材料力學(xué)性能第一章

1、Mechanical properties of materials12（Mechanical properties of materials）n引引 言言n第一章第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能n第二章第二章 材料在其他靜載荷下的力學(xué)性能材料在其他靜載荷下的力學(xué)性能n第三章第三章 材料的沖擊載荷下的力學(xué)性能材料的沖擊載荷下的力學(xué)性能n第四章第四章 材料的斷裂韌度材料的斷裂韌度 n第五章第五章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能n第六章第六章 材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能 n第七章第七章 材料的耐磨性能材料的耐磨性能n第八章第八

2、章 材料的高溫力學(xué)性能材料的高溫力學(xué)性能3材料性能：材料性能：對(duì)材料在一定的外界條件下表現(xiàn)出的對(duì)材料在一定的外界條件下表現(xiàn)出的行為行為人為規(guī)定人為規(guī)定的的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)定量評(píng)價(jià)指標(biāo)稱(chēng)為稱(chēng)為材材料的性能料的性能。包括包括力學(xué)性能、物理性能力學(xué)性能、物理性能和和化學(xué)化學(xué)- -電電化學(xué)性能（腐蝕）化學(xué)性能（腐蝕）。4在載荷（在載荷（拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、剪切、拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、剪切、疲勞、磨損疲勞、磨損）作用下表現(xiàn)出的力學(xué)行為有）作用下表現(xiàn)出的力學(xué)行為有變變形、斷裂、磨損形、斷裂、磨損等；等；在在熱、磁、電、光熱、磁、電、光等條件下表現(xiàn)出的物理等條件下表現(xiàn)出的物理行為有行為有熱膨脹、磁化、導(dǎo)電

3、、折射、反射、熱膨脹、磁化、導(dǎo)電、折射、反射、干涉干涉等。等。在在外界環(huán)境和介質(zhì)外界環(huán)境和介質(zhì)的作用下，材料表面因發(fā)的作用下，材料表面因發(fā)生生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而受到破壞的行為腐而受到破壞的行為腐蝕性能。蝕性能。5材料性能學(xué)研究的內(nèi)容：材料性能學(xué)研究的內(nèi)容：1 1）在各種物理、化學(xué)、）在各種物理、化學(xué)、力學(xué)力學(xué)刺激作用下，材刺激作用下，材料的表現(xiàn)行為，即材料各種性能行為的料的表現(xiàn)行為，即材料各種性能行為的宏觀宏觀規(guī)律規(guī)律； 2 2）用什么樣的指標(biāo)來(lái)描述和衡量這些行為表）用什么樣的指標(biāo)來(lái)描述和衡量這些行為表現(xiàn)，即現(xiàn)，即定量化定量化。3 3）這些行為表現(xiàn)在材料內(nèi)部的）這些行為表現(xiàn)在材

4、料內(nèi)部的微觀機(jī)制微觀機(jī)制。4 4）如何進(jìn)行材料性能的）如何進(jìn)行材料性能的實(shí)際測(cè)量實(shí)際測(cè)量，即測(cè)，即測(cè)試原理，技術(shù)，設(shè)備，手段等試驗(yàn)技術(shù)。試原理，技術(shù)，設(shè)備，手段等試驗(yàn)技術(shù)。6 學(xué)習(xí)材料力學(xué)性能的用途？學(xué)習(xí)材料力學(xué)性能的用途？評(píng)定材料優(yōu)劣的依據(jù)評(píng)定材料優(yōu)劣的依據(jù)工程設(shè)計(jì)中選材的依據(jù)工程設(shè)計(jì)中選材的依據(jù)失效分析的依據(jù)失效分析的依據(jù)為研究新材料、改進(jìn)新工藝，充分為研究新材料、改進(jìn)新工藝，充分發(fā)揮材料性能潛力提供研究依據(jù)。發(fā)揮材料性能潛力提供研究依據(jù)。7舉例：泰坦尼克號(hào)（舉例：泰坦尼克號(hào)（Titanic）首航沉沒(méi)于冰海 1995年2月美國(guó) Popular Science 雜志雜志發(fā)表了R Gannon

5、 的文章，標(biāo)題是What Really Sank The Titanic。 Titanic 號(hào)鋼板（左圖）和現(xiàn)代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果高含硫量81、使用性能：、使用性能：力學(xué)性能 （強(qiáng)度、塑性、硬度）材料的力學(xué)性能：材料抵抗外加載荷（外力）引起變形和斷裂的能力。服役過(guò)程: 保持設(shè)計(jì)要求的外形和尺寸，保證在服役期內(nèi)安全地運(yùn)行。9生產(chǎn)過(guò)程: 要求材料具有優(yōu)良的加工性能。如壓力加工要求優(yōu)良的塑性和低的塑性變形抗力。2、加工性能、加工性能 （可制造性） 熱加工：鑄、鍛、焊、熱處理 冷加工：車(chē)、銑、磨 特種加工：電火花、激光、離子10n材料的力學(xué)性能指標(biāo)：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、耐磨性和缺口敏感

6、性等。內(nèi)在因素內(nèi)在因素：化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力、表面和內(nèi)部缺陷等。外在因素外在因素：載荷性質(zhì)（靜、沖擊、交變）、應(yīng)力狀態(tài)（拉、壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)）、溫度、環(huán)境介質(zhì)等。影響因素影響因素11n按服役溫度分類(lèi)：低溫、常溫和高溫力學(xué)性能。一般以所處溫度與材料熔點(diǎn)的相對(duì)值為高、低溫的分界。n按加載速度分類(lèi)：靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。一般以應(yīng)變速率進(jìn)行劃分材料力學(xué)性能的基本分類(lèi)可由材料的主要服役條件來(lái)確定。s/101小于101s為靜載性能大于101s為動(dòng)載性能12n按服役介質(zhì)的腐蝕性分類(lèi)：普通和環(huán)境介質(zhì)下的力學(xué)性能。前者通常指在干燥空氣介質(zhì)下，后者則指有腐蝕性的介質(zhì)下（如腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕等）。n按應(yīng)

7、力狀態(tài)（或加載方式）分類(lèi)：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等。如拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度是不能等同的。13描述應(yīng)力狀態(tài)的參數(shù)：應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)：maxmax14maxmax一般地，切應(yīng)力引起塑性變形，使材料發(fā)生韌性斷裂；正應(yīng)力則通常引起彈性變形，導(dǎo)致材料產(chǎn)生脆性斷裂。從宏觀上講，可以利用不同應(yīng)力狀態(tài)中最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力的比值來(lái)判斷在所受加載方式下材料更趨向于哪種變形和斷裂。 15n 越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越大，表示應(yīng)力狀態(tài)愈軟愈軟，材料愈易產(chǎn)生塑性變形和韌，材料愈易產(chǎn)生塑性變形和韌性斷裂。性斷裂。n 越小，表示應(yīng)力狀態(tài)越小，表示應(yīng)力狀態(tài)愈硬愈硬，材料愈易產(chǎn)生脆性斷裂。，材料愈易產(chǎn)生脆性斷裂。意義：意義：應(yīng)力狀

8、態(tài)軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 表征了材料在一定應(yīng)力狀表征了材料在一定應(yīng)力狀態(tài)下的變形與斷裂傾向。態(tài)下的變形與斷裂傾向。16單元六面體上的應(yīng)力分量單元六面體上的應(yīng)力分量zzxzyxxzxyyxyzy17可分別由材料力學(xué)所給出的第二強(qiáng)度理論和第三強(qiáng)度理論確定：可分別由材料力學(xué)所給出的第二強(qiáng)度理論和第三強(qiáng)度理論確定：max131()2)(321max1、 2、 3分別是按大小順序排列的三個(gè)主應(yīng)力分別是按大小順序排列的三個(gè)主應(yīng)力；是泊松比。是泊松比。 18力學(xué)性能研究材料在受力學(xué)性能研究材料在受載荷載荷過(guò)程中過(guò)程中變形變形和斷裂的規(guī)律。和斷裂的規(guī)律。 靜拉伸試驗(yàn)是材料力學(xué)性能試驗(yàn)中最基本靜拉伸試驗(yàn)是材料

9、力學(xué)性能試驗(yàn)中最基本的試驗(yàn)方法，也是操作最簡(jiǎn)單，最直觀，的試驗(yàn)方法，也是操作最簡(jiǎn)單，最直觀，宏觀規(guī)律最明顯，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單且有代表宏觀規(guī)律最明顯，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單且有代表性的試驗(yàn)。性的試驗(yàn)。19本章的意義本章的意義 揭示材料在靜載下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及常見(jiàn)的三種失效形式（過(guò)彈性變形、塑性變形和斷裂過(guò)彈性變形、塑性變形和斷裂）的特點(diǎn)和基本規(guī)律，評(píng)定出材料的基本力學(xué)性基本力學(xué)性能指標(biāo)能指標(biāo)，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。 這些性能指標(biāo)即是材料的這些性能指標(biāo)即是材料的工程應(yīng)用、構(gòu)件設(shè)工程應(yīng)用、構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)和和 科學(xué)研究科學(xué)研究等方面的計(jì)算依據(jù)，也是材料等方面的計(jì)算依據(jù)，也是材料的的評(píng)定評(píng)定和和選用選

10、用以及以及加工工藝選擇加工工藝選擇的主要依據(jù)。的主要依據(jù)。20n舉例： 彈性模量E，主要用于零件的剛度設(shè)計(jì)中； 材料的屈服強(qiáng)度s和抗拉強(qiáng)度b則主要用于零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)中； 材料的塑性，斷裂前的應(yīng)變量，主要是為材料在冷熱變形時(shí)的工藝性能作參考。21本章的內(nèi)容： 介紹拉伸性能的介紹拉伸性能的物理概念物理概念、物理意義物理意義及及工程意義工程意義，討論材料，討論材料彈性變形彈性變形，塑性變形塑性變形及及斷裂行為斷裂行為的的基本規(guī)律及其與材料組織結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律及其與材料組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上探討提高材料性能指標(biāo)并在此基礎(chǔ)上探討提高材料性能指標(biāo)的途徑和方向。的途徑和方向。22n第一節(jié)第一節(jié) 力

11、力伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線n第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)n第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗n第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)n第五節(jié)第五節(jié) 斷斷 裂裂23一、力伸長(zhǎng)曲線（拉伸圖）F-L 曲線是靜拉伸試驗(yàn)得到的第一手資料。在整個(gè)拉伸過(guò)程中，x-y記錄儀的兩個(gè)坐標(biāo)分別記錄下力與位移的變化過(guò)程。2425設(shè)備：多功能材料試驗(yàn)機(jī)26雖然載荷和變形曲線作為描述變形過(guò)程的參量真實(shí)地表現(xiàn)了試件或?qū)嵨锛虞d變形以至斷裂的全過(guò)程，但也有明顯的不足之處不足之處：即試樣或被試機(jī)件實(shí)物的尺寸和形狀是各式各樣的，載荷是對(duì)試件所加的總載荷，變形

12、是加載過(guò)程中所測(cè)載荷相應(yīng)的總變形，所以它們不能清楚地說(shuō)明材料受載的嚴(yán)重程度，不具有可比性不具有可比性；評(píng)價(jià)材料和進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)很不方便很不方便。27如何規(guī)定各種材料的力學(xué)性能指標(biāo)： 原則：1 可比性；2 測(cè)量方便。 怎樣利用上述測(cè)定的結(jié)果并滿足上述原怎樣利用上述測(cè)定的結(jié)果并滿足上述原則呢則呢？較好的方法是建立以應(yīng)力和應(yīng)變作為描述變形過(guò)程參量的應(yīng)力應(yīng)變曲線。 28 二、應(yīng)力二、應(yīng)力應(yīng)變曲線（工程應(yīng)力應(yīng)變曲線（工程應(yīng)力應(yīng)變曲線）應(yīng)變曲線） 應(yīng)力應(yīng)變曲線力伸長(zhǎng)曲線29 比較一下圖1和圖2，看看有何區(qū)別？ 1 形狀完全相似；2 坐標(biāo)單位有區(qū)別 其中，A0、L0為原始截面積和原始長(zhǎng)度。 00LLAF 3

13、0國(guó)標(biāo)GB/T228-2002 試樣板：l0=5.65A01/2或11.3A0 1/2圓柱：l0=5d0或 l0=10d00000kALLLL、對(duì)于對(duì)于同一材料制成同一材料制成的的幾何幾何形狀相似形狀相似的試樣來(lái)說(shuō)是常數(shù)的試樣來(lái)說(shuō)是常數(shù)斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率31要回答這個(gè)問(wèn)題，我們先要搞清楚變形過(guò)程中經(jīng)歷的每個(gè)階段，即變形行為。低碳鋼的拉伸變形過(guò)程低碳鋼的拉伸變形過(guò)程包括了所有材料拉伸過(guò)程中可能出現(xiàn)可能出現(xiàn)的變形行為。在這條曲線上能得到哪些對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)在這條曲線上能得到哪些對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的定量指標(biāo)行評(píng)價(jià)的定量指標(biāo)？32應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線OE：彈性段E點(diǎn)：彈性極限 e過(guò)E：塑性變

14、形A點(diǎn)：上屈服點(diǎn)C點(diǎn)：下屈服點(diǎn)CD：屈服。屈服強(qiáng)度 sDB：形變強(qiáng)化B點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度 bK點(diǎn)：斷裂。彈性變形 塑性變形 斷裂無(wú)屈服平臺(tái)時(shí)，取0.2%變形量時(shí)的應(yīng)力為屈服強(qiáng)度 屈服階段均勻塑性變形階段不均勻集中塑性變形階段（縮頸）33強(qiáng)度指標(biāo)：強(qiáng)度指標(biāo)：屈服強(qiáng)度：材料產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的應(yīng)力抗拉強(qiáng)度：材料斷裂前所能承受的最大應(yīng)力強(qiáng)度：材料抵抗塑性變形和開(kāi)裂的能力34塑性指標(biāo)：塑性指標(biāo)：“斷后伸長(zhǎng)率”k：k=(Lk-L0)/L0 “斷面收縮率”k ：k=(A0-Ak)/A0斷裂時(shí)長(zhǎng)度 標(biāo)距斷面面積斷面面積 原始面積原始面積韌性指標(biāo)：韌性指標(biāo)：拉伸曲線的面積。35根據(jù)該曲線可以獲得材料靜拉伸條件根據(jù)該

15、曲線可以獲得材料靜拉伸條件下的力學(xué)性能指標(biāo)：比例極限、彈性下的力學(xué)性能指標(biāo)：比例極限、彈性極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等強(qiáng)度設(shè)強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)指標(biāo)， 、 安全校核指標(biāo)安全校核指標(biāo)。 36是不是所有材料在室溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線或者說(shuō)是拉伸變形行為都是一樣的呢？3738 幾種典型材料的應(yīng)力幾種典型材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 39 材料分類(lèi)：材料分類(lèi)： 按材料在拉伸斷裂前是否發(fā)生塑性變形拉伸斷裂前是否發(fā)生塑性變形，將材料分為脆性材料脆性材料和塑性材料和塑性材料兩大類(lèi)。脆性材料在拉伸斷裂前不產(chǎn)生塑性變形, 只發(fā)生彈性變形；塑性材料在拉伸斷裂前會(huì)發(fā)生不可逆塑性變形。 高塑性材料高塑

16、性材料在拉伸斷裂前不僅產(chǎn)生均勻的伸長(zhǎng)，而且發(fā)生縮頸現(xiàn)象，且塑性變形量大。低塑性材料低塑性材料在拉伸斷裂前只發(fā)生均勻伸長(zhǎng)，不發(fā)生縮頸，且塑性變形量較小。40不同材料或同種材料在不同條件下可有不同形式的應(yīng)力應(yīng)變曲線，這主要是由材料的鍵合方式、化學(xué)成分和組鍵合方式、化學(xué)成分和組織狀態(tài)織狀態(tài)等因素決定的。41Tb：脆化溫度Tg：玻璃化溫度Tf：粘流溫度A：玻璃態(tài)C：高彈態(tài)E：粘流態(tài)特點(diǎn)：與溫度密切相關(guān)舉例：高分子的拉伸性能舉例：高分子的拉伸性能42圖 高分子的拉伸曲線應(yīng)力應(yīng)變成正比，直至斷裂出現(xiàn)屈服點(diǎn)，隨后應(yīng)力降低屈服點(diǎn)后試樣能發(fā)生很大的應(yīng)變，隨后應(yīng)力上升至斷裂高彈態(tài)，無(wú)屈服點(diǎn)，在不明顯增加應(yīng)力時(shí)，應(yīng)

17、變變化很大遠(yuǎn)小于TgT小于TgT接近TgT大于Tg43三、真應(yīng)力應(yīng)變曲線 在變形過(guò)程中，截面積在減少，而伸長(zhǎng)量在增加，所以工程應(yīng)力和工程應(yīng)變并非是真實(shí)或瞬時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變，在此引入真應(yīng)力應(yīng)變曲線。44真應(yīng)力應(yīng)變曲線圖4500ln0LLLdLdeeeLL1lnlnln000LLLLLe工程應(yīng)變和真應(yīng)變之間的關(guān)系： 真應(yīng)變：形變的微分增量為de=dL/L，則試樣自L0伸長(zhǎng)至L后，總的應(yīng)變量為：46假設(shè)材料的拉伸變形是等體積變化過(guò)程，則真應(yīng)力和工程應(yīng)力之間就有如下關(guān)系： 1S真應(yīng)變總是小于工程應(yīng)變，真應(yīng)力總是大于工程應(yīng)力。真應(yīng)力：SF/A 47兩曲線形狀的對(duì)比：兩曲線形狀的對(duì)比：在彈性變形階段，兩線基本

18、重合在彈性變形階段，兩線基本重合，真實(shí)屈服，真實(shí)屈服應(yīng)力和工程屈服應(yīng)力非常接近，為什么？應(yīng)力和工程屈服應(yīng)力非常接近，為什么？伸長(zhǎng)和截面積變化很小。伸長(zhǎng)和截面積變化很小。但在塑性變形階段，兩者之間就出現(xiàn)了顯著但在塑性變形階段，兩者之間就出現(xiàn)了顯著的差異。的差異。4849四、三條曲線的應(yīng)用1、 力伸長(zhǎng)曲線：基本數(shù)據(jù)第一手資料。2、 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線：工程設(shè)計(jì)和材料選用的依據(jù)。在工程應(yīng)用中，因?yàn)槎鄶?shù)構(gòu)件的變形量限制在彈性變形范圍內(nèi)，與真應(yīng)力應(yīng)變的區(qū)別可以忽略，而且測(cè)量和計(jì)算簡(jiǎn)單。3、 真應(yīng)力應(yīng)變曲線：材料科學(xué)研究，應(yīng)變硬化行為研究。50n各種拉伸曲線銅合金 陶瓷 高錳鋼 純銅 鋼絲51第二節(jié)第二節(jié)

19、彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)52第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)一、彈性變形的本質(zhì) 定義：定義：彈性變形外力去處后，變形消失而恢復(fù)原狀。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：彈性變形有可逆性。 應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系： 金屬、陶瓷、結(jié)晶態(tài)高分子 彈性變形量較小，應(yīng)力和應(yīng)變呈單值線性關(guān)系。 橡膠態(tài)的高分子 彈性變形量較大，應(yīng)力和應(yīng)變之間呈非線性。53第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形的本質(zhì)：概括說(shuō)來(lái)，構(gòu)成材料的原原子（離子）或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移子（離子）或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映的反映。晶體材料處于晶格結(jié)點(diǎn)的原子（或離子）在力的

20、作用下，在其平衡位置附近產(chǎn)生的微小位移。橡膠類(lèi)材料呈卷曲狀的分子鏈在力的作用下通過(guò)鏈段的運(yùn)動(dòng)沿著受力方向產(chǎn)生的伸展。54第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)2雙原子模型雙原子模型mnABPrrA、B、m、 n分別為與分別為與原子本性和原子本性和晶格類(lèi)型有晶格類(lèi)型有關(guān)的常數(shù)。關(guān)的常數(shù)。彈性狀態(tài)彈性狀態(tài)下的斷裂下的斷裂載荷載荷55第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形過(guò)程其實(shí)就是，外力(F)與原子間引力(A / r m)、斥力(B / r n)的平衡過(guò)程。0mnABFPFnmrr56二、彈性模量 1 定義： E和G分別為拉 伸時(shí)的楊氏模量（彈性模量，彈性系

21、數(shù)，彈 性模數(shù)）和剪切時(shí)的切變模量。第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)廣義虎克定律 泊松比泊松比當(dāng)應(yīng)力為兩向或三向時(shí)？EG57第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 2 工程意義：表征材料對(duì)彈性變形的抗力， 即材料的剛度。E越大，相同應(yīng)力下產(chǎn)生彈性變形越小。在工程設(shè)計(jì)中，為保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生過(guò)量的彈性變形，都要考慮結(jié)構(gòu)材料的這一重要力學(xué)性能指標(biāo)。58第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)減小長(zhǎng)度、增加截面尺寸或改變截面形狀。但是，當(dāng)零件的形狀尺寸一定時(shí)，零件的剛度不夠就只能改變材料了。零件的剛度：具體零件抵抗變形的能力，除了與零件的截面尺寸與形狀

22、以及加載方式有關(guān)外，還和構(gòu)成零件的材料的剛度有關(guān)。當(dāng)零件的剛度不夠怎么辦不夠怎么辦？59第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 3 比模量（比剛度） 材料的比模量：彈性模量彈性模量/密度密度 載荷形式：載荷形式：拉伸時(shí)E/，懸臂梁時(shí)E1/2/， 板受彎曲時(shí)E1/3/，單位為m或cm 既要?jiǎng)偠群?，又要重量輕時(shí)，用此指標(biāo)。例如選擇空間飛行器材料等。60第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)材料密度(g/cm3)楊氏模量E(GPa)E/E1/2/E1/3/CFRP，58單向碳纖維在環(huán)氧樹(shù)脂中1.518912693.8GFRP，50單向玻璃纖維在聚酯中2.048243.

23、51.8高強(qiáng)度鋼7.8207271.80.76鋁合金2.871253.01.561第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 4 剛度的重要性：剛度的重要性：許多情況下，對(duì)材料剛度的要求在性能上是第一重要的，在設(shè)計(jì)時(shí)剛度要求的零件尺寸會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于強(qiáng)度要求的尺寸，為什么？為什么？舉例： 精密機(jī)床的主軸如果不具有足夠的剛度，就不能保證零件的加工精度。如果汽車(chē)的曲軸彎曲剛度不足，就會(huì)影響活塞、連桿及軸承等重要零件的正常工作。62第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)三、影響彈性模量的因素1 鍵合方式 離子鍵和共價(jià)鍵 金屬鍵 分子鍵2 原子結(jié)構(gòu) 金屬鍵結(jié)合的材料E還和原子結(jié)構(gòu)

24、有關(guān)。原子半徑越大，E越小。3 晶體結(jié)構(gòu) 單晶體E為各向異性，原子排列最密的晶向E大，反之較小。多晶體材料E表現(xiàn)為各向同性，非晶體材料E是各向同性的。E = k/r m m163第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)4 化學(xué)成分 化學(xué)成分的變化如果引起了原子間距或鍵合方式的變化，E 將改變。一般來(lái)說(shuō)，合金的微小成分變化對(duì)E的影響不大（碳鋼和合金鋼），但當(dāng)?shù)诙?qiáng)化相的量較大時(shí)，E會(huì)有一定影響（鋁中加入鎳、硅）。64第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)5 微觀組織 作為結(jié)構(gòu)材料使用的大多數(shù)金屬材料，E是組織結(jié)構(gòu)不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。但是，陶瓷則不同，E一般通過(guò)實(shí)際

25、測(cè)得，隨著氣孔率的上升而下降。 高分子材料的E可通過(guò)添加增強(qiáng)性填料而提高。復(fù)合材料的E由組成相的彈性模量和組成相的體積分?jǐn)?shù)共同決定。65第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)孔隙率對(duì)陶瓷材料彈性模量的影響孔隙率對(duì)陶瓷材料彈性模量的影響0(1)12.5effEpEpp為孔隙率為孔隙率66第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)復(fù)合材料67第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)68第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)6 溫度 溫度變化會(huì)引起相變和力學(xué)狀態(tài)改變 （高分子材料，玻璃態(tài)橡膠態(tài)粘流態(tài)）， E會(huì)顯著改變。對(duì)金屬和陶瓷，無(wú)相變時(shí)，

26、溫度升高，E減小。對(duì)橡膠態(tài)高分子材料，溫度升高，E略有升高。69第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)ET關(guān)系圖關(guān)系圖70第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)7 加載條件和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間金屬和陶瓷對(duì)加載方式和持續(xù)時(shí)間不敏感，陶瓷的壓縮彈性模量大于拉伸。但對(duì)高分子材料，E隨負(fù)荷持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)而減小，松弛模量。因此高分子聚合物的彈性模數(shù)常用加載一段時(shí)間后的數(shù)值量E(t)表示。71第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)四、比例極限與彈性極限比例極限是保證材料的彈性變形按正比 關(guān)系變化的最大應(yīng)力，即在拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線上開(kāi)始偏離直線時(shí)的應(yīng)力值，其表達(dá)式為：

27、0AFpp72第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)OE：彈性段E點(diǎn)：彈性極限 e過(guò)E：塑性變形A點(diǎn)：上屈服點(diǎn)C點(diǎn)：下屈服點(diǎn)CD：屈服。屈服強(qiáng)度 sDB：形變強(qiáng)化B點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度 bK點(diǎn)：斷裂。斷裂強(qiáng)度 k 彈性變形 塑性變形 斷裂無(wú)屈服平臺(tái)時(shí)，取0.2%變形量時(shí)的應(yīng)力為屈服強(qiáng)度 屈服階段均勻塑性變形階段頸縮斷裂階段（集中塑性變形斷裂段）73第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 彈性極限是材料由彈性變形過(guò)渡到彈塑性變形時(shí)的應(yīng)力，應(yīng)力超過(guò)彈性極限以后，材料便開(kāi)始塑性變形，其表達(dá)式為：0AFee74第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)比例極限和彈性

28、極限的工程意義 對(duì)于要求服役時(shí)其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系嚴(yán)格遵守線性關(guān)系的機(jī)件，如測(cè)力計(jì)彈簧，是依靠彈性變形的應(yīng)力正比與應(yīng)變的關(guān)系顯示載荷大小的，則應(yīng)以比例極限作為選擇材料的依據(jù)； 對(duì)于服役條件不允許產(chǎn)生微量塑性變形的機(jī)件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按彈性極限來(lái)選擇材料。75 實(shí)際測(cè)量時(shí)，以發(fā)生非比例伸長(zhǎng)值實(shí)際測(cè)量時(shí)，以發(fā)生非比例伸長(zhǎng)值達(dá)到原始標(biāo)距長(zhǎng)度一定的百分比定義達(dá)到原始標(biāo)距長(zhǎng)度一定的百分比定義比例極限比例極限，將非比例伸長(zhǎng)值以下角注，將非比例伸長(zhǎng)值以下角注形式給出。如形式給出。如 ， 表示非比表示非比例伸長(zhǎng)量為例伸長(zhǎng)量為0.01和和0.05。第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)01. 0p05. 0

29、p76 實(shí)際測(cè)量時(shí)，以發(fā)生殘留變形（即塑性變形）值達(dá)到原始標(biāo)距長(zhǎng)度一定的百分比定義彈性極限，將殘留變形值以下角注形式給出。 如 ， 表示殘留變形量為0.01和0.05。第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)01. 0e05. 0e77第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)五、彈性比功 1.定義：彈性比功是材料在彈性變形過(guò)程中吸收變形功的能力。用材料彈性變形達(dá)到彈性極限時(shí)單位體積吸收的彈性變形功來(lái)表示。表達(dá)式為 日常所說(shuō)的彈性好壞實(shí)際上就是指彈性比功的大小，彈性比功還可以在拉伸曲線上表示出來(lái)。如何表示？2122eeeeWE 78第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈

30、性變形及其性能指標(biāo)e0e We = e e / 2 = e2 / (2E)制造彈簧的材料要求高的彈性比功：（ e 大 ，E 小）79第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)2.從上定義總結(jié)提高材料（零件）彈性的方法？ 一 提高e，如何提高？ 變化成分、熱處理、冷加工 例如：選用碳含量較高的鋼，加入Si、Mn等合金強(qiáng)化鐵素體基體，并經(jīng)淬火加中溫回火獲得回火屈氏體，以及冷變形強(qiáng)化，可有效提高彈性極限。80第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)二 降低E，材料確定，E確定，不易改變。材料改變，E可改變，但E要滿足剛度要求，剛度低，有時(shí)不行（沙發(fā)一坐就深陷下去了，雖然彈性

31、很好，但不能用。）81第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 3. 實(shí)際應(yīng)用 彈性比功是評(píng)價(jià)彈簧材料最重要的指標(biāo)。彈簧鋼用來(lái)減震或儲(chǔ)能（撐桿跳高），鈹青銅制作儀表彈簧（1無(wú)磁性，2 耐腐蝕，3 高彈性比功），還有橡膠，低E和高彈性應(yīng)變，也可做減震和儲(chǔ)存能量元件，如電子器件中的按鈕彈（如計(jì)算器按鍵）。82第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo)問(wèn)：某汽車(chē)彈簧，在未裝滿載時(shí)已變形到最大位置，缺問(wèn)：某汽車(chē)彈簧，在未裝滿載時(shí)已變形到最大位置，缺載后可完全恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)；另一汽車(chē)彈簧，使用一段載后可完全恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)；另一汽車(chē)彈簧，使用一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)彈簧弓形越來(lái)越小，即產(chǎn)

32、生了塑性變形，時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)彈簧弓形越來(lái)越小，即產(chǎn)生了塑性變形，而且塑性變形量越來(lái)越大。試分析這兩種故障的本質(zhì)及而且塑性變形量越來(lái)越大。試分析這兩種故障的本質(zhì)及改變措施。改變措施。答：第一種故障主要是材料的剛度（彈性模量）不足，抵抗彈性變形能力不夠。改進(jìn)措施：（1）更換彈性模量高的材料；（2）改變材料的截面形狀尺寸。第二種故障主要是材料的彈性極限偏低所致。改進(jìn)措施：（1）更換彈性極限高的材料；（2）對(duì)材料進(jìn)行適當(dāng)熱處理。83第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗 彈性的概念彈性的概念: 材料受載后產(chǎn)生一定的變形，卸載后這部分 變形消失，材料恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)的性質(zhì)稱(chēng) 為材料的彈性彈性。 根

33、據(jù)材料在彈性彈性變形過(guò)程中應(yīng)力和應(yīng)變 的的響應(yīng)響應(yīng)特點(diǎn)，彈性可分為：特點(diǎn)，彈性可分為： 84 理想彈性理想彈性（完全彈性） 應(yīng)力和應(yīng)變服從胡克定律，滿足： 1 應(yīng)力對(duì)于應(yīng)變的響應(yīng)是線性的； 2 應(yīng)力和應(yīng)變同相位； 3 應(yīng)變是應(yīng)力的單值函數(shù)。第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗85非理想彈性非理想彈性（彈性不完整性）（彈性不完整性） 應(yīng)力應(yīng)變非線性響應(yīng)、不同位相、應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變非線性響應(yīng)、不同位相、應(yīng)變非應(yīng)力的單值函數(shù)。變非應(yīng)力的單值函數(shù)。 包括包括滯彈性；粘彈性；偽彈性；包申格效應(yīng)滯彈性；粘彈性；偽彈性；包申格效應(yīng)等幾種類(lèi)型。等幾種類(lèi)型。 實(shí)際上絕大部分固體材料都表現(xiàn)出實(shí)際上絕大部分固體

34、材料都表現(xiàn)出非理想非理想彈性彈性性質(zhì)，工程中的材料按理想彈性處理只性質(zhì)，工程中的材料按理想彈性處理只是一種近似處理。是一種近似處理。第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗86一、滯彈性（彈性后效）一、滯彈性（彈性后效） 材料在材料在快速快速加載或卸加載或卸 載后，隨時(shí)間的延長(zhǎng)載后，隨時(shí)間的延長(zhǎng)而產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變而產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的性能。其應(yīng)力應(yīng)的性能。其應(yīng)力應(yīng)變曲線與時(shí)間的關(guān)系變曲線與時(shí)間的關(guān)系如圖所示如圖所示。 滯彈性示意圖滯彈性示意圖第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗87一、滯彈性（彈性后效一、滯彈性（彈性后效） 特點(diǎn)特點(diǎn)：在彈性應(yīng)力范圍內(nèi)，與所加應(yīng)力在彈性應(yīng)力范圍內(nèi)，

35、與所加應(yīng)力對(duì)應(yīng)一個(gè)初始應(yīng)變，在保持應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)初始應(yīng)變，在保持應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生附加應(yīng)變。生附加應(yīng)變。 應(yīng)力加載條件：應(yīng)力加載條件：瞬間加載或卸載瞬間加載或卸載 主要影響因素：主要影響因素：材料成分、組織的均勻材料成分、組織的均勻性、溫度、應(yīng)力狀態(tài)。性、溫度、應(yīng)力狀態(tài)。 第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗88第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗n-Fe Fe 中的中的C C處于八面體空處于八面體空隙及等效位置上，施加隙及等效位置上，施加 z z向拉應(yīng)力后向拉應(yīng)力后x x、y y軸上的軸軸上的軸上的碳原子就會(huì)向上的碳原子就會(huì)向z z軸擴(kuò)散軸擴(kuò)散遷移，使遷移，使z z軸方向繼

36、續(xù)伸長(zhǎng)軸方向繼續(xù)伸長(zhǎng)變形變形. .因擴(kuò)散遷移需要時(shí)間因擴(kuò)散遷移需要時(shí)間，故附加應(yīng)變?yōu)闇椥裕矢郊討?yīng)變?yōu)闇椥? .卸卸載后載后z z軸多余的碳原子又會(huì)軸多余的碳原子又會(huì)擴(kuò)散回到原來(lái)的擴(kuò)散回到原來(lái)的x x、y y軸上軸上，滯彈性應(yīng)變消失，滯彈性應(yīng)變消失. .金屬材料產(chǎn)生滯彈性的原因 89 滯彈性有利之處：滯彈性有利之處： 消振性，例如：鑄鐵作為機(jī)床支座；消振性，例如：鑄鐵作為機(jī)床支座； 1Cr13鋼做汽輪機(jī)葉片。鋼做汽輪機(jī)葉片。 不利之處：不利之處： 精密精密儀表中的彈簧儀表中的彈簧，油壓表，氣壓表中的，油壓表，氣壓表中的 測(cè)力彈簧要求靈敏地反應(yīng)指針數(shù)的變化，測(cè)力彈簧要求靈敏地反應(yīng)指針數(shù)的變化

37、， 不允許有滯彈性。不允許有滯彈性。第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗90二、粘彈性二、粘彈性 定義：定義：粘彈性是指材料在外力作用下粘彈性是指材料在外力作用下，彈性彈性和和粘性粘性兩種變形機(jī)理同時(shí)存在的力學(xué)兩種變形機(jī)理同時(shí)存在的力學(xué)行為行為。（。（針對(duì)高分子材料針對(duì)高分子材料） 特征：特征：應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)響應(yīng)不是瞬時(shí)完不是瞬時(shí)完成的，有一個(gè)弛豫過(guò)程，但卸載后，應(yīng)變成的，有一個(gè)弛豫過(guò)程，但卸載后，應(yīng)變恢復(fù)到初始值。恢復(fù)到初始值。第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗91應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系與時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系與時(shí)間有關(guān)，可分為：間有關(guān)，可分為：恒應(yīng)變下的應(yīng)力松弛恒

38、應(yīng)變下的應(yīng)力松弛 加載一加載一恒定彈性范圍恒定彈性范圍的的應(yīng)變后，有一初始應(yīng)力應(yīng)變后，有一初始應(yīng)力值，但應(yīng)變保持不變，值，但應(yīng)變保持不變，應(yīng)力緩慢下降到某一恒應(yīng)力緩慢下降到某一恒定值，如圖定值，如圖a。應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗92 恒應(yīng)力下的蠕變恒應(yīng)力下的蠕變 加載一加載一恒定彈性范圍恒定彈性范圍的應(yīng)力后，有一初始的應(yīng)力后，有一初始應(yīng)變值，但應(yīng)力保持應(yīng)變值，但應(yīng)力保持不變，應(yīng)變緩慢增加不變，應(yīng)變緩慢增加到某一恒定值，如圖到某一恒定值，如圖b。應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系蠕變變形蠕變變形第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想

39、彈性與內(nèi)耗93第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗0t 1 2 1 2滯彈性滯彈性 粘彈性粘彈性 94三、偽彈性三、偽彈性 偽彈性偽彈性是指在是指在一定溫度下一定溫度下，當(dāng)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)應(yīng)力達(dá)到一定水平到一定水平后，金屬或合金將產(chǎn)生后，金屬或合金將產(chǎn)生應(yīng)應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變力誘發(fā)馬氏體相變，伴隨應(yīng)力誘發(fā)馬，伴隨應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變產(chǎn)生大幅度（氏體相變產(chǎn)生大幅度（60）彈性）彈性變形現(xiàn)象。大大超過(guò)正常彈性變形。變形現(xiàn)象。大大超過(guò)正常彈性變形。 應(yīng)用：形狀記憶合金。應(yīng)用：形狀記憶合金。 第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗95偽彈性示意圖偽彈性示意圖第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想

40、彈性與內(nèi)耗960理想彈性行為，理想彈性行為，循環(huán)變形過(guò)程沒(méi)循環(huán)變形過(guò)程沒(méi)有能量損失有能量損失四、內(nèi)耗四、內(nèi)耗第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗97第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗加載和卸載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線不重合形成一封閉回線 - 彈性滯后環(huán)彈性滯后環(huán)98第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗彈性滯后環(huán)說(shuō)明加載時(shí)材料吸收的彈性滯后環(huán)說(shuō)明加載時(shí)材料吸收的變形功（能）大于卸載時(shí)材料釋放變形功（能）大于卸載時(shí)材料釋放的變形功，有一部分變形功被材料的變形功，有一部分變形功被材料吸收，稱(chēng)為吸收，稱(chēng)為內(nèi)耗內(nèi)耗（又叫消振性），（又叫消振性），用回線的面積大小度量。用回線的面積

41、大小度量。9900( )sin( )sin()tttt內(nèi)耗的計(jì)算：內(nèi)耗的計(jì)算：第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)非理想彈性與內(nèi)耗耗循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系1002/00000( )( ) sincos() sin Wt dtttdt 常用力學(xué)損耗角正切常用力學(xué)損耗角正切tantan來(lái)表示內(nèi)耗的大小。來(lái)表示內(nèi)耗的大小。第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)非理想彈性與內(nèi)耗耗101第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)非理想彈性與內(nèi)耗耗n測(cè)量角比較復(fù)雜，通常采用振動(dòng)試樣自由角比較復(fù)雜，通常采用振動(dòng)試樣自由振動(dòng)振幅衰減的自然對(duì)數(shù)值振動(dòng)振幅衰減的自然對(duì)數(shù)值 來(lái)表示內(nèi)耗來(lái)表示內(nèi)耗的大小的大小1lnkkTT

42、Tk和和Tk+1表示自由振動(dòng)表示自由振動(dòng)相鄰振幅的大小。相鄰振幅的大小。102對(duì)于高聚物而言，內(nèi)耗的大小與本身的結(jié)構(gòu)對(duì)于高聚物而言，內(nèi)耗的大小與本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。有關(guān)。順丁橡膠內(nèi)耗較小，因?yàn)樗姆肿渔溕享樁∠鹉z內(nèi)耗較小，因?yàn)樗姆肿渔溕蠜](méi)有取代基沒(méi)有取代基團(tuán)團(tuán)，鏈段運(yùn)動(dòng)的，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦阻力較小內(nèi)摩擦阻力較?。欢”较鹉z和丁腈橡膠的內(nèi)耗比較大，因?yàn)槎”侥z有丁苯橡膠和丁腈橡膠的內(nèi)耗比較大，因?yàn)槎”侥z有龐大的龐大的側(cè)苯基側(cè)苯基；丁腈橡膠有極性較強(qiáng)的；丁腈橡膠有極性較強(qiáng)的側(cè)氰基側(cè)氰基，因，因而它們的鏈段運(yùn)動(dòng)時(shí)而它們的鏈段運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦阻力較大內(nèi)摩擦阻力較大。內(nèi)耗較大的橡膠，吸收沖擊能量較大，回彈性內(nèi)耗較

43、大的橡膠，吸收沖擊能量較大，回彈性就就 。較差較差第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)非理想彈性與內(nèi)耗耗103高聚物的變形和內(nèi)耗與溫度的關(guān)系高聚物的變形和內(nèi)耗與溫度的關(guān)系內(nèi)耗峰內(nèi)耗峰第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)非理想彈性與內(nèi)耗耗內(nèi)內(nèi)耗耗與與溫溫度度有有關(guān)關(guān)104高聚物的內(nèi)耗與頻率的關(guān)系高聚物的內(nèi)耗與頻率的關(guān)系高高彈彈性性區(qū)區(qū)黏彈區(qū)黏彈區(qū)剛剛性性區(qū)區(qū)第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)非理想彈性與內(nèi)耗耗內(nèi)內(nèi)耗耗與與振振動(dòng)動(dòng)頻頻率率有有關(guān)關(guān)105 工程應(yīng)用：工程應(yīng)用： 音叉在真空中做彈性振動(dòng)，但是由于內(nèi)耗的音叉在真空中做彈性振動(dòng)，但是由于內(nèi)耗的作用，振幅逐漸衰減，最后停止（樂(lè)器的制作用，振幅逐漸衰減，最后停止（樂(lè)

44、器的制作）作） 。利用材料的內(nèi)耗性高，消振性好，有。利用材料的內(nèi)耗性高，消振性好，有利于防止共振導(dǎo)致疲勞斷裂（機(jī)床床身材料利于防止共振導(dǎo)致疲勞斷裂（機(jī)床床身材料的選擇）的選擇） 。第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗106第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)非理想彈性與內(nèi)耗耗產(chǎn)生了產(chǎn)生了少量塑性變形少量塑性變形的材料（殘余應(yīng)變的材料（殘余應(yīng)變4%），再），再同向加載則彈性極限（屈服強(qiáng)度）升高；反向加載同向加載則彈性極限（屈服強(qiáng)度）升高；反向加載則彈性極限（屈服強(qiáng)度）降低的現(xiàn)象。則彈性極限（屈服強(qiáng)度）降低的現(xiàn)象。 01240217832874852 301退火軋制黃銅退火軋制黃銅五、包申格效應(yīng)

45、107第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)非理想彈性與內(nèi)耗耗包申格應(yīng)變包申格應(yīng)變是度量是度量包申格效應(yīng)的包申格效應(yīng)的定量定量指標(biāo)指標(biāo)。它是指在給。它是指在給定應(yīng)力下，拉伸卸定應(yīng)力下，拉伸卸載后第二次再拉伸載后第二次再拉伸與拉伸卸載后再壓與拉伸卸載后再壓縮兩曲線之間的應(yīng)縮兩曲線之間的應(yīng)變差。變差。108 工程意義：工程意義： 不利：不利：經(jīng)經(jīng)拉伸拉伸變形成型的構(gòu)件要考慮其承受變形成型的構(gòu)件要考慮其承受壓縮壓縮載荷的能力，以免使微量塑性變形抗力載荷的能力，以免使微量塑性變形抗力下降造成危害。特別是承受應(yīng)變疲勞載荷作下降造成危害。特別是承受應(yīng)變疲勞載荷作用的機(jī)件，呈現(xiàn)循環(huán)軟化現(xiàn)象。用的機(jī)件，呈現(xiàn)循環(huán)軟化現(xiàn)象

46、。 有利：有利：如薄板反向彎曲成型，拉拔的鋼棒經(jīng)如薄板反向彎曲成型，拉拔的鋼棒經(jīng)輥壓校直等。輥壓校直等。 第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗109林位錯(cuò)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響林位錯(cuò)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響 包申格效應(yīng)與金屬材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力變化包申格效應(yīng)與金屬材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力變化有關(guān)。有關(guān)。因?yàn)榻?jīng)過(guò)正向變形后，晶內(nèi)位錯(cuò)最后總是停因?yàn)榻?jīng)過(guò)正向變形后，晶內(nèi)位錯(cuò)最后總是停留在障礙密度較高處，一旦有反向變形，則位錯(cuò)很留在障礙密度較高處，一旦有反向變形，則位錯(cuò)很容易克服曾經(jīng)掃過(guò)的障礙密度較低處。容易克服曾經(jīng)掃過(guò)的障礙密度較低處。第三節(jié)第三節(jié) 非理想彈性與內(nèi)非理想彈性與內(nèi)耗耗110第三節(jié)第三節(jié)

47、 非理想彈性與內(nèi)耗非理想彈性與內(nèi)耗n消除包申格效應(yīng)的方法：預(yù)先進(jìn)行較大的消除包申格效應(yīng)的方法：預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形，或在第二次受力前先使金屬材塑性變形，或在第二次受力前先使金屬材料于回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火，如鋼在料于回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火，如鋼在400500，銅合金在，銅合金在250270退火。退火。111材料的塑性變形是微觀結(jié)構(gòu)的相鄰部分產(chǎn)生材料的塑性變形是微觀結(jié)構(gòu)的相鄰部分產(chǎn)生永久性位移，并不引起材料破裂的現(xiàn)象。材永久性位移，并不引起材料破裂的現(xiàn)象。材料的種類(lèi)和性質(zhì)不同，其塑性變形機(jī)理也不料的種類(lèi)和性質(zhì)不同，其塑性變形機(jī)理也不相同。相同。第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能塑性變形及其性能指標(biāo)

48、指標(biāo)112一、塑性變形的機(jī)理一、塑性變形的機(jī)理 1 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形 金屬常見(jiàn)的塑性變形機(jī)理為金屬常見(jiàn)的塑性變形機(jī)理為滑移孿生滑移孿生 滑移是在切應(yīng)力作用下，沿著滑移面和滑移方向滑移是在切應(yīng)力作用下，沿著滑移面和滑移方向進(jìn)行的切變過(guò)程。進(jìn)行的切變過(guò)程。思考：何為滑移系？哪些面可做滑移面思考：何為滑移系？哪些面可做滑移面 ？fcc，bcc，hcp的滑移系有幾個(gè)？室溫與高溫下有何區(qū)別？的滑移系有幾個(gè)？室溫與高溫下有何區(qū)別？滑移系的多少與金屬的塑性好壞有何關(guān)系？滑移系的多少與金屬的塑性好壞有何關(guān)系？第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)113 孿生孿生是金屬在切應(yīng)

49、力作用下的另外一是金屬在切應(yīng)力作用下的另外一種塑性變形方式。孿生變形可以調(diào)整種塑性變形方式。孿生變形可以調(diào)整滑移面的方向，使新的滑移系開(kāi)動(dòng)，滑移面的方向，使新的滑移系開(kāi)動(dòng)，間接對(duì)塑性變形有貢獻(xiàn)。間接對(duì)塑性變形有貢獻(xiàn)。 思考：在什么條件下金屬會(huì)以孿生方思考：在什么條件下金屬會(huì)以孿生方式塑性變形？為什么？式塑性變形？為什么？金屬的滑移系較少、低溫、高速變形的條件下。金屬的滑移系較少、低溫、高速變形的條件下。第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能塑性變形及其性能指標(biāo)指標(biāo)114第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能塑性變形及其性能指標(biāo)指標(biāo)在切應(yīng)力下孿晶中的晶格位向變化在切應(yīng)力下孿晶中的晶格位向變化 1151.金屬塑性

50、變形的特點(diǎn)金屬塑性變形的特點(diǎn)1）各晶粒塑性變形的非同時(shí)性）各晶粒塑性變形的非同時(shí)性 金屬多晶體中，不同相、不同晶粒在外金屬多晶體中，不同相、不同晶粒在外力作用下由彈性變形向塑性變形的過(guò)渡力作用下由彈性變形向塑性變形的過(guò)渡不可能同時(shí)開(kāi)始。不可能同時(shí)開(kāi)始。 所以人為規(guī)定了一些微量殘留變形量條所以人為規(guī)定了一些微量殘留變形量條件，如件，如0.05，表示力學(xué)性能。，表示力學(xué)性能。第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)1162 ）塑性變形量的不均勻性）塑性變形量的不均勻性 不同組織的塑性變形程度不同，在外部宏觀變形不同組織的塑性變形程度不同，在外部宏觀變形量不大的情況下，有些晶粒可能已經(jīng)

51、達(dá)到極限，量不大的情況下，有些晶?？赡芤呀?jīng)達(dá)到極限，出現(xiàn)早期開(kāi)裂。出現(xiàn)早期開(kāi)裂。補(bǔ)充：取向因子補(bǔ)充：取向因子coscos組織越不均勻，塑性變形不同時(shí)性和不均勻性越組織越不均勻，塑性變形不同時(shí)性和不均勻性越嚴(yán)重。嚴(yán)重。 第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)117第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)拉應(yīng)力與分切應(yīng)力關(guān)系圖拉應(yīng)力與分切應(yīng)力關(guān)系圖分切應(yīng)力分切應(yīng)力=(P/A)coscos 臨界臨界 外應(yīng)力與滑移面法線外應(yīng)力與滑移面法線的夾角；的夾角； 外應(yīng)力與滑移方向的外應(yīng)力與滑移方向的夾角；夾角； = coscos稱(chēng)為取向因稱(chēng)為取向因子。子。取向因子取向因子cosc

52、os118第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能塑性變形及其性能指標(biāo)指標(biāo)3）各晶粒塑性變形的相互協(xié)調(diào)性）各晶粒塑性變形的相互協(xié)調(diào)性 多晶體金屬作為一個(gè)連續(xù)整體，不允許各個(gè)晶粒多晶體金屬作為一個(gè)連續(xù)整體，不允許各個(gè)晶粒在任一滑移系自由變形，否則必將導(dǎo)致晶界開(kāi)裂，在任一滑移系自由變形，否則必將導(dǎo)致晶界開(kāi)裂，這就要求各晶粒之間能協(xié)調(diào)變形。每個(gè)晶粒必須這就要求各晶粒之間能協(xié)調(diào)變形。每個(gè)晶粒必須能能同時(shí)沿幾個(gè)滑移系進(jìn)行滑移同時(shí)沿幾個(gè)滑移系進(jìn)行滑移，或在滑移的同時(shí)，或在滑移的同時(shí)產(chǎn)生孿生變形產(chǎn)生孿生變形，以保持材料的整體性。，以保持材料的整體性。4）變形過(guò)程中金屬的力學(xué)性能和其它物理性能、）變形過(guò)程中金屬的力學(xué)性

53、能和其它物理性能、化學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化?；瘜W(xué)性能會(huì)發(fā)生變化。如密度降低、電阻和矯頑如密度降低、電阻和矯頑力增加、化學(xué)活性增大以及抗腐蝕性能降低等。力增加、化學(xué)活性增大以及抗腐蝕性能降低等。119 2. 2. 陶瓷材料的塑性變形陶瓷材料的塑性變形 陶瓷材料最大的缺點(diǎn)是脆即塑性變形很難，為陶瓷材料最大的缺點(diǎn)是脆即塑性變形很難，為什么？什么？n共價(jià)鍵共價(jià)鍵具有方向性，且是強(qiáng)固的結(jié)合鍵，使晶體具有具有方向性，且是強(qiáng)固的結(jié)合鍵，使晶體具有較高的抗晶格畸變、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力。較高的抗晶格畸變、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力。離子鍵離子鍵方方向性雖不明顯，但受靜電作用力的限制，其實(shí)際可動(dòng)向性雖不明顯，但受靜電作用力的限

54、制，其實(shí)際可動(dòng)滑移系較少。滑移系較少。n多晶材料，還存在氣孔、微裂紋、玻璃相等。位錯(cuò)不多晶材料，還存在氣孔、微裂紋、玻璃相等。位錯(cuò)不易向周?chē)Я鞑?，更易在晶界處塞積而產(chǎn)生應(yīng)力集易向周?chē)Я鞑ィ自诰Ы缣幦e而產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋。中，形成裂紋。 第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能塑性變形及其性能指標(biāo)指標(biāo)120第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)化合物 LiFMgO Al2O3SiO2Si3N4SiCSi負(fù)電性差3.02.32.01.71.20.70離子鍵（）8973635130110共價(jià)鍵（）112737497089100陶瓷材料離子鍵與共價(jià)鍵的混合比陶瓷材料離子鍵與共價(jià)

55、鍵的混合比121 非晶態(tài)玻璃，在室溫下沒(méi)有塑性，為什么？非晶態(tài)玻璃，在室溫下沒(méi)有塑性，為什么？ 沒(méi)有晶體的滑移系，塑性變形通過(guò)分子沒(méi)有晶體的滑移系，塑性變形通過(guò)分子（原子）位置的熱激活交換來(lái)進(jìn)行的，（原子）位置的熱激活交換來(lái)進(jìn)行的，屬于粘性流動(dòng)變形機(jī)制，塑性變形需要屬于粘性流動(dòng)變形機(jī)制，塑性變形需要在一定溫度下進(jìn)行。在一定溫度下進(jìn)行。非晶的非晶的原子排原子排布布第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)1223. 3. 高分子材料的塑性變形高分子材料的塑性變形 結(jié)晶態(tài)高分子結(jié)晶態(tài)高分子 塑變過(guò)程薄晶轉(zhuǎn)變?yōu)樗茏冞^(guò)程薄晶轉(zhuǎn)變?yōu)?沿應(yīng)力方向排列的微纖維束。沿應(yīng)力方向排列的微纖維束。 非晶

56、態(tài)高分子非晶態(tài)高分子 塑變過(guò)程正應(yīng)力作用下塑變過(guò)程正應(yīng)力作用下形成銀紋，切應(yīng)力作用下無(wú)取向分子鏈轉(zhuǎn)變?yōu)樾纬摄y紋，切應(yīng)力作用下無(wú)取向分子鏈轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕械睦w維束。排列的纖維束。第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)123n銀紋銀紋（craze）：銀紋是高分子材料在變形銀紋是高分子材料在變形過(guò)程中產(chǎn)生的一種過(guò)程中產(chǎn)生的一種缺陷缺陷，由于它的密度低，由于它的密度低，對(duì)光線的反射能力很高，看起來(lái)呈銀色，對(duì)光線的反射能力很高，看起來(lái)呈銀色，因而得名。銀紋因而得名。銀紋產(chǎn)生于高分子材料的弱結(jié)產(chǎn)生于高分子材料的弱結(jié)構(gòu)或缺陷部位，構(gòu)或缺陷部位，銀紋內(nèi)部為有取向的纖維銀紋內(nèi)部為有取向的纖維和空洞交織

57、分布。和空洞交織分布。銀紋裂紋銀紋裂紋 ？第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)124聚苯乙烯板中的銀紋圖中箭頭指主應(yīng)力方向；聚苯乙烯板中的銀紋圖中箭頭指主應(yīng)力方向；（b）是圖（）是圖（a）中一段的放大照片）中一段的放大照片(a)(b)第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)125二、屈服現(xiàn)象與屈服強(qiáng)度 1 1 屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象 在材料拉伸曲線上，彈性變形向塑性變?cè)诓牧侠烨€上，彈性變形向塑性變形的過(guò)渡階段有一個(gè)平臺(tái)或鋸齒。在外力形的過(guò)渡階段有一個(gè)平臺(tái)或鋸齒。在外力不增加或上下波動(dòng)的情況下試樣可以繼續(xù)不增加或上下波動(dòng)的情況下試樣可以繼續(xù)伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為材

58、料在拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)的這種現(xiàn)象稱(chēng)為材料在拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)的屈服現(xiàn)象。屈服現(xiàn)象。許多鐵基合金、有色金屬和高許多鐵基合金、有色金屬和高分子材料中會(huì)出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。分子材料中會(huì)出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)1262 2 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 定義：屈服強(qiáng)度材料開(kāi)始塑性變形的應(yīng)力。定義：屈服強(qiáng)度材料開(kāi)始塑性變形的應(yīng)力。 通常用下屈服點(diǎn)的應(yīng)力值表示。通常用下屈服點(diǎn)的應(yīng)力值表示。 何為上、下屈服點(diǎn)？何為上、下屈服點(diǎn)？ 定義式：定義式： 物理意義：材料抵抗物理意義：材料抵抗起始起始塑性變形的能力或產(chǎn)塑性變形的能力或產(chǎn)生微量塑性變形的能力。生微量塑性變形的能力。 0/ AFsusu0/ A

59、Fslsl第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)127呂德斯帶呂德斯帶屈服伸長(zhǎng)變形是不均勻的屈服伸長(zhǎng)變形是不均勻的第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)128第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)呂德斯帶的顯微照片呂德斯帶的顯微照片129第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)n材料變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度很小n隨塑性變形發(fā)生，位錯(cuò)能快速增殖n位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與外加應(yīng)力有強(qiáng)烈依存關(guān)系屈服現(xiàn)象發(fā)生的三個(gè)要素：屈服現(xiàn)象發(fā)生的三個(gè)要素：塑性應(yīng)塑性應(yīng)變速率變速率柏氏矢量的模柏氏矢量的?？蓜?dòng)位錯(cuò)密度可動(dòng)位錯(cuò)密度位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速率位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速率bv130

60、第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形及其性能指標(biāo)塑性變形及其性能指標(biāo)沿滑移面上的切應(yīng)力沿滑移面上的切應(yīng)力位錯(cuò)以單位速率運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)以單位速率運(yùn)動(dòng)所需的切應(yīng)力所需的切應(yīng)力位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率應(yīng)力敏感指數(shù)應(yīng)力敏感指數(shù)m值越低，則使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率變化所值越低，則使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率變化所需之應(yīng)力變化越大，屈服現(xiàn)象越明顯。需之應(yīng)力變化越大，屈服現(xiàn)象越明顯。0( /)mv 131對(duì)于看不到明顯屈服現(xiàn)象的材料，工程上其屈服對(duì)于看不到明顯屈服現(xiàn)象的材料，工程上其屈服強(qiáng)度由人為按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，稱(chēng)為條件屈服強(qiáng)度。強(qiáng)度由人為按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，稱(chēng)為條件屈服強(qiáng)度。(1)比例極限比例極限 應(yīng)力超過(guò)p時(shí)即認(rèn)為材料開(kāi)始屈服。(2)彈性極限彈性極限 應(yīng)力超