第七章材料的力学性能

第七章材料的力学性能第1页，课件共57页，创作于2023年2月MechanicalpropertyofmaterialsStressandstrainElasticdeformationModulusViscoelasticityPermanentdeformationStrengthFracture第2页，课件共57页，创作于2023年2月7固体材料的机械性能Chapter7Chapter8Chapter9（stressandstrain

）LearningObjectives材料的形变（Deformationofmaterials）（ElasticdeformationandPermanentdeformation

）不同材料（金属、陶瓷和高分子）的机械行为MechanicalPropertiesofSolidMaterials应力和应变第3页，课件共57页，创作于2023年2月MechanicalstatesofmaterialsA晶态结构，B较高的弹性模量和强度，C受力开始为弹性形变，接着一段塑性形变，然后断裂，总变形能很大，D具有较高的熔点。7-1-1材料的力学状态1.金属(Metals)的力学状态第4页，课件共57页，创作于2023年2月弹性模量随温度升高而降低？第5页，课件共57页，创作于2023年2月某些金属合金A呈非晶态合金，B具有很高的硬度和强度，C延伸率很低而并不脆。D温度升高到玻璃化转变温度以上，粘度明显降低，发生晶化而失去非晶态结构。第6页，课件共57页，创作于2023年2月2.无机非金属(nonmetals)的力学状态A玻璃相熔点低，热稳定性差，强度低。B气相（气孔）的存在导致陶瓷的弹性模量和机械强度降低。C陶瓷材料也存在玻璃化转变温度Tg。D绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆性断裂，总弹性应变能很小。第7页，课件共57页，创作于2023年2月高模量陶瓷材料的力学特征高硬度高强度低延伸率第8页，课件共57页，创作于2023年2月3.聚合物的力学状态

(Polymer)（1）非晶态聚合物的三种力学状态①玻璃态②高弹态③粘流态第9页，课件共57页，创作于2023年2月第10页，课件共57页，创作于2023年2月（2）结晶聚合物的力学状态

A结晶聚合物常存在一定的非晶部分，也有玻璃化转变。

B在Tg

以上模量下降不大

C在Tm

以上模量迅速下降

D聚合物分子量很大，Tm<Tf，则在Tm与Tf之间将出现高弹态。

E分子量较低，Tm>Tf

，则熔融之后即转变成粘流态第11页，课件共57页，创作于2023年2月Tm、Tf第12页，课件共57页，创作于2023年2月

玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料使用的上限温度是橡胶使用的下限温度

熔点(Tm)是结晶聚合物使用的上限温度第13页，课件共57页，创作于2023年2月(stressandstrain)7-1-2应力和应变Ifaloadisstaticorchangesrelativelyslowlywithatimeandisapplieduniformlyoveracrosssectionorsurfaceofamember,themechanicalbehaviormaybeascertainedbyasimplestress-straintest.Thesearemostlycommonlyconductedformaterialsatroomtemperature.第14页，课件共57页，创作于2023年2月应力和应变(stressandstrain)应力：1.应力和应变的定义工程应力（名义应力）：面积为材料受力前的初始面积(A0)的应力。

真实应力：面积为受力后的真实面积(AT)的应力。应变：单位面积上的内力，其值与外加的力相等。受到外力不惯性移动时，几何形状和尺寸的变化。应力=外加力F/面积A7-1-2第15页，课件共57页，创作于2023年2月2.材料的应变方式各向同性材料，三种基本类型：还有扭转和弯曲形变。简单拉伸tension简单剪切shear均匀压缩compression第16页，课件共57页，创作于2023年2月F垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直线上工程应变

()：

()=(l–l

0)/l

0=

l

/l

0l0l（1）简单拉伸(tension)工程应力：

=F/A0

单位MPa第17页，课件共57页，创作于2023年2月AstandardtensilespecimenTensionisoneofthemostcommonmechanicalstress-straintest.thetensiontest

canbeusedtoascertainseveralmechanicalpropertiesofmaterialsthatisveryimportantindesign.第18页，课件共57页，创作于2023年2月Sometimesitismoremeaningfultouseatruestress–truestrainscheme.TruestressTisdefinedastheloadFdividedbytheinstantaneouscross-sectionalareaAioverwhichdeformationisoccurring(i.e.,theneck,pastthetensilepoint),or(7.15)Furthermore,itisoccasionallymoreconvenienttorepresentstrainastruestrainT,definedby(7.16)Ifnovolumechangeoccursduringdeformation,thatis,ifAili=

A0l0(7.17)trueandengineeringstressandstrainarerelatedaccordingto(7.18a)(7.18b)Equations7.18aand7.18barevalidonlytotheonsetofnecking;beyondthispointtruestressandstrainshouldbecomputedfromactualload,cross-sectionalarea,andgaugelengthmeasurements.Section7.7第19页，课件共57页，创作于2023年2月工程应力：

=F/A0真实应力

T：

T=F/ATA0>

AT工程应力小于真实应力

T同一拉伸实验中，工程应力（或名义应力）与真实应力比较哪个数值大？第20页，课件共57页，创作于2023年2月第21页，课件共57页，创作于2023年2月F与截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直线上的两个力

切应变：

=tanθ

（2）简单剪切(shear)切应力：

s(

)=F/A0第22页，课件共57页，创作于2023年2月压缩应变

V：Compressionstress-staintestsmaybeconductedwhenin-serviceforcesareofthistype.Acom--pressiontestisconductedinamannersimilartothetensiontest,exceptthattheforceiscompressiveandthespecimencontrastsalongthedirectionofthestress.

V=(V0-V

)/V0

=

V/V0（3）均匀压缩(compress)F：周围压力p第23页，课件共57页，创作于2023年2月实心W=

.d03/16空心W=

.d03（1-d14/d04）/16切应变

=tg

=

d0/(2l0)

100%

（4）扭转Torsionaldeformation切应力

=M/W

M:扭矩;W:截面系数第24页，课件共57页，创作于2023年2月（5）弯曲Flexuraldeformation弯矩M最大扰度

max第25页，课件共57页，创作于2023年2月曲线（F—

l）转换为应力—应变曲线（

—

）B.采用适当的坐标转换因子

=F/A

0和

=

l/l0

3.应力—应变曲线(Stress-straincurve)常用的试验方法：A.以匀速拉伸试样，用测力装置测量F，伸长计同时测量

l。第26页，课件共57页，创作于2023年2月弹性-均匀塑性型纯弹性型弹性-不均匀塑性型弹性-不均匀塑性-均匀塑性型弹性-不均匀塑性（屈服平台）-均匀塑性型拉伸应力—应变曲线（

—

）五种类型下一页第27页，课件共57页，创作于2023年2月(1)

纯弹性型A陶瓷、岩石、大多数玻璃B高度交联的聚合物C以及一些低温下的金属材料。(2)

弹性-均匀塑性型A许多金属及合金、B部分陶瓷C非晶态高聚物。(3)

弹性-不均匀塑性型A低温和高应变速率下的面心立方金属，B某些含碳原子的体心立方铁合金C以及铝合金低溶质固溶体。返回第28页，课件共57页，创作于2023年2月(4)

弹性-不均匀塑性-均匀塑性型A一些结晶态高聚物B未经拉伸的线型非晶态高聚物(5)

弹性-不均匀塑性（屈服平台）-均匀塑性型A一些体心立方铁合金B许多有色金属合金。返回第29页，课件共57页，创作于2023年2月应力—应变实例第30页，课件共57页，创作于2023年2月第31页，课件共57页，创作于2023年2月第32页，课件共57页，创作于2023年2月7-1-3弹性形变Chapter7Chapter8ElasticDeformationElasticdeformation

Modulusofelasticity(Hook)(metalandceramics)Rubberlikeelasticity(elastomer)

Viscoelasticity(polymer)第33页，课件共57页，创作于2023年2月弹性形变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。第34页，课件共57页，创作于2023年2月1、Hooke定律和弹性模量

Hook’srawandModulus

ofelasticity弹性形变的力学特点:小形变、可回复第35页，课件共57页，创作于2023年2月Hooke定律

＝E·

E-----弹性模量,量纲GN/m2,Gpa弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力第36页，课件共57页，创作于2023年2月弹性模量正应力在

状态下:正弹性模量

E＝

／

纯剪切力

作用下:切弹性模量

G＝

／

均匀压缩: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第37页，课件共57页，创作于2023年2月转化关系

E=3G/[1+G/3K]

K=E/[3(1-2γ)]

E=2G(1+γ)

E=3K(1-2γ)第38页，课件共57页，创作于2023年2月第39页，课件共57页，创作于2023年2月E=3K(1-2γ)第40页，课件共57页，创作于2023年2月第41页，课件共57页，创作于2023年2月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。

高分子材料低模量第42页，课件共57页，创作于2023年2月FIGURE7.19

Typicalstress–strainbehaviortofractureforaluminumoxideandglass.第43页，课件共57页，创作于2023年2月Apieceofcopperoriginally305mmlongispulledintensionWithastressof276MPa.Ifthedeformationisentirelyelastic,whatwillbetheresultantelongation?第44页，课件共57页，创作于2023年2月SolutionSincethedeformationiselastic,strainisdependentonstressaccordingtoHooke’slaw.

σ=εE=(Δl/l0)EThevalueofEforcopperfromTable7.1is110*103

MPa.

Δl=σl0/E=276*305/(110*103)=0.77(mm)

第45页，课件共57页，创作于2023年2月例题第46页，课件共57页，创作于2023年2月查表知泊松比

=0.34查表知模量E=97GPaSolution第47页，课件共57页，创作于2023年2月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？E=σ/ε=516.8Kpa/2.1%=24.6MpaK=σ/(ΔV/V)Soν=0.5(1-E/3K)=6.89Mpa/[(1-0.9883)/1]=193.7MpaE=3K(1-2ν)ν=0.5[1-(24.6MPa)/(3193.7MPa)=0.48例题第48页，课件共57页，创作于2023年2月金属晶体、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第49页，课件共57页，创作于2023年2月⑴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。2.有机聚合物的弹性、粘弹性

ElasticityandVisco-elasticityofPolymers第50页，课件共57页，创作于2023年2月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，

一般固体的模量则随温度的提高而下降。第51页，课件共57页，创作于2023年2月（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