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欢迎大家继续回到《力学与现代生活-

开启科学人生》课堂！

在这一节课里面我们开始第三章的

第三节 也就是‘弹性体模型’的“材料力学”--

材料力学的‘发展概况与作用’、

‘基本内容’与涉及内容、

杆件的‘4种基本变形’、

‘应力、应变及其相互关系’。

我们将给大家介绍：

物体被视为‘弹性体’或者‘塑性体’

结构材料的时候，

在静力作用下

它的‘内部的力学性能’以及‘外部的表现’，

还有 它们的分析、计算 与工程设计方法-

这就是“材料力学”。

我们 首先给大家介绍

材料力学的发展概况与作用、

基本研究内容与设计内容，

然后 以‘杆结构’为例

说明‘4种基本变形形式’，

最后讲解 材料力学研究中

最重要的两个基本概念--

‘应力’与‘应变’以及它们之间的关系。

下面我们先看看 材料力学的发展概况

以及 力学分支学科在人类社会发展中的

巨大作用。

材料力学的模型 我们叫‘弹(塑)性体模型’--

或者‘弹性体模型’或者‘塑性体模型’。

那么 首先，

我们介绍一下 材料力学的一些发展概况，

以及材料力学的作用。

那么 工程设计和现代生活里面

离不开各种材料 来实现工程构件，

以及生活用品 生产。

新材料的不断研制和使用

就会不断提升 科技产品和生活品质，

甚至 产生材料的研发革命。

那么 材料的 发展历程经历了

从石器时代 到青铜器时代、

还有 再到 铁器时代、再到电子材料时代，

还有 往后面 还有继续发展的 什么时代...

那么 材料革命的途径 通常是

看看 我们使用什么工具，

还有 总结经验，还有 我们的科学研究、

工程设计、再到 新材料的器件的研制。

“材料科学” 可以说 它有很高的地位！

它是我们

一个国家、一个社会的物质基础，

我们生活上 所用的各种材料、

我们的物质基础，

也是我们的战略需求，

也是 一个国家的 重要产业、

还有 技术先导。

那么 可以说 (它是)高新科技的发展

“逢山开路、遇水架桥”的先锋，

它能 起着 促进工业革命的作用。

我们 回头待会看看-

‘四次工业革命’都伴随着材料科学的

发展的影子。

我们先看看 古代中国的 材料技术

可以说 “无与伦比”!

那么 从远古时代 黄帝造指南车 大战蚩尤，

再到瓷器使用 以及青铜时代的辉煌，

才有了后面的‘四大发明’。

我们的材料科学 在中国 的辉煌时期

一直延续到 十三世纪。

在三国时代 兵器 在时隔六百多年之后--

也就是‘中唐时期’，

依然能够 叫做“磨洗认前朝”--

达到这种地步！

那么这里面有一首 唐诗可以作为一个证明--

那么唐诗里面有个 杜牧 写的《赤壁》。

那么 这首诗 可以看出来 两千多年前，

越王剑的出土的时候 仍然是寒光逼人、

削铁如泥！

后来 现代西方的材料科学兴起--

也就是 十九世纪末 开始，

那么 我们可以 从几个重要的科学发现

以及相关的科学伟人

来看到一些线索：

那么材料科学经过了几次飞跃。

下面我们看看“七大材料科学技术理论”。

首先我们看看 工业革命

跟材料科学的关系。

十八世纪六十年代 到十九世纪中期，

是“第一次工业革命”--

那时候 技术标志呢 就是‘产业革命’：

工厂的手工业 到这个大机器生产，

带动了纺织机械、交通运输工具--

火车、轮船、发电、输电等的发展，

那么 以英国瓦特(Watt)发明的蒸汽机 为代表，

人类进入了“蒸汽时代”，

那时候 涉及的主要新材料呢

就是“钢铁”材料；

“第二次工业革命”--

就是 十九世纪七十年代 到二十世纪初,

电力的广泛应用、电气革命、

资讯革命 达到顶峰。

电的利用、内燃机的发明，

使得人类 进入了“电气时代”，

那时候 涉及的新材料有很多--

主要是半导体材料、电力传输材料、

绝缘材料、绝热材料，

还有耐高温高压材料；

“第三次工业革命”--

二十世纪 四十到五十年代，

也就是二战之后 再到二十世纪末，

我们 技术标志有：原子能、电子计算机、

微电子技术、航天技术、分子生物学、

遗传工程 都取得了重大突破！

这时候 以这个信息、IT技术 广泛的应用，

促进了人类 进入了“科技信息时代”，

主要涉及的材料 看有：微电子材料、

高强度、耐超高温、抗辐射、耐离子云、

耐原子氧 侵蚀 等 这些材料；

那么“第四次工业革命”是什么时候呢？

实际上我们说 在二十世纪 到现在

正在酝酿中...

有的人说 可能以“工业4.0概念”为标志，

或者物联网、新兴空天、

海洋、生物、医疗科技，

它的不断涌现，是不是 归结为人类

进入了“智能时代”？！

有人 分析 可能有突破性的材料科学--

像：石墨烯、碳纤维、气凝胶、

新型传感材料、超导材料、纳米材料、

3D打印材料， 还有所谓的 超材料...

这些都是材料科学

对我们四次工业革命呢

都起着重大的促进作用！

那么 “七大材料科学技术理论”

我们这个表里面 作了罗列：

第一个 就是十九世纪末期

以吉布斯(Gibbs) 为代表的 建立了'相图'-

就是材料设计的时候

相当于一个地图一样的,

系统地建立了"化学热力学",

为建立相图呢 奠定了基础；

第二个呢 就是十九世纪末 马丁(Martens),

我们知道 光学显微组织的观察,

得到了“组织决定材料的性能”，

发现了'马氏体'，

我们知道 除了‘马氏体’ 还有‘奥氏体’--

这样的结晶组织；

第三个呢 就是1895年 德国物理学家 伦琴

关键的技术理论 就是‘X射线’ 它的衍射--

就是XRD， 以及晶体结构 解析，

使得材料科学

乃至整个 凝聚态物理 发生了重大革命！

像：研究阴极射线的时候 发现了

‘伦琴射线’ 也叫‘X射线’，

采用XRD 来解析晶体结构；

第四个呢 就是1934年

泰勒 还有Orowan 还有波兰尼，

建立了“位错理论”，

研究晶体强度 为什么远低于理论强度？！

提出了“利用位错滑移 来解释晶体强度”，

获得了成功！

第五个 就是 上个世纪 三十年代

1930年 普朗克 和爱因斯坦，

那么 量子力学应用 使得材料 有了

微观理论基础，

它的 围绕的核心困难就是

这个‘势能函数交叉项’ 难于求解--

因为那里面含有很多

甚至高达 1023个变量！

那么 解的意义 很难获得！

所以呢 由这个 量子力学建立的微观材料的

科学理论呢 来解决一些 新的 困难；

第六 1931年 Ruska 和 38年 的 Ardenne

开启了这个微观分析手段的应用，

材料 用它的微结构 以及表层分析技术

像：采用的‘透射电子显微镜’，

能够分析、观测 0.2微米 到纳米级的 材料，

使得材料的微结构分析 发生了革命！

像这个扫描电镜 用于材料表层分析；

第七个 就是1959年 费曼

和1996年的 斯莫利，

这时候的关键技术 就是材料的纳米化，

这个尺寸效应 以及这个材料性能，

取得突破性的提升！

我们知道 纳米材料就是10的负9次方米--

这么一个量级。

费曼首先提出了人类可以在

纳米尺度上合成和设计材料，

斯莫利预言：21世纪

将可以用逐个原子在尽可能小尺度上

合成物质。

这些微小物质 将使得我们工业 和生活

发生天翻地覆的变化。

这是“七大材料 基础理论”的大致情况。

总的来说 材料从分析材料的微观组织

到研制新材料，

然后 再改变 其中的应力、应变性能，

这是我们的一个总体目标。

接下来 我们再看看

材料科学的基本研究内容。

那么 材料科学的研究内容 无外乎四个方面：

第一 就是关于弹性体 或者 塑性变形体

它的结构 受力以后， 发生的变形--

也叫‘应变’；

第二个 就是由于变形而产生的附加内力--

我们叫‘应力’；

第三个 由应力、应变产生的

所谓的‘强度、刚度、稳定性’失效，

以及 控制失效的准则；

第四呢 就是在这上面的研究基础上

推导出 工程构件静力学设计的基本方法。

那么 材料科学本身

隶属于两个其他学科的分支--

第一个 隶属于“固体力学”，

就是研究物体在外力作用下的应力、应变，

以及 应变能量，

统称为“应力分析”。

但是所研究的变形体的结构

仅限于像；杆、梁、轴这样的物体--

我们把它统称为‘杆件’。

杆件的几何特征 就是说

它的纵向尺寸 远大于其他两个方向--

就是横向尺寸，

比如说 横截面。

大多数工程的构件呢 或者机器零部件

可以简化为杆件；

另外 "材料力学"隶属于“材料科学”,

"材料科学"主要研究 材料在外力 和温度

这些因素作用下,

它的力学行为--

包括力学性能 以及失效行为,

那么 无论是固体力学还是材料力学，

都为我们的工程设计 提供了一些

基本的 理论支撑，

因此呢 是我们工程设计的重要组成部分。

那么 主要目的 就是：为了设计构件

合理形状尺寸，

保证 构件具有足够的强度、刚度

和稳定性。

我们说强度、刚度、稳定性，

这里给出三个定义--

它们 分别定义是这样的：

‘强度’ 就是 构件 受力以后不发生破坏

或者不产生不可恢复变形的能力；

‘刚度’ 就是 构件受力以后

不发生超过工程允许的弹性变形的 能力；

‘稳定性’ 就是 我们通常指：压缩载荷作用下

构件保持平衡

形式 不发生突然转变的能力。

像这里 有一个 小视频--

像：比萨斜塔 牵扯到 强度问题，

像这里面 如果有一个 构件 强度 出现失效，

那么整个 斜塔就会倒塌！

还有我们这个图呢 是工厂机加工车间里面

常用的钻床，

钻床呢 如果整体强度不够的话，

可能会 产生塑性变形--就是断裂和变形；

那么 如果它的刚度不够，

即使它不会发生断裂折弯的话，

也会产生弹性变形--

我们看这个虚线部分，

如果弹性变形过大，

那么显然 影响加工精度；

如果 不是太大，

但是有一定的弹性变形的话，

那么 可能会产生振动 也会影响 钻孔的精度，

甚至 时间长了 会发生疲劳现象--

那么影响整个 钻床的寿命！

我们再看看 稳定性的例子：

载物、载重的卡车 那么通常呢 在卸料的时候，

有这样的 有一个液压杆--

直接把整个料筒 推翻、卸料。

这个液压杆 非常重要！

它承受的压力，

如果这个压力过大，

杆呢 如果 还比较细长的话，

它可能 发生一种所谓的

“平衡形式突然发生变化”，

就是说 它原来一直是平衡的--

在一个平衡状态，

那么 突然弯曲 变成另外一种平衡形式，

这叫‘稳定性问题’。

这个小视频 里面提到 像 推土机，

还有 高架的、这种可以伸缩的

在城市里面常见的、修理高处的

我们看到 这样一些液压杆系统，

都可能会有 这种液压杆稳定性的问题。