《材料力学性能》ppt课件

1、资料力学性能资料力学性能刘家臣刘家臣0207224002072240历史时代划分:石器、陶器、青铜器、铁器新炻器、钢铁、复合资料、纳米 第一章第一章 绪绪 论论 资料是用来制造器件的物质资料是用来制造器件的物质促进社会提高:钢铁资料工业社会半导体资料信息社会高温、高比强资料空天社会？现代文明的重要标志: 21世纪信息、生物、能源、空间、资料性能工艺产品运用设计工程体系构造组成科学体系金属、非金属、高分子、复合原子、电子、宏观、微观、介观定义：给定外界条件下的行为力热/电/磁/光/声/生物关系：根底一、课程位置一、课程位置资料科学与工程体系资料科学

2、与工程体系 二、研讨对象、内容二、研讨对象、内容资料受外力作用后的力学行为规律及其物理本质和评价方法。1、 根本力学性能： 弹性、塑性、粘性，变形、断裂2、 环境介质条件下力学性能： 高温、腐蚀 、氧化、渗入、疲劳、蠕变 金属根底、陶瓷偏重、高分子涉及 力学：学科根底；工程力学：设计根底；力学性能：运用根底 三、作用目的三、作用目的 1 1正确选材、评价正确选材、评价 ： 索道、刀刃索道、刀刃 延塑延塑- -金属金属/ /脆硬脆硬- -陶瓷陶瓷/ /柔弹柔弹- -高分子高分子2 2创新新资料创新新资料 ： 高铁减震、大飞机复合、大火箭防腐、高铁减震、大飞机复合、大火箭防腐、空天高温空天高温3

3、3零构件失效分析：零构件失效分析： 1912-Titanic 1912-Titanic；2003-Columbia 2003-Columbia ；2021-2021-核走漏；核走漏；2021-2021-南方冰雪南方冰雪 学分学分 & & 学位学位第二章第二章 资料的静载力学性能资料的静载力学性能 2.1静载拉伸实验静载拉伸实验 最根本、广泛的力学性能实验测定力性：评价、比较、选材根据提示根本力性规律：脆、弹、塑、粘性规范试样：规范试样：d0, l0, A0, l0= 5d0, l0= d0, l0, A0, l0= 5d0, l0= 10d010d0P拉长拉长 l=l - l0

4、l=l - l0条件工程应力=P/A0， 假设A0 、l0不变条件工程应变=l/ l0 2.1.1 应力应变曲线应力应变曲线 Oambknm1 1、脆性资料陶瓷类、脆性资料陶瓷类 1 1单值对应，直线，最单值对应，直线，最高载荷点断裂高载荷点断裂 2 2E=tg=E=tg=/ / ，弹性，弹性模量的意义：对弹性变形的抗力模量的意义：对弹性变形的抗力刚度设计中的重要目的刚度设计中的重要目的 3 3陶瓷类，横向交联好的聚合陶瓷类，横向交联好的聚合物，普通灰铸铁物，普通灰铸铁 2 2、弹性资料高分子类、弹性资料高分子类 1 1极大的弹性变形，高分子类，如极大的弹性变形，高分子类，如橡皮橡皮 2 2消

5、除消除恢复，无剩余形变恢复，无剩余形变 3 3E E与与“弹性弹性：E E弹性变形的抗力，弹性变形的抗力，弹性大的资料，弹性大的资料，E E小小 3 3、塑性资料金属类、塑性资料金属类 1 1颈缩颈缩b b：均匀变形：均匀变形集中变形，断裂之前兆集中变形，断裂之前兆 2 2屈服点屈服点a a：弹性：弹性塑性；塑性；oaoa：弹性变形，：弹性变形，a a后：弹性后：弹性+ +塑性塑性 3 3应变强化应变强化/ /加工硬化：经一定塑性变形后屈服点加工硬化：经一定塑性变形后屈服点的景象。的景象。m m点卸点卸载载 ，沿沿mnmn降为零总应变降为零总应变om=om=残留残留/ /塑性塑性on+on+恢

6、复恢复/ /弹性弹性nmnm, ,重重新加载新加载nmbknmbk，屈服点，屈服点amam。 金属资料应力应变的不同方式金属资料应力应变的不同方式高分子资料应力应变的不同方式高分子资料应力应变的不同方式4 4、其它、其它1 1脆、塑、弹性综合运用脆、塑、弹性综合运用2应力应变方式的多样性(3) 陶瓷假塑性：仿生层状、陶瓷弱界面、纤维编织、非晶态95CaCO4/95CaCO4/壳质素壳质素Cf/SiC Cf/SiC 1 1、强度目的、强度目的 2.1.2 拉伸性能目的拉伸性能目的 1)屈服强度：比例极限p：符合线性关系的最高应力值弹性极限e：卸载后能完全弹性恢复的最高应力值屈服强度0.2 or

7、ys：规定以发生一定残留变形为规范的应力 (通常以0.2%残留变形的应力表示)2) 抗拉强度：b=Pb(最高载荷)/A0原始截面积。 是产生最大均匀变形的抗力3)实践断裂强度：Sk=Pk(断裂时载荷)/Ak真实截面积。表征资料对断裂的抗力 2 2、塑性目的、塑性目的 1延伸率： k=(lk-l0)/l0，lk和l0分别为断裂后和原始标长，含均匀延伸率b和集中延伸率c - b取决于资料属性, c与试样几何尺寸有关, l0越大， c越小对l0=5d0, l0=10d0试样，延伸率分别为 ， 5 102断面收缩率： k=(A0-Ak)/A0，A0和Ak分别为断口处原始和断裂后最小截面积，含均匀和集中

8、收缩率 k只决议于资料性质，与试样尺寸无关3) 塑性目的之间的关系,P214塑性目的的意义： 预告：断裂前有变形前兆，防突发脆断，可靠 缓冲：部分塑性变形松弛或缓冲偶尔过载引起的集中应力，平安 加工：塑造期望的外形，如弯曲、冲压等冷成型，本钱，容易 作业：1金属资料应力应变曲线的典型方式与主要特征，各为什么资料所特有？2)比较比例极限、弹性极限和屈服强度的异同，阐明这几个强度目的的实践意义。3阐明为什么 5 10？4) 推导延伸率与断面收缩率之间的关系发现：发现：“取一金属丝，长取一金属丝，长2020英尺或英尺或3030英尺或英尺或4040英尺，上部固定在一根钉子上，另一端固英尺，上部固定在一

9、根钉子上，另一端固定一个放砝码用的称盘，以两角规量测盘底与地面的间隔；然后，置砝码于其上，定一个放砝码用的称盘，以两角规量测盘底与地面的间隔；然后，置砝码于其上，丈量上述金属丝的伸长并记录之。比较金属丝的伸长量可以发现：其不同伸长的比丈量上述金属丝的伸长并记录之。比较金属丝的伸长量可以发现：其不同伸长的比例，与引起伸长所置的砝码分量的比例一样。例，与引起伸长所置的砝码分量的比例一样。300年前 Robert Hooke用F=kx表示之，后来演化成=E 不完善不完善: : 只描画了受力只描画了受力变形，短少卸除变形，短少卸除消逝，可逆性消逝，可逆性是弹性变形的重要特征！是弹性变形的重要特征！只思

10、索了伸长，忽略截面的收缩。只思索了伸长，忽略截面的收缩。 创新 - 完善 表达？18001800年前：郑玄年前：郑玄- -在在“考弓记考弓记弓人弓人描画测试弓力时，描画测试弓力时， “ “每加物一石，那么张一尺每加物一石，那么张一尺2.2 弹性变形弹性变形 =E 2.2.1 弹性变形及其物理本质弹性变形及其物理本质 上述实验问题：为什么会伸长？ 原子间距变化；取决于原子间作用力！ 弹性变形过程 原子间作用力随原子间距变化：P=A/r2引力+B/r4斥力平衡形状r0：引力=斥力外力：拉，r(弹性变形)，引力，恢复原子平衡位r0 压，r，合力=斥力，撤除外力后恢复r 达 rm：理结论

11、裂强度 rmxyP 物理本质 E本质是原子间作用力曲线在平衡位置斜率tg 哪个原子间作用力强？ 2: tg2 tg1 ；E2 E1；使原子分开同样间隔，2需求的力大。 压应力，r，tg，E 共价键、离子键，结合力强，E大 温度，热膨胀r，E 不同资料的不同资料的E E1金属:原子间作用力。取决于结合键的本性和原子间的结合力，成分和组织对它的影响不大。对组织不敏感的性能目的，而高分子和陶瓷E对构造和组织敏感 2陶瓷：不仅与结合键，还与陶瓷构造及气孔率可看作第2相有关。这一点与金属不同，金属的弹性模量是一个极为稳定的力学性能目的，合金化、热外理、冷热加工难以改动它的数值。但是陶瓷的工

12、艺过程却对弹性模量有着艰苦影响。 3聚合物：聚合物的弹性模量对构造非常敏感，这与金属和陶瓷不同。 两种特殊的弹性变形行为： 变形与时间有关，表现为应变落后于应力。变形经过调整内部分子构象(需求时间实现。 弹性模量很小，形变量很大，高弹态橡胶，聚合物特有的基于链段运动的一种力学形状。铜、钢弹性变形量原试样的12，而橡胶可达1000，橡胶的E比其它固体物质小一万倍以上。 4复合资料： 应变一样总应变与各组成应变一样，如复合板模型受力平行于板面：上限模量E=E1V1+E2V2 应力一样时受力垂直于板面：下限模量1/E=V1/E1+V2/E2 气孔E=0为第二相时，E=E0(1-1.9P+0.9P2)

13、,E0为无气孔时的模量，P为气孔率 2.2.2 广义广义Hooke定律定律 llycbbczxxx1虎克定律 一长方体，在垂直x轴两面受均匀分布正应力x，对各向同性体，长方体在x轴的相对伸长可表示为：=x/E ，为虎克定律。其中=L/L 2泊松比当长方体伸长时，侧向要发生横向收缩，如图，单独作用时，在y,z方向的收缩为：y = -c/c；z = -b/b 横向变形系数，叫做泊松比：= = ，y=z=-x=-x/E 普通，金属为0.29-0.33，陶瓷0.2-0.25,玻璃态高分子0.3-0.4，橡胶0.499-0.500 xzx3广义虎克定律上述长方体各面分别受有均匀分布的正应力x,y,z,某

14、一方向的总应变为三个主应力在这一方向引起应变量的叠加，此时广义虎克定律为右式对剪切应变，有式中，G为剪切模量或刚性模量，表征资料抵抗剪切变形的才干G，E，有以下关系：G=E/21+ )(1zyxEy)(1zxyE z)(1yxzEGxyxy/Gyzyz/Gzxzx/2.2.3 弹性性能的工程意义弹性性能的工程意义 机器零构件在服役过程中都是处于弹性变外形状弹力足够，刚度缺乏弹力足够，刚度缺乏 刚度足够，弹力缺乏刚度足够，弹力缺乏 弹力弹力- -吸收和释放弹性功的才干；左吸收和释放弹性功的才干；左吸收才干差，右吸收才干差，右释放才干差释放才干差弹性功弹性功- -外力使资料产生弹性变形，外力做功被

15、储存在资料内被资料吸收外力使资料产生弹性变形，外力做功被储存在资料内被资料吸收未完全加载变形至最大，撤载恢复全加载仍弹性范围，撤载后不完全恢复1)1)刚度：在弹性变形范围，构件抵抗变形的才干。刚度：在弹性变形范围，构件抵抗变形的才干。定义：定义：Q = P/ = A/ = E A Q = P/ = A/ = E A P P：压强；：压强； A A：截面积：截面积刚度缺乏会导致过量弹性变形而失效，提高刚度缺乏会导致过量弹性变形而失效，提高A A可提高刚度可提高刚度 零件的刚度与资料的刚度不同，它除了决议于资料的刚度外还与零件的截面尺寸与外形，以及截面积作用的方式有关比弹性模量弹性模量密度 机械设

16、计中，刚度是第一位的，它保证精度，曲轴的构造和尺寸经常由刚度决议，然后强度校核2 2弹性比功单位体积的弹性能：指资料吸收变形功而不发生永久弹性比功单位体积的弹性能：指资料吸收变形功而不发生永久变形的才干，它标志着单位体积资料所吸收的最大弹性变形功。变形的才干，它标志着单位体积资料所吸收的最大弹性变形功。 提高弹性比功:弹性极限e，是强度目的，可经过工艺调整；E，是刚度目的，与原子间结合力有关，构造不敏感； 添加体积V可有效提高弹性功但非弹性比功，即储存在零件中的弹性能增大 EEEeee e2212121 应力-应变曲线下弹性范围所吸收的变形功的才干,又称弹性比能，应变比能。其大小为图中阴影面积

17、： 即：弹性比功 = 其中e为资料的弹性极限，它表示资料发生弹性变形的极限抗力 2 /2220EVllEAdlllEAAdlEAdlPdlWL v 单位拉伸时，对物体所做的功储存在物体内，为弹性功：2.2.4 弹性不完好性弹性不完好性 完好性-加载立刻变形，卸载迅速恢复，同步，变形值与时间无关 1弹性后效：应力作用下，应变随时间而开展的行为，以及应力去除后应变逐渐恢复的景象，统称之。 ABCDEFHIO时间 t加载正弹性后效 卸载反弹性后效=工程上的弹性后效 :O-A-B B-D-O t: O-C-E E-I-F :O-C-H H-D-O 2弹性滞后环内耗：弹性后效加载和卸载曲线不重合封锁的滞

18、后回线，上图的OABDO=弹性滞后环，面积为“加载作功-卸载作功=被吸收的功，称“内耗。反映资料在应力作用下，以不可逆方式吸收能量而不被破坏的才干，可靠本身来消除机械振动等的才干消振性，适于飞机螺旋桨、气轮机叶片等。不适于弹簧秤等精细构件用材。v粘弹性:一些非晶体高分子聚合物或高温形状下的资料多晶玻璃转化温度附近，常是弹性和粘性同时出现，这种形变在外力去除后不能自动恢复，但施加相反方向力可逐渐恢复。沥青或油灰，快速应力-弹性；缓慢应力-粘性；玻璃棒在酒精灯下缓慢拉成很长的细丝截面积均匀，无颈缩。 机床底座？机床底座？4包辛格Bauschinger效应：定义：指原先经过变形，然后反向加载时，弹性

19、极限P或屈服强度S降低的景象。 实践资料T10钢的包辛格效应 ：条件：T10钢淬火350回火拉伸时，曲线1 0.2=1130M Pa ；曲线2事先经过预压变形再拉伸时,0. 2 =880M Pa 包辛格效应实际上解释： 用位错(等位错)实际 原先加载变形时,位错源在滑移面上产生的位错遇到妨碍,塞积后产生了背应力,当反向加载时,位错运动的方向与原来方向相反,背应力协助位错运动,塑性变描画易,屈服强度,另外,反向加载时,滑移面上产生的位错与预变形的位错异号,异号位错销毁,引起资料软化,S 作业：作业：1、某汽车弹簧，在装满载时，已变形到最大位置，卸载后可完全、某汽车弹簧，在装满载时，已变形到最大位

20、置，卸载后可完全恢复到原来位置；另一汽车弹簧，运用一段时间后发现弹簧弓形恢复到原来位置；另一汽车弹簧，运用一段时间后发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析二者的本质和改良措施。析二者的本质和改良措施。2、弹性模量的物理本质，比较金属、陶瓷、聚合物、复合资料弹、弹性模量的物理本质，比较金属、陶瓷、聚合物、复合资料弹性模量的异同。性模量的异同。3、形变强化、形变强化 VS 包辛格效应包辛格效应? 4、正弹性后效、正弹性后效 VS 屈服平台？屈服平台？5、弹性滞后环内耗及其运用？、弹性滞后环内耗及其运用？2.3

21、塑性变形塑性变形金属区别于其它的2重要特征塑性变形：具有延展性、可被加工形变强化：利用塑性变形提高强度、超载时免于破坏外力移去后不能恢复的变形，受此形变而不破坏的才干？2.3.1 2.3.1 塑性变形的微观机制塑性变形的微观机制 滑移和孪晶滑移和孪晶 滑移：在切应力下，沿一定的滑移系统挪动，属整体的切变：一部分晶体相对另一部分平移挪动；常见、变形量大 孪晶：晶体内部分区域的一个切变过程，变形区与未变形区的晶体取向成镜面对称关系，是滑移的补充；不常见、变形量小 两种滑移机制两种滑移机制 1 1、晶格滑移、晶格滑移 滑移系统：滑移面滑移系统：滑移面+ +滑移方向滑移方向 滑移面上F方向的应力：=F

22、/A/cos=F cos/A此应力在滑移方向的分剪应力：= F cos/Acos如0临界剪应力时，在此向滑移 滑移条件：几何要素滑移条件：几何要素+ +静电要素静电要素 滑动较小间隔就可使晶体复原 在滑移过程不会遇到同号离子的宏大斥力 NaCl型构造的离子晶体在110面族的沿方向的滑移 金属：金属键，无方向性，容易满足几何、静电条件，滑移系统多； 陶瓷：离子/共价键，明显方向性，同号离子斥力大，滑移系统少； v上述对单晶体而言，对多晶多数陶瓷，个别晶粒滑移，受周围晶粒的约束，宏观表达不。右图是整排原子的同时挪动，实践也不如此，位错运动 2 2、塑性变形的位错运动、塑性变形的位错运动 实践晶体，

23、位错缺陷，受剪力时，不是整体两部分晶体的相对运动，而是位错在滑移面上沿滑移方向的运动，位错运动比晶体两部分整体相对运动容易的多 内力平衡时原子势能最低内力平衡时原子势能最低位错缺陷处势能较高位错缺陷处势能较高空位附近原子空位附近原子C2C2迁移到空位上需抑制的势迁移到空位上需抑制的势垒垒h h升高温度或外力做功提供升高温度或外力做功提供 h夹头运动速度:降落,即屈服降落。 3 3真实应力应变曲线真实应力应变曲线S- S- ,S,S,S-真实应力应变曲线S=P/A，A为瞬时真实截面积比较：条件应力=P/A0与真实应力S=P/A：P一样时，SS-防止了-假象，真实反映了拉伸过程资料的应力应变关系。

24、 真实应力应变曲线可用真实应力应变曲线可用 方程表示方程表示n称为加工硬化指数或应变硬化指数，K叫做强度系数。如取对数,那么有 在双对数的坐标中真应力和真应变成线性关系,直线的斜率即为n。S=Kn S=Kn 方程方程K K相当于相当于=1.0=1.0时的真应力时的真应力理想弹性体理想弹性体 n=1 n=1 为一为一4545斜线斜线理想塑性体理想塑性体 n=0 n=0 为一程度直线为一程度直线 n=1/2 n=1/2 为一抛物线。为一抛物线。 加工硬化指数n反响了资料开场屈服后，继续变形时资料的应变硬化情况，它决议了资料开场发生颈缩时的最大应力。n还决议了资料可以产生的最大均匀应变量。n增大，加

25、工硬化强、均匀变形大实践运用：减轻汽车分量对降低燃油耗费有很重要的作用。汽车车身或底盘约占汽车总分量的60。底盘的主要尺寸是按比刚度 来确定的，铝合金的比刚度比钢(低合金高强度钢)大。汽车车身用材？不锈钢有很大的加工硬化指数n=0.5，因此也有很高的均匀变形量。不锈钢的屈服强度不高，但如用冷变形可以成倍地提高。汽车身板铝合金化 ，其n值较低，冷加工或冲压性能差。 dP=d(SA)=AdS+SdA=0 即 -dA/A=dS/S又按体积不变定理 dL/L = -dA/A = d故有 dS/d=S 颈缩条件即当加工硬化速率等于该处的真应力时就开场颈缩。 fSd0 应力-应变曲线上的应力到达最大值时即

26、开场出现颈缩。在颈缩前变形沿整个试样长度是均匀的，发生颈缩后变形那么主要集中在部分区域，在此区域内横截面越来越细，部分应力越来越高，直至不能接受外加载荷而断裂。出现颈缩时正是相当于负荷-变形曲线上的最大载荷处，因此，应有 dP=0 5 5形变强化的实践意义形变强化的实践意义 本质：塑性变形消除了部分容易运动的位错，再塑性变形需求更大的力驱使更难运动的位错开场运动；意义：1资料平安性的定量目的，偶尔过载或部分应力集中超越屈服强度时，应变强化会使部分的屈服强度随塑性变形不断添加，防止因塑性变形的不断继续开展而导致资料断裂；2工程上强化资料的重要手段，尤其是对不能进展热处置强化的资料，如变形铝合金和

27、奥氏体不锈钢，形变强化成为提高其强度的重要手段；3保证某些冷成型工艺，如冷拔线材和深冲成型等。 2.3.3 2.3.3 静力韧度静力韧度 韧性是指资料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的才干。韧度那么韧性是指资料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的才干。韧度那么是度量资料韧性的力学性能目的。是度量资料韧性的力学性能目的。对拉伸断裂，韧度可以了解为真应力对拉伸断裂，韧度可以了解为真应力- -应变曲线下所包围的面积，应变曲线下所包围的面积，资料在静拉伸时单位体积资料从变形到断裂所耗费的功叫做静力资料在静拉伸时单位体积资料从变形到断裂所耗费的功叫做静力韧度。即：韧度。即： W = W =静力韧度是一个强度与塑性的综合目的。单纯的高强度资料象弹簧钢，其静力韧度不高，而只具有很好塑性的低碳钢也没有高的静力韧度，只需经淬火高温回火的中碳(合金)构造钢才具有最高的静力韧度 2.4 2.4 资料的断裂资料的断裂 1 1 金属静拉伸断口金属静拉伸断口 纤维区：中心位置，裂纹构成，颜色灰暗，外表有较大的起伏，如山脊状，阐明裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展也较慢；放射区：外表较光亮平坦，有较