新型材料力学总结..doc

新型材料力学总结 作者：18楼小豆五 提交日期：2008-1-10 14:32:00 新型材料力学总结上交一个报告这样的考察方式的确是一个很好的想法，一来没有考试上的压力，二来可以自由发挥总结一下自己的心得体会。借上交新型材料力学报告的机会，我对材料的各个方面进行一番大概的概念上的了解，主要是参考一些概论性质的书籍，从中得到一些最基本的概念。不仅材料的性质有许多方面的内容，单是其力学性能也包括各个方面的影响因素。有宏观的、微观的、细观的、纳观的，物理的、化学的、量子的考虑，有材料的组分、制备工艺、后处理、使用环境等的考虑。用于处理微观尺度的最基本的模型，材料的原子结构起了明显作用，主要用于凝聚态物理和量子化学。用于处理微米尺度的连续介质模型，在比较唯象的层次上进行分析时，不需要跟踪个别原子的位置，只需进行局部平均处理，且假定从原子尺度观察这些量时其变化极其缓慢。在宏观尺度上材料的总体性质作为制造、使用过程的定量模型，用于材料性质的最优化和由原材料变为有用制品的整个加工过程的最优化。我将分别从这些角度对影响材料力学性能的各个方面的相关内容进行一些粗浅的小结，以期获得一些最基本的常识，为今后更进一步的理解打下一个初步的基础。1 材料的结构材料的结构指的是材料的组成单元（原子或分子）之间互相吸引和互相排斥作用达到平衡时的空间分布，从宏观到微观可分为不同的层次，即宏观组织结构、显微组织结构、微观结构。宏观组织结构是用肉眼或放大镜观察到的晶粒、相的集合状态。显微组织结构或称为亚微观结构是借助光学显微镜、电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构，其尺寸约为10-7-10-4m。比显微组织结构更细的一层结构即微观结构包括原子及分子结构以及原子和分子的排列结构。因为一般的分子尺寸很小，故把分子结构排列列为微观结构。但对于高分子化合物，大分子本身的尺寸可达到亚微观的范围。1.1 化学键在材料的组成单元中，各个原子通过化学键结合在一起组成固体材料。各类材料，当键和方式不同，如为离子键、共价键、金属键或氢键时，便具有不同的结构和性质。因此，金属材料、无机非金属材料、高分子材料的差异本质上是由不同的元素、以不同的键和方式造成的。几乎所有的元素都能以一定的方式结合构成物质。同一种或不同种类的原子通过化学键（离子键、共价键、金属键或氢键）结合在一起构成物质的分子。实际上，有的材料并不是由单纯的一种键构成的，可同时兼有几种键，如许多无机非金属材料的键性就是混杂型的，大多是离子键、共价键及金属键相互的杂交。下面介绍这几种键型。1.1.1 金属键金属原子形成金属晶体时，每个原子都提供少数价电子，作为自由电子，共用于整个晶体，这种自由电子构成金属键，把各个原子吸引在一起，成为金属晶体，其特点是具有键的作用的电子并不固定在一定的原子上，而是多少可以在金属格子（有阳离子排成的有序晶格）之间自由活动。格子由离子化了的金属原子构成，电子就起到将它们结合成键的作用。这种键具有无方向性的球对称性质。金属的高导电率和高导热率都是由于金属中自由电子运动的结果。此外，自由电子能够吸收所有波长的能量，从而也解释了金属对光的非透明性；而这一吸收能量的辐射，又同样解释了金属表面的高反射性。1.1.2 离子键离子键是由原子释放出最外层的电子变成带正电荷的阳离子，同时能够接受其放出的电子的原子变成带负电荷的阴离子相互之间作用的吸引力（库仑力）所形成的一种键合。这个引力同邻近的所有其他原子都相互发生作用构成一个整体。离子键是化学键中最简单的类型，因为在本质上，它完全可以归结为静电力。一般由于形成离子键的静电力来自于离子的过剩电荷，晶体中离子的电子云密度分布应该是对称的，通常不应该产生变形。因此离子键具有饱和性和无定向性的特点，这也是离子化合物具有配位数高、堆积致密的一个重要原因。1.1.3 共价键共价键是由两个原子共用最外壳层电子的键合。这时参与键合的两个原子相应轨道上的电子（各有一个）的自旋方向必须是相反的。其强度随着参与键合的电子数的增多而增强。共价键最简单的形式是单价共价键，出现在H2分子中。另一些元素组成的分子如N2，O2等也可以和H2形成共价键。另外一类共价键称为配位共价键，其特点是形成的共享电子对全由一个原子提供。所有的非金属原子，除了惰性气体外，一般都倾向于形成共价键。共价键形成时，由于能量上的原因，总是会选择在合适的方向上成键，这就是共价键具有方向性的原因。此外，由于共价键来源于电子共享，因此原子形成共价键的数目必然要受到其电子结构的限制，这就是共价键具有饱和性的原因。由于共价键的上述本质