【材料课件】固体界面行为.ppt
《【材料课件】固体界面行为.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《【材料课件】固体界面行为.ppt(113页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、1.4 固体界面行为,一、表面与界面的概念,通常把不同形态或不同种类的两种物质之间的交界面叫做界面。三种基本形态的物体之间存在着以下几种界面组合: 固固、固液、固气 液液、液气 习惯上我们把固气、液气界面叫做固体或液体的表面。,本体相:物体的内部 表面相(界面相):处于物体表面的部分,具有本体相所没有的表面能。 处于材料表面层的分子状态与其内部相比有所差异,同时某种材料与其他物质之间的化学反应(例如氧化、腐蚀等)都是从表面开始进行的,所以研究材料的界面行为非常必要,为了研究方便,一般将物体分为本体相和表面相。,比表面积:材料所具有的表面积与其质量之比(单位:m2/kg)。 比表面积与构成材料的
2、微粒的大小和形状都有关系。增加材料的比表面积,实际上就增加了材料的表面相成分,同时也就增加了材料的总能量和反应活性。,二、表面能与表面张力,以水为例,处于本体相中的每个分子周围都存在着一个对称的力场,而处于表面相的分子则受到指向本体相的力的作用,即表面相的分子有回到本体相中去的趋势。,水的本体相,空气,水的表面相,由以上例子可以看出,如果将本体相的分子移到表面,增大体系的表面积,需要克服本体相的其他分子对该分子的吸引力,而对体系作功。而所作的功将转变为成为表面相的分子比本体相分子多余的自由能。 即:处于表面相的分子具有比本体相的分子多余一定的能量。,在恒温、恒压及组成不变的条件下,使体系增加单
3、位表面积时所作的功叫做表面能(或表面自由能), 单位:J/m2(焦耳/米2), 或erg/cm2(尔格/厘米2)。,表面能的概念,让我们来考察液气界面,我们经常可以看到树叶、或油漆等物质的表面存在着的小水滴呈球形。这是由于沿着与液面相切的方向,存在着一种力图使水滴的表面积缩小的力,该力称为表面张力。 单位:N/m(牛顿/米), 或dyn/cm(达因/厘米)。,表面张力的概念,在液体状态下,表面能与表面张力具有相同的量纲,且在数值上是相等的。 下面通过一个液膜扩展试验来说明这个结论。,液膜扩展实验,在一边可动的框架上张上一肥皂液膜ABCD,如果不考虑重力的作用,在可移动的CD线上施加一外力F,使
4、CD移动到EG的位置,这时它们将达到一个新的平衡状态。,x,表面张力垂直地作用于CD,指向表面内部。而液膜有上下两个表面,所以将CD边移到EG位置所施加的外力为F=2L,所以表面张力:,同时外力所做的功为:,式中,A是液膜由CD移动到EG时,所增加的表面积,由以上公式可得表面张力:,根据定义,在温度、压力及组分不变的条件下,每增加一个单位面积的新表面时所需要做的功为表面能。所以上式中的的计算值也就是表面能。,对于液体,因为液体不能承受剪应力,外力所做的功表现为表面积的扩展,表面能与表面张力在数值上是相同的。而对于固体,因为能承受剪切应力,外力的作用除了表现为表面积的增加外,有一部分变成塑性变形
5、。因此固体的表面能与表面张力其值是不等的。,三、吸附、粘附与润湿,吸附:处于固体或液体表面相的原子或离子,吸引相邻物体的原子、离子或分子的现象,叫做吸附。 吸附现象使处于表面相的分子表面被相邻物体的粒子所覆盖,形成吸附膜,使体系的表面能下降,所以吸附是一个自发的过程。,吸附膜对材料性能的影响,1. 降低固体的表面能,使之较难被润湿,从而改变了界面的化学特性; 2. 显著降低材料的机械强度; 3. 使粘附作用减弱,可调节固体间的摩擦和润滑作用。,润 湿:当液体与固体的表面相接触时,也能使固体的表面能降低,这种现象称为润湿。 润湿的程度与液体与固体的表面张力有关,通常用接触角表示。 将一种液体的液
6、滴,滴在固体的表面上,形成固液气系统。滴在不同的固体上,系统平衡时液滴可能出现三种不同的情况。,(a),液体,固体,固体,(b),蒸汽,液体,固体,(c),液体,蒸汽,蒸汽,液滴在平滑的固体表面上的接触角,润湿角:指液体表面张力LV和固液界面张力SL之间的夹角 。 固气界面张力SV是力图把液体拉开,掩盖固体表面,使表面能得以降低;而液体的表面张力LV 和固液界面张力SL 是力图使液体成为球形。当平衡时,在三个相的交点A处,作用力应达到平衡,即有下式:,SV = SL + LV cos ,或者,各界面张力与润湿角的关系,()如果SVSLcos0, 90,固体不被液体润湿,图(c)。,自由铺展现象
7、一旦发生,固体表面减小,液固界面增大,这时保持铺展继续进行的条件为:,SVSLLV,研究材料的润湿现象的意义,()如果某种固体材料的润湿角 90,则材料不能被液体润湿,称为憎水性材料。 材料的亲水性或憎水性决定了结构体在使用过程中是否吸水或吸潮。,工程中使用的固体材料,例如混凝土、天然石材、粘土砖等,内部都存在着许多微细的孔隙。 当材料处于有水的环境中时,根据材料能否被水润湿,将产生毛细上升或毛细下降现象(即水能够进入孔隙或不能进入孔隙)。,毛细上升和毛细下降现象,如果材料完全能够被水润湿(润湿角=0 ),则水的表面将被迫使与孔隙壁平行,在孔隙内的水面将形成凹形的曲面。根据Young-Lapl
8、ace毛细现象的基本公式,在液体曲面的两侧存在着压力差:,R1、R2为曲率半径,为水的表面张力。,如果假定材料孔隙内的水面的曲率半径等于孔径 r,h为在平的液面(外部水面)之上的、孔隙内液柱的高度,则压力差等于毛细管内液柱的静压降。,公式中水的密度w=1,同时考虑更一般的情况,润湿角0,则有下式:,由此式可以看出, 当 0,即水进入孔隙内并上升为一定高度,孔径越小上升高度越高;而当 90时,h0,即水不能进入孔隙内。,可见,当材料一定时(即润湿角一定),孔隙中吸水上升的高度,与孔径成反比。 常温下,水的表面张力为 72.14 dyn /cm,假定 =0,材料内部的孔隙是连通的。 孔径 r=50
9、m,h= 30 cm; 孔径 r=500 n m,则 h= 30m。,粘 附:是指两个相互接触的表面之间的吸引作用。 粘附功:是指分开单位面积粘附表面所需要的功或能量。 如果A、B两物体发生粘附,粘附功WAB可由下式表示:,WAB = ABAB,式中, A和B 分别为A和B的表面能;AB为A与B之间的界面能。,以表面能表示的粘附功,系统在()状态时的能量为AB ,在()状态时的能量(AB),由(a)到(b),系统能量的增量就是粘附功。,当两个性能相似的物体表面相接触时,其界面能AB 较小,所以粘附功WAB 就比较大。而两个完全不相似的物体表面相接触时,其界面能AB值较大,所以WAB 就比较小。
10、 因此性能相似材料之间的粘附比不相似材料的粘附更牢固。,暴露在自然界中的固体,由于对其他介质的吸附作用,总是在其表面形成一层吸附膜,这种吸附膜降低固体的表面能,从而使两种固体表面的粘附作用减弱。 如果能去除固体表面的吸附膜,再将两个固体表面粘附,则粘附作用将很强。 然而正是因为固体表面的吸附膜作用,使得固体润滑剂能够起到润滑的作用。,吸附与粘附的关系,1.5 材料的断裂与强度,一、实际强度与理论强度概念,强 度:材料在外力作用下抵抗破坏的能力。 理论强度:克服固体内部质点间的结合力,形成两个新表面所需的应力。 实际强度:通过试验测得的材料在荷载作用下破坏时的最大应力值。,二、理论强度的计算,基
11、本思路: 对固体材料施加拉力,使其从某一个截面断开,其结果使比加力前新增加了两个表面,即体系增加了两个新增表面的自由能。 要达到这个目的,外力就必须克服固体内部原子之间的结合力而作功,作功的大小等于两个新增表面的断裂自由能。,质点间相互作用力与质点间距的关系,质点间结合力总和与间距的关系,Orowan提出了用正弦曲线来表示原子间该作用力的合力,即原子间的应力与原子间距x的关系用下式表示:,式中th为理论结合强度,为正弦曲线的波长。 则拉断单位截面积的材料所做的功为曲线与X轴之间的面积。,设材料形成新表面的表面断裂能为,则2,在平衡位置a0附近(x趋于0),曲线可以近似于直线,且服从虎克定律:,
12、在a0附近x 值很小,所以,因此:,代入波长公式,得到理论强度公式:,将上述公式等同起来:,式中a0是固体材料中原子间的平衡距离,这里称为晶格常数,随材料而异。可见材料的理论结合强度只与弹性模量、表面断裂能和晶格距离等材料常数有关。通常 约为a0 E/100,这样上式可写成:,实际材料中只有一些极细的纤维和晶须,其实际强度接近理论强度。而普通的钢材、混凝土等其实际强度远远低于理论强大。其原因?,三、Griffith微裂纹理论,为什么材料的实际强度远远低于理论强度? Griffith提出了微裂纹理论来解释这个问题。 Griffith认为实际材料中总是存在许多细小的裂纹或缺陷。这些裂纹对于任何脆性
13、材料,都有损于强度。特别是裂缝的长度方向与拉应力垂直时,将在裂纹端部产生应力集中现象。从而使实际局部应力达到材料的理论强度,裂纹开始扩展而导致断裂。,裂缝的形状与应力集中系数,应力集中: 材料内部由于存在着裂缝等缺陷,局部应力远远大于平均应力的现象。,可见,裂缝越长,端部曲率半径越小,应力集中现象越严重。 如果裂缝为圆孔,即a=,则应力集中系数:,Inglis研究了微裂纹端部应力集中的问题。对长度为2a、端部曲率半径为的任何形状的裂缝,提出了其端部最大应力的计算公式。,裂缝的扩展导致材料破坏,材料内部不可避免地存在着长短、形状不同的裂缝,当外力作用时,在这些裂缝的尖角处的应力比平均应力大几倍甚
14、至十几倍,所以裂缝从尖端处扩展、增大,直至相邻裂缝连通,最后导致材料的破坏。 所以,裂缝扩展是导致材料破坏的根本原因。,材料内部裂缝扩展的条件,考察在一块无限大的单位厚度的薄板内,存在一条长为2a的椭圆形裂缝,受均匀外力、平均应力为的情况。,欲使裂缝在两端扩展,各伸长一微量 da 应力裂缝长度断裂表面能之间的关系,分析:固体材料内部储存着一定量的弹性能(应变能),裂缝扩展意味着产生了新的表面。因此,裂缝扩展的过程,即是系统释放应变能,增加表面断裂能的过程。 设长度为2a 的裂缝在两端各扩展da 时,系统弹性能的减少量为We,增加的表面断裂能为Ws,则 P = Ws - We 即为体系总能量的变
15、化。,根据格林非斯理论,在平面应力状态下,生成2a长度的裂缝,材料所释放的应变能We :,所增加的表面断裂能Ws:,所以体系总能量的变化 P:,根据上式,随着裂缝长度a的增大,所需能量P在变化,当P对于裂缝长度a的变化速率达到极值时,即裂缝开始扩展。据此可以求出使裂缝扩展的应力:,上式表示裂纹长度为2a时使裂缝扩展的临界应力。这是Griffith微裂纹理论的基本公式。它确定了材料的断裂强度不取决于微裂纹的数量,而是取决于裂缝的长度。对于某种固定的材料,外荷载所引起的平均应力确定之后,长度大于2a的裂缝将扩展,即引起破坏;而长度小于2a的裂缝不扩展。,能量与裂纹长度的关系,P=Ws-We,可见所
16、示,在一定的应力作用下,材料的应变能和表面能是裂纹长度a 的函数。当裂纹伸长时,表面能 呈线形增大,而应变能U呈指数下降,虚线表示需要外界提供的能量,在a0处与横轴相交。 a = a0 ,产生新表面需要做功与体系释放的应变能相等(临界状态)。 a a0,系统释放的能量超过了裂纹扩展所需要的能量,所以裂缝将扩展。,根据Griffith微裂纹理论,可以人为地在材料中造成大量小于临界长度的微裂纹,用于吸收裂纹在扩展时积蓄的弹性应变能,来阻止裂纹的扩展。 近年来迅速发展的纤维增强混凝土,在制备混凝土时加入0.01%(体积比)低弹性模量的有机合成纤维。这些合成纤维的加入并不能增加混凝土的强度,但可细化混
17、凝土内的裂纹,增加其韧性,提高混凝土构件的抗裂性能。,大学课件出品 版权归原作者所有 联系QQ :910670854 如侵权,请告知,吾即删 更多精品文档请访问我的个人主页 http:/ 却聪明得太迟 把钱省下来,等待退休后再去享受 结果退休后,因为年纪大,身体差,行动不方便,哪里也去不成。钱存下来等养老,结果孩子长大了,要出国留学,要创业做生意,要花钱娶老婆,自己的退休金都被拗走了。,人生太短,聪明太晚(2),当自己有足够的能力善待自己时,就立刻去做,老年人有时候是无法做中年人或是青少年人可以做的事,年纪和健康就是一大因素。小孩子从小就告诉他,养你到高中,大学以后就要自立更生,要留学,创业,
18、娶老婆,自己想办法,自己要留多一点钱,不要为了小孩子而活我们都老得太快却聪明得太迟,我的学长去年丧妻。这突如其来的事故,实在叫人难以接受,但是死亡的到来不总是如此。学长说他太太最希望他能送鲜花给他,但是他觉得太浪费,总推说等到下次再买,结果却是在她死后,用鲜花布置她的灵堂。这不是太蠢愚了吗?! 等到、等到.,似乎我们所有的生命,都用在等待。,人生太短,聪明太晚(3),等到我大学毕业以后,我就会如何如何我们对自己说 等到我买房子以后! 等我最小的孩子结婚之后! 等我把这笔生意谈成之后! 等到我死了以后 人人都很愿意牺牲当下,去换取未知的等待;牺牲今生今世的辛苦钱,去购买后世的安逸 在台湾只要往有
19、山的道路上走一走,就随处都可看到农舍变精舍,山坡地变灵塔,无非也是为了等到死后,能图个保障,不必再受苦。许多人认为必须等到某时或某事完成之后再采取行动。明天我就开始运动,明天我就会对他好一点,下星期我们就找时间出去走走;退休后,我们就要好好享受一下。,人生太短,聪明太晚(4),然而,生活总是一直变动,环境总是不可预知,现实生活中,各种突发状况总是层出不穷。身为一个医生,我所见过的死人,比一般人要来得多。这些人早上醒来时,原本预期过的是另一个平凡无奇的日子,没想到一个意料之外的事;交通意外、脑溢血、心脏病发作等等。剎那间生命的巨轮倾覆离轨,突然闯进一片黑暗之中。那么我们要如何面对生命呢?我们毋需
20、等到生活完美无瑕,也毋需等到一切都平稳,想做什么,现在就可以开始做起。 一个人永远也无法预料未来,所以不要延缓想过的生活,不要吝于表达心中的话, 因为生命只在一瞬间。,人生太短,聪明太晚(5),记住! 给活人送一朵鲜花,强过给死人送贵重的花圈,每个人的生命都有尽头,许多人经常在生命即将结束时,才发现自己还有很多事没有做,有许多话来不及说,这实在是人生最大的遗憾。 别让自己徒留为时已晚的空余恨。逝者不可追,来者犹未卜,最珍贵、最需要实时掌握的当下,往往在这两者蹉跎间,转眼错失。,人生太短,聪明太晚(6),人生短暂飘忽,包得有一首小诗这样写: 高天与原地,悠悠人生路; 行行向何方,转眼即长暮。 正
21、是道尽了人生如寄,转眼即逝的惶恐。 有许多事,在你还不懂得珍惜之前已成旧事;有许多人,在你还来不及用心之前 已成旧人。 遗憾的事一再发生,但过后再追悔早知道如何如何是没有用的,那时候已经过去,你追念的人也已走过了你。,人生太短,聪明太晚(7),一句瑞典格言说:我们老得太快,却聪明得太迟。 不管你是否察觉,生命都一直在前进。 人生并未售来回票,失去的便永远不再得到。 将希望寄予等到方便的时间才享受,人生太短,聪明太晚(8),我们不知失去了多少可能的幸福 不要再等待有一天你可以松口气,或是麻烦都过去了。 生命中大部分的美好事物都是短暂易逝的, 享受它们、品尝它们, 善待你周围的每一个人, 别把时间
22、浪费在等待所有难题的完满结局上。 找回迷失的生命 死亡也许是免费的 但是,却要付出生命的代价。 劝大家一句话:把握当下,莫等待。,成功人生的十堂课,人生成功第1课,做一个终生学习的人,离开学校并不意味着学习就结束了。 学习可以成为一种生活方式,帮助你发挥最大的潜能。 我们从未停止学习,总会有新的,有趣的东西等待我们去发现。 学习新的技能可能让人感到有一点恐惧,但每当我们在个人学习上停滞不前时,我们都需要去学习新的东西。 积极地寻求支援和建议,突破停滞期。 参加一些培训,进修,夜校任何新的兴趣都将会有助于发展你的优势。 多看,多听,让你的头脑保持活跃。活到老,学到老。,人生成功第2课,令自己感到
23、沮丧的秘诀就是用空闲时间去烦恼自己是否快乐。所以不要费事去想它!摩拳擦掌干起来吧。你将热血沸腾,你会头脑清醒。很快,在你身体中的这种高涨的积极人生观将把烦恼从你的头脑中赶出去。 行动起来,忙碌起来。这是世界上最便宜的一种药,也是最好的一种。,人生成功第3课,在困境中寻找成功的希望 逆境是一所最好的学校。每一次失败,每一次打击,每一次损失,都蕴育着成功的萌芽,都教会我在下一次有更出色的表现。我再也不会逃避现实,也不会拒绝从以往的错误中获取经验,我不再因此而促成自己的失败。因为我知道,宝玉不经磨砺就不能发光,没有,我也不能完善自我。 现在我知道,灵魂倍受煎熬的时刻,也正是生命中最多选择与机会的时刻
24、。任何事情的成败取决于我在寻求帮助时是抬起头还是低下头。无论何时,当我被可怕的失败击倒,在最初的阵痛过去之后,我都要想方设法将苦难变成好事。伟大的机遇就在这一刻闪现这苦涩的根必将迎来满园芬芳! 我将一直在困境中寻找成功的希望。,人生成功第4课,没有人可以使你感到自卑 我选择自我感觉良好,这样我能更加开放地学习。如果人们给我负面的回应或是批评我做的事情,我不会认为他们所说的就表明我是一个“差劲的”人。我坚信自尊由我掌控,这让我毫无戒心地去听取别人的反馈,想看看是否有我可以学习的东西。 我们每天都有两种选择。我们可以感到自己很棒,也可以感到自己很差劲。难道有人会选择后者吗?,人生成功第5课,紧紧抓
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 材料课件 材料 课件 固体 界面 行为
链接地址:https://www.31doc.com/p-3102270.html