材料力学性能2011(1 ,2)

材料力学性能刘家臣[e-mail]13902072240•历史时代划分:石器、陶器、青铜器、铁器…新炻器、钢铁、复合材料、纳米…第一章绪论材料是用来制造器件的物质•促进社会进步:钢铁材料——工业社会半导体材料——信息社会高温、高比强材料——空天社会？•现代文明的重要标志:21世纪——信息、生物、能源、空间、材料性能工艺产品应用设计工程体系结构组成科学体系金属、非金属、高分子、复合原子、电子、宏观、微观、介观定义：给定外界条件下的行为力热/电/磁/光/声/生物关系：基础一、课程地位材料科学与工程体系二、研究对象、内容材料受外力作用后的力学行为规律及其物理本质和评价方法。1、基本力学性能：弹性、塑性、粘性，变形、断裂2、环境介质条件下力学性能：高温、腐蚀、氧化、渗入、疲劳、蠕变金属（基础）、陶瓷（偏重）、高分子（涉及）力学：学科基础；工程力学：设计基础；力学性能：应用基础√三、作用（目的）1）正确选材、评价：索道、刀刃延塑-金属/脆硬-陶瓷/柔弹-高分子2）创新新材料：高铁（减震）、大飞机（复合）、大火箭（防腐）、空天（高温）3）零构件失效分析：1912-Titanic；2003-Columbia；2011-核泄漏；2008-南方冰雪学分&学位第二章材料的静载力学性能2.1静载拉伸试验最基本、广泛的力学性能试验测定力性：评价、比较、选材依据揭示基本力性规律：脆、弹、塑、粘性标准试样：d0,l0,A0,l0=5d0,l0=10d0P拉长l=l-l0条件（工程）应力σ=P/A0，假设A0、l0不变条件（工程）应变ε=Δl/l02.1.1应力应变曲线O①③ambknm’②σα1、脆性材料（陶瓷类①）1）σ—单值对应，直线，最高载荷点断裂2）E=tgα=（σ/），弹性模量的意义：对弹性变形的抗力（刚度设计中的重要指标）3）陶瓷类，横向交联好的聚合物，普通灰铸铁2、弹性材料（高分子类②）1）极大的弹性变形，高分子类，如橡皮2）σ消除δ恢复，无残余形变3）E与“弹性”：E弹性变形的抗力，弹性大的材料，E小3、塑性材料（金属类③）1）颈缩b：均匀变形→集中变形，断裂之前兆2）屈服点a：弹性→塑性；oa：弹性变形，a后：弹性+塑性3）应变强化/加工硬化：经一定塑性变形后屈服点↑的现象。m点卸载，σ沿mn降为零（总应变om’=残留/塑性on+恢复/弹性nm’）,重新加载nmbk，屈服点a↑m。√金属材料应力应变的不同形式高分子材料应力应变的不同形式4、其它（1）脆、塑、弹性综合应用（2）应力应变形式的多样性(3)陶瓷假塑性：仿生层状、陶瓷弱界面、纤维编织、非晶态95CaCO4/５壳质素Cf/SiC1、强度指标2.1.2拉伸性能指标1)屈服强度：比例极限p：符合线性关系的最高应力值弹性极限e：卸载后能完全弹性恢复的最高应力值屈服强度0.2orys：规定以发生一定残留变形为标准的应力(通常以0.2%残留变形的应力表示)2)抗拉强度：σb=Pb(最高载荷)/A0（原始截面积）。是产生最大均匀变形的抗力3)实际断裂强度：Sk=Pk(断裂时载荷)/Ak（真实截面积）。表征材料对断裂的抗力√2、塑性指标1）延伸率：k=(lk-l0)/l0，lk和l0分别为断裂后和原始标长，含均匀延伸率b和集中延伸率c------b取决于材料属性,c与试样几何尺寸有关,l0越大，c越小．对l0=5d0,l0=10d0试样，延伸率分别为５１０，5102）断面收缩率：Ψk=(A0-Ak)/A0，A0和Ak分别为断口处原始和断裂后最小截面积，含均匀和集中收缩率－－－Ψk只决定于材料性质，与试样尺寸无关3)塑性指标之间的关系,P214）塑性指标的意义：预报：断裂前有变形前兆，防突发脆断，可靠缓冲：局部塑性变形松弛或缓冲偶然过载引起的集中应力，安全加工：塑造期望的形状，如弯曲、冲压等冷成型，↓成本，容易√作业：1）金属材料应力应变曲线的典型形式与主要特征，各为什么材料所特有？2)比较比例极限、弹性极限和屈服强度的异同，说明这几个强度指标的实际意义。3）说明为什么510？4)推导延伸率与断面收缩率之间的关系发现：“取一金属丝，长20英尺或30英尺或40英尺，上部固定在一根钉子上，另一端固定一个放砝码用的称盘，以两角规量测盘底与地面的距离；然后，置砝码于其上，测量上述金属丝的伸长并记录之。比较金属丝的伸长量可以发现：其不同伸长的比例，与引起伸长所置的砝码重量的比例相同。”300年前RobertHooke用F=kx表示之，后来演化成σ=E不完善:①只描述了受力→变形，缺少卸除→消失，可逆性是弹性变形的重要特征！②只考虑了伸长，忽略截面的收缩。创新-完善–表达？1800年前：郑玄-在“考弓记·弓人”描述测试弓力时，“每加物一石，则张一尺”2.2弹性变形σ=E2.2.1弹性变形及其物理本质上述实验问题：为什么会伸长？原子间距变化；取决于原子间作用力！2.2.1.1弹性变形过程原子间作用力随原子间距变化：P=A/r2（引力）+B/r4（斥力）平衡状态r0：引力=斥力外力：拉，r↑(弹性变形)，引力↑，恢复原子平衡位r0压，r↓，合力=斥力↑，撤除外力后恢复r达rm：理论断裂强度rmP2.2.1.2物理本质E（本质）是原子间作用力曲线（在平衡位置）斜率（tgα）哪个原子间作用力强？①②2:tgα2tgα1；E2E1；使原子分开同样距离，2需要的力大。压应力，r↓，tgα↑，E↑共价键、离子键，结合力强，E大温度↑，热膨胀r↑，E↓√不同材料的E（1）金属）:原子间作用力。取决于结合键的本性和原子间的结合力，成分和组织对它的影响不大。对组织不敏感的性能指标，而高分子和陶瓷E对结构和组织敏感（2）陶瓷：不仅与结合键，还与陶瓷结构及气孔率（可看作第2相）有关。这一点与金属不同，金属的弹性模量是一个极为稳定的力学性能指标，合金化、热外理、冷热加工难以改变它的数值。但是陶瓷的工艺过程却对弹性模量有着重大影响。（3）聚合物：聚合物的弹性模量对结构非常敏感，这与金属和陶瓷不同。两种特殊的弹性变形行为：变形与时间有关，表现为应变落后于应力。变形通过调整内部分子构象(需要时间）实现。弹性模量很小，形变量很大，高弹态（橡胶），聚合物特有的基于链段运动的一种力学状态。铜、钢弹性变形量原试样的1％—2％，而橡胶可达1000％，橡胶的E比其它固体物质小一万倍以上。（4）复合材料：应变相同（总应变与各组成应变相同，如复合板模型受力平行于板面）：上限模量E=E1V1+E2V2应力相同时（受力垂直于板面）：下限模量1/E=V1/E1+V2/E2气孔（E=0）为第二相时，E=E0(1-1.9P+0.9P2),E0为无气孔时的模量，P为气孔率√2.2.2广义Hooke定律lΔlyc’b’bczxσxσx1）虎克定律一长方体，在垂直x轴两面受均匀分布正应力σx，对各向同性体，长方体在x轴的相对伸长可表示为：ε=σx/E，为虎克定律。（其中ε=ΔL/L）2）泊松比当长方体伸长时，侧向要发生横向收缩，如图，单独作用时，在y,z方向的收缩为：εy=-Δc/c；εz=-Δb/b横向变形系数μ，叫做泊松比：μ==，εy=εz=-μεx=-μσx/E一般，金属μ为0.29-0.33，陶瓷0.2-0.25,玻璃态高分子0.3-0.4，橡胶0.499-0.500xyxz3）广义虎克定律上述长方体各面分别受有均匀分布的正应力σx,σy,σz,某一方向的总应变为三个主应力在这一方向引起应变量的叠加，此时（广义）虎克定律为右式对剪切应变，有式中，G为剪切模量或刚性模量，表征材料抵抗剪切变形的能力G，E，μ有下列关系：G=E/2（1+μ）x)]([1zyxEy)]([1zxyEz)]([1yxzEGxyxy/Gyzyz/Gzxzx/2.2.3弹性性能的工程意义机器零构件在服役过程中都是处于弹性变形状态弹力足够，刚度不足刚度足够，弹力不足弹力-吸收和释放弹性功的能力；左——吸收能力差，右——释放能力差弹性功-外力使材料产生弹性变形，外力做功被储存在材料内（被材料吸收）未完全加载变形至最大，撤载恢复全加载仍弹性范围，撤载后不完全恢复√1)刚度：在弹性变形范围，构件抵抗变形的能力。定义：Q=P/ε=σA/ε=E•AP：压强；A：截面积刚度不足会导致过量弹性变形而失效，提高A可提高刚度零件的刚度与材料的刚度不同，它除了决定于材料的刚度外还与零件的截面尺寸与形状，以及截面积作用的方式有关比弹性模量＝弹性模量／密度机械设计中，刚度是第一位的，它保证精度，曲轴的结构和尺寸常常由刚度决定，然后强度校核√2）弹性比功（单位体积的弹性能）：指材料吸收变形功而不发生永久变形的能力，它标志着单位体积材料所吸收的最大弹性变形功。提高弹性比功:①↑弹性极限σe，是强度指标，可通过工艺调整；②↓E，是刚度指标，与原子间结合力有关，结构不敏感；③增加体积V可有效提高弹性功（但非弹性比功），即储存在零件中的弹性能增大应力-应变曲线下弹性范围所吸收的变形功的能力,又称弹性比能，应变比能。其大小为图中阴影面积：即：弹性比功=其中σe为材料的弹性极限，它表示材料发生弹性变形的极限抗力EEEeeee2212121单位拉伸时，对物体所做的功（储存在物体内），为弹性功：2/2220EVllEAdlllEAAdlEAdlPdlWL√2.2.4弹性不完整性完整性-加载立刻变形，卸载迅速恢复，σε同步，变形值与时间无关1）弹性后效：应力作用下，应变随时间而发展的行为，以及应力去除后应变逐渐恢复的现象，统称之。ABCDεEFHIO时间tσ加载（正弹性后效）卸载（反弹性后效=工程上的弹性后效）σ:O-A-BB-D-Ot:O-C-EE-I-Fε:O-C-HH-D-O2）弹性滞后环（内耗）：弹性后效→加载和卸载曲线不重合→封闭的滞后回线，上图的OABDO=弹性滞后环，面积为“加载作功-卸载作功=被吸收的功”，称“内耗”。反映材料在应力作用下，以不可逆方式吸收能量而不被破坏的能力，可靠自身来消除机械振动等的能力（消振性），适于飞机螺旋桨、气轮机叶片等。不适于弹簧秤等精密构件用材。粘弹性:一些非晶体（高分子聚合物）或高温状态下的材料（多晶玻璃转化温度附近），常是弹性和粘性同时出现，这种形变在外力去除后不能自动恢复，但施加相反方向力可逐渐恢复。沥青或油灰，快速应力-弹性；缓慢应力-粘性；玻璃棒在酒精灯下（缓慢）拉成很长的细丝（截面积均匀↓，无颈缩）。机床底座？√4）包辛格（Bauschinger）效应：定义：指原先经过变形，然后反向加载时，弹性极限（σP）或屈服强度（σS）降低的现象。实际材料T10钢的包辛格效应：条件：T10钢淬火350℃回火拉伸时，曲线1σ0.2=1130MPa；曲线2事先经过预压变形再拉伸时,σ0.2=880MPa（包辛格效应理论上解释：用位错(等位错)理论原先加载变形时,位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍,塞积后产生了背应力,当反向加载时,位错运动的方向与原来方向相反,背应力帮助位错运动,塑性变形容易,屈服强度↓,另外,反向加载时,滑移面上产生的位错与预变形的位错异号,异号位错销毁,引起材料软化,σS↓）√作业：1、某汽车弹簧，在装满载时，已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来位置；另一汽车弹簧，使用一段时间后发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析二者的本质和改进措施。2、弹性模量的物理本质，比较金属、陶瓷、聚合物、复合材料弹性模量的异同。3、形变强化VS包辛格效应?4、正弹性后效VS屈服平台？5、弹性滞后环（内耗）及其应用？2.3塑性变形金属区别于其它的2重要特征—塑性变形：具有延展性、可被加工形变强化：利用塑性变形提高强度、超载时免于破坏外力移去后不能恢复的变形，受此形变而不破坏的能力？2.3.1塑性变形的微观机制————滑移和