材料科学与工程专业外语翻译 12章.docx

1、材料科学与工程专业外语翻译 12章热性能指的是材料受热时的响应，研究材料的热性能是非常重要的。通常情况下，固体以热的形式吸收能量，它的温度和尺寸都会增加。如果存在温度梯度能量就会传输到工件上温度更低的区域，最终工件会熔化。在使用实际应用中，热容，热膨胀和导热性通常是很关键的。本章的目的就是描述先前从未接触过的重要的材料热性能。特别的，我们讨论热膨胀，热容和导热性对材料的综合影响。和以往一样，我们着重强调在这些性能和原子组成结构的关系。最后，我们描述材料的热传导机理和热应力。当材料被加热的时候，固体中原子的平均热能就会增加。大约一半的能量用于增加原子的势能，另一半用于增加原子的平动能和振动能。原

2、子的振动产生振动波束也叫做声子会沿着固体传播。由于能量是量子化的，只需通过改变原子的数量就能改变声波的能量。因此声子的能量是量子化的并与振动原子的波长有关，在公式中 是代表振动频率。我们将会看到原子的振动对于理解材料的热性能的物理机理是非常重要的。绝倒多数材料在加热时会膨胀，冷却时会收缩。线性热膨胀系数是表征材料随温度的变化而膨胀或收缩的参数。线性热膨胀系数通过公式来定义。公式中热应变是由温度的变化引起的。我们知道原子得到热能，其振动就会加剧。由于键能曲线是不均匀的，相邻原子之间的平均间距会随着温度的增加而增加。除了长度改变外，人们也会对固体体积随温度变化而变化感兴趣。通过义体积热膨胀系数，我

3、们能得到下面这个方程。其中 是初始体积， 是由温度变化所引起的材料体积的变化。对于各向同性的固体而言，体积热膨胀系数和线性热膨胀系数的关系是 。然而我们也应该意识到并不是所有材料都是各向同性的。讨论到现在我们也许会得到错误的结论 的图像是温度的函数，这个图像是 通过 给予的斜度产生的一条直。图9.1中展示了来自这种行为的某些误差展示了一些 的突然变化，这一温度变化与二氧化硅的晶体结构有关。该临界温度是材料发生多晶体相变时的温度。然而，即使对于单晶材料，也能经常观察到来自应变随温度变化而变化行为的误差。就像图9.1b中那样许多陶瓷中也有不恒定 值。我们也该注意到熔融的石英在图中展示的整个温度范围

4、内 值接近零。因此，我们应该知道方程9-1只是在相对较小的温度范围内才成立，在选用手册中的 值进行计算的时候必须注意这个问题。根据原子键合的特点，合理的归纳几种不同类别的材料的 值是可能的。例如，由于热塑性塑料聚合体链之间缺乏主价键连接，这些材料就表现出相对较高的 值。相反，网状聚合体在未拉伸状态下的 值较小。晶体材料中，金属具有最大的膨胀系数值。然而，这些值通常低于绝大多数聚合体材料的值。许多陶瓷晶体比金属晶体更松散。因此，一些原子的振动就能够在没有膨胀的情况下发生。所以，通常情况下，陶瓷晶体有比金属晶体更低的 值。非晶体结构的陶瓷材料的 值变化范围很大。玻璃的膨胀行为是一个与其成分和热过程

5、有关的复杂函数。 材料的热容C是一摩尔的材料升高一度所需要吸收的热量。数学表达式为C=。在这个公式中dQ是让材料升高dt的温度所需要的热量。为了大体上获得理论上的热容值不需得到表达式dqdt的值。经典的热力学计算表明一个原来在温度t下的固体状态所获得的三维方向的热能通过下式给出。Q=。在这里k表示波尔斯曼常数，na表示阿伏伽德罗常数。通过关于温度的微分我们发现。这里R是气体常数，其值为8.1314。公式9-6就是有名的。公式。这个简化的表达式是在等体积上加热的。此外，在等式9-6中的热容是指C，并且另一种是热量在常压下被加到固体上。相应的热容c就会变大，因为固体体积在常压下变大需要额外的热量。

6、Cv和Cp的不同是，随着温度的升高并且只有在接近晶体固体融化或者在无定形固体在玻璃态转化的时候是重要的。 单位质量的热熔叫做材料的比热。我们用大写字母C表示比热，用小写字母c表示热熔。恒压下比热的数值Cp是通过实验数值给出的。与热熔类似，Cv和Cp的不同可以被忽略。通过实验数值我们能够得到比热Cp和理论估计值Cv之间可以通过下式计算。注意的是热熔和比热都是物质固有的性质。相似的非固有的性质叫做热电容，Csh，通过固有的性质Cv和材料的质量M相乘得到。这里p是材料的密度，V是体积。热容是指让物质升高一摄氏度所必须的热量。热电容是一个应用中的设计参数，其中温度变化相对于时间的速率dTdt是很重要的

7、。如果其他的变量都是常数，一个系统中温度转化的最大速率反比与热电容。此外，当需要温度快速变化时，低Cth的材料更好。例如，多空的陶瓷耐火材料比同种材料的固体砖块材料在填充熔炉是更合适，因为他们的低的热电容允许更快的冷却和加热速率。通过实验我们知道多空材料能够有更好的保热性。在设计集成电路时的一个问题是在耗能电子元件中电阻的加热会造成温度的升高。当电流通过元件，热量耗散。Q可以通过下式计算。这里Q是以焦耳为单位的。I是以安培为单位的，R是电阻以欧姆为单位。这个过程产生的热量可能是很大的。如果热量不能够被耗能元件临近的散热元件通过物质带走，它能够引起元件温度的升高和相应的性能的下降。 尽管炊具都能

8、用金属制造出来，但是许多金属器皿仍然有用木头或塑料做的手把。为什么要进行这种设计上的修改呢？当你握着厚厚的金属手把拿起一个被加热一段时间的很重的盘子的时候，你就知道答案了金属手把变得很烫了。相反，塑料手把并不会把热量从热源传到你手上，所以即使盘子变热了手把仍然是冷的。在这个部分，我们将会解释原子结构与材料热传导能力之间的关系。由于温度梯度引起的热能通过固体物质传导类似于由于浓度梯度引起的原子扩散。热传导的方向是从高温区向低温区（即温度梯度降低的方向），描述一种材料的热传导能力的参数是热导率。温度梯度和热导率K之间的关系类似于5.4部分的扩散方程考虑到图9.2中展示的热流问题，温度梯度和热导率K

9、之间相关的方程是。在方程中 是单位时间内面积为A的平面所传导的热量。K的单位是 或 。方程910表明单位时间单位面积内的热流正比于温度梯度，并且比例常数是热导率。热能传过一种材料可以通过两种机制晶体震动（声子）或者是自由电子的运动。因此，最简单的模型是K=Kp+Ke,Kp代表声子的作用，Ke代表电子的作用。这两种机制的相对重要性主要取决于材料的电子键合结构。当材料中部分价键填充的时候，热传导主要取决于自由电子的运动。小键长材料例如半导体中，两种机制的作用都很显著，然而大键长材料例如金刚石主要是声子机制。方程9-2表明在稳态条件下唯一影响热传导的与材料有关的参数是热导率。然而在非稳态条件下，情况

10、就变得稍微复杂一些。不加推导引出的决定方程是值 。在方程中，Dth是称为热扩散系数的材料性能。毫无疑问，这个与时间无关的热传导方程等同于第5章提到的与时间无关的扩散方程。Dth可以定义为更加基本由K和Cp决定的热参数。在方程中 是材料的密度。使用前面的两个方程的时候，Dth的单位是 。注意这些单位与扩散系数D的单位相同。由于高的Dth值意味着当温度急剧变化的时候材料能够迅速作出响应，因此在工程实践中，在温度梯度非常重要的场合热扩散也许是最重要的设计指标。在前面部分介绍的热容的作用是什么呢？方程9-13表明Dth确实含有Cth的概念，因此影响材料单位质量热容的决定因素是非常重要的。对于快速的热传

11、导，重要的不仅是低的热容还有高的热导率。你有过从洗碗机中取出过热的杯子并倒上冷饮料使玻璃杯破碎？你有过把吃剩的东西放在玻璃盘子里面存放在冰箱并把盘子直接放在热火炉上使盘子破裂吗？这是两个由热应力引起的材料失效的例子。当靠近熔炉的冷却水管出现裂缝并把冷却水喷到熔炉内衬的时候，由热应力引起的材料失效在工业生产中也许会发生。在这部分我们描述热应力形成的机理并讨论如何选择材料以减少由热应力引起的材料失效。对于有着非零值的材料，温度的改变会引起材料空间尺寸的改变叫做热应变。在特定的情况下热应变会反过来产生一个热应力，当这个热应力达到较大的量级的时候便会引起材料的失效。考虑到在图9-3中展示的情况。在这个

12、图的a部分，一根不收约束的原长为L。的长条状材料伸长量为*L=。在这个图的b部分，相同长度的长条状材料被约束住以致不能够伸长当温度升高*T的时候。为了使长条状材料上总的应变为零，热应变必须通过一个相反方向的机械应变m来平衡，这个机械应变有相同的数值但是方向相反。用数学表示为。在这种特殊的情况下我们可以得到和如果应变是足够的小以致于变形是弹性的，我们就可以发现。另外一种形式的热饮发的应力发生在当两种有着不同热膨胀系数的材料被紧固在一起时。这种情形在图9-4中展示出来。孤立的A和B将会分别发生大小为和的热应变。然而当快速的连在一起，A的应变将会和B的应变相等。因此，必须有一个额外的机械应变在两个棒

13、材上发生通过假设弹性变形和在接口处用一个力平衡，这个等式可以用来决定每一个棒材的热变形。这种形式的热应力通常发生在两种复合的材料中。例如，层状的电子设备将会因为热应力的不协调而失效。印刷电路板，还有集成电路，是由导电的金属和不导电的陶瓷或聚合物组成的几层。不同金属的热膨胀系数不同，导致力的产生在织构处，并且会进一步发展在使用过程中。应变的数值可以用下式估算。由于错位引起的力可能引起电路板翘曲或层与层间失去胶合。相似的影响也会在其他的异种材料结合和材料中出现。需要注意的是当系数吻合的时候没有压力会产生。微应力也会在单相多晶材料中产生由于晶体的各向异性。这个问题在陶瓷中尤为严重。作为最后一个产生热

14、应变的机制，考虑到9-5中展示的那样。这种情况下，一个热的固体被用冷水喷洒。如果表面裂纹出现，潜在的脆性失效就将存在。这种现象叫做热冲击。几种材料性能有助于抵抗热冲击失效。首先，由于热应力的值与成比例，小的数值将会帮助最小化这个问题。其次，热应力的根源是式样厚度方向的温度梯度。因此，梯度的数值与式样的热应变成反比关系，比较大的K值是好的。第三，材料失效当断裂应力，通过定义的，超过极限。因此，在候选材料中选择材料应用并且这种场合抵抗热冲击的能力是相当重要的，那么就必须选择有着最高比例的材料。 十二章 在决定材料的加工和其可能的实际应用的时候，材料的机械性能，包括强度，刚度和延展性都是非常重要的。

15、许多材料服役的时候，都要承受力或者是载荷的作用。例子包括制造飞机机翼的铝合金和制造汽车车轴的钢。在这种情况下了解材料的特点并在设计的时候确保不会有过量变形，不会发生断裂是必须的。一种材料的力学行为反应了材料在受到载荷或力的作用时应力和应变之间的关系。材料重要的机械性能有强度，刚度，塑性和硬度。 材料的机械性能可以通过开展有计划的实验来测定，而这些实验都能尽可能模仿材料的服役条件。需要考虑的因素包括载荷的特征和持续时间以及环境条件。材料受到的载荷可能有拉伸，压缩，剪切。载荷的大小可能恒定也可能随着时间而变化。材料的使用时间可能只有几秒也可能持续几年。服役温度也是一个很重要的因素。不同的利益集团关

16、注材料的机械性能的不同方面。在测试材料机械性能的试验中和解释实验结果的时候，有一致性是非常重要的。通过使用标准的测试技术就能够保证这种一致性。这些标准的制定和发表是有专业机构合作完成的。在这本书中，所有的材料测试标准都参考美国试验材料学会。结构工程师的任务就是计算有清楚界限构件内部的应力和应力分布。通过试验技术测试和理论应力分析能够完成这个工作。这些规则可以用传统的应力分析和材料强度测试来探讨。 另一方面，材料和冶金工程师是通过制造和加工材料来满足通过应力分析得出的服役要求。这涉及到要了解材料的微观组织结构与其力学性能之间存在的关系。通常情况下，由于材料拥有人们需要的机械性能特点的组合，所以我

17、们就选择材料用于结构应用。现在的讨论主要限制在金属的力学行为。高分子和陶瓷在很大程度上与金属的机械性能不同，所以要分开讨论。这一章节我们讨论金属的应力应变行为和相关的机械性能并考察其他重要的力学特点。材料微观变形机理的讨论，金属的强化以及金属机械性能的控制的讨论在下一章进行。12.2应力和应变的概念 如果一个载荷是静态的或者是随着时间变化很缓慢并且一直加在构件的横截面或者是表面处，那么机械性能就可以通过简单的应力应变测试确定，这是在室温下确定大多数材料的手段。加载主要有三种形式：即拉伸，压缩和剪切。在工程实际中许多载荷都是扭转而不是单纯的剪切；这种形式的加载在图12.1d中表明。12.2.1拉

18、伸试验一种最常见的机械应力应变测试是拉伸试验。正如将要看到的那样，拉伸试验可以用来确定材料的几种性能，这几种性能在设计中是相当重要的。一个式样被用一个逐渐增加的轴向拉力来拉伸，通常到拉断为止。一个标准的拉伸式样在图12.2中展示出来。通常式样是圆形的，但是矩形式样也会使用。在试验中，变形被限制在中间一个窄的区域内，这里在长度方向有着相同的截面。标准的直径大约是12.8mm，然而缩小的区域的长度应该最少为直径的四倍：60mm通常为。标称长度被用在延展性计算中，正如12。3节讨论的那样；标准值是50mm。式样从两端夹紧在试验机上。拉伸试验机是设计来在恒定的速率下拉长，并且连续不断的同时测量瞬时的载

19、荷和引起的应变。一个应力应变试验通常需要几分钟完成，并且是破坏性的；也就是说试验式样通常是永久变形并且拉断。拉伸试验的结果会被记录在带状记录纸上作为载荷或者力和拉长的关系。这些加载变形特性取决于式样的尺寸。例如，需要两倍的载荷来产生相同的伸长如果试验的横截面积加倍。 为了使几何学的因素影响最小化，载荷和伸长被标准化为设计应力和设计应变的参数。设计应力通过下式的关系标明：*在这个式子中F代表施加在垂直横截面的瞬时载荷，以N或者lb，并且A。是在加载之前的初始面积。设计应力的单位是兆帕（mpa），或者是psi。设计应变是通过下式定义：*，在上式中l。代表加载前的初始长度，并且li瞬时长度。有时li

20、-l。的量也被表示为l，并且是变形长度或者长度变化在某个瞬时的值。设计应变是无量纲的量，但是m/m或者寸每寸通常被使用，应变的值与单位制无关。有时应变也被表示为一个百分数，在这里应变的值被乘了一个100.12.3 有一些材料的应力应变曲线初始的弹性部分不是线性的；因此，像上述那样确定弹性模量就是不可行的。对这些非线性行为，正切模量或者正割模量就被使用了。正切模量是在一些特定应力水平的应力应变曲线的斜率，而正割模量代表了从开始到*曲线给定的点处的斜率值，这些模量的确定在图12-5中展示。在原子尺度上，宏观的弹性变形表现为原子间距的变化和原子键的拉伸。结果是，弹性模量的大小作为衡量连接的原子抵抗分

21、离的能力，也就是说，原子键作用力。此外，这个模量是与原子间作用力与分离曲线的斜率成比例的,在均衡空间上：*陶瓷材料的弹性模量的数值明显的高于金属；而对于复合材料，弹性模量则更低。这个不同的直接原因就是这三种不同的材料中的原子结合不同。此外，随着温度的升高弹性模量的值减少。正如所预料的那样，压应力，剪应力和扭转应力的施加引起弹性变形。在较低的力作用下的应力应变特性对拉和压的情形都是相同的，包含了弹性模量数值的大小。剪应力和应变互相成比例通过表达式*表示。这里G是剪切模量，剪切应力应变曲线线性区域的斜率。123.2 滞弹性一直到此，我们假设弹性变形和时间无关，也就是，施加的应力产生了即时的应变，并

22、且这个应变保持不变在压力施加的这一段时间。我们还假设一旦载荷释放应变马上完全恢复。也就是说，应变立即变为零。然而在大多数的工程材料中，也有一个和时间相关的弹性应变部分。也就是说，在应力加上以后弹性变形将会持续，并且在去掉载荷以后需要一段时间完全恢复。这个和时间相关的弹性变形就叫做滞弹性，这是因为时间相关的微观和原子尺度的过程是伴随变形过程发生的。对金属来说，滞弹性变形的成分往往很小并且通常被忽略。然而，对于一些聚合物材料而言它的大小是明显的，这种情况下被称作是黏弹性行为。12.3.3材料的弹性性能当一个拉应力施加在金属试样上时，一个沿应力施加方向的弹性伸长和伴随的应变将会产生，如图12.6中展

23、示的那样。由于伸长的存在，将会有一个垂直于应力方向的横向的压缩；压应变*和*将会由这些压缩所确定。 如果加载是沿一个轴向的，并且材料是各向同性的，那么*=*。泊松比这个参数被定义为横向应变和轴向应变的比值或者是*。负号包含在表达式里因此v总是正的，然而*和*通常是符号相反的。理论上，各向同性的材料的泊松比应该是1/4，此外泊松比的最大数值是0.5。对一些金属和合金来说，泊松比通常在0.25和0.35之间。对各向同性的材料，剪切模量和弹性模量是相关的并且和泊松比有一下关系：*。在大多数金属中G大约是0.4倍的E；因此，如果一个模量已知那么另一个模量就可以估算了。大量的材料是弹性各向异性的，也就是说，弹性性质因结晶方向的不同而变化。对这些材料来说，弹性性能被表征仅仅是通过几种弹性常数，他们的数值取决于晶体结构的特性。甚至是对各向同性的材料，要想完全的表征材料的弹性性质，至少有两个常数必须给出。因为在多晶体材料中晶体的方向性是任意的，这些材料就可以看做是各向同性的：无机陶瓷玻璃也是个各向同性的。剩下的机械性能的讨论中假设材料是各向同性和多晶性的因为这个是大多数工程材料的特点。