材料力學(xué)性能1-20133

1、第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1981年4月12日：第一架航天飛機(jī) “哥倫比亞”號首發(fā)成功1986年1月28日：第二架航天飛機(jī) “挑戰(zhàn)者”號發(fā)射升空中爆炸失事僅僅1分1 2秒 就 爆 炸 了2003年2月1日： “哥倫比亞”號航天飛機(jī)降落時爆炸解體 第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能緒緒 言言 0.1 0.1 材料的性能與材料的力學(xué)性能材料的性能與材料的力學(xué)性能 0.2 0.2 本課程的研究內(nèi)容本課程的研究內(nèi)容 0.3 0.3 學(xué)習(xí)本課程的目的學(xué)習(xí)本課程的目的 0.4 0.4 教材內(nèi)容及參考書教材內(nèi)容及參考書 0.5 0.5 本課程

2、學(xué)習(xí)注意問題本課程學(xué)習(xí)注意問題 第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能0.1 0.1 材料的性能與材料的力學(xué)性能材料的性能與材料的力學(xué)性能一、材料的種類一、材料的種類 按物理化學(xué)屬性分：金屬材料；無機(jī)非金屬材料；有機(jī)高分子出來；復(fù)合材料。 按用途分：結(jié)構(gòu)材料；功能材料。 結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料是以力學(xué)性能力學(xué)性能為基礎(chǔ)，制造受力構(gòu)件所用的材料。功能材料主要是利用物質(zhì)獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)或生物功能等形成的一類材料。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能二、材料的性能二、材料的性能 物理性能：熱學(xué)性能、光學(xué)性能、電學(xué)性能、磁性性能，等； 化學(xué)性能：耐腐蝕性、高溫抗氧化性、抗老化性、降解性，等；

3、力學(xué)性能：彈性、塑性、硬度、韌性，等； 工藝性能：鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性，等； 生物性能：生物反應(yīng)性、生物相容性，等。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能三、材料的力學(xué)性能三、材料的力學(xué)性能 1 1、定義、定義 材料在外加載荷作用下，或者在載荷與環(huán)境因素的聯(lián)合作用下表現(xiàn)出的力學(xué)行為。宏觀上一般表現(xiàn)為材料的變形和斷裂。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能2 2、力學(xué)性能的指標(biāo)、力學(xué)性能的指標(biāo) 彈性、塑性、強(qiáng)度、硬度、壽命、韌性等。(1) 彈性:是指材料在外力作用下保持和恢復(fù)固有形狀和尺寸的能力。(2) 塑性:是材料在外力作用下發(fā)生不可逆的永久變形的能力(3) 強(qiáng)度:是材料

4、對變形和斷裂的抗力。(4) 壽命:是指材料在外力的長期或重復(fù)作用下抵抗損傷和失效的能力。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能內(nèi)部因素內(nèi)部因素材質(zhì)因素。材質(zhì)因素。 (1)(1) 成成 分分：化學(xué)元素種類及含量。：化學(xué)元素種類及含量。 (2)(2) 組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)：各元素原子組成的方式；：各元素原子組成的方式； 內(nèi)部的缺陷、殘余應(yīng)力等內(nèi)部的缺陷、殘余應(yīng)力等3 3、影響材料力學(xué)性能的主要因素、影響材料力學(xué)性能的主要因素外部因素外部因素 （載荷與環(huán)境因素）（載荷與環(huán)境因素）： (1) (1) 加載速度（靜、沖擊、交變加載速度（靜、沖擊、交變） (2) (2) 加載方式即應(yīng)力狀態(tài)加載方式即應(yīng)力狀

5、態(tài)( (拉、壓、彎、扭等拉、壓、彎、扭等) ) (3) (3) 溫度溫度 (4) (4) 環(huán)境介質(zhì)環(huán)境介質(zhì) 第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能0.2 0.2 本課程的研究內(nèi)容本課程的研究內(nèi)容 主要研究在主要研究在力力或或力和其它外界因素力和其它外界因素（溫度、介（溫度、介質(zhì)和加載速率）的共同作用下材料發(fā)生質(zhì)和加載速率）的共同作用下材料發(fā)生變形變形和和斷斷裂裂的本質(zhì)及其基本規(guī)律的本質(zhì)及其基本規(guī)律 ，即：，即： 力學(xué)過程的微觀本質(zhì)和宏觀規(guī)律；力學(xué)過程的微觀本質(zhì)和宏觀規(guī)律； 研究各種力學(xué)性能指標(biāo)的物理技術(shù)意義以及研究各種力學(xué)性能指標(biāo)的物理技術(shù)意義以及內(nèi)在因素和外在條件對它們的影響及變化規(guī)律。

6、內(nèi)在因素和外在條件對它們的影響及變化規(guī)律。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能材料力學(xué)性能力學(xué)行為與物理本質(zhì)力學(xué)性能指標(biāo)與應(yīng)用與環(huán)境相關(guān)的力學(xué)行為：疲勞、蠕變、磨損、應(yīng)力腐蝕等基本力學(xué)行為(簡單加載)：彈性變形、塑性變形、斷裂韌性：斷裂抗力強(qiáng)度：變形抗力塑性：彈性：變形能力強(qiáng)度設(shè)計、剛度設(shè)計、斷裂設(shè)計、壽命評估、失效判據(jù)等第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能(1)(1)試驗(yàn)：試驗(yàn)：(2)(2)理論理論: : 宏觀強(qiáng)度理論宏觀強(qiáng)度理論 微觀強(qiáng)度理論微觀強(qiáng)度理論 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)(3)(3)計算機(jī)模擬計算機(jī)模擬: : 第一性原理第一性原理 分子動力學(xué)分子動力學(xué) 有限元有限元第一章: 金

7、屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能具體：具體： 1、材料的彈性、塑性、屈服與硬化、斷裂、硬度、疲勞、蠕變 等力學(xué)性能指標(biāo)的物理含義、微觀機(jī)理（結(jié)構(gòu)與狀態(tài)）； 2、影響材料力學(xué)性能的主要因素，以及提高其性能所采取的措施； 3、材料力學(xué)性能的測試技術(shù) 第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能0.3 0.3 學(xué)習(xí)本課程的目的學(xué)習(xí)本課程的目的 1、掌握材料的力學(xué)性能及其變化規(guī)律； 2、了解材料力學(xué)性能的微觀機(jī)理； 3、能正確地選用材料； 4、具有研究開發(fā)新型結(jié)構(gòu)材料的能力。 第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能o第一章：材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第一章：材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能o第二

8、章：材料在其它靜載荷下的力學(xué)性能第二章：材料在其它靜載荷下的力學(xué)性能o第三章：材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能第三章：材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能o第四章：材料的斷裂韌性第四章：材料的斷裂韌性o第五章：材料的疲勞第五章：材料的疲勞o第六章：材料的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂第六章：材料的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂o第七章：材料的磨損和接觸疲勞第七章：材料的磨損和接觸疲勞o第八章：材料的高溫力學(xué)性能第八章：材料的高溫力學(xué)性能教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容0.4 0.4 教材內(nèi)容及參考書教材內(nèi)容及參考書第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能(1)(1)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合：理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合：(2)(2)宏觀與微觀相結(jié)合宏觀與微觀相結(jié)合:

9、 :(3)(3)靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合: :(1)(1)毛為民、朱景川等，金屬材料結(jié)構(gòu)與性能，清華大學(xué)出毛為民、朱景川等，金屬材料結(jié)構(gòu)與性能，清華大學(xué)出版社，版社，20082008(2)(2)周益春、鄭學(xué)軍，材料的宏微觀力學(xué)性能，高等教育出周益春、鄭學(xué)軍，材料的宏微觀力學(xué)性能，高等教育出版社，版社，20092009(3)(3)石德珂、金志浩，材料力學(xué)性能，西安交大出版社，石德珂、金志浩，材料力學(xué)性能，西安交大出版社，19981998(4)(4)鄭修麟，材料的力學(xué)性能，西工大出版社，鄭修麟，材料的力學(xué)性能，西工大出版社，20052005第二版第二版(5)(5)王德尊，金屬力學(xué)性能，哈工

10、大出版社，王德尊，金屬力學(xué)性能，哈工大出版社，19931993第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 參參 考考 書書1. 高建明 材料力學(xué)性能，武漢理工大版 20042. 鄭修麟 材料的力學(xué)性能，西北工大版 20013. 匡震邦 材料的力學(xué)行為，高教版 19984. 馮端 金屬物理學(xué)（第三卷 金屬力學(xué)性能），科學(xué)版 19995. 張清純 陶瓷材料的力學(xué)性能，科學(xué)版 19876. 吳人潔 復(fù)合材料，天津大版 20007. Courtney, Thomas H. Mechanical Behavior of Materials,機(jī)工版 2004第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能0.5

11、 0.5 本課程學(xué)習(xí)注意問題本課程學(xué)習(xí)注意問題預(yù)備知識預(yù)備知識：材料力學(xué)和金屬學(xué)方面的基本理論知識。理論聯(lián)系實(shí)際理論聯(lián)系實(shí)際: :是實(shí)用性很強(qiáng)的一門課程。某些力學(xué)性 指能標(biāo)根據(jù)理論考慮定義,而更多指標(biāo)則 按工程實(shí)用要求定義。重視實(shí)驗(yàn)重視實(shí)驗(yàn): : 通過實(shí)驗(yàn)既可掌握力學(xué)性能的測試原理，又 可掌握測試技術(shù)，了解測試設(shè)備，進(jìn)一步理 解所測力學(xué)性能指標(biāo)的物理與實(shí)用意義。做些練習(xí)做些練習(xí): : 加深理解鞏固所學(xué)的知識。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能拉拉 伸伸 試試 樣樣1)1)圓形截面圓形截面2)2)矩形截面矩形截面l0=10d0l0= 5d0l0tb003 .11Al 0065. 5Al

12、或或第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能0mFmSR 0eFeSR 100100%LLLA010100%AAAZ低碳鋼拉伸曲線低碳鋼拉伸曲線線彈性階段線彈性階段冷作硬化冷作硬化頸縮階段頸縮階段強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段屈服階段屈服階段第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能無明顯屈服的塑性材料拉伸曲線無明顯屈服的塑性材料拉伸曲線第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能樹脂材料拉伸曲線樹脂材料拉伸曲線第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷

13、下的力學(xué)性能第一章第一章: : 金屬在單向靜拉伸金屬在單向靜拉伸 載荷下的力學(xué)性能載荷下的力學(xué)性能o單向應(yīng)力單向應(yīng)力、靜拉伸靜拉伸1-1 1-1 拉伸力拉伸力- -伸長曲線伸長曲線和和應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線o 拉伸力拉伸力- -伸長曲線：伸長曲線： F -L 曲線曲線o 應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變曲線：應(yīng)變曲線： -曲線曲線第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1-1 1-1 拉伸力拉伸力- -伸長曲線伸長曲線和和應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線o橫坐標(biāo)：橫坐標(biāo)：L L、o縱坐標(biāo)：縱坐標(biāo)： F F、o= F/ /A0o=L/ /L0=(L-L0)/ /L0第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力

14、學(xué)性能o將拉伸力將拉伸力-伸長曲線的伸長曲線的橫、縱坐標(biāo)橫、縱坐標(biāo)分別用拉分別用拉伸試樣的伸試樣的原始標(biāo)距長度原始標(biāo)距長度L0和和原始截面積原始截面積A0去除，則得到應(yīng)力去除，則得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，稱為應(yīng)變曲線，稱為工程工程應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線。由此可建立金屬材料在。由此可建立金屬材料在靜拉伸條件下的力學(xué)性能指標(biāo)。靜拉伸條件下的力學(xué)性能指標(biāo)。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能低碳鋼的拉伸力低碳鋼的拉伸力-伸長曲線伸長曲線低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 在拉伸過程中，試樣的截面積和長度隨著拉在拉伸過程中，試樣的截面積和長度隨著拉伸力

15、的增大是不斷變化的，工程應(yīng)力伸力的增大是不斷變化的，工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線并不能反映實(shí)驗(yàn)過程中的真實(shí)情況。并不能反映實(shí)驗(yàn)過程中的真實(shí)情況。 真實(shí)應(yīng)力：真實(shí)應(yīng)力：S= F/A （A-材料受力后的真實(shí)面積材料受力后的真實(shí)面積 ） 真實(shí)應(yīng)變：真實(shí)應(yīng)變：e=ln(L0+L)/L0=ln(1+)真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能材料的受力形變材料的受力形變 形變：各種材料在外力作用下，發(fā)生形狀和大小的變化形變：各種材料在外力作用下，發(fā)生形狀和大小的變化應(yīng)力：單位面積上所受的內(nèi)力應(yīng)力：單位面積上所受的內(nèi)力 = F/A (1.1) F為外力，為外力，A為面積，為面

16、積， 為應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力為應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力若材料受力前的初始面積為若材料受力前的初始面積為A0，則則0 = F/A0為名義應(yīng)力為名義應(yīng)力 對于形變總量很小的無機(jī)材料，二者數(shù)值相差不大，對于形變總量很小的無機(jī)材料，二者數(shù)值相差不大，只有在高溫蠕變情況下，才有顯著的差別。只有在高溫蠕變情況下，才有顯著的差別。1-1 1-1 拉伸力拉伸力- -伸長曲線和應(yīng)力伸長曲線和應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能xyz zx xy yy xx zz yz zy yx xzS圍繞材料內(nèi)部一點(diǎn)圍繞材料內(nèi)部一點(diǎn)P，取一體積單元取一體積單元體積元的體積元的 六個面均垂直于坐標(biāo)軸六個面均垂直于坐

17、標(biāo)軸x,y,z。在這六個面上的作用應(yīng)力可以分解為法向應(yīng)力在這六個面上的作用應(yīng)力可以分解為法向應(yīng)力 xx, yy , zz和剪應(yīng)力和剪應(yīng)力 xy, xz , yz 等等。圖圖1.2 應(yīng)力分量應(yīng)力分量第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能對于圖對于圖1.2的說明：的說明：下腳標(biāo)的意義：下腳標(biāo)的意義：每個面上有一個法向應(yīng)力每個面上有一個法向應(yīng)力 和兩個剪應(yīng)力和兩個剪應(yīng)力 應(yīng)力分量應(yīng)力分量 ， 的的下標(biāo)第一個字母表示應(yīng)力作用面的法線方向；第下標(biāo)第一個字母表示應(yīng)力作用面的法線方向；第二個字母表示應(yīng)力的作用方向。二個字母表示應(yīng)力的作用方向。方向的規(guī)定方向的規(guī)定法向應(yīng)力的正負(fù)號規(guī)定：拉應(yīng)力（張應(yīng)力）為正

18、，壓應(yīng)力為負(fù)。法向應(yīng)力的正負(fù)號規(guī)定：拉應(yīng)力（張應(yīng)力）為正，壓應(yīng)力為負(fù)。正剪應(yīng)力正剪應(yīng)力負(fù)剪應(yīng)力負(fù)剪應(yīng)力剪應(yīng)力的正負(fù)號規(guī)定：如果體積元任一面上的法向應(yīng)力與坐標(biāo)軸剪應(yīng)力的正負(fù)號規(guī)定：如果體積元任一面上的法向應(yīng)力與坐標(biāo)軸的正方向相同，則該面上的剪應(yīng)力指向坐標(biāo)軸的正方向者為正，的正方向相同，則該面上的剪應(yīng)力指向坐標(biāo)軸的正方向者為正，若該面上的法向應(yīng)力指向坐標(biāo)軸的負(fù)方向，則剪應(yīng)力指向坐標(biāo)軸若該面上的法向應(yīng)力指向坐標(biāo)軸的負(fù)方向，則剪應(yīng)力指向坐標(biāo)軸的負(fù)方向者為正。的負(fù)方向者為正。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能應(yīng)力間存在以下關(guān)系：應(yīng)力間存在以下關(guān)系：根據(jù)平衡條件，體積元上相對的兩個平行平面上根據(jù)平

19、衡條件，體積元上相對的兩個平行平面上的法向應(yīng)力大小相等，正負(fù)一樣；的法向應(yīng)力大小相等，正負(fù)一樣；體積元上任一平面上的兩個剪應(yīng)力互相垂直。體積元上任一平面上的兩個剪應(yīng)力互相垂直。根據(jù)剪應(yīng)力互等定理根據(jù)剪應(yīng)力互等定理 xy yx因而，因而，一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)由六個應(yīng)力分量決定一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)由六個應(yīng)力分量決定 法向應(yīng)力引起材料的伸長或縮短，剪應(yīng)力引起材法向應(yīng)力引起材料的伸長或縮短，剪應(yīng)力引起材料的畸變，并使材料發(fā)生轉(zhuǎn)動。料的畸變，并使材料發(fā)生轉(zhuǎn)動。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能三應(yīng)變?nèi)龖?yīng)變第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能FALoLAo伸長伸長應(yīng)變應(yīng)變 ：單位長度的伸長。：單位長度的

20、伸長。 = (LL0)/ L0 （名義應(yīng)變）名義應(yīng)變）應(yīng)變應(yīng)變用來描述物體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相對位移。用來描述物體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相對位移。 true = dL/L=ln(L/L0) (1.3) LLo若分母不是原來長度若分母不是原來長度L0，而而是真實(shí)長度是真實(shí)長度L，則真實(shí)應(yīng)變則真實(shí)應(yīng)變 第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能2）簡單剪切）簡單剪切 在剪應(yīng)力作用下發(fā)生剪切形變。當(dāng)材料受到的在剪應(yīng)力作用下發(fā)生剪切形變。當(dāng)材料受到的力力F是與截面平行、大小相等，方向相反且不在同是與截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直線上的兩個力時，發(fā)生簡單剪切，即單剪。一直線上的兩個力時，發(fā)生簡單剪切，

21、即單剪。 在此剪切力作用下，材在此剪切力作用下，材料將發(fā)生偏斜，偏斜角料將發(fā)生偏斜，偏斜角的正的正切定義為剪應(yīng)變，切定義為剪應(yīng)變，=ll0 ，當(dāng)切應(yīng)變很小時，當(dāng)切應(yīng)變很小時，。 簡單剪切示意圖簡單剪切示意圖第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能若該物體發(fā)生形變，若該物體發(fā)生形變， O點(diǎn)沿點(diǎn)沿x,y,z方向的位移分量分別為方向的位移分量分別為u,v,w應(yīng)變?yōu)椋簯?yīng)變?yōu)椋簎/x用偏微分表示用偏微分表示 ： u/ x在在O點(diǎn)點(diǎn) 處沿處沿x方向的正應(yīng)變）方向的正應(yīng)變）是：是： xx = u/ x同理：同理： yy= v/ y zz= w/ zuxOA xA O u（1）正應(yīng)變）正應(yīng)變第一章: 金屬在

22、單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能dxdyBCAC B A ( v/ y)dy( v/ x)dx( u/ x)dx( u/ y)dy xyo xy yx圖圖1.3 Z面上的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變面上的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變應(yīng)變分量推導(dǎo)：應(yīng)變分量推導(dǎo)： 研究物體中一點(diǎn)（如研究物體中一點(diǎn)（如O點(diǎn)）的應(yīng)變狀態(tài)，在物體內(nèi)圍繞該點(diǎn)取點(diǎn)）的應(yīng)變狀態(tài)，在物體內(nèi)圍繞該點(diǎn)取出一體積元出一體積元 dx dy dz第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 設(shè)該物體發(fā)生形變后，設(shè)該物體發(fā)生形變后，O點(diǎn)沿點(diǎn)沿x,y,z方向的位移分量為方向的位移分量為u,v,w。 那么那么x軸上軸上O點(diǎn)鄰近的一點(diǎn)點(diǎn)鄰近的一點(diǎn)A，由于，由于O點(diǎn)有位移點(diǎn)有位移u

23、，A點(diǎn)位移隨點(diǎn)位移隨x的增加而增加，的增加而增加，A點(diǎn)位移將是點(diǎn)位移將是 ，則，則A的長度增加了的長度增加了 。 伸長應(yīng)變（正應(yīng)變）伸長應(yīng)變（正應(yīng)變） 根據(jù)根據(jù) ，正應(yīng)變?yōu)榻^對伸長比原始長度，正應(yīng)變?yōu)榻^對伸長比原始長度，因此，在因此，在O點(diǎn)處沿點(diǎn)處沿x方向的正應(yīng)變方向的正應(yīng)變(單位伸長單位伸長)是：是： 同理同理 ，dxxuu+dxxu0001-LLLLL=xxxudxdxxu/=yvyy=zwzz=第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能dxxvv+dyyuu+xvdxvdxvv1)-x(=+yuyuxv+=xyxvyuxy+=ywzvyz+=zuxwzx+=第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷

24、下的力學(xué)性能第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能式中式中 V0為初始體積；為初始體積；V為壓縮后的體積；為壓縮后的體積；V0為體為體積變化量。積變化量。 0000/ )-(VVVVVv=3）均勻壓縮）均勻壓縮 在均勻壓縮在均勻壓縮(如液體靜壓如液體靜壓)時，材料受到周圍壓時，材料受到周圍壓力力p，發(fā)生體積形變，體積由，發(fā)生體積形變，體積由V0縮小成縮小成V，壓縮應(yīng)，壓縮應(yīng)變變) v為：為：附：拉伸試驗(yàn)附：拉伸試驗(yàn) 拉伸試驗(yàn)測定的是材料抵抗靜態(tài)或緩慢施加拉伸試驗(yàn)測定的是材料抵抗靜態(tài)或緩慢施加的負(fù)載的能力。的負(fù)載的能力。 在拉伸試驗(yàn)中，試樣的兩端固定在夾頭上，拉在拉伸試驗(yàn)中，試樣的兩端固定在

25、夾頭上，拉伸機(jī)的負(fù)載測量儀器安裝在試樣的一端，應(yīng)變伸機(jī)的負(fù)載測量儀器安裝在試樣的一端，應(yīng)變測量裝置安裝在試樣的另一端，測量裝置安裝在試樣的另一端， 拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 圖圖 位伸試驗(yàn)方法示意圖位伸試驗(yàn)方法示意圖 拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 圖圖 常見的應(yīng)力常見的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 (a) 真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線;(b) 工程應(yīng)力工程應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 如果計算應(yīng)力和應(yīng)變時采用的是試樣的原始截面積和原始長度，這個應(yīng)力-應(yīng)變曲線又稱為工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線中的應(yīng)力值并不是材料實(shí)際上受到的應(yīng)力，而是載荷除以材料原始截面積得到的應(yīng)力值 拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷

26、下的力學(xué)性能1- 2 1- 2 彈性變形彈性變形 彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)一、一、彈性變形彈性變形的定義及特點(diǎn)：的定義及特點(diǎn)： o 1 1、彈性變形的特點(diǎn)：、彈性變形的特點(diǎn)：o 應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變保持直線關(guān)系應(yīng)變保持直線關(guān)系o 變形可逆變形可逆o 變形總量較小變形總量較小第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1-1- 2 2 彈性變形彈性變形 彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)o 2、彈性變形產(chǎn)生的機(jī)理：彈性變形產(chǎn)生的機(jī)理：原子間作用力原子間作用力o原子間具有一定間距原子間具有一定間距原子間距（原子間距（2r0），也即是原子半，也即是原子半徑（徑（r0）的兩倍

27、（指同類原子）的兩倍（指同類原子）o原子間作用力：原子間作用力：吸引力吸引力、相斥力相斥力；且二者均與原子間的相互；且二者均與原子間的相互距離（距離（2r）有關(guān)）有關(guān)o吸引力：原子核中質(zhì)子吸引力：原子核中質(zhì)子( (正離子正離子) )與其它原子的電子云之間與其它原子的電子云之間的作用力：的作用力：F11/ /ro相斥力：離子之間及電子之間的作用力：相斥力：離子之間及電子之間的作用力：F2-1/ /r4第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能則有：則有： F = F1+ F2 = A/A/r r -A-Ar r0 0/ /r r4其中其中： F1= A/A/r r 為引力項(xiàng)，為引力項(xiàng)， F2=-

28、A-Ar r0 0/ /r r4 為斥力項(xiàng)為斥力項(xiàng)r rr r0 0時時F 0，為引力，兩原子間有拉進(jìn)的趨勢為引力，兩原子間有拉進(jìn)的趨勢； r rr r0 0時時F 0，為斥力，兩原子間有推遠(yuǎn)的趨勢為斥力，兩原子間有推遠(yuǎn)的趨勢；r r=r r0 0時時F=0，為平衡狀態(tài)為平衡狀態(tài)，兩原子間保持平衡距離兩原子間保持平衡距離。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能F r r曲線上曲線上存在一個最大值存在一個最大值Fmax，其對應(yīng)的其對應(yīng)的r=rMFmax可視為材料的理論彈性極限或理論強(qiáng)度值。可視為材料的理論彈性極限或理論強(qiáng)度值。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能即如材料承受的拉力即如材

29、料承受的拉力FFmax將產(chǎn)生原子移位，形成將產(chǎn)生原子移位，形成不可逆變形即塑性變形或斷裂。不可逆變形即塑性變形或斷裂。而一般地拉應(yīng)力而一般地拉應(yīng)力FFmax時：時： rM r rO第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能o3、說明：、說明：o2) F與與r = =r - - rO O并非正比關(guān)系并非正比關(guān)系; ;o然而，實(shí)際金屬拉伸時其然而，實(shí)際金屬拉伸時其Fe 、Fp均較小均較小( (遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于Fmax) )，此時，此時F與與r近似直線近似直線; ;o故彈性強(qiáng)度指標(biāo)有比例極限故彈性強(qiáng)度指標(biāo)有比例極限p ( (Fp/ /Ao) )與彈性極與彈性極限限e ( (Fe/ /Ao ) )之分，且

30、之分，且p e . .1-1- 2 2 彈性變形彈性變形 彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能o3、說明：、說明：o3) 彈性變形隨應(yīng)力的變化速度為聲速。彈性變形隨應(yīng)力的變化速度為聲速。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能o 表征材料表征材料( (在彈性變形階段在彈性變形階段) )對彈性變形的抗力，即材料的剛對彈性變形的抗力，即材料的剛度。度。o1、定義、定義:n拉拉：= E E：彈性模量（楊氐）彈性模量（楊氐）o 扭：剪切應(yīng)力扭：剪切應(yīng)力= = G G：切變模量：切變模量oE、G越大，則材料的抗力越大，或變形越小。越大，則材料的抗力越大

31、，或變形越小。o彈性模量是組織不敏感因素指標(biāo)，僅與原子間作用力有關(guān)彈性模量是組織不敏感因素指標(biāo)，僅與原子間作用力有關(guān).1-1- 2 2 彈性變形彈性變形 彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)二、彈性模量：二、彈性模量：第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能（1）各向同性體的虎克定律）各向同性體的虎克定律 xLLbcc b xzxy長方體在軸向的相對伸長為：長方體在軸向的相對伸長為： x= x/E (1.6) 說明應(yīng)力與應(yīng)變之間為線性關(guān)系，說明應(yīng)力與應(yīng)變之間為線性關(guān)系， x = L/L，E彈性模量，彈性模量，對各向同性體，彈性模量為一常數(shù)。對各向同性體，彈性模量為一常數(shù)。材料的彈性變

32、形行為材料的彈性變形行為1. 廣義虎克定律（應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系）廣義虎克定律（應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系）第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能Exx =cccccy-=bbbbbz-=長方體在長方體在x軸向的相對伸長可表示為：軸向的相對伸長可表示為：第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 2）泊松比）泊松比（又橫向變形系數(shù)）（又橫向變形系數(shù)） 泊松比就是橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比：泊松比就是橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比： 由上式可得由上式可得 y = x= x/E z= x/E 這就是應(yīng)力分量這就是應(yīng)力分量x所引起的另二個應(yīng)變分量。所引起的另二個應(yīng)變分量。 同理，應(yīng)力分量同理，應(yīng)力分量y引起的應(yīng)變分量為：

33、引起的應(yīng)變分量為： ， x = y= y/E z= y/E應(yīng)力分量應(yīng)力分量z引起的應(yīng)變分量為引起的應(yīng)變分量為： ，Eyy=Ezz =xzxy= x = z= z/E y= z/E第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能)(-1)(-1)(-1yxzzzxyyzyxxEEE+=+=+=第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 材料受剪切力時，有剪切應(yīng)變，對于彈性體，材料受剪切力時，有剪切應(yīng)變，對于彈性體，同樣符合虎克定律，設(shè)同樣符合虎克定律，設(shè)G G為剪切模量，對于剪應(yīng)變則為剪切模量，對于剪應(yīng)變則有有: : GGGzxzxyzyzxyxy=第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能PK =V

34、V) 1-2()2- (- 1EPPPEzyx1-)1)(1)(1 (+=VV)1-2(33EPVV=第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 6 6）各模量之間的關(guān)系）各模量之間的關(guān)系 )1 (2+=EG)2-1 (3EK =)2-1 ( 3) 1-2( 3-/-EEVVPK材料的體積模量材料的體積模量K K為各向同等的壓力為各向同等的壓力P P除以體積變化：除以體積變化： (1.14)(1.14)當(dāng)應(yīng)變是拉伸時，稱為當(dāng)應(yīng)變是拉伸時，稱為彈性模量或楊氏彈性模量或楊氏(Yong)模量模量。當(dāng)應(yīng)變是切應(yīng)變時，稱為當(dāng)應(yīng)變是切應(yīng)變時，稱為剛性應(yīng)變或切變模量剛性應(yīng)變或切變模量。當(dāng)應(yīng)變是流體靜壓縮應(yīng)變

35、時，稱為當(dāng)應(yīng)變是流體靜壓縮應(yīng)變時，稱為體積彈性模體積彈性模量量。 應(yīng)力和應(yīng)變之間的比例常量稱為彈性模量。應(yīng)力和應(yīng)變之間的比例常量稱為彈性模量。 在應(yīng)力很低的時候，形變是彈性的可逆的，遵從在應(yīng)力很低的時候，形變是彈性的可逆的，遵從虎克虎克(Hooke)定律定律,應(yīng)力與應(yīng)變成正比的關(guān)系。應(yīng)力與應(yīng)變成正比的關(guān)系。 拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能(2) 各向異性的虎克定律各向異性的虎克定律各種彈性常數(shù)隨方向而不同，虎克定律描述了更一般的各種彈性常數(shù)隨方向而不同，虎克定律描述了更一般的應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。應(yīng)變關(guān)系。即：即： Ex Ey Ez , xy yz zx在單向受力在

36、單向受力 x時，在時，在y, z方向的應(yīng)變?yōu)椋悍较虻膽?yīng)變?yōu)椋?yx = - yx x= - yx x/Ex=(- yx /Ex ) x = S21 x (1.15) zx = - zx x= - zx x/Ex= S31 x xx = x/Ex = S11 xS21 = - yx /Ex，S31 = - zx x， S11 = 1/Ex為彈性柔順系數(shù)。為彈性柔順系數(shù)。在在S的下標(biāo)中，十位數(shù)為應(yīng)變方向，個位數(shù)為所受的應(yīng)的下標(biāo)中，十位數(shù)為應(yīng)變方向，個位數(shù)為所受的應(yīng)力方向。力方向。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能對于同時受三個方向的正應(yīng)力的各向異性材料對于同時受三個方向的正應(yīng)力的各向異性材

37、料在在x, y, z方向的應(yīng)變?yōu)椋悍较虻膽?yīng)變?yōu)椋?xx= xx/Ex+S12 yy +S13 zz yy= yy/Ey+S21 yy +S23 zz zz= zz/Ez+S31 yy +S32 zz第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能正應(yīng)力對剪應(yīng)變有影響，剪應(yīng)力對正應(yīng)變也有影響正應(yīng)力對剪應(yīng)變有影響，剪應(yīng)力對正應(yīng)變也有影響通式為：通式為： (1.16) xx= S11 xx+S12 yy +S13 zz+S14 yz+S15 zx+S16 xy yy= S22 yy+S21 xx +S23 zz+S24 yz +S25 zx+S26 xy zz= S33 zz+S31 yy +S32 zz

38、+S34 yz +S35 zx+S36 xy yz= S41 xx+S42 yy +S43 zz+S44 yz +S45 zx+S46 xy zx= S51 xx+S52 yy +S53 zz+S54 yz +S55 zx+S56 xy xy= S61 xx+S62 yy +S63 zz+S64 yz +S65 zx+S66 xy 總共有總共有36個系數(shù)。個系數(shù)。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能根據(jù)倒順關(guān)系有（由彈性應(yīng)變能導(dǎo)出）：根據(jù)倒順關(guān)系有（由彈性應(yīng)變能導(dǎo)出）： Sij=Sji，- 21/E1 - 12/E2 ，代入公式系數(shù)代入公式系數(shù)S減少至減少至21個個考慮晶體的對稱性，考慮

39、晶體的對稱性，例如：斜方晶系，剪應(yīng)力只影響與其平行的平面的應(yīng)變，例如：斜方晶系，剪應(yīng)力只影響與其平行的平面的應(yīng)變，不影響正應(yīng)變，不影響正應(yīng)變，S數(shù)為數(shù)為9個個(S11, S22, S33, S44, S55, S66, S12 = S21, S23, S13) 。六方晶系只有六方晶系只有5個個S(S11 = S22, S33, S44, S66, S13)立方晶系為立方晶系為3個個S(S11, S44, S12)例如例如MgO的柔順系數(shù)在的柔順系數(shù)在25oC時，時， S11 =4.0310-12 Pa-1; S12 =0.9410-12 Pa-1; S44 = 6.4710-12 Pa-1 .

40、 由此可知，各向異性晶體的彈性常數(shù)不是均勻的。由此可知，各向異性晶體的彈性常數(shù)不是均勻的。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能o單晶體各向異性；單晶體各向異性；o與合金元素含量關(guān)系不大與合金元素含量關(guān)系不大; ;o與組織元素含量關(guān)系不大與組織元素含量關(guān)系不大; ;o隨隨ToC的增加而下降的增加而下降, , 但在室溫范圍內(nèi)變化不大但在室溫范圍內(nèi)變化不大; ;o彈性變形的產(chǎn)生和擴(kuò)展速度為聲速，一般的加載速度對彈性變形的產(chǎn)生和擴(kuò)展速度為聲速，一般的加載速度對彈彈性模量性模量影響不大，但爆破加載方式將使其增加影響不大，但爆破加載方式將使其增加; ;o軟硬鋼材的彈性模量相當(dāng)軟硬鋼材的彈性模量相當(dāng).

41、 .1-1- 2 2 彈性變形彈性變形 彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)二、彈性模量：二、彈性模量： 2、彈性模量、彈性模量的的特點(diǎn)特點(diǎn):第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 彈性模量主要取決于原子間的結(jié)合能力，材料彈性模量主要取決于原子間的結(jié)合能力，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(qiáng)度的彈性模數(shù)是構(gòu)成材料的離子或分子之間鍵合強(qiáng)度的主要標(biāo)志。的主要標(biāo)志。 3彈性模量彈性模量1 1）影響彈性模量的因素）影響彈性模量的因素 彈性模量彈性模量E是在作用是在作用力曲線力曲線r=r0時的斜率，因時的斜率，因此此E的大小反映了原子間的大小反映了原子間的作用力曲線在的作用力曲線

42、在r=r0處斜處斜率的率的tgtg大小。大小。原子間原子間結(jié)合力強(qiáng)，如圖中曲線結(jié)合力強(qiáng)，如圖中曲線2 2，2 2和和tgtg2 2都較大，都較大，E E2 2也也就大。就大。 原子間的結(jié)合力原子間的結(jié)合力 第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 高分子聚合物：其分子之間為分子鍵結(jié)合，分高分子聚合物：其分子之間為分子鍵結(jié)合，分子鍵結(jié)合力較弱，高分子聚合物的彈性模數(shù)亦較低。子鍵結(jié)合力較弱，高分子聚合物的彈性模數(shù)亦較低。 （1）鍵合方式和原子結(jié)構(gòu)）鍵合方式和原子結(jié)構(gòu) 一般來說，一般來說，具有強(qiáng)化學(xué)鍵結(jié)合的材料的彈性模量具有強(qiáng)化學(xué)鍵結(jié)合的材料的彈性模量高，在構(gòu)成材料聚集狀態(tài)的高，在構(gòu)成材料聚集狀態(tài)

43、的4種鍵合方式中，共價鍵、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)。分子間僅有弱離子鍵和金屬鍵都有較高的彈性模數(shù)。分子間僅有弱范德華力結(jié)合的材料的彈性模量很小。范德華力結(jié)合的材料的彈性模量很小。 無機(jī)非金屬材料：大多由共價鍵成離子鍵以無機(jī)非金屬材料：大多由共價鍵成離子鍵以及兩種鍵合方式共同作用而成，因而有較高的彈性及兩種鍵合方式共同作用而成，因而有較高的彈性模數(shù)。模數(shù)。 金屬及其合金：金屬鍵結(jié)合，也有較高的彈金屬及其合金：金屬鍵結(jié)合，也有較高的彈性模數(shù)。性模數(shù)。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 材料化學(xué)成分的變化將引起原子間距或鍵合方式材料化學(xué)成分的變化將引起原子間距或

44、鍵合方式的變化，因此也將影響材料的彈性模數(shù)。的變化，因此也將影響材料的彈性模數(shù)。 （2）晶體結(jié)構(gòu)）晶體結(jié)構(gòu) 單晶體材料的彈性模數(shù)在不同晶體學(xué)方向上呈單晶體材料的彈性模數(shù)在不同晶體學(xué)方向上呈各向異性，即沿原子排列最密的晶向上彈性模數(shù)較各向異性，即沿原子排列最密的晶向上彈性模數(shù)較大，反之則小。大，反之則小。 多晶體材料的彈性模數(shù)為各晶粒的統(tǒng)計平均多晶體材料的彈性模數(shù)為各晶粒的統(tǒng)計平均值，值，表現(xiàn)為各向同性，但這種各向同性稱為偽各向同性。表現(xiàn)為各向同性，但這種各向同性稱為偽各向同性。 非晶態(tài)材料，如非晶態(tài)金屬、玻璃等，彈性非晶態(tài)材料，如非晶態(tài)金屬、玻璃等，彈性模量是各向同性的。模量是各向同性的。 （

45、3 3）化學(xué)成）化學(xué)成分分第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料 多數(shù)無機(jī)非金屬材料的內(nèi)部呈晶相和非晶相多數(shù)無機(jī)非金屬材料的內(nèi)部呈晶相和非晶相共存結(jié)構(gòu)。晶相中又有主晶相、次晶相、第二晶共存結(jié)構(gòu)。晶相中又有主晶相、次晶相、第二晶相等。非晶相組成中，又有玻璃相和氣相。玻璃相等。非晶相組成中，又有玻璃相和氣相。玻璃相熔點(diǎn)低，熱穩(wěn)定性差，強(qiáng)度低于晶相。氣相相熔點(diǎn)低，熱穩(wěn)定性差，強(qiáng)度低于晶相。氣相( (氣孔氣孔) )的存在導(dǎo)致陶瓷的彈性模量和機(jī)械強(qiáng)度降的存在導(dǎo)致陶瓷的彈性模量和機(jī)械強(qiáng)度降低。低。 （4 4）微觀組織）微觀組織 第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能在二

46、相系統(tǒng)中，總彈性模量介于高模量成分和低模量成在二相系統(tǒng)中，總彈性模量介于高模量成分和低模量成分間，類似于二相系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)。通過假定材料有分間，類似于二相系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)。通過假定材料有許多層組成，這些層平行或垂直于作用單軸應(yīng)力，找出許多層組成，這些層平行或垂直于作用單軸應(yīng)力，找出最寬的可能界限。最寬的可能界限。若假定每種組分中的應(yīng)變相同，即并聯(lián)，根據(jù)力的平衡若假定每種組分中的應(yīng)變相同，即并聯(lián)，根據(jù)力的平衡條件條件 Eu=V2E2+V1E1（上限模量）上限模量） (1.19) 估算金屬陶瓷，玻璃纖維增強(qiáng)塑料等。估算金屬陶瓷，玻璃纖維增強(qiáng)塑料等。V1 V2分別為第一相和第二相成分的體積分?jǐn)?shù)，分

47、別為第一相和第二相成分的體積分?jǐn)?shù)，E1E2分別分別為第一相和第二相成分的彈性模量。為第一相和第二相成分的彈性模量。如假定每個相中的應(yīng)力相同，即串聯(lián)，則可得兩相系統(tǒng)如假定每個相中的應(yīng)力相同，即串聯(lián)，則可得兩相系統(tǒng)彈性模量的最低值彈性模量的最低值1/EL=V2/E2+V1/E1 （下限模量）下限模量） (1.20)復(fù)相的彈性模量的計算復(fù)相的彈性模量的計算第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 式中，式中，E E0 0為材料無氣孔時的彈性模量，為材料無氣孔時的彈性模量，P P為氣孔率。為氣孔率。 氣孔氣孔可以認(rèn)為是第二相，但氣孔的彈性模量可以認(rèn)為是第二相，但氣孔的彈性模量為零，因此不能應(yīng)用為零，

48、因此不能應(yīng)用(1.19)(1.19)和和(1.20)(1.20)式。對連續(xù)式。對連續(xù)基體內(nèi)的密閉氣孔，可用下面經(jīng)驗(yàn)公式計算彈性基體內(nèi)的密閉氣孔，可用下面經(jīng)驗(yàn)公式計算彈性模量：模量： （1.21)1.21)E=E0(1-1.9P+0.9P2)第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能對連續(xù)基體內(nèi)的密閉氣孔，可用下面經(jīng)驗(yàn)公式：對連續(xù)基體內(nèi)的密閉氣孔，可用下面經(jīng)驗(yàn)公式： E=E0(11.9P+0.9P2)適用于適用于P 50 (1.21) E0為材料無孔時的彈性模量，為材料無孔時的彈性模量，P為氣孔率。為氣孔率。2第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能高分子材料高分子材料 與金屬材料和無機(jī)非金屬

49、材料相比較，高分與金屬材料和無機(jī)非金屬材料相比較，高分子材料的力學(xué)狀態(tài)明顯不同。聚合物多數(shù)為非晶子材料的力學(xué)狀態(tài)明顯不同。聚合物多數(shù)為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，即使是晶態(tài)聚合物，也常是不完整的結(jié)態(tài)結(jié)構(gòu)，即使是晶態(tài)聚合物，也常是不完整的結(jié)晶。晶。高分子聚合物的彈性模數(shù)可以通過添加增強(qiáng)高分子聚合物的彈性模數(shù)可以通過添加增強(qiáng)性填料而提高。性填料而提高。金屬金屬 對于晶態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬材料，彈性模量是一個相對于晶態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬材料，彈性模量是一個相對較穩(wěn)定的力學(xué)性能參數(shù)。對較穩(wěn)定的力學(xué)性能參數(shù)。在合金成分不變的情在合金成分不變的情況下，顯微組織對彈性模數(shù)的影響較小，晶粒大況下，顯微組織對彈性模數(shù)的影響較小，晶粒大小對小對

50、E值無影響。值無影響。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能復(fù)合材料復(fù)合材料 復(fù)合材料是特殊的多相材料。復(fù)合材料是特殊的多相材料。對于單向纖維增對于單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其彈性模數(shù)一股用宏觀模量表示，分強(qiáng)復(fù)合材料，其彈性模數(shù)一股用宏觀模量表示，分別為縱向彈性模量別為縱向彈性模量E E1 1 、橫向彈性模量、橫向彈性模量E E2 2，E E1 1和和E E2 2分分別用下式表示：別用下式表示： mmffVEVEE+=1mmffEVEVE+=2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)。 第一章

51、: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能材料的彈性模量表示材料對于彈性變形的抵抗力。材料的彈性模量表示材料對于彈性變形的抵抗力。 （5 5）溫度）溫度隨著溫度的升高，原子振動加劇，體積膨脹，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，使材料的彈性模數(shù)原子間距增大，結(jié)合力減弱，使材料的彈性模數(shù)降低。降低。 另外，隨著溫度的變化，材料發(fā)生固態(tài)相變另外，隨著溫度的變化，材料發(fā)生固態(tài)相變時，彈性模數(shù)將發(fā)生顯著變化。時，彈性模數(shù)將發(fā)生顯著變化。 （6 6）加載條件和負(fù)荷持續(xù)時間）加載條件和負(fù)荷持續(xù)時間第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1-1- 2 2 彈性變形彈性變形 彈性變形

52、的力學(xué)性能指標(biāo)彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)三、三、 彈性比功彈性比功：o定義定義: : Ae =ee/ /2 =e/ /2Eo 物理意義物理意義-表征材料吸收彈性變形能的能力，可作為儲能表征材料吸收彈性變形能的能力，可作為儲能、n 減震材料的力學(xué)指標(biāo)。減震材料的力學(xué)指標(biāo)。o因因彈性模量彈性模量E是對組織不敏感的常數(shù)指標(biāo)，故需提高材料的彈是對組織不敏感的常數(shù)指標(biāo)，故需提高材料的彈性極限性極限e才能提高才能提高彈性比功彈性比功Ae 第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1-1- 2 2 彈性變形彈性變形 彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)五、彈性不完整性：五、彈性不完整性：o1）包申格效應(yīng)

53、包申格效應(yīng): :o 對于產(chǎn)生了少量塑性變形（殘余應(yīng)變約為對于產(chǎn)生了少量塑性變形（殘余應(yīng)變約為1%4%）的材料，若再）的材料，若再同向同向加載則加載則規(guī)定殘余規(guī)定殘余伸長應(yīng)力伸長應(yīng)力（彈性極限或屈服強(qiáng)度）（彈性極限或屈服強(qiáng)度）升高升高；若再；若再反反向向加載則加載則規(guī)定殘余伸長應(yīng)力規(guī)定殘余伸長應(yīng)力（彈性極限或屈服強(qiáng)（彈性極限或屈服強(qiáng)度）度）降低降低，該現(xiàn)象稱為包申格效應(yīng)。，該現(xiàn)象稱為包申格效應(yīng)。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能包申格效應(yīng)的解釋包申格效應(yīng)的解釋 包申格效應(yīng)與金屬材料中位錯運(yùn)動所受的阻力包申格效應(yīng)與金屬材料中位錯運(yùn)動所受的阻力變化有關(guān)。金屬受載產(chǎn)生少量塑性變形時，變化有關(guān)。

54、金屬受載產(chǎn)生少量塑性變形時，運(yùn)動位運(yùn)動位錯錯遇遇林位錯林位錯而彎曲受阻，并形成而彎曲受阻，并形成位錯纏結(jié)位錯纏結(jié)或或胞狀組胞狀組織織。若此時卸載并隨即同向加載，。若此時卸載并隨即同向加載，被纏結(jié)的位錯線被纏結(jié)的位錯線不能作顯著運(yùn)動，宏觀上表現(xiàn)為規(guī)定殘余伸長應(yīng)力不能作顯著運(yùn)動，宏觀上表現(xiàn)為規(guī)定殘余伸長應(yīng)力增加。但如果卸載后施加反向應(yīng)力，增加。但如果卸載后施加反向應(yīng)力，位錯反向運(yùn)動位錯反向運(yùn)動時前方時前方林位錯林位錯一類的障礙較少，因此可以在較低應(yīng)一類的障礙較少，因此可以在較低應(yīng)力下滑移較大距離，宏觀上表現(xiàn)為規(guī)定殘余伸長應(yīng)力下滑移較大距離，宏觀上表現(xiàn)為規(guī)定殘余伸長應(yīng)力較低的現(xiàn)象。力較低的現(xiàn)象。 第

55、一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 度量包申格效應(yīng)的基本度量包申格效應(yīng)的基本定量指標(biāo)是包申格應(yīng)變，定量指標(biāo)是包申格應(yīng)變，它是指在給定應(yīng)力下，正它是指在給定應(yīng)力下，正向加載與反向加載兩應(yīng)力向加載與反向加載兩應(yīng)力應(yīng)變曲線之間的應(yīng)變差應(yīng)變曲線之間的應(yīng)變差(圖圖1-8)。 在圖在圖1-8中，中，b點(diǎn)為拉點(diǎn)為拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線上給定伸應(yīng)力應(yīng)變曲線上給定的流變應(yīng)力，的流變應(yīng)力， bc即為即為包申格應(yīng)變。包申格應(yīng)變。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能包申格效應(yīng)的意義包申格效應(yīng)的意義 如果金屬材料預(yù)先經(jīng)受大量塑性變形，因位錯增殖和難于重如果金屬材料預(yù)先經(jīng)受大量塑性變形，因位錯增殖和難于重分布，則在

56、隨后反向加載時，包申格應(yīng)變等于零。分布，則在隨后反向加載時，包申格應(yīng)變等于零。 用處：用處： （1）.包申格效應(yīng)對于承受應(yīng)變疲勞載荷作用的機(jī)件在應(yīng)變疲包申格效應(yīng)對于承受應(yīng)變疲勞載荷作用的機(jī)件在應(yīng)變疲勞過程中，每一周期內(nèi)都產(chǎn)生微量塑性變形，在反向加載時，微勞過程中，每一周期內(nèi)都產(chǎn)生微量塑性變形，在反向加載時，微量塑性變形抗力量塑性變形抗力(規(guī)定殘余伸長應(yīng)力規(guī)定殘余伸長應(yīng)力)降低，顯示循環(huán)軟化現(xiàn)象。降低，顯示循環(huán)軟化現(xiàn)象。 （2）.對于預(yù)先經(jīng)受冷塑性變形的材料，如服役時受反向力作對于預(yù)先經(jīng)受冷塑性變形的材料，如服役時受反向力作用，就要考慮微量塑性變形抗力降低的有害影響，如冷拉型材及用，就要考慮微量

57、塑性變形抗力降低的有害影響，如冷拉型材及管子在受壓狀態(tài)下使用就是這種情況。管子在受壓狀態(tài)下使用就是這種情況。 （3）.利用包申格效應(yīng)，如薄板反向彎曲成型。拉撥的鋼棒經(jīng)利用包申格效應(yīng)，如薄板反向彎曲成型。拉撥的鋼棒經(jīng)過軋輥壓制變直等。過軋輥壓制變直等。 消除包申格效應(yīng)的方法是消除包申格效應(yīng)的方法是:預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形，或在預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形，或在第二次反向受力前先使金屬材料于回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火，如第二次反向受力前先使金屬材料于回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火，如鋼在鋼在400500以上，銅合金在以上，銅合金在250270以上退火。以上退火。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1-1- 2

58、 2 彈性變形彈性變形 彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)五、彈性不完整性：五、彈性不完整性：o滯彈性滯彈性（彈性后效彈性后效):):o -指當(dāng)加、卸載速度相對較快時，應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象。指當(dāng)加、卸載速度相對較快時，應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象。o滯彈性滯彈性有兩種有兩種表現(xiàn)表現(xiàn)：n快速加快速加載載后保持應(yīng)力不變，應(yīng)變滯后并逐漸增加；后保持應(yīng)力不變，應(yīng)變滯后并逐漸增加；o 快速加快速加載載后保持應(yīng)變不變，應(yīng)力逐漸松馳。后保持應(yīng)變不變，應(yīng)力逐漸松馳。第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能滯彈性與粘彈性滯彈性與粘彈性1 1）滯彈性滯彈性 滯彈性滯彈性(也稱彈性后效也稱彈性后效)是指材料在快

59、速加是指材料在快速加載或卸載后，隨時間的延長而產(chǎn)生的附加彈性載或卸載后，隨時間的延長而產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的性能。即與時間有關(guān)的彈性。應(yīng)變的性能。即與時間有關(guān)的彈性。 滯彈性在金屬材料和高分子材料中表現(xiàn)得滯彈性在金屬材料和高分子材料中表現(xiàn)得比較明顯，其彈性后效速率和滯彈性應(yīng)變量與比較明顯，其彈性后效速率和滯彈性應(yīng)變量與材料成分、組織有關(guān)，也與試驗(yàn)條件有關(guān)。材料成分、組織有關(guān)，也與試驗(yàn)條件有關(guān)。 第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能（1）蠕變）蠕變 當(dāng)對粘彈性體施加恒定應(yīng)力當(dāng)對粘彈性體施加恒定應(yīng)力0 0時，其應(yīng)變隨時，其應(yīng)變隨時間而增加。這種現(xiàn)象叫做蠕變，此時彈性模量時間而增加。這種現(xiàn)象叫做

60、蠕變，此時彈性模量以也將隨時間而減小。以也將隨時間而減小。 )( )(0ttEc=(1.22)(1.22)第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能（2 2）弛豫（應(yīng)力松弛）弛豫（應(yīng)力松弛） 如果施加恒定應(yīng)變?nèi)绻┘雍愣☉?yīng)變0 0 ，則應(yīng)力將隨時間而減，則應(yīng)力將隨時間而減小，這種現(xiàn)象叫弛豫。此時彈性模量小，這種現(xiàn)象叫弛豫。此時彈性模量E E，也隨時間而，也隨時間而降低。降低。 0)( )(ttEr=(1.23)第一章: 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能. 滯彈性現(xiàn)象滯彈性現(xiàn)象 純彈性體的彈性變形只與載荷大小有關(guān)，與加載方向和純彈性體的彈性變形只與載荷大小有關(guān)，與加載方向和加載時間無關(guān)。但對實(shí)際