性能与测试

材料的力学性质与测试1.1载荷－伸长曲线和应力－应变曲线载荷：通常指施加于机械或结构上的外力载荷根据大小、方向和作用点是否随时间变化可以分为静载荷和动载荷；其中静载荷包括不随时间变化的恒载（如自重）和加载变化缓慢以至可以略去惯性力作用的准静载（如锅炉压力）。动载荷包括短时间快速作用的冲击载荷（如空气锤）、随时间作周期性变化的周期载荷（如空气压缩机曲轴）和非周期变化的随机载荷（如汽车发动机曲轴）。静态载荷特点：缓慢加载和低的变形速率。材料测试使用静载荷的有：拉伸、扭转、弯曲、压缩等（单向静拉伸是最简单的，也是最有代表性的）载荷—伸长曲线是拉伸试验中记录的拉伸力对伸长的关系曲线。常用标准的光滑圆柱体试样进行试验（典型载荷－伸长曲线分析——低碳钢）非典型力—伸长曲线：1－淬火高温回火高碳钢特点：只有弹性变形及少量的塑性变形；2－低合金结构钢特点和低碳钢类似；3－黄铜有弹性变形、均匀塑性变形和不均匀塑性变形；4－陶瓷玻璃类只有弹性变形，无明显的塑性变形；5－橡胶类材料特点是弹性变形量大，可达1000％，无塑性变形；6－工程塑料也有弹性变形、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形应力－应变曲线工程应力：外加载荷拉力F除以标距处的原始截面积A0。σ=FA0⁄工程应变：试样伸长量△L除以原始标距长度L0。ε=∆LL0⁄真应力：外加载荷拉力F除以相应的试样瞬时截面积A。S=F瞬/A瞬真应变：试样瞬时伸长量dL除以该时刻的长度L，e为真应变e=∫de=∫dLLLL0e0=lnLL0低碳钢的工程应力－应变曲线：根据曲线可以获得材料静拉伸条件下的力学性能指标，如比例极限σp，弹性极限σe，屈服点σs，抗拉强度σb等，是工程设计选材的参考依据真应力－真应变曲线:二者关系S=σ(1+ε)e=ln(1+ε)真应力大于工程应力，真应变总是小于工程应变特点：在弹性变形阶段，由于试样的伸长和截面收缩很小，和工程应力应变曲线基本重合，数值也接近，但在塑性变形阶段，真应力呈单调增长，越来越大，试样在k处断裂，真应力达到最大。真应力真应变曲线直观的反映了材料拉伸变形时的特征力学现象：应变硬化行为。1.2弹性变形及其性能指标弹性变形:概念：材料受载后产生变形，卸载后这部分变形消逝，材料恢复到原来的状态的性质，性能指标有弹性模量、比例极限和弹性极限、弹性比功分类：根据应力-应变的响应特点，分为理想弹性(完全弹性)和非理想弹性(弹性不完整性)。理想弹性材料:应变对于应力的响应是线性的；应力和应变同相位；应变是应力的单值函数。(符合虎克定律σ=Mε)。非理想弹性材料:滞弹性、粘弹性、伪弹性及内耗等。本质：可逆变形。在加载和卸载期内，应力与应变之间都保持单值线性关系，弹性变形量较小(＜0.5-1%)。原子(离子、分子)自平衡位置产生可逆位移的反映。弹性模量(又称为弹性模数)1、杨氏模量E：E=σ/ε。2、实质：工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗力。其值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形愈小。实质是产生100％弹性变形所需的应力。3、比弹性模量（又称为比模量、比刚度）指材料的弹性模量与其单位体积质量的比值（一般适用于航空业）4、是结构材料重要的力学性能指标之一。弹性模量的影响因素（弹性模量构成离子或者分子之间键合强度的主要标志）1键合方式和原子结构。共价键、离子键、金属键E高，分子键E低，如表6-1所示；原子半径大，E小，反之亦然；过渡族金属原子半径小，且d层电子原子间结合力大，E大。2晶体结构。单晶材料弹性模量在不同取向上呈各向异性，沿密排面E大；多晶材料为各晶粒的统计平均值；非晶E各向同性。3化学成分。引起原子间距或键合方式变化，复杂固溶体、多相合金、金属间化合物、复合材料的模量设计。4微观组织第二相的影响视体积比和分布状态定；大致来说，金属E组织不敏感，工程陶瓷和陶瓷相的种类、粒度、分布、比例、气孔率有关；高分子材料可通过添加增强性填料提高E；复合材料和增强相的体积、方向有关，对单相纤维增强复合材料，纵向弹性模量(E1)，横向弹性模量(E2)可表示：E1＝EfVf+EmVmE2＝Vf/Ef+Vm/Em5温度一般来说，温度升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合里减弱，E降低，例如碳钢加热时，每升高100℃，E值降3-5%；温度引起金属固态相变，影响E；温度引起高聚物力学状态转变，如由玻璃态变为橡胶态、粘流态；此外，橡胶的弹性模数随温度升高略有增加，分子链运动加剧，恢复到卷曲平衡的能力增强所致。6加载条件、负载时间加载方式、加载速率、负载时间对金属、陶瓷类材料的E没有影响；因为弹性变形速度接近声速，远超加载速率；高分子聚合物材料的E随时间增加而下降，曲线和温度影响类似，常用加载一段时间后的数值E(t)表示，称为t秒松弛模量。比例极限和弹性极限表征弹性变形的性能指标:1比例极限σp：即开始偏离直线时的应力值。保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力。σp=Fp/A。2、弹性极限σe：即弹性变形过渡到弹-塑性变形（屈服变形）时的应力。σe=Fe/A0实际意义：对于要求在服役时其应力-应变关系维持严格直线关系的机件，如测力计弹簧是依靠弹性变形的应力正比于应变的关系显示载荷大小的，则材料选择时以比例极限为依据。服役条件是不允许产生微量塑性变形的机件，则材料选择时以弹性极限为依据。弹性比功1、定义：弹性变形过程中吸收变形功的能力。2、表示方法：用达到弹性极限时，单位体积吸收的弹性变形功表示。即用应力—应变曲线下的影线面积表示，故e=1/2σeεe=σe2/(2E)3、作用：表示弹性的好坏。弹簧钢磷青铜铍青铜－仪表弹簧橡胶－减震、储能元件4、提高弹性比功途径：或者提高σe，或者降低E。1.3非理想弹性与内耗滞弹性:快速加载或者卸载后，材料随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。正弹性后效(弹性蠕变)：快速加载σ0→沿OA线应变Oa→σ0不变→应变aH(ab线)。加载时，应变落后于应力，与时间有关的现象。反弹性后效：快速卸载至零→应变eH立即消逝→载荷为零→应变eO(cd线)。卸载时，应变落后于应力的现象。原因：金属中滞弹性的原因可能和晶体中点缺陷的移动有关，原子扩散附加的弹性变形，扩散需要时间附加应变为滞弹性应变，卸载后扩散回原来的位置。应用：对精密机械和仪表的传感元件测量精度影响很大。长期受载的测力弹簧、薄膜传感器，需选用滞弹性小的材料。粘弹性：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。在高分子材料中表现得比较突出，因大分子链段沿外力场逐渐舒展引起的，外力去除后这部分蠕变变形可以缓慢地恢复。伪弹性：材料在一定温度和外力作用下，金属或者合金将应力诱发马氏体相变，产生大幅度的弹性变形(可达60%，大大超过正常弹性变形)。形状记忆合金利用此原理。包申格效应：材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变为1%～2%），卸载后再同向加载，规定残余应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余应力降低（特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零）的现象，称为包申格效应。所有退火态和高温回火态的金属都有。意义：经过轻微冷作变形的材料当使用于与原来加工过程加载方向相反的载荷时，考虑弹性极限(屈服强度)降低问题。原因：包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某滑移面运动，遇到林位错而弯曲形成位错缠结或胞状组织，如果此时卸载并随后同向加载，位错线不能作显著运动，宏观上表现为规定残余伸长应力增加。但如卸载后施加反向力，位错被迫作反向运动，因为在反向路径上，障碍较少，故位错可以再较低应力下移动较大距离，即第二次反向加载，规定残余伸长应力降低。消除方法：预先进行较大的塑性变形，或在第二次反向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℃以上，铜合金在250－270℃。内耗理想弹性下，应力应变单值瞬时，变形时材料储存弹性能，恢复时释放弹性能，没有能量损耗。非理想弹性下，应力应变不同步，加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后环，加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功，即有部分加载变形功被材料吸收，这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的内耗，(转变为热能)。原因：与材料中微观组织结构和物理性能的变化有关。例如，两端钉扎位错的非弹性运动；间隙原子或置换原子在应力作用下产生的应力感生有序化；晶界的迁移；磁性的变化等，这些微观运动要消耗能量，引起内耗。应用:内耗又称为材料的循环韧性，越高,自身的消振能力越好，降低噪声，抑制振动。汽轮叶片选用1Cr13钢制造，原因之一就是它有高的循环韧性；对于仪表传感元件选用循环韧性低的材料，提高灵敏度，乐器所选用材料的循环韧性越低，音质越好。测量:振动一周在单位弧度上的相对能量损耗，取决于应力应变之间的相角差δ。自由衰减方法：室温（RT)至高温，各种材料规则长方体型薄片状长：50-60mm，宽：5-10mm，厚：1-2mm进行试样的内耗和模量的测量。得到内耗－温度曲线，模量～温度曲线；内耗－时间曲线，模量～时间曲线。各种缺陷引起的弛豫型内耗峰；相变内耗。1.4塑性变形及其性能指标塑性变形:指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。机理1金属材料的塑性变形机理：滑移、孪生2陶瓷材料的塑性变形机理:离子键或共价键，方向性明显，而且存在气孔、微裂纹和玻璃相等，位错不易传播，易于在晶界塞积形成裂纹，引起断裂，只有极少数具有简单晶体结构的晶体如MgO、KCl在室温下有塑性。而非晶态玻璃材料，不存在晶体中的滑移和孪生变形，变形通过分子位置的热激活交换进行，属于粘性流动变形机制，塑性变形需要温度，室温下无塑性变形。3高分子材料的塑性变形结晶高分子：薄晶沿应力方向转变为微纤维束；非晶高分子：形成银纹；屈服现象：(1)不均匀的塑性变形平台或锯齿；外力恒定，试样继续伸长；或外力增加到一定数值时，突然下降，随后，在外力恒定下，继续伸长变形。(2)屈服点(σs):屈服时对应的应力值；(3)上屈服点(σsu):力首次下降前的最大应力值(A点)；(4)下屈服点(σsl):屈服阶段中最小应力；(5)屈服伸长：屈服阶段产生的伸长；(6)屈服平台或屈服齿：屈服伸长对应的水平线段或曲折线段。(7)金属材料的屈服机理：位错的塞积增殖与释放、挛晶的形核和长大(8)晶态高分子材料的屈服是薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程；非晶态高分子材料的屈服是正应力作用形成银纹和剪应力作用局部区域的无取向分子链成为规则排列纤维组织的过程。屈服强度：(1)金属材料的屈服强度(σs)屈服时所对应的应力值。σs=Fs/A0通常把σsl作为屈服强度(屈服点)。σsl=Fsl/A0(2)金属材料的条件屈服强度点(σ0.2):无明显屈服点时，用规定残余应力伸长和规定总伸长应力表示。①规定残余伸长应力σr0.2：卸除拉力后，残余伸长达到规定的原始标距0.2%时的应力②规定总伸长（弹性伸长加塑性伸长）应力σt0.5：总伸长达到规定的原始标距0.5%时的应力。(3)高分子材料的屈服强度：通常把拉伸曲线上出现最大应力的点定义为屈服点，一般对应的应变约为5-10％。若不出现极大值，则定义应变2％处的应力为屈服强度。意义：(1)作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据；(2)根据屈服强度与抗拉强度之比(屈强比)的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆断的参考依据。影响因素:1晶体结构；(位错阻力不同)2、晶界和亚结构(细晶强化)3溶质元素(固溶强化)4第二相(第二相强化)5温度(bcc温度效应)6应变速率和应力状态。应变硬化：进入塑性变形阶段后，随着变形量增大，形变应力不断提高的现象(屈服-颈缩段)。指数：在真应力-真应变曲线上采用Hollomon公式：S=KenlgS=lgK+nlgen为应变硬化指数；K为硬化系数。和真应力-真应变曲线的屈服-颈缩段符合较好。反映了材料应变强化能力或者抵抗继续塑性变形的能力。n=1→完全