材料力学性能2011(1 ,2).ppt

1、材料力学性能,刘家臣历史时代划分: 石器、陶器、青铜器、铁器 新炻器、钢铁、复合材料、纳米,第一章 绪 论,材料是用来制造器件的物质,促进社会进步: 钢铁材料工业社会 半导体材料信息社会 高温、高比强材料空天社会？,现代文明的重要标志: 21世纪信息、生物、能源、空间、材料,金属、非金属、高分子、复合,一、课程地位,材料科学与工程体系,二、研究对象、内容,材料受外力作用后的 力学行为规律及其物理本质和评价方法。 1、 基本力学性能： 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（基础）、陶瓷（偏重）、高分子（

2、涉及） 力学：学科基础；工程力学：设计基础；力学性能：应用基础,三、作用（目的）,1）正确选材、评价 ： 索道、刀刃 延塑-金属/脆硬-陶瓷/柔弹-高分子 2）创新新材料 ： 高铁（减震）、大飞机（复合）、大火箭（防腐）、空天（高温） 3）零构件失效分析： 1912-Titanic；2003-Columbia ；2011-核泄漏；2008-南方冰雪 学分 & 学位,第二章 材料的静载力学性能,2.1静载拉伸试验,最基本、广泛的力学性能试验,测定力性：评价、比较、选材依据 揭示基本力性规律：脆、弹、塑、粘性,标准试样： d0, l0, A0, l0= 5d0, l0= 10d0,拉长l=l -

3、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,1、脆性材料（陶瓷类） 1）单值对应，直线，最高载荷点断裂 2）E=tg=（/ ），弹性模量的意义：对弹性变形的抗力（刚度设计中的重要指标） 3）陶瓷类，横向交联好的聚合物，普通灰铸铁,2、弹性材料（高分子类 ） 1）极大的弹性变形，高分子类，如橡皮 2）消除恢复，无残余形变 3）E与“弹性”：E弹性变形的抗力，弹性大的材料，E小,3、塑性材料（金属类 ） 1）颈缩b：均匀变形集中变形，断裂之前兆 2）屈服点a：弹性塑性；oa：弹性变形，a后：弹性+塑性 3）应变强化/加工硬化：经

4、一定塑性变形后屈服点的现象。m点卸载 ，沿mn降为零（总应变om=残留/塑性on+恢复/弹性nm）,重新加载nmbk，屈服点am。,金属材料应力应变的不同形式,高分子材料应力应变的不同形式,4、其它,（1）脆、塑、弹性综合应用,（2）应力应变形式的多样性,(3) 陶瓷假塑性：仿生层状、陶瓷弱界面、纤维编织、非晶态,95CaCO4/壳质素,Cf/SiC,1、强度指标,2.1.2 拉伸性能指标,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 ys：规定以发生一定残留变形为标准的应力 (通常以0.2%残留变形的应力表示) 2)

5、 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)实际断裂强度： Sk=Pk(断裂时载荷)/Ak（真实截面积）。表征材料对断裂的抗力,2、塑性指标,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取决于材料属性, 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 10 2）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，含均匀和集中收缩率 k只决定于材料性质，与试样尺寸无关 3) 塑性指标之间的关系,P2

6、1 4）塑性指标的意义： 预报：断裂前有变形前兆，防突发脆断，可靠 缓冲：局部塑性变形松弛或缓冲偶然过载引起的集中应力，安全 加工：塑造期望的形状，如弯曲、冲压等冷成型，成本，容易,作业： 1）金属材料应力应变曲线的典型形式与主要特征，各为什么材料所特有？ 2)比较比例极限、弹性极限和屈服强度的异同，说明这几个强度指标的实际意义。 3）说明为什么 5 10？ 4) 推导延伸率与断面收缩率之间的关系,发现： “取一金属丝，长20英尺或30英尺或40英尺，上部固定在一根钉子上，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距离；然后，置砝码于其上，测量上述金属丝的伸长并记录之。比较金属丝的

7、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重量的比例相同。”,300年前 Robert Hooke,用F=kx表示之，后来演化成=E ,不完善: 只描述了受力变形，缺少卸除消失，可逆性是弹性变形的重要特征！ 只考虑了伸长，忽略截面的收缩。,创新 - 完善 表达？,1800年前：郑玄-在“考弓记弓人”描述测试弓力时， “每加物一石，则张一尺”,2.2 弹性变形 =E ,2.2.1 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！,2.2.1.1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） 平衡状态r0：引力=

8、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：理论断裂强度,2.2.1.2 物理本质,E（本质）是原子间作用力曲线（在平衡位置）斜率（tg）,2: tg2 tg1 ；E2 E1；使原子分开同样距离，2需要的力大。,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,不同材料的E,（1）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指标，而高分子和陶瓷E对结构和组织敏感,（2）陶瓷：不仅与结合键，还与陶瓷结构及气孔率（可看作第2相）有关。这一点与金属不同，金

9、属的弹性模量是一个极为稳定的力学性能指标，合金化、热外理、冷热加工难以改变它的数值。但是陶瓷的工艺过程却对弹性模量有着重大影响。,（3）聚合物：聚合物的弹性模量对结构非常敏感，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。变形通过调整内部分子构象(需要时间）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状态。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）复合材料： 应变相同（总应变与各组成应变相同，如复合板模型受力平行于板面）：上限模量E=E1V1+E2V2 应力相同时

10、（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),E0为无气孔时的模量，P为气孔率,2.2.2 广义Hooke定律,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 一般，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0.499-0.500,3）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,某一方向的总应变为三个主应力在这一方向引起应变量

11、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，表征材料抵抗剪切变形的能力 G，E，有下列关系：G=E/2（1+）,2.2.3 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形状态,弹力-吸收和释放弹性功的能力；左吸收能力差，右释放能力差 弹性功-外力使材料产生弹性变形，外力做功被储存在材料内（被材料吸收）,1)刚度：在弹性变形范围，构件抵抗变形的能力。 定义：Q = P/ = A/ = E A P：压强； A：截面积 刚度不足会导致过量弹性变形而失效，提高A可提高刚度,零件的刚度与材料的刚度不同，它除了决定于材料的刚度外还与零件的截面尺寸与形状，以

12、及截面积作用的方式有关 比弹性模量弹性模量密度 机械设计中，刚度是第一位的，它保证精度，曲轴的结构和尺寸常常由刚度决定，然后强度校核,2）弹性比功（单位体积的弹性能）：指材料吸收变形功而不发生永久变形的能力，它标志着单位体积材料所吸收的最大弹性变形功。,提高弹性比功: 弹性极限e，是强度指标，可通过工艺调整； E，是刚度指标，与原子间结合力有关，结构不敏感； 增加体积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,应力-应变曲线下弹性范围所吸收的变形功的能力,又称弹性比能，应变比能。其大小为图中阴影面积： 即：弹性比功 = 其中e为材料的弹性极限，它表示材料发生弹性变形的极限抗

13、力,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 弹性不完整性,完整性-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，应变随时间而发展的行为，以及应力去除后应变逐渐恢复的现象，统称之。,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闭的滞后回线，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”。,反映材料在应力作用下，以不可逆方式吸收能量而不被破坏的能力，可靠自

14、身来消除机械振动等的能力（消振性），适于飞机螺旋桨、气轮机叶片等。不适于弹簧秤等精密构件用材。,粘弹性:一些非晶体（高分子聚合物）或高温状态下的材料（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？,4）包辛格（Bauschinger）效应：定义：指原先经过变形，然后反向加载时，弹性极限（P）或屈服强度（S）降低的现象。,实际材料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=1130

15、M Pa ；曲线2事先经过预压变形再拉伸时, 0. 2 =880M Pa,（包辛格效应理论上解释： 用位错(等位错)理论 原先加载变形时,位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍,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,背应力帮助位错运动,塑性变形容易,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,引起材料软化,S）,作业： 1、某汽车弹簧，在装满载时，已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来位置；另一汽车弹簧，使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。试分析二者的本质和改进措施。 2、弹性模量的物理本质，

16、比较金属、陶瓷、聚合物、复合材料弹性模量的异同。 3、形变强化 VS 包辛格效应? 4、正弹性后效 VS 屈服平台？ 5、弹性滞后环（内耗）及其应用？,2.3 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能力,？,2.3.1 塑性变形的微观机制,滑移和孪晶,滑移：在切应力下，沿一定的滑移系统移动，属整体的切变：一部分晶体相对另一部分平移移动；常见、变形量大,孪晶：晶体内局部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

17、,1、晶格滑移,滑移系统：滑移面+滑移方向,滑移面上F方向的应力：=F/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：几何因素+静电因素,滑动较小距离就可使晶体复原 在滑移过程不会遇到同号离子的巨大斥力,NaCl型结构的离子晶体在（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；,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，宏观体现不。右图是整排原子的同时移动，实际也不如此，位错运动,2、

18、塑性变形的位错运动,实际晶体，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 位错（缺陷）处势能较高 空位附近原子C2迁移到空位上需克服的势垒h（升高温度或外力做功提供） h，刃型位错右移，晶体滑移,原子跃迁需克服的势垒h，原子跃迁难，位错运动难，滑移难，塑性 h：与键性有关金属0.1-0.2ev；陶瓷1ev，所以金属塑性变形比陶瓷容易,2.3.2 屈服现象,（1）屈服的本质：应力达特定值后，弹性塑性变形的现象。始于微不均匀或应力集中处，逐渐向整体传播。导致塑性变形是滑移和孪晶，主要是滑移，

19、滑移的实质不是整排原子同时移动，是位错运动，所以，屈服实质是材料中位错运动开始状态，是材料内部晶格滑移/位错运动的宏观体现,（2）条件应力应变曲线：应力应变曲线达最高点后为什么？,通常指的-曲线是单向拉伸的实验结果 由材料特性与实验机系统共同作用的结果。称条件应力应变曲线 应变受实验机夹头运动控制，夹头恒速运动，试样以恒定速度变形。 弹性阶段：伸长完全受压头控制，载荷、伸长都均匀； 塑性开始：部分消耗于滑移/位错，应力增加速度，-偏离直线； 塑性变形速度=夹头运动速度：弹性变形量不再，不再，屈服平台； 塑性变形速度夹头运动速度:降落,即屈服降落。,（3）真实应力应变曲线S-,真实应力应变曲线S

20、=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相同时，S S-避免了-假象，真实反映了拉伸过程材料的应力应变关系。,S=Kn 方程 K相当于=1.0时的真应力 理想弹性体 n=1 为一45斜线 理想塑性体 n=0 为一水平直线 n=1/2 为一抛物线。,加工硬化指数n反应了材料开始屈服后，继续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力。n还决定了材料能够产生的最大均匀应变量。n增大，加工硬化强、均匀变形大,实际应用：减轻汽车重量对降低燃油消耗有很重要的作用。汽车车身或底盘约占汽车总重量的60。底盘的主要尺寸是按比刚度 来确定的，铝合金的比刚

21、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，因而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。,(4)颈缩条件,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始颈缩。,应力-应变曲线上的应力达到最大值时即开始出现颈缩。在颈缩前变形沿整个试样长度是均匀的，发生颈缩后变形则主要集中在局部区域，在此区域内横截面越来越细，局部应力越来越高，直至不能

22、承受外加载荷而断裂。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）形变强化的实际意义,实质：塑性变形消除了部分容易运动的位错，再塑性变形需要更大的力驱使更难运动的位错开始运动； 意义： 1）材料安全性的定量指标，偶然过载或局部应力集中超过屈服强度时，应变强化会使局部的屈服强度随塑性变形不断增加，防止因塑性变形的不断继续发展而导致材料断裂； 2）工程上强化材料的重要手段，尤其是对不能进行热处理强化的材料，如变形铝合金和奥氏体不锈钢，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 静力韧度,韧性是指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。韧度则是度量材料韧性的力学性能指标。 对拉伸断裂，韧度可以理解为真应力-应变曲线下所包围的面积，（材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。）即： W =,静力韧度是一个强度与塑性的综合指标。单纯的高强度材料象弹簧钢，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，只有经淬火高温回火的中碳(合金)结构钢才具有最高的静