材料力學(xué)性能05

1、思考題之思考（3）同一種材料的彎曲強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度有何關(guān)系？（5）同種材料拉伸屈服強(qiáng)度與壓縮屈服強(qiáng)度是否一致？（4）為什么同一種材料b3b4b？（1）應(yīng)力狀態(tài)的軟硬與材料的軟硬有何關(guān)系？（2）smax和max 是否真實(shí)存在的應(yīng)力？2)(2131maxss最大切應(yīng)力理論：最大正應(yīng)變理論：)(321maxs)( 232131maxmaxs2.2.應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)( (軟性軟性) )系數(shù)系數(shù)EEbf)(13211max0，相當(dāng)于拉應(yīng)力狀態(tài)0，相當(dāng)于壓應(yīng)力狀態(tài)=11=-，2=3=-3/2， max=/4， smax=-/4典型塑性材料的彎曲圖 彎曲試樣應(yīng)力狀態(tài): bbbbWM:抗彎強(qiáng)度5.5.壓縮性能試

2、驗(yàn)壓縮性能試驗(yàn)(1)壓縮試驗(yàn)方法：GB/T 7314-2005GB/T 7314-2005試樣：一般為圓柱，也有矩形，單向壓縮(2)壓縮應(yīng)力狀態(tài)1=2=0，3=-max=0.5(45截面)smax=2理想情況(端部無(wú)摩擦)實(shí)際情況(端部摩擦)端部約束變形鼓肚復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)(2)壓縮斷裂形式切斷:碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料壓縮斷裂正斷:縱向裂紋，如陶瓷材料注意:高塑性材料壓扁而不破壞(3)壓縮性能指標(biāo)與拉伸試驗(yàn)相仿：強(qiáng)度指標(biāo)：pc、ec、sc、bc塑性指標(biāo)：相對(duì)壓縮率ck、相對(duì)斷面擴(kuò)展率ck E=tg O1O2f1(f)低碳鋼拉伸應(yīng)低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線力應(yīng)變曲線D( s下下)( e) BC( s上上

3、)A( p)E( b) g (MPa)200400 0.10.2O低碳鋼壓縮應(yīng)低碳鋼壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線力應(yīng)變曲線(4)材料拉伸與壓縮力學(xué)行為對(duì)比塑性材料： O b灰鑄鐵的灰鑄鐵的拉伸曲線拉伸曲線 b灰鑄鐵的灰鑄鐵的壓縮曲線壓縮曲線 = 45o剪應(yīng)力引起剪應(yīng)力引起斷裂斷裂低塑性及脆性材料：混凝土的拉伸與壓縮行為混凝土的拉伸與壓縮行為混凝土的抗壓強(qiáng)度要比抗拉強(qiáng)度大混凝土的抗壓強(qiáng)度要比抗拉強(qiáng)度大1010倍左右倍左右熱固性塑料：環(huán)氧樹脂的室溫拉伸與壓縮行為(5)壓縮試驗(yàn)特點(diǎn)及應(yīng)用:應(yīng)力狀態(tài)很軟，適于低塑性及脆性材料；一般不用于塑性材料；試驗(yàn)時(shí)要減小端面摩擦；一般規(guī)定h0/d0(h0/F0)為定值，以便試

4、驗(yàn)結(jié)果能相互比較。習(xí)題1：試列表比較拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲、壓縮試驗(yàn)方法、特點(diǎn)及應(yīng)用。（1）三向等拉伸：）三向等拉伸：1=2=3， =0應(yīng)力狀態(tài)最應(yīng)力狀態(tài)最硬，脆斷（表現(xiàn)脆性）；硬，脆斷（表現(xiàn)脆性）；（2）單向拉伸：）單向拉伸：1，2=3=0，應(yīng)力狀態(tài)較硬，應(yīng)力狀態(tài)較硬， =0.5,適用于塑性材料的試驗(yàn)。適用于塑性材料的試驗(yàn)。（3）扭轉(zhuǎn)：）扭轉(zhuǎn)：1=，2=0，3=-， =0.8（4）單向壓縮：）單向壓縮：1=2=0，3=-，=2，應(yīng)力狀，應(yīng)力狀態(tài)較軟，適用于脆性材料的試驗(yàn)，以揭示其塑性性能；態(tài)較軟，適用于脆性材料的試驗(yàn)，以揭示其塑性性能；（5）三向不等壓縮：）三向不等壓縮：1=-，2=-2，3=-2

5、，材料的硬度試驗(yàn)屬于三向不等壓縮，應(yīng)力狀態(tài)非常軟，材料的硬度試驗(yàn)屬于三向不等壓縮，應(yīng)力狀態(tài)非常軟，適合各種材料。適合各種材料。小結(jié)：典型應(yīng)力狀態(tài)特點(diǎn)1.1.概述概述硬度：抵抗局部壓入變形或刻劃破裂的能力兩種莫氏硬度順序表2.2.布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)原理：) )2/(sin11 (2)(22222DPdDDDPDhPFPHBs壓痕幾何相似：) )2/(sin11 (222DPHB壓痕幾何相似條件：常數(shù)2DP布氏硬度試驗(yàn)P/D2選配表壓頭為淬火鋼球，適于壓頭為淬火鋼球，適于HB450材料材料壓頭為硬質(zhì)合金球，適于壓頭為硬質(zhì)合金球，適于HB=450-650的材料的材料當(dāng)當(dāng)D=10mm，P=3000k

6、gf，t=10s時(shí)不加下標(biāo)時(shí)不加下標(biāo)(1)壓痕面積大，具有較高的測(cè)量精度，適于組織粗大或非均勻材料；(2)壓痕較大，成品檢驗(yàn)困難，多用于原材料檢驗(yàn)；(3)壓頭材料限制，僅用于較軟的材料(2), 適用面廣；高碳鋼氮化層截面硬度壓痕分布碳化鎢陶瓷5.5.硬度與強(qiáng)度關(guān)系及試驗(yàn)方法的改進(jìn)硬度與強(qiáng)度關(guān)系及試驗(yàn)方法的改進(jìn)(1)硬度試驗(yàn)特點(diǎn)一些材料的硬度材料本征硬度的計(jì)算單質(zhì)共價(jià)晶體極性共價(jià)鍵化合物晶體方法簡(jiǎn)便，基本“無(wú)損”，適于現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)；物理意義不明確，難以定量設(shè)計(jì)。WB4晶體本征硬度a0( )c0( ) ( (electrons/3) )B0(GPa) Hv(GPa)GGA5.3706.4570.447

7、292.741.1LDA5.3096.3460.465324.342.2Expt.5.195 6.332 0.487 301 40 (a) xy平面平面 (b) z軸方向軸方向WB4電荷密度差值圖電荷密度差值圖TMB4（TM=Re、Mo、Ta、Os、Tc） 超硬材料超硬材料 a0( )c0( )z(ele./3) )B0(GPa) Hv(GPa)ReB4GGA5.4536.1770.6140.478303.750.3LDA5.4006.0880.6130.494331.354.4TaB4GGA5.3176.7790.6250.410272.046.7LDA5.2436.7010.6240.42

8、6301.940.1MoB4GGA5.3176.5620.6210.448275.742.1LDA5.2676.4290.6190.466310.446.2TcB4GGA5.3226.4400.6180.481241.644.8LDA5.3096.2290.6150.500311.848.6OsB4GGA5.3426.4640.6170.510285.146.2LDA5.3266.2720.6140.519317.048.5(2)硬度與強(qiáng)度之間關(guān)系KHb鋼鐵：K=0.330.36銅合金、不銹鋼等：K=0.40.55退火金屬的硬度與強(qiáng)度關(guān)系注意：硬度的單位！(3)納米壓痕試驗(yàn)納米壓痕載荷-位移曲

9、線 4 1113 22 1 22maxmaxiirrhhEEEASEdhdPSAPHH 納米硬度； S 接觸剛度； A 接觸面積； 與壓頭幾何形狀相關(guān)的常數(shù)； Er等效模量納米壓痕試驗(yàn)原理4.布氏硬度試驗(yàn)的關(guān)鍵注意事項(xiàng)？有何局限？硬度部分思考題：3.洛氏硬度試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)思路？主要特點(diǎn)與用途？5.為何硬度值與抗拉強(qiáng)度之間有一定關(guān)系？6.納米壓痕與普通硬度試驗(yàn)的區(qū)別？7.如何預(yù)測(cè)材料的硬度？1.硬度的物理意義與工程意義？2.維氏硬度試驗(yàn)基本原理？與布氏硬度有何關(guān)系？1.1.彈性變形特點(diǎn)彈性變形特點(diǎn)(1)可逆性；(2)一般為線彈性；(3)彈性應(yīng)變較小。2.2.彈性變形的宏觀描述彈性變形的宏觀描述胡

10、克定律胡克定律EOGO復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)各向同性線彈性體的廣義胡克定律3.3.彈性變形的微觀本質(zhì)彈性變形的微觀本質(zhì)雙原子模型彈性變形物理本質(zhì)：原子鍵合幾何參數(shù)隨外力的可逆變化。彈性模量的物理本質(zhì)：反映原子間結(jié)合能的大小。引引力力斥斥力力工程彈性常數(shù)(1)楊氏模量E：(2)切變模量G：(3)泊松比：(4)體模量K：各向同性體只有兩個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù)：(E)(G)1.1.彈性常數(shù)的工程意義彈性常數(shù)的工程意義(1)構(gòu)件穩(wěn)定性與剛度彈性模量是決定構(gòu)件剛度的重要因素。強(qiáng)度設(shè)計(jì)：不發(fā)生塑性變形。剛度設(shè)計(jì)：限制彈性變形。比彈性模量：E/(2)彈性與彈性比功ae注意：彈性與剛度的區(qū)別！(1)(1)原子種類與鍵合方式原

11、子種類與鍵合方式一般來(lái)說(shuō)，在構(gòu)成材料聚集狀態(tài)的一般來(lái)說(shuō)，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(jià)鍵、離子鍵和金屬鍵都有較高的彈性模數(shù)，共價(jià)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(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料大多由共價(jià)鍵或離子鍵以及兩種大多由共價(jià)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

12、性模數(shù)亦較低彈性模數(shù)亦較低。 2.2.影響彈性模量的因素影響彈性模量的因素(2)(2)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數(shù)在不同晶體學(xué)方向上的彈性模數(shù)在不同晶體學(xué)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(jì)平均的彈性模數(shù)為各晶粒的統(tǒng)計(jì)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。(3)(3)合

13、金元素合金元素 材料化學(xué)成分的變化可引起材料化學(xué)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，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?jǐn)?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?jǐn)?shù)的增加，雖然固溶體的。隨著溶質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?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)

14、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(guò)不大，例如碳鋼與合金鋼的彈性模數(shù)相差不超過(guò)5 5。在在兩相合金兩相合金中，彈性模數(shù)的變化比較復(fù)雜，中，彈性模數(shù)的變化比較復(fù)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(guān)例如在鋁中加入有關(guān)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。(4)(4)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)

15、，是一剛度代表的彈性模數(shù)，是一個(gè)個(gè)組織不敏感組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。的力學(xué)性能指標(biāo)。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(guān)。有關(guān)。氣孔率對(duì)陶瓷的彈性模數(shù)的影響大致氣孔率對(duì)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(wú)氣孔時(shí)的彈性模數(shù)；為無(wú)氣孔時(shí)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。高分子聚合物的彈高分子聚合物的彈性模數(shù)可以通過(guò)添加性模數(shù)可以通過(guò)添加增強(qiáng)填料而提高！增強(qiáng)填料而提高！圖圖1-71-7

16、所示為熱裂所示為熱裂炭黑填科對(duì)天然橡膠炭黑填科對(duì)天然橡膠彈性模數(shù)的影響。彈性模數(shù)的影響。復(fù)合材料是特殊的多相材料。對(duì)于復(fù)合材料是特殊的多相材料。對(duì)于增強(qiáng)相為粒狀的復(fù)增強(qiáng)相為粒狀的復(fù)合材料合材料，其彈性模數(shù)，其彈性模數(shù)隨增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的增高而增大隨增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的增高而增大。對(duì)于單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其彈性模數(shù)一般用宏觀對(duì)于單向纖維增強(qiáng)復(fù)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: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?jǐn)?shù)。分別為纖維和基體的體積分?jǐn)?shù)。顯然：顯然：無(wú)論是縱向彈性模數(shù)還是橫向彈性模數(shù)，均與構(gòu)無(wú)論是縱向彈性模數(shù)還是橫向彈性模數(shù)，均與構(gòu)成復(fù)合材料的纖維和基體的彈性模數(shù)及體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。成復(fù)合材料的纖維和基體的彈性模數(shù)及體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。5. 5. 溫度溫度 一般說(shuō)來(lái)，一般說(shuō)來(lái)，隨著溫度的升