第二章-无机材料的受力形变.ppt

第二章无机材料的受力形变,内容简介:无机材料的四种形变:弹性形变、塑性形变、高温蠕变和粘性形变及其理论描述、产生的原因和影响因素。要求：从微观的角度来理解宏观性能、掌握解决问题的关键。,受力与变形特点内力特点,内力变形引起的物体内部附加力，内力不能是任意的，内力与变形有关，必须满足平衡条件,强度、刚度和稳定问题,强度不因发生断裂或塑性变形而失效；刚度不因发生过大的弹性变形而失效；稳定性不因发生因平衡形式的突然转变而失效。,第一节应力和应变,应力问题,应力问题,单位面积上所受的内力称为内应力。简称应力，一般用表示。名义应力：真实应力：,应力和应变,应变问题,应变问题,应变是用来描述物体内部各质点之间的相对位移的。名义应变真实应变剪应变,应变用六个应变分量来表示,无机材料的弹性变形行为,材料的受力形变有三种情况：脆性材料（非金属材料）：只有弹性形变，无塑性形变或塑性形变很小。延性材料（金属材料）：有弹性形变和塑性形变。弹性材料（橡胶）：弹性变形很大，没有残余形变（无塑性形变）,拉伸试验的试样,单向应力下的虎克定律,对于各向同性体，正应力不会引起长方体的角度改变即无剪切形变，只会产生法向应变，而且应力与应变成线性关系，即：,泊松（Poisson,Simeon-Denis）（17811840）法国数学家、物理学家和力学家。1781年6月21日生于法国卢瓦雷省皮蒂维耶，1840年4月25日卒于法国索镇。1798年入巴黎综合工科学校深造。因优秀研究论文被指定为讲师。受到P.-S.拉普拉斯、J.-L.拉格朗日赏识。1800年毕业后留校任教，1802年任副教授,1806年接替J.-B.-J.傅里叶任该校教授。1808年任法国经度局天文学家,1809年任巴黎理学院力学教授。31岁巴黎科学院院士。泊松科学生涯开始于研究微分方程及其在摆运动和声学理论中应用。应用数学方法研究各类力学和物理问题。他对积分理论、行星运动理论、热物理、弹性理论、电磁理论、位势理论和概率论都有重要贡献。泊松18岁就发表一篇关于有限差分论文，受到勒让德好评。他一生成果累累，发表论文300多篇，其中包括：1811年力学教程1831年弹性固体和流体的平衡和运动一般方程研究报告1829年弹性体平衡和运动研究报告1837年关于判断的概率之研究1837年关于刑事案件和民事案件审判概率的研究以及热的数学理论、关于球体引力、关于引力理论方程和毛细管作用新论等等。以他姓名命名有：泊松定理、泊松公式、泊松方程、泊松分布、泊松过程、泊松积分、泊松级数、泊松变换、泊松代数、泊松比、泊松流、泊松核、泊松括号、泊松稳定性、泊松积分表示、泊松求和法泊松比在材料和力学领域最为熟知，应用也最为广泛。泊松比是基本材料参数之一，衡量固体在垂直加载方向变形与加载方向变形之间比值（见下图），变化范围0.5与-1之间。,泊松比作为基本弹性常数，可由体积模量K和剪切模量G比值来确定，满足如下关系：泊松比表征材料在载荷作用下发生形状畸变或者体积变形之间竞争。NatureMaterilas这篇纪念文章，关注泊松比在材料领域的应用，比如：泊松比与原子堆积密度关系负泊松比材料，生物材料和一些特殊设计人工复合材料泊松比与材料各向异性相变过程中泊松比效应泊松比与波色峰泊松比与玻璃液体易碎性与固体弹性泊松比与韧-脆转变强调泊松比可变性，（通常认为泊松比在过程中是常数）。展望泊松比在新材料设计方面的深远前景。,materialpoissonsratiorubber0.50;gold0.42saturatedclay0.400.50magnesium0.35titanium0.34;copper0.33aluminium-alloy0.33;clay0.300.45stainlesssteel0.300.31;steel0.270.30castiron0.210.26;sand0.200.45concrete0.20;glass0.180.3foam0.100.40;cork0.00auxeticsnegative,泊松比横向变形系数叫做泊松比，则有对多数金属，介于1/4到1/3之间；对无机材料，介于1/5到1/4之间。,剪切模量和体积模量定义各向同等的压力除以体积变化为材料的体积模量,弹性模量,弹性模量弹性模量的单位和应力的单位相同为Pa。对于同一种各向同性体材料弹性模量是一个常数弹性模量E是一个重要的材料常量，是原子间结合强度的标志之一。弹性模量实际上和原子间结合力曲线上任一点的曲线斜率有关。在不受外力作用的情况下，tg反映了弹性模量E的大小。,影响弹性模量的因素,1）共价键、离子键晶体，结合力强，E大；分子键结合力弱，这样键合的物体E较低。2）改变原子间距离，影响弹性模量。温度变化，影响原子间距离，E也发生变化。3）两相系统中，总弹性模量在高弹性模量成分与低弹性模量成分的数值之间。,弹性摸量与气孔率的关系,陶瓷的弹性摸量随气孔率的表达式：E0是气孔率为零时的E值，P为气孔率，当P不超过50%时候，公式适用。,各种材料的弹性模量,材料E(GPa)泊松比铁2000.28铜1000.35铝700.37聚乙烯30.38橡胶110-210-30.49氧化铝晶体3800.22,比弹性模量,航空用材料不但要求材料弹性好，而且也要轻，所以选材时还要用比弹性模量来衡量材料，即要求材料的弹性模量与材料密度的比值高。几种常见材料的比弹性模量(108cm),广义虎克定律,各向异性材料的各个方向的弹性模量都不相同。当各向异性材料同时受到三向应力作用时，各个方向的形变也是不同的，因而各个方向的泊松系数也随着应力的方向变化。除正应力对应变有影响外，剪应力也会对应变产生影响。除剪应力对剪应变有影响外，正应力也会对剪应变产生影响。,弹性形变的三个特点：a卸载后形变完全可逆；b应力和形变量间呈线性关系(虎克定律)，模量E、G、为重要材料常数；c较小的负荷就可以引起弹性形变，但一般只限制在很小的形变范围之内(低于3%)。,所谓粘弹性，是粘性和弹性结合起来的一种性能。粘性指固体在加载时形变随时间而增大的现象。这种形变在卸载后继续保留下来，固体不再恢复到加载前状态。应力与应变速率相联系。滞弹性，与时间有关的弹性，表现为应变的产生与消除需要有限时间。弹性模量是时间的函数(随时间的增加而降低)。当弹性形变有可测出的时间上的滞后，则称为滞弹性行为。,粘弹性与滞弹性,粘弹性与滞弹性,理想弹性：受到外力后，平衡形变是瞬时达到的，与时间无关。理想粘弹性：受到外力后，形变是随时间线性发展的。粘弹体：非晶体、多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性。滞弹性：无机固体和金属，这种与时间有关的弹性。,蠕变和弛豫,蠕变(蠕滑、徐变)：在一定温度下，对粘弹性体施加恒定应力0时，其应变随时间增加而增加，叫蠕变。此时弹性模量Ec也将随时间增加而减少。Pb、Zn、沥青、混凝土，钢铁在300以上。Ec（t）=0/(t)弛豫：对材料施加恒定应变0，其应力随时间而减小的现象。此时弹性模量也随时间而降低。状态趋于平衡过程。电容器放电。Er（t）=(t)/0,核磁-样品饱水后，孔径越大T2弛豫时间越长，孔径越小T2弛豫时间越短,水泥基材料中应用,第二节无机材料的塑性形变,基本概念及现象:塑性形变屈服极限延展性滑移带的形成临界分切应力,塑性形变,塑性形变是指在外力移去后不能恢复的形变。,无机材料屈服极限,屈服极限:当应力足够大，材料便开始发生塑性变形，产生塑性变形的最小应力就称为屈服极限(yieldlimit)或屈服强度(s)。应力超过s后，应力-应变曲线开始弯曲。,屈服极限,延展性,延展性是指材料受塑性性变而不破坏的能力。,滑移带,滑移：晶体受力后,晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动.滑移带的形成：弹性变形-外力克服单晶原子间的键合力，使原子偏离其平衡位置，试样开始伸长。,单晶锌变形后滑移带的照片,晶格滑移理论,滑移产生的条件：晶面指数小的面，原子的面密度大，因此面间距大，原子间的作用力越小，越易产生滑移。从几何因数考虑，滑移方向上同号离子间柏氏矢量较小；从静电作用因数考虑，滑移过程中不会遇到同号离子的巨大排斥力。,晶格滑移理论,晶格滑移的基本规律：滑移的距离必然是晶格常数的整数倍；滑移总是出现在主要晶面和主要晶向上；滑移是在剪应力作用下进行的，对一定的滑移面只有当剪应力超过临界剪应力时，才能发生沿该晶面的滑移。,临界剪应力的确定,金属的滑移体系较多，容易滑移而产生塑性变形。无机材料的离子键和共价键具有明显的方向性，滑移体系非常少。难以满足滑移条件。因此，只有为数不多的无机材料晶体在室温下具有延展性。多晶材料中个别晶粒的滑移会受到周围晶粒的制约，更不容易产生滑移。,金属与非金属晶体滑移难易的比较,塑性变形的位错运动理论,如果沿滑移面滑移，所需要应力为10Gpa，与晶格能同一数量级。实际上，晶格能超过产生塑性形变所需能量几个数量级。晶体中，位错在滑移面上沿滑移方向移动，不是晶体内两部分整体相互错动。位错运动的力比晶体两部分互相滑移所需力小得多。,位错是一种缺陷，在原子排列有缺陷处，势能较高，而内力平衡时，原子处于势能最低位置，要滑移，必须要克服H势垒高度。要克服势垒高度h“较h大为降低”，可由升高温度或外力做功来提供，当在滑移面存在分剪应力时，势能曲线不对称，此时，要迁移所要克服的势垒h()又小于h。即可使h降低，从而使C2原子迁移到空位更容易。刃型位错线向右移动更容易。,H()称为“位错运动激活能”，它与有关，一个原子能脱离平衡位置几率是由波尔兹曼因子e-E/KT决定，式中E为激活能。,位错运动速度：v0为与原子热振动固有频率有关的常数k：波尔兹曼常数，1.3810-23J/KH()空位周围原子迁移到空位要克服的势垒,当无外力时，KT=0.026eV，金属材料H()为0.1-0.2Ev，无机材料为1eV，室温下，无机材料位错十分困难；位错只能在滑移面上运动，只有滑移面上的分剪应力才能使H（）降低。无机材料的滑移系统很有限。温度升高，位移运动的速度加快，因此脆性材料在高温下也有一定塑性变形。,塑性形变是位错运动的结果，因此宏观上形变速率和位错运动有关。宏观应变率：Dbc（D扩散系数；b柏氏矢量；c位错增殖系数；v位错速度）说明：要形成宏观形变，须要有:i)足够的位错；ii)位错要有一定的运动速度；iii)柏氏矢量大，可使应变速率增大。,形变速率,但从位错形成所需要的能量来看：E=aGb2式中：a为几何因子，其值为0.51.0，G为剪切模量，b为柏氏矢量。显然，b大，形成位错的能量大，从而就难以形成位错。,b相当于晶格的点阵常数，金属为单元结构，点阵常数一般为3左右，而无机非金属材料都是二元以上的多元化合物，结构较复杂点阵结点中原子数较多，点阵常数也较大，如MgAl2O4约为8，Al2O3约为5。说明在无机非金属材料中位错形成不容易，位错运动也较困难，故难产生塑性变形。,第三节无机材料高温蠕变,蠕变：当对材料施加恒定应力0时，其应变随时间的增加而增加，这种现象叫蠕变。此时弹性模量Ec也将随时间增加而减少。Ec（t）=0/(t),蠕变曲线：室温拉伸试验时，长期保持屈服极限以下的应力，试件不会产生塑性变形，也就是说应力应变关系不会因载荷作用时间的长短而发生变化。但是，在较高温度下，特别是当温度达到材料熔点的1/3到1/2时，即使是应力在屈服极限以下，试件也会产生塑性变形，时间愈长，变形量愈大，直至断裂。这种发生在高温下的塑性变形就称为高温蠕变。,蠕变曲线,无机材料的高温蠕变,材料蠕变过程起始段：在外力作用下发生瞬时弹性变形。第一阶段蠕变，即蠕变减速阶段。应变速率随时间递减，该阶段通常较短暂。第二阶段蠕变，即稳态蠕变阶段。应变速率几乎保持不变。第三阶段蠕变，即加速蠕变阶段。当外力和温度不同时，蠕变虽然仍按四个阶段进行，但蠕变曲线的形状将发生变化。当应力和温度较低时，稳态蠕变阶段较长；当应力和温度增加时，稳态蠕变阶段缩短以至消失。,高温蠕变的理论,高温蠕变主要有以下几种理论：一位错运动理论二扩散蠕变理论三晶界蠕变理论,位错运动理论-位错攀移,无机材料中晶相的位错在低温下受到障碍难以发生运动，在高温下，原子热运动加剧，可以使位错从障碍中解放出来，引起蠕变。当温度增加时，位错运动的速度加快。除位错运动产生滑移外，位错攀移也能产生宏观上的形变。通过吸收空位，位错可攀移到滑移面以外，绕过障碍物，使滑移而移位。攀移通过扩散进行的，从而使蠕变得以进行。,位错蠕变理论,扩散蠕变理论,扩散蠕变理论-空位扩散流动,认为蠕变是在外力作用下沿应力方向扩散的一种形式。当试件受拉是，受拉晶界的空位浓度增加；而在受压晶界上，则空位浓度减小；这样，受拉晶界与受压晶界产生了空位浓度差，受拉晶界的空位向受压晶界迁移，同时，原子朝相反的方向扩散，导致沿受拉方向伸长，发生形变。（显示屏）,晶界蠕变理论,多晶陶瓷中存在大量晶界，当晶界位向差大时，可以把晶界看成非晶体，当温度较高，晶界粘度迅速下降，外力导致晶界粘滞流动，发生蠕变。,影响蠕变的因素,1温度：温度升高，位错运动和晶界位错加速，扩散系数增加，蠕变增大。2应力：蠕变随应力的增大而增大。若对材料施加压应力，则增加了蠕变的阻力。,影响蠕变的因素,3显微结构：1）气孔率：气孔率增加，抵抗蠕变的有效截面积减少，蠕变率增加。2）晶粒大小：晶粒越小，蠕变率增大。晶粒小，晶界比例增加，晶界扩散和晶界流动对蠕变的贡献增加，蠕变率增大。3）玻璃相：当温度升高时，玻璃相粘度降低，蠕变速率增大。,影响蠕变的因素,4组成：组成不同的材料其蠕变行为也不一样。即使组成相同，单独存在和化合物，其蠕变行为也不一样。5晶体结构：随着共价键结构程度增加，扩散及位错运动降低；,第四节粘性流动,玻璃或陶瓷材料中的玻璃相在高温下，粘度降低，同时又有剪切应力的作用就会发生粘性流动。在粘性流动中，剪应力与速度梯度成正比。式中比例常数称为粘性系数或粘度，是材料的性能参数。其单位为(Pa.s)。上式称为牛顿定律，符合这一定律的流体叫做牛顿液体。,影响粘度的因素,1温度一般情况下，温度升高，粘度下降。粘度与温度的关系的玻璃成型工艺条件的重要依据。不同材料，粘度随温度变化的规律差别很大。,温度影响,2时间：在玻璃转变区域，形成玻璃液体的粘度取决于时间。3组成：加入改性阳离子，在网络中形成了比较弱的Si-O键，降低体系的粘度。,时间影响,组成影响,化学键与分子结构,1.离子键理论离子键的形成离子键的特征离子键的强度离子晶体的特点离子晶体的空间结构2.共价键理论路易斯理论价键理论价层电子对互斥理论杂化轨道理论分子轨道理论3.金属键理论金属键的改性共价键理论金属晶体的密堆积结构金属能带理论4.分子间作用力分子间偶极矩分子间作用力-范德华力氢键5.离子极化学说简介对离子特征的描述离子极化现象影响变形性的因素影响极化能力的因素离子极化对键型的影响相互极化（附加极