川大材料科学与工程基础课件4-1-3和4-1-4 材料的形变

4-1-3和4-1-4材料的形变

DeformationofMaterialsElasticdeformationModulusofelasticity(Hook)(metalandceramics)Rubberlikeelasticity(elastomer)Viscoelasticity(polymer)permanentdeformationPlastic(metalslipsystemanddislocation)viscousflow(glassandpolymer)strengthening4－1－3弹性形变Elasticdeformation

弹性形变有普遍性A任何材料起始总是有弹性形变，B有一定的弹性形变范围，它取决于应力的大小和形态。1、Hooke定律和弹性模量

Hook’srawandModulusofelasticityHooke定律

＝E·

E-----弹性模量量纲GN/m2GPa

力学特点

小形变、可回复弹性模量

正弹性模量

E＝

／

正应力在

状态下

切弹性模量

G＝

／

纯剪切力

作用下

体积弹性模量

K＝

0／（

V／V0）

泊松比为缩短应变与伸长应变的比值，

γ=-ey/ex

转化关系

E=3G/[1+G/3K]K=E/[3(1-2γ)]E=2G(1+γ)E=3K(1-2γ)

各种材料的弹性模量材料E（GPa）G（GPa）泊松比

铸铁110.351.00.17软钢206.881.40.26铝68.924.80.33铜110.344.10.36黄铜70/30100.036.5

镍（冷拨）213.779.40.30钛106.9

锆93.835.8

铅17.96.20.40花岗岩46.219.30.20碳酸钠石灰玻璃68.922.10.23混凝土10.3~37.9

0.11~0.21橡木（纵向）12.50.6

橡木（横向）0.7

尼龙2.8

0.4酚醛树脂5.2~6.9

硬橡胶2.8

0.43材料的弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力主要取决于原子间的结合能力,构件刚度金属的模量值主要取决于10-102A晶体中原子的本性、电子结构

B原子的结合力、

C晶格类型以及晶格常数等。

D合金元素降低弹性模量。陶瓷材料具有较高模量、原因10-102A原子键合的特点特种陶瓷

B构成材料相的种类，分布、比例及气孔率有关。

高分子材料低模量FIGURE7.19.4-4.一硫化的橡胶球受到6.89MPa的静水压力，直径减少了1.2%，而相同材质的试棒在受到516.8KPa的拉应力时伸长2.1%，则此橡胶棒的泊松比为多少？

K=σ/(ΔV/V)=6.89Mpa/[1-0.9883]=193.7MpaE=σ/ε=516.8Kpa/2.1%=24.6Mpaν=0.5(1-E/3K)=0.48金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常表现为普弹性，主要的特点是：A应变在应力作用下瞬时产生，B应力去除后瞬时消失，C服从虎克定律。高分子材料通常表现为高弹性和粘弹性返回2.有机聚合物的弹性、粘弹性

ElasticityandVisco-elasticityofPolymers⑴高弹性，即橡胶弹性(rubberlikeelasticity)①

弹性模量小、形变大。

A一般材料，如铜、钢等，形变量最大为1

左右，

B而橡胶的高弹性形变很大，可拉伸至5~10倍。

C橡胶的弹性模量则只有一般固体物质的万分之一左右，即10—100

104Pa。②

弹性模量随温度升高而上升，而一般固体的模量则随温度的提高而下降。(a)软而弱；(b)硬而脆；(c)硬而强；

(d)软而粘弹性；(e)硬而粘弹性（2）粘弹性viscoelasticity①静态粘弹性固定应力

A蠕变(creep)

开尔文模型（Kelvinmodel)并联

在蠕变过程中形变

是时间的函数。即柔量D是时间的函数

D(t)=

(t)/

粘壶B.应力松弛(stressrelaxation)

马克斯维尔模型(Maxwellmodel)串联在应力松弛过程中，模量随时间而减小，称为松弛模量，

E(t)=

(t)/

0②动态粘弹性

Dynamicviscoelasticity周期性、交变应力在周期性应力作用下，模量

E可采用复数表示式。

E*=E’+i

E’’

tan

=E’’/E’

3、滞弹性——无机固体和金属的与时间有关的弹性。取决于温度和荷载的频率4、弹性极限与弹性比功（金属）

比例极限

弹性变形时应力与应变严格成正比关系的上限应力

p=Fp/S0条件比例极限

tan

’/tan=150%

p50

代表材料对极微量塑性变形的抗力切线（条件）弹性极限

最大弹性变形时的应力值。弹性比功弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力W

=

/2=

2/2E残留变形时的应力

4-1-4永久变形(permanentdeformation)

大形变、不可逆两种基体类型

晶质材料塑性流动－金属为主晶体一部分相对于另一部分滑动

非晶质材料粘性流动－高聚物为主原子集团自由调换位置Itisameasureofthedegreeofplasticdeformationthathasbeensustainedatfracture.AmaterialthatexperienceverylittleornoplasticdeformationuponfractureistermedbrittleDucitilityFIGURE7.11Typicalengineeringstress–strainbehaviortofracture,pointF.ThetensilestrengthTSisindicatedatpointM.Thecircularinsetsrepresentthegeometryofthedeformedspecimenatvariouspointsalongthecurve.FIGURE7.25Schematictensilestress–straincurveforasemicrystallinepolymer.Specimencontoursatseveralstagesofdeformationareincluded.1、塑性流动Plasticdeformation

滑移：材料在切应力作用下，沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）进行切变过程。滑移体系(slipsystem)——滑移方向、滑移面FIGURE8.6FIGURE8.14孪生：发生在金属晶体内局部区域的一个均匀切变过程。镜像反映密排六方FIGURE8.12位错dislocationFIGURE8.1FIGURE8.2位错的特征——应变场FIGURE8.4FIGURE8.52、粘性流动Viscousflow

在高于玻璃化温度并受到相当大的应力时，无机玻璃和热塑性聚合物会发生原子基团发生持续的高粘度状态下的热运动

=