2022年th材料在静载下的力学行为.docx

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1、第 1 章 材料在静载下的力学行为1.1 应力一应变曲线静拉伸是材料力学性能试验中最基本的试验方法；用静拉伸试验得到的应力应变曲线，可以求出很多重要性能指标；如弹性模量 E，主要用于零件的刚度设计中；材料的屈服强度 s 和抗拉强度 b 就主要用于零件的强度设计中，特殊是抗拉强度和弯曲疲惫强度有肯定的比例关系，这就进一步为零件在交变载荷下使用供应参考；而材料的塑性，断裂前的应变量，主要是为材料在冷热变形时的工艺性能作参考；1. 单向静拉伸试验特点 :1） 最广泛使用的力学性能检测手段；2） 试验的应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定（方法： GB/T228-2002；试样： GB/T63

2、97-1986）；3） 最基本的力学行为（弹性、塑性、断裂等）；4） 可测力学性能指标：强度（ ）、塑性（ 、f）等；2. 不同材料的应力应变曲线1） 脆性材料的应力应变曲线典型材料：玻璃、多种陶瓷、岩石，低温下的金属材料、淬火状态的高碳钢和一般灰铸铁等；曲线特点：在拉伸断裂前，只发生弹性变形，不发生塑性变形，在最高载荷点处断裂2） 塑性材料的应力应变曲线12 / 123） 高分子材料的应力应变曲线1.2 弹性变形阶段1.2.1 弹性变形及其实质1. 弹性变形定义：当外力去除后，能复原到原先外形或尺寸的变形（应力与应变之间都保持单值线性关系），叫弹性变形；特点为：单调、可逆、变形量很小 （ 0

3、.51.0%）2. 弹性的物理本质其实质是构成材料的原子（离子）或分子自平稳位置产生可逆位移的反映；金属的弹性性质是金属原子间结合力抗击外力的宏观表现；3. 说明：双原子模型原子间相互作用力 F 与原子间距 r 的关系为：弹性模量双原子模型式中 A、B 分别为与原子本性或晶体、晶格类型有关的常数；原子的位移总和在宏观上就表现为变形；外力去除后，原子依靠彼此之间的作用力又回到原先的平稳位置，位移消逝，宏观上变形也就消逝；这就是弹性变形的可逆性；4. 胡克定律单向拉伸剪切和扭转E、G 的关系5. 弹性模量的影响因素工程上把弹性模量 E、G 称为材料的 刚度，它表示 材料在外载荷下抗击弹性变形的才能

4、 ，在机械设计中，有时刚度是第一位的；精密机床的主轴假如不具有足够的刚度，就不能保证零件的加上精度；如汽车拖拉机中的曲轴弯曲刚度不足，就会影响活塞、连杆及轴承等重要零件的正常工作；影响因素材料的弹性模量主要 取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏锐的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点；转变材料的成分和组织会对材料的强度（如屈服强度、抗拉强度）影响显著，但对 材料的刚度影响 不大；从大的范畴说， 材料的弹性模量第一打算于结合键；合金化、热处理、冷塑性变形对弹性模量的影响不大，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏锐的力学性能指标，外在因素

5、变化对它的影响也比较小；键合方式：共价键、离子键和金属键具有较高的 E,分子键的 E 较低；如陶瓷材料， E 高但很小；橡胶的 E 很小，但 很大， 金属介于两者之间；共价键结合的材料弹性模量最高，所以像SiC；陶瓷材料和碳纤维的复合材料有很高的弹性模量；而主要依靠分子键 结合的 高分子 ，由一分子键力弱，其弹性模量最低； 金属键有较强的键力 ，材料简单塑性变形，其弹性模量适中， 但由于各种金属原子结合力不同 ，也会有较强的键力，材料简单塑性变形，其弹性模量适中，但由于各种金属原子结合力不同，也会有很大的差别，例如铁（钢的弹性模量为 210GPa），是铝 铝合金的 3 倍（ E=70GPa），

6、而钨的弹性模量是铁的两倍（ E=420GPa），弹性模量是与材料的熔点成正比的，越是难熔的 材料其弹性模量也越高；原子半径 E = k / rm晶体结构： 对各向异性晶体，沿 原子密排面 E较大；化学成分与微观组织 ：对金属材料，变化很小；温度：金属的 弹性模量随温度上升的下降速度比陶瓷材料高出大约 1 倍高温下，期望用陶瓷材料替代金属；加载速度 ：影响小；1.2.2 弹性比功又称弹性比能或应变比能，表示金属材料吸取弹性变形功的才能；金属拉伸时的弹性比功用 应力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积表示；e 材料最大弹性应变；e 为材料的 弹性极限 ，它表示材料发生弹性变性的 极限抗力 ；理论上弹性

7、极限的测定应当是 通过不断加载与卸载，直到能使变形完全复原的极限载 荷；实际上在测定弹性极限时是以规 定某一少量的残留变形 如 0.01%为标准，对应此残留变形的应力即为弹性极限；欲提高材料的弹性比功， 途径有二 ：提高e,或者降低 E；由于 e 是二次方，所以提高 e 对提高弹性比功的作用更显著；弹簧的分类：硬弹簧：弹簧钢制造，通过合金化、热处理和冷加工，提高其弹性极限 的方法来增大弹性比功；软弹簧（外表弹簧）：磷青铜或铍青铜制作，具有较高的弹性极限和较小的弹性模量 ，因而弹性比功也较大；弹性性能的工程意义任何一部机器（或构造物）的零（构）件在服役过程中都是处于弹性变外形态的；结构中的部分零

8、（构）件要求将弹性变形量掌握在肯定范畴之内，以防止因过量弹性变形而失效；另一部分零（构）件，如弹簧，就要求其在弹性变形量符合规定的条件下，有足够的承担载荷的才能，即不仅要求起缓冲和减震的作用，而且要有足够的吸取和释放弹性功的才能，以防止弹力不足而失效；前者反映的是刚度，后者就为弹性比功问题；1.2.3. 弹性的不完整性在应力的作用下产生的应变，与应力间存在三个关系：线性、瞬时和唯独性；而在实际情形下，三种关系往往不能同时满意，称为弹性的不完整性；1.2.3.1 弹性后效滞弹性抱负的弹性体其弹性变形速度是很快的，相当于声音在弹性体中的传播速度；因此， 在加载时可认为变形立刻达到应力应变曲线上的相

9、应值，卸载时也立刻复原原状，图上的加载与卸载应在同始终线上，也就是说应变与应力始终保持同步 ；但是，在实际材料中有应变落后于应力现象，这种现象叫做 滞弹性如图 1-2；1. 影响因素 ：2. 危害：3. 弹性滞后环组织的不匀称性； 温度（上升）；应力状态（切应力成分大时）；外表的精确性；制造业中构件的外形稳固性（校直的工件会发生弯曲）；在弹性变形范畴内，突然加载和卸载的开头阶段，应变总要落后于应力，不同步；因此，其结果必定会使得加载线和卸载线不重合,而形成一个闭合的滞后回线，这个回线称为弹性滞后环；滞后环的外形： 假如所加载荷不是单向的循环载荷，而是交变的循环载荷，并且加载速度比较缓慢，弹性后

10、效现象来得及表现时，就可得到两个对称的弹性滞后环（图a）；假如加载速度比较快，弹性后效来不及表现时，就得到如图（ b）和（ c）的弹性滞后环；滞后环的面积： 环面积的大小表示被金属 吸取的变形功的大小 ；在交变载荷下，环的面积代表材料以不行逆方式吸取能量 即内耗 而不破坏的才能 ，也称为 循环韧性 ；也可懂得为材料靠自身来排除机械振动的才能（即消振性的好坏），所以在生产上是一个重要的机械性能指标，具有很重要的意义；1） 滞后环的应用：消振性： Cr13 系列钢和灰铸铁的循环韧性大，是很好的消振材料，所以常用作飞机的螺旋桨和汽轮机叶片、机床和动力机器的底座、支架以达到机器稳 定运转的目的；乐器：

11、 对追求音响成效的元件音叉、簧片、钟等，期望声音长久不衰，即振动的连续时间长期，就必需使循环韧性尽可能小；2） 滞弹性缘由产生弹性后效的缘由可能与 金属中点缺陷的移动 或变形的不匀称性 有关；3） 滞弹性意义在外表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑弹性后效问题，如长期受载的测力弹簧、薄膜传感件等；如选用的材料弹性后效较明显，会使外表精度不足甚至无法使用；1.2.3.2 应力放松粘弹性高分子材料表现突出材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在；特点：应变对应力的响应（或反之）不是瞬时完成的，是一个弛豫过程；高聚物力学性质随时间而变化的现象称为力学放松或粘弹现象；静态粘弹性

12、：蠕变和应力放松动态粘弹性 ：滞后与内耗现象应力放松 Stress Relaxation在恒温下保持肯定的恒定应变时，材料应力随时间而逐步减小的力学现象；1.2.3.3 包申格 Bauschinger效 应1） 包申格现象金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变约为1%4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载规定残余伸长应力降低（特殊是弹性极限在反向加载时几乎降低到零）的现象，称为 包申格效应 ；2） 敏锐材料对某些钢和钛合金，因包申格效应可使规定残余伸长应力降低15% 20%，全部退火状态和高温回火的金属与合金都有包申格效应，因此，包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象；3） 缘由： 包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关；（a） 认为由于位错塞积引起的长程内应力（常称反向应力），在反向加载时有助于位错运动从而降低比例极限所致；（b） 由于预应变使位错运动阻力显现方向性所致；由于经过正向形变后， 晶内位错最终总是停留在障碍密度较高处，一旦有反向变形，就位错很简单克服曾经扫过的障碍密度较低处，而达到相邻的另一障碍密度较高处；