材料力学性能课件

,PPT课件,*,哈尔滨工业大学材料学院,朱景川,1,PPT课件,哈尔滨工业大学材料学院1PPT课件,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？,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,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,O,O,S2-1 弹性变形及其物理本质第二章 材料变形行为1.弹,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,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,材料力学性能课件,材料力学性能课件,材料力学性能课件,材料力学性能课件,4.,弹性性质的各向异性及其张量表达,A,=2(,S,11,S,12,)/,S,44,4.弹性性质的各向异性及其张量表达A=2(S11S12)/,晶体弹性模量的各向异性,晶体弹性模量的各向异性,Hooke,定律的张量表示,C,ijkl,:,弹性系数（刚度）,stiffness,s,ijkl,:,顺服系数（柔度）,compliance,各向异性弹性性质的张量表达,C=s,-1,Hooke定律的张量表示各向异性弹性性质的张量表达C=,M N,对称,各向异性弹性张量,M N对称各向异性弹性张量,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，,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,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,C,11,C,12,C,44,立方晶系弹性张量11=22=33，44=55=66，12=2,室温下几种立方晶体的绝热弹性模量,室温下几种立方晶体的绝热弹性模量,各向同性弹性张量,各向同性体弹性系数退化为,3,个,(,C,11,、,C,12,、,C,44,),其中只有两个独立的弹性系数！,各向同性弹性张量各向同性体弹性系数退化为3个(C11、C12,(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,(1)杨氏模量E：E=/(2)切变模量G：G=/(3,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：,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,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。,=C,C,ij,:,弹性或刚度系数,C:,刚度矩阵,一般表达式(用张量表达)2.广义胡克定律只有均匀材料，Cmn,=S,广义胡克定律的另一种张量表达式,S,ij,:,柔度系数,S:,柔度矩阵,S=C,-1,S,、,C,互为逆矩阵,=S广义胡克定律的另一种张量表达式 Sij,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；,弹性张量C(或S)反映了材料的各向异性性质。,广义胡克定律的工程表示,(,各向同性线弹性体,),广义胡克定律的工程表示(各向同性线弹性体),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,主应力主应变表达复杂应力状态各向同性,例：拉伸与扭转应力应变特点对比,例：拉伸与扭转应力应变特点对比,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？,=C,=S,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,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/,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,(2),弹性与弹性比功,a,e,注意：弹性与刚度的区别！,(2)弹性与弹性比功ae注意：弹性与刚度的区别！,(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,(1)原子种类与键合方式4.影响弹性模量的因素,材料力学性能课件,(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。,(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,(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,(,),、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,。,(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,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(,15,),、,Si(,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,6.5,10,4,MPa,增高到,9.38l0,4,MPa,。,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,(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。,(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,气孔率对陶瓷的弹性模数的影响大致可用下式表示：,式中：,E,0,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,。,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,高分子聚合物的弹性模数可以通过添加增强填料而提高！,高分子聚合物的弹性模数可以通过添加增强填料而提高！,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,E,1,、横向弹性模量,E,2,:,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。,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,（,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,。,（5）温度 一般说来，随着温度的升高，原子振动加剧，体积膨,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。,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,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。,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,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：,O,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,S2-3 弹性不完整性第二章 材料变形行为(1)单值；(,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,e,OA:,瞬时应变,(,普弹性,),卸载,:,=0,bc:,瞬时应变,(,普弹性,),弛豫时间,1.静态弹性后效ab:正弹性后效(弹性蠕变)cd:反弹性后效,弹性滞后的物理本质,-Fe,中八面体间隙,与应力感生,C,原子有序,(Snock,机制,),弹性滞后的物理本质-Fe中八面体间隙与应力感生C原子有序(,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。,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,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,类残余内应力引起正弹性后效。,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,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。,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,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,15,0,C,，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,10,0,C,时弹性后效形变量为,100,，则在扭转时，每升高,1,0,C,，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（,185,0,C,）时无法确定弹性后效现象是否存在。,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,(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。,(2)应力状态也剧烈影响弹性后效,2.,动态弹性滞后环,连续加载过程中的应变滞后,2.动态弹性滞后环连续加载过程中的应变滞后,当应力变为零时，应变还有一定的正的,0A,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,当应力变为零时，应变还有一定的正的0A值；当应力方向相反之,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,。,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,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。,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,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,。,Cr13系列钢之所以常用作制造汽轮机叶片材料，除其,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。,弹性后效和弹性滞后环的起因：,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。,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,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。,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,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。,材料的粘弹性行为在一些高分子材料中表现得比较突,高分子聚合物的弹性,(1),普弹性：键长、键角的变化，如晶态聚合物、塑料等,(2),高弹性：卷曲链段运动，如橡胶,(3),粘性流动：整链运动,式中,:,E,1,普弹模量，,D,1,普弹柔量,式中,:,E,2,高弹模量，,D,2,高弹柔量,高分子聚合物的弹性(1)普弹性：键长、键角的变化，如晶态聚,形变,温度,T,g,T,f,玻璃态,高弹态,橡胶态,粘流态,玻璃化转变区域,粘流转变区域,非晶态高聚物的力学状态,T,g,玻璃化温度；,T,f,粘流温度,形变温度TgTf玻璃态高弹态粘流态玻璃化转变区域粘流转变区域,4,、伪弹性,伪弹性,是指在一定的温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生,大幅度的弹性变形的现象,。伪弹性变形的量级大约在,60,左右，大大超过正常弹性变形。,4、伪弹性 伪弹性是指在一定的温度条件下，当应力达到一,Ni-Ti,合金马,氏体及奥氏体相的特征,Austenite(,奥氏体,),Hard,Simple FCC(,face-centered cubic,)structure,Martensite(,马氏体,),Soft,Complex structure,Ni-Ti合金马氏体及奥氏体相的特征Austenite(奥,AB,段为奥氏体常规弹性变形阶段，,B,M,为应力诱发马氏体相变开始的应力，,c,点处马氏体相变结束，,CD,段为马氏体的弹性应变阶段。在,CD,段卸载，马氏体作弹性恢复。,AB段为奥氏体常规弹性变形阶段，BM为应力诱发马氏体相变开,F,P,表示开始逆向相变的应力，马氏体相变回原来的组织，到,G,点完全恢复初始组织。,GH,为初始组织的弹性恢复阶段，恢复到初始组织状态，没有任何残留变形。,形状记忆合金,就是利用了这一原理。,FP表示开始逆向相变的应力，马氏体相变回原来的组织，,材料力学性能课件,铁弹性与力滞回线,铁弹性与力滞回线,