材料力学性能第一章2a

弹 性的概念 :材料受 载 后 产 生一定的 变 形，卸 载 后 这 部分变 形消失，材料恢复到原来的状 态 的性 质 称为 材料的 弹 性 。根据材料在 弹 性 变 形 过 程中 应 力和 应变的响 应 特点， 弹 性可分 为 ：1第三 节 非理想 弹 性与内耗理想 弹 性 （完全 弹 性） 应 力和 应变 服从胡克定律， 满 足：1 应 力 对 于 应变 的响 应 是 线 性的；2 应 力和 应变 同相位；3 应变 是 应 力的 单值 函数。2第三 节 非理想 弹 性与内耗非理想 弹 性 （ 弹 性不完整性）应 力 应变 非 线 性响 应 、不同位相、 应变 非应 力的 单值 函数。包括 滞 弹 性；粘 弹 性； 伪弹 性；包申格效 应等几种 类 型。实际 上 绝 大部分固体材料都表 现 出 非理想 弹性 性 质 ，工程中的材料按理想 弹 性 处 理只是一种近似 处 理。3第三 节 非理想 弹 性与内耗4一、滞 弹 性（ 弹 性后效）材料在快速加 载 或卸载 后，随 时间 的延 长而 产 生附加 弹 性 应变的性能。其 应 力 应变 曲 线 与 时间 的关系如 图 所示 。 滞 弹 性示意 图第三 节 非理想 弹 性与内耗一、滞 弹 性（ 弹 性后效 ）特点 ： 在 弹 性 应 力范 围 内，与所加 应 力对应 一个初始 应变 ，在保持 应 力 时 ， 产生附加 应变 。应 力加 载 条件： 瞬 间 加 载 或卸 载主要影响因素： 材料成分、 组织 的均匀性、温度、 应 力状 态 。5第三 节 非理想 弹 性与内耗滞 弹 性有利之 处 ：消振性，例如： 铸铁 作 为 机床支座；1Cr13钢 做汽 轮 机叶片。不利之 处 ：精密 仪 表中的 弹 簧 ，油 压 表，气 压 表中的测 力 弹 簧要求灵敏地反 应 指 针 数的 变 化，不允 许 有滞 弹 性。6第三 节 非理想 弹 性与内耗二、粘 弹 性定 义 ： 粘 弹 性是指材料在外力作用下，弹 性 和 粘性 两种 变 形机理同 时 存在的力学行 为 。（ 针对 高分子材料 ）特征： 应变对应 力的效 应 不是瞬 时 完成的，有一个弛豫 过 程，但卸 载 后， 应变恢复到初始 值 。7第三 节 非理想 弹 性与内耗应 力与 应变 的关系与 时间有关，可分 为 ：恒 应变 下的 应 力松弛加 载 一恒定 弹 性范 围 的 应变 后，有一初始 应 力 值 ，但 应变 保持不 变 ， 应 力 缓慢下降到某一恒定 值 ，如图 a。应 力松弛应 力与 时间 的关系8第三 节 非理想 弹 性与内耗蠕 变变 形恒 应 力下的蠕 变加 载 一恒定 弹 性范 围 的应 力后，有一初始 应变值 ，但 应 力保持不 变 ，应变缓 慢增加到某一恒定 值 ，如 图 b。应变 与 时间 的关系9第三 节 非理想 弹 性与内耗10非理想 弹 性与内耗0 t第三 节 1 2 1 2滞 弹 性 粘 弹 性三、 伪弹 性伪弹 性 是指在一定温度下，当 应 力达到一定水平后，金属或合金将 产 生 应力 诱发马 氏体相 变 ，伴随 应 力 诱发马氏体相 变产 生大幅度（ 60） 弹 性变 形 现 象。大大超 过 正常 弹 性 变 形。应 用：形状 记忆 合金。11第三 节 非理想 弹 性与内耗12第三 节 非理想 弹 性与内耗伪弹 性示意 图130 四、内耗理想 弹 性行 为 ，循 环变 形 过 程没有能量 损 失第三 节 非理想 弹 性与内耗第三 节 非理想 弹 性与内耗加 载 和卸 载时的 应 力 应变 曲线 不重合形成一封 闭 回 线 - 弹 性滞后 环14第三 节 非理想 弹 性与内耗弹 性滞后 环说 明加 载时 材料吸收的变 形功（能）大于卸 载时 材料 释 放的 变 形功，有一部分 变 形功被材料吸收，称 为 内耗 （又叫消振性），用回 线 的面 积 大小度量。15第三 节 非理想 弹 性与内耗内耗的 计 算：(t) =0 sint(t) =0 sin(t )循 环应 力 应变 与 时间 的关系16=0 0 2 /0 sintcos(t )dt=00 sin常用力学 损 耗角正切 tan 来表示内耗的大小。17第三 节 非理想 弹 性与内耗W = (t)d(t)第三 节 非理想 弹 性与内耗测 量 角比 较 复 杂 ，通常采用振 动试样 自由振 动 振幅衰减的自然 对 数 值 来表示内耗的大小TkTk+1 = ln Tk和 Tk+1表示自由振 动相 邻 振幅的大小。18对 于高聚物而言，内耗的大小与本身的 结 构有关。顺 丁橡胶内耗 较 小，因 为 它的分子 链 上 没有取代基团 ， 链 段运 动 的 内摩擦阻力 较 小 ；丁苯橡胶和丁 腈 橡胶的内耗比 较 大，因 为 丁苯胶有庞 大的 侧 苯基 ；丁 腈 橡胶有极性 较 强 的 侧氰 基 ，因而它 们 的 链 段运 动时 内摩擦阻力 较 大 。内耗 较 大的橡胶，吸收冲 击 能量 较 大，回 弹 性就 较 差 。19第三 节 非理想 弹 性与内耗非理想 弹 性与内耗内耗峰第三 节内耗与温度有关高聚物的 变 形和内耗与温度的关系20高聚物的内耗与 频 率的关系高弹性区黏 弹 区刚性区非理想 弹 性与内耗第三 节内耗与振动频率有关21工程 应 用：音叉在真空中做 弹 性振 动 ，但是由于内耗的作用，振幅逐 渐 衰减，最后停止（ 乐 器的制作） 。利用材料的内耗性高，消振性好，有利于防止共振 导 致疲 劳 断裂（机床床身材料的 选择 ） 。22第三 节 非理想 弹 性与内耗23第三 节 非理想 弹 性与内耗0 12402 1783 2874852301退火 轧 制黄 铜五、包申格效 应产 生了 少量塑性 变 形 的材料（残余 应变 4%），再同向加 载则弹 性极限（屈服 强 度）升高；反向加 载则弹 性极限（屈服 强 度）降低的 现 象。24第三 节 非理想 弹 性与内耗包申格 应变 是度量包申格效 应 的 定量指 标 。它是指在 给定 应 力下，拉伸卸载 后第二次再拉伸与拉伸卸 载 后再 压缩 两曲 线 之 间 的 应变 差。工程意 义 ：不利： 经 拉伸 变 形成型的构件要考 虑 其承受压缩载 荷的能力，以免使微量塑性 变 形抗力下降造成危害。特 别 是承受 应变 疲 劳载 荷作用的机件，呈 现 循 环软 化 现 象。有利： 如薄板反向弯曲成型，拉拔的 钢 棒 经辊压 校直等。25第三 节 非理想 弹 性与内耗包申格效 应 与金属材料中位 错 运 动 所受的阻力 变 化有关。 因 为经过 正向 变 形后，晶内位 错 最后 总 是停留在障碍密度 较 高 处 ，一旦有反向 变 形， 则 位 错 很容易克服曾 经扫过 的障碍密度 较 低 处 。林位 错对 位 错 运 动 的影响26第三 节 非理想 弹 性与内耗第三 节 非理想 弹 性与内耗消除包申格效 应 的方法： 预 先 进 行 较 大的塑性 变 形，或在第二次受力前先使金属材料于回复或再 结 晶温度下退火，如 钢 在400 500 ， 铜 合金在 250 270 退火。2728材料的塑性 变 形是微 观结 构的相 邻 部分 产 生永久性位移，并不引起材料破裂的 现 象。材料的种 类 和性 质 不同，其塑性 变 形机理也不相同。第四 节 塑性 变 形及其性能指 标29一、塑性 变 形的机理1 金属材料的塑性 变 形金属常 见 的塑性 变 形机理 为 滑移 孪 生滑移是在切 应 力作用下，沿着滑移面和滑移方向进 行的切 变过 程。思考：何 为 滑移系？哪些面可做滑移面 ？ fcc， bcc，hcp的滑移系有几个？室温与高温下有何区 别 ？滑移系的多少与金属的塑性好坏有何关系？第四 节 塑