材料力学性能05-08.ppt

材料力学性能05-08.ppt

《材料力学性能05-08.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料力学性能05-08.ppt（99页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

材料力学性能哈尔滨工业大学材料学院朱景川应力状态很软

（2）,适用面广；高碳钢氮化层截面硬度压痕分布碳化钨陶瓷5.5.硬度与强度关系及试验方法的改进硬度与强度关系及试验方法的改进

（1）硬度试验特点一些材料的硬度方法简便，基本“无损”，适于现场检验；物理意义不明确，难以定量设计。

（2）硬度与强度之间关系钢铁：

K=0.330.36铜合金、不锈钢等：

K=0.40.55退火金属的硬度与强度关系注意：

硬度的单位！

（3）纳米压痕试验纳米压痕载荷-位移曲线H纳米硬度；S接触刚度；A接触面积；与压头几何形状相关的常数；Er等效模量纳米压痕试验原理习题2：

试比较各种硬度试验原理、特点及应用。

S2-1弹性变形及其物理本质第二章材料变形行为1.1.弹性变形特点弹性变形特点

（1）可逆性；

（2）一般为线弹性；（3）弹性应变较小。

2.2.弹性变形的宏观描述弹性变形的宏观描述胡克定律胡克定律OO复杂应力状态各向同性线弹性体的广义胡克定律3.3.弹性变形的微观本质弹性变形的微观本质双原子模型弹性变形物理本质：

原子键合几何参数随外力的可逆变化。

弹性模量的物理本质：

反映原子间结合能的大小。

工程弹性常数

（1）杨氏模量E：

（2）切变模量G：

（3）泊松比：

（4）体模量K：

各向同性体只有两个独立的弹性常数：

S2-2材料的弹性常数1.1.弹性常数的工程意义弹性常数的工程意义

（1）构件稳定性与刚度弹性模量是决定构件刚度的重要因素。

强度设计：

不发生塑性变形。

刚度设计：

限制弹性变形。

比弹性模量：

E/

（2）弹性与弹性比功ae注意：

弹性与刚度的区别！

（1）

（1）原子种类与键合方式原子种类与键合方式一般来说，在构成材料聚集状态的一般来说，在构成材料聚集状态的44种键合方式中，种键合方式中，共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数，分共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数，分子键弹性模数低。

子键弹性模数低。

无机非金属材料无机非金属材料大多由共价键或离子键以及两种键大多由共价键或离子键以及两种键合方式共同作用而成，因而有合方式共同作用而成，因而有较高的弹性模数较高的弹性模数。

金属及其合金金属及其合金为金属键结合，也有为金属键结合，也有较高的弹性模数较高的弹性模数。

高分子聚合物高分子聚合物的分子之间为分子键结合，因而高分的分子之间为分子键结合，因而高分子聚合物的子聚合物的弹性模数亦较低弹性模数亦较低。

2.2.影响弹性模量的因素影响弹性模量的因素

（2）

（2）晶体结构晶体结构单晶体材料单晶体材料的弹性模数在不同晶体学方向上的弹性模数在不同晶体学方向上呈呈各向异性各向异性，即沿原子排列最密的晶向上弹性，即沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小。

模数较大，反之则小。

多晶体材料多晶体材料的弹性模数为各晶粒的统计平均的弹性模数为各晶粒的统计平均值，表现为各向同性，但这种各向同性称为值，表现为各向同性，但这种各向同性称为伪伪各向同性各向同性。

非晶态材料非晶态材料，如非晶态金属、玻璃等，弹性，如非晶态金属、玻璃等，弹性模量是模量是各向同性各向同性的。

的。

（3）（3）合金元素合金元素材料化学成分的变化可引起材料化学成分的变化可引起原子间距或键合方式的变化原子间距或键合方式的变化，因此也能影响材料的弹性模数。

因此也能影响材料的弹性模数。

与纯金属相比，与纯金属相比，合金合金的弹性模数将随的弹性模数将随组成元素的质量分组成元素的质量分数数（）、晶体结构和组织状态、晶体结构和组织状态的变化而变化。

的变化而变化。

固溶体合金固溶体合金的弹性模数主要取决于的弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶溶剂元素的性质和晶体结构体结构。

随着溶质元素质量分数的增加，虽然固溶体的。

随着溶质元素质量分数的增加，虽然固溶体的弹性模数发生改变，但在溶解度较小的情况下一般变化弹性模数发生改变，但在溶解度较小的情况下一般变化不大，例如碳钢与合金钢的弹性模数相差不超过不大，例如碳钢与合金钢的弹性模数相差不超过55。

在在两相合金两相合金中，弹性模数的变化比较复杂，中，弹性模数的变化比较复杂，它与它与合金成分，第二相的性质、数量、尺寸及合金成分，第二相的性质、数量、尺寸及分布状态分布状态有关例如在铝中加入有关例如在铝中加入Ni（15）、Si（13），形成具有较高弹性模数的金属间，形成具有较高弹性模数的金属间化合物，使弹性模数由纯铝的约化合物，使弹性模数由纯铝的约6.5104MPa增高到增高到9.38l04MPa。

（4）（4）微观组织微观组织金属材料金属材料刚度代表的弹性模数，是一刚度代表的弹性模数，是一个个组织不敏感组织不敏感的力学性能指标。

的力学性能指标。

工程陶瓷弹性工程陶瓷弹性模数的大小与构成陶瓷模数的大小与构成陶瓷的相的的相的种类、粒度、分布、比例及气种类、粒度、分布、比例及气孔串孔串有关。

有关。

气孔率对陶瓷的弹性模数的影响大致气孔率对陶瓷的弹性模数的影响大致可用下式表示：

可用下式表示：

式中：

式中：

E0为无气孔时的弹性模数；为无气孔时的弹性模数；p为气孔率。

为气孔率。

可见：

可见：

随着气孔率的增加，陶瓷的随着气孔率的增加，陶瓷的E值下降值下降。

高分子聚合物的弹高分子聚合物的弹性模数可以通过添加性模数可以通过添加增强填料而提高！

增强填料而提高！

图图1-71-7所示为热裂所示为热裂炭黑填科对天然橡胶炭黑填科对天然橡胶弹性模数的影响。

弹性模数的影响。

复合材料是特殊的多相材料。

对于复合材料是特殊的多相材料。

对于增强相为粒状的复增强相为粒状的复合材料合材料，其弹性模数，其弹性模数随增强相体积分数的增高而增大随增强相体积分数的增高而增大。

对于单向纤维增强复合材料，其弹性模数一般用宏观对于单向纤维增强复合材料，其弹性模数一般用宏观模量表示，分别为纵向弹性模量模量表示，分别为纵向弹性模量E1、横向弹性模量、横向弹性模量E2:

式中：

式中：

Ef、Em分别为纤维和基体的弹性模数；分别为纤维和基体的弹性模数；vf、vm分别为纤维和基体的体积分数。

分别为纤维和基体的体积分数。

显然：

显然：

无论是纵向弹性模数还是横向弹性模数，均与构无论是纵向弹性模数还是横向弹性模数，均与构成复合材料的纤维和基体的弹性模数及体积分数有关。

成复合材料的纤维和基体的弹性模数及体积分数有关。

5.5.温度温度一般说来，一般说来，随着温度的升高，原子振动加剧，随着温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，使材料体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，使材料的弹性模数降低。

的弹性模数降低。

例如，碳钢加热时，温度每升例如，碳钢加热时，温度每升高高100，E值下降值下降35。

另外，随着温度的变化，另外，随着温度的变化，材料发生固态相变时，材料发生固态相变时，弹性模数将发生显著变化弹性模数将发生显著变化。

图图1-81-8为几种材为几种材料的弹性模数料的弹性模数随着温度随着温度（温度温度与熔点之比与熔点之比）的的变化情况。

变化情况。

材料力学性能哈尔滨工业大学材料学院朱景川S2-3弹性不完整性第二章材料变形行为

（1）单值；

（2）线性；（3）应力应变同步。

理理想想弹性体的力学行为：

弹性体的力学行为：

O应变应变落后落后于应力于应力（弹性弹性滞后滞后）弹性不完整性实际实际材料材料静态:

弹性后效动态:

内耗粘弹性:

显著的时间相关性1.1.静静态弹性态弹性后后效效ab:

ab:

正弹性后效正弹性后效（弹性蠕变弹性蠕变）cd:

cd:

反弹性后效反弹性后效恒载:

=0s

（2）塑性变形的滑移机制滑移是位错运动的结果：

刃型位错滑移过程螺形位错及其滑移位错滑移变形实验证据：

F-R位错增值机制滑移的方向性:

滑移条件单晶体单向拉伸宏观与微观变形之关系滑移条件临界切应力定律屈服时：

=c,=s（3）塑性变形的孪生机制塑性变形的孪生机制在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。

面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。

金属晶体中变形部分与金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。

侧形成镜面对称关系。

发生孪生的部分（切发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或变部分）称为孪生带或孪晶。

孪晶。

孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生行时发生.特点：

特点：

孪生孪生原子移动的相对位移是原子间距的分数值原子移动的相对位移是原子间距的分数值.变形量较小变形量较小FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，BCC金金属仅在室温或受冲击时发生。

属仅在室温或受冲击时发生。

HCP金属较容易发生孪生。

金属较容易发生孪生。

黄铜中的孪晶黄铜中的孪晶锌中的孪晶锌中的孪晶（11）多晶体塑性变形特点多晶体塑性变形特点a.a.各晶粒变形的不同时性和不均各晶粒变形的不同时性和不均匀匀性性多晶体金属：

多晶体金属：

由于各晶粒位向不同，由于各晶粒位向不同，受受外力作用时，外力作用时，某某些晶体位向有些晶体位向有利利的的晶粒晶粒先滑先滑移变形移变形由于各相晶粒的晶体结构、位由于各相晶粒的晶体结构、位错滑错滑移移的难的难易易程度以及应力状态的不同，程度以及应力状态的不同，那那些位向有些位向有利利或或产产生应力集中的晶粒生应力集中的晶粒首首先产先产生塑性变形生塑性变形金属材料的组织金属材料的组织越越不均不均匀匀，则起，则起始始的的塑性变形不同时性和不均塑性变形不同时性和不均匀匀性性就越就越显显著著。

3.3.多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形（11）多晶体金属塑性变形的特点多晶体金属塑性变形的特点b.b.变形的相变形的相互协调互协调性性多晶体作为一个多晶体作为一个整整体，不体，不允许允许晶粒晶粒仅仅在一个在一个滑滑移系移系中变形，中变形，否否则将则将造造成晶成晶界开界开裂裂，这，这就就要要求求各晶粒之各晶粒之间能间能协调协调变形变形因此，因此，每个晶粒每个晶粒必须必须能同时沿几个能同时沿几个滑滑移系进行移系进行滑滑移，移，或在或在滑滑移的同时移的同时产产生生孪孪生变形，以生变形，以保持保持材料的材料的整整体体性性。

多晶体塑性变形的必要条件：

至少5个独立的滑移系。

（22）多晶体塑性变形过程多晶体塑性变形过程多晶体塑性变形机制：

位错晶界塞积应力集中促使相邻晶粒位错开动，塑性变形得以传播。

（22）多晶体塑性变形过程多晶体塑性变形过程多晶体塑性变形机制：

位错晶界塞积应力集中促使相邻晶粒位错开动，塑性变形得以传播。

4.陶瓷材料塑性变形特点陶瓷材料塑性变形特点在共价键键合的陶瓷中，原子之间的键合是特定的并具有方向性。

当位错以水平方向运动时，必须破坏这种特殊的原子键合，而共价键的结合力是很强的，位错运动有很高的点阵阻力。

因此，以共价键键合的陶瓷，不论是单晶体还是多晶体，都难以发生塑性变形。

（a）共价键共价键结合键对位错运动的影响结合键对位错运动的影响离子键合的陶瓷，也具有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系能满足位错运动的几何条件和静电作用条件。

所以只有极少数具有简单晶体结构的单晶体，如MgO、KCl（均为NaCl型结构）在室温下具有塑性，而一般晶体结构复杂的材料在室温下不能进行塑性变形。

但是离子键合陶瓷多晶体，由于滑移系统较少不能满足多晶体协调变形条件，导致多晶体难以塑性变形。

陶瓷材料陶瓷材料一般呈多晶状态，而一般呈多晶状态，而且且还还存存在气孔、微裂在气孔、微裂纹纹、玻璃相等。

位、玻璃相等。

位错更错更加不加不易易向向周围周围晶体晶体传播传播，更易更易在晶在晶界处塞界处塞积而积而产产生应力集中，形成裂生应力集中，形成裂纹纹引起引起断断裂。

裂。

所以所以陶瓷材料很难进行塑性变形陶瓷材料很难进行塑性变形。

玻璃材料玻璃材料与一般陶瓷材料的塑性变形机理不同与一般陶瓷材料的塑性变形机理不同非晶态玻璃材料：

非晶态玻璃材料：

由于不由于不存存在晶体中的在晶体中的滑滑移和移和孪孪生生的变形机制，其的变形机制，其永久永久变形是通过分子位变形是通过分子位置