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1、材料力學性能 劉家臣 13902072240 歷史時代劃分 : 石器、陶器、青銅器、鐵器 新炻器、鋼鐵、復合材料、納米 第一章 緒 論 材料是 用來制造器件的 物質 促進社會進步 : 鋼鐵材料 工業(yè)社會 半導體材料 信息社會 高溫、高比強材料 空天社會？ 現(xiàn)代文明的重要標志 : 21世紀 信息、生物、能源、空間、材料 性能 工藝 產(chǎn)品 應用 設計 工程體系 結構 組成 科學體系 金屬、非金屬、高分子、復合 原子、電子、宏觀、微觀、介觀 定義：給定外界條件下的行為 力 熱 /電 /磁 /光 /聲 /生物 關系：基礎 一、課程地位 材料科學與工程體系 二、研究對象、內(nèi)容 材料受外力作用后的 力學
2、行為規(guī)律 及其 物理本質 和 評價方法 。 1、 基本力學性能： 彈性 、 塑性 、 粘性 ， 變形 、 斷裂 2、 環(huán)境介質條件下力學性能： 高溫 、 腐蝕 、 氧化 、 滲入 、 疲勞 、 蠕變 金屬 （ 基礎 ） 、 陶瓷 （ 偏重 ） 、 高分子 （ 涉及 ） 力學：學科基礎；工程力學：設計基礎；力學性能：應用基礎 三、作用（目的） 1）正確選材、評價 ： 索道、刀刃 延塑 -金屬 /脆硬 -陶瓷 /柔彈 -高分子 2）創(chuàng)新新材料 ： 高鐵（減震）、大飛機（復合）、大火箭（防腐）、空天（高溫） 3）零構件失效分析： 1912-Titanic； 2003-Columbia ； 2011-
3、核泄漏； 2008-南方冰雪 學分 & 學位 第二章 材料的靜載力學性能 2.1靜載拉伸試驗 最基本 、 廣泛的力學性能試驗 測定力性：評價 、 比較 、 選材依據(jù) 揭示基本力性規(guī)律：脆、彈、塑、粘性 標準試樣： d0, l0, A0, l0= 5d0, l0= 10d0 P 拉長 l=l - l0 條件 （ 工程 ） 應力 =P/A 0， 假設 A0 、 l0不變 條件（工程）應變 =l/ l 0 2.1.1 應力應變曲線 O a m b k n m 1、脆性材料（陶瓷類） 1） 單值對應，直線，最高載荷點斷裂 2） E=tg =（ / ），彈性模量的意義：對彈 性變形的抗力（剛度設計中的重
4、要指標） 3） 陶瓷類，橫向交聯(lián)好的聚合物，普通灰鑄鐵 2、彈性材料（高分子類 ） 1） 極大的彈性變形，高分子類，如橡皮 2） 消除 恢復，無殘余形變 3） E與 “ 彈性 ” ： E彈性變形的抗力，彈性大的材料， E小 3、塑性材料（金屬類 ） 1） 頸縮 b：均勻變形 集中變形，斷裂之前兆 2） 屈服點 a：彈性 塑性； oa：彈性變形， a后：彈性 +塑性 3） 應變強化 /加工硬化：經(jīng)一定塑性變形后屈服點 的現(xiàn)象。 m點卸載 ， 沿 mn降為零（總應變 om=殘 留 /塑性 on+恢復 /彈性 nm） ,重新加載 nmbk，屈服點 am 。 金屬材料應力應變的不同形式 高分子材料應力
5、應變的不同形式 4、其它 （ 1） 脆、塑、彈性綜合應用 （ 2）應力應變形式的多樣性 (3) 陶瓷假塑性：仿生層狀、陶瓷弱界面、纖維編織、非晶態(tài) 95CaCO4/殼質素 Cf/SiC 1、強度指標 2.1.2 拉伸性能指標 1)屈服強度 ： 比例極限 p：符合線性關系的最高應力值 彈性極限 e：卸載后能完全彈性恢復的最高應力值 屈服強度 0.2 or ys：規(guī)定以發(fā)生一定殘留變形為標準的應力 (通常以 0.2%殘留變形的應力表示 ) 2) 抗拉強度： b=Pb(最高載荷 )/A0（原始截面積）。 是產(chǎn)生最大均勻變形的抗力 3)實際斷裂強度： Sk=Pk(斷裂時載荷 )/Ak（真實截面積）。表
6、征材料對斷裂的抗力 2、塑性指標 1）延伸率： k=(lk-l0)/l0， lk和 l0分別為斷裂后和原始標長，含均勻延伸率 b和集中延伸率 c - b取決于材料屬性 , c與試樣幾何尺寸有關 , l0越大， c越小 對 l0=5d0, l0=10d0試樣，延伸率分別為 ， 5 10 2）斷面收縮率： k=(A0-Ak)/A0， A0和 Ak分別為斷口處原始和斷裂后最小截面積，含均勻和集中收縮率 k只決定于材料性質，與試樣尺寸無關 3) 塑性指標之間的關系 ,P21 4）塑性指標的意義： 預報：斷裂前有變形前兆，防突發(fā)脆斷，可靠 緩沖：局部塑性變形松弛或緩沖偶然過載引起的集中應力，安全 加工：
7、塑造期望的形狀，如彎曲、沖壓等冷成型， 成本，容易 作業(yè)： 1）金屬材料 應力應變曲線的典型形式與主要特征，各為什么材料所特有？ 2)比較比例極限、彈性極限和屈服強度的異同，說明這幾個強度指標的實 際意義。 3）說明為什么 5 10？ 4) 推導延伸率與斷面收縮率之間的關系 發(fā)現(xiàn)： “ 取一金屬絲，長 20英尺或 30英尺或 40英尺，上部固定在一根釘子上，另一端固 定一個放砝碼用的稱盤，以兩角規(guī)量測盤底與地面的距離；然后，置砝碼于其上， 測量上述金屬絲的伸長并記錄之。比較金屬絲的伸長量可以發(fā)現(xiàn)：其不同伸長的 比例，與引起伸長所置的砝碼重量的比例相同。 ” 300年前 Robert Hooke
8、 用 F=kx表示之，后來演化成 =E 不完善 : 只描述了受力 變形，缺少卸除 消失，可逆性 是彈性變形的重要特征！ 只考慮了伸長，忽略截面的收縮。 創(chuàng)新 - 完善 表達？ 1800年前：鄭玄 -在 “ 考弓記 弓人 ” 描述測試弓力時， “ 每加物一石，則張一尺 ” 2.2 彈性變形 =E 2.2.1 彈性變形及其物理本質 上述實驗問題：為什么會伸長？ 原子間距變化；取決于原子間作用力！ 2.2.1.1彈性變形過程 原子間作用力隨原子間距變化： P=A/r2（ 引力 ） +B/r4（ 斥力 ） 平衡狀態(tài) r0：引力 =斥力 外力：拉， r( 彈性變形 )，引力 ，恢復原子平衡位 r0 壓，
9、 r ，合力 =斥力 ，撤除外力后恢復 r 達 rm：理論斷裂強度 rm P 2.2.1.2 物理本質 E（本質）是原子間作用力曲線（在平衡位置）斜率（ tg ） 哪個原子間作用力強？ 2: tg 2 tg 1 ； E2 E1；使原子 分開同樣距離， 2需要的力大。 壓應力 ， r ， tg ， E 共價鍵 、 離子鍵 ， 結合力強 ， E大 溫度 ，熱膨脹 r ， E 不同材料的 E （ 1）金屬） :原子間作用力。取決于 結合鍵的本性和原子間的結合力 ，成分和組織對它的影響 不大。對組織不敏感的性能指標，而高分子和陶瓷 E對結構和組織敏感 （ 2）陶瓷：不僅與結合鍵，還 與陶瓷結構及氣孔率
10、（可看作第 2相）有關 。這一點與 金屬不同，金屬的彈性模量是一個極為穩(wěn)定的力學性能指標，合金化、熱外理、冷熱 加工難以改變它的數(shù)值。但是陶瓷的工藝過程卻對彈性模量有著重大影響。 （ 3） 聚合物：聚合物的彈性模量對結構非常敏感 ， 這與金屬和陶瓷不同 。 兩種特殊的彈性變形行為： 變形與時間有關 ， 表現(xiàn)為應變落后于應力 。 變形通過調(diào)整內(nèi)部分子構象 (需要時間 ） 實現(xiàn) 。 彈性模量很小 ， 形變量很大 ， 高彈態(tài) （ 橡膠 ） ， 聚合物特有的基于鏈段運動的一種力學狀態(tài) 。 銅 、 鋼彈性變形量原試樣的 1 2 ， 而橡膠可達 1000 ， 橡膠的 E比其它固體物質小一萬倍以上 。 （
11、4）復合材料： 應變相同 （ 總應變與各組成應變相同 ， 如復合板模型受力平行于板面 ） ：上限模量 E=E1V1+E2V2 應力相同時 （ 受力垂直于板面 ） ：下限模量 1/E=V1/E1+V2/E2 氣孔（ E=0）為第二相時， E=E0(1-1.9P+0.9P2),E0為無氣孔時的模量， P為氣孔率 2.2.2 廣義 Hooke定律 l l y c b b c z x x x 1） 虎克定律 一長方體，在垂直 x軸兩面受均勻分布正應力 x，對各向同性體，長方體在 x軸的相對伸長 可表示為： = x/E ，為 虎克定律 。（其中 = L/L） 2） 泊松比 當長方體伸長時 ， 側向要發(fā)生
12、橫向收縮 ， 如圖 ， 單獨作用時 ， 在 y,z方向的收縮為： y = - c/c； z = - b/b 橫向變形系數(shù) ， 叫做 泊松比 ： = = ， y= z=-x=-x/E 一般 ， 金屬 為 0.29-0.33， 陶瓷 0.2-0.25,玻璃態(tài)高分子 0.3-0.4， 橡膠 0.499-0.500 x y x z 3） 廣義虎克定律 上述長方體各面分別受有均勻分布的正應力 x, y, z,某一方向 的總應變?yōu)槿齻€主應力在這一方向引起應變量的疊加 ， 此時 （ 廣 義 ） 虎克定律為右式 對剪切應變 ， 有 式中 ， G為剪切模量或剛性模量 ， 表征材料抵抗剪切變形的能力 G， E，
13、有下列關系： G=E/2（ 1+ ） x )(1 zyxE y )(1 zxyE z )(1 yxzE Gxyxy / Gyzyz / Gzxzx / 2.2.3 彈性性能的工程意義 機器零構件在服役過程中都是處于彈性變形狀態(tài) 彈力足夠，剛度不足 剛度足夠，彈力不足 彈力 -吸收和釋放彈性功的能力；左 吸收能力差 ， 右 釋放能力差 彈性功 -外力使材料產(chǎn)生彈性變形 ， 外力做功被儲存在材料內(nèi) （ 被材料吸收 ） 未完全加載變形至最大，撤載恢復 全加載仍彈性范圍，撤載后不完全恢復 1)剛度：在彈性變形范圍，構件抵抗變形的能力。 定義： Q = P/ = A/ = E A P：壓強； A：截面積
14、 剛度不足會導致過量彈性變形而失效，提高 A可提高剛度 零件的剛度與材料的剛度不同，它除了決定于材料的剛度外還 與零件的截面尺寸與形狀，以及截面積作用的方式有關 比彈性模量彈性模量密度 機械設計中，剛度是第一位的，它保證精度，曲軸的結構和尺 寸常常由剛度決定，然后強度校核 2）彈性比功（單位體積的彈性能）：指材料吸收變形功而不發(fā)生永久 變形的能力，它標志著單位體積材料所吸收的最大彈性變形功。 提高彈性比功 : 彈性極限 e，是強度指標，可通過工藝調(diào)整； E，是剛度指標，與原子間結合力有關，結構不敏感； 增加體積 V可有效提高彈性功（但非彈性比功），即儲存在零件中的彈性能增大 應力 -應變曲線下
15、彈性范圍所吸收的變形功的能力 ,又稱彈性比能， 應變比能。其大小為圖中陰影面積： 即 ： 彈性比功 = 其中 e為材料的彈性極限，它表示材料發(fā)生彈性變形的極限抗 力 EE Eeeee 2 212121 單位拉伸時，對物體所做的功（儲存在物體內(nèi)），為彈性功： 2/2 22 0 EVl lEAdll lEAA d lEA d lP d lW L 2.2.4 彈性不完整性 完整性 -加載立刻變形，卸載迅速恢 復， 同步，變形值與時間無關 1）彈性后效：應力作用下，應變隨時間而發(fā)展的行為，以 及應力去除后應變逐漸恢復的現(xiàn)象，統(tǒng)稱之。 A B C D E F H I O 時間 t 加載（正彈性后效） 卸
16、載（反彈性后效 =工程上的彈性后效） :O-A-B B-D-O t: O-C-E E-I-F :O-C-H H-D-O 2）彈性滯后環(huán)（內(nèi)耗）：彈性后效 加載和卸載曲線不重合 封閉的滯后回線，上圖的 OABDO=彈性滯后環(huán)，面積為 “ 加 載作功 -卸載作功 =被吸收的功 ” ，稱 “ 內(nèi)耗 ” 。 反映材料在應力作用下，以不可逆方式吸收能量而不被破壞的能 力，可靠自身來消除機械振動等的能力（消振性），適于飛機螺 旋槳、氣輪機葉片等。不適于彈簧秤等精密構件用材。 粘彈性 :一些非晶體 （ 高分子聚合物 ） 或高溫狀態(tài)下的材料 （ 多晶玻璃轉化溫度附近 ） ， 常 是彈性和粘性同時出現(xiàn) ， 這種
17、形變在外力去除后不能自動恢復 ， 但施加相反方向力可逐漸恢 復 。 瀝青或油灰 ， 快速應力 -彈性；緩慢應力 -粘性；玻璃棒在酒精燈下 （ 緩慢 ） 拉成很長的 細絲 （ 截面積均勻 ， 無頸縮 ） 。 機床底座？ 4） 包辛格（ Bauschinger）效應 ： 定義：指原先經(jīng)過變形，然后反向加載 時，彈性極限（ P）或屈服強度（ S）降低的現(xiàn)象。 實際材料 T10鋼的包辛格效應 ： 條件： T10鋼淬火 350 回火 拉伸時 ， 曲線 1 0.2=1130M Pa ；曲線 2事先經(jīng)過預 壓變形再拉伸時 , 0. 2 =880M Pa （ 包辛格效應理論上解釋： 用位錯 (等位錯 )理論
18、原先加載變形時 ,位錯源在滑移面上產(chǎn)生的位錯遇到障礙 ,塞積后產(chǎn)生了背應力 ,當反向加載 時 ,位錯運動的方向與原來方向相反 ,背應力幫助位錯運動 ,塑性變形容易 ,屈服強度 ,另外 ,反 向加載時 ,滑移面上產(chǎn)生的位錯與預變形的位錯異號 ,異號位錯銷毀 ,引起材料軟化 , S ） 作業(yè)： 1、 某汽車彈簧 ， 在裝滿載時 ， 已變形到最大位置 ， 卸載后可完全 恢復到原來位置；另一汽車彈簧 ， 使用一段時間后發(fā)現(xiàn)彈簧弓形 越來越小 ， 即產(chǎn)生了塑性變形 ， 而且塑性變形量越來越大 。 試分 析二者的本質和改進措施 。 2、彈性模量的物理本質，比較金屬、陶瓷、聚合物、復合材料彈 性模量的異同。
19、 3、形變強化 VS 包辛格效應 ? 4、正彈性后效 VS 屈服平臺？ 5、 彈性滯后環(huán)（內(nèi)耗）及其應用？ 2.3 塑性變形 金屬區(qū)別于其它的 2重要特征 塑性變形：具有延展性、可被加工 形變強化：利用塑性變形提高強度、超載時免于破壞 外力移去后不能恢復的變形，受 此形變而不破壞的能力 ？ 2.3.1 塑性變形的微觀機制 滑移和孿晶 滑移：在切應力下，沿一定的滑移系統(tǒng)移 動，屬整體的切變：一部分晶體相對另一 部分平移移動；常見、變形量大 孿晶：晶體內(nèi)局部區(qū)域的一個切變過程， 變形區(qū)與未變形區(qū)的晶體取向成鏡面對稱 關系，是滑移的補充；不常見、變形量小 兩種 滑移 機制 1、 晶格滑移 滑移系統(tǒng)：
20、滑移面 +滑移方向 滑移面上 F方向的應力： =F/A/cos =F cos /A 此應力在滑移方向的分剪應力： = F cos /A cos 如 0（臨界剪應力）時，在此向滑移 滑移條件：幾何因素 +靜電因素 滑動較小距離就可使晶體復原 在滑移過程不會遇到同號離子的巨大斥力 NaCl型結構的離子晶體在（ 110）面族 的沿 方向的滑移 金屬：金屬鍵，無方向性，容易滿足幾何、靜電條件，滑移系統(tǒng)多； 陶瓷：離子 /共價鍵，明顯方向性，同號離子斥力大，滑移系統(tǒng)少； 上述對單晶體而言 ， 對多晶 （ 多數(shù)陶瓷 ） ， 個別晶?；?， 受周圍晶粒的約 束 ， 宏觀體現(xiàn)不 。 右圖是整排原子的同時移動
21、 ， 實際也不如此 ， 位錯運動 2、 塑性變形的位錯運動 實際晶體，位錯缺陷，受剪力時，不是整體 兩部分晶體的相對運動，而是位錯在滑移面 上沿滑移方向的運動，位錯運動比晶體兩部 分整體相對運動容易的多 內(nèi)力平衡時原子勢能最低 位錯 （ 缺陷 ） 處勢能較高 空位附近原子 C2遷移到空位上需克服的勢 壘 h（升高溫度或外力做功提供） 夾頭運動速度 : 降落 ,即屈服降落 。 （ 3）真實應力應變曲線 S- , S, S- - 真實應力應變曲線 S=P/A， A為瞬時真實截面積 比較：條件應力 =P/A0與真實應力 S=P/A： P相同時 ， S S- 避免了 - 假象，真實反映了拉伸過程材料的
22、應力應變關系。 真實應力應變曲線可用 方程表示 n稱為加工硬化指數(shù)或應變硬化指數(shù)， K叫做強度系數(shù)。如取對數(shù) ,則有 在雙對數(shù)的坐標中真應力和真應變成線性關系 ,直線的斜率即為 n。 S=K n 方程 K相當于 =1.0時的真應力 理想彈性體 n=1 為一 45斜線 理想塑性體 n=0 為一水平直線 n=1/2 為一拋物線。 加工硬化指數(shù) n反應了材料開始屈服后 ， 繼續(xù)變形時材料的應變硬化情況 ， 它決 定了材料開始發(fā)生頸縮時的最大應力 。 n還決定了材料能夠產(chǎn)生的最大均勻應變 量 。 n增大 ， 加工硬化強 、 均勻變形大 實際應用：減輕汽車重量對降低燃油消耗有很重要的作用。汽車車身或底盤
23、約占汽車總重 量的 60。底盤的主要尺寸是按比剛度 來確定的，鋁合金的比剛度比鋼 (低合金高 強度鋼 )大。汽車車身用材？ 不銹鋼有很大的加工硬化指數(shù) n=0.5， 因而也有很高的均勻變形量 。 不銹鋼的屈服強 度不高 ， 但如用冷變形可以成倍地提高 。 汽車身板鋁合金化 ， 其 n值較低 ， 冷加工或 沖壓性能差 。 (4)頸縮條件 dP=d(SA)=AdS+SdA=0 即 -dA/A=dS/S 又按體積不變定理 dL/L = -dA/A = d 故有 dS/d=S （頸縮條件） 即 當 加工硬化速率等于該處的真應力時就開始頸縮 。 應力 -應變曲線上的應力達到最大值時即開始出現(xiàn)頸縮。在頸縮
24、前變形沿整個試樣長度是均 勻的，發(fā)生頸縮后變形則主要集中在局部區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)橫截面越來越細，局部應力越來 越高，直至不能承受外加載荷而斷裂。出現(xiàn)頸縮時正是相當于負荷 -變形曲線上的最大載荷 處，因此，應有 dP=0 （ 5）形變強化的實際意義 實質：塑性變形消除了部分容易運動的位錯 ， 再塑性變形需要更 大的力驅使更難運動的位錯開始運動； 意義： 1）材料安全性的定量指標，偶然過載或局部應力集中超過屈服強 度時，應變強化會使局部的屈服強度隨塑性變形不斷增加，防止 因塑性變形的不斷繼續(xù)發(fā)展而導致材料斷裂； 2）工程上強化材料的重要手段，尤其是對不能進行熱處理強化的 材料，如變形鋁合金和奧氏體不
25、銹鋼，形變強化成為提高其強度 的重要手段； 3）保證某些冷成型工藝，如冷拔線材和深沖成型等。 2.3.3 靜力韌度 韌性是指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。韌度則是 度量材料韌性的力學性能指標。 對拉伸斷裂，韌度可以理解為真應力 -應變曲線下所包圍的面積， （材料在靜拉伸時單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功叫做靜力 韌度。） 即： W = 靜力韌度是一個強度與塑性的綜合指 標。單純的高強度材料象彈簧鋼，其 靜力韌度不高，而只具有很好塑性的 低碳鋼也沒有高的靜力韌度，只有經(jīng) 淬火高溫回火的中碳 (合金 )結構鋼才 具有最高的靜力韌度 f Sd0 2.4 材料的斷裂 （ 1） 金屬靜拉伸
26、斷口 纖維區(qū) ：中心位置，裂紋形成，顏色灰暗，表面有較 大的起伏，如山脊狀，表明裂紋在該區(qū)擴展時伴有較 大的塑性變形，裂紋擴展也較慢； 放射區(qū) ：表面較光亮平坦，有較細放射狀條紋，裂紋 在該區(qū)擴展較快； 剪切唇 ：接近試樣邊緣，應力狀態(tài)改變（平面應力狀 態(tài)），最后沿著與拉力軸向成 40-50 剪切斷裂，表面 粗糙發(fā)深灰色。 三個區(qū)域的比例定塑性的好壞。如放射區(qū)較大，則材料 的塑性低，因為這個區(qū)域是裂紋快速擴展部分，伴隨的 塑性變形也小。塑性好的材料，纖維區(qū)和剪切唇占很大 比例，甚至中間的放射區(qū)可以消失。 正斷 -切斷 : 斷面與最大應力方向不同 脆斷 -韌斷 : 斷裂前塑性變形大小不同 混合斷
27、口 （ 2）典型金屬斷口特征 微孔聚合 (韌斷機制 ):一個個韌窩 (凹坑 ) 穿晶斷裂 解理斷裂 : 河流狀 (裂紋源于晶界 ) 舌狀 (裂紋沿孿晶擴展留下的凹坑或凸臺 ) 準解理 (源于晶內(nèi)夾雜 ,是非河流狀 ) 沿晶斷裂 冰糖狀 石狀 （ 3） 陶瓷材料斷裂 鏡面區(qū) ：包圍著斷裂源的光滑區(qū)域 （ 在玻璃中 ， 這一區(qū)域有很高的反 射率；多晶材料中 ， 表面晶粒的存在降低了這一區(qū)域的反射率 ） 霧狀區(qū) ：隨裂紋擴展的加速 ， 表面粗糙度增加 羽毛區(qū) ：直至裂紋開始分叉，形成一個條紋狀區(qū)域 穿晶與沿晶 含氣孔 層片解理 裂紋擴展 陶、炻、瓷、先進；非晶、單晶、多晶；強晶界、弱界面；補強增韌 起裂區(qū) ：裂紋萌生區(qū)域 ， 提供材料斷裂起因 擴展區(qū) ：裂紋不斷擴展增大 、 提供裂紋擴展方向 、 路徑和塑性變形信息 斷裂區(qū) ：瞬時斷裂，提供邊界對斷裂的影響 （ 4） 高分子材料斷裂 （ 5） 復合材料斷裂 纖維拔出 作業(yè)： 1、 為什么常溫下金屬材料的塑性變形比陶瓷材料大得多 ？ 2、材料屈服現(xiàn)象的本質 3、 脆性 、 延性斷裂區(qū)別 4、 微孔聚合 、 沿晶 、 解理斷裂的斷口特征
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