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晶体的弹性性质
wangcl@sdu.edu.cn 晶体的弹性性质 应力、应变张量,虎克定律 弹性常数与对称性 弹性波在晶体中传播 铁弹体,铁性体,多铁性 压电铁电晶体是电介质,它具有介电性质;同时压电铁电晶体又是弹性介质,它又具有弹性性质,而压电效应就是反映了它的介电性质和弹性性质之间的耦合作用。不同晶体结构的压电铁电晶体,各向异性程度不一样,或者说独立的弹性常数的数目与晶体的对称性有关。 形变 deformation 在外力作用下,物体的大小和形状都要发生变化,通常称为形变。当讨论物体的转动和移动时,形变对运动物体的影响很小,是次要问题,一般可以忽略不计。当讨论振动的传播或压电效应等问题时,形变就成了重要问题,需要进行深入的讨论和研究。 塑性和弹性Plastic and Elastic 如果外力撤消后,物体不能恢复原状,这种性质就称为物体的塑性;如果外力撤消后,物体能恢复原状,这种性质就称为物体的弹性。 自然界不存在完全的弹性体,也不存在完全的塑性体;只存在既有弹性又有塑性的物体。当外力较小时,形变也小,外力撤消后,形变消失,物体恢复原状;当外力较大时,外力撤消后,物体不能恢复原状。可见物体的弹性有一定的限度,超过这个限度就成为塑性。与压电有关的问题,都属于弹性范围内的问题。 应力、应变 应变张量: strain tensor 晶体中任一点的位置可以用所选定的坐标系的位置矢量来描述,它的三个分量为x1、x2、x3。当晶体发生形变时,其中每一点的位置均会发生改变。设形变前的某一点的位置矢量为r,形变后为r’(其分量为x’1、x’2、x’3),由于形变这一点的位移可以用位置矢量来表示: 当晶体形变时,晶体内任意两点间的距离都会发生变化,设最近邻的两点形变前的距离为dl(分量为dxi),形变后的距离为dl’(分量为dx’i),因为dx’i=dxi+d?i,而 于是: 利用以下关系: 最后可得到形变前后距离的变化为: 该式给出了在物体形变时,它的长度单元的改变。例如: (??i/?xk),当i=k时,代表伸缩应变(纵向应变),而当i?k时,代表切应变(横向应变)。 一般称eik为应变张量元。从上式直接可以看出eik =eki,即应变张量是对称的。 在大多数情况下,应变是很小的,所以上式右方的第三项可以略去,于是应变张量元为: 应变张量元的矩阵形式 如果用x、y、z代表位置矢量r的三个分量;u、v、w代表位移矢量?的三个分量;那么这六个张量元可写成为: 应变张量元的几何意义 切应变 shear 由于发生切应变,原来的正方形变成了菱形,它的边长不改变 由于切变A?A’, B?B’, C?C’, D?D’,图中u、v代表A点位移的分量,令AD=A’D’=?x,AB=A’B’=?y,则: 由于应变张量是个对称的二阶张量,只有六个独立的元素,因此常被写成一个纵列矩阵,用x?代表张量元,用一个新的足标?=1、2、…、6来代替原来的足标,其对应关系如下: 应力张量 stress tensor 在没有形变的固体中,分子的排列是处于热平衡状态,作用在固体中任意一部分的合力都等于零。如果固体有形变,那么它就不再处于原来的平衡态,而会受到力的作用,该力会使物体具有恢复到平衡的趋向。 这种在固体形变时,作用在固体中单位面积上的力称为应力。应力是一个二级张量,其各个分量为?xx、?yy、?zz、?yz、?zy、?xy、?yx、?xz、?zx。为此我们也把应力称为应力张量。张量元的前一个足标代表应力的方向,后一个足标代表应力所作用面的法线方向。 作用在立方体上的应力张量元 例如,作用在垂直于x轴的单位面积上沿x方向的应力是?xx,这类应力是垂直于表面的,代表张力或压力;作用在垂直于x轴的单位面积上沿y方向的应力是?yx,这类应力是沿着表面的,即平行于表面的切向,代表切应力。 内应力作用在物体上的总力矩等于零,因此,存在如下关系: 作用在体积元上?x?y?z的力与应力张量元?ij之间的关系。如图所示,沿x方向力的分量有三个: 作用在单位体积上力的x量为: 胡克定律 Hook’s law 对于足够小的形变,应变与应力成正比,因此应变分量是应力分量的线性函数,这一规律称为胡克定律,写成矩阵形式为: 弹性柔顺常数 compliance 弹性柔顺常数的物理意义 : s11=(?x1/?X1)Xk,当其它应力分量Xk (k?1)为常数(或Xk =0)时,由于沿x方向的伸缩应力X1的改变引起x方向伸缩应变x1的改变,与伸缩应力X1的改变成正比。 可见s11只与x方向的伸缩应力X1和伸缩应变x1有关。 s12=(?x1/?X2)Xk,当其它应力分量Xk (k?2)为常数(或Xk =0)时,由于沿y方向的伸缩应力X2的改变引起x方向伸缩应变x
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