材料力學(xué)性能01

1、材料科學(xué)與工程的材料科學(xué)與工程的四要素四要素 使用性能使用性能制備合成制備合成/加工工藝加工工藝成分成分/組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)材料性能材料性能晶粒形貌Al-Si合金純鋁錠組織高分辯電鏡觀察硅晶體原子排列高分辯電鏡觀察硅晶體原子排列注意：結(jié)構(gòu)的尺度！注意：結(jié)構(gòu)的尺度！不同尺度的材料組織結(jié)構(gòu)不同尺度的材料組織結(jié)構(gòu)力力力的平衡力的平衡運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)力學(xué)力學(xué)響應(yīng)響應(yīng)物體平動(dòng)平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)點(diǎn)系剛體剛體力力變形變形斷裂斷裂力學(xué)力學(xué)響應(yīng)響應(yīng)物體變形體變形體( (連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)) )應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變應(yīng)變關(guān)系關(guān)系力力變形變形斷裂斷裂力學(xué)力學(xué)響應(yīng)響應(yīng)材料非連續(xù)非連續(xù)介質(zhì)介質(zhì) T (bold) or Tijkl （

2、下標(biāo)（下標(biāo)階數(shù)）階數(shù)） 張量符號(hào)張量符號(hào) 階數(shù)階數(shù)m 分量數(shù)分量數(shù) 3m 物理量示例物理量示例T Scalar 0(標(biāo)量標(biāo)量) 30=1 r rTi Vector 1(矢量矢量) 31=3 Ei , Pi Tij 2階張量階張量 2 32=9 s sij Tijk 3階張量階張量 3 33=27 dijk Tijkl 4階張量階張量 4 34=81 Cijkl 333231232221131211TTTTTTTTT321TTT物理量的種類及其張量表示物理量的種類及其張量表示應(yīng)力張量（Tensor） sxx xy xz sij = yx syy yx zx zy szz n法向應(yīng)力s導(dǎo)致材料的伸

3、長或縮短n切向應(yīng)力引起材料的切向畸變n根據(jù)剪切應(yīng)力互等的原理可知：xy=yx， 某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)由6個(gè)應(yīng)力分量來決定應(yīng)變張量 xx xy xz ij = yx yy yx zx zy zz 其中xy=yx，應(yīng)變也由6個(gè)獨(dú)立分量決定 ； sij=cijklkl力力變形變形斷裂斷裂力學(xué)力學(xué)響應(yīng)響應(yīng)材料非連續(xù)非連續(xù)介質(zhì)介質(zhì)1981年4月12日：第一架航天飛機(jī) “哥倫比亞”號(hào)首發(fā)成功1986年1月28日：第二架航天飛機(jī) “挑戰(zhàn)者”號(hào)發(fā)射升空中爆炸失事2003年2月1日： “哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)降落時(shí)爆炸解體 (1)熟悉材料在各種應(yīng)力狀態(tài)和不同環(huán)境因素下的變形斷裂行為及其微觀機(jī)制； (2)掌握各種力學(xué)性能

4、指標(biāo)的物理本質(zhì)、測試方法與應(yīng)用，并進(jìn)一步理解材料力學(xué)性能與微觀組織結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系； (3)了解正確評(píng)價(jià)與改善材料力學(xué)性能的方法與途徑。 (1)材料力學(xué)： 應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、彈性變形與本構(gòu)關(guān)系、強(qiáng)度理論等。 (2)材料科學(xué)基礎(chǔ)： 晶體學(xué)、晶體缺陷、位錯(cuò)理論、變形與再結(jié)晶等。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(jì)、剛度設(shè)計(jì)、斷裂設(shè)計(jì)、壽命評(píng)估、失效判據(jù)等(1)(1)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合：理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合：宏觀強(qiáng)度宏觀強(qiáng)度理論理論微觀強(qiáng)度微

5、觀強(qiáng)度理論理論斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)理論理論應(yīng)力應(yīng)力狀態(tài)狀態(tài)變形行為變形行為斷裂行為斷裂行為變形判據(jù)變形判據(jù)斷裂判據(jù)斷裂判據(jù)力學(xué)力學(xué)響應(yīng)響應(yīng)微觀機(jī)制微觀機(jī)制材料構(gòu)件(2)(2)宏觀與微觀相結(jié)合：宏觀與微觀相結(jié)合：準(zhǔn)靜載準(zhǔn)靜載力學(xué)響應(yīng)力學(xué)響應(yīng)材料構(gòu)件(3)(3)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相結(jié)合：靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相結(jié)合：動(dòng)載動(dòng)載準(zhǔn)靜載準(zhǔn)靜載力學(xué)行為力學(xué)行為動(dòng)載動(dòng)載力學(xué)行為力學(xué)行為A:高強(qiáng)度、低塑性、低韌性B:低強(qiáng)度、高塑性、低韌性C:中強(qiáng)度、中塑性、高韌性(4)(4)教學(xué)與科研相結(jié)合：教學(xué)與科研相結(jié)合：材料與狀態(tài)sb（MPa）ss（MPa） （%）（%）sb(MPa%)30CrMnSi新工藝1205918049.627200

6、22新工藝21736170712.43921521傳統(tǒng)工藝113793010451136360Si2Mn新工藝1225918976.2914119新工藝21721164910.63118360傳統(tǒng)工藝165515707.91307540SiMnCrNiMoV新工藝1239419507.22517237新工藝218921517192235494傳統(tǒng)工藝189015878201568730CrMnSiNi2A新工藝11948177312.243.023766新工藝21644154617.442.828626傳統(tǒng)工藝152012688.212464例例2 2：多晶體塑性變形行為：多晶體塑性變形行為多

7、晶體塑性變形機(jī)制：位錯(cuò)晶界塞積應(yīng)力集中促使相鄰晶粒位錯(cuò)開動(dòng)，塑性變形得以傳播。例：雙相多晶鈦合金微觀塑性變形機(jī)制之一 n試樣II：拉伸變形4.2% 晶體取向：部分晶體取向發(fā)生演化。試樣II上標(biāo)記圓環(huán)區(qū)域變形前后的晶體取向成像圖(a)變形前 ；(b)變形后矩形框內(nèi)晶粒晶體取向演化 (a),(c)變形前；(b),(d)變形后雙相多晶鈦合金微觀塑性變形機(jī)制之二 滑移系的開動(dòng)n試樣I(2.4%)：滑移開動(dòng)不均，滑移穿過,協(xié)調(diào)變形試樣I(2.4%)上滑移系的開動(dòng)及滑移線的形貌和分布Grain No.12345678Basal SF0.10.30.20.30.050.15 0.050.15 0.050.1

8、80.150.20.10.20.470.5Prism. SF0.420.46 0.450.480.450.50.400.47 0.430.47 0.420.45 0.430.47 0.150.2某些選定a晶粒的Schmid因子雙相多晶鈦合金微觀塑性變形機(jī)制之二 滑移系的開動(dòng)n試樣II(4.2%)：多滑移系開動(dòng)，協(xié)調(diào)變形變形量為4.2%時(shí)滑移系的開動(dòng)及滑移線的形貌和分布某些選定a晶粒的Schmid因子Grain No.1234Basal SF0.380.430.420.480.350.420.450.50Prism. SF0.300.450.280.330.300.400.200.25(5)PP

9、T(5)PPT與板書相結(jié)合：與板書相結(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)王吉會(huì)、鄭俊萍等，材料力學(xué)性能，天津大學(xué)出版社，王吉會(huì)、鄭俊萍等，材料力學(xué)性能，天津大學(xué)出版社，20062006 (3) (3)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 (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)

10、性能，哈工大出版社，王德尊，金屬力學(xué)性能，哈工大出版社，199319931.1.拉伸試驗(yàn)條件：光滑試樣、軸向拉伸試驗(yàn)條件：光滑試樣、軸向( (準(zhǔn)準(zhǔn)) )靜載靜載拉拉 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 或或不同材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系示意圖2.2.拉伸曲線拉伸曲線:P-:P- L L或或s s- - L或P或s0mFmSR 0eFeSR 100100%LLLA010100%AAAZ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3.3.典型材料拉伸

11、曲線典型材料拉伸曲線: :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晶態(tài)聚合物材料拉伸曲線晶態(tài)聚合物材料拉伸曲線1.1.彈性模量：彈性模量：E E(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(guān)系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)力變化的最大應(yīng)力，即在拉伸應(yīng)力- -應(yīng)變應(yīng)變曲線上開始偏曲線上開始偏離直線時(shí)的應(yīng)力值，其表達(dá)式為離直線時(shí)的應(yīng)力值，其表達(dá)式為:式中：式中：FP為比例極限對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)力，為比例極限對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)力，A0為試棒的原始截為試棒的原始截面面積。面面積。2.2.強(qiáng)度：強(qiáng)度：sp、se、ss、sb(2)(2)彈性極限彈

12、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(shí)的應(yīng)力，應(yīng)力超過彈性極限以后，材料便開始產(chǎn)生塑時(shí)的應(yīng)力，應(yīng)力超過彈性極限以后，材料便開始產(chǎn)生塑性變形。其表達(dá)式為：性變形。其表達(dá)式為：式中：式中：Fe為彈性極限時(shí)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)力，為彈性極限時(shí)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)力，Ao為試棒的原始為試棒的原始截面面積。截面面積。(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(shí)際使用中，很難，在實(shí)際使用中，很難測出準(zhǔn)確而唯一的比例極限和彈性極限數(shù)值。測出準(zhǔn)確而唯一的比例極限和彈性極限數(shù)值。為便于實(shí)際測量和應(yīng)用，應(yīng)

13、以發(fā)生非比例伸長值作定為便于實(shí)際測量和應(yīng)用，應(yīng)以發(fā)生非比例伸長值作定義，故義，故p p在國家標(biāo)準(zhǔn)中稱為在國家標(biāo)準(zhǔn)中稱為“規(guī)定非比例伸長應(yīng)力規(guī)定非比例伸長應(yīng)力”。 例如例如: : 以以 p0.01表示非比例伸長率達(dá)表示非比例伸長率達(dá)0.01%0.01%時(shí)的應(yīng)力。時(shí)的應(yīng)力。比例極限和彈性極限與屈服強(qiáng)度的概念基本相同，都比例極限和彈性極限與屈服強(qiáng)度的概念基本相同，都表示材料表示材料對(duì)微量塑性變形的抗力對(duì)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。p、e的工程意義是：的工程意義是：對(duì)于對(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)系性關(guān)系的機(jī)件，

14、如測力計(jì)彈簧，是依靠彈性變的機(jī)件，如測力計(jì)彈簧，是依靠彈性變形的應(yīng)力正比于應(yīng)變的關(guān)系顯示載荷大小的，形的應(yīng)力正比于應(yīng)變的關(guān)系顯示載荷大小的，則則應(yīng)以比例極限作為選擇材料的依據(jù)應(yīng)以比例極限作為選擇材料的依據(jù)。對(duì)于對(duì)于服役條件不允許產(chǎn)生微量塑性變形的服役條件不允許產(chǎn)生微量塑性變形的機(jī)機(jī)件，設(shè)計(jì)時(shí)件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按彈性極限來選擇材料應(yīng)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(4)(4)屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 對(duì)于沒有明顯屈服對(duì)于沒有明顯屈服階段的塑性材料，用階段的塑性材料，用名義屈服極限名義屈服極限R Rr0.2r0.2來表來表示。示。%2 . 0os2 . 0rR塑性材料在拉伸時(shí)的力學(xué)性能：塑性材料在拉伸時(shí)的力學(xué)性能：兩個(gè)塑性指標(biāo)兩個(gè)塑性指標(biāo): :%100001lllA伸長率伸長率: :斷面收縮率斷面收縮率: :%100010AAAZ%5A為塑性材料為塑性材料%5A為脆性材料為脆性材料03.3.塑性塑性: : k k、 k k塑性材料和脆性材料力學(xué)性