材料單向靜拉伸的力學性能

1、1 材料力學性能的研究任務 材料力學性能研究的重要任務，就是材料力學性能研究的重要任務，就是研究材料在受載研究材料在受載 過程中變形和斷裂的規(guī)律。過程中變形和斷裂的規(guī)律。 單向靜拉伸試驗單向靜拉伸試驗是工業(yè)生產(chǎn)和材料科學研究中應用最是工業(yè)生產(chǎn)和材料科學研究中應用最 廣泛的材料力學性能試驗方法。通過拉伸試驗可以揭示廣泛的材料力學性能試驗方法。通過拉伸試驗可以揭示 材料在靜載作用下的材料在靜載作用下的應力應變關系應力應變關系及常見的及常見的3 3種失效形種失效形 式式( (過量彈性變形、塑性變形和斷裂過量彈性變形、塑性變形和斷裂) )的特點和基本規(guī)律，的特點和基本規(guī)律， 還可以評定出還可以評定出材

2、料的基本力學性能指標材料的基本力學性能指標，如，如屈服強度、屈服強度、 拉拉伸伸強度、伸長率和斷面收縮率強度、伸長率和斷面收縮率等。等。 2 這些性能指標既是這些性能指標既是材料的工程應用、構(gòu)件設計和科學材料的工程應用、構(gòu)件設計和科學 研究研究等方面的計算依據(jù)，也是等方面的計算依據(jù)，也是材料的評定和選用以及加材料的評定和選用以及加 工工藝選擇工工藝選擇的主要依據(jù)。的主要依據(jù)。 本章介紹這些本章介紹這些性能指標的物理概念和工程意義性能指標的物理概念和工程意義，討論，討論 材料材料彈性變形、塑性變形及斷裂行為彈性變形、塑性變形及斷裂行為的基本規(guī)律及其與的基本規(guī)律及其與 材料組織結(jié)構(gòu)的關系，在此基礎

3、上探討材料組織結(jié)構(gòu)的關系，在此基礎上探討提高材料性能指提高材料性能指 標的途徑和方向標的途徑和方向。 3 1-1力力伸長曲線和應力伸長曲線和應力應變曲線應變曲線 一、拉伸力一、拉伸力- -伸長曲線伸長曲線 在整個拉伸過程中在整個拉伸過程中 的變形可分為的變形可分為彈性變彈性變 形、屈服變形、均勻形、屈服變形、均勻 塑性變形塑性變形( (強化強化) )及不及不 均勻集中塑性變形均勻集中塑性變形 ( (局部變形局部變形) )4 4個階段。個階段。 4 退火低碳鋼的力一伸長曲線是一種最典型的曲線，退火低碳鋼的力一伸長曲線是一種最典型的曲線， 除低碳鋼外，正火、退火或調(diào)質(zhì)的各種碳素結(jié)構(gòu)鋼和除低碳鋼外，

4、正火、退火或調(diào)質(zhì)的各種碳素結(jié)構(gòu)鋼和 一般的合金結(jié)構(gòu)鋼都有類似的力一伸長曲線，只是力一般的合金結(jié)構(gòu)鋼都有類似的力一伸長曲線，只是力 的大小和變形量的多少不同而已。的大小和變形量的多少不同而已。 并非所有的材料或同一材料在不同條件下都具有相并非所有的材料或同一材料在不同條件下都具有相 同類型的拉伸曲線。同類型的拉伸曲線。 一、拉伸力一、拉伸力- -伸長曲線伸長曲線 1-1力力伸長曲線和應力伸長曲線和應力應變曲線應變曲線 5 一、拉伸力一、拉伸力- -伸長曲線伸長曲線 1-1力力伸長曲線和應力伸長曲線和應力應變曲線應變曲線 6 一、拉伸力一、拉伸力- -伸長曲線伸長曲線 1-1力力伸長曲線和應力伸長

5、曲線和應力應變曲線應變曲線 7 注意：注意：對于對于高分子聚合物材料高分子聚合物材料來說：來說： 由于其在結(jié)構(gòu)上的力學狀態(tài)差異及對溫度的敏感性，由于其在結(jié)構(gòu)上的力學狀態(tài)差異及對溫度的敏感性， 力一伸長曲線可有多種形式。力一伸長曲線可有多種形式。 不同的材料或同一材料在不同條件下可有不同形式不同的材料或同一材料在不同條件下可有不同形式 的力一伸長曲線。的力一伸長曲線。 這主要是由材料的這主要是由材料的鍵合方式、化學成分和組織狀態(tài)鍵合方式、化學成分和組織狀態(tài) 等多種因素共同決定的。等多種因素共同決定的。 8 將圖將圖1-1所示的力所示的力-伸長曲線的縱、橫坐伸長曲線的縱、橫坐 標分別用拉伸試樣的標

6、距處的原始截面積標分別用拉伸試樣的標距處的原始截面積 A0和原始標距長度和原始標距長度L0相除，則得到與力相除，則得到與力- 伸長曲線形狀相似的應力伸長曲線形狀相似的應力(FA0)一應一應 變變( =l/L0）曲線）曲線(圖圖1-3)。這樣的應力。這樣的應力 應變曲線稱為應變曲線稱為工程應力工程應力-應變曲線應變曲線。 9 工程應力工程應力應變曲線對材料應變曲線對材料 在工程中的應用是非常重要的，在工程中的應用是非常重要的， 根據(jù)該曲線可獲得材料靜拉伸根據(jù)該曲線可獲得材料靜拉伸 條件下的力學性能指標，如圖條件下的力學性能指標，如圖 l-3l-3中的中的比例極限比例極限p、彈性極、彈性極 限限e

7、、屈服點、屈服點s、抗拉強度、抗拉強度b 等，可提供給工程設計或選材等，可提供給工程設計或選材 應用時參考。應用時參考。 10 實際上，在拉伸過程中，試樣的截面積和長度實際上，在拉伸過程中，試樣的截面積和長度 隨著拉伸力的增大是不斷變化的，工程應力一應隨著拉伸力的增大是不斷變化的，工程應力一應 變曲線并不能反映試驗過程中的真實情況。變曲線并不能反映試驗過程中的真實情況。 如果以瞬時截面積如果以瞬時截面積A除其相應的拉伸力除其相應的拉伸力F，則可，則可 得到得到瞬時的真應力瞬時的真應力S(S=F/A)。同樣，當拉伸力同樣，當拉伸力F 有一增量有一增量dF時，試樣在瞬時長度時，試樣在瞬時長度L的基

8、礎上變?yōu)榈幕A上變?yōu)?L+dL，于是應變的微分增量應是，于是應變的微分增量應是dedL+L，則試，則試 件自件自Lo伸長至伸長至L后，總的應變量為后，總的應變量為: 11 式中的式中的e e為為真應變真應變。于是，真應變和工程應變之。于是，真應變和工程應變之 間的關系為間的關系為 顯然，顯然，e總是小于總是小于 ，且變形量越大，二者的差距，且變形量越大，二者的差距 越大。越大。 12 當材料的拉仲變形是等體積變化過程時，真應力當材料的拉仲變形是等體積變化過程時，真應力 S和工程應力和工程應力之間存在如下關系之間存在如下關系 這說明這說明真應力真應力大于工程應力大于工程應力。 S = (1 +

9、) (13) 13 以真應力以真應力S和真應變和真應變e作為坐作為坐 標繪制的應力標繪制的應力- -應變曲線稱為應變曲線稱為 真應力一真應變曲線真應力一真應變曲線( (圖圖l-4)l-4)。 與工程應力一應變曲線相比與工程應力一應變曲線相比 較，較，在彈性變形階段，在彈性變形階段，由于試由于試 樣的伸長和截面收縮都很小，樣的伸長和截面收縮都很小， 兩曲線基本重合，兩曲線基本重合，真實屈服應真實屈服應 力和工程屈服應力在數(shù)值上非力和工程屈服應力在數(shù)值上非 常接近常接近。 在在塑性變形階段塑性變形階段，兩者出現(xiàn)，兩者出現(xiàn) 了了顯著的差異顯著的差異。 14 在在工程應用中，多數(shù)構(gòu)件的變形量限制在彈性

10、變工程應用中，多數(shù)構(gòu)件的變形量限制在彈性變 形范圍內(nèi)，形范圍內(nèi)，這時二者的差別可以忽略，同時工程這時二者的差別可以忽略，同時工程 應力、工程應變便于測量和計算。應力、工程應變便于測量和計算。 因此，工程設計和材料選用中一般以工程應力、因此，工程設計和材料選用中一般以工程應力、 工程應變?yōu)橐罁?jù)。但在材料科學研究中，真應力工程應變?yōu)橐罁?jù)。但在材料科學研究中，真應力 與真應變將具有重要意義。與真應變將具有重要意義。 15 1-21-2彈性形變及其性能指標 一、彈性形變的本質(zhì)一、彈性形變的本質(zhì) 彈性變形的定義：彈性變形的定義： 當外力去除后，能恢復到原來形狀或尺寸的變形，叫當外力去除后，能恢復到原來形

11、狀或尺寸的變形，叫 彈性變形彈性變形。 彈性變形的可逆性特點：彈性變形的可逆性特點： 對于對于金屬、陶瓷或結(jié)晶態(tài)的高分子聚合物金屬、陶瓷或結(jié)晶態(tài)的高分子聚合物，在彈性，在彈性 變形范圍內(nèi)，應力和應變之間可以看成具有單值線變形范圍內(nèi)，應力和應變之間可以看成具有單值線 性關系，且彈性變形量都較小。性關系，且彈性變形量都較小。 對于對于橡膠態(tài)的高分子聚合物橡膠態(tài)的高分子聚合物，則在彈性變形范圍內(nèi)，則在彈性變形范圍內(nèi)， 應力和應變之間不呈線性關系，且變形量較大。應力和應變之間不呈線性關系，且變形量較大。 16 無論變形量大小和應力與應變是否呈線性關無論變形量大小和應力與應變是否呈線性關 系，系，凡彈性

12、形變都是可逆變形凡彈性形變都是可逆變形。 材料產(chǎn)生材料產(chǎn)生彈性變形的本質(zhì)彈性變形的本質(zhì)，概括說來，都是，概括說來，都是 構(gòu)成材料的原子構(gòu)成材料的原子( (離子離子) )或分子從平衡位置產(chǎn)或分子從平衡位置產(chǎn) 生可逆位移的反映生可逆位移的反映。 金屬、陶瓷類晶體材料的彈性變形是處于晶金屬、陶瓷類晶體材料的彈性變形是處于晶 格結(jié)點的離子在力的作用下在其平衡位置附格結(jié)點的離子在力的作用下在其平衡位置附 近產(chǎn)生的微小位移。近產(chǎn)生的微小位移。 橡膠類材料是呈卷曲狀的分子鏈在力的作用橡膠類材料是呈卷曲狀的分子鏈在力的作用 下通過鏈段的運動沿受力方向產(chǎn)生的伸展。下通過鏈段的運動沿受力方向產(chǎn)生的伸展。 17 彈

13、性形變的雙原子模型彈性形變的雙原子模型 金屬、陶瓷類材料彈性變形的微觀過程可用金屬、陶瓷類材料彈性變形的微觀過程可用 雙原子模型雙原子模型解釋。解釋。 在正常狀態(tài)下，晶格中的離子能保持在其平在正常狀態(tài)下，晶格中的離子能保持在其平 衡位置僅作微小的熱振動，是受離子之間的衡位置僅作微小的熱振動，是受離子之間的 相互作用力控制的結(jié)果。相互作用力控制的結(jié)果。 一般認為，這種作用力分為引力和斥力。引一般認為，這種作用力分為引力和斥力。引 力是由正離子和自由電子間的庫侖力所產(chǎn)生，力是由正離子和自由電子間的庫侖力所產(chǎn)生， 而斥力是由離子之間因電子殼層產(chǎn)生應變所而斥力是由離子之間因電子殼層產(chǎn)生應變所 致。致。

14、 18 引力和斥力都是離子間距的函數(shù)，可表示為：引力和斥力都是離子間距的函數(shù)，可表示為： 式中：式中：r為兩離子間的距離；為兩離子間的距離；m、n、a、b均為與均為與 材料有關的常數(shù)。材料有關的常數(shù)。離子間的相互作用力，即為引離子間的相互作用力，即為引 力力F引 引和斥力 和斥力F斥 斥的合力 的合力F合 合，即： ，即： 19 圖中圖中N1、N2分別為分別為 兩離子的平衡位置，兩離子的平衡位置， 曲線曲線1為引力，曲線為引力，曲線2 為斥力，曲線為斥力，曲線3為合力，為合力， 在離子的平衡位置合在離子的平衡位置合 力為零。力為零。 20 當外力對離子作用時，當外力對離子作用時， 合力曲線的零

15、點位置改合力曲線的零點位置改 變，離子的位置亦隨之變，離子的位置亦隨之 作相應的調(diào)整，即產(chǎn)生作相應的調(diào)整，即產(chǎn)生 位移，位移，離子位移的總和離子位移的總和 在宏觀上就表現(xiàn)為材料在宏觀上就表現(xiàn)為材料 的變形的變形。 21 當外力去除后，離子當外力去除后，離子 依靠彼此間的作用力又依靠彼此間的作用力又 回到原來的平衡位置，回到原來的平衡位置， 宏觀的變形也隨之消逝，宏觀的變形也隨之消逝， 從而表現(xiàn)了彈性變形的從而表現(xiàn)了彈性變形的 可逆性可逆性。 22 必須注意：必須注意： 上述模型導出的離子間相互作用力與離子間彈性上述模型導出的離子間相互作用力與離子間彈性 位移的關系并非虎克定律所說的直線關系，而

16、是位移的關系并非虎克定律所說的直線關系，而是拋拋 物線關系物線關系。 合力曲線有最大值合力曲線有最大值Fmax，如果外加拉應力略大于，如果外加拉應力略大于 Fmax就意味著可以克服離子間的引力而使它們分離。就意味著可以克服離子間的引力而使它們分離。 因此，因此，F(xiàn)max也就是材料在彈性狀態(tài)下的也就是材料在彈性狀態(tài)下的理論斷裂理論斷裂 抗力抗力，此時相應的離子彈性變形量，此時相應的離子彈性變形量rm-ro可達可達25。 23 實際工程應用的材料中，不可避免地存在實際工程應用的材料中，不可避免地存在 著各種缺陷、雜質(zhì)、氣孔或微裂紋，因而著各種缺陷、雜質(zhì)、氣孔或微裂紋，因而實實 際斷裂抗力際斷裂抗力

17、遠遠小于遠遠小于Fmax時，材料就發(fā)生了時，材料就發(fā)生了 斷裂或產(chǎn)生了塑性變形。斷裂或產(chǎn)生了塑性變形。 實際材料的彈性變形只相當于合力曲線的實際材料的彈性變形只相當于合力曲線的 起始階段，因此虎克定律所表示的外力一位起始階段，因此虎克定律所表示的外力一位 移線性關系是近似正確的。移線性關系是近似正確的。 24 在彈性變形的應力和應變間有一個具有重要意義的關在彈性變形的應力和應變間有一個具有重要意義的關 系常數(shù)系常數(shù)彈性模數(shù)彈性模數(shù)( (或彈性系數(shù)、彈性模量或彈性系數(shù)、彈性模量) )。 拉伸時拉伸時 =E, , 剪切時剪切時 G， 式中式中E和和G分別為拉伸時的分別為拉伸時的楊氏模數(shù)和切變模數(shù)楊

18、氏模數(shù)和切變模數(shù)。 當應變?yōu)橐粋€單位時，彈性模數(shù)在數(shù)值上等于彈性應當應變?yōu)橐粋€單位時，彈性模數(shù)在數(shù)值上等于彈性應 力，即彈性模數(shù)是產(chǎn)生力，即彈性模數(shù)是產(chǎn)生100彈性變形所需的應力。彈性變形所需的應力。 胡克定律胡克定律 25 在工程中彈性模數(shù)是表征材料對彈性變在工程中彈性模數(shù)是表征材料對彈性變 形的抗力，即形的抗力，即材料的材料的剛度剛度，其值越大，則，其值越大，則 在相同壓力下產(chǎn)生的彈性變形就越小在相同壓力下產(chǎn)生的彈性變形就越小。 在機械零件或建筑結(jié)構(gòu)設計時為了保證在機械零件或建筑結(jié)構(gòu)設計時為了保證 不產(chǎn)生過大的彈性變形，都要考慮所選用不產(chǎn)生過大的彈性變形，都要考慮所選用 材料的彈性模數(shù)。因

19、此材料的彈性模數(shù)。因此彈性模數(shù)是結(jié)構(gòu)材彈性模數(shù)是結(jié)構(gòu)材 料的最重要力學性能之一。料的最重要力學性能之一。 26 27 三、影響彈性模數(shù)的因素三、影響彈性模數(shù)的因素 材料的彈性模數(shù)是構(gòu)成材料的離子或分子之材料的彈性模數(shù)是構(gòu)成材料的離子或分子之 間鍵合強度的主要標志。間鍵合強度的主要標志。 因此，凡影響鍵合強度的因素均能影響材料因此，凡影響鍵合強度的因素均能影響材料 的彈性模數(shù)，如的彈性模數(shù)，如鍵合方式、晶體結(jié)構(gòu)、化學成鍵合方式、晶體結(jié)構(gòu)、化學成 分、微觀組織、溫度、加載方式和速度分、微觀組織、溫度、加載方式和速度等。等。 28 1. 1.鍵合方式鍵合方式 一般來說，在構(gòu)成材料聚集狀態(tài)的一般來說，

20、在構(gòu)成材料聚集狀態(tài)的4 4種鍵合方式中，種鍵合方式中， 共價鍵、離子鍵和金屬鍵都有較高的彈性模數(shù)，共價鍵、離子鍵和金屬鍵都有較高的彈性模數(shù)， 分子鍵彈性模數(shù)低。分子鍵彈性模數(shù)低。 無機非金屬材料無機非金屬材料大多由共價鍵或離子鍵以及兩種大多由共價鍵或離子鍵以及兩種 鍵合方式共同作用而成，因而有鍵合方式共同作用而成，因而有較高的彈性模數(shù)較高的彈性模數(shù)。 金屬及其合金金屬及其合金為金屬鍵結(jié)合，也有為金屬鍵結(jié)合，也有較高的彈性模較高的彈性模 數(shù)數(shù)。 高分子聚合物高分子聚合物的分子之間為分子鍵結(jié)合，因而高的分子之間為分子鍵結(jié)合，因而高 分子聚合物的分子聚合物的彈性模數(shù)亦較低彈性模數(shù)亦較低。 29 金屬

21、元素彈性模數(shù)的大小與金屬元素彈性模數(shù)的大小與 元素在周期表中的位置有關，元素在周期表中的位置有關， 變化規(guī)律如圖變化規(guī)律如圖1-6所示。所示。 這種變化的實質(zhì)還與元素的這種變化的實質(zhì)還與元素的 原子結(jié)構(gòu)和原子半徑有密切原子結(jié)構(gòu)和原子半徑有密切 關系關系 原子半徑越大，原子半徑越大，E值越值越 小，反之亦然小，反之亦然。 過渡族元素都有較高的彈性過渡族元素都有較高的彈性 模數(shù)，這是由于原子半徑較模數(shù)，這是由于原子半徑較 小，且小，且d層電子引起較大的原層電子引起較大的原 子間結(jié)合力所致。子間結(jié)合力所致。 2 2、原子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu) 30 3. 3. 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 單晶體材料單晶體材料的彈性模

22、數(shù)在不同晶體學方向上的彈性模數(shù)在不同晶體學方向上 呈呈各向異性各向異性，即沿原子排列最密的晶向上彈性，即沿原子排列最密的晶向上彈性 模數(shù)較大，反之則小。模數(shù)較大，反之則小。 多晶體材料多晶體材料的彈性模數(shù)為各晶粒的統(tǒng)計平均的彈性模數(shù)為各晶粒的統(tǒng)計平均 值，表現(xiàn)為各向同性，但這種各向同性稱為值，表現(xiàn)為各向同性，但這種各向同性稱為偽偽 各向同性各向同性。 非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料，如非晶態(tài)金屬、玻璃等，彈性，如非晶態(tài)金屬、玻璃等，彈性 模量是模量是各向同性各向同性的。的。 31 4.4.化學成分化學成分 材料化學成分的變化可引起材料化學成分的變化可引起原子間距或鍵合方式的變化原子間距或鍵合方式的變化，

23、 因此也能影響材料的彈性模數(shù)。因此也能影響材料的彈性模數(shù)。 與純金屬相比，與純金屬相比，合金合金的彈性模數(shù)將隨的彈性模數(shù)將隨組成元素的質(zhì)量分組成元素的質(zhì)量分 數(shù)數(shù)( () )、晶體結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)的變化而變化。的變化而變化。 固溶體合金固溶體合金的彈性模數(shù)主要取決于的彈性模數(shù)主要取決于溶劑元素的性質(zhì)和晶溶劑元素的性質(zhì)和晶 體結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)。隨著溶質(zhì)元素質(zhì)量分數(shù)的增加，雖然固溶體的。隨著溶質(zhì)元素質(zhì)量分數(shù)的增加，雖然固溶體的 彈性模數(shù)發(fā)生改變，但在溶解度較小的情況下一般變化彈性模數(shù)發(fā)生改變，但在溶解度較小的情況下一般變化 不大，例如碳鋼與合金鋼的彈性模數(shù)相差不超過不大，例如碳鋼與合金

24、鋼的彈性模數(shù)相差不超過5 5。 32 在在兩相合金兩相合金中，彈性模數(shù)的變化比較復雜，中，彈性模數(shù)的變化比較復雜， 它與它與合金成分，第二相的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸及合金成分，第二相的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸及 分布狀態(tài)分布狀態(tài)有關例如在鋁中加入有關例如在鋁中加入Ni(15)、 Si(13)，形成具有較高彈性模數(shù)的金屬間，形成具有較高彈性模數(shù)的金屬間 化合物，使彈性模數(shù)由純鋁的約化合物，使彈性模數(shù)由純鋁的約6.5104 MPa 增高到增高到9.38l04 MPa。 33 5.5.微觀組織微觀組織 金屬材料金屬材料剛度代表的彈性模數(shù)，是一剛度代表的彈性模數(shù)，是一 個個組織不敏感組織不敏感的力學性能指標。的力學

25、性能指標。 工程陶瓷彈性工程陶瓷彈性模數(shù)的大小與構(gòu)成陶瓷模數(shù)的大小與構(gòu)成陶瓷 的相的的相的種類、粒度、分布、比例及氣種類、粒度、分布、比例及氣 孔串孔串有關。有關。 34 氣孔率對陶瓷的彈性模數(shù)的影響大致氣孔率對陶瓷的彈性模數(shù)的影響大致 可用下式表示：可用下式表示： 式中：式中：E0為無氣孔時的彈性模數(shù)；為無氣孔時的彈性模數(shù)；p為氣孔率。為氣孔率。 可見：可見：隨著氣孔率的增加，陶瓷的隨著氣孔率的增加，陶瓷的E值下降值下降。 35 高分子聚合物的彈高分子聚合物的彈 性模數(shù)可以通過添加性模數(shù)可以通過添加 增強填料而提高！增強填料而提高！ 圖圖1-71-7所示為熱裂所示為熱裂 炭黑填科對天然橡膠炭

26、黑填科對天然橡膠 彈性模數(shù)的影響。彈性模數(shù)的影響。 36 復合材料是特殊的多相材料。對于復合材料是特殊的多相材料。對于增強相為粒狀的復增強相為粒狀的復 合材料合材料，其彈性模數(shù)，其彈性模數(shù)隨增強相體積分數(shù)的增高而增大隨增強相體積分數(shù)的增高而增大。 對于單向纖維增強復合材料，其彈性模數(shù)一般用宏觀對于單向纖維增強復合材料，其彈性模數(shù)一般用宏觀 模量表示，分別為縱向彈性模量模量表示，分別為縱向彈性模量E1、橫向彈性模量、橫向彈性模量E2: 37 式中：式中：Ef、Em分別為纖維和基體的彈性模數(shù)；分別為纖維和基體的彈性模數(shù)；vf、vm 分別為纖維和基體的體積分數(shù)。分別為纖維和基體的體積分數(shù)。 顯然：顯

27、然：無論是縱向彈性模數(shù)還是橫向彈性模數(shù)，均與構(gòu)無論是縱向彈性模數(shù)還是橫向彈性模數(shù)，均與構(gòu) 成復合材料的纖維和基體的彈性模數(shù)及體積分數(shù)有關。成復合材料的纖維和基體的彈性模數(shù)及體積分數(shù)有關。 38 6. 6. 溫度溫度 一般說來，一般說來，隨著溫度的升高，原子振動加劇，隨著溫度的升高，原子振動加劇， 體積膨脹，原子間距增大，結(jié)合力減弱，使材料體積膨脹，原子間距增大，結(jié)合力減弱，使材料 的彈性模數(shù)降低。的彈性模數(shù)降低。例如，碳鋼加熱時，溫度每升例如，碳鋼加熱時，溫度每升 高高100 ，E值下降值下降3 5。 另外，隨著溫度的變化，另外，隨著溫度的變化，材料發(fā)生固態(tài)相變時，材料發(fā)生固態(tài)相變時， 彈性模

28、數(shù)將發(fā)生顯著變化彈性模數(shù)將發(fā)生顯著變化。 39 圖圖1-81-8為幾種材為幾種材 料的彈性模數(shù)料的彈性模數(shù) 隨著溫度隨著溫度( (溫度溫度 與熔點之比與熔點之比) )的的 變化情況。變化情況。 40 高分子聚合物高分子聚合物的物理性質(zhì)與溫度的物理性質(zhì)與溫度 和時間有密切關系。隨著溫度的變和時間有密切關系。隨著溫度的變 化，化，在一些特定的溫度區(qū)間，某些在一些特定的溫度區(qū)間，某些 力學性質(zhì)會發(fā)生突然改變力學性質(zhì)會發(fā)生突然改變，這種變，這種變 化稱為化稱為高聚物的力學狀態(tài)轉(zhuǎn)變高聚物的力學狀態(tài)轉(zhuǎn)變。 例如，由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變、例如，由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變、 由橡膠態(tài)向粘流態(tài)的轉(zhuǎn)變。由橡膠態(tài)向粘流態(tài)的

29、轉(zhuǎn)變。 隨著高聚物力學狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，其隨著高聚物力學狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，其 彈性模數(shù)也相應產(chǎn)生很大變化，如彈性模數(shù)也相應產(chǎn)生很大變化，如 圖圖1-91-9所示。所示。 41 此外，此外，橡膠橡膠的彈性模的彈性模 數(shù)隨數(shù)隨溫度的升高略有增溫度的升高略有增 加加。 這一點與其他材料不這一點與其他材料不 同同，其原因是溫度升高，其原因是溫度升高 時，高分子鏈的分子運時，高分子鏈的分子運 動加劇，力圖恢復到卷動加劇，力圖恢復到卷 曲的平衡狀態(tài)的能力增曲的平衡狀態(tài)的能力增 強所致。強所致。 絕大多數(shù)材料在溫度升高時絕大多數(shù)材料在溫度升高時 彈性模數(shù)是下降的彈性模數(shù)是下降的 42 7.7.加載條件和負載持續(xù)時間加載

30、條件和負載持續(xù)時間 加載方式加載方式( (多向應力多向應力) )、加載速率和負荷持續(xù)時間對、加載速率和負荷持續(xù)時間對 金屬、陶瓷材料的彈性模數(shù)幾乎無影響金屬、陶瓷材料的彈性模數(shù)幾乎無影響。 因為這類材料的彈性變形速度與聲速相間，遠超過因為這類材料的彈性變形速度與聲速相間，遠超過 常見的加載速率，負荷持續(xù)時間的長短也不會影響到常見的加載速率，負荷持續(xù)時間的長短也不會影響到 原子之間的結(jié)合力。原子之間的結(jié)合力。 陶瓷材料的壓縮彈性模數(shù)高于拉伸彈性模數(shù)，陶瓷材料的壓縮彈性模數(shù)高于拉伸彈性模數(shù)，這一這一 點與金屬材料不同點與金屬材料不同。 43 高分子聚合物材料高分子聚合物材料的彈性模數(shù)與時間的關系的

31、彈性模數(shù)與時間的關系 與其對溫度的關系相似，與其對溫度的關系相似，隨著負荷時間的延長，隨著負荷時間的延長， E值逐漸下降值逐漸下降。 在此情況下把高聚物的彈性模在此情況下把高聚物的彈性模 數(shù)稱為松弛模數(shù)。數(shù)稱為松弛模數(shù)。 在動態(tài)應力下，高應變速率對應于玻璃態(tài)在動態(tài)應力下，高應變速率對應于玻璃態(tài)E值值 較高，低應變速率對應于橡膠態(tài)較高，低應變速率對應于橡膠態(tài)E值較低，中應值較低，中應 變速率對應于轉(zhuǎn)變區(qū)，材料具有變速率對應于轉(zhuǎn)變區(qū)，材料具有粘彈性性質(zhì)粘彈性性質(zhì)。 “時溫等效”原理 何為粘彈性？何為粘彈性？后有更多介紹后有更多介紹 44 彈性的不完整性的根源彈性的不完整性的根源 多數(shù)工程上應用的材

32、料為多晶體、甚至為非晶態(tài)或者是兩者皆有的物質(zhì)多數(shù)工程上應用的材料為多晶體、甚至為非晶態(tài)或者是兩者皆有的物質(zhì) 上述材料內(nèi)部存在各種類型的缺陷，導致彈性變形時可能出現(xiàn)加載線與卸載線上述材料內(nèi)部存在各種類型的缺陷，導致彈性變形時可能出現(xiàn)加載線與卸載線 不重合、應變的發(fā)展跟不上應力的變化等有別于理想彈性變形特點的現(xiàn)象。即：不重合、應變的發(fā)展跟不上應力的變化等有別于理想彈性變形特點的現(xiàn)象。即： 產(chǎn)生產(chǎn)生彈性的不完整性）。彈性的不完整性）。 45 四、比例極限與彈性極限四、比例極限與彈性極限 1-21-2彈性形變及其力學性能指標 1.1.比例極限比例極限 比例極限比例極限p p是保證材料的彈性變形按正比關

33、系是保證材料的彈性變形按正比關系 變化的最大應力，即在拉伸應力變化的最大應力，即在拉伸應力- -應變應變曲線上開始偏曲線上開始偏 離直線時的應力值，其表達式為離直線時的應力值，其表達式為: 式中：式中：FP為比例極限對應的試驗力，為比例極限對應的試驗力，A0為試樣的原始截為試樣的原始截 面面積。面面積。 46 四、比例極限與彈性極限四、比例極限與彈性極限 2.2.彈性極限彈性極限 彈性極限彈性極限e e是材料由彈性變形過渡到彈是材料由彈性變形過渡到彈塑性變形塑性變形 時的應力，應力超過彈性極限以后，材料便開始產(chǎn)生塑時的應力，應力超過彈性極限以后，材料便開始產(chǎn)生塑 性變形。其表達式為：性變形。其

34、表達式為： 式中：式中：Fe為彈性極限時對應的試驗力，為彈性極限時對應的試驗力，Ao為試棒的原始為試棒的原始 截面面積。截面面積。 47 3.3.比例極限與彈性極限的意義比例極限與彈性極限的意義 p p、e e是理論上的物理定義是理論上的物理定義，在實際使用中，很難，在實際使用中，很難 測出準確而唯一的比例極限和彈性極限數(shù)值。測出準確而唯一的比例極限和彈性極限數(shù)值。 為便于實際測量和應用，應以發(fā)生非比例伸長值作定為便于實際測量和應用，應以發(fā)生非比例伸長值作定 義，故義，故p p在國家標準中稱為在國家標準中稱為“規(guī)定非比例伸長應力規(guī)定非比例伸長應力”。 例如例如: : 以以 p0.01表示非比例

35、伸長率達表示非比例伸長率達0.01%0.01%時的應力。時的應力。 比例極限和彈性極限與屈服強度的概念基本相同，都比例極限和彈性極限與屈服強度的概念基本相同，都 表示材料表示材料對微量塑性變形的抗力對微量塑性變形的抗力，影響它們的因素基本，影響它們的因素基本 相同。相同。 48 p、e的工程意義是：的工程意義是： 對于對于要求服役時其應力應變關系嚴格遵守線要求服役時其應力應變關系嚴格遵守線 性關系性關系的機件，如測力計彈簧，是依靠彈性變的機件，如測力計彈簧，是依靠彈性變 形的應力正比于應變的關系顯示載荷大小的，形的應力正比于應變的關系顯示載荷大小的， 則則應以比例極限作為選擇材料的依據(jù)應以比例

36、極限作為選擇材料的依據(jù)。 對于對于服役條件不允許產(chǎn)生微量塑性變形服役條件不允許產(chǎn)生微量塑性變形的機的機 件，設計時件，設計時應按彈性極限來選擇材料應按彈性極限來選擇材料。 因此彈簧稱有稱量范圍的限制因此彈簧稱有稱量范圍的限制 49 五、彈性比功五、彈性比功 1-21-2彈性形變及其性能指標 彈性比功彈性比功又稱為又稱為彈性比能或應變比能彈性比能或應變比能，用，用ae表表 示，是材料在示，是材料在彈性變形過程中吸收變形功的能力彈性變形過程中吸收變形功的能力。 一般可用材料彈性變形達到彈性極限時單位體積一般可用材料彈性變形達到彈性極限時單位體積 吸收的彈性變形功表示。吸收的彈性變形功表示。 物理意

37、義物理意義：吸收彈性變形功的能力。：吸收彈性變形功的能力。 50 五、彈性比功五、彈性比功 幾何意義幾何意義：應力：應力- -應變曲線上彈性階段下的面積。應變曲線上彈性階段下的面積。 式中：式中：e為與彈性極限對應的為與彈性極限對應的 彈性應變。彈性應變。 51 從式從式(1-12)可以看出，欲提高材料的彈性比功，可以看出，欲提高材料的彈性比功， 途徑有二，途徑有二，即或者提高即或者提高e，或者降低，或者降低E。 對于一般的工程材料，彈性模數(shù)不易改變，尤其對于一般的工程材料，彈性模數(shù)不易改變，尤其 是金屬材料，因此是金屬材料，因此常用提高材料彈性極限常用提高材料彈性極限e的方法的方法 來提高彈

38、性比功來提高彈性比功。 52 五、彈性比功五、彈性比功 幾種材料的彈性模數(shù)、彈性極限、彈性比功如表幾種材料的彈性模數(shù)、彈性極限、彈性比功如表 1-21-2所列。所列。 53 五、彈性比功五、彈性比功 彈簧材料應具有較高的彈性比功。彈簧材料應具有較高的彈性比功。 彈簧鋼彈簧鋼經(jīng)合理的冷加工或熱處理后有較高的彈性極限，經(jīng)合理的冷加工或熱處理后有較高的彈性極限， 使彈性比功提高，所以常用來制作各種使彈性比功提高，所以常用來制作各種彈簧彈簧。 磷青銅磷青銅或鈹青銅常用來制作或鈹青銅常用來制作儀表彈簧儀表彈簧，這除了因為它，這除了因為它 們無鐵磁性外，主要是因為它們有高的彈性比功。們無鐵磁性外，主要是因

39、為它們有高的彈性比功。 橡膠橡膠有低的彈性模數(shù)和高的彈性應變，因而也有較大有低的彈性模數(shù)和高的彈性應變，因而也有較大 的彈性比功，因而常用來作為減振和儲能元件，例如電的彈性比功，因而常用來作為減振和儲能元件，例如電 子器件中的子器件中的按鈕彈簧等按鈕彈簧等。 54 55 1-31-3非理想彈性與內(nèi)耗 根據(jù)材料在彈性變形過程中應力和應變的響應特點，根據(jù)材料在彈性變形過程中應力和應變的響應特點， 彈性可以分為彈性可以分為理想彈性理想彈性(完全彈性完全彈性)和和非理想彈性非理想彈性(彈性不彈性不 完整性完整性)兩類。兩類。 對于理想彈性材料，對于理想彈性材料，在在荷荷載作用下，應力和應變服從載作用下

40、，應力和應變服從 胡克定律胡克定律，即，即M(其中，模數(shù)其中，模數(shù)M代表楊氏模量代表楊氏模量E或切或切 變模量變模量G)，并同時滿足，并同時滿足3個條件，即：個條件，即： 應變對于應力的響應是線性的；應變對于應力的響應是線性的； 應力和應變同相位；應力和應變同相位； 應變是應力的單值函數(shù)應變是應力的單值函數(shù)。 56 1-31-3非理想彈性與內(nèi)耗 實際上，絕大多數(shù)固體材料的彈性行為很難滿足實際上，絕大多數(shù)固體材料的彈性行為很難滿足 上述條件。一般都表現(xiàn)出非理想彈性性質(zhì)，工程中上述條件。一般都表現(xiàn)出非理想彈性性質(zhì)，工程中 的材料按理想彈性應用只是一種近似處理。的材料按理想彈性應用只是一種近似處理。

41、 材料的非理想彈性行為大致可以分為材料的非理想彈性行為大致可以分為滯彈性、粘滯彈性、粘 彈性、偽彈性及包申格效應彈性、偽彈性及包申格效應等幾種類型。等幾種類型。 57 一、滯彈性一、滯彈性 滯彈性滯彈性( (彈性后效彈性后效) ) ：指材料在快速加載或卸載后，指材料在快速加載或卸載后， 隨時間的延長而產(chǎn)生的附加彈性應變的性能隨時間的延長而產(chǎn)生的附加彈性應變的性能。 圖圖l-11l-11所示，當突然施加一應力所示，當突然施加一應力o o于拉于拉 伸試樣時，試樣立即沿伸試樣時，試樣立即沿0A0A線產(chǎn)生瞬時應變線產(chǎn)生瞬時應變 OaOa。即使低于材料的微量塑性變形抗力，。即使低于材料的微量塑性變形抗力

42、， 應變應變OaOa也只是材料總彈性應變也只是材料總彈性應變OHOH中的一部中的一部 分，分，應變應變aHaH是在是在o o長期保持下逐漸產(chǎn)生長期保持下逐漸產(chǎn)生 的的，aHaH對應的時間過程為圖對應的時間過程為圖1-111-11中的中的abab曲曲 線。線。 58 這種加載時應變落后于應力而與時這種加載時應變落后于應力而與時 間有關的滯彈性間有關的滯彈性也稱為也稱為正彈性后效正彈性后效 或彈性蠕變或彈性蠕變。 卸載時，如果速度也較大，則當應卸載時，如果速度也較大，則當應 力下降為零時，只有應變力下降為零時，只有應變eHeH部分立部分立 即消逝掉，而應變即消逝掉，而應變eOeO是在卸載后逐是在卸

43、載后逐 漸去除的，這部分應變對應的時間漸去除的，這部分應變對應的時間 過程為圖中的過程為圖中的cdcd曲線。曲線。卸載時應變卸載時應變 落后于應力的現(xiàn)象落后于應力的現(xiàn)象也稱為也稱為反彈性后反彈性后 效效。 卸載后應變 立即消逝 卸載后逐 漸去除 59 滯彈性在滯彈性在金屬材料和高分子材料金屬材料和高分子材料中表現(xiàn)明顯，其彈中表現(xiàn)明顯，其彈 性后效速率和滯彈性應變量與性后效速率和滯彈性應變量與材料成分、組織有關，材料成分、組織有關， 也與試驗條件也與試驗條件有關。有關。 材料組織越不均勻，滯彈性越明顯材料組織越不均勻，滯彈性越明顯 鋼經(jīng)淬火或塑性變形后，由于增加了組織不均勻鋼經(jīng)淬火或塑性變形后，

44、由于增加了組織不均勻 性，滯彈性傾向加大性，滯彈性傾向加大 溫度升高和切應力分量增大，滯彈性越強烈溫度升高和切應力分量增大，滯彈性越強烈 在沒有切應力的多向壓應力作用下，看不到滯彈在沒有切應力的多向壓應力作用下，看不到滯彈 性現(xiàn)象性現(xiàn)象 60 1-31-3非理想彈性行為 一、滯彈性一、滯彈性 材料的滯彈性對儀器儀表和精密機械中的重要傳感材料的滯彈性對儀器儀表和精密機械中的重要傳感 元件的測量精度有很大影響，因此元件的測量精度有很大影響，因此選用材料時需要考選用材料時需要考 慮滯彈性問題慮滯彈性問題。 如長期受載的測力彈簧、薄膜傳感器等。所選用材如長期受載的測力彈簧、薄膜傳感器等。所選用材 料的

45、滯彈性較明顯時，會使儀表精度不足，甚至無法料的滯彈性較明顯時，會使儀表精度不足，甚至無法 使用。使用。 61 1-31-3非理想彈性行為 二、粘彈性二、粘彈性 粘彈性粘彈性是指材料在外力作用下，彈性和粘性兩種變形機是指材料在外力作用下，彈性和粘性兩種變形機 理同時存在的力學行為。理同時存在的力學行為。 一些非晶體，有時甚至多晶體，在比較小的應力時表現(xiàn)一些非晶體，有時甚至多晶體，在比較小的應力時表現(xiàn) 粘彈性現(xiàn)象。粘彈性現(xiàn)象。 其其特征特征是應變落后于應力，即應變對應力的響應不是瞬是應變落后于應力，即應變對應力的響應不是瞬 時完成的，時完成的，需要通過一個弛豫過程需要通過一個弛豫過程，但卸載后，但

46、卸載后，應變恢復應變恢復 到初始值，到初始值，不留下殘余變形不留下殘余變形。當加上周期應力時，應力。當加上周期應力時，應力 應變曲線就成一回線。應變曲線就成一回線。 62 1-31-3非理想彈性行為 二、粘彈性二、粘彈性 應力和應變的關系與時間有關，可分為恒應變下應力和應變的關系與時間有關，可分為恒應變下 的的應力松弛應力松弛 圖圖1 113(a)13(a)和恒應力下和恒應力下蠕變?nèi)渥?圓圓1-13(b)1-13(b) 兩種情況。兩種情況。 63 1-31-3非理想彈性行為 二、粘彈性二、粘彈性 材料的粘彈性行為在一些高分子材料中表現(xiàn)得比材料的粘彈性行為在一些高分子材料中表現(xiàn)得比 較突出，這是

47、較突出，這是由于大分子鏈段沿外力逐漸舒展引由于大分子鏈段沿外力逐漸舒展引 起的，在外力去除后這部分蠕變變形可以緩慢地起的，在外力去除后這部分蠕變變形可以緩慢地 恢復恢復，這也是高分子材料蠕變與金屬或陶瓷材料，這也是高分子材料蠕變與金屬或陶瓷材料 蠕變的明顯區(qū)別。蠕變的明顯區(qū)別。 64 1-31-3非理想彈性行為 三、偽彈性三、偽彈性 偽彈性偽彈性是指在一定的溫度條件下，當應力達到一是指在一定的溫度條件下，當應力達到一 定水平后，金屬或合金將產(chǎn)生應力誘發(fā)定水平后，金屬或合金將產(chǎn)生應力誘發(fā)馬氏體相變馬氏體相變， 伴隨應力誘發(fā)相變產(chǎn)生伴隨應力誘發(fā)相變產(chǎn)生大幅度的彈性變形的現(xiàn)象大幅度的彈性變形的現(xiàn)象。

48、偽。偽 彈性變形的量級大約在彈性變形的量級大約在6060左右，大大超過正常彈性左右，大大超過正常彈性 變形。變形。 The different crystal structure of the two phases. 65 馬氏體及奧氏體相的特征 Austenite (奧氏體) Hard, firm Inelastic Simple FCC (face- centered cubic ) structure Martensite (馬氏體) Soft Elastic Complex structure 66 1-31-3非理想彈性行為 三、偽彈性三、偽彈性 圖圖1-151-15為偽彈性材料的應

49、力一為偽彈性材料的應力一 應變曲線示意圖，圖應變曲線示意圖，圖ABAB段為常段為常 規(guī)彈性變形階段，規(guī)彈性變形階段，B BM M為應力為應力 誘發(fā)馬氏體相變開始的應力，誘發(fā)馬氏體相變開始的應力， c c點處馬氏體相變結(jié)束，點處馬氏體相變結(jié)束，CDCD段段 為馬氏體的彈性應變階段。在為馬氏體的彈性應變階段。在 CDCD段卸載，馬氏體作彈性恢復。段卸載，馬氏體作彈性恢復。 67 1-31-3非理想彈性行為 三、偽彈性三、偽彈性 F FP P表示開始逆向相變的表示開始逆向相變的 應力，馬氏體相變回原來的應力，馬氏體相變回原來的 組織，到組織，到G G點完全恢復初始組點完全恢復初始組 織?？?。GHGH

50、為初始組織的彈性恢為初始組織的彈性恢 復階段，恢復到初始組織狀復階段，恢復到初始組織狀 態(tài)，沒有任何殘留變形態(tài)，沒有任何殘留變形 。形形 狀記憶合金狀記憶合金就是利用了這一就是利用了這一 原理。原理。 68 69 1-31-3非理想彈性行為 四、包申格效應四、包申格效應 包申格包申格(Bauschinger)(Bauschinger)效應效應: : 指金屬材料經(jīng)預先指金屬材料經(jīng)預先 加載產(chǎn)生少量塑性變形加載產(chǎn)生少量塑性變形( (殘余應變小于殘余應變小于4 4) )，而后再，而后再 同向加載，規(guī)定殘余伸長應力增加，反向加載，規(guī)同向加載，規(guī)定殘余伸長應力增加，反向加載，規(guī) 定殘余伸長應力降低的現(xiàn)象

51、。定殘余伸長應力降低的現(xiàn)象。 對某些鋼和鉆合金，因包申格效應，可使規(guī)定對某些鋼和鉆合金，因包申格效應，可使規(guī)定 殘余伸長應力降低殘余伸長應力降低1515-20-20。所有退火態(tài)和高溫回。所有退火態(tài)和高溫回 火態(tài)的金屬都有包申格效應，因此包申格效應是多火態(tài)的金屬都有包申格效應，因此包申格效應是多 晶體金屬具有的普遍現(xiàn)象。晶體金屬具有的普遍現(xiàn)象。 退火是制備晶體材料過程中，把制 備的樣品升高溫度并保持一定時間， 再緩慢冷卻的一個過程 70 包申格效應與包申格效應與金屬材料中位錯運動所受的阻力變化金屬材料中位錯運動所受的阻力變化 有關有關。金屬受載產(chǎn)生少量塑性變形時，形成位錯纏結(jié)或。金屬受載產(chǎn)生少量

52、塑性變形時，形成位錯纏結(jié)或 胞狀組織。胞狀組織。 卸載并隨即卸載并隨即同向加裁同向加裁，在原先加載的應力水平下，在原先加載的應力水平下， 被纏結(jié)的位錯線不能作顯著運動，因此宏觀上表現(xiàn)為被纏結(jié)的位錯線不能作顯著運動，因此宏觀上表現(xiàn)為規(guī)規(guī) 定殘余伸長應力增加定殘余伸長應力增加。 1-31-3非理想彈性與內(nèi)耗 四、包申格效應四、包申格效應 71 卸載后卸載后施加反向應力施加反向應力，可以在較低應力下滑移，可以在較低應力下滑移 較大距離，宏觀上就表現(xiàn)為較大距離，宏觀上就表現(xiàn)為規(guī)定殘余伸長應力較規(guī)定殘余伸長應力較 低低的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 因包申格效應是一種材料微觀組織結(jié)構(gòu)變化的因包申格效應是一種材料微觀組

53、織結(jié)構(gòu)變化的 結(jié)果，所以可以結(jié)果，所以可以通過熱處理加以消除通過熱處理加以消除。方法是，。方法是， 對材料進行較大的塑性變形或?qū)ξ⒘克茏冃蔚牟膶Σ牧线M行較大的塑性變形或?qū)ξ⒘克茏冃蔚牟?料進行再結(jié)晶退火。料進行再結(jié)晶退火。 1-31-3非理想彈性與內(nèi)耗 四、包申格效應四、包申格效應 72 1-31-3非理想彈性與內(nèi)耗 五、內(nèi)耗五、內(nèi)耗 理想彈性行為：應力和應變是單值、瞬時的，彈性理想彈性行為：應力和應變是單值、瞬時的，彈性 變形時材料儲存彈性能，彈性恢復時材料釋放彈性能，變形時材料儲存彈性能，彈性恢復時材料釋放彈性能， 循環(huán)變形過程沒有能量損耗。循環(huán)變形過程沒有能量損耗。 非理想彈性行為：由于

54、應力和應變不同步，使加載非理想彈性行為：由于應力和應變不同步，使加載 線與卸載線不重合而形成一封閉回線，這個封閉回線稱線與卸載線不重合而形成一封閉回線，這個封閉回線稱 為為彈性滯后環(huán)彈性滯后環(huán)。 73 1-31-3非理想彈性與內(nèi)耗 五、內(nèi)耗五、內(nèi)耗 存在彈性滯后環(huán)的現(xiàn)象說明加載時材料吸收的變形存在彈性滯后環(huán)的現(xiàn)象說明加載時材料吸收的變形 功大于卸載時材料釋放的變形功，有一部分加載變形功功大于卸載時材料釋放的變形功，有一部分加載變形功 被材料所吸收。這部分被材料所吸收。這部分在變形過程中被吸收的功在變形過程中被吸收的功稱為材稱為材 料的料的內(nèi)耗內(nèi)耗，其大小可用回線面積度量。，其大小可用回線面積度

55、量。 當材料受到交變應力作用時，應力和應變都隨時當材料受到交變應力作用時，應力和應變都隨時 間不斷變化。例如：應力和應變都以簡單正弦曲線的間不斷變化。例如：應力和應變都以簡單正弦曲線的 規(guī)律變化時，由于滯彈性規(guī)律變化時，由于滯彈性( (粘彈性粘彈性) )的影響，的影響，應變總是應變總是 落后于應力落后于應力，應變和應力之間存在一個相位差，見圖，應變和應力之間存在一個相位差，見圖 1-161-16。 74 1-31-3非理想彈性與內(nèi)耗 五、內(nèi)耗五、內(nèi)耗 由圖可見，當應力變由圖可見，當應力變 為零時，應變還有一定的為零時，應變還有一定的 正的正的0 0A A值；當應力方向值；當應力方向 相反之后，

56、應變才逐漸變相反之后，應變才逐漸變 為零，這樣產(chǎn)生了為零，這樣產(chǎn)生了阻尼作阻尼作 用用，由此導致能量消耗由此導致能量消耗。 75 1-31-3非理想彈性與內(nèi)耗 五、內(nèi)耗五、內(nèi)耗 單向加裁和交變加載一單向加裁和交變加載一 個周期所形成的彈性滯后環(huán)個周期所形成的彈性滯后環(huán) 的曲線如圖的曲線如圖1-171-17所示。所示?；鼐€回線 中所包圍的面積代表應力中所包圍的面積代表應力- - 應變循環(huán)一個周期所產(chǎn)生的應變循環(huán)一個周期所產(chǎn)生的 能量損耗能量損耗，回線面積越大，回線面積越大， 能量損耗也越大。能量損耗也越大。 76 1-31-3非理想彈性與內(nèi)耗 五、內(nèi)耗五、內(nèi)耗 在力學性能上，內(nèi)耗也稱為材料的在力

57、學性能上，內(nèi)耗也稱為材料的循環(huán)韌性循環(huán)韌性，表，表 示材料在交變載荷示材料在交變載荷( (振動振動) )下吸收不可逆變形功的能力，下吸收不可逆變形功的能力， 故又稱為故又稱為消振性消振性。材料循環(huán)韌性越高，則自身的消振材料循環(huán)韌性越高，則自身的消振 能力就越好。能力就越好。 高的循環(huán)韌性可減振，如汽輪機葉片，機床材料；高的循環(huán)韌性可減振，如汽輪機葉片，機床材料； 循環(huán)韌性低的材料用作傳感元件，可以提高其靈敏循環(huán)韌性低的材料用作傳感元件，可以提高其靈敏 度，度，樂器所用材料的循環(huán)韌性越低，則音質(zhì)越好樂器所用材料的循環(huán)韌性越低，則音質(zhì)越好。 77 1-41-4塑性變形及其性能指標 一、塑性變形機理

58、一、塑性變形機理 材料的材料的塑性變形塑性變形是微觀結(jié)構(gòu)的相鄰部分產(chǎn)生是微觀結(jié)構(gòu)的相鄰部分產(chǎn)生永久永久 性位移，但不引起材料破裂的現(xiàn)象性位移，但不引起材料破裂的現(xiàn)象。材料的品類和性。材料的品類和性 質(zhì)不同，其塑性變形機理也不相同。質(zhì)不同，其塑性變形機理也不相同。 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形 陶瓷材料的塑性變形陶瓷材料的塑性變形 高分子材料的塑性變形高分子材料的塑性變形 78 1.金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形 金屬材料常見的塑性變形機理為晶體的金屬材料常見的塑性變形機理為晶體的滑移滑移和和孿生孿生兩兩 種。種。 （1 1）滑移）滑移 滑移是滑移是金屬晶體在切應力作用下，沿滑移面

59、和滑金屬晶體在切應力作用下，沿滑移面和滑 移方向進行的切變過程移方向進行的切變過程。滑移面和滑移方向的組合成?；泼婧突品较虻慕M合成 為為滑移系滑移系。滑移系越多，金屬的塑性越好滑移系越多，金屬的塑性越好，但滑移系，但滑移系 的多少不是決定塑性好壞的唯一因素的多少不是決定塑性好壞的唯一因素（還受到溫度、（還受到溫度、 成分和預變形程度等的影響）成分和預變形程度等的影響）。 79 （2 2）孿生）孿生 金屬晶體在切應力作用下產(chǎn)生的一種塑性變形方金屬晶體在切應力作用下產(chǎn)生的一種塑性變形方 式式, ,面心立方面心立方(fcc)(fcc)、體心立方（、體心立方（bccbcc）和密排六方）和密排六方

60、（hcphcp）都能以孿生方式產(chǎn)生塑性變形）都能以孿生方式產(chǎn)生塑性變形 孿生變形的特點：孿生變形的特點： 比滑移困難；時間很短；變形量很??；比滑移困難；時間很短；變形量很??；但可以調(diào)但可以調(diào) 整滑移面的方向，使新的滑移系開動，因而可以對塑整滑移面的方向，使新的滑移系開動，因而可以對塑 性變形產(chǎn)生影響。變形性變形產(chǎn)生影響。變形孿晶層在試樣中僅為狹窄的一孿晶層在試樣中僅為狹窄的一 層，不一定貫穿整個試樣。層，不一定貫穿整個試樣。 孿生與滑移的交互作用，可促進金屬塑性變形的孿生與滑移的交互作用，可促進金屬塑性變形的 發(fā)展。發(fā)展。 80 （3 3）多晶體金屬塑性變形的特點）多晶體金屬塑性變形的特點 a