材料力学性能演示文稿

材料力学性能演示文稿现在是1页\一共有63页\编辑于星期四材料力学性能现在是2页\一共有63页\编辑于星期四4.布氏硬度试验的关键注意事项？有何局限？硬度部分思考题：3.洛氏硬度试验方法的设计思路？主要特点与用途？5.为何硬度值与抗拉强度之间有一定关系？6.纳米压痕与普通硬度试验的区别？7.如何预测材料的硬度？1.硬度的物理意义与工程意义？2.维氏硬度试验基本原理？与布氏硬度有何关系？现在是3页\一共有63页\编辑于星期四S2-1弹性变形及其物理本质第二章材料变形行为1.弹性变形特点(1)可逆性；(2)一般为线弹性；(3)弹性应变较小。2.弹性变形的宏观描述—胡克定律σεOτγO现在是4页\一共有63页\编辑于星期四3.弹性变形的微观本质双原子模型弹性变形物理本质：原子键合几何参数随外力的可逆变化。弹性模量的物理本质：反映原子间结合能的大小。引力斥力现在是5页\一共有63页\编辑于星期四现在是6页\一共有63页\编辑于星期四现在是7页\一共有63页\编辑于星期四现在是8页\一共有63页\编辑于星期四现在是9页\一共有63页\编辑于星期四4.弹性性质的各向异性及其张量表达A=2(S11−S12)/S44

现在是10页\一共有63页\编辑于星期四晶体弹性模量的各向异性现在是11页\一共有63页\编辑于星期四

Hooke定律的张量表示Cijkl:弹性系数（刚度）stiffnesssijkl:顺服系数（柔度）compliance各向异性弹性性质的张量表达C=s-1现在是12页\一共有63页\编辑于星期四MN对称各向异性弹性张量现在是13页\一共有63页\编辑于星期四正交各向异性弹性张量有三个互相正交的材料对称面

例如正交晶系需要9个独立的弹性常数，现在是14页\一共有63页\编辑于星期四立方晶系弹性张量11=22=33，44=55=66，12=23=31(其余各项为0)只有3个独立分量C11,C12,C44现在是15页\一共有63页\编辑于星期四室温下几种立方晶体的绝热弹性模量现在是16页\一共有63页\编辑于星期四各向同性弹性张量各向同性体弹性系数退化为3个(C11、C12、C44)其中只有两个独立的弹性系数！现在是17页\一共有63页\编辑于星期四(1)杨氏模量E：E=/(2)切变模量G：G=/(3)泊松比：(4)体模量K：S2-2广义胡克定律与工程弹性常数1.工程弹性常数现在是18页\一共有63页\编辑于星期四弹性张量与工程弹性常数的关系(各向同性体)各向同性体只有两个独立的弹性常数：现在是19页\一共有63页\编辑于星期四一般表达式(用张量表达)2.广义胡克定律只有均匀材料，Cmn=

Cnm为常数。

{σ}=[C]{ε}Cij:弹性或刚度系数[C]:刚度矩阵现在是20页\一共有63页\编辑于星期四{ε}=[S]{σ}广义胡克定律的另一种张量表达式Sij:柔度系数[S]:柔度矩阵[S]=[C]-1,[S]、[C]互为逆矩阵现在是21页\一共有63页\编辑于星期四弹性张量[C](或[S])反映了材料的各向异性性质。在各向异性材料中存在拉剪耦合效应：正应力不仅引起正应变也会引起剪应变；剪应力不仅引起剪应变也会引起正应变；现在是22页\一共有63页\编辑于星期四广义胡克定律的工程表示(各向同性线弹性体)现在是23页\一共有63页\编辑于星期四主应力主应变表达复杂应力状态各向同性线弹性体的广义胡克定律现在是24页\一共有63页\编辑于星期四拉伸扭转(1)

(2)

(3)

按照体积不变定律

当

故

(4)依照广义虎克定律

又

故知

例：拉伸与扭转应力应变特点对比现在是25页\一共有63页\编辑于星期四反映材料性质的应力、应力变化率等和应变、应变速率等之间的关系称为本构关系或本构方程。

材料本构关系(本构方程)材料线弹性本构关系——广义胡克定律仅在小变形情况下适用材料弹塑性本构关系？{σ}=[C]{ε}{ε}=[S]{σ}现在是26页\一共有63页\编辑于星期四3.弹性常数的工程意义(1)构件稳定性与刚度弹性模量是决定构件刚度的重要因素。强度设计：不发生塑性变形。刚度设计：限制弹性变形。比弹性模量：E/现在是27页\一共有63页\编辑于星期四(2)弹性与弹性比功ae注意：弹性与刚度的区别！现在是28页\一共有63页\编辑于星期四(1)原子种类与键合方式一般来说，在构成材料聚集状态的4种键合方式中，共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数，分子键弹性模数低。无机非金属材料大多由共价键或离子键以及两种键合方式共同作用而成，因而有较高的弹性模数。金属及其合金为金属键结合，也有较高的弹性模数。高分子聚合物的分子之间为分子键结合，因而高分子聚合物的弹性模数亦较低。

4.影响弹性模量的因素现在是29页\一共有63页\编辑于星期四现在是30页\一共有63页\编辑于星期四(2)晶体结构

单晶体材料的弹性模数在不同晶体学方向上呈各向异性，即沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小。多晶体材料的弹性模数为各晶粒的统计平均值，表现为各向同性，但这种各向同性称为伪各向同性。非晶态材料，如非晶态金属、玻璃等，弹性模量是各向同性的。现在是31页\一共有63页\编辑于星期四(3)合金元素

材料化学成分的变化可引起原子间距或键合方式的变化，因此也能影响材料的弹性模数。与纯金属相比，合金的弹性模数将随组成元素的质量分数(ω)、晶体结构和组织状态的变化而变化。固溶体合金的弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构。随着溶质元素质量分数的增加，虽然固溶体的弹性模数发生改变，但在溶解度较小的情况下一般变化不大，例如碳钢与合金钢的弹性模数相差不超过5％。现在是32页\一共有63页\编辑于星期四在两相合金中，弹性模数的变化比较复杂，它与合金成分，第二相的性质、数量、尺寸及分布状态有关．例如在铝中加入Ni(ω＝15％)、Si(ω＝13％)，形成具有较高弹性模数的金属间化合物，使弹性模数由纯铝的约6.5×104MPa增高到9.38×l04MPa。现在是33页\一共有63页\编辑于星期四(4)微观组织

金属材料弹性模量是一个组织不敏感的力学性能指标。工程陶瓷弹性模量具有组织敏感性，与构成陶瓷各相的种类、尺度、分布、体积分数及气孔率有关。现在是34页\一共有63页\编辑于星期四气孔率对陶瓷的弹性模数的影响大致可用下式表示：式中：E0为无气孔时的弹性模数；p为气孔率。可见：随着气孔率的增加，陶瓷的E值下降。现在是35页\一共有63页\编辑于星期四高分子聚合物的弹性模数可以通过添加增强填料而提高！现在是36页\一共有63页\编辑于星期四复合材料是特殊的多相材料。对于增强相为粒状的复合材料，其弹性模数随增强相体积分数的增高而增大。对于单向纤维增强复合材料，其弹性模数一般用宏观模量表示，分别为纵向弹性模量E1、横向弹性模量E2:式中：下标f、m分别代表纤维和基体。显然：无论是纵向弹性模数还是横向弹性模数，均与构成复合材料的纤维和基体的弹性模数及体积分数有关。现在是37页\一共有63页\编辑于星期四（5）温度

一般说来，随着温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，使材料的弹性模数降低。例如，碳钢加热时，温度每升高100℃，E值下降3％5％。另外，随着温度的变化，材料发生固态相变时，弹性模数将发生显著变化。现在是38页\一共有63页\编辑于星期四图1-8为几种材料的弹性模数随着温度(温度与熔点之比)的变化情况。现在是39页\一共有63页\编辑于星期四课后思考：3.广义胡克定律表达的应力-应变是否线性关系?如何理解?5.从微观与宏观角度解释弹性模量的影响因素。6.如何正确理解“弹性模量是组织不敏感参量”？7.为何橡胶的弹性模量随温度升高而增大？1.弹性张量与工程弹性常数的关系。2.胡克定律的表达形式、相互关系及其应用。4.弹性与刚度的联系与区别。现在是40页\一共有63页\编辑于星期四S2-3弹性不完整性第二章材料变形行为(1)单值；(2)线性；(3)应力应变同步。理想弹性体的力学行为：σεO应变落后于应力(弹性滞后)弹性不完整性实际材料静态:弹性后效动态:内耗粘弹性:显著的时间相关性现在是41页\一共有63页\编辑于星期四1.静态弹性后效ab:正弹性后效(弹性蠕变)cd:反弹性后效恒载:=0<eOA:瞬时应变(普弹性)卸载:=0bc:瞬时应变(普弹性)——弛豫时间现在是42页\一共有63页\编辑于星期四弹性滞后的物理本质α-Fe中八面体间隙与应力感生C原子有序(Snock机制)现在是43页\一共有63页\编辑于星期四钉扎位错弦阻尼振动K-G-L模型—位错网络或析出相粒子强钉扎；—杂质原子弱钉扎弹性滞后的物理本质：应力感生材料内部结构或状态的弛豫变化。现在是44页\一共有63页\编辑于星期四弹性滞后对材料加工与使用性能的影响(1)长期承受载荷的测力弹簧材料、薄膜材料等，应考虑正弹性后效问题。对仪表和精密构件材料的加工与应用影响较大：例如油压表（或气压表）的测力弹簧，不允许存在弹性后效，否则测量误差大。(2)经过校直的工件，放置一段时间后又会变弯，与反弹性后效有关；也可能是工件中存在的第Ι类残余内应力引起正弹性后效。现在是45页\一共有63页\编辑于星期四实际工程材料的弹性后效与组织结构复杂程度、不均匀性及缺陷总量呈正相关。金属镁有强烈的弹性后效，可能和它的六方晶格结构有关。因为和立方晶格金属相比，六方晶格的对称性较低，故具有较大的“结晶学上的不均匀性”。高分子材料一般具有显著的弹性滞后，不能忽略。

金属材料一般弹性滞后不显著，有时予以忽略。

陶瓷材料弹性模量大，弹性应变小，弹性滞后不明显，通常予以忽略。

现在是46页\一共有63页\编辑于星期四

除材料本身外，外在服役条件也影响弹性后效的大小及其进行速度。

(1)温度升高，弹性后效速度加快

如锌，提高温度150C，弹性后效的速度增加50％。温度同时也影响弹性后效形变量的绝对值。假若以100C时弹性后效形变量为100％，则在扭转时，每升高10C，黄铜的弹性后效形变量值增加2.9%,铜增加3.4%,银增加3.6%。

反之，若温度下降，则弹性后效变形量急剧下降，以致有时在低温（－1850C）时无法确定弹性后效现象是否存在。

现在是47页\一共有63页\编辑于星期四(2)应力状态也剧烈影响弹性后效

应力状态软性系数越大，亦即切应力分量越大时，弹性后效现象（即变形量）越显著。所以扭转时的弹性后效现象比弯曲或拉伸时为大。现在是48页\一共有63页\编辑于星期四2.动态弹性滞后环连续加载过程中的应变滞后现在是49页\一共有63页\编辑于星期四当应力变为零时，应变还有一定的正的0’A值；当应力方向相反之后，应变才逐渐变为零，这样产生了阻尼作用，由此导致能量消耗，即内耗，其大小可用弹性滞后环面积度量。循环应力应变、阻尼与内耗现在是50页\一共有63页\编辑于星期四弹性滞后环连续加载、卸载时，若存在弹性后效，加载线和卸载线不重合，形成一个封闭的滞后回线，称为弹性滞后环。现在是51页\一共有63页\编辑于星期四交变载荷下一个应力循环中弹性滞后环的面积相当于不可逆能量的消耗（即内耗），称为循环韧性。循环韧性的大小代表着材料在单向循环应力或交变循环应力作用下，以不可逆方式消耗能量而不被破坏的能力，也就是代表着金属靠自身微结构或缺陷来消除机械振动的能力（即消振性的好坏）。所以在生产上有很重要的意义，是一个重要的机械性能指标。

例如飞机的螺旋桨和汽轮机叶片等零件由于结构条件限制，很难采取结构因素（外界能量吸收器）来达到消振的目的，此时材料本身的消振能力就显得特别重要。现在是52页\一共有63页\编辑于星期四

Cr13系列钢之所以常用作制造汽轮机叶片材料，除其耐热强度高外，还有个重要原因就是它的循环韧性大，即消振性好。

灰铸铁循环韧性大，是很好的消振材料，所以常用它做机床和动力机器的底座、支架以达到机器稳定运转的目的。

相反，在另外一些场合下，追求音响效果的元件音叉、簧片、钟等，希望声音持久不衰，即振动的延续时间长久，则必须使循环韧性尽可能小。现在是53页\一共有63页\编辑于星期四

弹性后效和弹性滞后环的起因：

(1)可能是因位错的运动引起，也可能由于其他效应所引起。

(2)由于在宏观或微观范围内变形的不均匀性，在应变量不同地区间出现温度梯度，形成热流。附加应变不容易和应力同步变化，因此出现滞弹性现象，

(3)也可能由于晶界的粘滞性流变或由于磁致伸缩效应产生附加应变，而这些应变又往往是滞后于应力的。现在是54页\一共有63页\编辑于星期四3.粘弹性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。一些非晶体，有时甚至多晶体，在比较小的应力时表现粘弹性现象。其特征是应变落后于应力，即应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过一个弛豫过程，但卸载后，应变恢复到初始值，不留下残余变形。当加上周期应力时，应力—应变曲线就成一回线。

现在是55页\一共有63页\编辑于星期四应力和应变的关系与时间有关，可分为恒应变下的应力松弛和恒应力下蠕变两种情况。现在是56页\一共有63页\编辑于星期四材料的粘弹性行为在一些高分子材料中表现得比较突出，这是由于大分子链段沿外力逐渐舒展引起的，在外力去除后这部分蠕变变形可以缓慢地恢复，这也是高分子材料蠕变与金属或陶瓷材料蠕变的明显区别。现在是57页\一共有