材料物理材料力学-2017-2

1、2.2 材料的塑性、蠕变与黏弹性材料的塑性、蠕变与黏弹性前面考虑的问题：前面考虑的问题： 而实际应用时，而实际应用时， 是随时间的函数，是随时间的函数， (t)；由此，由此， 也为时间的函数。也为时间的函数。弹性不完整：加载（卸载）应力弹性不完整：加载（卸载）应力-应变曲线不重合，应变曲线不重合，应变的发展跟不上应力的变化应变的发展跟不上应力的变化滞弹性滞弹性理想理想2.2 材料的塑性、蠕变与黏弹性材料的塑性、蠕变与黏弹性蠕变（蠕变（creep）：在恒定的应力作用下材料的应变随在恒定的应力作用下材料的应变随时间时间增增加而逐渐增大的现象加而逐渐增大的现象位错：位错：高温使得位错运动加快高温使得

2、位错运动加快扩散：扩散：空位沿应力作用方向扩散空位沿应力作用方向扩散晶界：晶界： 应力使得晶界发生黏性流动应力使得晶界发生黏性流动影响因素：温度、应力、组分、晶体键型、气孔、影响因素：温度、应力、组分、晶体键型、气孔、晶粒大小、玻璃相等。晶粒大小、玻璃相等。加速加速2.2 材料的塑性、蠕变与黏弹性材料的塑性、蠕变与黏弹性黏弹性（黏弹性（viscoelasticity）：介于理想弹性固体与理想黏性液介于理想弹性固体与理想黏性液体之间，既具有固体的弹性又具有液体的黏性。（高分子）体之间，既具有固体的弹性又具有液体的黏性。（高分子） 123/123(1)tetEE普弹普弹+ +高弹高弹+ +黏性应变

3、黏性应变黏弹性材料的力学黏弹性材料的力学性质与时间有关性质与时间有关普弹应变普弹应变：分子链内部链长和键角在受力时的瞬时形变：分子链内部链长和键角在受力时的瞬时形变高弹应变高弹应变：分子链段在受力时逐渐伸展的形变：分子链段在受力时逐渐伸展的形变黏性应变黏性应变：没有化学交联的线性分子链段受力时的相对滑移：没有化学交联的线性分子链段受力时的相对滑移松弛时间松弛时间材料黏度材料黏度2.2 材料的塑性、蠕变与黏弹性材料的塑性、蠕变与黏弹性应力松驰（应力松驰（stress relaxation）：恒定应变时，材料恒定应变时，材料内部的应力随时间增长而减小的现象。（高分子）内部的应力随时间增长而减小的现

4、象。（高分子） 应力松驰应力松驰蠕变蠕变静态力学松驰过程静态力学松驰过程/0te2.2 材料的塑性、蠕变与黏弹性材料的塑性、蠕变与黏弹性0( )sintt0( )sin()tt交变应力作用下，形变落后于应力变化的现象称为交变应力作用下，形变落后于应力变化的现象称为滞后滞后同相位时，没有滞后现象，无能量损失。同相位时，没有滞后现象，无能量损失。存相位差时，则每一循环周期状时损失能量，为存相位差时，则每一循环周期状时损失能量，为力损耗力损耗。00( )( )sinWt dt 力学损耗角力学损耗角在外力作用和去除的过程中，大在外力作用和去除的过程中，大分子的形变是分子的形变是大分子链段发生重大分子链

5、段发生重排的过程排的过程，这种过程需有一定的，这种过程需有一定的时间，导致应变的产生滞后于应时间，导致应变的产生滞后于应力的作用。力的作用。2.2 材料的塑性、蠕变与黏弹性材料的塑性、蠕变与黏弹性玻玻璃璃态态高高弹弹态态黏黏流流态态力力损损耗耗温度温度玻玻璃璃态态黏黏弹弹态态橡橡胶胶态态力力损损耗耗log高分子材料高分子材料轮胎，传动带轮胎，传动带防震、隔音防震、隔音损耗损耗小小大大 键长、键角键长、键角链段运动链段运动链段运动相对自由链段运动相对自由滑移滑移天生我材必有用！天生我材必有用！2.2 材料的塑性、蠕变与黏弹性材料的塑性、蠕变与黏弹性拆分拆分Boltzman叠加原理叠加原理：黏弹性

6、材料的力学松弛行为是其整个历史上各个应黏弹性材料的力学松弛行为是其整个历史上各个应力贡献的力贡献的线性加和线性加和的结果的结果黏弹性材料黏弹性材料弹性材料弹性材料黏性材料黏性材料如何组合如何组合2.2 材料的塑性、蠕变与黏弹性材料的塑性、蠕变与黏弹性1212/0( )(1)tteE0ddt11E22Voigt模型模型在保持应力恒定时，应变随时间的在保持应力恒定时，应变随时间的增长而增大增长而增大蠕变蠕变2.2 材料的塑性、蠕变与黏弹性材料的塑性、蠕变与黏弹性11E22EEddt1212/00( )exp()tEtte0ddt在保持应变恒定时，应力随时间在保持应变恒定时，应力随时间按指数规律衰减

7、按指数规律衰减应力松弛应力松弛Maxwell模型模型2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度根据外力作用的形式，可分为根据外力作用的形式，可分为抗拉强度、抗冲强度、抗压强抗拉强度、抗冲强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度度、抗弯强度、抗剪强度等。等。 抗拉强度抗拉强度是指在拉伸试验机上，在规定的试验温度、湿度和是指在拉伸试验机上，在规定的试验温度、湿度和拉伸速率下，在哑铃形材料标准试样上施加拉伸负荷，直至拉伸速率下，在哑铃形材料标准试样上施加拉伸负荷，直至试样断裂时所承受的最大应力。试样断裂时所承受的最大应力。机械强度机械强度(mechanical strength)：材料在外力作用下抵

8、抗形变及材料在外力作用下抵抗形变及断裂破坏的能力。断裂破坏的能力。2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度理论结合强度理论结合强度指材料的原子间结合力的最大值指材料的原子间结合力的最大值th2sinx?完美晶体拉断的示意图：完美晶体拉断的示意图：mn为断裂面的迹线为断裂面的迹线d为原子间距为原子间距2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度th2sinx2th02sinxdxth222sinxx1/2th()Ea外力分开单位面积的原子面所做外力分开单位面积的原子面所做的功等与断裂时产生的两个单位的功等与断裂时产生的两个单位面积的新表

9、面所需的表面能面积的新表面所需的表面能积积分分Hook定律定律xEEd2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度表面能表面能?从微观结构角度理解，不同晶面从微观结构角度理解，不同晶面的表面能应该如何考量？的表面能应该如何考量？2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度脆性断裂脆性断裂韧性断裂韧性断裂曲线下的面积正比于发生韧性断裂所需的能量曲线下的面积正比于发生韧性断裂所需的能量屈服点屈服点2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度韧性韧性2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度脆性断裂脆性断裂韧性断裂韧性断裂2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度2.3 材料

10、的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度格里菲斯（格里菲斯（Griffith）裂纹理论）裂纹理论材料中有微裂纹存在将引起材料中有微裂纹存在将引起应力集中应力集中，使，使得断裂强度大为下降。对应于一定尺寸的得断裂强度大为下降。对应于一定尺寸的裂纹，有一裂纹，有一临界应力值临界应力值c。当外加应力低。当外加应力低于于c时，裂纹不能扩大，只有当应力超过时，裂纹不能扩大，只有当应力超过c时，裂纹迅速扩大，导致断裂。时，裂纹迅速扩大，导致断裂。2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度裂纹断裂理论裂纹断裂理论1/2A12(/)C R1/2A2 (/)C R1/2A2 (/ )C a裂纹尖端的应力裂纹尖

11、端的应力扁平的裂纹扁平的裂纹曲率半径曲率半径R的最小值近似的最小值近似与原子间距与原子间距a同一数量级同一数量级应力在裂纹尖端集中应力在裂纹尖端集中Athf1/2f(/4 )EC裂纹扩展的临界条件裂纹扩展的临界条件裂纹扩展的必须条件裂纹扩展的必须条件断裂强度断裂强度2CCR裂纹尖端的曲率半径裂纹尖端的曲率半径R裂纹的长度裂纹的长度2C2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度Griffith理论是理论是基于弹性理论基于弹性理论基础，对具有一定韧性的材料基础，对具有一定韧性的材料来说，和实际情况相差较远，原因在于裂纹在具有一定韧来说，和实际情况相差较远，原因在于裂纹在具有一定韧性的材料中扩

12、展时，除了产生裂纹的表面而需要提供表面性的材料中扩展时，除了产生裂纹的表面而需要提供表面能外，还会由于在裂纹前端产生一个塑性变形区而能外，还会由于在裂纹前端产生一个塑性变形区而消耗一消耗一部分塑性变形能部分塑性变形能，断裂前会产生大范围的塑性变形的断裂，断裂前会产生大范围的塑性变形的断裂1/2f()/ 4 p EC2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度 根据断裂前塑性变形大小：脆性、韧性。根据断裂前塑性变形大小：脆性、韧性。 根据断裂面的取向分类：正断、切断根据断裂面的取向分类：正断、切断 根据裂纹扩展的途径：穿晶断裂、沿晶断裂。根据裂纹扩展的途径：穿晶断裂、沿晶断裂。 根据断裂机理

13、分类：根据断裂机理分类： 解理断裂解理断裂 微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂 纯剪切断裂纯剪切断裂2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度Moderately Ductile Failure2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度断裂韧性断裂韧性IA2KIA2 22KCYCR前面谈及前面谈及1/2A2 (/)C RIICKYCK引入一特征常数引入一特征常数（平面应变断裂韧性）（平面应变断裂韧性）设计的构件才安全，不致发生低应力下的脆性断裂设计的构件才安全，不致发生低应力下的脆性断裂应力场强因子应力场强因子2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度2.3 材料的断裂与机械强度材

14、料的断裂与机械强度2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度温度的影响温度的影响航天的材料？航天的材料？延展性、脆性延展性、脆性2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度时间的影响时间的影响（疲劳）（疲劳）2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度疲劳机制疲劳机制2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度改善疲劳改善疲劳例子：例子：铁匠铁匠渗碳渗碳2.3 材料的断裂与机械强度材料的断裂与机械强度硬度硬度材料的硬度取决于其化学组成和物质结构离子半径越材料的硬度取决于其化学组成和物质结构离子半径越小，离子电价越高，配位数越小，则结合能越大，抵小，离子电价越高，配位数越小，则

15、结合能越大，抵抗外力刻划和压入的能力就越强，所以硬度就越大。抗外力刻划和压入的能力就越强，所以硬度就越大。2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制Yongjun Tian, et al. Ultrahard

16、nanotwinned cubic boron nitride. Nature 493(2013)385-3882.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制2.4 位错与强化机制位错与强化机制H. Q. Li, et al. Strong and ductile nanostructured Cu-carbon nan

17、otube composite. Appl. Phys. Lett. 95(2009) 071907 结实的麦粒结实的麦粒一块铁沉下去一块铁沉下去, ,落在龙山落在龙山-你的根据地你的根据地, ,在那里在那里有你的年事已高的父亲有你的年事已高的父亲, ,有石磨有石磨 分成两半分成两半, ,置于院坝一角置于院坝一角, ,有鸟儿有鸟儿在柏树顶鸣叫黄昏。多少年前在柏树顶鸣叫黄昏。多少年前你渴望用故乡的红土修一座土房你渴望用故乡的红土修一座土房看你的麦子由青变黄，看丝瓜看你的麦子由青变黄，看丝瓜爬上篱笆，为一朵云的流浪而忧伤爬上篱笆，为一朵云的流浪而忧伤而今，上天有眼：你终于实现了而今，上天有眼：你终于实现了在故居，风车转动，麦壳被吹出在故居，风车转动，麦壳被吹出留下结实的麦粒留下结实的麦粒 萧艾萧艾 乡村的早晨乡村的早晨蛙鸣将土房浮起，并形成海洋蛙鸣将土房浮起，并形成海洋鸟声在南屋角外飞走，把天空叫得响亮鸟声在南屋角