马氏体相中 产生应变,不发生相变
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
细观机制
NiMnGa
对铁磁记忆合金施加一个磁场可能会引起合金形状的变化 由于铁磁记忆合金可能实现相对较高频的驱动,这种类型的材 料具有比形状记忆合金作用效率更高
智能材料简介
智能材料概念
智能材料:能感知环境的变化,并能对这些变化作出响应的材 料
温度变化 电场 磁场
尺寸变化 导电性 粘性
智能材料简介
致动器和传感器
致动器: 通过适当的响应表现环境的变化
传感器: 探测环境的变化
智能材料简介
有效控制振动
监测健康/治疗
智能材料应用
人造肌腱/皮肤
微机电系统 生物医学应用
T<Tc
铁电与压电材料
机电耦合
实现机械能和电能之间的相互转变
铁电与压电材料
畴的演变
T<Tc
电致伸缩、铁电和压电材料比较
• 电致伸缩材料: 应用广泛 • 压电材料: 非中心对称
– 21种非中心对称晶体结构中只有1种不是压电 晶体
• 铁电材料
– 极化取向能发生翻转
形状记忆合金
宏观和细观观点图
形状记忆合金
宏观和细观尺度图
单程形状 记忆效应
双程形状 记忆效应
形状记忆合金ຫໍສະໝຸດ 形状记忆效应的微观机制形状记忆合金
应力的作用
在材料冷却过程中对奥氏体相施加外力,会发生相变形成 变形马氏体,能观察到巨大的应变 (5-8%) 重新对材料进行加热,材料将完全恢复原形 相变温度与所加载荷的大小密切相关.
智能材料简介
活性材料结构
双压电陶瓷 感应电极 探测位置和方向 定位电极 移动磁头 磁头定位
智能材料简介
振动控制器
传感器: 感知路面振动情况 致动器: 驱动水力系统使运动停止，应用在直 升飞机的叶片和F-18战斗机的双尾翼 ，易控制 频率
智能材料简介
智能材料分类
电活性聚合物和复合材料
铁电和压电材料
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
磁致伸缩效应
1890 年Bidwell测量的镍丝受拉应力 状态的磁致伸缩效应
铽镝合金在室温受压应力状态下的磁致 伸缩效应和磁化率
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
细观力学
磁矢量/磁畴的旋转
预加载应力提高磁化强度
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
细观机制
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
铁磁记忆合金
第十章
智能材料力学性能
章节大纲
智能材料简介 形状记忆合金 磁致伸缩材料与铁磁记忆合金
铁电与压电材料
智能材料简介
• 材料的发展历史
• 智能材料的概念 • 智能材料的应用 • 智能材料分类
智能材料简介
材料的发展历史 • 天然材料: 石头、木材等 • 各向同性材料 – 均匀化 : 铁、钢、 铜等 • 各向异性材料 – 非均匀化: 复合材料、半导体材料 等 • 多功能材料 – 活性材料、机敏材料、智能材料、自 适应材料等
• 此外, 体积变形很小.这一结果继19世纪50年代Joule发现 磁致伸缩之后已经得到了证明
• 19世纪60年代A.E. Clark 和其他人在稀土合金中发现了巨 磁致伸缩现象是磁致伸缩材料的里程碑 • 发展的顶峰是发现了由铽、镝和铁形成的合金在室温下具 有很大的磁致伸缩效应,但是其应用领域狭窄.
优缺点
• 优点 – 兼容性好 – 应用在各个不同的领域 – 良好的机械性能: 强度高, 抗腐蚀 • 缺点 – 价格昂贵 – 抗疲劳性能差
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
• 磁致伸缩效应
• 铁磁记忆合金
磁致伸缩材料和铁磁记忆合金
磁致伸缩材料
• 磁致伸缩材料是指那些由于材料中磁化状态的改变而发生 变形的材料 • 在多数普通材料中,如镍、铁、钴磁化方向长度的变化在 一万分之一数量级.
形状记忆合金
超弹性
形状记忆合金
热收缩塑料套道
医疗设备
生物微机电系统等
应 用 领 域
服装
可展开空间结构
形状记忆合金
具体应用 • 自由恢复 – 宇航天线 – 凝结血栓过滤器 • 强制恢复 – 液压管接头 • 强制致动器 – 防火安全阀 • 比例控制 – 流体阀 • 超塑性 – 眼镜架
形状记忆合金