材料物理材料力學(xué)-2017-2

1、2.2 材料的塑性、蠕變與黏彈性材料的塑性、蠕變與黏彈性前面考慮的問題：前面考慮的問題： 而實(shí)際應(yīng)用時(shí)，而實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 是隨時(shí)間的函數(shù)，是隨時(shí)間的函數(shù)， (t)；由此，由此， 也為時(shí)間的函數(shù)。也為時(shí)間的函數(shù)。彈性不完整：加載（卸載）應(yīng)力彈性不完整：加載（卸載）應(yīng)力-應(yīng)變曲線不重合，應(yīng)變曲線不重合，應(yīng)變的發(fā)展跟不上應(yīng)力的變化應(yīng)變的發(fā)展跟不上應(yīng)力的變化滯彈性滯彈性理想理想2.2 材料的塑性、蠕變與黏彈性材料的塑性、蠕變與黏彈性蠕變（蠕變（creep）：在恒定的應(yīng)力作用下材料的應(yīng)變隨在恒定的應(yīng)力作用下材料的應(yīng)變隨時(shí)間時(shí)間增增加而逐漸增大的現(xiàn)象加而逐漸增大的現(xiàn)象位錯(cuò)：位錯(cuò)：高溫使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加快高溫使得

2、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加快擴(kuò)散：擴(kuò)散：空位沿應(yīng)力作用方向擴(kuò)散空位沿應(yīng)力作用方向擴(kuò)散晶界：晶界： 應(yīng)力使得晶界發(fā)生黏性流動(dòng)應(yīng)力使得晶界發(fā)生黏性流動(dòng)影響因素：溫度、應(yīng)力、組分、晶體鍵型、氣孔、影響因素：溫度、應(yīng)力、組分、晶體鍵型、氣孔、晶粒大小、玻璃相等。晶粒大小、玻璃相等。加速加速2.2 材料的塑性、蠕變與黏彈性材料的塑性、蠕變與黏彈性黏彈性（黏彈性（viscoelasticity）：介于理想彈性固體與理想黏性液介于理想彈性固體與理想黏性液體之間，既具有固體的彈性又具有液體的黏性。（高分子）體之間，既具有固體的彈性又具有液體的黏性。（高分子） 123/123(1)tetEE普彈普彈+ +高彈高彈+ +黏性應(yīng)變

3、黏性應(yīng)變黏彈性材料的力學(xué)黏彈性材料的力學(xué)性質(zhì)與時(shí)間有關(guān)性質(zhì)與時(shí)間有關(guān)普彈應(yīng)變普彈應(yīng)變：分子鏈內(nèi)部鏈長(zhǎng)和鍵角在受力時(shí)的瞬時(shí)形變：分子鏈內(nèi)部鏈長(zhǎng)和鍵角在受力時(shí)的瞬時(shí)形變高彈應(yīng)變高彈應(yīng)變：分子鏈段在受力時(shí)逐漸伸展的形變：分子鏈段在受力時(shí)逐漸伸展的形變黏性應(yīng)變黏性應(yīng)變：沒有化學(xué)交聯(lián)的線性分子鏈段受力時(shí)的相對(duì)滑移：沒有化學(xué)交聯(lián)的線性分子鏈段受力時(shí)的相對(duì)滑移松弛時(shí)間松弛時(shí)間材料黏度材料黏度2.2 材料的塑性、蠕變與黏彈性材料的塑性、蠕變與黏彈性應(yīng)力松馳（應(yīng)力松馳（stress relaxation）：恒定應(yīng)變時(shí)，材料恒定應(yīng)變時(shí)，材料內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小的現(xiàn)象。（高分子）內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小的現(xiàn)

4、象。（高分子） 應(yīng)力松馳應(yīng)力松馳蠕變?nèi)渥冹o態(tài)力學(xué)松馳過程靜態(tài)力學(xué)松馳過程/0te2.2 材料的塑性、蠕變與黏彈性材料的塑性、蠕變與黏彈性0( )sintt0( )sin()tt交變應(yīng)力作用下，形變落后于應(yīng)力變化的現(xiàn)象稱為交變應(yīng)力作用下，形變落后于應(yīng)力變化的現(xiàn)象稱為滯后滯后同相位時(shí)，沒有滯后現(xiàn)象，無能量損失。同相位時(shí)，沒有滯后現(xiàn)象，無能量損失。存相位差時(shí)，則每一循環(huán)周期狀時(shí)損失能量，為存相位差時(shí)，則每一循環(huán)周期狀時(shí)損失能量，為力損耗力損耗。00( )( )sinWt dt 力學(xué)損耗角力學(xué)損耗角在外力作用和去除的過程中，大在外力作用和去除的過程中，大分子的形變是分子的形變是大分子鏈段發(fā)生重大分子鏈

5、段發(fā)生重排的過程排的過程，這種過程需有一定的，這種過程需有一定的時(shí)間，導(dǎo)致應(yīng)變的產(chǎn)生滯后于應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致應(yīng)變的產(chǎn)生滯后于應(yīng)力的作用。力的作用。2.2 材料的塑性、蠕變與黏彈性材料的塑性、蠕變與黏彈性玻玻璃璃態(tài)態(tài)高高彈彈態(tài)態(tài)黏黏流流態(tài)態(tài)力力損損耗耗溫度溫度玻玻璃璃態(tài)態(tài)黏黏彈彈態(tài)態(tài)橡橡膠膠態(tài)態(tài)力力損損耗耗log高分子材料高分子材料輪胎，傳動(dòng)帶輪胎，傳動(dòng)帶防震、隔音防震、隔音損耗損耗小小大大 鍵長(zhǎng)、鍵角鍵長(zhǎng)、鍵角鏈段運(yùn)動(dòng)鏈段運(yùn)動(dòng)鏈段運(yùn)動(dòng)相對(duì)自由鏈段運(yùn)動(dòng)相對(duì)自由滑移滑移天生我材必有用！天生我材必有用！2.2 材料的塑性、蠕變與黏彈性材料的塑性、蠕變與黏彈性拆分拆分Boltzman疊加原理疊加原理：黏彈性

6、材料的力學(xué)松弛行為是其整個(gè)歷史上各個(gè)應(yīng)黏彈性材料的力學(xué)松弛行為是其整個(gè)歷史上各個(gè)應(yīng)力貢獻(xiàn)的力貢獻(xiàn)的線性加和線性加和的結(jié)果的結(jié)果黏彈性材料黏彈性材料彈性材料彈性材料黏性材料黏性材料如何組合如何組合2.2 材料的塑性、蠕變與黏彈性材料的塑性、蠕變與黏彈性1212/0( )(1)tteE0ddt11E22Voigt模型模型在保持應(yīng)力恒定時(shí)，應(yīng)變隨時(shí)間的在保持應(yīng)力恒定時(shí)，應(yīng)變隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大增長(zhǎng)而增大蠕變?nèi)渥?.2 材料的塑性、蠕變與黏彈性材料的塑性、蠕變與黏彈性11E22EEddt1212/00( )exp()tEtte0ddt在保持應(yīng)變恒定時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間在保持應(yīng)變恒定時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減

7、按指數(shù)規(guī)律衰減應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛Maxwell模型模型2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度根據(jù)外力作用的形式，可分為根據(jù)外力作用的形式，可分為抗拉強(qiáng)度、抗沖強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)抗拉強(qiáng)度、抗沖強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。等。 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是指在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，在規(guī)定的試驗(yàn)溫度、濕度和是指在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，在規(guī)定的試驗(yàn)溫度、濕度和拉伸速率下，在啞鈴形材料標(biāo)準(zhǔn)試樣上施加拉伸負(fù)荷，直至拉伸速率下，在啞鈴形材料標(biāo)準(zhǔn)試樣上施加拉伸負(fù)荷，直至試樣斷裂時(shí)所承受的最大應(yīng)力。試樣斷裂時(shí)所承受的最大應(yīng)力。機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度(mechanical strength)：材料在外力作用下抵

8、抗形變及材料在外力作用下抵抗形變及斷裂破壞的能力。斷裂破壞的能力。2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度理論結(jié)合強(qiáng)度理論結(jié)合強(qiáng)度指材料的原子間結(jié)合力的最大值指材料的原子間結(jié)合力的最大值th2sinx?完美晶體拉斷的示意圖：完美晶體拉斷的示意圖：mn為斷裂面的跡線為斷裂面的跡線d為原子間距為原子間距2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度th2sinx2th02sinxdxth222sinxx1/2th()Ea外力分開單位面積的原子面所做外力分開單位面積的原子面所做的功等與斷裂時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)單位的功等與斷裂時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)單位面積的新表

9、面所需的表面能面積的新表面所需的表面能積積分分Hook定律定律xEEd2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度表面能表面能?從微觀結(jié)構(gòu)角度理解，不同晶面從微觀結(jié)構(gòu)角度理解，不同晶面的表面能應(yīng)該如何考量？的表面能應(yīng)該如何考量？2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度脆性斷裂脆性斷裂韌性斷裂韌性斷裂曲線下的面積正比于發(fā)生韌性斷裂所需的能量曲線下的面積正比于發(fā)生韌性斷裂所需的能量屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度韌性韌性2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度脆性斷裂脆性斷裂韌性斷裂韌性斷裂2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度2.3 材料

10、的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度格里菲斯（格里菲斯（Griffith）裂紋理論）裂紋理論材料中有微裂紋存在將引起材料中有微裂紋存在將引起應(yīng)力集中應(yīng)力集中，使，使得斷裂強(qiáng)度大為下降。對(duì)應(yīng)于一定尺寸的得斷裂強(qiáng)度大為下降。對(duì)應(yīng)于一定尺寸的裂紋，有一裂紋，有一臨界應(yīng)力值臨界應(yīng)力值c。當(dāng)外加應(yīng)力低。當(dāng)外加應(yīng)力低于于c時(shí)，裂紋不能擴(kuò)大，只有當(dāng)應(yīng)力超過時(shí)，裂紋不能擴(kuò)大，只有當(dāng)應(yīng)力超過c時(shí)，裂紋迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致斷裂。時(shí)，裂紋迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致斷裂。2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度裂紋斷裂理論裂紋斷裂理論1/2A12(/)C R1/2A2 (/)C R1/2A2 (/ )C a裂紋尖端的應(yīng)力裂紋尖

11、端的應(yīng)力扁平的裂紋扁平的裂紋曲率半徑曲率半徑R的最小值近似的最小值近似與原子間距與原子間距a同一數(shù)量級(jí)同一數(shù)量級(jí)應(yīng)力在裂紋尖端集中應(yīng)力在裂紋尖端集中Athf1/2f(/4 )EC裂紋擴(kuò)展的臨界條件裂紋擴(kuò)展的臨界條件裂紋擴(kuò)展的必須條件裂紋擴(kuò)展的必須條件斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度2CCR裂紋尖端的曲率半徑裂紋尖端的曲率半徑R裂紋的長(zhǎng)度裂紋的長(zhǎng)度2C2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度Griffith理論是理論是基于彈性理論基于彈性理論基礎(chǔ)，對(duì)具有一定韌性的材料基礎(chǔ)，對(duì)具有一定韌性的材料來說，和實(shí)際情況相差較遠(yuǎn)，原因在于裂紋在具有一定韌來說，和實(shí)際情況相差較遠(yuǎn)，原因在于裂紋在具有一定韌性的材料中擴(kuò)

12、展時(shí)，除了產(chǎn)生裂紋的表面而需要提供表面性的材料中擴(kuò)展時(shí)，除了產(chǎn)生裂紋的表面而需要提供表面能外，還會(huì)由于在裂紋前端產(chǎn)生一個(gè)塑性變形區(qū)而能外，還會(huì)由于在裂紋前端產(chǎn)生一個(gè)塑性變形區(qū)而消耗一消耗一部分塑性變形能部分塑性變形能，斷裂前會(huì)產(chǎn)生大范圍的塑性變形的斷裂，斷裂前會(huì)產(chǎn)生大范圍的塑性變形的斷裂1/2f()/ 4 p EC2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度 根據(jù)斷裂前塑性變形大小：脆性、韌性。根據(jù)斷裂前塑性變形大?。捍嘈浴㈨g性。 根據(jù)斷裂面的取向分類：正斷、切斷根據(jù)斷裂面的取向分類：正斷、切斷 根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑：穿晶斷裂、沿晶斷裂。根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑：穿晶斷裂、沿晶斷裂。 根據(jù)斷裂機(jī)理

13、分類：根據(jù)斷裂機(jī)理分類： 解理斷裂解理斷裂 微孔聚集型斷裂微孔聚集型斷裂 純剪切斷裂純剪切斷裂2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度Moderately Ductile Failure2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度斷裂韌性斷裂韌性IA2KIA2 22KCYCR前面談及前面談及1/2A2 (/)C RIICKYCK引入一特征常數(shù)引入一特征常數(shù)（平面應(yīng)變斷裂韌性）（平面應(yīng)變斷裂韌性）設(shè)計(jì)的構(gòu)件才安全，不致發(fā)生低應(yīng)力下的脆性斷裂設(shè)計(jì)的構(gòu)件才安全，不致發(fā)生低應(yīng)力下的脆性斷裂應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)因子應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)因子2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材

14、料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度溫度的影響溫度的影響航天的材料？航天的材料？延展性、脆性延展性、脆性2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度時(shí)間的影響時(shí)間的影響（疲勞）（疲勞）2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度疲勞機(jī)制疲勞機(jī)制2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度改善疲勞改善疲勞例子：例子：鐵匠鐵匠滲碳滲碳2.3 材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度硬度硬度材料的硬度取決于其化學(xué)組成和物質(zhì)結(jié)構(gòu)離子半徑越材料的硬度取決于其化學(xué)組成和物質(zhì)結(jié)構(gòu)離子半徑越小，離子電價(jià)越高，配位數(shù)越小，則結(jié)合能越大，抵小，離子電價(jià)越高，配位數(shù)越小，則

15、結(jié)合能越大，抵抗外力刻劃和壓入的能力就越強(qiáng)，所以硬度就越大。抗外力刻劃和壓入的能力就越強(qiáng)，所以硬度就越大。2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制Yongjun Tian, et al. Ultrahard

16、nanotwinned cubic boron nitride. Nature 493(2013)385-3882.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制2.4 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制H. Q. Li, et al. Strong and ductile nanostructured Cu-carbon nan

17、otube composite. Appl. Phys. Lett. 95(2009) 071907 結(jié)實(shí)的麥粒結(jié)實(shí)的麥粒一塊鐵沉下去一塊鐵沉下去, ,落在龍山落在龍山-你的根據(jù)地你的根據(jù)地, ,在那里在那里有你的年事已高的父親有你的年事已高的父親, ,有石磨有石磨 分成兩半分成兩半, ,置于院壩一角置于院壩一角, ,有鳥兒有鳥兒在柏樹頂鳴叫黃昏。多少年前在柏樹頂鳴叫黃昏。多少年前你渴望用故鄉(xiāng)的紅土修一座土房你渴望用故鄉(xiāng)的紅土修一座土房看你的麥子由青變黃，看絲瓜看你的麥子由青變黃，看絲瓜爬上籬笆，為一朵云的流浪而憂傷爬上籬笆，為一朵云的流浪而憂傷而今，上天有眼：你終于實(shí)現(xiàn)了而今，上天有眼：你終于實(shí)現(xiàn)了在故居，風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)，麥殼被吹出在故居，風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)，麥殼被吹出留下結(jié)實(shí)的麥粒留下結(jié)實(shí)的麥粒 蕭艾蕭艾 鄉(xiāng)村的早晨鄉(xiāng)村的早晨蛙鳴將土房浮起，并形成海洋蛙鳴將土房浮起，并形成海洋鳥聲在南屋角外飛走，把天空叫得響亮鳥聲在南屋角